Verfahren zum Verarbeiten, insbesondere Gießen, eines Materials, Gießform zur Durchführung des Verfahrens und nach dem Verfahren bzw. in der Gießform hergestellte Gegenstände

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verarbeitung eines Materials, welches von seinem festen Zustand zunächst in einen fließfähigen Zustand verbracht wird und anschließend in eine Form gegossen wird, in der das Material sodann zum Erstarren gebracht wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf Formen zur Durchführung des Verfahrens und auf Gegenstände, die nach den Verfahren und/ oder in solchen Formen hergestellt werden oder hergestellt worden sind.

Als Gießverfahren, insbesondere als Schwerkraftgießverfahren, haben sich hauptsächlich vier Gießverfahren bewährt, nämlich der Bodenguss, der Seitenguss, der Kopfguss und der Kippguss, die zwar untereinander gegenseitig bestimmte Vorteile aufweisen, insgesamt jedoch allesamt bestimmte Nachteile haben.

So zum Beispiel ergibt der Bodenguss zwar die laminarste Formfüllung, jedoch befindet sich während des Erstarrungsprozesses das kälteste Material im genannten Speiser bzw. Steiger, also dem Vorratsraum, aus dem während des Erstarrens Material nachgespeist werden soll, so dass hier die Nachspeisung durch größere Speiserdimensionen gesichert werden muss.

Beim Seitenguss ist zwar relativ heißes Material im Speiser, jedoch ergibt sich eine turbulentere Formfüllung als beim Bodenguss.

Beim Kopfguss ist zwar das heißeste Material im Steiger oder Speiser, so dass zwar eine gute Nachspeisung bei geringstem Speiservolumen erfolgt, aber die Qualität der Gussteile in Abhängigkeit von der Füllhöhe durch Turbulenzen sich verschlechtert.

Beim Kippguss, bei dem sich ebenfalls das heißeste Material im Speiser befindet, entstehen nicht gewollte Verwirbelungen und Fließlinien auf der Gussteiloberfläche.

Die Fließrichtung des flüssigen Materials wird von der Kontur des Gussteiles bestimmt und führt damit zu überhitzungsbereichen in der Form und damit auch im Gussteil.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, die Nachteile der bisher bekannten Gießverfahren zu vermeiden und Verfahren zum Verarbeiten von Materialien zu schaffen, die bei optimaler laminarer wirbelungsfreier Formfüllung auch eine optimale Nachspeisung durch das heißeste Metall aus einem Vorratsraum und damit kleinere Vorrats- bzw. Speiservolumen ermöglichen. Außerdem sollen überhitzungen von konturbedingten Materialanhäufungen vermieden werden und Kreislauf-, Material-, Energie-, Transport- und Zerspanungsleistung eingespart werden. Weiterhin soll die Herstellung von großflächigen und komplizierten Gussteilen vereinfacht und damit verbilligt werden. Ein weiterer Aufgabenaspekt bestand in der Schaffung von entsprechenden Gussformen zur rationellen und qualitativ hochwertigen Herstellung von Gussteilen.

Gemäß der Erfindung zeichnet sich zunächst das Verfahren zum Verarbeiten von Materialien durch Verbringen derselben in einen fließfähigen Zustand und Einbringen in eine Form dadurch aus, dass das Einbringen in die Form nach dem Prinzip des Bodengusses und die Erstarrung nach dem Prinzip des Kopfgusses erfolgt. Mit anderen Worten, es wird zunächst das Material durch Erhitzen in einen fließfähigen Zustand gebracht und in eine Gussform bzw. in den Formhohlraum oder Kavität nach dem Prinzip des Bodengusses eingebracht und die Erstarrung erfolgt nach dem Prinzip des Kopfgusses/ Kippgusses.

Dabei erfolgt das Einbringen des Materials in die Kavität der Gießform von unten her durch einen Gießlauf nach Art des Bodengusses, indem die Schmelze zunächst von oben in einen zumindest zum Teil höher als die Kavität liegenden Eingusstümpel, von dort durch einen nach unten führenden Einlauf, dann über eine Krümmung - den Zulauf - nach oben in einen unterhalb der Kavität liegenden Vorratsraum und durch dessen Auslauf in die Kavität eingebracht wird und das Erstarren erfolgt sodann mit dem Vorratsraum nach oben nach Art des Kopfgusses, indem vor dem Erstarren des Materials die Form verschwenkt wird, so dass dann der Vorratsraum die Speiserbzw. Steigerfunktion übernimmt.

Um das Auslaufen der Schmelze aus dem Eingusstümpel während des Verschwenkens und danach zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, wenn ein im Gießlauf vor der Kavität - in Flussrichtung der Schmelze gesehen - liegender Schieber vor oder während des Verschwenkens der Form rechtzeitig aktiviert wird.

Statt eines Schiebers kann aber auch ein Verschluss auf dem Eingusstümpel vorgesehen sein, der vor dem Verschwenken aktiviert wird.

Zweckmäßig ist es dabei, wenn das Verschwenken der Form um eine Achse erfolgt, die zumindest annähernd parallel zu der Trennfugen- Ebene bzw. zu den Trennfugen- Ebenen der Form verläuft.

Es kann weiterhin von Vorteil sein, wenn die Kavität und der Gießlauf und damit auch die Trennfuge(n) bzw. Trennfuge(n)- Ebene(n) zueinander in einem Winkel vorgesehen bzw. angeordnet sind. Es kann dabei entweder der Gießlauf oder die Kavität schräg verlaufen, es kann aber auch sowohl Kavität als auch Gießlauf in einem schrägen Winkel zur Waagrechten angeordnet sein, wobei Kavität und Gießlauf zueinander einen stumpfen Winkel einschließen können. Es können aber auch Kavität und/ oder Gießlauf einen flachen Winkel zur Horizontalen einnehmen.

Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn Kavität und Gießlauf in einem derartigen Winkel zueinander vorgesehen sind und um einen derartigen Winkel gemeinsam verschwenkt werden und in einer derartigen Richtung, dass bei Erreichen einer Position des Vorratsraumes , in der dieser die Funktion des Steigers bzw. Speisers übernehmen kann, der Gießlauf die Horizontale noch nicht erreicht hat, wobei es ganz besonders vorteilhaft ist, wenn die Verschwenkung der Form in einer Richtung erfolgt, derart, dass der Gießlauf voreilt, so dass in der Erstarrungsposition der Gießlauf zumindest leicht nach oben weist und ein Auslaufen der Schmelze aus dem Vorratsraum, der dann, wie bereits erwähnt, als Steiger oder Speiser wirkt, nicht möglich ist.

Eine Weiterbildung der Erfindung bezieht sich auf eine Gießform bzw. Kokille, die unterhalb der Kavität einen Vorratsraum aufweist, in den der Gießlauf mündet, wobei

der in den Vorratsbehälter mündende Bereich des Gießlaufes einen Abschnitt - den Zulauf - aufweist, der tiefer liegt als der Vorratsbehälter.

Die Gießform kann sich weiterhin dadurch auszeichnen, dass die Kavität und der Gießlauf zueinander nicht parallel vorgesehen sind, sondern in einem Winkel zueinander liegen. Dabei kann die Gießform bzw. Kokille derart ausgebildet sein, dass beide, also Kavität als auch Gießlauf, geneigt sind, wobei sie zueinander einen stumpfen Winkel bilden können. Der Winkel kann derart gewählt sein, dass bei einem Verschwenken der Form in die Position, in der der Vorratsraum über der Kavität zu liegen kommt - der Erstarrungsposition - und der Vorratsraum als Speiser bzw. Steiger wirken kann, der Gießlauf sich in einer das Auslaufen von Schmelze aus dem Vorratsraum vermeidenden Position befindet, indem dieser zumindest mit einem Teilbereich gegenüber der Horizontalen zumindest leicht nach oben ragt. Vorteilhaft ist eine derartige Ausbildung der Gießform, dass Kavität und Gießlauf derart zueinander angeordnet sind und die Form derart verschwenkt wird, dass der Gießlauf voreilt.

Die verschwenkbare Gießform, bei der die sowohl den Gießlauf als auch den Vorratsraum und die Kavität umgebende Formenhälften durch entsprechende Trennfugen voneinander getrennt sind, ist zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass die Verschwenkung um eine Achse erfolgt, die zumindest annähernd parallel zur Ebene der Trennfugen-Ebene verläuft.

Diese Gießform ist - mit dem Vorratsbehälter nach unten - nach dem Bodengussprinzip mit Schmelze befüllbar, wobei der Vorratsraum sich unterhalb der Kavität befindet und in der verschwenkten Gießform erfolgt das Erstarren der Schmelze - mit dem dann als Speiser bzw. Steiger wirksamen Vorratsraum nach oben.

Um das Auslaufen von Schmelze während oder nach dem Verschwenken zu vermeiden, kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Gießform auf dem Eingusstümpel einen Verschluss aufweist oder im Bereich des Gießlaufes ein Schieber vorgesehen, wobei Verschluss oder Schieber vor oder rechtzeitig während des Verschwenkens betätigt werden.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus Gusserzeugnisse, die nach dem erfinderischen Verfahren und/ oder mittels der erfindungsgemäßen Gießformen hergestellt werden bzw. worden sind, wobei diese Gusserzeugnisse in besonders zweckmäßig und vorteilhafter Weise nach dem Schwerkraftverfahren hergestellte Leichtmetall- wie insbesondere Aluminiumlegierungen - bestehen.

Anhand der Figuren 1 bis 9 sei die Erfindung näher erläutert.

Dabei zeigen die Figuren 1 bis 4 herkömmliche Gussverfahren nach dem Stand der Technik und die Figuren 5 und 9 das Gießverfahren gemäß der Erfindung.

Es zeigt die

Figur 1 schematisch das Gussverfahren nach dem so genannten Bodenguss,

Figur 2 das Gießverfahren nach dem Seitenguss,

Figur 3 das Gießverfahren nach dem Kopfguss und

Figur 4 das Gießverfahren nach dem Kippguss.

Bei den Figuren 1 bis 4 ist die angedeutete Gussform bzw. Kokille jeweils mit 1A, 1 B, 1C und 1 D bezeichnet und der Formhohlraum bzw. die Kavität mit 1a - 1d.

Bei jeder der Figuren 1 bis 4 ist jeweils ein Speiser bzw. Steiger 2a bis 2d vorgesehen, aus dem beim Erstarren des Gusses die so genannte Nachspeisung erfolgen kann.

Beim Bodenguss, beim Seitenguss und beim Kopfguss gemäß den Figuren 1 bis 3 stehen die Gussformen aufrecht und bei den Figuren 1 und 2 wird die Schmelze über die Eingusstümpel 4a, 4b eingebracht. Beim Kopfguss gemäß Figur 3 und beim Kippguss gemäß Figur 4 dient der Steiger 2c,2d auch Eingusstümpel. Beim Kippguss gemäß Figur 4 erfolgt - im hier gezeigten Beispiel - das Einfüllen der Schmelze zunächst im horizontalen Zustand der Kokille 1 D in den Behälter 2d ^' und die Form 1 D wird entsprechend dem Pfeil 3 verschwenkt, die Schmelze läuft durch den Speiser 2d, bis die Kokille aufrecht steht und in dieser Position erfolgt das Erstarren des Materials mit dem Speiser 2d nach oben.

Beim Bodenguss und bei Seitenguss gemäß den Figuren 1 und 2 erfolgt die Materialzufuhr jeweils über dem grau angelegten Gießlauf 5a, 5b zunächst in den Eingusstümpel und von dort in die Kavität 1a, 1b. Beim Bodenguss gemäß Figur 1 schließt sich an den Eingusstümpel 4a der Einlauf 6 an, der übergeht in eine Zulauf- Bereich 7, der hier tiefer liegt als die Kavität 1a und durch den Auslauf 8 tritt die Schmelze in die Kavität 1e ein.

Es ist ersichtlich, dass beim Bodenguss gemäß Figur 1 die laminarste Formfüllung entsteht.

Beim Seitenguss gemäß Figur 2 erfolgt die Formfüllung über die überhöhung des

Badspiegels im Auslauf am Formhohlraum und ist damit weniger laminar als beim

Bodenguss.

Beim Kopfguss gemäß Figur 3 ist die turbulenteste Formfüllung vorhanden, die zur größeren Anreicherung der Schmelze mit Oxyden, Gasblasen und Schaum führt.

Beim Kippguss gemäß Figur 4 entstehen deutliche Flusslinien., Die Fließrichtung des Materials wird außerdem von der Kontur des Gussteiles bestimmt und führt damit zu überhitzungsbereichen in der Form, aus denen Fehler im Gussteil entstehen.

Beim Gießen im Kippgießverfahren gemäß Figur 4 und beim Gießen nach dem Kopfgussverfahren gemäß Figur 3 hat man jeweils das heißeste Material im Speiser, also die beste Nachspeisung, jedoch ergibt sich, wie bereits erwähnt, anstatt der angestrebten laminaren Formfüllung eine turbulente.

Beim Bodenguss gemäß Figur 1 entsteht, wie bereits erwähnt, die laminarste Formfüllung, beim Seitenguss gemäß Figur 2 eine hinsichtlich der laminaren Formfüllung bereits verschlechterte Ausführung und beide Gießverfahren, also Bodenguss und Seitenguss, haben den Nachteil, dass das kälteste Material sich im Speiser bzw. Steiger befindet und dadurch beim Erstarren eine optimale Nachspeisung nur durch größere Speiser erfolgen kann.

Bei der vorliegenden Erfindung, die zunächst anhand der Figuren 5,6 und 7 näher erläutert sei, werden die Vorteile von Boden- und Kopfguss, also der besten laminaren Formfüllung vereint mit dem Vorteil, dass sich beim Erstarren das heißeste Metall im Speiser befindet.

Dabei erfolgt gemäß Figur 5 das Giessen in die mit 1 E angedeutete Gießform praktisch wie in Figur 1 , also nach dem Bodengussverfahren, indem die Schmelze durch den ebenfalls grau hinterlegten Gießlauf 5c hindurch in die Kavität 1e gelangt. Die in den Eingusstümpel 4e eingefüllte Schmelze fließt durch den Einlauf 6a nach unten, durch den hier unterhalb eines Vorratsraumes 9 verlaufenden Bereich, den Zulauf 7a, durch den Vorratsraum 9 hindurch und von dort durch den Auslauf 8a des Vorratsraumes 9 in die Kavität 1e. Vor dem Erstarren des Materials, zum Beispiel in Abhängigkeit von einer bestimmten Temperatur, wird die gesamte Gussform 1 E verschwenkt, und zwar wie dies in Figur 6 dargestellt ist, hier um etwa 180°, um die Achse I entsprechend der Drehrichtung II. Dabei gelangt der Vorratsraum 9 nach oben, so dass dieser Vorratsraum 9 nun als Speiser bzw. Steiger wirksam ist, bis das Material erstarrt ist.

In Figur 7 ist eine Position der Gussform bzw. Kokille 1 E dargestellt, nachdem sie aus der Position der Figur 5 um etwa 90° verschwenkt wurde. Es ist hier die Trennfuge 10 zwischen den beiden Formenhälften 1 E ^' und 1 E ^" erkennbar und die Schwenkachse I ₁ die parallel und durch die durch die Trennfugen 10 gebildete Ebene verläuft. In Figur 7 ist weiterhin erkennbar, die dem Betrachter zugewandte Stirnfläche der Kavität 1e und die Stirnfläche des Vorratsraumes 9 sowie der Zulauf 7a und der Eingusstümpel 4e.

In vielen Fällen wird es unerheblich sein, ob in der Position der Figur 6 Schmelze aus dem Gusstümpel 4e, dem Einlauf 6a oder dem Zulauf 7a ausläuft, nachdem die dort vorhandene Schmelze nicht mehr für die folgenden Phasen des Gießvorganges benötigt wird.

Es kann zweckmäßig sein, wenn die Kokille 1 E zwischen derjenigen Position, die sie einnimmt, kurz bevor sie sich in der in Figur 7 gezeigten Position befindet und in einer Position kurz danach, schnell bewegt wird, so dass Schmelze aus der Kavität

und dem Vorratsbehälter praktisch nicht auslaufen kann. Im Bereich des Eingusstümpels 4e kann aber auch ein Verschluss 11 vorgesehen sein oder im Bereich des Einlaufes ein Schieber 12, die rechtzeitig vor oder während des Verschwenkens betätigt werden, so dass der Gießlauf dort abgeschlossen ist.

Die Verschwenkung kann aber auch um eine andere als die hier gezeigte waagrechte bzw. horizontale bzw. zumindest annähernd parallel zur Ebene der Trennfuge 10 verlaufende Achse verschwenkt werden, beispielsweise zumindest annähernd um die senkrecht dazu verlaufende Achse III. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Verschwenkung in Richtung des Pfeiles III ^' erfolgt, so dass der Gießlauf bzw. der Eingusstümpel vorläuft und Schmelze bis zum Erreichen einer Stellung mit dem Vorratsbehälter 9 nach oben zumindest aus diesem nicht auslaufen kann. Die Verschwenkung kann aber auch um andere Achsen oder Kurven erfolgen als die dargestellten, zum Beispiel um aus den gezeigten Achsen zusammengesetzte Achsen oder Kurven; bei Verwendung eines Verschlusses oder Schiebers ist die Drehrichtung in Bezug auf das Auslaufen von Schmelze aus dem Gießlauf weniger ausschlaggebend.

Bei den Figuren 8 und 9 sind Kavität 20 und zumindest Teile des Gießlaufes 21 , nämlich der Einlauf 22, zueinander in einem Winkel, und zwar in einem stumpfen Winkel, angeordnet.

Es ist wieder erkennbar der Eingusstümpel 23 und der gekrümmte Zulauf 24, der in den Vorratsraum 25 einmündet und dieser geht über einen Auslauf 26 in die Kavität über. Kavität 20, der Vorratsraum 25 und Zulauf 24 können so zueinander angeordnet sein, dass der Zulauf 24 tiefer liegt als der Vorratsraum 25 und dieser wiederum tiefer liegt als die Kavität 20. In manchen Fällen kann es aber auch vorteilhaft oder ausreichend sein, wenn der Zulauf 24 nicht unterhalb des Vorratsraumes 25 gelegt ist. In den Figuren 8 und 9 sind Kavität und Einlauf, wie bereits erwähnt, in einem stumpfen Winkel 26 zueinander vorgesehen und beide schließen je einen Winkel 27, 28 ein zu einer Ebene 29, die zumindest annähernd senkrecht zur Horizontalen verläuft.

Nach dem Einbringen der Schmelze und rechtzeitig vor dem Erstarren derselben wird die Form 30 verschwenkt in die in Figur 9 gezeigte Stellung, und zwar um die Achse 31 , die zumindest annähernd parallel zur Trennfuge 32 der Form 30 liegt, und zwar zweckmäßigerweise in einer Schwenkrichtung des Pfeiles 33, so dass der Gießlauf 21 mit dem Eingusstümpel 23 voreilt, bis in eine Position der Figur 9, wobei die Kavität 20 in eine derartige Position gebracht ist, dass der Vorratsraum 25 sich nun oberhalb der Kavität 20 befindet und der Vorratsraum 25 die Funktion eines Steiger bzw. Speisers übernehmen kann.

Die Verschwenkung ist dabei so weit erfolgt, dass der Einlauf 22 die Horizontale 34 noch nicht ganz erreicht hat, es kann also keine oder nur wenig Schmelze auslaufen.

Es ist ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäßen Gussformen das Giessen nach dem Prinzip des Bodengusses mit einer gegenüber den anderen Gussverfahren optimalen laminaren Formfüllung ermöglicht und das Erstarren nach dem Prinzip des Kopfgusses, was wiederum die bestmögliche Nachspeisung ergibt.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf Gussteile, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und/ oder in den erfindungsgemäßen Gussformen hergestellt werden. Obwohl sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders für die Verarbeitung von Leichtmetall, insbesondere Leichtmetall-Legierungen, wie Aluminiumlegierungen, eignet, ist die Erfindung nicht beschränkt auf die Verwendung bei Leichtmetall- Legierungen, sondern es können auch andere Materialien gemäß der Erfindung verarbeitet werden, also auch nichtmetallische Werkstoffe.

Bezugszeichenliste

1A bis 1 D Gussform

1a bis 1e Kavität

2a bis 2d Speiser/ Steiger

2d' Behälter

3 Pfeil

4a-4d Eingusstümpel

5a, 5b, 5c Gießlauf

6 Einlauf

7,7a Zulauf

8,8a Auslauf

9 Vorratsbehälter

I Achse

10 Trennfuge

1E Kokille (Gussform)

1 E ^' , 1 E ^" Formenhälften

11 Verschluß

12 Schieber

20 Kavität

21 Gießlauf

22 Einlauf

23 Eingußtümpel

Zulauf

Vorratsraum

Winkel

Winkel

Horizontalebene

Form

Achse

Trennfuge

Schwenkrichtung