DE19918231A1 - Verfahren zum Herstellen von Rohlingen für Zylinderlaufbüchsen - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von Rohlingen für ZylinderlaufbüchsenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Rohlingen für Zylinderlaufbüchsen aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung. Zunächst wird die geschmolzene Legierung zu einem feinkörnigen Vormaterial verarbeitet. Daraus werden dann unter Ausnutzung des thixotropen Zustandes der Legierung Rohlinge für Zylinderlaufbüchsen hergestellt. Um diese kostengünstiger als bisher herstellen zu können, wird aus der Schmelze in einem kontinuierlichen Stranggußverfahren ein quasi-endloses Vormaterial hergestellt, wobei aufgrund von Scherbewegung in der Schmelze unmittelbar vor und während der Erstarrung der Schmelze feinkörnig und globulitisch zur Erstarrung gebracht wird. Das Vormaterial für die Weiterverarbeitung wird bedarfsgerecht in massegleiche, für jeweils einen Druckgußvorgang für Zylinderlaufbüchsen geeignete Stücke portioniert. Aus diesen Stücken werden dann im laminaren Druckgußverfahren bei thixotropen Zustand der Legierung Rohlinge für Zylinderlaufbüchsen urgeformt. Dabei können wenigstens vier Rohlinge gemeinsam in einem Druckgußvorgang gleichzeitig hergestellt werden. Auf der Außenfläche der Rohlinge wird zweckmäßigerweise zugleich eine Oberflächenaufrauhung mit angeformt. Verschiedene Möglichkeiten zur Erzeugung von Scherbewegungen in der erstarrenden Schmelze werden genannt.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen von
Rohlingen für Zylinderlaufbüchsen nach dem Oberbegriff von An
spruch 1, wie es beispielsweise aus der DE 195 23 484 A1 als
bekannt hervorgeht.
Bei dem in der DE 195 23 484 A1 beschriebenen Verfahren wird
aus einer Aluminium/Silizium-Legierung durch feines Versprühen
der Schmelze in einer sauerstofffreien Atmosphäre und Nieder
schlagen des Schmelze-Nebels auf einem aufwachsenden Körper
zunächst eine Luppe mit feinkörniger Ausbildung der Silizium-
Primärkristalle und intermetallischer Phasen darin erzeugt.
Durch dieses sog. Sprühkompaktieren ist ein sehr feinkörniges
Gefüge herstellbar. Die Pulverteilchen bzw. Tröpfchen werden
auf einen rotierenden Teller gesprüht, auf welchem die erwähn
te Luppe aufwächst. Es ist auch denkbar, daß man die Luppe
nicht axial auf einem rotierenden Teller aufwachsen läßt, son
dern die verdüste Schmelze auf einem umlaufenden Zylinder ra
dial aufwachsen läßt, so daß ein im wesentlichen rohrförmiges
Vorprodukt entsteht. Anschließend wird die Luppe auf einer
Strangpresse zu dickwandigen Rohren verpreßt, wobei durch den
Umformvorgang Restporositäten aus dem Gefüge eliminiert wer
den. Die dickwandigen Rohre werden dann z. B. durch Rundkneten
zu im Querschnitt endformnahen Rohren weiter verarbeitet, von
denen schließlich einzelne Büchsenrohlingen abgelängt werden
können. Die solcherart hergestellten und eventuell durch eine
spanabhebende Bearbeitung auf ein gewisses Weiterverarbei
tungsmaß gebrachten Rohteile der Zylinderlaufbüchse werden in
ein Kurbelgehäuse aus einer gut gießbaren Aluminiumlegierung
vorzugsweise im Druckgußverfahren eingegossen. Nachteilig an
diesem qualitativ hochwertigen Verfahren sind die vielen Ver
arbeitungsstufen, wodurch der Büchsenrohling relativ teuer
wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundegeleg
te Verfahren einfacher und im Herstellungsergebnis kostengün
stiger zu gestalten.
Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Ver
fahrens erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von
Anspruch 1 gelöst. Danach wird erfindungsgemäß das an sich be
kannte und rationelle Stranggußverfahren eingesetzt, mit wel
chem ein quasi-endloses Vormaterial erzeugt, wobei die Schmel
ze vor und während der Erstarrung aufgrund einer Scherbewegung
in der Schmelze feinkörnig und globulitisch zur Erstarrung ge
bracht wird. Dieses Vormaterial wird bedarfsgerecht in masse
gleiche Stücke portioniert. Aus den Stücken werden bei thixo
tropen Zustand der Legierung in einem laminaren Druckgußver
fahren die Rohlinge urgeformt.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran
sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:
Fig. 1 eine Stranggußanlage zur Herstellung von feinkörnig
und globulitisch erstarrendem Gußstrang als wesentli
chen einem Teil zur erfindungsgemäßen Herstellung von
Rohlingen für Zylinderlaufbüchsen, wobei die erstar
rende Schmelze durch gegenläufige Rotoren unter Druck
gesetzt, gerührt und geschert wird,
Fig. 2 eine Einzeldarstellung eines bezüglich seiner Läge
noch gut handhabbaren Gußstrangabschnittes,
Fig. 3 den Vorgang des Ablängens einzelner bedarfsgerecht
portionierter Stücke von den Gußstrangabschnitten nach
Fig. 2,
Fig. 4 einen Aufwärmofen zur Temperierung der portionierten
Gußstrangstücke nach Fig. 3 auf Solidustemperatur so
wie eine Druckgußmaschine zum Urformen von Rohlingen
für Zylinderlaufbüchsen im laminaren Thixocasting-Ver
fahren,
Fig. 5 eine vergrößerte Einzeldarstellung eines Sechfach-Guß
stückes von Rohlingen für Zylinderlaufbüchsen, wie sie
der Druckgußmaschine nach Fig. 4 entnommen wird und
Fig. 6 eine modifizierte Stranggußanlage zur Herstellung ei
nes feinkörnig und globulitisch erstarrenden Gußstran
ges, wobei die erstarrende Schmelze aufgrund induktiv
bewirkter Rührwirkung bewegt und geschert wird.
In Fig. 1 ist ein Anlage zum Herstellen von Rohlingen 51 für
Zylinderlaufbüchsen aus einer übereutektischen Aluminium/Sili
zium-Legierung schematisiert dargestellt. Und zwar wird dabei
ein Verfahren ausgeübt, bei dem zunächst ein Vormaterial in
Vollquerschnitt und in einer größeren Länge aus einem feinkör
nigen Gefüge der Aluminium/Silizium-Legierung 2 hergestellt
wird, von dem dann - zumindest mittelbar - einzelne portio
nierte bzw. dosierte Stücke 54 abgelängt werden, aus denen in
einem Thixocastingverfahren nach dem Vorbild des Druckgußver
fahrens Büchsenrohlingen urgeformt werden.
Um ein solches Vormaterial besonders einfach und im Herstel
lungsergebnis kostengünstig herstellen zu können, wird unmit
telbar aus der Schmelze 2 einer Aluminium/Silizium-Legierung
nach dem an sich bekannten Stranggußverfahren ein quasi-end
loser Gußstrang 43 gegossen. Dabei wird eine feinkörnige Er
starrung der Schmelze 2 erzwungen, wie sie für Zylinderlauf
büchsen erforderlich ist. Und zwar sind es die harten Silizi
um-Primärkristalle, die bei der Erstarrung besonders feinkör
nig ausfallen sollen. Sie bilden später, nachdem der in ein
Kurbelgehäuse eingegossene Büchsenrohling fertig bearbeitet
ist, die tragenden und verschleißfesten Oberflächenanteile in
der Kolbenlauffläche.
Die Silizium-Primärkristalle entstehen bei der Erstarrung der
übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung als erstes. Und
zwar entstehen bei der Abkühlung der Schmelze mit abnehmender
Temperatur mehr und mehr Si-Primärkristalle, wobei die restli
che, noch flüssige Schmelze immer mehr an Silizium verarmt.
Dabei wird die Anzahl und/oder der Volumenanteil der Si-Pri
märkristalle je Raumeinheit mit zunehmender Abkühlung immer
größer. Diese Primärausscheidung der Si-Kristalle hält so lan
ge an, bis die eutektische Zusammensetzung der restlichen Le
gierung von Aluminium und Silizium erreicht ist. Das restliche
Eutektikum erstarrt bei der Solidustemperatur, wobei diese so
lange und dort ansteht, solange bzw. wo noch schmelzflüssige
Anteile im Gußstrang vorhanden sind. In dieser Erstarrungspha
se bzw. bei der Solidustemperatur muß die Schmelzwärme der eu
tektischen Legierung abgeführt werden.
Bei mäßig schneller Abkühlung einer in Ruhe befindlichen
Schmelze neigt das primär ausscheidende Silizium dazu, von ei
nem Kristallisationskeim aus entlang der Kristallachsen den
dritisch zu wachsen, so daß sternförmige Primärkristalle ent
stehen. Dies ist meist, insbesondere bei der Anwendung für Zy
linderlaufbüchsen unerwünscht. Eine feinkörnige Ausscheidung
von Si-Primärkristallen kann zum einen durch eine Scherbewe
gung der Schmelze während der Erstarrung, zumindest aber wäh
rend der Phase der Primärausscheidung herbeigeführt und/oder
zum anderen durch eine rasche Abkühlung erzwungen werden. Auf
grund der Scherbewegung der Schmelze werden die dendritischen
Äste der sternförmigen Primärkristalle gebrochen und so die
Anzahl der Primärkristalle je Raumeinheit erhöht und die Größe
der Primärkristalle verringert. Aufgrund einer kontrollierten
Abkühlung der Schmelze schon in der Phase der Primärausschei
dung wird eine gleichzeitige Kristallisation von Silizium an
vielen Stellen erzwungen, so daß die Möglichkeit oder Wahr
scheinlichkeit zu einem Dendritenwachstum geringer ist.
Die Fig. 1 zeigt einen vertikal ausgerichteten Stranggußkopf
35 für fallenden Strangguß, der mit einem vertikal ausgerich
teten Doppelwellen-Schneckenförderer 15 integriert ist. Dem
Stranggußkopf 35 wird die Schmelze 2 seitlich über einen Zu
lauf 32 aus einem flachen Warmhalteofen 1 zugeführt, der ober
seitig abgedeckt ist. Der gasdicht abgeschlossene Ofenraum 4
oberhalb des Schmelzespiegels 3 ist mit einem Inertgas, z. B.
mit einer Stickstoff-Atmosphäre gefüllt, um eine Oxidation des
flüssigen Metalls zu verhindern. Zur Aufrechterhaltung eines
gewissen Mindestdruckes in dem zu schützenden Raum ist das
Inertgas in einem Druckspeicher 10 unter einem bestimmten
Druck bevorratet. Sollte der Druck unter ein bestimmtes Niveau
absinken, so wird aus einer Vorratsflasche 11 frisches Inert
gas nachgespeist. Der Druck des Inertgases in dem zu schützen
den Raum 4 beträgt nur wenige Millibar Überdruck gegenüber dem
Umgebungsluftdruck. Es braucht lediglich ein Eindringen von
Umgebungsluft durch etwaige Lecks in den zu schützenden Raum
verhindert zu werden.
Der in dem Warmhalteofen 1 enthaltene Schmelzevorrat, der über
eine unterseitig angeordnete induktive Heizeinrichtung 5 auf
einer bestimmten Temperatur gehalten wird, muß bedarfsweise
über einen offenen Siphon 8 nachgefüllt werden. Der darin an
stehende Spiegel ist der Umgebungsluft frei ausgesetzt und
kann oxidieren. Die sich dort bildende Oxidhaut 9 kann von
Zeit zu Zeit abgekramt werden. Zwischen dem Siphon und dem
Aufnahmeraum der Schmelze 2 ist eine Zwischenwand 6 mit einem
Bodendurchlaß 7 angeordnet. Aufgrund dieser Trennung kann je
doch keine Luft in den Vorratsraum des Warmhalteofens gelangen
und sich demzufolge dort keine Oxidhaut auf der Schmelze bil
den. Voraussetzung ist, daß stets rechtzeitig Schmelze nachge
füllt wird, bevor der Spiegel 3 die Durchlaßöffnung 7 erreicht
hat.
Der in den Stranggußkopf integrierte Schneckenförderer 15 ent
hält ein Paar von Rotoren, die über ein Getriebe 17 von einem
Antriebsmotor 16 phasensynchron aber gegenläufig angetrieben
werden. Die Rotoren sind axial in unterschiedliche Bereiche
mit verschiedenen Gestaltungen unterteilt. Auf einem Teilbe
reich sind die Rotoren mit einem förderwirksamen Profil 23
versehen und wirken in diesem Bereich als Förderschnecken. Das
Getriebe und die Drucklager der Förderschnecken sind in einem
gewissen Sicherheitsabstand oberhalb des dort anstehenden
Schmelzespiegels 20 angebracht, weshalb relativ lange Wellen
19 zwischen Getriebe 17 einerseits und Zulauf 32 der Schmelze
andererseits vorgesehen sind. Die Wellen durchdringen den Zu
laufraum 21 des Schneckenförderers vertikal. Dieser Zulaufraum
des Fördergehäuses ist oberseitig ebenfalls, und zwar hier
durch das Getriebe 17, verschlossen und mit einer Inergasat
moshäre beaufschlagt, um eine Oxidation der Schmelze auch hier
zu verhindern.
Unterhalb des Zulaufes 32 gehen die Wellen 19 in das bereits
erwähnte förderwirksame gegenläufige Schraubenprofil 23 über;
beide Schraubenprofile greifen dichtend ineinander ein und
gleiten dichtend an dem die Förderschnecken umgebenden Förder
gehäuse 22 entlang. Die Schmelze ist im Bereich der förder
wirksamen Schraubenprofile 23 der Schnecken nicht gekühlt, das
Gehäuse ist allerdings auch nicht wärmeisoliert, so daß im
dargestellten Ausführungsbeispiel im förderwirksamen Bereich
32 noch keine Primärausscheidung von Legierungspartnern aus
der Legierung stattfindet. Aufgrund der Partikelfreiheit der
Schmelze im Bereich der förderwirksamen Schraubenprofile 23
der Schnecken kann der Schneckenförderer 15 bei relativ engen
gegenseitiger Berührung der Schraubenprofile betriebssicher
einen Förderdruck aufbauen. Durch den Schneckenförderer wird
also in der Schmelze ein nach unten, d. h. in Arbeitsrichtung
des Stranggußkopfes 35 wirksamer Förderdruck aufgebaut.
Dieser Druck hat mehrerlei Funktionen. Zum einen soll das er
starrende Gußgefüge des entstehenden Gußstranges 43 in Axial
richtung durch den der Schmelze überlagerten Druck dicht
speist werden. Zum anderen soll dieser Druck auch dazu beitra
gen, daß der Gußstrang weitgehend durch diese Druckwirkung
durch den Stranggußkopf 35 hindurch- und aus ihm herausge
preßt, er also gewissermaßen extrudiert wird. Vor allem aber
wird der aufgebaute Druck dazu ausgenutzt, die erstarrende
Schmelze durch eine Garnitur (25, 26, 27) des Schneckenförde
rers hindurchzupressen, die intensive Scherbewegungen in die
erstarrende Schmelze hineinträgt, und die Primärkristalle
feinkörnig in der Schmelze dispergiert.
Im Anschluß an den Druckaufbau in der Schmelze setzt eine zu
nächst vorsichtige und vor allem überwachte Kühlung der
Schmelze ein. Das Fördergehäuse 22 weist zu diesem Zweck au
ßenseitig an dem an den förderwirksamen Bereich 32 anschlie
ßenden Bereich 24 der Primärausscheidung Kühlrippen 28 auf,
die mit einem Blechmantel 29 umgeben sind. Aufgrund dieser An
ordnung kann die im Schneckenförderer befindliche Schmelze
durch die Wandung des Fördergehäuses 22 hindurch gezielt ge
kühlt werden. Als Kühlmedium kann Luft oder Wassernebel ver
wendet werden. Das Kühlmedium wird mittels eines Gebläses mit
bedarfsgerechter Menge und/oder Geschwindigkeit zwischen den
ummantelten Kühlrippen 28 hindurch geleitet. Aufgrund einer
mehrfachen, axial beabstandeten Temperaturmessung
(Temperatursensoren 30) der Schmelze im Inneren des Förderge
häuses und aufgrund einer entsprechend der Temperaturmessungen
separat zonal geregelten Zufuhr von Kühlmedium durch die Kühl
rippen hindurch kann die Temperatur der geförderten Schmelz
zum Ende des Bereiches 24 hin in einem betragsmäßig eng be
grenzten Bereich gehalten werden.
Um in der Startphase oder bei Betriebsstörungen der Strangguß
anlage das Fördergehäuse ausreichend hoch temperieren zu kön
nen, ist an den ummantelten Raum der Kühlrippen auch ein Bren
ner anschließbar. Im Falle eines zu kalten Fördergehäuses wer
den heiße Brennerabgase zwischen den Kühlrippen hindurchgeför
dert, die das Fördergehäuse bedarfsweise erwärmen. Aber auch
ein bloßes Unterbrechen der Kühlung des Fördergehäuses führt
bei anhaltender Förderung aufgrund innerer Reibungsverluste zu
einer leichten Erwärmung der Schmelze, so daß bei Normalbe
trieb der Stranggußanlage eine gezielte Temperierung der
Schmelze innerhalb des Fördergehäuses allein durch eine gere
gelte Kühlung aufrecht erhalten werden kann.
Im Inneren des Bereiches 24 der Primärausscheidung setzen sich
die Rotoren des Schneckenförderers mit veränderter Profilie
rung fort, und zwar ist hier eine scherungswirksame Garnitur
25 auf dem Umfang der Rotoren angearbeitet. Beim dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die scherungswirksame Garnitur 25 in
Form von Scheiben und Einschnürungen auf den Rotoren ausgebil
det, die bei den beiden benachbarten Rotoren zueinander axial
versetzt sind und gegenüberliegend ineinander eingreifen. Die
Scheiben berühren das die Rotoren hier umgebende Fördergehäuse
22 und auch die Einschnürung des jeweils benachbarten Rotors
nicht, sondern weisen jeweils einen kleinen Scherspalt gegen
über diesen Oberflächen auf, durch den die Schmelze hindurch
gezwängt wird. In dem zwischen zwei axial aufeinander folgen
den Scheiben liegenden Bereich weist das Fördergehäuse 22 in
nenseitig jeweils Verengungen 27 auf, die sich in die Ein
schnürung der Rotoren hineinwölben. Die Stärke dieser gehäuse
seitigen Verengungen nimmt in Förderrichtung des Gußstranges
ab, so daß die Einschnürwirkung und der Durchtrittswiderstand
in Förderrichtung abnimmt.
Aufgrund der vorsichtigen Abkühlung der Schmelze in dem Be
reich 24 kommt es zur primären Ausscheidung von Silizium und
gegebenenfalls von intermetallischen Phasen. Durch die Rotoren
mit der scherwirksamen Garnitur 25 und die gehäuseseitigen
Verengungen 27 wird auf die hindurchtretende Schmelze eine in
tensive Scherbewegung ausgeübt, die die entstehenden Primär
kristelle zerkleinert und sie feinkörnig in der Schmelze dis
pergiert. Mit zunehmender Primärausscheidung des Siliziums
nimmt der Kristallanteil in der restlichen Schmelze und somit
deren Fließwiderstand in Förderrichtung zu. Aus diesem Grund
sieht das dargestellte Ausführungsbeispiel im unteren Teil des
Bereiches 24 und gegen Ende der Rotoren eine gegenüber dem
oberen Teil veränderte Form auf, und zwar laufen hier dich Ro
toren spitz in Rührwendeln 26 aus. Im Bereich der Rührwedeln
26 verändert außerdem der lichte Querschnitt des Fördergehäu
ses seine Gestalt, und zwar geht er von einer brillenförmigen
oder 8-förmigen Querschnittsform allmählich in eine Kreisform
über. Aufgrund der Rührwendeln und des zunehmenden formgeben
den Querschnittes nimmt die auf die Schmelze dort ausgeübte
Scher- oder Rührwirkung in Förderrichtung ab und hört gegen
Ende des Bereiches 24 ganz auf.
Dank der Temperaturüberwachung der Schmelze kann die Abkühlung
innerhalb des Bereiches 24 der Primärausscheidung so weit vor
angetrieben werden, daß die Primärausscheidung weitgehend in
nerhalb dieses Bereiches abgeschlossen ist. Dazu braucht le
diglich sichergestellt zu werden, daß am Ende dieses Bereiches
eine Schmelzetemperatur bei oder kurz unterhalb der Solidus
temperatur erreicht wird.
Dank der Primärausscheidung des Siliziums und gegebenenfalls
von intermetallischen Phasen in dem durch intensive Scherung
der Schmelze gekennzeichneten Bereich des Schneckenförderers
werden die entstehenden Primärkristalle durch die Scherungsor
gane 25, 26, 27 sehr fein zerkleinert. Damit werden drei we
sentliche Vorteile erreicht: Zum einen sind die Primärkristal
le sehr feinkörnig und gleichmäßig in der nahezu eutektischen
Restschmelze verteilt, was für den vorliegenden Anwendungsfall
für Zylinderlaufbüchsen sehr willkommen ist. Zum anderen
braucht in dem verbleibenden Teil des Stranggußkopfes 35 le
diglich noch die eutektische Restlegierung abgekühlt und er
starrt zu werden, was die Erstarrungslenkung vereinfacht, die
Erstarrung abkürzt und Potential für Produktivitätssteigerung
in sich birgt. Schließlich wirkt sich die feindisperse Vertei
lung der Primärkristalle in der eutektischen Restlegierung
rheologisch in sofern positiv aus, als durch diese Art der
Primärkristall-Verteilung die Viskosität der Schmelze weniger
gesteigert wird, als wenn die Primärkristalle dendritische
und/oder grobkörnig ausgebildet wären.
Die Schmelze muß, insbesondere im Anschluß an die Primäraus
scheidung des Siliziums, intensiv gekühlt werden, um nicht nur
eine möglichst feinkörnige Erstarrung auch der entstehenden
Restschmelze, sondern um auch auf kurzem Weg innerhalb des
Stranggußkopfes einen festen Gußstrang 43 zu erreichen. Er
starrung auf kurzem Weg bedeutet nicht nur einen kurzen und
somit kostengünstigeren Stranggußkopf, sondern vor allem auch
einen geringen Widerstand zum Durch- bzw. Austritt des Guß
stranges durch den bzw. aus dem Stranggußkopf. Demgemäß ist in
dem Stranggußkopf 35 eine Kühlung des Gußstranges in zwei un
terschiedlichen Arten vorgesehen. Und zwar ist zunächst eine
Zone 37 für indirekte Kühlung und daran anschließend eine wei
tere Zone 40 für unmittelbare Kühlung des Gußstranges 43 vor
gesehen.
Solange der Werkstoff des Gußstranges 43 noch nicht im gesam
ten Querschnitt erstarrt ist, kann der Gußstrang nur indirekt,
d. h. durch eine formgebende Wandung 36 hindurch, gekühlt wer
den. Außen um diesen Mantel herum ist ein Kühlmittelmantel 38
angebracht, der von einem Kühlfluid im Gegenstromprinzip, also
aufsteigend durchströmt wird. Hierbei kann es sich vorzugswei
se um Eiswasser handeln. Je nach Durchsatzgeschwindigkeit des
Kühlfluids durch den Kühlmittelmantel und je nach Vorlauftem
peratur kann der Schmelze eine ganz erhebliche Wärmemenge ent
zogen und so eine rasche Erstarrung des Gußstranges erzwungen
werden. Es wird durch die erzwungene Abkühlung in der Schmelze
zumindest nahe an der Oberflächen des Gußstranges und zumin
dest während der oberflächennahen Erstarrung ein sehr hoher
zeitlicher Temperaturgradienten herbeigeführt.
Innerhalb der Zone 37 der indirekten Kühlung muß der Gußstrang
43 soweit abgekühlt und außenseitig erstarrt sein, daß er,
selbst bei mäßiger Krafteinwirkung, seine zylindrische Form
selbständig stabil beibehalten kann. Der Materialdurchsatz
durch den Stranggußkopf 35 zum einen sowie der Kühlmittel
durchsatz sowie die Vor- und Rücklauftemperaturen müssen dem
entsprechend so aufeinander abgestimmt sein, daß ein ausrei
chend fester Gußstrang aus der Zone 37 der indirekten Kühlung
austritt. Dann tritt nämlich der rohrförmige Gußstrang aus der
Formbildungsoberfläche des Außenmantels 36 aus; die entspre
chende Austrittsstelle ist mit den Bezugszahlen 39 bezeichnet.
Im Zentrum des Gußstranges kann das Metall auf der Höhe der
Austrittsstelle aus der indirekten Kühlung zwar noch flüssig
sein, die erstarrten Außenpartien müssen dort jedoch bereits
eine so große Stärke erreicht haben, daß eine Formänderung
oder Längenänderung bei den einwirkenden Kräften nicht mehr
möglich ist.
Der gebildete Gußstrang wird auch nach Austritt (39) aus det
Formgebungsfläche in einer anschließenden Zone 40 weiterhin,
und zwar durch ein den Gußstrang 43 unmittelbar berührendes
Kühlfluid gekühlt. Der Zweck der anhaltenden, nun unmittelba
ren Kühlung besteht darin, dem Gußstrang genügend Stabilität
zum Handhaben der von ihm abgelenkten Stranggußschnitte 50 zu
geben. Nachdem das den Gußstrang unmittelbar berührende Kühl
fluid an unvermeidbaren Leckstellen zumindest in kleinen Men
gen direkt in die Arbeitsumgebung gelangt, muß das Kühlfluid
von einer solchen Art sein, daß es ohne gesundheitliche oder
technische Beeinträchtigungen an die Arbeitsplatzumgebung; frei
austreten kann. Als Kühlfluid ist demgemäß neben vorzugsweise
Wasser z. B. auch flüssige Luft denkbar, die als kalte Luft
austritt. Statt dessen sind auch unterschiedliche Gemische aus
Luft und Wasser möglich, beispielsweise eine Suspension von
feinsten Wassertröpfchen in Luft (Wassernebel) oder ein Luft/
Wasser-Gemisch. An Stelle von Wasser kann auch eine mit Zusät
zen versehene, im wesentlichen aus Wasser bestehende Anmi
schung verwendet werden.
Der Gußstrang 43 wird auf diese Weise in der Zone 40 unmittel
bar mit Kühlfluid beaufschlagt. Zur unmittelbaren Kühlung ist
unterhalb der Austrittsstelle 39 ein im Querschnitt ringförmi
ger Kühlraum 41 geschaffen, der radial unmittelbar an die
Oberfläche des Gußstranges angrenzt und der unterseitig durch
einen Dichtring 42 begrenzt wird. Der Dichtring seinerseits
liegt außenseitig am Gußstrang an.
Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß der Übergang
von der Zone der indirekten in die der unmittelbaren Kühlung
nicht abrupt an einer Umfangskante zu erfolgen braucht. Viel
mehr ist es auch möglich, diesen Übergang fließend zu gestal
ten. Dies könnte beispielsweise dadurch realisiert werden, daß
die formgebende Wandung 36 unterhalb des Kühlmittelmantels 38
zwar in die Zone 40 der unmittelbaren Kühlung weitergeführt,
dort aber mit mehreren sich allmählich verbreiternden Längs
schlitzen versehen ist. Die Wandung 36 ist dort gewissermaßen
ausgefranst; sie läuft in schlanken sich verschmälernden Zun
gen aus. Zur radialen Stabilisierung dieser Zungen können im
Bereich der Zungenenden noch Bandagen außen über diese hinweg
geführt sein. Auf diese Weise nimmt der Anteil der Abstützung
des Gußstranges durch die Wandung 36 mit fortschreitendem Aus
tritt ab und der Anteil des unmittelbaren Zutritts von Kühl
mittel an die Oberfläche des Gußstranges zu.
Es wurde bereits erwähnt, daß der Durch- und Austritt des Guß
stranges durch den bzw. aus dem Stranggußkopf durch den von
Schneckenförderer erzeugten Druck begünstigt wird. Ein gleich
mäßiger Austritt des verfestigten Gußstranges 43 aus dem
Stranggußkopf 35 wird jedoch durch eine Abziehvorrichtung si
chergestellt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird die
se im wesentlichen durch paarweise diametral gegenüberliegend
angeordnete, profilierte Abzugrollen 44 gebildet. Das Mantel
profil der Abzugrollen ist der Umfangskontur des Gußstranges
angepaßt, die Mantellinien sind also kreisbogenförmig konkav
gekrümmt.
Diese Abzugrollen 44 sind in einem ortsfest gehalterten Lager
stuhl gelagert. Um den Gußstrang 43 radial zwischen zwei paar
weise zusammengehörigen Abzugrollen einklemmen und eine axial
gerichtete Kraftwirkung auf den Gußstrang ausüben zu können,
sind die Abzugrollen in Bezug auf die Längsachse des Gußstran
ges radial beweglich gelagert und radial mit einer Vorspann
kraft in Richtung auf den Gußstrang angedrückt. Außerdem sind
alle Abzugrollen - es können auch mehrere gegenüberliegende
Paare von Abzugrollen versetzt am Umfang angeordnet sein -
einheitlich und gemeinsam mit einer bestimmten, voreinstellba
ren Umfangsgeschwindigkeit antreibbar. Zur Erhöhung der Rei
bung zwischen dem Gußstrang und den radial angepreßten Ab
zugrollen können diese mit einer Aufrauhung versehen sein, die
sich in die Oberfläche des Gußstranges eingräbt.
Sofern die oberseitig auf die Schmelze einwirkenden Druckkräf
te bereits ausreichend groß sind, den Gußstrang 43 alleine
durch den Stranggußkopf 35 hindurch und aus ihm auszupressen,
dient die Abziehvorrichtung lediglich dazu, einen kontinuier
lichen Austritt des Gußstranges mit gleichbleibender Geschwin
digkeit vorzugeben. Dabei kann u. U. zeitweise auch ein
"Bremsen" des Gußstranges durch die Abzieheinrichtung vorkom
men. Die von der Abziehvorrichtung vorgegebene Austrittsge
schwindigkeit ist im wesentlichen bestimmt durch die in der
indirekten Kühlzone 37 realisierbare Kühlleistung. Die ober
seitigen Druckkräfte dürfen allerdings nicht übermäßig groß
eingestellt werden, sonst müßte nämlich u. U. durch die Abzieh
vorrichtung permanent eine Rückhaltekraft auf den mit Schub
kraft aus dem Stranggußkopf austretenden Gußstrang ausgeübt
werden. Dies könnte sich nachteilig auf die Maßhaltigkeit des
Gußstranges auswirken. Zweckmäßig erscheint beim Ausführungs
beispiel nach Fig. 1 ein leichter Überschuß der oberseitigen
Druckkräfte, so daß der Gußstrang im zeitlichen Mittel mit ei
ner geringfügigen Schubkraft aus dem Stranggußkopf austritt.
Lediglich in ungünstigen und vorübergehenden Phasen können
u. U. die Durchtrittswiderstände anwachsen, so daß dann ein ge
ringfügiger Zug durch die Abzieheinrichtung auf den Gußstrang
ausgeübt werden muß. Das Drehmoment, das auf die äußeren Ab
zugrollen 44 einwirkt, kann sich also nach Betrag und Vorzei
chen zwischen Schub und Zug ändern. Mit Rücksicht auf diesen
Umstand muß der Antrieb der Abzugrollen so ausgebildet sein,
daß die von der Abziehvorrichtung vorgegebene Austrittsge
schwindigkeit trotz Schwankung der "Belastung" des Antriebes
zwischen Schub und Zug stets konstant auf der voreingestellten
Geschwindigkeit bleibt.
Der quasi-endlos nach unten austretende, durcherstarrte Guß
strang 43 muß in Abschnitte 50 von einer handhabbaren Länge L
zerteilt werden. Hierzu ist eine sich mit dem Gußstrang mitbe
wegende Trenneinrichtung vorgesehen, die jedoch nicht darge
stellt ist. Denkbar sind zu diesem Zweck mehrere gegenüberlie
gende Laserschneidköpfe, die in einem drehbar gelagerten und
drehantreibbaren Ring aufgenommen sind, der außerdem noch syn
chron mit der Austrittsgeschwindigkeit des Gußstranges, also
synchron mit der Umfangsgeschwindigkeit der Abzugrollen 44,
axial verfahren werden kann. Zum Abtrennen eines Gußstrangab
schnittes 50 von dem Gußstrang werden die Laserschneidköpfe
mit Laserenergie und mit Trenngas beaufschlagt. Zugleich wird
der die Laserschneidköpfe tragende Ring in Umfangsrichtung
entsprechend der gewünschten Schneidgeschwindigkeit verdreht
und geschwindigkeitssynchron mit dem Gußstrang abgesenkt. Auf
diese Weise kann der Gußstrang während der Austrittsbewequng
ohne Krafteinwirkung rasch und bei geringem Verschnitt in
handhabbare Gußstrangabschnitte zerteilt werden. Nach erfolg
tem Trennen des Gußstranges kehrt der die Laserschneidköpfe
tragende Ring bezüglich seiner Drehbewegung und in Bezug auf
seine Hubbewegung in die Ausgangsstellung zurück und wartet
dort bis zu einem neuen Trennvorgang. Der abgetrennte Guß
strangabschnitt 50 (Fig. 2) wird aus der Stranggußanlage ent
nommen und in diesem Zustand zur Weiterverarbeitung bei einer
Gießerei oder einem Motorenhersteller verschickt.
In einem anschließenden Weiterverarbeitungsbetrieb werden die
Gußstrangabschnitte in bedarfsgerecht portionierte Stücke 54
mit einer geringeren Länge l zerteilt, wofür in der Darstellung
der Fig. 3 ebenfalls ein Laserschneidkopf 53 vorgesehen ist.
Die Länge L der Gußstrangabschnitte beträgt vorzugsweise ein
ganzzahliges Vielfaches der Länge l der portionierten Stücke 54
einschließlich eines unvermeidbaren, wenn auch nur sehr gerin
gen Schnittverlustes beim Lasertrennen. Die Stranggußstücke 54
sind im Hinblick auf einen druckgußähnlichen Thixocasting-Vor
gang bemessen, der nicht nur die Werkstoffmenge für die zu
gießenden Büchsenrohlinge 51, sondern auch für das Anschnitt-
und Butzenmaterial umfaßt.
Zum Urformen von Büchsenrohlingen aus den portionierten
Stranggußstücken 54 müssen diese zwar in einem Temperierungs
ofen 56 vorsichtig, also bei geringem zeitlichen Temperaturan
stieg auf Solidustemperatur temperiert werden. Durch den Tem
perierungsvorgang darf sich das feinkörnig und globulitisch
erstarrte Gefüge nicht verändern, d. h. es darf an keinem Ort
der Stranggußstücke 54 und zu keiner Zeit die Solidustempera
tur darin nennenswert überschritten werden. Ein solcherart we
niger Grade genau auf Solidustemperatur erwärmtes Stück 54
wird durch einen Handhabungsroboter in eine Thixocasting-
Druckgußmaschine 55 eingelegt und der sich thixotrop verhal
tende Werkstoff bei laminarem Fließen durch große Anschnitte
hindurch in die Druckgußform gepreßt. Hierbei können mit einem
"Schuß" zugleich mehrere Büchsenrohlinge 51 urgeformt werden.
In Fig. 5 ist beispielsweise ein Sechsfachwerkstück 57, so
wie es der Druckgußmaschine 55 entnommen werden kann, mit
sechs Büchsenrohlingen 51, radial verlaufenden Anschnitten und
mittigem Butzen dargestellt. Bei dem Urformen wird zugleich
eine Oberflächenaufrauhung 58 an der Außenseite der Büchsen
rohlinge mit angeformt. Nach dem Beseitigen der Anschnitte von
den Rohlingen und dem Verputzen von etwaigen Gußgraten können
die Rohlinge zur Weiterverarbeitung, d. h. zum Eingießen in ein
Kurbelgehäuse transportiert werden.
Es soll nun noch auf das in Fig. 6 dargestellte Ausführungs
beispiel der Erfindung näher eingegangen werden, dessen Vor
teil in dem mechanisch einfacheren Aufbau liegt. Diese Strang
gußanlage unterscheidet sich gegenüber der nach Fig. 1 vor
allem in Bezug auf den Stranggußkopf 35', der allerdings nur
bezüglich der oberen, in Fig. 6 dargestellten Teile anders
als der Stranggußkopf 35 der Fig. 1 ausgebildet ist. Und zwar
betreffen die Modifizierungen vor allem die Art der Schmelze
zufuhr in den Stranggußkopf 35'. Im unteren, in Fig. 6 nicht
dargestellten Teil, der im wesentlichen die Erstarrung und die
Kühlung des Gußstranges betrifft, stimmen die beiden Strang
gußköpfe 35' und 35 im wesentlichen miteinander überein. In
soweit kann also auf die voraufgegangene Beschreibung und Dar
stellung verwiesen werden.
Der modifizierte Stranggußkopf 35' ist vor allem nicht mit ei
nem die Schmelze unter Druck setzenden Förderorgan integriert.
Vielmehr wird hier ein gewisser Zulaufdruck der Schmelze hy
drostatisch durch eine gewisse Bauhöhe des Warmhalteofens 1'
und durch eine bestimmte Füllhöhe h zwischen Schmelzespiegel 3
bzw. 20 oberhalb des Schmelzezulaufes 32 in den Stranggußkopf
35' erreicht. Bis zum Eintritt der Schmelze in die Zone 37 der
indirekten Kühlung muß diese noch durch den vertikalen Bereich
24' der Primärausscheidung und Scherbewegung der Schmelze hin
durchtreten, so daß sich bis zum Beginn der indirekten Kühlung
eine nicht unbeträchtliche Füllhöhe H der Schmelze innerhalb
des Stranggußkopfes 35' ergibt, die unter Berücksichtigung der
Dichte der Legierung zu einem durchaus beachtlichen Druck in
der Schmelze zum Dichtspeisen und zum Überwinden des Durch
trittswiderstandes des Gußstranges durch den Stranggußkopf
führt.
Der den Gußstrang formende Kanal 36' ist auf seiner gesamten
Länge einbaufrei gehalten. Es ist jedoch ohne weiteres mög
lich, Querschnittsverengungen oder Querschnittsveränderungen
in dem Kanal 36' innerhalb des Bereiches 24' der Primäraus
scheidung vorzusehen, die die hindurchtretende Schmelze peri
staltisch durchwalken. Solche Veränderungen des Kanalquer
schnittes sind jedoch zeichnerisch nicht dargestellt. Obersei
tig ist der den Gußstrang formende Kanal 36' durch einen Ver
schlußdeckel 18 verschlossen, so daß auch oberhalb des dort
anstehenden Schmelzespiegels 20 eine inerte Atmosphäre gehal
ten werden kann.
Aufgrund des Wegfalls des Förderorgans und des mechanischen
Scherens der Schmelze bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6
ist vor allem der Bereich 24' der Primärausscheidung einfacher
und anders als beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gestal
tet. Zwar wird die Schmelze auch im Bereich 24' des zweiten
Ausführungsbeispiels kontrolliert und vorsichtig unter Zuhil
fenahme der ummantelten (29) Kühlrippen 28 gekühlt, jedoch
wird eine Scherbewegung in die hindurchströmende Schmelze auf
völlig andersartige Weise hineingetragen.
Zum Zweck des Scherens der Schmelze sind außenseitig um den
formgebenden Kanal 36' herum ringförmige Induktoren 5 angeord
net, die mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist werden. Und
zwar ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ein Induktor 31
vor der Kühlstrecke mit den ummantelten Kühlrippen 28 und ein
weiterer Induktor 31' hinter der Kühlstrecke angeordnet. Mit
den Induktoren 31, 31' können - durch die aus einem magnetisch
passiven Werkstoff bestehende Wandung des formgebenden Kanals
36' hindurch - magnetische Wechselfelder in der Schmelze er
zeugt werden, die ihrerseits durch Induktionswirkung Wirbel
ströme in der Schmelze und daraus resultierende rheologische
Strömungen hervorrufen. Diese wiederum verursachen in der
Schmelze eine intensive Scherbewegung. Durch die Induktoren
wird die Schmelze bei der gezeigten Anordnung vor der erwähn
ten Kühlstrecke und nach ihr geschert. Es ist auch denkbar,
die rührwirksamen Induktoren im Wechsel mit einem Teil der
Kühlstrecke anzuordnen, so daß die hindurchtretende Schmelze
gekühlt - geschert - gekühlt - geschert usw. wird. Durch die
Scherung werden die in der abkühlenden Schmelze entstehenden
bzw. bereits vorhandenen dendritischen Primärkristalle zerbro
chen und zerkleinert sowie ihre Anzahl je Volumeneinheit ver
mehrt. Nach dem Durchlauf der Schmelze durch die Primäraus
scheidungsstrecke 24' ist schließlich eine feindisperse Ver
teilung der Si-Primärkristalle und etwaiger intermetallischer
Phasen erreicht, wobei die Primärausscheidung bei Erreichen
der Solidustemperatur abgeschlossen ist. Zwar kann die Schmel
ze eine gewisse Zeit lang auch noch unterhalb der Solidustem
peratur auf die genannte Art geschert werden, so daß auch die
restliche eutektische Legierung feinkörnig und globulitisch
erstarrt, jedoch darf durch ein über die Solidustemperatur hin
aus anhaltendes Rühren der Erstarrungsprozeß nicht ungebühr
lich hinausgezogen werden.
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen Rohlingen für
Zylinderlaufbüchsen aus einer übereutektischen Aluminium-Sili
zium-Legierung, bei dem die geschmolzene Legierung zunächst zu
einem feinkörnigen Vormaterial größerer Länge als der Büchsen
länge und einer größeren Querschnittsfläche als der des Büch
senrohlings verarbeitet und daraus dann unter Ausnutzung des
thixotropen Zustandes der Legierung Rohlinge für Zylinderlauf
büchsen hergestellt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß aus der Schmelze (2) in einem kontinuierlichen Strangguß
verfahren ein quasi-endloser Gußstrang (43) im Vollquerschnitt
hergestellt wird, wobei aufgrund von Scherbewegung in der
Schmelze unmittelbar vor und während der Erstarrung der
Schmelze diese feinkörnig und globulitisch zur Erstarrung ge
bracht wird, daß der Gußstrang (43) zumindest mittelbar in zur
Weiterverarbeitung bedarfsgerechte, massegleiche, für jeweils
einen Druckgußvorgang für Zylinderlaufbüchsen geeignete Stücke
(54) portioniert wird, daß diese Stücke (54) auf Solidustempe
ratur erwärmt werden und daraus im laminaren Druckgußverfahren
bei thixotropen Zustand der Stücke (54) Rohlinge (51) für Zy
linderlaufbüchsen urgeformt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Scherbewegung in der Schmelze vor und während der Er
starrung durch magnetisch induzierte Rührwirkung (31, 314) er
zeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schmelze vor und während der Erstarrung durch in den
Gußstrang axial hineinragende Rotoren (19, 23, 25, 26) mecha
nisch gerührt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das erstarrende Gußgefüge des entstehenden Gußstranges
(43) durch einen der Schmelze überlagerten Druck in Axialrich
tung dichtgespeist wird, indem die Schmelze in einen oberhalb
einer den Gußstrang (43) kühlenden Zone (24, 37, 40) angeord
neten, geschlossenen Raum permanent unter hohem Druck hinein
gefördert und so mit Druck beaufschlagt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schmelze in den geschlossenen Raum durch ein Förderor
gan (15) hineingefördert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schmelze unter Aufrechterhaltung einer Scherbewegung
in der Schmelze bis nahe an die Solidustemperatur abgekühlt
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Scherbewegung in der Schmelze vor und während der Er
starrung durch peristaltisches Walken des entstehenden Guß
stranges (43) aufgrund von Querschnittsveränderungen (27) der
den Gußstrang (43) umgebenden Formgebungsflächen (36) erzeugt
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigsten vier Rohlinge (51) von Zylinderlaufbüchsen ge
meinsam in einem Vorgang laminaren Druckgießens im thixotropen
Zustand gleichzeitig aus einem portionierten Stücke (54) urge
formt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Außenfläche der Rohlinge (51) beim Druckgießen ei
ne Oberflächenaufrauhung (58) mit angeformt wird.
Priority Applications (1)
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DE19918231A DE19918231C2 (de) | 1999-04-22 | 1999-04-22 | Verfahren zum Herstellen von Rohlingen für Zylinderlaufbüchsen |
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DE (1) | DE19918231C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10110769C1 (de) * | 2001-03-07 | 2002-10-17 | Federal Mogul Nuernberg Gmbh | Verfahren zur Herstellung eines thixotropen Vormaterials für die Herstellung von Kolben |
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Patent Citations (1)
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
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8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
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Effective date: 20111102 |