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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen
eines Verbundstoffelements aus einer leichten Legierung und porösen Materialien
oder aus Metallfasern und/oder einem anorganischen Material oder
eines geformten Körpers
aus derartigen porösen
Materialien oder Fasern.
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Aufgrund
seines leichten Gewichts und seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird Aluminiumlegierung
weit verbreitet als Material für
Kraftfahrzeug-Motorteile verwendet. Die Aluminiumlegierung hat jedoch
den Nachteil, daß sie
Eisenmaterialien, wie beispielsweise 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 Verschleißfestigkeit
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 Aluminiumlegierung und
anorganischen Fasern, wie beispielsweise Aluminiumoxid-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.
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Beim
Bilden des verstärkten
Abschnitts durch Verbundstoffmaterial wird ein Hochdruck-Gußverfahren verwendet,
um die Poren einer porösen
Metallvorform oder einer anorganischen Faservorform 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 Einrichtung, wie beispielsweise eine Druckstanze
oder einen Plunger angelegt. Der Druck wird gehalten, bis die Aluminiumlegierung
verfestigt ist.
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Dieses
Verfahren hat jedoch aufgrund eines hohen Drucks das folgende Problem.
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Eine
große
und teure Vorrichtung ist erforderlich. Ein Druckausübungsmechanismus
zum Anlegen eines hohen Drucks oder ein starker bzw. kräftiger Formklemm-
bzw. Verspannmechanismus ist erforderlich.
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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 zerbrochen werden.
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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 herzustellen.
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Aus
DE 39 03 310 C1 ist
ein Verfahren zur Herstellung eines mit einem porösen Einlegeteil
zu versehenden Formgussteils aus insbesondere Aluminium bekannt,
bei dem das Einlegeteil in einer Gießform mit Schmelze umgossen
wird, und bei dem die Schmelze zum Eindringen in Poren des Einlegeteiles
unter Penetrationsdruck gesetzt wird. Bei dem Verfahren wird ausschließlich das
von der Schmelze in der Gießform
umschlossene poröse
Einlegeteil vor Aufbringen des Penetrationsdruckes auf die Schmelze
evakuiert. Das Evakuieren erfolgt mit Hilfe einer Saugpumpe, die
an dem Einlegeteil anzuschließen
und über
eine Steuerung zu betreiben ist.
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Angesichts
der vorstehend angeführten
Beobachtungen und Erläuterung
besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Leichtlegierungs-Verbundstoffelements
zu schaffen, die die Bildung eines Verbundstoffabschnitts durch
Anwenden einer Druckausübungseinrichtung
unter Verwendung eines Gases als Druckausübungsmedium bei einem normalen
Schwerkraftgießen
erlaubt.
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Diese
Aufgabe ist mit einem Verfahren zum Herstellen eines Leichtlegierungs- Verbundstoffelements gemäß Anspruch
1 und einer Vorrichtung zum Herstellen eines Leichtlegierungs-Verbundstoffelements
gemäß Anspruch
13 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen dieser Lösung
sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Das
Verfahren zum Herstellen eines Leichtlegierungs-Verbundstoffelements
umfaßt
folgende Schritte: Halten eines porösen Materials zum Bilden eines
Verbundstoffmaterials mir einer leichten Legierung (auf die nachfolgend
als "Verbundstoffbildungs
material" 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.
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Bevorzugt
umfaßt
das Verfahren zum Herstellen eines Leichtlegierungs-Verbundstoffelements
folgende Schritte: Halten eines porösen Verbundstoffbildungsmaterials
in einem Hohlraum einer Gußform
in Kontakt 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 Verbundstoffbildungsmaterial versehen ist, Gießen der
geschmolzenen leichten 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 Verbundstoffbildungsmaterials
mit der geschmolzenen leichten Legierung getränkt bzw. imprägniert werden,
und Bilden eines Verbundstoffabschnitts, der aus einem Verbundstoffmaterial
aus der leichten Legierung und dem Verbundstoffbindungsmaterial
gebildet ist.
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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 verschlossen ist, das den Einlauf direkt verschließt, wobei
eine Ventileinrichtung, die einen Teil des Durchlasses zum Zuführen der
geschmolzenen leichten Legierung zu dem Einlauf verschließt, verschlossen
ist, oder in dem Fall, wenn ein Entlüftungsloch als Teil der Form
gebildet ist, das Entlüftungsloch
durch verfestigtes Metall bei geschlossenem Einlauf verschlossen
ist.
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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
Vorheiztemperatur des Materials, der Temperatur des geschmolzenen
Materials und der gleichen abhängig,
ist bevorzugt, daß das
Verbundstoffbildungsmaterial einen mittleren Volumenfaktor von 5
bis 20%, das heißt
eine Porosität
von 80 bis 95% aufweist.
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Wenn
der Volumenfaktor des Verbundstoffbildungsmaterials im Bereich von
5 bis 20% liegt, wird das Verbundstoffbildungsmaterial ausreichend
mit der leichten Legierung kombiniert, während erwünschte physikalische Eigenschaften
des Verbundstoffabschnitts und die Formerhaltung des Verbundstoffbildungsmaterials sichergestellt
sind.
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Es
ist bevorzugt, daß der
Gasdruck durch den Einlauf und/oder einen Senkkopf angelegt wird.
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Wenn
der Gasdruck von anderen Teilen ausgehend angelegt wird, können in
dem Produkt Hohlräume bzw.
Blasen gebildet werden.
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Der
Gasdruck liegt im Bereich von 49 bis 980 kPa (0,5 bis 10 kg/cm2).
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Wenn
der Gasdruck in diesem Bereich liegt, kann in gewöhnlichen
Herstellungsanlagen verfügbare Druckluft
ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen
Druckgasquelle verwendet werden, wodurch die Kosten der Herstellungsanlagen
weiter verringert werden.
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Der
Volumenfaktor des Verbundstoffbildungsmaterials ist 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% |
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1 zeigt
die Beziehung zwischen dem Gasdruck und dem Volumenfaktor des Verbundstoffbildungsmaterials. 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 19,6 kPa (0,2 kg/cm2)
eingeleitet und bei etwa 196 kPa (2 kg/cm2)
beendet wird.
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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 Verbundstoffbildungsmaterial auszulassen
bzw. freizugeben.
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Das
Gas in dem Verbundstoffbildungsmaterial wird durch die Entlüftung wirksam
gespült
und die Imprägnierung
bzw. das Tränken
des geschmolzenen Materials in die Poren des Verbundstoffbildungsmaterials wird
gefördert.
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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.
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Wenn
der Verbundstoffabschnitt einer Wärmebehandlung, wie beispielsweise
einer T6-Behandlung, ausgesetzt wird, wird eine Verbundstoffzwischenmetallschicht
(Festphasendiffusionsschicht) in der Grenzfläche zwischen der leichten Legierung
und dem Verbundstoffbildungsmaterial gebildet, und zur selben Zeit
kann die Leichtlegierungsmatrix einer Lösungsbehandlung unterworfen
werden, wodurch die Zähigkeit
bzw. Festigkeit, die Verschleißfestigkeit
und die Formänderungsfestigkeit
der leichten Legierung verbessert werden können.
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Die
Vorrichtung zum Herstellen eines Leichtlegierungs-Verbundstoffelements
umfaßt
eine 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 eine Druckausübungseinrichtung zum Anlegen
eines Gasdrucks an den Hohlraum in der Gußform, wobei der Hohlraum durch
die Verschlußeinrichtung
verschlossen ist.
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Die
Vorrichtung zum Herstellen eines Leichtlegierungs-Verbundstoffelements
umfaßt
bevorzugt eine 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. Auslassen
von Gas in dem Verbundstoffbildungsmaterial in Verbindung mit der
Innenfläche
der Gußform
in Kontakt mit dem Verbundstoffbildungsmaterial versehen ist, eine
Geschmolzenes-Metall-Gießeinrichtung,
die geschmolzene leichte Metallegierung in den Hohlraum der Gußform durch
einen Einlauf gießt,
wobei das Verbundstoffbildungsmaterial in dem Hohlraum gehalten
ist, und eine Druckausübungseinrichtung
zum Anlegen eines Gasdrucks an die geschmolzene leichte Legierung
in dem Hohlraum der Gußform
bei verschlossenem Hohlraum.
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Bei
der Verschlußeinrichtung
handelt es sich um eine Einrichtung, welche den Hohlraum wirksam
verschlossen halten kann. Das heißt, die Verschlußeinrichtung
hält den
Hohlraum wirksam mit einem derartigen Ausmaß abgedichtet, daß der Gasdruck
zum Tränken
der Poren des porösen
Verbundstoffbildungsmaterials mit der geschmolzenen leichten Legierung
nicht durch den Einlauf oder andere Durchlässe oder dergleichen mit dem
Hohlraum in Verbindung stehenden Offnungen freikommt. Insbesondere
weist die Verschlußeinrichtung
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.
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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 Verbundstoffbildungsmaterials vorgesehen ist, das in dem Hohlraum
gehalten ist, in Verbindung mit dem Verbundstoffbildungsmaterial.
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Ferner
ist bevorzugt, daß eine
Entlüftung
in einem Teil der Gußform
in der Nähe
des Verbundstoffbildungsmaterials vorgesehen ist, der in dem Hohlraum
in Verbindung mit dem Verbundstoffbildungsmaterial gehalten ist.
Es ist ferner bevorzugt, daß die
Entlüftung
in einer Teilungsfläche
der Gußform
im Fall einer geteilten Form angeordnet ist.
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Wenn
die Entlüftung
in einer Teilungsfläche
der Gußform
gebildet ist, tritt. das geschmolzene Metall in die Entlüftung ein,
wird dort verfestigt und kann nach dem Teilen der Form als Gußgrat leicht
entfernt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird der Gußformabschnitt
durch Tränken
bzw. Imprägnieren
der Poren des Ver bundstoffbildungsmaterials mit dem geschmolzenen
Material durch Anlegen eines Gasdrucks gebildet, weshalb eine große und teure
Gußvorrichtung
nicht erforderlich ist. Ferner können
ein Desintegrationskern, wie beispielsweise ein Sandkern oder ein
Salzkern, verwendet werden. Da die Metallform keinem hohen Druck
widerstehen muß,
ist der Aufbau bzw. die Struktur der Form nicht beschränkt, und
der Freiheitsgrad bezüglich
der Form des Produkts ist erhöht.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert; es
zeigen:
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1 eine
Kurvendarstellung der Beziehung zwischen dem Volumenfaktor des Verbundstoffbildungsmaterials
und dem Gasdruck, der erforderlich ist, um das Verbundstoffbildungsmaterial
mit geschmolzenem Metall zu imprägnieren
bzw. zu tränken,
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2 eine
fragmentarische Vorderansicht teilweise im Querschnitt eines Aluminiumlegierungskolbens,
der durch das erfindungsgemäße Verfahren
hergestellt ist,
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Rings aus dem Verbundstoffbildungsmaterial,
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4 eine
schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Gießen eines
Kolbens in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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5 eine
Querschnittsansicht eines Beispiels einer Gußform zum Gießen eines
Kolbens in Übereinstimmung
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
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6 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie VI-VI in 5,
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7 eine
Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels einer Gußform zum
Gießen
eines Kolbens in Übereinstimmung
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
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8 eine
Querschnittsansicht eines Beispiels einer Gußform zum Gießen eines
Kolbens für
einen Kraftstoffdirekteinspritzdieselmotor gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,
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9 eine
Querschnittsansicht eines Kolbens für einen Kraftstoffdirekteinspritzdieselmotor,
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10 eine
fragmentarische Querschnittsansicht eines Beispiels einer Gießform zum
Gießen
eines Kolbens für
einen Kraftstoffdirekteinspritzdieselmotor in Übereinstimmung mit dem Stand
der Technik,
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11 eine
fragmentarische Querschnittsansicht eines Aluminiumlegierungsgußmaterials
(Kolben), das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung gegossen ist,
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12 eine
Kurvendarstellung der Beziehung zwischen dem Gasdruck und der Dichte
des Verbundabschnitts,
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13 eine
Querschnittsansicht eines Beispiels einer Gußform zum Gießen einer
Lagerkappe eines Zylinderblocks in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
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14 eine
Querschnittsansicht eines Beispiels einer Gußform zum Gießen einer
Verbindungsstange in Übereinstimmung
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
und
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15 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie XV-XV in 14.
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Gießen eines
Kolbens für
einen Dieselmotor
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Das
Gießen
eines Kolbens für
einen Dieselmotor, der in 2 gezeigt
ist, in Übereinstimmung
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird nachfolgend erläutert.
Wie in 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 sekundärer Ring eingesetzt ist, und
eine Ölringnut 5,
in welcher ein Ölring
eingesetzt ist.
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Die
obere Ringnut 3 ist auf einem ringartigen Verbundstoffabschnitt 6 gebildet,
der durch ein nachfolgend erläutertes
Verfahren gebildet ist, und der Rest des Kolbenkörpers 2 ist aus einer
Aluminiumlegierung gebildet.
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4 zeigt
eine Gußvorrichtung 10 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die zum Gießen des Kolbens 1 verwendet
werden kann. Die Vorrichtung 10 weist eine geteilte Gußform 1 auf,
die linke und rechte äußere Formen 12L und 12R aufweist,
eine Zwischenform 13, die auf der unteren Seite der Form 11 ageordnet
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 Hohlraum 15 ist
innerhalb der Form 1 gebildet. Ein Ring 7 aus
einem Verbundstoffbil- dungsmaterial (3) ist in
dem Hohlraum 15 gehalten. Ein Rohr 16 zum Anlegen
eines Luftdrucks durch den Senkkopfabschnitt 14a ist auf
dem Senkkopfabschnitt 14a angebracht. Die Bezugsziffer 17 bezeichnet
einen Stift zum Bilden eines Kolbenstifteinführlochs.
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Die
linken und rechten äußeren Formen 12L und 12R werden
jeweils durch Zylinder 18L und 18R angetrieben,
und die Zwischenform 13 sowie die obere Form 14 werden
jeweils durch Zylinder 19 und 20 angetrieben.
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Der
Ring 7 ist beispielsweise aus porösem Nickelmaterial gebildet
(z. B. Cermet, das von Sumitomo Denkou bezogen werden kann und einen
Volumenfaktor von etwa 5% und eine mittlere Porenöffnung von
0,8 mm aufweist). Da die obere Ringnut 3 nach dem Gießen maschinell
eingearbeitet bzw. bearbeitet wird, hat der Ring 7 keine
Nut.
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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. 5 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang einer Ebene senkrecht zu dem in 4 gezeigten
Querschnitt.
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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 verbindet 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 Einlauf 22 abdeckt
bzw. verschließt.
Bei diesem speziellen Beispiel ist die obere Form 14 in
obere und untere Teile aufgeteilt, 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 Teilungsfläche 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.
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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 490 kPa
(5 kg/cm2) eingeleitet, 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 abgedichtet
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 geschmolzenen 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.
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7 zeigt
ein Beispiel einer Gußform 11 zum
Gießen
des Kolbens 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 Druckluftquelle 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 wassergekühlten 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 7 gezeigt ist, ist insofern vorteilhaft, als der
Teil um den Verbundstoffabschnitt herum effektiv unter Druck gesetzt
werden kann.
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In
der Gußform 11 gemäß einem
weiteren in 8 gezeigten Beispiel ist ein
Senkkopfabschnitt 12b auf einer Seite des Hohlraums 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 Kraftstoffdirekteinspritzdieselmotor mit einer Verbrennungskammer 30 auf
ihrer Oberseite geeignet.
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Üblicherweise
ist ein Senkkopfabschnitt vorgesehen, um die Bildung eines Hohlraums
bzw. einer Lücke
bzw. Fehlstelle bzw. einer Luftblase in einen dickwandigen Abschnitt,
wie einem Kolbenkopf, 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 gebildet
werden, was eine lange Zeit erfordert.
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Obwohl
es bevorzugt ist, daß die
Metallstruktur des Lippenabschnitts 30a der Verbrennungskammer 30 aus
dem Gesichtspunkt der Wärmeermüdungsbeständigkeit
bzw. der thermischen Ermüdungsbeständigkeit
fein sein sollte (geschmolzenes Material sollte rasch verfestigt
werden), wird der Deckelelementabschnitt 30a langsam verfestigt,
wenn der Senkkopfabschnitt auf der Oberseite der Gußform vorgesehen
ist, was zu einer groben Metallstruktur und einem schlechten bzw.
schwachen Wärmeermüdungszustand
führt.
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Im
Fall eines herkömmlichen
Kolbens für
einen Dieselmotor, wobei ein verschleißfester Ring 31 (10)
aus Ni-Resist-Gußeisen
gegossen wird, um die Verschleißfestigkeit
der oberen Ringnut 3 sicherzustellen, gibt das Vorsehen
eines Senkkopfabschnitts 12b auf einer Seite des Hohlraums 15,
wie in 10 gezeigt, Anlaß zu den
folgenden Schwierigkeiten. Das heißt, der verschleißfeste Ring 31 aus
Ni-Resist-Gußeisen begrenzt
den Querschnittsbereich eines Durchlasses aus geschmolzenem Material
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 ferner der verschleißfeste Ring 31 in
der Gußform
bei einer Temperatur 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.
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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 Wärmeermüdungsstandzeit
des Kolbens erhöht
werden kann. Ferner kann die Maschinenbearbeitungszeit zum Bilden
der Verbrennungskammer 30 verkürzt werden, und die Materialformänderungsfestigkeit
kann verbessert werden.
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Durch
die vorstehend erläuterte
Weise wird ein Gußkolbenrohling 8 aus
einer Aluminiumlegierung mit einem ringartigen Verbundstoffabschnitt 6,
der in einen Kolbenkörper 2 gegossen
ist, erhalten. Der Verbundstoffabschnitt 6 wird durch Tränken der
Poren des porösen
Nickelmaterials mit Aluminiumlegierung gebildet.
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Daraufhin
wird der Kolbenrohling 8 auf 500°C für 4,5 Stunden in einem Heizofen
erwärmt,
wodurch eine Verbundstoffzwischenmetallschicht in der Grenzschicht
zwischen der Aluminiumlegierung und dem porösen Nickelmaterial gebildet
wird, und wodurch die Aluminiumlegierungsmatrix einer Lösungsbehandlung
unterworfen wird, und der Kolbenrohling 8 wird wassergehärtet und
daraufhin bei 180°C
für 5 Stunden
(aus)geglüht.
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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 sekundäre
Ringnut 4 und die Olringnut 5 in dem Kolbenkörper 2 geschnitten.
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Da
der gegossene Kolbenrohling 8 in einer deutlichen bzw.
wesentlichen Tiefe geschnitten wird, wird die Qualität des Endprodukts
selbst dann nicht verschlechtert, wenn die Tränkung der Poren des Verbundstoffbildungsmaterials
mit Aluminiumlegierung an einem Umfangsabschnitt des Kolbenkörpers 2 bis
zu einem bestimmten Ausmaß unzureichend
ist, wodurch der an den Hohlraum angelegte Gasdruck niedriger sein
kann.
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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 Abdeckung 23 verschlossen, und Druckluft wird in den
Hohlraum 15 bei etwa 490 kPa (5 kg/cm2)
durch das Rohr 6 eingeleitet, das an der Abdeckung 23 oder
an dem Senkkopfabschnitt 14a oder 12a angebracht
ist. Wie in 12 gezeigt, die die Beziehung
des Luftdrucks zur Dichte des Verbundstoffabschnitts zeigt, ist
die Dichte des Verbundstoffabschnitts im wesentlichen ungeachtet
des Luftdrucks im Bereich von nicht weniger als 98 kPa (1 kg/cm2) konstant. Das heißt, wenn der Luftdruck wenigstens
98 kPa (1 kg/cm2) beträgt, können die Poren des Verbundstoffbildungsmaterialrings 7 ausreichend
mit Aluminiumlegierung getränkt
werden. Wenn der Luftdruck geringer als 49 kPa (0,5 kg/cm2) ist, neigt die Kombination der Aluminiumlegierung
mit dem Verbundstoffbildungsmaterial dazu, nicht zufriedenstellend
zu sein, während,
wenn der Luftdruck nicht geringer als 49 kPa (0,5 kg/cm2)
ist, die Kombination der Aluminiumlegierung mit dem Verbundstoffbildungsmaterial
zufriedenstellend ist. Wenn jedoch der Luftdruck 2940 kPa (30 kg/cm2) übersteigt,
ist eine große
Formklemm- bzw. Verspannkraft erforderlich, um zu verhindern, daß geschmolzenes
Material durch die Teilungsflächen
der geteilten Form austritt bzw. ausleckt, was unerwünscht ist.
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Demnach
ist der Luftdruck bevorzugt nicht höher als 980 kPa (10 kg/cm2). Deshalb ist es bevorzugt, daß der Luftdruck
im Bereich von 49 bis 980 kPa (0,5 bis 10 kg/cm2)
liegt.
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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.
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Beispielsweise
werden Edelstahlfasern mit einem mittleren Durchmesser von etwa
30 μm 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 Aluminiumlegierung (AC8A) wird (in diese) gegossen. Daraufhin
wird der Einlauf 22 verschlossen und ein Luftdruck von
294 kPa (3 kg/cm2) wird an den Senkkopfabschnitt
angelegt gehalten, bis die geschmolzene Aluminiumlegierung verfestigt
ist. Dadurch wird ein Verbundstoffabschnitt 6 gebildet.
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Gießen einer
Lagerkappe für
einen Zylinderblock
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13 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels einer Gußform, die
zum Gießen einer
Lagerkappe geeignet ist, die einen Verbundstoffabschnitt in der
Oberfläche
aufweist, die zum Kontakt mit einem Lagerabschnitt eines Zylinderblocks
bestimmt ist, der in Übereinstimmung
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
gebildet ist.
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In 13 weist
die Gußform 41 eine
obere Form 42 und eine untere Form 43 auf, und
einen Hohlraum 44 sowie ein Senkkopfabschnitt 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 angeordnet. Eine Entlüftungsnut 46 ist
in der Teilungsfläche
zwischen den oberen und unteren Formen 42 und 43 gebildet.
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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 Verbundstoffabschnitt auf der Oberfläche gebildet,
der in Kontakt mit einem Lagerabschnitt eines Zylinderblocks kommen
soll, wodurch Wärmeausdehnung
unterdrückt
wird.
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Gießen einer
Verbindungsstange
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Die 14 und 15 zeigen
ein Beispiel einer Gußform,
die zum Gießen
einer Verbindungsstange geeignet ist, die einen Verbundstoffabschnitt
auf der Innenfläche
von jedem von Stiftlöchern
auf großen
und kleinen Enden aufweist, der in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
gebildet ist.
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Die
Gußform 51 weist
linke und rechte äußere Formen 52L und 52R auf,
die einen Hohlraum 53 bilden. Poröse Verbundstoffbildungsmaterialringe 54 und 55,
die beispielsweise Gußkörper aus
kurzen 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 verbunden, 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.
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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 werden
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 großen Ende der gegossenen Verbindungsstange
abgeschnitten wird, wird die Maschinenbearbeitung der Verbindungsstange
ausgeführt.
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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 Aluminiumlegierung
beschränkt;
vielmehr kann eine andere leichte Legierung, wie beispielsweise
eine Magnesiumlegierung, verwendet werden.