DE102008016160A1

DE102008016160A1 - Verfahren zum Gießen eines Metallteils

Info

Publication number: DE102008016160A1
Application number: DE200810016160
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.-Ing. Barth
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Barth Andreas Dr Ing De
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2008-11-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Metallteils, bei dem ein Gießkern aus Metall zur Darstellung von Hohlräumen mit Hinterschnitten verwendet wird, wobei der Gießkern aus einer niedrigschmelzenden Legierung, insbesondere einer Zink-, Zinn-, Magnesium-, Aluminium- oder Lithiumlegierung besteht und durch Ausschmelzen oder thermisches Verspröden und anschließendes mechanisches Zerkleinern aus dem resultierenden Hohlraum entfernt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Metallkern zur Verwendung bei einem solchen Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Metallteils nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gießkern aus Metall zur Verwendung bei einem solchen Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
Zur Darstellung von Hohlräumen in gegossenen Metallteilen werden Kerne verwendet, welche in das Gießwerkzeug oder in die Sandform eingelegt werden. Beim Schwerkraftgießen, wie beispielsweise Sand-, Fein-, Kokillenguss oder Lost Foam Gießen, werden dabei in der Regel ton-, harz- oder anorganisch gebundene Sandkerne verwendet, welche nach Erstarren des Gussteiles thermisch oder mechanisch zerstört werden können. Dadurch können auch Hinterschnitte in Hohlräumen des Gussteiles dargestellt werden. Durch Ausgasen der ton-, harz- oder anorganisch gebundenen Sandkerne kann jedoch im Bereich des Sandkerns die Werkstoffqualität des Gussteiles durch erhöhte Gussporosität beeinträchtigt werden. Weitere Nachteile sind dabei die geringe Oberflächengüte und die begrenzte Maßhaltigkeit des durch den Sandkern abgebildeten Hohlraums. Auch die vollständige Entfernung von Restsand aus dem Gussteil kann insbesondere im Fall besonders filigran gestalteter Kerne problematisch sein.
Bei Druckgussverfahren ist weiterhin oft die Festigkeit von Sand- oder Salzkernen nicht ausreichend, um den hohen Prozessdrücken von bis zu 800 bar in der Nachverdichtungsphase standzuhalten. In solchen Fällen werden oft Dauerformkerne in Form von Stahlschiebern verwendet, mit welchen allerdings nur Hohlräume und Außenkonturen ohne Hinterschnitt darstellbar sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Gießen von Metallteilen bereitzustellen, mit welchem Hohlräume mit Hinterschnitt, insbesondere auch bei Druckgussverfahren, darstellbar sind und welches eine hohe Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit der Hohlräume gewährleistet.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Gießen eines Metallteils wird in ein Gießwerkzeug ein Gießkern eingelegt, der aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet ist, wobei der metallische Gießkern eine geringere Schmelztemperatur aufweist wie dass abzubildende Gussteil und eine wärmeisolierende Ummantelung aufweist. Nach Befüllen des Gießwerkzeugs mit einer Metalllegierung und deren Erstarren wird der Gießkern aus Metall in der Folge ausgeschmolzen oder alternativ auch thermisch versprödet und anschließend mechanisch zerstört. Es versteht sich, dass unter dem Begriff Gießwerkzeug sowohl Dauergießformen, wie sie beim Druckgießen Verwendung finden, als auch Sandformen, wie sie beim Schwerkraftgießen Verwendung finden, und sämtliche weiteren üblichen Gießformen zu verstehen sind.
Ein derartiger Gießkern aus Metall hält auch dem Prozessdruck beim Gießen, insbesondere bei Druckgussverfahren, Stand, ohne dabei durch die wärmeisolierende Ummantelung an- oder aufzuschmelzen. Vorteilhafterweise ist der Gießkern einfach und vollständig aus dem gewünschten Hohlraum des Gussteils entfernbar, und gewährleistet durch die wärmeisolierende Ummantelung, vorzugsweise eine keramische Ummantelung, eine hohe Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit des umgossenen Hohlraums. Da eine Entfernung des Gießkerns aus Metall durch Ausschmelzen oder mechanischem Zertrümmern des durch den Temperatureintrag beim Abguss oder durch eine separate Wärmebehandlung versprödeten Metallkerns möglich ist, können mit solchen Gießkernen auch Hohlräume mit Hinterschnitten dargestellt werden, was mit Dauerformkernen nicht möglich ist. Ein erfindungsgemäßer Gießkern aus Metall ist dabei vorteilhafterweise auf sehr einfache und konventionelle Art herstellbar. Insbesondere eignet sich dazu die Herstellung mittels gebräuchlicher Umform- und Urformverfahren wie Schmieden, Strangpressen oder Gießen, z. B. Gießen mit Dauerguss-, Sand- oder Gipsformen, Feingussverfahren aber auch eine Herstellung durch mechanische Bearbeitung, wie beispielsweise mechanische Zerspanung, ist denkbar.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird für den Gießkern eines der folgenden Metalle oder Legierungen verwendet: Li, LiAl10, LiMg40, MgLi30, Zn, ZnAl4, ZnAl4Cu1, ZnAl4Cu3, ZnAl6Cu, ZnAl4Cu1Mg0,5, ZnMg3, Sn, SnSb17Cu3, SnPb24Sb13Cu3, SnPb34Sb13Cu3, SnPb36, SnPb38Cu2, SnAg4Cu1, SnZn10, SnMg10, Pb, Bi, Cd, Sb. Für Gussteile aus hoch schmelzendem Gusseisen, Stahl oder Buntmetall sind auch Kerne aus Aluminium, Magnesium oder entsprechenden Al- oder Mg-Legierungen, wie beispielsweise AlSi12, AlMg5, MgAl3Zn1, MgAl6Zn1, MgAl9Zn1, MgAl6Mn oder MgAl5Mn, verwendbar.
Alle diese Metalle oder Legierungen weisen günstige Eigenschaften auf, welche sie besonders geeignet zur Verwendung in Gießkernen für das erfindungsgemäße Verfahren macht. In allen Fällen ist ein Ausschmelzen des Gießkerns nach Fertigstellung des Gussteiles möglich. Zink, Zinn und deren Legierungen können weiterhin durch eine Temperaturbehandlung oder schon infolge des Temperatureintrags beim Abguss des Bauteils zu einem allotropen Strukturübergang gebracht werden, welcher in einer spröderen Gesamtstruktur resultiert und so ein mechanisches Zertrümmern des Metallkerns ermöglicht, um den Kern aus dem Gussteil zu entfernen. Auch bietet erfindungsgemäß die Verwendung von Zn-, Al- oder Sn-Werkstoffen für Gießkerne im Fall eines Kernausschmelzens den Vorteil, dass der Hohlraum des Gussteils mittels einer verbleibenden dünnen Zn-, Al- oder Sn-Schicht vor Korrosion geschützt wird. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von Kühlkanälen in einem Motorblock äußerst vorteilhaft.
In einer weiteren Ausführungsform werden nach Zerstörung des Kerns die Reste der keramischen Umhüllung von dessen Metallresten abgetrennt. Dies ermöglicht eine weitgehend verlustfreie Wiederverwendung der Metalle bzw. Legierungen des Kerns zur Anfertigung neuer Kerne.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die keramische Ummantelung des metallischen Gießkerns durch Aufsprühen oder Aufpinseln einer Keramikschlichte, oder auch durch Tauchen des metallischen Kernkörpers in ein Schlichtebecken aufgetragen. Nach dem Trocknen der Schlichte auf dem Metallkern kann dieser in das Gießwerkzeug eingesetzt werden. Die feinen Festkörperbestandteile üblicher Schlichten ermöglichen dabei den Erhalt einer hohen Oberflächengüte und Maßhaltigkeit des Kerns.
Im Folgenden soll die Erfindung ohne Beschränkung der Allgemeinheit näher erläutert werden.
Um ein Metallteil nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu Gießen, wird in einem ersten Schritt ein entsprechender Gießkern aus Metall hergestellt. Dieser besteht aus einer niedrigschmelzenden Metalllegierung, deren Schmelzpunkt unter der Liquidustemperatur des Gussteils liegt. Um sicherzustellen, dass ein solcher Gießkern den Druck- und Temperaturverhältnissen auch bei Druckgussverfahren Stand hält, wird der metallische Grundkörper des Gießkerns mit einer wärmeisolierenden keramischen Ummantelung versehen. Dies erfolgt nach im Wesentlichen bekannten Verfahren, indem eine keramische Schlichte auf den metallischen Grundkörper aufgesprüht oder mit Pinsel aufgetragen wird. Das Aufbringen der Schlichte kann ebenfalls durch Tauchen des metallischen Grundkörpers in einem Schlichtebecken erfolgen. Hierzu können keramische Schlichten auf Wasser- oder Alkoholbasis verwendet werden, die beispielsweise Aluminiumsilikat-, Zirkon- oder Magnesiumsilikatpartikel enthalten. Solche Schlichten werden üblicherweise auch beim Feinguss oder Lost-Foam-Verfahren verwendet.
Um ein Ausgasen der Schlichte während des Gusses zu vermeiden, muss die Schlichte vor dem Einsetzen des Gießkerns in das Gießwerkzeug sorgfältig getrocknet werden. Durch die feine Korngröße der keramischen Partikel verbleibt eine hohe Oberflächengüte und Maßhaltigkeit der Metallkerne. Die Kerne werden durch die so entstandene keramische Ummantelung von den hohen Temperaturen während des Gussvorgangs isoliert, und gleichzeitig mechanisch stabilisiert.
Der so vorbereitete Gießkern aus Metall wird nun in ein Gießwerkzeug eingesetzt, und mit dem gewünschten Metall umgossen. Solche Kerne können sowohl bei Schwerkraftgießverfahren, wie dem Sand- oder Kokillenguss, als auch für Druckgussverfahren beispielsweise für Aluminium- oder Magnesiumlegierungen Verwendung finden. Nach Erstarren des Gussteils muss der metallische Gießkern aus dem Gussteil entfernt werden. Bei der Darstellung von Hohlräumen mit Hinterschnitten ist eine direkte Kernentnahme nicht möglich. Der Kern muss daher zur Entnahme aus dem Hohlraum zerstört werden. Dazu stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung.
Kerne aus niedrigschmelzenden Reinmetallen wie Zink, Zinn, Blei, Bismut, Antimon, Cadmium, Aluminium, Magnesium oder Lithium als auch entsprechender Legierungen hieraus können durch einfaches Ausschmelzen aus dem Werkstück entfernt werden. Bei der Verwendung von Lithium oder Lithium-Magnesium-Legierungen muss dabei beachtet werden, dass das Ausschmelzen unter Schutzgas erfolgen muss, um Abbrand zu vermeiden. Idealerweise kann das Ausschmelzen des Kernes mit thermischen Nachbehandlungsschritten für das Gussteil kombiniert werden. So wird zum Beispiel Aluminiumdruckguss bei 200 bis 300°C stabilisierungsgeglüht oder T5-wärmebehandelt, Al-Gusslegierungen werden bei 480 bis 550°C lösungsgeglüht und Magnesiumdruckgusslegierungen erfahren eine Homogenisierungsglühbehandlung bei 300 bis 430°C. Je nach verwendeter Legierung können sich diese Temperaturbereiche zum Ausschmelzen oder zum thermischen Zerstören der Kerne eignen.
Bei Zink, Zinn oder deren Legierungen ist weiterhin eine thermische Behandlung zur Festkörperversprödung des Kerns möglich. Zinn besitzt unter Normalbedingungen eine tetragonale β-Kristallstruktur mit einer Dichte von 7,31 g/cm³, die unterhalb von 13,2°C in eine kubische α-Diamantstruktur mit einer Dichte von 5,75 g/cm³ (Zinnpest) oder oberhalb 162°C in rhomboedrisches γ-Kbrnerzinn (Dichte: 6,54 g/cm³) umwandelt. Durch Aluminium-, Zink-, Kobalt-, Mangan- oder Magnesiumzusatz zu Zinn und Zinnlegierungen kann die β-α-Umwandlung beschleunigt werden. D. h. wenn dass Gussteil mit dem Kern aus Zinn oder Zinnlegierung nach Abguss auf unter 13,2°C z. B. in einem gekühlten Wasserbad abgeschreckt oder gekühlt wird, ergibt sich bei der Umwandlung zur kubischen α-Diamantstruktur ein Volumensprung, so dass der Kern zerfällt und ohne Probleme durch Rütteln, Vibrieren, Stoßpulsen, oder ähnliche Verfahren aus dem Gussteil mechanisch entfernt werden kann.
Eine Temperatur oberhalb 162°C ist weiterhin geeignet, tetragonales β-Zinn in die rhomboedrische γ-Kristallstruktur (Körnerzinn) schon beim Abguss oder durch eine nachträgliche Wärmebehandlung zu überführen. Dabei ergibt sich ein Volumensprung, der den Zinnwerkstoff zerstört bzw. pulverisiert, ohne dass hierzu zusätzliche Maßnahmen zu ergreifen sind.
Auch Kerne aus Zink- oder Zinklegierungen können bei Temperaturen oberhalb 200°C versprödet und nach Abguss mechanisch zerkleinert werden. Das Verspröden des Kerns aus Zink oder Zinklegierung kann erfindungsgemäß durch einen bewussten Magnesiumzusatz von größer 0,06 Gew.-% gefördert werden, der über dem Mg-Gehalt heutiger konventioneller Zinklegierungen liegt.
Um eine Wiederverwendung des metallischen Grundkörpers des Kerns zu ermöglichen, kann in einem weiteren Verfahrensschritt der Metallanteil von Schlichteresten getrennt werden. Bei mechanischer Zerstörung ist ein einfaches Trennen durch Windsichten, Sieben oder Aufschwemmen möglich. Das abgetrennte Metall kann dann zu neuen Metallkernen gegossen werden. Beim Ausschmelzen von Metallkernen können die Schlichtereste durch Filtern der Schmelze beseitigt werden. Die Schmelze kann auch gesammelt werden und die in Form einer Schlacke aufschwimmenden Schlichtereste einfach abgezogen werden.

Claims

Verfahren zum Gießen eines Metallteils, bei dem a) ein aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildeter Gießkern, welcher eine geringere Schmelztemperatur als das zu gießende Bauteil hat und eine Ummantelung aufweist, in ein Gießwerkzeug eingelegt wird, b) das Gießwerkzeug mit einer Metalllegierung befüllt wird, c) der Gießkern aus Metall nach Erstarren des Gussteils durch Ausschmelzen aus dem Metallteil entfernt wird oder durch thermisches Verspröden und anschließendes Zerkleinern.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießkern aus einem der Metalle Li, Zn, Sn, Bi, Cd, Sb, Pb, Al oder Mg oder einer Legierung dieser Metalle mit entsprechender Zusammensetzung, wie beispielsweise LiAl10, LiMg40, MgLi30, ZnAl4, ZnAl4Cu1, ZnAl4Cu3, ZnAl6Cu, ZnAl4Cu1Mg0,5, ZnMg3, SnSb17Cu3, SnPb24Sb13Cu3, SnPb34Sb13Cu3, SnPb36, SnPb38Cu2, SnAg4Cul, SnZn10, SnMg10, AlSi12, AlMg5, MgAl3Zn1, MgAl6Zn1, MgAl9Zn1, MgAl6Mn oder MgAl5Mn, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Entfernen des Gießkerns aus Metall in Schritt c) die Reste der Ummantelung von den Metallresten abgetrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Ausschmelzen des Gießkerns der Hohlraum des Gussteils mit einer korrosionsschützenden Schicht ausgestaltet wird.
Gießkern aus Metall zum Einsetzen in ein Gießwerkzeug, welcher einen metallischen Grundkörper sowie eine wärmeisolierende Ummantelung aufweist.
Gießkern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Grundkörper aus einem der Metalle Li, Zn, Sn, Bi, Cd, Sb, Pb, Al oder Mg oder einer der Legierungen LiAl10, LiMg40, MgLi30, ZnAl4, ZnAl4Cu1, ZnAl4Cu3, ZnAl6Cu, ZnAl4Cu1Mg0,5, ZnMg3, SnSb17Cu3, SnPb24Sb13Cu3, SnPb34Sb13Cu3, SnPb36, SnPb38Cu2, SnAg4Cul, SnZn10, SnMg10, AlSi12, AlMg5, MgAl3Zn1, MgAl6Zn1, MgAl9Zn1, MgAl6Mn oder MgAl5Mn besteht.
Gießkern aus Metall nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung eine keramische Ummantelung ist.