DE3200641A1 - Verfahren und vorrichtung zum giessen von, eine abriebbestaendige einlage aufweisenden leichtmetall-kolben - Google Patents

Description

TISCHER -"KERN & BREHM

Albert-Rosahaupter-Strasae 6SD 8000 München 70 ■ Telefon (089) 7605520 · Telex 05-212284 palsd Telegramme Kernpatent München

IMPERIAL CLEVITE INC. 12. Januar 1982

East 105th Street IC-02

Cleveland, Ohio 44108
U.S.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Gießen von, eine abriebbeständige Einlage aufweisenden Leichtmetall-Kolben

Beschreibung;

Diese Erfindung betrifft das Gießen von Verbundkörpern. Insbesondere betrifft die Erfindung das Gießen verbesserter Leichtmetall-Kolben, und wird insbesondere mit Bezug darauf erläutert. Darüberhinaus ist die Erfindung jedoch auch zum Gießen anderer Verbundkörper geeignet, insbesondere solcher Verbundkörper, die eine abriebbeständige Einlage aufweisen.

Aluminium-Legierungen und andere Leichtmetall-Materialien werden vorteilhafterweise zur Herstellung von Kolben verwendet. Ein Verfahren zum Gießen von Aluminium und anderen Legierungen ist als Druckguß-Verfahren (squeeze casting) bekannt. Beim Druckguß-Verfahren wird eine Matrize vorgesehen, deren Innenraum der Gestalt des Gußstückes entspricht. Die Matrize ist an ihrer Oberseite offen, so daß man die geschmolzene Legierung in den Formhohlraum eingießen kann. Die Matrize wird mittels eines Stempels verschlossen, der

in die obere öffnung des Formhohlraumes eingesetzt wird. Dieser Stempel übt einen Druck auf das geschmolzene Metall aus, wodurch die Legierung während ihrer Erstarrung fortlaufend gegen die Wände des Formhohlraums gepreßt wird. Dieser von oben her wirkende Stempel tritt beim Schrumpf der erstarrenden Legierung weiter in den Formhohlraum ein. Ein nach diesem Druckguß-Verfahren erhaltenes Gußstück weist eine gute Anpassung an die Formhohlraum-Innenflächen auf, besitzt ein feines Mikrogefüge und weist lediglich eine relativ geringe oder gar keine Porosität auf.

Für Aluminium und viele andere Leichtmetall-Legierungen ist bekannt, daß sie bei entsprechender Beanspruchung einem raschen Abrieb unterliegen. Dieser Mangel an Abriebbeständigkeit macht Kolben aus Aluminium und anderen Leichtmetall-Legierungen unerwünscht für stark belastete Maschinen, etwa in den Motoren von schweren Lastkraftwagen, Landmaschinen und Transportfahrzeugen.Zur Verbesserung der Abriebbeständigkeit von Kolben aus Aluminium und anderen Leichtmetall-Legierungen ist bereits vorgeschlagen worden, einen Ring aus abriebbeständigem Material rund um den Kolben einzusetzen. Beispiele für derartige Verbundkolben-Konstruktionen lassen sich beispielsweise den US-Patentschriften 4008 051 (T.M.Cadle, vom 15. Februar 1977), 3 533 329 (E. Galli vom 13. Oktober 1970), 2 956 846 (W.E.McCullough vom 18. Oktober 1960 und 2 550 879 (C.E.Stevens, Jr., vom 1. Mai 1951) entnehmen.

Diese Verbundkolben werden in einer Dauerform gegossen, welche Gießrinnen, E.ingußtrichter oder Steiger zum Einfüllen des geschmolzenen Metalles in den Formhohlraum an geeigneten Stellen zur Gewährleistung einer zweckmäßigen Einfüllgeschwindigkeit aufweist. Um den Schrumpf beim Erstarren der Metallschmelze auszugleichen, werden bis zu 40 % zusätzlicher Legierung in die Matrize, die Gießrinnen, Eingußtrichter und Steiger eingefüllt. Nachdem das Metall erstarrt ist, werden zwei oder mehr Bestandteile der Dauerform geöffnet und der

erzeugte Kolben entnommen. Daraufhin sind verschiedene Bearbeitungsstufen erforderlich, um überschüssiges Metall abzuschneiden, die Kolbenabmessungen an den Schrumpf anzupassen und die Vorbereitung für die abschließende Feinbehandlung durchzuführen. Die erhaltenen Kolben sind zumeist durch Porosität geschwächt und weisen ein grobes Mikrogefüge auf, was beides auf dem Schrumpf von den Matrizenwänden im Verlauf der Erstarrung zurückzuführen ist.

Der abriebbeständige Einlagering, zumeist aus einer Eisenlegierung bestehend, und der Kolbenkörper aus Aluminium weisen unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf. Zum Beispiel beträgt das spezifische Gewicht der Eisenlegierung zumeist das 2- bis 3-fache derjenigen der Aluminiumlegierung; der Wärmeausdehnungskoeffizient der Eisenlegierung beträgt zumeist das 1- bis 1,5-fache derjenigen der Aluminiumlegierung; schließlich beträgt die Wärmeleitfähigkeit der Eisenlegierung zumeist weniger als die Hälfte derjenigen der Aluminiumlegierung. Diese unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften verursachen Rest- oder Eigenspannungen in derartigen Verbundkolben.

Um Beständigkeit gegenüber diesen Spannungen zu gewährleisten, ist es wesentlich, eine starke Bindung zwischen dem abriebbeständigen Ring und der Aluminiumlegierung zu erzeugen. Im Verlauf seiner üblichen Lebensdauer ist ein Verbundkolben den Stößen und Schwingungen unzähliger Zündfolgen, sowie zahlreichen Aufheiz- und Abkühlvorgängen vom Start bis zum Anhalten des Motors ausgesetzt. Selbst ein winziger Riß oder Bindungsfehler zwischen dem abriebbeständigen Ring und der Aluminiumlegierung kann unter diesen harten Bedingungen rasch voranschreiten und größer werden. Die Fortpflanzung und Vergrößerung solcher Risse wird durch die Erzeugung einer spröden, intermetallischen Aluminium/Eisen-Verbindung und/oder der Bildung von Oxiden an deren Grenzfläche beschleunigt. Die Fortpflanzung und Vergrößerung solcher Risse kann dazu führen, daß Stücke des Kolbens abbrechen, was zu einer katastrophalen Beschädigung des Motors führt.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Verbundkörper auch im Druckguß oder in Matrizen herzustellen; vgl. hierzu die US-Patentschriften 3 792 726 (Sakai et al vom 19. Februar 1974), 2 157 453 (Jaeger, vom 9. Mai 1933), 1 950 356 (DeBats vom 6. März 1934), und ferner das japanische Patent 9557 (Iwamura et al vom 4. Juli 1961 mit entsprechendem Hinweis in den Chemical Abstracts 14862(h), 1962). Trotzdem ist bislang die Erzeugung von Verbund-Kolben im Druckguß-Verfahren noch nicht erfolgreich durchgeführt worden. Dies mag auf Schwierigkeiten bei der Erzielung einer angemessenen Bindung, insbesondere an der Unterseite des abriebbeständigen Ringes zurückführbar sein. Ferner mag dies auch auf zusätzliche innere Spannungen zurückführbar sein, die aus der Verformung des abriebbeständigen Ringes unter den vom Oberstempel ausgeübten Kräften resultieren.

Eines der grundlegenden Probleme beim Gießen von Verbundkolben besteht darin, eine starke, rißbeständige Bindung zwischen dem abriebbeständigen Ring und dem Kolbenkörper aus Aluminium oder einer anderen Leichtmetall-Legierung zu erzielen.

Noch eine weitere Schwierigkeit beim Gießen von Verbundkolben ist darin zu sehen, daß eine Anzahl von Bearbeitungsschritten und anderen arbeitsaufwendigen Maßnahmen erforderlich ist, um das Gußstück fein zu bearbeiten und fertigzustellen.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neues und verbessertes Verfahren, sowie eine neue und verbesserte Vorrichtung zum Gießen von Verbundkörpern, insbesondere Kolben angegeben, welche (s) die oben genannten Probleme, Schwierigkeiten und Weitere überwindet. Tatsächlich werden erfindungsgemäß Verbundkolben bereitgestellt, bei denen die unähnlichen Metall-Legierungen stark miteinander verbunden sind, welche ferner riß- und ermüdungsbeständig sind, und welche zu ihrer Feinbearbeitung und Fertigstellung eine geringere Anzahl an Bearbeitungsstufen erfordern.

- ίο -

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren sum Gießen von, eine abriebbeständige Einlage aufweisenden Leichtmetall-Kolben. Das Verfahren sieht die nachstehenden Verfahrensschritte vor:

(1) Ein Ring mit kreisförmigem Querschnitt wird in einen Formhohlraum eingebracht*

(2) eine vorgegebene Menge der geschmolzenen Leichtmetall-Legierung wird in den Formhohlraum gegossen;

(3) der Formhohlraum wird mit .einem Stempel verschlossen; und

(4) man läßt auf den Stempel eine Kraft einwirken, welche die Leichtmetall-Legierung fest zusammendrückt und fortlaufend gegen den Ring und die Formhohlraumwand preßt, während die geschmolzene Legierung erstarrt.

Nach einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sieht das Verfahren die nachstehenden Verfahrensschritte vor:

(1) Ein aus abriebbeständigem Material bestehender Ring mit kreisförmigem Querschnitt wird vorgewärmt;

(2) der vorgewärmte Ring wird in einem Formhohlraum angeordnet;

(3) eine vorgegebene Menge der geschmolzenen Leichtmetall-Legierung wird in den Formhohlraum gegossen;

(4) der Formhohlraum wird mit einem Stempel verschlossen; und

(5) man läßt auf den Stempel eine Kraft einwirken, welche die Leichtmetall-Legierung zu komprimieren versucht, während diese im Formhohlraum erstarrt. Auch auf diese Weise wird die Leichtmetall-Legierung in einen festen und fortlaufenden Kontakt mit dem Ring und der Formhohlraumwand gebracht, selbst dann, wenn die Legierung während der Erstarrung schrumpft.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Formanordnung zum Gießen von, eine abriebbeständige Einlage aufweisenden Leichtmetall-Kolben vorgesehen. Der Kolben wird in einer Matrize gegossen, deren Hohlraum eine im wesentlichen zylindrische Formenaußenwand aufweist, welche an die Außenwand des Kolbens angepaßt ist bzw. mit dieser übereinstimmt. Im Formhohlraum ist ein Stütz- oder Halteelement vorgesehen, das die abriebbeständige Einlage abstützt. Ferner ist eine Gießscheibe vorgesehen, die ausgewählt im oberen Abschnitt des Formhohlraums anbringbar ist. Diese Gießscheibe weist eine Anzahl von öffnungen im umfangsbereich längs des Außenumfanges auf, um die geschmolzene Leichtmetall-Legierung benachbart zur zylindrischen Formaußenfläche in den Formhohlraum einzuführen. Ein Stempel ist so angebracht, daß er gezielt in den oberen Abschnitt des Formhohlraums eingeführt werden kann, nachdem die geschmolzene Legierung in den Formhohlraum eingegossen worden ist, um auf die Leichtmetall-Legierung während deren Verfestigung Druck auszuüben.

Ein grundlegender Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß Verbundkolben aus einer Leichtmetall-Legierung erhalten werden, die eine abrxebbestandige Einlage aufweisen, wobei die Bindung zwischen der Leichtmetall-Legierung und dieser Einlage stark, fest und dauerhaft ist.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß die Bearbeitungsstufen, der Aufwand und die Bearbeitungsdauer auf einen Mindestwert herabgesetzt sind, da bereits beim Gießen des Verbundkolbens nahezu die Gestalt des Fertigproduktes erhalten wird.

Nachstehend wird die Erfindung im einzelnen anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; die letzteren dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung, ohne diese einzuschränken und zeigen:

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Fig. 1 in einer Querschnittsdarstellung einen Formhohlraum, in den erfindungsgemäß eine aus einem abriebbeständigen Ring bestehende Einlage sowie eine Gießscheibe eingesetzt sind;

Fig. 2 in einer Querschnittsdarstellung den Formhohlraum nach Fig. 1 während des Eingießens der geschmolzenen Leichtmetall-Legierung in den Formhohlraum;

Fig. 3 in einer Querschnittsdarstellung den Formhohlraum nach den Fig. 1 und 2 nach Beendigung des Eingiessens, wobei eine obere Öffnung des Formhohlraums mittels eines Oberstempels verschlossen ist, um Druck auf die erstarrende Legierung auszuüben;

Fig. 4 in einer Querschnittsdarstellung den Formhohlraum nach den Fig. 1 bis 3 nachdem die Leichtmetall-Legierung erstarrt ist;

Fig. 5 eine Draufsicht auf den als Einlage dienenden abriebbeständigen Ring, wie er in den Fig. 1 bis 4 dargestellt ist;

Fig. 6 eine Darstellung des Schnittes längs der Linie 6-6 nach Fig. 5;

Fig. 7 eine Draufsicht auf die Gießscheibe, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist; und

Fig. 8 in einer perspektivischen Darstellung, teilweise im Schnitt, einen erfindungsgemäß hergestellten Verbundkolben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben. Mit den Fig. 1 bis 4 ist eine Formanordnung zum Gießen von, eine abriebbeständige Einlage aufweisenden Verbundkolben aus einer Leichtmetall-Legierung dargestellt. Der Verbundkolben selbst ist in Fig. 8 dargestellt. Zur Formanordnung gehört eine zweiteilige Matrize 10, welche den Formhohlraum 12 einschließt. Die Gestalt des Formhohlraums ist an die Gestalt des Kolbens oder einer sonstigen, zu giessenden Struktur angepaßt. Der Formhohlraum ist u.a. von der Formenaußenfläche 14 begrenzt, welche ihrerseits an die Kolbenaußenfläche angepaßt ist bzw. mit dieser übereinstimmt. Die Formenaußenfläche 14 ist glatt und poliert, um die mechanischen Bearbeitungsstufen zur Fein- und Fertigbearbeitung des Gußkolbens möglichst gering zu halten. Die Formenaußenfläche 14 erstreckt sich längs eines Kreises rund um den Umfang des Formhohlraums 12. Im Zentrum des Formhohlraums 12 befindet sich ein Kern 16, der einen hohlen Innenraum am Kolben verursacht. Auf die Oberseite des Formhohlraums zu gerichtet befindet sich ein Stütz- oder Halteelement 18, um die abriebbeständige Einlage 20 abzustützen. Bei der bevorzugten Ausführungsform dient als Stütz- und Halteelement 18 ein umlaufendes und vorspringendes Band bzw. ein umlaufender Vorsprung, der rund um die Formenaußenfläche 14 vorsteht. Oberhalb des umlaufenden, vorspringenden Bandes bzw. des Stütz- und Halteelementes 18 weist die Formenaußenfläche 14 einen erweiterten bzw. zurück-, gesetzten Abschnitt 22 auf. Dies erlaubt die Anordnung der Einlage 20 innerhalb des oberen Abschnittes 22 des Formhohlraums 12 von der oberen horizontalen Öffnung 24 her. Der obere Abschnitt 22 weist einen an den Umfang der Einlage 20 angepaßten Querschnitt auf.

Als Einlage 20 dient ein Ring 30 mit kreisförmigem Querschnitt, der im einzelnen in Fig. 5 dargestellt ist. Dieser Ring 30 besteht aus abriebbeständigem Material und weist Ausdehnungsund Kontraktionseigenschaften auf, die ähnlich oder gleich den Ausdehnungs- und Kontraktionseigenschaften der Leicht-

metall-Legierung sind, aus denen der Kolben gegossen werden soll. Bei einer bevorzugten Ausführungsform dient als abriebbeständiges Material eine austenitische Legierung aus Eisen, Nickel, Chrom und Kupfer; als besonders geeignet erweist sich eine Legierung, die von der Firma Thomas Foundries, Inc. Birmingham, Alabama, U.S.A., unter der Handelsbezeichnung "NI-RESIST" vertrieben wird. Der Ring 30 weist eine Umfangskante 32 auf, welche dem Außendurchmesser des zu gießenden Kolbens entspricht. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser dieser Umfangskante 32 geringfügig größer als der fein-bearbeitete Kolben, damit dessen Außenfläche auf feine Toleranzen hin bearbeitet werden kann. Von dieser Umfangskante 32 des Ringes 30 steht wenigstens ein Vorsprung nach außen ab. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird dieser wenigstens eine Vorsprung aus einer Anzahl Lappen 34 gebildet, die solche Abmessungen aufweisen, daß sie dicht anliegend in den oberen Abschnitt 22 des Formhohlraums 22 passen und dort auf dem Stütz- und Halteelement 18 ruhen. Der Durchmesser der Umfangskante 32 des Ringes 30 ist so bemessen, daß er im wesentlichen gleich oder geringfügig kleiner als der Durchmesser der Formenaußenfläche 14 ist. Wie in Fig. 6 dargestellt, ist jeder Lappen 34 ausreichend dünn, daß er unter den beim Druckguß-Verfahren üblicherweise auftretenden Druckbeanspruchungen zerbrechlich ist. Nach einer alternativen AuS-führungsform kann der wenigstens eine Vorsprung aus einem fortlaufenden, zerbrechlichen Flansch bestehen, der sich in Umfangsrichtung längs der Umfangskante 32 erstreckt. Nach einer weiteren, alternativen Ausführungsform können die Lappen 34 im wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen, wie der Ring 30.

Zum Gießen eines Verbundkolbens wird der abriebbeständige Ring 30 mit kreisförmigem Querschnitt gesäubert, vorgewärmt und mit einem dünnen Überzug 40 aus einem duktilen Metall versehen. Die Schichtdicke des Überzugs 40 ist in den Fig. 1 und 8 zum Zwecke der Erläuterung vergrößert dargestellt.

Der Überzug 40 aus duktilem Metall bildet einen spannungsabsorbierenden Puffer zwischen dem Ring 30 und der Leichtmetall-Legierung. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird der Ring 30 in ein Schmelzbad aus reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eingetaucht, welches Schmelzbad auf eine Temperatur im Bereich +56 °c um die Temperatur der geschmolzenen, zu vergießenden Leichtmetall-Legierung herum gehalten wird. Die Eintauchdauer des Ringes 30 in das Schmelzbad wird sehr kurz gehalten, um die Bildung spröder, intermetallischer Aluminium/Eisen-Verbindungen möglichst gering zu halten. Nachdem der Ring 30 vorgewärmt und mit dem duktilen Metall überzogen worden ist, wird er auf dem Stütz- und Halteelement 18 innerhalb des Formhohlraums 12 angeordnet.

Daraufhin wird innerhalb des oberen Abschnittes 22 des Formhohlraums 12 eine Gießscheibe 50 angeordnet. Die Gießscheibe 50 dient als Mittel zur Verteilung der geschmolzenen Leichtmetall-Legierung bei deren Vergießen in den Formhohlraum hinein. Insbesondere bewirkt diese Verteilung, daß die geschmolzene Legierung gleichmäßig über die Einlage 20 hinweg fließt. Dies unterbindet die Bildung von Oxiden an der Grenzfläche und ist weiterhin zweckmäßig, um die Temperatur der Einlage während des Gießvorganges nahe der Temperatur der geschmolzenen Legierung zu halten.

Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 1 und zusätzlicher Bezugnahme auf Fig. 7 ist ersichtlich, daß die Gießscheibe 50 solche Abmessungen aufweist, daß sie in den oberen Abschnitt 22 des Formhohlraums 12 paßt. Die Gießscheibe 50 weist einen mittigen Abschnitt 52 auf, der in Verbindung mit den Wandab- ' schnitten des oberen Abschnittes 22 des Formhohlraums 12 einen zweiteiligen Vorratsraum zur Aufnahme und Aufbewahrung der geschmolzenen Leichtmetall-Legierung bildet. Die Tiefe dieses zeitweiligen Vorratsraumes bestimmt den Druckwert, und damit die Strömungsgeschwindigkeit, mit welcher die geschmolzene Legierung in den Formhohlraum fließt.

Im Umfangsbereich der Gießscheibe 50 ist eine Anzahl öffnun- . gen oder Durchlässe ausgespart, um die geschmolzene Legierung strangförmig in den Formhohlraum 12 in dessen Umfangsbereich einzuleiten. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist diese Anzahl Durchlässe als eine Anzahl kreisrunder Öffnungen 54 ausgebildet, die rund um den Umfang der Gießscheibe 50 ausgespart sind. Alternativ könnten als Durchlässe eine Anzahl radialer Schlitze längs des Scheibenumfangs, ein Sieb oder ein Gitter rund um den Scheibenumfang, ein ringförmiger Spalt zwischen Scheibenumfang und Formenwand oder dgl. dienen.

An der Gießscheibe 50 ist eine Anzahl Tragelemente 56 angebracht, um die Gießscheibe zu halten und deren zentralen Abschnitt 52 mittig im oberen Abschnitt 22 des Formhohlraums 12 zu halten. Vom mittigen Abschnitt 22 der Gießscheibe 50 steht ein Abzugsschacht 58 nach oben ab, durch welchen Luft aus dem Formhohlraum entweichen kann, wenn die Leichtmetall-Legierung ohne Entlüftung oder Rühren in den Formhohlraum gegossen wird. Dieser Abzugsschacht 58 bzw. Kamin bildet einen rohrförmigen Vorsprung von ausreichender Länge, der über den zeitweiligen Vorratsraum für die geschmolzene Legierung hinaussteht.

Insbesondere aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß vor einer Abkühlung der vorgewärmten Einlage 20 eine ausgewählte Menge der geschmolzenen Leichtmetall-Legierung - mit der Bezugsziffer 60 bezeichnet - aus einem Ofen oder einem Tiegel 62 auf die Gießscheibe 50 gegossen wird. Aus diesem zeitweiligen Vorratsraum dringt die geschmolzene Legierung durch die Öffnungen 54 rund um den Scheibendurchmesser und trifft auf die Einlage 20. Die geschmolzene Legierung fließt über und rund um die Einlage 20 in den unteren Abschnitt des Formhohlraums 12. Nachdem die vorgegebene Menge der geschmolzenen Legierung in den Formhohlraum 12 eingefüllt ist, wird die Gießscheibe entfernt. Der Strom der geschmolzenen Legierung löst den dünnen Aluminiumüberzug 40 teilweise auf und macht diesen noch dünner.

Wie insbesondere mit Fig. 3 dargestellt, wird die obere öffnung des Formhohlraums 12 mit einem Oberstempel 70 verschlossen, der vorzugsweise einen ringförmigen Vorsprung 72 aufweist, welcher zur Bildung einer Verbrennungsvertiefung in der Kolbenoberseite dient. Dieser Oberstempel 70 weist solche Abmessungen auf, die mit dem Querschnitt des oberen Abschnittes 22 des Formhohlraums 12 innerhalb sehr enger Toleranzen übereinstimmen, so daß verhindert wird, daß geschmolzene Legierung zwischen dem Stempel 70 und der Formenaußenfläche hindurchtritt. Auf den Oberstempel 70 wirkt ein (nicht dargestellter) Hydraulikzylinder ein, so daß der Oberstempel 70 einen Druck von mehreren Tonnen auf die Leichtmetall-Legierung innerhalb des Formhohlraums 12 ausübt. Wenn die geschmolzene Legierung erstarrt, zieht sie sich zusammen. Der Oberstempel 70 fährt fort, die Legierung fest und fortlaufend gegen die Oberflächen des Formhohlraums 12, den Stempel 70 und die Einlage 20 zu pressen, während die Legierung erstarrt. Als Folge des Zusammenziehens bzw* der Kontraktion der Leichtmetall-Legierung im Verlauf von deren Erstarrung tritt der Oberstempel 70 um einen entsprechenden Betrag in den Formhohlraum 12 ein. Es ist festgestellt worden, daß der vom Oberstempel 70 ausgeübte Druck dazu neigt, den Ring 30 mit kreisförmigem Querschnitt zu verformen bzw. abzubiegen, was nach der Erstarrung innere Spannungen hervorruft. Diese Verformung und Abbiegung ist bei der mit den Fig. 5 und 6 dargestellten Ringkonstruktion vermindert, da die Lappen 34 die Umfangskante 32 des Ringes 30 in ausreichendem Abstand von der Formenaußenfläche halten, damit die Leichtmetall-Legierung zwischen dem Ring und der Formenaußenfläche 14 hindurchtreten kann.

Unter besonderer Bezugnahme auf die Fig. 4 ist diese Verformung und Abbiegung noch weiter dadurch reduziert, daß die zerbrechlichen Lappen 34 abbrechen. Unter dem von dem Oberstempel 70 ausgeübten Druck brechen die Lappen 34 ab, so daß der Ring 30 mit der im Verlauf der Erstarrung auftretenden Kontraktion nach unten in den Formhohlraum hinein wandern kann.

Nachdem die Leichtmetall-Legierung erstarrt ist, wird der Oberstempel 70 entfernt, der Formhohlraum 12 geöffnet, und der Verbundkolben herausgenommen. Der Verbundkolben wird in mechanischen Bearbeitungsstufen fein- und fertig bearbeitet. Da dessen Außenfläche bereits sehr eng mit der Außenfläche des Stempels und der Form übereinstimmt, ist ledigich eine geringe mechanische Bearbeitung erforderlich. Die Oberseite des Kolbens stimmt mit der Oberfläche des Stempels ausreichend genau überein, so daß in der Regel keine weitere mechanische Bearbeitung zur Fertigstellung dieser Kolbenoberseite erforderlich ist. Die Kolbenaußenfläche wird mechanisch bearbeitet, um die abgetrennten Lappen 34, sowie überschüssiges Material wegen des erhöhten Durchmessers des oberen Abschnittes 22 des Formhohlraums 12 zu entfernen. Die mechanische Bearbeitung kann ferner dazu dienen, dem Kolben einen kreisförmigen Querschnitt mit sehr genauen Abmessungstoleranzen zu verleihen. Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, schließt die mechanische Bearbeitung ferner das Einschneiden einer Anzahl von Nuten in den Kolben ein, welche später die Kolbenringe aufnehmen. Eine obere Kolbenringnut 82 wird mechanisch im Ring 30 erzeugt. Darüberhinaus werden die zusätzlichen Kolbenringnuten 84 und 86 am Kolben 80 herausgearbeitet. Schließlich verbindet ein Kolbenbolzen 88 den Kolben 80 mit einer Stange 90.

Wie dargelegt, ist die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert worden. Ersichtlich können Modifizierungen und Abänderungen vorgenommen werden, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. Es ist beabsichtigt, mit der vorliegenden Erfindung auch solche Modifizierungen und Abänderungen zu erfassen, sofern diese von den voranstellenden Patentansprüchen und deren Äquivalente umfaßt sind.

Leerseite

Claims (19)

1. TlSCHER -KERN & BREHM

   AttoTt-Roi8riaupter-Str«»ae 88 ■ O 8000 München 70 ■ Telefon (089) 7605520_Telex 05^212284 pated Telegramme Kernpatent München

   IMPERIAL CLEVITE INC. 12. Januar 1982

   East 105th Street IC-02

   Cleveland, Ohio 44108
   U.S.A.

   Verfahren und Vorrichtung zum Gießen von, eine abriebbeständige Einlage aufweisenden Leichtmetall-Kolben

   Patentansprüche:

   Verfahren zum Gießen eines, eine abriebbeständige Einlage aufweisenden Leichtmetall-Kolbens,

   gekennzeichnet durch die nachstehenden Verfahrensschritte: ein Ring (30) mit kreisförmigem Querschnitt wird in einen Formhohlraum (12,22) eingebracht, der an die Außenabmessungen des Kolbens angepaßt ist; eine vorgegebene Menge der geschmolzenen Leichtmetall-Legierung wird in den Formhohlraum gegossen; der Formhohlraum wird mit einem Stempel (70) verschlossen; und

   man läßt auf den Stempel eine Kraft einwirken, welche die Leichtmetall-Legierung fest und fortlaufend gegen den Ring und die Formhohlraumwand (14) preßt, während die geschmolzene Legierung erstarrt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   der Ring (30) aus abriebbeständigem Material vor dem Einsetzen in den Formhohlraum (12,22) vorgewärmt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   der Formhohlraum (12) eine zylindrische Formenaußenfläche (14) aufweist und von dieser Formenaußenfläche ein umlaufendes Band (18) absteht; und

   zum Einbringen des Ringes (30) in den Formhohlraum dieser Ring auf dem umlaufenden Band abgelegt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   der Ring (30) auf eine Temperatur vorgewärmt wird, die in einem Bereich von +_ 56 C um diejenige Temperatur herum liegt, mit welcher die geschmolzene Leichtmetall-Legierung in den Formhohlraum (12) gegossen wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 2,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   die Vorwärmung des Ringes (30) das Eintauchen des Ringes in ein Schmelzbad aus geschmolzenem, duktilem Metall einschließt, wodurch auf dem Ring eine Schicht aus duktilem Metall zurückbleibt, welche sich später zwischen dem Ring und der Leichtmetall-Legierung befindet und zur Absorbierung von Spannungen dient.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

   der Ring (30) aus einer austenitischen Eisenlegierung besteht.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

   als Leichtmetall-Legierung eine Aluminium-Legierung dient.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als geschmolzenes, duktiles Metall zur Bildung des Schmelzbades Aluminium oder eine Aluminium-Legierung dient.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Eingießen der Leichtmetall-Legierung diese geschmolzene Leichtmetall-Legierung über den innerhalb des Formhohlraums (12,22) befindlichen Ring (30) gegossen wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Formhohlraum (12) eine Formenaußenfläche (14) sowie ein Stütz- und Halteelement (18) zur Abstützung des Ringes (30) innerhalb des Formhohlraumes aufweist.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingießen der geschmolzenen Leichtmetall-Legierung in den Formhohlraum (12) benachbart zur Formenaußenfläche (14) erfolgt.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die geschmolzene Leichtmetall-Legierung durch eine Anzahl Gießpfade eingegossen wird, welche benachbart zur Formenaußenfläche (14) verlaufen.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Stütz- und Halteelement (18) ein rund um die Formenaußenfläche (14) umlaufendes und von dieser abstehendes Band ist.
14. 14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß

    die Formenaußenfläche (14) kreisförmig ausgebildet ist; der Ring (30) einen kreisförmigen, benachbart zur Formenaußenfläche angeordneten Umfang aufweist; und beim Eingießen die Leichtmetall-Legierung über diesen Ring fließt.
15. 15. Formenanordnung zum Gießen eines, eine abriebbeständige Einlage aufweisenden Leichtmetall-Kolbens, gekennzeichnet durch:

    eine Matrize (10) mit einem, eine im wesentlichen zylindrische Formenaußenfläche (14) aufweisenden Formhohlraun (12,22); ein Stütz- und Halteelement (18) zum Abstützen der abriebbeständigen Einlage (20), welches Stütz- und Halteelement mit der zylindrischen Formenaußenwand verbunden ist; eine entfernbare Gießscheibe (50) welche ausgewählt in einem oberen Abschnitt (22) des Formhohlraums (12) anbringbar ist und welche Gießscheibe eine Anzahl Durchlässe (54) aufweist, die im Umfangsbereich rund um den Scheibenumfang angeordnet sind, so daß zum Eingießen das geschmolzene Metall auf die Gießscheibe gegossen wird und durch deren öffnungen in den Formhohlraum (12) benachbart zur Formenaußenfläche (14) fließt; und

    ein Stempel (70) vorhanden ist, der wahlweise in den oberen Abschnitt (22) des Formhohlraums nach Entfernung der Gießscheibe eintreten kann.
16. 16. Formenanordnung nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet, daß

    die Gießscheibe (50) weiterhin eine Luftaustrittsvorrichtung (58) aufweist, welche von der Oberseite der Gießscheibe absteht, um Luft aus dem Formhohlraum (14) austreten zu lassen, wenn geschmolzenes Metall auf die Gießscheibe gegossen wird.
17. 17. Formenanordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß

    die Durchlässe eine Anzahl Öffnungen (54) sind, die im Umfangsbereich rund um den Scheibenumfang angeordnet sind.
18. 18. Formenanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet» daß

    das Stütz- und Halteelement ein rund um die Formenaußenfläche (14) umlaufendes und von dieser abstehendes Band (18) ist.
19. 19. Formenanordnung nach Anspruch 18,
    dadurch gekennzeichnet, daß

    die Durchlässe (54) der Gießscheibe (50) im wesentlichen oberhalb des Bandes (18) angeordnet sind, so daß das durch die Durchlässe hindurchfließende geschmolzene Metall über die auf diesem Band (18) abgelegte, abriebbeständige Einlage (20) fließt.