DE10207989B4

DE10207989B4 - Dauergießform mit keramischer Auskleidung

Info

Publication number: DE10207989B4
Application number: DE10207989A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Schäfer (FH); Michael Dipl.-Ing. Scheydecker (Fh); Oliver Dr.-Ing. Storz; Heinrich Dipl.-Ing. Wodarski (FH)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: DE10207989A1; US20040026059A1

Abstract

Dauergießform mit einer zumindest lokalen keramischen Auskleidung (4, 9, 13, 17), wobei die keramische Auskleidung (4, 9, 13, 17) zumindest teilweise Oberflächenkonturen eines Formhohlraums gestalten, wobei die keramische Auskleidung (4, 9, 13, 17) formschlüssig auf einem metallischen Kern (6, 7, 14, 18) aufgebracht ist und die keramische Auskleidung (4, 9, 13, 17) mit dem Kern (6, 7, 14, 18) fest oder beweglich im Formhohlraum verankert sind dadurch gekennzeichnet,
– dass ein Ausdehnungskoeffizient des Kerns (6, 7, 14, 18) und ein Ausdehnungskoeffizient der keramischen Auskleidung (4, 9, 13, 17) maximal um 5 × 10-6 K-1 differieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dauergießform nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Auskleidung für eine Dauergießform nach Anspruch 9.
Dauergießformen sowohl im Schwerkraftguss als auch insbesondere im Druckguss sind sehr hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt, die letztlich zu stetigen Verschleiß führen. Dies führt in der Serienfertig zu kontinuierlichen Überholungen und Erneuerungen der Gießformen. Hierdurch entstehen sehr hohe Kosten, die sich wiederum nachhaltig auf die Bauteilkosten niederschlagen.

Die EP 065 996 B1 beschreibt eine metallische Gießform, die keramische Elemente als Auskleidung aufweist. Die Auskleidung ist leicht entnehmbar und ist insbesondere für kleine Einzelbauteile geeignet. Die Auskleidung in der beschriebenen Ausgestaltung ist jedoch für hochbelastete komplexe Großbauteile nicht anwendbar und ist hohen mechanischen, Beanspruchungen im Dauerbetrieb nicht gewachsen.

Die DE 37 38 450 A1 beschreibt ein Druckgusswerkzeug, das keramische Auskleidungen aufweist, diese sind formschlüssig auf einem Kern aus einem Werkzeugstahl angebracht und an diesem verankert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Dauergießform so auszugestalten, dass die Nachbearbeitungszyklen erhöht werden.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Dauergießform nach Anspruch 1 und in einem Verfahren nach Anspruch 9.

Die erfindungsgemäße Dauergießform nach Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die Dauergießform eine keramische Auskleidung aufweist, die fest mit einem metallischen Kern verbun den ist. Die keramische Auskleidung mit dem Kern wird im Folgenden vereinfachend Verbund genannt. Der Verbund ist in einem Formhohlraum der Dauergießform fest oder beweglich eingesetzt, wobei die keramische Auskleidung Teile der Oberflächenkontur des Formhohlraums ausbildet. In bestimmten Fällen ist es dennoch möglich, dass Teilbereiche des Kerns ebenfalls an der Oberfläche liegen.

Diese Anordnung bewirkt, dass die vergleichsweise spröde Keramik eine duktile Stütze aufweist, andererseits ist die keramische Oberfläche ausgesprochen verschleißbeständig.

Die Standzeit des Verbundes wird noch weiter erhöht, wenn der Kern und die Auskleidung eine annähernd gleiche thermische Ausdehnung aufweisen. Der Ausdehnungskoeffizient zwischen dem Kern und der Auskleidung sollte hierbei nicht mehr als absolut 4 × 10^–6 K^–1, bevorzugt nicht mehr als 2,7 × 10^–6 K^–1 differieren.

Erzielt werden kann dies durch verschiedene Materialpaarungen. So sind für die keramische Auskleidung grundsätzlich alle technischen Keramiken wie z. B. Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Silizium- oder Titankarbid, Hartmetalle und Siliziumnitrid anwendbar. Besonders geeignet sind Keramik, die gegenüber einem Gießmetall, das oftmals eine Aluminiumlegierung ist, keine oder nahezu keine Benetzung aufweisen. Dies trifft besonders auf Siliziumnitrid und Aluminiumnitrid zu.

Als Kernmaterialien sind ebenfalls grundsätzlich alle hochschmelzenden Metalle oder Metalllegierungen geeignet. Als Materialpaarung besonders geeignet ist Siliziumnitrid und eine Molybdänlegierung. Zwischen diesen Materialien ist die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten besonders gering. Durch Legierungszusätze und/oder Zusätze in keramischen Rohstoffen können die Ausdehnungskoeffizienten zusätzlich angeglichen werden. Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Metall des Kerns eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, damit ein möglichst rascher Wärmeabfluss vonstatten geht. Für Molybdän als Kernmaterial trifft dies in sofern zu, dass seine Wärmeleitfähigkeit bei ca. 140 W/mK liegt. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Kern den höchsten Volumenanteil des Verbundes ausmacht, da durch den Kern eine bessere Wärmeabfuhr erfolgt als. durch die keramische Auskleidung.

Die keramische Auskleidung ist bevorzugt nur so dick, wie es die geometrischen Bedingungen erfordern. Die Wandstärke der keramischen Auskleidung beträgt bei einer selbsttragenden Auskleidung zwischen 2 mm und 50 mm, bevorzugt zwischen 3 mm und 15 mm. Keramische Auskleidungen, die durch Schichten aufgetragen werden, oder aufgesintert werden, weisen Wandstärken zwischen 0,05 mm und 20 mm auf, bevorzugt zwischen 0,5 mm und 5 mm In einer Ausgestaltungsform der Erfindung stellt der Verbund eine weitgehend zylindrische Pinole dar. In dieser Ausgestaltungsform ist der Kern ebenfalls bevorzugt zylindrisch geformt, die keramische Auskleidung ist formschlüssig auf dem zylindrischen Kern angepasst.

Die Vorteile der Erfindung treten besonders hervor, wenn die Dauergießform eine Druckgussform (Druckgießwerkzeug) ist. Im Druckgussverfahren (alle Gießverfahren, in denen mit erhöhtem Druck gegossen wird) wird die Dauergießform am stärksten beansprucht, es tritt der höchste Verschleiß auf.

Zylinderkurbelgehäuse sind Bauteile, die ein besonders komplexes Gießwerkzeug benötigen und hohem Verschleiß unterliegen. Die Anwendung der Erfindung auf eine Kurbelgehäuse-Gießwerkzeug ist vorteilhaft, insbesondere in Anwendung auf eine oder mehreren Pinolen, die die Zylinderbohrungen des Zylinderkurbelgehäuses abbilden. Die Pinole sind besonders auf Verschleiß beansprucht. Die Pinolen sind im Gießwerkzeug beweglich gelagert und fahren nach dem Abgießen des Kurbelgehäuses zur Entformung des Kurbelgehäuses aus dem Werkzeug heraus. Bei dem Herausfahren sind die Pinolen wiederum einem erhöhten Verschleiß unterworfen.

Die formschlüssige Verbindung zwischen der keramischen Auskleidung und dem Kern kann durch eine Vielzahl von Maßnahmen erzielt werden. Besonders geeignet ist z. B. ein wellenförmiger (sinusförmiger) Querschnitt des Kerns. Die Oberfläche des Kerns und somit die Berührungsfläche zwischen Auskleidung und Kern wird durch diese Ausgestaltung vergrößert, was einen besseren Wärmeübergang zur Folge hat. Grundsätzlich ist die Vergrößerung der Berührungsflächen vorteilhaft für die Abfuhr der Oberflächenwärme.

Zur Besseren Anpassung der keramischen Auskleidung und des Kerns kann es zweckmäßig sein, den Kern mit einem Konus zu versehen. Die keramische Auskleidung weist einen Gegenkonus auf, was zu einer festen, formschlüssigen Verbindung führt.

Zur Unterstützung der Wärmeableitung von der Oberfläche in den Kern kann eine Wärmeleitpaste beitragen, die zumindest teilweise auf den Berührungsflächen aufgetragen ist. Die Wärmeleitpaste, bevorzugt auf metallischer Basis, wie z.B. auf Zinkbasis oder Titanbasis, kann ebenfalls vorteilhaft zum Ausgleich von Toleranzunterschieden wirken. Somit könnten die keramische Auskleidung und/oder der Kern mit höheren Toleranzen gefertigt werden, was die Bearbeitungskosten reduziert.

Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Auskleidung einer Dauergießform nach Anspruch 10 ein Bestandteil der Erfindung. Zur formschlüssigen Anpassung und zur Herstellung der keramischen Auskleidung wird eine keramische Rohmasse auf einen metallischen Kern aufgebracht. Dies kann unter Anwendung allen fachlichen Könnens z. B. durch Aufpressen, Aufschlickern durch Aufbringen eines keramischen Grünkörpers oder durch Aufbringen präkeramischer Polymere geschehen.

Im Weiteren wird die keramische Rohmasse mit dem Kern zu einer Keramik verfestigt. Dies erfolgt üblicherweise durch einen Sinterprozess oder im Falle von Polymeren in Form von Karbonisie rung. Anschließend erfolgt eine Feinbearbeitung der Keramik, wodurch die Oberfläche der keramischen Auskleidung erzeugt wird.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer keramischen Auskleidung auf einem Kern nach Anspruch 11 besteht darin, dass auf dem Kern eine keramische Schicht, bevorzugt durch ein thermisches Spritzverfahren aufgebracht wird. Auf diese Art können sehr dünne keramische Auskleidungen mit Wandstärken zwischen 0,05 und 5 mm, bevorzugt zwischen 0,1 mm und 1,5 mm erzielt werden.

Bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung werden an Hand der folgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1, eine Pinole, umfassend eine keramische Auskleidung und einen metallischen Kern,
2, Ausschnitt aus einer Dauergießform mit einer keramischen Auskleidung und einem Kern,
3a, Querschnitt durch eine Pinole, wobei der Kern einen wellenförmigen Querschnitt aufweist,
3b, Querschnitt durch eine Pinole, wobei der Kern Nuten aufweist.
Die in 1 dargestellte Pinole 2 ist Teil eines hier nicht näher dargestellten Druckgießwerkzeuges, das zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses dient. Die Pinole 2 stellt die Aussparung der späteren Zylinderbohrung dar. Sie ist auf einen hier ebenfalls nicht dargestellten Schieber montiert, durch den sie nach einem Gießvorgang zurückgezogen werden kann. Die Pinole 2 weist einen Molybdänkern 6 auf, der mit einer keramischen Auskleidung 4 aus Siliziumnitrid formschlüssig verbunden ist. Sowohl der Kern 6 als auch die keramische Auskleidung 4 weisen einen Konus 22 auf, durch den ein spielfreier Verbund gewährleistet ist. Die Berührungsflächen 5 zwischen dem Kern 6 und der keramischen Auskleidung 4 sind mit einer Zinkpaste beschichtet. Die Zinkpaste dient zur Wärmeübertragung von der Keramik 4 zum Kern 6. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Molybdäns liegt etwa bei 5,6 × 10^–6K^–1, der Ausdehnungskoeffizient des Siliziumnitrid liegt etwa bei 3 × 10^–6K^–1.
Optional kann die Pinole 2 im Kern 6 mit Kühlkanälen durchzogen sein. Die Pinole 2 weist in der Ausgestaltungsform nach l eine freie Kernfläche 3 auf, die ebenfalls zur Bildung einer Oberflächenkontur herangezogen wird. Diese freie Kernfläche kann optional an Hand der thermischen und mechanischen Anforderungen in der jeweiligen Dauergießform gewählt werden. Die Standzeit bis zur Nachbearbeitung der Pinole ist durch die erfindungsgemäße keramische Auskleidung gegenüber herkömmlichen Pinolen auf Stahlbasis verdreifacht worden.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung nach 2 ist eine Kante 11 einer Dauergießform 8 durch eine erfindungsgemäße keramische Auskleidung 9 lokal verstärkt. Die Keramik 9 ist ebenfalls mit einem Molybdänkern 7 formschlüssig verbunden. Der Verbund ist rückseitige durch eine Verschraubung 10 an der Dauergießform 8 befestigt.
In den 3a und 3b sind Beispiele für Kernquerschnitte wiederum am Beispiel eines Pinolenkerns (14, 18) dargestellt. Der Kern 14 der Pinole 12 weist einen wellenförmigen Querschnitt auf, durch den die Berührungsfläche zur keramischen Auskleidung 13 vergrößert wird. Hierdurch wird der Wärmeübergang vom Kern 14 zur Keramik 13 beschleunigt. Die selbe Wirkung wird durch die in 3d dargestellte Maßnahme erzielt, hier weist der Kern 18 Nuten 20 auf, auf die die keramische Auskleidung 17 aufgesetzt ist. Sowohl die Nuten 20 als auch die Wellenform des Kerns 14 dienen ebenfalls zur Fixierung der Keramik 13, 17 auf dem Kern 14, 18.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundes lässt sich grundsätzlich durch drei Arten realisieren. Zum einen können der Kern und die keramische Auskleidung separat hergestellt werden, feinbearbeitet werden und anschließend gefügt werden. Das Fügen erfolgt gemäß dem fachmännischen Können. Dies kann z. B. durch Vakuumlöten erfolgen, dies führt zu guten Wärmeübergängen zwischen Kern und Auskleidung, zudem werden eventuell Spalte beseitigt.
Die zweite Variante besteht darin, die Keramik als keramische Rohmasse auf einen vorgefertigten Kern aufzubringen. Die Keramik wird auf dem Kern gesintert, wobei das Sintern unter Druck, z. B. durch Heißpressen erfolgen kann. Anschließend wird der komplette Verbund zum Anpassen in der Dauergießform feinbearbeitet.
Durch die zweite Variante kann die Feinbearbeitung der Berührungsflächen eingespart werden. Die Formschlüssige Verbindung ist durch den Sinterprozess gewährleistet. Andererseits kommt es während des Sinterprozesses zu Schrumpfungen der keramischen Rohmasse, die vorher eingerechnet werden müssen. Bei verschiedenen Geometrievarianten kann es so zu Spalten zwischen dem Kern und der Keramik kommen. Dies könnte z. B. durch Heißpressen minimiert werden. Das jeweilige Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Verbund muss an Hand der geometrischen Erfordernissen des Verbundes bestimmt werden.
Eine dritte Variante besteht darin, dass ein keramische Schicht auf den Kern aufgebracht wird. Das Aufbringen der Schicht kann durch alle üblichen keramischen Beschichtungsverfahren erfolgen. Hierbei wären als Beispiele thermische Spritzverfahren, wie das Plasmaspritzen, das Flammspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen genannt.

Claims

Dauergießform mit einer zumindest lokalen keramischen Auskleidung (4, 9, 13, 17), wobei die keramische Auskleidung (4, 9, 13, 17) zumindest teilweise Oberflächenkonturen eines Formhohlraums gestalten, wobei die keramische Auskleidung (4, 9, 13, 17) formschlüssig auf einem metallischen Kern (6, 7, 14, 18) aufgebracht ist und die keramische Auskleidung (4, 9, 13, 17) mit dem Kern (6, 7, 14, 18) fest oder beweglich im Formhohlraum verankert sind dadurch gekennzeichnet, – dass ein Ausdehnungskoeffizient des Kerns (6, 7, 14, 18) und ein Ausdehnungskoeffizient der keramischen Auskleidung (4, 9, 13, 17) maximal um 5 × 10-6 K-1 differieren.
Dauergießform, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Auskleidung (4, 9, 13, 17) auf Basis von Siliziumnitrid und der metallische Kern (6, 7, 14, 18) auf Basis von Molybdän bestehen.
Dauergießform nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramische Auskleidung (4, 9, 13, 17) mit dem Kern (6, 7, 14, 18) zusammen eine Pinole (2, 12, 16) darstellen.
Dauergießform nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauergießform eine Druckgussform ist.
Dauergießform nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgießform zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses dient.
Dauergießform nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (6, 7, 14, 18) eine wellenförmige oder geriffelte Oberfläche aufweist, auf der die keramische Auskleidung (4, 9, 13, 17) verankert ist.
Dauergießform nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (6, 7, 14, 18) annähernd zylindrisch ausgebildet ist und einen Konus (22) aufweist, der in negativer Form in der keramischen Auskleidung (4, 9, 13, 17) abgebildet ist.
Dauergießform nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Grenzfläche zwischen der keramischen Auskleidung (4, 9, 13, 17) und dem Kern (6, 7, 14, 18) eine wärmeleitfähige Paste angebracht ist.
Verfahren zur Herstellung einer keramischen Auskleidung einer Dauergießform nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, – dass eine keramische Rohmasse auf einen metallischen Kern gebracht wird, – die keramische Rohmasse gemeinsam mit dem Kern einer Temperaturbehandlung zur Verfestigung der Keramik, – unter Bildung einer festen Verbindung zwischen Keramik und Kern unterzogen wird und – die Verbindung oberflächenseitig feinbearbeitet wird.