EP1060048B1 - Verfahren zum vergiessen einer metallschmelze unter einwirkung eines magnetfeldes - Google Patents

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EP1060048B1
EP1060048B1 EP99907603A EP99907603A EP1060048B1 EP 1060048 B1 EP1060048 B1 EP 1060048B1 EP 99907603 A EP99907603 A EP 99907603A EP 99907603 A EP99907603 A EP 99907603A EP 1060048 B1 EP1060048 B1 EP 1060048B1
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EP
European Patent Office
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melt
casting
electric conductivity
phases
lower electric
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP99907603A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1060048A1 (de
Inventor
Otto Stenzel
Stephan Beer
Thomas Steffens
Peter Busse
Matthias Zwissler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KS Kolbenschmidt GmbH
KS Huayu Alutech GmbH
Original Assignee
KS Aluminium Technologie GmbH
KS Kolbenschmidt GmbH
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Publication date
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Publication of EP1060048A1 publication Critical patent/EP1060048A1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/02—Use of electric or magnetic effects

Definitions

  • the invention relates to a method for casting a Melt at a relatively low level Solidification rate, such as Gravity mold casting process, sand casting process, Low pressure casting process or intermediate forms of this Procedures in which the rate of solidification low compared to that in die casting processes is, the melt phases, such as pre-precipitations of Crystals or particles or short fibers, with lower electrical conductivity as the metal of the residual melt having.
  • a relatively low level Solidification rate such as Gravity mold casting process, sand casting process, Low pressure casting process or intermediate forms of this Procedures in which the rate of solidification low compared to that in die casting processes is, the melt phases, such as pre-precipitations of Crystals or particles or short fibers, with lower electrical conductivity as the metal of the residual melt having.
  • Wear-resistant castings are often made from melts or Alloys, which pre-selections, intermetallic phases or added particles or Have fibers that the wear resistance of the Casting compared to the base metal or the Base metal alloy should increase.
  • the increased wear resistance however not at all points of the casting, but rather usually on surface areas that later become a Form sliding area, or on bearing sections or Cross-sectional narrowing needed.
  • An increased Concentration of these phases in the casting can even adverse effects (e.g. embrittlement), which is why the Wear resistance of castings, for example Surface sections not arbitrarily due to enrichment such phases can be increased in the entire casting.
  • EP 0 386 556 A2 describes the production of castings with hard particles in the surface using the Electro slag remelting, with part of the Mold circumference is an inward static Magnetic field is generated by which ferromagnetic Particles are drawn radially outwards.
  • a direct current source is used which generates a magnetic field that is constant over time. This Magnetic field when casting gears magnetic or magnetizable reinforcement particles to the surface of the gears to be manufactured.
  • This task is initiated in a procedure mentioned type according to the invention solved in that the Melt under at least local influence of a electromagnetic alternating field solidified is that the electromagnetic alternating field in a surface area one of the frequency of the Alternating field and the conductivity of the melt Penetration depth and thereby enrichment of less conductive phases on these surface areas of the casting is reached.
  • the electromagnetic alternating field is 20 to 1000 Hz, preferably 50 to 500 Hz.
  • the application of the method according to the invention has proven to be as particularly advantageous in connection with the potting a hypereutectic or near-eutectic technical Aluminum-silicon alloy, in which the silicon pre-deposits, the so-called silicon primary crystals form the phase of lower electrical conductivity.
  • Intermetallic phases such as Ni 2 Al 3 or TiAl 3 are also pre-deposited in AlSi alloys and have a lower electrical conductivity than liquid aluminum and are therefore also transported to the surface.
  • the melt it can also be advantageously also act as an iron smelter phase of the graphite or cementite precipitates form lower electrical conductivity.
  • Heavy metal melts as well as light or Non-ferrous metal melts with particles or short fibers Materials with lower electrical conductivity than the residual melt is suitable for casting after the method according to the invention.
  • the phase of lower electrical conductivity in the melt to be cast can also be formed by granules or else by dispersed SiC particles.
  • the phase of lower electrical conductivity can also comprise fibers such as Al 2 O 3 , SiO 2 , C or aluminum silicates (Al 2 O 3 ) ⁇ (SiO 2 ).
  • the melt is with increasing solidification overall tougher. Above all that Growth of stem crystals, dendrites or plates hinders the mobility of the particles to be moved. Also in the area of thin walls, for example in Web area leads between holes in a cylinder block the "floating" of the less conductive particles very much rapidly becoming impoverished so it would be desirable if "from the depth" of the casting further phases would be delivered. To solve this problem is in Further development of the invention is of particular importance suggested that by irradiating a magnetic Hiking field, especially in addition to that electromagnetic alternating field a tangential Material flow generated in the area of the cast part surface becomes. This will train large stem and Slab crystals hindered itself in every way proves to be advantageous. The solidifying melt remains longer thixotropic. The mobility of those to be moved Phases can be maintained up to higher solids be preserved.
  • the traveling magnetic field can in particular, however, also independently of alternating electromagnetic fields generated and irradiated become.
  • the location of the field vectors of the Segregation field and the hiking field can have different directions. This allows one free design of the necessary Coil systems.
  • the design of the induction coils can be complex Tendon as with larger three-phase motors or only from few sub-coils can be built. Will be few Partial coils used, so-called Harmonic fields. With increasing atomic number, their number increases Amplitude, however.
  • the third order harmonic field is a rotating field with opposite direction of rotation. His Depth of penetration into the material is significantly lower than that of the basic field. Hence the harmonic field only a weakening of the surface parallel Drive in the immediate vicinity of the surface of the melt or the casting formed from it.
  • Rotating fields do not use a 3-phase system consisting of three each current conductor systems staggered by 120 °, but only with two systems offset by 90 ° work. This allows the use of a simpler one Coil construction within the tight space of one Mold. The proportion of harmonic fields is increasing therethrough; however, this affects the training of Enrichment layer advantageous.
  • the use of the method according to the invention thus allows a significant reduction in the concentration of the wear-resistant phases in the rest of the casting or in the Melt, but still a high surface concentration the wear-resistant phases can be achieved.
  • This brings advantages in terms of the machinability of the rest of the casting with itself, but also the mechanical This improves the characteristics of the casting.
  • a Embrittlement due to high concentrations more wear-resistant hard particles can thus on the enriched Surface areas of the casting are limited.
  • the Elasticity and tensile strength of the base material can Requirements are better chosen accordingly.
  • phase within the melt to be cast with higher electrical conductivity as the metal of the residual melt are provided and which is characterized by that the melt under at least local influence of a electromagnetic alternating field solidified and therefore a depletion of the cast surface higher conductive phases is achieved.
  • the irradiation alternating electromagnetic fields in such melts therefore urges solid phases in a corresponding manner higher electrical conductivity away from the surface.
  • This variant of the invention can be used especially in the case of melts with a relatively low level electrical conductivity. If high Fatigue strength of the casting to be manufactured the method proves to be advantageous, because the tensions on the surface are always particularly high are and cracks usually from larger deposits deviating modulus of elasticity are triggered Concentrations in the surface area according to the invention be reduced.
  • a additional induction field in those areas of Mold where a targeted particle enrichment is achieved by superimposing an additional one Alternating field with a significantly higher frequency an additional Warming can be achieved without being noticeable additional force is caused by this.
  • Segregation effects can also be used in ultrasonic fields become.
  • pistons have had to thermally stressed areas, such as Ring groove areas, the top land, the piston pin bores or trough edges through complex processing, such as Melting alloys of nickel-containing alloys or Coating, improving.
  • complex processing such as Melting alloys of nickel-containing alloys or Coating
  • For the production of pistons but cylinder blocks also became infiltrable Hollow body with wear-resistant particles or fibers used, then with a hypoeutectic aluminum-silicon alloy be infiltrated and so the form wear-resistant surface areas.
  • Will that Casting method according to the invention now for the production of Pistons or cylinder blocks can be used in the areas mentioned above an enrichment of Silicon, NiAl, TiAl can be achieved without the relevant concentration of the residual melt can be increased got to.
  • Brake discs and brake drums produced according to the invention preferably contain SiC or Al 2 O 3 particles as wear-reducing deposits on the brake surfaces.
  • the proposed solution allows the surface concentration to be increased significantly, so that the resulting locally increased brittleness does not have a negative effect because of the more ductile areas behind it.
  • a device for performing the inventive method includes the casting mold and / or one inserted into the mold Core a coil for generating the electromagnetic AC field.
  • the mold wall of the casting mold is preferably made of a non-magnetizable material preferably low electrical conductivity manufactured.
  • Figure 1A shows a mold wall section 2, which consists of a helically wound and in cross section rectangular hollow profile 4 is formed.
  • the hollow profile 4 can be flowed through by a cooling medium, which by the Connection pieces 6, 8 is indicated.
  • the single ones Helical gears are not in contact with each other, it is a Gap or slot 12 formed between them by the a ceramic mass 14 is filled, which is also a forms inner coating 16 of the mold wall section 2.
  • the mold wall In the area of this column 12 is the mold wall for a ideal electromagnetic alternating field permeable.
  • winding 20 shown positionable.
  • This winding 20 corresponds to a three-phase stator winding with comparable Construction like an asynchronous motor.
  • the coil packs are only hinted at.
  • Figures 2A and 2B show one in a mold usable device 30 for producing a Cylinder bore.
  • the melt to be cast therefore arrives to the peripheral surface 32 of the device 30, which of a ceramic coating 34 of the peripheral surfaces of in Longitudinal extending hollow profile body 36 is formed is.
  • This hollow profile body 36 are in the circumferential direction spaced slightly apart from each other so that a gap 38 remains between them, which of the ceramic coating material 34 is filled.
  • the respective hollow profile body 36 form one longitudinal coolant channel 40, but they also serve as a current-carrying winding to generate a alternating electromagnetic field.
  • R With the letters R, S and T becomes a circuit arrangement for 3-phase Three-phase current for three pole pairs with a total of 18 palisade-like hollow profile conductors indicated.
  • the phases marked with "'" are 180 ° electrical offset and form the respective opposite phase. More central Position 42 brings the conductors together. There is the Star point of the 3-phase three-phase connection.
  • the reactive power requirement of the arrangement is determined by permable Ring body made of ferrite reduced.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergießen einer Schmelze bei verhältnismäßig geringer Erstarrungsgeschwindigkeit, wie beispielsweise Schwerkraftkokillengießverfahren, Sandgießverfahren, Niederdruckgießverfahren oder Zwischenformen dieser Verfahren, bei denen die Erstarrungsgeschwindigkeit verglichen mit derjenigen bei Druckgießverfahren gering ist, wobei die Schmelze Phasen, wie Vorausscheidungen von Kristallen oder Partikel oder Kurzfasern, mit niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit als das Metall der Restschmelze aufweist.
Verschleißfeste Gussstücke werden häufig aus Schmelzen oder Legierungen hergestellt, welche Vorausscheidungen, intermetallische Phasen oder zugesetzte Partikel oder Fasern aufweisen, die die Verschleißfestigkeit des Gussstücks gegenüber dem Basismetall bzw. der Basismetallliegierung erhöhen sollen. Beispielhaft sei an dieser Stelle lediglich auf übereutektische AlSi-Legierungen hingewiesen, bei denen primär vorausgeschiedenes Silizium eine derartige Phase niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit bildet. Von Schwerkraftseigerungseffekten abgesehen ist grundsätzlich von einer gleichmäßigen Verteilung derartiger Phasen im Gussstück auszugehen. Die erhöhte Verschleißfestigkeit wird jedoch nicht an allen Stellen des Gussstücks, sondern üblicherweise an Oberflächenbereichen, die später einen Gleitbereich bilden, oder an Lagerabschnitten oder Querschnittsverengungen benötigt. Eine erhöhte Konzentration dieser Phasen im Gussstück kann sich sogar nachteilig auswirken (z.B. Versprödung), weshalb die Verschleißfestigkeit von Gussstücken beispielsweise an Oberflächenabschnitten nicht beliebig durch Anreicherung derartiger Phasen im gesamten Gussstück erhöht werden kann.
Um die Qualität des Gussstücks beim Stranggießen von Stählen zu erhöhen, wurden bereits elektromagnetische Drehfelder eingesetzt, um der Seigerung in den bis zu 6 Meter langen Sümpfen von Stahl im gerade erstarrenden Strang entgegenzuwirken. Das Drehfeld wird durch unterhalb der Stranggusskokille angeordnete Spulen, also im Nachkühlbereich, erzeugt und in den Strang eingestrahlt. Hierdurch soll eine innige Vermischung innerhalb des Sumpfs erreicht werden und wie bereits erwähnt Seigerungserscheinungen entgegengewirkt werden, um ein homogenes Gefüge innerhalb des Stranggussstücks zu erhalten. Im Hinblick auf die Verhinderung von Seigerungserscheinungen durch elektromagnetische Drehfelder wird auf die DE-A-31 22 156 und die DE-A-2 424 610 verwiesen.
EP 0 386 556 A2 beschreibt die Herstellung von Gußstücken mit Hartstoffteilchen in der Oberfläche unter Anwendung des Elektroschlackeumschmelzens, wobei auf einem Teil des Kokillenumfangs ein nach innen gerichtetes statisches Magnetfeld erzeugt wird, durch welches ferromagnetische Teilchen nach radial außen gezogen werden.
Gemäß US 5,545,368 wird eine Gleichstromquelle verwendet, die ein zeitlich konstantes Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld beim Gießen von Zahnrädern magnetische oder magnetisierbare Verstärkungspartikel an die Oberfläche der herzustellenden Zahnräder.
Aus der DE-A-28 55 933 ist ein Verfahren bekannt, wonach durch die Kombination eines von außen über Elektroden angelegten Stromflußes in einem elektrisch leitfähigen fluiden Medium und eines hiervon unabhängig angelegten Magnetfeldes die Auftriebskräfte von verschieden gut leitenden Bestandteilen des Mediums beeinflusst werden. Es handelt sich hierbei um ein Gleichfeldverfahren, d.h. Strom und Magnetfeld sind in vorgegebener Weise zeitlich sowie räumlich aufeinander abgestimmt; sie könnten nur gleichphasig zueinander verändert werden. Die Druckschrift lehrt die vollständige volumenmäßige Durchdringung der Flüssigkeit durch den Strom bzw. das Magnetfeld, um Entmischungen aufzuheben oder zu verstärken, um beispielsweise eine Phase abtrennen zu können.
Ausgehend von der eingangs erwähnten Herstellung von Gussstücken mit verschleißfesten Oberflächenbereichen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, verschleißmindernde Phasen in den betreffenden Oberflächenbereichen zu konzentrieren, ohne in anderen Bereichen des Gussstücks hieraus resultierende negative Auswirkungen hinnehmen zu müssen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schmelze unter zumindest lokaler Einwirkung eines elektromagnetischen Wechselfeldes zur Erstarrung gebracht wird, dass dabei das elektromagnetische Wechselfeld in einen Oberflächenbereich einer von der Frequenz des Wechselfelds und der Leitfähigkeit der Schmelze abhängigen Eindringtiefe eindringt und dadurch eine Anreicherung der weniger leitfähigen Phasen an diesen Oberflächenbereichen des Gußteils erreicht wird.
Es wurde erfindungsgemäß erkannt, dass im Bereich der Eindringtiefe eines elektromagnetischen Wechselfeldes eine Kraftkomponente auf die weniger leitfähigen Phasen in Richtung der Gussstückoberfläche gebildet wird, so dass diese sich an Bereichen der Gussteiloberfläche anreichern. Dies lässt sich physikalisch mit dem Eindringen des elektromagnetischen Wechselfelds in die Schmelze und die Auswirkungen der hierbei sich ergebenden elektrischen Feldstärke E und magnetischen Feldstärke H bzw. Induktion B und der aus dem Vektorprodukt der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Feldstärke H gebildeten Energiestromdichte S (S=E X H) im Zusammenhang mit der jeweils unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeit σ der Phasen und der sie umgebenden Schmelze zumindest qualitativ erklären. Diese Wirkung ist praktisch auf den Bereich der Eindringtiefe des elektromagnetischen Wechselfelds im Bereich einiger weniger mm, etwa 0,5 bis 10 mm, vorzugsweise 1 bis 4 mm, beschränkt, welche nach der Theorie proportional zum Reziproken der Wurzel aus Frequenz, magnetischer Permeabilität und elektrischer Leitfähigkeit ist (δ = 1/√ (πfµσ). Bevorzugte Frequenzen des elektromagnetischen Wechselfelds sind 20 bis 1000 Hz, vorzugsweise 50 bis 500 Hz.
Innerhalb dieser Eindringtiefe werden also die weniger leitfähigen Partikel in Richtung auf die Oberfläche bewegt, weil sie eine geringere abstoßende Kraft durch das Wechselfeld erfahren als die stärker leitfähige umgebende Schmelze. Hierdurch entsteht hinter der angereicherten Oberflächenschicht mit erhöhter Konzentration der jeweils betrachteten Phase eine Schicht mit demgegenüber deutlicher Verarmung. Es wird auch darauf hingewiesen, dass der Begriff der Gussteiloberfläche im weitesten Sinne zu verstehen ist. Es kann sich hierbei um eine Bohrung, einen Kanal oder dergleichen handeln.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann also bei gleicher Ausgangsschmelze eine höhere Oberflächenkonzentration der betreffenden Phase als bei einem bekannten Gießverfahren erreicht werden.
Diese bewusst herbeigeführte Seigerung unter der Wirkung elektromagnetischer Wechselfelder muss im wesentlichen im noch flüssigen Zustand erfolgen. Wird der Anteil aus Partikeln bzw. Vorausscheidungen und weiteren Schmelzenanteilen zu groß, so lassen sich die Partikel nicht mehr hinreichend leicht verschieben. Die festen Phasen verkanten und behindern sich gegenseitig.
Diese örtlich eingeleitete Phasenbewegung unter elektromagnetischer Feldeinwirkung benötigt auch Zeit. Die Erstarrung darf daher nicht so rasch wie zum Beispiel beim Druckguss erfolgen. Die üblichen Erstarrungszeiten im Sandguss aber auch im Kokillenguss mit vorzugsweise wärmedämmenden Schlichten erlauben im allgemeinen die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Insoweit erweist es sich auch als vorteilhaft, dass die Einstrahlung des elektromagnetischen Wechselfelds in die Schmelze nicht nur "Auftriebskräfte" erzeugt, sondern auch die Erzeugung von Wärme mit sich bringt. Diese lokale Energiezufuhr verzögert die Erstarrung in vorteilhafter Weise weiter.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erweist sich als besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit dem Vergießen einer übereutektischen oder nah-eutektischen technischen Aluminium-Silizium-Legierung, bei der die Silizium-Vorausscheidungen, die sogenannten Silizium-Primärkristalle die Phase geringerer elektrischer Leitfähigkeit bilden.
Auch intermetallische Phasen wie z.B. Ni2Al3 oder TiAl3 werden in AlSi-Legierungen vorausgeschieden und weisen eine geringere elektrische Leitfähigkeit auf als flüssiges Aluminium und werden daher ebenfalls an die Oberfläche transportiert.
Bei der Schmelze kann es sich aber in ebenfalls vorteilhafter Weise auch um eine Eisenschmelze handeln, bei der Graphit- oder Zementit-Vorausscheidungen die Phase geringerer elektrischer Leitfähigkeit bilden. Auch Schwermetallschmelzen sowie Leicht- oder Buntmetallschmelzen mit Partikeln oder Kurzfasern aus Materialien mit niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit als die Restschmelze eignen sich zum Vergießen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Phase geringerer elektrischer Leitfähigkeit in der zu vergießenden Schmelze kann auch von Granulatkörnen oder auch von dispergierten SiC-Partikeln gebildet sein. In vorteilhafter Weise kann die Phase geringerer elektrischer Leitfähigkeit auch Fasern, wie zum Beispiel Al2O3, SiO2, C oder Aluminiumsilikate (Al2O3)·(SiO2) umfassen.
Wie vorausgehend bereits erwähnt, wird die Schmelze mit zunehmender Erstarrung insgesamt zäher. Vor allem das Wachstum von Stengelkristallen, Dendriten oder Platten behindert die Beweglichkeit der zu verschiebenden Partikel. Auch im Bereich dünner Wandstärken beispielsweise im Stegbereich zwischen Bohrungen eines Zylinderblocks führt das "Aufschwimmen" der weniger leitfähigen Partikel sehr rasch zu einer Verarmung, so dass es wünschenswert wäre, wenn "aus der Tiefe" des Gussstücks weitere Phasen nachgeliefert würden. Zur Lösung dieses Problems wird in Weiterbildung der Erfindung von besonderer Bedeutung vorgeschlagen, dass durch Einstrahlen eines magnetischen Wanderfeldes, insbesondere zusätzlich zu dem elektromagnetischen Wechselfeld ein tangentialer Materialfluss im Bereich der Gussteiloberfläche erzeugt wird. Hierdurch wird die Ausbildung großer Stengel- und Plattenkristalle behindert, was sich in jedweder Hinsicht als vorteilhaft erweist. Die erstarrende Schmelze bleibt länger thixotrop. Die Beweglichkeit der zu verschiebenden Phasen kann bis zu höheren Feststoffanteilen aufrecht erhalten werden.
Das magnetische Wanderfeld kann, wie vorstehend erwähnt, insbesondere zusätzlich aber auch unabhängig von elektromagnetischen Wechselfeldern erzeugt und eingestrahlt werden. Werden Felder mit unterschiedlicher Frequenz verwendet, so wirken beide Felder unabhängig voneinander, wobei aber beachtet werden muss, dass auch das Wanderfeld eine Kraftwirkung auf die weniger leitfähigen Phasen in Normalenrichtung haben kann. Die Lage der Feldvektoren des Segregationsfeldes und des Wanderfeldes können unterschiedliche Richtungen haben. Dies erlaubt eine freiere Gestaltung der hierfür erforderlichen Spulensysteme.
Die Ausgestaltung der Induktionsspulen kann mit aufwendiger Sehnung wie bei größeren Drehstrommotoren oder aber nur aus wenigen Teilspulen aufgebaut werden. Werden nur wenige Teilspulen verwandt, so entstehen sogenannte Oberwellenfelder. Mit steigender Ordnungszahl nimmt deren Amplitude jedoch ab. Das Oberwellenfeld der dritten Ordnung ist ein Drehfeld mit entgegengesetztem Drehsinn. Seine Eindringtiefe in das Material ist deutlich niedriger als diejenige des Grundfeldes. Daher bewirkt das Oberwellenfeld nur eine Schwächung des oberfächenparallelen Antriebs in unmittelbarer Nähe der Oberfläche der Schmelze bzw. des hieraus gebildeten Gussstücks.
Um den apparativen Aufwand nicht zu groß werden zu lassen, erweist es sich als vorteilhaft, die Erzeugung der Drehfelder nicht mit einem 3-Phasensystem aus drei jeweils um 120° zeitlich versetzten Stromleitersystemen, sondern nur mit zwei um 90° zeitlich versetzten Systemen zu arbeiten. Dies erlaubt den Einsatz eines einfacheren Spulenaufbaus innerhalb der beengten Verhältnisse einer Gießform. Zwar steigt der Anteil der Oberwellenfelder hierdurch; dies wirkt sich aber auf die Ausbildung der Anreicherungsschicht vorteilhaft aus.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt also eine deutliche Verringerung der Konzentration der verschleißfesten Phasen im übrigen Gussstück bzw. in der Schmelze, wobei dennoch eine hohe Oberflächenkonzentration der verschleißfesten Phasen erreicht werden kann. Dies bringt Vorteile im Hinblick auf die Bearbeitbarkeit des übrigen Gussstücks mit sich, aber auch die mechanischen Kennwerte des Gussstücks werden hierdurch verbessert. Eine Versprödung in Folge hoher Konzentrationen verschleißfester harter Partikel kann damit auf die angereicherten Oberflächenbereiche des Gussstücks beschränkt werden. Die Dehnbarkeit und Zugfestigkeit des Grundmaterials kann den Anforderungen entsprechend besser gewählt werden.
Werden teure Verstärkungsmaterialien, z.B. SiC eingesetzt, so kann mit stärker "verdünnten" Schmelzen gearbeitet werden, so dass die Herstellungskosten deutlich reduziert werden können.
Mit der Erfindung wird auch Schutz begehrt für ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12, wonach innerhalb der zu vergießenden Schmelze Phasen mit höherer elektrischer Leitfähigkeit als das Metall der Restschmelze vorgesehen sind und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schmelze unter zumindest lokaler Einwirkung eines elektromagnetischen Wechselfeldes zur Erstarrung gebracht wird und dadurch eine Verarmung der Gusssteiloberfläche an höher leitfähigen Phasen erreicht wird. Das Einstrahlen elektromagnetischer Wechselfelder in derartige Schmelzen drängt daher in entsprechender Weise feste Phasen mit höherer elektrischer Leitfähigkeit von der Oberfläche weg.
Die Anwendung dieser Erfindungsvariante bietet sich insbesondere bei Schmelzen mit verhältnismäßig geringer elektrischer Leitfähigkeit an. Wenn hohe Wechselfestigkeiten des herzustellenden Gussstücks erwünscht sind, erweist sich das Verfahren als vorteilhaft, da die Spannungen an der Oberfläche stets besonders hoch sind und Risse üblicherweise von größeren Einlagerungen mit abweichendem E-Modul ausgelöst werden, deren Konzentrationen im Oberflächenbereich erfindungsgemäß reduziert werden.
Nach einem weiteren Erfindungsgedanken kann mittels eines zusätzlichen Induktionsfeldes in denjenigen Bereichen der Kokille wo eine gezielte Partikelanreicherung erreicht werden soll, durch Überlagern eines zusätzlichen Wechselfelds mit deutlich höherer Frequenz eine zusätzliche Erwärmung erreicht werden, ohne dass jedoch eine merkliche zusätzliche Kraftwirkung hierdurch verursacht wird.
Zur Reduzierung der gegenseitigen Blockierung fester Phasen im Zuge der erfindungsgemäß herbeizuführenden Seigerungseffekte können auch Ultraschallfelder eingesetzt werden.
Zum Gegenstand der Erfindung, für den Schutz begehrt wird, gehören auch Zylinderblöcke, Kolben, Bremsscheiben, Bremstrommeln sowie Bremszylinder, Pumpengehäuse und Lagerschalen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind (Ansprüche 13 - 19).
Bei Zylinderblöcken erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die Gussteiloberfläche im Bereich der Laufflächen der Zylinderbohrung oder im Bereich der Lagerstühle eine Anreicherung von Phasen mit niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit aufweisen.
Bei Kolben mussten seither extrem verschleiß- bzw. thermisch beanspruchte Bereiche, wie zum Beispiel Ringnutbereiche, der Feuersteg, die Kolbenbolzenbohrungen oder Muldenkanten durch aufwendige Bearbeitung, wie z.B. Aufschmelzlegieren von nickelhaltigen Legierungen oder Beschichten, verbessert werden. Zur Herstellung von Kolben aber auch Zylinderblöcken wurden auch infiltrierbare Hohlkörper mit verschleißbeständigen Partikeln oder Fasern eingesetzt, die dann mit einer untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung infiltriert werden und so die verschleißbeständigen Oberflächenbereiche bilden. Wird das erfindungsgemäße Gießverfahren nunmehr zum Herstellen von Kolben oder Zylinderblöcken angewandt, so kann in den vorstehend erwähnten Bereichen eine Anreicherung von Silizium, NiAl, TiAl erreicht werden, ohne dass die diesbezügliche Konzentration der Restschmelze erhöht werden muss.
Erfindungsgemäß hergestellte Bremsscheiben und Bremstrommeln enthalten vorzugsweise SiC- oder Al2O3-Partikel als verschleißmindernde Einlagerungen an den Bremsflächen. Durch die vorgeschlagene Lösung kann die Oberflächenkonzentration noch deutlich erhöht werden, wodurch die sich hieraus ergebende lokal verstärkte Sprödbrüchigkeit wegen der dahinterliegenden duktileren Bereiche sich nicht negativ auswirkt.
Bei einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Gießkokille und/oder ein in die Kokille eingesetzter Kern eine Spule zum Erzeugen des elektromagnetischen Wechselfelds. Die Kokillenwand der Gießkokille ist vorzugsweise aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff mit vorzugsweise niedriger elektrischer Leitfähigkeit gefertigt. Hierfür hat sich ein austenitischer Chrom-Nickel-Stahl, auf den eine Schutzschicht z.B. aus Keramik oder Molybdän aufgebracht ist, als zweckmäßig erwiesen.
Zusätzlich ist durch Kombination magnetischer und nicht magnetisierbarer Werkstoffe im Gießwerkzeug eine gezielte Lenkung des Magnetfelds möglich, so dass bestimmte Bereiche des Gussteils magnetisch abgeschirmt werden, während andere ein entsprechend konzentrierteres Magnetfeld erfahren.
Um die Abschirmung des Magnetfeldes durch die Kokillenwand weiter herabzusetzen, wird nach einem weiteren Erfindungsgedanken vorgeschlagen, die Kokillenwand senkrecht zu den dahinterliegenden Spulen mehrfach geschlitzt auszubilden, damit das elektromagnetische Wechselfeld möglichst umgeschwächt zur Schmelze gelangen kann.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einiger Anwendungsbeispiele. In der Zeichnung zeigt:
Figur 1A
eine perspektivische Darstellung eines Kokillenwandabschnitts einer Kokillengießvorrichtung;
Figur 1B
eine Wicklung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfelds zur Beaufschlagung des Kokillenwandabschnitts nach Figur 1A;
Figur 2A
eine Draufsicht auf eine in eine gießformeinsetzbare Vorrichtung zur Herstellung einer Zylinderbohrung;
Figur 2B
einen Vertikalschnitt durch die Vorrichtung nach Figur 2A
Figur 1A zeigt einen Kokillenwandabschnitt 2, der aus einem wendelförmig gewickelten und im Querschnitt rechteckförmigen Hohlprofil 4 gebildet ist. Das Hohlprofil 4 ist von einem Kühlmedium durchströmbar, was durch die Anschlussstücke 6, 8 angedeutet ist. Die einzelnen Wendelgänge liegen nicht aneinander an, sondern es ist ein Spalt oder Schlitz 12 zwischen ihnen ausgebildet, der von einer keramischen Masse 14 ausgefüllt ist, die auch eine innere Beschichtung 16 des Kokillenwandabschnitts 2 bildet. Im Bereich dieser Spalte 12 ist die Kokillenwand für ein einzustrahlendes elektromagnetisches Wechselfeld ideal durchlässig.
Um den Kokillenwandabschnitt 2 herum ist die in Figur 1B dargestellte Wicklung 20 positionierbar. Diese Wicklung 20 entspricht einer Drehstromstatorwicklung mit vergleichbarem Aufbau wie bei einem Asynchronmotor. Die Spulenpakete sind nur angedeutet.
Die Figuren 2A und 2B zeigen eine in eine Gießform einsetzbare Vorrichtung 30 zur Herstellung einer Zylinderbohrung. Die zu vergießende Schmelze gelangt daher an die Umfangsfläche 32 der Vorrichtung 30, welche von einer Keramikbeschichtung 34 der Umfangsflächen von in Längsrichtung verlaufenden Hohlprofilkörper 36 gebildet ist. Diese Hohlprofilkörper 36 sind in Umfangsrichtung voneinander geringfügig beabstandet angeordnet, so dass zwischen ihnen jeweils ein Spalt 38 verbleibt, der von der keramischen Beschichtungsmasse 34 ausgefüllt ist.
Die jeweiligen Hohlprofilkörper 36 bilden einerseits einen längsverlaufenden Kühlmittelkanal 40, sie dienen aber auch als stromführende Wicklung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfelds. Mit den Buchstaben R, S und T wird eine Schaltungsanordnung für 3-phasigen Drehstrom für drei Polpaare mit insgesamt 18 palisadenartigen Hohlkörperprofilleitern angedeutet. Die mit "'" bezeichneten Phasen sind um 180° elektrisch versetzt und bilden die jeweilige Gegenphase. An zentraler Stelle 42 sind die Leiter zusammengeführt. Dort ist der Sternpunkt des 3-phasigen Drehstromanschlusses.
Der Blindleistungsbedarf der Anordnung wird durch permable Ringkörper aus Ferrit reduziert.

Claims (19)

  1. Verfahren zum Vergießen einer Schmelze, wobei die Schmelze Phasen mit niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit als das Metall der Restschmelze aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze unter Einwirkung eines elektromagnetischen Wechselfelds zur Erstarrung gebracht wird, dass dabei das elektromagnetische Wechselfeld in einen Oberflächenbereich einer von der Frequenz des Wechselfelds und der Leitfähigkeit der Schmelze abhängigen Eindringtiefe von 0,5 - 10 mm eindringt und dadurch eine Anreicherung der weniger leitfähigen Phasen an diesen Oberflächenbereichen des Gußteils erreicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze eine übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung ist, bei der die Silizium-Vorausscheidungen die Phase geringerer elektrischer Leitfähigkeit bilden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze eine Eisenschmelze ist, bei der Graphit- oder Zementitvorausscheidungen die Phase geringerer elektrischer Leitfähigkeit bilden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze eine Schwermezallschmelze ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze eine Leicht- oder Buntmetallschmelze mit Partikeln oder Kurzfasern aus Materialien mit niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit als die Restschmelze ist.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase geringerer elektrischer Leitfähigkeit Granulatkörner umfasst.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase geringerer elektrischer Leitfähigkeit von dispergierten SiC-Partikel gebildet ist.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase geringerer elektrischer Leitfähigkeit Fasern umfasst, wie z.B. Al2O3, SiO2, C oder Aluminiumsilikate (Al2O3) (SiO2).
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einstrahlen eines magnetischen Wanderfeldes ein tangentialer Materialfluß im Bereich der Gußteiloberfläche erzeugt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Wanderfeld zusätzlich und unabhängig von elektromagnetischen Wechselfeldern erzeugt und eingestrahlt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass unter Anwendung von Wanderfeldern in Form von Drehfeldern verschleißmindernde Phasen mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit in den Stegbereich zwischen zwei Bohrungen gebracht werden.
  12. Verfahren zum Vergießen einer Schmelze bei langsamer Erstarrungsgeschwindigkeit, wie insbesondere Schwerkraftkokillengießverfahren, Sandgießverfahren, Niederdruckgießverfahren oder Zwischenformen dieser Verfahren, wobei die Schmelze Phasen, wie Voransscheidungen von Kristallen oder Partikeln oder Kurzfasern, mit höherer elektrischer Leitfähigkeit als das Metall der Restschmalze aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze unter Einwirkung eines elektromagnetischen Wechselfeldes zur Erstarrung gebracht wird, dass dabei das elektromagnetische Wechselfeld in einen Oberflächenbereich einer von der Frequenz des Wechselfelds und der Leitfähigkeit der Schmelze abhängigen Eindringtiefe von 0,5 - 10 mm eindringt und dadurch eine Verarmung dieses Oberflächenbereichs des Gußteils an höher leitfähigen Phasen erreicht wird.
  13. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-12 zum Herstellen von Zylinderblöcken.
  14. Anwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gußteiloberfläche im Bereich der Laufflächen eine Anreicherung von Phasen mit niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit erreicht wird.
  15. Anwendung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gußteiloberfläche im Bereich der Lagerstühle des Zylinderblocks eine Anreicherung von Phasen mit niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit erzeugt wird.
  16. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-12 zur Herstellung von Kolben.
  17. Anwendung des Verfahrene nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-12 zur Herstellung von Bremsscheiben, wobei vorzugsweise SiC-Partikel als verschleißmindernde Einlagerungen an den Bremsflächen angereichert werden.
  18. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-12 zur Herstellung von Bremstrommeln.
  19. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-12 zur Herstellung von Pumpengehäusen.
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