DE19918002C1

DE19918002C1 - Verfahren zum Gießen eines Leichtmetall-Zylinderkopfs aus zwei Legierungen

Info

Publication number: DE19918002C1
Application number: DE1999118002
Authority: DE
Inventors: Franz Mnich; Eberhard Ambos; Ruediger Baehr; Ernst Krebs
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 1999-04-21
Filing date: 1999-04-21
Publication date: 2000-10-26
Anticipated expiration: 2019-04-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Leichtmetall-Zylinderkopfs aus zwei Legierungen. Die Erfindung löst die Aufgabe, durch geeignete Verfahrensführung beim Guß mit mehreren Legierungen unter Vermeidung einer Wartezeit die Anzahl benutzbarer Legierungskombinationen erheblich zu vergrößern. Zugleich gewährleistet sie auch ohne den Einsatz von Schutzgas eine gute metallurgische Bindung zwischen den Schichten. DOLLAR A Dies wird erreicht, indem die Gießleistung des aus der 1. Legierung bestehenden Gießmetalls zum Ende der Gießzeit der 1. Legierung nach einer vorgebbaren Funktion auf Null reduziert wird. Während des Absenkens der Gießleistung wird dem Gießmetall bei einem vorgebbaren Mindestwert der Gießleistung eine aus einer 2. Legierung bestehenden Schmelze mit einem von geringen Werten aus zunehmendem Massenanteil zugemischt, so daß die Gießleistung des aus den beiden Legierungen bestehenden Gießmetalls von dem vorbenannten Mindestwert aus wieder ansteigt. Während dieses Anwachsens der Gießleistung des Gießmetalls auf einen vorgebbaren Normalwert wird der Massenanteil der aus der 2. Legierung bestehenden Schmelze auf 100% erhöht. Somit füllt nach dem Ende der Gießzeit der 1. Legierung ausschließlich ein aus der 2. Legierung bestehendes Gießmetall den verbleibenden Formhohlraum aus.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Leichtmetall-Zylinderkopfs aus zwei Legierungen.

Für die Erhöhung der Motorleistung und die Verbesserung des Wirkungsgrades ist es notwendig, die mechanischen und thermischen Eigenschaften eines Leichtmetall-Zylinderkopfs an bestimmten Stellen zu optimieren. Hierfür ist u. a. die Keramikbeschichtung im Spritzverfahren oder die Verwendung von Keramikfasern bekannt. Dies sind relativ aufwendige Verfahren.

Daher hat man gem. FR 2638988 bereits versucht, den unterschiedlichen Werkstoffanforderungen mit einem vertikalen Gießverfahren gerecht zu werden, bei dem ein Bimetall-Kolben durch zeitlich aufeinanderfolgendes Gießen von zwei verschiedenen Legierungen in die gleiche Gießform hergestellt wird. Damit wird es möglich, nur die notwendigen Bereiche des Zylinderkopfs in einer hochwertigen Gußlegierung herzustellen und für die restlichen Bereiche eine andere Legierung zu verwenden, die preiswert ist und gute Gießeigenschaften sowie befriedigende Einsatzparameter aufweist. Damit die verfahrensnotwendige Unmischbarkeit der beiden Legierungen gewährleistet wird, müssen die beiden Legierungen kompatible Erstarrungsintervalle aufweisen und die Erstarrung der ersten Legierung vor der Füllung der Gießform mit der zweiten Legierung einsetzen. Damit muß einerseits die Erstarrungsanfangstemperatur der zweiten Legierung im Bereich des Erstarrungsintervalls der ersten Legierung liegen. Andererseits müssen ca. 50 bis 75% der ersten Legierung bei der Erstarrungsanfangstemperatur der zweiten Legierung erstarrt sein, damit keine Erosion der ersten Legierung durch den Metallfluß während des Gießens der zweiten Legierung stattfindet.

Das vorstehende Verfahren wurde in der US 5579822 dahingehend weiterentwickelt, daß auch mehr als zwei verschiedene Legierungen vergossen werden und senkrecht zu den Legierungsschichten ein Temperaturgradient erzeugt wird. Zwischen dem Ende des Gießens einer Schicht und dem Gießbeginn der nachfolgenden Schicht ist jedoch auch bei diesem Verfahren eine Wartezeit einzulegen, damit der Feststoffanteil im oberen Teil der vorhergehenden Schicht mindestens ca. 10 bis 40% beträgt.

Als zusätzliche Maßnahme gegenüber der FR 2638988 können die Legierungen zum Zeitpunkt des Gießens Feststoffe verschiedener Größen und Formen enthalten, so daß nach der Erstarrung Verbundstoffe mit einer Metallmatrix entstehen.

Bei den vorstehend beschriebenen Lösungen ist somit zwischen dem Wechsel der Legierungen eine Wartezeit notwendig, in der eine Teilerstarrung der Schicht stattfindet. Diese Wartezeit kann zum Entstehen von Oxidschichten führen, welche die metallurgische Bindung zwischen den Schichten beeinträchtigen, falls nicht ein Guß unter Schutzgas erfolgen soll.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen besteht darin, daß die beiden Legierungen kompatible Erstarrungsintervalle aufweisen müssen, wodurch die Anzahl der benutzbaren Legierungskombinationen erheblich eingeschränkt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch geeignete Verfahrensführung beim Guß mit mehreren Legierungen unter Vermeidung einer Wartezeit die Anzahl benutzbarer Legierungskombinationen erheblich zu vergrößern und zugleich auch ohne den Einsatz von Schutzgas eine gute metallurgische Bindung zwischen den Schichten zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des einzigen Anspruchs gelöst.

Der Erfindung liegt demnach der Gedanke zugrunde, daß auf eine Wartezeit, in der die Teilerstarrung einer Schicht aber zugleich auch eine Oxidation eintritt, bei folgender Verfahrensführung verzichtet werden kann: Die Gießleistung des aus der 1. Legierung bestehenden Gießmetalls wird zum Ende der Gießzeit der 1. Legierung nach einer vorgebbaren Funktion auf Null reduziert. Während des Absenkens der Gießleistung wird dem Gießmetall bei einem vorgebbaren Mindestwert der Gießleistung eine aus einer 2. Legierung bestehenden Schmelze mit einem von geringen Werten aus zunehmendem Massenanteil zugemischt, so daß die Gießleistung des aus den beiden Legierungen bestehenden Gießmetalls von dem vorbenannten Mindestwert aus wieder ansteigt. Während dieses Anwachsens der Gießleistung des Gießmetalls auf einen vorgebbaren Normalwert wird der Massenanteil der aus der 2. Legierung bestehenden Schmelze auf 100% erhöht. Somit füllt nach dem Ende der Gießzeit der 1. Legierung ausschließlich ein aus der 2. Legierung bestehendes Gießmetall den verbleibenden Formhohlraum aus.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen in schematischen Darstellungen:

Fig. 1 ein Diagramm der Gießleistung der beiden Legierungen,

Fig. 2 eine Gießform mit einer als Einguß für beide Legierungen fungierenden Mischkammer,

Fig. 3 eine Gießform mit separaten Eingüssen für die Legierungen und einer Mischkammer.

In einem ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) werden übliche Urformwerkzeuge, z. B. Kokillen, mit einem Eingußsystem verwendet. Zunächst wird eine sehr hochfeste und temperaturbeständige Legierung vergossen. Diese bildet die Konturen in der Nähe der Brennräume und der Auslaßkanäle aus und ermöglicht somit eine hohe mechanische und thermische Beanspruchbarkeit dieser Bauteilbereiche. Während bei bekannten Verfahren zur Ausbildung von Zylinderköpfen und anderen Bauteilen aus verschiedenen Werkstoffen nach diesem Vorgang des Gießens der ersten Legierung sich stets eine Wartezeit anschließt, wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren direkt zum Ende des Gießvorganges der ersten Legierung schon mit dem Abguß der zweiten Legierung begonnen. Diese Legierung besitzt gute Gieß- und Erstarrungseigenschaften und eine hinreichende Belastbarkeit. Durch diesen zeitlich begrenzten Vorgang des gleichzeitigen Gießens beider Legierungen findet eine intensive Durchmischung bereits im Eingußtümpel und vor dem Formhohlraum statt. Das führt zu einer verbesserten Ausbildung der Übergangsschicht von Legierung 1 zu Legierung 2. Der schematische Verlauf der Gießleistung gemäß der Erfindung ist für beide Legierungen in Fig. 1 dargestellt.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 3) wird die Gießform mit speziell angepaßten Eingußsystemen ausgestattet. Unterschiedliche Legierungen haben unterschiedliche gießereitechnische Eigenschaften und bedingen eine speziell dimensionierte Gestaltung insbesondere des Eingußbereiches. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden 2 Eingußsysteme verwendet. Auch hierbei werden zwei Legierungen so gegossen, daß es zu einer intensiven Vermischung bereits vor Eintreffen in den Formhohlraum kommt. Das wird über eine gemeinsame Mischkammer realisiert, in die beide Eingußtümpel über einen Lauf münden.

Bei Untersuchungen wurden verschiedene Aluminiumlegierungen, Aluminium und Magnesiumlegierungen und verschiedene Magnesiumlegierungen miteinander kombiniert.

Claims

1. Verfahren zum Gießen eines Leichtmetall-Zylinderkopfs, bei dem

- eine hochfeste und hoch temperaturwechselbeständige 1. Leichtmetallegierung gegen eine die Brennraumkontur und/oder die Auslaßkanäle bildende Kokille abgegossen und dabei eine Schichtdicke bis zu ca. 50 mm erzeugt wird,
- innerhalb eines vorgebbaren Toleranzbereiches vor Erreichen dieser Schichtdicke die Gießleistung des aus der 1. Leichtmetallegierung bestehenden Gießmetalls innerhalb einer vorgebbaren Zeitspanne auf Null gesenkt wird,
- bereits während des in der genannten Zeitspanne erfolgenden Absenkens der Gießleistung dem Gießmetall bei einem vorgebbaren Mindestwert seiner Gießleistung eine aus einer kostengünstigen und gut gießbaren 2. Leichtmetallegierung bestehenden Schmelze mit einem von geringen Werten aus zunehmendem Massenanteil zugemischt wird, und
- anschließend die Gießleistung des nach Ablauf der genannten Zeitspanne ausschließlich aus der 2. Leichtmetallegierung bestehenden Gießmetalls wieder auf einen Normalwert ansteigt.