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Die Erfindung betrifft einen Verbundkörper, bestehend aus einem Abschnitt
aus Stahl und einem damit metallisch verbundenen Abschnitt aus Gußeisen, insbesondere
einen Rohling für einen Ventilstößel.
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Außer ihrer Verwendbarkeit als Ventilstößelrohlinge lassen sich die
erfindungsgemäßen Verbundkörper auch als Kolben bei Mehrkolbenpumpen und Motoren
für hydrostatische Kraftübertragungen, für Ventilelemente mit entlastetem Verschluß
für die verschiedensten hydraulischen Systeme und für ähnliche Zwecke verwenden,
so insbesondere bei Kolbenüberdruckventilen, da die Verwendung des harten Gußeisens
am Ende des Ventils hydraulische Erosionsprobleme ausschaltet. Gußeisen ist wegen
seiner günstigen Verschleißeigenschaften besonders gut als Material für den mit
der Nockenwelle in direktem Arbeitskontakt stehenden Stößelteil geeignet, während
andererseits der Stößel-Grundkörper aus Stahl bestehen sollte. Bisher wiesen solche
Verbundkörper als Rohlinge einen Metallüberschuß an der Außenseite des Gußeisenabschnitts
auf, der dann maschinell wieder entfernt werden mußte. Die Hauptschwierigkeiten
bei der Schaffung solcher Verbundkörper bestand darin, daß Gußeisen und Stahl einen
unterschiedlichen Schmelzpunkt haben, so daß beim Versuch, die beiden Einzelteile
aus Gußeisen und Stahl aneinanderzuschmelzen, das Gußeisen aus der Verbindungszone
herausläuft und dadurch die erforderliche Haftung zwischen den beiden zu verbindenden
Einzelteilen verhindert wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbundkörper
der eingangs näher definierten Art zu schaffen, der so aufgebaut ist, daß in wirtschaftlicher
Art und Weise eine Massenherstellung dieses Verbundkörpers möglich ist, daß eine
Nachbearbeitung nur noch in den feineren Toleranzbereichen an der Verbindungsstelle
notwendig ist, daß dennoch die mechanischen Eigenschaften sowie die Dichtheit dieses
Verbundkörpers ausgezeichnet sind und daß die Grenzlinie zwischen beiden Einzelteilen
an maschinell bearbeiteten Kanten des Verbundkörpers mit bloßem Auge nicht mehr
erkennbar ist.
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Diese Aufgabe läßt sich durch einen Verbundkörper der eingangs definierten
Art erfindungsgemäß dadurch lösen, daß der Stahlabschnitt ein rohrförmiges Ende
hat, welches nach innen und außen gestaucht ist, und daß der Gußeisenabschnitt an
dieses Ende angeschmolzen ist.
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Erfindungsgemäß ist es dabei bevorzugt, daß der Gußeisenabschnitt
einen Vorsprung mit einem Außendurchmesser, der kleiner ist als der Innendurchmesser
des rohrförmigen Endes des Stahlabschnitts und in dieses Ende hineinragt, sowie
einen dem rohrförmigen Ende überlagerten Kopfteil aufweist und daß das rohrförmige
Ende nach innen in Schmelzkontakt mit dem Vorsprung des Gußeisenabschnitts gestaucht
ist, wobei sich eine besonders feste und innige Verbindung der Abschnitte erzielen
läßt, wenn nicht nur die zylindrischen Flächen des rohrförmigen Stahlabschnitts
und des Vorsprungs, sondern auch die Stirnflächen des Stahlabschnitts und des Kopfteils
miteinander verschmolzen sind.
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Da der erfindungsgemäße Verbundkörper ein nach innen und außen aufgestauchtes
rohrförmiges Ende aus Stahl aufweist, an welches der Gußeisenabschnitt angeschmolzen
ist, läßt sich der Verbundkörper in vorteilhafter Weise sehr wirtschaftlich und
zugleich doch in einer bisher nicht gekannten Qualität herstellen. Das Aufstauchen
des Stahlrohrendes kann nämlich gleichzeitig mit dem Anschmelzen des Gußeisenabschnitts
erfolgen, so daß das aufgestauchte Ende des Stahlrohrs nicht nur als großflächige
Verbindung für den Gußeisenabschnitt, sondern in einem entsprechenden Herstellungswerkzeug
zugleich als Sperre für flüssiges Gußeisen dient.
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Der erfindungsgemäße Verbundkörper besitzt eine hohe mechanische Festigkeit
der Bindung zwischen dem Stahl- und dem Gußeisenabschnitt mit unterschiedlichen
Schmelzpunkten, die wegen Fehlens von die beiden Metalle trennendem Fremdmaterial
homogene Struktur besitzt. Infolge des Hinüberwanderns von Kohlenstoff aus dem Gußeisen
in den Stahl hinein entsteht eine ziemlich breite Verbindungszone, in welcher der
Kohlenstoffgehalt von einem hohen Wert im Gußeisen zu einem niedrigen Wert im Stahl
abnimmt. Die Bindung zwischen den beiden Metallen ist dabei so innig, daß nach maschineller
Glättung der Verbindungskante keine Trennlinie - es sei denn unter dem Mikroskop
- erkennbar ist und der fertig bearbeitete Verbundkörper wie aus einem einzigen
Metallkörper hergestellt aussieht. Selbstverständlich läßt sich jedoch ein Verbundkörper
mit den Merkmalen der Erfindung durch Aufschneiden von einem normalen Gußeisen-Stahl-Verbundkörper
und Betrachtung der Bindung im Innern des Körpers unterscheiden.
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Zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verbundkörpers und zur
Darstellung weiterer Vorteile ist im folgenden an Hand der Figuren ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Ansicht eines
fertigen Ventilstößels, F i g. 2 eine Schnittansicht eines Werkzeugs zusammen mit
dem Gußeisen- und dem Stahlabschnitt kurz vor dem Verschmelzen, F i g. 3 eine F
i g. 2 entsprechende Ansicht mit herausgenommenem Zentrierstift, F i g. 4 eine F
i g. 2 und 3 entsprechende Ansicht, die den fertigen Stößel nach Abschluß des Anschmelzvorgangs
zeigt, und F i g. 5 eine Darstellung des fertigen Stößels.
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Der in den Figuren dargestellte Verbundkörper ist ein Ventilstößelrohling.
Er weist einen Abschnitt 1 aus Gußeisen und einen Abschnitt 2 aus Stahl auf. Der
Stahlabschnitt 2 hat ein rohrförmiges Ende 4, welches gemäß F i g. 2 bis 4 nach
innen und außen gestaucht ist und an welches der Gußeisenabschnitt 2 angeschmolzen
ist. Der Gußeisenabschnitt 1 weist seinerseits einen Kopfteil 8 sowie einen Vorsprung
5 von kleinerem Außendurchmesser als der Innendurchmesser des rohrförmigen Endes
4 des Stahlabschnitts 2 vor dem Aufstauchen auf, so daß ein diametrales Spiel zwischen
dem Abschnitt 5 und dem ihn umgebenden rohrförmigen Ende 4 vor dem Anschmelzen besteht.
Das rohrförmige Ende 4 des Stahlabschnitts 2 gemäß F i g. 2 und 3 weist eine Stirnfläche
9 auf, die mit einer entsprechenden Stirnfläche 10 des Kopfteils 8 in Berührung
steht. Im Bereich 3 sind der Stahlabschnitt 2 und der Gußeisenabschnitt 1 gemäß
F i g. 4 miteinander verschmolzen. Der radial äußere Bereich der Oberflächenkante
7 ragt gemäß F i g. 4 und 5 radial über das rohrförmige Ende 4 hinaus. An der Oberflächenkante
6 steht der Gußeisenabschnitt 1 in festem mechanischem Paßsitz mit dem Stahlabschnitt
2.
Die Herstellung des Verbundkörpers kann in folgender Weise geschehen:
Der Stahlabschnitt 2 wird in ein Formwerkzeug eingebracht, wobei sein rohrförmiges
Ende 4 einen dem Ausmaß, in welchem die Aufstauchung nach außen erfolgen soll, entsprechenden
Abstand von der Innenwand des Formwerkzeugs hat. Sodann wird der Gußeisenabschnitt
1 mit seinem Vorsprung 5 in das rohrförmige Ende 4 des Stahlabschnitts 2 eingeführt,
bis es in Stirnflächenkontakt auf diesem aufliegt. Da zwischen dem Gußeisenabschnitt
1 und dem Stahlabschnitt 2 ein beträchtliches diametrales Spiel besteht, werden
die beiden Abschnitte vorzugsweise zueinander zentriert, wie es in F i g. 2 durch
den von unten durch den rohrförmigen Stahlabschnitt 2 einführbaren Zentrierstift
angedeutet ist.
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Sodann wird der Gußeisenabschnitt 1 mit hoher Kraft in das
rohrförmige Ende 4 des Stahlabschnitts 2 gedrückt und zugleich ein elektrischer
Strom über die Berührungsstellen der beiden Abschnitte 1 und 2 fließen gelassen.
Der Druck bewirkt zusammen mit dem angelegten elektrischen Strom ein Anweichen,
jedoch nicht Schmelzen und ein gleichzeitig radial ein- und auswärts gerichtetes
An- und Aufstauchen des rohrförmigen Endes 4 des Stahlabschnitts 2, wodurch der
Stahl sowohl in mechanischen Kontakt mit der Seitenwand des hereinragenden Vorsprungs
5 als auch gleichzeitig nach außen hin an das isolierte Formwerkzeug angestaucht
wird.
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Gleichzeitig wird das Gußeisen am Ort der Berührungsflächen beider
Abschnitte über seinen Schmelzpunkt hinaus erhitzt. Das geschmolzene Gußeisen sucht
zwar zunächst von der Berührungsfläche wegzufließen, wird aber durch den vom inneren
aufgestauchten rohrförmigen Ende 4 geschaffenen mechanischen Abschluß an
einem Abfluß nach innen gehindert und kann daher nur nach außen zum Formwerkzeug
hin fließen, wo es aber durch die äußere Aufstauchung des rohrförmigen Endes
4 des Stahlabschnitts 2 am Herunterfließen gehindert wird und somit nur aufwärts
fließen kann. Dieser Fluß wird aber sofort bei Beginn durch die Abschreckwirkung
des Formwerkzeugs unterbrochen.
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Die Beschaffenheit der so erzielten Verbindung kann auf Grund zahlreicher
Faktoren variiert werden. Beispielsweise schmilzt bei auf 204 bis 260° C vorerhitztem
Gußeisenabschnitt das Eisen während des Anstauchens schon so bald, daß es nach außen
zum Formwerkzeug hin fließt und dort erstarrt. Wenn 5 andererseits der Gußeisenabschnitt
1 raumwarm oder nur wenig vorerhitzt verarbeitet wird, kann sich das Anstauchen
des Stahls vor dem Schmelzen des Eisens so lange fortsetzen, daß etwas Stahl nach
oben über die Gußeisengrenze hinaus und in den Spalt zwischen io Gußeisenabschnitt
und Formwerkzeug hineingepreßt wird, ehe das geschmolzene Gußeisen diesen Punkt
erreichen kann. In jedem Fall wird dabei in der Verbindungsebene beider Abschnitte
ein Verschmelzen des Gußeisens mit dem rotheißen, aber ungeschmolze-15 nen Stahl
erzielt. Diese Verschmelzung wird durch eine mechanische Bindung infolge Anstauchens
längs des unteren, hineinragenden Vorsprungs 5 des Gußeisenabschnitts 1 ergänzt.