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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor sowie einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
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An unterschiedliche Bereiche von Kolben für Verbrennungsmotoren werden äußerst unterschiedliche Anforderungen gestellt. Unterschiedliche Beanspruchungen können beispielsweise durch stark unterschiedliche Temperaturen auftreten, die in modernen Dieselmotoren zwischen –50°C und +400°C liegen können. Ein derartiges Temperaturfeld wird durch unterschiedliche Arten mechanischer Beanspruchung überlagert. Ein besonders kritischer Bereich ist hierbei der Rand der Brennraummulde.
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Stand der Technik
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Insbesondere der Rand der Brennraummulde wurde in der Vergangenheit lokal durch mechanisch und thermisch hochbelastbare Materialien verstärkt. Derartige Werkstoffe weisen jedoch Eigenschaften auf, die diese für andere Bereiche des Kolbens ungeeignet machen. Alternativ wurden bislang am Muldenrand Fasern eingesetzt, oder hochfeste Werkstoffe in diesem Bereich wurden durch Schweißverfahren mit anderen Bereichen des Kolbens verbunden.
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Für das Gebiet des Gießens von Schmuck- oder Dentalartikeln ist es aus der
US 3,338,294 bekannt, eine zweite Legierung ”auf” (on top of) eine bereits gegossene erste Legierung zu gießen. In ähnlicher Weise schlägt die
JP 2005-334899 A ein Gießverfahren vor, bei dem eine Gießform zunehmend geneigt wird, um nacheinander mehrere Legierungen einzugießen.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, mit denen den an unterschiedliche Bereiche eines Kolbens gestellten Anforderungen Genüge getan werden kann, und die unterschiedlichen Bereiche möglichst gut miteinander verbunden werden und der Kolben insgesamt möglichst effizient hergestellt werden kann. Ferner soll ein derartiger Kolben geschaffen werden.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
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Demzufolge wird zunächst eine erste Legierung in einen Formhohlraum gegossen, und nachfolgend wird eine zweite Legierung unterhalb der Oberfläche der ersten Legierung und/oder turbulenzarm eingegossen. Alternativ oder ergänzend zu einer oder beiden der vorangehend genannten Maßnahmen kann bereits die erste Legierung unter Schutzgas gegossen werden, und nachfolgend kann die zweite Legierung eingegossen werden. Die Verwendung von Schutzgas verhindert die Bildung einer Oxidschicht an der Oberfläche der ersten Legierung, so dass erfindungsgemäß die zweite Legierung ”auf” die erste Legierung gegossen werden kann, ohne dass die beiden Legierungen durch eine Oxidschicht voneinander getrennt sind. Dies sorgt bereits beim Gießen für die Darstellung unterschiedlicher Materialeigenschaften an unterschiedlichen Bereichen des Kolbens sowie eine besonders gute, nämlich metallische, einstückige oder integrale Verbindung zweier Bereiche des Kolbens, die aus unterschiedlichen Legierungen bestehen. Beispielsweise kann in einem oberen Bereich, der demnach auch den Rand der Brennraummulde bildet, ein mechanisch und thermisch hochbelastbarer Werkstoff eingesetzt werden, während in anderen Bereichen, beispielsweise am überwiegenden Teil des Kolbenschafts, ein Werkstoff zum Einsatz kommen kann, der besonders gute Reib- und Verschleißeigenschaften aufweist.
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Die genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für die eingangs genannten Alternativ- oder Ergänzungsmaßnahmen. Wenn die zweite Legierung unterhalb der Oberfläche der ersten Legierung eingegossen wird, besteht keine Gefahr dahingehend, dass eine möglicherweise den Badspiegel, d. h. die Oberfläche der ersten Legierung bedeckende Oxidschicht in die Tiefe gerissen wird, und somit in nachteiliger Weise in den späteren Kolben eingespült wird. Des Eingießen der zweiten Legierung unterhalb der Oberfläche der ersten Legierung kann beispielsweise durch eine zentral oder seitlich angeordnete Pipette geschehen, deren Öffnung sich beim Beginn des Eingießens der zweiten Legierung unterhalb der Oberfläche der ersten Legierung befindet. Durch einen geeigneten statischen Druck der Flüssigkeitssäule in der Pipette füllt sich der Formhohlraum oder die Kokille bis zur Speiseroberkante mit der zweiten Legierung, so dass diese in vorteilhafter Weise im oberen Bereich des Kolbens vorliegt. Auch durch ein turbulenzarmes Gießen der zweiten Legierung, beispielsweise durch einen Seitenanguss mit Messeranschnitt, kann eine umfangreiche ”Störung” der bereits gegossenen ersten Legierung vermieden und die Vermischung der beiden Legierungen auf ein Minimum verringert werden.
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Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, dass gesonderte Bearbeitungsschritte, wie das Verbinden durch Reibschweißen oder das Verändern des Gefüges und/oder der Eigenschaften des Materials im Bereich des Muldenrandes, wie z. B. durch Umschmelzen oder Aufbringen zusätzlichen Drucks, unnötig sind. Insgesamt können die eingegossenen Oxide verringert werden, was den Fertigungsausschuss in vorteilhafter Weise reduziert. Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch das Eingießen von Ringträgern und/oder Salzkernen möglich.
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Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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In vorteilhafter Weise kann das Gießen der ersten und der zweiten Legierung kontinuierlich erfolgen, was ein weitestgehend ”gemeinsames” Erstarren der beiden Legierungen und eine besonders gute Verbindung zwischen Bereichen mit unterschiedlicher Legierung ermöglicht.
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Hierbei kann die Vermischung der beiden Legierungen beeinflusst und insbesondere begrenzt werden, wenn in vorteilhafter Weise das Kühlen der ersten Legierung bereits begonnen hat, wenn die zweite Legierung gegossen wird.
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Wie erwähnt, hat sich für das Gießen der ersten und/oder zweiten Legierung zumindest eine Pipette als besonders günstig erwiesen.
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In vorteilhafter Weise kann ferner auch das Gießen der ersten Legierung, die beispielsweise im unteren Bereich des Kolbenschafts vorgesehen wird, turbulenzarm, insbesondere durch einen Seitenanguss mit Messeranschnitt, erfolgen. Wenn beide Legierungen mittels eines Seitenangusses mit Messeranschnitt eingegossen werden, können die beiden Angüsse in vorteilhafter Weise gegenüberliegend angeordnet werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zwei voneinander getrennte Angüsse verwendet werden, die als Pipette und/oder Messeranschnitt ausgebildet sind. Eine Pipette ist hierbei in vorteilhafter Weise dafür geeignet, in die bereits gegossene erste Legierung eingetaucht zu werden, um die zweite Legierung unterhalb der Oberfläche der ersten Legierung einzugießen. Wie erwähnt, sorgt ein Messeranschnitt in vorteilhafter Weise für ein turbulenzarmes Gießen einschließlich der dadurch erreichbaren Vorteile. Im Hinblick auf bevorzugte Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung sei erwähnt, dass hierbei sämtliche vorangehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie nachfolgend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kolben genannten Merkmale verwendet werden können und umgekehrt.
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Die Pipette wird im Wesentlichen dadurch gefüllt, dass ein oben an der Pipette vorgesehenes Ventil geöffnet wird und die Pipette in die Schmelze eingetaucht wird. Die flüssige Legierung steigt nun in der Pipette bis zu einem gewünschten Füllstand. Anschließend wird das Ventil geschlossen, und die Pipette kann nunmehr aus einem Warmhalteofen gehoben werden, in dem sie bislang aufbewahrt wurde. Nachfolgend wird die Pipette in das Gießwerkzeug und mit ihrer unteren Öffnung insbesondere unterhalb die Oberfläche einer ersten Legierung eingeführt. Zum Entleeren wird nunmehr das obere Ventil geöffnet. Dies ermöglicht eine Belüftung oder, wie bevorzugt, das Einströmen von Schutzgas, so dass die flüssige Legierung in den Formhohlraum austreten kann. Das Fluten der Pipette mit Schutzgas bietet den Vorteil, dass sich in der Pipette keine Oxidhäute bilden, die andernfalls an der Pipettenwand haften würden.
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Um den Anforderungen im besonderen Maße gerecht zu werden, ist die Pipette bevorzugt aus Keramik ausgeführt.
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Als besonders einfache und gleichzeitig effiziente Bauweise hat sich die Ausführung der Pipette als Rohr mit einem Ventil, bevorzugt an einer (im Gebrauchszustand) Oberseite und/oder zumindest einer (im Gebrauchszustand) unteren Öffnung erwiesen.
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Für die erfindungsgemäße Gießvorrichtung sei noch erwähnt, dass sie in vorteilhafter Weise lediglich translatorisch oder in keiner Weise bewegbar ausgeführt sein muss, während der oben gewürdigte Stand der Technik eine kipp- oder neigbare Gießvorrichtung erfordert.
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Die Lösung der oben genannte Aufgabe erfolgt ferner durch den im Anspruch 9 beschriebenen Kolben für einen Verbrennungsmotor, der sich durch zumindest zwei getrennte, jeweils gegossene Legierungen auszeichnet. Wie erwähnt, können sich die Legierungen an der Schnittstelle in geringem Umfang vermischen. Dies sorgt in vorteilhafter Weise für eine besonders gute Verbindung. Insbesondere an den speziell belasteten Bereichen, wie dem Kolbenschaft oder der Brennraummulde, liegt jedoch weitgehend ausschließlich die jeweils in diesem Bereich vorgesehene Legierung vor, um den Anforderungen hier besonders gut gerecht zu werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden beispielhaft in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 bis 3 wesentliche Teile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit jeweils zu gießenden Kolben in drei verschiedenen Ausführungsformen.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
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Wie in 1 erkennbar ist, weist ein zu gießender Kolben 10 zum einen einen Schaft auf, dessen insbesondere unterer Bereich 12 aus einer ersten Legierung auszuführen ist. In einem oberen Bereich des Kolbens ist beispielsweise eine Brennraummulde vorgesehen, so dass an das die Brennraummulde umgebende Material besondere Anforderungen gestellt sind. Dem wird durch Ausführung dieses Bereichs durch eine zweite Legierung Rechnung getragen.
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Bei der Ausführungsform gemäß 1 werden beide Legierungen mittels Pipetten 16 eingegossen. Zunächst erfolgt das Eingießen einer ersten Legierung von der Unterseite her, durch eine entsprechend tief angeordnete Pipette, bis zu einem Füllstand 18. Dann, wenn sich eine Öffnung 20 der Pipette 16 für die zweite Legierung unterhalb dieses Füllstandes 18 befindet, wird diese Pipette 16 geöffnet, und unterhalb des Füllstandes 18 wird die zweite Legierung eingefüllt, bis der Füllstand die Oberkante des Speisers 14 erreicht hat. Wie gezeigt, kann die Öffnung 20 der Pipette durch einen innen umlaufenden ”Kragen” begrenzt sein.
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Die in 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform zum einen durch den Anguss für die erste Legierung und zum anderen durch die Position der Pipette 16 für die zweite Legierung. Die zweite Legierung wird nämlich mittels der Pipette 16 durch einen zentralen Speiser, und nicht wie in 1 seitlichen Anguss eingefüllt. Dieses Einfüllen erfolgt wiederum erst dann, wenn sich die Öffnung 20 der Pipette unterhalb des Füllstandes 18 befindet, der sich durch Einfüllen der ersten Legierung über einen vergleichsweise tief vorgesehenen Seitenanguss ergibt. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform erfolgt das Gießen der ersten Legierung durch einen turbulenzarmen Seitenanguss mit Messeranschnitt. Ein derartiger Messeranschnitt ist sich von oben nach unten verjüngend ausgebildet, wie durch die schraffierte Fläche in 2 dargestellt.
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Dies gilt auch für die in 3 gezeigte dritte Ausführungsform, die sich von derjenigen von 2 im Hinblick auf den Anguss für die zweite Legierung unterscheidet. Dieser ist nämlich ebenfalls, in diesem Fall gegenüberliegend, als Seitenanguss mit Messeranschnitt ausgeführt und erlaubt demnach ein turbulenzarmes Gießen der zweiten Legierung ”auf” die erste Legierung. Hierdurch kann eine Vermischung der beiden Legierungen in vorteilhafter Weise begrenzt werden. Wenn der Formhohlraum vor dem Eingießen der ersten Legierung darüber hinaus mit Schutzgas geflutet wird, bildet sich keine Oxidhaut, so dass die zweite Legierung ohne entsprechende Nachteile auf die erste Legierung gegossen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3338294 [0004]
- JP 2005-334899 A [0004]
