EP1110643A1 - Pretreatment of thixotropic metal billets - Google Patents
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- EP1110643A1 EP1110643A1 EP99811196A EP99811196A EP1110643A1 EP 1110643 A1 EP1110643 A1 EP 1110643A1 EP 99811196 A EP99811196 A EP 99811196A EP 99811196 A EP99811196 A EP 99811196A EP 1110643 A1 EP1110643 A1 EP 1110643A1
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- metal bolt
- metal
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- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
- B22D17/007—Semi-solid pressure die casting
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- F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
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- F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
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Definitions
- the invention relates to a pretreatment device for providing a containing thixotropic metal bolt in a casting chamber of a thixoforming device a container for holding a metal bolt, an oven for Transfer of the metal bolt in the container into a partially liquid, thixotropic state, as well as a transport device for transporting and Inserting the thixotropic metal bolt into the casting chamber and using it the pretreatment device.
- the invention further relates to a corresponding one Method according to the features of the preamble of claim 12, and the use of the procedure.
- Thixoforming relates to the production of molded parts from thixotropic metal bolts.
- metal bolts all bolts come from one into a thixotropic one Condition transferable metal in question.
- the metal bolts can be made of Aluminum, magnesium or zinc and the alloys of these metals exist.
- the thixotropic properties of a metal alloy mean that a suitably prepared metal is unloaded like a solid behaves, but reduces its viscosity so far under shear stress, that it is similar to a molten metal. This is done by heating the Alloy in the solidification interval between liquidus and solidus temperature required. The temperature is to be set so that, for example, a structural component from 20 to 80% by weight is melted, but the rest in solid Shape remains.
- thixoforming With thixoforming, semi-solid / semi-liquid metal is used in a modified die casting machine, a so-called thixoforming device, processed into molded parts.
- the die casting machines used for thixoforming differ from each other die casting machines for die casting metal melts for example, a longer casting chamber to accommodate the thixotropic Metal pin and a larger piston stroke required thereby, and for example a mechanically reinforced design of the thixotropic metal alloy leading parts of the die casting machine due to the higher pressure load of these parts during thixoforming.
- the metal bolts are usually heated in a separate oven.
- the furnaces can be heated with fuel, such as gas or oil, or electrical energy, such as by means of resistance heating or by means of inductive energy input.
- the metal bolt is brought into the thixotropic state, i.e. heating the bolt until the desired alloy content is melted is expediently by an oven temperature controlled by sensors.
- a bowl Container for example in a metallic bowl made of stainless steel, or given a crucible made of clay graphite or clay SiC and in a horizontal position in transferred the thixotropic state.
- the thixotropic metal bolt can then, for example in the same container, by means of, for example, a gripper to the casting chamber of a horizontal thixoforming device transferred and introduced into the casting chamber by tilting the container become.
- the metal bolt remains during the heating process and transport to the casting chamber in the same container.
- EP-A-0 645 206 describes an apparatus for producing mechanical highly stressed parts through thixoforming, which is described at the beginning Contains pretreatment device.
- the metal bolts are cup-shaped Containers in a tubular continuous furnace in the thixotropic Condition transferred, and the container containing the thixotropic bolt is by means of transported to the casting chamber by a robot, and by tilting the container the thixotropic bolt is transported into the casting chamber.
- EP-B-0 713 736 describes a holding device for inductive heating of bolts made of metal alloys with thixotropic properties and for holding and transporting the bolts until casting.
- the holding device is there a specially designed trough-shaped bowl.
- the object of the present invention is to avoid the aforementioned disadvantages the state of the art and the specification of a pretreatment device and a method for the reproducible provision of thixotropic metal bolts in a casting chamber of a thixoforming device, the thixotropic metal bolt a homogeneous temperature distribution and one over the entire bolt cross-section and the entire bolt length has a homogeneously distributed liquid component, and the leakage of liquid metal into the heating furnace and the introduction of liquid metal in the casting chamber can be avoided.
- Another task at hand Invention is the preservation of the bolt shape during the heating process and the transportation of the thixotropic bolt to and during the casting chamber Introduce into the casting chamber.
- Yet another object of the present invention is seen in the possibility of increasing the transport speed, because this means that during the bolt transport from the furnace to the casting chamber resulting cooling is reduced.
- the container has a cylindrical, represents laterally closable heating tube
- the pretreatment device is designed in such a way that the metal bolt during the entire pretreatment, namely the heating process in the furnace and the transport to the Casting chamber and staying in the casting chamber until the start of the thixoforming process, can remain in the heating tube.
- the pretreatment device according to the invention is suitable for all metal bolts made of commercially available alloys which can be converted into a thixotropic state.
- Particularly suitable metal stud materials are alloys made of aluminum, magnesium or zinc. In particular, cast aluminum and wrought aluminum alloys are preferred.
- the pretreatment device according to the invention is also advantageously suitable for processing particle-reinforced aluminum alloys which contain, for example, homogeneously distributed SiC or Al 2 O 3 particles.
- the pretreatment device according to the invention is very particularly suitable for aluminum alloys which have a pronounced solidification interval, such as AlSi7Mg.
- the metal bolts expediently contain homogeneously distributed, primarily solidified Solid particles consisting of individual degenerate dentrites. Prefers the proportion of primarily solidified solid particles is between 40 and 80% by weight. To achieve good thixotropic behavior, for example, aluminum alloys the alpha solid solution is available in a globulistic form to achieve even flow of melt and solid.
- the degenerate dentrites of the metal bolts generally generally have one globulistic shape, resulting in a uniformly homogeneous flow of Melt and solid can be achieved without segregation.
- the production metal bolts with a structure with globulistic dentrites are used, among other things. by a continuous casting process combined with an intense electromagnetic Stir also during the solidification phase. This leads to melting and breaking off dentrite arms that mold near the solidus temperature and form the globulistic structure.
- the metal bolts required for thixoforming become the thixoforming process by means of the pretreatment device according to the invention to a Temperature above the solidus temperature and below the liquidus temperature, i.e. heated to a partially solid, thixotropic state.
- the semi-solid state contains the thixotropic alloy, the so-called thixotropic alloy Alloy slurry, the reverse engineered dentritic, primary strength particles in one this surrounding matrix of liquid metal.
- the thixotrope preferably contains Alloy slurry has a liquid content of 40% by weight to 50% by weight and in particular between 43% and 48% by weight.
- the metal bolts can change with respect to their longitudinal axis are in a vertical or horizontal position.
- a is preferred Induction furnace used to convert the metal bolt into a thixotropic state.
- the alternating current flowing in the primary coil in the container and / or induces an alternating magnetic field in the metal bolt.
- the warming the heating tube or the metal bolt is done by the magnetic Alternating field, which has strong eddy currents in the heating tube or in the metal bolt and thereby causes a corresponding warming.
- the depth of penetration the eddy currents and thus the depth of the heated layer is frequency-dependent; when using high frequencies, rapid heating predominantly occurs near-surface layers.
- this consists of a Metal.
- Metals from the iron-carbon-containing series are preferred for this purpose Metals such as steel, stainless steel, Thermax steel, hot work steel or out of line the metals tantalum, niobium, vanadium, tungsten or titanium or alloys thereof used.
- Heating tubes made of copper or its alloys are further preferred. Heating tubes made of steel and in particular are particularly preferred Stainless steel or tool steel.
- a metal heating tube is used for the heating process in an induction furnace, in particular a steel heating tube is used, so penetrates the magnetic Field essentially only the heating tube, so that the induction furnace in essentially only the heating tube heats up directly and the heating of the metal bolt almost exclusively through heat conduction from the heating pipe into the metal bolts happens.
- the stud material is thus heated by heating the heating pipe and by conduction from the heating pipe to the stud material. Due to the high thermal conductivity of a metal heating tube radially symmetrical heat conduction from the heating pipe to the metal bolt, provided the metal bolt is in thermal contact over its entire circumference with the heating pipe. The radially symmetrical heat conduction then causes also a radially symmetrical temperature distribution in the metal bolt, whereby by the high thermal conductivity of the metal bolt very quickly becomes a minor radial Temperature gradient.
- the heating device according to the invention with a metal heating tube becomes a very homogeneous temperature and thus also a very homogeneous Liquid metal distribution achieved throughout the metal bolt. This especially because the direct introduction of energy into the heating pipe and the stud material is only indirectly heated by heat conduction, so that any local existing differences in the structure or in the chemical composition the bolt material has no influence on the direct energy input to have.
- the heating tube this consist of ceramic material.
- the magnetic field penetrates the heating tube, i.e. the ceramic material of the heating tube is for the magnetic field transparent.
- the metal bolt is then heated by direct heating Interaction with the magnetic field of the induction furnace.
- Suitable ceramic materials are, for example, Al 2 O 3 , AL 3 O 4 , BN, SiC, Si 3 N 4 , MgO, TiO, ZrO 2 , stabilized, such as yttrium-stabilized ZrO 2 , glasses or refractory cements or mixtures, which the mentioned Materials included.
- the heating tube can be made of fiber-reinforced ceramic material or contain such materials, and the fibers of the fiber-reinforced ceramic material can be made of SiC, Al 2 O 3 , glass or carbon, for example.
- the inside diameter d R of the heating tube in the cold state is expediently somewhat larger than the bolt diameter d B of the cold metal bolt.
- the inside diameter d R of the heating tube as a function of the pin diameter d B is preferably chosen such that the metal pin in the cold state, in particular at room temperature, ie at a temperature of 15 ° C. to 30 ° C., by a dimension ⁇ d of approx. 0.5 mm, preferably 0.5 ⁇ 0.3 mm, in particular 0.5 ⁇ 0.1 mm, is smaller than the inner diameter d R of the heating tube.
- the metal bolt expands in the radial and axial directions, so that at a certain point in time the bolt diameter d B corresponds to the inside diameter d R of the heating tube, it having to be taken into account that the inside diameter d R is also temperature-dependent.
- the material of the heating tube and the inside diameter d R of the heating tube are chosen such that the metal bolt at its solidus temperature T solidus has essentially the same diameter d B as the inside diameter d R of the heating tube.
- the bolt diameter d B at T solidus more preferably fulfills the relationship 0.996 d R ⁇ d B d d R , particularly preferably 0.998 d R d d B d d R and in particular 0.999 d R d d B d d R.
- the metal bolts are cylindrical and usually have a round or oval cross-section, but can also be polygonal cross-section.
- the diameter of the metal bolts in the cold state is, for example, 50 to 180 mm, expediently 75 to 150 mm and preferably 100 to 150 mm.
- the The length of the metal bolts in the cold state is, for example, 80 to 500 mm.
- the metal bolt When the metal bolt heats up, the metal bolt as well as the heating tube expands out. Different materials have different coefficients of thermal expansion on.
- the coefficient of thermal expansion of steel or ceramic material is much smaller than that of, for example, aluminum or aluminum alloys. As a result, for example, it expands Metal bolts made of an aluminum alloy are stronger than a heating tube made of, for example Steel or ceramic material, so that - starting from an im cold condition compared to the inner diameter of the heating tube smaller Diameter of the metal stud - the metal stud at a certain temperature has the same diameter as the heating tube.
- the diameter of the metal stud essentially corresponds to the diameter of the heating pipe, so that in the temperature range in which the thixotropic properties of the metal stud are essentially set, optimal thermal contact between the heating pipe and the metal stud is formed.
- the heating tube containing the metal bolt is heated above the solidus temperature T solidus , the eutectic is melted, combined with an increase in volume of the metal bolt.
- the eutectic of aluminum alloys suitable for thixoforming typically forms at approximately 550 to 570 ° C.
- the volume increase in the range between solidus and liquidus temperature is typically approx.
- the stud material can only expand in the longitudinal direction of the heating tube, provided the condition according to which at T solidus Bolt diameter d B corresponds to the diameter d R of the heating pipe is fulfilled.
- T solidus Bolt diameter d B corresponds to the diameter d R of the heating pipe.
- the increase in volume between the solidus and liquidus state - depending on the bolt length - manifests itself in an increase in the bolt length of typically approx. 3 to 16 mm and in particular 3 to 6 mm.
- the length increase of an aluminum bolt below the solidus temperature is - depending on the bolt length - typically between 1 and 2 mm.
- the length of the heating tube must be in the cavity of the heating tube be longer than the bolt length.
- the length of the Heating tube selected such that the heating tube a total of about 5 to 30 mm, in particular 10 to 20 mm, is longer than the metal bolt to be heated therein.
- the front side of the heating tube opposite the front side of the metal bolt preferably by approximately 2.5 to 15 mm and in particular by 5 to 10 mm in front.
- the front side is upright of the heating pipe at the upper end of the pipe opposite the face of the metal bolt preferably by about 5 to 30 mm and in particular by 10 to 20 mm.
- the wall thickness of the heating tube is preferably 1 to 5 mm for steel tubes, for Copper pipes preferably 4 to 10 mm and for ceramic pipes preferably 8 to 15 mm.
- the heating tube according to the invention can be closed on both sides.
- closure elements made of ceramic material.
- Materials for the closure elements are the same as described above Materials as for the one preferred variant of the heating tube made of ceramic material. Ceramic material points towards the metal stud material a low thermal conductivity, so that the radial temperature distribution at the front edge areas of the metal bolt through such closure elements is little influenced.
- the heating tube on both ends is expediently made of metal bolts by means of closure elements, preferably by plug or peg-shaped Closing elements, tightly closed.
- closure elements preferably by plug or peg-shaped Closing elements, tightly closed.
- the tightness refers to the Avoiding the escape of liquid metal from the heating tube during the heating process.
- the plug-shaped or peg-shaped closure elements are further preferred with regard to Material choice and shape designed such that their friction properties in the heating tube, on the one hand, due to the thermal expansion of the metal bolt shift in the direction of the longitudinal axis during the heating process allow the heating tube and on the other hand a shift by the Metal bolts exerted pressure on the closure elements after reaching the the desired thixotropic state temperature is avoided.
- the closure elements Prior to the heating process, the closure elements are preferred so far pushed into the heating tube so that this is in direct mechanical contact the end faces of the metal bolt. This causes the locking elements to shift during the heating process in the heating tube due to the thermal Linear expansion of the metal bolt.
- the heating tube can do this with one end directly on a preferably height-adjustable table top, preferably on a table top made of ceramic material, or the heating tube can by means of a closure element, preferably by a plug or cone-shaped closure element, tightly closed and by means of this closure element on a preferably height-adjustable table top made of any heat-resistant material can be set in a vertical position.
- a stopper-shaped or peg-shaped closure element is the closure element with regard to choice of material and shape, preferably designed such that on the one hand no liquid metal is released during the heating process in the furnace can escape the heating tube and on the other hand the friction of the closure element is less than 10 N in the heating tube.
- the friction of the closure element must be low so that a gripper arm Transport device, in particular a robot gripper arm, the heating tube without great effort, i.e. without the gripper arm for large mechanical Stresses must be interpreted by the specified on the table top Closure element can lift off.
- a gripper arm Transport device in particular a robot gripper arm
- the heating tube without great effort, i.e. without the gripper arm for large mechanical Stresses must be interpreted by the specified on the table top Closure element can lift off.
- there is a high level of friction for achievement A high level of tightness is also not necessary because the closure element only prevent the leakage of liquid metal during the heating process must and due to the cohesion of molten metals, in particular aluminum melts, this does not require a high level of tightness.
- the friction of the closure element in the heating tube is less than 30 N, preferably between 2 and 20 N and in particular between 5 and 10 N.
- the pretreatment device according to the invention is suitable for provision of a thixotropic metal bolt in a casting chamber of a vertical or Horizontal thixoforming device.
- This pretreatment device is particularly advantageous however, for providing a thixotropic metal bolt in one horizontal casting chamber, since here the shape retention with the inventive Device can be guaranteed particularly well.
- a horizontal thixoforming device lies the casting chamber that holds the thixotropic metal bolt picks up, horizontally.
- the device according to the invention is particularly advantageous for the provision of thixotropic metal bolts made of aluminum or aluminum alloys.
- Aluminum bolt are very particularly preferred in an induction furnace heated up in a vertical heating room.
- the object directed to the method is achieved by that the container is a cylindrical heating tube, the metal bolt during the heating process and the subsequent transport to the casting chamber always remains in the heating tube, and the heating tube containing the metal bolt is positioned in the casting chamber so that during the subsequent Thixoforming process of the casting flask of the thixoforming device the thixotropic Can push metal bolts out of the heating tube.
- the heating tube containing the thixotropic metal pin becomes after the heating process and after any draining from during the heating process Metal bolts that have leaked out, for example by a robot Casting chamber transported and in the front, half-open part of the casting chamber inserted.
- the casting piston pushes the metal bolt out of the heating pipe into one closed part of the casting chamber; after that the thixotropic metal alloy through a through opening into the pouring channels and then into the mold cavity initiated.
- the casting piston is pulled back, see above that afterwards a gripper arm of the transport device removes the heating pipe from the Pick up the casting chamber and use it for further pretreatment processes can supply.
- the return of the heating pipe for further use for further pretreatment procedures expediently take place during the Solidification phase of the thixotropic metal alloy in the mold cavity. That while the solidification of the thixotropic metal alloy in the mold cavity Cast structure essentially determines the properties of the molded parts.
- the microstructure is characterized by phases such as mixed crystal and eutectic Phases, the cast grain, such as globulites and dendrites, segregations as well as structural defects such as porosity (gas pores, micro voids) and impurities, such as Oxides.
- the Liquid metal escaping from the metal bolt during the heating process at least partially removed from the heating tube.
- the one during the heating process Liquid metal portion emerging from the metal bolt is typically less than 1% by weight of the bolt material.
- the transport of the thixotropic metal bolt from the heating furnace into the casting chamber using a robot typically takes 5 to 30 s and preferably 8 to 15 s.
- the length of time that the thixotropic metal bolt remains in the casting chamber is typically between 3 and 5 s. This time is for driving away a robotic gripper arm from the casting chamber and for the electronic readiness control a thixoforming device is required.
- the pretreatment device according to the invention and the one according to the invention Methods are suitable for the provision of thixotropic metal bolts in vertical or horizontal casting chambers. Preferred uses of the invention Methods are described in the use claims 18 and 19.
- a circular cylinder is used to verify the heating principle in a heating pipe
- the aluminum bolt is located in a heating pipe during the heating process Stainless steel with a wall thickness of 5 mm.
- the heating pipe and thus the Metal bolts rest on a heat insulation plate at the lower end.
- the end of the heating pipe protrudes about 5 mm from its circular top edge the upper edge of the bolt.
- the upper end of the heating pipe is not closed, so that the change in length using a laser interferometer during the entire heating process can be measured.
- thermocouples lying parallel to the longitudinal axis of the bolt, whereby - with respect to the concentric longitudinal axis of the aluminum bolt - a first thermocouple for measuring the edge temperature T 0 is introduced in the edge region of the aluminum bolt, a second thermocouple for measuring the temperature T. 1 is positioned in the middle between the center of the bolt and the edge of the bolt and a third thermocouple for measuring the temperature T 2 is arranged approximately 5 mm from the center of the bolt.
- the thermocouples are inserted approx. 50 mm deep into the bolt.
- the time-dependent temperature profiles T 0 (t), T 1 (t) and T 2 (t) measured with the three thermocouples mentioned are shown in FIG. 3 and show - within a measurement accuracy of ⁇ 1% - essentially all the same temperature profile.
- An aluminum bolt is used to examine the dimensional stability of the thixotropic bolt According to the invention heated in a vertical position until the thixotropic bolt has a liquid content of about 50% by weight, then taken out of the oven, in transferred to a horizontal position and ejected from the heating tube.
- the exam The geometric shape of the thixotropic aluminum bolt shows that the Dimensional stability is given, i.e. the thixotropic aluminum bolt essentially has - apart from the thermal expansion - the same shape as the original Aluminum bolt.
- FIG. 1 The drawings a) to c) of Fig. 1 each show a vertical longitudinal section along the concentric longitudinal axis l of a metal bolt 10, respectively. through the Device elements 14, 20, 30, in which the metal bolt 10 during the Pretreatment takes place, the heating process of the metal bolt 10 in one horizontal position happens.
- Fig. 1 a shows the loading of a in a solid physical state Metal bolt 10 in a horizontally lying heating pipe 14.
- the heating pipe 14 is closed with plug-shaped closure elements 16, 18, the Closure elements 16, 18 on the one hand on the end faces 15 of the heating tube 14 rest and, on the other hand, close flush with the metal bolt 10, i.e. the Closure elements 16, 18 lie within the heating tube 14 on the end faces 12 of the metal bolt 10.
- the heating tube 14 containing the metal bolt 10 and closed with the closure elements 16, 18 is inserted horizontally into the heating space 21 of an induction furnace 20.
- the heating tube 14 is located in the middle of the heating space 21 enclosed by induction coils 22, ie the concentric longitudinal axis of the heating space 21 and the concentric longitudinal axis l of the metal bolt 10 coincide.
- the metal bolt initially expands in all directions.
- T solidus solidus
- the metal bolt 10 abuts the heating pipe 14, so that the metal bolt 10 essentially does not expand any further radially, ie the further radial expansion of the metal bolt 10 is due to the usually very small radial expansion of the heating pipe 14 limited.
- the further thermal expansion of the metal bolt 10 after reaching the solidus temperature T solidus is essentially only possible in the direction of its concentric longitudinal axis l, the closure elements 16, 18 being pushed away from one another in accordance with the thermal expansion of the metal bolt 10, so that the stopper-shaped closure elements 16, 18 no longer rest against the end faces 15 of the heating tube 14.
- Fig. 1 b shows the discharge of the induction furnace 20, i.e. bringing out the the thixotropic metal bolt 10 containing heating pipe 14 from the heating room 21 of the induction furnace 20.
- the closure elements 16, 18 are after the discharge of the induction furnace 20 separated from the heating tube 14.
- liquid molten metal 24 is removed from the heating tube 14 by removing the liquid Metal 24 can be drained from the heating tube 14, the liquid metal for example, is collected in a drip tray (not shown).
- FIG. 1 c) shows this in a casting chamber 30 of a horizontal thixoforming device introduced heating tube 14.
- the heating tube 14 is in the casting chamber cavity 32 the casting chamber 30 positioned that during the subsequent Thixoform process of the casting piston 34 the thixotropic metal bolt 10 from the Heating pipe 14 can come across, so that the thixotropic metal alloy subsequently through the passage opening 36 into the sprue channels (not shown) and can then be introduced into the mold cavity (not shown).
- the casting chamber 30 has a recess for receiving the heating tube. This The recess serves on the one hand for centering the heating tube 14 and on the other hand as a stop for setting the heating pipe 14 during the pushing out of the thixotropic metal bolt 10 at the beginning of the thixoforming process.
- FIG. 2 each show a vertical longitudinal section along the concentric longitudinal axis l of a metal bolt 10, respectively. through the Device elements 14, 20, 30, in which the metal bolt 10 during the Pretreatment takes place, the heating process of the metal bolt 10 in one vertical bolt position happens.
- FIG. 2 a shows the insertion of one located in a vertical heating tube 14
- Metal bolt 10 in a vertically lying, cylindrical heating chamber 21 of an induction furnace 20.
- the heating tube 14 is at the lower end of the tube, i.e. at the lower end face 15 of the heating tube 14, with a stopper-shaped closure element 16 closed.
- the closure element lies on a table top 26.
- the introduction of the heating tube 14 containing the metal bolt 10 into the induction furnace 20 is done by placing the heating pipe 14 vertically the table top 26, wherein the closure element 16 to lie on the table top 26 comes, and by lifting the table top 26 until the heating tube 14 completely comes to rest in the heating chamber 21 of the induction furnace 20.
- the heating pipe 14 is located in the middle of the heating space delimited by the induction coils 22 21, i.e. the concentric longitudinal axis of the heating space 21 coincides with the concentric Longitudinal axis l of the metal bolt 10 together.
- the metal bolt initially expands in the radial as well as in the vertical direction.
- the metal bolt 10 abuts the heating tube 14 in the radial direction, so that the metal bolt 10 essentially does not expand any further radially, ie the further radial expansion of the metal bolt 10 is due to the usually very small radial one Expansion of the heating tube 14 limited.
- the further thermal expansion of the metal bolt 10 after reaching the solidus temperature T solidus is essentially only possible in the vertical direction, parallel to its concentric longitudinal axis l.
- the upper tube end 15 of the heating tube 14 is open, so that the metal bolt 10 can expand thermally without hindrance.
- Fig. 2 b shows the induction furnace 20 after the heating tube 14 with the thixotropic metal bolt 10 is led out of the heating chamber 21.
- the leading out the thixotropic metal bolt is done by lowering the Table top 26.
- Fig. 2 c shows that led out of the furnace in the vertical direction thixotropic metal bolts 10 containing, fixed vertically on the table top 26 Heating tube 14, which also with the plug-shaped closure element 16 is tightly closed.
- FIG. 2 d shows that separated from the table top 26 and the closure element 16, the heating tube 14 containing the thixotropic metal bolt 10 in a horizontal manner Location.
- the heating tube 14 is expediently separated from the Closure element 16 and the transfer of the heating tube into a horizontal Position using a robot.
- the robot arm is used to lift the To heat up the heating tube 14 from the table top 26 and the closure element 16 Low power.
- the closure element 16 closes the heating pipe 14 in a form-fitting manner tight.
- the tightness is only to avoid the outflow of liquid Metal required so that due to the surface tension of the liquid metal the closure element 16 essentially only in a form-fitting manner in the heating tube 14 must grip and therefore no high friction between the heating tube 14 and the closure element 16 is required.
- the thixotropic metal bolt is clamped in the heating tube in this way, i.e. whose Adhesion is so great that the heating tube in the vertical direction from the closure element can be lifted off without the thixotropic metal bolt 10 the heating tube 14 falls.
- the vertical lifting of the heating tube 14 from on the Table top 26 fixed closure member 16 also allows dripping of the liquid metal 24 formed during the heating process outside of the heating furnace 20.
- FIG. 2 e shows this in a casting chamber 30 of a horizontal thixoforming device introduced heating tube 14.
- the heating tube 14 is in the casting chamber cavity 32 the casting chamber 30 positioned that during the subsequent Thixoform process of the casting piston 34 the thixotropic metal bolt 10 from the Heating pipe 14 can come across, so that the thixotropic metal alloy subsequently through the passage opening 36 into the sprue channels (not shown) and can then be introduced into the mold cavity (not shown).
- the casting chamber 30 has a recess for receiving the heating tube. This The recess serves on the one hand to center the heating tube 14 and on the other hand as a stop for setting the heating pipe 14 during the pushing out of the thixotropic metal bolt 10 at the beginning of the thixoforming process.
- Inserting the thixotropic metal bolt 10 into the casting chamber cavity 32 the casting chamber 30 is expediently done by means of a robot.
- the The thixotropic metal bolt must be inserted so gently that the Shape retention of the bolt 10 guaranteed after insertion into the casting chamber 30 is.
- FIG. 3 shows a typical heating curve up to reaching the solidus temperature T solidus of an aluminum bolt 10 located in a heating pipe 14 according to the invention in a resistance furnace.
- the heating curve relates to a circular cylindrical aluminum bolt 10 with a diameter of 100 mm and a length of 200 mm in a vertical position in a heating tube 14 made of stainless steel, the heating tube 14 having a wall thickness of 5 mm and the lower end face 12 of the aluminum bolt 10 a heat insulation plate 26 rests directly, ie the lower end face 12 of the aluminum bolt 10 and the lower end face 15 of the heating tube 14 lie in the same plane.
- the heating curve i.e. the time-dependent bolt temperature
- the heating curve is continuously recorded during the heating process by means of thermocouples lying parallel to the longitudinal axis l, whereby - with respect to the concentric longitudinal axis l of the aluminum bolt 10 - a first thermocouple for measuring the edge temperature T 0 (t) in the edge area of Aluminum bolt 10 is inserted, a second thermocouple for measuring the temperature T 1 (t) is positioned in the middle between the center of the bolt and the edge of the bolt and a third thermocouple for measuring the temperature T 2 (t) is arranged approximately 5 mm from the center of the bolt.
- the thermocouples are inserted approximately 50 mm deep into the bolt 10.
- the time-dependent temperature profiles T 0 (t), T 1 (t) and T 2 (t) measured with the three thermocouples mentioned are shown in FIG. 3 and show - within a measurement accuracy of ⁇ 1% - essentially all the same temperature profile.
- FIG. 4 shows an example of a typical temperature-dependent deformation curve during the heating process of an aluminum bolt 10 according to the invention, which is represented by the heating curve in FIG. 3. From FIG. 4 it can be seen that the aluminum bolt 10 is at approximately 560 ° until the solidus temperature T solidus is reached C extends in the longitudinal direction essentially linearly, depending on the temperature, by approx. 1.5 mm, the thermal linear expansion ⁇ L (T) increasing suddenly above the solidus temperature.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorbehandlungsvorrichtung zur Bereitstellung eines
thixotropen Metallbolzens in einer Giesskammer einer Thixoformeinrichtung, enthaltend
einen Behälter für die Aufnahme eines Metallbolzens, einen Ofen zur
Überführung des im Behälter befindlichen Metallbolzens in einen teilflüssigen,
thixotropen Zustand, sowie eine Transportvorrichtung für das Transportieren und
Einführen des thixotropen Metallbolzens in die Giesskammer, und die Verwendung
der Vorbehandlungsvorrichtung. Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechendes
Verfahren nach den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 12, und die Verwendung
des Verfahrens.The invention relates to a pretreatment device for providing a
containing thixotropic metal bolt in a casting chamber of a thixoforming device
a container for holding a metal bolt, an oven for
Transfer of the metal bolt in the container into a partially liquid,
thixotropic state, as well as a transport device for transporting and
Inserting the thixotropic metal bolt into the casting chamber and using it
the pretreatment device. The invention further relates to a corresponding one
Method according to the features of the preamble of
Das Thixoformen betrifft die Herstellung von Formteilen aus thixotropen Metallbolzen. Als Metallbolzen kommen dabei alle Bolzen aus einem in einen thixotropen Zustand überführbaren Metall in Frage. Insbesondere können die Metallbolzen aus Aluminium, Magnesium oder Zink und den Legierungen dieser Metalle bestehen.Thixoforming relates to the production of molded parts from thixotropic metal bolts. As metal bolts, all bolts come from one into a thixotropic one Condition transferable metal in question. In particular, the metal bolts can be made of Aluminum, magnesium or zinc and the alloys of these metals exist.
Beim Thixoformen werden die thixotropen Eigenschaften teilflüssiger bzw. teilfester Metalllegierungen ausgenützt. Die thixotropen Eigenschaften einer Metalllegierung bedeuten, dass ein entsprechend vorbereitetes Metall sich unbelastet wie ein Festkörper verhält, unter Schubbeanspruchung seine Viskosität jedoch soweit verringert, dass es sich ähnlich einer Metallschmelze verhält. Dazu ist ein Aufheizen der Legierung in das Erstarrungsintervall zwischen Liquidus- und Solidustemperatur erforderlich. Die Temperatur ist dabei so einzustellen, dass beispielsweise ein Gefügeanteil von 20 bis 80 Gew.% aufgeschmolzen wird, der Rest jedoch in fester Form verbleibt.With thixoforming, the thixotropic properties become more fluid or more solid Metal alloys used. The thixotropic properties of a metal alloy mean that a suitably prepared metal is unloaded like a solid behaves, but reduces its viscosity so far under shear stress, that it is similar to a molten metal. This is done by heating the Alloy in the solidification interval between liquidus and solidus temperature required. The temperature is to be set so that, for example, a structural component from 20 to 80% by weight is melted, but the rest in solid Shape remains.
Beim Thixoformen wird teilfestes/teilflüssiges Metall in einer modifizierten Druckgiessmaschine, einer sogenannten Thixoformeinrichtung, zu Formteilen verarbeitet. Die zum Thixoformen eingesetzten Druckgiessmaschinen unterscheiden sich gegenüber den Druckgiessmaschinen zum Druckgiessen von Metallschmelzen durch beispielsweise eine länger ausgestaltete Giesskammer zur Aufnahme des thixotropen Metallbolzens und einen dadurch benötigten grösseren Kolbenhub, und beispielsweise einer mechanisch verstärkten Ausgestaltung der die thixotrope Metalllegierung führenden Teile der Druckgiessmaschine infolge der höheren Druckbelastung dieser Teile während dem Thixoformen. With thixoforming, semi-solid / semi-liquid metal is used in a modified die casting machine, a so-called thixoforming device, processed into molded parts. The die casting machines used for thixoforming differ from each other die casting machines for die casting metal melts for example, a longer casting chamber to accommodate the thixotropic Metal pin and a larger piston stroke required thereby, and for example a mechanically reinforced design of the thixotropic metal alloy leading parts of the die casting machine due to the higher pressure load of these parts during thixoforming.
Das Aufheizen der Metallbolzen geschieht üblicherweise in einem separaten Ofen. Die Beheizung der Öfen kann mit Brennstoff, wie beispielsweise Gas oder Öl, oder elektrischer Energie, wie beispielsweise mittels einer Widerstandsheizung oder mittels induktiver Energieeinbringung, geschehen.The metal bolts are usually heated in a separate oven. The furnaces can be heated with fuel, such as gas or oil, or electrical energy, such as by means of resistance heating or by means of inductive energy input.
Der Aufheizung der Metallbolzen kommt, in Bezug auf den grossen Einfluss, welcher der Zustand des in die Giesskammer eingeführten Bolzens auf die Qualität des Produktes ausübt, eine grosse Bedeutung zu, da:
- der Bolzenzustand, d.h. seine Teilfestigkeit, üblicherweise nur in einem kleinen Temperaturbereich vorhanden ist,
- lang dauernde Aufheizzeiten, beispielsweise der Bildung einer dicken Oxidhaut oder einer möglichen Kornvergröberung wegen, vermieden werden sollen,
- und zur Erzielung eines homogenen Endproduktes die Temperaturverteilung im thixotropen Metallbolzen, dem sogenannten Thixo-Rohling, möglichst homogen sein soll.
- the bolt state, ie its partial strength, is usually only present in a small temperature range,
- long heating-up times, for example due to the formation of a thick oxide skin or possible coarsening of the grain, should be avoided,
- and to achieve a homogeneous end product the temperature distribution in the thixotropic metal bolt, the so-called thixo blank, should be as homogeneous as possible.
Deshalb geschieht das Überführen des Metallbolzens in den thixotropen Zustand, d.h. die Erwärmung des Bolzens bis der gewünschte Legierungsanteil aufgeschmolzen ist, zweckmässigerweise durch eine mit Sensoren geregelte Ofentemperatur.This is why the metal bolt is brought into the thixotropic state, i.e. heating the bolt until the desired alloy content is melted is expediently by an oven temperature controlled by sensors.
Zum Aufheizen der Metallbolzen werden diese üblicherweise in ein schalenförmiges Behältnis, beispielsweise in eine metallische Schale aus rostfreiem Stahl, oder einem Tiegel aus Ton-Graphit oder Ton-SiC gegeben und in horizontaler Lage in den thixotropen Zustand überführt.To heat the metal bolts, they are usually shaped into a bowl Container, for example in a metallic bowl made of stainless steel, or given a crucible made of clay graphite or clay SiC and in a horizontal position in transferred the thixotropic state.
Der thixotrope Metallbolzen kann dann, beispielsweise in demselben Behälter, mittels beispielsweise einem Greifer zur Giesskammer einer Horizontal-Thixoformeinrichtung transferiert und durch Kippen des Behälters in die Giesskammer eingeführt werden. In diesem Fall bleibt der Metallbolzen während dem Aufheizprozess und dem Transport bis zur Giesskammer in demselben Behälter.The thixotropic metal bolt can then, for example in the same container, by means of, for example, a gripper to the casting chamber of a horizontal thixoforming device transferred and introduced into the casting chamber by tilting the container become. In this case, the metal bolt remains during the heating process and transport to the casting chamber in the same container.
Die EP-A-0 645 206 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von mechanisch hoch beanspruchten Teilen durch Thixoformen, welche eine eingangs beschriebene Vorbehandlungsvorrichtung enthält. Dabei werden die Metallbolzen in tassenförmigen Behältern in einem rohrförmigen Durchlaufofen in den thixotropen Zustand überführt, und der den thixotropen Bolzen enthaltende Behälter wird mittels einem Roboter zur Giesskammer transportiert, und durch Kippen des Behälters wird der thixotrope Bolzen in die Giesskammer befördert.EP-A-0 645 206 describes an apparatus for producing mechanical highly stressed parts through thixoforming, which is described at the beginning Contains pretreatment device. The metal bolts are cup-shaped Containers in a tubular continuous furnace in the thixotropic Condition transferred, and the container containing the thixotropic bolt is by means of transported to the casting chamber by a robot, and by tilting the container the thixotropic bolt is transported into the casting chamber.
Die EP-B-0 713 736 beschreibt eine Haltevorrichtung zum induktiven Aufheizen von Bolzen aus Metalllegierungen mit thixotropen Eigenschaften und zum Halten und Transportieren der Bolzen bis zum Vergiessen. Die Haltevorrichtung ist dabei eine speziell gestaltete wannenförmige Schale.EP-B-0 713 736 describes a holding device for inductive heating of bolts made of metal alloys with thixotropic properties and for holding and transporting the bolts until casting. The holding device is there a specially designed trough-shaped bowl.
Die in der Praxis angewandten technischen Lösungen hinsichtlich der Bolzen-Aufheizung und dem Bolzen-Transport von thixotropen Metallbolzen gewährleisten oft weder eine ausreichende thermische Homogenität des in die Giesskammer eingeführten Bolzens, noch die für die Erreichung einer stabilen Qualität notwendige Wiederholbarkeit des Aufheizprozesses. Die thermische Inhomogenität manifestiert sich beispielsweise in einer in Bezug auf den Bolzenquerschnitt unregelmässigen Verteilung des Flüssiganteils, wobei dies oft zu einer lokalen Anschmelzung des Metallbolzens, insbesondere an den Metallbolzen-Enden, führt. Als Folge davon kann sich die Geometrie des Bolzens wesentlich verändern (Ovalisierung, Krater), was in der Anfangsphase des Thixoformprozesses üblicherweise ein Eindringen von Luft und/oder von Aluminium-Oxiden in die Formkavität bewirkt und als Konsequenz zu einer Erhöhung des Ausschusses führt.The technical solutions used in practice with regard to bolt heating and the bolt transport of thixotropic metal bolts often ensure neither sufficient thermal homogeneity of what is introduced into the casting chamber Bolzens, still the necessary to achieve a stable quality Repeatability of the heating process. The thermal inhomogeneity manifests for example in an irregular with respect to the bolt cross-section Distribution of the liquid portion, which often leads to a local melting of the Metal bolt, especially at the metal bolt ends, leads. As a consequence of this the geometry of the bolt can change significantly (ovalization, crater), which is usually an intrusion in the initial phase of the thixoform process caused by air and / or aluminum oxides in the mold cavity and as a consequence leads to an increase in the committee.
Ein weiteres Problem während des Aufheizprozesses kann sich durch das Austreten von flüssigem Metall aus dem Bolzen ergeben, da solches flüssiges Metall während dem Transport des Behälters, beispielsweise noch innerhalb des Ofens, nach aussen dringen kann, was häufig das Innere des Ofens, insbesondere bei Verwendung eines Induktionsofens, beschädigt. Hierbei ist zu beachten, dass das während dem Bolzen-Aufheizprozess aus dem Metallbolzen austretende Volumen von flüssigem Metall typischerweise bis zu 10 % des Bolzenvolumens betragen kann.Another problem during the heating process can arise from the leakage of liquid metal resulting from the bolt, since such liquid metal during the transport of the container, for example still inside the oven, can penetrate to the outside, which is often the inside of the furnace, especially at Using an induction oven, damaged. It should be noted that the Volume emerging from the metal bolt during the bolt heating process of liquid metal is typically up to 10% of the bolt volume can.
Ein weiteres Problem durch das Ausscheiden von flüssigem Metall während dem Aufheizprozess kann entstehen, wenn flüssiges Metall in die Giesskammer eingefüllt wird, da dadurch Vorerstarrungen in der Giesskammer entstehen können, welche dann eine Vielzahl von Defekten, wie Lufteinschlüsse oder Strukturinhomogenitäten, im Thixo-Formteil verursachen können. Another problem with the elimination of liquid metal during the The heating process can occur when liquid metal is poured into the casting chamber , as this can cause pre-solidification in the casting chamber, which then a variety of defects, such as air pockets or structural inhomogeneities, in the thixo molded part.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Vermeidung der vorgenannten Nachteile des Standes der Technik und die Angabe einer Vorbehandlungsvorrichtung und eines Verfahrens zur reproduzierbaren Bereitstellung von thixotropen Metallbolzen in einer Giesskammer einer Thixoformeinrichtung, wobei der thixotrope Metallbolzen eine homogene Temperaturverteilung und einen über den ganzen Bolzenquerschnitt und die ganze Bolzenlänge homogen verteilten Flüssiganteil aufweist, und das Auslaufen von flüssigem Metall in den Aufheizofen sowie das Einbringen von flüssigem Metall in die Giesskammer vermieden werden. Eine weitere Aufgabe vorliegender Erfindung ist der Erhalt der Bolzen-Gestalt während dem Aufheizprozess und dem Transport des thixotropen Bolzens zur Giesskammer und während dessen Einführen in die Giesskammer. Eine noch weitere Aufgabe vorliegender Erfindung wird in der Möglichkeit einer Erhöhung der Transportgeschwindigkeit gesehen, da dadurch die während dem Bolzentransport vom Ofen zur Giesskammer sich ergebende Abkühlung verringert wird.The object of the present invention is to avoid the aforementioned disadvantages the state of the art and the specification of a pretreatment device and a method for the reproducible provision of thixotropic metal bolts in a casting chamber of a thixoforming device, the thixotropic metal bolt a homogeneous temperature distribution and one over the entire bolt cross-section and the entire bolt length has a homogeneously distributed liquid component, and the leakage of liquid metal into the heating furnace and the introduction of liquid metal in the casting chamber can be avoided. Another task at hand Invention is the preservation of the bolt shape during the heating process and the transportation of the thixotropic bolt to and during the casting chamber Introduce into the casting chamber. Yet another object of the present invention is seen in the possibility of increasing the transport speed, because this means that during the bolt transport from the furnace to the casting chamber resulting cooling is reduced.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Behälter ein zylinderförmiges, seitlich verschliessbares Aufheizrohr darstellt, und die Vorbehandlungsvorrichtung dergestalt ausgebildet ist, dass der Metallbolzen während der ganzen Vorbehandlung, nämlich dem Aufheizprozess im Ofen und dem Transport in die Giesskammer und dem Verweilen in der Giesskammer bis zum Beginn des Thixoformprozesses, im Aufheizrohr verbleiben kann.According to the invention, this is achieved in that the container has a cylindrical, represents laterally closable heating tube, and the pretreatment device is designed in such a way that the metal bolt during the entire pretreatment, namely the heating process in the furnace and the transport to the Casting chamber and staying in the casting chamber until the start of the thixoforming process, can remain in the heating tube.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Vorbehandlungsvorrichtung
sind in den Ansprüchen 2 bis 9 beschrieben.Further advantageous configurations of the pretreatment device according to the invention
are described in
Das erfindungsgemässe, neue Konzept, demgemäss sich der Metallbolzen während dem ganzen Vorbehandlungsprozess in einem hohlzylinderförmigen Behälter, dem sogenannten Aufheizrohr, befindet:
- garantiert eine homogene und symmetrische Erwärmung in achsialer und radialer Richtung des Bolzens;
- minimiert während dem Aufheizprozess in einem Induktionsofen die Inhomogenitäten des magnetischen Feldes an den Rändern des Bolzens;
- verhindert übermässiges Aufschmelzen der Bolzenoberfläche;
- gewährleistet den Formerhalt des Bolzens während dem Aufheizprozess, dem Transport zur Giesskammer und in der Giesskammer;
- beseitigt den Einfluss von allfällig vorhandenen, strukturellen Inhomogenitäten und der chemischen Zusammensetzung des Metallbolzens auf den Erwärmungsprozess;
- ermöglicht die Anwendung einer billigeren und effizienteren Erwärmung mittels Induktionsfeld mit einer gegenüber dem Stand der Technik höheren Frequenz;
- vermeidet - abgesehen vom Metallbolzen und dem Aufheizrohr - das Erfordernis und die Anwesenheit anderer Metallelemente innerhalb eines Induktionsofens, was die Störung der Homogenität des magnetischen Feldes innerhalb eines Induktionsofens minimiert;
- ermöglicht eine gegenüber dem Stand der Technik präzisere Kontrolle des Erwärmungsprozesses durch direkte Messung der Temperatur des Aufheizrohres und der während dem Aufheizprozess sich einstellenden, thermischen Längenausdehnung des Metallbolzens, wobei die Längenausdehnung des Metallbolzens während dem Aufheizprozess oberhalb der Solidustemperatur des Bolzenmaterials proportional zum Flüssiganteil ist;
- eliminiert die Notwendigkeit der Verwendung von Kompensationsplatten an den Bolzenenden innerhalb eines Induktionsofens zur Homogenisierung des magnetischen Feldes, was die Kosten für die Vorbehandlungsvorrichtung senkt und ihre Funktionssicherheit erhöht; und
- ermöglicht einen gegenüber dem bekannten Stand der Technik schnelleren Transport des thixotropen Metallbolzens vom Aufheizofen in die Giesskammer.
- guarantees homogeneous and symmetrical heating in the axial and radial direction of the bolt;
- minimizes the inhomogeneities of the magnetic field at the edges of the stud during the heating process in an induction furnace;
- prevents excessive melting of the stud surface;
- ensures the shape of the pin during the heating process, the transport to the casting chamber and in the casting chamber;
- eliminates the influence of any existing structural inhomogeneities and the chemical composition of the metal bolt on the heating process;
- enables the use of cheaper and more efficient heating by means of an induction field with a higher frequency than in the prior art;
- avoids - apart from the metal bolt and the heating tube - the need and the presence of other metal elements within an induction furnace, which minimizes the disturbance of the homogeneity of the magnetic field within an induction furnace;
- enables a more precise control of the heating process compared to the prior art by direct measurement of the temperature of the heating pipe and the thermal linear expansion of the metal bolt that occurs during the heating process, the linear expansion of the metal bolt during the heating process being proportional to the liquid content above the solidus temperature of the stud material;
- eliminates the need to use compensation plates at the bolt ends within an induction furnace to homogenize the magnetic field, which lowers the cost of the pretreatment device and increases its reliability; and
- enables a faster transport of the thixotropic metal bolt from the heating furnace into the casting chamber compared to the known prior art.
Die erfindungsgemässe Vorbehandlungsvorrichtung eignet sich für alle Metallbolzen aus handelsüblichen Legierungen, die in einen thixotropen Zustand überführt werden können. Besonders geeignete Metallbolzenmaterialien sind Legierungen aus Aluminium, Magnesium oder Zink. Insbesondere werden Aluminium-Gusssowie Aluminium-Knetlegierungen bevorzugt. Die erfindungsgemässe Vorbehandlungsvorrichtung eignet sich vorteilhaft auch für die Verarbeitung von partikelverstärkten Aluminiumlegierungen, die beispielsweise homogen verteilte SiC- oder Al2O3-Partikel enthalten. Ganz besonders geeignet ist die erfindungsgemässe Vorbehandlungsvorrichtung für Aluminiumlegierungen, die ein ausgeprägtes Erstarrungsintervall aufweisen, wie beispielsweise AlSi7Mg.The pretreatment device according to the invention is suitable for all metal bolts made of commercially available alloys which can be converted into a thixotropic state. Particularly suitable metal stud materials are alloys made of aluminum, magnesium or zinc. In particular, cast aluminum and wrought aluminum alloys are preferred. The pretreatment device according to the invention is also advantageously suitable for processing particle-reinforced aluminum alloys which contain, for example, homogeneously distributed SiC or Al 2 O 3 particles. The pretreatment device according to the invention is very particularly suitable for aluminum alloys which have a pronounced solidification interval, such as AlSi7Mg.
Die Metallbolzen enthalten zweckmässigerweise homogen verteilte, primär erstarrte Festteilchen, die aus einzelnen degenerierten Dentriten bestehen. Bevorzugt beträgt der Anteil an primär erstarrten Festteilchen zwischen 40 und 80 Gew.%. Zur Erzielung eines guten thixotropen Verhaltens muss beispielsweise bei Aluminiumlegierungen der Alpha-Mischkristall in globulistischer Form vorliegen, um ein gleichmässiges Fliessen von Schmelze und Feststoff zu erreichen.The metal bolts expediently contain homogeneously distributed, primarily solidified Solid particles consisting of individual degenerate dentrites. Prefers the proportion of primarily solidified solid particles is between 40 and 80% by weight. To achieve good thixotropic behavior, for example, aluminum alloys the alpha solid solution is available in a globulistic form to achieve even flow of melt and solid.
Die degenerierten Dentriten der Metallbolzen weisen allgemein vorzugsweise eine globulistische Gestalt auf, wodurch ein gleichmässig homogenes Fliessen von Schmelze und Feststoff ohne Entmischung erreicht werden kann. Die Herstellung von Metallbolzen mit einem Gefüge mit globulistischen Dentriten erfolgt u.a. durch ein Stranggiessverfahren, kombiniert mit einem intensiven elektromagnetischen Rühren auch während der Erstarrungphase. Dadurch kommt es zum Abschmelzen und Abbrechen von Dentritenarmen, die sich nahe der Solidustemperatur einformen und das globulistische Gefüge bilden.The degenerate dentrites of the metal bolts generally generally have one globulistic shape, resulting in a uniformly homogeneous flow of Melt and solid can be achieved without segregation. The production metal bolts with a structure with globulistic dentrites are used, among other things. by a continuous casting process combined with an intense electromagnetic Stir also during the solidification phase. This leads to melting and breaking off dentrite arms that mold near the solidus temperature and form the globulistic structure.
Die für das Thixoformen benötigten Metallbolzen werden vorgängig zum Thixoformprozess mittels der erfindungsgemässen Vorbehandlungsvorrichtung auf eine Temperatur oberhalb der Solidustemperatur und unterhalb der Liquidustemperatur, d.h. bis zur Erreichung eines teilfesten, thixotropen Zustandes, aufgeheizt.The metal bolts required for thixoforming become the thixoforming process by means of the pretreatment device according to the invention to a Temperature above the solidus temperature and below the liquidus temperature, i.e. heated to a partially solid, thixotropic state.
Im teilfesten Zustand enthält die thixotrope Legierung, der sogenannte thixotrope Legierungsbrei, die zurückentwickelten dentritischen, primärfesten Partikel in einer diese umgebenden Matrix aus flüssigem Metall. Bevorzugt enthält der thixotrope Legierungsbrei einen Flüssiganteil von 40 Gew.-% bis 50 Gew.-% und insbesondere zwischen 43 Gew.-% und 48 Gew.-%.The semi-solid state contains the thixotropic alloy, the so-called thixotropic alloy Alloy slurry, the reverse engineered dentritic, primary strength particles in one this surrounding matrix of liquid metal. The thixotrope preferably contains Alloy slurry has a liquid content of 40% by weight to 50% by weight and in particular between 43% and 48% by weight.
Während dem Aufheizprozess können sich die Metallbolzen bezüglich ihrer Längsachse in vertikaler oder horizontaler Lage befinden.During the heating process, the metal bolts can change with respect to their longitudinal axis are in a vertical or horizontal position.
Zur Überführung des Metallbolzens in einen thixotropen Zustand wird bevorzugt ein Induktionsofen verwendet. Dabei ist beispielsweise eine Primärspule um den Behälter angeordnet, wobei der in der Primärspule fliessende Wechselstrom im Behälter und/oder im Metallbolzen ein magnetisches Wechselfeld induziert. Die Erwärmung des Aufheizrohres bzw. des Metallbolzens geschieht durch das magnetische Wechselfeld, welches im Aufheizrohr bzw. im Metallbolzen kräftige Wirbelströme und dadurch eine entsprechende Ewärmung hervorruft. Die Eindringtiefe der Wirbelströme und somit die Tiefe der erwärmten Schicht ist frequenzabhängig; bei Anwendung hoher Frequenzen erfolgt eine rasche Aufheizung vorwiegend der oberflächennahen Schichten.To convert the metal bolt into a thixotropic state, a is preferred Induction furnace used. For example, there is a primary coil around the container arranged, the alternating current flowing in the primary coil in the container and / or induces an alternating magnetic field in the metal bolt. The warming the heating tube or the metal bolt is done by the magnetic Alternating field, which has strong eddy currents in the heating tube or in the metal bolt and thereby causes a corresponding warming. The depth of penetration the eddy currents and thus the depth of the heated layer is frequency-dependent; when using high frequencies, rapid heating predominantly occurs near-surface layers.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Aufheizrohres besteht dieses aus einem Metall. Bevorzugt werden dazu Metalle der Reihe der eisen-kohlenstoffhaltigen Metalle, wie Stahl, Edelstahl, Thermax-Stahl, Warmarbeitsstahl oder aus der Reihe der Metalle Tantal, Niob, Vanadium, Wolfram oder Titan oder Legierungen davon verwendet. Weiter bevorzugt werden Aufheizrohre aus Kupfer oder seinen Legierungen. Speziell bevorzugt werden Aufheizrohre aus Stahl und insbesondere aus Edelstahl oder Werkzeugstahl.In an advantageous embodiment of the heating tube, this consists of a Metal. Metals from the iron-carbon-containing series are preferred for this purpose Metals such as steel, stainless steel, Thermax steel, hot work steel or out of line the metals tantalum, niobium, vanadium, tungsten or titanium or alloys thereof used. Heating tubes made of copper or its alloys are further preferred. Heating tubes made of steel and in particular are particularly preferred Stainless steel or tool steel.
Wird für den Aufheizprozess in einem Induktionsofen ein metallenes Aufheizrohr, insbesondere ein Aufheizrohr aus Stahl, verwendet, so durchdringt das magnetische Feld im wesentlichen nur das Aufheizrohr, so dass der Induktionsofen im wesentlichen nur das Aufheizrohr direkt aufheizt und die Erwärmung des Metallbolzens fast ausschliesslich durch Wärmeleitung vom Aufheizrohr in den Metallbolzen geschieht. Die Aufheizung des Bolzenmaterials geschieht somit durch Aufheizung des Aufheizrohres und durch Wärmeleitung vom Aufheizrohr auf das Bolzenmaterial. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit eines metallenen Aufheizrohres ergibt sich eine radialsymmetrischen Wärmeleitung vom Aufheizrohr auf den Metallbolzen, sofern der Metallbolzen über seinen gesamten Umfang in thermischem Kontakt mit dem Aufheizrohr ist. Die radialsymmetrische Wärmeleitung bewirkt dann auch eine radialsymmetrische Temperaturverteilung im Metallbolzen, wobei durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metallbolzens sich sehr schnell ein geringer radialer Temperaturgradient einstellt.If a metal heating tube is used for the heating process in an induction furnace, in particular a steel heating tube is used, so penetrates the magnetic Field essentially only the heating tube, so that the induction furnace in essentially only the heating tube heats up directly and the heating of the metal bolt almost exclusively through heat conduction from the heating pipe into the metal bolts happens. The stud material is thus heated by heating the heating pipe and by conduction from the heating pipe to the stud material. Due to the high thermal conductivity of a metal heating tube radially symmetrical heat conduction from the heating pipe to the metal bolt, provided the metal bolt is in thermal contact over its entire circumference with the heating pipe. The radially symmetrical heat conduction then causes also a radially symmetrical temperature distribution in the metal bolt, whereby by the high thermal conductivity of the metal bolt very quickly becomes a minor radial Temperature gradient.
Durch die erfindungsgemässe Aufheizvorrichtung mit einem metallenen Aufheizrohr wird eine sehr homogene Temperatur- und damit auch eine sehr homoge Flüssigmetall-Verteilung im ganzen Metallbolzen erreicht. Dies insbesondere auch, weil die direkte Energieeinbringung in das Aufheizrohr geschieht und das Bolzenmaterial nur indirekt durch Wärmeleitung aufgeheizt wird, so dass allfällige, lokal vorhandene Unterschiede in der Gefügestruktur oder in der chemischen Zusammensetzung des Bolzenmaterials keinen Einfluss auf die direkte Energieeinbringung haben.Through the heating device according to the invention with a metal heating tube becomes a very homogeneous temperature and thus also a very homogeneous Liquid metal distribution achieved throughout the metal bolt. This especially because the direct introduction of energy into the heating pipe and the stud material is only indirectly heated by heat conduction, so that any local existing differences in the structure or in the chemical composition the bolt material has no influence on the direct energy input to have.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Aufheizrohres kann dieses aus keramischem Material bestehen. Bei Verwendung derartiger Aufheizrohre in einem Induktionsofen durchdringt das magnetische Feld das Aufheizrohr, d.h. das keramische Material des Aufheizrohres ist für das magnetische Feld transparent. Die Aufheizung des Metallbolzens geschieht dann durch direkte Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Induktionsofens.According to a further preferred embodiment of the heating tube this consist of ceramic material. When using such heating pipes in an induction furnace, the magnetic field penetrates the heating tube, i.e. the ceramic material of the heating tube is for the magnetic field transparent. The metal bolt is then heated by direct heating Interaction with the magnetic field of the induction furnace.
Geeignete keramische Materialien sind beispielsweise Al2O3, AL3O4, BN, SiC, Si3N4, MgO, TiO, ZrO2, stabilisierte, wie Yttrium-stabilisierte ZrO2, Gläser oder feuerfeste Zemente oder Mischungen, welche die genannten Materialien enthalten. Weiter bevorzugt kann das Aufheizrohr aus faserverstärktem keramischem Material bestehen oder solche Materialien enthalten, und die Fasern des faserverstärkten keramischen Materials können beispielsweise aus SiC, Al2O3, Glas oder Kohlenstoff sein.Suitable ceramic materials are, for example, Al 2 O 3 , AL 3 O 4 , BN, SiC, Si 3 N 4 , MgO, TiO, ZrO 2 , stabilized, such as yttrium-stabilized ZrO 2 , glasses or refractory cements or mixtures, which the mentioned Materials included. More preferably, the heating tube can be made of fiber-reinforced ceramic material or contain such materials, and the fibers of the fiber-reinforced ceramic material can be made of SiC, Al 2 O 3 , glass or carbon, for example.
Zur Gewährleistung des Einführens des Metallbolzens in das Aufheizrohr ist der Innendurchmesser dR des Aufheizrohres im kalten Zustand, insbesondere bei Raumtemperatur, d.h. bei einer Temperatur von 15°C bis 30°C, zweckmässigerweise etwas grösser als der Bolzendurchmessers dB des kalten Metallbolzens.To ensure that the metal bolt is inserted into the heating tube, the inside diameter d R of the heating tube in the cold state, in particular at room temperature, ie at a temperature of 15 ° C. to 30 ° C., is expediently somewhat larger than the bolt diameter d B of the cold metal bolt.
Der Innendurchmesser dR des Aufheizrohres in Abhängigkeit des Bolzendurchmessers dB wird bevorzugt derart gewählt, dass der Metallbolzen im kalten Zustand, insbesondere bei Raumtemperatur, d.h. bei einer Temperatur von 15°C bis 30°C, um ein Mass ▵d von ca. 0.5 mm, vorzugsweise 0.5 ± 0.3 mm, insbesondere 0.5 ± 0.1 mm, kleiner als der Innendurchmesser dR des Aufheizrohres ist.The inside diameter d R of the heating tube as a function of the pin diameter d B is preferably chosen such that the metal pin in the cold state, in particular at room temperature, ie at a temperature of 15 ° C. to 30 ° C., by a dimension ▵d of approx. 0.5 mm, preferably 0.5 ± 0.3 mm, in particular 0.5 ± 0.1 mm, is smaller than the inner diameter d R of the heating tube.
Während des Aufheizprozesses dehnt sich der Metallbolzen in radialer und achsialer Richtung aus, so dass zu einem bestimmten Zeitpunkt der Bolzendurchmessers dB dem Innendurchmesser dR des Aufheizrohres entspricht, wobei zu berücksichtigen ist, dass der Innendurchmesser dR ebenfalls temperaturabhängig ist.During the heating process, the metal bolt expands in the radial and axial directions, so that at a certain point in time the bolt diameter d B corresponds to the inside diameter d R of the heating tube, it having to be taken into account that the inside diameter d R is also temperature-dependent.
Bei Verwendung eines metallenen Aufheizrohres, insbesondere bei Verwendung eines Aufheizrohres aus Stahl, wird während dem Aufheizprozess des Metallbolzens - sobald infolge der Wärmeausdehnung der Bolzendurchmesser dB gleich dem Innendurchmesser dR des Aufheizrohres entspricht - eine sehr gleichmässige, radialsymmetrische Wärmeübertragung vom Aufheizrohr auf den Metallbolzen gewährleistet. Eine radialsymmetrisch gleichmässige Wärmeübertragung ist insbesondere nach Erreichen der Solidustemperatur des Metallbolzens von grosser Bedeutung, da eine lokal überhöhte Temperatur in einem Temperaturbereich oberhalb der Solidustemperatur eine entsprechende lokale Aufschmelzung des Bolzenmaterials bewirkt und folglich unbedingt vermieden werden soll.When using a metal heating tube, especially when using a steel heating tube, a very even, radially symmetrical heat transfer from the heating tube to the metal bolt is ensured during the heating process of the metal bolt - as soon as the bolt diameter d B corresponds to the inside diameter d R of the heating tube due to the thermal expansion . A radially symmetrical, even heat transfer is particularly important after reaching the solidus temperature of the metal bolt, since a locally elevated temperature in a temperature range above the solidus temperature causes a corresponding local melting of the stud material and should therefore be avoided at all costs.
Im Rahmen der erfinderischen Tätigkeit hat sich gezeigt, dass die Verwendung einer dünnen Schmierschicht zur Vermeidung eines Anhaftens des Metallbolzens am Aufheizrohr praktisch keinen Einfluss auf die Wärmeübertragung zwischen dem Bolzen und dem Aufheizrohr bewirkt. Dabei ist zu beachten, dass die als Trennmittel eingesetzten Schmiermittel - falls überhaupt notwendig - meist nur bei Aufheizrohren aus Metall eingesetzt werden, d.h. bei Verwendung von Aufheizrohren aus keramischem Material werden üblicherweise keine Trennmittel benötigt.Within the scope of the inventive step it has been shown that the use a thin smear layer to prevent the metal bolt from sticking on the heating pipe practically no influence on the heat transfer between the Bolts and the heating pipe causes. It should be noted that the release agent Lubricants used - if necessary at all - mostly only with heating pipes made of metal, i.e. when using heating pipes No release agents are usually required made of ceramic material.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorbehandlungsvorrichtung wird der Werkstoff des Aufheizrohres und der Innendurchmesser dR des Aufheizrohres derart gewählt, dass der Metallbolzen bei seiner Solidustemperatur Tsolidus im Wesentlichen denselben Durchmesser dB wie der Innendurchmesser dR des Aufheizrohres aufweist. Weiter bevorzugt erfüllt der Bolzendurchmesser dB bei Tsolidus die Beziehung 0.996 dR ≤ dB ≤ dR, besonders bevorzugt 0.998 dR ≤ dB ≤ dR und insbesondere 0.999 dR ≤ dB ≤ dR .In a preferred embodiment of the pretreatment device according to the invention, the material of the heating tube and the inside diameter d R of the heating tube are chosen such that the metal bolt at its solidus temperature T solidus has essentially the same diameter d B as the inside diameter d R of the heating tube. The bolt diameter d B at T solidus more preferably fulfills the relationship 0.996 d R ≤ d B d d R , particularly preferably 0.998 d R d d B d d R and in particular 0.999 d R d d B d d R.
Die Metallbolzen sind zylinderförmig und weisen in der Regel einen runden oder ovalen Querschnitt auf, können jedoch auch polygonalen Querschnitts sein. Der Durchmesser der Metallbolzen im kalten Zustand beträgt beispielsweise 50 bis 180 mm, zweckmässigerweise 75 bis 150 mm und bevorzugt 100 bis 150 mm. Die Länge der Metallbolzen beträgt im kalten Zustand beispielsweise 80 bis 500 mm.The metal bolts are cylindrical and usually have a round or oval cross-section, but can also be polygonal cross-section. The The diameter of the metal bolts in the cold state is, for example, 50 to 180 mm, expediently 75 to 150 mm and preferably 100 to 150 mm. The The length of the metal bolts in the cold state is, for example, 80 to 500 mm.
Beim Aufheizen des Metallbolzens dehnt sich der Metallbolzen wie auch das Aufheizrohr aus. Unterschiedliche Materialien weisen verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Stahl oder keramischem Material ist wesentlich kleiner als derjenige von beispielsweise Aluminium oder Aluminiumlegierungen. Demzufolge dehnt sich beispielsweise ein Metallbolzen aus einer Aluminiumlegierung stärker aus als ein Aufheizrohr aus beispielsweise Stahl oder keramischem Material, so dass - ausgehend von einem im kalten Zustand gegenüber dem Innendurchmesser des Aufheizrohres kleineren Durchmesser des Metallbolzens - der Metallbolzen bei einer bestimmten Temperatur den gleichen Durchmesser wie das Aufheizrohr aufweist. When the metal bolt heats up, the metal bolt as well as the heating tube expands out. Different materials have different coefficients of thermal expansion on. The coefficient of thermal expansion of steel or ceramic material is much smaller than that of, for example, aluminum or aluminum alloys. As a result, for example, it expands Metal bolts made of an aluminum alloy are stronger than a heating tube made of, for example Steel or ceramic material, so that - starting from an im cold condition compared to the inner diameter of the heating tube smaller Diameter of the metal stud - the metal stud at a certain temperature has the same diameter as the heating tube.
Erfindungsgemäss bevorzugt ist nun, dass bei der Solidustemperatur Tsolidus des Metallbolzenmaterials der Durchmesser des Metallbolzens im Wesentlichen dem Durchmesser des Aufheizrohres entspricht, so dass im Temperaturbereich, in dem die thixotropen Eigenschaften des Metallbolzens im Wesentlich eingestellt werden, ein optimaler thermischer Kontakt zwischen Aufheizrohr und Metallbolzen gebildet wird. Bei Erwärmung des den Metallbolzen enthaltenden Aufheizrohres über die Solidustemperatur Tsolidus hinaus, findet die Aufschmelzung des Eutektikums statt, verbunden mit einer Volumenvergrösserung des Metallbolzens. Das Eutektikum von für das Thixoformen geeigneten Aluminiumlegierungen bildet sich typischerweise bei ca. 550 bis 570 °C. Die Volumenvergrösserung im Bereich zwischen Solidus- und Liquidustemperatur beträgt bei thixotropen Aluminiumlegierungen typischerweise ca. 1.0 bis 5.5 % und insbesondere zwischen 1.5 bis 3 %. Bei der Aufheiz- oder Erwärmungsphase oberhalb der Solidustemperatur Tsolidus, welche bei für das Thixoformen geeigneten Aluminiumlegierungen typischerweise ca. 520 bis 550 °C beträgt, kann sich das Bolzenmaterial nur noch in Längsrichtung des Aufheizrohres ausdehnen, sofern die Bedingung, wonach bei Tsolidus der Bolzendurchmesser dB dem Durchmesser dR des Aufheizrohres entspricht, erfüllt ist. Bei Aluminiumlegierungen manifestiert sich die Volumenvergrösserung zwischen Solidus- und Liquiduszustand - abhängig von der Bolzenlänge - in einer Zunahme der Bolzenlänge von typischerweise ca. 3 bis 16 mm und insbesondere von 3 bis 6 mm. Die Längenzunahme eines Aluminiumbolzens unterhalb der Solidustemperatur beträgt - abhängig von der Bolzenlänge - typischerweise zwischen 1 und 2 mm.It is preferred according to the invention that at the solidus temperature T solidus of the metal stud material, the diameter of the metal stud essentially corresponds to the diameter of the heating pipe, so that in the temperature range in which the thixotropic properties of the metal stud are essentially set, optimal thermal contact between the heating pipe and the metal stud is formed. When the heating tube containing the metal bolt is heated above the solidus temperature T solidus , the eutectic is melted, combined with an increase in volume of the metal bolt. The eutectic of aluminum alloys suitable for thixoforming typically forms at approximately 550 to 570 ° C. The volume increase in the range between solidus and liquidus temperature is typically approx. 1.0 to 5.5% and in particular between 1.5 to 3% for thixotropic aluminum alloys. In the heating or heating phase above the solidus temperature T solidus , which is typically around 520 to 550 ° C in the case of aluminum alloys suitable for thixoforming, the stud material can only expand in the longitudinal direction of the heating tube, provided the condition according to which at T solidus Bolt diameter d B corresponds to the diameter d R of the heating pipe is fulfilled. In the case of aluminum alloys, the increase in volume between the solidus and liquidus state - depending on the bolt length - manifests itself in an increase in the bolt length of typically approx. 3 to 16 mm and in particular 3 to 6 mm. The length increase of an aluminum bolt below the solidus temperature is - depending on the bolt length - typically between 1 and 2 mm.
Aufgrund der Längenänderung des Metallbolzens während seiner Überführung in den thixotropen Zustand und zum wenigstens teilweisen Einführen von Verschlusselementen in den Hohlraum des Aufheizrohres muss die Länge des Aufheizrohres grösser als die Bolzenlänge sein. Vorzugsweise wird die Länge des Aufheizrohres derart gewählt, dass das Aufheizrohr insgesamt ca. 5 bis 30 mm, insbesondere 10 bis 20 mm, länger ist als der darin zu erwärmende Metallbolzen. Bei einer Aufheizung des Metallbolzens in horizontaler Lage steht somit auf jeder Seite des Aufheizrohres die Stirnseite des Aufheizrohres gegenüber der Sirnseite des Metallbolzens bevorzugt um ca. 2.5 bis 15 mm und insbesondere um 5 bis 10 mm vor. Bei einer Aufheizung des Metallbolzens in vertikaler Lage steht die Stirnseite des Aufheizrohres am oberen Rohrende gegenüber der Stirnseite des Metallbolzens bevorzugt um ca. 5 bis 30 mm und insbesondere um 10 bis 20 mm vor. Due to the change in length of the metal bolt during its transfer into the thixotropic state and for the at least partial insertion of closure elements the length of the heating tube must be in the cavity of the heating tube be longer than the bolt length. Preferably the length of the Heating tube selected such that the heating tube a total of about 5 to 30 mm, in particular 10 to 20 mm, is longer than the metal bolt to be heated therein. When the metal bolt is heated in a horizontal position, everyone stands on it Side of the heating tube, the front side of the heating tube opposite the front side of the metal bolt preferably by approximately 2.5 to 15 mm and in particular by 5 to 10 mm in front. When the metal bolt heats up in a vertical position, the front side is upright of the heating pipe at the upper end of the pipe opposite the face of the metal bolt preferably by about 5 to 30 mm and in particular by 10 to 20 mm.
Die Wanddicke des Aufheizrohres beträgt für Stahlrohre bevorzugt 1 bis 5 mm, für Kupferrohre bevorzugt 4 bis 10 mm und für keramische Rohre bevorzugt 8 bis 15 mm.The wall thickness of the heating tube is preferably 1 to 5 mm for steel tubes, for Copper pipes preferably 4 to 10 mm and for ceramic pipes preferably 8 to 15 mm.
Das erfindungsgemässe Aufheizrohr ist beidseits verschliessbar. Dazu werden bevorzugt Verschlusselemente aus keramischem Material verwendet. Als keramische Materialien für die Verschlusselemente eignen sich dieselben vorbeschriebenen Materialien wie für die eine bevorzugte Ausführungsvariante des Aufheizrohres aus keramischem Material. Keramisches Material weist gegenüber dem Metallbolzenmaterial eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die radiale Temperaturverteilung an den stirnseitigen Randbereichen des Metallbolzens durch solche Verschlusselemente nur wenig beeinflusst wird.The heating tube according to the invention can be closed on both sides. To do this preferably used closure elements made of ceramic material. As a ceramic Materials for the closure elements are the same as described above Materials as for the one preferred variant of the heating tube made of ceramic material. Ceramic material points towards the metal stud material a low thermal conductivity, so that the radial temperature distribution at the front edge areas of the metal bolt through such closure elements is little influenced.
Bei einer während dem Aufheizprozess im Wesentlichen horizontalen Lage des Metallbolzens wird das Aufheizrohr auf seinen beiden Stirnseiten zweckmässigerweise mittels Verschlusselementen, bevorzugt durch stopfen- oder zapfenförmige Verschlusselemente, dicht verschlossen. Die Dichtheit bezieht sich dabei auf die Vermeidung des Austretens von flüssigem Metall aus dem Aufheizrohr während dem Aufheizprozess.With a substantially horizontal position of the The heating tube on both ends is expediently made of metal bolts by means of closure elements, preferably by plug or peg-shaped Closing elements, tightly closed. The tightness refers to the Avoiding the escape of liquid metal from the heating tube during the heating process.
Weiter bevorzugt sind die stopfen- oder zapfenförmige Verschlusselemente bezüglich Materialwahl und Form derart ausgebildet, dass deren Reibungseigenschaften im Aufheizrohr einerseits eine durch die thermische Ausdehnung des Metallbolzens während dem Aufheizprozess bedingte Verschiebung in Richtung der Längsachse des Aufheizrohres erlauben und andererseits eine Verschiebung durch den vom Metallbolzen auf die Verschlusselemente ausgeübten Druck nach Erreichen der für den gewünschten thixotropen Zustand erforderlichen Temperatur vermieden wird. Die Verschlusselemente werden vorgängig dem Aufheizprozess bevorzugt soweit in das Aufheizrohr geschoben, dass diese in direktem mechanischem Kontakt zu den Stirnseiten des Metallbolzens stehen. Dadurch verschieben sich die Verschlusselemente während dem Aufheizvorgang im Aufheizrohr infolge der thermischen Längenausdehnung des Metallbolzens.The plug-shaped or peg-shaped closure elements are further preferred with regard to Material choice and shape designed such that their friction properties in the heating tube, on the one hand, due to the thermal expansion of the metal bolt shift in the direction of the longitudinal axis during the heating process allow the heating tube and on the other hand a shift by the Metal bolts exerted pressure on the closure elements after reaching the the desired thixotropic state temperature is avoided. Prior to the heating process, the closure elements are preferred so far pushed into the heating tube so that this is in direct mechanical contact the end faces of the metal bolt. This causes the locking elements to shift during the heating process in the heating tube due to the thermal Linear expansion of the metal bolt.
Bei einer während dem Aufheizprozess im Wesentlichen senkrechten Metallbolzen-Lage wird das Aufheizrohr einseitig, am unteren Rohrende dicht verschlossen. Auch hier bezieht sich die Dichtheit nur auf die Vermeidung des Ausfliessens von flüssigem Metall aus dem Aufheizrohr. Das Aufheizrohr kann dazu mit einer Stirnseite direkt auf einer bevorzugt höhenverstellbaren Tischplatte, vorzugsweise auf einer Tischplatte aus keramischem Material, festgelegt werden, oder das Aufheizrohr kann mittels einem Verschlusselement, bevorzugt durch ein stopfen- oder zapfenförmiges Verschlusselement, dicht verschlossen und mittels diesem Verschlusselement auf einer bevorzugt höhenverstellbaren Tischplatte aus beliebigem, wärmefesten Material in vertikaler Position festgelegt werden. Insbesondere bei Verwendung eines stopfen- oder zapfenförmigen Verschlusselementes ist das Verschlusselement bezüglich Materialwahl und Form bevorzugt derart ausgebildet, dass einerseits während dem Aufheizprozess im Ofen kein flüssiges Metall aus dem Aufheizrohr austreten kann und andererseits die Reibung des Verschlusselementes im Aufheizrohr weniger als 10 N beträgt.With a metal bolt position that is essentially vertical during the heating process the heating pipe is sealed on one side, tightly at the lower end of the pipe. Here, too, the tightness only refers to the prevention of the leakage of liquid metal from the heating tube. The heating tube can do this with one end directly on a preferably height-adjustable table top, preferably on a table top made of ceramic material, or the heating tube can by means of a closure element, preferably by a plug or cone-shaped closure element, tightly closed and by means of this closure element on a preferably height-adjustable table top made of any heat-resistant material can be set in a vertical position. Especially at The use of a stopper-shaped or peg-shaped closure element is the closure element with regard to choice of material and shape, preferably designed such that on the one hand no liquid metal is released during the heating process in the furnace can escape the heating tube and on the other hand the friction of the closure element is less than 10 N in the heating tube.
Die Reibung des Verschlusselementes muss gering sein, damit ein Greifarm einer Transportvorrichtung, insbesondere ein Robotergreifarm, das Aufheizrohr ohne grosse Kraftaufwendung, d.h. ohne dass der Greifarm für grosse mechanische Beanspruchungen ausgelegt werden muss, vom auf der Tischplatte festgelegten Verschlusselement abheben kann. Andererseits ist eine hohe Reibung für die Erreichung einer hohen Dichtheit auch nicht erforderlich, da das Verschlusselement nur das Auslaufen von flüssigem Metall während dem Aufheizvorgang verhindern muss und aufgrund der Kohäsion von Metallschmelzen, insbesondere von Aluminiumschmelzen, dies keine hohe Dichtheit erfordert. Zweckmässigerweise beträgt die Reibung des Verschlusselementes im Aufheizrohr weniger als 30 N, bevorzugt zwischen 2 und 20 N und insbesondere zwischen 5 und 10 N.The friction of the closure element must be low so that a gripper arm Transport device, in particular a robot gripper arm, the heating tube without great effort, i.e. without the gripper arm for large mechanical Stresses must be interpreted by the specified on the table top Closure element can lift off. On the other hand, there is a high level of friction for achievement A high level of tightness is also not necessary because the closure element only prevent the leakage of liquid metal during the heating process must and due to the cohesion of molten metals, in particular aluminum melts, this does not require a high level of tightness. Conveniently the friction of the closure element in the heating tube is less than 30 N, preferably between 2 and 20 N and in particular between 5 and 10 N.
Die erfindungsgemässe Vorbehandlungsvorrichtung eignet sich für die Bereitstellung eines thixotropen Metallbolzens in einer Giesskammer einer Vertikal- oder Horizontal-Thixoformeinrichtung. Besonders vorteilhaft ist diese Vorbehandlungsvorrichtung jedoch für die Bereitstellung eines thixotropen Metallbolzens in einer horizontal liegenden Giesskammer, da hierbei der Formerhalt mit der erfindungsgemässen Vorrichtung besonders gut gewährleistet werden kann. Bei einer Horizontal-Thixoformeinrichtung liegt die Giesskammer, die den thixotropen Metallbolzen aufnimmt, waagrecht.The pretreatment device according to the invention is suitable for provision of a thixotropic metal bolt in a casting chamber of a vertical or Horizontal thixoforming device. This pretreatment device is particularly advantageous however, for providing a thixotropic metal bolt in one horizontal casting chamber, since here the shape retention with the inventive Device can be guaranteed particularly well. With a horizontal thixoforming device lies the casting chamber that holds the thixotropic metal bolt picks up, horizontally.
Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemässe Vorrichtung für die Bereitstellung von thixotropen Metallbolzen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen. Aluminiumbolzen werden dabei ganz besonders bevorzugt in einem Induktionsofen mit einem vertikal liegenden Aufheizraum aufgeheizt. The device according to the invention is particularly advantageous for the provision of thixotropic metal bolts made of aluminum or aluminum alloys. Aluminum bolt are very particularly preferred in an induction furnace heated up in a vertical heating room.
Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Behälter ein zylinderförmiges Aufheizrohr darstellt, der Metallbolzen während dem Aufheizprozess und dem daran anschliessenden Transport in die Giesskammer stets im Aufheizrohr verbleibt, und das den Metallbolzen enthaltende Aufheizrohr in der Giesskammer derart positioniert wird, dass während dem nachfolgenden Thixoformprozess der Giesskolben der Thixoformeinrichtung den thixotropen Metallbolzen aus dem Aufheizrohr stossen kann.According to the invention, the object directed to the method is achieved by that the container is a cylindrical heating tube, the metal bolt during the heating process and the subsequent transport to the casting chamber always remains in the heating tube, and the heating tube containing the metal bolt is positioned in the casting chamber so that during the subsequent Thixoforming process of the casting flask of the thixoforming device the thixotropic Can push metal bolts out of the heating tube.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 13 bis 17 beschrieben. Die für die erfindungsgemässe Vorbehandlungsvorrichtung gemachten Aussagen hinsichtlich besonderer Merkmale und Einzelheiten gelten sinngemäss auch für das erfindungsgemässe Verfah ren.Preferred developments of the inventive method are in the dependent Claims 13 to 17 described. The for the pretreatment device according to the invention statements made regarding special characteristics and details apply mutatis mutandis to the inventive method.
Das den thixotrope Metallbolzen enthaltende Aufheizrohr wird nach dem Aufheizvorgang und nach allfälligem Abtropfen von während dem Aufheizvorgang aus dem Metallbolzen ausgetretener Metallschmelze durch beispielsweise einen Roboter zur Giesskammer transportiert und in den vorderen, halboffenen Teil der Giesskammer eingelegt. Nach der Vorbehandlung, d.h. zu Beginn des eigentlichen Thixoformprozesses, schiebt der Giesskolben den Metallbolzen aus dem Aufheizrohr in einen geschlossenen Teil der Giesskammer; danach wird die thixotrope Metalllegierung durch eine Durchgangsöffnung in Eingusskanäle und danach in die Formkavität eingeleitet. Nach dem Thixoformprozess wird der Giesskolben zurückgezogen, so dass danach ein Greifarm der Transportvorrichtung das Aufheizrohr wieder aus der Giesskammer abholen und der Verwendung für weitere Vorbehandlungsverfahren zuführen kann. Die Rückführung des Aufheizrohres zur Weiterverwendung für weitere Vorbehandlungsverfahren geschieht zweckmässigerweise während der Erstarrungsphase der thixotropen Metallegierung in der Formkavität. Das sich während der Erstarrung der thixotropen Metalllegierung in der Formkavität ausbildende Gussgefüge bestimmt wesentlich die Eigenschaften der Formteile. Die Gefügeausbildung ist gekennzeichnet durch die Phasen, wie Mischkristall und eutektische Phasen, das Gusskorn, wie Globuliten und Dendriten, Seigerungen als auch Gefügefehler wie Porosität (Gasporen, Mikrolunker) und Verunreinigungen, wie beispielsweise Oxide.The heating tube containing the thixotropic metal pin becomes after the heating process and after any draining from during the heating process Metal bolts that have leaked out, for example by a robot Casting chamber transported and in the front, half-open part of the casting chamber inserted. After pretreatment, i.e. at the beginning of the actual thixoforming process, the casting piston pushes the metal bolt out of the heating pipe into one closed part of the casting chamber; after that the thixotropic metal alloy through a through opening into the pouring channels and then into the mold cavity initiated. After the thixoforming process, the casting piston is pulled back, see above that afterwards a gripper arm of the transport device removes the heating pipe from the Pick up the casting chamber and use it for further pretreatment processes can supply. The return of the heating pipe for further use for further pretreatment procedures expediently take place during the Solidification phase of the thixotropic metal alloy in the mold cavity. That while the solidification of the thixotropic metal alloy in the mold cavity Cast structure essentially determines the properties of the molded parts. The microstructure is characterized by phases such as mixed crystal and eutectic Phases, the cast grain, such as globulites and dendrites, segregations as well as structural defects such as porosity (gas pores, micro voids) and impurities, such as Oxides.
Bevorzugt wird nach dem Aufheizprozess, jedoch vor dem Einführen des den thixotropen Metallbolzen enthaltenden Aufheizrohres in die Giesskammer, das während dem Aufheizprozess aus dem Metallbolzen ausgetretene, flüssige Metall wenigstens teilweise aus dem Aufheizrohr entfernt. Der während dem Aufheizprozess aus dem Metallbolzen austretende Flüssigmetall-Anteil beträgt typischerweise weniger als 1 Gew.-% des Bolzenmaterials.Preference is given to the heating process, but before the introduction of the heating tube containing thixotropic metal bolts into the casting chamber, the Liquid metal escaping from the metal bolt during the heating process at least partially removed from the heating tube. The one during the heating process Liquid metal portion emerging from the metal bolt is typically less than 1% by weight of the bolt material.
Der Transport des thixotropen Metallbolzens vom Aufheizofen in die Giesskammer mittels einem Roboter dauert typischerweise 5 bis 30 s und bevorzugt 8 bis 15 s. Die Zeitdauer, während der der thixotrope Metallbolzen in der Giesskammer verbleibt, beträgt typischerweise zwischen 3 und 5 s. Diese Zeit wird für das Wegfahren eines Roboter-Greifarmes aus der Giesskammer und für die elektronische Bereitschaftskontrolle einer Thixoformeinrichtung benötigt.The transport of the thixotropic metal bolt from the heating furnace into the casting chamber using a robot typically takes 5 to 30 s and preferably 8 to 15 s. The length of time that the thixotropic metal bolt remains in the casting chamber is typically between 3 and 5 s. This time is for driving away a robotic gripper arm from the casting chamber and for the electronic readiness control a thixoforming device is required.
Das erfindungsgemässe Vorbehandlungsverfahren bringt wesentliche Vorteile, insbesondere:
- es führt zu einer wesentlichen Reduktion der Wärmeverluste des thixotropen Metalles während dem Transport vom Aufheizofen zur Giesskammer und in der Giesskammer dank des bis auf die gleiche Temperatur wie der Metallbolzen erwärmten Aufheizrohres;
- durch das Absetzen des Metallbolzens innerhalb des Aufheizrohres in die Giesskammer, insbesondere in die Giesskammer einer Horizontal-Thixoformeinrichtung, eliminiert es den Schock des Falls, was die Beibehaltung der Form und der Homogenität des Metallbolzens gewährleistet;
- es vermeidet die Trennung des Flüssiganteils beim Einlegen des thixotropen Metallbolzens in die Giesskammer, so dass damit verbundene Vorerstarrungen von Flüssigmetall in der Giesskammer vermieden werden;
- es verhindert zu einem wesentlichen Teil die Oxidation der Metallbolzenoberfläche, da der Metallbolzen während des Aufheizvorganges und dem Transport in die Giesskammmer und dessen Aufenthalt in der Giesskammer bis zum Beginn des eigentlichen Thixoformprozesses nicht einer freien Atmosphäre ausgesetzt ist;
- es vermindert das Risiko von Lufteinschlüssen und von Oxiden in der Giesskammer während der Füllphase der Formkavität, da einerseits die Oxidbildung vermindert wird und andererseits durch den Formerhalt des Metallbolzens während der Vorbehandlung auch Lufteinschlüsse durch Bolzenverformungen vermieden werden.
- it leads to a substantial reduction in the heat losses of the thixotropic metal during the transport from the heating furnace to the casting chamber and in the casting chamber thanks to the heating tube heated up to the same temperature as the metal bolts;
- by depositing the metal bolt inside the heating tube in the casting chamber, in particular in the casting chamber of a horizontal thixoforming device, it eliminates the shock of the fall, which ensures the shape and homogeneity of the metal bolt;
- it avoids the separation of the liquid portion when the thixotropic metal bolt is inserted into the casting chamber, so that the associated solidification of liquid metal in the casting chamber is avoided;
- it largely prevents oxidation of the metal stud surface, since the metal stud is not exposed to a free atmosphere during the heating process and the transport into the casting chamber and its stay in the casting chamber until the actual thixoforming process begins;
- it reduces the risk of air inclusions and oxides in the casting chamber during the filling phase of the mold cavity, since on the one hand the oxide formation is reduced and on the other hand, air retention due to stud deformation is avoided due to the shape of the metal stud during pretreatment.
Die genannten Vorteile haben einen direkten Einfluss auf die Qualität der produzierten Formteile; dadurch wird der Ausschuss verringert.The advantages mentioned have a direct influence on the quality of the produced Molded parts; this reduces the scrap.
Die erfindungsgemässe Vorbehandlungsvorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren eignen sich zur Bereitsstellung von thixotropen Metallbolzen in vertikal oder horizontal liegenden Giesskammern. Bevorzugte Verwendungen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den Verwendungsansprüchen 18 und 19 beschrieben.The pretreatment device according to the invention and the one according to the invention Methods are suitable for the provision of thixotropic metal bolts in vertical or horizontal casting chambers. Preferred uses of the invention Methods are described in the use claims 18 and 19.
Für die Verifikation des Erwärmungsprinzips in einem Aufheizrohr wird ein kreiszylinderförmiger Aluminiumbolzen mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Länge von 200 mm in vertikaler Lage in einem Ofen mit einer Widerstandsheizung auf eine erforderliche Temperatur oberhalb der Solidustemperatur aufgeheizt, wobei die Endtemperatur und das zeitabhängige Temperaturprofil des Aufheizofens derart gewählt werden, dass am Ende des Aufheizprozesses ein thixotroper Metallbolzen mit einem Flüssiganteil von ca. 50 Gew.-% vorliegt. Der Aluminiumbolzen befindet sich während des Aufheizprozesses in einem Aufheizrohr aus Edelstahl mit einer Wanddicke von 5 mm. Das Aufheizrohr und somit auch der Metallbolzen liegen am unteren Ende auf einer Wärmeisolationsplatte auf. Am oberen Ende des Aufheizrohres ragt dessen kreisförmige Oberkante etwa 5 mm über den oberen Bolzenrand vor. Das obere Ende des Aufheizrohres ist nicht verschlossen, so dass die Längenänderung mittels einem Laser-Interferometer während dem ganzen Aufheizprozess gemessen werden kann.A circular cylinder is used to verify the heating principle in a heating pipe Aluminum bolts with a diameter of 100 mm and one Length of 200 mm in a vertical position in an oven with a resistance heater heated to a required temperature above the solidus temperature, where the final temperature and the time-dependent temperature profile of the heating furnace be chosen such that at the end of the heating process a thixotropic Metal bolt with a liquid content of about 50 wt .-% is present. The aluminum bolt is located in a heating pipe during the heating process Stainless steel with a wall thickness of 5 mm. The heating pipe and thus the Metal bolts rest on a heat insulation plate at the lower end. At the top The end of the heating pipe protrudes about 5 mm from its circular top edge the upper edge of the bolt. The upper end of the heating pipe is not closed, so that the change in length using a laser interferometer during the entire heating process can be measured.
Die Bolzentemperatur wird mittels parallel zur Bolzen-Längsachse liegenden Thermoelementen während dem Aufheizprozess kontinuierlich erfasst, wobei - bezüglich der konzentrischen Längsachse des Aluminiumbolzens - ein erstes Thermoelement zur Messung der Randtemperatur T0 im Randbereich des Aluminiumbolzens eingeführt ist, ein zweites Thermoelement zur Messung der Temperatur T1 in der Mitte zwischen Bolzenmitte und Bolzenrand positioniert wird und ein drittes Thermoelement zur Messung der Temperatur T2 ungefähr 5 mm von der Bolzenmitte entfernt angeordnet ist. Die Thermoelemente werden ca. 50 mm tief in den Bolzen gesteckt. Die mit den genannten drei Thermoelementen gemessenen, zeitabhängigen Temperaturprofile T0(t), T1(t) und T2(t) sind in Fig. 3 dargestellt und zeigen - innerhalb einer Messgenauigkeit von ± 1 % - im Wesentlichen alle denselben Temperaturverlauf.The bolt temperature is continuously recorded during the heating process by means of thermocouples lying parallel to the longitudinal axis of the bolt, whereby - with respect to the concentric longitudinal axis of the aluminum bolt - a first thermocouple for measuring the edge temperature T 0 is introduced in the edge region of the aluminum bolt, a second thermocouple for measuring the temperature T. 1 is positioned in the middle between the center of the bolt and the edge of the bolt and a third thermocouple for measuring the temperature T 2 is arranged approximately 5 mm from the center of the bolt. The thermocouples are inserted approx. 50 mm deep into the bolt. The time-dependent temperature profiles T 0 (t), T 1 (t) and T 2 (t) measured with the three thermocouples mentioned are shown in FIG. 3 and show - within a measurement accuracy of ± 1% - essentially all the same temperature profile.
Die während des in Fig. 3 dargestellten Aufheizprofiles gemessene Längenänderung des Metallbolzens ist in Fig. 4 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass sich der Aluminiumbolzen bis zum Erreichen der Solidustemperatur in Längsrichtung um ca. 1.5 mm ausdehnt, wobei oberhalb der Solidustemperatur die thermische Längenausdehnung stark zunimmt.The change in length measured during the heating profile shown in FIG. 3 of the metal bolt is shown in Fig. 4. It can be seen from this that the Aluminum bolts until the solidus temperature is reached in the longitudinal direction by approx. 1.5 mm, the thermal linear expansion above the solidus temperature increases rapidly.
Zur Untersuchung der Formstabilität des thixotropen Bolzens wird ein Aluminiumbolzen erfindungsgemäss in senkrechter Lage aufgeheizt bis der thixotrope Bolzen einen Flüssiganteil von ca. 50 Gew.-% aufweist, dann aus dem Ofen genommen, in eine horizontale Lage überführt und aus dem Aufheizrohr ausgestossen. Die Prüfung der geometrischen Gestalt des thixotropen Aluminiumbolzens zeigt, dass die Formstabilität gegeben ist, d.h. der thixotrope Aluminiumbolzen hat im Wesentlichen - abgesehen der thermischen Ausdehnung - dieselbe Gestalt wie der ursprüngliche Aluminiumbolzen.An aluminum bolt is used to examine the dimensional stability of the thixotropic bolt According to the invention heated in a vertical position until the thixotropic bolt has a liquid content of about 50% by weight, then taken out of the oven, in transferred to a horizontal position and ejected from the heating tube. The exam The geometric shape of the thixotropic aluminum bolt shows that the Dimensional stability is given, i.e. the thixotropic aluminum bolt essentially has - apart from the thermal expansion - the same shape as the original Aluminum bolt.
Im Weiteren wird festgestellt, dass während dem Aufheizprozess nur sehr wenig flüssiges Metall aus dem Metallbolzen austritt. Zudem behält der thixotrope Bolzen seine glatte Oberfläche auch während dem Aufheizprozess. Oxidationsspuren können an der Oberfläche keine beobachtet werden. Die Prüfung der Flüssigmetall-Verteilung mittels einem Schneidtest zeigt weiter, dass die Homogenität des thixotropen Zustandes ebenfalls sehr gut erfüllt ist.It is also found that very little during the heating process liquid metal emerges from the metal bolt. The thixotropic bolt also retains its smooth surface even during the heating process. Traces of oxidation none can be observed on the surface. Testing the liquid metal distribution by means of a cutting test further shows that the homogeneity of the thixotropic condition is also very well met.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren 1 bis 4, sowie anhand der Zeichnungen.
- Fig. 1
- zeigt schematisch die zeitliche Abfolge der wesentlichen Verfahrensschritte für die Bereitstellung eines thixotropen Metallbolzens in der Giesskammer einer Horizontal-Thixoformeinrichtung, wobei der Metallbolzen in einer Horizontallage in den thixotropen Zustand überführt wird;
- Fig. 2
- zeigt schematisch die zeitliche Abfolge der wesentlichen Verfahrensschritte für die Bereitstellung eines thixotropen Metallbolzens in der Giesskammer einer Horizontal-Thixoformeinrichtung, wobei die Aufheizung des Metallbolzens in einer vertikalen Lage geschieht;
- Fig. 3
- zeigt beispielhaft eine typische Aufheizkurve;
- Fig. 4
- zeigt beispielhaft eine typische temperaturabhängige Deformationskurve eines Metallbolzens während eines erfindungsgemässen Aufheizvorganges.
- Fig. 1
- schematically shows the chronological sequence of the essential process steps for the provision of a thixotropic metal bolt in the casting chamber of a horizontal thixoforming device, the metal bolt being converted into the thixotropic state in a horizontal position;
- Fig. 2
- shows schematically the chronological sequence of the essential process steps for the provision of a thixotropic metal bolt in the casting chamber of a horizontal thixoforming device, the heating of the metal bolt taking place in a vertical position;
- Fig. 3
- shows an example of a typical heating curve;
- Fig. 4
- shows an example of a typical temperature-dependent deformation curve of a metal bolt during a heating process according to the invention.
Die Zeichnungen a) bis c) von Fig. 1 zeigen jeweils einen vertikalen Längsschnitt
entlang der konzentrischen Längsachse ℓ eines Metallbolzens 10, resp. durch die
Vorrichtungselemente 14, 20, 30, in denen sich der Metallbolzen 10 während der
Vorbehandlung befindet, wobei der Aufheizvorgang des Metallbolzens 10 in einer
horizontalen Lage geschieht.The drawings a) to c) of Fig. 1 each show a vertical longitudinal section
along the concentric longitudinal axis ℓ of a
Fig. 1 a) zeigt das Laden eines in einem festen Aggregatzustand befindlichen
Metallbolzens 10 in ein horizontal liegendes Aufheizrohr 14. Das Aufheizrohr 14
wird mit stopfenförmigen Verschlusselementen 16, 18 verschlossen, wobei die
Verschlusselemente 16, 18 einerseits an den Stirnseiten 15 des Aufheizrohres 14
anliegen und andererseits mit dem Metallbolzen 10 bündig schliessen, d.h. die
Verschlusselemente 16, 18 liegen innerhalb des Aufheizrohres 14 an den Stirnseiten
12 des Metallbolzens 10 an.Fig. 1 a) shows the loading of a in a solid physical
Das den Metallbolzen 10 enthaltende und mit den Verschlusselementen 16, 18
verschlossene Aufheizrohr 14 wird waagrecht in den Aufheizraum 21 eines Induktionsofens
20 eingeschoben. Dabei befindet sich das Aufheizrohr 14 in der Mitte
des von Induktionsspulen 22 umschlossenen Aufheizraumes 21, d.h. die konzentrische
Längsachse des Aufheizraumes 21 und die konzentrische Längsachse ℓ des
Metallbolzens 10 fallen zusammen. Während des Aufheizvorganges dehnt sich der
Metallbolzen anfänglich in allen Richtungen aus. Wenn der Metallbolzen seine
Solidustemperatur Tsolidus erreicht, stösst der Metallbolzen 10 am Aufheizrohr 14 an,
so dass sich der Metallbolzen 10 radial im Wesentlichen nicht mehr weiter ausdehnt,
d.h. die weitere radiale Ausdehnung des Metallbolzens 10 ist auf die üblicherweise
sehr geringe radiale Ausdehnung des Aufheizrohres 14 beschränkt.
Demnach ist die weitere thermische Ausdehnung des Metallbolzens 10 nach Erreichen
der Solidustemperatur Tsolidus im Wesentlichen nur in Richtung seiner konzentrischen
Längsachse ℓ möglich, wobei die Verschlusselemente 16, 18 entsprechend
der thermischen Ausdehnung des Metallbolzens 10 voneinander weggeschoben
werden, so dass die stopfenförmigen Verschlusselemente 16, 18 nicht
mehr an den Stirnseiten 15 des Aufheizrohres 14 anliegen. The
Fig. 1 b) zeigt das Entladen des Induktionsofens 20, d.h. das Herausführen des
den thixotropen Metallbolzen 10 enthaltenden Aufheizrohres 14 aus dem Aufheizraum
21 des Induktionsofens 20. Die Verschlusselemente 16, 18 werden nach
dem Entladen des Induktionsofens 20 vom Aufheizrohr 14 getrennt. Im Weiteren
wird die während dem Aufheizvorgang aus dem Metallbolzen 10 ausgetretene,
flüssige Metallschmelze 24 aus dem Aufheizrohr 14 entfernt, indem man das flüssige
Metall 24 aus dem Aufheizrohr 14 abtropften lässt, wobei das flüssige Metall
beispielsweise in einer Auffangschale (nicht eingezeichnet) aufgefangen wird.Fig. 1 b) shows the discharge of the
Fig. 1 c) zeigt das in eine Giesskammer 30 einer Horizontal-Thixoformeinrichtung
eingeführte Aufheizrohr 14. Dabei ist das Aufheizrohr 14 derart im Giesskammerhohlraum
32 der Giesskammer 30 positioniert, dass während dem nachfolgenden
Thixoformprozess der Giesskolben 34 den thixotropen Metallbolzen 10 aus dem
Aufheizrohr 14 stossen kann, so dass die thixotrope Metalllegierung anschliessend
durch die Durchgangsöffnung 36 in die Eingusskanäle (nicht eingezeichnet) und
dann in die Formkavität (nicht eingezeichnet) eingeleitet werden kann. Die Giesskammer
30 weist eine Aussparung für die Aufnahme des Aufheizrohres auf. Diese
Aussparung dient einerseits für die Zentrierung des Aufheizrohres 14 und andererseits
als Anschlag für das Festlegen des Aufheizrohres 14 während dem Herausstossen
des thixotropen Metallbolzens 10 zu Beginn des Thixoformprozesses.1 c) shows this in a
Die Zeichnungen a) bis e) von Fig. 2 zeigen jeweils einen vertikalen Längsschnitt
entlang der konzentrischen Längsachse ℓ eines Metallbolzens 10, resp. durch die
Vorrichtungselemente 14, 20, 30, in denen sich der Metallbolzen 10 während der
Vorbehandlung befindet, wobei der Aufheizvorgang des Metallbolzens 10 in einer
vertikalen Bolzen-Lage geschieht.The drawings a) to e) of FIG. 2 each show a vertical longitudinal section
along the concentric longitudinal axis ℓ of a
Fig. 2 a) zeigt das Einführen eines in einem senkrechten Aufheizrohr 14 befindlichen
Metallbolzens 10 in einen vertikal liegenden, zylinderförmigen Aufheizraum 21
eines Induktionsofens 20. Das Aufheizrohr 14 ist am unteren Rohrende, d.h. an der
unteren Stirnseite 15 des Aufheizrohres 14, mit einem stopfenförmigen Verschlusselement
16 verschlossen. Das Verschlusselement liegt auf einer Tischplatte 26 auf.
Das Einführen des den Metallbolzen 10 enthaltenden Aufheizrohres 14 in den Induktionsofen
20 geschieht durch senkrechtes Aufsetzen des Aufheizrohres 14 auf
die Tischplatte 26, wobei das Verschlusselement 16 auf die Tischplatte 26 zu liegen
kommt, und durch Heben der Tischplatte 26 bis das Aufheizrohr 14 vollständig
in den Aufheizraum 21 des Induktionsofens 20 zu liegen kommt. Das Aufheizrohr
14 befindet sich mittig im durch die Induktionsspulen 22 begrenzten Aufheizraum
21, d.h. die konzentrische Längsachse des Aufheizraumes 21 fällt mit der konzentrischen
Längsachse ℓ des Metallbolzens 10 zusammen.2 a) shows the insertion of one located in a
Während des Aufheizvorganges dehnt sich der Metallbolzen anfänglich in radialer
wie auch in senkrechter Richtung aus. Wenn der Metallbolzen seine Solidustemperatur
Tsolidus erreicht, stösst der Metallbolzen 10 in radialer Richtung am Aufheizrohr
14 an, so dass sich der Metallbolzen 10 radial im Wesentlichen nicht mehr weiter
ausdehnt, d.h. die weitere radiale Ausdehnung des Metallbolzens 10 ist auf die
üblicherweise sehr geringe radiale Ausdehnung des Aufheizrohres 14 beschränkt.
Demnach ist die weitere thermische Ausdehnung des Metallbolzens 10 nach Erreichen
der Solidustemperatur Tsolidus im Wesentlichen nur in senkrechter Richtung,
parallel zu seiner konzentrischen Längsachse ℓ möglich. Das obere Rohrende 15
des Aufheizrohres 14 ist offen, so dass sich der Metallbolzen 10 ungehindert nach
oben thermisch ausdehnen kann.During the heating process, the metal bolt initially expands in the radial as well as in the vertical direction. When the metal bolt reaches its solidus temperature T solidus , the
Fig. 2 b) zeigt den Induktionsofen 20, nachdem das Aufheizrohr 14 mit dem
thixotropen Metallbolzen 10 aus dem Aufheizraum 21 herausgeführt ist. Das Herausführen
des thixotropen Metallbolzens geschieht hierbei durch Absenkung der
Tischplatte 26.Fig. 2 b) shows the
Fig, 2 c) zeigt das in senkrechter Richtung aus dem Ofen herausgeführte, den
thixotropen Metallbolzen 10 enthaltende, senkrecht auf der Tischplatte 26 festgelegte
Aufheizrohr 14, welches zudem noch mit dem stopfenförmigen Verschlusselement
16 dicht verschlossen ist.Fig. 2 c) shows that led out of the furnace in the vertical direction
Fig. 2 d) zeigt das von der Tischplatte 26 und dem Verschlusselement 16 getrennte,
den thixotropen Metallbolzen 10 enthaltende Aufheizrohr 14 in horizontaler
Lage. Zweckmässigerweise geschieht die Trennung des Aufheizrohres 14 vom
Verschlusselement 16 und die Überführung des Aufheizrohres in eine horizontale
Lage mittels einem Roboter. Dabei ist die vom Roboterarm für das Abheben des
Aufheizrohres 14 von der Tischplatte 26 und dem Verschlusselement 16 aufzuwendene
Kraft gering.2 d) shows that separated from the
Das Verschlusselement 16 verschliesst das Aufheizrohr 14 formschlüssig und
dicht. Die Dichtheit wird jedoch nur zur Vermeidung des Ausfliessens von flüssigem
Metall gefordert, so dass aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Metalls
das Verschlusselement 16 im Wesentlichen nur formschlüssig in das Aufheizrohr
14 greifen muss und daher keine hohe Reibung zwischen Aufheizrohr 14 und Verschlusselement
16 erforderlich ist.The
Der thixotrope Metallbolzen ist derart im Aufheizrohr eingeklemmt, d.h. dessen
Adhäsion ist so gross, dass das Aufheizrohr in vertikaler Richtung vom Verschlusselement
abgehoben werden kann, ohne dass der thixotrope Metallbolzen 10 aus
dem Aufheizrohr 14 fällt. Das vertikale Abheben des Aufheizrohres 14 vom auf der
Tischplatte 26 festgelegten Verschlusselement 16 erlaubt zudem das Abtropfen
des sich während dem Aufheizvorgang gebildeten flüssigen Metalles 24 ausserhalb
des Aufheizofens 20.The thixotropic metal bolt is clamped in the heating tube in this way, i.e. whose
Adhesion is so great that the heating tube in the vertical direction from the closure element
can be lifted off without the
Fig. 2 e) zeigt das in eine Giesskammer 30 einer Horizontal-Thixoformeinrichtung
eingeführte Aufheizrohr 14. Dabei ist das Aufheizrohr 14 derart im Giesskammerhohlraum
32 der Giesskammer 30 positioniert, dass während dem nachfolgenden
Thixoformprozess der Giesskolben 34 den thixotropen Metallbolzen 10 aus dem
Aufheizrohr 14 stossen kann, so dass die thixotrope Metalllegierung anschliessend
durch die Durchgangsöffnung 36 in die Eingusskanäle (nicht eingezeichnet) und
dann in die Formkavität (nicht eingezeichnet) eingeleitet werden kann. Die Giesskammer
30 weist eine Aussparung für die Aufnahme des Aufheizrohres auf. Diese
Aussparung dient einerseits zur Zentrierung des Aufheizrohres 14 und andererseits
als Anschlag für das Festlegen des Aufheizrohres 14 während dem Herausstossen
des thixotropen Metallbolzens 10 zu Beginn des Thixoformprozesses.2 e) shows this in a
Das Einlegen des thixotropen Metallbolzens 10 in den Giesskammerhohlraum 32
der Giesskammer 30 geschieht zweckmässigerweise mittels einem Roboter. Das
Einlegen des thixotropen Metallbolzens hat dabei so sanft zu erfolgen, dass der
Formerhalt des Bolzens 10 nach dem Einlegen in die Giesskammer 30 gewährleistet
ist.Inserting the
Fig. 3 zeigt eine typische Aufheizkurve bis zur Erreichung der Solidustemperatur
Tsolidus eines in einem erfindungsgemässen Aufheizrohr 14 befindlichen Aluminiumbolzens
10 in einem Widerstandsofen. Die Aufheizkurve betrifft einen in einem
Aufheizrohr 14 aus Edelstahl befindlichen, kreiszylinderförmigen Aluminiumbolzen
10 mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Länge von 200 mm in vertikaler
Lage, wobei das Aufheizrohr 14 eine Wanddicke von 5 mm aufweist und die untere
Stirnseite 12 des Aluminiumbolzens 10 auf einer Wärmeisolationsplatte 26 direkt
aufliegt, d.h. die untere Sirnseite 12 des Aluminiumbolzens 10 und die untere Stirnseite
15 des Aufheizrohres 14 liegen in derselben Ebene.FIG. 3 shows a typical heating curve up to reaching the solidus temperature T solidus of an
Die Aufheizkurve, d.h. die zeitabhängige Bolzentemperatur, wird mittels parallel zur
Bolzen-Längsachse ℓ liegenden Thermoelementen während dem Aufheizprozess
kontinuierlich erfasst, wobei - bezüglich der konzentrischen Längsachse ℓ des Aluminiumbolzens
10 - ein erstes Thermoelement zur Messung der Randtemperatur
T0(t) im Randbereich des Aluminiumbolzens 10 eingeführt ist, ein zweites Thermoelement
zur Messung der Temperatur T1(t) in der Mitte zwischen Bolzenmitte und
Bolzenrand positioniert wird und ein drittes Thermoelement zur Messung der Temperatur
T2(t) ungefähr 5 mm von der Bolzenmitte entfernt angeordnet ist. Die
Thermoelemente werden ca. 50 mm tief in den Bolzen 10 gesteckt. Die mit den
genannten drei Thermoelementen gemessenen, zeitabhängigen Temperaturprofile
T0(t), T1(t) und T2(t) sind in Fig. 3 dargestellt und zeigen - innerhalb einer Messgenauigkeit
von ± 1 % - im Wesentlichen alle denselben Temperaturverlauf.The heating curve, i.e. the time-dependent bolt temperature, is continuously recorded during the heating process by means of thermocouples lying parallel to the longitudinal axis ℓ, whereby - with respect to the concentric longitudinal axis ℓ of the aluminum bolt 10 - a first thermocouple for measuring the edge temperature T 0 (t) in the edge area of
Fig. 4 zeigt beispielhaft eine typische temperaturabhängige Deformationskurve
während des in Fig. 3 durch die Aufheizkurve dargestellten, erfindungsgemässen
Aufheizvorganges eines Aluminiumbolzens 10. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, dass sich
der Aluminiumbolzen 10 bis zum Erreichen der Solidustemperatur Tsolidus bei ca.
560°C in Längsrichtung im Wesentlichen linear temperaturabhängig um ca. 1.5 mm
ausdehnt, wobei oberhalb der Solidustemperatur die thermische Längenausdehnung
▵L(T) sprunghaft zunimmt.FIG. 4 shows an example of a typical temperature-dependent deformation curve during the heating process of an
Claims (19)
dadurch gekennzeichnet, dass
der Behälter ein zylinderförmiges, seitlich verschliessbares Aufheizrohr (14) darstellt, und die Vorbehandlungsvorrichtung dergestalt ausgebildet ist, dass der Metallbolzen (10) während der ganzen Vorbehandlung, nämlich dem Aufheizprozess im Ofen (20) und dem Transport in die Giesskammer (30) und dem Verweilen in der Giesskammer (30) bis zum Beginn des Thixoformprozesses, im Aufheizrohr (14) verbleiben kann.Pretreatment device for providing a thixotropic metal bolt (10) in a casting chamber (30) of a thixoforming device, comprising a container for receiving a metal bolt (10), an oven (20) for transferring the metal bolt (10) located in the container into a partially liquid, thixotropic State, as well as a transport device for transporting and inserting the thixotropic metal bolt (10) into the casting chamber (30),
characterized in that
the container is a cylindrical, laterally closable heating tube (14), and the pretreatment device is designed such that the metal bolt (10) during the entire pretreatment, namely the heating process in the furnace (20) and the transport into the casting chamber (30) and the Linger in the casting chamber (30) until the start of the thixoforming process, can remain in the heating tube (14).
dadurch gekennzeichnet, dass
der Behälter ein zylinderförmiges Aufheizrohr (14) darstellt, der Metallbolzen (10) während dem Aufheizprozess und dem daran anschliessenden Transport in die Giesskammer (30) stets im Aufheizrohr (14) verbleibt, und das den Metallbolzen (10) enthaltende Aufheizrohr (14) in der Giesskammer (30) derart positioniert wird, dass während dem nachfolgenden Thixoformprozess der Giesskolben (34) der Thixoformeinrichtung den thixotropen Metallbolzen (10) aus dem Aufheizrohr (14) stossen kann.Method for providing a thixotropic metal bolt (10) in a casting chamber (30) of a thixoforming device, wherein a metal bolt (10) is placed in a container in a solid state of aggregation and the metal bolt (10) in the container is heated in an oven (20) for as long as until the metal bolt (10) is in a thixotropic state and the thixotropic metal bolt (10) is inserted into the casting chamber (30) of a thixoforming device by means of a transport device,
characterized in that
the container is a cylindrical heating tube (14), the metal bolt (10) always remains in the heating tube (14) during the heating process and the subsequent transport into the casting chamber (30), and the heating tube (14) containing the metal bolt (10) in the casting chamber (30) is positioned such that during the subsequent thixoforming process the casting piston (34) of the thixoforming device can push the thixotropic metal bolt (10) out of the heating tube (14).
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