DE102015220241A1 - Gießverfahren zur Herstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gießverfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) einer Brennkraftmaschine, unter Verwendung einer Gießform (10), die mit einer Schmelze (50) gefüllt wird, wobei der fertige Kolben (1) ein Unterteil (2) und ein Oberteil (3) mit einem Kolbenboden (4) aufweist, wobei die Gießform (10) während des Gießvorgangs derart ausgerichtet ist, dass zuerst der Bereich um den Kolbenboden (4) von der unter der Einwirkung der Schwerkraft (FG) fließenden Schmelze (50) ausgebildet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Gießverfahren zur Herstellung eines Kolbes einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1.
• Bei aus dem Stand der Technik bekannten Gießverfahren zur Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen, welche durch Schwerkraftguss hergestellt werden, treten immer wieder Störstellen im Materialgefüge auf. Ursache für derartige Störstellen sind häufig Blasen, Oxyde oder sogenannte Bifilme, wie sie bei der Verwendung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Kolben auftreten können.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gießverfahren bereitzustellen, welches die Bildung von Störstellen verhindert oder zumindest gegenüber dem Stand der Technik reduziert.
• Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gießform während des Gießvorgangs derart ausgerichtet ist, dass zuerst der Bereich des Kolbenbodens von der unter der Einwirkung der Schwerkraft fließenden Schmelze gebildet wird. Hierdurch wird sichergestellt dass sich, Blasen, Oxyde und/oder Bifilme in der Schmelze nicht in dem später stark beanspruchten Bereich um den Kolbenboden des Kolbens anreichern. Hierbei wird in erfinderischer Weise der Effekt genutzt, dass Oxyde, Blasen und ebenso Bifilme an die Oberfläche einer Schmelze wandern. Durch die Anordnung der Form zur Herstellung eines Oberteils bzw. Oberteilrohlings für einen Kolben „kopfüber” wird eine Anreicherung von Bifilmen, Blasen und dergleichen im Bereich des Kolbenbodens vermindert oder sogar verhindert. Es entsteht ein wesentlich homogeneres und damit belastbareres Gefüge. Beim Befüllen der Form mit der Schmelze werden mögliche Störstellen aus dem auszubildenden Materialgefüge entgegen der Wirkrichtung der Schwerkraft verdrängt.
• Der durch das erfindungsgemäße Gießverfahren hergestellte Kolben kann einteilig ausgeführt sein. In diesem Fall wird der untere Bereich, welcher einen Kolbenschaft umfassen kann, als Unterteil bezeichnet. Der obere Bereich dieses einteiligen Kolbens, welcher zumindest den Kolbenboden umfasst, wird als Oberteil bezeichnet. Alternativ kann der durch das erfindungsgemäße Gießverfahren hergestellte Kolben auch aus einem separaten Unterteil und einem separaten Oberteil gebildet werden, welche stoff-, kraft- und/oder formschlüssig zusammengefügt werden.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Fügefläche des Oberteils zeitlich nach dem Bereich des Kolbenbodens des Oberteils von der unter der Einwirkung der Schwerkraft fließenden Schmelze ausgebildet wird. Hierdurch gelangen Blasen, Bifilme und dergleichen in den Bereich der Fügefläche des Oberteils. Abhängig vom eingesetzten Fügeverfahren zum unlösbaren Verbinden von Unterteil und Oberteil zu einem Kolben für Brennkraftmaschinen wird diese Fügefläche während des Fügeprozesses erneut erhitzt. Durch starke Hitzeeinwirkung können die Blasen, Bifilme und dergleichen im Bereich der Fügefläche eliminiert werden oder zumindest stark dezimiert werden. Zum Fügen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolben für Brennkraftmaschinen eignen sich besonders stoffschlüssige Fügeverfahren. Sofern ein Reibschweißverfahren zur Anwendung kommt, kann erreicht werden, dass die Blasen, Bifilme und dergleichen in die Reibschweißwulste übergehen oder ihre Anwesenheit zumindest stark verringert wird. Wenn die Blasen, Bilfilme und dergleichen in die Reibschweißwulste übergehen haben sie keine oder nahezu keine negative Auswirkung auf das Gefüge des Kolbens.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Speiser über einen Ringspeiser beginnend am Kolbenboden die Form mit Schmelze versorgt. Hierdurch wird die Schmelze im unteren Bereich der Gießform zugeführt. Der untere Bereich der Gießform umfasst die untere Hälfte der Gießform, bevorzugt das untere Drittel der Gießform. Als erstes wird somit der kritische Bereich des Kolbenbodens aus der Schmelze gebildet.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Störstellen durch unterhalb der Oberfläche nachgeführte Schmelze an der Oberfläche der Schmelze konzentriert werden. Durch das Zuführen der Schmelze unterhalb der Oberfläche der Schmelze werden die Störstellen regelrecht aus der Schmelze ausgetrieben. Durch den währen des Füllvorgangs ständigen Zustroms von Schmelze wird erreicht, das potentielle Störtstellenbildner an die Oberfläche der Schmelze befördert werden.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass durch die Anordnung des Speisers in der Gießform nahe dem durch die Schmelze auszubildenden Kolbenboden eine Durchbrechung der in der Gießform kurz nach Beginn des Füllvorganges ausgebildeten Grenzschicht zwischen Schmelze und Gasphase verhindert wird. Durch die Befüllung der Gießform „unter Spiegel” werden Turbulenzen in der Schmelze verhindert oder zumindest deutlich verringert. Die wiederum verringert die Neigung der Schmelze Bifilme oder dergleichen auszubilden.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schmelze aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Das Auftreten von Bifilmen ist eine Eigenschaft, die besonders Schmelzen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen aufweisen. Daher wirkt sich das erfindungsgemäße Gießverfahren besonders positiv auf die Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen aus.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der Gießform zur Herstellung eines Kolbens zumindest ein Inlet aus einem porösen Material eingesetzt und von der Schmelze umgeben wird. Durch die erfindungsgemäße Orientierung der Form bzw. Formen zur Herstellung von Unterteil und Oberteil kann zumindest ein Inlet aus porösem Material in die Form vor dem Gießvorgang eingebracht werden. Dieses Inlet trägt zur Masseeinsparung des Kolbens gegenüber vergleichbaren Kolben ohne Inlet bei. Dadurch, dass das Inlet komplett oder nahezu komplett von der Schmelze eingeschlossen wird, hat es keine negativen Auswirkungen auf die Festigkeit während des Betriebs des Kolbens.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der Gießform zur Herstellung eines Kolbens zumindest ein Fixierelement aus einem porösen Material eingesetzt und von der Schmelze umgeben wird. Dieses mindestens eine Fixierelement dient zur Positionierung des mindestens einen Inlets in der Form vor dem Schwerkraftguss von Unterteil bzw. Oberteil oder des einstückigen Kolben. Das Fixierelement kann im Kolben verbleiben und trägt so ebenfalls zur Massenreduktion des Kolbens gegenüber vergleichbaren Kolben ohne Fixierelement bei. Das Fixierelement wird auch als Pinole bezeichnet.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der Gießform zur Herstellung des Oberteils des Kolbens zumindest ein Inlet und/oder zumindest ein Fixierelement aus einem porösen Material eingesetzt und von der Schmelze umgeben wird. Da das Oberteil durch die Beanspruchung im Verbrennungsprozess hohe Materialstärken aufweist, wirkt sich hier der Einsatz eines Inlets und/oder eines Fixierelements deutlich auf die Masse des Kolbens aus.
• Nach dem beschriebenen Gießverfahren wird ein Kolben einer Brennkraftmaschine hergestellt und bereitgestellt, wobei der Kolben zumindest ein Inlet aus einem porösen Material und/oder zumindest einen Fixierelement aus einem porösen Material aufweisen kann, aber nicht muss. Der Einsatz von mindestens einem Inlet und/oder mindestens einem Fixierelement in einem Kolben trägt zur Reduktion seiner Masse gegenüber vergleichbaren Kolben ohne Inlet und/oder Fixierelement bei.
• Das poröse Material besteht aus porösen Aluminium, Sintermetall und/oder Metallschaum. Diese Materialien sind so beschaffen, dass sie den Umgebungsbedingungen im Verbrennungsprozess Stand halten. Auch ist von einer Langzeitbeständigkeit dieser Materialien beim Betrieb einer Brennkraftmaschine auszugehen.
• Bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist noch folgendes zu ergänzen. Aluminium neigt stark zur Bildung von Oxiden, da es sehr sauerstoffaffin ist. Bereits bei Raumtemperatur überziehen sich Aluminium und Aluminiumlegierungen mit einer Oxidschicht. Diese Oxidschicht wächst mit zunehmender Temperatur. Kommt es zu einer Reaktion des Luftsauerstoffs mit der Schmelzenoberfläche, so entsteht augenblicklich ein Film an der Oberfläche. Dieser Film kann je nach Bestandteilen unterschiedlich sein: dick, dünn, stark oder schwach. Die Ausbildung eines solchen geschlossenen Aluminiumoxidfilms an der Oberfläche der Schmelze ist erwünscht, da die Schmelze dadurch vor weiterer Oxidation mit dem Sauerstoff der Luft geschützt wird.
• Die Oberflächenprodukte von Leichtmetallen wie Aluminium zeichnen sich durch ihre große Stabilität aus. Haben sie sich einmal an der Oberfläche gebildet, so gehen sie nicht wieder in die flüssige Metallschmelze zurück um sich aufzulösen. Aluminium hat nahezu keine Löslichkeit für Sauerstoff.
• Durch Turbulenzen entstehen aus den Oxidfilmen der Oberfläche gefaltete Oberflächenfilme, bestehend aus einer ersten und einer zweiten Lage. Diese gefalteten Oberflächenfilme werden als Bifilme, aufgrund ihrer Zweilagigkeit bezeichnet. Bifilme mit eventuell darin eingeschlossenen Gasen können im Gussstück von Kolben zu nichtmetallischen Einschlüssen werden, den Gefügeverbund unterbrechen und sind somit als Gussfehler bzw. Störstelle im Gefüge zu bezeichnen. Gefaltete Oberflächenfilme haben das Potential zu einem der größten Defekte in Gussteilen zu werden. Unter gefalteten Oberflächenfilmen werden die sogenannten Oxidhäute verstanden. Dies sind filmförmige, dünne Oxide, die sich auf der Oberfläche oxidierbarer flüssiger Metalle und Legierungen in Berührung mit dem Luftsauerstoff bilden.
• Ist die Schmelzeoberfläche Turbulenzen unterworfen, so passiert es, dass sich die Oberfläche durch die geschlagenen Wellen faltet. Auch kommt es vor, dass hochgeschleuderte flüssige Metallteilchen wieder in das Schmelzebad fallen. Dadurch gelangen Oxidfilme die sich an der Oberfläche gebildet haben, in das flüssige Schmelzebad. Häufige Gründe für Turbulenzen der Schmelze sind das Umfüllen des Metalls, z. B. vom Schmelzofen in die Transportpfanne und weiter in den Gießofen, aber auch das Füllen der Gießform selbst. Durch das Befüllen der Form mit Schmelze durch einen tief angeordneten Speiser werden Turbulenzen vermieden.
• Prinzipiell wird zwischen zwei Arten von Oxiden unterschieden, den alten Oxiden sowie den neuen Oxiden (Bifilme). Alte Oxide entstehen bereits vor oder während dem Schmelzen und haben eine voluminöse Morphologie. Neue Oxide bilden sich während dem Füllen und Gießen und haben eher eine flächige Morphologie.
• Bilfilme sind Oxide die sich durch das Falten von Oxidoberfläche an Oxidoberfläche bilden. Das entstehende Konstrukt besteht aus zwei Oxidfilmen, daher ergibt sich auch der Name Bifilm. Die beiden festen Bifilme binden sich gegenseitig nicht an die flüssige Schmelze. Der Bifilm stellt daher in der Schmelze, und in weiterer Folge im erstarrten Metall, einen Fehler dar mit hoher Kerbwirkung.
• Der junge gebildete Bifilm hat zwischen seinen einander zugewandten Bereichen Luft eingeschlossen. Diese eingeschlossene Luft wird langsam verbraucht. Zuerst bildet sich Aluminiumoxid, dann Aluminiumnitrid. Wasserstoff aus der Schmelze kann in die eingeschlossene Luftschicht diffundieren, wenn sich ein höherer Wasserstoffgehalt in der Schmelze als in der Luft befindet. Dies geschieht so lange, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Durch die fortschreitende Al₂O₃- bzw. AIN-Bildung werden die zwei Lagen der Bifilme dicker, sie werden noch stärker aneinandergedrückt durch den metallostatischen Druck. Auch können sich die einander zugewandten Oxidbereiche aufgrund des Verbrauchs des Gases im Bifilm aneinander, in einem gewissen Ausmaß, binden. Der Fehler in der Schmelze ist nicht so groß, da der Bifilm meist im gefalteten Zustand vorliegt. In der Schmelze gibt es turbulente Radbewegungen, dadurch wird der Bifilm eingefaltet bzw. eingewickelt. Beginnt die Schmelze jedoch zu erstarren, kann sich der Bifilm, bedingt durch den internen Wasserstoffdruck, entfalten und seine flächige ursprüngliche Form wieder einnehmen. Dieser Vorgang ist zeitabhängig und wird durch lange Erstarrungszeiten begünstigt. Der Fehler im erstarrten Metall ist daher von großer Bedeutung.
• Als Gießwerkzeuge zur Durchführung des erfindungsgemäßen Gießverfahrens kommen ein- oder mehrteilige Gießformen in Betracht. Durch die Anordnung von Speiser und Ringspeiser im unteren Bereich der Gießform wird ein Aufsteigen der Verunreinigungen wie beispielsweise Oxyde, Bifilme und/oder Luftblasen in der Schmelze bewirkt. Die Gießwerkzeuge können optional über Stempel zur Ausbildung der Kühlraum- und/oder Brennraummuldenkontur verfügen. Die Gießformen können so präzise ausgeführt sein, dass keine Nachbearbeitung des entformten Kolbenrohlings im Bereich des Kolbenbodens erforderlich ist.
• Mit anderen Worten ist es die Zielsetzung, einen Aluminiumkolben, insbesondere für Nutzkraftwagen (NKW), aus qualitativen Gründen im Bodenbereich (Mulde/Muldenrand) mit einer sehr guten Metallqualität (ohne Oxyde und Blasen) herzustellen.
• Vorgeschlagen wird nochmals mit anderen Worten, den Kolbenbereich separat vom Schaft zu gießen und durch späteres Zusammenfügen beider Kolbenpartien dauerhaft zu verbinden. Das Kolbenoberteil wird aus qualitativen Gründen mit dem Boden nach unten, in die Gießform abgegossen. Oxyde, Bilfilme und Luftblasen haben die Tendenz auf Grund ihrer spezifischen Dichte aufzusteigen. Mit dieser Technik wird erreicht, Oxyde und Blasen und/oder Bilfilme aus der gefährdeten Zone, Mulde/Muldenrand zu verlegen, wo diese entweder abgearbeitet oder in einen nicht gefährdeten Bereich gelenkt werden.
• Weitere Vorteile sind, dass diese Kolbenböden sehr leicht und gut zu gießen sind. Für die Gießwerkzeuge können kürzere Taktzeiten erreicht werden. Anstelle des Salzkernringes können fertig gegossene Kühlkanäle mit größerem Kühlvolumen (Wärmeabfuhr) erstellt werden. Kolbenboden und Kolbenschaft können aus unterschiedlichen Aluminiumlegierungen erstellt werden (Kosten).
• Auf den relativ dünnen Schaft nach oben hin kann ein Ringspeiser dargestellt werden. Zur Verbesserung der Gussqualität kann das Gießwerkzeug flach gebaut und mit tangentialem Anschnitt versehen werden. Der Schaftbereich wäre dann zum Beispiel nach dem bekannten „Pendelschaft” zu fertigen. Beispielsweise ist eine kostengünstige Technik zum Fertigen des Kolbenschafts denkbar, dieser kann als ein Druckgussteil oder Pressteil hergestellt werden.
• Die Brennraummulde des Kolbens wird durch das erfindungsgemäße Gießverfahren oxydfrei gegossen. Oxyde schwimmen aufgrund ihrer Dichte nach oben in den bearbeiteten Bereich. Unterschieden werden die normalen Oxyde in der Schmelze, also die die bereits im Schöpfofen vorhanden, sind und Oxyde, die meistens in Verbindung kleiner Blasen (eingeschlossene Luft) durch das Eingießen ins Gießwerkzeug entstehen. Die im Gießwerkzeug entstandenen Oxide werden als Bifilme oder „Neue Oxyde” bezeichnet.
• Durch das Eingießen der Schmelze in den Lauf des Gießwerkzeuges, wird die erste Entstehungsursache von Bifilme gesehen. Durch den freien Fall der Schmelze und abruptes Abstoppen der Schmelze vor dem Sieb entstehen Turbulenzen die den Oxydschleier aufbrechen. Die überschwappenden Metalltröpchen bilden beim wieder Zusammentreffen mit anderen Oberflächen, der Schmelze, eine Oxydhaut, oft in Verbindung mit eingeschlossenen Luftblasen. Der gleiche Effekt entsteht beim Auftreffen der Schmelze vom Anschnitt auf die Kernpartie bei dem Zusammenschlagen der Metallströme über der Pinole, Salzkerne und Ringträger. Erfindungsgemäß wird die Schmelze am tiefsten Punkt der Form zugeführt, um die zuvor geschilderten nachteiligen Effekte zu verhindern oder zumindest deutlich zu verringern.
• Die gesamte Bodenoberfläche, insbesondere der Bereich der Brennraummulde, kann mit sehr kleinen Silicium Partikeln hergestellt werden. Die bisherig erstellten Kühlkanäle, die unter Verwendung von Salzringen erstellt werden, sollen durch den Bodenzug fertig gegossen werden.
• Als besonders vorteilhaft zur Durchführung des erfindungsgemäßen Gießverfahrens hat sich eine oxydarme Aluminiumlegierung, beispielsweise KS312 erwiesen.
• Des Weiteren bietet sich der Einsatz eines Ringspeiser zum Füllen der Form an. Boden und Kontur des Kühlkanals können als ein und dasselbe Bauteil oder als separate Teile ausgebildet werden.
• Als Option kann auch ein Inlet aus Metallschaum 0,5 g/cm³ (Aluminium 2,7 g/cm³) zwecks Massenreduzierung und besserer Wärmeabfuhr in die Bodenpartie unter der Bodenmulde eingegossen/umbettet werden und somit zur Steifigkeit des Bauteils beitragen.
• Stoffschlüssige Fügeverfahren, insbesondere Schweißverbindungen, wie Elektronenstrahlschweißen (ESG), Reibschweißen unter Vakuum oder Schutzgas oder auch andere Schweißverfahren bieten sich zum Fügen von Unterteil und Oberteil zu einem Kolben an.
• Auch ein Thixopressen kann in Betracht kommen. Sollte die Metallqualität für das fast fertig gegossene Bodenteil ausreichend sein, kann durchaus die Herstellung des Vacural-Verfahren als weitere kostengünstige Alternative in Betracht gezogen werden.
• Das Vacural-Verfahren ist eine Variante des Vakuum-Druckgießverfahrens. Bei diesem Verfahren wird die Evakuierung des Formhohlraumes und der Gießkammer während des Formfüllungsvorgangs aufrechterhalten. Infolge des Vakuums wird die erforderliche Schmelzemenge über ein Steigrohr aus dem Warmhalteofen in die Gießkammer gesaugt und die Luft im Formhohlraum sowie die beim Kontakt zwischen Schmelze und Formwand entstehenden Gase abgeführt. Der Gasgehalt des Gussstücks weist dadurch nur Bruchteile der Gehalte herkömmlicher Druckgussteile auf.
• Der Einsatz von Metallschäumen und/oder porösem Aluminium als Inlet im Bodenbereich ist vorteilhaft, um hier die Stabilität des Bodens, Masseneinsparung und Wärmeabfuhr zu ermöglichen. Die porös gegossenen Aluminiuminlets lassen sich hinsichtlich Porengrößen von 5 μm bis 200 μm genau differenzieren. Die untrennbare Verbindung von porösen und nicht porösen Teilen eröffnet einen breiten Einsatzbereich.
• Der Einsatz von Metallschäumen als Inlet für Kolben bietet folgende Vorteile gegenüber Sintermetallen. Metallschäume sind kostengünstiger in der Herstellung. Sie können eine Volumenporösität von bis zu 75% aufweisen. Metallschäume haben eine sehr hohe Stabilität, sie bröckeln nicht ab. Metallschäume ermöglichen eine gegossene Verbindung von porösen und nicht porösen Teilen.
• Der Einsatz von Sintermetallen weist folgende Vorteile gegenüber Metallschäumen auf. Die Herstellungstechnologie für Sintermetalle ist einfacher. Die Steuerung der Porenanteile, die Steuerung der Porengröße sowie Steuerung der Verteilung der Poren gestaltet sich einfacher. Auch mit Sintermetallen ist eine gegossene Verbindung von porösen und nicht porösen Teilen möglich.
• Den Vorteil einer Masseneinsparung bieten poröses Aluminium, Sintermetalle und Metallschäume, sodass von der konkreten Anwendung im Kolben abhängt welches dieser porösen Materialien den jeweiligen Anforderungen genügt.
• Eine solche – regelmäßige oder unregelmäßige – Struktur in den porösen Materialien ist bevorzugt eine zerklüftete Struktur, z. B. gebildet durch einen Schaum, z. B. offenporig oder geschlossenporig (Metallschaum, Keramikschaum o. ä.), beispielsweise eine Röhrenstruktur, Noppenstruktur, Gitter- oder Maschenstruktur, oder eine weitere derartige, oberflächenvergrößernde Struktur.
• Erfindungsgemäß ist ein Gießverfahren zur Herstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen, vorzugsweise eines Aluminiumkolbens, weiter insbesondere für Nutzkraftwagen, vorgesehen, wobei der Kolbenbodenbereich (derjenige Bereich, der dem Verbrennungsraum im Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet ist) separat von einem Kolbenschaft gegossen wird und durch anschließendes (späteres) Zusammenfügen beider Kolbenteile (Kolbenpartien) dauerhaft verbunden wird.
• Die grundlegende Idee wird im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Figuren anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigt:
• 1 einen Schnitt durch einen Oberteilrohling mit der skizzierten Kontur des fertigen Oberteils,
• 2 eine Seitenansicht eines mit der nach unten gewandten späteren Oberseite des Oberteilrohlings mit skizzierter Kolbenkontur,
• 3 eine perspektivische Unteransicht des Oberteilrohlings mit skizzierter Kolbenkontur,
• 4 eine weitere perspektivische Unteransicht des Oberteilrohlings mit skizzierter Kolbenkontur,
• 5 eine Schnittansicht des Oberteilrohlings mit skizzierter Kolbenkontur und einem Inlet,
• 6 Bahnlinien von fließenden Teilchen während des Gießvorgangs im Speiser,
• 7 weitere Bahnlinien von fließenden Teilchen während des Gießvorgangs im Speiser,
• 8 Bahnlinien von fließenden Teilchen während des Gießvorgangs im Speiser sowie im Formhohlraum des Unterteilrohlings,
• 9 weitere Bahnlinien von fließenden Teilchen während des Gießvorgangs im Speiser sowie im Formhohlraum des Unterteilrohlings,
• 10 Bahnlinien von fließenden Teilchen während des Gießvorgangs im Formhohlraum des Unterteilrohlings,
• 11 weitere Bahnlinien von fließenden Teilchen während des Gießvorgangs im Formhohlraum des Unterteilrohlings,
• 12 weitere Bahnlinien von fließenden Teilchen während des Gießvorgangs im Formhohlraum des Unterteilrohlings und
• 13 ein Schaubild zu der Entstehung von Bifilmen während des Gießvorgangs.
• In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, oberhalb, unterhalb, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position der Vorrichtung und anderer Elemente. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, das heißt durch verschiedene Positionen und/oder spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern.
• In den 1 bis 5 sind verschiedene Ansichten eines Oberteilrohlings 13 eines späteren Kolbens 1 dargestellt. Dieser Kolben 1 ist durch seine Kolbenkontur 11 abgebildet welche ein Unterteil 2 und ein Oberteil 3 umfasst. Ein Kolbenboden 4 sowie eine optionale Brennraummulde 5 sind jeweils in Wirkrichtung der Schwerkraft orientiert. Die Wirkrichtung der Schwerkraft ist mit einem Pfeil F_G gekennzeichnet. Zum Füllen einer Gießform 10 mit einer flüssigen Aluminiumschmelze 50 ist ein Speiser 6 vorgesehen. Entgegengesetzt dem Kolbenboden 4 ist eine Fügefläche 14 am Oberteil 3 ausgebildet. Diese dient zum stoff-, form-, und/oder kraftschlüssigen Zusammenfügen von Unterteil 2 und Oberteil 3 zu einem Kolben 1. Deutlich ist ein umlaufender Ringspeiser 15 zu erkennen, welcher von einem Speiser 6 mit Schmelze 50 versorgt wird.
• In den 3 bis 5 ist ersichtlich, dass der Speiser 6 nahe dem späteren Kolbenboden 4 angeordnet ist. Er ist somit im unteren Bereich der Gießform 10 angeordnet. Der untere Bereich der Gießform 10 wird von der dem Kolbenboden 4 zugewandten Hälfte der Gießform 10 abgedeckt. Bevorzugt ist der Speiser 6 im unteren Drittel der Gießform 10 angeordnet. Durch diese Anordnung des Speisers 6 wird eine baldige Beschickung der Gießform 10 mit Schmelze 50 unterhalb der Oberfläche bzw. des Spiegels der Schmelze 50 innerhalb der Gießform 10 erzielt. Durch die Zuführung der Schmelze 50 nahe des späteren Kolbenbodens 4 wird erreicht, dass sich in diesem Bereich keine Störstellen im Gefüge des Oberteils 3 ausbilden können, zumindest wird die Gefahr der Bildung von Störstellen im Bereich des Kolbenbodens 4 stark verringert. Durch den Einsatz des Ringspeisers 15 wird der Kolbenboden 4 zeitgleich oder nahezu zeitgleich von der zugeführten Schmelze 50 ausgebildet. Mögliche Quellen für Störstellen werden somit in diesem Bereich durch die Strömungsführung der Schmelze 50 unterbunden.
• Der Kolbenbodenbereich 4 wird separat von einem Kolbenschaft gegossen und durch anschließendes (späteres) Zusammenfügen beider Kolbenteile (Kolbenpartien) dauerhaft verbunden wird. Der Kolbenboden 4 ist derjenige Bereich, der dem Verbrennungsraum im Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet ist. Er bildet somit einen stark beanspruchten Bereich im Brennraum einer Brennkraftmaschine aus.
• In der 5 ist eine Schnittansicht des Oberteilrohlings 13 mit skizzierter Kolbenkontur 11 und einem Inlet 7 dargestellt. Dieses Inlet 7 wird aus porösen Materialien 60 gefertigt. Durch die Verwendung von porösen Materialien 60, erfolgt eine Reduktion der Kolbenmasse gegenüber vergleichbaren Kolben ohne Inlet 7 bei Beibehaltung der Belastungsanforderungen. Um das Inlet 7 beim Gießvorgang zu positionieren, wird es durch mindestens einen Fixierelement 8 in der Form festgelegt. Das mindestens eine Fixierelement 8 kann aus einem identischen porösen Material 60, wie das Inlet 7 gefertigt sein. Das mindestens eine Fixierelement 8 kann im Kolben 1 verbleiben und trägt somit ebenfalls zur Reduktion der Kolbenmasse gegenüber vergleichbaren Kolben 1 ohne Inlet 7 und dem mindestens einen Fixierelement 8 bei.
• Die 6 und 7 zeigen Bahnlinien von strömenden bzw. fließenden Teilchen 9 während des Gießvorgangs für einen Oberteilrohling 13 im Speiser 6. Hierbei wird deutlich, dass eine Zuführung der Schmelze 50 nahe dem späteren Kolbenboden 4 zu einer Verdrängung möglicher Verursacher von Störstellen wie Oxyde, Bifilme und/oder Luftblasen führt.
• Die 8 bis 12 zeigen Bahnlinien von fließenden Teilchen 9 während des Gießvorgangs im Speiser 6 sowie im Formhohlraum 10 des Unterteilrohlings 12 Die 13 zeigt ein Schaubild zu der Entstehung von Bifilmen 53 während des Gießvorgangs von Aluminium. Die flüssige Aluminiumschmelze 50 ist an der Phasengrenze zu einer Gasphase 51 dargestellt. Durch den Gießvorgang beim Befüllen von Formen 10 mit der flüssigen Aluminiumschmelze 50 können unerwünschte Badturbulenzen 52 auftreten. Durch diese Radturbulenzen 52 können eine erste Lage 54 und eine zweite Lage 55 der Aluminiumgrenzschicht übereinander gelangen. Hierdurch entsteht ein unerwünschter Bifilm 53. Im Bereich des Bifilms 53 werden zwischen der ersten Lage 54 und der zweiten Lage 55 Gase aus der Gasphase 51 eingeschlossen. Weiterhin können in diesen Bereiche Gase aus der flüssigen Aluminiumschmelze 50 gelangen. Ein solcher Bilfilm 53 kann zu einer Störstelle im Gefüge des Kolbens 1 führen. Die Entstehung von Bifilmen 53 gilt es daher zu unterbinden oder zumindest deutlich zu reduzieren.
• Die 14A bis 14I zeigen poröse Materialien 60 zur Anfertigung von Inlets 7 zum Einsatz in Kolben 1. Die 14A bis 14G zeigen poröses Aluminium mit Porengrösen zwischen 0,14 und 3,00 mm sowie einer Filterfeinheit zwischen 5 und 250 μm.
• Die 14H zeigt ein Sintermetall. Wobei die 14I einen Metallschaum zeigt.
• Bezugszeichenliste

1

Kolben

2

Unterteil

3

Oberteil

4

Kolbenboden

5

Brennraummulde

6

Eingusskanal/Speiser

7

Inlet

8

Fixierelement

9

Bahnlinien fließender Teilchen

10

Gießform/Formhohlraum

11

Kolbenkontur

12

Unterteilrohling

13

Oberteilrohling

14

Fügefläche

15

Ringspeiser

50

Flüssige Aluminiumschmelze

51

Gasphase

52

Radturbulenzen

53

Bifilm

54

Erste Lage

55

Zweite Lage

60

Poröses Material

F_G

Schwerkraft

Claims (9)

1. Gießverfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) einer Brennkraftmaschine, unter Verwendung einer Gießform (10), die mit einer Schmelze (50) gefüllt wird, wobei der fertige Kolben (1) ein Unterteil (2) und ein Oberteil (3) mit einem Kolbenboden (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform (10) während des Gießvorgangs derart ausgerichtet ist, dass zuerst der Bereich des Kolbenbodens (4) von der unter der Einwirkung der Schwerkraft (F_G) fließenden Schmelze (50) gebildet wird.
2. Gießverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fügefläche (15) des Oberteils (3) zeitlich nach dem Bereich des Kolbenbodens (4) von der unter der Einwirkung der Schwerkraft (F_G) fließenden Schmelze (50) ausgebildet wird.
3. Gießverfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speiser (6) über einen Ringspeiser (15) beginnend am Kolbenboden (4) die Gießform (10) mit Schmelze (50) versorgt.
4. Gießverfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Störstellen durch Unterhalb der Oberfläche nachgeführte Schmelze (50) an der Oberfläche der Schmelze (50) konzentriert werden.
5. Gießverfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anordnung des Speisers (6) in der Gießform (10) nahe dem durch die Schmelze (50) auszubildenden Kolbenboden (4) eine Durchbrechung der in der Gießform kurz nach Beginn des Füllvorganges ausgebildeten Grenzschicht zwischen Schmelze (50) und Gasphase (51) verhindert wird.
6. Gießverfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze (50) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
7. Gießverfahren nach einem der vorhergehen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gießform (10) zur Herstellung eines Kolbens (1) zumindest ein Inlet (7) aus einem porösen Material (60) eingesetzt und von der Schmelze (50) umgeben wird.
8. Gießverfahren nach einem der vorhergehen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gießform (10) zur Herstellung eines Kolbens (1) zumindest ein Fixierelement (8) aus einem porösen Material (60) eingesetzt und von der Schmelze (50) umgeben wird.
9. Gießverfahren nach einem der vorhergehen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gießform (10) zur Herstellung des Oberteils (3) des Kolbens (1) zumindest ein Inlet (7) und/oder zumindest ein Fixierelement (8) aus einem porösen Material (60) eingesetzt und von der Schmelze (50) umgeben wird.

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