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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gießkerns
für die Herstellung eines Motorblocks aus Metallguss, einen
Gießkern, der gemäß diesem Verfahren
hergestellt wurde und unter Verwendung dieses Gießkerns
hergestellte Motorblöcke.
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Es
ist weithin bekannt, Hohlräume und Hinterschneidungen in
Bauteilen, welche im Metallgussverfahren hergestellt wurden, mit
so genannten 'verlorenen' Kernen zu realisieren. Üblicherweise
werden dabei Sandkerne verwendet.
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Für
die Herstellung von Bauteilen von Nichteisen-Legierungen, insbesondere
für die Herstellung von Motorgehäusen im Leichtmetallguss,
hat sich die Verwendung von so genannten Salzkernen bewährt. Salzkerne
für den Nichteisen-Metallguss, z. B. den Aluminium-Druckguss
oder Kokillenguss, haben den Vorteil, dass sie in den Gussteilen äußerst
glatte Oberflächen erzeugen und mit Wasser rückstandsfrei auswaschbar
sind. Salzkerne bestehen üblicherweise aus NaCl oder KCl
und aus Bindemitteln wie Alkali- oder Erdalkalicarbonaten. Sie enthalten,
anders als Sandkerne, keine Bindemittel aus Kunstharz und entwickeln
folglich beim Umgießen und beim Entfernen keine Reaktionsgase.
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Ein
Nachteil von Salzkernen ist die spröde Konsistenz. Während
des Gießens, insbesondere bei Druckguss, besteht die Gefahr,
dass der Salzkern aufgrund der Kräfte des eingespritzten
Materials bricht, gegebenenfalls kollabiert. Dadurch wird das Gießteil
fehlerhaft. Insbesondere besteht diese Gefahr bei Salzkernen für
die Herstellung des Wassermantels für Zylinderbuchsen eines
Closed-Deck-Motorblocks. Bei einem Open-Deck-Motorblock sind die Hohlräume,
insbesondere die Kühlwasserräume, welche die Zylinder
umgeben, an dem dem Zylinderkopf zugewandten Ende des Motorblocks
offen. Ein Closed-Deck-Motorblock zeichnet sich dadurch aus, dass
der Wassermantel, der die einzelnen Zylinder umgibt, am kopfseitigen
Ende des Motorblocks – bis auf einige Durchtrittskanäle – geschlossen
ist. Hierdurch lässt sich mit weniger Material eine höhere Steifigkeit
und Festigkeit erreichen als bei einem Open-Deck-Motorblock, dessen
Wasserkanäle kopfseitig offen sind.
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Ein
Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Druckguss-Motorblöcken
geht aus der Druckschrift
US
4,446,906 hervor. Hier ist die Verwendung eines Kerns vorgeschlagen,
der im Wesentlichen mit Abstand zur Mantelfläche einer
Laufbuchse für den Zylinder angeordnet ist. Im gegossenen
Motorblock befindet sich folglich eine gegossene Aluminiumschicht
auf der Außenseite der Laufbuchse, welche von dem Wassermantel
umgeben wird. Die Laufbuchse wird durch einen Gitterring in ihrer
Lage innerhalb des Kerns für den Wassermantel fixiert.
Hier besteht die Gefahr, dass der Kern beim Einspritzen des Aluminiums
in die Gießform mit hohem Druck beschädigt wird
oder bricht.
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Ein ähnliches
Verfahren geht aus der Druckschrift
DE 10 2007 014 146 A1 hervor.
Hier weist der Salzkern an einem Ende einen Kranz auf, der auf einem
Ende der Zylinderlaufbuchse zumindest teilweise aufliegt. Somit
ist der Kern abgestützt und hält hohen Drücken
während des Gießvorgangs stand. Der Kernmantel
verläuft in einem Abstand von einigen Millimetern konzentrisch
zur Zylinderlaufbuchse. Der Kern weist also in radialer Richtung
keine gute Abstützung auf.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Gießkerns
für die Herstellung eines Motorblocks aus Metallguss sowie
einen nach diesem Verfahren hergestellten Gießkern derart
weiterzubilden, dass der Gießkern eine verbesserte Stabilität
aufweist. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, neuartige Motorblöcke
zu schaffen, die unter Verwendung des neuen Gießkerns hergestellt
sind.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Gießkern
selbst eine Laufbuchse umfasst und dass ein auswaschbares Kernmaterial,
insbesondere ein Salz, mindestens mit einem Teilbereich der Oberfläche
der Laufbuchse fest verbunden wird. Die Laufbuchse besteht üblicherweise
aus Gusseisen. Es sind aber z. B. auch Stahlbuchsen, Laufbuchsen
aus Keramik, Leichtmetall oder Verbundstoffen verwendbar. Z. B.
wird unter der Markenbezeichnung LOKASIL® von
der Firma KS Aluminium Technologie AG ein Aluminium-Verbundwerkstoff
für Laufbuchsen angeboten, welche lokale Siliziumanreicherungen
im Bereich der Lauffläche aufweisen.
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Mit
anderen Worten bildet die Laufbuchse einen Teil des Kerns, und ihre
Oberfläche ist fest mit dem auswaschbaren Salzabschnitt
des Kerns verbunden. Es wird somit eine feste Verbindung des spröden
Salzmaterials mit dem tragfähigen Material der Laufbuchse
geschaffen Der Verbund der zu umgießenden Laufbuchse mit
dem darauf befestigten Salzkernmaterial bildet den Gießkern.
Der Kern wird folglich in radialer Richtung abgestützt,
so dass der radiale Druck des eingespritzten Aluminiums durch die
feste Laufbuchse aufgenommen wird. Die Laufbuchse besteht meist
aus Grauguss.
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Um
eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Salzkern und
der Mantelfläche der Laufbuchse zu bilden, kann das auswaschbare
Kernmaterial mit der Oberfläche der Laufbuchse verklebt werden.
Alternativ kann das auswaschbare Kernmaterial unmittelbar auf die
Oberfläche der Laufbuchse geformt werden. Insbesondere
ist es bekannt, Salzkerne im Sinterverfahren herzustellen. Dabei
wird ein so genannter 'Grünling' aus dem auswaschbaren Salz
unter Druck auf die Oberfläche der Laufbuchse in Form gebracht,
d. h. gepresst. Anschließend wird die Laufbuchse mit dem
auswaschbaren Kernmaterial auf etwa 700°C erhitzt, wobei
das auswaschbare Kernmaterial seine Endfestigkeit erhält.
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Es
ist aber auch möglich, den auswaschbaren Kern in beliebigen
anderen Formgebungsverfahren auf der Mantelfläche der Laufbuchse
auszubilden. So kann das Salz durch Formgießen einer Salzpaste
auf die Mantelfläche aufgebracht werden. Die Paste kann
auch aufgesprüht oder aufgestrichen werden, wobei zum Beispiel
mehrere übereinander liegende Salzschichten entstehen.
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Die
Verbindung zwischen dem auswaschbaren Salzmaterial des Kerns und
der Oberfläche der Laufbuchse kann zum einen durch Adhäsionskräfte sichergestellt
werden, indem das Salz an der Mantelfläche der Laufbuchse
haftet. Die Haftverbindung entsteht insbesondere beim Verkleben
oder beim direkten Aufformen des Kerns auf die Laufbuchse. Zum anderen
kann eine formschlüssige Verbindung hergestellt werden,
bei der das Salzmaterial in Aushöhlungen der Laufbuchse
eindringt. Der Salzabschnitt des Kerns kann beim Aufformen auf die
Laufbuchse Hinterschneidungen oder Einkerbungen in deren Mantelfläche
hintergreifen, wodurch der Formschluss erzielt wird.
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In
der Praxis kann das auswaschbare Kernmaterial auf der Oberfläche
mehrerer Laufbuchsen befestigt werden, um einen zusammenhängenden Gießkern
zu bilden, der in die Gießform einbringbar ist. Hierdurch
wird der Zusammenbau der Gießform erheblich erleichtert.
Es muss nur ein Kern eingebracht werden, und die verschiedenen Bereiche
des Kerns müssen nicht zueinander ausgerichtet werden, da
sie durch das Salzmaterial zueinander fixiert sind.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung
eines Motorblocks im Metallgussverfahren wird ein Gießkern
der oben beschriebenen Art in eine Gießform eingebracht.
Anschließend wird Metall in die Gießform eingefüllt,
welches sich fest mit der Laufbuchse verbindet. Nach dem Erstarren
des Metalls wird das auswaschbare Salzmaterial des Kerns ausgewaschen.
Das Einspritzen des Metalls in die Gießform kann mit sehr
hohem Druck erfolgen, da der Kern in radialer Richtung durch die
Laufbuchse abgestützt und so gegen Brechen gesichert ist.
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Wie
erwähnt, wird bei der Herstellung des Motorblocks in die
Gießform vorzugsweise ein Nichteisen-Metall, insbesondere
ein Leichtmetall wie Aluminium oder Magnesium, eingefüllt.
Ein nach diesem Verfahren hergestellter Leichtmetall-Motorblock zeichnet
sich dadurch aus, dass er eine der Zylinderzahl entsprechende Anzahl
eingesetzter Laufbuchsen aufweist, wobei jede Laufbuchse von einem Wassermantelraum
umgeben ist, der unmittelbar an die äußere Mantelfläche
der Laufbuchse grenzt. Die Laufbuchse ist folglich in dem Bereich,
in dem der Salzkern während des Gießens auf ihrer äußeren Mantelfläche
aufgebracht ist, schwimmend ausgebildet. Das heißt, dass
das Kühlwasser unmittelbaren Kontakt zu der äußeren
Mantelfläche der Laufbuchse hat. Hierdurch kann die Wärmeableitung
in das Kühlwasser gefördert werden. Zusätzlich
kann die Außenseite der Laufbuchse mit einem Material beschichtet
sein, das einen guten und gleichmäßigen Wärmeübergang
zum Wasser aufweist und kavitationsmindernd wirkt. Schließlich
kann die Außenseite der Buchse mit einer korrosionshemmenden
Beschichtung versehen sein.
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Der
erfindungsgemäße Gießkern eignet sich insbesondere
zur Herstellung eines Closed-Deck-Motors. Folglich ist der damit
hergestellte Motorblock an der Seite des Zylinderkopfes, d. h. kopfseitig,
vorzugsweise geschlossen.
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Schließlich
wird die eingangs genannte Aufgabe durch einen Gießkern
für den Metallguss gelöst, der mindestens eine
Laufbuchse, insbesondere aus Eisen, Stahl oder Keramik, aufweist,
wobei ein auswaschbares Kernmaterial aus einem Salz mindestens mit
einem Teilbereich der Oberfläche der Laufbuchse fest verbunden
ist. Insbesondere kann das Salzmaterial mit der Oberfläche
der Laufbuchse verklebt sein oder auf die Oberfläche der
Laufbuchse aufgeformt sein. Die feste Verbindung kann durch Adhäsion,
Formschluss oder beides entstehen. Für Mehrzylinder-Motorblöcke
kann das auswaschbare Kernmaterial auf der Oberfläche mehrerer
metallischer Träger befestigt sein und einen zusammenhängenden
Gießkern bilden, der in die Gießform einbringbar
ist.
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Es
ist anzumerken, dass auswaschbare Gießkerne nicht nur zur
Herstellung des Hohlraums im Motorblock, der das Kühlwasser
aufnimmt, verwendet werden. Sie können auch der Erzeugung
weiterer Hohlräume zum Beispiel der Ölräume
und Ölkanäle dienen. Folglich kann das an der
Laufbuchse befestigte auswaschbare Salzmaterial eine komplexe Form
aufweisen und der Erzeugung beliebiger Hohlräume in dem
Motorblock dienen. Die Befestigung des auswaschbaren Salzmaterial
auf der Oberfläche der Laufbuchse erfolgt in dem zylindermantelförmigen
Bereich, in dem bei dem fertigen Motorblock der die Laufbuchse umgebende
Wassermantel liegen soll.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:
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1 eine
dreidimensionale Darstellung eines gesinterten Salzkerns,
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2 eine
dreidimensionale Darstellung eines Gießkerns gemäß der
Erfindung,
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3 eine
Querschnittsansicht des Gießkerns gemäß 2,
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4 eine
Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Gießkerns,
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5 eine
Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Gießkerns,
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6–8 Querschnittsansichten
weiterer Ausführungsformen erfindungsgemäßer
Gießkerne.
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Die 1 zeigt
eine dreidimensionale schematische Darstellung eines zylindermantelförmigen Gießkerns 1 aus
Salz. Wie erwähnt, wird dieser Gießkern beispielsweise
im Sinterverfahren unter Druck geformt und anschließend
bei ca. 700°C gehärtet. Zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Gießkerns
gemäß 2 wird der Salzkern 1 auf
der äußeren Mantelfläche einer zylindrischen
Laufbuchse 2 befestigt. Die Befestigung des Salzkerns 1 auf der
Laufbuchse 2 kann durch ein geeignetes Klebemittel erfolgen.
Der Salzkern 1 kann aber auch unmittelbar auf die Oberfläche
der Laufbuchse 2 gesintert werden.
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Die
Laufbuchse 2 besteht üblicherweise aus Grauguss,
kann aber aus allen anderen geeigneten Materialien für
Zylinderlaufbuchsen gebildet werden. Insbesondere sind auch Laufbuchsen
aus Keramik, aus Leichtmetall wie Aluminium oder aus Verbundstoffen,
z. B. Aluminium mit lokaler Siliziumanreicherung im Bereich der
Laufflächen bekannt.
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Die 3 zeigt
eine Querschnittansicht des Gießkerns aus 2 in
einer Gießform. Es ist schematisch nur die obere Wand 3 der
Gießform dargestellt. Nach dem Eingießen des Aluminiums
in die Gießform wird der Salzkern 1 ausgewaschen,
so dass ein zylindrischer Wassermantel um die Laufbuchse herum entsteht.
In der Praxis weisen die Salzkerne komplexere Formen auf, um ein
vollständiges Kühlwasserkanalsystem für
den gesamten Motorblock zu bilden. Beispielsweise zeigt die 5 einen
Salzkern 1'' mit einer Verzweigung 4 des Wassermantels.
An die Verzweigung 4 kann sich ein weiterer Salzkern 1'' anschließen,
der auf der Mantelfläche einer weiteren Laufbuchse 2 befestigt
ist.
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Die 4 zeigt
eine der 3 entsprechende Darstellung
einer weiteren Ausführungsform des Gießkerns,
bei der der Salzkern 1' formschlüssig in eine
Aushöhlung der Laufbuchse 2' hineinragt. Durch den
Formschluss kann die Haltekraft zwischen Salzkern 1' und
Laufbuchse 2 gesteigert werden.
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In
den 3 bis 5 liegt die Stirnfläche der
Laufbuchse 2, 2' gegen die obere Wand 3 der Gießform
an. Die Laufbuchse kann aber auch die obere Wand 3' der
Gießform durchragen, so dass sie um ein gewisses Maß über
die obere Fläche des hergestellten Motorblocks hinausragt.
Derartige Ausführungsformen sind in den 6 bis 8 dargestellt, bei
denen die Gießkerne den 3 bis 5 entsprechen.
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Selbstverständlich
ist die Erfindung nicht auf die Herstellung von Motorblöcken
im Leichtmetall-Druckguss beschränkt. Sie lässt
sich grundsätzlich auf alle Metallgussverfahren, z. B.
auf die Herstellung herkömmlicher Grauguss-Motorblöcke,
anwenden. Die Erfindung wird beispielhaft unter Verwendung eines
Salzes als auswaschbares Kernmaterial beschrieben. Grundsätzlich
sind alle Materialien geeignet, die die erforderliche thermische
und mechanische Festigkeit aufweisen und mit einer Flüssigkeit
lösbar und entfernbar sind.
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- 1,
1', 1''
- Salzkern
- 2,
2
- Laufbuchse
- 3,
3'
- obere
Wand
- 4
- Verzweigung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4446906 [0005]
- - DE 102007014146 A1 [0006]