Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von Bauteilen, wobei flüssiges Material in einen Formhohlraum einer Gießform eingebracht und dort verfestigt wird. Bei der Formgebung von Bauteilen aus dem flüssigen Werkstoffzustand sind eine Vielzahl unterschiedlichster Ver¬ fahren und Vorrichtungen bekannt, die mehr oder weniger die an ein hoch¬ wertiges Werkstück zu stellenden Anforderungen im Hinblick auf Gestaltungs¬ freizügigkeit, Oberflächgüte und insbesondere optimale Werkstoffeigenschaf¬ ten erreichen. Die Hauptschwierigkeiten liegen zunächst beim For füllvor- gang, wobei das anfangs kompakte Schmelzevolumen aufgeteilt und eine große Oberfläche dem Angriff der Luftatmosphäre ausgesetzt wird, was durch ent¬ sprechende Reaktionen zu einer Beeinträchtigung der Werkstoffquälität führt. Besonders betroffen sind hiervon geschmolzene Metallegierungen, deren Legierungsbestandteile ein hohes Reaktionsvermögen mit dem Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf der Luft besitzen. So wurde schon früh für derart empfindliche Legierungen das Kippgießverfahren beispielsweise nach Durville angewendet.

Die DE-PS 377 683 schlägt ein Verfahren vor, bei dem aus einem länglichen Gießgefäß nacheinander zahlreiche Gußstücke hergestellt werden. Beim Gie߬ vorgang wird der Schmelzebehälter aufgerichtet, wodurch ein beschränkt höherer metallostatischer Druck erzielt werden kann. Hierbei hat jedoch die Atmosphäre freien Zutritt zur Schmelze, so daß insbesondere bei fortschrei¬ tender Entleerung leicht Oxid von der Badoberfläche in den Formhohlraum gelangen kann. Während der Erstarrung des Gußteils bleibt eine direkte Verbindung mit dem großen SchmelzeVorrat im Gießbehälter bestehen, so daß der Erstarrungsablauf verlangsamt wird.

Die DE-PS 505224 beschreibt ein Verfahren, bei dem auf einem ähnlich einer Schaukel angeordneten Gießbehälter zwei Gießformen montiert sind, die ab¬ wechselnd mit Schmelze gefüllt werden. Auch hier hat die Luft freien Zutritt zum Schmelzebad mit großer Oberfläche, so daß die hier vorhandenen Verunrei¬ nigungen besonders leicht in die Gießform gelangen können.

Die DE-PS 21 64 755 beschreibt ein Hochleistungsgießverfahren für Großse¬ rien, bei dem zwar die Nachteile der vorgenannten Vorschläge weitgehend beseitigt werden konnten. Dagegen wird jedoch ein hoher technischer Aufwand erforderlich, der insbesondere bei Störungen an einer einzelnen Gießform alle anderen mit beeinträchtigt.

Beim Erstarrungsablauf in der Gießform treten in der Regel durch Volumenkon¬ traktion und Gasausscheidungen Lunker und Poren im Bauteilgefüge auf, die mit erheblichem Aufwand bekämpft werden müssen. Die Schrumpfungsvorgänge führen auch örtlich zu Spaltbildungen zwischen den Gußwand- und Formwand¬ oberflächen, wodurch der Wärmeübergang erheblich beeinträchtigt wird, was ebenfalls negative Rückwirkungen auf die Gefügequalität hat und auch zu Einfallstellen an der Gußoberfläche führt, die das Bauteil unbrauchbar machen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, mit Hilfe neuartiger Verfahren und einer neuartigen Gießeinrichtung für eine hochwertige Bauteilproduktion erforderliche günstige Bedingungen zu schaffen, sowohl bei der Formfüllung als auch während der Erstarrung der Gußteile, gleichzeitig eine besonders rationelle Fertigung zu ermöglichen und dabei die Nachteile der oben genann¬ ten Verfahren und Vorrichtungen zu vermeiden. Hierbei sollen Turbulenzen und Aufteilung der Schmelze während der Formfüllung vermieden werden. Nach einer weiterführenden Aufgabe sollen die Reaktionen der Legierungsschmelze mit den Gasen der Atmosphäre und des Formhohlraums unterbunden werden. Nach einer anderen weiterführenden Aufgabe soll bevorzugt eine konturenscharfe Füllung erzielt sowie ein optimal feinkörniges und dichtes Bauteilgefüge während des Erstarrungsablaufs sichergestellt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden Verfahren und eine geeignete Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen, wobei ein verschließbarer Behälter für die Schmelze über einen großen Anschnittquer¬ schnitt mit dem Hohlraum einer anfangs über dem Behälter liegenden Gießform verbunden wird.

Der Anschnitt stellt die unmittelbare Verbindung zwischen dem Gießbehälter und dem Formhohlraum dar und soll so bemessen sein, daß eine Drosselung oder Verwirbelung der Schmelze beim Überströmen vermieden werden. Sein großer Querschnitt bezogen auf den Querschnitt des angeschnittenen Formhohlraums bzw. der angrenzenden Formwandteile des Bauteils kann nach einem ersten Ansatz über 40 , insbesondere über 50 % der letztgenannten Querschnitts¬ flächen betragen. Der große Querschnitt bezogen auf den Querschnitt des angeschnittenen Formhohlraums bzw. den Querschnitt der angrenzenden Form¬ wandteile kann sich nach einem weiteren Ansatz über mehr als 50 %, ins¬ besondere mehr als 70%, bevorzugt über im wesentlichen die gesamte Länge der letztgenannten Flächen erstrecken. Der Anschnitt kommuniziert hierbei jeweils mit den tiefst!iegenden Teilen des Formhohlraums bzw. des Formwand¬ teils vor dem Drehen. Nur deren Querschnittsflächen parallel zum Anschnitts¬ querschnitt werden als angeschnittene Flächen bezeichnet, auf die bei der relativen Bemessung des Anschnitts Bezug genommen wird.

Bevorzugt wird zunächst mit Schutzgas gespült, dann mit einem dosierten Schmelzequantum unter Schutzgas gefüllt und gasdicht verschlossen, danach der Behälter mit der Gießform so um eine horizontale Achse gedreht, daß die Schmelze ohne vorlaufende Zungen oder Spritzer in die Form befördert wird.

Vorzugsweise wird hierbei eine Erhöhung des Schutzgasdrucks während des FormfüllVorgangs und/oder des Erstarrungsablaufs vorgenommen. Günstig ist es hierbei, wenn das Schutzgas bei der anschließenden Entspannung zurückgewon¬ nen wird.

Den erfindungsgemäßen Verfahren ist gemeinsam, daß jeweils für einen Gie߬ vorgang eine dem Bruttovolumen des Schmelzequantums für ein Gußteil ent-

sprechende Menge in den Gießbehälter eingebracht wird, die beim Gießvorgang gänzlich erstarrt, wobei nur ein geringer Volumenanteil der Schmelze, der das Speiservolumen bildet, im Anschnitt selber oder ggfs. in geringer Menge im Gießbehälter verbleibt.

Zur Vermeidung der Oxidationsvorgänge wird nach einem ersten erfindungs¬ gemäßen Verfahren bereits der Gießbehälter unter Schutzgas mit flüssiger Schmelze gefüllt, wobei die Schutzgasbeaufschlagung während des Drehens des Gießbehälters mit der Gießform aufrechterhalten bleibt.

Nach einem hierzu alternativen Verfahren wird ein dem Schmelzequantum ent¬ sprechendes festes Metallvolumen in den Gießbehälter eingebracht, erst danach die abdichtende Verbindung zwischen Gießbehälter und Gießform herge¬ stellt und der Innenraum mit Schutzgas gespült, woraufhin dann das Schmelze¬ quantum für einen Abguß im Gießbehälter erschmolzen wird. Im übrigen läuft das Verfahren unverändert ab. Auch hierbei werden Oxidationsvorgänge der flüssigen Phase wirksam vermieden.

Zur Verbesserung des Gefüges wird eine Druckerhöhung des Schutzgases während des Erstarrungsablaufs vorgenommen, wodurch das Speiservolumen und damit der Einsatz an Metall verringert werden kann, da der Überdruck auf dem Schmelze¬ spiegel im Gießbehälter den ansonsten üblichen metallostatischen Druck von hochreichenden Speisern ersetzt.

Nach einem anderen erfindungsgemäßen Verfahren zur Verbesserung der Gußteile wird bei weniger oxidationsfreudigen oder -gefährdeten Legierungen auf den Einsatz von Schutzgas verzichtet, im übrigen aber der zuletzt beschriebene Verfahrensablauf mit einer Erhöhung des Druckes im Innenraum des Gießbehäl¬ ters beim FormfüllVorgang und/oder beim Erstarrungsablauf vorgenommen, um die gleichen Wirkungen eines verringerten Materialeinsatzes und einer verbesserten Gefüge- und Oberflächenqualität des Gußteils herbeizuführen.

Hierbei ist es nach alternativen Verfahrensführungen möglich, entweder das Schmelzequantum in flüssiger Form in den Gießbehälter einzubringen, oder in

fester Form und anschließend im Gießbehälter zu erschmelzen. Im übrigen wird das Verfahren unverändert gegenüber dem zuvorgenannten durchgeführt.

Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur Verbesserung von Gu߬ teilen, die aufgrund der verwendeten Legierungen und/oder der Formgebung weniger zu Lunkerbildung und zu Einfallstellen neigen, wird das Verfahren ohne Aufbau eines Überdrucks durchgeführt, wobei jedoch im Anschnitt und vorzugsweise in einem Teil des Gießbehälters Schmelze im erforderlichen Maße nach dem Drehen stehenbleibt, um einen metallostatischen Druck zu erzeugen.

Auch hierbei ist es nach alternativen Verfahrensführungen möglich, entweder das Schmelzequantum in flüssiger Form in den Gießbehälter einzubringen, oder in fester Form und anschließend im Gießbehälter zu erschmelzen. Im übrigen wird das Verfahren unverändert gegenüber dem zuvorgenannten durchgeführt.

Nach den erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere die Gefahr der Ver¬ unreinigungen und der Einschlüsse im Gußteil dadurch ausgeschlossen, daß im Vergleich zur anliegenden Bauteiloberfläche bzw. zum angeschnittenen Teil des Formhohlraums ein großer Anschnittquerschnitt vorgesehen wird, bzw. daß ein im Vergleich zur Gußteilgröße bzw. zum Formhohlraum in Richtung der Drehachse langer Anschnitt vorgesehen wird. Es ergibt sich hierdurch ein ruhiges, bevorzugterweise ganz unter dem Badspiegel liegendes Überströmen aus. dem Gießbehälter in die Gießform, so daß ein fehlerfreies Gußteil ent¬ steht.

Der Anschnitt mit großem Querschnitt ist mit dem Eingießkanal bzw. Lauf identisch und stellt zugleich das Speiservolumen dar. Er bildet die un¬ mittelbare Verbindung zwischen Innenraum des Gießbehälters und Formhohlraum.

Weitere Ausgestaltungen zeichnen sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. Bei der Überführung einer dosierten Schmelzemenge von einem Dosierofen in den Gießbehälter der Einrichtung unter Schutzgasatmosphäre wird eine Oxidation der Schmelze wirkungsvoll unterbunden. Diese ist umso bedeutsamer, da bei diesem Vorgang der Gießstrahl im freien Fall in den Gießbehälter ge¬ langt, wobei hier nicht wie bei konventioneller Arbeitsweise eine besonders intensive Oxidhautbildung unter ständigem Abreißen, Einspülen und Verwirbeln

in der Schmelze erfolgt. Die dann durch die Drehbewegung der Einrichtung einsetzende Formfüllung kann aufgrund der vorgegebenen großen Anschnittquer¬ schnitte besonders ruhig und mit geringer Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze steigend nach dem Prinzip kommunizierender Röhren ablaufen, was insbesondere in Verbindung mit einer auch im Formhohlraum vorhandenen Schutzgasatmosphäre das Risiko einer Schaumbildung, die bekanntlich zu Einschlüssen im Gußgefüge führt, wirkungsvoll eliminiert. Dabei bleibt auch die Schmelzefront geschlossen, d. h. es kommt nicht zur Bildung vorlaufender Metallzungen oder gar Spritzern, so daß auch der beim Gießen als häufige Ausschußursache gefürchtete Kaltlauf vermieden wird.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Formhohlraum für ein längliches Bauteil in Richtung der Drehachse ausgerichtet wird. Hierdurch kann eine breite Schmelzefront dargestellt werden.

Eine weitere Gestaltung geht dahin, daß Kerne zum Gießbehälter hin liegend angeordnet sind. Hierdurch werden die angeschnittenen Formwandteile selber zur Verbesserung der Qualität auf Stirnwandteile des Bauteils reduziert.

Bei Gußteilen wie Zylinderköpfen oder Zylinderkurbelgehäusen von Brennkraft¬ maschinen sollen die Oberflächen mit hohen Qualitätsansprüchen jeweils an einer zum Anschnitt gegenüberliegenden Formwand angeordnet sein.

Die Erstarrung soll in bekannter Weise gegebenenfalls durch Erwärmung und/- oder Kühlung so gesteuert werden, daß sie von der vom Gießbehälter weitest- entfernten Stelle des Bauteils in Richtung zum Anschnitt hin fortschreitet.

Nach einer bevorzugten Ausführung wird ein weiterer Überströmkanal parallel zum Anschnitt vorgesehen, so daß anfangs ein Gas- bzw. Luftvolumenausgleich zur Vermeidung von Schaumbildung stattfinden kann.

Durch die enge Ankopplung des Gießbehälters an den Formhohlraum werden extrem kurze Fließwege realisiert. Die Schmelze erreicht auf kürzestem Weg ihre entgültige Position, kühlt rasch ab und erstarrt. Damit ist der "Kana- lisierungseffekt", der bei herkömmlichen FormfüllVorgängen durch lang-

andauerndes Nach- oder Durchfließen in bestimmten Bereichen der Form auf¬ tritt, ausgeschaltet.

Weitere Auswirkungen haben diese Vorteile auch beim anschließenden Erstar¬ rungsablauf. Zunächst wird der Wärmehaushalt der Gießform durch den Wegfall stark ausgeprägter Kanalisierungseffekte, die entsprechende örtliche Über¬ hitzungen sowohl im Gußteil, als auch in den angrenzenden For wandbereichen verursachen, weit weniger gestört, so daß eine gezielte Lenkung der Erstar¬ rung begünstigt wird.

Weiterhin bietet ein erhöhter, insbesondere variabler Schutzgasdruck während der Erstarrung ganz besondere Vorteile. Durch eine starke Gasdruckerhöhung, die hauptsächlich auf den am Ende der For füllung oben liegenden Schmelze¬ spiegel einwirkt, unter dem das Speiservolumen des Gußteils liegt, kann eine entsprechende Verstärkung des Speiserdrucks erzielt und damit eine weitge¬ hende Dichtspeisung des Gußgefüges erzwungen werden. Gleichzeitig wird ein kräftiges Anpressen der Gußteiloberflächen an die For wände und durch Verhinderung der schädlichen Spaltbildung ein verstärkter Wärmeübergang bewirkt.

Dies wiederum verkürzt die Erstarrungszeit und erhöht sowohl die Konturen¬ schärfe als auch die Maßgenauigkeit der Gußteile. Darüberhinaus wird eben¬ falls die Bildung der besonders bei Legierungen mit breitem Erstarrunginter¬ vall gefürchteten Einfallstellen an der Gußoberfläche ausgeschaltet. Hierbei kann die Erhöhung des Gasdrucks weit über die bei herkömmlichen Verfahren, z. B. Niederdruck-Gießverfahren, möglichen Drücke aufgrund der Beschränkung auf das vergleichsweise geringe Volumen eines einzelnen Abgusses hinausge¬ hen. Durch den zusätzlichen Einsatz der bekannten Schwel1-Sequenzkühlung (DE-PS 26 46 060) werden die angesprochenen Verbesserungen in optimaler Weise erweitert. Hiernach ist die Anwendung eines Verfahrens vorgesehen, nach dem vor dem Füllen die Gießform auf eine Arbeitstemperatur gebracht wird und nach dem Füllen der Gießform von den Endzonen zu den Speiserzonen hin zeitlich gestaffelt einsetzend bis zum Abschluß der Erstarrung gekühlt wird.

Auch beim Schutzgasverbrauch sind Verbesserungen möglich. Die Anwendung einer Schutzgaspumpe gestattet nämlich nicht nur die Aufbringung mehrerer bar Druck, sie erlaubt auch bei der anschließenden Druckerniedrigung eine Rückgewinnung des Schutzgases. Auf diese Weise bleiben die Verluste auf unvermeidbare Leckagen beschränkt.

Beim Einsatz von Legierungen, die im geschmolzenen Zustand weniger stark mit den Gasen der Atmosphäre reagieren, kann auf das in der Regel teuere Schutz¬ gas verzichtet werden und stattdessen eine Druckerhöhung durch Druckluftauf¬ gabe herbeigeführt werden, wobei alle übrigen Vorteile erhalten bleiben.

Schließlich bieten die vorgeschlagenen Verfahren ideale Voraussetzungen für den Einsatz in einer gegen die Außenwelt abgeschlossenen Gießzelle zur zuverlässigen Unterbindung von Gießereiemissionen.

Dazu ist der Einsatz eines kombinierten Schmelz- und Dosierofens nach DE-PS 2041588, der gleichzeitig das Problem des Einschleusens von Chargiermate¬ rial löst, von besonderem Vorteil. Hiernach wird an einem Schmelzofen eine gasdichte Chargierkammer mit einem Chargierkörper angeordnet, durch den eine quantifizierte Schmelzemenge in den Gieß- bzw. Schmelzebehälter gefördert werden kann.

Vorteilhafte Ausführungen der Verfahren und der Vorrichtung werden in den Unteransprüchen definiert, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausfuhrungsbeispielen in Ver¬ bindung mit der Zeichnung beschrieben;

Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Gießbehälter mit einer Gießform entlang der Schnittlinie A-B nach Fig. 2;

Fig. 2 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Gießbehälter mit einer Gießform nach Fig. 1 senkrecht zur Drehachse;

Fig. 3 zeigt eine Gießzelle mit zur Durchführung erfindungsgemäßer Verfahren geeigneten Anlageteilen in systematischer Darstellung;

Fig. 4 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Gießbehälter mit einer Gießform durch die Drehachse in einer zweiten Ausführungsform.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Figur 1 wird eine Gießform 31 (Kokille) mit einem Formhohlraum 1 durch eine Kokillendeckplatte 2, Seitenteile 3, Kerne 4 und eine Kokillengrundplatte 5 gebildet. Unter der Kokillengrund¬ platte 5 befindet sich ein Gießbehälter 30 mit einem Gehäuse 6 und einer Feuerfestauskleidung 7, der ein für einen Abguß dosiertes Schmelzequantum 8 enthält. Das Schmelzequantum 8 wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Dosierofens über die Einfüllöffnung 9 bei geöffnetem Verschluß 10 insbeson¬ dere unter Schutzgas eingefüllt; anschließend wird der Verschluß 10 ge¬ schlossen. An dem Verschluß 10 ist ein Schutzgasanschluß 11 dargestellt. Weiterhin ist die horizontale sich in Richtung der Längserstreckung von Gießform 31 und Gießbehälter 30 erstreckende Drehachse 12 der Gießeinrich¬ tung gezeigt. Als Öffnung innerhalb der Kokillengrundplatte 5 ist ein Anschnitt 13 mit großem Querschnitt ausgebildet.

Ein Pfeil oberhalb der Kokillendeckplatte 2 symbolisiert die Bewegungsrich¬ tung derselben zum Entfor en des fertigen Bauteils.

In Figur 2 ist ebenfalls die Gießform 31 mit dem Formhohlraum 1 erkennbar, die aus der Kokillendeckplatte 2, Seitenteilen 3, Kernen 4 und der Kokillen¬ grundplatte 5 besteht. In der Grundplatte 5 sind der Anschnitt 13 sowie ein dazu paralleler weiterer Überströmkanal 14 erkennbar. An dem Gießbehälter 30 ist das Gehäuse 6, die Feuerfestauskleidung 7 sowie das darin enthaltene für einen Abguß dosierte Schmelzequantum 8 erkennbar.

Durch Drehen der gesamten Gießeinrichtung um die Drehachse 12 gegen den Uhrzeigersinn fließt die Schmelze durch den Anschnitt 13 mit großem Quer¬ schnitt in ruhigem turbulenzfreiem Fluß in den Formhohlraum 1 und füllt diesen in wenigen Sekunden aus. Am Ende der Drehbewegung befindet sich der Gießbehälter 30 über der Kokillengrundplatte 5. Jetzt wird der Innendruck,

insbesondere der Schutzgasdruck über der im Formhohlraum 1 erstarrenden Schmelze, deren Gesamtvolumen auch das erforderliche Speiservolumen umfaßt, mit Hilfe des Druckanschlusses 11 erhöht und damit die Dichtspeisung des Gußstücks verbessert. Nach Abschluß der Erstarrung kann der Überdruck auf Normaldruck abgesenkt, die Form geöffnet und das ausreichend abgekühlte Gußteil entnommen werden. Danach beginnt ein neuer Gießzyklus.

Pfeile seitlich der Kokillenseitenteile 3 symbolisieren deren Bewegungs¬ richtung zum Entformen.

In Figur 3 ist eine drehbare Gießvorrichtung 19 mit einem Drehantrieb 27 sowie einem Gießbehälter 30 und einer Gießform 31 mit diese verbindenden Verspannmitteln 32 innerhalb einer Gießzelle 21 gezeigt. Die Drehachse 12 der Gießvorrichtung ist ebenfalls angezeigt. Der Gießbehälter 30 ist über eine Leitung 26 mit einem nur symbolisch dargestellten Pump- und Speichersy¬ stem 18, 28 verbunden. Innerhalb der Gießzelle 21 befindet sich ein Dosier¬ ofen 15, der über eine elastische gasdichte Kupplung 23 mit der Einfüllöff¬ nung 9 des Gießbehälters 30 verbunden ist. Der Dosierofen 15 ist über eine Schleuse 22 mit einem Bereich außerhalb der Gießzelle 21 verbunden. An die Schleuse 22 kann sich alternativ eine Chargiervorrichtung 16 für stückiges Einsatzmaterial oder eine Chargiereinrichtung 17 für flüssiges Einsatz¬ material anschließen. Die Gießzelle umfaßt eine weitere Schleuse 22. Ober¬ halb der Gießform 31 ist ein Manipulator 20 für Kerne erkennbar.

In Figur 4 ist eine Gießvorrichtung bestehend aus einem Gießbehälter 30 sowie einer Gießform 31 dargestellt.

Der Gießbehälter 30 unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten dadurch, daß er keine Einfüllöffnung umfaßt. Er weist jedoch innerhalb der Feuerfest¬ schicht 7 Mittel zur Beheizung 24 auf. Ein festes Metallquatu 25 ist in den Gießbehälter 30 eingesetzt. Im Querschnitt senkrecht zur Drehachse 12 ent¬ spricht diese Gießvorrichtung der nach Figur 2 dargestellten.

Die Gießform 31 stimmt im wesentlichen mit der in Figur 1 gezeigten überein. Sie umfaßt eine Kokillendeckplatte 2, Kokillenseitenteile 3 sowie eine

Kokillengrundplatte 5. In den Seitenteilen sind jedoch Mittel 29 zur Kühlung dargestellt. In der Kokille sind Kerne 4 eingesetzt. Die Drehachse der Vor¬ richtung ist mit 12 bezeichnet.