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Die
Erfindung betrifft Kokillen für
den Leichtmetallguss von Zylinderköpfen in Verbrennungsmotoren
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Beim
Gießen
von Zylinderköpfen
aus Aluminiumlegierungen (Al-Zylinderköpfe) für Verbrennungsmotoren
werden unterschiedliche Gussverfahren angewendet, wobei der Kokillenguss
besonders geeignet ist. Kokillenguss ist ein Gießverfahren, das sich besonders
für Aluminium,
Magnesium und Messing eignet. Als Kokillenwerkstoff dient meistens warmbeständiger Stahl
oder Gusseisen. Vor dem Giessen werden die Kokillen in der Regel
geschlichtet, das heißt,
mit einer Schicht aus Graphit, Kaolin oder ähnlichem versehen. Für Hinterschneidungen werden
Kerne, beispielsweise Sandkerne eingesetzt, die nach dem Guss zerstört werden.
Im Vergleich zu Sandguss sind die Abkühlungsgeschwindigkeiten beim
Kokillenguss aufgrund der höheren
Wärmeleitfähigkeit
von Stahl oder Gusseisen gegenüber
Sand deutlich höher.
Dadurch entsteht ein relativ feinkörniges und dichtes Gefüge, das
bessere mechanische Eigenschaften aufweist als Sandguss aus den
gleichen Gusswerkstoffen.
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Aluminium-
oder Magnesiumlegierungen werden in der Regel steigend gegossen.
Dies vermindert die Bildung von Oxidhäuten. Al-Zylinderköpfe werden
bevorzugt turbulenzarm von der unten liegenden Kokille zur Darstellung
der Brennraumplatte in Richtung zum oben liegenden sandgegossenen Öldeck steigend
gegossen. Das Kokillengießen
führt durch
vergleichsweise hohe Abkühlgeschwindigkeiten
bei qualitativ hochwertigen Al-Primärlegierungen (z.B. EN AC-A1
Si7Mg wa) bei der im Verbrennungsmotor thermomechanisch hoch belasteten
Brennraumplatte zu hoher statischer Festigkeit und hoher Bruchdehnung.
Insbesondere eine hohe Duktilität
ist maßgeblich
für eine
hohe dynamische Festigkeit bzw. Standzeit des Zylinderkopfes.
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Der
mit Sandkern gegossene Wasserraum stellt hierbei eine Problemzone
dar. So lösen
sich an der thermomechanisch hoch belasteten Brennraumplatte Dauerbrüche an der
rauen bzw. kerbwirkenden Wasserraumoberfläche und thermische Ermüdungsrisse
an den kerbwirkenden Brennraumkonturen (Glühstiftbohrung, Brennsteg-Drallfase)
aus. Deshalb ist ein duktiler bzw. kerbunempfindlicher Al- oder Mg-Gusswerkstoff
anzustreben.
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Neben
geeigneter Legierungszusammensetzung und Wärmebehandlung ist eine hohe
Kokillenkühlung
in der kokillengegossenen Brennraumplatte erforderlich, um hier über eine
rasche Erstarrung ein feines bzw. hoch festes und zugleich duktiles
Gefüge zu
erzielen. So ist z.B. auf eine hohe Wasserkühlung der Kokille zu achten.
Wenn steigend über
die kokillengekühlte
Brennraumplatte gegossen wird, verschlechtert die eingebrachte Gießwärme mit
zunehmender Gießzeit
die Kokillenkühlung.
Deshalb werden Zylinderköpfe
meist an der Längsseite
bzw. seitlich angeschnitten, damit sich die Kokillenkühlung während des
Füllens
durch das dann schnellere Füllen/Gießen des
Zylinderkopfes weniger stark aufheizt. Für das Erstarren des Zylinderkopfes
verbleibt somit eine ausreichende Kokillenkühlung, so dass das Gefüge in der
Brennraumplatte schnell bzw. fein erstarrt.
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Ein
ebenfalls turbulenzarmes Gießen
zur Vermeidung von Oxiden bzw. Oxidhäuten wird über ein steigendes Kokillen-Kippgießen erzielt.
Beim Füllen
die Kokille wird dabei an einem Ende des Zylinderkopfes um die Längsachse
von schräg,
z.B. 60°, auf
waagerecht bzw. 0° geschwenkt.
Dabei wird der Zylinderkopf an der vorderen oder hinteren Stirnseite der
Brennraumplatte angeschnitten. Für
den Fall, dass ein Steuerkasten an der Vorderseite des Zylinderkopfs
integriert ist, der zu einem turbulenten Füllen führen würde, ist bevorzugt die hintere
Stirnseite der Brennraumplatte anzuschneiden. Durch das Anschneiden
an einer der schmalen Stirnseiten der Brennraumplatte ergeben sich
beim Kokillenkippgießen
vor allem bei mehrzylindrigen Zylinderköpfen längere Füll-/Gießzeiten. Hierdurch reduziert
sich besonders in Nähe
zum wärmeeinbringenden
Gießanschnitt
die Kokillenkühlleistung
nach dem Füllen
der wärmeeinbringenden
Al-/Mg-Schmelze drastisch, wodurch hier das Gefüge langsamer als auf der gegenüberliegenden
Brennraumplattenseite erstarrt. Zudem verstärkt sich der Erstarrungsgradient
in Längsachse
des Zylinderkopfes dadurch, dass durch die Kokillenkühlung die
Schmelze mit zunehmendem Gießweg
bzw. vom Zylinder mit dem wärmeeinbringenden
Gießanschnitt
in Richtung zur gegenüberliegenden
Zylinderkopf-Stirnseite kontinuierlich abkühlt. Das heißt die Schmelze
ist hier vor Erstarrungsbeginn schon kälter als in Nähe zum Gießanschnitt.
Zudem wird hier die Kokillenkühlung
der Brennraumplatte weniger thermisch in Mitleidenschaft gezogen, da
die Schmelze schon kälter
ist und im Gegensatz zum Gießanschnitt
nur ein Teil der heißen
Schmelze hier einströmt.
Infolge dessen erstarrt das Gefüge
am Gießwegende
der kokillengekühlten Brennraumplatte
schneller und feiner als im Gießanschnittbereich. Der
sich so ergebende Gefügegradient
in Zylinderkopf-Längsrichtung
ist umso ausgeprägter,
je länger bzw.
mehrzylindriger der Zylinderkopf ist. Da das Brennraumplattengefüge in den
Zylindern in Nähe zum
Gießanschnitt
hinsichtlich Al-/Mg-Dendritenarmabstand und Ausbildung intermetallischer
Phasen gröber
bzw. spröder
oder kerbempfindlicher ist, treten hier bei so gegossenen Zylinderköpfen vorzeitige
Wasser- und Brennraumschäden
auf. Von besonderer Bedeutung ist es daher, homogen über alle Zylinder
verteilte mechanische Kennwerte, insbesondere der Bruchdehnung,
zu erhalten.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Bereitstellung einer Kokillenkühlung, die
auf die unterschiedlichen Wärmeverhältnisse
in der Kokille angepasst ist und in allen Bereichen der Kokille ähnliche
Abkühlgeschwindigkeiten
der Schmelze ermöglicht.
Insbesondere soll die Kokillenkühlung
in Richtung zum wärmeeinbringenden
Gießanschnitt
einen steigenden Kühlgradienten
aufweisen, so dass die Temperatur der Schmelze über den Füllweg vom Gießanschnitt
zur gegenüberliegenden
Stirnseite der Brennraumplatte beim Gießvorgang ähnlich hoch bleibt.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Kokille für
den Leichtmetallguss von Zylinderköpfen in Verbrennungsmotoren
mit Zylinderformen und Kokillenkühlkreisläufen, die
zumindest alle Zylinderformen versorgen, umfassend Kühlmitteleinlässe, Kühlmittelleitungen
und Kühlmittelauslässe mit
den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kokille sind Gegenstand
der abhängigen Ansprüche 2 bis
10.
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Erfindungsgemäß ist somit
vorgesehen, dass die Kokille mindestens zwei voneinander getrennte
Kühlkreisläufe aufweist;
einen ersten Kokillenkühlkreislauf
und einen zweiten hiervon getrennten Kokillenkühlkreislauf auf der Seite des
Anschnittes. Beide Kühlkreisläufe weisen
jeweils unterschiedliche Kühlleistung
auf. Durch die Kühlkreisläufe werden
alle Zylinderformen versorgt, wobei der Kokillenkühlkreislauf
auf der Seite des Anschnitts höchstens die
Hälfte
der Zylinderformen (4, 5) versorgt und eine höhere Kühlleistung
aufweist.
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Durch
die getrennten Kühlkreisläufe mit
jeweils unterschiedlicher Kühlleistung
und Ausdehnung lässt
sich die Temperaturverteilung in der Kokille in einfacher Weise
genau und gleichmäßig einstellen.
Die Abkühlgeschwindigkeiten
können
auf hohem Niveau homogen über
das gesamte Gießteil
verteilt eingestellt werden. Hierdurch ergibt sich erfindungsgemäß eine gleichmäßig hohe
Erstarrung und somit fein erstarrtes Brennraumplattengefüge in allen
Zylindern.
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Da
der Wärmeeintrag über die
zuströmende Schmelze
am Anschnitt am größten ist,
wird erfindungsgemäß nur eine
geringe Anzahl an Zylinderformen je Kühlkreislauf gekühlt als
auf der gegenüberliegenden
Seite.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 Schema
einer von hinten angeschnittenen Kokille für einen fünfzylindrigen Zylinderkopf mit
5 Zylinderformen (1, 2, 3, 4, 5)
und zwei Kokillenkühlkreisläufen (7, 10),
Kühlmitteleinlässe (6, 9), Kühlmittelauslässe (8, 11)
und den Anschnitt (14), sowie
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2 Schema
einer von hinten angeschnittenen Kokille für einen fünfzylindrigen Zylinderkopf mit
5 Zylinderformen (1, 2, 3, 4, 5)
und drei Kokillenkühlkreisläufen (7, 12, 13),
Kühlmitteleinlässe (6, 9a, 9b),
Kühlmittelauslässe (8, 11a, 11b),
Anschnitt (14), Kühlmittelleitungen
(12', 13') für die Fließrichtung
parallel zur Schmelze und Kühlmittelleitungen
(12'', 13'') für die Fließrichtung antiparallel zur
Schmelze.
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Die
Kokillenkühlkreisläufe werden
in den Zeichnungen durch zusammenhängende Pfeile wiedergegeben,
wobei die Pfeilspitzen eine der möglichen Kühlmittelflussrichtungen angeben.
Der Verlauf von Kühlmittelleitungen
kann dabei den Pfeilen entsprechen. Der Verlauf ist gleichwohl nicht
auf die abgebildeten Pfeile beschränkt.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die Kokille einen
erster Kokillenkühlkreislauf
(7) an der dem Anschnitt (14) gegenüberliegenden
Seite und einen zweiten hiervon getrennten Kokillenkühlkreislauf
(10) auf der Seite des Anschnitts (14) mit unterschiedlicher
Kühlleistung
auf, wobei die Kühlkreisläufe jeweils
mindestens zwei der Zylinderformen (1, 2, 3, 4, 5)
versorgen. Dabei versorgt der Kokillenkühlkreislauf (10) auf
der Seite des Anschnitts (14) bevorzugt weniger Zylinderformen
als der gegenüberliegende
Kokillenkühlkreislauf
(7). In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die
Kokille für
Zylinderzahlen von 5 bis 12 eingesetzt, wobei der Kokillenkühlkreislauf
(10) auf der Seite des Anschnitts (14) 2, 3 oder
4 Zylinderformen versorgt.
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Eine
Möglichkeit
für eine
gleichmäßige Kokillenkühlung ist
die, dass je ein Kühlkreislauf
auf einen oder maximal zwei der Zylinder verwendet wird, die sich
in Nähe
zum wärmeeinbringenden
Gießanschnitt
(14) befinden, während
die dem Gießanschnitt
gegenüber
liegenden Zylinder geringer gekühlt
werden, indem mindestens 2 oder 3 dieser Zylinder nur von einem
Kühlkreislauf
(7) gekühlt
werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind mehr als zwei getrennte
Kühlkreisläufe vorgesehen. Dabei
werden bevorzugt je 2 oder 3 Zylinder von jeweils einem getrennten
Kühlkreislauf
der Kokille gekühlt.
Hierdurch ergibt sich erfindungsgemäß eine gleichmäßig hohe
Erstarrung und somit fein erstarrtes Brennraumplattengefüge auch
bei Zylinderzahlen über
5, insbesondere bei 6, 8 oder 12 Zylindern.
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Besonders
bevorzugt erstreckt sich der Kokillenkühlkreislauf (10) auf
der Seite des Anschnitts (14) nur auf den Bereich von ein
oder zwei anschnittseitigen Zylinderformen (4, 5).
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In
weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung
erhalten die Zylinder in direkter Nähe zum wärmeeinbringenden Gießanschnitt
zwei getrennte Kühlkreise.
Somit sind anschnittseitig mehrere Kokillenkühlkreisläufe (12, 13)
vorgesehen, die jeweils nur einen Teilbereich einer oder mehrerer
Zylinderformen versorgen. Dabei werden bevorzugt zwei gleichartige Kokillenkühlkreisläufe spiegelbildlich
und symmetrisch zur Mittellinie der Kokille vorgesehen. 2 zeigt
eine entsprechende Anordnung. Dabei sind die Kokillenkühlkreisläufe durch
Pfeile dargestellt, welche die Fließrichtung des Kühlmittels
andeuten. Typischerweise entsprechen die Pfeile auch Kühlmittelleitungen.
Die entsprechenden Kühlmittelleitungen (12', 13') und die Kühlmittelleitungen
(12'', 13'') sind dann symmetrisch zur Mittellinie
ausgerichtet.
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Auch
die Lage der Kühlmitteleinlässe ist
unter dem Gesichtspunkt einer möglichst
hohen Kühlleistung
unter Sicherstellung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung
zu gestalten. Bevorzugt sind die Kühlmitteleinlässe (6, 9),
zumindest auf der Seite des Anschnitts (14) im zentralen
Bereich bzw. nahe der Mittellinie der Kokille oder des Brennraumes
angeordnet.
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Besonders
bevorzugt sind der oder die Kühlmitteleinlässe (9)
des oder der anschnittseitigen Kokillenkühlkreisläufe (10, 12, 13)
auf der Seite des Anschnitts (14) der Kokille angeordnet.
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In
einer weiteren besonders geeigneten Variante wird die Kühlwasserrichtung
des mindestens einen anschnittseitigen Kühlkreislaufs parallel zur Füllrichtung
der Kokille bzw. parallel zur Schmelze geführt. Somit wird der Wassereintritt
mit dem kühleren Wasser
in Nähe
des wärmeeinbringenden
Gießanschnittes
platziert. Der Wasseraustritt mit dem wärmeren bzw. schon aufgeheizten
Wasser wird an der gegenüberliegenden
Seite des Gießanschnittes
angebracht, wo eine hohe Kühlleistung
nicht mehr erforderlich ist. Die Kühlwasserrichtung in den einzelnen Kühlkreisläufen wird
parallel zur Füllrichtung
der heißen
Schmelze geführt.
Die Flussrichtung des Kühlmittels
nach dem Austritt aus den Kühlmitteleinlässen (9a, 9b)
erfolgt somit parallel zur Fließrichtung der
Schmelze.
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Je
nach erforderlicher Kühlleistung
kann das Kühlwasser
aber auch in Richtung auf den Anschnitt zurückgeführt werden, bevor es austritt. 2 zeigt eine
entsprechende Kühlmittelführung. Das
Kühlmittel
tritt über
die Kühlmitteleinlässe (9a, 9b)
in die Kokille ein und strömt
in Kühlmittelleitungen
(12', 13') zunächst parallel
zur Schmelze (Kokillenfüllrichtung) an
zwei Zylinderformen (4, 5) vorbei. Hierauf wird
das Kühlmittel
umgelenkt und strömt
nun der Schmelze in weiter außen
liegenden Kühlmittelleitungen
(12'', 13'') zu den Auslässen (11a, 11b)
zurück.
die Kühlmittelleitungen
(12', 13') Bevorzugt
sind die Kühlmittelleitungen
(12', 13') für die Fließrichtung
parallel zur Schmelze näher
an der Mittellinie der Kokille angeordnet als die Kühlmittelleitungen
(12'', 13'') für die Fließrichtung antiparallel zur
Schmelze.
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Die
Temperaturverteilung lässt
sich über
die Anzahl der einzelnen Kokillenkühlkreisläufe und deren jeweilige Kühlleistung
einstellen. Je nach Anzahl der zu kühlenden Zylinder und Lage des
Kokillenkühlkreislaufs
sind unterschiedliche Kühlleistungen erforderlich.
Eine höhere
Kokillenkühlleistung
kann über
eine höhere
Geschwindigkeit des Kühlwassers, größere Kühlwasserkanäle, oder
dergleichen erzielt werden. Bevorzugt werden die Kühlmittelleitungen aller
Kühlmittelsysteme
in etwa mit gleichen Durchmessern ausgeführt aber der Kühlmittel-Volumenstrom
bei den anschnittseitigen Kokillenkühlkreisläufen höher gewählt. Im anschnittseitigen Kokillenkühlkreislauf
(10, 12, 13) ist der Kühlmittel-Volumenstrom damit
immer höherer
als im ersten Kühlmittelkreislauf (7).
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Die
erfindungsgemäßen Kokillen
eignen sich insbesondere auch für
das Kokillenkipp-, Schwenk- oder Schwerkraftgießen.
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Beispiel 1:
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Kippgegossene
fünf- bzw.
sechszylindrige Dieselzylinderköpfe
aus EN AC-Al Si7Mg T 7 mit Gießanschnitt
an der hinteren Stirnseite wurden mit 2 Kokillenkühlkreisläufen gemäß 1 gegossen.
Die ersten 3 Zylinder auf der Anschnittabgewandten Seite der Brennraumplatte
und die letzten 2 bzw. 3 Zylinder in Nähe zum wärmeeinbringenden Gießanschnitt (entsprechend
Zylindernummer 4, 5 der 1 und für den Sechszylinder
analog Zylindernummer 5, 6) wurden durch jeweils
einen getrennten Kühlkreislauf gekühlt. Bei
gleichen statischen Festigkeitswerten fiel die Bruchdehnung nur
noch sehr flach vom ersten Zylinder 1 in Richtung zum letzten
Zylinder 5 oder 6 kontinuierlich von 8 % auf 6
% ab.
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Beispiel 2:
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Kippgegossene
fünf- bzw.
sechszylindrige Dieselzylinderköpfe
aus EN AC-Al Si7Mg T 7 mit Gießanschnitt
an der hinteren Stirnseite wurden mit 3 Kokillenkühlkreisläufen gemäß 2 gegossen.
Die Kühlkreisläufe (12, 13)
erstreckten sich entsprechend über
die Zylinder Nummer 4, 5 oder 5, 6. Durch
einen zusätzlichen
Kühlkreislauf
für die
letzten 2 bzw. 3 Zylinder mit dem wärmeeinbringenden Gießanschnitt
wurden die Ergebnisse noch weiter verbessert. Über die gesamte Kokillengegossene
Brennraumplatte bzw. über
alle Zylinder entstand ein gleichmäßig fein erstarrtes Gefüge. Der
Gusswerkstoff zeigte durchgehend eine Mindestbruchdehnung von 8
%. Hierdurch verbesserte sich die Betriebsfestigkeit der Zylinderköpfe weiter
um mehr als 10 % gegenüber
Beispiel 1.