DE102016007450A1

DE102016007450A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Temperierung eines Gussteils

Info

Publication number: DE102016007450A1
Application number: DE102016007450.7A
Authority: DE
Inventors: Christoph Tapp
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-06-18
Also published as: DE102016007450B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils, bei dem das Gussteil nach einer Wärmebehandlung mittels eines Kühlmediums gekühlt wird, und bei dem das Kühlmedium durch mindestens eine von dem Gussteil umfasste Einlassöffnung in einen Innenbereich des Gussteils eingeleitet und durch mindestens eine von dem Gussteil umfasste Auslassöffnung aus dem Innenbereich des Gussteils abgesaugt wird, und wobei die mindestens eine Einlassöffnung und die mindestens eine Auslassöffnung derart gewählt werden, dass in dem Innenbereich des Gussteils ein definierter Strom aus Kühlmedium erzeugt wird, der den Innenbereich des Gussteils kühlt, wodurch in dem Gussteil selektiv Druckeigenspannungen erzeugt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils und eine Temperieranordnung zur Temperierung eines Gussteils.
Gussteile können mittels einer Gussform in hoher Stückzahl und mit großer Genauigkeit hergestellt werden. Insbesondere im Automobilbau werden Gussteile daher bspw. zur Herstellung von Motorteilen verwendet. Da bei einem Einsatz im Motorenbereich besonders hohe Belastungen auftreten, müssen jeweilige Gussteile in der Regel mit speziellen Verfahren gehärtet bzw. für die jeweiligen Belastungen vorbereitet werden.
Durch thermische Verfahren, bei denen ein Gussteil erwärmt und anschließend schnell abgekühlt bzw. abgeschreckt wird, können in dem Gussteil Druckeigenspannungen erzeugt werden, die zu einer Erhöhung der Festigkeit des Gussteils führen. Druckeigenspannungen können eine Ausbreitung von Mikrorissen in einem Gussteil minimieren oder sogar verhindern und eine Widerstandsfähigkeit des Gussteils gegenüber Zugkräften erhöhen. Durch Verwendung von Wasserbädern, starken Luftströmen oder Sprühnebeln ist eine Steuerung einer Bildung von Eigenspannungen jedoch nur bedingt möglich, so dass sich neben Druckeigenspannungen auch Zugeigenspannungen bilden, die eine Festigkeit des Gussteils beeinträchtigen.
Zur Kühlung von Gussteilen bei einem Gießprozess sind im Stand der Technik Verfahren und Vorrichtungen beschrieben.
Die Druckschrift DE 600 22 605 T2 offenbart eine Gießvorrichtung und ein Gießverfahren zum Gießen eines Zylinderkopfs eines Motors, bei dem ein mit einem Kühlmedium befülltes Kühlmittel an inneren und äußeren Kernvorsprüngen eines Zylinderkopfs angeordnet wird.
In der deutschen Druckschrift DE 103 59 066 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Gussteils offenbart, bei dem ein Kühlmittel durch einen in einer Gussform zur Herstellung des Gussteils vorgesehenen Kanal geleitet wird, um das Gussteil in der Gussform zu kühlen.
Ein Verfahren zur Kühlung eines Gussteils mit Wasser ist in der europäischen Druckschrift EP 07 52 479 B1 offenbart.
Die deutsche Druckschrift DE 103 41 575 B4 offenbart ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines Gussteils, bei dem ein in dem Gussteil vorhandenes Gas bei einem Kühlvorgang mittels eines allseitig erhöhten Umgebungsdrucks daran gehindert wird, aus dem Gussteil auszutreten oder an eine Oberfläche des Gussteils zu gelangen.
In der deutschen Druckschrift DE 11 2013 004 528 T5 wird ein Verfahren offenbart, bei dem ein Gussteil an einer ersten Oberfläche und an einer zweiten Oberfläche mit Wasser berieselt wird, um das Gussteil nach einem Gießvorgang zu kühlen.
Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils vorgestellt, bei dem das Gussteil nach einer Wärmebehandlung mittels eines Kühlmediums gekühlt wird, und bei dem das Kühlmedium durch mindestens eine von dem Gussteil umfasste Einlassöffnung in einen Innenbereich des Gussteils eingeleitet und durch mindestens eine von dem Gussteil umfasste Auslassöffnung aus dem Innenbereich des Gussteils abgesaugt wird, und wobei die mindestens eine Einlassöffnung und die mindestens eine Auslassöffnung derart gewählt werden, dass in dem Innenbereich des Gussteils ein definierter Strom aus Kühlmedium erzeugt wird, der den Innenbereich des Gussteils kühlt, wodurch Materialeigenschaften des Gussteils gezielt verändert werden.
Unter einem Innenbereich ist im Kontext der vorliegenden Erfindung ein Bereich eines Gussteils zu verstehen, der im Inneren des Gussteils liegt, d. h. ein Bereich, der nach außen hin von einer Oberschicht des Gussteils abgegrenzt ist und in dem bspw. Kanäle verlaufen, durch die beim Betrieb des Gussteils in bspw. einen Motor Kühlflüssigkeit geleitet wird.
Das vorgestellte Verfahren dient insbesondere zum gesteuerten Erzeugen von Werkstoffeigenschaften eines Gussteils. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Gussteil nach einer Wärmebehandlung, d. h. einer Zufuhr von Wärmeenergie, insbesondere bei einem einem Gießvorgang nachgeschalteten Härtungsprozess, in einem Innenbereich mittels eines durch das Gussteil geleiteten Stroms aus Kühlmedium gekühlt wird. Um das Kühlmedium durch das Gussteil zu leiten und, dadurch bedingt, den Innenbereich des Gussteils zu kühlen, ist vorgesehen, dass das Kühlmedium an mindestens einer Einlassöffnung des Gussteils, die insbesondere funktionsbedingt, d. h. aufgrund einer späteren Funktion des Gussteils, an dem Gussteil vorgesehen ist, eingeleitet und an mindestens einer Auslassöffnung, die ebenfalls insbesondere funktionsbedingt an dem Gussteil vorgesehen ist, abgesaugt wird. Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Absaugen des Kühlmediums wird ein Strom aus Kühlmedium in dem Gussteil erzeugt, der bspw. durch eine Stärke einer Zufuhr und/oder eine Stärke einer Absaugung zu steuern ist. Entsprechend ist durch die Steuerung der Zufuhr und/oder der Absaugung ein Volumenstrom des Kühlmediums durch das Gussteil zu steuern, wodurch ein Abkühlungsverhalten des Gussteils und, dadurch bedingt, eine Bildung von Eigenspannungen, insbesondere von Druckeigenspannungen in dem Gussteil zu steuern ist.
Mittels des vorgestellten Verfahrens ist es möglich, selektiv Druckeigenspannungen in einem Gussteil zu erzeugen, so dass ausgewählte Bereiche des Gussteils gegenüber weiteren Bereichen des Gussteils eine erhöhte Eigenspannung aufweisen und bspw. besonders widerstandsfähig gegenüber Zugkräften werden. Dies bedeutet, dass mittels des vorgestellten Verfahrens gegenüber einem traditionellen Kühlungsverfahren vermehrt Druckeigenspannungen erzeugt werden können, wobei auch eine Position der Druckeigenspannungen bzw. jeweiliger beeinflusster Materialeigenschaften gewählt werden kann. So kann bspw. ein Verstärkungsbereich eines Zylinderkopfs gegenüber weiteren Bereichen des Zylinderkopfs gezielt mit mehr Kühlmedium umspült werden, so dass sich der Verstärkungsbereich gegenüber weiteren Bereichen des Zylinderkopfs besonders schnell abkühlt und eine Bildung von Druckeigenspannungen in dem Verstärkungsbereich gegenüber den weiteren Bereichen des Zylinderkopfs erhöht ist.
In einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass als Kühlmedium Wasser, Luft oder eine Mischung aus Wasser, Luft und einem weiteren Fluid und/oder Gas gewählt wird.
Als erfindungsgemäß vorgesehenes Kühlmedium eignet sich insbesondere Luft und/oder Wasser bzw. ein Aerosol aus Luft und Wasser, wobei selbstverständlich auch jedes weitere Kühlmedium, wie bspw. Öl oder Glycerin oder eine Kombination aus verschiedenen Kühlmedien denkbar ist.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass als Gussteil ein Zylinderkurbelgehäuse oder ein Zylinderkopf gewählt wird.
Das vorgestellte Verfahren eignet sich insbesondere zum Temperieren von Zylinderkurbelgehäusen und Zylinderköpfen, die in der Regel bauartbedingt bzw. funktionsbedingt in ihrem Innenbereich Kanäle zum Durchströmen mit Kühlmedium umfassen, um beim Betrieb eines entsprechenden Motors gekühlt zu werden. Durch das Verwenden der funktionsbedingt vorgesehenen Kanäle, die eine strömungsoptimierte Geometrie aufweisen, zur Kühlung bei einem Temperierungsverfahren zur Beeinflussung von Materialeigenschaften eines jeweiligen Zylinderkopfs bzw. Zylinderkurbelgehäuses, kann ein Innenbereich des Zylinderkopfs bzw. Zylinderkurbelgehäuses schnell und effizient gekühlt werden. Dazu kann bspw. an einem Einlass des Zylinderkopfs bzw. Zylinderkurbelgehäuses eine Pumpe angeschlossen werden, die Kühlmedium in den Zylinderkopf bzw. das Zylinderkurbelgehäuse pumpt, und an einem Auslass eine entsprechende Absaugvorrichtung, wie bspw. eine Vakuumpumpe angeschlossen werden, die das Kühlmedium wieder absaugt und, dadurch bedingt, einen Volumenstrom des Kühlmediums in dem Zylinderkopf bzw. dem Zylinderkurbelgehäuse steuert. Durch eine Anpassung des Volumenstroms kann ein Abkühlungsverhalten eines jeweiligen Gussteils kontrolliert und, dadurch bedingt, eine Bildung von Eigenspannungen in dem Gussteil gesteuert werden. So kann bspw. durch einen besonders geringen Volumenstrom eine Bildung von Eigenspannungen reduziert und durch einen besonders hohen Volumenstrom die Bildung von Eigenspannungen erhöht werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Außenbereich des Gussteils mit einem weiteren Kühlmedium an ausgewählten Stellen gekühlt wird.
Durch eine Kühlung von Innenbereichen und Außenbereichen eines jeweiligen Gussteils kann eine schnelle und gleichmäßige Temperaturregulierung in einem Gussteil erreicht werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass jeweilige Außenbereiche zeitgleich oder zeitlich unterschiedlich zu einem entsprechenden Innenbereich gekühlt, d. h. mit Kühlmedium versorgt werden. Selbstverständlich können dabei selektiv einzelne Teile eines jeweiligen Gussteils gezielt von innen und/oder außen gekühlt werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahren ist vorgesehen, dass das Kühlmittel mittels einer Absaugvorrichtung der folgenden Liste an Absaugvorrichtungen aus dem Innenteil des Gussteils abgesaugt und/oder in das Innenteil des Gussteil eingebracht wird: Vakuumpumpe, Kolbenpumpe und Gebläse.
Selbstverständlich eignet sich jede technisch geeignete Vorrichtung zum Absaugen des erfindungsgemäß vorgesehenen Kühlmediums aus dem Gussteil, wobei sich Gebläse insbesondere für gasförmige Kühlmedien und Vakuumpumpen insbesondere für flüssige Kühlmedien als vorteilhaft erwiesen haben. Dabei kann bspw. ein Nebel oder ein Gas als Kühlmedium mittels eines Gebläses in ein jeweiliges Gussteil eingeblasen werden, so dass sich bspw. auf einer Oberfläche des Gussteils Druckeigenspannungen ausbilden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens eine Absaugöffnung derart gewählt wird, dass ein Strom aus Kühlmittel entsteht, der lediglich ausgewählte Bereiche des Innenbereichs des Gussteils selektiv kühlt.
Durch eine Auswahl von zum Absaugen von Kühlmedium verwendeten Absaugöffnungen kann ein Weg und eine Fließcharakteristik eines Kühlmittelstroms durch ein jeweiliges Gussteil vorgegeben oder ggf. in einer zeitlichen Abfolge einer Ansteuerung jeweiliger Absaugöffnungen verändert werden. Entsprechend kann ein Abkühlungsverhalten des Gussteils verändert bzw. ausgewählt werden. So ist es bspw. denkbar, dass besonders starke Bereiche, d. h. Bereiche, die aus viel Material gebildet sind, vermehrt mit Kühlmedium versorgt werden, um dort angesammelte thermische Energie abzuführen und das Gussteil gleichmäßig abzukühlen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass als Gussteil ein Aluminiumdruckgussteil gewählt wird.
Da Aluminiumdruckgussteile in der Regel besonders anfällig für Spannungsrisse sind, eignet sich das vorgestellte Verfahrens insbesondere zum Härten von Aluminiumdruckgussteilen.
Um ein jeweiliges Gussteil besonders schonend und nachhaltig auszuhärten, kann vorgesehen sein, dass das Gussteil in einer Sequenz aus einer Anzahl Erwämungsphasen und Kühlungsphasen gehärtet wird.
Durch wiederholtes Erwärmen und Abkühlen können positive Effekte einer Temperierung, wie bspw. eine Bildung von Eigenspannungen verstärkt werden.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Temperieranordnung zur Temperierung eines Gussteils, mit mindestens einer Aufnahme zur Fixierung des Gussteils, mindestens einer Zuführvorrichtung für ein in einen Innenbereich des Gussteils zu leitendes Kühlmedium und mindestens einer Absaugvorrichtung zum Absaugen des in den Innenbereich des Gussteils zu leitenden bzw. geleiteten Kühlmediums aus dem Gussteil.
Die vorgestellte Temperieranordnung dient insbesondere zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Temperieranordnung ist vorgesehen, dass die Temperieranordnung mindestens eine Wärmequelle zum Erwärmen des Gussteils umfasst.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine schematische Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens.
In 1 ist ein Gussteil 1 dargestellt. Das Gussteil 1 umfasst einen Einlasskanal 3 und einen Auslasskanal 5 zum Zirkulieren eine Kühlmediums beim Betrieb des Gussteils 1 in einem Motor. Um das Gussteil zu härten, wird das Gussteil 1 bis zu einer Temperatur kurz vor einem Schmelzpunkt des Gussteils 1 erwärmt und anschließend abgekühlt. Zur Abkühlung des Gussteils 1 wird ein Kühlmedium durch eine Pumpe 7 in den Einlasskanal 3 geleitet und gleichzeitig mittels einer Vakuumpumpe 9 aus dem Auslasskanal abgesaugt. Durch eine in Abhängigkeit eines Wärmekoeffizienten des Gussteils 1 gewählte Fließrate der Pumpe 7 und eine entsprechende Saugrate der Vakuumpumpe 9 wird ein Volumenstrom des Kühlmediums durch das Gussteil 1 so eingestellt, dass das Gussteil 1 gleichmäßig abkühlt und Zugeigenspannungen, die sich bei einer schnellen und ungleichmäßigen Abkühlung bilden würden, vermieden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60022605 T2 [0005]
DE 10359066 A1 [0006]
EP 0752479 B1 [0007]
DE 10341575 B4 [0008]
DE 112013004528 T5 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Gussteils, bei dem das Gussteil nach einer Wärmebehandlung mittels eines Kühlmediums gekühlt wird, und bei dem das Kühlmedium durch mindestens eine von dem Gussteil umfasste Einlassöffnung in einen Innenbereich des Gussteils eingeleitet und durch mindestens eine von dem Gussteil umfasste Auslassöffnung aus dem Innenbereich des Gussteils abgesaugt wird, und wobei die mindestens eine Einlassöffnung und die mindestens eine Auslassöffnung derart gewählt werden, dass in dem Innenbereich des Gussteils ein definierter Strom aus Kühlmedium erzeugt wird, der den Innenbereich des Gussteils kühlt, wodurch Materialeigenschaften des Gussteils gezielt verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Kühlmedium Wasser, Luft oder eine Mischung aus Wasser, Luft und einem weiteren Fluid und/oder Gas gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Gussteil ein Zylinderkurbelgehäuse oder ein Zylinderkopf gewählt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als Wärmebehandlung ein an einen Gießvorgang anschließendes Erwärmen zur Steigerung einer Festigkeit des Gussteils gewählt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem ein Außenbereich des Gussteils mit einem weiteren Kühlmedium an ausgewählten Stellen gekühlt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Kühlmittel mittels einer Absaugvorrichtung der folgenden Liste an Absaugvorrichtungen aus dem Innenteil des Gussteils abgesaugt und/oder in das Gussteil eingeleitet wird: Vakuumpumpe, Kolbenpumpe und Gebläse.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine Absaugöffnung derart gewählt wird, dass der komplette Innenbereich des Gussteils gekühlt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine Absaugöffnung derart gewählt wird, dass ein Strom aus Kühlmittel entsteht, der lediglich ausgewählte Bereiche des Innenbereichs des Gussteils selektiv kühlt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als Gussteil ein Aluminiumdruckgussteil gewählt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Gussteil in einer Sequenz aus einer Anzahl Erwämungsphasen und Kühlphasen gehärtet wird.
Temperieranordnung zur Temperierung eines Gussteils (1) mit mindestens einer Zuführvorrichtung (7) für ein in einen Innenbereich des Gussteils (1) zu leitendes Kühlmedium und mindestens einer Absaugvorrichtung (9) zum Absaugen des in den Innenbereich des Gussteils (1) zu leitenden Kühlmediums aus dem Gussteil (1).
Temperieranordnung nach Anspruch 11, wobei die Temperieranordnung mindestens eine Wärmequelle zum Erwärmen des Gussteils (1) umfasst.