DE10303980B3

DE10303980B3 - Verfahren zum Abschrecken von Gussstücken und Abschreckwanne

Info

Publication number: DE10303980B3
Application number: DE2003103980
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kenner; Ralph Dipl.-Ing. Koppenhöfer; Gerd Dipl.-Ing. Linke; Carmen Scherer
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-02-01
Filing date: 2003-02-01
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2023-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschrecken eines Gussstückes (4), DOLLAR A È wobei das Gussstück (4) in eine Wanne (2) gegeben wird, DOLLAR A È dort berührungsfrei zu einem Wannenboden (6) positioniert wird, DOLLAR A È die Wanne (2) mit dem Gussstück (4) in ein Kühlmedium (16) getaucht wird, DOLLAR A È wobei das Kühlmedium (16) beim Eintauchen über einen oberen Rand (10) der Wanne (2) zum Wannenboden (6) gelangt, DOLLAR A È das Kühlmedium (16) vom Wannenboden (6) zu einem unteren Bereich (18) des Gussstücks (4) aufsteigt und DOLLAR A der untere Bereich (18) des Gussstücks (4) zeitverzögert bezüglich des oberen Bereichs (20) des Gussstücks mit dem Kühlmedium (16) in Berührung kommt. Hierdurch werden Zugspannungen in einem unteren Bauteilbereich minimiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschrecken von Gussstücken nach Anspruch 1 sowie eine Wanne zum Abschrecken von Gusstücken nach dem Oberbegriff von Anspruch 10.
Das Abschrecken von Gussstücken, insbesondere von hochbelasteten Motorbauteilen wie Zylinderköpfen trägt einen hohen Anteil zur Festigkeit des Bauteils bei. Besonders bestrebenswert dabei ist eine möglichst gleichmäßige Abkühlung aller Bauteilbereiche, da hohe Temperaturunterschiede während der Abschreckphase zu Zugspannungen führen können.
Dies gilt insbesondere für komplexe und dünnwandige Bauteile, die hohen mechanischen und thermischen Spannungen ausgesetzt sind. Hierzu gehört beispielsweise ein Zylinderkopf, insbesondere auf der dünnwandigen Brennraumseite.

Die DE 196 36 049 A1 offenbart ein Verfahren zum Abschrecken von Gussstücken nach einer Wärmebehandlung. Diesem Verfahren liegt vor allem das Ziel einer schnellen Abschreckung zugrunde. Hierbei wird eine Retorte, die ein Gussstück enthält, zügig mit Wasser gefüllt. Eine besonders gleichmäßige Abschreckung aller Bauteilbereiche kann hierdurch nicht erzielt werden.

Die DD 246 320 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Abschrecken und zum Härten von Feilen. Hierbei wird ein kastenartiger Härtewagen, in dem das zu härtende Werkstück, in diesem Fall eine Feile, eingespannt ist abwärts in ein Abschreckbad bewegt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, durch das/die eine im Vergleich zum Stand der Technik möglichst gleichmäßige Abschreckung aller Bauteilbereiche erfolgt.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zum Abschrecken von Gussstücken nach Anspruch 1, sowie in einer Wanne zum Abschrecken von Gussstücken nach Anspruch 10.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Gusstück in eine Wanne gegeben wird, wobei in der Wanne ein Abstandshalter vorgesehen ist, auf dem das Gussstück bezüglich eines Wannenbodens beabstandet angeordnet ist.

Die Wanne mit dem Gussstück wird in ein Kühlmedium getaucht, wobei das Kühlmedium über einen oberen Rand der Wanne fließt und sich am Boden der Wanne ansammelt. Von dort aus steigt es mit zunehmender Eintauchtiefe, bis es schließlich einen unteren Bereich des Gussstückes erreicht. Gleichzeit fließt das Kühlmedium über einen oberen Bereich des Gussstückes. Somit kommt der obere Bereich des Gussstückes eher in den Kontakt mit dem Kühlmedium als der unter Bereich des Gussstücks.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auf einfache Weise erreicht werden, dass bestimmte Bauteilbereich eher bzw. später mit dem Kühlmedium in Berührung kommen. Somit kann das Abkühlverhalten der verschiedenen Bauteilbereiche gesteuert werden, was besonders dann von Bedeutung ist, wenn manche Bauteilbereiche aufgrund einer hohen Materialdichte pro Volumeneinheit langsamer abkühlen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es somit möglich, die Abkühlgeschwindigkeit der unterschiedlichen Bereiche gezielt zu beeinflussen und eine stets vorhandene Temperaturdifferenz im gesamten Gusssteil zu minimieren.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Gussstück auf einem Gitterrost oder Lochblech positioniert. Hierbei beträgt der Abstand des Gitterrostes vom Wannenboden zwischen 1 cm und 12 cm, üblicherweise zwischen 2 cm und 5 cm. Die Höhe dieses Abstandes wirkt sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Dauer der Abschreckverzögerung aus. Dies gilt auch für die Höhe der Wanne an sich, die üblicherweise zwischen 3 und 12 cm beträgt.

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Wanne einem nach außen geneigten oberen Rand auf. Hierdurch wird das Kühlmedium zunächst nach außen verdrängt, das Einfließen des Kühlmediums in die Wanne wird somit zusätzlich verzögert.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme zur Verzögerung des Einfließens des Kühlmediums ist ein offener Kanal am oberen Rand der Wanne. Dieser füllt sich erst auf, bevor das Kühlmedium weiter in die Wanne fließen kann. Der Kanal ist üblicherweise V-förmige oder U-förmige ausgestaltet.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden Zeitverzögerungen in der Berührung mit dem Kühlmedium der verschiedenen Bauteilbereiche erzielt, die zwischen 1 s und 8 s liegen. Üblicherweise liegen die Zeitverzögerungen zwischen 2 s und 5 s.

In zweckmäßiger Weise wird das erfindungsgemäße Verfahren auf einen Zylinderkopf angewendet, da dieser als Gussstück besonders komplexe Geometrien aufweist. Ein homogenes Abschrecken, mit geringen Temperaturdifferenzen ist bei diesem Bauteil besonders erstrebenswert.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen Zylinderkopf ist es wiederum zweckmäßig, den Zylinderkopf mit einer sogenannten Brennraumseite nach unten auszurichten. Dieser eher filigrane Bereich des Zylinderkopfes sollte zur Minimierung der Eigenspannungen erfindungsgemäß verzögert abgekühlt werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine maximale Temperaturdifferenz im Bauteil während des Rbschreckens von weniger als 150° C erzielt werden, insbesondere von weniger als 120° C.

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine Wanne zum Abschrecken eines Gussstückes nach Anspruch 10.

Die erfindungsgemäße Wanne weist einen Wannenboden, eine umlaufende Wannenwand und einen, dem Wannenboden gegenüberliegenden, oberen Wannenrand auf. Die Wanne ist derart ausgestaltet, dass ein Gussstück in ihr beabstandet zum Wannenboden angeordnet werden kann. Hierzu ist ein Abstandshalter, etwa ein Gitterrost vorgesehen.

Bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.

Dabei zeigt
1, in den Schritten a bis d das erfindungsgemäße Verfahren zum Abschrecken eines Gussstückes mit einer Abschreckwanne.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gussstück 4, beispielsweise ein Zylinderkopf 4, der in diesem Beispiel lediglich schematisch dargestellt ist, in eine Abschreckwanne 2 gegeben.
Der Zylinderkopf 4 ist in der Wanne 2 auf einem Gitterrost 12 positioniert, das als Abstandshalter fungiert. Alternativ kann als Abstandshalter auch ein Lochblech oder Querstreben dienen. Ebenfalls können senkrechte Stifte ausgehend vom Wannenboden 6 zur Positionierung des Gussstücks eingesetzt werden. Im Sinne der Erfindung ist auch eine derartige Anordnung unter „berührungsfrei" zu verstehen.
Die Wanne 2 weist eine umlaufende Wand 8 auf, die an ihrer Oberseite von einem oberen Rand 10 begrenzt wird. Die Wanne 2 ist im vorliegenden Beispiel rechteckig ausgestaltet, die Form der Wanne wird grundsätzlich der Form des Gussstückes und der Form eines hier nicht näher dargestellten Abschreckbeckens angepasst.
Der obere Rand 10 der Wanne 2 ist nach außen abgeknickt, was für eine stärkere Wasserverdrängung vorteilhaft ist. Zudem weist die Wanne am oberen Rand 10 einen V-förmigen Kanal 14 auf, auf dessen Wirkungsweise noch eingegangen wird.
Die Wanne 2 mit dem Zylinderkopf 4 wird, wie in 1a dargestellt, in das Abschreckbecken mit einem Kühlmedium 16 gegeben. Das Kühlmedium 16 kann aus Öl oder Wasser bestehen, wobei bei der Verwendung von Wasser verschiedene Zusatzstoffe vorgesehen sein können.
In einem ersten Schritt analog zu 1a wird das Kühlmedium 16 durch den nach außen gerichteten oberen Rand 10 der Wanne 2 verdrängt. In diesem Verfahrensschritt kommt der Zylinderkopf 4 noch nicht mit dem Kühlmedium 16 in Berührung.
Im zweiten Verfahrensschritt nach 1b liegt der obere Rand 10 der Wanne 2 bereits geringfügig unter der Oberfläche des Kühlmediums 16. Das Kühlmedium 16 fließt über den oberen Rand 10 in den V-förmigen Kanal 14, sammelt sich dort, bis der Kanal 14 gefüllt ist und fließt anschließend über einen inneren Rand 15 zum Wannenboden 6.
Auf dem Wannenboden 6 sammelt sich das Kühlmedium und steigt mit zunehmenden Einsinken der Wanne 2 in das Abschreckbecken an (1c). Ein unterer Bereich des Zylinderkopfes 18 kommt zu diesem Zeitpunkt noch nicht mit dem Kühlmedium in Berührung. Ein oberer Bereich 20 des Zylinderkopfes hingegen wird bereits zu diesem Zeitpunkt vom Kühlmedium 16 überflutet und abgeschreckt.
Erst wenn, wie in 1d dargestellt, das Kühlmedium 16 in der Wanne 2 so hoch gestiegen ist, dass der untere Bereich 18 des Zylinderkopfes 4 vom Kühlmedium berührt wird, beginnt das Abschrecken dieses Bereiches. Die Verzögerung zwischen der Berührung des oberen Bereiches 20 und dem unteren Bereiches 18 des Zylinderkopfes 4 mit dem Kühlmedium 16 beträgt etwa 4 s.
Der obere Bereich 20 des Zylinderkopfes 4 enthält pro Volumeneinheit mehr Material als der untere Bereich 18. Der untere Bereich 18 des Zylinderkopfes 4 ist die Seite, die auch bezüglich ihrer Anordnung im Motor als Brennraumseite bezeichnet wird. Diese ist durch Kühlbohrungen mit geringen Wandstärken und Ventilsitze versehen, weshalb hier vergleichsweise wenig Gussmaterial vorhanden ist.
Hingegen ist am oberen Bereich 18 des Zylinderkopfes 4, der sogenannten Nockenwellenseite, vergleichsweise viel Gussmaterial vorhanden. Dies gilt insbesondere dann, wenn – hier nicht dargestellte – Speiser, die vom Anguss des Gießmaterials herrühren und beim Abschrecken noch nicht entfernt sind, mit abgeschreckt werden müssen.
Der Bereich 20 hat in der genannten Verzögerungszeit von 4 s bereits so viel Wärmemenge an das Kühlmedium abgegeben, dass bereits kurz nach dem Berühren des Kühlmediums 16 mit dem unteren Bereich 18 ein weitgehend ausgeglichenes Temperaturverhältnis im Zylinderkopf 4 vorherrscht.
Durch die Höhe 22 des Abstandshalters 12 sowie die Außenhöhe 24 der Wanne 2 und durch die Geometrie des Kanals 14 kann die Verzögerung reguliert werden. Somit ist es möglich, abhängig von der Gussstückgeometrie das Abschreckverhalten derart einzustellen, dass eine möglichst geringe Temperaturdifferenz im Gussstück vorliegt. Es hat sich erwiesen, dass für einen Zylinderkopf eine Höhe 24 der Wanne 2 von 6 cm zweckmäßig ist, wobei der Abstand 22 des Zylinderkopfes 4 vom Wannenboden 6 4 cm beträgt. Eine weitere Erhöhung der Wanne 2 auf 10 cm hat nur geringe Wirkung gezeigt.
Es ist ebenfalls zu berücksichtigen, wie weit das Gussstück 4 über den oberen Rand 10 der Wanne 2 hinausragt, denn davon ist es auch abhängig, zu welchem der obere Bereich 20 mit dem Kühlmedium 16 in Berührung kommt.
Das erfindungsgemäße gezielte Abschrecken eines Gussstückes 4 hat bei dem vorliegenden Beispiel des Zylinderkopfes 4 dazu geführt, dass der untere Bereich 18 sogar langsamer abkühlen kann, als der obere Bereich 20. Es liegt somit während des Abschreckens ein negatives Temperaturgefälle vom Bereich 18 zum Bereich 20 vor, was sich nach dem Abschrecken in verringerten Zugspannungen oder gar in Druckspannungen im Bereich 18 äußert.
Üblicherweise liegen beim Abschrecken nach Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, Zugspannungen im Bereich 18, insbesondere am Ventilsitz des Zylinderkopfes oder an dünnwandigen Kühlkanälen vor.
Derartige Zugspannungen sind bis zu einem gewissen Grade tolerierbar, bei hochbelasteten Zylinderköpfen kann jedoch eine kritische Größe für Zugspannungen überschritten werden. Durch die Minimierung der Zugspannungen oder durch das Einstellen von Druckspannungen an der Brennraumseite des Zylinderkopfes, was durch das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich einstellbar ist, wird die Festigkeit des Zylinderkopfes erheblich erhöht.

Claims

Verfahren zum Abschrecken eines Gussstückes (4), – wobei das Gussstück (4) in eine Wanne (2) gegeben wird, – dort berührungsfrei zu einem Wannenboden (6) positioniert wird, – die Wanne (2) mit dem Gussstück (4) in ein Kühlmedium (16) getaucht wird, – wobei das Kühlmedium (16) beim Eintauchen über einen oberen Rand (10) der Wanne (2) zum Wannenboden (6) gelangt, – das Kühlmedium (16) vom Wannenboden (6) zu einem unteren Bereich (18) des Gussstücks (4) aufsteigt und – der untere Bereich (18) des Gussstücks (4) zeitverzögert bezüglich des oberen Bereichs (20) des Gusstücks mit dem Kühlmedium (16) in Berührung kommt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussstück (4) durch ein Gitterrost (12) zum Wannenboden (6) in Abstand gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (22) eines unteren Bereiches des Gussstückes (18) und dem Wannenboden (6) zwischen 1 cm und 12 cm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluss des Kühlmediums (16) zum Wannenboden (6) durch einen von einer Wannenwand (8) nach außen geneigten oberen Rand (10) der Wanne (2) zusätzlich verzögert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzechnet, dass der Fluss des Kühlmediums (16) zum Wannenboden (6) durch einen offenen Kanal (14) am oberen Rand (10) der Wanne (2) zusätzlich verzögert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzechnet, dass die Zeitverzögerung der Berührung des Kühlmediums (16) mit dem unteren Bereich (18) und dem oberen Bereich (20) des Gussstückes (4) zwischen 1 s und 8 s beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzechnet, dass das Gusstück (4) ein Zylinderkopf (4) ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzechnet, dass der Zylinderkopf (4) mit einer Brennraumseite (18) zum Wannenboden (6) hin positioniert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzechnet, dass während des Abschreckens im Gusstück (4) eine Temperaturdifferenz von weniger als 150°C besteht.
Wanne zum Abschrecken von Gussstücken (4) mit einem Wannenboden (6) und einer umlaufenden Wannenwand (8), die gegenüber dem Wannenboden (6) einen oberen Rand (10) der Wanne (2) bildet, dadurch gekennzechnet, dass in der Wanne (2) ein Abstandshalter (12) zur Positionierung des Gussstückes (4) vorgesehen ist, so dass das Gussstück berührungsfrei zum Wannenboden (6) angeordnet ist.
Wanne nach Anspruch 10, dadurch gekennzechnet, dass der Abstandshalter (12) in Form eines Gitters (12) ausgestaltet ist.
Wanne nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzechnet, dass die Höhe (24) der Wanne (2) zwischen Wannenboden (6) und oberen Rand (10) zwischen 3 cm und 12 cm beträgt.
Wanne nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzechnet, dass die Höhe (22) zwischen Wannenboden (6) und Gussstück (4) zwischen 1 cm und 12 cm beträgt.
Wanne nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzechnet, dass die Wannenwand (8) im Bereich des oberen Randes (10) einen offenen Kanal (14) aufweist.