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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils mittels eines Schleudergussverfahrens, wobei eine flüssige Metallschmelze in eine formgebende Kavität einer Kokille eingebracht wird und die Kokille um eine Drehachse in Rotation versetzt wird. Weiterhin wird die Rotation der Kokille von einer Vibrationsbewegung überlagert. Ferner betrifft die Erfindung eine Pleuelstange, welche mittels eines erfindungsgemäßen Schleudergussverfahrens herstellbar ist.
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Rohteile für Pleuelstangen werden entweder durch Schmieden oder durch Sintern hergestellt. Bei gleichem Werkstoff und Bauteildesign gelten geschmiedete Pleuelstangen gegenüber gesinterten Pleuelstangen als höher belastbar. Dafür erlauben gesinterte Pleuelstangen eine größere Designfreiheit hinsichtlich des Leichtbaus, eine endkonturnahe Urformung sowie die Verwendung von Werkstoffen, die sich zur Umformung nur wenig eignen. Industriell werden aber auch Verfahrenskombinationen, wie beispielsweise das Schmieden gesinterter Teile, angewendet.
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Oftmals werden Rohteile für Pleuelstangen durch Schmieden im warmen bzw. halbwarmen Zustand auf Mehrstufenschmiedepressen hergestellt. Ausgehend vom Stangenmaterial werden zwei Pleuelstangen in mehreren Umformschritten zunächst paarweise umgeformt, kalibriert, entgratet und abgekühlt. Der konventionelle Schmiedeprozess erlaubt keine Hinterschnitte bzw. Hinterschneidung, weshalb der Querschnitt konventioneller Pleuelstangen aus Sicht des Werkstoffeinsatzes durch fertigungsbedingte Restriktionen nicht optimiert ist. Dagegen weisen Pleuelstangen mit einem Hochkant-Querschnittsprofil (H-Profil) eine höhere Knickfestigkeit gegenüber konventionellen Pleuelstangen auf.
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Die entweder durch Schmieden bzw. durch Sintern produzierten Rohteile für Pleuelstangen werden spanend bearbeitet, jeweils durch Bruchtrennen in Stange und Deckel geteilt und bei der Motor-Montage mit zwei Lagerhalbschalen bestückt. Die Fertigung von Pleuelstangen mit einem H-Profil ist erheblich aufwändiger, da diese als Einzelteil durch einen komplizierten Schmiedeprozess umgeformt werden müssen. Die andere Möglichkeit ist, die Hinterschnitte durch Zerspanung zu fertigen. Prinzipiell sind Pleuelstangen mit einem H-Profil auch durch Sintern herstellbar. Die dafür erforderlichen Werkzeuge sind jedoch komplex aufgebaut, da Querschieber erforderlich sind.
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Weiterhin werden zur Lagerung der Pleuelstangen auf einem Hubzapfen der Kurbelwelle oftmals zweigeteilte Lagerschalen verwendet. Diese Lagerschalen erfordern aus Handhabungs- und Stabilitätsgründen eine überdimensionierte Lagerschichtdicke und damit auch ein größer dimensioniertes großes Pleuelauge, so dass aufgrund der zusätzlichen Masse der Lagerschalen sowie der Pleuelstange der bewegte Massenanteil im Motor erhöht wird. Weiterhin bedarf die Montage der Lagerschalen eines zusätzlichen Aufwands.
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Eine Vielzahl von verschiedenen Bauteilen im Motorbereich wird mittels Gießverfahren hergestellt. Im Falle von rotationssymmetrischen Bauteilen wird auch auf Schleuderguss- oder Schwerkraftgussverfahren zurückgegriffen.
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Stahlwerkstücke, die im Schleuderguss hergestellt werden, neigen zu dendritischer Gefügeausbildung und zur Bildung von Texturen. Die Folge ist beim Erstarren aus der Schmelze eine gerichtete Grobkörnigkeit des Gefüges. Dies ist unerwünscht, da sie die Bauteilfestigkeit reduziert.
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Temperguss im Sandguss für Pleuelstangen ist schon sehr lange bekannt, jedoch wegen der aufwändigen Wärmebehandlung nicht vorteilhaft. Stahlwerkstoffe lassen sich wegen ihrer hohen Viskosität, dem schlechteren Formfüllungsvermögen, der unruhigen Ausgasung beim Gießen, dem Neigen zur Lunkerbildung, etc., nicht ohne weiteres im Sandguss endkonturnah herstellen.
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Die Druckschrift
WO 00/02686 A1 beschreibt ein Schwerkraftgussverfahren zur Herstellung von Rädern bzw. Felgen unter Einwirkung einer Rüttelbewegung, wobei die Rüttelbewegung vom Einbringen der Schmelze bis zur Abkühlung der erstarrten Schmelze, d. h. des fertigen Bauteils anhält. Mittels der Rüttelbewegung wird die Abkühlzeit verkürzt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von insbesondere querschnittsoptimierten Pleuelstangen in Brennkraftmaschinen sowie eine verbesserte Pleuelstange zu schaffen.
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Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mittels einer Pleuelstange nach den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
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Erfindungsgemäß wird während der Rotation einer mit flüssiger Metallschmelze, insbesondere einer mit flüssiger Stahlschmelze, befüllten Kavität einer Kokille, die Rotationsbewegung von einer durch einen Vibrationsmechanismus erzeugten Vibrationsbewegung überlagert.
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Die Vibrationsbewegung bewirkt ein sehr feinkörniges Erstarren der Schmelze, da die Vibration der Schmelze die Keimbildung fördert. Hierdurch wird verhindert, dass sich eine festigkeitsmindernde dendritische Grobkörnigkeit in der Schmelze einstellt. Zudem wird die mit dem Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand freiwerdende Erstarrungswärme der Schmelze infolge von verbessertem Wärmeübergang – hervorgerufen durch die vibrationsbedingte Mikrokonvektion – rascher über die Kokille abführt.
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Weiterhin bewirkt die Vibration, dass Luft- und Schlackeneinschüsse in der erstarrenden Metallschmelze nahezu ausgeschlossen werden können. Durch die Wirkung des Schleudergusses wird unter anderem eine gute Formfüllung der Kokille erreicht, wobei die „leichteren” Inhaltsstoffe der Schmelze aufgrund ihres geringeren spezifischen Gewichts sich weitgehend im Innenbereich, d. h. im Bereich der an die Drehachse angrenzenden Oberfläche der Kokille sammeln. Die Vibration fördert das Lösen der Luft- und Schlackeneinschlüsse aus Zwangslagen heraus und sorgt so für eine hochreine Schmelze. Auf diese Weise können sich Einschlüsse besser zu Blasen sammeln, wobei sich die Blasen aufgrund der Rotation innerhalb der Schmelze leichter in Radialrichtung zum Zentrum, d. h. zur Drehachse hin bewegen können.
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Vor dem Erstarren der Metallschmelze wird die Vibrationsbewegung beendet. Hierdurch wird verhindert, dass auf diese Weise interkristalline Mikrorisse in der ansonsten feinkörnigen Schmelze entstehen. Die optimale Dauer der Überlagerung der Rotation mit der Vibrationsbewegung kann im Rahmen von Versuchen oder durch Simulation ermittelt werden. Nach der Beendung der Vibration erstarrt die Metallschmelze in der quasistatischen, d. h. vorzugsweise unwuchtfrei rotierenden, und schwingungsfreien Kokille.
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Anschließend wird ein weiterer Werkstoff, vorzugsweise ein Lagerwerkstoff im flüssigen Zustand, in die Kokille eingefüllt. Auf diese Weise verschmilzt oder verschweißt der Werkstoff mit einer der Drehachse zugewandten Oberfläche der erstarrten Metallschmelze. Aufgrund des mit dem weiteren Werkstoff beaufschlagten erstarrten Metallwerkstoffs, sind keine weiteren baulichen Änderungen nötig, um das Gussteil beispielsweise mit einer Welle zu verbinden. Handelt es sich bei dem Gussteil um ein Rohteil für eine oder mehrere Pleuelstangen, kann beispielsweise auf zusätzliche Lagerschalen verzichtet werden.
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Anschließend wird das nun aus der erstarrten Metallschmelze und aus dem stoffschlüssig mit der Metallschmelze verbundenen Lagerwerkstoff gebildete Gussteil in der vorzugsweise rotierenden Kokille abgekühlt und anschließend aus dieser entfernt.
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Wie bereits erwähnt, kann es sich bei dem Gussteil um ein Rohteil für mehrere Pleuelstangen handeln. Die Pleuelstangen werden durch Vereinzelung des Gussteils gewonnen.
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Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung werden in den untergeordneten Ansprüchen aufgeführt und durch die nachfolgende Beschreibung und die Figuren verdeutlicht. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem besseren Verständnis des Gegenstandes der Erfindung. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit demselben Bezugszeichen versehen werden. Die Figuren stellen lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung dar.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Gießanlage zur Herstellung von Gussteilen/Rohteilen für Pleuelstangen;
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2 einen Längsschnitt durch eine in der 1 dargestellten Kokille;
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3 einen Querschnitt durch eine in der 1 dargestellten Kokille;
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4 eine Ausführungsform einer hergestellten Pleuelstange mit einem H-Profil.
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1 zeigt die schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Gießanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine Kokille 1 ist drehbar beidseitig in einem Gestell 2 gelagert. Die Kokille 1 wird über einen optional drehzahlregelbaren Elektromotor 3 über mindestens ein Reibrad 4 in Rotation versetzt. Bei zu vergießenden Eisenwerkstoffen wird die Drehzahl der Kokille 1 über die zeichnerisch nicht dargestellte Steuerung derart gesteuert bzw. geregelt, dass sich unter Berücksichtigung der aktuellen Formfüllung beim Eingießen eine radiale Beschleunigung von ca. dem Hundertfachen der natürlichen Erdbeschleunigung (~100 g) einstellt, so dass sich durch Wirkung der Zentripetal/-fugalkräfte eine gute Formfüllung einstellt. Am Gestell 2 ist ein Vibrationsmechanismus in Form zweier Vibrationsmotoren 5 befestigt, die gleich dimensioniert und deren Rotoren gegenläufig synchron geschaltet sind. Wenn sich die freien Massen 6 der Vibrationsmotoren 5 drehen, wird das Gestell 2 in eine in Richtung der horizontalen Drehachse 7 der Kokille 1 verlaufende Schwingbewegung 8 versetzt. Hierzu ist das Gestell 2 über Druckfedern 9 schwingfähig mit einem Fundament 10 verbunden. Die zeichnerisch nicht dargestellte Steuerung steuert die Vibrationsmotoren derart an, dass sich die freien Massenkräfte in vertikaler Richtung aufheben.
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Damit nach dem Abschalten der Vibrationsmotoren 5 die Kokille 1 nicht nachschwingt sondern innerhalb einer kurzen Zeitspanne ruhig und vibrationsfrei rotieren kann, ist zwischen dem Gestell 2 und dem Fundament 10 ein über die Steuerung vorzugsweise hydraulisch schaltbarer bzw. hydraulisch wirkender Dämpfer 11 angeordnet. Während die Vibrationsmotoren 5 laufen, ist der schaltbare Dämpfer 11 außer Funktion und ohne Wirkung. Anstatt der Vibrationsmotoren 5 kann auch ein bekannter Magnetvibrator oder Druckluftvibrator vorgesehen sein.
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Den Aufbau der Kokille 1 zeigen im Längsschnitt die 2 und im Querschnitt die 3. Die Kokille 1 ist mehrteilig ausgeführt und umfasst eine rohrähnliche Ummantelung in Form des Kokillenmantels 12 sowie ein darin eingebautes, jedoch nach dem Auskühlen des Gusswerkstoffs entnehmbares Gesenk, welches die Gesenkhälften 13 und 14 umfasst. Das Gesenk kann beispielsweise durch Entfernen des Kokillenmantels 12 entnommen werden.
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Zwischen den Gesenkhälften 13 und 14 ist eine Kavität 15 ausgeformt, um dort das Gussmaterial bzw. den Gusswerkstoff zur Ausbildung des Stahlgussteils 16 aufzunehmen. Das Stahlgussteil 16 wird in der Kavität 15 derart geformt, dass es mehrere miteinander stoffschlüssig verbundene Pleuelstangen mit jeweils einem H-Profil umfasst.
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Die Gesenkhälften 13 und 14 liegen im Bereich einer Teilungsebene 17 aneinander an. Die Teilungsebene 17 verläuft mittig durch die Kokille 1 und deren Drehachse 7. Die formbildende Kavität 15 wird im Werkzeugbau vorteilhaft durch Fünfachsen-Hochgeschwindigkeitsfräsen bzw. Hochleistungszerspanung der beiden Gesenkhälften 13 und 14 vor dem ersten Einbau in den Kokillenmantel 12 hergestellt. Alternativ kann die Kavität 15 durch Senkerodieren der beiden Gesenkhälften 13 und 14 erzeugt werden. Zusammengesetzt weisen die Gesenkhälften 13 und 14 am äußeren Umfang ein Kreisprofil auf, das dem Innendurchmesser des Kokillenmantels 12 entspricht. Bei der Montage der Kokille 1 werden die Gesenkhälften 13 und 14 in den Kokillenmantel 12 hineingeschoben bzw. eingepresst und zur Sicherstellung der Drehmitnahme sowie gegen axiales Verschieben mit Hilfe zeichnerisch nicht dargestellter, bekannter Maschinenelemente gesichert. Zur leichteren Montage bzw. späteren Demontage kann das innere Längsprofil des Kokillenmantels 12 sowie das äußere Längsprofil der Gesenkhälften 13 und 14 konisch ausgeführt sein.
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Als Werkstoff für den Kokillenmantel 12 eignet sich konventioneller Baustahl. Dagegen wird für die Gesenkhälften 13 und 14 vorteilhaft wärmebeständiger Stahl mit den Legierungsbestandteileilen Mo und Cr, ggf. auch Ni und Co, verwendet. Vor dem Einbau der Gesenkhälften 13 und 14 in den Kokillenmantel 12 wird im Bereich der Kavität 15 eine Beschichtung mit einer Schlichte (z. B. einer Emulsion mit Siliziumoxid) aufgetragen bzw. aufgespritzt. Dagegen wird beim konventionellen Schleuderguss die Schlichte erst unmittelbar vor dem Abguss in bekannter Weise durch Aufspritzen mit Hilfe einer in das Innere der Kokille hinein geführten Lanze unter Verwendung von Druckluft aufgetragen. In der Anwendung der Pleuelstange hat diese konventionelle Vorgehensweise den Nachteil, dass die Schlichte im sich radial erstreckenden Schaftbereich der Pleuelstangenkavität 15 schlecht anhaftet. Zudem ist nicht sichergestellt, dass die Kavität 15 im Bereich des kleinen Pleuelauges vollständig mit der Schlichte benetzt ist.
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Die Schlichte ist ein Trennmittel. Sie verhindert unter anderem, dass ein Eisenguss- oder Stahlgusswerkstoff mit dem Stahlgesenk verschweißt. Die Schichtstärke der Schlichte ist jedoch Schwankungen unterworfen, die sich unmittelbar auf die Maßhaltigkeit der Gussteile auswirken.
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Als Alternative zu Stahlwerkstoffen kann für die Gesenkhälften 13 und 14 auch der hochschmelzende Basiswerkstoff Wolfram vorgesehen werden. Die Verwendung von Wolfram als Basiswerkstoff für die beiden Gesenkhälften 13 und 14 ist insofern vorteilhaft, da auf die Verwendung einer Schlichte verzichtet werden kann. Die Folge sind ein vereinfachter Gießprozess und eine bessere Maßhaltigkeit des Gussteils.
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Wie oben ausgeführt, wird die Schmelze durch Vibration Mikrobewegungen ausgesetzt. Folglich ist ein verbesserter Wärmeübergang von der Schmelze zur Kokille gewährleistet. Der dadurch rascher ablaufende Erstarrungsvorgang ergibt die gewünschte Feinkörnigkeit im Gussgefüge. Zur weiteren Beschleunigung der Erstarrung, besteht die Möglichkeit, die Wärmeabfuhr aus der Schmelze zu erhöhen. Eine Alternative ist es, die Kokille mit Wasser zu kühlen. Dies erfordert einen Kühlkreislauf mit externem Wärmetauscher sowie gut dichtende Ringkanäle zwischen der rotierenden Kokille und dem feststehenden Maschinengestell. Nach einer weiteren Alternative kann das Kühlmedium dauerhaft in der Kokille belassen werden. Hierzu sind in die Kokille 1 bzw. in die Gesenkhälften 13 und 14 Öffnungen bzw. Kanäle 18 eingearbeitet, die dauerhaft mit speziellen Salzen 19 gefüllt und dicht verschlossen sind. Hierfür eignen sich Salze mit Kaliumverbindungen (z. B. Kaliumcarbonat mit dem Schmelzpunkt bei 894°C), die aus der Härtereitechnik bekannt sind, besonders gut. Bei einer derartigen Kühlung ist eine externe Kühlmittelversorgung des Kühlmittelkreislaufs im laufenden Betrieb nicht nötig.
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Vor dem Gießen liegt das Salz 19 in pulvriger Form, d. h. in einem festen Aggregatzustand vor. Wird anschließend der flüssige Gusswerkstoff in die Kokille 1 eingebracht, fließt ein Großteil der Wärme des Gusswerkstoffs in die Kokille 1 ab. Diese erwärmt gleichzeitig auch das Salz 19, welches zu schmelzen beginnt und durch die Änderung seines Aggregatzustands, von der pulvrigen zur flüssigen Form hin, eine besonders hohe Wärmemenge aus dem Gusswerkstoff aufnimmt. Dadurch kühlt die Gussschmelze bzw. das Gussstück 16 relativ rasch und gleichmäßig ab. Durch die infolge der Bewegung der Schmelze vermehrt vorhandenen kristallinen Keime bildet das Gussgefüge keine großen Kristallite aus, sondern erstarrt feinkörnig. Das thermische Gesamtsystem – bestehend aus der eingebrachten Gussmasse für das Stahlgussteil 16 mit Werkstoff- und bewegungsabhängiger Keimbildungszahl sowie Erstarrungstemperatur, der Wärmekapazität der Kokille 1 mit Kühlsalz 19 sowie der geometrieabhängigen Wärmeleitung – kann beispielsweise mit Hilfe numerischer Simulationen optimiert werden.
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In der Anwendung des vibrationsunterstützten Schleudergusses für Pleuelstangen 30 ist die Lage der Teilungsebene 17 so gewählt, dass sie durch die Mitte der großen und kleinen Pleuelaugen der zu fertigenden Pleuelstangen 30 verläuft. Das ”große Pleuelauge” bezeichnet hierbei die Lagerstelle, an der später innerhalb der Brennkraftmaschine die Pleuelstange an die Kurbelwelle gefügt wird; das ”kleine Pleuelauge” ist die Lagerstelle zur späteren Aufnahme eines Kolbenbolzens und wird durch den Durchmesser der Ausnehmung 23a und des Einlegeteils 23b bestimmt.
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Zur Vermeidung einer Unwucht der befüllten Kokille und aus Gründen der Fertigungseffizienz bietet sich an, mehrere Pleuelstangen 30 gleichzeitig zu gießen. Dazu sind die entsprechenden Kavitäten 15 in den Kokillenhälften 13 und 14 nebeneinander – jedoch jeweils um 180° versetzt – angeordnet. 2 zeigt beispielhaft insgesamt zwölf Kavitäten für ebenso viele Pleuelstangen, die später durch Trennen des erstarrten Stahlgussteils 16 entstehen. Das gleichzeitige Gießen mehrerer Pleuelstangen ist verfahrenstechnisch bevorzugt, jedoch kann eine Kokille auch eine Kavität zum Gießen lediglich einer Pleuelstange aufweisen.
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Der Kokillenmantel 12 ist an seinen beiden Seitenflächen mit Deckeln 20 verschlossen. Die Deckel 20 haben die Aufgabe, das Austreten der Schmelze aus der Kokille 1 zu verhindern. Über eine jeweilig im Bereich der Drehachse 7 angeordnete Öffnung 21 der Deckel 20 erfolgt beim Gießprozess die Entlüftung sowie einseitig über die Rinne 22 (bzw. das Giesshorn) das durch Wiegen mengenmäßig vorportionierte Einleiten des flüssigen Gießwerkstoffs in die Kokille 1. Die Öffnungen 21 sind in ihrem Innendurchmesser kleiner als es dem gewünschten Innendurchmesser des großen Pleuelauges am fertigen Stahlgussteil entspricht.
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Ein typischer konventioneller Gusswerkstoff für Pleuelstangen ist C70S6. Erfindungsgemäß können hier auch Werkstoffe für die Pleuelstange verarbeitet werden, die umformtechnisch schwer beherrschbar sind. Hierzu zählen verschiedene Gusswerkstoffe (wie z. B. GJS und ADI), hochfeste Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt über 0,7% sowie faserverstärktes Aluminium. Besonders interessant scheint der vibrationsunterstützte Schleuderguss für Ultra High Carbon (UHC)-Stahl zu sein, wie dieser beispielsweise in der Druckschrift
DE 10 2005 027 258 A1 offenbart ist. Aufgrund des schwer zerspanbaren Werkstoffs hat der Schleuderguss als endkonturnaher Verbundguss besondere Vorteile aufgrund des reduzierten Zerspanungsanteils des UHC-Stahls, da die Funktionsbohrungen an den Pleuelaugen durch andere, leicht zerspanbare Werkstoffe gebildet werden. So lassen sich in eine Ausnehmung
23 der Kokille
1 für das Stahlgussteil
16 bzw. die Pleuelstangen
30 Einlegeteile
23b oder
23c (beispielsweise in Form eines Stahlrohrs
23b) einlegen, welche durch die koaxial und exzentrisch der Drehachse
7 angeordnete Ausnehmung
23a verlaufen. Die Ausnehmung
23a ist Teil der Kavität
15, welche die gesamte dargestellte Kokille
1 durchzieht, und wird durch das Stahlrohr
23b derart verschlossen, dass beim Eingießen des Grundwerkstoffs das Stahlrohr
23b umspült und mit dem Grundwerkstoff verschweißt wird. Dadurch definiert das Stahlrohr
23b die kleinen Pleuelaugen
34 bzw. die Öffnungen der kleinen Pleuelaugen
34. Das Stahlrohr
23b kann beispielsweise ein kostengünstiger Abschnitt eines dünnwandigen geschweißten Rohres sein. Der Vorteil besteht darin, dass in der späteren mechanischen Bearbeitung der Pleuelstange das Zerspanungsvolumen bzw. der Zerspanungsumfang reduziert ist.
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Eine erfindungsgemäße Verfahrensvariante besteht darin, anstatt eines Stahlrohres 23b einen Hohlkörper aus dem Original-Lagerwerkstoff für die spätere Kolbenbolzenlagerung zu verwenden. Voraussetzung hierfür ist, dass der Lagerwerkstoff (z. B. Keramik) höherschmelzend ist als der Grundwerkstoff des Stahlgussteils 16. In diesem Fall entfallen im Verlauf der gesamten Prozesskette das spätere Zerspanen der Grundbohrung und das Einpressen der Lagerbuchse in das kleine Pleuelauge 34. Es kann aber auch ein hohler oder massiver Glasstab 23c als Kern für die Öffnung am kleinen Pleuelauge 34 vorgesehen sein. Es ist unerheblich, ob ein Einlegeteil 23b bzw. 23c durchgängig für alle kleinen Pleuelaugen 34 einer Kokillenseite ist oder segmentiert mehrere Einlegeteile verwendet werden.
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Nach dem Eingießen des Grundwerkstoffs des Stahlgussteils 16 wird die Kokille 1 rotiert, wobei die Rotation durch die parallel zur Drehachse 7 gerichtete Vibrationsbewegung 8 überlagert wird. Die Vibrationsbewegung wird vor dem Erstarren des Grundwerkstoffs des Stahlgussteils beendet, um die Bildung von mikroskopisch kleinen Rissen im Stahlgussteil 16 zu vermeiden. Nach dem Erstarren des Grundwerkstoffs im Bereich der Oberfläche, welche später das große Pleuelauge 35 definiert, wird in einem direkt anschließenden zweiten Gießvorgang der Lagerwerkstoff 24 in die Kokille 1 gegossen, wodurch sich im Bereich des großen Pleuelauges 35 ein Verbundwerkstoff bestehend aus dem Grundwerkstoff des Stahlgussteils 16 und dem Lagerwerkstoff 24 ergibt. Damit entfallen innerhalb der fertig aufgebauten Brennkraftmaschine die üblichen Lagerschalen zur späteren Lagerung der Pleuelstange an der Kurbelwelle. Die typische Schichtdicke für das gegossene Pleuellager liegt zwischen 1 und 3 mm.
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Der Lagerwerkstoff 24 zur Beschichtung des großen Pleuelauges 35 hat in der Regel eine niedrigere Schmelztemperatur als der Grundwerkstoff auf Eisenbasis, wobei eine Ausnahme durch den Lagerwerkstoff Keramik gebildet wird. Von daher bietet sich an, nach dem Gießen der Pleuelstangen 30 – noch während der Abkühlphase, in etwa bei der Temperatur, bei der die Pleuelstangen 30 die Schmelztemperatur des Lagerwerkstoffs erreicht haben – den Lagerwerkstoff 24 in die Kokille 1 zu gießen. Die Zusammensetzung des Lagerwerkstoffs ist so gewählt, dass er außer guten Lagereigenschaften auch gute Löt- bzw. Schweißeigenschaften aufweist. Dadurch bildet sich erfindungsgemäß eine metallische Übergangsphase zwischen dem Grundwerkstoff und dem Lagerwerkstoff aus, der eine stoffschlüssige Verbindung der beiden Werkstoffe gewährleistet. Ein beispielhafter Lagerwerkstoff ist CuSn6Ag1. Deshalb weist hier die Übergangszone zwischen den beiden Werkstoffen (16 und 24) sowohl Eisen- als auch Kupferbestandteile auf.
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Beim Einbringen des Lagerwerkstoffs wird die Kokille 1 weiter in Rotation gehalten, bis auch der Lagerwerkstoff 24 vollständig erstarrt ist. Erfindungsgemäß ist es zweckmäßig, während des Erstarrens des Lagerwerkstoffs 24 und während der weiteren Abkühlung des Gussteils 16 die Drehzahl der Kokille 1 massiv zu erhöhen (in der Größenordnung von mindestens 20 Prozent). Da der Lagerwerkstoff 24 in der Regel einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, besitzt der Lagerwerkstoff 24 beim Abkühlen eine größere Neigung zum Schrumpfen als der Grundwerkstoff des Stahlgussteils 16. Bei konventionellem Verbundguss, wie beispielsweise dem Schwerkraftguss, besteht an dieser Stelle verfahrensbedingt die Gefahr von Mikrorissen im Übergangsgefüge zwischen Grund- und Lagerwerkstoff. Durch die Erhöhung der Kokillendrehzahl wird auf den Lagerwerkstoff 24 eine radial wirkende (Zentrifugal-)Kraft ausgeübt, die der natürlichen Schrumpfbewegung des Lagerwerkstoffs 24 entgegen gerichtet ist. Zunächst werden dadurch die auf Gefügebestandteile in der Übergangszone wirkenden Zugkräfte (als Folge der Schrumpfung) durch Druckkräfte (Fliehkraftwirkung) gemindert. Zudem ist es möglich, die Rotation der Kokille 1 mit einer Vibrationsbewegung zu überlagern, nachdem der Lagerwerkstoff 24 eingefüllt wurde.
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Aufgrund der gerichteten Wärmeabfuhr kühlt ein Gussteil immer ausgehend von seinem Randbereich aus. Demzufolge stellt sich bei der Abkühlung im Gussteilinneren ein Temperaturgradient ”von innen nach außen fallend” ein. Der direkt über bzw. hinter dem Lagerwerkstoff 24 befindliche Grundwerkstoff des Stahlgussteils 16 kühlt im Bereich des großen Pleuelauges 35 langsamer ab, als der im Randbereich angeordnete Lagerwerkstoff 24. Dadurch erkaltet in der letzten Abkühlphase der Grundwerkstoff des Stahlgussteils 16 später als der Lagerwerkstoff 24. Die Schrumpfkräfte des Grundwerkstoffs des Stahlgussteils 16 wirken so letztlich auch auf den kälteren Lagerwerkstoff 24 und ”klemmen” diesen zusätzlich zum Stoffschluss. In den kälteren Lagerwerkstoff 24 werden durch den umgebenden wärmeren Grundwerkstoff 16 Druckeigenspannungen induziert, die ein festes Umschlingen des stoffschlüssig angeformten Lagerwerkstoffs an den Grundwerkstoff gewährleisten. Optional kann in der letzten Abkühlphase des Stahlgussteils eine weitere Abkühlung durch eine weitere Phase mit Vibrationsbewegungen erreicht werden.
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Nach dem Abkühlen wird die Kokille 1 stillgesetzt, ggf. von außen gekühlt, die Verschlussdeckel 20 vom Kokillenmantel 12 abgenommen und die Kokillenhälften 13 und 14 aus dem Kokillenmantel 12 herausgezogen bzw. herausgedrückt. Die beiden Kokillenhälften 13 und 14 werden voneinander getrennt und das Stahlgussteil 16 entnommen. Die Kokillenhälften 13 und 14 werden gereinigt, im Bereich der Kavität 15 ggf. mit einer Schlichte beschichtet und wieder für den nächsten Abguss in den Kokillenmantel 12 eingesetzt.
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Die durch Schleuderguss hergestellten Pleuelstangen sind vorteilhafterweise weitgehend frei von Lunkern, Poren und Verunreinigungen. Schlacke und Verunreinigungen lagern sich aufgrund ihres geringeren spezifischen Gewichts an der Innenkontur des großen Pleuelauges 35 ab. Selbst beim Verbundguss wandern die Verunreinigungen vom Grundwerkstoff des Stahlgussteils 16 durch den Lagerwerkstoff 24 hindurch. Sie werden in der späteren spanenden Bearbeitung des Lagerwerkstoffs entfernt. Es ist auch möglich, unmittelbar vor dem Gießen des Lagermaterials 24 mit Hilfe einer an einer Lanze befestigten Drahtbürste, die durch die rotierende Kokille 1 hindurch geführt wird, Verunreinigungen zu entfernen.
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In einem dem Gießen folgenden Arbeitsschritt erfolgt das Separieren des Stahlgussteils 16 in einzelne Pleuelstangen 30 durch Sägen, vorzugsweise mit einer Band- oder Kreissäge. Dabei können in einem Arbeitsschritt auf einer entsprechend ausgerüsteten Trennstation alle Pleuelstangen gleichzeitig parallel entlang der Trennlinien 25 getrennt werden.
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Die Sägeschnittbreite muss in den Kavitäten 15 der Kokillenhälften 13 und 14 entsprechend vorgehalten sein. Eine andere Art der Separierung ist das Abtordieren, da gießtechnisch der schwächste Querschnitt als Sollbruchstelle relativ einfach zwischen die einzelnen, noch stoffschlüssig verbundenen Pleuelstangen gelegt werden kann, wenn das Einlegeteil aus mehreren Segmenten besteht.
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Der weitere Fertigungsablauf ist analog zur konventionellen Fertigung, umfassend beispielsweise das Schleifen der seitlichen Anlageflächen beim großen Pleuelauge 35, das Bohren der Befestigungsbohrungen, das Laserkerben mit anschließendem Bruchtrennen der jeweiligen Pleuelstange in Schaft und Deckel, das Vor- und Fertigbohren der Pleuelaugen 34, 35, usw. Im Gegensatz zur mechanischen Fertigung nach dem Stand der Technik wird beim Bruchtrennen (durch z. B. bekanntes Dornaufweiten) der erfindungsgemäßen Pleuelstangen die Lagerschicht 24 gleichzeitig mit dem Grundwerkstoff des Stahlgussteils 16 separiert. Zudem wird am großen Pleuelauge 35 nicht die Grundbohrung zur Aufnahme der Lagerhalbschalen, sondern der Lagerwerkstoff 24 selbst bearbeitet. Die Herstellung der Sicherungsnuten der Lagerschalen, welche gegen Verdrehen und Verschieben gesichert werden müssen, ist an den hier beschriebenen Pleuelstangen 30 nicht erforderlich.
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Eine erfindungsgemäße Verfahrensvariante ist das Beschichten einer konventionell gefertigten Pleuelstange mit dem Lagerwerkstoff mit Hilfe des Schleudergusses. Die Pleuelstangen können beispielsweise durch Schmieden oder andere Verfahren vorbearbeitet werden.
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Die bearbeiteten und mit dem Deckel verschraubten Pleuelstangen werden in die Kokille 1 eingelegt. Gegebenenfalls wird mit Hilfe eines Brenners die zu beschichtende Oberfläche (Innenfläche der großen Pleuelaugen) vorgewärmt. Die Kokille 1 wird wie oben beschrieben in Rotation gebracht. Der Lagerwerkstoff 24 wird durch Eingießen durch die Deckelöffnung 21 mit Hilfe der Rinne 22 bzw. des Gießhorns auf die Innenflächen der großen Pleuelaugen 35 aufgetragen. Zur besseren Anbindung des Lagerwerkstoffs an die jeweilige Pleuelstange kann es erfindungsgemäß erforderlich sein, dass vor der eigentlichen Lagerschicht in einem separaten (vorgeschalteten) Gießvorgang eine haftverbessernde bzw. -vermittelnde Zwischenschicht eingegossen wird. Für Pleuelstangen aus einem auf Eisen basierenden Werkstoff ist eine Zwischenschicht auf Nickelbasis vorteilhaft. Nickel hat bekanntlich eine hohe Affinität zu Eisen sowie zu vielen Buntmetall-Lagerwerkstoffen. Nach dem Gießen der Zwischenschicht können die Pleuelstangen 30 bis zum Gießen und Erstarren der Lagerschicht 24 in der Kokille 1 verbleiben. Nach dem Gießen der Schicht des Lagerwerkstoffs 24 und dem Entformen müssen die Pleuelschrauben gelöst und die Lagerschicht 24 (ggf. samt Zwischenschicht) z. B. durch das bekannte Bruchtrennen durchtrennt werden. Eine Vibration der Kokille 1 vor der vollständigen Erstarrung des Lagerwerkstoffs kann die Feinkörnigkeit, Reinheit und Werkstoffhomogenität verbessern.
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Ähnlich kann mit im Schleuderguss hergestellten Pleuelstangen 30 verfahren werden, die nach dem Gießen aufgrund spezieller Werkstoffanforderungen einer separaten Wärmebehandlung im Ofen unterzogen werden müssen. Diese Gussteile 16 müssen nach dem Gießen für die Wärmebehandlung entformt werden und gelangen erst danach wieder für das Eingießen des Lagerwerkstoffs 24 in die Kokille 1 zurück. Falls der Schmelzpunkt des Lagerwerkstoffs 24 niedriger als die Normalglühtemperatur bzw. Rekristallisationstemperatur des Grundwerkstoffs der Pleuelstangen 16 ist, kann die Beschichtung durch Aufgießen des Lagerwerkstoffs 24 nicht vor der Wärmebehandlung erfolgen.
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4 zeigt eine aus dem Stahlgussteil 16 abgetrennte Pleuelstange 30 mit einem H-Profil. Ein Querschnitt durch den Schaft ist in 2 in der unteren Bildhälfte, eine weitere Seitenansicht in der 3 eingezeichnet.
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Die Pleuelstange 30 besteht aus einem einzigen stoffschlüssig zusammenhängenden und im Schleuderguss hergestellten Pleuelarm 31, welcher an seinen beiden Enden jeweils einen Pleuelkopf 32 bzw. 33 aufweist. Der Pleuelkopf 32 umschließt das kleine Pleuelauge 34, der Pleuelkopf 33 umschließt das große Pleuelauge 35. Zwischen den beiden Pleuelköpfen 32 bzw. 33 erstreckt sich ein Hochkantprofil 36, welches durch die beiden Seitenwände 37 und 38 begrenzt wird. Der Zwischenraum zwischen den Seitenwänden ist im Bereich des Hochkantprofils 35 durchgehend, d. h. zwischen den beiden Seitenwänden befindet sich kein weiteres Gussmaterial. Das Gussmaterial ist ein hochfester Stahl. Alternativ kann sich zwischen den beiden Seitenwänden eine gegossene Stahlstrebe befinden, welche die Seitenwände in einem im Vergleich zur Fläche der Seitenwand kleinen Bereich stoffschlüssig kontaktiert.
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Aufgrund des zwischen den Seitenwänden verbleibenden durchgehenden Zwischenraums weist die Pleuelstange 30 eine Hinterschneidung auf, welche aufgrund der Form der Kavität 15 – wie in der 2 erkennbar – erzeugt wird. Dabei greifen die beiden Gesenkhälften 13, 14 zwischen die später entstehenden Seitenwände 37, 38 ein und definieren die Form des Zwischenraums bzw. der Hinterschneidung.
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Die Innenfläche des kleinen Pleuelauges 34 wird durch einen Teil des Einlegeteils 23b gebildet, welcher während des Schleudergießens mit dem Stahlgusswerkstoff verschweißt worden und von diesem umschlossen ist. Der Werkstoff des Einlegeteils 23b ist dabei weicher als der hochfeste Stahl des übrigen Pleuelarms 31 und kann zerspanend bearbeitet werden.
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Die Innenfläche des großen Pleuelauges 35 wird durch den Lagerwerkstoff 24 gebildet. In der 4 ist zudem die Drehachse 7 eingezeichnet, um welche die Pleuelstange 30 in der Gießanlage rotiert wird. Wie bereits in den vorhergehenden Abschnitten beschrieben, wird der Lagerwerkstoff 24 in einem zweiten Schleudergießschritt in die Öffnung 20 eingebracht, während der Stahlgusswerkstoff bereits erstarrt, jedoch noch nicht vollständig ausgekühlt ist. Hierdurch bildet sich ein guter Stoffschluss zwischen dem Lagerwerkstoff 24 und dem Stahlgusswerkstoff.
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Das Aufbringen des Lagerwerkstoffs 24 ist auch bei bereits gefertigten Pleuelstangen möglich. Hierzu werden die konventionell durch Schmieden oder Gießen bereits fertig gestellten Pleuelstangen in die Kokille eingelegt und mit dem Lagerwerkstoff beaufschlagt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 00/02686 A1 [0009]
- DE 102005027258 A1 [0038]
