DE10133757A1

DE10133757A1 - Use as the base area of a cylinder head

Info

Publication number: DE10133757A1
Application number: DE2001133757
Authority: DE
Inventors: Torsten Schellhase
Original assignee: Mahle Ventiltrieb GmbH
Current assignee: Mahle Ventiltrieb GmbH
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2003-02-13
Also published as: WO2003006811A1

Abstract

Ein Einsatz aus Metall als zumindest die Ventilsitzbereiche der Gaswechselventile umfassender Bodenbereich eines Zylinderkopfes eines Verbrennungsmotors soll einfach herstellbar und funktionssicher einsetzbar sein. DOLLAR A Zu diesem Zweck zeichnet sich solcher Einsatz durch folgende Merkmale aus DOLLAR A - die Ventilsitzbereiche (6, 7) bestehen aus gegenüber einem angrenzenden Bereich A des Einsatzes (5) verschiedenen, gesinterten Metallteilen, DOLLAR A - die die Ventilsitzbereiche (6, 7) bildende Metallteile sind eigenständig erzeugte Teile, an die der angrenzende Bereich des Einsatzes nachträglich angeformt ist.An insert made of metal as at least the bottom area of a cylinder head of an internal combustion engine encompassing the valve seat areas of the gas exchange valves should be easy to manufacture and functionally reliable. DOLLAR A For this purpose, such an insert is characterized by the following features: DOLLAR A - the valve seat areas (6, 7) consist of different, sintered metal parts compared to an adjacent area A of the insert (5), DOLLAR A - which the valve seat areas (6, 7 ) Forming metal parts are independently produced parts, to which the adjacent area of the insert is subsequently molded.

Description

Die Erfindung betrifft einen Einsatz als Bodenbereich eines Zylinderkopfes eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to use as a floor area of a Cylinder head of an internal combustion engine according to the generic term of claim 1.

Aus DE 31 00 755 A1 ist ein Zylinderkopf mit einem Einsatz aus dispersionsgehärtetem Sinteraluminium bekannt. Der Einsatz kann entweder eingegossen, eingepresst, eingeschweißt oder mechanisch verankert sein. Die Ventilsitzbereiche werden in der Form von Sitzringen eingeschrumpft bzw. eingepresst, wodurch sich einerseits ein schlechter Wärmeübergang zu dem angrenzenden Material ergibt und wodurch andererseits ein hoher Fertigungs- und Montageaufwand erforderlich ist. DE 31 00 755 A1 describes a cylinder head with an insert known from dispersion-hardened sintered aluminum. The Insert can either be cast in, pressed in, welded in or be mechanically anchored. The valve seat areas are shrunk in the form of seat rings or pressed in, which on the one hand results in poor heat transfer to the adjacent material, and on the other hand a high manufacturing and assembly effort is required.

US 5,954,038 A beschreibt einen Einsatz für einen Aluminium- Zylinderkopf, welcher aus einem Werkstoff besteht, der eine hohe Warmfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit besitzt, wobei dieser Einsatz zumindest einen Anteil an Grauguss enthält. Dieser Einsatz ist im Bereich der Ventilsitze entweder gehärtet, oder es werden Ventilsitzringe eingeschrumpft bzw. eingepresst, um die erforderliche Verschleißfestigkeit zu erreichen. Wird der Ventilsitzbereich gehärtet, können die spezifischen Anforderungen für einen Einlass- und Auslassventilsitz nicht optimal eingestellt werden. Bei der Verwendung von Ventilsitzringen ergibt sich der bereits vorstehend bei DE 31 00 755 A1 herausgestellte Nachteil. US 5,954,038 A describes an insert for an aluminum Cylinder head, which consists of a material, the one has high heat resistance and thermal conductivity, whereby this insert contains at least a proportion of gray cast iron. This insert is in the area of the valve seats either hardened, or valve seat rings are shrunk or pressed in to achieve the required wear resistance to reach. If the valve seat area is hardened, the specific requirements for an intake and Exhaust valve seat are not optimally adjusted. In the Use of valve seat rings already results from the above Disadvantage highlighted in DE 31 00 755 A1.

DE 199 18 002 C1 beschreibt ein Verfahren zum Gießen eines Zylinderkopfes aus zwei Legierungen. Eine hochfeste und hochtemperaturwechselbeständige, erste Leichtmetalllegierung wird im Brennraumbodenbereich bis zu einer Schichtdicke von etwa 50 mm vergossen. Bereits vor Erreichen dieser Schichtdicke wird die Gießleistung der ersten Leichtmetalllegierung reduziert und eine zweite, gut gießbare Leichtmetalllegierung zugemischt, welche den oberen Teil des Zylinderkopfes bildet. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, im mechanisch und thermisch hochbelasteten Bereich eine hochwertige Legierung zu verwenden. Allerdings ist der Masseneinsatz für diese Legierung sehr hoch, und die Sitzringproblematik ist weiterhin vorhanden. DE 199 18 002 C1 describes a method for casting a Cylinder head made of two alloys. A high strength and High temperature change resistant, first light metal alloy is in the combustion chamber floor area up to a layer thickness of shed about 50 mm. Even before reaching this Layer thickness becomes the casting performance of the first light metal alloy reduced and a second, easily castable light metal alloy admixed which is the upper part of the cylinder head forms. This method offers the advantage in mechanical and thermally highly stressed area a high quality alloy to use. However, mass deployment is for this Alloy very high, and the seat ring problem continues available.

Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, einen einfach herstellbaren und betriebssicher funktionierenden, gattungsgemäßen Einsatz zu schaffen. The invention deals with the problem of a easy to manufacture and function reliably to create generic use.

Grundsätzlich gelöst wird dieses Problem durch einen gattungsgemäßen Einsatz nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, 16 oder 17. This problem is basically solved by a generic use according to the characterizing features of Claim 1, 16 or 17.

Zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen der Ausführung nach Anspruch 1 sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche. Appropriate and advantageous embodiments of the execution according to claim 1 are subject of the dependent Dependent claims.

Der Einsatz kann insbesondere in einem pulvermetallurgischen Verfahren aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt werden. Für den Bereich der Gaswechselventilsitze können den jeweiligen Anforderungen entsprechende, unterschiedliche Werkstoffe eingesetzt werden. Die Ventilsitzbereiche können als fertiggesinterte Sitzringe in eine Pressform zum Herstellen des Einsatzes eingelegt werden, wobei der verbleibende Bereich, der den Steg- und Dichtflächen bei dem Zylinderkopf zugeordnet ist, mit dem Basismaterial in Pulverform aufgefüllt, verpresst und anschließend zur Erzielung eines Verbundteiles bei ca. 600°C gesintert wird. Als Basismaterial für den Einsatz kann beispielsweise dispersionsgehärtetes Sinteraluminium gewählt werden. Der Einsatz kann entweder einzeln für jeden Zylinder oder als ein zusammenhängender Einsatz für mehrere Zylinder in die Gießform zur Herstellung des Zylinderkopfes eingelegt und dadurch in den Zylinderkopf eingegossen werden. Durch eine Oberflächenbehandlung, wie beispielsweise Alfinieren oder Sandstrahlen des Einsatzes, und durch eine besondere Formgebung kann eine ausgezeichnete, metallische Bindung und ein fester, mechanischer Formschluss zwischen dem Einsatz und dem Zylinderkopf erreicht werden. The use can be particularly in a powder metallurgical Processes are made from different materials. For the area of the gas exchange valve seats, the corresponding to different requirements Materials are used. The valve seat areas can be as Sintered seat rings in a press mold to manufacture the Insert, the remaining area, of the web and sealing surfaces on the cylinder head is filled with the base material in powder form, pressed and then to achieve a composite part is sintered at approx. 600 ° C. As base material for the Use can be, for example, dispersion-hardened Sintered aluminum can be selected. The insert can either be used individually for each cylinder or as a coherent insert for several cylinders in the mold to make the Cylinder head inserted and thereby in the cylinder head be poured. By a surface treatment like for example finishing or sandblasting of the insert, and a special shape allows an excellent, metallic bond and a firm, mechanical form fit between the insert and the cylinder head.

Besondere Vorteile der Erfindung bestehen darin, gezielt für den Bodenbereich des Zylinderkopfes ein Verstärkungsteil vorfertigen zu können, bei dem eine große Freiheit bei der Wahl der Werkstoffe und der Fertigungsverfahren besteht. Hierdurch können sowohl Zylinderköpfe aus Aluminiumlegierungen als auch aus Gusseisenwerkstoffen einfach und wirkungsvoll verstärkt werden. Beschränkungen aus dem Gießprozess für die Zylinderköpfe bestehen bei den erfindungsgemäßen Ausführungen des Bodeneinsatzes nicht. Particular advantages of the invention are targeted for the bottom area of the cylinder head a reinforcing part to be able to prefabricate, with a great freedom in the Choice of materials and manufacturing processes. This allows both cylinder heads Aluminum alloys as well as cast iron materials simple and be strengthened effectively. Limitations from the casting process exist for the cylinder heads in the invention Designs of the floor insert are not.

Ein erfindungsgemäßer Einsatz aus dispersionsgehärtetem Aluminium besitzt eine sehr hohe Warmfestigkeit, eine hohe Druckkriechfestigkeit sowie eine gute Wärmeleitfähigkeit. Im Wärmeausdehnungsverhalten entspricht ein solcher Einsatz demjenigen eines Aluminiumzylinderkopfes. Beim Pressen des Einsatzes mit den in die Pressform eingelegten Sitzringen als Ventilsitzbereiche und einem anschließenden Sintern bei einer Temperatur von ca. 600°C wird ein sehr inniger, mechanischer Verbund durch Verklammerung und Formschluss erzeugt, welcher eine gute Wärmeübertragung von den Sitzringbereichen zum Einsatz garantiert. Durch das Eingießen des Einsatzes in einen Zylinderkopf entweder als einzelner Einsatz für jeden Zylinder oder als zusammenhängender Einsatz für mehrere Zylinder mit einer vorangehenden Oberflächenbehandlung, wie beispielsweise Alfinieren oder Sandstrahlen, wird ein inniger Verbund durch eine intermetallische Verbindung und einer mechanischen Verklammerung sowie Formschluß erzeugt. Indem der Einsatz die thermisch hochbeanspruchten Bereiche des Bodenbereiches mit insbesondere den Ventilstegen und dem mit einer hohen Druckbelastung beaufschlagten Dichtflächenbereich umfasst, besteht weder eine Steg-Riss-Gefahr noch eine Gefahr der Eindrückung im Dichtbereich. An inventive use from dispersion-hardened Aluminum has a very high heat resistance, a high one Pressure creep resistance as well as good thermal conductivity. in the Such use corresponds to thermal expansion behavior that of an aluminum cylinder head. When pressing the Insert with the seat rings inserted into the press mold as valve seat areas and a subsequent sintering a temperature of approx. 600 ° C becomes a very intimate, mechanical bond created by clamping and positive locking, which has good heat transfer from the seat ring areas guaranteed use. By pouring the insert into a cylinder head either as a single insert for each Cylinder or as a coherent insert for several Cylinders with a previous surface treatment, such as for example, finishing or sandblasting, becomes an intimate one Compound through an intermetallic compound and one mechanical clamping and positive locking generated. By the Use the thermally highly stressed areas of the Floor area with in particular the valve webs and with a high pressure load applied sealing surface area there is neither a risk of web breakage nor one Danger of indentation in the sealing area.

Bei der Verwendung von Sinterstahl als Basismaterial für den Einsatz ergibt sich weiterhin auch noch die Möglichkeit, den Einsatz als Bodenplatte in einen Zylinderkopf aus Gusseisen einzugießen. Eine weitere Vereinfachung des Herstellungsprozesses für den Verbundkörper ergibt sich bei der Verwendung durch Sinterstahl als Basismaterial, wenn die Ventilsitzbereiche nicht als vorgeformte Teile in die Pressform für den Einsatz eingelegt werden, sondern in die Pressform im Bereich der Ventilsitzbereiche besonders verschleißfestes Sinterstahlpulver eingebracht wird und danach die Pressform mit dem Basismaterial aufgefüllt, gepresst und das Einsatzteil dann gesintert wird. When using sintered steel as the base material for the There is still the possibility of using the Use as a base plate in a cast iron cylinder head pour. A further simplification of the Manufacturing process for the composite body results from the use through sintered steel as the base material if the Valve seat areas not as preformed parts in the mold for the Insert, but in the mold in Area of valve seat areas particularly wear-resistant Sintered steel powder is introduced and then the mold with filled the base material, pressed and the insert then sintered.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. An advantageous embodiment of the invention is in shown in the drawing.

In dieser zeigen die einzige In this show the only one

Fig. 1 die prinzipielle Darstellung eines Teilquerschnittes durch einen aus einer Aluminiumlegierung gegossenen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors mit Ladungswechselkanälen und einem Einsatz als teilweiser Bodenbereich. Fig. 1 shows the basic representation of a partial cross section through a cast from an aluminum alloy cylinder head of an internal combustion engine with charge exchange channels and use as a partial floor area.

Ein Zylinderkopfrohling 1 mit Gaswechselkanälen 2, 3 und einem Kühlwassermantel 4 ist in dessen Bodenbereich mit einem Einsatz 5 versehen. A cylinder head blank 1 with gas exchange channels 2 , 3 and a cooling water jacket 4 is provided with an insert 5 in the bottom area thereof.

Der Einsatz 5 besteht aus dispersionsgehärtetem Aluminium und ist direkt in den Zylinderkopf 1 eingegossen. The insert 5 consists of dispersion-hardened aluminum and is cast directly into the cylinder head 1 .

Dabei ist der Einsatz 5 ein Verbundkörper, welcher mit Hilfe eines pulvermetallurgischen Verfahrens hergestellt ist. Die Herstellung erfolgt dadurch, dass in eine Pressform für den Einsatz 5 vorgefertigte Ventilsitzbereiche 6, 7 in der Form von Sinterringen eingelegt werden. Der verbleibende Raum der Pressform zur Herstellung des Einsatzes wird sodann als Bereich A des Einsatzes 5 mit dem dispersionsgehärteten Aluminiumpulver aufgefüllt, der Einsatz gepresst und anschließend bei einer Temperatur von ca. 600°C gesintert. In dieser Form wird der Einsatz 5 nach einer Oberflächenbehandlung durch beispielsweise Alfinieren in eine Gussform zur Herstellung des Zylinderkopfes 1 eingelegt und mit Aluminiumgusswerkstoff umgossen, wobei sich eine intermetallische Verbindung bildet. Der Einsatz 5 kann dabei entweder einzeln für jeden Zylinder oder als zusammenhängender Einsatz 5 für mehrere Zylinder in die Zylinderkopf-Gussform eingelegt werden. The insert 5 is a composite body which is produced with the aid of a powder metallurgical process. The manufacture takes place by inserting valve seat regions 6 , 7 in the form of sintered rings into a press mold for the insert 5 . The remaining space of the press mold for the production of the insert is then filled as area A of the insert 5 with the dispersion-hardened aluminum powder, the insert is pressed and then sintered at a temperature of approx. 600 ° C. In this form, the insert 5 is inserted into a casting mold for producing the cylinder head 1 after surface treatment by, for example, finishing, and cast with aluminum casting material, an intermetallic compound being formed. The insert 5 can be inserted into the cylinder head mold either individually for each cylinder or as a coherent insert 5 for several cylinders.

Bei einer Ausbildung des Zylinderkopfes 1 aus Gusseisen besteht der Einsatz 5 zweckmäßigerweise aus Sinterstahl. Die Herstellung dieses Sinterstahleinsatzes kann analog zu derjenigen bei dem vorstehend beschriebenen Einsatz aus Sinteraluminium erfolgen. When the cylinder head 1 is made of cast iron, the insert 5 expediently consists of sintered steel. This sintered steel insert can be produced from sintered aluminum in a manner analogous to that for the insert described above.

Claims

1. Insert made of metal as at least the bottom area of a cylinder head of an internal combustion engine comprising the valve seat areas of the gas exchange valves, characterized by the features:

- The valve seat areas ( 6 , 7 ) consist of different, sintered metal parts compared to an adjacent area A of the insert ( 5 ),

- The metal parts forming the valve seat areas ( 6 , 7 ) are independently produced parts, to which the adjacent area of the insert ( 5 ) is subsequently molded.

2. Use according to claim 1, characterized, that the independently produced parts made of sintered material consist.

3. Insert according to claim 1 or 2, characterized in that the valve seat areas ( 6 , 7 ) are metallically connected to the adjacent, remaining area of the insert ( 5 ).

4. Use according to one of claims 1 to 3, characterized, that the area A consists of sintered metal.

5. Use according to claim 4, characterized, that the sintered metal is made from dispersion hardened Sintered aluminum exists.

6. Use according to claim 4 or 5, characterized, that area A is made of fiber reinforced sintered aluminum consists.

7. Use according to claim 6, characterized, that the fiber reinforcement made of short alumina fibers consists.

8. Use according to one of the preceding claims, characterized in that area A is sintered onto the valve seat areas ( 6 , 7 ).

9. Use according to one of claims 1 to 3, characterized, that the area A with a fiber composite material Alumina short fibers, the fiber molded body with a thermal shock resistant, high pressure creep resistant and good heat-conductive cast aluminum alloy as a matrix material is melt infiltrated.

10. Use according to claim 9, characterized in that area A is limited to narrow areas surrounding the valve seat areas ( 6 , 7 ), each of which is followed by a further area of a different composition.

11. Use according to one of claims 1 to 3, characterized, that the area A consists of a cast, highly thermal shock resistant, high pressure resistant and good thermal conductivity Cast aluminum alloy exists.

12. Use according to one of claims 1 to 3, characterized, that area A is made of high quality cast iron material consists.

13. Use according to claim 4, characterized, that the sintered metal of area A is made of sintered steel consists.

14. Insert according to one of the preceding claims, characterized in that this insert ( 5 ) is anchored like an undercut in the base material of the cylinder head ( 1 ).

15. Use with adjacent material cast onto the valve seat areas according to one of claims 1, 2, 3, 9, 10, 11 or 12, characterized in that the sintered valve seat areas ( 6 , 7 ) are porous at their areas contacting the adjacent insert material are.

16. Insert made of metal as at least the bottom area of a cylinder head of an internal combustion engine comprising the gas exchange valves of the gas exchange valves, characterized in that the entire insert ( 5 ) is made of a fiber composite material with short aluminum oxide fibers as the fiber body and this fiber body in the area of the valve seats ( 6 , 7 ) is infiltrated with a material that meets the requirements of these areas, while the remaining area of the insert ( 5 ) is melt-infiltrated with a high-quality cast aluminum alloy as the matrix material.

17. Insert made of metal as the bottom area of a cylinder head of an internal combustion engine comprising at least the valve seat areas of the gas exchange valves, characterized in that the insert ( 5 ) consists of sintered steel in powder metallurgy, special sintered steel materials being provided in the valve seat areas ( 6 , 7 ) that meet the requirements the valve seat areas ( 6 , 7 ) meet, the different sintered steel materials forming a jointly sintered composite part.