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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.
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Die in schnell- und mittelschnellaufenden Verbrennungs kraftmaschinen
auftretenden Beschleunigungen verlangen von den Kolben hohe Festigkeiten und geringe
Massen.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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..
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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.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels sowie
einer Zeichnung näher erläßtert, dam ein zum Stand der Technik gehörendes Ausführungsbeispiel
vergleichsweise gegenübergestellt ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Neben diesen die Qualität des Werkstücks verbessernden Wirkungen liegt
der besondere Vorteil des erfindungs.
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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.
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Patentansprüche