DE10342582A1 - Production of a gradient workpiece by layer casting - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Gussstücks, insbesondere eines Maschinenelements, wie eines Zylinderblocks, aus graphithaltigem Gusseisen, werden erfindungsgemäß für unterschiedliche Beanspruchungszonen (4, 3) des Gussstücks unterschiedliche Graphitstrukturen enthaltende Gusseisenchargen und/oder Legierungen nacheinander in eine Form (2) gegossen, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, die örtlichen Materialeigenschaften an den Beanspruchungsfall besser anzupassen als bei einer Herstellung aus einer einzigen homogenen Schmelze. Es wird auch eine zum Durchführen des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung beschrieben.In a method for producing a cast piece, in particular a machine element, such as a cylinder block, from cast iron containing graphite, according to the invention, cast iron batches and / or alloys containing different graphite structures are cast in succession into a mold (2) for different stress zones (4, 3) of the cast piece, as a result of which there is the possibility of better adapting the local material properties to the stress situation than when producing from a single homogeneous melt. A device which is particularly suitable for carrying out the method is also described.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Gussstücks aus graphithaltigem Gusseisen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Sie bezieht sich auch auf eine besonders zum Durchführen des Verfahrens geeignete Vorrichtung sowie auf die damit hergestellten Gussstücke und deren Verwendungen.The Invention relates to a method of manufacturing a casting graphite cast iron with the characteristics of the generic term of Claim 1. It also relates to a particular Carry out of the method suitable device and on the castings produced therewith and their uses.
Bekannt ist aus DE-A1-36 22 511 ein Verfahren zum Aufgießen eines (Edel-)Metallkörpers auf einen anderen (Edel-)Metallkörper, bei dem auf den zuerst fertig gegossenen Körper eine zweite Metallschmelze aufgegossen wird. Dadurch entsteht ein spaltfreier Zwischenbereich zwischen den beiden Werkstücken. Nach der o. g. Druckschrift wird allerdings vor dem Aufgießen des zweiten Körpers eine Trennmittelschicht aus Graphit aufgetragen, welche eine Verschmelzung der beiden Gusskörper verhindern soll.Known is from DE-A1-36 22 511 a method for pouring on a (precious) metal body another (precious) metal body, a second metal melt on the first cast body is infused. This creates a gap-free intermediate area between the two workpieces. According to the above However, the document is printed before the infusion second body a release agent layer made of graphite applied, which is a fusion of the two cast bodies should prevent.
Generell ist es bekannt, dass räumlich komplizierte Gussstücke, z. B. Getriebe- oder Motorgehäuse, Zylinderblöcke und -köpfe etc., im Betrieb örtlich je nach Funktionsbereich sehr unterschiedlichen Beanspruchungen ausgesetzt werden. Am Beispiel von Zylinderblöcken für hoch beanspruchte Dieselmotoren und/oder gewichtsoptimiert gebaute Diesel- oder Ottomotoren wird dies vorab näher erörtert.As a general rule it is known that spatially complicated castings, z. B. gear or motor housing, cylinder blocks and heads etc., locally in the company very different loads depending on the functional area get abandoned. Using the example of cylinder blocks for highly stressed diesel engines and / or weight-optimized diesel or gasoline engines this in advance discussed.
Bei solchen Bauteilen sind folgende Anforderungen zu erfüllen:
- – möglichst geringes Gewicht (kleine Wand- und Stegstärken, gewichtsoptimiertes Design)
- – hohe Belastbarkeit gegen hohe Zünddrücke
- - gute Geräuschdämmung
- – gute Bearbeitbarkeit (Bohren, Schleifen, Fräsen, Honen, Innenspindeln, Gewindeschneiden etc.) in Großserienfertigungen
- - hohe Verschleißbeständigkeit.
- - Weight as low as possible (small wall and web thicknesses, weight-optimized design)
- - high resilience against high ignition pressures
- - good noise insulation
- - Good machinability (drilling, grinding, milling, honing, internal spindles, thread cutting, etc.) in large series production
- - high wear resistance.
Im Detail werden
- – in den Wänden der Zylinderbohrungen günstige tribologische Eigenschaften im Zusammenspiel mit den Kolbenringen erwartet. Hierdurch sollen der Ölverbrauch verringert und die Inspektionsintervalle (Ölwechsel) ausgedehnt werden. Man wünscht einen geringen Reibungsbeiwert, hohe Verschleißbeständigkeit und hohe mechanische Steifigkeit gegen den Arbeitsdruck.
- – im Kraftflussbereich um die Kurbelwellenlager hohe Festigkeit, Dauerfestigkeit und Steifigkeit gefordert.
- – von den Außenwänden, insbesondere von der Kurbelraum-Außenwand eine hohe Steifigkeit gefordert, um die Geräuschentwicklung durch hohe Oberflächen-Dämpfung (geringe Oberflächenmobilität) zu verringern.
- - In the walls of the cylinder bores favorable tribological properties in interaction with the piston rings are expected. This is intended to reduce oil consumption and to extend the inspection intervals (oil change). A low coefficient of friction, high wear resistance and high mechanical rigidity against the working pressure are desired.
- - High strength, fatigue strength and rigidity are required in the power flow area around the crankshaft bearings.
- - A high degree of rigidity is required from the outer walls, in particular from the crank chamber outer wall, in order to reduce the noise development due to high surface damping (low surface mobility).
Zum Gießen von Motorenteilen wie Zylinderblöcken sind dem Fachmann verschiedene Eisen-Kohlenstoff-Gusslegierungen mit verschiedenen Graphit-Ausbildungsformen und Legierungszusammensetzungen bekannt: Lamellengraphit (GJL), Vermiculargraphit (GJV), Kugelgraphit (GJS) und deren mögliche Übergangsformen (vgl. z. B. DE-A1-199 42 780). Man hat bislang zumeist GJL in den Klassen GJL-250 bis GJL-350 verwendet. Dieser Werkstoff, insbesondere in legierter Ausführung, eignet sich insbesondere für die Zylinderbohrungen bzw. -wände, weil Lamellengraphit ein guter tribologischer Partner für die Kolben ist und die Gussstücke daraus technisch einfach herstellbar und spanend bearbeitbar sind. Weil jedoch der lamellare Graphit in einer meist perlitischen Matrix aufgrund innerer Kerbwirkungen die Dauerfestigkeit des Gussstücks beeinträchtigt, ist er für hoch aufgeladene Dieselmotoren nicht uneingeschränkt verwendbar.To the to water of engine parts such as cylinder blocks are various iron-carbon casting alloys to the expert with different graphite shapes and alloy compositions known: lamellar graphite (GJL), vermicular graphite (GJV), spheroidal graphite (GJS) and their possible transitional forms (see e.g. DE-A1-199 42 780). So far, GJL has mostly been in the Classes GJL-250 to GJL-350 are used. This material, in particular in alloy design, is particularly suitable for the cylinder bores or walls because Lamellar graphite is a good tribological partner for the pistons is and the castings they are technically easy to manufacture and machinable. However, because the lamellar graphite is in a mostly pearlitic matrix affects the fatigue strength of the casting due to internal notch effects, is he for highly charged diesel engines cannot be used without restrictions.
Für solche Höchstbeanspruchungen wird deshalb häufig GJV – Gusseisen mit kompakten Graphiteinschlüssen – eingesetzt. Mit der Realisierung immer höherer Zünddrücke gibt es auch schon Anforderungen, GJS, also Gusseisen mit Kugelgraphit, zu verwenden. Die beiden letztgenannten Werkstoffe haben jedoch auch fertigungstechnische Nachteile, denn sie neigen z. B. zu höherer Porosität. Insbesondere sind sie für die Hochgeschwindigkeits-Bearbeitung weniger brauchbar, z. B. wenn Zylinderbohrungen und Ölkanäle durch PCBN-Schneiden eingebracht werden sollen.For such maximum stress is therefore common GJV - cast iron with compact graphite inclusions - used. With the realization of ever higher ones Ignition pressures there there are already requirements, GJS, i.e. spheroidal graphite cast iron, to use. However, the latter two materials have also manufacturing disadvantages, because they tend z. B. to higher porosity. In particular are they for the high-speed machining less useful, e.g. B. if Cylinder bores and oil passages PCBN cutting should be introduced.
Es ist grundsätzlich bekannt (DE-A1-25 18 637), beim Herstellen von Gusseisenstücken die Graphitstrukturen in der Schmelze durch eine „inmould"-Behandlung unmittelbar vor dem Eingießen in die Form bedarfsgerecht zu modifizieren.It is fundamental known (DE-A1-25 18 637), the graphite structures in the manufacture of cast iron pieces in the melt by an "inmould" treatment immediately before pouring in modify the shape as needed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Gussstückes mit unterschiedlich beanspruchten Bereichen oder Zonen, insbesondere eines Zylinderkurbelgehäuses für Verbrennungsmotoren, anzugeben, mit dem verschiedene Werkstoffe belastungsgerecht im Gussstück angeordnet werden.The The invention is based on the object of a method for producing of a casting with differently stressed areas or zones, in particular of a cylinder crankcase for internal combustion engines, to indicate with which different materials in accordance with the load casting to be ordered.
Es soll auch eine Vorrichtung geschaffen werden, die besonders zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Merkmale des Patentanspruchs 11 geben eine entsprechende Vorrichtung an, während im Anspruch 20 entsprechende Gussteile beansprucht sind. Die Merkmale der den unabhängigen Ansprüchen jeweils nachgeordneten Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.A device is also to be created which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention. This object is achieved according to the invention with the features of patent claim 1. The features of claim 11 indicate a corresponding device, while corresponding castings are claimed in claim 20. The characteristics of the independent claims Chen subordinate claims indicate advantageous developments of the invention.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gussstück in einer einheitlichen Form aus unterschiedlichen Gusseisenchargen hergestellt, deren Eigenschaften besser auf die bereichsweise unterschiedlichen Betriebsbeanspruchungen abgestellt bzw. an diese angepasst werden können, als dies mit einer homogenen Gusseisencharge oder -legierung für das gesamte Gussstück möglich ist. Ein solches Gussstück kann auch als Gradientengussstück bezeichnet werden, da jedenfalls seine innere Graphitstruktur nicht überall gleich ist.By Application of the method according to the invention becomes a casting in a uniform form from different cast iron batches manufactured, the properties of which better reflect the different areas Operating stresses can be switched off or adapted to them as with a homogeneous cast iron batch or alloy for the whole Casting is possible. Such a casting can also be used as a gradient casting can be referred to, since in any case its internal graphite structure is not the same everywhere.
Es ist als besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht notwendig, bei der Abfolge des Gießens das Erstarren einer zuerst eingefüllten Schmelze abzuwarten, sondern man kann unmittelbar nach dem Erreichen der gewünschten Schichthöhe bzw. des Füllungsgrades der Form mit dem Eingießen der nächsten Charge beginnen. Damit wird zwar kein wirklich trennscharfer Übergang zwischen den Chargen bzw. Schichten erreicht, sondern es bilden sich Übergangsformen, z. B. Korallengraphit, in den Schnittstellen. Hierdurch wird aber einerseits eine innige, quasi autogene Verbindung der beiden Gussphasen erzielt, und zum anderen gibt es keine merklichen Verzögerungen vor dem Umschalten auf die zweite bzw. die jeweils folgende Gussphase.It is not necessary as a particular advantage of the method according to the invention, in the sequence of casting waiting for the solidification of a melt that was filled in first, but you can immediately after reaching the one you want layer height or the degree of filling the mold with pouring the next Start batch. This does not make a really selective transition reached between batches or layers, but form it transitional forms, z. B. coral graphite, in the interfaces. This will, however on the one hand an intimate, quasi-autogenous connection between the two casting phases and there are no noticeable delays before switching to the second or subsequent casting phase.
Man wird so den vorstehend erörterten Problemen besser gerecht als mit herkömmlichen Gussstücken, denn man erreicht jeweils dort hohe Festigkeit, tribologische Eigenschaften und Schwingungsdämpfung, wo diese gewünscht werden. Zugleich erhält man die Option, für eher gering beanspruchte Bereiche nicht ebenfalls das höchstqualifizierte Material bzw. die höchstwertige Legierung zu verwenden und insofern dessen/deren Nachteile und Verbrauch auf das Unerlässliche zu beschränken.you will be the ones discussed above Problems better than with conventional castings, because high strength and tribological properties are achieved there and vibration damping, where desired become. Received at the same time one the option for areas with little stress are not the most highly qualified Material or the most valuable To use alloy and therefore its disadvantages and consumption on the indispensable to restrict.
Vorzugsweise sind für einen Motor- oder Zylinderblock für eine Verbrennungskraftmaschine nachfolgende Ausführungsfälle möglich:
- a) der Kurbelraumbereich aus GJV und der Zylinderbereich nebst Wassermantel/Kühlkanälen aus GJL
- b) der Kurbelraumbereich aus GJS und der Zylinderbereich aus GJV
- c) der Kurbelraumbereich aus GJS und der Zylinderbereich aus GJL
- a) the crank area from GJV and the cylinder area with water jacket / cooling channels from GJL
- b) the crank area made of GJS and the cylinder area made of GJV
- c) the crank area made of GJS and the cylinder area made of GJL
Hieraus ergeben sich analytisch voneinander unterscheidbare Schichten innerhalb des äußerlich homogen erscheinenden Gussstücks.From this analytically distinguishable layers result within of the outside homogeneous casting.
Im vorstehenden Fall a) handelt es sich z. B. um einen Zylinderblock mit eher herkömmlichem Einsatzgebiet, während die Fälle b) und c) eine erhöhte Steifigkeit im Bereich der Zylinderwände und des Wasserkühlmantels bewirken. Letzteres wird bei hoch aufgeladenen Dieselmotoren mit extremen Verbrennungsdrucken bevorzugt und verhindert weitgehend blow-by-Verluste.in the Case a) above is z. B. a cylinder block with more conventional Field of application while the cases b) and c) increased stiffness in the area of the cylinder walls and the water cooling jacket cause. The latter is included in highly charged diesel engines favors extreme combustion pressures and largely prevents them blow-by losses.
Bei demselben Ausführungsfall wird man die Zylinderachsen während des Gießens bzw. in der Form bevorzugt senkrecht orientieren, der Zylinderbereich oben oder unten positioniert werden kann. Man wird bevorzugt steigend gießen, wobei jedoch auch fallendes Gießen möglich ist.at the same execution case one becomes the cylinder axes during of casting or preferably orient vertically in shape, the cylinder area can be positioned above or below. One is preferred to climb to water, but also falling pouring possible is.
Um eine Trennhöhe der verschiedenen, das Gussstück bildenden Schichten reproduzierbar zu definieren, wird man bevorzugt jeweils in Höhe des beabsichtigten (oberen) Endes des mit einer Legierung zu füllenden Formraums einen oder mehrere Überläufe vorsehen. Dies erübrigt darüber hinaus eine genaue Mengenzumessung der jeweiligen Charge zur damit aufzufüllenden Formkavität.Around a separation height the different, the casting Defining forming layers in a reproducible manner is preferred each in height the intended (upper) end of the one to be filled with an alloy Provide one or more overflows. This is unnecessary about that also an exact quantity measurement of the respective batch be replenished Mold cavity.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, dass das Lauf- und Anschnittsystem einer Komponente bzw. Legierung während des Gießens einer zweiten Komponente bzw. Legierung verschlossen wird, damit die beiden Legierungen sich nicht unbeabsichtigt vermischen können.A another advantageous embodiment provides that the running and gating system of a component or Alloy during of casting a second component or alloy is sealed so the two alloys cannot accidentally mix.
In noch einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine gemeinsame Basisschmelze in die Eingusskanäle gegossen. Diese wird zum Herstellen der jeweils für die unterschiedlichen Bereiche des fertigen Gussstücks gewünschten Graphitstrukturen in an sich bekannter Weise durch Beifügen von Modifikatoren, Legierungselementen, Impfmitteln und anderen geeigneten Mitteln im Eingusstrichter, im Gießstrahl oder im jeweils individuellen Lauf- und Anschnittsystem behandelt.In yet another advantageous embodiment of the method according to the invention a common base melt is poured into the sprue. This is used to manufacture each of the different areas of the finished casting desired Graphite structures in a manner known per se by adding Modifiers, alloying elements, vaccines and other suitable Average in the pouring funnel, in the pouring stream or in the individual Running and gating system treated.
Neben dem Gießen der verschiedenen Gusschargen nacheinander in einem Lauf- und Anschnittsystem wird bei einer weiteren vorteilhaften Variante jeweils ein Lauf- und Anschnittsystem – für eine oder mehrere Gusschargen (Materialien) verwendet.Next pouring of the different cast batches in succession in a barrel and gate system In a further advantageous variant, a running and gate system - for one or several cast batches (materials) used.
Eine zum Durchführen des oben erörterten Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung wird unterschiedliche Lauf- und Anschnittkanäle zum Zuführen der einzelnen Schmelze-Chargen zu den Bereichen der Form umfassen, die mit den unterschiedlich legierten und modifizierten Gusseisenchargen zu füllen sind. Bei Verwendung einer in vertikaler Folge zu füllenden Form sind diese unterschiedlichen Füllstufen vertikal gestaffelt. Eine Trennung der unterschiedlichen Schichten ist nicht erforderlich, weil nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Übergänge bzw. ein quasi autogenes Verlaufen der Legierungen in den Übergangsbereichen gewünscht sind.A device which is particularly suitable for carrying out the method discussed above will include different run and gate channels for feeding the individual melt batches to the areas of the mold which are to be filled with the differently alloyed and modified cast iron batches. When using a form to be filled in a vertical sequence, these different filling levels are staggered vertically. It is not necessary to separate the different layers, because the process according to the invention transitions or a quasi-autogenous course of the alloys in the transition areas is desired.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die Vorrichtung in steigendem Guss betrieben, wobei, wie oben beschrieben, auch fallendes Gießen denkbar ist. Sie umfasst des Weiteren mindestens einen Überlauf aus dem die soeben gegossene Charge aus der Form austreten kann, sobald die ihr zugeordnete Füllhöhe erreicht ist. Hierdurch ist neben einer Überfüll-Sicherung auch eine optische Kontrolle des Schmelzepegels möglich. Es versteht sich von selbst, dass während des Einfüllens weiterer Schichten Überläufe vorangehend vergossener Chargen insbesondere durch Erstarrung verschlossen werden. Auch kann die Vorrichtung Verschlussvorrichtungen enthalten, mit denen Zuläufe von zuerst gegossenen Chargen verschlossen werden, während eine Folgecharge in die Form gefüllt wird. Damit werden Rückläufe der noch flüssigen Vorcharge nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren verhindert. Weitere Einzelheiten und Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung gehen aus der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels und deren sich hier anschließender eingehender Beschreibung hervor.In another preferred embodiment the device is operated in increasing casting, whereby, as described above, falling pouring also conceivable is. It also includes at least one overflow from which the just cast batch can emerge from the mold as soon as the assigned batch Level reached is. As a result, in addition to an overfill protection, optical control of the melt level possible. It goes without saying that while of filling preceded by further layers of overflows encapsulated batches are sealed, in particular by solidification. The device can also contain closure devices with which inlets of batches cast first, while a Follow-up batch filled in the mold becomes. This will return the still fluid Precharge prevented on the principle of communicating tubes. Further details and advantages of the method and the device according to the invention go from the drawing of an embodiment and their themselves here afterwards detailed description.
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen deutlich, dabei zeigen die rein schematischen Zeichnungen inFurther Advantages, characteristics and features are the following detailed description of exemplary embodiments clearly, the purely schematic drawings show in
In
einer Vorrichtung
Tritt
die Schmelze aus diesem Überlauf
Man
verschließt
dann mithilfe einer Verschlusseinrichtung
Bei
dieser Vorgehensweise wird kein scharfer Grenzbereich zwischen den
beiden Materialien ausgebildet, vielmehr vermischen sich im Grenzbereich,
d. h. etwa in Höhe
des Überlaufs
Die
Verschlussvorrichtung
In
der hier beschriebenen Ausführung
sind die beiden Lauf- und Anschnittsysteme
Die
Hierfür sind in
dem Lauf- und Anschnittssystem
Der
Zylinderbereich
Eine
weitere Abwandlung der Vorrichtung
Die
Darüber hinaus
ist im Bereich des Kurbelgehäuses
am Kurbelwellenlager ein Kühlelement
- 1,1,1'',1'''1,1,1 '', 1 '' '
- Gießvorrichtungcaster
- 22
- Formshape
- 33
- Zylindercylinder
- 44
- Kurbelgehäusecrankcase
- 55
- KraftflussbereichPower flow area
- 66
- Kurbelgehäuse-AußenwandCrankcase outer wall
- 77
- erstes Lauf- und Anschnittsystemfirst Running and gating system
- 88th
- Überlaufoverflow
- 99
- Verschlusseinrichtungclosure device
- 1010
- zweites Lauf- und Anschnittsystemsecond Running and gating system
- 11,1211.12
- Verteilerleistenmanifolds
- 1313
- ZentraleinläufeCentral enemas
- 14,1514.15
- Einläufeenemas
- 1616
- Kühlkörperheatsink
- 1717
- drittes Lauf- und Anschnittsystemthird Running and gating system
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