DE102022126693A1

DE102022126693A1 - Verfahren zur erhöhung der lokalen abkühlgeschwindigkeit und zur verbesserung der materialeigenschaften bei einem niederdruck-sandgusskopf

Info

Publication number: DE102022126693A1
Application number: DE102022126693.1A
Authority: DE
Inventors: Liang Wang; Qigui Wang; Dale A. Gerard; Steven L. Burkholder; Ronald C. Daul
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-04-13
Filing date: 2022-10-13
Publication date: 2023-10-19
Also published as: US20230330744A1; CN116944468A; US11986879B2

Abstract

Ein Niederdruck-Sandgusssystem umfasst eine Sandgussform, die ein geschmolzenes Gussmaterial aufnimmt, um einen Kraftfahrzeug-Zylinderkopf zu gießen. Im Kraftfahrzeug-Zylinderkopf wird ein Kanal geschaffen. Eine Metallkernanordnung für einen Krümmerkanal umfasst einen Metallkern. Eine Beschichtung aus komprimierbarem Material wird auf den Metallkern des Krümmerkanalkerns aufgebracht.

Description

STAATLICHE LIZENZRECHTE
Diese Erfindung erfolgte mit staatlicher Unterstützung gemäß Vertrag Nr. DE-EE0008877 des United States Department of Energy (USDOE). Es bestehen bestimmte staatliche Rechte an der Erfindung.
EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf das Gießen von Zylinderköpfen für Kraftfahrzeugmotoren.
Für die Herstellung der gegossenen Zylinderköpfe für Kraftfahrzeugmotoren wird ein Stahl-Sand-Halbkokillenverfahren (SPM-Verfahren) verwendet. Das SPM-Verfahren erfordert allerdings die Herstellung von Gussformen, deren Fertigung teuer ist. Das SPM-Verfahren kann beim Befüllen der Gussformen auch zu Verwirbelungen führen, die sich nachteilig auf die Eigenschaften des fertigen Gussmaterials auswirken. Um die Verwirbelungen beim Befüllen der Gussformen zu reduzieren, wurden die Zylinderköpfe für Kraftfahrzeugmotoren im Niederdruck-Sandgussverfahren (LPSC-Verfahren) hergestellt. Mit dem bekannten LPSC-Verfahren konnten jedoch bisher nicht die gleichen Materialeigenschaften wie beim SPM-Verfahren erreicht werden.
Obwohl die derzeitigen Verfahren zum Gießen von Zylinderköpfen für Kraftfahrzeugmotoren ihren Zweck erfüllen, besteht also Bedarf an einem neuen und verbesserten System und Verfahren zum Gießen von Zylinderköpfen für Kraftfahrzeugmotoren.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Niederdruck-Sandgusssystem eine Sandgussform, die ein geschmolzenes Gussmaterial aufnimmt, um einen Kraftfahrzeug-Zylinderkopf zu gießen. Im Kraftfahrzeug-Zylinderkopf wird ein Kanal geschaffen. Eine Metallkernanordnung für einen Krümmerkanal umfasst einen Metallkern. Auf den Metallkern des Krümmerkanalkerns wird eine Beschichtung aus komprimierbarem Material aufgebracht.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Ausgangsdicke (t) der Beschichtung aus komprimierbarem Material anhand eines berechneten Werts der Kanalschrumpfung, die beim Abkühlen des gegossenen Zylinderkopfs am Kanal auftritt, vorgegeben.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die Ausgangsdicke der Beschichtung aus komprimierbarem Material durch t ≥ CTE x (Tsolidus - Tshakeout) x ½ Deq definiert.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die Krümmerkanal-Metallkernanordnung eine Graphit- und Kohlenstofffaserbeschichtung mit einem durch die Maske verlaufenden Sandkern.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der durch die Maske verlaufende Sandkern ein Zirkonmaterial mit mehreren über die Dicke verlaufenden Durchgängen, die Löcher oder offene Kanäle definieren, wobei die über die Dicke verlaufenden Durchgänge bei Anlegen eines Drucks zusammenfallen, wenn das Gussmaterial am Kanal abkühlt und schrumpft.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die Graphit- und Kohlenstofffaserbeschichtung eine Innenschicht in der Nähe einer Außenfläche eines ersten Endes des Metallkerns des Krümmerkanals und eine Außenschicht, die eine Außenfläche bildet, wobei die Innenschicht und die Außenschicht den durch die Maske verlaufenden Sandkern umschließen.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Beschichtung aus komprimierbarem Material an einer Öffnung des Kanals zwischen dem Metallkern und einer Innenwand des Kanals angeordnet und wird dadurch beim Abkühlen des gegossenen Zylinderkopfs in einen komprimierten Zustand komprimiert, der einen direkten Metall-auf-Metall-Kontakt zwischen der Innenwand des Kanals und dem Metallkern verhindert.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die Beschichtung aus komprimierbarem Material auf den Metallkern durch Spritzauftrag, Drucken oder Eintauchen zumindest bis in die Nähe einer Endfläche des Metallkerns an einem ersten Ende des Metallkerns aufgebracht.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die Beschichtung aus komprimierbarem Material einen porösen Graphit und eine Kohlenstofffaser.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung hat ein Körper des Metallkerns eine sich verjüngende Form, deren Querschnittsfläche sich von einem ersten Ende mit einer ersten Querschnittsfläche zu einem zweiten Ende mit einer zweiten Querschnittsfläche, die kleiner als die erste Querschnittsfläche ist, kontinuierlich verringert.
Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Verfahren zur lokalen Erhöhung der Abkühlung beim Gießen eines Zylinderkopfs für einen Kraftfahrzeugmotor folgende Schritte: Erzeugen eines Kanals in einer Niederdruck-Sandgussform für einen gegossenen Zylinderkopf eines Kraftfahrzeugmotors; Aufbringen einer Beschichtung aus komprimierbarem Material mit Graphit- und Kohlenstofffaser auf einen Metallkern einer Krümmerkanal-Metallkernanordnung; vorherige Festlegung einer Ausgangsdicke (t) der Beschichtung aus komprimierbarem Material, die mindestens einem Kompressionsbetrag der Beschichtung aus komprimierbarem Material entspricht, der aufgrund der Schrumpfung eines Gussmaterials in der Nähe des Kanals, das die Beschichtung aus komprimierbarem Material umgibt, erwartet wird, wenn das Gussmaterial abkühlt; und Einsetzen der Krümmerkanal-Metallkernanordnung in den Kanal vor Befüllen der Zylinderkopf-Sandgussform mit dem Gussmaterial.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner das Hinzufügen eines durch die Maske verlaufenden Sandkerns in die Beschichtung aus komprimierbarem Material.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner das Drucken des durch die Maske verlaufenden Sandkerns, der mehrere über die Dicke verlaufende Durchgänge aufweist, die Löcher oder offene Kanäle definieren.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner das Auswählen des durch die Maske verlaufenden Sandkerns, der ein zirkonhaltiges Material aufweist.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die Berechnung der Ausgangsdicke (t) der Beschichtung aus komprimierbarem Material mittels einer Gleichung, in der t ≥ CTE x (Tsolidus - Tshakeout) x ½ Deq ist.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner das Hinzufügen eines Kühlnagels aus Metall in die Krümmerkanal-Metallkernanordnung vor dem Einsetzen der Krümmerkanal-Metallkernanordnung, um die Wärmeübertragung beim Abkühlen des Gussmaterials an einer Stelle des Kanals lokal zu erhöhen.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner das Einbetten einer Kokille in die Niederdruck-Sandgussform für den gegossenen Zylinderkopf eines Kraftfahrzeugmotors und das Bereitstellen eines Kühlmittelstroms in die Kokille.
Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Verfahren zur lokalen Erhöhung der Abkühlung beim Gießen eines Zylinderkopfs für einen Kraftfahrzeugmotor folgende Schritte: Erzeugen eines Kanals in einer Niederdruck-Sandgussform für einen gegossenen Zylinderkopf eines Kraftfahrzeugmotors; Aufbringen einer Beschichtung aus komprimierbarem Material auf einen Metallkern einer Krümmerkanal-Metallkernanordnung; Auswählen eines Materials für die Beschichtung aus komprimierbarem Material, das eine zunehmende Wärmeleitfähigkeit beim Komprimieren der Beschichtung aus komprimierbarem Material aufweist; und Einsetzen der Krümmerkanal-Metallkernanordnung in den Kanal sowie Befüllen der Zylinderkopf-Sandgussform mit einem Gussmaterial.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die vorherige Festlegung einer Ausgangsdicke (t) der Beschichtung aus komprimierbarem Material, die mindestens einem Kompressionsbetrag der Beschichtung aus komprimierbarem Material entspricht, der aufgrund der Schrumpfung des Gussmaterials in der Nähe des Kanals, das die Beschichtung aus komprimierbarem Material umgibt, erwartet wird, wenn das Gussmaterial abkühlt.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner das Hinzufügen eines durch die Maske verlaufenden, wärmeleitenden Sandkerns in die Beschichtung aus komprimierbarem Material.
Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hier gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1 ist eine perspektivische Vorderansicht eines Zylinderkopfs für einen Kraftfahrzeugmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ist eine Vorderansicht einer Krümmerkanal-Metallkernanordnung, die beim Gießen des Zylinderkopfs aus 1 verwendet wird;
3 ist eine Vorderansicht der Krümmerkanal-Metallkernanordnung aus 2;
4 ist ein Diagramm, das die Dicke der Kerneinsatzbeschichtung und die Wärmeleitfähigkeit unter Druckeinfluss beim Abkühlen des Gussteils darstellt;
5 ist eine Vorderansicht einer Krümmerkanal-Metallkernanordnung, die gegenüber der aus 2 abgeändert wurde;
6 ist eine Vorderansicht einer Anordnung von Krümmerkanalkernen gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
7 ist eine Vorderansicht der Anordnung von Krümmerkanalkernen aus 6, die dahingehend geändert wurde, dass sie nun Kühlnägel umfasst.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und soll die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch nicht einschränken.
Unter Bezugnahme auf 1 wird in einem Niederdruck-Sandgusskopfsystem 10 mithilfe einer Sandkokille 14 und eines Eingusses 16 ein gegossener Zylinderkopf 12 hergestellt. Mindestens ein Kühlmittelfüllanschluss 18 und mindestens ein Kühlmittelauslaufanschluss 20 sorgen für einen Kühlmittelstrom in der Sandkokille 14. Das Kühlmittel kann z. B. als gekühltes Wasser in die Sandkokille 14 geleitet werden, um einen oberen Teil einer Sandgussform 24 abzukühlen, die in dieser Ansicht aus Gründen der Übersichtlichkeit nur teilweise dargestellt ist. Geschmolzenes Gussmetall wie Eisen oder Aluminium wird über einen Eingusseinlauf 22 unter Druck in den Einguss 16 geleitet und fließt dann in einer Fließrichtung 26 nach oben in die Sandgussform 24 und bildet so den Zylinderkopf 12. Eine Pumpe 28 sorgt für einen Druckfluss des geschmolzenen Metalls in die Sandgussform 24 und kann dadurch eine Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls in die Sandgussform 24 steuern.
Mindestens ein und gemäß mehreren Aspekten mehrere Kanäle 30, einschließlich Auslasskanälen, darauf aber nicht beschränkt, können mit dem Gussteil versehen werden. Um die erforderliche komplexe Geometrie der Kanäle zu erhalten, werden vor dem Gießen einzelne Metallkerne in einzelne Kanäle eingesetzt. Diese Metallkerne sind in 2 und 3 dargestellt und näher beschrieben. Nach Abschluss des Gießvorgangs und nachdem der gegossene Zylinderkopf 12 abgekühlt ist, wird der gegossene Zylinderkopf 12 aus der Sandgussform 24 entnommen und werden die Metallkerne entfernt. Anschließend wird eine neue Sandgussform 24 erstellt und werden die Metallkerne gereinigt und in die neue Sandgussform 24 eingelegt, um einen weiteren gegossenen Zylinderkopf 12 zu gießen.
Unter Bezugnahme auf 2 und erneut auf 1 umfasst eine beispielhafte Krümmerkanal-Metallkernanordnung 32 einen Metallkern 34, der z. B. aus Aluminium oder Stahl bestehen kann. Beim Abkühlen des gegossenen Zylinderkopfs 12 in der Sandgussform 24 ziehen sich die Kanäle 30, wie z. B. die gezeigten Auslasskanäle, zusammen oder schrumpfen, wodurch der Metallkern 34 eingeschlossen und seine Entfernung verhindert werden könnte. Es kann ein Wert der Kanalschrumpfung berechnet werden. Um das Entfernen des Metallkerns 34 nach dem Gießen zu ermöglichen und die erforderliche Geometrie der Kanäle zu schaffen und gleichzeitig für die erwartete Kanalschrumpfung beim Abkühlen zu sorgen, ist der Metallkern 34 mit einer Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material versehen, die zumindest einen Teil des Metallkerns bedeckt. Eine Ausgangsdicke 47 der Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material, die unter Bezugnahme auf 3 dargestellt und beschrieben ist, wird anhand eines berechneten Werts der beim Abkühlen des gegossenen Zylinderkopfs 12 auftretenden Kanalschrumpfung vorgegeben. Die Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material befindet sich an einer Öffnung des Kanals zwischen dem Metallkern 34 und der Innenwand des Kanals und komprimiert sich dadurch beim Abkühlen des gegossenen Zylinderkopfs 12 in einen komprimierten Zustand, der unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist, was einen direkten Metall-auf-Metall-Kontakt zwischen gegenüberliegenden Wänden des Kanals und des Metallkerns 34 verhindert. Im komprimierten Zustand bleibt ein Teil der Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material erhalten, der zerbrechlich ist, um ein späteres Entfernen und eine Wiederverwendung der Krümmerkanal-Metallkernanordnung 32 zu ermöglichen.
Gemäß mehreren Aspekten wird die Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material auf den Metallkern 34 etwa durch Spritzauftrag, Drucken oder Eintauchen zumindest bis in die Nähe einer Endfläche 38 des Metallkerns 34 an einem ersten Ende 40 des Metallkerns 34 aufgebracht. Ein Material der Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material kann einen porösen Graphit und auch ein Kohlenstofffasermaterial umfassen. Der poröse Graphit wird aufgrund seiner Bindefähigkeit ausgewählt, um sich lösbar mit dem Metallkern 34 zu verbinden, und aufgrund seiner Fähigkeit, für die vorbestimmte Menge an Kompression zu sorgen, die während der Kanalschrumpfung beim Abkühlen der Form erwartet wird. Das Kohlenstofffasermaterial wird hinzugefügt, um die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material zu erhöhen, wodurch die lokalisierte Abkühlung verbessert wird.
Die Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material verbessert die Abkühlung des geschmolzenen Materials in der Nähe der Kanäle, was die Entwicklung einer feineren Mikrostruktur des Gussmaterials und einer geringeren Porosität des gegossenen Zylinderkopfs 12 fördert. Um das anschließende Entfernen des Metallkerns 34 aus dem fertigen und abgekühlten gegossenen Zylinderkopf 12 zu erleichtern, kann ein Körper 42 einzelner Metallkerne 34 eine sich verjüngende Form haben, deren Querschnittsfläche sich vom ersten Ende 40 mit einer ersten Querschnittsfläche zu einem zweiten Ende 44 mit einer zweiten Querschnittsfläche, die kleiner als die erste Querschnittsfläche ist, kontinuierlich verringert. Eine Außenfläche 46 der Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material am ersten Ende 40 sorgt für eine gewünschte Geometrie des Einzelkanals, was eine spätere Schrumpfung beim Abkühlen des Gussmaterials ermöglicht.
Unter Bezugnahme auf 3 und erneut auf 1 und 2 wird eine Ausgangsdicke 47 der Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material bestimmt, indem ein Näherungswert für die Schrumpfung des Metallgussmaterials berechnet wird, wenn das Gussmaterial abkühlt und die Fläche der mehreren Kanäle 30, einschließlich der in 1 dargestellten Auslasskanäle, darauf aber nicht beschränkt, schrumpft. Ein komprimierter Zustand 48 der Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material, der nach dem Schrumpfen des Gussmaterials lokal an den mehreren Kanälen 30 auftritt, ermöglicht einen minimalen Abstand 49 zwischen der Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material und dem Metallkern 34, um das Entfernen der Krümmerkanal-Metallkernanordnung 32 zu erleichtern. Ein Wert für die Ausgangsdicke 47, definiert als „t“, lässt sich mithilfe der folgenden Gleichung 1 bestimmen: $t \geq CTE \times (Tsolidus - Tshakeout) \times \frac{1}{2} Deq,$
wobei:

CTE ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Metallgussmaterials ist,
Tsolidus die Temperatur des Metalls, wenn es 100 % fest wird, ist,
Tshakeout die Temperatur des Metalls nach dem Abkühlen in der Form ist und Deq ein Äquivalentdurchmesser des Kanals ist.

Unter Bezugnahme auf 4 und erneut auf 1 bis 3 zeigt ein Diagramm 50 eine Schichtdicke der Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material, einen auf die Krümmerkanal-Metallkernanordnung 32 wirkenden Druck 54, der sich während der Abkühlkompression ergibt, und eine Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material. Eine erste Kurve 58 kennzeichnet eine stetig abnehmende Dicke der Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material von ihrer ursprünglichen oder oben definierten Ausgangsdicke 47, wenn der Druck 54 aufgrund der Schrumpfung des Gussmaterials im Zeitablauf zunimmt. Eine zweite Kurve 60 kennzeichnet einen stetig ansteigenden Wert einer Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material, wenn die Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material komprimiert wird. Dadurch wird eine erhöhte Abkühlgeschwindigkeit des Gussmaterials lokal an den mehreren Kanälen erreicht, wenn die Beschichtung 36 aus komprimierbarem Material komprimiert wird.
Unter Bezugnahme auf 5 und erneut auf 2 und 3 wird gemäß einem anderen Aspekt eine Krümmerkanal-Metallkernanordnung 62 wie folgt von der Krümmerkanal-Metallkernanordnung 32 abgewandelt, wobei gemeinsame Komponenten dieselben Bezugszeichen wie bei der Krümmerkanal-Metallkernanordnung 32 haben. Die Krümmerkanal-Metallkernanordnung 62 umfasst eine Beschichtung 64 aus komprimierbarem Material, die am ersten Ende 40 des Metallkerns 34 auf den Metallkern 34 aufgebracht wird. Die Krümmerkanal-Metallkernanordnung 62 umfasst eine nachfolgend beschriebene Graphit-/Kohlenstofffaserbeschichtung mit einem durch die Maske verlaufenden Sandkern 66. Der durch die Maske verlaufende Sandkern 66 kann mithilfe eines additiven Fertigungsverfahrens maschinell gedruckt oder mit dem ersten Ende 40 in das Graphit-/Kohlenstofffasermaterial getaucht werden und umfasst mehrere über die Dicke verlaufende Durchgänge 68, die Löcher oder offene Kanäle definieren. Die über die Dicke verlaufenden Durchgänge 68 fallen bei Druckbeaufschlagung zusammen, wenn das Formgussmaterial an den mehreren Kanälen abkühlt und schrumpft. Die Graphit-/Kohlenstofffaserbeschichtung kann in Form einer Innenschicht 70, die sich in der Nähe einer Außenfläche des ersten Endes 40 befindet, und einer Außenschicht 72, die die Außenfläche 46 bildet, bereitgestellt werden. Die Innenschicht 70 und die Au-ßenschicht 72 umschließen den durch die Maske verlaufenden Sandkern 66.
Gemäß mehreren Aspekten kann der durch die Maske verlaufende Sandkern 66 aus einem Zirkonmaterial bestehen, das Zirkonium, Zirkonin und Zircodyne® sowie andere Zirkoniumlegierungen umfassen kann. Verschiedene Zirkonlegierungen können in verschiedenen Bereichen oder Schichten des durch die Maske verlaufenden Sandkerns 66 verwendet werden, um eine Wärmeübertragungsgeschwindigkeit zu verändern oder eine Wärmeübertragungsgeschwindigkeit lokal wie gewünscht zu erhöhen. Die Wärme, die beim Abkühlen vom Material des gegossenen Zylinderkopfs 12 auf die Krümmerkanal-Metallkernanordnung 62 übertragen wird, dringt mit zunehmender Geschwindigkeit schnell durch die Innenschicht 70 und die Außenschicht 72, während die über die Dicke verlaufenden Durchgänge 68 des durch die Maske verlaufenden Sandkerns 66 zusammenfallen.
Gemäß mehreren Aspekten kann sich die Beschichtung 64 aus komprimierbarem Material vom ersten Ende 40 zum zweiten Ende 44 hin erstrecken. Diese Erstreckung kann über eine Teillänge 74 des Metallkerns 34 erfolgen, um beim Gießen eine bessere Abkühlung und Dimensionskontrolle der mehreren Kanäle zu ermöglichen.
Unter Bezugnahme auf 6 und erneut auf 1 bis 5 sieht eine Anordnung 76 mehrere Sandkerne 78 vor, die mit Metallverbindungsarmen 80 versehen sind. Die Anordnung 76 kann in die Sandgussform 24 eingesetzt werden, um den gegossenen Zylinderkopf 12 herzustellen, und nach Abschluss des Gießvorgangs als eine Einheit herausgenommen werden. Durch die Vorbestückung der mehreren Sandkerne 78 vor dem Einsetzen in die Sandgussform 24 sorgt die Anordnung 76 für eine gleichmäßige Dimensionskontrolle der Kanäle 30.
Unter Bezugnahme auf 7 und erneut auf 6 kann die Anordnung 76 verändert werden, um eine Kühlleistung an den Stellen der Kanäle 30 weiter zu verbessern. Ein Kühlnagel 82, der aus einem wärmeleitenden Metall hergestellt ist, wird bei der Montage der Sandkerne 78 in einzelne der mehreren Sandkerne 78 eingesetzt. Der Kühlnagel 82 erhöht lokal die Wärmeübertragung beim Abkühlen des geschmolzenen Metalls an den Stellen der Kanäle 30.
Ein Niederdruck-Sandgusssystem der vorliegenden Offenbarung sorgt für eine verstärkte lokale Abkühlung in den Abgaskrümmerkanälen eines Zylinderkopfs, der im Niederdruck-Sandgussverfahren hergestellt wird. Die Abgaskrümmerkanäle können durch Hybridkerne mit Maskensand unter Verwendung einer mittigen Metallkokille hergestellt werden. Die Hybridkernmarken werden auf eine Metallkokille gesetzt, die die Öffnung des Krümmerkanals bildet. Durch das Hinzufügen eines Kernmarken-Stützbolzens reduziert das Niederdruck-Sandgusssystem die Kontaktflächen zwischen der Kernmarke und dem Gussteil. In die Sandform ist eine Seitenkokille eingelassen. Die Oberfläche des Kanalkerns wird mit einer Beschichtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit und Wärmesenkenbeschichtung versehen. Für die Herstellung des Kerns oder Maskenkerns kann auch ein Sand mit hoher Wärmeleitfähigkeit und Wärmesenkensand verwendet werden. Es wird eine poröse wärmeleitende Beschichtung aus Graphen/Graphit/Kohlenstofffasern aufgebracht, deren Beschichtungsdichte und Wärmeleitfähigkeit, z. B. beim Schrumpfen des Aluminiums am Krümmerkanal, mit dem Druck zunimmt. Eine anfängliche Beschichtungsdicke wird vorgegeben, um die endgültige Extraktion des Krümmerkanal-Metallkerns zu verbessern. Es kann auch ein poröser Maskensandkern mit einer wärmeleitenden Beschichtung aus Graphen/Graphit/Kohlenstofffasern auf den Oberflächen und in den inneren Durchgängen bereitgestellt werden. Dadurch wird Wärme schnell von einem Kopfgussteil auf einen Krümmerkanal-Metallkern durch die Graphen-/Graphit-/Kohlenstofffaser-Oberflächenbeschichtungen und ein Netzwerk im Maskensandkern übertragen.
Ein Niederdruck-Sandgusssystem und ein Verfahren zur Durchführung des Niederdruck-Sandgießens nach der vorliegenden Offenbarung bietet mehrere Vorteile. Dazu gehören die Anwendung speziell entwickelter Hybridkerne, Beschichtungen und Kernmarken, insbesondere auf einer Abgasseite der Zylinderköpfe, um ähnliche und bessere Eigenschaften als beim Stahl-Sand-Halbkokillenverfahren (SPM-Verfahren) zu erzielen. Die Gießtechnik der vorliegenden Offenbarung bietet eine verbesserte Abkühlung bei der Verfestigung, was zu einer feineren Mikrostruktur des Gussmaterials mit geringerer Porosität führt als bei Teilen, die mit früheren SPM-Verfahren gegossen wurden. Dies führt zu besseren mechanischen Eigenschaften an den Belastungszonen und dazu, dass sicherheitstechnische Entwurfskriterien erfüllt werden.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung hat lediglich beispielhaften Charakter, und Abwandlungen, die nicht vom Hauptpunkt der vorliegenden Offenbarung abweichen, sind als im Rahmen der vorliegenden Offenbarung liegend zu betrachten. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Erfindungsgedanken und Umfang der vorliegenden Offenbarung aufzufassen.

Claims

Niederdruck-Sandgusssystem umfassend: eine Sandgussform, die ein geschmolzenes Gussmaterial zum Gie-ßen eines Kraftfahrzeug-Zylinderkopfs aufnimmt, einen im Kraftfahrzeug-Zylinderkopf gebildeten Kanal, eine Krümmerkanal-Metallkernanordnung mit einem Metallkern; und eine Beschichtung aus komprimierbarem Material, die auf den Metallkern des Krümmerkanalkerns aufgebracht wird.
Niederdruck-Sandgusssystem nach Anspruch 1, wobei eine Ausgangsdicke (t) der Beschichtung aus komprimierbarem Material anhand eines berechneten Werts der Kanalschrumpfung, die beim Abkühlen des gegossenen Zylinderkopfs am Kanal auftritt, vorgegeben wird.
Niederdruck-Sandgusssystem nach Anspruch 2, wobei die Ausgangsdicke der Beschichtung aus komprimierbarem Material durch t ≥ CTE x (Tsolidus - Tshakeout) x ½ Deq definiert wird.
Niederdruck-Sandgusssystem nach Anspruch 1, wobei die Krümmerkanal-Metallkernanordnung eine Graphit- und Kohlenstofffaserbeschichtung mit einem durch die Maske verlaufenden Sandkern umfasst.
Niederdruck-Sandgusssystem nach Anspruch 4, wobei der durch die Maske verlaufende Sandkern ein Zirkonmaterial mit mehreren über die Dicke verlaufenden Durchgängen umfasst, die Löcher oder offene Kanäle definieren, wobei die über die Dicke verlaufenden Durchgänge bei Anlegen eines Drucks zusammenfallen, wenn das Gussmaterial am Kanal abkühlt und schrumpft.
Niederdruck-Sandgusssystem nach Anspruch 4, wobei die Graphit- und Kohlenstofffaserbeschichtung eine Innenschicht in der Nähe einer Außenfläche eines ersten Endes des Krümmerkanal-Metallkerns und eine Außenschicht, die eine Außenfläche bildet, umfasst, wobei die Innenschicht und die Außenschicht den durch die Maske verlaufenden Sandkern umschließen.
Niederdruck-Sandgusssystem nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung aus komprimierbarem Material an einer Öffnung des Kanals zwischen dem Metallkern und einer Innenwand des Kanals angeordnet ist und dadurch beim Abkühlen des gegossenen Zylinderkopfs in einen komprimierten Zustand komprimiert wird, der einen direkten Metall-auf-Metall-Kontakt zwischen der Innenwand des Kanals und dem Metallkern verhindert.
Niederdruck-Sandgusssystem nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung aus komprimierbarem Material auf den Metallkern durch Spritzauftrag, Drucken oder Eintauchen zumindest bis in die Nähe einer Endfläche des Metallkerns an einem ersten Ende des Metallkerns aufgebracht wird.
Niederdruck-Sandgusssystem nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung aus komprimierbarem Material einen porösen Graphit und eine Kohlenstofffaser aufweist und außerdem einen Kühlnagel aus Metall aufweist, der die Wärmeübertragung beim Abkühlen des geschmolzenen Gussmaterials an einer Stelle des Kanals lokal erhöht.
Niederdruck-Sandgusssystem nach Anspruch 1, wobei ein Körper des Metallkerns eine sich verjüngende Form hat, deren Querschnittsfläche sich von einem ersten Ende mit einer ersten Querschnittsfläche zu einem zweiten Ende mit einer zweiten Querschnittsfläche, die kleiner als die erste Querschnittsfläche ist, kontinuierlich verringert.