DE3509015C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kombinierten Kern zum Gießen der aus Grauguß bestehenden Zylinder von luftgekühlten Verbrennungsmotoren, bestehend aus einem mit einer Außenverkleidung aus porösen feuerfesten Stoffen versehenen metallischen hohlen Kühlkörper mit radialen Gasabführungskanälen.

Ein solcher kombinierter Kern ist bekannt durch die DE-PS 5 50 955. Diese beschreibt einen aus einem massiven Metallstück bestehenden Kern mit einer zentralen längs durchgehenden Bohrung, in von dieser abzweigenden Seitenkanälen, wobei der Kern mit Rillen außenseitig versehen und einer Massenschicht umhüllt ist. Die Massenschicht wird als feuerfeste poröse Schicht beschrieben.

Bei dieser aus dem Jahr 1932 stammenden Konstruktion erscheint es schwierig, daß der praktisch massive Kühlkern die richtige Wärmemenge aufnehmen kann (es sollen ja beim Abkühlen an der Innenseite des Zylinders andere Verhältnisse als an den äußeren Kühlrippen sich einstellen), da die Kühlmasse des Kerns im wesentlichen das gesamte Volumen der Bohrung des Gußstücks ausfüllt. Zudem ist ein enormes Gewicht des Kühlkerns, was zu Verformungen am späteren Guß etc. führt, in Kauf zu nehmen. Die äußere poröse Schicht wird zudem leicht beschädigt und ist nur schwierig auf dem Außenmantel zu halten. Andererseits werden zumindest wenn man versuchen sollte, den Kern mehrfach zu verwenden, die Gasabführungsbohrungen verstopfen, was Lunkerbildung im gegossenen Zylinder zur Folge hat. Bei einer Beschädigung des dünnen Mantels kann es sehr leicht zum Einbruch der Schmelze in die Entgasungsbohrungen kommen, die nicht nur verstopfen, sondern auch die Schmelze durchlassen. Eine Überflutung des Innenraums des Kühlkerns kann die Folge sein. Zudem eignet sich der bekannte Kern nicht für Hochgeschwindigkeitsserienproduktion.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, kombinierte Kerne mit metallischem Kühlkörper für Hochgeschwindigkeitsherstellung, möglichst unter Wiederbenutzung des Kühlkörpers geeignet zu machen.

Erreicht wird dies überraschend einfach dadurch, daß der Kühlkörper aus einer innen- und außenseitig mit aus Gießereisand und Bindemittel verkleideten metallischen Kühlbüchse besteht, wobei die Gasabführungskanäle zur Haftverbindung der inneren und äußeren Schicht der Auskleidung als Sandverbindungsbolzen ausgebildet sind.

Es ist überraschend, daß zum erstenmal ein metallischer Kühlkörper praktisch beliebig (etwa bis zu 1000 mal) wieder verwendbar ist. Erreicht wird dies dadurch, daß der Kühlkörper innen- und außenseitig in Sand eingebettet ist, es sich also um einen praktisch aus Gießereisand und Bindemittel bestehenden Sandkern handelt, wobei in diesem eine metallische Kühlbüchse eingebettet ist. Die Sandverbindungsbolzen zwischen äußerer und innerer Kernsandschicht tragen dazu bei, daß diese innen- und außenseitig fest an der metallischen Kühlbüchse gehalten werden.

Der erfindungsgemäße kombinierte Kern ist auch für größere Durchmesser geeignet. Eine Anpassung an bestimmte Härten (schnelle aber nicht zu schnelle Abkühlung der inneren Schicht unter Bildung eines porenfreien Gefüges, mit einer völlig anderen Struktur im Bereich der Kühlrippen) wird gewährleistet. Die sonst auftretenden inneren Spannungen werden weitestgehend abgebaut. Die Konstruktion ist leichter als alle bisher bekannten mit Kühlkern.

Die Kühlwirkung wird durch die einstellbare Wandstärke der Kühlbüchse steuerbar, Hochgeschwindigkeitsherstellung ist gewährleistet.

Die auf diesem Gebiet bestehende Forderung, daß die Bohrungsfläche des Zylinders - Gleitfläche für den Kolben - einmal porenfrei ist und dann eine das Gleiten des Kolbens fördernde Struktur aufweist, die neben der erforderlichen Ölschmierung auch durch die Beschaffenheit ihres Aufbaus möglichst niedrige Reibungswerte zwischen Kolben und Zylinder ergibt, ist gewährleistet. Die beim Erstarrungsprozeß des Graugußstückes durch starke Wärmeabfuhr gewünschte perlitische porenfreie Struktur wird erreicht. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, werden die Gießformen nach dem Croningverfahren hergestellt, während die Kerne für die Bildung der Zylinderbohrung nach dem Croning-CO₂/hot box/cold box-Verfahren oder aus Ölmischungen hergestellt werden.

Kerne wurden früher schon unter Verwendung von Stahlkugeln hergestellt, dies aber nur von Hand. Die gleichmäßige Verteilung der Stahlkugeln war äußerst schwierig.

Nicht nur die innere Kühlung, sondern auch eine ausgezeichnete Entlüftung beim Gießen bei gleichmäßiger Herbeiführung des Kühleffekts über die gesamte Kernhöhe ist gewährleistet, insbesondere auch durch die Möglichkeit der maschinellen Herstellung.

Es wird nicht verkannt, daß an sich die Verwendung von Kühlbüchsen (DE-PS 4 44 490) bekannt ist. Hier dient ein unten geschlossenes Metallrohr als direkte Kühlung für den Zylinder. Innen ist das Kühlrohr mit Sand versehen,da die Büchse durch Eingießen etwa flüssigen Gußeisens zunächst aufgewärmt werden muß. Möglichkeiten einer Kompensation für das Schrumpfen des Zylinders auf dem metallischen Kern oder für die Abführung der Gase sind genauso wenig gegeben, wie die Möglichkeit. etwa solche Kerne auf Kernmaschinen zu schießen.

Nach einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung des kombinierten Kerns so ausgestaltet, daß sie aus zwei Teilen mit einem eine Kernauswerferplatte haltenden Boden besteht, der von einem die Büchse innenzentriert haltenden Dorn durchsetzt ist, während zu deren Außenzentrierung Distanzbolzen vorgesehen sind.

Vorzugsweise dient der Dorn als Kern zur Herstellung der inneren Sandauskleidung.

Hierdurch wird eine genau konzentrische Anordnung des erfindungsgemäßen Kerns mit Kühleigenschaften gewährleistet und eine einfache und wirtschaftliche Herstellung der Zylinder ermöglicht.

Die Metallkühlbüchse kann aus Grau- oder Stahlguß und mit Bohrungen für Gasabfuhr beim Gießen versehen sein. Zum gleichmäßigen Kühleffekt trägt die Außen- und Innenverkleidung der Metallkühlbüchse mittels Formsandes bei. Der erwähnten inneren Zentrierung steht die äußere Zentrierung über Distanzbolzen gegenüber. Die Aushärtung der Sandverkleidung der Metallkühlbüchse des Kerns erfolgt durch Aufwärmen oder einen chemischen Prozeß.

Das eigentliche Gießverfahren zur Herstellung von Zylindern mit geforderten Qualitäten für luftgekühlte Motoren erfolgt in einer Gießform, in der die Strukturen des Graugußstücks des Zylinders durch die Wirkung des erfindungsgemäßen Kernes mit intensiver Kühleigenschaft und Gasabfuhrmöglichkeiten während des Gießprozesses.

Der ausgehärtete Kern wird positioniert in die Gießform eingelegt, danach wird die Graugußschmelze entsprechender Qualität in die Gießform gegossen. Während der Erstarrung führt die Metallkühlbüchse des Kernes die Wärme mit derartiger Intensität ab, daß am eigentlichen Zylinderkörper eine gasdichte perlitische Struktur und an Rippen des Zylinders eine die Wärmeleitung fördernde "graue" Struktur entsteht.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Ausführung des Verfahrens werden näher aufgrund eines Verfahrensbeispiels und der Ausführungsbeispiele der betreffenden Vorrichtungen sowie aufgrund der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 eine Gießform mit eingesetztem erfindungsgemäßen Kern mit intensiver Kühleigenschaft;

Fig. 2 den Querschnitt des erfindungsgemäßen Kernes mit intensiver Kühleigenschaft nach der Linie I-I aus Fig. 3;

Fig. 3 den Vertikalschnitt des erfindungsgemäßen Kernes mit intensiver Kühleigenschaft;

Fig. 4 eine Metallkühlbüchse des erfindungsgemäßen Kernes mit intensiver Kühleigenschaft;

Fig. 5 den Querschnitt nach der Linie II-II aus Fig. 4;

Fig. 6 die Draufsicht mit einem Teilhorizontalschnitt der Vorrichtung zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kernes mit intensiver Kühleigenschaft;

Fig. 7 den Querschnitt nach Linie III-III aus Fig. 6;

Fig. 8 den Vertikalschnitt eines aus Grauguß hergestellten Zylinders für luftgekühlte Verbrennungsmotoren nach der Linie V-V aus Fig. 10;

Fig. 9 den Vertikalschnitt eines Zylinders nach Fig. 10 nach der Linie VI-VI aus Fig. 10;

Fig. 10 den Grundriß des Zylinders nach Fig. 8; und

Fig. 11 den Querschnitt nach der Linie IV-IV aus Fig. 8.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht die Gießform aus einer Maske 7, die im Gießformkasten angeordnet ist, aus flachen Umfangskernen 8, die beim Gießen die Rippen des Zylinders bilden, und aus dem erfindungsgemäßen Kern 2, der aus einer Metallkühlbüchse 2′ besteht, die innerhalb und außerhalb mit einer Kernsandverkleidung 6 ausgestattet ist, wobei die Maske 7 positionsfest eingelegt ist. Der Kern 2 formt die "Bohrung" des Zylinders 1 und besorgt, daß während des Erstarrens des eingegossenen Zylinders 1 angesichts seiner kompakten Metallkühlbüchse 2′ eine intensive Wärmeabfuhr an der inneren Zylinderwand erfolgt, die, wie bereits erklärt, die Entstehung einer porenfreien perlitischen Struktur der Zylinderwand im allgemeinen, besonders aber im inneren Teil der Zylinderwand, gewährleistet.

Fig. 2 und 3 veranschaulichen den erfindungsgemäßen Kern 2 im Quer- und Vertikalschnitt. Der Kern 2 besteht aus einer Metallkühlbüchse 2′, die entweder aus Grau- oder Stahlguß hergestellt wird und mit den durch die Wand durchgehenden Bohrungen 2′′ (Fig. 4, 5) versehen ist, die für die Gasabfuhr während des Gießverfahrens sorgen. Diese durchgehenden Bohrungen 2′′ sind auf der ganzen Metallkühlbüchse 2′ mit einem gleichmäßigen Abstand voneinander in Längs- sowie Umfangsrichtung der Büchse 2′ angeordnet. Die Metallkühlbüchse 2′ ist innen (6′′) und außen (6′) mit Kernsand verkleidet, wobei die Sandverkleidung 6 auch die Wandbohrungen 2′′ ausfüllt und somit neben der Haftkraft der Sandverkleidung an der Oberfläche der Metallkühlbüchse 2′, eine Verbindung durch die "Sandbolzen", welche die beiden Schichten 6′′ und 6 der Sandverkleidung 6 auch durch die Wandbohrungen miteinander verbinden. Zur Erhöhung der Haftkraft und Sicherung der Formbeständigkeit der Sandverkleidung 6 werden dem Kernsand, der für diesen Zweck bestimmt ist, entsprechende Bindemittel zugegeben, die eine Aushärtung der Sandverkleidung 6 entweder durch die Erwärmung oder auf chemischem Wege ermöglichen.

Fig. 4 und 5 zeigen die Metallkühlbüchse 2′ des Kernes 2 im Vertikal- und Querschnitt, wobei bessonders gut die durchgehenden Wandbohrungen 2′′ ersichtlich sind. Diese sind nämlich derart angeordnet, daß sie entlang der Metallkühlbüchse 2′ sowie längs des Umfangs dieser mit ungefähr gleichen Abständen voneinander entfernt sind. Diese Verteilung der Wandbohrungen sorgt für eine gute Gasabfuhr während des Gießvorgangs, die erfindungsgemäße Metallkühlbüchse 2′ bürgt somit neben der intensiven Kühlung der Zylinderwand auch durch die Entfernung der Gase aus der noch nicht erstarrten Schmelze der Wandmasse des Zylinders 1 (siehe Fig. 1) für eine gute Qualität (Homogenität und Dichte) der Zylinderwand.

Aus Fig. 6 und 7 ist die Konstruktion der Vorrichtung für die Herstellung des erfindungsgemäßen Kernes zu ersehen. Die Vorrichtung besteht aus zwei Teilen 9 und 10, die miteinander zusammengefügt werden (Fig. 6), und aus einem Boden 14, in dem der Dorn 13 für die innere Zentrierung der Metallkühlbüchse 2′ vorgesehen ist. Die äußere Zentrierung der Metallkühlbüchse 2′ wird mittels Bolzen 12 (siehe Fig. 6) versorgt.

Zum Heben des fertiggestellten Kernes 2 aus der Vorrichtung zur Herstellung der Kerne wird von einer Auswurfplatte 11 Gebrauch gemacht. Die Vorrichtung ist aus Werkzeugstahl hergestellt.

Bei der Herstellung der Kerne nach Fig. 2, 3 in der beschriebenen Vorrichtung wird die Metallkühlbüchse 2′ in die Vorrichtung hineingelegt und entsprechend zentriert, danach wird die die Bindemittel enthaltende Sandmischung in die Vorrichtung eingeblasen. Auf diese Weise entsteht in der Vorrichtung zur Herstellung der Kerne die Sandverkleidung 6 an der Metallkühlbüchse 2′ die nach der Formierung durch Wärmebehandlung oder mittels eines chemischen Prozesses noch ausgehärtet wird.

Fig. 10 und 11 zeigen die Zylinder für luftgekühlte Verbrennungsmotoren, die das Erzeugnis des erfindungsgemäßen Verfahrens in Vertikalschnitten bzw. im Querschnitt und in Draufsicht darstellen. Sie lassen deutlich die einzelnen Bereiche des Zylinders (die Zylinderwand bzw. die Rippen) erkennen, wo besonders Strukturen des Graugusses verlangt werden.

Beispiel

Beim Gießen der Zylinder aus Grauguß mit lamellarem Graphit für luftgekühlte Motoren ist es allgemein schwer, die geforderten mechanischen Eigenschaften, die Struktur und die Gasdichte der Zylinder zu erzielen. Die Grundvorschriften für die Zusammensetzung des Graugusses sind wie folgt:

C<3%
P=0,3% bis 0,45%
Cr0,3%

Der Gehalt anderer chemischer Elemente ist nicht vorgeschrieben.

Mechanische Eigenschaften Härte

Die Härte auf der Stirnfläche auf der Seite des Zylinderkörpers soll 200-240 HB (HB 5/570) und auf der Zylinderwand minimal 190 HB (HB 5/570) betragen.

Zugfestigkeit

Die minimale Zugfestigkeit soll 200 N/mm², bei manchen Zylindern 250 N/mm² betragen.

Struktur der Zylinderwand auf dem Gebiet der Kolbenbewegung

Graphit
50-100%, Form A, Größe 4-6
 0-50%, Form B, Größe 4-6
Graphite D und E sind nicht zulässig.

Die Grundstruktur soll der lamellare Perlit bilden, der keinen freien Zementit enthalten soll.

Der freie Ferrit ist bis 3% erlaubt, soll aber gleichmäßig verteilt sein.

Das Phosphideutektikum soll im Netz verteilt auftreten.

Struktur der Kühlrippen am Zylinder

Die Kühlrippen sollen "grau" erstarrt sein, die Grundstruktur darf im äußeren Drittel der Kühlrippe freien Zementit enthalten. Freier Ferrit ist zulässig.

Das Grundproblem beim Gießen der Zylinder ist es, die vorgeschriebene Struktur und die Porenfreiheit zu erreichen. Allgemein sind die Strukturen und die mechanischen Eigenschaften der Gußstücke aus Grauguß von der chemischen Zusammensetzung des Graugusses, der Wandstärke, der sphärolithischen Wirkung und Abkühlungsgeschwindigkeit des Gußstückes abhängig. Beim Gießen der Zylinder ist es besonders schwer, die entsprechende Struktur der Kühlrippen und jene der inneren Zylinderwand zu erreichen, da die Stärkeunterschiede zwischen diesen Teilen sehr groß sind und die Kühlrippen des Zylinders eine "graue" Erstarrungsstruktur (minimal 2/3 der Rippenlänge), die Zylinderwand aber eine perlitische Struktur mit einer Härte von 240 HB aufweisen sollen. Ferner ist es verhältnismäßig schwer, die nötige Porenfreiheit zu erzielen; da sich die entsprechenden Speiser wegen der Form des Zylinders nicht anbringen lassen.

Genaue Auswahl chemischer Zusammensetzung des Graugusses in Bezug auf die Zylindertype

Für jede Type des Zylinders wird in Abhängigkeit von der Form, der Wandstärke und der Masse des Zylinders eine entsprechende Zusammensetzung des Graugusses gewählt. Für Zylinder mit einer Wandstärke von 10-30 mm und einer Masse von 3-30 kg hat der Grauguß die folgende Zusammensetzung:

C=3-3,5% Si=1,6-2,2% Mn=0,6-1,2% P=0,2-0,4% S≦0,1% Cr≦0,3%

Zum Schmelzen des Graugusses zum Gießen der Zylinder wird ein Niederfrequenz-Induktions-Schmelzofen -verwendet. Angebracht sind auch Kupolöfen in Kombination mit Rezeptoren oder Induktionsöfen.

Der Einsatz ist aus basisch erschmolzenem Roheisen, Stahlschrott, Grauguß-Rückgut, Ferrolegierungen zur Korrektur der Zusammensetzung des Gusses und aus Additiven zum Aufkohlen zusammengesetzt. Beim Schmelzen in Induktionsöfen könnte man einen Einsatz ohne Roheisen verwenden. Die Schmelze wird auf 1450°C erwärmt, dann wird der Zusatz zur Erzeugung sphärolithischen Gußeisens, enthaltend Fe, Si, Ca, Zr und Mn zugegeben und nachher die Schmelze bei einer Temperatur von 1330-1380°C in Formen nach Fig. 1 eingegossen. Die eingegossene Schmelze wird an der inneren Wand der Zylinderbohrung durch den erfindungsgemäßen Kern (Fig. 3) mit intensiver Wärmeabfuhr stark abgekühlt, so daß bei entsprechender chemischer Zusammensetzung des Graugusses die gewünschte Struktur mit gewünschten mechanischen Eigenschaften und Gasdichte erreicht werden.

Die Intensität der Kühlung durch den erfindungsgemäßen Kern 2 kann durch die Wahl der Stärke der Sandverkleidung 6 am äußeren Umfang des Kernes 2, d. h. durch die Wahl der Dicke der Sandverkleidung, die zwischen der Schmelze und der Metallkühlbüchse 2′ liegt, sowie mit der Wahl der Größe der Masse dieser Metallkühlbüchse 2′ beeinflußt bzw. angepaßt werden.

Mit dieser erfindungsgemäßen Maßnahme wird erreicht, daß die Zylinderwand in der Tiefe von 8-10 mm keine Porosität aufweist, daß die Zylinderwand die erwünschten mechanischen Eigenschaften und die Kühlrippen in ²/₃ ihrer Länge die "graue" Struktur aufweisen.

Erreichte mechanische Eigenschaften der Zylinder

• - Die Härte, gemessen auf dem Querschnitt der Zylinder im Abstand von 3 mm vom inneren Rand der Zylinderbohrung, betrug 200-240 HB.
• - Die Zugfestigkeit einer Zerreißprobe aus dem Zylinder betrug 250-300 N/mm².
• - Die Struktur der Zylinderwand im Abstand von 3 mm vom inneren Rand der Zylinderbohrung: Basis:Perlit mit weniger als 3% Ferrit Graphit:50-100%, Form A, Größe 5-6  0- 50%, Form B, Größe 5-6

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Kerne mit intensiver Kühlwirkung ermöglicht neben dem Erreichen der geforderten Qualität der Zylinder auch eine Ersparnis an Kernsand, eine Reduzierung des Kreislaufmaterials und eine maschinelle, vom Menschenfaktor unabhängige Produktion der Kerne.

Claims (3)

1. Kombinierter Kern zum Gießen der aus Grauguß bestehenden Zylinder von luftgekühlten Verbrennungsmotoren, bestehend aus einem mit einer Außenverkleidung aus porösen feuerfesten Stoffen versehenen metallischen hohlen Kühlkörper mit radialen Gasabführungskanälen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus einer innen- und außenseitig mit aus Gießereisand und Bindemittel verkleideten metallischen Kühlbüchse (2′) besteht, wobei die Gasabführungskanäle (2′′) zur Haftverbindung der inneren und äußeren Schicht der Auskleidung (6′; 6′′) als Sandverbindungsbolzen ausgebildet sind.

2. Vorrichtung zur Herstellung des kombinierten Kerns nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei Teilen (9; 10) mit einem eine Kernauswerferplatte (11) haltenden Boden (14) besteht, der von einem die Büchse (2′) innenzentriert haltenden Dorn (13) durchsetzt ist, während zu deren Außenzentrierung Distanzbolzen (12) vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (13) als Kern zur Herstellung der inneren Sandauskleidung (6′′) dient.