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Die Erfindung betrifft ein Gießverfahren zur Herstellung eines hoch beanspruchten Gussteiles, beispielsweise eines Zylinderkurbelgehäuses, bei dem zumindest ein Kühleinsatz in der Gussform angeordnet wird, welcher während des Gießprozesses zu einer verbesserten Wärmeabfuhr führt. Weiterhin betrifft die Erfindung einen solchen Kühleinsatz aus Metall zur Verwendung bei einem Gießverfahren.
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Es ist bereits bekannt, ein solches Gießverfahren beispielsweise zur Fertigung von Aluminium-Zylinderkurbelgehäusen einzusetzen, die derzeit beispielsweise im Schwerkraftkokillenkippgießen gefertigt werden. Dabei werden die Zylinderbohrungen durch Sandkerne abgeformt.
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Eine besondere Bedeutung kommt dabei den späteren Laufflächen für die Kolben innerhalb der Zylinder zu, die einer besonders starken Beanspruchung unterworfen sind. Aus diesem Grunde werden in das Zylinderkurbelgehäuse Gusseisenbuchsen durch thermisches Fügen oder Gusseisenbuchsen durch Eingießen eingebracht oder es wird in nachgelagerten Arbeitsschritten eine eisenhaltige Beschichtung innerhalb der die Zylinder bildenden Wandflächen aufgebracht. Die jeweils geeigneten Maßnahmen ergeben sich vor allem aus der spezifischen Leistung der Brennkraftmaschine und der sich daraus ableitenden thermischen Belastung.
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Beschichtungsfähige Zylinderkurbelgehäuse müssen ein porenarmes Gefüge und hohe mechanische Kennwerte über die komplette Höhe der Zylinderbohrungen besitzen. Damit diese Forderungen erfüllt werden können, müssen die Zylinderbohrungen während des Gießens gekühlt werden. Hierfür eignen sich wassergekühlte Stahlpinolen.
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Es ist bekannt, Kühleinsätze, die auch als Kühlkokillen bezeichnet werden, in Gussformen, insbesondere Sandformen, einzusetzen, um einen in die Gussform abgegossenen Gusswerkstoff, insbesondere einen Leichtmetall-Gusswerkstoff, wie einen Aluminium- oder einen Magnesiumwerkstoff, im Kontaktbereich zwischen Gusswerkstoff und dem jeweiligen Kühleinsatz gezielt stärker abzukühlen als dies die Sandform vermag.
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Auf diese Weise wird eine Erstarrung des Gusswerkstoffes ausgehend von den mit dem Kühleinsatz in Kontakt kommenden Bereichen des Gusswerkstoffes erzielt. Zudem lässt sich durch die durch den Kühleinsatz erzielte beschleunigte Kühlung ein hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften verbessertes, insbesondere dichteres Gefüge des erstarrten Gussteiles in dem durch den Kühleinsatz abgekühlten Bereich erzeugen.
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Die Kühleinsätze werden dementsprechend üblicherweise in solchen Abschnitten der Gussform eingesetzt, die Bereiche des herzustellenden Gussteiles abbilden, an deren Gefügeeigenschaften besonders hohe Anforderungen gestellt werden. Dies gilt insbesondere für die gießtechnische Herstellung von Motorblöcken oder Zylinderköpfen von Verbrennungsmotoren aus einer Leichtmetalllegierung.
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Durch die
DE 199 41 316 A1 ist eine Gussform für die Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses bekannt geworden, bei der ein Kühlkörper zur lokalen Ableitung von Wärme aus dem Gussmaterial vorgesehen ist. Das erstarrende Aluminium weist in diesen Bereichen schnellerer Abkühlung eine erhöhte Festigkeit auf.
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Außerdem offenbart die
EP 2 606 995 A2 ein Gießverfahren, bei dem als Gussformkerne für die späteren Zylinder flüssigkeitsgekühlte, axial bewegliche Pinolen dienen.
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Aus der
DE 10 2005 018 200 A1 ist eine Druckgießanlage für Zylinderkurbelgehäuse bekannt, die eine Druckgussform mit als Metallpinolen ausgebildeten durchlaufgekühlten Zylinderkernen umfasst. Der Kühlmitteldurchfluss oder die Kühlmitteltemperatur können geregelt werden.
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Die
DE 28 54 958 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zylinderblöcken für Verbrennungskraftmaschinen durch Verbundgießen unterschiedlicher Aluminiumlegierungen, wobei aus einer verschleißfesten Aluminiumlegierung hergestellte Buchsen eingegossen werden. Während des Gießens muss eine ausreichende Wärmeabfuhr an der Buchse gewährleistet sein. Diese Wärmeabfuhr erfolgt durch Kontakt der Buchse mit der in ihr steckenden Pinole, die zweckmäßig aus Metall besteht. Bei nicht zu häufig aufeinanderfolgenden Gießvorgängen kann die Wärmekapazität der Pinole zur Abfuhr der Wärme ausreichen. Bei schneller Taktfolge der Gießvorgänge wird die Wärme durch Wasserkühlung der Pinole abgeführt, wobei die Kühlung entsprechend der abzuführenden Wärme gesteuert wird.
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Die
DE 195 33 529 A1 betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Motorblockes aus Aluminium, dessen Laufflächen nach dem Ausfräsen der Zylinder-Hohlräume mit einem härteren Metall, insbesondere Nickel, beschichtet werden. Hierzu werden die Zylinder-Hohlräume durch in die Sandform eingesetzte Kokillen aus einem Metall, vorzugsweise aus Messing, geformt. An der Oberfläche der Kokille erstarrt das eingegossene Aluminium infolge der höheren Wärmeleitfähigkeit des Metalls der Kokille schneller als an der Oberfläche der Sandform.
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Die
DE 10 2005 004 481 B3 betrifft eine Kühlkokille zum Vergießen von Leichtmetall-Gusswerkstoffen, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kühlkokille an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des jeweils zu vergießenden Leichtmetall-Gusswerkstoffes angepasst ist.
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DE 10 2011 079 356 A1 betrifft einen Gießkern für eine Gussform zur Herstellung eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, der aus einem Sandkern und einem damit verbundenen Stahlkern besteht. Ferner beschreibt die
DE 20 2007 018 797 U1 die Verwendung einer Kühlkokille.
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Bei der geometrischen Gestaltung des Kühleinsatzes ist neben der gewünschten Endkontur vor allem auch die spätere Entformbarkeit zu berücksichtigen. Insbesondere weisen solche Kühleinsätze eine konische Außenform auf, die das Entfernen aus dem erstarrten Gussteil erleichtert. Eine solche Ausformungsschräge ist zum späteren Ausformen der Kühleinsätze zwingend erforderlich, sodass die für einen beispielsweise zylindrischen Kolbenraum bestimmten Kühleinsätze nicht die dem herzustellenden Erzeugnis optimal angepasste, ebenfalls zylindrische Gussform, sondern eine konische Grundform mit der entsprechenden Ausformungsschräge aufweisen.
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Obwohl sich die gewünschte Wärmeabfuhr beispielsweise durch den Volumenstrom des dem Kühleinsatz zugeführten Kühlmittels gut steuern lässt, ergeben sich in der Praxis dennoch unerwünschte nachteilige Auswirkungen auf das Erzeugnis, die aus der Ausformungsschräge resultieren.
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Dementsprechend wird durch das Gießverfahren nicht die gewünschte zylindrische, sondern eine konische Geometrie erzeugt, die später einer Nachbearbeitung unterzogen werden muss. Dadurch entsteht einerseits ein zusätzlicher Nachbearbeitungsaufwand zur Herstellung der zylinderförmigen Bereiche. Andererseits führt dies aber auch dazu, dass in den einzelnen Abschnitten des zylindrischen Hohlraumes, die in Richtung der Längsachse aufeinanderfolgen, der Materialabtrag bei der Nachbearbeitung der erzeugten konischen Grundform entsprechend der Ausformungsschräge deutlich abweicht. Mit anderen Worten nimmt in Längsrichtung der konischen Aussparung der erforderliche Materialabtrag des Gussmaterials zur Erzeugung einer zylindrischen Gussform stetig zu.
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Das den fertig bearbeiteten Zylinderraum einschließende Material hat somit keine über die Längserstreckung des späteren Zylinders homogene Gefügestruktur. Vielmehr hängt diese wesentlich von dem vorangegangenen Abtrag der Wandfläche ab, sodass sich unterschiedliche Materialeigenschaften ergeben, die im Hinblick auf eine aufzubringende Beschichtung zu einer unterschiedlichen Qualität des realisierbaren Haftverbundes und somit zu unterschiedlicher Belastbarkeit führen.
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Es ist bereits daran gedacht worden, die Wärmeabfuhr des Kühleinsatzes beispielsweise durch eine unterschiedliche Materialstärke des Kühleinsatzes oder durch eine Beaufschlagung mit unterschiedlichen Kühlmittelströmen der in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Teilbereiche entsprechend zu variieren, sodass nach dem Materialabtrag eine homogenere Gefügeverteilung erzielt wird. Obwohl auf diese Weise bereits verbesserte Materialeigenschaften nachgewiesen werden konnten, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die realisierbare Gefügestruktur weiter zu verbessern und dabei zugleich den Herstellungsaufwand zu vermindern.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem zumindest ein dem späteren Sollmaß und/oder der Sollgeometrie eines herzustellenden Gussformhohlraumes angepasster, insbesondere zylindrischer Formkörper als Kühleinsatz in die Gussform eingebracht wird, welcher sich beim Gießen mit dem Gussmaterial beispielsweise stoffschlüssig oder durch Aufschrumpfen verbindet, und dass der Hohlkörper nach dem Entformen des Gussteiles aus der Gussform durch einen nachfolgenden Materialabtrag durch eine insbesondere spanende Bearbeitung zumindest teilweise von dem Gussteil getrennt wird. Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass der Kühleinsatz dann optimal an den herzustellenden Formhohlraum sowie die mittels des Kühleinsatzes erzielbare Wärmeabfuhr angepasst werden kann, wenn dieser nach Abschluss des Gießverfahrens nicht aus dem Hohlraum entformt werden muss, sondern erst in einem nachfolgenden spanenden Bearbeitungsprozess von dem eigentlichen Gussteil getrennt wird. Auf diese Weise kann insbesondere auf eine Ausformungsschräge des Kühleinsatzes verzichtet werden. Durch die in Richtung der Längserstreckung des Kühleinsatzes gleichbleibende Wärmeableitung wird eine homogene Gefügestruktur erzeugt, bei der zudem der erforderliche Materialabtrag des Gussmaterials vergleichsweise gering ist. Aber auch die Prozessdauer lässt sich in vorteilhafter Weise verkürzen, weil der so als verlorener Kühleinsatz ausgeführte Formkörper bereits endkonturnahe Abmessungen aufweist und zudem der Wirkungsgrad der Wärmeabfuhr verbessert ist, weil der Kühleinsatz so näher an der zu erzeugenden Oberfläche des Gussteiles positioniert werden kann. Dabei ist die Erfindung nicht auf die Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen mit entsprechenden Zylinderlaufflächen beschränkt, sondern kann vorteilhaft auch beispielsweise für Gussteile mit solchen Bereichen genutzt werden, in die Gewindebohrungen eingebracht werden sollen. Der wesentliche Erfindungsgedanke ist somit die Vereinfachung durch einen Kühleinsatz, der als ein verlorener Formkörper ausgeführt ist, und daher problemlos im Rahmen der in jedem Fall erforderlichen spanenden Bearbeitung entfernt werden kann.
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Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest einem als Hohlkörper ausgeführten Abschnitt des Kühleinsatzes während des Gießprozesses zur Verbesserung der Wärmeabfuhr ein Kühlmittel zugeführt wird. Hierdurch lässt sich in einfacher Weise die Wärmeableitung weiter verbessern, indem der hierzu beispielsweise mit einer Bohrung versehene Formkörper von einem Kühlmedium durchströmt wird. Insbesondere kann hierzu vorgesehen sein, dass der Hohlkörper zwischen einer Innenwandfläche und einer Außenwandfläche von dem Kühlmittel durchströmbar ist.
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Weiterhin erweist es sich als besonders praxisgerecht, wenn der Hohlkörper zur Verbesserung der Wärmeabfuhr am Umfang einer kühlbaren Pinole lösbar angebracht und gemeinsam mit dieser in die Gussform positioniert wird. Hierdurch kann eine an sich bekannte, kühlbare Pinole weiterverwendet werden, auf welcher der Hohlkörper lösbar positioniert und nach dem Abschluss des Gießprozesses von dieser getrennt wird. Auf diese Weise lässt sich die Wandstärke des Hohlkörpers und der damit verbundene spätere Materialabtrag wesentlich reduzieren. So konnten beispielsweise bereits Hohlkörper mit einer Wandstärke zwischen 3,0 mm und 5,0 mm realisiert werden. Weiterhin kann der Hohlkörper als ein Rohrabschnitt oder mit einem geschlossenen Endabschnitt ausgeführt sein.
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Bei einer anderen, ebenfalls besonders Erfolg versprechenden Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Hohlkörper am Umfang eines Sandkernes mit diesem verbunden, sodass dieser in einem weitgehend automatisierten Gießprozess wie die beim Stand der Technik üblichen Sandkerne verwendet und mit den entsprechenden Vorrichtungen automatisiert positioniert werden kann.
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Weiterhin wird die Aufgabe noch gelöst mit einem Kühleinsatz aus Metall gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 5. Die Unteransprüche 6 bis 9 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen des Kühleinsatzes.
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Erfindungsgemäß ist also ein Kühleinsatz vorgesehen, der als ein verlorener Kühleinsatz ohne Entformungsschräge ausgeführt ist, sodass dieser nach Abschluss des Gießvorganges nicht aus dem Gussteil entformt wird. Vielmehr verbindet sich der Kühleinsatz mit dem Gussteil. Diese Verbindung lässt sich bei der späteren spanenden Bearbeitung des Gussteiles problemlos trennen. Erfindungsgemäß wird so eine endkonturnahe Geometrie an der Trennfläche zwischen dem Kühleinsatz und dem Gussteil erreicht, deren Materialeigenschaften, insbesondere die Gefügestruktur im Vergleich zu den an sich bekannten Kühlpinolen wesentlich verbessert ist. Es hat sich bereits herausgestellt, dass ein Aufschmelzen des Kühleinsatzes in den oberflächennahen Randschichten keinen nachteiligen Einfluss auf das Gussstück hat. Insbesondere treten Mischphasen mit Bestandteilen der Schmelze sowie des Kühleinsatzes nicht auf. Eine auftretende stoffschlüssige Verbindung lässt sich problemlos trennen.
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Der Kühleinsatz ist dabei an die jeweilige Sollgeometrie optimal angepasst. Besonders praxisnah ist hingegen eine Ausgestaltungsform der Erfindung, bei welcher der Kühleinsatz eine zumindest abschnittsweise rotationssymmetrische, insbesondere zylindrische Querschnittsform aufweist, sodass die Wärmeableitung über den gesamten Umfang des Kühleinsatzes konstant ist. Dadurch wird eine homogene Gefügestruktur des Gussteiles in der gesamten, durch den Kühleinsatz begrenzten Wandfläche sichergestellt, sodass eine besonders verschleißarme Laufschicht aufgebracht werden kann.
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Dabei erweist es sich als besonders praxisgerecht, wenn der Kühleinsatz zumindest abschnittsweise als ein insbesondere zylindrischer Hohlkörper ausgeführt ist. Hierdurch kann der Kühleinsatz entweder direkt mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel beaufschlagt werden oder aber durch einen insbesondere flächigen Kontakt mit einer Kühlpinole aktiv gekühlt werden. Hierdurch lässt sich die Kühlleistung nochmals deutlich verbessern.
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Weiterhin hat es sich bereits als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Kühleinsatz aus einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium besteht. Durch die im Vergleich zu einem legierten oder unlegierten Stahl vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit wird die Wärmeableitung der Schmelze und damit deren rasche Abkühlung weiter verbessert. Bevorzugt lässt sich die so erzielbare Wärmeleitfähigkeit durch Legierungsbestandteile des Hohlkörpers einstellen, durch welche die Wärmeleitfähigkeit reduziert und damit optimal an die Schmelze angepasst werden kann. Dabei kann der Kühleinsatz auch aus derselben Zusammensetzung wie die Schmelze bestehen, um so beispielsweise unterschiedliche Schrumpfungen zuverlässig ausschließen zu können. Weiterhin kann das Material des Kühleinsatzes auch im Hinblick auf einen einfachen Materialabtrag ausgewählt werden.
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Obwohl das Entfernen des Kühleinsatzes mittels der an sich bekannten spanenden Abtragsverfahren in einem Bearbeitungsschritt oder mehreren Bearbeitungsschritten in der Praxis problemlos ist, hat es sich bereits als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn der Kühleinsatz zumindest abschnittsweise als ein Hohlkörper mit einer Wandstärke von 3,0 mm bis 5,0 mm ausgeführt ist, sodass es oftmals genügt, den eingegossenen Hohlkörper in zwei Hälften zu trennen, die anschließend mit geringer Krafteinwirkung von dem Gussteil gelöst werden können. Vorzugsweise ist die Wandstärke des Hohlkörpers entlang seiner Haupterstreckung zumindest in einem einen Funktionsbereich bildenden Abschnitt des Gussteiles konstant, sodass hier insgesamt ein homogenes Gefüge der Wandstärke entsteht.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 eine Anordnung zur Durchführung eines Gießverfahrens mit einer Kokille und mit einem einen Kühleinsatz tragenden Sandkern;
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2 den in 1 gezeigten, auf dem Sandkern angeordneten Kühleinsatz in einer vergrößerten Darstellung;
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3 eine alternative Lagerung der Kühleinsätze mittels einer Kokille.
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Ein erfindungsgemäßes Gießverfahren zur Herstellung eines nicht dargestellten Gussteiles mit Hilfe verlorener Kühleinsätze 1 wird nachstehend anhand der 1 bis 3 näher erläutert.
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Bei der Herstellung von Gussteilen ist die Erzeugung eines porenarmen Gussgefüges, insbesondere in dem Bereich späterer Zylinderlaufbahnen, von entscheidender Bedeutung. Diese Anforderungen an das Gussgefüge der zu beschichteten Lauffläche können durch den Einsatz von Sandkernen 2 allein nicht erreicht werden. Vielmehr muss der Schmelze schnell Wärme aus den entsprechenden Bauteilbereichen entzogen werden, um ein porenarmes Gussgefüge zu erzeugen.
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Erfindungsgemäß werden dem späteren Sollmaß und der Sollgeometrie des herzustellenden Gussformhohlraumes weitgehend angepasste hohlzylindrische Formkörper als Kühleinsätze 1 in die Gussform 3 eingebracht, welche sich mit dem Gussmaterial kraft-, stoff- und/oder formschlüssig verbinden. Dabei wird für die Kühleinsätze 1 als Werkstoff eine Aluminiumlegierung mit einer im Vergleich zu einem Gussformsand hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet.
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Diese werden jedoch anders als die aus dem Stand der Technik bekannten Einsätze, die üblicherweise aus einer Gusseisenlegierung bestehen, nicht nach Abschluss des Gießprozesses aus dem Gussteil entformt, sondern im Verlaufe der mechanischen Bearbeitungsumfänge aus dem Gussteil herausgearbeitet.
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Dadurch erfordert das erfindungsgemäße Verfahren keine größeren Anpassungsmaßnahmen hinsichtlich der Anlagentechnik. Vielmehr wird lediglich der als zylindrischer Hohlkörper ausgeführte Kühleinsatz 1 zur Kühlung derjenigen Bauteilbereiche eingesetzt, die aufgrund ihrer späteren Belastung im motorischen Betrieb besonders stark beansprucht werden oder aufgrund von Bearbeitungsprozessen und Anforderungen hinsichtlich der eingesetzten Laufflächentechnologie ein sehr porenarmes Gussgefüge benötigen.
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Der verwendete Kühleinsatz 1 aus einer Aluminiumlegierung kann über die Legierungselemente und Geometrie, insbesondere der Wandstärke, zur Einstellung der Kühlwirkung an den Gießprozess angepasst werden.
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Dabei kann der Kühleinsatz sowohl wie in 2 zu erkennen über die verwendeten Sandkerne 2 als auch auf einer nicht gezeigten Kühlpinole gelagert und durch diese aktiv gekühlt werden.
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Die Kühleinsätze 1 bilden einen stoffschlüssigen Verbund mit dem Gussteil, sodass die Separierung von dem Gussteil mittels mechanischer Bearbeitung durch spanenden Abtrag erfolgt. Da die eingelegten Kühleinsätze 1 aus einer Aluminiumlegierung bestehen, ist eine Separierung der dabei entstehenden Späne des Kühleinsatzes 1 einerseits und des Gussteiles andererseits nicht erforderlich. Dadurch ist eine Rückgewinnung des Rohstoffes des im Übrigen verlorenen Kühleinsatzes 1 problemlos möglich.
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Durch die Kühleinsätze 1 wird die Möglichkeit geschaffen, auch in einem Schwerkraftgießverfahren sowohl in einer Dauerform als auch in einer verlorenen Gussform endkonturnahe Bereiche des zu erzeugenden Gussteiles effizient zu kühlen.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel dient der Kühleinsatz 1 zur Verbesserung des Gussgefüges in den späteren Zylinderlaufflächen. Hierzu werden Kühleinsätze 1 als Hohlkörper aus einer Aluminiumlegierung mit einer Wandstärke zwischen 3,0 mm bis 5,0 mm eingesetzt.
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In der Praxis können die Kühleinsätze 1 zusammen mit den Sandkernen 2 oder auf einer in 3 gezeigten Grundplatte 4 in der Gussform 3 mit einer Lagerung 5 positioniert werden. Auf eine Entformbarkeit der Kühleinsätze 1 muss nicht geachtet werden, da deren Entfernung im Zuge der mechanischen Bearbeitung erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühleinsatz
- 2
- Sandkern
- 3
- Gussform
- 4
- Grundplatte
- 5
- Lagerung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19941316 A1 [0008]
- EP 2606995 A2 [0009]
- DE 102005018200 A1 [0010]
- DE 2854958 A1 [0011]
- DE 19533529 A1 [0012]
- DE 102005004481 B3 [0013]
- DE 102011079356 A1 [0014]
- DE 202007018797 U1 [0014]
