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Steigrohr für das Niederdruckgießen von Kolben für Brennkraftmaschinen
Die Erfinduna bezieht sich auf ein Steigrohr für das flüssige Metall aus dem Schmelztiegel
nach einer oberhalb desselben angeordneten Gießfonn beim Niederdruckgießverfahren
für die Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen mit einem grobkristallin
erstarrten Kolbenboden und feinkristallin erstarrten Bolzenaugen und Schaft.
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Kolben für Brennkraftmaschinen unterliegen bekanntlich verschiedenen
Beanspruchungen in ihren einzelnen Teilen. Im Kolbenboden treten sehr hohe Betriebstemperaturen
auf, so daß der Werkstoff hier hohe Warmhärte und gute Dauerstandsfestigkeit in
der Wärme aufweisen muß. Die Bolzenaugenpartie, insbesondere der Kolbenschaft, wird
dagegen bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen vorwiegend dynamisch beansprucht
und muß daher eine hohe Festigkeit bei Raumtemperaturen aufweisen. Um dies zu erreichen,
wird angestrebt, Kolben herzustellen, deren verschiedene Teile Eigenschaften aufweisen,
wie sie für die jeweilige Beanspruchung am günstigsten sind. Insbesondere bei Leichtmetallkolben
aus eutektischen und übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen kann dies dadurch
herbeigeführt werden, daß der Teil, der stark wännebeansprucht ist, möglichst grobkristallin
zur Erstarrung gebracht wird, da ein solches Gefüge hierfür besser geeignet ist,
während die der Wechselbeanspruchung bei tieferen Temperaturen unterliegenden Teile
möglichstfeinkristallin erstarren sollen. Die Kolbenteile, die hohen dynamischen
Beanspruchungen in der Wärme standhalten müssen, werden zu diesem Zweck während
des Erstarrens der Schmelze besonders stark abgeschreckt C Gegenüber den Teilen,
die vorwiegend statischen Beanspruchungen in der Wärme ausgesetzt sind.
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Die Erfindung befaßt sich mit dem gleichen Problem, schlägt aber zur
Lösung der Aufgabe einen anderen Weg vor. Er führt über das an sich bekannte Niederdruckgießverfahren,
gemäß dem die flüssige Schmelze in der Gießform durch Druck eingebracht wird. Bisher
wurde von dieser Maßnahme dann Gebrauch gemacht, wenn es sich darum handelt, oxydfrei
zu gießen oder auch für den Fall des Spritzgusses. Ein durch Spritzguß hergestelltes
Gußstück besitzt nun aber keineswegs ein unterschiedliches Gefüge. Auch ist der
Druck, der beim Spritzgußverfahren angewendet werden muß, verhältnismäßig groß im
Vergleich zu den Drücken, die für das Niederdruckgießverfahren benötigt werden.
Bei beiden bekannten Verfahren befindet sich die Gießfonn oberhalb des Spiegels
des flüssigen Metalls, so daß das letztere aus dem Wannhalteofen oder aus dem Schmelzofen
durch ein Steigrohr nach oben in die Gießforin befördert C
wird. Zum bekannten
Stand der Technik wird weiterhin auf die britische Patentschrift 406 019
verwiesen. Hiernach ist es bekannt, unter Anwendung des Kokillengußverfahrens Kolben
für Brennkraftmaschinen so zu gießen, daß sie ein dichtes Gefüge aufweisen. Um dies
zu erreichen, wird von einem Schwenken dei Gießform während des Gießens Gebrauch
gemacht, wodurch ein großer verlorener Kopf oberhalb der Kolbenbolzenaugen entsteht.
Es soll dem Kolben hierdurch die erforderliche mechanische Festigkeit verliehen
werden. über eine unterschiedliche Gefügeausbildung im Sinn der vorliegenden erfindungsgemäßen
Aufgabe sagt die britische Patentschrift nichts aus. Das gleiche gilt für die Beurteilung
des Inhaltes der französischen Patentschrift 836 082.
Auch hier soll insgesamt
gesehen, für den Kolben ein möglichst dichtes Gefüge erzielt werden.
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Weiterhin ist es durch die britische Patentschrift 359 565
bekanntgeworden, Kolben für Brennkraftmaschinen unter Verwendung von Druck zu gießen,
und zwar derart, daß der Anguß in der Mitte des Kolbenbodens angeschnitten wird.
Ähnliche überlegungen gelten für die USA.-Patentschrift 1574 454. Diese gibt
ebenfalls über das Gießen eines Kolbens Auskunft, und sie befaßt sich insbesondere
mit dem Aufbau des Kerns und der Gießform.
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Eine der erfindunasaemäßen verwandte Auf-abe liegt schließlich der
deutschen Patentschrift 908 783
zugrunde. In dieser Patentschrift ist eine
Lösung dafür angegebenen, dem Boden eines Leichtmetallkolbens und den Stellen, die
bei hohen Temperaturen eine hohe Warmfestigkeit aufweisen müssen, ein gröberes Gefüge
zu verleihen als anderswo. Die Lösung jener Aufgabe besteht darin, daß der geschlossene
untere Teil der Gießform vorteilhaft mit einer saunapfartigen Aushöhlung versehen
und aufheizbar ist Z,
und zusammen mit dem unbeheizt bleibenden
Teil nach dem Eingießen der Schmelze und dem Einführen des gekühlten Kerns um
1801 schwenkbar ist. Es kann damit grundsätzlich als bekannt angesehen werden,
daß die Stellen bei einem Gußstück, die am längsten warmgehalten werden, beim Erstarren
zumeist grobkristallin erstarren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Kolben
für Brennkraftinaschinen mit einem grobkristallin erstarrten Kolbenboden und feinkristallin
erstarrten Bolzenaugen und Schaft wesentlich zu vereinfachen. Sie geht dabei von
dem Niederdruckgießverfahren aus, wie es etwa durch die deutschen Patentschriften
551618 und 571806 umrissen ist. Die Lösuno, der erfindungsgemäßen
Aufgabe besteht darin, daß das Steigrohr auf der der Gießform zugekehrten Seite
derart trichterfönnig ausgebildet ist, daß die Basisfläche des Trichters dem Querschnitt
des Gußstückes entspricht.
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Die Erfindung vermittelt damit die Lehre über die Durchführuno, des
Niederdruckgießverfahrens zur Herstellung von Gußstücken, die das in Frage kommende
unterschiedliche Gefüge in seinen verschiedenen Bereichen aufweisen soll.
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Im Rahmen der Erfindung wird die flüssige Schmelze aus einem unter
der Gießforin angebrachten verschlossenen Tie Igel durch ein Steigrohr mit geringem
überdruck auf den Spiegel der Schmelze in die Form gedrückt, in welcher der Kolbenboden
vorzugsweise gegen den Tiegel weist. Dabei wird die Schmelze so lange unter Druck
im Steigrohr gelassen, bis der Kolben genügend erstarrt ist, während die Schmelze
im Steigrohr noch flüssig bleibt und nach Erstarren des Kolbens infolge Entspannung
des Druckes in den Tiegel zurückfließt. Der technische Fortschritt der Erfindung
besteht darin, daß die Lösung der gestellten Aufgabe lediglich durch die angegebene
Bemessung des Steigrohrs gelingt. Dieses Vorgehen ist äußerst wirtschaftlich gegenüber
den aufwendigen bekannten Verfahren zur Lösung der gleichen Aufgabe.
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Je nach der Größe des zu erlangenden grobkristallinen Gefüges im Kolbenboden
wird der Durchmesser des Angusses verschieden groß bemessen. Entsprechend ist der
Grad der Verjüngung nach dem Steigrohr hin zu wählen. Da die flüssige Schmelze im
Steigrohr so lange stehenbleibt, bis das Gußstück erstarrt ist, kühlt sich infolge
der Wärmeübertragung aus dem Stelarohr der Kolbenboden am Anguß langsamer ab als
der übrige Teil des Kolbens, insbesondere der Schaft. Dadurch wird am Anguß das
Gefüge grob, während es am schon abgekühlten -übrigen Teil des Kolbens feiner ist.
Vorteilhafterweise besitzt das Steigrohr an seiner engsten Stelle eine Kühlung.
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Der gleiche Effekt kann allein oder zusammen mit der Gestaltung des
Angusses dadurch erzielt werden, daß die Eintrittsöffnung in die Form während der
Zeit, in der die Schmelze in die Form tritt, entgegen dem bekannten Verfahren nicht
während des ganzen Gießvorganges, sondern erst unmittelbar nach dem Erstarren des
letzten Teiles des Kolbenbodens plötzlich stark gekühlt wird.
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Eine Verstärkung dieser Wirkung erreicht man noch dadurch, daß man
die Form am Kolbenschaft kühlt. Durch genaue Abstimmung einer oder mehrerer dieser
Möglichkeiten kann das Gefüge für jede Kolbengröße so gestaltet werden, wie es für
die spätere Beanspruchung am günstigsten ist. Der besondere Vorzug der Erfindung
liegt darin, daß nunmehr ohne Schwierigkeiten solche Kolben serienmäßig gegossen
werden können, die die als Idealfall angestrebte unterschiedliche Gefügeausbildung
aufweisen.
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A b b. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform; A b b. 1
stellt einen nur die Gießform mit dem Kolben enthaltenden Ausschnitt der Gesamtanordnung
(Ab b. 2) dar.
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Durch die Druckzuleitung 1 wird der Druck auf den Spiegel der
Schmelze im Tiegel übertragen, wodurch die Schmelze durch das Steigerohr 2 in die
Gießforin gedrückt wird. Um am Kolbenboden 3 ein grobkristallines, in der
Bolzenaugenpartie 4 und am Kolbenschaft 5 ein feinkristallines Gefüge zu
erhalten, hat der Anguß 6 am Kolbenboden 3 einen großen Durchmesser
und verjüngt sich in das Steigrohr hinein. Zur Verstärkung der gewünschten Gefügebildung
wird einmal das Steigerohr am Abreißquerschnitt mit der Kühlung 7 stark gekühlt,
sobald die Mitte des Kolbenbodens 8 erstarrt ist, zum anderen darüber hinaus
der Kolbenschaft 5 durch die Kühlung 9 gekühlt.