OTTLICZKY, Emmerich (Weinbergstr. 76, Ernsbach, 74670, DE)
BRAUNAUER, Walter (Ilsfelderstr. 10, Untergruppenbach, 74199, DE)
WINANDI, Michael (Goethestr. 2, Untereisesheim, 74257, DE)
EVERWIN, Peter (Raubachstr. 23/1, Bad Rappenau, 74906, DE)
OTTLICZKY, Emmerich (Weinbergstr. 76, Ernsbach, 74670, DE)
BRAUNAUER, Walter (Ilsfelderstr. 10, Untergruppenbach, 74199, DE)
WINANDI, Michael (Goethestr. 2, Untereisesheim, 74257, DE)
PATENTANSPRüCHE
1.
Verfahren zur Herstellung eines Gußteiles unter Verwendung einer Gießmaschine, die zumindest eine mit einer Gießschmelze auffüllbare Gießform aufweist, wobei die Gießform mit Gießschmelze aufgefüllt wird, danach abgewartet wird, bis die Gießschmelze vollständig erstarrt ist und danach das Gußteil der Gießform entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießschmelze von der Gießmaschine mit einer Füllgeschwindigkeit von weniger als 10 m pro Sekunde im Anschnitt drucklos in die Gießform eingefüllt und mit einem Gießdruck größer als 100 bar in der Gießform nachgedrückt wird.
2.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Füllgeschwindigkeit weniger als 1 m pro Sekunde beträgt und nach dem Füllvorgang und der Gießdruck größer als 500 Bar beträgt.
3.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Auffüllen der Gießform mit Gießschmelze in die Gießform zumindest ein druckfester Gießkem zur Erzielung eines Hohlraumes in dem Gußteil eingesetzt wird.
4.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Gießform entnommene Gußteil in zumindest zwei oder mehr Teilgußteile getrennt wird.
5.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform vor und/oder während des Auffüllvorganges mit Gießschmelze evakuiert wird.
6.
Gußteil, hergestellt nach dem Verfahren einer der vorhergehenden Ansprüche.
7.
Gußteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gußteil ein Kolbenrohling für einen Kolben einer Brennkraftmaschine ist.
8.
Gußteil nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform und der druckfeste Kern so geformt sind, dass zumindest zwei miteinander verbundene Kolbenrohlinge gegossen werden. |
B E S C H R E I B U N G
Verfahren zur Herstellung eines Gußteiles, insbesondere eines Kolbenrohlings
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gußteiles und ein nach diesem Verfahren hergestelltes Gußteil gemäss den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1.
Verfahren zur Herstellung von Gußteilen unter Verwendung einer Gießmaschine, die zumindest eine mit einer Gießschmelze auffüllbare Gießform aufweist, wobei die Gießform auf unterschiedlichste Weise mit Gießschmelze aufgefüllt wird, danach abgewartet wird, bis die Gießschmelze vollständig erstarrt ist und danach das Gußteil der Gießform entnommen wird, sind bekannt. Diesbezüglich wird auf die EP 0 120 649 B1 , die EP 0 805 725 B1 , die EP 0 115 150 B1 oder die EP 0 338 419 B1 verwiesen.
Bei diesem Stand der Technik handelt es sich einerseits um Gießverfahren, die auch Niederdruck-Gießverfahren genannt werden. Bei diesen Niederdruck-Gießverfahren werden Gießmaschinen eingesetzt, bei denen der Gießdruck kleiner als 1 bar und die Schmelzengeschwindigkeit im Anschnitt deutlich kleiner als 1 m pro Sekunde beträgt und damit die Füllung der Gießform mit laminaren Schmelzfluß sicherstellt. Die mit einem Niederdruck-Gießverfahren hergestellten Gußteile zeichnen sich zwar durch eine gute Materialeigenschaften aus, haben jedoch den Nachteil, dass es relativ lange dauert, bis die Schmelze in der Gießform erstarrt ist. Dies ist gerade bei der Serienherstellung von Gußteilen (wie zum Beispiel für Kolben von Brennkraftmaschinen) nachteilig, da einschließlich der Vor-und Nachbereitung relativ viel Zeit vergeht.
Neben diesem Niederdruck-Gußverfahren gibt es sogenannte Druckguß-Verfahren, die mit Füllgeschwindigkeiten im Anschnitt größer als 10 m pro Sekunde und Gießdrücken weit oberhalb von 100 bar arbeiten. Auch mit diesen Druckguß-Verfahren lassen sich
zufriedenstellende Gußteile herstellen. Diese auch Hochdruck-Gußverfahren genannte Verfahren haben allerdings den Nachteil, dass die Gießform mit sehr hohen Füllgeschwindigkeiten befüllt wird, mit der Folge hoher Turbolenzen. Daraus resultiert eine Vermischung von Schmelze und Gasen, die unter hohem Druck erstarrt, und die dennoch den Nachteil von Fehlstellen wie Lunker, Porositäten und oxidischen Einschlüssen aufweisen und damit die Materialeigenschaften des Gussteils stark.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Gußteiles bereitzustellen, wobei die mittels dieses Verfahrens hergestellten Gußteile hinsichtlich ihrer Festigkeit und hinsichtlich ihres Gefüges deutlich gegenüber solchen Gußteilen verbessert sind, die im Niederdruck-Gießverfahren oder in einem Druckguß-Gießverfahren mit den vorstehend genannten Parametern hergestellt worden sind.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass die Gießschmelze von der Gießmaschine mit einer Füllgeschwindigkeit von weniger als 10 m pro Sekunde im Anschnitt drucklos in die Gießform eingebracht und bei Nachdrücken weit über 100 bar erstarrt. Dieses Gießverfahren, welches hier beansprucht wird, wird auch als Squeeze-Casting (auch SC abgekürzt) bezeichnet. Hierbei ist es wichtig, dass der hier verwendete Begriff Squeeze- Casting für ein Gießverfahren steht, das mit einer Füllgeschwindigkeit von weniger als 10 m pro Sekunde im Anschnitt und mit einem Gießdruck größer als 100 bar durchgeführt wird. Im Stand der Technik werden auch schon Gießverfahren mit dem Begriff Squeeze- Casting bezeichnet, für die deutlich andere Parameter, Maschinen- und Werkzeugkonzepte vorliegen, die nicht zu den gewünschten Gießergebnissen, wie sie im Folgenden beschrieben werden, führen.
Das erfindungsgemässe Squeeze-Casting-Verfahren hat den Vorteil, dass ein qualitativ hochwertiger Guß entsteht, der frei von Einschlüssen ist und ein äußerst feines homogenes Gefüge aufweist. Da die Gießform und im besonderen ein dort eingesetzter druckfester Gießkern (Sand oder Salz) beliebig gestaltet werden kann, sind große
konstruktive Freiheiten gegeben, die gleichzeitig aufgrund der vorteilhaften Füllgeschwindigkeit und des vorteilhaften Gießdruckes zu einer hohen Taktfolge und damit zu sehr kurzen Zykluszeiten bei der Serienherstellung von Gußteilen einhergeht. Dadurch lassen sich die Herstellkosten vergleichbar dem hochproduktiven Druckgussverfahren unter Beibehaltung der mit dem Niederdruckverfahren vergleichbaren Gußqualität deutlich reduzieren.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand der Figuren 1 bis 3 erläutert, wobei sich die Figurenbeschreibung auch auf die Unteransprüche bezieht.
In Figur 1 sind Prozessparameter verschiedener Gießverfahren, die aus dem Stand der Technik (Niederdruck-Gießverfahren und Druckguß-Gießverfahren) bekannt sind, mit dem erfindungsgemäßen Squeeze-Casting verglichen.
Bei dem Niederdruck-Gießverfahren (ND-Guß) wird mit Füllgeschwindigkeiten im Anschnitt von deutlich unterhalb einem Meter pro Sekunde und Gießdrücken ebenfalls deutlich unter 1 Bar gearbeitet.
Bei den Druckguß-Gießverfahren wird mit Füllgeschwindigkeiten im Anschnitt größer 10 m pro Sekunde und Gießdrücken größer 100 Bar gearbeitet.
Es ist bekannt, dass in den dazwischenliegenden Bereichen (Füllgeschwindigkeiten etwa zwischen 0,1 und 10 m pro Sekunde und Gießdrücken etwa zwischen 1 und 100 bar, d,h Mischbereich mit einer laminaren turbulenten Füllung bei nichtausreichendem Druck zur Nachspeisung) zwar Gußteile herstellbar sind, diese aber keine befriedigenden Gebrauchseigenschaften aufweisen, die zum Beispiel hinsichtlich der Festigkeit von großem Nachteil sind.
Erfindungsgemäss ist nun vorgesehen, dass das Squeeze-Casting mit einer Füllgeschwindigkeit im Anschnitt von weniger als 10 m pro Sekunde, vorzugsweise weniger als einem Meter pro Sekunde und einem Gießdruck größer als 100 bar, vorzugsweise größer 500 bar, durchgeführt wird. Durch diese Prozessparameter, die von
der verwendeten Gießmaschine geregelt eingestellt und durchgeführt werden können, lassen sich die gewünschten Materialeigenschaften wie Gefüge und mechanische Kennwerte des Gußteiles erzielen, bei gleichzeitig hohen Taktraten bei der Herstellung solcher Gußteile. Die Prozessparameter im Stand der Technik können demgegenüber nicht geregelt, sondern nur gesteuert werden.
Figur 2 zeigt ein Schaubild, das den bekannten Druckguß mit dem erfindungsgemäßen Squeeze-Casting vergleicht. Auf der X-Achse ist die Zeit in Millisekunden eingetragen, wobei auf der linken Y-Achse die Geschwindigkeit eines Gießkolbens der Gießmaschine in Metern pro Sekunde dargestellt ist. Es ist erkennbar, dass beim Druckguß-Verfahren die angenommene Geschwindigkeit von 5,0 Meter pro Sekunde bei werkzeugseitig festliegender Anschnittsgeometrie zu druckgusstypischer turbulenter Füllung führt.
Im Gegensatz hierzu wird die Gießkolbengeschwindigkeit im SC-Verfahren während des Füllvorganges bei zum Beispiel 0,5 Metern pro Sekunde begrenzt, was bei deutlich vergrößerter Anschnittsgeometrie eine laminare Formfüllung sicherstellt.
Die in Figur 2 dargestellte Druckkurve (Parameter p) zeigt schematisch den identischen Druckverlauf bei den beiden beschriebenen Gießkolbengeschwindigkeiten (v Ko iben-sc, Vκoiben-DG, Kolben = Gießkolben der Gießmaschine).
Ein Ausführungsbeispiel einer Gießform, welche bei dem erfindungsgemässen Squeeze- Casting angewendet wird, ist in der Figur 3 dargestellt.
Die Gießform ist entweder so gestaltet, dass mit ihr nur ein einziges Gußteil hergestellt werden kann. In vorteilhafter Weise ist zum Beispiel zur Herstellung von Kolbenrohlingen die Gießform so gestaltet, dass zumindest zwei nach dem Gießvorgang miteinander verbundene Kolbenrohlinge gegossen werden, wobei das fertige, aus der Gießform entnommene Gußteil, entlang einer Trennstelle getrennt wird, beispielsweise durch einen Sägevorgang, um die beiden Kolbenrohlinge zu realisieren, die der weiteren Nachbearbeitung zur Verfügung gestellt werden können. Dabei muss das Gußteil nicht zwangsweise nur zwei miteinander verbundene Teilgießteile aufweisen, sondern es kann
auch mehr als aus einem Formnest bestehen, die nach dem Gießen über das Gießsystem miteinander verbunden sind und anschließend voneinander getrennt werden.
Die Gießform ist mit der Bezugsziffer 1 versehen und wird an einer Platte 2 der Gießmaschine (hier nur schematisch dargestellt mit einem Gießkolben 3 und einem Anschnitt 4) befestigt. Die Gießform 1 wird mit einem druckfesten Kern 5, zum Beispiel einem Salzkern, versehen, d.h. dass in die Gießform zumindest ein druckfester Gießkern zur Erzielung eines Hohlraumes in den Gußteil eingesetzt wird.
Ist das Gußteil, das mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt werden soll, zum Beispiel ein Kolben einer Brennkraftmaschine, so ist die Innenkontur der Gießform 1 der Außenkontur des zu gießenden Kolbenrohlings entsprechend, während die äußere Kontur des Salzkernes die innere Kontur des Kolbenrohlings abbildet. Zur Realisierung von Bolzenbohrungen in dem Kolben werden in der Gießform 1 noch Bolzen 6 eingesetzt.
Weiterhin ist es noch von Vorteil, wenn die Gießform vor und/oder während des Auffüllvorganges mit der Gießschmelze evakuiert wird. Hierzu weist die Gießform 1 eine entsprechende öffnung 7 auf, über die mit entsprechenden Mitteln ein Absaugen der Gießgase innerhalb der Gießform 1 realisiert werden kann.
Die Arbeitsfolge bei dem erfindungsgemässen Squeeze-Casting ist dabei wie folgt:
Die Gießform 1 wird mit einem Trennmittel behandelt, zum Beispiel durch Aufsprühen. Anschließend wird der druckfeste Kern 5 (oder mehrere Kerne) eingesetzt, die entsprechende Bereiche in dem Gußteil (dem Kolbenrohling) abbilden. Vor oder während des Auffüllens der Gießform 1 mit Gießschmelze durch den Anschnitt 4 wird über die öffnung 7 die Gießform 1 evakuiert. Nachdem mit den wie zuvor beschriebenen Prozessparametern die Gießform 1 mit Gießschmelze aufgefüllt worden ist, kann das fertige, hier nicht näher bezeichnete Gußteil der Gießform entnommen werden und das fertige Gußteil weiterbehandelt werden. Das fertige Gußteil wird zum Beispiel in einem Wasserbad abgeschreckt und gleichzeitig durch vorgegossene öffnungen der Kern 5 entfernt, zum Beispiel durch Ausspülen. Nach dem anschließenden Entfernen (zum
Beispiel durch Absägen) des Pressrestes, der sich in Richtung des früheren Anschnittes 4 befindet, kann das einteilige Gußteil entweder weiterbearbeitet werden oder, falls als ein- oder mehrteiliges Gußteil aus mehrfachen Gießnestern (wie zum Beispiel Kolbenrohlinge), getrennt werden. Danach können diese Teile weiterbearbeitet werden, insbesondere einer Wärmebehandlung unterzogen werden und auf Endmass (zum Beispiel durch spanabhebende Bearbeitung) gebracht werden.