DE2317937A1

DE2317937A1 - Spritzgussverfahren

Info

Publication number: DE2317937A1
Application number: DE2317937A
Authority: DE
Inventors: Alfred Ferdinand Bauer
Original assignee: NL Industries Inc
Current assignee: NL Industries Inc
Priority date: 1972-11-27
Filing date: 1973-04-10
Publication date: 1974-06-06
Also published as: GB1424419A; AR208879A1; IT991953B; IL42985A0; AU5620673A; US3797101A; CH563819A5; FR2207769B1; NL7316248A; BE806081A; JPS4982529A; CA991378A; SU473339A3; JPS5715980B2; BR7304404D0; FR2207769A1; SE398452B

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS .R.._m.HAN.L.YH

7t.

Mefchtoretr. 42 Unser Zeichen: A 12 615

N L Industries, Inc 111 Broadway New York U.S.A.

Spritzgußverfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen, zur Erzeugung von Spritzgußteilen, z.B. Zylinder oder Zylindergehäuse für drehende oder hin- und hergehende Brennkraftmaschinen. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Erzeugung von Spritzgußteilen, die einen überzug aus einer Mehrzahl von Schichten haben, wobei die Schicht, die die spätere Arbeitsfläche des Zylinders oder des Gehäuses bildet, möglichst hart und verschleißfest sein soll, während die darunterliegende Schicht aus einem weicheren, billigeren aber festen Matedal mit hohen Hafteigenschaften bestehen soll.

Es ist bekannt. Zylinder, oder Zylindergehäuse für Brennkraftmaschinen im Spritzguß- bzw. Druckgußverfahren herzustellen, wobei beispielsweise ein Aluminiumzylinder oder ein Gehäuse mit einer verschleißfesten Schicht aus einem Metall mit beträchtlich

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höherem Schmelzpunkt als demjenigen des Aluminiums und sehr hohem Widerstand gegen Abnutzung versehen ist. Diese Technik ist als Transplant-Verfahren bekannt geworden. Als verschleißfeste Schicht wurden bei diesem Verfahren rostfreier Stahl oder andere Eisenlegierungen verwendet. Die Dicke der Überzugsschicht lag etwa bei 0,4 bis etwa 0,6 mm_f obwohl auch dickere Überzugsschichten hergestellt werden konnten. Bei dem bekannten Verfahren wurde mittels einer Spritzpistole oder in anderer Weise flüssiges Metall auf einen Kern aufgespritzt, wobei das Metall einen höheren Schmelzpunkt hatte als der Zylinder oder das Gehäuse, die im Spritzgußverfahren hergestellt werden sollten. Der überzogene Kern wurde dann in eine Spritzgußmaschine eingesetzt und das Aluminium oder ein anderes Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt wurde unter hohem Druck um den mit dem überzug versehenen Kern gegossen. Bei der Herausnahme des fertigen Gußteiles aus der Maschine wurde der Kern von dem Gehäuse durch unterschieldiche Expansion getrennt, wodurch sich ein verjüngungsfreies mit einem überzug versehenes Gehäuse mit sehr genauen Abmessungen und Oberflächengüte ergab, das nur auf seiner Innenseite noch nachgehont werden mußte, um eine glatte, verschleißfeste Oberfläche mit genauen Abmessungen zu erhalten, die für Brennkraftmaschinen erforderlich ist. Obwohl der überzug aus Eisenlegierungen für viele Anwendungsfälle ausreicht, werden die modernen Zylinder und Zylindergehäuse nach Möglichkeit mit einer Auflage aus Hartmetall, z.B. Chrom, versehen, die auf die Eisenlegierung aufplatiert wird.

Es ist ferner bekannt, eine Wolframkarbidschicht direkt auf die innere, dem Versdieiß unterliegende Fläche eines Zylinders oder Zylindergehäuses einer Maschine aufzubringen, nachdem der Zylinder oder das Gehäuse gegossen und bearbeitet worden ist. Es ist jedoch extrem schwierig, eine gute Adhäsion zwischen einer solchen Wolframkarbidschicht und dem bearbeiteten Aluminium-Gußstück zu erhalten. Die Methode ist ferner sehr aufwendig und erfordert sehr viel Zeit, da das Teil aus Wolframkarbid zunächst relativ

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dick sein muß und dann auf die ndabmessungen, die Form und die gewünschte Oberflächengüte geschliffen werden muß. Das Schleifen von Wolframkarbid ist ansich schon schwierig. Außerdem wurde gefunden, daß eine sehr dünne Wölfrainkarbidschicht nachteilig ist wegen der im Betrieb bei einer Temperatur von etwa 400⁰F auftretende Drücke, die häufig eine Trennung bzw. Loslösung der Wölfrainkarbidschicht von dem Aluminium des Gußteiles zur Folge haben.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das es ermöglicht insbesondere Zylinder und Gehäuse für Brennkraftmaschinen, die im Spritz- bzw. Druckgußverfahren hergestellt werden, mit einem verschleißfesten und zuverlässig haltenden überzug, insbesondere aus harten Materialien zu versehen.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß eine dünne Schicht aus einem harten Material, wie z.B. Wolframkarbid oder Titankarbid auf einen Kern aufgebracht wird, daß dann eine zweite dickere Stützschicht aus Metall, z.B. aus Stahl über die erste * Schicht aus dem harten Material aufgebracht wird, wobei die zweite Schicht auf der ersten Schicht infolge der Rauheit der Oberfläche haftet, worauf der Kern in eine Spritzgußmaschine bzw. Druckgußmaschine eingebracht wird und der Zylinder oder das Gehäuse um den Kern herum gespritzt wird, worauf nach der Verfestigung des Materials der Kern von der Hartmetallschicht getrennt wird.

Der überzug haftet an dem Material des Gußteiles durch Ineinandergreifen des Gußmaterials in die rauhe äußere Fläche der Stützschicht. Es wurde gefunden, daß die Verbindung zwischen der Stützschicht und dem Gußmaterial außerordentlich gut und fest ist.

Die Kosten können hierbei relativ niedrig gehalten werden, da Wolframkarbid etwa 50 mal teurer ist als beispielsweise Stahl und es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, die Wolframkarbidschicht sehr dünn zu halten, ohne daß die Gefahr

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besteht, daß sie sich im Betrieb von der Stützschicht ablöst.

Eine beispielsweise Ausfuhrungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch eine Ansicht eines Kerns zeigt, der bei der Herstellung eines Gehäuses für eine rotierende Brennkraftmaschine verwendet wird, wobei das Aufsprühen einer Schicht aus einem harten Material dargestellt ist.

Fig; 2 zeigt das Aufbringen einer zweiten Schicht, die die erste Schicht abstützt.

Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung des Kerns in der Form einer Spritzgußmaschine, wobei der Kern mit den beiden Überzügen versehen ist.

Fig. 4 zeigt ein fertiges Gußteil, aus dem der Kern entfernt ist, wobei die überzüge in dem Gußteil zurückbleiben.

Fig. 5 zeigt vergrößert einen Schnitt längs der Linie 5-5 von Fig. 4.

Die in der Beschreibung verwendeten Bezeichnungen Zylinder und Gehäuse bedeuten hier Zylinder für hin- und hergehende Maschinen und Gehäuse für rotierende Maschinen. Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Herstellung von Trochoid-Gehäusen für rotierende Maschinen, sie ist aber hierauf selbstverständlich nicht beschränkt.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Kern 10 für die Herstellung eines Gehäuses einer rotierenden Maschine. Der Kern IO ist vorzugsweise verjüngungsfrei, um die erforderliche Endbearbeitung des gegossenen Gehäuses auf einem Minimum zu halten. Der Kern IO ist z.B. auf einer Drehbank oder dergleichen montiert und eine Spritzpistole 11 ist

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in der Nähe des Kernes angeordnet, um eine Schicht 12 aus einem harten Material, z.B. Wolframkarbid, Siliciumkarbid, Borkarbid, Titankarbid, Chromkarbid oder Boride, gewöhnlich mit einem Bindemittel wie Kobald, Nickel oder dergleichen, auf den sich drehenden Kern 10 aufzusprühen. Die Schicht 12 kann ferner aus einem keramischen Material z.B. Zirkonoxyd, Aluminiumoxyd oder dergleichen sein, die ohne Bindemittel aufgebracht werden können, oder es kann eine Legierung oder ein reines Metall, wie z.B. Chrom oder Molybdän sein. In der Beschreibung werden die verschiedenen Karbide, Boride oder die anderen Materialien generell als Hartmetall bezeichnet, wobei diese Bezeichnung sowohl die Karbide und die Boride ansich als auch in körniger Form in einem Bindemittel, wie z.B. Nickel verteilt, umfaßt. Die Schicht 12 kann gebildet werden indem beispielsweise mit der Spritzpistole 11 eine Mischung aus Wolframkarbid und Nickelaluminid auf den Kern aufgesprüht wird. Die Dicke der Hartmetallschicht 12 beträgt vorzugsweise etwa O,075 bis 0,5 mm und insbesondere etwa 0,12 bis O,38 mm.

Dickere Überzüge können ebenfalls hergestellt werden, aus wirtschaftlichen Gründen nimmt man jedoch den dünnstmöglichen überzug, der die* geringste Maschinenarbeit erfordert. Die Hartmetallschicht haftet einigermaßen an dem Kern 10 verbindet sich aber nicht mit ihm. Falls gewünscht kann der Kern 10 mit einer Lösung oder einer Dispersion eines Trennmittels, wie z.B. Kalk oder Natriumbikarbonat vor dem Aufsprühen der Hartmetallschicht überzogen werden. Vorzugsweise kann aber zunächst eine dünne Trennschicht aus einem weicheren Material, beispielsweise aus einem Eisen oder Nichteisenmetall oder einer Legierung auf den Kern aufgebracht werden. Diese Trennschicht kann z.B. Eisen, Aluminium, Zink, Zinn oder eine Legierung hiervon sein und sie kann mit einer gas- oder elektrischbeheizten Spritzpistole aufgebracht werden. Eine solche Trennschicht hat weniger die Neigung an dem Kern zu haften als die Hartmetallschicht. Die Dicke dieser Trennschicht kann etwa 0,025 bis ,0,075 mm betragen,

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sie. bewirkt jedoch eine gute Trennung von dem Kern 10.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird auf den Kern, der mit der Hartmetallschicht 12 beschichtet ist, aus einer zweiten Spritzpistole 13 eine dickere Schicht 14 aus einem anderen Material aufgesprüht, beispielsweise Stahl oder eine Chrom-Eisen-Legierung. Die Schicht 14 hat vorzugsweise eine Dicke in der Größenordnung von etwa 0,25 bis 1,65 mm, insbesondere eine Dicke von etwa 0,38 bis etwa 1,5 mm. Die Außenseite der aufgesprühten Hartmetallschicht 12 ist grob und löchrig und die Stahlschicht 14, die mittels der Spritzpistole 13 auf die Schicht 12 aufgesprüht wird, haftet an dieser indem sie in die Lücken oder Verteifungen in der Außenfläche der Hartmetallschicht 12 eindringt. Die Schicht 14 selbst hat ebenfalls eine grobe und löchrige Oberfläche. Die Spritzpistole 13 kann in üblicher Weise mit Gas oder elektrisch betrieben werden.

Der überzogene Kern 10, auf den die beiden Schichten 12 und 14 aufgesprüht worden sind, wird dann in eine Form 16 einer Spritzgußmaschine (Fig. 3) eingesetzt. Die Form 16 hat einen geeigneten Hohlraum, der den Kern 10 umgibt. Das Metall für das Gehäuse wird dann in den Hohlraum der Form 16 bei normalen Preßdrücken eingespritzt, die beispielsweise 140 bis 1100 kg/cm betragen können. Der hohe Druck, unter dem das Gießmetall eingespritzt wird, veranlaßt das letztere in die Lücken und Vertiefungen der groben löchrigen Außenfläche der Schicht 14 einzudringen. Das Gußteil wird dann nachdem es fest geworden ist aus der Form 16 zusammen mit dem Kern 10 herausgenommen. Die Bindung zwischen dem Gießmetall, das vorzugsweise Aluminium ist, und der Schicht 14 ist fester als die Bindung zwischen der Hartmetallschicht 12 und dem Kern 10. Wenn daher der Kern 10 aus dem Gußteil herausgenommen wird, z.B. durch unterschiedliche Expansion, bleiben die Schichten 12 und 14 an dem Gußteil haften und lösen sich von dem Kern. Versucht man den Kern jedoch durch Scherkräfte zu lösen, so kann dies zu einer Beschädigung der Schicht 12 führen, wenn ein Teil der Hartmetall-

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partikel an dem Kern haftet, wodurch die Schicht zerkratzt und unter umständen für den praktischen Gebrauch ungeeignet wird.

Fig. 5 zeigt nun einen Schnitt durch die Wand des Gußteiles, nachdem dieses aus der Maschine und der Kern 10 aus dem Gußteil entfernt worden ist.Fig. 5 ist in größerem Maßstab gehalten und sie zeigt die relativ dünne innere Hartmetallschicht 12 und die relativ dickere Stützschicht 14 aus einer Eisenlegierung, die mit der Hartmetallschicht an der Grenzfläche 17 verbunden ist, wobei beide Schichten ineinandergreifen. Das Aluminium bzw. das Gießmetall greift bei 18 in die Stützschicht 14 ein. Die Verbindung zwischen den einzelnen Schichten bei 17 und bei 18 ist offenbar im wesentlichen eine Folge des Ineinandergreifens des Materials der einen Schicht in das Material der anderen Schicht oder Schichten, da die Oberflächen grob, rauh und löchrig sind. Es scheintjedoch keine chemische Verbindung vorhanden zu sein.

Wenn eine Trennschicht aus einer Eisenlegierung oder dergleichen verwendet worden ist, wird das Gußstück maschinell bearbeitet, gewöhnlich geschliffen", um die Hartmetallschicht 12 freizulegen, die die spätere Arbeitsfläche des Gehäuses bilden soll.

Das überzogene Gußstück wird dann auf seine Endabmessungen und seine endgültige Oberflächengüte geschliffen. Obgleich die Hartmetallschicht auf eine Dicke von nur einigen wenigen Mikron in manchen Bereichen abgeschliffen werden kann, splittert sie nicht ab und reißt nicht, was eine Folge der Verbindung und der Abstützung durch die Stützschicht ist, und zwar auch dann nicht, wenn das Aluminium bzw. das Gießmetall, das einen höheren Wärmedehnungskoeffizienten hat, sich radial von den Überzugsschichten weg ausdehnt, wenn das Gehäuse im Betrieb erwärmt wird.

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Claims

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1. Verfahren zur Herstellung eines mit einem überzug versehenen Spritzgußteiles, dadurch gekennzeichnet , daß auf einen Gießkern ein dünner überzug aus einem Hartmetall mit einer groben, löchrigen Außenfläche aufgebracht wird, daß auf diesen überzug in Eingriff mit dessen Außenfläche ein dickerer überzug aus Metall mit einer groben, löchrigen freien Außenfläche aufgebracht wird, daß der überzogene Kern in eine Form eingesetzt und ein Gießmetall unter Druck in die Form eingebracht wird, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als jeder der beiden Überzüge hat, wobei das Gießmetall sich mit der rauhen Außenfläche des äußeren Überzuges des Kernes verbindet, und daß nach dem Verfestigen des Gießmetalles der Kern unter Trennung von der Hartmetallschicht aus dem Gußteil herausgenommen wird, während die beiden Überzugsschichten fest an dem Gußteil haften.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Überzugsschicht, welche die dünne Hartmetallsdicht abstützt, genügend dick aufgetragen wird, daß eine Loslösung der dünnen Hartmetallschicht bei Betriebstemperatur und bei Betriebsdruck verhindert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein trockenes körniges Trennmittel auf den Kern vor dem Aufbringen der Hartmetallschicht aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Hartmetallschicht auf

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den Kern als Trennmittel eine dünne Metallschicht auf diesenaufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als das Hartmetall.

5. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß nach der Trennung des Kerns ν. λ dem Gußteil die Metallschicht, die zuerst auf den Kern aufgebracht worden ist, von dem Gußteil durch eine maschinelle Bearbeitung entfernt wird_f um die Hartmetallschicht freizulegen.

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