DE19812068A1 - Gießvorrichtung und Gießverfahren mit Nachverdichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum druck- und/oder vakuumgestützten Gießen von Werkstücken, insbesondere zum Niederdruck-, Gegendruck- und/oder Vakuumgießen, mit einer ersten Druckerzeugungsvorrichtung (22), welche in einem Schmelzofen (10), in dem eine Schmelze (26) angeordnet ist, einen vorbestimmten Druck einstellt, wobei ein in die Schmelze (26) tauchendes Steigrohr (24), insbesondere ein Keramiksteigrohr, mit einem Formhohlraum (28) einer Gießform (30) verbunden ist. Hierbei ist ein Verschlußmittel (36) vorgesehen, welches das Steigrohr (24) stromab zum Formhohlraum (28) wahlweise druckdicht abschließt. Ferner ist eine zweite Druckerzeugungsvorrichtung (38) vorgesehen, welche bei verschlossenem Steigrohr (24) im Formhohlraum (28) einen vorbestimmten Nachverdichtungsdruck einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum druck- und/oder vakuumgestützten Gießen von Werkstücken, insbesondere zum Niederdruck-, Gegendruck- und/oder Vakuumgießen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen von Werkstücken mittels druck- und/oder va­ kuumgestütztem Gießen, insbesondere mittels Niederdruck-, Gegendruck- und/oder Vakuumgießen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.

Beim Herstellen von Werkstücken mittels Gießverfahren liegt ein besonderes Ziel darin, an vorbestimmten Stellen des gegossenen Werkstückes vorbestimmte Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Hierzu werden beispielsweise mittels Gießen Verbundmaterialien hergestellt, wobei beispielsweise in einem äußeren Bereich eine hohe Verschleißfestigkeit des Werkstoffes erzielt wird, während ein innerer Trägerkörper im wesentlichen duktil ausgebildet ist. Die Qualität gegossener Werkstücke ist in hohem Maße von der Art des Einfüllvorganges der Schmelze in die Gießform und dem darauffolgenden Erstarrungsvorgang abhängig.

Für eine exakt gesteuerte Befüllung einer Gießform mit einer Schmelze ist es bei­ spielsweise aus EP 0 624 413 A1 bekannt, die Schmelze in einem druckdicht ab­ geschlossenen Schmelzofen anzuordnen, wobei der innere Raum des Schmelz­ ofens mittels einer Druckerzeugungsvorrichtung unter Druck setzbar ist. Aus dem Schmelzofen ragt ein Keramiksteigrohr, welches in die Schmelze im Ofen ein­ taucht und mit einem Formhohlraum der Gießform verbunden ist. Auf diese Weise wird durch das Unterdrucksetzen des Schmelzofens Schmelze durch das Steig­ rohr in den Formhohlraum der Gießform gedrückt. Durch entsprechende Steue­ rung des Druckes im Schmelzofen kann auf vorbestimmte Art und Weise der Formhohlraum der Gießform mit Schmelze gefüllt werden.

Nach dem Befüllen des Formhohlraums der Gießform mit Schmelze ist es wün­ schenswert, zum Herstellen eines besonders homogenen und dichten Gefüges einen Nachdruck zu einem Zeitpunkt zu erzeugen, zu dem die Schmelze nur zum Teil durch Abkühlung auskristallisiert bzw. erstarrt ist. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, bei einer Niederdruckgießvorrichtung nach dem Befüllen des Formhohl­ raumes mit Schmelze einen erhöhten Druck im Schmelzofen zu erzeugen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß durch die vielen, dem Steigrohr vorgelagerten Kom­ ponenten, wie Schmelzofen, Schmelztiegel und Druckerzeugungsvorrichtung, ein exaktes Halten eines vorbestimmten Druckes über eine längere Zeit schwierig ist. Es kommt systembedingt zu unerwünschten Druckschwankungen. Ferner ist das in die Schmelze eintauchende Steigrohr aus Keramik gefertigt und somit nicht ge­ eignet, einem höheren Nachverdichtungsdruck standzuhalten. Daher ist ein ent­ sprechender Nachverdichtungsdruck auf relativ niedrige Drücke begrenzt, um eine Zerstörung des Keramiksteigrohres zu verhindern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfah­ ren der o.g. Art zu schaffen, mit denen eine Nachverdichtung mit hohem Nachver­ dichtungsdruck möglich ist und gleichzeitig der hohe Nachverdichtungsdruck über einen längeren Zeitraum konstant gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 14 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrie­ ben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß ein Verschlußmittel das Steigrohr stromab zum Formhohlraum wahlweise druckdicht abschließt. Fer­ ner ist eine zweite Druckerzeugungsvorrichtung vorgesehen, welche bei ver­ schlossenem Steigrohr im Formhohlraum einen vorbestimmten Nachverdich­ tungsdruck einstellt.

Dies hat den Vorteil, daß durch das Abschließen des Steigrohres vom Formhohl­ raum ein Schutz für das empfindliche Steigrohr vor entsprechenden Nachverdich­ tungsdrücken im Formhohlraum geschaffen ist, wodurch höhere Nachverdich­ tungsdrücke realisierbar sind. Ferner sind negative Einflüsse auf die Nachver­ dichtung durch Druckschwankungen in der ersten Druckerzeugungsvorrichtung und/oder im Schmelzofen durch die Abkopplung des Steigrohres wirksam vermie­ den, wodurch sich bei der Nachverdichtung ein homogeneres Werkstoffgefüge einstellt. Ferner sind Druckschwankungen im Formhohlraum während der Nach­ verdichtung aufgrund von temperaturbedingten Verformungen des Steigrohres oder bezüglich des Steigrohres stromaufseitigen Komponenten verhindert.

Eine mechanisch einfache, kostengünstige und funktionssichere Anordnung erzielt man dadurch, daß das Verschlußmittel ein erster Kolben ist, welcher stromab der Einmündung des Steigrohres in einer Erweiterung des Formhohlraumes derart verschiebbar angeordnet ist, daß er wahlweise die Einmündung des Steigrohres in den Formhohlraum verschließt oder freigibt.

Eine genaue Einstellbarkeit des Nachverdichtungsdruckes, welcher über eine vor­ bestimmte Zeitspanne besonders konstant haltbar ist, erreicht man dadurch, daß die zweite Druckerzeugungsvorrichtung ein zweiter Kolben ist, welcher stromab der Einmündung des Steigrohres in einer Erweiterung des Formhohlraumes derart verschiebbar angeordnet ist, daß er wahlweise einen Nachverdichtungsdruck auf die in dem Formhohlraum angeordnete Schmelze ausübt. Ferner ist durch ent­ sprechendes Zurückfahren des zweiten Kolbens während einer Bewegung des ersten Kolbens in seine das Steigrohr verschließende Stellung gewährleistet, daß die Schmelze während des Verschließens des Steigrohres absolut bewegungsfrei bleibt, so daß der Erstarrungsvorgang durch die Bewegung des ersten Kolbens zum Verschließen des Steigrohres nicht beeinträchtigt wird.

Eine besonders kompakte Bauweise mit geringem Raumbedarf ergibt sich dann, wenn erster und zweiter Kolben in derselben Erweiterung des Formhohlraumes konzentrisch zueinander angeordnet sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Kolben getrennt vom ersten Kolben angeordnet und in einer Erweiterung des Formhohlraumes vorgesehen, welche benachbart zum Steigrohr, insbesondere gegenüber der Einmündung des Steigrohres, in den Formhohlraum mündet.

Eine ordnungsgemäße Funktion des zweiten Kolbens bei verschlossenem Steig­ rohr ist dadurch sichergestellt, daß der erste Kolben L-förmig ausgebildet ist, wo­ bei ein L-Schenkel das Steigrohr verschließt und gleichzeitig im Formhohlraum benachbart oder gegenüber der verschlossenen Steigrohreinmündung ein Hohl­ raum im Bereich der Einmündung der Formhohlraumerweiterung des zweiten Kol­ bens verbleibt.

Eine besonders kompakte und platzsparende Bauweise erzielt man dadurch, daß das Steigrohr aus einer Hauptachse der Vorrichtung versetzt angeordnet ist.

Zweckmäßigerweise ist die erste Druckerzeugungsvorrichtung ein Druckbehälter und/oder ein Kompressor und/oder eine Vakuumpumpe.

Die Gießform ist beispielsweise eine Dauerform oder eine verlorene Form, insbe­ sondere eine Kokille oder eine Sandgußform.

Zweckmäßigerweise sind die hergestellten Werkstücke Kolben, Bremsscheiben, Pleuel, Felgen u. a. oder Bauteile, bei denen Infiltration oder auch Gradienten­ struktur sowie lokal verstärkte Bereiche realisiert sind.

Für eine Gießvorrichtung mit Sandformanlage ist in besonders vorteilhafter Weise eine Maschinenplatte vorgesehen und die Form oberhalb der Maschinenplatte kippbar gelagert oder in einer anderen Form beweglich. Zweckmäßigerweise weist die Gießvorrichtung dabei eine Maschinenplatte zwischen der Form und dem Schmelzofen auf, wobei das Verschlußmittel bzgl. der Maschinenplatte ofenseitig und das zweite Druckerzeugungsmittel bzgl. der Maschinenplatte formseitig ange­ ordnet ist. Dadurch ist die zweite Druckerzeugungsvorrichtung zusammen mit der Form kippbar.

Mit einer derartigen Vorrichtung ist in besonders vorteilhafter Weise ein neuartiges Gegendruckgießverfahren mit den folgenden Schritten ausführbar:

• (a) Verschieben des Verschlußmittels vor einer Füllung des Formhohlraumes mit Schmelze in Schließrichtung,
• (b) Aufbauen eines vorbestimmten Differenzdruckes zwischen Formhohlraum und dem Schmelzofen, wobei der Druck im Schmelzofen höher ist als der Druck im Formhohlraum, und
• (c) Verschieben des Verschlußmittels in Offenstellung, so daß der Differenz­ druck durch die nunmehr geöffnete Verbindung zwischen Schmelzofen und Formhohlraum letzteren mit Schmelze füllt.

Die hat den Vorteil, daß die Formfüllung mit Schmelze mit einer vorbestimmten Druckdifferenz beginnt und eventuelle stark variable Druckverhältnisse beim Auf­ bau des Differenzdruckes keinen negativen Einfluß mehr auf die Formfüllung, bei­ spielsweise bezüglich einer ungleichmäßigen Füllung der Form, haben.

Bei einem Verfahren der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß nach einer vorbestimmten Zeit nach dem Füllen des Formhohlraumes das Steigrohr vom Formhohlraum druckdicht abgetrennt und in dem Formhohlraum ein Nach­ verdichtungsdruck erzeugt wird.

Dies hat den Vorteil, daß der Nachverdichtungsdruck unabhängig von etwaigen Einschränkungen aufgrund einer eingeschränkten mechanischen Festigkeit des Steigrohres gewählt und aufrechterhalten werden kann. Ferner sind den Nachver­ dichtungsvorgang negativ beeinflussende Druckschwankungen durch beispiels­ weise Temperaturwechselbeanspruchungen, beispielsweise des Steigrohres oder von dem Steigrohr vorgelagerten Komponenten, wirksam vermieden. Ein Nach­ verdichtungsdruck kann dadurch sehr genau eingestellt und gehalten werden, so daß sich ein besonders homogenes Werkstoffgefüge durch das Nachverdichten bzw. Nachdrücken ergibt.

Zweckmäßigerweise wird die Gießform vor, zu Beginn und/oder nach dem Füllen einem vorbestimmten Unterdruck, insbesondere einem Vakuum, ausgesetzt.

Zum Schutz von leicht brennbaren Schmelzen und zum Vermeiden von Verunrei­ nigungen durch in der Form vorhandenes Gas, welches mit der Schmelze bei­ spielsweise chemisch reagiert, sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren fol­ gende Schritte vorgesehen:

• (a) Aussetzen der Schmelze in der Gießform einem Schutzgas,
• (b) druckdichtes Abtrennen des Steigrohres vom Formhohlraum
• (c) Ausbilden eines Vakuums im Formraum und anschließendes Fluten des Formraumes mit Schutzgas und
• (d) Verbinden des Steigrohres mit dem Formhohlraum.

Dies hat den Vorteil, daß alle möglicherweise neben dem Schutzgas zuvor in der Form noch vorhandenen Verunreinigungen abgepumpt und ausgespült sind.

Bei einem Gießen mit einer Sandform bzw. einer Kokille wird in besonders vorteil­ hafter Weise vor oder mit Anlegen des Nachverdichtungsdruckes die Form ge­ kippt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrich­ tung,

Fig. 2 bis 4 verschiedene Stellungen des Kolbensystems gemäß Fig. 1,

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrich­ tung,

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrich­ tung,

Fig. 7 den Zeitverlauf des im Formhohlraum der Gießform erzeugten Druc­ kes, gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 8 den Zeitverlauf des im Formhohlraum der Gießform erzeugten Druc­ kes, gemäß einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 9 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrich­ tung.

Die aus Fig. 1 ersichtliche Gießvorrichtung umfaßt einen Schmelzofen 10 mit Be­ heizung 12, wie beispielsweise einer Heizwicklung, einer induktiven Heizung oder einer Widerstandsheizung, und einem im Schmelzofen 10 angeordneten Schmelztiegel 14. Der Schmelzofen 10 ist mittels eines Deckels 16 und einer ent­ sprechenden Dichtung 18 druckdicht abgeschlossen. Der so ausgebildete Druck­ raum 20 ist mittels einer ersten Druckerzeugungsvorrichtung 22, wie beispielswei­ se einem Druckbehälter, mit einem vorbestimmten Druck beaufschlagbar.

Durch den Deckel 16 hindurch erstreckt sich ein Steigrohr 24, beisp. ein Keramik­ steigrohr, das in eine in dem Schmelztiegel 14 angeordnete Schmelze 26 ein­ taucht. An einem dem Schmelzofen 10 abgewandten Ende des Steigrohres 24 mündet dieses in einen Formhohlraum 28, welcher sich bis in eine Gießform 30, beisp. in eine Kokille, erstreckt. In der Gießform 30 bildet der Formhohlraum 28 in der dargestellten Ausführungsform einen Hohlraum zum Herstellen eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine aus. Es ist jedoch klar, daß in der Gießform 30 jede beliebige Form ausgebildet sein kann. Es ist ferner eine Vakuumpumpe 32 vorge­ sehen, welche wahlweise die Gießform 30 mit Vakuum beaufschlagt.

Benachbart zur Einmündung des Steigrohres 24 in dem Formhohlraum 28 ist eine Formhohlraumerweiterung 34 ausgebildet, in welcher ein erster Kolben 36 und ein zweiter Kolben 38 angeordnet sind. Die beiden Kolben 36 und 38 sind konzen­ trisch derart zueinander angeordnet, daß der erste Kolben 36 als Hohlzylinder ausgebildet ringförmig den zweiten Kolben 38 umgibt. Beide Kolben 36 und 38 sind durch ein nicht näher dargestelltes Antriebssystem entlang der Erweiterung 34 des Formhohlraums 28 in Fig. 1 auf- und abbewegbar.

In der in Fig. 1 dargestellten Stellung befinden sich die beiden Kolben 36 und 38 an ihrem unteren Totpunkt, d. h. eine Einmündung 40 des Steigrohres 24 in den Formhohlraum 28 ist freigegeben. Bei entsprechender Erwärmung der Schmelze 26 im Ofen 10 mittels der Heizwicklungen 12 derart, daß die Schmelze 26 in fließfähigem Zustand vorliegt, kann nun durch Anlegen eines Druckes im Druck­ raum 20 mittels der Druckerzeugungsvorrichtung 22 die Schmelze 26 dazu ge­ zwungen werden, im Steigrohr 24 aufzusteigen und unter dem Einfluß des Druc­ kes im Druckraum 20 den Formhohlraum 28 langsam auszufüllen. Nachdem der Formhohlraum 28 vollständig mit Schmelze gefüllt ist, beginnt durch Abkühlung der Schmelze im Formhohlraum 28 ein entsprechender Erstarrungsvorgang. Vor, während und/oder nach dem Befüllen wird zusätzlich mittels der Vakuumpumpe 32 ein auf die Gießform 30 wirkendes Vakuum erzeugt.

Nachdem eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, in der eine Auskristallisation bzw. Erstarrung der Schmelze im Formhohlraum 28 vorzugsweise an den Randberei­ chen zur Gießform 30 stattgefunden hat, wird der ringförmige Kolben 36. nach oben in Pfeilrichtung 42 gemäß Fig. 1 bewegt. Durch diese Aufwärtsbewegung des ersten Kolbens 36 kommt dieser in eine Position, in der er die Einmündung 40 des Steigrohres 24 in den Formhohlraum 28 verschließt. Diese Position ist in Fig. 2 dargestellt. Während des Verschließens der Einmündung 40 des Steigrohres 24 mittels des äußeren ringförmigen Kolbens 36 ist es von großer Bedeutung, daß die im Formhohlraum 28 bereits vorhandene Schmelze 26 in keiner Weise durch die Bewegung des Kolbens 36 bewegt wird. Hierzu erfolgt eine bezüglich des Kol­ bens 36 gegenläufige Bewegung des zweiten inneren Kolbens 38, so daß das Volumen im Formhohlraum 28 trotz der Aufwärtsbewegung des ersten Kolbens 36 im wesentlichen konstant bleibt und keine Bewegung der Schmelze im Formhohl­ raum 28 erfolgt.

In der in Fig. 2 dargestellten Situation ist die Einmündung 40 des Steigrohres 24 in den Formhohlraum 28 durch den ersten ringförmigen Kolben 36 vollständig und druckdicht verschlossen. Nunmehr kann in einem weiteren Schritt der Aufbau ei­ nes Nachverdichtungsdruckes in dem Formhohlraum 28 erfolgen, wobei durch den Verschluß mittels des ersten Kolbens 36 dieser Nachverdichtungsdruck nicht in das Steigrohr 24 und diesem vorgeschaltete Komponenten zurückwirken kann. Das Steigrohr 24 ist somit vor dem nachfolgend im Formhohlraum 28 erzeugten Nachverdichtungsdruck geschützt. Zum Erzeugen des Nachverdichtungsdruckes wird der zweite innere Kolben 38 in Pfeilrichtung 44 gemäß Fig. 2 und 3 nach oben verschoben. Durch diese Verschiebung des zweiten Kolbens 38 nach oben in Pfeilrichtung 44 ergibt sich durch die entsprechende Volumenverringerung des Formhohlraums 28 ein hoher Nachverdichtungsdruck. Da der Formhohlraum 28 ansonsten mit keinen beweglichen, druckvariablen oder druckinstabilen Teilen mehr verbunden ist, wie beisp. dem Steigrohr 24 oder dem Ofen 10, ergeben sich keine unerwünschten Schwankungen des Nachverdichtungsdruckes im Formhohl­ raum 28. Die Position des Kolbens 38 kann sehr genau eingestellt und gehalten werden, so daß sich ein sehr genau vorbestimmbarer und besonders gut über ei­ nen längeren Zeitraum konstant haltbarer Nachverdichtungsdruck im Formhohl­ raum 28 ergibt. In der Folge wird ein besonders homogenes und gleichmäßiges Gefüge in dem so unter dem hohen Nachverdichtungsdruck stehenden Werkstück in der Gießform 30 erzielt. Fig. 4 zeigt dabei beispielhaft eine obere Endstellung für den zweiten Kolben 38, in der ein vorbestimmter Nachverdichtungsdruck im Formhohlraum 28 herrscht. Unter der Einwirkung dieses hohen und konstanten Nachverdichtungsdruckes erstarrt die Schmelze durch Abkühlung homogen und dicht im Formhohlraum 28 unter Ausbildung des herzustellenden Werkstückes.

Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Gießvorrichtung, die eine Antriebs­ vorrichtung 50 für die beiden Kolben 36 und 38 zeigt. Hier ist in der Formhohlrau­ merweiterung 34 unterhalb des ersten Kolbens 36 ein erster Druckraum 52 vorge­ sehen, und der zweite Kolben 38 umfaßt eine Kolbenstange 54, welche sich durch einen Boden 56 des ersten Kolbens 36 und durch den ersten Druckraum 52 hin­ durch erstreckt. An der Kolbenstange 54 ist ferner ein dritter Kolben 58 angeord­ net, welcher einen Hohlraum 60 in einen zweiten Druckraum 62 und einen dritten Druckraum 64 teilt. Ein Kompressor oder Hydraulikaggregat 66 u. a. ist über Ven­ tile 68, 70 und 72 jeweils mit den Druckräumen 52, 62 und 64 verbunden.

Nach dem Füllen des Formhohlraums 28 mit Schmelze 26 wird, wie vorangehend beschrieben, der erste ringförmige Kolben 34 in Pfeilrichtung 42 nach oben verfah­ ren, um die Einmündung 40 des Steigrohres 24 in dem Formhohlraum 28 zu ver­ schließen. Hierzu werden die Ventile 68 und 70 geöffnet, und der Kompressor oder das Hydraulikaggregat 66 setzt die Druckräume 52 und 62 unter Druck. Durch den Druck im ersten Druckraum 52 wird der erste Kolben 36 durch den am Boden 56 anstehenden Druck nach oben verschoben. Gleichzeitig sorgt der Druck im zweiten Druckraum 62 dafür, daß der Kolben 58 im Hohlraum 60 und somit über die Kolbenstange 54 der zweite Kolben 38 gegenläufig zum ersten Kolben 36 nach unten verschoben wird. Hierbei sind die Flächen des Bodens 56 und des Kolbens 58 derart gewählt, daß durch die gegenläufige Verschiebung der Kolben 38 und 36 beim Verschließen der Einmündung 40 des Steigrohres 24 das Volu­ men im Formhohlraum 28 konstant bleibt, so daß während des Schließens der Einmündung 40 mit dem ringförmigen Kolben 36 die Schmelze 26 im Formhohl­ raum 28 vollständig bewegungsfrei bleibt. Auf diese Weise wird der Erstarrungs­ vorgang der Schmelze 26 im Formhohlraum 28 durch das Verschließen der Ein­ mündung 40 in keiner Weise beeinträchtigt.

Nachdem der erste Kolben 36 in seiner Verschlußstellung angekommen ist (Fig. 2) werden die Ventile 68 und 70 geschlossen und der dritte Druckraum 64 des Hohlraumes 60 mittels des Kompressors 60 über das Ventil 72 unter Druck ge­ setzt. Dadurch baut sich im vom Steigrohr 24 abgeschlossenen Formhohlraum 28 ein Nachverdichtungsdruck auf, da durch den auf den Kolben 58 wirkenden Druck im dritten Druckraum 64 über die Kolbenstange 54 der zweite Kolben 38 nach oben in Pfeilrichtung 44 gedrückt wird. Zum Zurückstellen des ersten Kolbens 36 in seine Ausgangsposition ist beispielsweise zusätzlich eine Entlüftungsvorrich­ tung 74 vorgesehen. Ein Zurückstellen des ersten Kolbens 38 erfolgt beispielswei­ se durch entsprechendes Öffnen und Schließen der Ventile 70 und 72 mit ent­ sprechender Druckbeaufschlagung des zweiten Druckraumes 62 mittels des Kompressors 66.

Im Gegensatz zu den vorangegangenen Ausführungsformen sind bei der Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 6 die beiden Kolben 36 und 38 nicht konzentrisch, sondern voneinander getrennt angeordnet. Der Kolben 36, welcher zum Verschließen des Steigrohres 24 dient, ist in der Formhohlraumerweiterung 34 angeordnet und L-förmig ausgebildet. Der zweite Kolben 38 ist in einer zusätzlichen Formhohlrau­ merweiterung 80 angeordnet. Der erste Kolben 36 ist in Pfeilrichtung 42 ver­ schiebbar, und der zweite Kolben 38 ist in Pfeilrichtung 44 verschiebbar. Zum Ver­ schließen der Einmündung 40 des Steigrohres 24 in den Formhohlraum 28 wird der erste Kolben 36 in Fig. 6 nach oben verschoben. Durch die L-förmige Ausge­ staltung des ersten Kolbens 36 ist verhindert, daß dieser Kolben 36 in Schließ­ stellung bezüglich der Einmündung 40 den Formhohlraum 28 voll verschließt. Statt dessen gewährleistet die L-Form des ersten Kolbens 36 einen verbleibenden Hohlraum im Bereich einer Einmündung 82 der zusätzlichen Formhohlraumer­ weiterung 80. Wie schon voranstehend für das Kolbensystem gemäß den Ausfüh­ rungsformen der Fig. 1 bis 5 erläutert, bewegt sich der zweite Kolben 38 bei einer entsprechenden Schließbewegung des Kolbens 36 in Fig. 6 in Pfeilrichtung 44 nach rechts, um während des Schließvorganges ein absolutes Stillstehen der Schmelze im Formhohlraum 28 zu gewährleisten. Nach Vollendung des Schließ­ vorganges fährt dann der Kolben 38 entsprechend entgegengesetzt in Fig. 6 in Pfeilrichtung 44 nach links und erzeugt einen entsprechenden Nachverdichtungs­ druck im Formhohlraum 28, welcher durch den Verschluß mittels des ersten Kol­ bens 36 vom Steigrohr 24 abgeschottet ist.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist ferner in besonders vorteilhafter Weise zum Trennen von Form und Schmelzraum vor dem Füllen des Formhohlraumes mit Schmelze einsetzbar, wobei die Trennung, wie in Fig. 6 dargestellt, vorgenommen wird. Hierbei liegt das Ziel nicht in erster Linie darin, das Steigrohr vor hohen Nachverdichtungsdrücken zu schützen, sondern in einer reinen Abschottung der Form 30 vom Schmelzraum 20. Dies ist in vorteilhafter Weise beim Gießen von Magnesium oder anderen leicht brennbaren Legierungen, wie beispielsweise Al-Li (Aluminium-Lithium), einsetzbar. Beim Gießen von beispielsweise Magnesium mit einem Niederdruckgießverfahren ergibt sich nämlich das Problem, daß der Form­ raum nicht immer unter Schutzgas gesetzt ist, was durch hohe Affinität der Ma­ gnesiumschmelze oder anderer zuvor erwähnter Schmelzen zu einer Brandgefahr und Verunreinigungen im herzustellenden Bauteil führt. Ein weiteres Problem ist das Gießen mittels eines Niederdruckofens in eine Sandform, wobei ein im Sand der Sandform befindliches Gas mit der Schmelze reagieren kann. Daher wird, um dem entgegenzuwirken, erfindungsgemäß folgendermaßen vorgegangen:

• 1. Aussetzen der Schmelze in der Gießform einem Schutzgas,
• 2. Verfahren des Kolbens 36 in Schließstellung derart, daß der Formraum vom Schmelzofen getrennt ist,
• 3. Ausbilden eines Vakuums im Formraum und anschließendes Fluten des Formraumes mit Schutzgas,
• 4. Zurückfahren des Kolbens 36 sowie Einsetzen der Formfüllung und
• 5. optionales Nachverdichten nach Beendigung der Formfüllung.

Dieses Verfahren ist sowohl bei metallischen Dauerformen mit Sandkernen als auch bei anderen Einlagen sowie bei Sandformen anwendbar. Im Falle der Sand­ form wird in einer vorteilhaften Weiterbildung das Sandpaket durch eine mit Schutzgas geflutete Haube bedeckt.

Eine anderes bevorzugt mit der Ausführungsform gemäß Fig. 6 auszuführendes Verfahren betrifft ein neuartiges Gegendruckgießverfahren. Hierbei fährt der Kol­ ben 36 in Schließstellung in Richtung Gießform 30 und trennt dadurch den Form­ hohlraum vom Ofen 10 vor der Formfüllung ab. Nun werden bevorzugt im Form­ hohlraum und im Ofenraum zwei unterschiedliche Drücke aufgebaut. Dies erfolgt beispielsweise jeweils durch Anlegen eines Über- oder Unterdruckes im Formhohl­ raum und/oder im Ofenraum derart, daß im Ofenraum ein relativ höherer Druck als im Formraum vorherrscht. Zur eigentlichen Formfüllung fährt der Kolben 36 zu­ rück, d. h. in Fig. 6 nach unten, und hebt die Trennung zwischen Form 30 und Schmelzraum 20 auf. Bei diesem neuartigen Gegendruckgießverfahren wird der Differenzdruck zwischen Form 30 und Schmelzraum 20 beliebig, aber in geeigne­ ter Weise an die jeweilige Schmelze und das herzustellende Werkstück angepaßt gewählt, wobei die Höhe des Differenzdruckes die Geschwindigkeit der Formfül­ lung bestimmt. Es werden, je nach Bauteil, sowohl langsame als auch schnelle Formfüllungszeiten realisiert. Der Unterschied zu bisher bekannten Gegendruck­ gießverfahren besteht darin, daß bereits vor der eigentlichen Füllung des Form­ hohlraumes mit Schmelze ein Differenzdruck zwischen Form 30 und Schmelzraum 20 hergestellt wird und im Formhohlraum 28 der Druck niedriger als im Schmelz­ raum 20 ist.

Zusammenfassend ist die Ausführungsform gemäß Fig. 6 mit dem L-förmigen Kolben als Nachverdichtungsvorrichtung, als Trennvorrichtung von Formhohlraum 28 und Ofen 10, mit dem Ziel, beispielsweise Magnesium mittels eines Nieder­ druckverfahrens zu gießen, sowie als Trennvorrichtung von Formhohlraum 28 und Ofensystem 10, mit dem Ziel, ein Gegendruckgießverfahren zu realisieren, ein­ setzbar. Bei all diesen Varianten ist die Funktion des Nachpressens wahlweise zusätzlich möglich.

In allen drei beschriebenen Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis 6 ist das Steig­ rohr 24 im Gegensatz zu bekannten Gießvorrichtungen aus einer Hauptachse des Systems heraus versetzt angeordnet und mündet seitlich in den Formhohlraum 28 ein. Dies ist besonders vorteilhaft, da dadurch die Antriebsvorrichtung für die Kol­ ben 36, 38 und der Ofen 10 sowie die erste Druckerzeugungsvorrichtung 22 in einer Ebene nebeneinander angeordnet werden können, so daß sich ein geringer Raumbedarf und eine kompakte Bauweise ergeben.

Anhand der grafischen Darstellung von Druckverläufen über der Zeit gemäß Fig. 7 und 8 wird nachfolgend das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.

Wie sich aus Fig. 7 ergibt, wird in einem Zeitraum t₁ der Druck im System langsam auf einen vorbestimmten Druck p₁ erhöht. Dies entspricht der Druckerhöhung mit­ tels der ersten Druckerzeugungsvorrichtung 22 im Druckraum 20. In dieser Zeit wird Schmelze aus dem Ofen 10 über das Steigrohr 24 in den Formhohlraum 28 unter dem Gasdruck "p" im Schmelzofen befördert. Diese Zeitspanne t₁ wird nachfolgend als Formfüllungszeit bezeichnet. Am Ende der Formfüllungszeit t₁ ist der Formhohlraum 28 vollständig mit der Schmelze 26 aufgefüllt. Im nachfolgen­ den Zeitraum t₂ wird für eine beginnende Kristallisation bzw. Erstarrung der Schmelze 26 im Formhohlraum 28 der Druck p₁ für eine vorbestimmte Zeit gehal­ ten. Die erste Auskristallisation bzw. Erstarrung durch Abkühlung erfolgt dabei in bevorzugter Weise an den Grenzflächen der Schmelze 26 zu den Formhohlraum 28 umgrenzenden Innenflächen der Gießform 30. In einem nachfolgenden Zeit­ raum t₃ wird der erste Kolben 36 in Schließrichtung bewegt, um die Einmündung 40 des Steigrohres 24 in den Formhohlraum 28 zu verschließen. Wie sich unmit­ telbar aus dem Druckverlauf über die Zeit ergibt, bleibt der Druck konstant auf p₁ stehen. Dies wird dadurch erzielt, daß der zweite Kolben 38 entsprechend gegen­ läufig zum ersten Kolben 36 bewegt wird, so daß sich keine Druckänderung und keine Volumenänderung im Formhohlraum 28 ergibt. Dadurch bleibt die bereits im Formhohlraum 28 befindliche Schmelze 26 während des Schließvorganges, also während der Zeit t₃, bewegungslos.

In einem nachfolgenden Zeitraum t₄ erfolgt durch bezüglich der vorangegangenen Bewegung entgegengesetzte Bewegung des zweiten Kolbens 38 eine Druckerhö­ hung im Formhohlraum 28, wobei am Ende des Zeitabschnittes t₄ der endgültige Nachverdichtungsdruck p₂ erreicht ist. Dieser Nachverdichtungsdruck p₂ wird über den Zeitraum t₅ während der Auskristallisation bzw. Erstarrung der Schmelze im Formhohlraum 28 gehalten. Es ist aus Fig. 7 unmittelbar ersichtlich, daß der Nachverdichtungsdruck p₂ wesentlich höher gewählt werden kann als der Form­ füllungsdruck p₁, da ab dem Ende des Zeitraumes t₃ bzw. dem Beginn des Zeit­ raumes t₄ das Steigrohr 24 völlig vom Formhohlraum 28 abgeschlossen ist, so daß der im Formhohlraum 28 mittels des zweiten Kolbens 38 aufgebaute Nachver­ dichtungsdruck nicht auf das Steigrohr 24 und entsprechend vorgelagerte Kompo­ nenten rückwirken kann. Im Zeitraum t₅ erfolgt somit eine Kristallisation bzw. Er­ starrung der Schmelze 26 im Formhohlraum 28 unter dem Nachverdichtungsdruck p₂, wodurch ein entsprechend homogenes und gleichmäßiges Gefüge des Werk­ stoffes erzielt wird. Im abschließenden Zeitabschnitt t₆ wird der Druck auf den Ausgangsdruck zurückgefahren, und es erfolgt eine weitere Abkühlung der Schmelze ohne Druck.

Fig. 8 zeigt einen analogen Druckverlauf über der Zeit gemäß einer zweiten be­ vorzugten Ausführungsform. Der Druckverlauf im Formhohlraum 28 zwischen den Drücken p₀, p₁ und p₂ sowie in den Zeiträumen t₁ bis t₆ entspricht demjenigen ge­ mäß Fig. 7. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß Fig. 7 wird hier zusätzlich die Gießform 30 mittels der Vakuumpumpe 32 im Zeitraum t₀ und im Zeitraum t₁ mit einem Vakuum V₁ beaufschlagt. Dieses Vakuum V₁ entspricht im wesentlichen einem Druck, welcher kleiner ist als der Ausgangsdruck p₀. Hierbei wird bereits zu einem Zeitpunkt t₀ das Vakuum V₁ angelegt, zu dem noch keine Druckerhöhung im Schmelzofen 10 für eine Formfüllung über das Steigrohr 24 erfolgt. Statt dessen initiiert das Vakuum ein Ansaugen von Schmelze aus dem Schmelzofen 10, so daß eine Befüllung des Formhohlraumes 28 beginnt. Dieser Zeitverlauf des Va­ kuums V₁ ist lediglich beispielhaft. Es ist auch möglich, das Vakuum V₁ lediglich zum Zeitraum t₀ oder lediglich zum Zeitraum t₁ oder ebenfalls in den übrigen Zeit­ räumen t₂ bis t₆ wahlweise anzulegen. Das Vakuum V₁ unterstützt dabei den Transport von Schmelze 26 aus dem Schmelztiegel 14 im Ofen 10 über das Steig­ rohr 24 in den Formhohlraum 28 hinein. Durch entsprechende Wahl der Stärke des Vakuums V₁ und durch einen entsprechenden Zeitverlauf zusammen mit einer entsprechenden Wahl der Werte der Drücke p₀, p₁ und p₂ und eines entsprechen­ den Zeitverlaufes des Druckes p im Formhohlraum 28 ist somit eine genau vorbe­ stimmte Befüllung des Formhohlraums 28 mit der Schmelze 26 möglich.

In Fig. 9 ist eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gießvorrichtung dargestellt, welche sich von der in Fig. 6 dargestellten dritten Ausführungsform im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß die beiden Kolben 36, 38 beidseits einer Maschinenplatte 84 angeordnet sind. Durch eine sich dar­ aus ergebende Beabstandung der beiden Kolben 36, 38 voneinander ist eine L- förmige Ausbildung des ersten Kolbens 36 entbehrlich. Ferner ist diese Vorrich­ tung derart ausgebildet, daß die Form 30 oberhalb der Maschinenplatte 84 kippbar ist. Nach einer Füllung des Formhohlraumes 28 mit Schmelze verschließt der er­ ste Kolben 36 das Keramiksteigrohr 24 und es erfolgt eine Nachverdichtung mit­ tels des zweiten Kolbens 38 in einer derartigen Weise, wie bereits bzgl. der ersten bis dritten Ausführungsform erläutert. Zur Nachverdichtung wird zusätzlich die Form 30, welche oberhalb der Maschinenplatte 84 angeordnet ist, gekippt. Diese Kippbarkeit wird durch entsprechende bewegliche Maschinenteile erzielt. Das Kip­ pen während des Nachverdichtens ist besonders bei Gießvorrichtungen mit Sandanlage bzw. Kokillenguß vorteilhaft. Hierbei kippt ein Oberteil der Gießvor­ richtung mit einer Sandform, wobei beispielsweise die Form weiter transportiert und eine nächste Form übernommen wird.

Durch die Nachverdichtung ergibt sich eine verkürzte Zykluszeit, da das Metall an Wänden der Form 30 gedrückt wird. Dies führt zu einem schnelleren Wärmeüber­ gang. Im Gegensatz zur herkömmlichen Nachverdichtung ergibt sich eine turbu­ lenzarme Formfüllung, da die Nachverdichtung erst nach vollständiger Formfüllung ein setzt.

Diese Technologie bietet u. a. ein großes Potential für die Herstellung von Ver­ bundbauteilen, die durch beispielsweise Infiltration einer Vorform (preform) aus metallischem oder keramischem Material hergestellt werden. Ein Anwendungsge­ biet ist beispielsweise die Herstellung von Kolben für Verbrennungsmotoren oder Bremsscheiben für Eisenbahnzüge. Eine besonders vorteilhafte Erweiterung des erfindungsgemäßen Gießverfahrens ergibt sich aus einer Kombination von Nie­ derdruckgießen, Gegendruckgießen und Vakuumgießen. Die Erfindung kann so­ wohl bei metallischen Dauerformen als auch verlorenen Sandformen oder anderen Gießformen eingesetzt werden. Ein wesentliches Element der Erfindung liegt da­ bei darin, daß zunächst die Einmündung 40 des Steigrohrs 24 von einem bei­ spielsweise äußeren Kolben 36 überfahren wird und somit abgeschlossen ist. Damit dabei kein Druck auf die bereits im Formhohlraum 28 befindliche Schmelze 26 ausgeübt wird, fährt gleichzeitig ein beisp. innerer Kolben 38 genau so weit entgegengesetzt zum ersten Kolben 36, daß kein Druck auf die Schmelze ausge­ übt wird und somit jedes Volumenelement der Schmelze 26 im Formhohlraum 28 an seinem Ort verbleibt. Die darauffolgende Nachverdichtung kann somit ohne Beschädigung des Steigrohres 24 durch entsprechende Bewegung des zweiten Kolbens 38 erfolgen. Gegebenenfalls wird der Prozeßablauf durch ein Vakuum­ ziehen gemäß Fig. 8 unterstützt.

Claims (18)

1. Vorrichtung zum druck- und/oder vakuumgestützen Gießen von Werkstüc­ ken, insbesondere zum Niederdruck-, Gegendruck- und/oder Vakuumgie­ ßen, mit einer ersten Druckerzeugungsvorrichtung (22), welche in einem Schmelzofen (10), in dem eine Schmelze (26) angeordnet ist, einen vorbe­ stimmten Druck einstellt, wobei ein in die Schmelze (26) tauchendes Steig­ rohr (24), insbesondere ein Keramiksteigrohr, mit einem Formhohlraum (28) einer Gießform (30) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verschlußmittel (36) vorgesehen ist, welches das Steigrohr (24) stromab zum Formhohlraum (28) wahlweise druckdicht abschließt und daß eine zweite Druckerzeugungsvorrichtung (38) vorgesehen ist, welche bei verschlossenem Steigrohr (24) im Formhohlraum (28) einen vorbestimmten Nachverdichtungsdruck einstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver­ schlußmittel ein erster Kolben (36) ist, der stromab einer Einmündung (40) des Steigrohres (24) in einer Erweiterung (34) des Formhohlraumes (28) derart verschiebbar angeordnet ist, daß er wahlweise die Einmündung (40) des Steigrohres (24) in den Formhohlraum (28) verschließt oder freigibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Druckerzeugungsvorrichtung ein zweiter Kolben (38) ist, der stromab der Einmündung (40) des Steigrohres (24) in einer Erweiterung (34; 80) des Formhohlraumes (28) derart verschiebbar angeordnet ist, daß er wahlweise einen Nachverdichtungsdruck auf die im Formhohlraum (28) befindliche Schmelze (26) ausübt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß erster und zweiter Kolben (36,38) in derselben Erweiterung (34) des Formhohl­ raumes (28) konzentrisch zueinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kolben (38) getrennt vom ersten Kolben (36) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kolben (38) in einer Erweiterung (80) des Formhohlraumes (28) angeordnet ist, welche benachbart zum Steigrohr (24), insbesondere gegenüber der Einmündung (40) des Steigrohres (24), in den Formhohlraum (28) mündet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der er­ ste Kolben (36) derart L-förmig ausgebildet ist, daß ein L-Schenkel das Steigrohr (24) verschließt, wobei gleichzeitig im Formhohlraum (28) be­ nachbart oder gegenüber der verschlossenen Steigrohreinmündung (40) ein Hohlraum im Bereich der Einmündung (82) der Formhohlraumerweite­ rung (80) des zweiten Kolbens (38) verbleibt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Steigrohr (24) aus einer Hauptachse der Vorrichtung ver­ setzt angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Druckerzeugungsvorrichtung (22) ein Druckbehälter und/oder ein Kompressor und/oder eine Vakuumpumpe ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gießform (30) eine Dauerform oder eine verlorene Form, insbesondere eine Kokille oder eine Sandgußform ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die hergestellten Werkstücke Kolben, Bremsscheiben, Pleuel, Felgen u. a. oder Bauteile sind, mit Infiltration und/oder Gradientenstruktur und/oder lokal verstärkten Bereichen.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese eine Maschinenplatte (84) zwischen der Form (30) und dem Schmelzofen (10) aufweist, wobei das Verschlußmittel (36) bzgl. der Maschinenplatte (84) ofenseitig und das zweite Druckerzeugungsmittel (38) bzgl. der Maschinenplatte (84) formseitig angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (30) oberhalb der Maschinenplatte (84) kippbar gelagert ist.

14. Verfahren zum Herstellen von Werkstücken mittels druck- und/oder vaku­ umgestütztem Gießen, insbesondere mittels Niederdruck-, Gegendruck- und/oder Vakuumgießen, wobei mittels einer ersten Druckerzeugungsvor­ richtung in einem Schmelzofen, in dem eine Schmelze angeordnet ist, ein vorbestimmter Druck zum Füllen eines Formhohlraumes einer Gießform über ein in die Schmelze tauchendes Steigrohr, insbesondere ein Keramik­ steigrohr, erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer vorbestimmten Zeit nach dem Füllen des Formhohlraumes das Steigrohr vom Formhohlraum druckdicht abgetrennt und in dem Form­ hohlraum ein Nachverdichtungsdruck erzeugt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform vor dem, zu Beginn und/oder nach dem Füllen einem vorbestimmten Unter­ druck, insbesondere einem Vakuum, ausgesetzt wird.

16. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 14 oder 15, zum Herstellen von Werkstücken mittels druck- und/oder vakuumgestütztem Gießen, insbeson­ dere mittels Niederdruck-, Gegendruck- und/oder Vakuumgießen, wobei mittels einer ersten Druckerzeugungsvorrichtung in einem Schmelzofen, in dem eine Schmelze angeordnet ist, ein vorbestimmter Druck zum Füllen ei­ nes Formhohlraumes einer Gießform über ein in die Schmelze tauchendes Steigrohr, insbesondere ein Keramiksteigrohr, erzeugt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte vor dem Füllen des Formhohlraumes,

• (a) Aussetzen der Schmelze in der Gießform einem Schutzgas,
• (b) druckdichtes Abtrennen des Steigrohres vom Formhohlraum,
• (c) Ausbilden eines Vakuums im Formraum und anschließendes Fluten des Formraumes mit Schutzgas,
• (d) Verbinden des Steigrohres mit dem Formhohlraum.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder mit Anlegen des Nachverdichtungsdruckes die Form gekippt wird.

18. Gegendruckgießverfahren, welches mit einer Gießvorrichtung gemäß ei­ nem der Ansprüche 1 bis 13 ausgeführt wird, gekennzeichnet durch,

• (a) Verschieben des Verschlußmittels vor dem Füllen des Formhohlrau­ mes mit Schmelze in Schließrichtung,
• (b) Aufbauen eines vorbestimmten Differenzdruckes zwischen Formhohl­ raum und Schmelzofen, wobei der Druck im Schmelzofen höher ist als der Druck im Formhohlraum, und
• (c) Verschieben des Verschlußmittels in Offenstellung, so daß der Diffe­ renzdruck durch die nunmehr geöffnete Verbindung zwischen Schmelzofen und Formhohlraum letzteren mit Schmelze füllt.