DE4116998A1 - Die casting magnesium parts - using syphon-like tubes to maintain equal melt levels in area below mould, casting furnace and melting furnace - Google Patents
Die casting magnesium parts - using syphon-like tubes to maintain equal melt levels in area below mould, casting furnace and melting furnaceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gießen von Leicht metallteilen aus Magnesium, insbesondere Fahrzeugrädern, bei dem das Metall unter Luftabschluß aufgeschmolzen, in eine Gießform ge fördert und dort ausgehärtet wird sowie auf eine Gießanlage zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for casting light metal parts made of magnesium, in particular vehicle wheels, in the the metal melted in the absence of air, ge in a mold promotes and is cured there and on a casting system Performing this procedure.
Es ist bekannt, Leichtmetallräder aus Aluminium herzustellen, da diese gegenüber den herkömmlichen Stahlfelgen eine erhebliche Ge wichtsersparnis darstellen. Eine solche Gewichtsreduzierung wird ge nerell im Kraftfahrzeugbau angestrebt, wobei es von besonderer Be deutung ist, die ungefederten Massen am Fahrzeug, also Reifen und Felge, möglichst klein zu halten. Zur weiteren Gewichtsersparnis ist es insbesondere bei Fahrzeugen für den Rennsport bekannt, derar tige Fahrzeugräder aus Magnesium herzustellen, da hierbei eine noch malige Gewichtsreduzierung von 20 bis 25% gegenüber Aluminiumrädern möglich ist.It is known to manufacture aluminum alloy wheels because this is a considerable amount compared to conventional steel rims represent weight savings. Such a weight reduction is ge nerell sought in motor vehicle construction, with particular Be is the unsprung masses on the vehicle, i.e. tires and Keep the rim as small as possible. For further weight savings it is particularly known in vehicles for racing, derar manufacture vehicle wheels from magnesium, as this is still one weight reduction of 20 to 25% compared to aluminum wheels is possible.
Die Herstellung derartiger Magnesiumräder ist jedoch mit Schwierigkeiten verbunden, da Magnesium ein Metall ist, das unter bestimmten Umständen und Zustandsformen leicht und explosionsartig abbrennt und sehr leicht oxidiert. Dabei treten insbesondere Gefügekorrosio nen auf, die nur durch ein sehr exaktes Herstellungsverfahren zur Erzielung eines gleichmäßig dichten und homogen Gefüges vermindert werden können. Ein weiteres Problem stellt die hohe Anfälligkeit für Kontaktkorrosionen dar, wodurch eine aufwendige Nachbehandlung der fertigen Oberfläche des Gußteiles erforderlich ist.However, the manufacture of such magnesium wheels is difficult connected because magnesium is a metal that is under certain Circumstances and conditions burn off easily and explosively and oxidized very easily. In particular, structural corrosion occurs NEN, which can only be achieved through a very precise manufacturing process Achievement of a uniformly dense and homogeneous structure reduced can be. Another problem is the high level of vulnerability for contact corrosion, which means complex after-treatment the finished surface of the casting is required.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem im großtechnischen Maßstab Gußteile aus Magnesium mit einem optimal dichten und gleichmäßigen Gefüge hergestellt werden können, die auch für höchste Beanspruchungen die erforderliche Festigkeit aufweisen und nur eine sehr verminderte Neigung zu Gefügekorrosionen aufweisen. Dabei soll sich das Verfah ren nicht nur auf die Herstellung von Fahrzeugrädern, sondern gene rell auf Gußteile aus Magnesium beziehen, wie sie auch für andere Anwendungsfälle Einsatz finden.The present invention is therefore based on the object Specify the process with which castings on an industrial scale Made of magnesium with an optimally dense and even structure can be produced, which also for the highest demands have the required strength and only a very reduced one Show tendency to structural corrosion. The procedure should ren not only on the production of vehicle wheels, but genes Rell relate to magnesium castings, as they do for others Find use cases.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Metallschmelze im Gießform-Unterteil, einem diesen vorgeschalteten Gießofen und einem gesonderten Schmelzofen mittels syphon-ähnli cher, jeweils mit ihren offenen Enden in die Schmelze ragenden Ver bindungsleitungen auf gleichem Spiegelniveau dicht unterhalb des Gießform-Einlaufs gehalten und mittels eines dem Gießofen zugeführ ten Überdruckes unter Absperrung der Schmelzofen-Leitung in das Gießform-Unterteil und die eigentliche Gießform gefördert wird.To solve this problem, the invention provides that Molten metal in the lower part of the mold, upstream of it Pouring furnace and a separate melting furnace using siphon-like cher, each with their open ends protruding into the melt Binding lines at the same mirror level just below the Mold inlet held and fed to the casting furnace by means of a ten overpressure with the furnace line shut off into the Mold base and the actual mold is promoted.
Mit einem derartigen Verfahren ist es möglich, nach einer Füllung der Gießform die Oberflächenspiegel der Schmelze im Schmelzofen, im Gießofen und im Gießrohr unterhalb der Gießform auf gleichem Niveau zu halten und zwar jeweils dicht unterhalb des Einlaufes in die Gießform, um damit beim jeweiligen Nachfüllen der Gießform eine mög lichst geringe Bewegung des geschmolzenen Materials sicherzustel len, was einen unmittelbaren Einfluß auf die Qualität des Gußstüc kes hat.With such a method, it is possible after a filling the mold the surface level of the melt in the furnace, in Casting furnace and in the pouring tube below the mold at the same level to keep and each just below the inlet into the Casting mold, so that a possible when refilling the casting mold ensure minimal movement of the molten material len, which has a direct impact on the quality of the casting kes has.
Zum Nachfüllen des Gießofens nach entnommener Schmelze wird zweck mäßigerweise der Überdruck aufgehoben, wobei unter Öffnen der Schmelzofen-Leitung ein selbständiges Nachlaufen der Schmelze vom Schmelzofen erfolgt. The purpose is to refill the casting furnace after the melt has been removed moderately the excess pressure is removed, while opening the Melt line management an independent after-running of the melt from Melting furnace takes place.
Ein Ausgleich schwankender Füllungsgrade von Gießofen und/oder Schmelzofen kann durch vertikales Verfahren derselben derart vorge nommen werden, daß stets ein optimaler Schmelzenspiegel im Gießrohr bzw. im Steigrohr der Gießform sichergestellt ist.A compensation of fluctuating degrees of filling of the casting furnace and / or Melting furnace can be the same by vertically moving it be taken that always an optimal melt level in the pouring tube or is ensured in the riser of the mold.
Zweckmäßigerweise wird bei dem Verfahren eine Magnesiumlegierung mit einem Gehalt von mindestens 90% Magnesium, 7 bis 9% Aluminium und ggf. 1% Zink verwendet.A magnesium alloy is expediently used in the method Containing at least 90% magnesium, 7 to 9% aluminum and possibly 1% zinc used.
Zur erstmaligen Einleitung des Gießverfahrens wird zweckmäßigerwei se sowohl im Gießofen als auch im Schmelzofen Metall aufgeschmol zen, nach Aufbau des Überdrucks und Absperren der Schmelzofen-Lei tung Schmelze vom Gießofen in die Gießform befördert und anschließend unter Aufrechterhaltung des Überdruckes die Schmelzofenleitung geöffnet und mit Schmelze gefüllt.For the first initiation of the casting process, it is convenient Metal melted in both the casting furnace and the melting furnace zen, after building up the overpressure and shutting off the furnace lei tion melt is conveyed from the casting furnace into the casting mold and then maintaining the overpressure in the furnace line opened and filled with melt.
In Weiterbildung der Erfindung ist darüberhinaus eine Gießanlage zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, bei der erfindungsgemäß gesondert zur die Gießform aufnehmenden Gießma schine ein Gießofen und ein Schmelzofen vorgesehen sind, die je weils über die Schmelze fördernde Leitungen miteinander verbunden sind.In a further development of the invention there is also a casting installation provided for carrying out the method according to the invention, at which according to the invention is separate from the casting mold receiving the casting mold A casting furnace and a melting furnace are provided, each because connected to each other via the melt conveying lines are.
Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn Schmelzofen und Gießofen eine von oben über die Ofendeckel in die Schmelze ragenden, absperr baren Syphonleitung miteinander in Verbindung stehen.It is particularly useful if melting furnace and casting furnace a shut-off protruding from above over the furnace lid into the melt connectable siphon line.
Gießofen und Gießform können über ein nach oben aus dem Gießofen ausmündenden und von unten in das Kokillensteigrohr einmündenden Gießrohr in Verbindung stehen.Casting furnace and mold can be moved upwards from the casting furnace ending and ending in the mold riser from below Pouring pipe connected.
Ferner kann der Gießofen eine Druckzuleitung aufweisen, bei deren Druckbeaufschlagung die Schmelze unter Absperrung der Syphonleitung in die Gießform förderbar ist. Furthermore, the casting furnace can have a pressure supply line, at the Pressurizing the melt with the siphon line shut off is conveyable into the mold.
Für diesen Fördervorgang ist es zweckmäßig, wenn der Einlaß der Sy phonleitung im Schmelzofen mit einem druckbeaufschlagten Ventil ab sperrbar ist.For this conveying process, it is useful if the inlet of the Sy Phoneline in the furnace with a pressurized valve is lockable.
Als Gießform kann zweckmäßigerweise eine Kokille verwendet werden. Es ist aber auch möglich, Gießformen mit Sandkernen oder Gipsformen einzusetzen.A mold can expediently be used as the casting mold. But it is also possible to use casting molds with sand cores or plaster molds to use.
Darüberhinaus können Schmelzofen und Gießofen vertikal verfahrbar angeordnet sein, um unterschiedliche Spiegelhöhen der Schmelze anzu gleichen.In addition, the melting furnace and casting furnace can be moved vertically be arranged to start different mirror heights of the melt same.
Für eine einwandfreie Funktionsweise ist es ferner von Vorteil, wenn Syphonleitung und Gießrohr beheizt sind.For proper functioning, it is also an advantage when siphon line and pouring tube are heated.
Wegen der hohen Oxidationsneigung der Schmelze ist es ferner zweck mäßig, wenn die Schmelzespiegel im Schmelzofen und Gießofen eine Schutzgasabdeckung aufweisen, die aus SF6 und/oder CO2 besteht.Because of the high tendency of the melt to oxidize, it is also expedient if the melt levels in the melting furnace and casting furnace have a protective gas cover which consists of SF6 and / or CO 2 .
Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert. Da bei zeigt die Figur den prinzipiellen Aufbau einer solchen Gießanla ge in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt.Based on a schematic drawing, the structure and mode of operation an embodiment of the invention explained in more detail. There at the figure shows the basic structure of such a pouring system ge in side view and partially in longitudinal section.
Wie man aus der Zeichnung ersieht, weist die Gießanlage zunächst die Gießmaschine 1, in der als Gießform beispielsweise eine Kokille 2 eingesetzt ist, in der schematisch der Formenhohlraum 3 in Form eines zu gießenden Magnesiumrades gestrichelt eingezeichnet ist. Die Kokille 2 ist in herkömmlicher Weise mindestens zweiteilig aus gebildet, wobei das Oberteil nach oben ausgefahren werden kann. Von unten mündet in die Kokille das als Steigrohr 4 ausgebildete Ende des Gießrohres 5, das mit seinem anderen Ende durch den Deckel 7 in den eigentlichen, gesondert und getrennt von der Gießmaschine 1 an geordneten Gießofen 6 mündet. As can be seen from the drawing, the casting system first has the casting machine 1 , in which, for example, a mold 2 is used as the casting mold, in which the mold cavity 3 is shown in broken lines in the form of a magnesium wheel to be cast. The mold 2 is formed in a conventional manner at least in two parts, the upper part can be extended upwards. The bottom of the pouring tube 5 , which is designed as a riser tube 4 , opens into the mold from below, and ends at the other end through the lid 7 into the actual, separate and separate from the pouring machine 1 at the ordered pouring furnace 6 .
Gießofen 6 und ein ebenfalls gesondert angeordneter Schmelzofen 8 sind über eine syphonartige Leitung 10 miteinander verbunden, deren eines Ende 11 von oben durch den Deckel 7 in den Gießofen 6 und des sen anderes Ende 12 ebenfalls von oben durch den Schmelzofendeckel 9 in den Schmelzofen 8 ragt. Der Schmelzofen 8 weist darüberhinaus noch eine den Deckel 9 durchdringende Nachfüllöffnung 13 für nach zufüllendes und zu schmelzendes Metall auf.Casting furnace 6 and a likewise separately arranged melting furnace 8 are connected to one another via a siphon-like line 10 , one end 11 of which protrudes from above through the cover 7 into the casting furnace 6 and the other end 12 also protrudes from above through the furnace cover 9 into the melting furnace 8 . The melting furnace 8 also has a refill opening 13 penetrating the cover 9 for metal to be filled and to be melted.
Wie aus der Zeichnung weiter ersichtlich ist, ist das in den Schmelzofen 8 ragende Ende 12 der Syphonleitung 10 mit einem Ventil 14, das von einem Steuergerät 15 angesteuert wird, absperrbar. Fer ner mündet durch den Deckel 7 in den Gießofen 6 eine Druckleitung 16 ein, mit der ein gasförmiges Medium bis zu einem Druck von 1 bar in den Gießofen 6 eingeblasen werden kann. Die Druckleitung 16 ist dabei von einem Druck-Stromwandler 7 mit Druckanzeige und einem Druck-Temperaturschreiber 8 ansteuerbar, wie noch erläutert wird.As can also be seen from the drawing, the end 12 of the siphon line 10 projecting into the melting furnace 8 can be shut off with a valve 14 which is controlled by a control unit 15 . Fer ner opens through the cover 7 in the casting furnace 6, a pressure line 16 with which a gaseous medium can be blown into the casting furnace 6 up to a pressure of 1 bar. The pressure line 16 can be controlled by a pressure-current converter 7 with a pressure display and a pressure-temperature recorder 8 , as will be explained below.
Wie man aus der Zeichnung weiter ersieht, sind Schmelzofen 8, Gieß ofen 6 und Unterteil des Steigrohres 4 mit Schmelze 20, 21 bzw. 22 gefüllt, wobei sich durch die syphonartigen Verbindungsleitungen 5 und 10 in allen drei Anlagenteilen ein gleicher Schmelzenspiegel 23 einstellt. Dies ist dadurch bedingt, daß auch die Leitungen 5 und 10, die zusätzlich noch wärmebeheizt sind, jeweils vollständig mit flüssiger Schmelze gefüllt sind, so daß sich durch die dadurch be dingte syphonartige Wirkung in allen drei Behältern jeweils ein gleich hohes Flüssigkeitsniveau einstellt.As can further be seen from the drawing, the melting furnace 8 , the casting furnace 6 and the lower part of the riser 4 are filled with melt 20 , 21 and 22 , respectively, with the siphon-like connecting lines 5 and 10 establishing the same melt level 23 in all three system parts. This is due to the fact that the lines 5 and 10 , which are additionally heat-heated, are each completely filled with liquid melt, so that the resulting siphon-like effect in each of the three tanks results in an equally high liquid level.
Die Funktionsweise der Gießanlage ist nunmehr die folgende: Bei einer erstmaligen Inbetriebnahme werden sowohl der Gießofen 6 als auch der Schmelzofen 8 mit aufzuschmelzendem Magnesium gefüllt. Zweckmäßigerweise wird dafür eine Legierung verwendet, die minde stens 90% Magnesium, 7 bis 9% Aluminium und ggf. 1% Zink sowie wei tere Spurenelemente enthält. Nach Aufschmelzen des Metalls und einer Füllung der beiden Öfen 6 und 7 mit einer Schmelze bis über die Enden der Leitungen 5 und 10 wird die Druckleitung 16 mit Druck beaufschlagt, wobei gleichzeitig über das Steuergerät 15 und das Ventil 14 das in den Schmelzofen 8 ragende Ende 12 der Syphonlei tung 10 geschlossen wird. Für die Druckleitung 16 ist dabei ein Druck von etwa 1 bar ausreichend. Durch diesen Überdruck wird nun ein Teil der Schmelze über das Gießrohr 5 und das Steigrohr 4 in die Kokille 2 gefördert, bis diese gefüllt ist und geschlossen wer den kann. Anschließend wird unter Beibehaltung des Überdruckes kurz fristig das Ventil 14 geöffnet, so daß vom Gießofen 6 Schmelze über die Leitung 10 bis zum Schmelzofen 8 fließt, so daß damit auch das Syphonrohr 10 gefüllt ist. Nach Abstellen der Druckzufuhr in der Druckleitung 16 stellt sich dann durch Schmelzenausgleich über die Leitungen 5 und 10 in allen drei Behältern 4, 6 und 8 ein gleich ho her Flüssigkeitspiegel 23 ein.The operation of the casting system is now as follows: When starting up for the first time, both the casting furnace 6 and the melting furnace 8 are filled with magnesium to be melted. An alloy is advantageously used for this purpose, which contains at least 90% magnesium, 7 to 9% aluminum and possibly 1% zinc and further trace elements. After the metal has melted and the two furnaces 6 and 7 have been filled with a melt up to the ends of the lines 5 and 10 , the pressure line 16 is pressurized, with the end projecting into the melting furnace 8 simultaneously via the control unit 15 and the valve 14 12 of the siphon line 10 is closed. A pressure of approximately 1 bar is sufficient for the pressure line 16 . Due to this overpressure, part of the melt is now conveyed into the mold 2 via the pouring pipe 5 and the riser pipe 4 until it is filled and closed. The valve 14 is then opened for a short time while maintaining the excess pressure, so that melt flows from the casting furnace 6 via the line 10 to the melting furnace 8 , so that the siphon tube 10 is also filled with it. After switching off the pressure supply in the pressure line 16 , a liquid level 23 of the same height is then established by melt compensation via the lines 5 and 10 in all three containers 4 , 6 and 8 .
Wesentlich dabei ist, daß der Füllgrad im Gießofen 6 und im Schmelz ofen 8 so groß ist, daß der Schmelzenspiegel 23 im Steigrohr 4 nur wenig unter die Eintrittsöffnung der Kokille 2 absinkt. Dadurch ist nämlich bei einer Neubefüllung der Kokille nur ein geringes Anheben der Schmelze 22 im Steigrohr 4 und damit generell eine geringe Schmelzenverschiebung in der Gießanlage erforderlich, wodurch eine besonders gute und dichte Qualität des herzustellenden Gußteils er halten wird. Dieser relativ hohe Schmelzenspiegel 23 im Steigrohr 4 kann bei etwa unzureichender Füllung im Gießofen 6 und/oder im Schmelzofen 8 dadurch nachreguliert werden, daß sowohl Gießofen 6 als auch Schmelzofen 8 entsprechend den Pfeilen 24 und 25 vertikal verfahrbar sind und damit auf die gewünschte Höhe eingestellt wer den können.It is essential that the degree of filling in the casting furnace 6 and in the melting furnace 8 is so large that the melt level 23 in the riser pipe 4 sinks only slightly below the inlet opening of the mold 2 . As a result, when the mold is refilled, only a slight lifting of the melt 22 in the riser pipe 4 and thus generally a small melt displacement in the casting installation is required, as a result of which he will maintain a particularly good and dense quality of the cast part to be produced. This relatively high melt level 23 in the riser pipe 4 can be readjusted in the case of insufficient filling in the casting furnace 6 and / or in the melting furnace 8 in that both the casting furnace 6 and the melting furnace 8 can be moved vertically in accordance with the arrows 24 and 25 and thus adjusted to the desired height who can.
Bei Normalbetrieb, wenn also Steigrohr 4, Gießofen 6 und Schmelz ofen 8 sowie die Leitungen 5 und 10 mit Schmelze gefüllt sind, wird eine neue Füllung des Formenhohlraumes 3 der Kokille 2 dadurch er reicht, daß nach Druckzuführung über die Leitung 16 und Schließen des Ventils 14 eine entsprechende Menge Schmelze aus dem Gießofen 6 über die Leitung 5 und das Steigrohr 4 in die Kokille 2 gefördert wird. Nach Abstellen des Druckes und Öffnen des Ventils 14 wird dann über die Syphonleitung 10 verbrauchte Schmelze im Gießofen 6 aus dem Schmelzofen 8 ersetzt, so daß sich wieder ein gleicher Schmelzenspiegel 23 einstellt.In normal operation, so when the riser 4 , casting furnace 6 and melting furnace 8 and the lines 5 and 10 are filled with melt, a new filling of the mold cavity 3 of the mold 2 is thereby sufficient that after supplying pressure via line 16 and closing the valve 14 a corresponding amount of melt is conveyed from the casting furnace 6 via the line 5 and the riser 4 into the mold 2 . After switching off the pressure and opening the valve 14 , the melt used in the casting furnace 6 is then replaced from the melting furnace 8 via the siphon line 10 , so that the same melt level 23 is obtained again.
Wegen der hohen Sauerstoffaffinität der Magnesiumschmelze sind die freien Räume 24 und 25 oberhalb der Schmelze 20 und 21 im Schmelz ofen 8 und im Gießofen 6 mit einer Schutzgasabdeckung aus SF6 und/ oder CO2 geschützt, so daß ein Sauerstoffzutritt sicher vermieden wird.Because of the high oxygen affinity of the magnesium melt, the free spaces 24 and 25 above the melt 20 and 21 in the melting furnace 8 and in the casting furnace 6 are protected with a protective gas cover made of SF6 and / or CO 2 , so that an oxygen access is reliably avoided.
Die Schmelztemperatur liegt etwa bei 720°C und ein Gießzyklus mit Aushärten des Gußstückes dauert etwa 4 bis 5 Minuten, jeweils abhän gig von der Größe des zu fertigenden Gußteils. Dabei ist es in glei cher Weise möglich, Magnesiumräder sowohl für PKWs als auch für LKWs herzustellen. Dabei ist die Erfindung nicht auf die Herstel lung von Fahrzeugrädern aus Magnesium beschränkt, an Hand derer das Ausführungsbeispiel beschrieben ist, sondern es können damit auch andere Gußteile aus Magnesium hergestellt werden, insbesondere sol che, an die hohe Qualitätsanforderungen gestellt werden. Darüberhin aus ist das Verfahren auch für die Verwendung der unterschiedlich sten Gießformen geeignet, wie Kokillen, Gipsformen oder solchen mit Sandkernteilen.The melting temperature is around 720 ° C and with a casting cycle Hardening of the casting takes about 4 to 5 minutes, depending on the time gig of the size of the casting to be manufactured. It is the same possible, magnesium wheels for both cars and Manufacture trucks. The invention is not related to the manufacturer development of vehicle wheels made of magnesium, based on which Embodiment is described, but it can also other castings made of magnesium, especially sol areas with high quality requirements. Beyond that the procedure is also different for the use of the Most suitable molds, such as molds, plaster molds or those with Sand core parts.
Mit dem beschriebenen Verfahren und der entsprechenden Gießanlage ist es also in verfahrenstechnisch leicht beherrschbaren Schritten möglich, Gußstücke optimaler Qualität und einwandfreien und dichten Gefüges zu erhalten, die eine hohe Dauerstandsfestigkeit und Bean spruchbarkeit aufweisen.With the described process and the corresponding casting system So it is in procedurally easy to master steps possible, optimal quality castings and impeccable and dense Get structure that has high fatigue strength and bean have spellability.
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