DE19635326A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Leichtlegierungs-Verbundstoffelementes - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Verbundstoffelements aus einer leichten Legie­ rung und porösen Materialien oder aus Metallfasern und/oder einem anorganischen Material oder eines geformten Körpers aus derartigen porösen Materialien oder Fasern.

Aufgrund seines leichten Gewichts und seiner hohen Wärmeleit­ fähigkeit wird Aluminiumlegierung weit verbreitet als Material für Kraftfahrzeug-Motorteile verwendet. Die Aluminiumlegierung hat jedoch den Nachteil, daß sie Eisenmaterialien, wie bei­ spielsweise Gußeisen oder Stahl, bezüglich Wärmebeständigkeit und/oder Verschleißfestigkeit unterlegen ist. Bei einem Kolben für einen Dieselmotor ist deshalb beispielsweise vorgeschlagen worden, die obere Ringnut zu verstärken, die eine hohe Ver­ schleißfestigkeit haben sollte, indem der Umfang der Nut durch ein Verbundstoffmaterial aus einer Aluminiumlegierung und einem porösen Metallmaterial, wie beispielsweise Nickel, gebildet wird (japanische Patentveröffentlichung Nr.: 2 (1990)-30790) oder durch ein Verbundstoffmaterial aus einer Aluminiumlegie­ rung und anorganischen Fasern, wie beispielsweise Aluminium­ oxid-Silicafasern (japanische Patentveröffentlichung Nr. 3(1991)-62776). Ferner ist in der japanischen ungeprüften Patentschrift Nr. 63(1988)-53225 eine Motorzylinderbuchse offenbart, die aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist, die mit anorganischen Fasern verstärkt ist.

Beim Bilden des verstärkten Abschnitts durch Verbundstoffmate­ rial wird ein Hochdruck-Gußverfahren verwendet, um die Poren einer porösen Metallvorform oder einer anorganischen Faservor­ form mit geschmolzener Aluminiumlegierung zu imprägnieren bzw. zu tränken. Das heißt, eine Verstärkungsmaterialvorform mit einer vorbestimmten Porosität wird in einer Gußform angeordnet, geschmolzene Aluminiumlegierung wird in die Form gegossen, und daraufhin wird ein Druck von etwa 300 bis 1500 kg/cm² an die geschmolzene Aluminiumlegierung durch eine mechanische Einrich­ tung, wie beispielsweise eine Druckstanze oder einen Plunger angelegt. Der Druck wird gehalten, bis die Aluminiumlegierung verfestigt ist.

Dieses Verfahren hat jedoch aufgrund eines hohen Drucks das folgende Problem.

Eine große und teure Vorrichtung ist erforderlich. Ein Druck­ ausübungsmechanismus zum Anlegen eines hohen Drucks oder ein starker bzw. kräftiger Formklemm- bzw. Verspannmechanismus ist erforderlich.

Ein Zerlegungs- bzw. Desintegrationskern, wie beispielsweise ein Salzkern oder ein Sandkern, sind schwierig einsetzbar. Das heißt, das geschmolzene Metall kann sich in den Kern saugen, oder der Kern kann durch den hohen Druck verformt oder zer­ brochen werden.

Der Freiheitsgrad bei der Form des Produkts ist gering. Das heißt, da die Metallform einem hohen Druck widerstehen muß, ist die Struktur der Form begrenzt, und deshalb ist es schwierig, ein Produkt komplizierter Form oder großer Abmessung herzustel­ len.

Angesichts der vorstehend angeführten Beobachtungen und Erläu­ terung besteht eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Leichtlegierungs-Verbundstoffelements zu schaffen, die die Bil­ dung eines Verbundstoffabschnitts durch Anwenden einer Druck­ ausübungseinrichtung unter Verwendung eines Gases als Druckaus­ übungsmedium bei einem normalen Schwerkraftgießen erlaubt.

Gemäß einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Ver­ fahren zum Herstellen eines Leichtlegierungs-Verbundstoffele­ ments mit den Schritten: Halten eines porösen Materials zum Bilden eines Verbundstoffmaterials mit einer leichten Legierung (auf die nachfolgend als "Verbundstoffbildungsmaterial" bezug genommen wird) in einem Hohlraum einer Gußform, Gießen der geschmolzenen leichten Legierung in den Hohlraum der Gußform durch einen Einlauf, und Anlegen eines Gasdrucks an den Hohlraum in der Gußform bei geschlossenem Hohlraum, wodurch die Poren des porösen Verbundstoffbildungsmaterials mit der geschmolzenen leichten Legierung imprägniert bzw. getränkt werden, und Bilden eines Verbundstoffabschnitts, der aus einem Verbundstoffmaterial aus der leichten Legierung und dem Verbundstoffbildungsmaterial gebildet ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Leichtlegierungs-Verbund­ stoffelements, mit den Schritten: Halten eines porösen Verbund­ stoffbildungsmaterials in einem Hohlraum einer Gußform in Kon­ takt mit der Innenfläche der Gußform, wobei die Gußform mit einer Entlüftungseinrichtung zum Auslassen bzw. Freilassen von Gas in dem Verbundstoffbildungsmaterial in Verbindung mit der Innenfläche der Gußform in Kontakt mit dem Verbundstoff­ bildungsmaterial versehen ist, Gießen der geschmolzenen leich­ ten Legierung in den Hohlraum der Gußform durch einen Einlauf, und Anlegen eines Gasdrucks an den Hohlraum in der Gußform bei verschlossenem Hohlraum, wodurch die Poren des porösen Verbund­ stoffbildungsmaterials mit der geschmolzenen leichten Legierung getränkt bzw. imprägniert werden, und Bilden eines Verbund­ stoffabschnitts, der aus einem Verbundstoffmaterial aus der leichten Legierung und dem Verbundstoffbildungsmaterial gebil­ det ist.

Der Ausdruck "bei verschlossenem Hohlraum" bedeutet, daß der Hohlraum effektiv bzw. wirksam verschlossen ist. Das heißt, der Ausdruck bedeutet einen Zustand, bei dem der Hohlraum wirksam auf ein Ausmaß abgedichtet ist, daß der Gasdruck zum Tränken der Poren des porösen Verbundstoffbildungsmaterials mit der geschmolzenen leichten Legierung durch den Einlauf oder andere Durchlässe oder dergleichen, die mit dem Hohlraum in Verbindung stehen, nicht freikommt bzw. ausleckt, z. B. einen Zustand, bei dem der Einlauf durch ein Deckelelement oder dergleichen ver­ schlossen ist, das den Einlauf direkt verschließt, wobei eine Ventileinrichtung, die einen Teil des Durchlasses zum Zuführen der geschmolzenen leichten Legierung zu dem Einlauf ver­ schließt, verschlossen ist, oder in dem Fall, wenn ein Entlüf­ tungsloch als Teil der Form gebildet ist, das Entlüftungsloch durch verfestigtes Metall bei geschlossenem Einlauf verschlos­ sen ist.

Als das Verbundstoffbildungsmaterial können poröse Materialien oder Metallfasern, wie beispielsweise aus Nickel, oder ein geschmolzener Körper aus derartigen porösen Materialien oder Metallfasern oder poröse Materialien oder Fasern aus einem anorganischen Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, oder ein geschmolzener Körper aus derartigen porösen Materialien oder Fasern aus einem anorganischen Material verwendet werden. Obwohl von der Art des Verbundstoffbildungsmaterials, der Vor­ heiztemperatur des Materials, der Temperatur des geschmolzenen Materials und dergleichen abhängig, ist bevorzugt, daß das Ver­ bundstoffbildungsmaterial einen mittleren Volumenfaktor von 5 bis 20%, das heißt eine Porosität von 80 bis 95% aufweist.

Wenn der Volumenfaktor des Verbundstoffbildungsmaterials im Bereich von 5 bis 20% liegt, wird das Verbundstoffbildungsmate­ rial ausreichend mit der leichten Legierung kombiniert, während erwünschte physikalische Eigenschaften des Verbundstoff­ abschnitts und die Formerhaltung des Verbundstoffbildungsmate­ rials sichergestellt sind.

Es ist bevorzugt, daß der Gasdruck durch den Einlauf und/oder einen Senkkopf angelegt wird.

Wenn der Gasdruck von anderen Teilen ausgehend angelegt wird, können in dem Produkt Hohlräume bzw. Blasen gebildet werden.

Der Gasdruck kann im Bereich von 0,5 bis 30 kg/cm² und bevor­ zugt im Bereich von 0,5 bis 10 kg/cm² liegen.

Wenn der Gasdruck im Bereich von 0,5 bis 30 kg/cm² liegt, kann in gewöhnlichen Herstellungsanlagen verfügbare Druckluft ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Druckgasquelle verwendet werden, wodurch die Kosten der Herstellungsanlagen weiter ver­ ringert werden.

Wenn der Gasdruck im Bereich von 0,5 bis 30 kg/cm² liegt, ist der Volumenfaktor des Verbundstoffbildungsmaterials bevorzugt wie folgt:
poröses Material oder Metallfasern bis zu 20%
kurze Fasern oder Haarkristalle aus anorganischem Material bis zu 10%
anorganische Partikel bis zu 15%

Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen dem Gasdruck und dem Volu­ menfaktor des Verbundstoffbildungsmaterials. Fig. 1 zeigt, daß beispielsweise in dem Fall, daß poröses Metallmaterial einen Volumenfaktor von etwa 9% hat, die Kombination des porösen Metallmaterials mit der leichten Legierung bei etwa 0,2 kg/cm² eingeleitet und bei etwa 2 kg/cm² beendet wird.

Es ist bevorzugt, daß eine Belüftung in der Gußform vorgesehen ist, die in Verbindung mit dem Verbundstoffbildungsmaterial steht, das durch die Gußform gehalten wird, um Gas in dem Ver­ bundstoffbildungsmaterial auszulassen bzw. freizugeben.

Das Gas in dem Verbundstoffbildungsmaterial wird durch die Ent­ lüftung wirksam gespült und die Imprägnierung bzw. das Tränken des geschmolzenen Materials in die Poren des Verbundstoff­ bildungsmaterials wird gefördert.

Es ist bevorzugt, daß eine T6-Behandlung (z. B. 500°C×4,5 h → Wasseraushärten → 180°C×5 h), eine T4-Behandlung, eine T5-Behandlung, eine T7-Behandlung, Glühen oder dergleichen auf dem Verbundstoffabschnitt nach dem Gießen ausgeführt werden.

Wenn der Verbundstoffabschnitt einer Wärmebehandlung, wie bei­ spielsweise einer T6-Behandlung, ausgesetzt wird, wird eine Verbundstoffzwischenmetallschicht (Festphasendiffusionsschicht) in der Grenzfläche zwischen der leichten Legierung und dem Ver­ bundstoffbildungsmaterial gebildet, und zur selben Zeit kann die Leichtlegierungsmatrix einer Lösungsbehandlung unterworfen werden, wodurch die Zähigkeit bzw. Festigkeit, die Verschleiß­ festigkeit und die Formänderungsfestigkeit der leichten Legie­ rung verbessert werden können.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfin­ dung eine Vorrichtung zum Herstellen eines Leichtlegierungs- Verbundstoffelements, mit einer Gußform, die in der Lage ist, ein poröses Verbundstoffbildungsmaterial in einem Hohlraum von ihr zu halten, einer Verschlußeinrichtung, die den Hohlraum verschließt, nachdem die geschmolzene leichte Legierung in den Hohlraum der Gußform durch einen Einlauf gegossen wurde, wobei das Verbundstoffbildungsmaterial in dem Hohlraum gehalten ist, und einer Druckausübungseinrichtung zum Anlegen eines Gasdrucks an den Hohlraum in der Gußform, wobei der Hohlraum durch die Verschlußeinrichtung verschlossen ist.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfin­ dung eine Vorrichtung zum Herstellen eines Leichtlegierungs- Verbundstoffelements mit einer Gußform, die in der Lage ist, ein poröses Verbundstoffbildungsmaterial in einem Hohlraum von ihr in Kontakt mit der Innenfläche der Gußform zu halten, und die mit einer Entlüftung zum Freisetzen bzw. Aus lassen von Gas in dem Verbundstoffbildungsmaterial in Verbindung mit der Innenfläche der Gußform in Kontakt mit dem Verbundstoff­ bildungsmaterial versehen ist, einer Geschmolzenes-Metall- Gießeinrichtung, die geschmolzene leichte Metallegierung in den Hohlraum der Gußform durch einen Einlauf gießt, wobei das Ver­ bundstoffbildungsmaterial in dem Hohlraum gehalten ist, und einer Druckausübungseinrichtung zum Anlegen eines Gasdrucks an die geschmolzene leichte Legierung in dem Hohlraum der Gußform bei verschlossenem Hohlraum.

Bei der Verschlußeinrichtung handelt es sich um eine Einrich­ tung, welche den Hohlraum wirksam verschlossen halten kann. Das heißt, die Verschlußeinrichtung hält den Hohlraum wirksam mit einem derartigen Ausmaß abgedichtet, daß der Gasdruck zum Trän­ ken der Poren des porösen Verbundstoffbildungsmaterials mit der geschmolzenen leichten Legierung nicht durch den Einlauf oder andere Durchlässe oder dergleichen mit dem Hohlraum in Verbin­ dung stehenden Öffnungen freikommt. Insbesondere weist die Ver­ schlußeinrichtung ein Deckelelement oder dergleichen auf, das den Einlauf direkt verschließt, oder eine Ventileinrichtung, die einen Teil des Durchlasses zum Zuführen der geschmolzenen leichten Legierung zu dem Einlauf verschließt. In dem Fall, bei dem ein Entlüftungsloch in einen Teil der Form gebildet ist, kann die Verschlußeinrichtung ein derartiges Deckelelement oder ein Ventilelement in Kombination mit dem verfestigten Metall in dem Entlüftungsloch aufweisen.

Es ist bevorzugt, daß der Gasdruck durch den Einlauf und/oder einen Senkkopf angelegt wird. Es ist ferner bevorzugt, daß der Senkkopf in einem Teil der Gußform in der Nähe des Verbund­ stoffbildungsmaterials vorgesehen ist, das in dem Hohlraum gehalten ist, in Verbindung mit dem Verbundstoffbildungsmate­ rial.

Ferner ist bevorzugt, daß eine Entlüftung in einem Teil der Gußform in der Nähe des Verbundstoffbildungsmaterials vorgese­ hen ist, der in dem Hohlraum in Verbindung mit dem Verbund­ stoffbildungsmaterial gehalten ist. Es ist ferner bevorzugt, daß die Entlüftung in einer Teilungsfläche der Gußform im Fall einer geteilten Form angeordnet ist.

Wenn die Entlüftung in einer Teilungsfläche der Gußform gebil­ det ist, tritt das geschmolzene Metall in die Entlüftung ein, wird dort verfestigt und kann nach dem Teilen der Form als Guß­ grat leicht entfernt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Gußformabschnitt durch Tränken bzw. Imprägnieren der Poren des Verbundstoff­ bildungsmaterials mit dem geschmolzenen Material durch Anlegen eines Gasdrucks gebildet, weshalb eine große und teure Gußvor­ richtung nicht erforderlich ist. Ferner können ein Desintegra­ tionskern, wie beispielsweise ein Sandkern oder ein Salzkern, verwendet werden. Da die Metallform keinem hohen Druck wider­ stehen muß, ist der Aufbau bzw. die Struktur der Form nicht beschränkt, und der Freiheitsgrad bezüglich der Form des Pro­ dukts ist erhöht.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen bei spiel­ haft näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwischen dem Volu­ menfaktor des Verbundstoffbildungsmaterials und dem Gasdruck, der erforderlich ist, um das Verbundstoffbildungsmaterial mit geschmolzenem Metall zu imprägnieren bzw. zu tränken,

Fig. 2 eine fragmentarische Vorderansicht teilweise im Quer­ schnitt eines Aluminiumlegierungskolbens, der durch das erfin­ dungsgemäße Verfahren hergestellt ist,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Rings aus dem Ver­ bundstoffbildungsmaterial,

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Gießen eines Kolbens in Übereinstimmung mit einer Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer Gußform zum Gießen eines Kolbens in Übereinstimmung mit dem erfindungs­ gemäßen Verfahren,

Fig. 6 eine Querschnittsansicht entlang der Linie VI-VI in Fig. 5,

Fig. 7 eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels einer Gußform zum Gießen eines Kolbens in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 8 eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer Gußform zum Gießen eines Kolbens für einen Kraftstoffdirekteinspritz­ dieselmotor gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 9 eine Querschnittsansicht eines Kolbens für einen Kraft­ stoffdirekteinspritzdieselmotor,

Fig. 10 eine fragmentarische Querschnittsansicht eines Bei­ spiels einer Gießform zum Gießen eines Kolbens für einen Kraft­ stoffdirekteinspritzdieselmotor in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik,

Fig. 11 eine fragmentarische Querschnittsansicht eines Alumi­ niumlegierungsgußmaterials (Kolben), das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gegossen ist,

Fig. 12 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwischen dem Gas­ druck und der Dichte des Verbundabschnitts,

Fig. 13 eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer Gußform zum Gießen einer Lagerkappe eines Zylinderblocks in Überein­ stimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 14 eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer Gußform zum Gießen einer Verbindungsstange in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, und

Fig. 15 eine Querschnittsansicht entlang der Linie XV-XV in Fig. 14.

Gießen eines Kolbens für einen Dieselmotor

Das Gießen eines Kolbens für einen Dieselmotor, der in Fig. 2 gezeigt ist, in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren wird nachfolgend erläutert. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Kolben 1 aus einer Aluminiumlegierung gegossen und weist einen Kolbenkörper 2 auf. Der Kolbenkörper 2 hat auf seiner Umfangsfläche eine obere Ringnut 3, in welcher ein oberer Ring eingesetzt ist, eine sekundäre Ringnut 4, in welcher ein sekun­ därer Ring eingesetzt ist, und eine Ölringnut 5, in welcher ein Ölring eingesetzt ist.

Die obere Ringnut 3 ist auf einem ringartigen Verbundstoff­ abschnitt 6 gebildet, der durch ein nachfolgend erläutertes Verfahren gebildet ist, und der Rest des Kolbenkörpers 2 ist aus einer Aluminiumlegierung gebildet.

Fig. 4 zeigt eine Gußvorrichtung 10 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zum Gie­ ßen des Kolbens 1 verwendet werden kann. Die Vorrichtung 10 weist eine geteilte Gußform 11 auf, die linke und rechte äußere Formen 12L und 12R aufweist, eine Zwischenform 13, die auf der unteren Seite der Form 11 angeordnet ist, und eine obere Form 14, die auf der Oberseite der Form 11 angeordnet ist. Die obere Form 14 ist mit einem Senkkopfabschnitt 14a versehen. Ein Hohl­ raum 15 ist innerhalb der Form 11 gebildet. Ein Ring 7 aus einem Verbundstoffbildungsmaterial (Fig. 3) ist in dem Hohlraum 15 gehalten. Ein Rohr 16 zum Anlegen eines Luftdrucks durch den Senkkopfabschnitt 14a ist auf dem Senkkopfabschnitt 14a ange­ bracht. Die Bezugsziffer 17 bezeichnet einen Stift zum Bilden eines Kolbenstifteinführlochs.

Die linken und rechten äußeren Formen 12L und 12R werden jeweils durch Zylinder 18L und 18R angetrieben, und die Zwi­ schenform 13 sowie die obere Form 14 werden jeweils durch Zylinder 19 und 20 angetrieben.

Der Ring 7 ist beispielsweise aus porösem Nickelmaterial gebil­ det (z. B. Cermet, das von Sumitomo Denkou bezogen werden kann und einen Volumenfaktor von etwa 5% und eine mittlere Porenöff­ nung von 0,8 mm aufweist). Da die obere Ringnut 3 nach dem Gie­ ßen maschinell eingearbeitet bzw. bearbeitet wird, hat der Ring 7 keine Nut.

Fig. 5 und 6 zeigen ein Beispiel einer Gußform 11 zum Gießen des Kolbens 1 mit einem Luftdruck, der an einen Hohlraum 15 durch einen Einlauf angelegt ist. Fig. 5 zeigt eine Quer­ schnittsansicht entlang einer Ebene senkrecht zu dem in Fig. 4 gezeigten Querschnitt.

In diesem Beispiel ist eine Entlüftungsnut 21 in der linken äußeren Form 12L in der Teilungsfläche 12a zwischen den linken und rechten äußeren Formen 12L und 12R gebildet und sie verbin­ det den Ring 7 mit der Atmosphäre. Die Entlüftungsnut 21 kann etwa 5 bis 10 mm breit und etwa 0,2 mm tief sein. Ein Luftrohr 16 ist auf einer Einlaufabdeckung 23 angebracht, die einen Ein­ lauf 22 abdeckt bzw. verschließt. Bei diesem speziellen Bei­ spiel ist die obere Form 14 in obere und untere Teile aufge­ teilt, und eine Entlüftungsnut 24 zum Freigeben bzw. Auslassen von Luft, wenn geschmolzenes Metall in den Hohlraum 15 gegossen wird, hinauf zu dem Senkkopfabschnitt 14a, ist in der Teilungs­ fläche zwischen den oberen und unteren Teilen gebildet. Die Bezugsziffer 25 bezeichnet einen Durchlaß für geschmolzenes Metall, der zu dem Hohlraum 15 ausgehend von dem Einlauf 22 führt, und eine Bezugsziffer 26 bezeichnet einen Salzkern, der in dem Hohlraum 15 durch eine (nicht gezeigte) Stütze getragen ist, um einen Kühlöldurchlaß in dem Kolben 1 zu bilden.

Geschmolzene Aluminiumlegierung (AC8A) wird in den Hohlraum 15 durch den Einlauf 22 gegossen, und daraufhin wird die Abdeckung 23 abgesenkt, um den Einlauf 22 zu verschließen, und Druckluft wird in den Hohlraum 15 durch das Rohr 16 mit 5 kg/cm² einge­ leitet, wodurch das geschmolzene Metall für etwa 50 bis 60 Sekunden unter Druck gesetzt wird. Zu diesem Zeitpunkt tritt das geschmolzene Metall in die Entlüftungsnuten 21 und 24 ein und wird darin verfestigt, wodurch die Nuten 21 und 24 abge­ dichtet werden. Das in den Nuten 21 und 24 verfestigte geschmolzene Metall wird nach dem Teilen bzw. Trennen der Form 11 als Gußgrat entfernt. Das Einleiten der Druckluft sollte innerhalb von 10 bis 30 Sekunden nach dem Gießen des geschmol­ zenen Metalls eingeleitet werden. Der Zeitbereich bzw. der Zeitraum kann innerhalb eines Zeitraums eingestellt sein, in welchem der Luftdruck effektiv auf das geschmolzene Metall vor seiner Verfestigung effektiv einwirken kann.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel einer Gußform 11 zum Gießen des Kol­ bens 1 mit einem Luftdruck, der an den Hohlraum 15 durch den Senkkopfabschnitt 14a in der oberen Form 14 angelegt wird. Bei diesem Beispiel sind ein Ventil 27, das den Senkkopfabschnitt 14a selektiv mit der Atmosphäre verbindet und eine Druckluft­ quelle in dem Rohr 16 vorgesehen. Bei mit der Atmosphäre durch das Ventil 27 in Verbindung stehendem Senkkopfabschnitt 14a wird in die Gußform 11 eine geschmolzene Aluminiumlegierung in den Hohlraum 15 durch den Einlauf 22 gegossen, und daraufhin wird der Einlauf 22 durch eine Abdeckung 23 verschlossen, die mit einer Kühleinrichtung, wie beispielsweise einem wasserge­ kühlten Kupferblock 28, versehen ist. Gleichzeitig wird das Ventil 27 betätigt, um den Senkkopfabschnitt 24a mit der Druckquelle in Verbindung zu bringen, wodurch Druckluft in den Hohlraum 15 durch das Rohr 16 eingeleitet wird. Die Anordnung der Gußform 11, die in Fig. 7 gezeigt ist, ist insofern vor­ teilhaft, als der Teil um den Verbundstoffabschnitt herum effektiv unter Druck gesetzt werden kann.

In der Gußform 11 gemäß einem weiteren in Fig. 8 gezeigten Bei­ spiel ist ein Senkkopfabschnitt 12b auf einer Seite des Hohl­ raums 15 zwischen den linken und rechten äußeren Formen 12L und 12R gebildet und Druckluft wird in den Hohlraum 15 durch den Senkkopfabschnitt 12a eingeleitet. Diese Gußform 11 ist zum Gießen eines Kolbens 1 für einen Kraftstoffdirekteinspritzdie­ selmotor mit einer Verbrennungskammer 30 auf ihrer Oberseite geeignet.

Üblicherweise ist ein Senkkopfabschnitt vorgesehen, um die Bil­ dung eines Hohlraums bzw. einer Lücke bzw. Fehlstelle bzw. einer Luftblase in einen dickwandigen Abschnitt, wie einem Kol­ benkopf, zu verhindern. Der Senkkopfabschnitt führt jedoch zu einer geringen Materialformänderungsfestigkeit, und wenn der Senkkopfabschnitt auf der Oberseite der Gußform vorgesehen ist, muß die Verbrennungskammer 30 durch Maschinenbearbeitung gebil­ det werden, was eine lange Zeit erfordert.

Obwohl es bevorzugt ist, daß die Metallstruktur des Lippen­ abschnitts 30a der Verbrennungskammer 30 aus dem Gesichtspunkt der Wärmeermüdungsbeständigkeit bzw. der thermischen Ermüdungs­ beständigkeit fein sein sollte (geschmolzenes Material sollte rasch verfestigt werden), wird der Deckelelementabschnitt 30a langsam verfestigt, wenn der Senkkopfabschnitt auf der Ober­ seite der Gußform vorgesehen ist, was zu einer groben Metall­ struktur und einem schlechten bzw. schwachen Wärmeermüdungs­ zustand führt.

Im Fall eines herkömmlichen Kolbens für einen Dieselmotor, wobei ein verschleißfester Ring 31 (Fig. 10) aus Ni-Resist-Guß­ eisen gegossen wird, um die Verschleißfestigkeit der oberen Ringnut 3 sicherzustellen, gibt das Vorsehen eines Senkkopf­ abschnitts 12b auf einer Seite des Hohlraums 15, wie in Fig. 10 gezeigt, Anlaß zu den folgenden Schwierigkeiten. Das heißt, der verschleißfeste Ring 31 aus Ni-Resist-Gußeisen begrenzt den Querschnittsbereich eines Durchlasses aus geschmolzenem Mate­ rial zwischen dem Hohlraum 15 und dem Senkkopfabschnitt 12b. Da der Senkkopfabschnitt 12b das geschmolzene Material seitwärts drückt bzw. preßt, wird die Preßwirkung in geringerem Maße zu dem dickwandigen Abschnitt des Kolbenkopfs übertragen. Da fer­ ner der verschleißfeste Ring 31 in der Gußform bei einer Tempe­ ratur eingesetzt wird, die niedriger ist als diejenige des geschmolzenen Metalls, wird die Verfestigung des geschmolzenen Metalls in dem Durchlaß 32 gefördert, und das geschmolzene Metalls in dem Durchlaß 32 wird früher verfestigt als dasjenige im Hohlraum 15, wodurch die Preßwirkung auf das geschmolzene Metall in dem Hohlraum 15 verschlechtert wird.

Im Gegensatz dazu weist der Verbundstoffbildungsmaterialring 7, der bei dieser Ausführungsform anstelle des Gußeisenrings 31 verwendet wird, eine hohe Porosität von etwa 80% auf, und er hat deshalb eine hohe Wärmeisolationswirkung. Wenn demnach die geschmolzene Aluminiumlegierung in den Hohlraum 15 gegossen wird, hält der Ring 7 das geschmolzene Metall in dem Durchlaß 32 hoch bzw. in Aufwärtsrichtung und verzögert die Verfestigung des geschmolzenen Metalls in dem Durchlaß 32. Durch Pressen des Senkkopfabschnitts 12a durch Luftdruck werden außerdem die Poren des Verbundstoffbildungsmaterialrings 7 gut mit der geschmolzenen Aluminiumlegierung imprägniert bzw. durchtränkt, um einen Verbundstoffabschnitt zu bilden, und zur selben Zeit kann eine ausreichende Preßwirkung an den Hohlraum übertragen werden, wodurch ein Kolben erzielt wird, der sowohl bezüglich des Verbundstoffabschnitts wie des Rests eine hervorragende Qualität aufweist. Da ferner der Kolben 33 zum Bilden eines Teils der Verbrennungskammer 30 auf der Gußform 11 vorgesehen werden kann, kann die Metallstruktur des Lippenabschnitts 30a der Verbrennungskammer 30 feingemacht werden, wodurch die Wär­ meermüdungsstandzeit des Kolbens erhöht werden kann. Ferner kann die Maschinenbearbeitungszeit zum Bilden der Verbrennungs­ kammer 30 verkürzt werden, und die Materialformänderungsfestig­ keit kann verbessert werden.

Durch die vorstehend erläuterte Weise wird ein Gußkolbenrohling 8 aus einer Aluminiumlegierung mit einem ringartigen Verbund­ stoffabschnitt 6, der in einen Kolbenkörper 2 gegossen ist, erhalten. Der Verbundstoffabschnitt 6 wird durch Tränken der Poren des porösen Nickelmaterials mit Aluminiumlegierung gebil­ det.

Daraufhin wird der Kolbenrohling 8 auf 500°C für 4,5 Stunden in einem Heizofen erwärmt, wodurch eine Verbundstoffzwischen­ metallschicht in der Grenzschicht zwischen der Aluminiumlegie­ rung und dem porösen Nickelmaterial gebildet wird, und wodurch die Aluminiumlegierungsmatrix einer Lösungsbehandlung unterwor­ fen wird, und der Kolbenrohling 8 wird wassergehärtet und dar­ aufhin bei 180°C für 5 Stunden (aus)geglüht.

Nach dem Unterwerfen einer derartigen T6-Behandlung wird die Außenfläche des Kolbenkörpers 2, die den Verbundstoffabschnitt 6 enthält, geschnitten, und die obere Ringnut 3 wird in dem Verbundstoffabschnitt 6 geschnitten. Ferner werden die sekun­ däre Ringnut 4 und die Ölringnut 5 in dem Kolbenkörper 2 geschnitten.

Da der gegossene Kolbenrohling 8 in einer deutlichen bzw. wesentlichen Tiefe geschnitten wird, wird die Qualität des End­ produkts selbst dann nicht verschlechtert, wenn die Tränkung der Poren des Verbundstoffbildungsmaterials mit Aluminiumlegie­ rung an einem Umfangsabschnitt des Kolbenkörpers 2 bis zu einem bestimmten Ausmaß unzureichend ist, wodurch der an den Hohlraum angelegte Gasdruck niedriger sein kann.

Nachdem bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform die geschmolzene Aluminiumlegierung in den Hohlraum 15 durch den Einlauf 22 gegossen wurde, wird der Einlauf 22 durch die Abdec­ kung 23 verschlossen, und Druckluft wird in den Hohlraum 15 bei etwa 5 kg/cm² durch das Rohr 6 eingeleitet, das an der Abdec­ kung 23 oder an dem Senkkopfabschnitt 14a oder 12a angebracht ist. Wie in Fig. 12 gezeigt, die die Beziehung des Luftdrucks zur Dichte des Verbundstoffabschnitts zeigt, ist die Dichte des Verbundstoffabschnitts im wesentlichen ungeachtet des Luft­ drucks im Bereich von nicht weniger als 1 kg/cm² konstant. Das heißt, wenn der Luftdruck wenigstens 1 kg/cm² beträgt, können die Poren des Verbundstoffbildungsmaterialrings 7 ausreichend mit Aluminiumlegierung getränkt werden. Wenn der Luftdruck geringer als 0,5 kg/cm² ist, neigt die Kombination der Alumi­ niumlegierung mit dem Verbundstoffbildungsmaterial dazu, nicht zufriedenstellend zu sein, während, wenn der Luftdruck nicht geringer als 0,5 kg/cm² ist, die Kombination der Aluminium­ legierung mit dem Verbundstoffbildungsmaterial zufriedenstel­ lend ist. Wenn jedoch der Luftdruck 30 kg/cm² übersteigt, ist eine große Formklemm- bzw. Verspannkraft erforderlich, um zu verhindern, daß geschmolzenes Material durch die Teilungsflä­ chen der geteilten Form austritt bzw. ausleckt, was unerwünscht ist.

Demnach ist der Luftdruck bevorzugt nicht höher als 30 kg/cm² und besonders bevorzugt nicht höher als 10 kg/cm². Deshalb ist es bevorzugt, daß der Luftdruck im Bereich von 0,5 bis 10 kg/cm² liegt.

Obwohl bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform der Ring 7 aus einem porösen Nickelmaterial mit einem Volumenfaktor von 5% gebildet ist, kann der Ring 7 aus einem geschmolzenen Körper aus Edelstahlfaser(n) gebildet sein.

Beispielsweise werden Edelstahlfasern mit einem mittleren Durchmesser von etwa 30 um in eine gewünschte Form preßgeformt und für 2 Stunden in einer denaturierten Butangasatmosphäre bei 1130°C eingebrannt bzw. gefeuert, wodurch ein Ring 7 mit einem Volumenfaktor von 10% erhalten wird. Daraufhin wird der Ring 7 in die Gußform 11 eingesetzt und geschmolzene Aluminiumlegie­ rung (AC8A) wird (in diese) gegossen. Daraufhin wird der Ein­ lauf 22 verschlossen und ein Luftdruck von 3 kg/cm² wird an den Senkkopfabschnitt angelegt gehalten, bis die geschmolzene Alu­ miniumlegierung verfestigt ist. Dadurch wird ein Verbundstoff­ abschnitt 6 gebildet.

Gießen einer Lagerkappe für einen Zylinderblock

Fig. 13 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Bei­ spiels einer Gußform, die zum Gießen einer Lagerkappe geeignet ist, die einen Verbundstoffabschnitt in der Oberfläche auf­ weist, die zum Kontakt mit einem Lagerabschnitt eines Zylinder­ blocks bestimmt ist, der in Übereinstimmung mit dem erfindungs­ gemäßen Verfahren gebildet ist.

In Fig. 13 weist die Gußform 41 eine obere Form 42 und eine untere Form 43 auf, und einen Hohlraum 44 sowie ein Senkkopfab­ schnitt 42a sind in der oberen Form 42 gebildet. Ein geformter Körper 45 aus beispielsweise kurzen Aluminiumoxidfasern mit einem Volumenfaktor von 10% wird auf der oberen Form 43 ange­ ordnet. Eine Entlüftungsnut 46 ist in der Teilungsfläche zwi­ schen den oberen und unteren Formen 42 und 43 gebildet.

Daraufhin wird geschmolzene Aluminiumlegierung in den Hohlraum 44 durch einen Einlauf 47 gegossen. Daraufhin wird der Einlauf 47 durch eine Abdeckung 48 verschlossen, und Luftdruck wird an das geschmolzene Material durch ein Rohr 16 angelegt, das in dem Senkkopfabschnitt 42a angeordnet ist, wodurch die Poren des Verbundstoffbildungsmaterialformkörpers 45 mit geschmolzenem Metall imprägniert bzw. getränkt werden. Dadurch wird ein Ver­ bundstoffabschnitt auf der Oberfläche gebildet, der in Kontakt mit einem Lagerabschnitt eines Zylinderblocks kommen soll, wodurch Wärmeausdehnung unterdrückt wird.

Gießen einer Verbindungsstange

Die Fig. 14 und 15 zeigen ein Beispiel einer Gußform, die zum Gießen einer Verbindungsstange geeignet ist, die einen Verbund­ stoffabschnitt auf der Innenfläche von jedem von Stiftlöchern auf großen und kleinen Enden aufweist, der in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildet ist.

Die Gußform 51 weist linke und rechte äußere Formen 52L und 52R auf, die einen Hohlraum 53 bilden. Poröse Verbundstoffbildungs­ materialringe 54 und 55, die beispielsweise Gußkörper aus kur­ zen Aluminiumoxidfasern sind, wobei der erstgenannte größer als der letztgenannte ist, sind jeweils durch Kernstifte 56 und 57 in Positionen entsprechend den großen und kleinen Enden der Verbindungsstange gebildet. Senkkopfabschnitte 52a und 52b sind jeweils für die großen und kleinen Enden vorgesehen. Jeder der Senkkopfabschnitte 52a und 52b ist mit einem Luftrohr 16 ver­ bunden, und Luftdruck wird sowohl an dem Senkkopfabschnitt 52a wie an dem Senkkopfabschnitt 52b angelegt. Entlüftungsnuten 58 sind zwischen jedem der Kernstifte 56 und 57 und der linken äußeren Form 52L und zwischen jedem der Kernstifte 56 und 57 und der rechten äußeren Form 52R gebildet.

Nachdem geschmolzene Aluminiumlegierung in den Hohlraum 53 durch einen Einlauf 59 gegossen ist, wird der Einlauf 59 durch eine Kappe 60 verschlossen, und Druckluft wird durch die Rohre 16 in die Senkkopfabschnitte 52a und 52b eingeleitet, wodurch das geschmolzene Metall unter Druck gesetzt wird. Dadurch wer­ den die Poren der Verbundstoffbildungsmaterialringe 54 und 55 mit geschmolzener Aluminiumlegierung imprägniert bzw. getränkt, um Verbundstoffabschnitte zu bilden, wodurch Wärmeausdehnung unterdrückt wird. Nachdem ein Lagerkappenabschnitt von dem gro­ ßen Ende der gegossenen Verbindungsstange abgeschnitten wird, wird die Maschinenbearbeitung der Verbindungsstange ausgeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf verschiedene Teile angewendet werden, ohne auf den Kolben, die Lagerkappe und die Verbindungsstange, die vorstehend erläutert sind, beschränkt zu sein. Ferner ist die leichte Aluminiumlegierung nicht auf Alu­ miniumlegierung beschränkt; vielmehr kann eine andere leichte Legierung, wie beispielsweise eine Magnesiumlegierung, verwen­ det werden.

Claims (16)

1. Verfahren zum Herstellen eines Leichtlegierungs- Verbundstoffelements, mit den Schritten:
Halten eines porösen Verbundstoffbildungsmaterials in einem Hohlraum (15) einer Gußform (11),
Gießen von geschmolzener leichter Legierung in den Hohlraum (15) der Gußform (11) durch einen Einlauf (22), und
Anlegen eines Gasdrucks an den Hohlraum (15) in der Gußform (11) bei verschlossenem Hohlraum (15), wodurch die Poren des porösen Verbundstoffbildungsmaterials mit der geschmolzenen leichten Legierung getränkt werden, und
Bilden eines Verbundstoffabschnitts (7), der aus einem Verbundstoffmaterial aus der leichten Legierung und dem Ver­ bundstoffbildungsmaterial gebildet ist.

2. Verfahren zum Herstellen eines Leichtlegierungs- Verbundstoffelements, mit den Schritten:
Halten eines porösen Verbundstoffbildungsmaterials in einem Hohlraum (15) einer Gußform (11) in Kontakt mit der Innen­ fläche der Gußform (11), wobei die Gußform mit einer Ent­ lüftungseinrichtung (21) zum Auslassen von Gas in dem Ver­ bundstoffbildungsmaterial in Verbindung mit der Innenfläche der Gußform (11) in Kontakt mit dem Verbundstoffbildungsmaterial versehen ist,
Gießen von geschmolzener leichter Legierung in den Hohlraum (15) der Gußform (11) durch einen Einlauf (22), und
Anlegen eines Gasdrucks an die geschmolzene leichte Legierung in dem Hohlraum (15) in der Gußform (11) bei ver­ schlossenem Hohlraum (15), wodurch die Poren des porösen Verbundstoffbildungsmaterials mit der geschmolzenen leichten Legierung getränkt bzw. imprägniert werden, und Bilden eines Verbundstoffabschnitts (7), der aus einem Verbundstoffmaterial aus der leichten Legierung und dem Verbundstoffbildungsmaterial gebildet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das poröse Verbundstoffbildungsmaterial aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus porösen Materialien oder Metallfasern, einem geschmolzenen Körper eines derartigen porösen Materials oder Metallfasern, porösen Materialien oder Fasern aus anorganischem Material und einem geschmolzenen Körper aus derartigen porösen Materialien oder Fasern eines anorganischen Materials besteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Verbundstoffbildungsmaterial einen Volumenfaktor von 5 bis 20% aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Gasdruck durch den Einlauf angelegt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Gasdruck durch einen Senkkopfabschnitt bzw. ein Gußkopfteil bzw. Teil eines verlorenen Kopfes angelegt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Gasdruck von 0,5 bis 30 kg/cm² beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Entlüftung (21) in der Gußform (11) in der Nähe des Verbundstoffbildungsmaterials vorgesehen ist, das durch die Gußform (11) in Verbindung mit diesem gehalten ist, um Gas in dem Verbundstoffbildungsmaterial freizugeben bzw. freizusetzen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, außerdem aufweisend einen Schritt, den Verbundstoffabschnitt (7) wärme­ zubehandeln.

10. Vorrichtung zum Herstellen eines Leichtlegierungs- Verbundstoffelements, mit:
einer Gußform (11), die in der Lage ist, ein poröses Verbundstoffbildungsmaterial in einem Hohlraum (15) von ihr zu halten,
einer Verschlußeinrichtung (23), die den Hohlraum (15) verschließt, nachdem die geschmolzene leichte Legierung in den Hohlraum (15) der Gußform (11) durch einen Einlauf (22) gegossen wurde, wobei das Verbundstoffbildungsmaterial in dem Hohlraum (15) gehalten ist, und
eine Druckausübungseinrichtung zum Anlegen eines Gasdrucks an den Hohlraum (15) in der Gußform (11), wobei der Hohlraum (15) durch die Verschlußeinrichtung (23) verschlossen ist.

11. Vorrichtung zum Herstellen eines Leichtlegierungs- Verbundstoffelements mit:
einer Gußform (11), die in der Lage ist, ein poröses Verbundstoffbildungsmaterial in einem Hohlraum (15) von ihr in Kontakt mit der Innenfläche der Gußform (11) zu halten, und die mit einer Entlüftung (21) zum Freisetzen bzw. Auslassen von Gas in dem Verbundstoffbildungsmaterial in Verbindung mit der Innenfläche der Gußform (11) in Kontakt mit dem Verbundstoffbildungsmaterial versehen ist,
einer Geschmolzenes-Metall-Gießeinrichtung, die geschmolzene leichte Metallegierung in den Hohlraum (15) der Guß­ form (11) durch einen Einlauf (22) gießt, wobei das Ver­ bundstoffbildungsmaterial in dem Hohlraum (15) gehalten ist, und
einer Druckausübungseinrichtung zum Anlegen eines Gasdrucks an die geschmolzene leichte Legierung in dem Hohlraum (15) der Gußform (11) bei verschlossenem Hohlraum.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Gasdruck durch den Einlauf (22) angelegt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Gasdruck durch einen Senkkopfabschnitt bzw. ein Gußkopfteil bzw. Teil eines verlorenen Kopfes (14a) angelegt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Senkkopfabschnitt (14a) in der Gußform (11) in der Nähe des Verbundstoffbildungsmaterials vorgesehen ist, gehalten durch die Gußform (11) in Verbindung mit ihr.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei eine Entlüftung in der Gußform (11) in der Nähe des Verbundstoffbildungsmaterials vorgesehen ist, gehalten durch die Gußform (11) in Verbindung mit ihr.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die Gußform (11) eine geteilte Form ist, und wobei die Entlüftung (21) in einer Teilungsfläche der geteilten Form gebildet ist.