DE2736702A1 - Verfahren zum herstellen eines aus beweglich miteinander verbundenen und aus unterschiedlichem metall bestehenden elementen zusammengesetzten gegenstandes - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines aus beweglich miteinander verbundenen und aus unterschiedlichem metall bestehenden elementen zusammengesetzten gegenstandes

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DE2736702A1
DE2736702A1 DE19772736702 DE2736702A DE2736702A1 DE 2736702 A1 DE2736702 A1 DE 2736702A1 DE 19772736702 DE19772736702 DE 19772736702 DE 2736702 A DE2736702 A DE 2736702A DE 2736702 A1 DE2736702 A1 DE 2736702A1
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Description

NL Industries, Inc.
Avenue of the Americas New York, N.Y., USA
Verfahren zum Herstellen eines aus beweglich miteinander verbundenen und aus unterschiedlichem Metall bestehenden Elementen zusammengesetzten Gegenstandes
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines aus beweglich miteinander verbundenen und aus unterschiedlichem Metall bestehenden Elementen zusammengesetzten Gegenstandes .
In der US-PS 3 763 535 wird ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes, z.B. eines Kolbens, beschrieben, der eine darin eingebrachte und gelenkig angeordnete Pleueloder Verbindungsstange aufweist. Der Kolben wird um das in ihn eingesetzte Ende der Verbindungsstange bei einem Druck gegossen, der so gewählt wird, daß nach dem Abkühlen ein Zwischenraum zwischen dem eingesetzten Teil der Verbindungsstange und dem Kolben freibleibt. Die gewählten
Gießdrucke liegen gut unter 141 kg/cm (2000 psi).
ο Spritzgußdrucke im Bereich von 211 bis 703 kg/cm (30OO bis 1O 0OO psi) führen zur Erzeugung eines Gußstückes, bei dem das Einsatzende der Verbindungsstange unwiederbringlich an Ort und Stelle verriegelt ist.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Spritz gießen eines zusammengesetzten Gegenstandes, z.B. einen Kolben und ein Verbindungsstangen-Einsatzstück, bei dem normale Spritzgußdrucke von z.B. 211 kg/cm (30OO psi) und höher verwendet werden können. Spritzgußverfahren sind besonders vorteilhaft beim Herstellen von Gegenständen
809808/0825
— D —
dieser Art, weil das Verfahren schneller und weniger kostspielig ist als andere Gießverfahren. Obwohl das zusammengesetzte Gußstück aus der Form mit den zusammengeschrumpften Teilen ausgeworfen wird, sieht die Erfindung ein Verfahren vor, um die Teile in bezug aufeinander frei beweglich zu machen. Es wurde gefunden, daß die anfänglich zusammengeschrumpften Teile voneinander gelöst und ein sehr zufriedenstellendes Produkt erzielt werden können, wenn ein Gußstück, das sich aus einem Teil aus einer Aluminiumlegierung und aus einem Teil aus einer Eisenlegierung zusammensetzt, in dem nachfolgend kurz beschriebenen Verfahren einer Wärmebehandlung unterzogen wird:
a) Einführen des ersten Metallelementes und einer darauf befindlichen Lagerfläche in eine Spritzgußform;
b) Gießen des zweiten Metallelementes mit einem niedrigeren Schmelzpunkt und einer höheren Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem ersten Metallelement in der Spritzgießform zur Bildung des zusammengesetzten Gegenstandes, bei dem das erste Metallelement mindestens teilweise in dem zweiten Element gefangen ist;
c) thermische Behandlung des zusammengesetzten Gegenstandes zur Bildung eines Temperaturdifferentials zwischen dem ersten Metallelement und dem zweiten Metallelement, wodurch das erste Metallelement und dessen Lagerfläche gegenüber dem zweiten Metallelement freigegeben und dadurch ein Zwischenraum zwischen ihnen geschaffen werden;
d) Rückführung der Elemente des zusammengesetzten Gegenstandes auf die gleiche Temperatur, bei der keine weitere nennenswerte Zusammenziehung oder Ausdehnung der Elemente auftritt.
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πι-wiim
Im einzelnen werden zweckmäßig folgende Verfahrensstufen durchgeführt:
1. Spritzgießen bei normalen hohen Drucken.
2. Nach Wahl Abschrecken in Wasser, wenn das Teil von der Spritzgußmaschine kommt, falls eine Härtung des Aluminiums gewünscht wird.
3. Wiedererhitzen auf 454°C (85O°F) bis 5100C (95O°F).
4. Aufrechterhalten der Hitze in Stufe 3 für eine Zeitdauer von 1O bis 30 Minuten in Abhängigkeit von dem gewünschten Zwischenraum.
5. Abschrecken in Wasser, um das Gußstück auf Raumtemperatur zurückzubringen und
6. Altern oder Härten der Aluminiumlegierung durch Erhitzen auf 160°C (3200F) bis 177°C (35O°F) für etwa 4 Stunden.
7. Abkühlen auf Raumtemperatur.
Abgesehen von der Temperatursteuerung gemäß der Erfindung ist eine weitere Verfahrensstufe vorgesehen, um einen dauerhaften Schmierfilm zwischen den Arbeitsflächen des Lagers und seines Gehäuses zu erzielen. Diese Verfahrensstufe umfaßt das Aufbringen eines Überzuges aus Polytetrafluoräthylen auf die Lagerfläche vor dem Gießen.
Weitere zweckmäßige Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Anhand der Zeichnungen wird das erfindungsgemäße Verfahren nachstehend beispielsweise beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 einen mittleren, senkrechten Querschnitt eines Kolbens mit einem in diesem eingegossenen sphärischen Einsatzstück einer Verbindungsstange;
Fig. 2 eine ähnliche Ansicht eines zylindrischen Einsatzstückes; Fig. 3 ein Schnitt nach Linie 3-3 in Fig. 2;
Fig. 4 einen Querschnitt eines Teils mit einem darin eingegossenen konischen Einsatzstück und
Fig. 5 einen Querschnitt eines Teils mit einem darin eingegossenen doppelkonischen Einsatzstück.
Die Erfindung besteht aus einem Verfahren zur Herstellung beliebiger zusammengesetzter Gegenstände, z.B. solcher wie sie in der Zeichnung dargestellt sind, in der ein erstes Element, z.B. eine Verbindungs- oder Pleuelstange mit 10 bezeichnet ist. Das erste Element wird von einem zweiten Element, z.B. von einem Kolbenkörper 12,aufgenommen. Das zusammengesetzte Teil braucht keine Kolben- Pleuelstangen-Kombination zu sein, jedoch ermöglicht diese Kombination selbst eine leicht verständliche Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei der Herstellung eines zusammengesetzten Organs wird ein erstes Element, z.B. die Pleuelstange 10,mit einem Lager 11 versehen, das schließlich eine gelenkige Verbindung der Elemente darstellt. Das Element wird in eine Spritzgießform geeigneter Abmessungen eingesetzt. Falls gewünscht und dies ist üblicherweise der Fall, wird das Lager 11 der Pleuelstange zunächst mit einem Schmiermittelüberzug versehen, was durch Eintauchen des Endes des Einsatzstücks 12 in eine kolloidale Graphitsuspension geschehen kann. In manchen Fällen wird ein zweites Schmiermittel,
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ψ3'
ζ. B. ein Überzug aus Polytetrafluoräthylen, aufgesprüht. Der Oberzug kann vorteilhaft außerhalb der Spritzgußmaschine ebenso wie nach dem Einsetzen des Einsatzstücks in die Gießform vorgenommen werden. Die Außenseite des Überzugs aus Polytetrafluoräthylen erscheint, nachdem er aufgebracht ist, in seiner Textur rauh, aber nach dem Gießen scheint es, daß der Überzug auf das ihn umgebende Gußstück übertragen wurde und daß das erste Element sich in bezug auf den überzug bewegt, der natürlich einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist.
Es sei angenommen, daß das erste Element des zusammengesetzten Gegenstandes aus einer eisenhaltigen Legierung in einer Zusammensetzung besteht,wie sie üblicherweise für den gewünschten Gegenstand verwendet wird. Solch eine Legierung kann einen Schmelzpunkt im Bereich von 1371°C (250O0F) bis 1538 C (28OO°F) und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 14,94 mn/mmoC (8,3 χ 10~ in. per in. per Grad F)aufweisen.
Nachdem das erste Element einwandfrei mit einem überzug versehen und in die Spritzgußmaschine eingesetzt wurde, werden die Formhälften geschlossen und der Spritzguß (Schuß) durchgeführt. Der Spritzgußdruck liegt normalerweise im Bereich von 211 kg/cm2 (30OO psi) bis 703 kg/cm2 (10 000 psi) für eine Aluminiumlegierung. Die Aluminiumlegierung ist vorzugsweise gekennzeichnet durch die Eigenschaften der Legierung, die im Handel als "380 Alloy" bekannt ist, welche folgende nominale Zusammensetzung aufweist:
Si 1 9 % Mg 0.2 %
Fe 3 ,0 % Al Rest
Cu ,5 %
Der Schmelzpunkt einer solchen Legierung liegt im Bereich von 538°C (1OOO°F) bis 593°C (110O°F) und ihr Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt 21,16 mm/mm°C (11,7 χ 1O~ in. per in. per Grad F).
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Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß das Gießmetall mehr als 180° des Lagerteils 11 der Pleuelstange umgibt, so daß das erste Element von dem zweiten Element eingefangen ist. Die Teile werden aus der Spritzgußmaschine in einem gegenseitig unbeweglichen Zustand ausgeworfen und können sich nicht relativ zueinander bewegen, weil das Gießmetall um das Einsatzstück herum geschrumpft ist.
Das zusammengesetzte Gußstück wird aus der Spritzgußmaschine ausgeworfen, wenn es noch eine Temperatur von etwa 371°C bis 427°C (700 bis 800°F) aufweist und wird vorzugsweise sofort in Wasser abgeschreckt, um es auf Raumtemperatur abzukühlen.
Das zusammengesetzte Gußstück wird dann einem Ofen mit einer Temperatur zwischen 454°C und 510°C (850 bis 95O°F) eingesetzt, wo es schnell wieder erhitzt wird. Das Gußstück bleibt in dem Ofen für eine Zeitdauer von 10 bis 30 Minuten in Abhängigkeit von dem endgültigen Zwischenraum, der für das Lager gewünscht wird. Längeres Wiederaufheizen führt zu einem größeren Zwischenraum für das Lager in dem Enderzeugnis. Vorzugsweise wurde eine Wiedererhitzungszeit von 25 Minuten bevorzugt bei einem Teil, bei dem ein Lagerdurchmesser von etwa 14,3 mm (0,565 in) und ein Zwischenraum von 0,0127 mm ( O,OOO5 in) gewünscht wurde.
Nach dem Wiedererhitzen wird das zusammengesetzte Teil erneut in Wasser abgeschreckt. Bei etwa 316°G (6000F) weist die umgebende Aluminiumlegierung eine Zugfestigkeit und einen Fließpunkt auf, die erheblich reduziert sind, wobei die Aluminiumlegierung über diese Temperatur erneut erhitzt wurde. Das Abschrecken führt jetzt zu einer schnellen Zusammenziehung der Aluminiumlegierung rund um das noch heiße Element aus der eisenhaltigen Legierung. Wenn das Aluminium sich abkühlt,
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scheint es einen dauernden Sitz gegenüber der ausgedehnten Abmessung des aus der eisenhaltigen Legierung bestehenden Teils einzunehmen, das später bei dem Abschreckzyklus abgekühlt wird, weil es weitgehend gegenüber der Abschreckflüssigkeit durch die Aluminiumlegierung isoliert worden war. Wenn das Element aus der eisenhaltigen Legierung schließlich die Temperatur des Abschreckmediums erreicht, ist ein Zwischenraum zwischen den Elementen vorhanden und das Lager ist jetzt in seiner Fassung frei.
Eine bevorzugte Endstufe in dem Verfahren besteht im Härten der Aluminumlegierung mittels Glühen bei einer Temperatur von 16O°C bis 177°C (320 bis 3500F) für eine Zeitdauer von etwa 4 Stunden. Dieses Aushärten oder Altern der Aluminumlegierung ist zur Verbesserung ihres Verschleißwiderstandes und ihrer Härte als eine "T-5 Wärmebehandlung" (T-5 heat treatment) bekannt.
Nach dem Härten der Teile findet erneut eine Abkühlung statt, die nun für den endgültigen Zusammenbau der Teile fertig sind, wobei die Lagerfläche 11 voll betriebsfähig ist, um sich in einem Teil gegenüber dem anderen gelenkig bewegen zu können. Die überzüge aus Graphit und Polytetrafluoräthylen wurden durch die aufeinanderfolgenden Erhitzungs- und Abkühlstufen nicht zerstört, sondern sind an Ort und Stelle als Schmiermittel wirksam. Durch die Härtebehandlung hat die Aluminiumlegierung eine Brinell-Härte von annähernd 100, so daß ein minimaler Verschleiß eintritt.
Wie vorhergehend festgestellt, scheint der Polytetrafluoräthylen-Uberzug in bezug auf den Körper 12 ortsfest zu sein, und das Lager 11 bewegt sich darin. Die Übertragung des Polytetrafluoräthylen-überzuges von dem Lager 11 auf den Körper 12 findet wahrscheinlich während des Spritzgießvorganges selbst statt.
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Die Formgestaltung des Einsatzstücks, ob es nun sphärisch, zylindrisch oder konisch ist, ist nicht wesentlich, weil das Verfahren mit beliebigen dieser Formen sowie anderen Formen durchgeführt werden kann.
Es wurde gefunden, daß anstelle der Wiedererhitzung des Gußstücks, wie es gemäß den Verfahrensstufen 3 und 4, wie oben angegeben, durchgeführt wird, einen freien Zwischenraum zwischen den Teilen durch Eintauchen des Gußstücks in flüssigen Stickstoff für eine Zeitdauer von 15 bis 30 Minuten erreicht werden kann. In diesem Fall schrumpft das Aluminium von dem Teil aus der eisenhaltigen Legierung aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit weg. Nach dem Schrumpf-Vorgang wird die Wärmebehandlung wie vorher fortgesetzt. Diese Erscheinung würde Anlaß zu dem Vorschlag geben, daß es nur notwendig ist, ein Temperaturdifferential zwischen den beiden Legierungen herzustellen, um den gewünschten Zwischenraum zu erzielen. Die erforderliche Zeit wird von der relativen Masse der behandelten Teile abhängen.
809808/0825

Claims (16)

DIPL.-ING. HANS W. GROENING 2 /36702 PATK NTANAVA LT Κ/Ν 18-42 Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines aus beweglich miteinander verbundenen und aus unterschiedlichem Metall bestehenden Elementen zusammengesetzten Gegenstandes, gekennzeichnet durch
a) Einführen des ersten Metallelementes und einer darauf befindlichen Lagerfläche in eine Spritzgußform;
b) Gießen des zweiten Metallelementes mit einem niedrigeren Schmelzpunkt und einer höheren Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem ersten Metallelement in der Spritzgießform zur Bildung des zusammengesetzten Gegenstandes, bei dem das erste Metallelement mindestens teilweise in dem zweiten Element gefangen ist;
c) thermische Behandlung des zusammengesetzten Gegenstandes zur Bildung eines Temperaturdifferentials zwischen dem ersten Metallelement und dem zweiten Metallelement, wodurch das erste Metallelement und dessen Lagerfläche gegenüber dem zweiten Metallelement freigegeben und dadurch ein Zwischenraum zwischen ihnen geschaffen werden;
d) Rückführung der Elemente des zusammengesetzten Gegenstandes auf die gleiche Temperatur, bei der keine weitere nennenswerte Zusammenziehung oder Ausdehnung der Elemente auftritt.
8ubö08/0825
SIEBERTSTR. 4 ■ 80OO MÜNCHEN 8« ■ POB 8«0S4O · KABKI.: R HE IN PATE NT · TEL·. (Οββ) 47107· · TELEX 3-2363·
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das erste Element mit Polytetrafluoräthylen überzogen wird, bevor das zweite Element zur Bildung des zusammengesetzten Gegenstandes gegossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Gegenstand nach dem Entfernen aus einer Spritzgußform abgeschreckt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Gegenstand auf eine Temperatur erneut erhitzt wird, bei der die Zugfestigkeit des zweiten Elementes erheblich reduziert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element aus einer eisenhaltigen Legierung und das zweite Element aus einer Aluminiumlegierung bestehen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken des zusammengesetzten Gegenstandes nach dessen Entnahme aus der Spritzgußform vorzugsweise sofort auf Raumtemperatur erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschreckmedium Wasser ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gegenstandes bei seiner Entnahme
beträgt.
Entnahme aus der Spritzgußmaschine etwa 371 bis 427°C
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wiedererhitzungstemperatur im Bereich von etwa 454 bis 51O°C liegt.
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10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit der ersten Wiedererhitzung in Abhängigkeit von dem endgültigen Zwischenraum, der zwischen dem ersten und dem zweiten Element gewünscht wird, etwa 7 bis 30 Minuten beträgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem gewünschten Lagerdurchmesser von 14,3 mm und einem Zwischenraum von 0,0127 mm zwischen dem ersten und zweiten Element, die erste Wiedererhitzungszeit etwa 25 Minuten beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man durch Abschrecken des wiedererhitzten Gegenstandes das zweite Element um das erste Element herum schrumpfen läßt, während das erste Element noch eine demgegenüber erhöhte Temperatur aufweist und daher fähig ist, sich gegenüber dem zweiten Element durch Abkühlung freizuschrumpfen und den Zwischenraum gegenüber dem zweiten Element herzustellen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Gegenstand auf Raumtemperatur abgeschreckt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch Härten des zweiten Metallelementes durch Erhitzen des zusammengesetzten Gegenstandes bei einer Temperatur und für eine Zeitdauer, die ausreichen, um die Kornstruktur zu verfeinern und die Härte des zweiten Metallelementes zu erhöhen.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Härtestufe aus einer zweiten Wiedererhitzung des zusammengesetzten Gegenstandes auf eine Temperatur im Bereich von etwa 160 bis 177°C für eine Zeitdauer von 3 bis 4 Stunden besteht.
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16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Gegenstand nach der Härtestufe auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
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DE19772736702 1976-08-18 1977-08-16 Verfahren zum herstellen eines aus beweglich miteinander verbundenen und aus unterschiedlichem metall bestehenden elementen zusammengesetzten gegenstandes Ceased DE2736702A1 (de)

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