DE69610132T2

DE69610132T2 - Druckgussverfahren

Info

Publication number: DE69610132T2
Application number: DE69610132T
Authority: DE
Inventors: Takao Kaneuchi; Ryoichi Shibata; Tomomi Souda; Hideya Yamane
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1995-03-22
Filing date: 1996-03-21
Publication date: 2001-01-11
Anticipated expiration: 2016-03-22
Also published as: EP0733421B1; EP0733421A1; US5979534A; DE69610132D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Druckgießverfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierung-Gußteilen mit hoher Qualität und ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften. Ein solches Gießverfahren ist in WO-A-9213662 offenbart.
Im Stand der Technik ist das Druckgießverfahren als Gießtechnik zur Herstellung von Aluminiumlegierung-Gußteilen wohlbekannt. Dieses Druckgießverfahren ist ein Gießverfahren zur Herstellung von Gußteilen durch Einfüllen geschmolzenen Metalls über eine Gießbuchse in eine genaue metallische Druckgießform unter Druck. Bei diesem Druckgießverfahren bestehen Vorteile wie etwa hochgenaue Abmessungen der Gußteile, schöne Gußteiloberflächen, Verfügbarkeit einer Massenproduktion und vollautomatische Produktion. Deshalb wurde dieses Verfahren bisher hauptsächlich bei der Herstellung von Metall-Gußteilen angewandt, deren Schmelzpunkt unter jenem einer Aluminiumlegierung liegt.
Jedoch besteht bei diesem Druckgießverfahren das Problem, daß die mechanische Festigkeit der Gußteile nach der Gußteilverfestigung zur Verschlechterung neigt, weil:
1. das in die Gießbuchse gegossene geschmolzene Metall innerhalb der Innenwand der Gießbuchse schnell abkühlt, wodurch verfestigter Abfall entsteht, der sich mit geschmolzenem Metall und Guß vermischt;
2. sich in der Gießbuchse Luft mit dem geschmolzenen Metall vermischt, wodurch Blasen entstehen (ein Phänomen, bei dem sich eingeschlossenes und komprimiertes Gas durch thermische Belastung ausdehnt, was zur Blasenbildung führt);
weshalb es bei der Herstellung von Festigkeitsteilen, die eine hohe Festigkeit erfordern, nicht angewandt werden kann.
Um dieses Problem zu lösen, gibt es Spezialdruckgießverfahren, die das Heißbuchsenverfahren, bei dem die Gießbuchse erhitzt wird, um, wie oben unter 1 beschrieben wurde, die Entstehung verfestigten Abfalls innerhalb der Innenwand der Gießbuchse zu verhindern, das vertikale Druckgießverfahren, das verhindert, daß sich, wie oben unter 2 beschrieben wurde, in der Gießbuchse Luft mit geschmolzenem Metall vermischt, und weitere Verfahren umfassen. Zusätzlich gibt es das Heißkammer-Druckgießverfahren, das auf Gußteile aus einer Zinklegierung oder Magnesiumlegierung bei relativ niedrigen Schmelztemperaturen beschränkt ist. Deshalb kann dieses Verfahren weitgehend nicht angewandt werden.
Jedoch selbst bei den obenerwähnten Spezialdruckgießverfahren kann dann, wenn die Füllgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls hoch ist, das geschmolzene Metall in den Gießbuchsen verwirbelt werden und Gas aufnehmen, wobei es innerhalb der Innenwand der Druckgießform zusammen mit dem Gas abkühlt, wodurch Fehler und somit eine Verschlechterung der mechanischen und anderen Eigenschaften hervorgerufen werden. Um dieses Problem zu beseitigen, ist es erforderlich, die Füllgeschwindigkeit extrem herabzusetzen, wobei in diesem Fall ein unzureichender Fluß des geschmolzenen Metalls bewirkt wird. Zusätzlich wird während der Entwicklung von Dendrit ein nicht verfestigter Anteil extrahiert, wobei, wie in Fig. 5 gezeigt ist, am dicken Wandabschnitt eine Absonderung eintritt, wodurch die mechanischen und andere Eigenschaften ungenügend werden.
Neben den verschiedenen obenerwähnten Druckgießverfahren offenbart JP-A 60152358 ein Gießverfahren, bei dem die Matrizen fest sind und einen Hohlraum mit einem Trichter am Boden bilden, mit dem die am Ausgang eines Zylinders angeordnete Matrize verbunden ist, und der eine Einschnürung bildet, um den Fluß geschmolzenen Metalls in den Hohlraum zu begrenzen. Eine Öffnung zur Zufuhr geschmolzenen Metalls von außen ist in der Mitte in Richtung der Mittelachse des Zylinders, der mit dieser Matrize versehen ist, ausgebildet, ein Formeisen ist gleitend in Eingriff, und ein Gießapparat ist ausgebildet. Durch die Zufuhröffnung wird geschmolzenes Metall in den Zylinder gegossen, wobei das geschmolzene Metall dort so lange gehalten wird, bis die Flüssigphase und die Festphase nebeneinander bestehen, worauf es durch das Formeisen durch die Matrize in den Hohlraum gedrückt und gepreßt wird. Gemäß diesem Druckgießverfahren werden die folgende Wirkungen erwartet:
1: Die flüssige Schmelze kann dem Zylinder bei einer Temperatur zugeführt werden, die nur leicht über dem Schmelzpunkt liegt und etwas niedriger als die Temperatur bei anderen Verfahren ist. Somit kann Energie gespart werden.
2: Da die Temperatur des geschmolzenen Metalls niedrig ist, wird wenig Gas absorbiert, weshalb kein Entgasungsprozeß erforderlich ist und die Produkte kaum Gaseinschlüsse enthalten.
3: Das geschmolzene Metall wird in einem Zustand, in dem die Flüssigphase und die Festphase berührungsfrei nebeneinander bestehen, von einem Formeisen vollständig aufgedrückt und dann, während es durch die die Einschnürung bildende Form fließt, in halbgeschmolzenem Zustand der plastischen Arbeit unterworfen, wobei die Flüssigphase und die Festphase vermischt werden. Danach wird die Festphase getrennt, wodurch die Gußteilstruktur verfeinert wird. Somit können Produkte mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften erhalten werden.
4: Da das geschmolzene Metall berührungsfrei in einem halbgeschmolzenen Zustand verarbeitet wird, ist der Verformungswiderstand im Vergleich zu einem Warmmassivumformungsverfahren kleiner, wobei auch die Kosten der Ausrüstung geringer sind.
Jedoch ist bei diesem in JP-A-H3-47951 offenbarten Gießverfahren die Struktur des halbgeschmolzenen Metalls in der Gießbuchse nicht körnig, so daß der Unterschied in der Konzentration gelöster Stoffe groß ist und möglicherweise eine Absonderung eintritt, wie durch die unterschiedliche Dichte in Fig. 6 erkennbar ist. Selbst wenn das geschmolzene Metall in die Druckgießform gefüllt wird, ist hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften noch viel zu verbessern, da die Verfeinerung seiner Struktur ungenügend ist.
Ferner wird das geschmolzene Metall, wenn dessen Füllgeschwindigkeit zu hoch ist, verwirbelt und nimmt Gas auf, wobei dann, wenn dieses geschmolzene Metall innerhalb der Innenwand der Druckgießform schnell abkühlt, sich die mechanischen und anderen Eigenschaften verschlechtern und die Merkmale der Gußteile uneinheitlich werden. Um dieses Problem zu beseitigen, ist es erforderlich, die Füllgeschwindigkeit extrem herabzusetzen. In diesem Fall ergibt sich ein unzureichender Fluß des geschmolzenen Metalls.
Andererseits wurde in jüngster Zeit im Hinblick auf die Kraftfahrzeuge die verstärkte Einsparung von Kraftstoff nach den Gesetzen und Vorschriften in den Vereinigten Staaten zu einer äußerst wichtigen Frage. Aus diesem Gesichtspunkt besteht ein Bedarf an Kraftfahrzeugteilen mit niedrigem Gewicht. Natürlich sollten Kraftfahrzeugteile eine ausreichende Festigkeit aufweisen, wobei aus diesem Gesichtspunkt dann, wenn die Teile durch Herabsetzen der Wandstärke im Gewicht leichter gemacht werden, die Festigkeit des Rohmaterials zu einer wichtigen Frage wird.
Jedoch besitzen die durch dieses Gießverfahren hergestellten Aluminiumgußteile wegen der obenbeschriebenen Probleme bei den Druckgießverfahren im Stand der Technik keine ausreichende Festigkeit, um für die Fertigung von Teilen mit hoher Festigkeit wie etwa von Kraftfahrzeugteilen und dergleichen eingesetzt werden zu können.
In EP-A-0 662 361 ist ein Druckgießverfahren beschrieben, das die Schritte des Bildens einer Gießbuchse mit einem Innenzylinder und einem Außenzylinder umfaßt, die aus einem Leiter mit mehreren Schlitzen gefertigt ist und am äußeren Umfang des Außenzylinders eine Induktionsspule aufweist. Das in der Gießbuchse zu gießende Material wird erhitzt, auf einer konstanten Temperatur gehalten und durch elektromagnetische Induktion umgewälzt. Das Material wird durch die zwischen dem Leiter und dem Material erzeugte elektromagnetische Kraft von der Wandfläche der Gießbuchse im wesentlichen ferngehalten, wodurch der Temperaturabfall des Materials verhindert wird. Durch die Einrichtung des Leiters kann das Material effizient erhitzt, auf einer konstanten Temperatur gehalten und umgewälzt werden, wobei die Gießbuchse ihre Maschinengenauigkeit bewahren kann.
Wo-A-92 13662 bezieht sich auf ein Verfahren zum Gießen eines Metallegierungsblocks, welches das Druckgießen der Legierung innerhalb einer Gießform umfaßt, die während des gesamten Gießprozesses auf einer Temperatur gehalten wird, die über der Raumtemperatur und unter der Festphasentemperatur der Legierung liegt. Das Druckgießverfahren für Metallegierungen umfaßt das Erhitzen des Gußblocks, um diesen auf eine Temperatur zwischen den Festphasen- und Flüssigphasentemperaturen der Legierung zu bringen, und dessen Einführen unter Druck in eine Gießform.
In JP-A-7051827 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metallprodukts mit niedrigem Schmelzpunkt beschrieben, gemäß dem z. B. in lediglich einem Prozeß, ohne zusätzliche Arbeit und Energie zu benötigen, ein netzförmig ausgebildetes Produkt mit ausgezeichneter mechanischer Eigenschaft gefertigt werden kann. Nach dem Beseitigen der Verunreinigungen durch Schmelzen des Metall-Rohmaterials im Vakuum oder inaktiver Atmosphäre wird das geschmolzene Rohmaterial unter Zufuhr des Zusatzstoffes in eine Schraubenzylindereinrichtung gefüllt. Die Schraube wird in den Zustand versetzt, in dem sie sich auf der Festphasentemperatur des Metall-Rohmaterials oder darüber und auf der Flüssigphasentemperatur desselben oder darunter hält, wobei sich das Metall-Rohmaterial teilweise verfestigt. Während der Verfestigung gebildete dendritische Kristalle werden aufgebrochen und durch Scherwirkung in feine Sphäroide zerlegt, so daß sich eine thixotrope Legierung oder eine mit Zusatzstoff vermischte Legierung ergibt. Diese Legierung wird in Druckkolben-Zylindereinrichtungen eingefüllt, die mit den Schraubenzylindereinrichtungen konzentrisch hintereinandergeschaltet sind, und mit dem Druckkolben nach und nach in eine Gießform gefüllt. Nach Abschluß der Verfestigung der Füllung und dem Absenken auf Warmmassivumformungstemperatur, wird der Druck des mehrmaligen Pressens geeignet verändert und die Legierung auf den Matrizen warmverformt, um das Legierungsprodukt oder ein auf Metallbasis zusammengesetztes Produkt zu erhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Druckgießverfahren zu schaffen, mit dem Aluminiumlegierung-Gußteile hergestellt werden können und der Gießvorgang bei vorteilhaftem Fluß des geschmolzenen Metalls ohne Einschluß von Luft ermöglicht wird, wobei verhindert wird, daß Oxide und verfestigter Abfall in die Druckgießform gefüllt werden.
Um die obenerwähnten Probleme zu lösen, umfaßt das erfindungsgemäße Druckgießverfahren die Schritte des Anspruchs 1.
Zusätzlich wird vorzugsweise wenigstens ein Teil des Innenzylinders der Gießbuchse von einem schlechten Wärmeleiter gebildet und die Gießbuchse wird gekühlt.
Ferner wird das geschmolzene Metall vorzugsweise unter Druck in die Druckgießform gefüllt, nachdem es unter elektromagnetischem Umwälzen in der Gießbuchse erhitzt wurde.
Darüber hinaus wird vorzugsweise zumindest beim Einfüllen des halbgeschmolzenen Metalls in die Druckgießform eine dekomprimierte Atmosphäre und/oder eine Inertgasatmosphäre erzeugt, wobei auch in der Gießbuchse eine Inertgasatmosphäre erzeugt wird.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung deutlich, die im Zusammenhang mit den beifügten Ansprüchen zu sehen ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

In der begleitenden Zeichnung sind zur Veranschaulichung Ausführungsformen der Erfindung gezeigt, aus denen diese und weitere Ziele, neue Merkmale und Vorteile von dieser ohne weiteres deutlich werden.
In der Zeichnung sind:
Fig. 1 ein Diagramm, das den Querschnitt eines wichtigen Abschnitts einer vertikalen Druckgießmaschine als ein bei dem Druckgießverfahren der vorliegenden Erfindung verwendbares Beispiel zeigt,
Fig. 2 eine metallurgische mikroskopische Aufnahme, die die Kornstruktur des halbgeschmolzenen Metalls in der Gießbuchse zeigt,
Fig. 3 eine metallurgische mikroskopische Aufnahme, die die sphärische Struktur des Gußteils nach dem Einfüllen und der Verfestigung des geschmolzenen Metalls in der Druckgießform zeigt,
Fig. 4 ein Diaramm, das die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumle gierung-Gußteilen eines Beispiels der vorliegenden Erfindung und eines herkömmlichen Beispiels zeigt,
Fig. 5 eine metallurgische mikroskopische Aufnahme, die die Struktur zeigt, die den Gießfehler durch Ablagerung zeigt,
Fig. 6 eine metallurgische mikroskopische Aufnahme, die die Struktur zeigt, die die infolge eines großen Unterschieds in der Konzentration gelöster Stoffe eintretende Ablagerung zeigt,
Fig. 7 ein Diagramm, das einen Querschnitt eines wichtigen Abschnitts einer horizontalen Druckgießmaschine eines weiteren bei dem Druckgießverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbaren Beispiels zeigt,
Fig. 8 ein Diagramm, das einen Querschnitt des Abschnitts 20 aus Fig. 2 zeigt,
Fig. 9 ein Diagramm, das einen Querschnitt eines wichtigen Abschnitts einer horizontalen Druckgießmaschine eines weiteren bei dem Druckgießverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbaren Beispiels, jedoch ohne elektromagnetisch abstoßende Kraft zeigt,
Fig. 10 eine Ansicht von oben, die den Achsschenkel zeigt, und
Fig. 11 eine Ansicht von oben, die den unzureichenden Fluß in den Achsschenkel zeigt.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgenden Bezugsbeispiele und bevorzugten Ausführungsformen genauer dargestellt.
In dem Druckgießverfahren der vorliegenden Erfindung gibt es als Mittel, um die Primärkristalle des geschmolzenen Metalls im wesentlichen körnig zu machen, beispielsweise ein Verfahren zur Absenkung der Temperatur des geschmolzenen Metalls in der Gießbuchse von einer Temperatur in der Nähe der Flüssigphasenlinie auf eine Temperatur unter der Flüssigphasenlinie und über der Festphasenlinie oder eutektischen Linie bei einer vorgegebenen Abkühlgeschwindigkeit.
Nämlich, in dem Aluminiumlegierung-Gußteil gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt das Verfahren zum Granulieren der Primärkristalle des geschmolzenen Metalls die folgenden Prozesse:
(a) den Prozeß, in dem das Metall geschmolzen wird und dessen Temperatur in die Nähe der Flüssigphasenlinie gebracht wird,
(b) den Prozeß, in dem das geschmolzene Metall gegossen und in die Gießbuchse geleitet wird, danach die Temperatur des geschmolzenen Metalls in der Gießbuchse von einer Temperatur in der Nähe der Flüssigphasenlinie auf eine vorgegebene Temperatur, die unter der Flüssigphasenlinie und über Festphasenlinie oder eutektischen Linie liegt, bei einer vorgegebenen Abkühlgeschwindigkeit gesenkt wird und die Primärkristalle des geschmolzenen Metalls im wesentlichen granuliert werden, um das geschmolzene Metall in einen halbgeschmolzenen Zustand zu bringen,
(c) den Prozeß, in dem das halbgeschmolzene Metall aus der Gießbuchse, worin die Primärkristalle granuliert werden, unter Druck in die Druckgießform gefüllt wird, und
(d) den Prozeß, in dem sich das in die Druckgießform gefüllte halbgeschmolzenen Metall verfestigt.
Wie oben beschrieben wurde, wird bei der vorliegenden Erfindung Metall geschmolzen und bei einer Temperatur in der Nähe der Flüssigphasenlinie gegossen und danach in die Gießbuchse geleitet, so daß die Gießbuchse durch die hohe Temperatur nur schwerlich beschädigt werden kann. Ferner ist es in dem Prozeß zum Absenken der Temperatur des geschmolzenen Metalls in der Gießbuchse von einer Temperatur in der Nähe der Flüssigphasenlinie auf eine vorgegebene Temperatur, die unter der Flüssigphasenlinie und über der Festphasenlinie oder eutektischen Linie liegt, bei einer vorgegebenen Abkühlgeschwindigkeit nicht erforderlich, dem Zustand, in dem Fest- und Flüssigstoffe nebeneinander existieren und die Primärkristalle im wesentlichen granuliert werden, so daß ein halbgeschmolzener Zustand entsteht, und dieses halbgeschmolzene Metall unter Druck eingefüllt wird und sich verfestigt, eine Scherkraft wie etwa durch eine Rührmaschine oder elektromagnetisches Rühren zu verleihen. Dementsprechend kann ein Gußteil mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften ohne Auftreten von Blasen erhalten werden.
Bei dem obenerwähnten Druckgießverfahren liegt im Fall der A357-Legierung die Temperatur in der Nähe der Flüssigphasenlinie beispielsweise zwischen ungefähr 10ºC unter der Flüssigphasenlinie und ungefähr 40ºC zur Flüssigphasenlinie.
Bei einer Temperatur oberhalb des obenerwähnten Bereichs entsteht Dendrit, während bei einer Temperatur unterhalb des obenerwähnten Bereichs vor dem Gießen des geschmolzenen Metalls Dendrit entsteht.
Als nächstes wird das geschmolzene Metall abgekühlt, so daß es in der Gießbuchse einen halbgeschmolzenen Zustand einnimmt, worauf das in die Gießbuchse gegossene geschmolzene Metall bei vorgegebener Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt wird, um körnige Primärkristalle zu erhalten. Vorzugsweise wird die Abkühlgeschwindigkeit auf unter 10 K/s festgelegt. Hierbei ist es möglich, die erzeugten Primärkristalle zu granulieren.
Die konkreten Verfahren zum Abkühlen des geschmolzenen Metalls bei einer vorgegebenen Abkühlgeschwindigkeit werden im folgenden beschrieben:
(1) Wenn die Gießbuchse aus wärmeleitendem Material wie etwa Keramik besteht, wird die Geschwindigkeit des Abkühlens der Buchsenoberfläche gering, wobei die Abkühlgeschwindigkeit im Buchseninneren vorzugsweise unter 10 K/s liegt.
(2) Im Fall einer metallischen Buchse wird diese vorzugsweise beheizt, um die Anfangstemperatur zu erhöhen.
Besonders in dem Fall, in dem A357-Material verwendet wird, sollte die Anfangstemperatur der Gießbuchse auf eine Temperatur von über 200ºC festgelegt werden und die Abkühlgeschwindigkeit im Kern des geschmolzenen Metalls vorzugsweise unter 10 K/s liegen.
(3) Die Abkühlgeschwindigkeit der Oberfläche des geschmolzenen Metalls kann gesteuert werden, während der Kern des geschmolzenen Metalls durch Anwendung eines Cold-Clusive-Heizverfahrens, bei welchem die Oberfläche des geschmolzenen Metalls durch Hochfrequenz erhitzt wird und der Behälter während der Wärmeabgabe an das geschmolzene Metall gekühlt wird, bei einer vorgegebenen Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt werden kann.
Zusätzlich wird bei der vorliegenden Erfindung das in der Gießbuchse granulierte halbgeschmolzene Metall während des Einfüllprozesses in die Gießform vorzugsweise sphärisch geformt. Dadurch werden die Körner feiner und der Fluß des geschmolzenen Metalls günstiger.
In diesem Fall kann das halbgeschmolzene Metall durch das Fließen des geschmolzenen Metalls sphärisch geformt werden. Als Mittel, um geschmolzenes Metall in Fluß zu halten, gibt es beispielsweise die Möglichkeit, dieses durch elektromagnetische Kraft umzuwälzen. Ebenso ändert sich dadurch, daß das geschmolzene Metall während des Einfüllens in die Druckgießform fließt, die Struktur von einem körnigen Zustand in einen sphärischen Zustand.
Zusätzlich ist es bei der vorliegenden Erfindung möglich, dem geschmolzenen Metall durch Steuern der Festphasenrate des halbgeschmolzenen Metalls in der Gießbuchse in einem Bereich von 30% bis 60% thixotrope Eigenschaften zu verleihen, wodurch der Fluß des geschmolzenen Metalls vorteilhaft aufrechterhalten werden kann. Durch Steuern der Festphasenrate des halbgeschmolzenen Metalls auf über 30% können dem geschmolzenen Metall nämlich thixotrope Eigenschaften verliehen werden, während es andererseits durch Einstellen der Festphasenrate des halbgeschmolzenen Metalls auf unter 60% möglich ist, eine übermäßig hohe Viskosität zu vermeiden. Dadurch kann der Fluß des geschmolzenen Metalls vorteilhaft aufrechterhalten werden.
Ferner wird bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise wenigstens ein Teil des Innenzylinders der Gießbuchse von einem schlechten Wärmeleiter gebildet und die Gießbuchse außerdem gekühlt. Dadurch ist es möglich, die Abkühlgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls zu steuern und die Primärkristalle zu granulieren. Das heißt, daß es durch Bilden wenigstens eines Teils des Innenzylinders der Gießbuchse aus einem Material mit geringer Wärmeleitung möglich ist, die Wärmeabstrahlung des geschmolzenen Metalls zu verhindern und ohne Vorheizen der Gießbuchse halbgeschmolzene und körnige Strukturen zu erhalten.
Die Verwendung von SIALON in der Innenwand der Gießbuchse als schlechten Wärmeleiter bringt die Auswirkung mit sich, daß das geschmolzene Metall im wesentlichen keine Schlacken aufweist.
Ferner wird bei der vorliegenden Erfindung das halbgeschmolzene Metall in der Gießbuchse im Zustand einer Laminarströmung unter Druck in die Druckgießform gefüllt und danach ein höherer Druck beaufschlagt. Dadurch ist es möglich, die Verunreinigung des halbgeschmolzenen Metalls durch Gas und somit das Auftreten von Blasen zu verhindern.
Zusätzlich wird in der Druckgießform zumindest dann, wenn das halbgeschmolzene Metall eingefüllt wird, eine dekomprimierte Atmosphäre und/oder eine Inertgasatmosphäre erzeugt, wobei in der Gießbuchse ebenso eine Inertgasatmosphäre erzeugt wird. Dadurch kann die Temperatur so gesteuert werden, daß das Material in einem Halbschmelzzustand gehalten und die Oberflächenoxidation verhindert werden kann. Dementsprechend können Produkte feiner Qualität erhalten werden, ohne spezielle Verfahren zur Beseitigung der Oberflächenschicht anzuwenden.
Ferner werden bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise an wenigstens einem Teil des Innenzylinders der Gießbuchse mehrere leitenden Materialien angeordnet, um über die Induktionsspule um die leitenden Materialien ein Magnetfeld zu bilden, wird die Temperatur des geschmolzenen Metalls in der Gießbuchse von einer Temperatur in der Nähe der Flüssigphasenlinie auf eine vorgegebene Temperatur unter der Flüssigphasenlinie und über der Festphasenlinie oder eutektischen Linie abgesenkt und wird das geschmolzene Metall erhitzt oder auf Temperatur gehalten sowie umgewälzt und danach unter Druck in die Druckgießform gefüllt.
Hierbei wird in das halbgeschmolzene Material und den leitenden Abschnitt durch elektromagnetische Induktion Strom geleitet, wobei der eingeleitete Strom und das magnetische Feld so zusammenwirken, daß das Geschmolzene von der Buchsenoberfläche ferngehalten wird, wodurch verhindert wird, daß es mit der Gießbuchse in Berührung kommt. Deshalb kann eine Temperaturabnahme durch Kontakt zwischen Geschmolzenem und der Gießbuchse verringert werden und das Auftreten verfestigten Abfalls an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls nimmt ab, wobei der Temperaturabfall des geschmolzenen Metalls ebenfalls geringer wird. Ferner wird die Temperaturverteilung gleichmäßiger, wobei die Temperaturzunahme der Buchse selbst begrenzt werden kann, so daß die Verformung der Gießbuchse geringer wird und die mechanische Genauigkeit der Gießbuchse bewahrt werden kann.
Bei dem obigen Gießverfahren zur Herstellung eines Aluminiumlegierung- Gußteils gemäß der vorliegenden Erfindung werden dem geschmolzenen Metall thixotrope Eigenschaften verliehen, wodurch das geschmolzene Metall in einer Laminarströmung fließt, um eine Vermischung mit Luft zu verhindern, so daß verhindert werden kann, daß Oxide oder verfestigter Abfall in die Druckgießform gefüllt werden, und Aluminiumlegierung-Gußteile mit einheitlichen Merkmalen erhalten werden können. Im folgenden wird diese Thixotropie-Methode genauer beschrieben.
Wenn die Temperatur des geschmolzenen Metalls in der Gießbuchse von einer Temperatur in der Nähe der Flüssigphasenlinie auf eine vorgegebene Temperatur unter der Flüssigphasenlinie und über der Festphasenlinie oder eutektischen Linie bei einer vorgegebenen Abkühlgeschwindigkeit abgesenkt wird und die Primärkristalle des geschmolzenen Metalls im wesentlichen granuliert sind, so daß sie einen halbgeschmolzenen Zustand einnehmen, können von den Primärkristallen in körnigem Zustand und den flüssigen Stoffen bei einer Temperatur über der eutektischen Temperatur thixotrope Eigenschaften erlangt werden. Thixotropie ist eine Eigenschaft, die darin besteht, daß körnige und flüssige Stoffe in einem bestimmten Verhältnis gemischt sind, und das Phänomen, daß sich ein Gemisch durch Vibrations- und Scherkräfte verflüssigt, jedoch verfestigt, wenn es sich selbst überlassen wird.
In einem solchen thixotropen Zustand neigt das geschmolzene Metall dann, wenn eine Kraft aufgebracht wird, stark dazu, nicht im Zustand vollständig geschmolzenen Metalls, sondern in einer Laminarströmung zu fließen, wobei dann, wenn die Schmelze aus der Gießbuchse in die metallische Matrize gefüllt wird, Gaseinschlüsse so gut wie ausgeschlossen sind. Wenn eine Struktur körnig wird und bis zu einem gewissen Maß eine Festphase existiert, treten die Bewegung der körnigen Festphase und die Bewegung der Flüssigphase nämlich dann, wenn eine Kraft aufgebracht wird, gleichzeitig ein, wobei feste und flüssige Stoffe zusammen kommen. Dadurch werden Gußteilfehler seltener, nimmt die der Gasgehalt ab und treten selbst bei der Warmbearbeitung keine Blasen auf. Andererseits bewegt sich bei nicht granularer Struktur die Festphase nicht, wenn eine Kraft aufgebracht wird, wobei nur das geschmolzene Metall zwischen den Festphasen, d. h. der nicht verfestigte Anteil, in Erscheinung tritt. Deshalb entsteht eine Absonderung oder ein Vermischen mit Luft.
Diese Thixotropie kann nicht durch bloßes Gießen geschmolzenen Metalls in eine Buchse bei niedriger Temperatur erzielt werden; es ist erforderlich, die Struktur des geschmolzenen Metalls zu granulieren und die Festphasenrate bis zu einem gewissen Maß zu erhöhen (im allgemeinen auf über 30%). Andererseits steigt dann, wenn die Festphasenrate extrem hoch ist (im allgemeinen über 60%), die Viskosität an, wodurch der Fluß des geschmolzenen Metalls ungünstig wird.

Beispiele

Im folgenden werden Beispiele für Aluminiumlegierung-Gußteile der vorliegenden Erfindung genau beschrieben.

(Beispiel 1)

Fig. 1 (a) zeigt eine vertikale Gießmaschine, die bei einem Druckgießverfahren verwendet wird, um gemäß der vorliegenden Erfindung Aluminiumlegierung-Gußteile zu erhalten, während Fig. 1 (b) einen Querschnitt eines wichtigen Abschnitts einer Gießform mit metallischer Matrize zeigt. Der Druck der vertikalen Druckgießmaschine beträgt 100 MPa, während der Innendurchmesser der Gießbuchse 2 50 mm beträgt und der Außendurchmesser 80 mm beträgt. Die Druckgießform 6 ist durch die obere Matrize 4 und die untere Matrize 5 festgelegt, um einen Achsschenkel als ein Teil der Aufhängung eines Kraftfahrzeugs zu gießen.
Unter Verwendung dieser vertikalen Druckgießmaschine wird durch Gießen einer A357-Legierung (ASTM : AlSi 7% Mg) ein Aluminiumlegierung- Gußteil der vorliegenden Erfindung hergestellt. Zuerst wird die Zusammenset zung aus der A357-Legierung geschmolzen und auf eine Temperatur von ungefähr 630ºC in der Nähe der Flüssigphasenlinie (620) erhitzt.
Als nächstes wird das geschmolzene Metall 1A aus A357-Legierung über die Gießpfanne 41 durch ein an ihrem Trichter angeordnetes Filtermaterial 42 in eine Gießbuchse 2 geleitet.
Danach wird die Temperatur des geschmolzenen Metalls in der Gießbuchse 2 von einer Temperatur in der Nähe der Flüssigphasenlinie auf eine Temperatur von ungefähr 580ºC unter der Flüssigphasenlinie und über der Festphasenlinie oder eutektischen Linie abgesenkt, um eine sphärische Struktur, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, zu bilden. Bei einer A357-Legierung wird die Abkühlgeschwindigkeit der Gießbuchse 2 in einem Bereich von 0,5 bis 8 K/s und vorzugsweise von 1 bis 4 K/s festgelegt. Dadurch nimmt das geschmolzene Metall 1B aus A357-Legierung einen halbgeschmolzenen Zustand ein, in dem die Primärkristalle körnig sind. Die Kristallkörner betreffend beträgt die mittlere sphärische Rate (Verhältnis des langen Korndurchmessers zum kurzen Korndurchmesser) 0,63, während der mittlere Kreisäquivalent-Durchmesser (Durchmesser des aus der Kornfläche berechneten Pseudokreises) 80 Jm beträgt.
Als nächstes wird mit Hilfe des Druckkolbens 3 halbgeschmolzenes Metall 1B aus A357 mit körnigen Primärkristallen unter Druck in eine Druckgießform 6 gefüllt, wobei der Zustand einer Laminarströmung eingenommen wird. Die körnige Struktur wird feiner und wechselt während des Prozesses des Füllens und Pressens des geschmolzenen Metalls an der Öffnung 6B zu einer sphärischen Struktur. Die Struktur des geschmolzenen Metalls nach dem Passieren der Öffnung ist in Fig. 3 gezeigt. Die mittlere sphärische Rate (Verhältnis des langen Korndurchmessers zum kurzen Korndurchmesser) des kristallinen Korns beträgt 0,72, während der mittlere Kreisäquivalent-Durchmesser (Durchmesser des aus der Kornfläche berechneten Pseudokreises) 40 Jm beträgt. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß nach dem Granulieren der halbgeschmolzenen Metallstruktur in der Gießbuchse und deren Einfüllen in die Druckgießform der sphärische Grad (Verhältnis des langen Korndurchmessers zum kurzen Korndurchmesser) groß wird, während der Kreisäquivalent- Durchmesser (Durchmesser des aus der Kornfläche berechneten Pseudokrei ses) klein wird und das Kristall fein und nahezu kreisförmig ist.
Die Festphasenrate des halbgeschmolzenen Metalls 1B in der Gießbuchse 2 beträgt vorzugsweise zwischen 30 und 60% des Zustandsdiagramms und der Temperatur der Al-Si-Mg-Aluminiumlegierung. Das Rohmaterial für den Achsschenkel kann erhalten werden, indem das halbgeschmolzene Metall 1B unter Druck aus der Gießbuchse 2 in die Druckgießform gefüllt wird und dieses sich verfestigt, worauf die Matrize geöffnet wird. Danach werden durch Erhitzen dieses Rohmaterials auf eine Temperatur von ungefähr 540ºC die Ablagerung an dem Gußteil beseitigt, die kristalline Phase, die sedimentierte Phase und dergleichen in der Matrizenphase aufgelöst und das geschmolzene Metall in eine übersättigte Feststofflösung überführt. Danach wird die übersättigte Feststofflösung auf eine relativ niedrige Temperatur von ungefähr 160ºC erhitzt und dort gehalten, wobei die Separation durch den Warmaushärtungsprozeß unterstützt wird.
Wenn die mechanischen Eigenschaften der in den obigen Beispielen erhaltenen Aluminiumlegierung-Gußteile der vorliegenden Erfindung mit jenen von herkömmlichen Aluminiumlegierung-Gußteilen verglichen werden, weisen die mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung-Gußteile der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete Werte in der Zugfestigkeit (A), der Tragkraft (B) und der Dehnung (C) auf, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist.
Die mechanischen Eigenschaften der Produkte, die durch die in den obigen Beispielen erhaltenen Aluminiumlegierung-Gußteile der vorliegenden Erfindung, durch die das Verfahren des Druckformens nach erneutem Erhitzen erhaltenen Aluminiumlegierung-Gußteile und durch herkömmliche Druckformungsverfahren erhaltenen Aluminiumlegierung-Gußteile hergestellt wurden, wurden verglichen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt. TABELLE 1 Mechanische Eigenschaften
Wie aus TABELLE 1 ersichtlich ist, besitzt das Aluminiumlegierung-Gußteil des Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den Aluminiumlegierung-Gußteilen des Vergleichsbeispiels und des herkömmlichen Beispiels ausgezeichnete Eigenschaften sowohl hinsichtlich der Zugfestigkeit als auch hinsichtlich der Dehnung.

(Beispiel 2)

Als nächstes wurde eine Untersuchung nach demselben Gießverfahren wie im Beispiel 1 durchgeführt, wobei die Festphasenrate des halbgeschmolzenen Metalls in dem Gießmetall verändert wurde. Die mechanischen Eigenschaften des durch Warmbearbeitung erhaltenen Achsschenkels sind in der TABELLE 2 gezeigt. TABELLE 2 Mechanische Eigenschaften
Das aus einer Gießbuchse in die Druckgießform gefüllte halbgeschmolzene Metall mit einer Festphasenrate von 25% weist nach der Warmbearbeitung kleine Blasen und eine geringe Dehnung auf Somit ist es für einen Achsschenkel, der Festigkeit erfordert, nicht geeignet.
Das aus der Gießbuchse in die Druckgießform gefüllte halbgeschmolzene Metall mit einer Festphasenrate von 65% weist, wie in Fig. 11 gezeigt ist, einen unzureichenden Fluß auf und kann deshalb für das Produkt nicht verwendet werden. Dementsprechend ist ersichtlich, daß im Bereich einer Feststofflösungsrate von 30 bis 60% der Fluß des geschmolzenen Metalls gut ist, nur wenig Blasen auftreten und die Zugfestigkeit, die Tragkraft und die Dehnung ausgezeichnet sind. Durch die Herstellung eines Aufhängungsteils für Kraftfahrzeuge wie etwa eines Achsschenkels nach diesem Gießverfahren kann eine höhere Zuverlässigkeit und ein geringeres Gewicht erzielt werden.
Wenn ein Teil des Innenzylinders der Gießbuchse 2 außerdem von einem schlechten Wärmeleiter wie SIALON gebildet wird, erhält das halbgeschmolzene Metall 1B seine Wärme, wodurch die halbgeschmolzene körnige Struktur ohne erneutes Beheizen der Gießbuchse 2 erhalten werden kann.
Ferner wird durch Dekompression der Druckgießform 6 während des Prozesses des Einfüllens des geschmolzenen Metalls in die Druckgießform der Fluß des geschmolzenen Metalls weiter verbessert, wodurch das halbgeschmolzene Metall bis zum Rand der Druckgießform eingefüllt werden kann.
Zusätzlich wird dadurch, daß der Gießbuchse 2 Inertgas zugeführt wird, die Oxidation des geschmolzenen Metalls verhindert, wodurch ferner ein makelloses Gußteil erhalten werden kann.

(Beispiel 3)

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt eines wichtigen Teils einer horizontalen Druckgießmaschine, die in einem weiteren Beispiel bei dem Druckgießverfahren dieser Erfindung eingesetzt wird, während Fig. 8 einen Querschnitt des Abschnitts 20 in Fig. 7 zeigt. Die horizontale Druckgießmaschine aus Fig. 7 enthält im wesentlichen eine Gießbuchse 22 mit einem Außenzylinder 24 und einem Innenzylinder zur Aufnahme des geschmolzenen Metalls 1, einen von einer Hydraulikeinheit angetriebenen Druckkolben 3 und die Druckgießform 6, in die sich dieser Druckkolben 3 nach links bewegt und geschmolzenes Metall 1 aus der Gießbuchse 22 füllt.
In den Fig. 7 und Fig. 8 besteht der Innenzylinder der Gießbuchse 22 aus einem aus SIALON-Keramik 23 gebildeten Isolator 8, wobei Leiter 9, die aus diskontinuierlichem rostfreien Austenit-Stahlrohren gebildet sind, diskontinuierlich eingebettet sind und Kühlwasser 11 durch die Leiter 9 fließt. Anstelle der Wasserkühlung kann auch eine Luftkühlung eingesetzt werden, wobei in diesem Beispiel der Fall der Wasserkühlung erläutert wird. Durch den Leiter 9 und die Induktionsspule 7 der Gießbuchse 22 wird eine elektromagnetisch abstoßende Kraft erzeugt, wodurch das halbgeschmolzene Metall in der Gießbuchse ohne Kontakt mit der Innenwand in die Druckgießform eingefüllt wird, so daß das Auftreten verfestigten Abfalls selten ist und die Temperaturverteilung gleichmäßig ist.
Der Druck der Modell-Druckgießmaschine beträgt 100 MPa, während der Innendurchmesser der Gießbuchse 22 50 mm beträgt und der Außendurchmesser 80 mm beträgt. Die Druckgießform 6 ist mit der beweglichen Matrize 4 und der festen Matrize 5 ausgebildet, um den Achsschenkel für Kraftfahrzeuge zu formen.
Durch Verwendung dieser horizontalen Druckgießmaschine wird in gleicher Weise wie im Beispiel 1 A357-Rohmaterial gegossen und eine Warmbearbeitung durchgeführt. Die Vergleichsergebnisse der mechanischen Eigenschaften des wie oben beschrieben hergestellten Achsschenkels und jener des nach dem herkömmlichen Niederdruck-Gießverfahrens hergestellten Achsschenkels sind in der TABELLE 3 gezeigt. TABELLE 3 Mechanische Eigenschaften
Aus dem in TABELLE 3 gezeigten Beispiel der vorliegenden Erfindung wird deutlich, daß der Fluß des geschmolzenen Metalls gut ist, Blasen selten sind und ein Achsschenkel mit im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel des herkömmlichen Niederdruck-Gießverfahrens hervorragender Zugfestigkeit, Formänderungsfestigkeit bei Zug nach dem Belastungsverfahren und Dehnung erhalten werden kann. Wenn ein Aufhängungsteil eines Gelenk für Kraftfahrzeuge nach diesem Verfahren hergestellt wird, kann eine höhere Zuverlässigkeit und ein geringeres Gewicht erzielt werden.
Je nach Eigenschaften des zu fertigenden Gußteils kann die in Fig. 9 gezeigte Druckgießmaschine anstelle der in diesem Beispiel erläuterten Druckgießmaschine eingesetzt werden.
Die in Fig. 9 gezeigte Druckgießmaschine besteht im wesentlichen aus der Gießbuchse 30 zur Aufnahme des aus der Gießpfanne 37 gegossenen geschmolzenen Metalls 31, der aus einer oberen Matrize 34 und einer unteren Matrize 35 gebildeten Druckgießform 36 und dem Druckkolben 33 zur Zufuhr von geschmolzenem Metall aus der Gießbuchse in die Druckgießform.
Wie oben im Detail beschrieben wurde, sind bei dem Druckgießverfahren der vorliegenden Erfindung die Primärkristalle des geschmolzenen Metalls in der Gießbuchse im wesentlichen körnig, so daß sie einen halbgeschmolzenen Zustand einnehmen, in dem sie unter Druck in die Druckgießform gefüllt werden und sich dann verfestigen, so daß der Fluß des geschmolzenen Metalls eine Laminarströmung wird. Deshalb geschieht nur selten ein Vermischen mit Luft, wodurch ein Gußteil hergestellt werden kann, ohne daß Oxide und verfestigte Stoffe in die Druckgießform gefüllt werden. Das nach einem solchen Druckgießverfahren erhaltene Aluminiumlegierung-Gußteil weist ausgezeichnete mechanische Eigenschaften auf, wobei seine Eigenschaften einheitlich sind, weshalb das Verfahren vorzugsweise für Teile mit hoher Härte wie etwa für eine Aufhängungseinheit mit Achsschenkel und Aluminiumrad für Kraftfahrzeuge angewandt werden kann.
Da diese Erfindung in verschiedenen Formen verkörpert sein kann, ohne vom Leitgedanken wesentlicher Merkmale dieser Erfindung abzuweichen, sind die vorliegenden Beispiele somit veranschaulichend und nicht einschränkend, während der Umfang der Erfindung lediglich durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die ihnen vorhergehende Beschreibung definiert ist, wobei sämtliche Änderungen, die in die Anforderungen und Grenzen der Ansprüche fallen oder mit solchen Anforderungen und Grenzen äquivalent sind, somit als durch die Ansprüche abgedeckt angesehen werden.

Claims

1. Verfahren zum Druckgießen einer Aluminiumlegierung mit folgenden Schritten:

(a) Aufschmelzen der Aluminiumlegierung und Steuerung der Temperatur bei einer Temperatur in der Nähe der Flüssigphasenlinie,

(b) Überführen des geschmolzenen Metalls in eine Gießbuchse (2),

(c) Absenken der Temperatur des geschmolzenen Metalls in der Gießbuchse von einer Temperatur in der Nähe der Flüssigphasenlinie auf eine vorgegebene Temperatur über der Festphasenlinie oder der eutektischen Linie, wodurch körnige Primärkristalle in dem geschmolzenen Metall zur Bildung eines halbgeschmolzenen Zustands gebildet werden,

(d) Einfüllen des halbgeschmolzenen Metalls mit den körnigen Primärkristallen unter Druck in eine Druckgießform (6) und

(e) Verfestigen des halbgeschmolzenen Metalls in der Druckgießform,

dadurch gekennzeichnet, daß

- im Schritt (c) die Temperatur des geschmolzenen Metalls in der Gießbuchse mit einer vorgegebenen Abkühlgeschwindigkeit von 0,5 bis 10 K/s gesenkt wird, eine sphärische Struktur der körnigen Primärkristalle gebildet und die Festphasenrate des halbgeschmolzenen Metalls in einem Bereich von 30 bis 60% gesteuert wird, um dem halbgeschmolzenen Metall thixotrope Eigenschaften zu verleihen, und

- im Schritt (d) das thixotrope halbgeschmolzene Metall in einer Laminarströmung in die Druckgießform (6) gepreßt wird.

2. Gießverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einpressen des thixotropen halbgeschmolzenen Metalls in die Druckgießform der Druck erhöht wird.

3. Gießverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem halbgeschmolzenen Metall und einem elektrisch leitenden Teil der Gießbuchse (22) ein elektrischer Strom durch elektromagnetische Induktion zugeführt wird, um das halbgeschmolzene Metall durch die Wechselwirkung des induzierten Stroms und des Magnetfelds von der Buchsenoberfläche fernzuhalten.

4. Gießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Druckgießform eine dekomprimierte Atmosphäre und/oder Inertgasatmosphäre zumindest beim Einfüllen des halbgeschmolzenen Metalls (1B) in die Druckgießform (6) erzeugt wird.

5. Gießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einfüllen der Druckgießform (6) die sphärische Struktur der körnigen Kristalle auf einen durchschnittlichen Kugelgrad von mehr als 0,63, vorzugsweise etwa 0,72, erhöht wird, und daß die Partikelgröße verringert wird.

6. Gießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Innenwand der Gießbuchse (22) mit einem schlechten Wärmeleiter (8) gebildet und die Gießbuchse (22) gekühlt wird.

7. Gießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangstemperatur der Gießbuchse (2; 22) auf über 200ºC eingestellt wird.