DE2417006A1 - Verfahren zur herstellung von gegossenen werkstuecken - Google Patents

Verfahren zur herstellung von gegossenen werkstuecken

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DE2417006A1
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mold
melt
casting
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solidification
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Application number
DE2417006A
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English (en)
Inventor
Wolfgang Dipl Ing Tappen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karl Schmidt GmbH
Original Assignee
Karl Schmidt GmbH
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002Castings of light metals
    • B22D21/007Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Description

  • Verfahren zur Herstellung von gegossenen Werkstücken Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gegossenen Werk stücken, insbesondere Kolben aus Aluminium oder dessen Legierungen, vorzugeweise für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem die Schmelze in eine auf. ihrem Mantel gegen Wärmeverluste isolierte5 mit einer Bodenplatte versehene zylinderförmige Kokille, in die gegebenen falls ein die Inneskon-turen des Werkstücks bildender Kern zentrisch einhängbar ist, eingefüllt wird.
  • Die in schnell- und mittelschnellaufenden Verbrennungs kraftmaschinen auftretenden Beschleunigungen verlangen von den Kolben hohe Festigkeiten und geringe Massen.
  • Außerdem muß ein erheblicher Teil der im Verbrennun-geraum freiwerdenden Wärme über den Kolben abgeführt werden. Die Beanspruchungsverhältnisse sind demzufolge hinreichend komplex. Neben rein thermischen Spannungen treten als Hauptfaktoren Gas- und Massenkräfte auf.
  • Diese können am Zündpunkt bereits beim Kleinkolben Werte von 10 t und mehr erreichen. Da außerdem der thermische Ausdehnungskoeffizient laufspielbedingend ist, werden nur warmfeste Aluminiumlegierungen, im wesentlichen mit Siliziums Nickel, Kupfer und Magnesium als Hauptlegierungselement, eingesetzt. Die Kolbenlegierungen sind aushärtbar, wobei im wesentlichen die Kupfer- und Magnesiumumsätze die Aushärtungsträger sind. Silizium, das in Mengen bis zu 25 % zulegiert wird, ist bestimmend für die Erhöhung des Verschleißwiderstandes, Verringerung der Wärmeausdehnung und eine Verbesserung der Gießeigenschaften.
  • Die Gefügeausbildung selbst spielt eine entscheidende Rolle. Erwünscht ist je nach Gießverfahren ein feinkörniges oder gerichtet erstarrtes feinzelliges Gefüge mit gleichmäßig verteilten Siliz%um1partikeln, das insbesondere durch spezielle Schmelzenbehandlung während des GleRprozesses und/oder durch Kühlung der Kokille; erreicht wird. Dabei kann das Gefüge zusätzlich durch den Einbau gekühlter Kokillen oder Kernteile günstig beeinflußt werden. Dieser Effekt schwächt sich allerrings mit wachsendem Abstand von der Kühlfläche stärker ab. Hinzu kommt daß die e erzwungene Erstarrungsrichtung nich-t optimal auf die späteren Beanspruchungen abgestimmt werden kann Gegenüber den auf automatischen Gießmaschinen unter Schwerkraft oder bei einem Gasdruck von etwa 0,2 bis 0,5 atü gegossenen PKW-Kolben, wird beim Gießen von Großkolben ein feinzelliges Gefüge dadurch erreicht, daß die Schmelze in eine zylinderförmige Kokille mit wassergekuhltem Boden eingefüllt und dann ein Spezialsandkern für die Bildung der Kolbeninnenkontur zentrisch eingehängt wird (Metallgesellschaft AG, Frankfurt: Mitteilungen aus dem Arbeitsbereich 1972, Nr. 15, Seite 55).
  • Auf die Außenform der zylinderförmigen Kokllle gerichtete Gasbrenner dienen zur Warmhaltung der Schmelze, um zu verhindern, daß die nach oben weisenden dünnwandigen Querschnitte des Kolbens schneller erstarren als der Kolbenkopf. Die zylinderförmige Kokille wird nun zeitprogrammiert in ein Wasserbad abgesenkt und damit eine Erstarrung der Schmelze vom Boden und vom Mantel der Kokille her erreicht, wodurch eine von unten nach oben fortschreitende, jedoch nur teilweise gerichtete Erstarrung erzielt wird. Die Erstarrung bringt zwar eine beachtliche Verbesserung der technologischen Eigenschaften im Vergleich zu den im Kokillenguß hergestellten Kolben mit sich, weist jedoch den Nachteil auf, daß -wie Fig. 1 schematisch zeigt - die Kristallisationsrichtung teilweise schräg zur Achse der Kokille verläuft.
  • Darüberhinaus gelingt es bei größeren Kolbenhöhen nicht immer, einen zur Vermeidung hier unerwünschter globulitischer Erstarrung, d.h. einer Erstarrung in Form von äquiaxialen Körnern, notwendigen großen Temperaturgradienten im Bereich vor der Kristallisationsfront aufrechtzuerhalten. Ein globulitisch erstarrtes Gefüge besitzt aber gegenüber einem dendritisch erstarrten Gefüge vergleichsweise schlechtere mechanische Eigenschaften. Die Erstarrungsfront selbst hat im Querschnitt gesehen die Form einer flachen Parabel.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit der die konsequente Anwendung des gießtechnischen Prinzips der gerichteten feinzelligen Erstarrung bei gleichzeitig hohem Ausbringen für Werkstücke, vorzugsweise für Kolben aller Art, insbesondere jedoch für Großkolben, mit vergleichsweise einfachen Mitteln möglich ist.
  • Gelöst wird diese Aufgabe in der Weise, daß die in der vorzugsweise zylinderförmigen Kokille befindliche Schmelze ausschließlich vom Kokillenboden her bei gleichzeitiger Wärmeisolation des Kokillenmantels, beispielsweise durch auf den Kokillenmantel gerichtete Gasbrenner, zunächst durch indirekte Kühlung und nach Ausbildung einer ausreichend dicken die Restschmelze tragenden Erstarrungszone durch direkte Kühlung der über dem Boden befindlichen Gußstückwand zur Erstarrung gebracht wird.
  • Durch diese Maßnahmen wird - wie in Fig. 2 schematisch dargestellt - eine feinzellige vom Kokillenboden nach oben gerichtete Erstarrung mit parallel zur Längsachse verlaufenden Dendriten erreicht5 wobei die Erstarrungsfront parallel zur bodenseitigen Gußstückfläche verläuft und die Korngrenzen seStrecht zur Erstarrungsfront liegen, Zweckmäßigerweise wird das Gußstück über dem Kokillenboden solange indirekt durch Kühlung des Kokillenbodens gekühlt, bis sich - je nach Gußstückgröße - eine Erstarrungszone mit einer Dicke von 1 bis 10 cm, vorzugsweise 1 bis 6 cm, ausgebildet hat, die ausreicht, um die Restschmelze zu tragen.
  • Je nach Gußstückgröße und um eine optimale Gefügeausbildung zu erzielen, beträgt die nach Abnehmen des Kokillenbodens direkt gegen das Gußstück gespritzte Menge an Kühlflüssigkeit 3 bis 300 1/min, vorzugsweise 50 bis 200 1/min.
  • Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung wird vorgeschlagen, die zugeführte Menge an KUllflüssigkeit vorzugsweise zeitprogrammiert, d.h. in Abhängigkeit von der gewünschten Kristallisationsgeschwindigkeit, zu steuern.
  • Um den Erstarrungsablauf optimal zu gestalten, kann es besonders bei vergleichsweise großen Guß stücken angebracht sein, wenn in dem bereits erstarrten Bereich des Gußstücks der Kokillenmantel gekühlt und dadurch zusätzlich Wärme aus dem erstarrten Bereich abgeführt wird Diese Wärme braucht dann nicht über die bodenseitige Gußstückwand abgeführt zu werden..
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrene ist es angebracht, wenn die Kokille mit eines von Kühlmittel durchflosschen boden ausgerüstet ist. der nach der Erstarrung der die Restschmelze tragenden Erstarrungszone entfernt wird. Ummittelbar nach Entfernung des Bodens wird die bodenseitige Gußstückwend direkt gekühlt.
  • Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels sowie einer Zeichnung näher erläßtert, dam ein zum Stand der Technik gehörendes Ausführungsbeispiel vergleichsweise gegenübergestellt ist.
  • 1. Ausführungsbeispiel Eine mit einem Boden 1 verschene Kokille 2 mit einem Durchmesser von 250 mm und einer Höhe von 500 @m ist gemäß Fig. 3 mit einer 700°C heißen Schmelze 3 einer eutektischen Kolbenlegierung des Typs AlSi12CuNiMg gefüllt, in die ein die Innerform des Kolbens bildender Sandkern 4- eingesetzt ist. Der Kokillenmantel 5 ist durch auf ihn gerichtete Gasflammen gegen Wärmeabfuhr isoliert. Der Kokillenboden 1 wird solange mit Hilfe der Brausevorrichtung G gekühlt, bi.s sich eine Erstarrungszone von etwa 30 mm Dicke ausgebildet hat.
  • Anschließend wird der Boden 1 abgezogen und die bodenseitige Gußstückwand nach Fig. 4 unmittelbar über die Brausevorrichtung 6 mit 60 1 Kühlwasser pro min solange gekülAt, bis die Schmelze vollständig erstarrt ist. In dem bereits erstarrten Bereich wird die Kokille 2 vom Außenmantel 5 her gekühlt.
  • 2. Ausführungsbeispiel Gemäß dem Stand der Technik wird die gleiche Legierung wie im 1. Ausführungsbeispiel in eine Kokille von gleichen Abmessungen vergosse---, die ebenfalls durch auf ihren Mantel gerichtete Gasbrenner gegen Wärmeverluste isoliert ist Die Kokille wird nun zeitprogrammiert in ein Wasserbad abgesenkt, wodurch eine von unten nach oben fortschreitende nur teilweise gerichtete Erstarrung erzielt wird.
  • Eine Untersuchung der Festigkeitseigenschaften der beiden gegossenen Kolben zeigt, daß der nach dem erfindungsgemäßen Vorfahren gegossene Kolben gegenüber dem nach dem Stand der Technik hergestellten Kolben eine wenigstens in bestimmten Bereichen höhere Festigkeit aufweist.
  • Neben diesen die Qualität des Werkstücks verbessernden Wirkungen liegt der besondere Vorteil des erfindungs.
  • gemäßen Verfahrens darin, daß eine erhebliche etwa 50 %ige Verkürzung der Erstarrungszeit für die gegossenen Workstücke und damit ein erhöhtes Ausbringen pro Zeiteinheit erzielt wird.
  • Patentansprüche

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE 1) Verfahren zur Herstellung von gegossenen Werkstücken, insbesondere Kolben aus Aluminium oder dessen Legi erungen, vorzugsweise für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem die Schmelze in eine auf ihrem Mantel gegen Wärmeverluste isolierteS mit einer Bodenplatte versehene zylinderförmige Kokille, in die gegebenenfalls ein die Innenkonturen des Werkstücks bildender Kern zentrisch einhängbar ist, eingefüllt wird dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze vom Boden der Kokille her zunächst durch indirekte Kühlung und nach Ausbildung einer ausreichend dicken die Restschmelze tragende Erstarrungszone durch direkte Kühlung der über dem Boden befindlichen Gußstückwand zur Erstarrung gebracht wird.
  2. 2) Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in Abhängigkeit von der Größe des Gußstücks dieses bodenseitig solange indirokt gekühlt wird, bis sich eine Erstarrungszone von 1 bis 10 cm, vorzugsweise 1 bis 6 cm, Dicke ausgebildet hat
  3. 3) Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, d a d u r c h g e k e n -zeichnet daß in Abhängigkeit von der Größe d-s Gußstücks die Menge der Kühlflüssigkeit 3 bis 300 l/min beträgt.
  4. 4) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zuge.führte Menge an Kühlflüssigkeit in Abhängigkeit von der Kristallisationsgeschwindigkeit vorzugsweise zeitprogrammiert gesteuert wird.
  5. 5) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bereits erstarrte Bereich der Schmelze vom Außenmantel der Kokille her gekühlt wird.
  6. 6) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen von der Kokille (2) abnehmbaren von Kühlmittel durchflossenen Boden (1).
    L e e r s e i t e
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