PRESSURE CASTING PROCESS

Abstract: 1. Pressure casting process in which the melt is conveyed from a melt container (1) through a duct (2) for material to a hollow chamber of a casting mould (3) under the effect of a pressure differential between the melt container (1) and the casting mould (3) and in which, after the filling of the hollow chamber (4) of the casting mould (3), the melt is cooled at additionally produced elevated pressure, with the melt being exposed in the casting mould (3) to a double-sided final pressing, characterised in that a residual space (5) of the casting mould (3) is exposed during the charging to an essentially elevated additional gas pressure as remotely applied final pressure and this increased additional gas pressure is balanced by means of a variable counter pressure on the side of the casting entry opening as casting side final pressure until there is complete charging of the casting mould.

Description: DRUCKGIESSVERFAHREN Die Erfindung betrifft ein Druckgiessverfahren, bei dem die Schmelze aus einem Schmelzebehälter zu einer Giessform gefördert wird und sie unter der Wirkung eines Druckunterschiedes füllt, der zwischen dem Schmelzbehälter und der Giessform hergestellt wird, so dass während des Füllens der Giessform die Schmelze unter Vakuum, atmosphärischem und erhöhtem Druck steht. Aus der JP-A-14385 ist ein Druckgiessverfahren bekannt, bei dem die in einem Flüssigmetallbehälter vorhandene Schmelze über eine geschlossene Materialleitung zur Giessform fliesst und sie unter der Einwirkung eines Druckunterschiedes im Schmelzebehälter und in der Giessform füllt. Die Füllung der Giessform beginnt bei atmosphärischem Druck. Wenn die Schmelze eine bestimmte Höhe erreicht hat, wird in der Giessform ein geeignetes Vakuum erzeugt, so dass man auf diese Weise die Geschwindigkeit der vollständigen Formausfüllung steuern kann. Nach dem Füllen der Giessform und nach dem Erstarren der Schmelze wird das Guss stück herausgenommen. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die Schmelze unter den vorhandenen Vakuum- oder Niederdruckbedingungen erstarrt. Dadurch ist es unmöglich, eine Steuerung des Kristallisationsvorganges im ganzen Volumen des Gussstückes, besonders bei einer kompliziert gestalteten Form, vorzunehmen. Dies hat einen negativen Einfluss auf die physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Gussstückes. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Druckgiessverfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, dass der Formfüll- und Kristallisationsvorgang für alle Bereiche des Guss stückes bei minimalen Energieverlusten sicher gesteuert werden kann, um Gussstücke mit hervorragenden physikalisch-mechanischen Eigenschaften aus verschiedenen Werkstoffen herstellen zu können. Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass nach dem Füllen der Giessform bis zu einer bestimmten Höhe, in einem oder einigen noch nicht gefüllten Hohlräumen ein zusätzlicher Gasdruck erzeugt wird, der wesentlich grösser als der momentan in der GieBform vorhandene Gasdruck ist, wobei gleichzeitig der zusätzlich erzeugte Gasdruck durch einen auf der anderen Seite der Giessform erzeugten Gasdruck ausgeglichen wird. Der zusätzlich erzeugte Gasdruck kann bis zur vollständigen Erstarrung der Schmelze in der Giessform beibehalten werden oder vom Zeitpunkt der Druckerzeugung bis zur Vollendung des Kristallisationsvorganges variiert, insbesondere gesteigert werden. Das erfindungsgemässe Verfahren hat den Vorteil, dass der zusätzliche Gasdruck auf die Schmelze zu einem Zeitpunkt zu wirken beginnt, der in Abhängigkeit von der Formgebung und dem Material der Giessform gewählt wird, wobei der Druck innerhalb der Giessform erzeugt wird. Auf diese Weise wird auf die Giessformfüllung und die Kristallisation der Schmelze Einfluss genommen, wobei diese beiden Vorgänge gleichzeitig und mit einem minimalen Energieaufwand gesteuert werden können. Dies ermöglicht die Herstellung von Guss stücken mit ausgezeichneten physikalisch-mechanischen Eigenschaften, und zwar unabhängig von der Form der Gussstücke. Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Druckgiessver fahrens mit Schmelzezuführung aufgrund unter schiedlicher Drucke in Giessform und Schmelze behälter Fig. 2 in einem Diagramm den Verlauf des Giessdrucks über der Zeit Fig. 3 schematisch eine zweite Ausführungsform mit Atmosphärendruck in der Giessform und mit mit Hilfe eines Kolbens erzeugtem Giessdruck Fig. 4 den zeitabhängigen Verlauf des Giessdrucks bei der Ausführungsform von Fig. 3 Fig. 5 schematisch eine dritte Ausführungsform mit Vakuum in der Giessform und einem aus unterschiedlichen Gasdrucken resultierendem Giessdruck Fig. 6 den zeitabhängigen Verlauf des Giessdrucks bei der Ausführungsform von Fig. 5 Fig. 7 schematsich eine vierte Ausführungsform mit Über- druck in der Giessform und einem aus unterschied lichen Gasdrucken resultierenden Giessdruck und Fig. 8 den zeitabhängigen Verlauf des Giessdrucks bei der Ausführungsform von Fig. 7. Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zur Durchführung des Druckgiessverfahrens hat einen aiselzebehälter 1, der über eine Materialleitung 2 mit einer Giessform 3 verbunden ist. Die Giessform 3 besteht aus zwei Teilen, einer unteren Halbform 31 und einer oberen Halbform 32. Zwischen den beiden Halbformen 31 und 32 wird ein Giesshohlraum 4 ausgebildet. In der oberen Halbform 32 sind zusätzliche Hohlräume 5 vorhanden. Der Schmelzebehälter 1 ist an eine Druckgasquelle 6 über ein Ventil 7 angeschlossen. Der Druck P1 in der Druckgasquelle 6 entspricht dem Giessdruck. Der Schmelzebehälter 1 ist mit einem Druckmessgerät 8 versehen, das über einen Umsetzer 9 und ein Ventil 10 mit einem Gasbehälter 13 mit hohem Druck P3 verbunden ist. Im unteren Bereich der Giessform 3 ist ein Verstärkerzylinder 11 mit einem Stufenkolben angeordnet, der einerseits über eine Regeldrossel 12 und eine Rohrleitung mit den zusätzlichen Hohlräumen 5 und andererseits über eine weitere Rohrleitung und das Ventil 10 mit dem Gasbehälter 13 verbunden ist. Der Giessvorgang bei dieser Ausführung erfolgt folgendermassen: Nach Vorbereitung der Schmelze wird zwischen dem Schmelzebehälter 1 und der Giessform 3 ein Druckunterschied erzeugt, so dass unabhängig davon, ob in der Giessform 3 ein Vakuum, atmosphärischer oder erhöhter Druck herrscht, der Giesshohlraum 4 über die Materialleitung gefüllt wird. Während des Füllvorgangs steigt der Giessdruck aufgrund der Überwindung der Reibungskräfte, der hydraulischen Höhe der Schmelze und der Drosselwirkung der durch Entlüftungsöffnungen entweichenden Gase, so dass das Füllen allmählich und sprungartig erfolgt. Beim Erreichen einer bestimmten Höhe der Schmelze, die mit der Gerade A-A bzw. Punkt "a" in dem Diagramm von Fig. 2 dargestellt ist, verändert sich der Giessdruck PTp, I z.B. infolge einer Änderung des Gussstückquerschnitts. Auf ein Signal aus dem Druckmessgerät 8 für den Giessdruck wird der Umsetzer 9 wirksam. Er öffnet das Ventil 10, so dass Gas aus dem Gasbehälter 13 zu den noch nicht gefüllten zusätzlichen Hohlräumen 5 der Giessform 3 und zu dem Verstärkerzylinder 11 geleitet wird, wodurch in der Giessform 3 der hohe Druck P3 herrscht. Durch die Bewegung des Stufenkolbens im Verstärkerzylinder 11 wird der Zufluss von Schmelze aus dem Schmelzebehälter 1 unterbrochen und das vollständige Füllen der Giessform 3 mit Schmelze beendet. Nach Druckabsperrung, Abkühlung und Entnahme des fertiggestellten Gussstückes wird der Giesszyklus wiederholt. Bei der Vorrichtung von Fig. 3 besteht der Schmelzebehälter aus einem Zylinder 1, der mit der Giessform durch ein Giessrohr verbunden ist. Die Giessform setzt sich aus einer linken Halbform 31 und einer rechten Halbform 32 zusammen und hat einen Giesshohlraum 4 und zusätzliche Hohlräume 5, nämlich Steiger. Der Zylinder 1 ist über ein Ventil 7, eine Rohrleitung und einen mit einem Druckmessgerät 8 ausgestatteten Kraftzylinder 18 mit einer Druckquelle 6 mit einem Druck P1 angeschlossen. Der Kraftzylinder 18 ist mit einem Verstärkerzylinder 11 verbunden, der einerseits über eine Rohrleitung mit dem Giesshohlraum 4 und andererseits über ein Ventil 14 mit einem Gasbehälter 13 mit hohem Druck P3 verbunden ist. Das Druckmessgerät 8 ist über einen Umsetzer 9 und ein Ventil 10 mit dem zusätzlichen Hohlraum 5 und dem Verstärkerzylinder 11 verbunden. In der Verbindungsleitung zwischen dem Umsetzer 9 und dem zusätzlichen Hohlraum 5 sitzt eine Regeldrossel 12. Mit der Ausführung von Fig. 3 sollen Kolben für Kraftfahrzeuge aus einer AlSi-Legierung gegossen werden, die eine Mantelwandstärke von 6 mm, einen Verstärkungsring im unteren Bereich des Mantels, eine Verstärkung von 20 mm im Bereich der Kolbenbolzenaugen und eine Kolbenbodenstärke von 25 mm haben. Die zweiteilige Giessform 3 besteht aus Metall und hat einen zusammengesetzten Kern für die zentrale Öffnung und Kerne für die Radialöffnungen. In der Giessform 3 sind noch Entlüftungskanäle, ein Giessrohr und zusätzliche Hohlräume 5 bildende Steiger ausgebildet. In dem Verstärkerzylinder 11 wird, ausgehend vom Gasbehälter 13, durch Öffnen des Ventils 14 ein Gasdruck von 60 MPa erzeugt. Später wird das Ventil 14 geschlossen und eine abgemessene Menge an Schmelze in den Zylinder 1 eingegossen. Durch Öffnen des Ventils 7 wird aus der Druckgasquelle 6 im Kraftzylinder 18 und im Verstärkerzylinder 11 ein Druck erzeugt. Der Kolben des Kraftzylinders 18 fördert die Schmelze, die den Giesshohlraum 4 der Giessform 3 füllt. Wenn der zusätzliche Hohlraum 5 der Giessform 3 gefüllt ist, tritt eine Änderung des von dem Druckmessgerät 8 angezeigten Giessdruckes bzw. Förderdruckes PTp (F±g. 4) ein. Wenn der Steiger teilweise gefüllt ist, ändert sich der Giessdruck im Punkt a von Fig. 4. Nach einem Signal aus dem Druckmessgerät 8 wird der Umsetzer 9 betätigt, so dass sich das Ventil 10 öffnet. Dadurch wird der Stufenkolben des Verstärkerzylinders 11 angetrieben, wodurch in den die zusätzlichen Hohlräume 5 bildenden Steigern ein Druck von 300 MPa herrscht. Der so hergestellte Druck wird bis zur vollständigen Kristallisation des Gussstückes entnommen. Nach einer entsprechenden Wärmebehandlung hat das so erzeugte Gussstück folgende Eigenschaften: Zugfestigkeit & = 320 bis 360 N/cm2; Streckgrenze Cs = 270 bis 200 N/cm2; Dehnung ##3%; Brinellhärte Hg = 120 bis 140. B Die Vorrichtung von Fig. 5 hat einen mit Metallschmelze gefüllten Behälter 1, der mit der Giessform 3 über eine Materialleitung 2 verbunden ist. Zwischen der oberen Halbform 31 und der unteren Halbform 32 der Giessform 3 befindet sich der Giesshohlraum 4. In der oberen Halbform 32 sind die zusätzlichen Hohlräume 5, nämlich Steiger, vorgesehen. Der Schmelzebehälter 1 ist über ein Ventil 7 mit der Druckquelle 6 mit einem Druck P1 verbunden-. Der Schmelzebehälter 1 und der Raum der Giessform 3 sind mit einem Druckmessgerät 8 ausgestattet, das mit einem Umsetzer 9 versehen ist. Über das Ventil 10 ist der Umsetzer 9 an den Gasbehälter 13 mti hohem Druck P3 angeschlossen. Der Gasbehälter 13 ist über das Ventil 10 mit dem Verstärkerzylinder 11 verbunden, der an der unteren Halbform 31 angeschlossen ist. Die Verbindung zwischen dem Kolbenvorraum des Verstärkerzylinders 11 und den zusätzlichen Hohlräumen 5 der Giessform erfolgt über die Regeldrossell2. Der Raum der Giessform 3 ist über eine Rohrleitung und ein Ventil 16 mit einem Vakuumbehälter 17 verbunden. Mit der Ausführung von Fig. 5 werden Bauteile einer Kraftfahrzeugaufhängung aus Alulegierung, in komplizierter dünn- und dickwandiger Ausführung mit Stärken von 4 bis 25 mm gegossen. Die dickeren Bereiche sind an drei Stellen konzentriert und sind von der Mitten öffnung 300 bis 400 mm entfernt, wobei eine komplizierte Verrippung mit einer Rippenhöhe bis 90 mm vorgesehen ist. Der Giessvorgang erfolgt in einer zweiteiligen Metallform, die in einer hermetisch abgedichteten Kammer angeordnet ist. Die Trennfläche der beiden Halbformen 31 und 32 ist kompliziert. Die Steiger sind über den massenreichen Bereichen des Gussstückes ausgebildet. In der Giessform selbst sind Entlüftungskanäle eingearbeitet. Die Hohlräume zwischen den einzelnen Rippen sind als Einlegestücke ausgebildet, wobei dazwischen Entlüftungskanäle vorgesehen sind. Vor dem Beginn des Giessvorgangs wird in der Kammer mit der Giessform 3 durch Öffnen des Ventils 16 über die Vakuumquelle 17 ein Vakuum von 0,1 - 0,2 MPa erzeugt. Infolge des hergestellten Druckunterschieds zwischen dem Schmelzebehälter 1 und der Giessform 3 beginnt die Füllung des Giesshohlraums 4. Wenn die Schmelze die Entlüftungskanäle an der Trennfläche auszufüllen beginnt, ändert sich der Giessdruck. Auf ein Signal vom Druckmessgerät 8 wird der Umsetzer 9 betätigt, der das Ventil 10 öffnet. Dadurch wird im zusätzlichen Hohlraum 5 der Giessform 3 ein hoher Druck erzeugt, der von dem Stufenkolben des Verstärkerzylinders 11 ausgeglichen wird. Der Hochdruck wird bis zur Beendigung des Erstarrungsvorganges beibehalten, während das Vakuum nur bis zur Füllung der Giessform 3 herrscht. Nach Abbau des Hochdrucks wird das Guss stück herausgenommen. Die Vorrichtung von Fig. 7 hat einen Schmelzebehälter 1, der über die Materialleitung 2 mit der Giessform 3 verbunden ist, die sich aus einer linken Halbform 31 und einer rechten Halbform 32 zusammensetzt und den dazwischen ausgebildeten Giesshohlraum 4 umschliesst. In der linken Halbform 31 sind die zusätzlichen Hohlräume 5, nämlich die Steiger, eingearbeitet. Der Schmelzebehälter 1 ist über das Ventil 7 an die Druckgasquelle 6 mit dem Druck P1 angeschlossen. Die Druckgasquelle 6 ist über ein Ventil 15 mit der Giessform 3 verbunden. An dem Schmelzebehälter 1 ist ein Druckmessgerät 8 angebracht, das mit einem Umsetzer 9 versehen ist, der über das Ventil 10 an den Gasbehälter 13 mit hohem Druck P3 angeschlossen ist. Der Gasbehälter 13 und der Verstärkerzylinder 11 sind miteinander verbunden und an die rechte Halbform 32 angeschlossen. Der Kolbenvorraum des Verstärkerzylinders 11 ist mit den zusätzlichen Hohlräumen 5 verbunden. Mit der Ausführung von Fig. 7 werden Bauteile mit Verrippungen gegossen, die in Wasserdampf bei 1500C und einem Druck von 10 MPa eingesetzt werden, was eine Festigkeit = = 300 bis 320 N/cm2 und eine Dehnung 85 > 20% erfordert. Die zweiteilige Giessform ist mit elastischen Dichtungen versehen. Zwischen dem Dichtungsring und dem Giesshohlraum ist ein tiefer und breiter Kanal ausgearbeitet, der durch Entlüftungskanäle mit dem Giesshohlraum verbunden ist. In der Giessform sind weitere Entlüftungskanäle und ein Raum für einen Steiger vorgesehen. In dem Schmelzebehälter 1 wird Schmelze aus technisch reinem Zink eingebracht, die mit Stickstoff unter einen Druck von 10 bar gesetzt wird. Nachher wird im System Schmelzebehälter 1 - Giessform 3 ein Druck von 10 bar eingestellt. Durch den erzeugten Druckunterschied wird die Giessform 3 bis zum Niveau A-A, was dem Punkt 2a in Fig. 8 entspricht, gefüllt, so dass sich der Giessdruck ändert. Durch ein Signal des Druckmessgeräts 8 wird der Umsetzer 9 betätigt, der das Ventil 10 öffnet. Dadurch baut sich in dem nicht gefüllten zusätzlichen Hohlraum 5 der Giessform 3 einen Druck von 96 bar auf, der durch den Druck aus dem Verstärkerzylinder 11 ausgeglichen wird. Durch die Bewegung des Stufenkolbens des Verstärkerzylinders 11 wird der Zufluss von Schmelze aus dem Schmelzebehälter 1 unterbrochen. Die vollständige Füllung der Giessform 3 erfolgt unter hohem Druck. Nach Beendigung des Kristallisationsvorgangs wird der Druck in der Giessform 3 abgebaut, das Guss stück wird gekühlt und herausgenommen.

Claims: DRUCKGIESSVERFAHREN Patentansprüche 1. Druckgiessverfahren, bei dem die Schmelze aus einem Schmelzebehälter zu einer Giessform gefördert wird und diese unter der Wirkung eines Druckunterschieds füllt, der zwischen dem Schmelzebehälter und der Giessform hergestellt wird, so dass während des Füllens der Giessform die Schmelze unter Vakuum, atmosphärischem und erhöhtem Druck steht, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass nach dem Füllen der Giessform bis zu einer bestimmten Höhe, in einem nicht gefüllten Hohlraum oder in nicht gefüllten Hohlräumen der Giessform zusätzlicher Gasdruck erzeugt wird, der wesentlich grösser als der momentan in der Giessform vorhandene Gasdruck ist, wobei gleichzeitig der zusätzlich erzeugte Gasdruck durch einen auf der anderen Seite der Giessform erzeugten Gasdruck ausgeglichen wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der zusätzliche Gasdruck bis zur vollständigen Erstarrung der Schmelze in der Giessform konstant gehalten wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der zusätzliche Gasdruck vom Zeitpunkt seiner Erzeugung bis zur vollständigen Erstarrung der Schmelze in der Giessform variiert wird. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der zusätzliche Gasdruck vom Zeitpunkt seiner Erzeugung bis zur vollständigen Erstarrung der Schmelze in der Giessform ständig gesteigert wird.

Inventors: NIKOLOV, IVAN DIMOV, DIPL.-ING.
Applicants: INSTITUT PO METALOSNANIE I TECHNOLOGIA NA METALITE
Application year: 1983
Main classification: B22D18
IPC codes: B22D18, B22D17