EP1842607A2 - Verfahren zum Feingiessen von metallischen Formteilen und Vorrichtung hierfür - Google Patents

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EP1842607A2
EP1842607A2 EP07450060A EP07450060A EP1842607A2 EP 1842607 A2 EP1842607 A2 EP 1842607A2 EP 07450060 A EP07450060 A EP 07450060A EP 07450060 A EP07450060 A EP 07450060A EP 1842607 A2 EP1842607 A2 EP 1842607A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
melt
pressure
metallic
mold
casting
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07450060A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1842607A3 (de
Inventor
Gerold Ing. Pankl
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.)
O ST FEINGUSSGESELLSCHAFT mbH
Original Assignee
O ST FEINGUSSGESELLSCHAFT mbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1842607A2 publication Critical patent/EP1842607A2/de
Publication of EP1842607A3 publication Critical patent/EP1842607A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/09—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure
    • B22D27/13—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure making use of gas pressure
    • 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
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould

Definitions

  • the invention relates to a method for investment casting of a metallic molded part or more preferably dimensionally similar metallic moldings, in which a metallic melt is poured into a ceramic mold, after which the metallic melt is allowed to solidify.
  • the invention relates to a device for investment casting of a metallic molded part or more preferably dimensionally equal metallic moldings, comprising a ceramic mold and a melt container through which metallic melt can be introduced into the mold, and a cooling device for the mold.
  • Another object of the invention is to provide a device of the type mentioned, which is suitable for investment casting void-free and a homogeneous, fine structure exhibiting moldings.
  • the procedural object of the invention is achieved in that in a method of the type mentioned, the cast melt is intensively cooled while exerting pressure on the melt, wherein pressure and increased cooling at least until the dimensional stability of the solidifying molding or the moldings are maintained.
  • molded parts can be produced which are essentially free of voids.
  • the mold By exerting a pressure on the melt during solidification, the mold is filled in an excellent manner or is pressed during the solidification of the melt in any existing voids melt. Since at the same time an increased cooling takes place and the solidifying material heat is removed quickly, dense, substantially void-free molded parts can be obtained with a fine microstructure.
  • Increased cooling is to be understood in the context of the invention, any measure which leads to a faster solidification in comparison with a solidification in air.
  • melt is degassed and poured off under vacuum into the casting mold. This ensures that a proportion of dissolved gas, which can lead to the formation of voids upon solidification of the melt, is minimized.
  • melt In connection with an all-round pressurization by a gas, a process variant in which the melt is allowed to partially solidify after it has been poured into the casting mold and before pressure is applied until it is at least partially surrounded by a gas-impermeable metal skin, has proved to be preferred.
  • the gas impermeable metal skin protects the melt located inside against gas absorption both through an opening of the mold and through the ceramic.
  • the solidifying composite of melt and metal skin is easily deformed, so that by the gas pressure a dense and lunkerkaer molding is produced.
  • the melt may be sealed gas-tight, e.g. by covering the melt in the sprue area with an inert material such as sand.
  • heating devices are usually not provided in casting molds and a molten metal already begins to solidify during or immediately after casting into the casting mold, it is recommended that the pressure be built up within a maximum of 30 seconds. If free areas of particularly small dimensions in the casting mold are to be filled up with metallic melt, then it is expedient to build up the pressure within 100 milliseconds, preferably within 10 to 50 milliseconds. As a result, the melt can be cooled under pressure for a short time after being poured off and a local solidification, which would complicate or prevent further feeding of metallic melt, can be avoided.
  • the casting mold can be introduced into a liquid coolant, in particular a gas which is liquid at -100 ° C. or at a lower temperature.
  • a liquid coolant which is optionally additionally kept in motion, heat can be removed in a particularly effective manner and thus a rapid solidification can be achieved. It is particularly advantageous for the reasons mentioned, when the mold is brought over the entire surface with the coolant in contact.
  • melt is brought to a completely solidified state within a maximum of 300 seconds after the pressure has been built up.
  • a rapid solidification of the metallic melt carried out in this way a particularly fine microstructure can be set or a molded part with excellent mechanical properties can be obtained. If a gas is used to pressurize, then a further time is minimized, in which gas can dissolve in the melt.
  • the pressure is at least 200 bar, preferably at least 800 bar.
  • the higher a pressure the sooner cavities that occur during solidification can be eliminated, and the better it is possible for liquid metal to be pressed into the casting mold or the solidifying metal to be compacted.
  • the melt is subjected to ultrasound and / or an alternating voltage during solidification.
  • ultrasound also counteracts the formation of voids.
  • the casting mold and / or the Melt in a runner during the increased cooling area heated. It proves to be expedient to heat those regions of the casting mold through which melt is to flow into the casting mold interior, whereas the remaining parts of the casting mold are increasingly cooled.
  • the further object of the invention is a device for investment casting of a metallic molding or more preferably dimensionally equal metallic moldings, comprising a mold and a melt container, through which metallic melt can be introduced into the mold, and a cooling device for the mold, wherein the cooling device in a pressure-resistant chamber is housed, solved.
  • Advantages of a device according to the invention are to be seen in particular in the fact that high-quality, void-free molded parts can be created with a simple construction of the apparatus and in addition a fine microstructure can be set in the molded parts.
  • a compressive strength of the proposed chamber allows, after introducing the molten metal in the mold to apply these with high pressure and thus to fill the mold on the one hand completely and on the other hand to let the molten metal solidify under pressure. Since at the same time an increased cooling can take place, high quality molded parts with excellent mechanical characteristics can be produced.
  • the cooling device comprises a container for a liquid coolant, e.g. an oil, water or substances which are present between -100 ° C and - 200 ° C as the liquid phase.
  • a liquid coolant e.g. an oil, water or substances which are present between -100 ° C and - 200 ° C as the liquid phase.
  • the chamber has at least two areas which are separated by a lock and independently evacuated or pressurized. This proves to be particularly advantageous in the case of the use of liquid coolants, because it can be prevented that during casting under vacuum or during degassing of the metallic melt coolant enters the vacuum apparatus, resulting in their failure, but in any case a poorer vacuum and thus to a higher proportion of dissolved gas in the melt, can lead.
  • a melt of a metal is created by melting a corresponding starting material.
  • metal is here as well as otherwise a metal, an alloy of metals or a composite material, which includes a metal or an alloy as a predominant component to understand.
  • the melt is degassed, for which purpose any degassing method familiar to the person skilled in the art can be used. However, it is preferred to carry out a degassing by a vacuum treatment.
  • degassing and a subsequent step of vacuum pouring may occur in a single vacuum chamber, thereby ensuring that the melt between degassing and pouring is no longer in contact with a gas.
  • After pouring off the melt it is gas-tightly sealed in the region of an opening of a casting mold or, optionally, allowed to solidify to the area-wise formation of a gas-impermeable metal skin. This ensures that in the next step, pressurization by means of a gas, a release of the gas used in the molten metal is prevented or at least largely suppressed.
  • a desired pressure is built up, for example 800 bar, the melt is solidified while maintaining this pressure by introducing the casting mold into a coolant.
  • the melt solidifies in the casting mold from outside to inside, in particular sprue areas and / or supply lines of the casting mold are heated with advantage, so that a flow of material into the form-forming elements of the mold is possible or a solidification front of the melt without interruption up to a Can withdraw the sprue of the mold.
  • impellers were cast from an aluminum casting alloy, namely G-AlSi 12 (12 wt% silicon casting aluminum alloy).
  • a molten metal was created from a corresponding starting material and this degassed in a vacuum.
  • the thus-prepared molten metal was poured into a casting grape in the same chamber in which it was degassed.
  • the metal melt poured into the casting grape which had been poured off at a temperature of 600 ° C., was allowed to cool until a solid film or film had formed on the surface of the molten metal in the region of an inlet opening of the grape .
  • FIG. 2 shows a cross-section of a device according to the invention.
  • the device 1 comprises two compartments 1a, 1b, which are separated from each other by sluices. On the outside, the device 1 is surrounded by a housing 2 which is pressure-resistant to at least 200 bar , for example of steel.
  • a housing 2 which is pressure-resistant to at least 200 bar , for example of steel.
  • inlets 41, 42 and outlets 51, 52 are provided in the housing 2 inlets 41, 42 make it possible to introduce a gas, for example argon, into the compartments 1a, 1b and to generate a high pressure of up to 2000 bar in the compartments 1a, 1b mentioned.
  • the outlets 51, 52 are each connected to a vacuum apparatus, so that when needed in the compartments 1 a, 1 b, a high vacuum can be applied.
  • the locks which separate the compartments 1a, 1b from each other, consist of elements 31, 32, 33 and 34.
  • the elements 31, 32 are fixedly connected to the housing 2 , whereas the elements 33, 34 are held horizontally displaceable on the elements 31 and 32 , respectively. This makes it possible to open the lock as needed.
  • any other lock can be used, provided that it is ensured that the compartments 1a, 1b can be separated from each other gas-tight.
  • a holding and displacement device 6 for a casting grape 10 is provided in the upper compartment 1a of the device 1 .
  • the holding and displacement device 6 may, as shown in Figure 2, be equipped with telescopic arms 7 through which the G telltraube 10 can be moved if necessary in the compartment 1b .
  • Symmetrically mounted brackets 81, 82 which are rigidly connected to both the telescopic arms 7 and 10 of the grape, ensure that the grape is held steady during the casting or a solidification.
  • a melting container 12 is provided in compartment 1 a, which serves for receiving or storing molten metal S.
  • the melting container 12 can additionally, as shown, have an insulation 13 , in order to avoid unwanted solidification of the molten metal S in the melting container 12 . If the melt container 12 is accommodated together with the casting grape 10 in the compartment 1a , this has the advantage that the melt can be degassed by applying a vacuum via the outlet 51 and immediately after degassing, the melt S is poured into the grape 10 can be.
  • melt S can no longer come into contact with a gas after degassing, as could be the case if the melt S is degassed outside the device 1 and then into the compartment 1a is to bring.
  • a degassing of the melt S in the compartment 1a is preferred, it is of course also possible within the scope of the invention to degas the melt S outside the compartment 1a or outside the apparatus 1 and then introduce it into the compartment 1a .
  • the G guesstraube 10 which is rigidly connected in the region of a filler neck 9 as mentioned with the brackets 81, 82 , consists of a ceramic and can be prepared in a conventional manner. Depending on the shape of the molded part to be created or the moldings to be created ceramic elements 11 are also provided in their interior, which determine the geometry of a final molded part or act shaping.
  • aids may be provided, with which the casting grape 10 in the region of its inlet opening 91 can be closed.
  • Such aids may include, for example, a height-adjustable plate whose diameter corresponds to the diameter of the inlet opening 91 and which can be raised or lowered hydraulically or pneumatically.
  • a coolant container 14 is housed, in which a coolant K is located. If a filled into the casting grape 10 and pressurized melt for rapid solidification, the elements 33, 34 of the lock are moved outward and opened the lock, so that the G telltraube 10 are retracted by the telescopic arms 7 in the coolant K. can. It is expedient to retract the G discerntraube 10 only so far in the coolant K , that in those areas that later form the molding or the shaped body is provided for a rapid solidification, whereas the filler neck 9 of the grape 10 is not in the coolant K. is retracted.
  • a device according to the invention consist of three interconnected chambers, wherein in a first chamber, a degassing of the melt and a casting thereof under vacuum. Subsequently, the casting grape is brought from the first chamber into a second chamber. This second chamber is dimensioned as small as possible, so that the casting grape finds exactly enough space. Due to the small residual volume, which is not filled by the casting grape, then a particularly rapid pressurization can be achieved.
  • the second chamber is in turn in contact with a third chamber, in which is a coolant and which is also formed with minimal volume to allow rapid pressure build-up. After a desired pressure is built up in the second and third chambers, the casting grape is brought from the second chamber into the third chamber and brought into contact therewith with the coolant.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feingießen eines metallischen Formteiles oder mehrerer vorzugsweise dimensionsgleicher metallischer Formteile, bei welchem eine metallische Schmelze in eine keramische Gießform abgegossen wird, wonach die metallische Schmelze erstarren gelassen wird. Um insbesondere auch bei einer verstärkten Abkühlung der Schmelze bei der Erstarrung ein lunkerfreies Gefüge zu erhalten, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die abgegossene Schmelze unter Ausübung eines Druckes auf die Schmelze verstärkt abgekühlt wird, wobei Druckausübung und verstärktes Abkühlen zumindest bis zur Formbeständigkeit des erstarrenden Formteiles bzw. der Formteile aufrechterhalten werden.
Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Feingießen eines metallischen Formteiles oder mehrerer dimensionsgleicher metallischer Formteile.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feingießen eines metallischen Formteiles oder mehrerer vorzugsweise dimensionsgleicher metallischer Formteile, bei welchem eine metallische Schmelze in eine keramische Gießform abgegossen wird, wonach die metallische Schmelze erstarren gelassen wird.
  • Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Feingießen eines metallischen Formteiles oder mehrerer vorzugsweise dimensionsgleicher metallischer Formteile, umfassend eine keramische Gießform und ein Schmelzenbehältnis, über welches metallische Schmelze in die Gießform einbringbar ist, sowie eine Kühleinrichtung für die Gießform.
  • Mit Feingießverfahren können Bauteile komplexer Geometrie mit endabmessungsnahen Dimensionen erstellt werden. Ein bevorzugter Anwendungsbereich solcher Verfahren liegt in jenen Bereichen, in denen eine Herstellung von massiven Gussstücken und eine nachfolgende Formgebung, z.B. in spanabhebender Weise wie durch ein Drehen oder Fräsen, aufgrund einer räumlich komplizierten Geometrie des zu erstellenden Formteiles außerordentlich teuer und daher wirtschaftlich nicht vertretbar wäre. Berücksichtigt man weiter, dass mit Feingießverfahren gleichzeitig mehrere dimensionsgleiche Formteile erstellt werden können, ist es nicht verwunderlich, dass solchen Verfahren für eine Serienfertigung von komplizierten Maschinenteilen eine enorme Bedeutung zukommt.
  • Wie auch bei anderen Verfahren zum Gießen von Metallen besteht bei Feingießverfahren grundsätzlich die Schwierigkeit, ein Gefüge ohne Lunker zu erreichen. Dies ist bei Feingießverfahren dadurch verstärkt, dass eine keramische Gießform - verglichen mit konventionellen Gießverfahren - über eine relativ große Kontaktfläche mit flüssiger Schmelze in Berührung steht, was eine ideale und fehlerfreie Erstarrung der metallischen Schmelze erschwert. Insbesondere kann es in engen Passagen der Gießform, welche zu Abschnitten mit geringen Dimensionen eines finalen Formteiles korrespondieren, zu einer zu raschen Erstarrung des Metalls kommen, so dass ein Nachführen von Schmelze nicht mehr möglich ist und im erstellten Formteil Hohlräume auftreten. Eine Lunkerbildung kann zusätzlich noch begünstigt sein, wenn die Schmelze eine niedrigere Dichte als der Festkörper aufweist, was bei der Erstarrung zu einer Volumenkontraktion führt. Vor allem bei einer verstärkten Abkühlung einer Schmelze kann in diesem Fall eine massive Lunkerbildung gegeben sein.
  • Aus dem Stand der Technik ( US 6,622,774 B2 ) ist ein Feingießverfahren bekannt geworden, bei welchem eine mit Schmelze gefüllte keramische Gießform in ein auf niedriger Temperatur befindliches Ölbad eingebracht wird, um die in der Gießform befindliche Schmelze verstärkt abzukühlen. Mit einem solchen Verfahren soll im finalen Festkörper eine feine und homogene Mikrostruktur einstellbar sein, was grundsätzlich positiv ist. Bei diesem Verfahren bleibt allerdings völlig unberücksichtigt, dass es durch in der Schmelze gelöstes Gas sowie eine verstärkte Abkühlung und eine Volumenkontraktion des Metalls bei der Erstarrung zu einer Ausbildung von Lunkern kommen kann, welche im Formteil Ausgangspunkte für mögliches Materialversagen darstellen und dementsprechend dessen Gebrauchsdauer erheblich verkürzen können.
  • Ausgehend vom Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem bei verstärkter Abkühlung lunkerfreie Formteile mit feinem Gefüge herstellbar sind.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche sich zum Feingießen lunkerfreier und ein homogenes, feines Gefüge aufweisender Formteile eignet.
  • Die verfahrensmäßige Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die abgegossene Schmelze unter Ausübung eines Druckes auf die Schmelze verstärkt abgekühlt wird, wobei Druckausübung und verstärktes Abkühlen zumindest bis zur Formbeständigkeit des erstarrenden Formteiles bzw. der Formteile aufrechterhalten werden.
  • Vorteile eines erfindungsgemäßen Verfahrens sind insbesondere darin zu sehen, dass aufgrund der getroffenen verfahrenstechnischen Maßnahmen Formteile erstellt werden können, welche im Wesentlichen frei von Lunkern sind. Durch die Ausübung eines Druckes auf die Schmelze während der Erstarrung wird die Gießform in exzellenter Weise gefüllt bzw. wird während der Erstarrung der Schmelze in gegebenenfalls vorhandene Hohlräume Schmelze eingepresst. Da gleichzeitig eine verstärkte Abkühlung erfolgt und dem erstarrenden Material rasch Wärme entzogen wird, können dichte, im Wesentlichen lunkerfreie Formteile mit einem feinen Gefüge erhalten werden. Unter verstärkter Abkühlung ist im Rahmen der Erfindung jede Maßnahme zu verstehen, welche im Vergleich mit einer Erstarrung an Luft zu einer rascheren Erstarrung führt.
  • Günstig ist es, wenn die Schmelze entgast und unter Vakuum in die Gießform abgegossen wird. Dies stellt sicher, dass ein Anteil an gelöstem Gas, welches bei einer Erstarrung der Schmelze zur Ausbildung von Hohlräumen führen kann, minimiert ist.
  • In besonderer Weise hat es sich bewährt, wenn der Druck mittels eines Gases, insbesondere eines Edelgases, ausgeübt wird. Dies bewirkt, da die keramische Gießform nicht vollkommen dicht ist, sondern eine gewisse Porosität aufweist, dass die Metallschmelze während der Erstarrung allseitig mit Druck beaufschlagt wird. Dadurch kann eine Lunkerbildung besonders effektiv unterdrückt und homogene und lunkerfreie Formteile erstellt werden.
  • Im Zusammenhang mit einer allseitigen Druckbeaufschlagung durch ein Gas hat sich eine Verfahrensvariante, bei der die Schmelze nach Abgießen in die Gießform und noch vor einer Druckausübung teilweise erstarren gelassen wird bis sie zumindest bereichsweise von einer gasundurchlässigen Metallhaut umgeben ist, als bevorzugt erwiesen. Die gasundurchlässige Metallhaut schützt die im Inneren befindliche Schmelze gegen Gasaufnahme sowohl über eine Öffnung der Gießform als auch durch die Keramik hindurch. Gleichzeitig ist der erstarrende Verbund aus Schmelze und Metallhaut leicht verformbar, so dass durch die Gasdruckbeaufschlagung ein dichter und lunkerfreier Formteil herstellbar ist. Alternativ dazu kann die Schmelze auch gasdicht verschlossen werden, z.B. indem die Schmelze im Angussbereich mit einem inerten Material wie Sand überschichtet wird.
  • Da bei Gießformen Heizeinrichtungen üblicherweise nicht vorgesehen sind und eine Metallschmelze bei bzw. rasch nach erfolgtem Abgießen in die Gießform bereits zu erstarren beginnt, empfiehlt es sich, dass der Druck innerhalb von höchstens 30 Sekunden aufgebaut wird. Sind in der Gießform freie Bereiche besonders kleiner Dimensionen mit metallischer Schmelze aufzufüllen, so ist es zweckmäßig, den Druck innerhalb von 100 Millisekunden, vorzugsweise innerhalb von 10 bis 50 Millisekunden, aufzubauen. Dadurch kann die Schmelze kurze Zeit nach dem Abgießen druckbeaufschlagt verstärkt abgekühlt werden und ein lokales Erstarren, welches ein weiteres Nachführen von metallischer Schmelze erschweren oder verhindern würde, kann vermieden werden.
  • Grundsätzlich sind alle bekannten Methoden zur Erzeugung von Druck geeignet, um im Rahmen der Erfindung Anwendung zu finden. Ist jedoch ein besonders rascher Druckaufbau erforderlich, beispielsweise weil in der Gießform feine Kapillaren vorhanden sind, welche mit flüssigem Metall ausgefüllt werden sollen, so ist eine Erzeugung des Druckes durch Zünden einer oder mehrerer Sprengladungen äußerst zweckmäßig. Ein rascher Druckaufbau ist alternativ auch durch Erhitzen eines flüssigen Inertgases in einem abgeschlossenen Volumen erreichbar.
  • Zur vollständigen Erstarrung der Schmelze kann die Gießform in ein flüssiges Kühlmittel, insbesondere ein bei -100 °C oder einer tieferen Temperatur flüssiges Gas eingebracht werden. Durch ein flüssiges Kühlmittel, welches gegebenenfalls zusätzlich in Bewegung gehalten wird, kann in besonders wirksamer Weise Wärme abtransportiert werden und somit eine rasche Erstarrung erreicht werden. Hierbei ist es aus den genannten Gründen besonders vorteilhaft, wenn die Gießform vollflächig mit dem Kühlmittel in Kontakt gebracht wird.
  • Verfahrensmäßig von Vorteil ist es auch, wenn die Schmelze innerhalb von höchstens 300 Sekunden nach Aufbau des Druckes in vollständig erstarrten Zustand gebracht wird. Durch eine in dieser Weise durchgeführte rasche Erstarrung der metallischen Schmelze kann ein besonders feines Gefüge eingestellt bzw. ein Formteil mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften erhalten werden. Wird ein Gas zur Druckbeaufschlagung eingesetzt, so ist weiters eine Zeitdauer minimiert, in welcher sich in der Schmelze Gas lösen kann.
  • Bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist es weiter von Vorteil, wenn der Druck zumindest 200 bar, vorzugsweise zumindest 800 bar, beträgt. Je höher ein Druck, desto eher können auftretende Hohlräume während der Erstarrung eliminiert werden und desto besser kann flüssiges Metall in die Gießform eingepresst bzw. das erstarrende Metall verdichtet werden.
  • In einer weiteren Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Schmelze während der Erstarrung mit Ultraschall und/oder einer Wechselspannung beaufschlagt wird. Eine solche Beaufschlagung bewirkt zum einen, dass ein sehr feines Gefüge ausgebildet wird. Zum anderen wirkt Ultraschall auch einer Lunkerbildung entgegen.
  • Um einen Transport von Schmelze in das Innere der Gießform während der Erstarrung bestmöglich sicherzustellen, kann vorgesehen sein, dass die Gießform und/oder die Schmelze in einem Angussbereich während der verstärkten Abkühlung bereichsweise beheizt werden. Es erweist sich als zweckmäßig, jene Bereiche der Gießform zu beheizen, durch welche Schmelze ins Gießforminnere nachfließen soll, wohingegen die übrigen Teile der Gießform verstärkt abgekühlt werden.
  • Die weitere Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung zum Feingießen eines metallischen Formteiles oder mehrerer vorzugsweise dimensionsgleicher metallischer Formteile, umfassend eine Gießform und ein Schmelzenbehältnis, über welches metallische Schmelze in die Gießform einbringbar ist, sowie eine Kühleinrichtung für die Gießform, wobei die Kühleinrichtung in einer druckfesten Kammer untergebracht ist, gelöst.
  • Vorteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind insbesondere darin zu sehen, dass bei einem einfachen apparativen Aufbau hochwertige, lunkerfreie Formteile erstellt werden können und bei den Formteilen zusätzlich ein feines Gefüge einstellbar ist. Eine Druckfestigkeit der vorgesehenen Kammer erlaubt es, nach Einbringen der Metallschmelze in die Gießform diese mit hohem Druck zu beaufschlagen und somit die Gießform einerseits vollständig zu füllen und andererseits die Metallschmelze unter Druck erstarren zu lassen. Da gleichzeitig eine verstärkte Abkühlung erfolgen kann, sind hochwertige Formteile mit hervorragenden mechanischen Kennwerten herstellbar.
  • In einer besonders einfachen Variante umfasst die Kühleinrichtung einen Behälter für ein flüssiges Kühlmittel, z.B. ein Öl, Wasser oder Substanzen, welche zwischen -100 °C und - 200°C als flüssige Phase vorliegen. Dies ermöglicht es, die Gießform großflächig in effizienter Weise zu kühlen. Bei Bedarf kann auch nur ein Teil der Gießform gekühlt werden, indem die Gießform nur teilweise in den Behälter der Kühleinrichtung eingebracht wird. In diesem Zusammenhang ist es für eine einfache Handhabung zweckmäßig, wenn die Gießform in den Behälter verfahrbar ist.
  • In weiterer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Kammer zumindest zwei Bereiche aufweist, welche durch eine Schleuse getrennt und unabhängig voneinander evakuierbar bzw. mit Druck beaufschlagbar sind. Dies erweist sich insbesondere bei einem Einsatz von flüssigen Kühlmitteln als vorteilhaft, weil dadurch verhindert werden kann, dass beim Abgießen unter Vakuum bzw. bei einem Entgasen der metallischen Schmelze Kühlmittel in die Vakuumapparatur gelangt, was zu deren Versagen, jedenfalls aber einem schlechteren Vakuum und damit zu einem höheren Anteil an gelöstem Gas in der Schmelze, führen kann.
  • Weitere Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus dem Zusammenhang der Beschreibung sowie den nachfolgenden Ausführungsbeispielen.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch weitergehend beschrieben.
  • Es zeigen
    • Figur 1
    ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
    Figur 2
    einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • In Figur 1 sind einzelne Schritte eines erfindungsgemäßen Feingießverfahrens anhand eines Flussdiagramms näher dargestellt. Zu Beginn wird eine Schmelze eines Metalles durch Aufschmelzen eines entsprechenden Ausgangsmateriales erstellt. Unter Metall ist hier wie auch im Übrigen ein Metall, eine Legierung von Metallen oder ein Verbundwerkstoff, welcher ein Metall oder eine Legierung als überwiegenden Bestandteil beinhaltet, zu verstehen. Nach der Erstellung der Schmelze wird diese entgast, wofür jede dem Fachmann geläufige Entgasungsmethode eingesetzt werden kann. Bevorzugt ist es jedoch, ein Entgasen durch eine Vakuumbehandlung durchzuführen. In diesem Fall kann ein Entgasen und ein nachfolgender Schritt des Abgießens unter Vakuum in einer einzigen Vakuumkammer erfolgen, wodurch sichergestellt ist, dass die Schmelze zwischen Entgasen und Abgießen nicht mehr mit einem Gas in Kontakt tritt. Nach dem Abgießen der Schmelze wird diese im Bereich einer Öffnung einer Gießform gasdicht verschlossen oder wahlweise bis zur bereichsweisen Bildung einer gasundurchlässigen Metallhaut erstarren gelassen. Dadurch ist sichergestellt, dass im nächsten Schritt, einer Druckbeaufschlagung mittels eines Gases, ein Lösen des verwendeten Gases in der Metallschmelze verhindert oder zumindest weitgehend unterdrückt ist. Nachdem ein gewünschter Druck aufgebaut ist, beispielsweise 800 bar, wird die Schmelze unter Aufrechterhaltung dieses Druckes durch Einbringen der Gießform in ein Kühlmittel zur Erstarrung gebracht. Dabei erstarrt die Schmelze in der Gießform von außen nach innen, wobei insbesondere Angussbereiche und/oder Versorgungsleitungen der Gießform mit Vorteil beheizt werden, so dass ein Materialfluss in die formteilformenden Elemente der Gießform möglich ist bzw. sich eine Erstarrungsfront der Schmelze ohne Unterbrechung bis zu einer Eingussöffnung der Gießform zurückziehen kann. Sobald sich aus der Metallschmelze ein formbeständiges Formteil gebildet hat, kann ein vorgesehener Druck auf Normaldruck reduziert werden und nach Abkühlen der Schmelze auf Umgebungstemperatur das fertige Formteil entnommen werden.
  • Nach dem vorstehend dargelegten Verfahren wurden aus einer Aluminiumgusslegierung, nämlich G-AlSi 12 (Aluminiumgusslegierung mit 12 Gewichtsprozent Silizium), Flügelräder gegossen. Dabei wurde aus einem entsprechenden Vormaterial eine Metallschmelze erstellt und diese in einem Vakuum entgast. Anschließend wurde die so erstellte Metallschmelze in derselben Kammer, in der sie entgast wurde, in eine Gießtraube eingegossen. Nachdem die Gießtraube bis zur Einfüllöffnung mit Metallschmelze befüllt war, wurde die in die Gießtraube abgefüllte Metallschmelze, welche mit einer Temperatur von 600 °C abgegossen wurde, abkühlen gelassen, bis sich an der Oberfläche der Metallschmelze im Bereich einer Eintrittsöffnung der Gießtraube ein fester Film bzw. eine durchgängige Metallhaut von 500 µm Dicke gebildet hatte. Im Anschluss daran wurde das Vakuum aufgehoben und mittels Argon ein Druck von 500 bar aufgebaut. Die Zeit zwischen Einbringen des Argons in die Kammer und Erreichen eines endgültigen Druckes von 500 bar betrug 25 Sekunden. Bei diesem Druck wurde die Schmelze für weitere 45 Sekunden erstarren gelassen und anschließend durch Absinken der Gießtraube in ein Ölbad, welches eine Temperatur von 25 °C aufwies, unter Druck zur vollständigen Erstarrung gebracht. Nach Abkühlen der Gießtraube auf Umgebungstemperatur wurde diese bei Normaldruck aus dem Ölbad entnommen und die Keramik entfernt. Untersuchungen an so hergestellten Flügelrädern zeigten, dass diese im Wesentlichen lunkerfrei ausgebildet waren und querschnittlich betrachtet ein homogenes, feinkörniges Gefüge aufwiesen.
  • In Figur 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Querschnitt näher dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst zwei Kompartimente 1a, 1b, welche durch Schleusen voneinander getrennt sind. Außenseitig ist die Vorrichtung 1 von einem bis zumindest 200 bar druckfesten Gehäuse 2, z.B. aus Stahl, umgeben. In dem Gehäuse 2 sind Einlässe 41, 42 sowie Auslässe 51, 52 vorgesehen. Die Einlässe 41, 42 erlauben es, in die Kompartimente 1a, 1b jeweils ein Gas, z.B. Argon, einzubringen und in den genannten Kompartimenten 1a, 1b einen hohen Druck von bis zu 2000 bar zu erzeugen. Die Auslässe 51, 52 sind jeweils mit einer Vakuumapparatur verbunden, so dass bei Bedarf in den Kompartimenten 1a, 1b ein Hochvakuum angelegt werden kann. Die Schleusen, welche die Kompartimente 1a, 1b voneinander trennen, bestehen aus Elementen 31, 32, 33 und 34. Die Elemente 31, 32 sind ortsfest mit dem Gehäuse 2 verbunden, wohingegen die Elemente 33, 34 horizontal verschiebbar an den Elementen 31 bzw. 32 gehalten sind. Dies erlaubt es, bei Bedarf die Schleuse zu öffnen. Anstelle der in Figur 2 dargestellten Schleuse kann jede andere Schleuse verwendet werden, sofern sichergestellt ist, dass die Kompartimente 1a, 1b voneinander gasdicht getrennt werden können.
    Im oberen Kompartiment 1a der Vorrichtung 1 ist eine Halte- und Verschiebevorrichtung 6 für eine Gießtraube 10 vorgesehen. Die Halte- und Verschiebevorrichtung 6 kann, wie in Figur 2 dargestellt, mit Teleskoparmen 7 ausgestattet sein, durch welche die Gießtraube 10 bei Bedarf in das Kompartiment 1b verfahren werden kann. Symmetrisch angebrachte Halterungen 81, 82, welche sowohl mit den Teleskoparmen 7 als auch mit der Gießtraube 10 starr verbunden sind, sorgen dafür, dass die Gießtraube während des Abgießens bzw. eines Erstarrens ruhig gehalten wird.
  • Weiter ist im Kompartiment 1a ein Schmelzenbehältnis 12 vorgesehen, welches für eine Aufnahme bzw. Bevorratung von Metallschmelze S dient. Das Schmelzenbehältnis 12 kann zusätzlich, wie gezeigt, eine Isolierung 13 aufweisen, um eine unerwünschte Erstarrung der Metallschmelze S im Schmelzenbehältnis 12 zu vermeiden. Ist das Schmelzenbehältnis 12 zusammen mit der Gießtraube 10 im Kompartiment 1a untergebracht, so weist dies den Vorteil auf, dass die Schmelze durch Anlegen eines Vakuums über den Auslass 51 entgast werden kann und unmittelbar nach einer Entgasung ein Abgießen der Schmelze S in die Gießtraube 10 durchgeführt werden kann. Dadurch ist einerseits eine Verfahrensführung vereinfacht und andererseits wird sichergestellt, dass die Schmelze S nach einem Entgasen nicht mehr mit einem Gas in Kontakt treten kann, wie es der Fall sein könnte, wenn die Schmelze S außerhalb der Vorrichtung 1 entgast wird und anschließend in das Kompartiment 1a einzubringen ist. Wenngleich eine Entgasung der Schmelze S im Kompartiment 1a bevorzugt ist, ist es im Rahmen der Erfindung selbstverständlich auch möglich, die Schmelze S außerhalb des Kompartimentes 1a bzw. außerhalb der Vorrichtung 1 zu entgasen und erst anschließend in das Kompartiment 1a einzubringen.
  • Die Gießtraube 10, welche im Bereich eines Einfüllstutzens 9 wie erwähnt mit den Halterungen 81, 82 starr verbunden ist, besteht aus einer Keramik und kann in üblicher Weise hergestellt sein. Je nach Form des zu erstellenden Formteiles bzw. der zu erstellenden Formteile sind in ihrem Inneren ebenfalls keramische Elemente 11 vorgesehen, welche die Geometrie eines finalen Formteiles bestimmen bzw. formgebend wirken.
  • Im Kompartiment 1a können weiter Hilfsmittel vorgesehen sein, mit welchen die Gießtraube 10 im Bereich ihrer Eintrittsöffnung 91 verschließbar ist. Solche Hilfsmittel können beispielsweise eine höhenverstellbare Platte umfassen, deren Durchmesser dem Durchmesser der Eintrittsöffnung 91 entspricht und welche hydraulisch oder pneumatisch heb- bzw. senkbar ist.
  • Im Kompartiment 1b ist ein Kühlmittelbehältnis 14 untergebracht, in welchem sich ein Kühlmittel K befindet. Soll eine in die Gießtraube 10 abgefüllte und unter Druck stehende Schmelze zur raschen Erstarrung gebracht werden, so werden die Elemente 33, 34 der Schleuse nach außen verfahren und die Schleuse geöffnet, so dass die Gießtraube 10 mittels der Teleskoparme 7 in das Kühlmittel K eingefahren werden kann. Dabei ist es zweckmäßig, die Gießtraube 10 nur so weit in das Kühlmittel K einzufahren, dass in jenen Bereichen, die später den Formkörper bzw. die Formkörper bilden für eine rasche Erstarrung gesorgt ist, wohingegen der Einfüllstutzen 9 der Gießtraube 10 nicht in das Kühlmittel K eingefahren wird. Bei dieser Vorgehensweise ist dafür gesorgt, dass im Bereich des Einfüllstutzens 9 eine langsamere Erstarrung der Schmelze eintritt und aufgrund eines anliegenden Druckes flüssiges Metall in die einzelnen verstärkt gekühlten Elemente der Gießtraube 9, in denen Schmelze von außen nach innen erstarrt, nachgepresst werden kann. Gleichzeitig kann zu den gleichen Zwecken im Bereich der Eintrittsöffnung 91 und der daran anschließenden Versorgungsleitungen bzw. Angussbereich auch geheizt werden. Um eine möglichst rasche und wirksame Abkühlung zu erreichen, ist es zweckmäßig, das Kühlmittel K z.B. mittels eines Rührers zu bewegen. Eine Verbesserung eines Kühleffektes und damit eine Steigerung der Feinheit eines Gefüges ist auch möglich, wenn das aus Stahl gefertigte Behältnis 14 auf einem massiven Metallblock 15 positioniert ist, so dass ein guter Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel K und der Umgebung der Vorrichtung 1 möglich ist.
  • Die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung stellt lediglich eine mögliche Ausführungsform dar. In einer anderen Ausführungsform kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung aus drei miteinander verbundenen Kammern bestehen, wobei in einer ersten Kammer eine Entgasung der Schmelze und ein Abgießen derselben unter Vakuum erfolgen. Anschließend wird die Gießtraube von der ersten Kammer in eine zweite Kammer gebracht. Diese zweite Kammer ist möglichst klein dimensioniert, so dass die Gießtraube genau Platz findet. Auf Grund des geringen Restvolumens, welches von der Gießtraube nicht ausgefüllt wird, kann dann eine besonders rasche Druckbeaufschlagung erreicht werden. Die zweite Kammer steht wiederum mit einer dritten Kammer in Kontakt, in welcher sich ein Kühlmittel befindet und welche ebenfalls mit minimalem Volumen ausgebildet ist, um einen raschen Druckaufbau zu ermöglichen. Nachdem in der zweiten und dritten Kammer ein gewünschter Druck aufgebaut ist, wird die Gießtraube von der zweiten Kammer in die dritte Kammer gebracht und in dieser mit dem Kühlmittel in Kontakt gebracht.

Claims (18)

  1. Verfahren zum Feingießen eines metallischen Formteiles oder mehrerer vorzugsweise dimensionsgleicher metallischer Formteile, bei welchem eine metallische Schmelze in eine keramische Gießform abgegossen wird, wonach die metallische Schmelze erstarren gelassen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die abgegossene Schmelze unter Ausübung eines Druckes auf die Schmelze verstärkt abgekühlt wird, wobei Druckausübung und verstärktes Abkühlen zumindest bis zur Formbeständigkeit des erstarrenden Formteiles bzw. der Formteile durchgeführt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze entgast und unter Vakuum in die Gießform abgegossen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck mittels eines Gases ausgeübt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze nach Abgießen in die Gießform gasdicht verschlossen wird oder die Schmelze teilweise erstarren gelassen wird, bis die Schmelze zumindest bereichsweise von einer gasundurchlässigen Metallhaut umgeben ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck innerhalb von höchstens 30 Sekunden aufgebaut wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck innerhalb von 100 Millisekunden, vorzugsweise innerhalb von 10 bis 50 Millisekunden, aufgebaut wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck durch Zünden einer oder mehrerer Sprengladungen erzeugt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck durch Erhitzen eines flüssigen Inertgases erzeugt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform zur vollständigen Erstarrung der Schmelze in ein flüssiges Kühlmittel, insbesondere ein bei -100 °C oder einer tieferen Temperatur flüssiges Gas, eingebracht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform vollflächig mit dem Kühlmittel in Kontakt gebracht wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze innerhalb von höchstens 300 Sekunden nach Aufbau des Druckes in vollständig erstarrten Zustand gebracht wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck zumindest 200 bar, vorzugsweise zumindest 800 bar, beträgt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze während der Erstarrung mit Ultraschall und/oder einer Wechselspannung beaufschlagt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform und/oder die Schmelze in einem Angussbereich während der verstärkten Abkühlung bereichsweise beheizt werden.
  15. Vorrichtung zum Feingießen eines metallischen Formteiles oder mehrerer vorzugsweise dimensionsgleicher metallischer Formteile, umfassend eine keramische Gießform und ein Schmelzenbehältnis, über welches metallische Schmelze in die Gießform einbringbar ist, sowie eine Kühleinrichtung für die Gießform, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung in einer druckfesten Kammer untergebracht ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung einen Behälter für ein flüssiges Kühlmittel umfasst.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform in den Behälter verfahrbar ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer zumindest zwei Bereiche aufweist, welche durch eine Schleuse getrennt und unabhängig voneinander evakuierbar bzw. mit Druck beaufschlagbar sind.
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