DE3885309T2

DE3885309T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Giessen in einer Giessform und Verfahren zur Herstellung von Maschinenteilen.

Info

Publication number: DE3885309T2
Application number: DE88300217T
Authority: DE
Inventors: Setsumi Hatanaka; Hideaki Ikeda; Masahiro Inoue; Masatoshi Kawaguchi; Masaaki Kurosawa; Nobuki Matsuo; Tadao Nagaoka; Hiromu Okunishi; Hiroshi Onda; Takeshi Ooba; Norio Tajima; Hiroshi Yoshinaga
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1987-01-12
Filing date: 1988-01-12
Publication date: 1994-03-03
Anticipated expiration: 2008-01-13
Also published as: US5065810A; EP0275177A3; US4971134A; CA1315955C; DE3885309D1; EP0275177B1; EP0275177A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Formgußverfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens verwendete Formgußvorrichtung, sowie ein Verfahren zur Herstellung mechanischer Teile durch Anwendung des Formgußverfahrens.
Es ist ein herkömmliches Formgußverfahren bekannt, bei dem ein Temperaturgradient an eine Form gelegt wird um eine gerichtete Verfestigung zu erzielen, wobei aber der Zeitpunkt des Lösens eines Gußstücks von der Form in keiner Weise angesprochen wird (siehe offengelegte japanische Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 82746/86 und auch das US-Patent 4,162,700, auf welchem die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 13 basieren und welches eine Anordnung zum wahlweisen Erwärmen verschiedener Bereiche oder wahlweisen Abkühlen verschiedener Bereiche einer Form zeigt).
Kapitel 20 aus "The Making, Shaping and Treating of Steel", W.T. Langford, Jr., et al. 10. Ausgabe, Association of Iron and Steel Engineers, Pittsburgh, USA, offenbart das Lösen von Gußblöcken von Formen, während das Zentrum der Gußblöcke immer noch geschmolzen ist. Der Zeitpunkt des Lösens eines Gußteils von einer Form wird wiederum nicht angesprochen.
Wenn ein Gußerzeugnis durch einen Gießvorgang bei Verwendung einer Form zur Verbesserung der Produktivität desselben erhalten wird, stößt man auf die folgenden Probleme: wegen eines hohen Wärmeübertragungskoeffizienten der Form und der Form des Erzeugnisses sind die Verfestigung und das Schrumpfen des Gußerzeugnisses in bestimmten Bereichen stark beschleunigt, so daß ein Abschnitt des Erzeugnisses durch die Form zurückgehalten wird, woraus sich thermische Rißbildung des Erzeugnisses und Beschädigung der Form ergibt, z.B. Verformung und Abnutzung.
Um ein Erzeugnis ohne Gießfehler, z.B. Hohlräume vorzusehen, ist es notwendig, entsprechende Maßnahmen zu ergreifen, im Stand der Technik aber wurden keine speziellen Maßnahmen ergriffen.
Zum Erhalten eines Erzeugnisses mit einem ersten geformten Abschnitt härterer Struktur und einem zweiten geformten Abschnitt weicherer Struktur in einem Gießverfahren unter Verwendung einer Form, besteht eine im Stand der Technik verwendete Prozedur darin, einen Formungsbereich der Form für den ersten geformten Abschnitt schnell mit Wasser zu kühlen und ein schnelles Abkühlen eines Formungsbereichs der Form für einen zweiten geformten Abschnitt durch einen Block zu verhindern, der aus einem Material wie z.B. Muschelsand geformt ist.
Das Verfahren des Stands der Technik ist mit dem folgenden Problem behaftet: die thermische Isolierung zwischen den ersten und den zweiten geformten Abschnitten wird nicht bewußt berücksichtigt, so daß dazwischen Wärmeübertragung stattfindet, wobei die Art und Weise einer solchen Wärmeübertragung nicht gleichmäßig ist. Daher sind die Strukturen der beiden geformten Abschnitte von der beabsichtigten Struktur weit entfernt.
Bei einem Gußerzeugnis mit einem dünneren Abschnitt und einem mit diesem dünneren Abschnitt integral verbundenen dickeren Abschnitt gibt es das Problem, daß sich die Abkühlraten der beiden Abschnitte voneinander unterscheiden, wodurch das Lösen eines resultierenden Erzeugnisses von einer Form zu einem Zeitpunkt, der für den dünneren Abschnitt geeignet ist, dazu führt, daß der dickere Abschnitt zu dem Zeitpunkt des Lösens keine ausreichende Formhalteeigenschaft aufweist, wohingegen beim Lösen des resultierenden Erzeugnisses zu einem Zeitpunkt, der für den dickeren Abschnitt geeignet ist, die Bildung thermischer Risse in dem dünneren Abschnitt ermöglicht wird.
Darüberhinaus ist es bei der Erzeugung eines mechanischen Rohlingteils in einem Gußverfahren unter Verwendung einer Form notwendig, dessen Gestalt zu korrigieren, wenn eine Verformung, eine Biegung o. dgl. in dem resultierenden von der Form gelösten mechanischen Rohlingteil erzeugt werden. Nachdem das mechanische Rohlingteil abgekühlt ist, hat es jedoch eine geringe Duktilität, wodurch eine großformatige Gestaltkorrektur- oder Einrichteinrichtung mit einer höheren Drückkraft vorgesehen werden muß, wodurch sich eine Kostenerhöhung bei der Ausstattung ergibt und zusätzlich eine zu einem fehlerhaften Erzeugnis führende Rißbildung o. dgl. erzeugt werden kann.
Weiterhin ist es zum effizienten Erzeugen eines hochfesten Gießerzeugnisses mit einer feinen Struktur durch eine schnelle Verfestigung von geschmolzenem Metall unter Verwendung eines hohen Wärmeübertragungskoeffizienten einer Form nötig, die Gießrate zu erhöhen, um ein Mißlingen des Fließens des geschmolzenen Metalls zu verhindern. Das Vergrößern der Gießrate jedoch erzeugtr Gußdefekte, z.B. Hohlräume und Nadellöcher, in dem resultierenden Erzeugnis, da das geschmolzene Metall dazu neigt, Schlacke und Gas in sich aufzunehmen. Selbst wenn ein Schlackenentfernabschnitt in einem mit einem Hohlraum in Verbindung stehenden Durchlaß für geschmolzenes Metall vorgesehen ist, wird ein Schlackenentferneffekt kaum erreicht, da das geschmolzene Metall innerhalb des Schlackenentfernabschnitts schnell verfestigt werden kann, um eine verfestigte Schicht zu bilden.
Es ist auch eine zum Formen einer Einbuchtung in einem resultierenden Erzeugnis einen konvexen Formungsabschnitt umfassende Form bekannt, wobei bei dieser herkömmlicherweise bekannten Form der Körper und der konvexe Formungsabschnitt integral aus dem gleichen Material geformt sind (siehe japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 8382/80).
Der vorerwähnte konvexe Formungsabschnitt kann durch den Fluß von geschmolzenem Metall abgenutzt sein oder wegen einer Adhäsionskraft des Gießerzeugnisses, die mit dessen Verfestigung und Schrumpfung einhergeht, beschädigt sein. Wenn der Formkörper und der konvexe Formungsabschnitt wie oben erwähnt integral geformt sind, muß deshalb ein Reparaturvorgang in großem Maßstab durch Schweißen, maschinelle Bearbeitung o. dgl. bei dem Formkörper ausgeführt werden. Ein solcher Reparaturvorgang ist sehr schwierig und bringt eine Verringerung der Produktionseffizienz mit sich.
Um darüberhinaus das Abzweigen von Gas in geschmolzenes Metall zu verhindern, ist es eine übliche Praxis eine in einen Hohlraum in einer Form geöffnete Entgasungsöffnung vorzusehen oder einen Gasentlüftungsschlitz in einer geteilten Fläche einer Form vorzusehen.
Bei der obigen Form jedoch ist ein Gasentlüftungseffekt nach Gießen gering, da das geschmolzene Metall eintritt und sich in dem Entgasungsloch oder Schlitz verfestigt, obwohl Gas in dem Hohlraum von dem geschmolzenen Metall vor Gießen hinausgedrängt und entfernt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Formgußverfahren und eine Formgußvorrichtung zur Verwendung bei der Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, bei welchen eines oder mehrere der erwähnten Probleme vermieden sind.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Formgußverfahren geschaffen, welches umfaßt Einführen von geschmolzenem Metall in einen Hohlraum einer Form, welche wenigstens teilweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist, Steuern der Temperatur der Form, um ein in der Form gegossenes mechanisches Teil oder Bauteil zu erhalten, und nach Einführen des geschmolzenen Metalls schnelles Abkühlen der Oberfläche des mechanischen Teils oder Bauteils in Kontakt mit der Form, um eine schalenartige, verfestigte Schicht auf dem Teil oder Bauteil auszubilden, und gekennzeichnet ist durch den Schritt des Lösens des erhaltenen mechanischen Teils oder Bauteils von der Form, wenn die verfestigte Schicht an der Oberfläche des mechanischen Teils oder Bauteils gebildet wurde, der innere Bereich des mechanischen Teils oder Bauteils aber sich noch nicht verfestigt hat und wenn die verfestigte Schicht eine erhöhte Temperatur aufweist, deren Wert mit dem Material des Teils oder Bauteils derart korreliert ist, daß thermische Rißbildung des mechanischen Teils oder Bauteils im wesentlichen vermieden ist und Adhäsion zwischen dem Teil oder Bauteil und der Form minimiert ist, wodurch die Form minimaler Beschädigung aufgrund von Verfestigung und Schrumpfen des gegossenen mechanischen Teils oder Bauteils unterworfen wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfaßt eine Formgußvorrichtung eine Form zum Erhalten eines mechanischen Teils oder Bauteils durch Gießen, wobei die Form wenigsten teilweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist und einen Hohlraum mit verschiedenen Abschnitten zum Gießen verschiedener Abschnitte des mechanischen Teils oder Bauteils beinhaltet, und ein Abkühlungs/Erwärmungskreissystem für die Form wnd ist dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlungs/Erwärmungskreissystem einen wenigstens einem der Abschnitte des mechanischen Teils oder Bauteils zugeordneten Abkühlkreis, einen einem anderen (2d) der Abschnitte des mechanischen Teils oder Bauteils zugeordneten, von dem Abkühlkreis getrennten und unabhängigen Erwärmungskreis, ein mit dem Abkühlkreis verbundenes Abkühl-Temperatursteuermittel und ein mit dem Erwärmungskreis verbundenes Erwärmungs-Temperatursteuermittel umfaßt, wobei das Erwärmungs-Temperatursteuermittel konstruiert ist, den Erwärmungskreis zu aktivieren, einen ersten Abschnitt der verschiedenen Abschnitte der Form vor Einführen von geschmolzenem Metall in die Form zu erwärmen und weiterhin eine Ausgabeleistung von dem Erwärmungskreis nach Beginn des Einführens des geschmolzenen Metalls in die Form zu verringern, wobei ferner das Abkühl-Temperatursteuermittel konstruiert ist, den Abkühlkreis zu aktivieren, einen zweiten Abschnitt der verschiedenen Abschnitte der Form nach Einführen des geschmolzenen Metalls in die Form abzukühlen, um die Oberfläche von dem wenigstens einen dem Abkühlkreis zugeordneten Abschnitt des gegossenen mechanischen Teils oder Bauteils schnell abzukühlen, um eine schalenartige, verfestigte Schicht auf dem letzteren Abschnitt zu formen.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie sie in die Tat umgesetzt werden kann, wird im folgenden beispielhaft Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, in denen:
die Figuren 1 bis 3 eine erste Formgußvorrichtung zum Gießen eines Gußeisennockenwellenrohlings zeigen, wobei
Figur 1 eine perspektivische Ansicht der gesamten Vorrichtung ist;
Figur 2 eine in einer durch einen Pfeil 2-2 in Fig. 1 angedeuteten Richtung gesehene Ansicht ist;
Figur 3 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 3-3 in Figur 2 ist;
Figur 4 eine Vorderansicht eines Nockenwellenrohlings ist;
Figur 5 ein Gleichgewichtszustandsdiagramm eines Fe-C-Systems ist;
Figur 6 ein Diagramm ist, welches eine Beziehung zwischen der Temperatur einer Oberflächenschicht von einem Gußeisennockenwellenrohlingmaterial und der nach Gießen von geschmolzenem Metall verstrichenen Zeit darstellt;
Figur 7 eine Querschnittsansicht einer Einrichtvorrichtung ist;
Figur 8 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 8-8 in Figur 7 ist;
Figur 9 ein Diagramm ist, welches eine Beziehung zwischen der Temperatur des Nockenwellenrohlingmaterials und der Zugfestigkeit desselben darstellt;
die Figuren 10 bis 12 eine zweite Formgußvorrichtung zum Gießen eines Gußstahlnockenwellenrohlings zeigen, wobei
Figur 10 eine perspektivische Ahsicht der gesamten Vorrichtung ist;
Figur 11 eine in einer durch einen Pfeil 11-11 in Figur 10 angedeuteten Richtung gesehene Ansicht ist;
Figur 12 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 12-12 in Figur 11 ist;
Figur 13 eine Vorderansicht eines Nockenwellenrohlings ist;
Figur 14 ein Diagramm ist, welches eine Beziehung zwischen der Temperatur einer Oberflächenschicht von einem Gußstahlnockenwellenrohlingmaterial und der nach Gießen von geschmolzenem Material verstrichenen Zeit darstellt;
Figur 15 ein Gleichgewichtszustandsdiagramm eines Al-Si Systems ist;
Figur 16 ein Diagramm ist, welches eine Beziehung zwischen der Temperatur einer Oberflächenschicht eines Nockenwellenrohlingmaterials eines Aluminiumlegierungsgußstücks und der nach Gießen von geschmolzenem Material verstrichenen Zeit darstellt;
die Figuren 17 bis 19 eine dritte Formgußvorrichtung zum Gießen eines Gußeisennockenwellenrohlings zeigen, wobei
Figur 17 eine Ansicht der gesamten Vorrichtung ist;
Figur 18 eine in einer durch einen Pfeil 18-18 in Figur 17 angedeuteten Richtung gesehene Ansicht ist;
Figur 19 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 19-19 in Figur 18 ist;
Figur 20 ein Diagramm ist, welches eine Beziehung zwischen der Temperatur einer Form und der seit dem Beginn des Gießens von geschmolzenem Metall für einen Gußeisennockenwellenrohling verstrichenen Zeit darstellt;
die Figuren 21A und 21B Mikrophotographien sind, welche jeweils eine metallographische Struktur eines Gußeisennockenwellenrohlings zeigen;
die Figuren 22 bis 24 eine vierte Formgußvorrichtung zum Gießen eines Nockenwellenrohlings als Stahlgußerzeugnis zeigen, wobei
Figur 22 eine Ansicht der gesamten Vorrichtung ist;
Figur 23 eine in einer durch einen Pfeil 23-23 in Figur 22 angedeuteten Richtung gesehene Ansicht ist;
Figur 24 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 24-24 in Figur 23 ist;
Figur 25 ein Diagramm ist, welches eine Beziehung zwischen der Temperatur einer Form und der seit dem Beginn des Gießens von geschmolzenem Metall für einen Gußstahlnockenwellenrohling verstrichenen Zeit ist;
Figur 26 ein Diagramm ist, welches eine Beziehung zwischen der Temperatur einer Form und der seit dem Beginn des Gießens von geschmolzenem Metall für einen Nockenwellenrohling aus einer Aluminiumlegierung verstrichenen Zeit ist;
die Figuren 27 bis 29 eine fünfte Formgußvorrichtung zum Gießen eines Gußeisennockenwellenrohlings zeigen, wobei
Figur 27 eine längsgeschnittene Vorderansicht der Vorrichtung ist;
Figur 28 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Form ist;
Figur 29 eine in der Richtung eines Pfeils 29 in Figur 28 gesehene Ansicht ist;
die Figuren 30 bis 32 eine sechste Formgußvorrichtung zum Gießen eines Gußstahlnockenwellenrohlings zeigen, wobei
Figur 30 eine längsgeschnittene Vorderansicht der Vorrichtung ist;
Figur 31 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Form ist;
Figur 32 eine in der Richtung eines Pfeils 32 in Figur 31 gesehene Ansicht ist;
die Figuren 33 bis 38 eine siebte Formgußvorrichtung zum Gießen eines Gußeisennockenwellenrohlings zeigen, wobei
Figur 33 eine perspektivische Ansicht von Details der Vorrichtung ist;
Figur 34 eine in der Richtung eines Pfeils 34-34 in Figur 33 gesehene Ansicht ist;
Figur 35 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 35-35 in Figur 34 ist;
Figur 36 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 36-36 in Figur 34 ist;
Figur 37 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 37-37 in Figur 34 ist;
Figur 38 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 38-38 in Figur 37 ist;
die Figuren 39A und 39B Mikrophotographien sind, welche jeweils eine metallographische Struktur eines Gußeisennockenwellenrohlings zeigen;
die Figuren 40 bis 42 eine achte Formgußvorrichtung zum Gießen eines Gußeisengelenkarmrohlrings zeigen, wobei
Figur 40 eine aufgebrochene Vorderansicht von Details im Querschnitt ist, wenn die Form offen ist;
Figur 41 eine gebrochene Vorderansicht von Details im Querschnitt während des Gießens ist;
Figur 42 eine vergrößerte Ansicht der in Figur 41 gezeigten Details ist;
Figur 43 ein Diagramm ist, welches eine Beziehung zwischen der nach Gießen von geschmolzenem Metall verstrichenen Zeit und der thermischen Expansion der Form bzw. der Schrumpfung des Gelenkrohlingmaterials darstellt, wenn ein beweglicher Kern nicht gekühlt wird;
Figur 44 ein Figur 43 ähnliches Diagramm ist, wobei der bewegliche Kern gekühlt wird,
Figur 45 ein Diagramm ist, welches eine Beziehung zwischen der nach Gießen von geschmolzenem Metall verstrichenen Zeit und der Temperatur einer Form bzw. eines Gelenkarmrohlingmaterials darstellt;
Figur 46 eine Figur 2 ähnliche Vorderansicht einer Form ist;
Figur 47 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 47-47 in Figur 46 ist;
die Figuren 48A und 48B Ansichten sind, welche jeweils zwei Typen von hitzebeständigen Elementen zeigen;
Figur 49 eine Querschnittsansicht von Details einer anderen Form ist;
Figur 50 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 50-50 in Figur 49 ist;
Figur 51 eine Figur 2 ähnliche Vorderansicht einer Form ist;
Figur 52 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 52-52 in Figur 51 ist;
Figur 53 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang einer Linie 53-53 in Figur 51 ist;
Figur 54 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang einer Linie 54-54 in Figur 53 ist;
die Figuren 55A und 55B perspektivische Ansichten sind, welche jeweils zwei Typen von hitzebeständigen Elementen zeigen;
Figur 56 eine Figur 2 ähnliche Vorderansicht einer Form ist; und
Figur 57 eine vergrößerte Ansicht von Details der in Figur 56 gezeigten Form ist.

[I] Gußeisennockenwellenherstellung

(i) Gießen eines Nockenwellenrohlings

Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine Formgußvorrichtung M1 umfassend eine Form 1. Die Vorrichtung M1 wird verwendet, um einen in Figur 4 gezeigten Nockenwellenrohling für eine Brennkraftmaschine (mechanisches Rohlingsteil) 2&sub1; zu gießen.
Der in Figur 4 gezeigte Nockenwellenrohling 2&sub1; ist allgemein bekannt und umfaßt eine Mehrzahl von Gruppen von Nockenabschnitten 2a, von denen benachbarte eine Gruppe bilden, Kurbelzapfenabschnitte 2b, welche jeweils zwischen den benachbarten Nockenabschnitten 2a und an entgegengesetzten Enden des Nockenwellenrohlings 2&sub1; angeordnet sind, Kragenabschnitte 2c, von denen jeder zwischen den benachbarten Nockenabschnitten 2a und Kurbelzapfenabschnitten 2b angeordnet ist, und Abschnitte mit kleinerem Durchmesser 2d, welche jeweils außerhalb der Nockenabschnitte 2a an den entgegengesetzten Enden und zwischen den benachbarten Gruppen der Nockenabschnitte 2a angeordnet sind.
Die Form 1 ist aus einer Cu-Cr Legierung geformt, welche 0,8 bis 4 Gew.-% Cr enthält und eine Wärmeleitfähigkeit von 0,4 bis 0,8 kal/cm/sek/ºC aufweist.
Die Form 1 ist aus einem ersten Form-Teil 1&sub1; und einem zweiten Form-Teil 1&sub2; als geteilter Typ konstruiert und wird durch eine nicht gezeigte Betätigungseinrichtung geöffnet und geschlossen. Formflächen des ersten und zweiten Form-Teils 1&sub1; und 1&sub2; bilden einen Einguß 3, einen Hauptkanal, einen Einlauf 5, einen Nockenwellenrohlings-Formungshohlraum 6 und ein Entlüftungsloch 7.
Jedes der ersten und zweiten Form-Teile 1&sub1; und 1&sub2; weist einen Erwärmungskreis 8, einen Abkühlkreis 9 und Ausstoßmittel 10 auf. Da diese Abschnitte für die beiden Form-Teile 1&sub1; und 1&sub2; im wesentlichen dieselben sind, wird die Beschreibung derselben für das erste Form-Teil 1&sub1; durchgeführt.
Der Erwärmungskreis 8 umfaßt eine Mehrzahl von das erste Form-Teil 1&sub1; durchlöchernde Einführungslöcher 11 und stabförmige Heizelemente 12, von denen jedes in eines der Einführungslöcher 11 eingeführt und gehalten ist. Jedes der Einführungslöcher 11 ist derart angeordnet, daß ein Abschnitt derselben in der Nähe eines Bereichs in dem ersten Form-Teil 1&sub1; zum Ausformen jedes der Abschnitte mit kleinerem Durchmesser 2d des Nockenwellenrohlings 2&sub1; liegt.
Der Abkühlkreis 9 umfaßt einen horizontal in einem oberen Abschnitt des Form-Teils 1&sub1; ausgebildeten Eingangskanal 14, einen in einem mittleren Abschnitt des ersten Form-Teils horizontal ausgebildeten Ausgangskanal 15 und eine Mehrzahl von Verbindungskanälen 16&sub1; und 16&sub2;, welche in dem ersten Form-Teil 1&sub1; ausgebildet sind, um sich horizontal und vertikal zueinander in sich kreuzender Beziehung zu erstrecken, um den Eingangskanal 14 und den Ausgangskanal 15 derart zu verbinden, daß in den Eingangskanal 14 eingeführtes Kühlwasser durch die einzelnen Verbindungskanäle 16&sub1; und 16&sub2; hindurchgeführt und aus dem Ausgangskanal 15 ausgelassen werden kann. Der Eingangskanal 14, der Ausgangskanal 15 und der einzelne horizontale Verbindungskanal 16&sub1; sind derart angeordnet, daß ein Abschnitt von jedem von ihnen in der Nähe eines Bereichs des ersten Form-Teils 1&sub1; zum Ausformen einer Nase 2e liegen kann, welche ein hartgegossener Abschnitt des resultierenden Nockenabschnitts 2a ist.
Jedes der Heizelemente 12 in dem Erwärmungskreis 8 ist mit einem Erwärmungs-Temperatursteuermittel 17 verbunden, welches eine Funktion zum Aktivieren des Erwärmungskreises 8 vor Eingießen von geschmolzenem Metall hat, d.h. jedes Heizelement 12 erregt, um das erste Form-Teil 1&sub1; zu erwärmen, und den Erwärmungskreis 8 nach Beginn des Eingießens deaktiviert, d.h. jedes Heizelement 12 entregt.
Da das einzelne Heizelement 12 von dem die Nase 2e ausformenden Bereich des ersten Form-Teils 1&sub1; beabstandet ist, ist die Temperatur dieses Bereichs niedriger als diejenige anderer Bereiche während des Erwärmens. Natürlich ist jedes der Heizelemente 1&sub2; in dem zweiten Form-Teil 1&sub2; auch mit dem Erwärmungs-Temperatursteuermittel 17 verbunden.
Der Einlaßkanal 14 und der Auslaßkanal 15 des Abkühlkreises 9 sind mit einem Abkühl-Temperatursteuermittel 18 verbunden, welches eine Funktion zum Aktivieren des Abkühlkreises 9 nach Beginn des Eingießens hat, d.h. daß es zuläßt, daß Kühlwasser durch den Abkühlkreis 9 fließt, um das erste Form-Teil 1&sub1; zu kühlen, wodurch die sich mit dem ersten Form-Teil 1&sub1; in Kontakt befindende Oberflächenschicht des resultierenden Nockenwellenrohlings 2&sub1; schnell abgekühlt wird, so daß sie in eine schalenartige verfestigte Schicht umgewandelt wird.
Während des Abkühlens ist es möglich, die Nase 2e schnell abzukühlen, um ein verlässliches Abschrecken derselben zu erreichen, da der Einlaßkanal 14, der Auslaßkanal 15 und die einzelnen horizontalen Verbindungskanäle 16&sub1; in der Nähe des die Nase 2e formenden Bereichs des ersten Form-Teils 1&sub1; angeordnet sind und auch weil dieser Bereich eine niedrigere Temperatur hat als die anderen Bereiche im Erwärmungsstadium. Natürlich ist der Abkühlkreis 9 des zweiten Form-Teils 1&sub2; auch mit dem Abkühl-Temperatursteuermittel 18 verbunden.
Das Ausstoßmittel 10 umfaßt eine Mehrzahl von Stiften 19, eine Trägerplatte 20 zum Halten der einen Enden der Stifte 19 und ein mit der Trägerplatte 20 verbundenes Betätigungselement 21. Jeder der Stifte 19 ist verschiebbar in einem der Einführungslöcher 22 aufgenommen, welche in dem ersten Form-Teil 1&sub1; vorgesehen sind und sich in den Einguß 3, den Hauptkanal 4 und den Hohlraum 6 öffnen. In dem Hohlraum 6 ist eine Öffnung jedes Einführungsloches 22 in einem Bereich zum Ausformen jedes Kurbelzapfenabschnitts 2b des resultierenden Nockenwellenrohlings 2&sub1; angeordnet.
Im folgenden wird ein Vorgang zum Gießen eines Nockenwellenrohlings 2&sub1; in der im vorhergehenden beschriebenen Formgußvorrichtung M1 beschrieben.
Zuerst wird geschmolzenes Metall einer Kokillengußeisenlegierung vorbereitet, welches in Tabelle 1 angegebenen Bestandteile enthält. Tabelle 1 Chemische Bestandteile (Gew.-%)
Die Kokillengußeisenlegierung hat eine Zusammensetzung, wie sie durch eine Linie A1 in einem in Figur 5 gezeigten Gleichgewichsphasendiagramm angedeutet ist, mit einer eutektischen Kristallinie oder eutektischen Temperatur Le1, welche die Linie A1 bei annähernd 1150ºC schneidet.
Die Form 1 wird durch den Erwärmungskreis 8 vor Eingießen des geschmolzenen Metalls erwärmt, wobei ein Bereich zum Ausformen des Abschnitts mit kleinerem Durchmesser 2d auf ungefähr 450ºC gehalten wird und der Bereich zum Ausformen der Nase 2e auf 150ºC liegt. Das vorerwähnte geschmolzene Metall wird bei einer Temperatur in einem Bereich von 1380 bis 1420ºC in die Form 1 eingefüllt, um einen Nockenwellenrohling 2&sub1; zu gießen. Die Menge des zu diesem Zeitpunkt eingefüllten geschmolzenen Metalls beträgt 5 kg.
Wenn die Form 1 wie oben beschrieben vorher erwärmt wurde, wird das Laufen des geschmolzenen Metalls während des Einfüllens verbessert und es ist möglich, Rißbildung des resultierenden Nockenwellenrohlings usw. wegen des schnellen Abkühlens des geschmolzenen Metalls zu vermeiden.
Nachdem das Einfüllen begonnen hat, wird das Erwärmen der Form 1 durch den Erwärmungskreis 8 gestoppt und gleichzeitig damit begonnen, die Form 1 durch den Abkühlkreis 9 abzukühlen.
Figur 6 stellt einen Temperaturabfall der Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub1; in Kontakt mit der Form 1 abhängig von der nach dem Einfüllen verstrichenen Zeit dar.
Die Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub1; wird durch eine Abkühlwirkung der Form schnell abgekühlt und wenn die Temperatur der Oberflächenschicht auf ungefähr 1150ºC (eutektische Temperatur oder eutektische Kristallinie Le1), durch einen Punkt a&sub1; angezeigt, gefallen ist, wird der Nockenwellenrohling 2&sub1; verfestigt, wobei die Oberflächenschicht desselben in eine schalenartige verfestigte Schicht umgewandelt wird.
Wenn in diesem Fall die Temperatur der Oberflächenschicht niedriger als 700ºC, angezeigt durch einen Punkt a&sub5;, ist, wird befürchtet, daß thermische Rißbildung in dem resultierenden Nockenwellenrohling 2&sub1; erzeugt werden kann. Wenn die Temperatur der Oberflächenschicht niedriger ist als 800ºC, angezeigt durch einen Punkt a&sub4;, wird darüberhinaus befürchtet, daß wegen des Verfestigungsschrumpfens des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub1; Adhäsion des resultierenden Nockenwellenrohlings 2&sub1; an der Form 1 u. dgl. erzeugt werden kann und Schäden, z.B. Verformung und Abnutzung der Form 1, verursachen kann.
Daraufhin wird die Form geöffnet und das Ausstoßstiftmittel 10 betätigt, um den resultierenden Nockenwellenrohling 2&sub1; von der Form zu lösen, wenn die Temperatur der Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub1; eine Temperatur von 950ºC, angezeigt durch einen Punkt a&sub2; bis 850ºC, angezeigt durch einen Punkt a&sub3;, in ungefähr 3 bis ungefähr 8 Sekunden nach Eingießen erreicht hat.
Der durch das obige Verfahren geschaffene Nockenwellenrohling 2&sub1; weist keine erzeugten thermischen Risse auf, und die Form 1 wird in keiner Weise beschädigt. Darüberhinaus ist der Nockenwellenrohling 2&sub1; durch die schalenartige verfestigte Schicht bedeckt, wodurch Verformung beim Lösen des Rohlings weitestgehend Äußerste unterdrückt wird.
Darüberhinaus wird die Nase 2e von jedem Nockenabschnitt 2a bestimmt abgeschreckt, da der Bereich der Form 1 zum Ausformen der Nase 2e auf eine relativ geringe Temperatur erwärmt wurde und im Abkühlstadium schnell abgekühlt wurde.
Der optimale Zeitpunkt zum Lösen des Nockenwellenrohlings 2&sub1; aus der im vorhergehenden erwähnten Kokillengußeisenlegierung ist dann, wenn die Temperatur der Oberflächenschicht desselben in einem Bereich von ca. 1150 bis 800ºC liegt und deshalb zwischen der eutektischen Temperaturlinie und 350ºC darunter, wobei Experimente deutlich machten, daß das gleiche gilt, wenn andere Gußeisen, z.B. ein sphärisches Graphitgußeisen verwendet werden.

(ii) Festsetzen der Gestalt des Nockenwellenrohlings

Die Figuren 7 und 8 zeigen eine Gestaltkorrektur- oder Festsetzungsvorrichtung 25, welche ein oberes Drückelement 25&sub1; und ein unteres Drückelement 252 umfaßt. Jedes der Drückelemente 25&sub1; und 25&sub2; umfaßt in seinem longitudinal mittigen Abschnitt und an gegenüberliegenden Enden Drückabschnitte 27&sub1;, 27&sub2;, welche jeweils eine V-Nut 26&sub1;, 26&sub2; aufweisen, die geeignet ist, mit jeder der äußeren Umfangsoberflächen des Abschnitts mit kleinerem Durchmesser 2d im zentralen Abschnitt des Nockenwellenrohlings 2&sub1; und mit den Kurbelzapfenabschnitten 2b an den entgegengesetzten Enden des Nockenwellenrohlings 2&sub1; in Eingriff zu treten.
Der sich unmittelbar nach Lösen auf einer hohen Temperatur befindende Nockenwellenrohling 2&sub1; wird zwischen beide Drückelemente 25&sub1; und 25&sub2; geklemmt und durch Anlegen einer Druckkraft durch das obere Drückelement 25&sub1; gedrückt. Diese Drückbehandlung wird einmal oder mehrere Male bei Drehung des Nockenwellenrohlings 2&sub1; durchgeführt, wodurch eine Nockenwelle (mechanisches Teil) geschaffen wird.
Figur 9 zeigt eine Beziehung zwischen der Temperatur und der Zugfestigkeit des Nockenwellenrohlings 2&sub1;. Wenn sich die Temperatur des Nockenwellenrohlings 2&sub1; in einem Bereich von 750 bis 1000ºC befindet, kann der Nockenwellenrohling 2&sub1; leicht verformt werden, so daß das Festsetzen der Gestalt desselben zuverlässig mit einer verhältnismäßig kleinen Drückkraft durchgeführt werden kann.
In dieser Ausführungsform wird der vorerwähnte Festsetzungsschritt unter Bedingungen durchgeführt, bei denen die Drückkraft zwischen 150 und 450 kg bei einer Drückzeit von 5 bis 15 Sekunden liegt, wodurch eine Biegung des Nockenwellenrohlings 2&sub1; korrigiert werden kann, wenn der von der Form gelöste Nockenwellenrohling 2&sub1; gebogen ist. Bei einem Nockenwellenrohling 2&sub1; mit einer Gesamtlänge von 450 mm z.B. kann bei einer Abweichung des Zentrums des zentralen Abschnitts mit kleinerem Durchmesser (ein Durchmesser von 30 mm) von 0,8 mm oder mehr relativ zu einer die Zentren der Kurbelzapfenabschnitte (bei einem Durchmesser von 40 mm) an den gegenüberliegenden Enden verbindenden Linie eine solche Abweichung innerhalb von 0,3 mm korrigiert werden.

[II] Erzeugung einer Gußeisennockenwelle

(i) Gießen des Nockenwellenrohlings

Die Figuren 10 bis 12 zeigen eine Formgußvorrichtung M2, mit einer Form 28. Die Vorrichtung M2 wird verwendet, um einen in Figur 13 gezeigten Nockenwellenrohling 2&sub2; zu gießen.
Die Form 28 ist aus einer Cu-Cr Legierung in der gleichen Art und Weise gebildet, wie oben beschrieben. Die Form 28 ist aus einem ersten Form-Teil 28&sub1; und aus einem zweiten Form-Teil 28&sub2; als geteilter Typ konstruiert und wird durch eine nicht dargestellte Betätigungseinrichtung geöffnet und geschlossen. Die Formoberflächen des ersten und zweiten Form-Teils 28&sub1; und 28&sub2; bilden einen Einguß 29, einen Hauptkanal 30, einen Einlauf 31, einen nockenwellenrohlingsausformenden Hohlraum 32 und ein Entlüftungsloch 33.
Jeder der ersten und zweiten Form-Teile 28&sub1; und 28&sub2; weist einen Erwärmungskreis 34, einen Abkühlkreis 35 und Ausstoßmittel 36 auf. Diese Abschnitte sind für beide Form-Teile 28&sub1; und 28&sub2; dieselben und werden im folgenden deshalb nur für das erste Form-Teil 28&sub1; beschrieben.
Der Erwärmungskreis 34 umfaßt eine Mehrzahl von Einführungslöchern 37, die das erste Form-Teil 28&sub1; durchlöchern und stabförmige Heizelemente 38, die in die entsprechenden Einführungslöcher 37 eingeführt sind, und darin gehalten werden.
Jedes der Heizelemente 38 ist mit einem Erwärmungs-Temperatursteuermittel 39 verbunden, welches eine Funktion zum Aktivieren des Erwärmungskreises 34 vor dem Eingießen von geschmolzenem Metall hat, d.h. jedes der Heizelemente 38 wird erregt um das erste Form-Teil 28&sub1; zu erwärmen, und zum Deaktivieren des Erwärmungskreises 34 nach Beginn des Eingießens hat, d.h. Entregen jedes Heizelements 38. Natürlich ist auch jedes der Heizelemente 38 in dem zweiten Form-Teil 28&sub2; mit dem Erwärmungs-Temperatursteuermittel 39 verbunden.
Der Abkühlkreis 35 umfaßt einen in einem oberen Abschnitt des ersten Form-Teils 28&sub1; ausgebildeten horizontalen Einlaßkanal 40, einen in einem unteren Abschnitt des ersten Form-Teils ausgebildeten horizontalen Auslaßkanal 41 und eine Mehrzahl von in dem ersten Form-Teil 28&sub1; ausgebildeten vertikalen Verbindungskanälen 42 zum Verbinden der Eingangs- und Ausgangskanäle 40 und 41, derart, daß in den Eingangskanal 14 eingeleitetes Kühlwasser durch die einzelnen Verbindungskanäle 42 geleitet werden kann und aus dem Ausgangskanal 41 ausgegeben werden kann.
Der Eingangskanal 40 und der Ausgangskanal 41 sind mit einem Abkühl-Temperatursteuermittel 43 verbunden, welches eine Funktion zum Aktivieren des Abkühlkreises 35 nach Beginn des Eingießens hat, d.h. es wird dem Kühlwasser ermöglicht, durch den Abkühlkreis 35 zu fließen, um das erste Form-Teil 28&sub1; abzukühlen, wodurch die Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub2;, welches in Kontakt mit dem ersten Form-Teil 28&sub1; ist, schnell abgekühlt wird, so daß es in eine schalenartige verfestigte Schicht umgewandelt wird. Natürlich ist der Abkühlkreis 35 des zweiten Form-Teils 28&sub2; auch mit dem Abkühltemperatursteuermittel 43 verbunden.
Die Ausstoßmittel 36 umfassen eine Mehrzahl von Stiften 44, eine Trägerplatte 45 zum Tragen der einen der Enden der Stifte 44 und ein mit der Trägerplatte 45 verbundenes Betätigungselement 46. Jeder der Stifte 44 ist verschiebbar in einem der Einführungslöcher 47 aufgenommen, welche in dem ersten Form-Teil 28&sub1; vorgesehen sind und sich in den Einguß 29, den Hauptkanal 30 und den Hohlraum 32 öffnen.
Im folgenden wird der Vorgang zum Gießen eines Nockenwellenrohlings 2&sub2; in der im vorhergehenden erläuterten Gußformvorrichtung M2 beschrieben.
Fünfzig bis siebzig Gew.-% Schrottmaterial (Stahl) und 50 bis 60 Gew.-% Rückgut werden in einen Hochfrequenzofen als Hauptbeschickung eingegeben und darin aufgelöst und Unterbeschickungen, z.B. C, Fe-Cr, Fe-Mo, Fe-V, etc. werden dazu gegeben, um geschmolzenes Metall mit einer Gußstahllegierungszusammensetzung vorzubereiten, welches einem in Tabelle II angegeben Legierungswerkzeugstahl (JIS SKD-11) entspricht. Tabelle II Chemische Bestandteile ( Gew.-%)
Der obige Legierungsgußstahl liegt in einem Zusammensetzungsbereich A2, der in dem in Figur 5 gezeigten Fe-C Gleichgewichtsphasendiagramm durch einen schräg schraffierten Bereich angezeigt ist, wobei eine Festphasenlinie oder Solidus Ls den Zusammensetzungsbereich A2 bei ungefähr 1250ºC schneidet.
Das geschmolzene Metall wird in einer Inertgasatmosphäre, z.B. Argongas, erhitzt und einer primären Entsäuerung unterzogen, wobei 0,2 Gew.-% Ca-Si, bei einer Temperatur von 1500 bis 1530ºC zugegeben werden, und einer sekundären Entsäuerung, bei der 0,1 Gew.-%, bei einer Temperatur von 1650 bis 1670ºC zugegeben werden.
Die Form 28 wird vorher durch den Erwärmungskreis 34 vor Eingießen auf eine Temperatur von 150 bis 450ºC erwärmt. Das entsäuerte, geschmolzene Metall wird in die Form 28 bei einer Temperatur von 1630 bis 1670ºC eingegossen, um einen Nockenwellenrohling 22 zu gießen. Die Menge von eingegossenem geschmolzenen Metall beträgt zu diesem Zeitpunkt 5,0 kg.
Wenn die Form 28, wie im vorhergehenden beschrieben, vorher erwärmt wurde, wird das Fließen des geschmolzenen Metalls während des Eingießens verbessert und es ist möglich, Rißbildung des resultierenden Nockenwellenrohlings u. dgl. aufgrund des schnellen Abkühlens des geschmolzenen Metalls zu vermeiden.
Nachdem das Eingießen begonnen hat, wird das Erwärmen der Form 28 durch den Erwärmungskreis 34 gestoppt und gleichzeitig damit begonnen die Form 28 durch den Abkühlkreis 35 abzukühlen.
Figur 14 stellt einen Temperaturabfall der sich in Kontakt mit der Form 28 befindenden Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 22 abhängig von der nach dem Eingießen verstrichenen Zeit dar.
Die Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub2; wird durch eine Abkühlwirkung der Form 28 schnell abgekühlt, und dabei wird das Nockenwellenrohlingmaterial 2&sub2; verfestigt, wobei die Oberflächenschicht desselben in eine schalenartige verfestigte Schicht umgewandelt wird, wenn die Temperatur der Oberflächenschicht auf ungefähr 1250ºC (eutektische Kristallinie Le1), durch einen Punkt b&sub1; angezeigt, gefallen ist.
Wenn in diesem Fall die Temperatur der Oberflächenschicht geringer ist als 950ºC, angezeigt durch einen Punkt b&sub5;, wird befürchtet, daß thermische Rißbildung in dem resultierenden Nockenwellenrohling 2&sub2; erzeugt werden kann. Zusätzlich wird befürchtet, daß Adhäsion des resultierenden Nockenwellenrohlings 2&sub2; an der Form 28 u. dgl. wegen des schnellen und großen Verfestigungsschrumpfens des Nockenwellenrohlingmaterials 22 erzeugt werden kann, wenn die Temperatur der Oberflächenschicht geringer ist als 1000ºC, angezeigt durch einen Punkt b&sub4;, wodurch Beschädigungen, z.B. Verformung und Abnutzung der Form 28 hervorgerufen werden.
Wenn danach die Temperatur der Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub2; eine Temperatur von 1200ºC, angezeigt durch einen Punkt b&sub2;, bis 1100ºC, angezeigt durch einen Punkt b&sub3;, in ungefähr 4 bis ungefähr 5 Sekunden nach Eingießen erreicht hat, wird die Form geöffnet und das Ausstoßstiftmittel 36 betätigt, um den resultierenden Nockenwellenrohling 2&sub2; von der Form zu lösen.
Der durch den obigen Vorgang erzeugte Nockenwellenrohling 2&sub2; weist keine darin erzeugten thermischen Risse auf und auch die Form 28 ist in keiner Weise beschädigt. Darüberhinaus ist der Nockenwellenrohling 2&sub2; mit der schalenartigen verfestigten Schicht bedeckt, wodurch Verformung beim Lösen des Rohlings weitestgehend unterdrückt ist.
Der optimale Zeitpunkt zum Lösen des Nockenwellenrohlings 2&sub2;, aus dem im vorhergehenden erwähnten Legierungsgußstahl liegt dann vor, wenn die Temperatur der Oberflächenschicht desselben in einem Bereich von ungefähr 1250 bis 1000ºC und deshalb zwischen der Festphasenlinie oder Solidus Ls und 250ºC darunter liegt, wobei Experimente deutlich gemacht haben, daß das gleiche zutrifft, wenn Kohlenstoffgußstähle verwendet werden.
Die Beschickungsmaterialien, welche zugegeben werden können, beschränken sich nicht auf die dem oben erwähnten Legierungswerkzeugstahl entsprechenden und beinhalten jene, welche von einem aus Schrottmaterial und Rückgut bestehendem Hauptausgangsmaterial bereitet werden, sowohl als auch Unterbeschickungen, welche alleine oder in einer Kombination aus Legierungselementen, z.B. C, Ni, Cr, Mo, V, Co, Ti, Si, Al, etc. derart dazu gegeben werden, daß 0,14 bis 1,8 Gew.-% C enthalten sind.

(ii) Festsetzen der Gestalt des Nockenwellenrohlings

Dieser Festsetzschritt wird unter Verwendung einer Festsetzungsvorrichtung, die der oben beschriebenen ähnlich ist, durchgeführt, wobei aber die Bedingungen dafür eine Temperatur von 950 bis 1200ºC, eine Drückkraft von 150 bis 450 kg und eine Drückzeit von 5 bis 15 Sekunden für den Nockenwellenrohling 2&sub2; sind.

[III] Herstellung einer Nockenwelle aus Aluminiumlegierungsguß

Die Gußformvorrichtung M2 für die oben erwähnte Gußstahlnockenwelle wird zum Gießen eines Nockenwellenrohlings 2&sub2; verwendet. Bei einem Gießvorgang wird zuerst geschmolzenes Metall mit einer Aluminiumlegierungszusammensetzung bereitet, welche der in Tabelle III angegebenen JIS ADC 12 entspricht. Tabelle III Chemische Bestandteile (Gew.-%)
Die Aluminiumlegierung liegt in einem Zusammensetzungsbereich A3 der in dem in Figur 15 gezeigten Al-Si Gleichgewichtsphasendiagramm durch einen schräg schraffierten Bereich angezeigt ist, wobei eine eutektische Temperaturlinie Le2 den obigen Zusammensetzungsbereich A3 bei ungefähr 580ºC schneidet.
Die Form 28 wurde auf eine Temperatur von 100 bis 300ºC durch den Erwärmungskreis 34 vor Eingießen erwärmt. Die geschmolzene Aluminiumlegierung wird in die Form 28 bei einer Temperatur von 700 bis 740ºC eingegossen, um einen Nockenwellenrohling 22 zu gießen. Die Menge des geschmolzenen eingegossenen Metalls ist 2,0 kg.
Wenn die Form 28 wie oben beschrieben vorher erwärmt wurde, wird das Fließen des geschmolzenen Metalls während des Eingießens verbessert und es ist möglich durch schnelle Abkühlung des geschmolzenen Metalls hervorgerufene Rißbildung des resultierenden Nockenwellenrohlings 22 u. dgl. zu vermeiden.
Nachdem das Eingießen begonnen hat, wird das Erwärmen der Form 28 durch den Erwärmungskreis 34 gestoppt und gleichzeitig damit begonnen, die Form 28 durch den Abkühlkreis 35 abzukühlen.
Figur 16 stellt einen Temperaturabfall der Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 22, welches sich in Kontakt mit der Form 28 befindet, abhängig von der nach Eingießen verstrichenen Zeit dar.
Die Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub2; wird durch einen Kühleffekt der Form 28 schnell abgekühlt, und das Nockenwellenrohlingmaterial 2&sub2; wird verfestigt, wobei die Oberflächenschicht desselben in eine schalenartige verfestigte Schicht umgewandelt wird, wenn die Temperatur der Oberflächenschicht auf ungefähr 1250ºC (eutektische Kristallinie Le2), angezeigt durch einen Punkt c&sub1;, abgesunken ist.
Wenn die Temperatur der Oberflächenschicht geringer ist als 280ºC, angezeigt durch einen Punkt c&sub4;, wird in diesem Fall befürchtet, daß in dem resultierenden Nockenwellenrohling 2&sub2; thermische Rißbildung erzeugt werden kann. Darüberhinaus wird auch befürchtet, daß Adhäsion des resultierenden Nockenwellenrohlings 2&sub2; an der Form 28 u. dgl. aufgrund des schnellen und großen Verfestigungsschrumpfens des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub2; erzeugt werden kann, um Schäden, z.B. Verformung und Abnutzung der Form 28, hervorzurufen, wenn die Temperatur der Oberflächenschicht geringer ist als 350ºC, angezeigt durch einen Punkt c&sub3;.
Wenn daraufhin die Temperatur der Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub2; eine Temperatur von 500ºC erreicht hat, angezeigt durch einen Punkt c&sub2;, in ungefähr 4,5 Sekunden nach Eingießen erreicht hat, wird die Form geöffnet und das Ausstoßstiftmittel 36 betätigt, um den resultierenden Nockenwellenrohling 2&sub2; von der Form zu lösen.
Der durch den obigen Vorgang erzeugte Nockenwellenrohling 2&sub2; weist keine darin erzeugten thermischen Risse auf, wobei auch die Form 28 in keiner Weise beschädigt ist. Darüberhinaus ist der Nockenwellenrohling 2&sub2; mit der schalenartigen verfestigten Schicht bedeckt, wodurch eine Verformung beim Lösen desselben weitgehendst unterdrückt ist.
Der optimale Zeitpunkt zum Lösen des Gußstücks aus der vorerwähnten Legierung ist dann, wenn die Temperatur der Oberflächenschicht in einem Bereich von ungefähr 580 bis 350ºC liegt und deshalb zwischen der eutektischen Temperatur Le2 und gerade 230ºC darunter liegt, wobei Experimente deutlich gemacht haben, daß das gleiche, selbst im Fall von Aluminiumlegierungen, z.B. Al-Cu, Al-Zn u. dgl., gilt.

(ii) Festsetzen der Gestalt des Nockenwellenrohlings

Dieser Festsetzschritt wird durch Verwendung einer Einrichtvorrichtung, die der oben beschriebenen ähnlich ist, durchgeführt, die Bedingungen dafür sind aber eine Temperatur von 300 bis 500ºC, eine Drückkraft von 130 bis 300 kg und eine Drückzeit von 5 bis 15 Sekunden für den Nockenwellenrohling 2&sub2;.
Es sollte beachtet werden, daß das Erwärmungs-Temperatursteuermittel 17, 39 derart konstruiert werden kann, daß es eine Funktion des Verringerns der Ausgabeleistung des Erwärmungskreises 8, 34 und deshalb des Verkleinerns eines Erregungsstroms für jedes Heizelement 12, 38 nach Beginn des Eingießens in jedem der oben beschriebenen Gießschritte [I] bis [III] aufweist.

[IV] Gießen eines Nockenwellenrohlings aus Gußeisen

Die Figuren 17 bis 19 zeigen eine Gußformvorrichtung M3, welche eine Form 48 umfaßt. Die Vorrichtung M3 wird dazu benutzt, einen Nockenwellenrohling 2&sub1; als ein Gußeisengießstück, wie in Figur 4 gezeigt, zu gießen.
Die Form 48 besteht aus dem gleichen Material wie unter dem obigen Punkt [I] beschrieben.
Die Form 48 ist aus einem ersten Form-Teil 48&sub1; und einem zweiten Form-Teil 48&sub2; als geteilter Typ konstruiert und wird durch eine nicht gezeigte Betätigungsvorrichtung geöffnet und geschlossen. Die Formoberflächen des ersten und zweiten Form-Teils 48&sub1; und 48&sub2; bilden einen Einguß 49, einen Hauptkanal 50, einen Einlauf 51, einen nNockenwellenrohlingausformenden Hohlraum 52 und ein Entlüftungsloch 53.
Jedes der ersten und zweiten Form-Teile 48&sub1; und 48&sub2; ist mit ersten bis dritten Vorerwärmungsmechanismen 54&sub1; bis 54&sub3;, ersten bis dritten Abkühlmechanismen 55&sub1; bis 55&sub3; und Ausstoßmitteln 56 ausgestattet. Diese Abschnitte sind für beide Form-Teile 48&sub1; und 48&sub2; die gleichen, so daß im folgenden nur jene des ersten Form-Teils 48&sub1; beschrieben werden.
Der erste Vorerwärmungsmechanismus 54&sub1; umfaßt Heizelemente 58&sub1;, wobei jedes in jedem der ersten Bereiche 57&sub1; angeordnet ist, von denen jeder einen nockenabschnittausformenden Bereich 52a in einem hohlraumbildenden Abschnitt 57 des ersten Form-Teils 48&sub1; bildet, und ein erstes Vorerwärmungstemperatursteuermittel 59&sub1;, welches mit den einzelnen Heizelementen 58&sub1; verbunden ist.
Der zweite Vorerwärmungsmechanismus 54&sub1; umfaßt Heizelemente 58&sub2;, von denen jedes in jedem der zweiten Bereiche 57&sub2; angeordnet ist, welche einen Schaftabschnittausformungsbereich 52b zum Formen jedes Kurbelzapfenabschnitts 2b und Bereichs 2d mit kleinerem Durchmesser in dem hohlraumbildenden Abschnitt 57 bilden, und ein zweites Vorerwärmungs-Temperatursteuermittel 59&sub2;, welches mit den einzelnen Heizelementen 58&sub2; verbunden ist.
Der dritte Vorerwärmungsmechanismus 54&sub3; umfaßt eine Mehrzahl von Heizelementen 58&sub3;, welche in einem einen Durchlaß für geschmolzenes Material bildenden Abschnitt 61 des ersten Form-Teils 48&sub1; zum Bilden eines Durchlasses für geschmolzenes Material angeordnet sind, welcher den Einguß 49, den Hauptkanal 50 und den Einlauf 51 umfaßt, und ein drittes Vorerwärmungs-Temperatursteuermittel 59&sub3;, welches mit dem einzelnen Heizelementen 58&sub3; verbunden ist.
Der erste Abkühlmechanismus 55&sub1; umfaßt Kühlwasserkanäle 62&sub1;, von denen jeder angeordnet ist, sich durch jeden der ersten Bereiche 57&sub1; in dem hohlraumbildenden Abschnitt 57 des ersten Form-Teils 48&sub1; zu erstrecken, und ein erstes Abkühl-Temperatursteuermittel 63&sub1;, welches mit den einzelnen Kühlwasserkanälen 62&sub1; verbunden ist.
Der zweite Abkühlmechanismus 55&sub1; umfaßt Kühlwasserkanäle 62&sub2;, von denen jeder sich durch jeden der zweiten Bereiche 57&sub2; in dem hohlraumbildenden Abschnitt 57 erstreckend angebracht ist, und ein zweites Abkühl-Temperatursteuermittel 63&sub2;, welches mit den einzelnen Kühlwasserkanälen 62&sub2; verbunden ist.
Der dritte Abkühlmechanismus 55&sub3; umfaßt eine Vielzahl von Kühlwasserkanälen 62&sub3;, welche sich durch den Abschnitt 61 des ersten Form-Teils 48&sub1;, welcher den Kanal für das geschmolzene Metall bildet, erstreckend angebracht sind, und ein drittes Abkühl-Temperatursteuermittel 63&sub3;, welches mit den einzelnen Kühlwasserkanälen 62&sub3; verbunden ist.
Das Ausstoßmittel 56 umfaßt eine Mehrzahl von Stiften 64, eine Trägerplatte 65 zum Tragen der einen Enden der Ausstoßstifte 64 und ein mit der Trägerplatte 65 verbundenes Betätigungselement 66. Jeder der Stifte 64 ist verschiebbar in einem der Einführungslöcher 67 aufgenommen, welche in dem ersten Form-Teil 48&sub1; vorgesehen sind und sich in den Einguß 49, die Hauptleitung 50 und den Hohlraum 52 öffnen. In den Hohlraum 52 ist in dem schaftabschnittformenden Bereich 52b eine Öffnung jedes Einführungslochs 67 angeordnet.
Die Tätigkeit zum Gießen des Nockenwellenrohlings 2&sub1; in der oben beschrieben Gußformvorrichtung M3 wird beschrieben.
Zuerst wird geschmolzenes Metall mit einer Gußeisenzusammensetzung bereitet, welche der in Tabelle IV angegebenen JIS FC20 bis FC30 entspricht. Tabelle IV Chemische Bestandteile (Gew.-%)
In einem in Figur 5 gezeigten Fe-C Gleichgewichtsphasendiagramm schneidet die eutektischte Temperatur Le1 einen Zusammensetzungsbereich des obigen Gußeisens bei ungefähr 1150ºC.
Zu dem geschmolzenem Metall wird 0, 15 Gew.-% Fe-Si hinzugefügt, so daß der resultierende Nockenwellenrohling 2&sub1; eine in Tabelle V angegebene Zusammensetzung aufweist. Tabelle V Chemische Bestandteile (Gew.-%)
Die Form 48 wird vor Eingießen durch die einzelnen Vorerwärmungsmechanismen 54&sub1; bis 54&sub3; wie in Figur 20 gezeigt, vorgewärmt, so daß die einzelnen Sektionen 57&sub1;, welche die entsprechenden nockenabschnittformenden Bereiche 52a bilden, bei ungefähr 70ºC gehalten werden, wie es durch einen Punkt e1 einer Kurve D1 angezeigt ist; die einzelnen zweiten Abschnitte 57&sub2;, welche die entsprechenden wellenabschnittformenden Bereiche 52b bilden, sind bei ungefähr 120ºC, wie es durch einen Punkt f&sub1; einer Kurve D2 angezeigt ist, und der den Durchlaß für geschmolzenes Metall bildende Abschnitt 61 ist auf ungefähr 110ºC, wie es durch einen Punkt g1 einer Kurve D3 angezeigt ist. Nach Impfen wird das geschmolzene Metall bei einer Temperatur von 1380 bis 1420ºC in die Form 48 eingegossen, um einen Nockenwellenrohling 2&sub1; zu gießen. Die Menge des geschmolzenen eingegossenen Metalls beträgt 5 kg.
Wenn die Form 48 wie oben beschrieben kurz vorher vorgewärmt wurde, wird das Fließen des geschmolzenen Metalls während des Eingießens verbessert und es möglich, Rißbildung u. dgl. des Nockenwellenrohlings 2&sub1; aufgrund des schnellen Abkühlens des geschmolzenen Metalls zu vermeiden.
Wie es durch den Punkt e&sub1; der Kurve D1 in Figur 20 angezeigt ist, wird der erste Abkühlmechanismus 55&sub1; gleichzeitig mit dem Beginn es Eingießens betätigt, wodurch das Abkühlen der einzelnen ersten Abschnitte 57&sub1; begonnen wird, um das geschmolzene Metall äußerst schnell abzukühlen, welches in den einzelnen nockenabschnittformenden Bereichen 52a zur Erzielung des Abschreckens jedes der resultierenden Nockenabschnitte 2a vorhanden ist.
Wie es durch einen Punkt g&sub2; der Kurve D3 in Figur 20 angezeigt ist, wird der dritte Abkühlmechanismus 55&sub3; darüberhinaus genau am Ende des Eingießens betätigt, wodurch das Abkühlen des den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Abschnitts 61 begonnen wird, um die schnelle Verfestigung des sich in dem Durchlaß 60 für geschmolzenes Metall befindenden geschmolzenen Metalls zu einem frühen verfestigten Zustand zu beginnen.
Wenn die Temperatur des einzelnen zweiten Abschnitts 57&sub2; 145 bis 180ºC erreicht hat, d.h. 150ºC, angezeigt durch einen Punkt f&sub2; der Kurve D2 in Figur 20, wird der zweite Abkühlmechanismus 55&sub2; darüberhinaus betätigt, um das Abkühlen der einzelnen zweiten Abschnitte 57&sub2; zu beginnen, um das sich in den einzelnen wellenabschnittformenden Bereichen 52b befindende geschmolzene Metall abzukühlen.
Wie es in Figur 6 zu sehen ist, wird das Nockenwellenrohlingmaterial 2&sub1; verfestigt, wobei seine Oberflächenschicht in eine schalenartige verfestigte Oberflächenschicht umgebildet wird, wenn die Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub1; durch den oben beschriebenen Abkühlwirkung schnell abgekühlt wird, bis die Temperatur desselben auf ungefähr 1150ºC (eutektische Kristallinie Le1), angezeigt durch den Punkt a&sub1;, gefallen ist.
Wenn in diesem Fall die Temperatur der Oberflächenschicht geringer ist als 700ºC, angezeigt durch den Punkt a&sub5;, wird befürchtet, daß in dem resultierenden Nockenwellenrohling 2&sub1; thermische Rißbildung erzeugt werden kann. Wenn die Temperatur der Oberflächenschicht geringer ist als 800ºC, angezeigt durch den Punkt a&sub4;, wird darüberhinaus befürchtet, daß Adhäsion des resultierenden Nockenwellenrohlings 2&sub1; an der Form 48 u. dgl. aufgrund des Verfestigungsschrumpfens des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub2; erzeugt werden kann, um Beschädigung, z.B. Verformung und Abnutzung, der Form 48 hervorzurufen.
Wenn die Temperatur der Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub2; danach 850ºC, angezeigt durch den Punkt a&sub3;, von 950ºC, angezeigt durch den Punkt a&sub2;, in ungefähr 3 bis ungefähr 8 Sekunden nach Eingießen erreicht hat, und wenn die Temperaturen der einzelnen Abschnitte 57&sub1;, 57&sub2; und 61 der Form 48 Bereiche der Punkte e&sub2; bis e&sub3;, Punkte f&sub3; bis f&sub4; und Punkte g&sub3; bis g&sub4; in Figur 20, erreicht haben, wird die Form geöffnet und das Ausstoßstiftmittel 56 betätigt, um den resultierenden Nockenwellenrohling 2&sub1; und durch den Durchlaß 60 für das geschmolzene Metall geformte unnötige Abschnitte von der Form zu lösen.
Danach wird die Temperatur des ersten Abschnitts 57&sub1; auf ungefähr 75ºC abgesenkt, wie es durch die Punkte e&sub4; der Kurve D1 angezeigt ist; die Temperatur des zweiten Abschnitts 57&sub2; ist auf ungefähr 125ºC herunten, wie es durch einen Punkt f&sub5; der Kurve D2 angezeigt ist, und weiterhin ist die Temperatur des den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Abschnitts 61 auf ungefähr 115ºC herunten, wie es durch einen Punkt g&sub5; der Kurve D3 in Figur 20 angezeigt ist, der Betrieb der einzelnen Abkühlmechanismen 55&sub1; bis 55&sub3; wird gestoppt, um das Abkühlen der ersten und zweiten Sektionen 57&sub1; und 57&sub2; und des den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Abschnitts 61 zu stoppen.
Der erste bis dritte Vorerwärmungsmechanismus 54&sub1; bis 54&sub3; sind sogar nach dem Beginn des Eingießens in Betrieb um die Temperaturen der ersten und zweiten Sektionen 57&sub1; und 57&sub2; und des den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Abschnitts 61 zu steuern, wie es durch die Kurven D1 bis D3 angezeigt ist, so daß die Temperaturen der ersten und zweiten Sektionen 57&sub1; und 57&sub2; und des den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Abschnitts 61 unmittelbar auf die vorerwärmten Temperaturen zurückgebracht werden können. Dies ermöglicht den Beginn der darauffolgenden Gießvorgänge.
Der durch das obige Verfahren erzeugte Nockenwellenrohling 2&sub1; weist keine darin erzeugte thermische Rißbildung auf und auch die Form 48 wird in keiner Weise beschädigt. Darüberhinaus ist der Nockenwellenrohling 2&sub2; mit der schalenartigen verfestigten Schicht bedeckt und kann daher während des Lösens desselben nicht verformt werden. Sogar dann, wenn er verformt werden würde, wäre das Ausmaß der Verformung äußerst geringfügig.
Darüberhinaus wird jede erste Sektion 57&sub1; gerade bei Beginn des Eingießens gekühlt, wodurch das sich in jedem nockenabschnittformenden Bereich 52a befindende geschmolzene Metall schnell abgekühlt wird, wodurch sichergestellt wird, daß jeder Nockenabschnitt 2a zuverlässig abgeschreckt werden kann.
Figur 21A stellt eine Mikrophotographie (100 mal) dar, welche eine metallographische Struktur des Nockenabschnitts 2a zeigt und Figur 21B stellt eine Mikrophotographie (100 mal) dar, welche metallographische Strukturen des Kurbelzapfenabschnitts 2b und des Abschnitts mit kleinerem Durchmesser 2d zeigt. In Figur 21A ist es offensichtlich, daß ein weißer länglicher Zementitkristall in der Struktur des Nockenabschnitts 2a beobachtet werden kann, was demonstriert, daß der Nockenabschnitt 2a abgeschreckt ist.
Wenn der hohlraumbildende Abschnitt 57 und der den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildende Abschnitt 61 abgekühlt wurden, bis die Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub1;, wie oben beschrieben eine verfestigte Schicht geworden ist, wird der resultierende Nockenwellenrohling von der Form gelöst. Darüberhinaus macht es nach Lösen ein die Vorerwärmungstemperatur wiederherstellender Betriebsvorgang, der für beide der bildenden Bereiche 57 und 61 durch das oben beschriebene Verfahren durchgeführt wird, möglich, einen Durchgang des Gießverfahrens in einer extrem kurzen Zeit von ungefähr 28 Sekunden zu erreichen, wie es aus Figur 20 hervorgeht, was zu einer Produktionssteigerung führt.
Der optimale Zeitpunkt zum Lösen der Gußeisengußstücke, der den oben beschriebenen JIS FC20 bis FC30 entsprechenden Gußeisen ist dann, wenn die Temperatur der Oberflächenschicht derselben in einem Bereich von ungefähr 1150 bis 800ºC liegt, und daher zwischen der eutektischen Kristallinie Le1 und 350ºC darunter liegt, wobei Experimente deutlich gemacht haben, daß dasselbe sogar in dem Falle von Gußeisengußstücken zutrifft, welche andere Gußeisen, z.B. ein sphärisches Graphitgußeisen, verwenden.
Es ist zu beachten, daß der oben beschriebene Abkühlbetrieb gemäß den Kurven D2 und D3 für ein Gießstück ohne abgeschreckten Bereich durchgeführt wird.

[V] Gießen eines Stahlgußnockenwellenrohlings

Die Figuren 22 bis 24 zeigen eine Formgußvorrichtung M4 mit einer Form 68. Die Vorrichtung M4 wird dazu verwendet einen Nockenwellenrohling 2&sub2;, wie in Figur 13 gezeigt, als ein Stahlgußstück zu gießen.
Die Form 68 wird aus einer Cu-Cr Legierung in derselben Art und Weise wie oben beschrieben geformt. Die Form 68 wird aus einem ersten Form-Teil 68&sub1; und einem zweiten Form-Teil 68&sub2; als geteilter Typ konstruiert und durch eine nicht gezeigte Betätigungseinrichtung geöffnet und geschlossen. Die Formoberflächen der ersten und zweiten Form-Teile 68&sub1; und 68&sub2; bilden einen Einguß 69, einen Hauptkanal 70, einen Einlauf 71, einen nockenwellenrohlingausformenden Hohlraum 72 und ein Entlüftungsloch 73.
Jeder der ersten und zweiten Form-Teile 68&sub1; und 68&sub2; weist erste und zweite Vorerwärmungsmechanismen 74&sub1; und 74&sub2;, erste und zweite Abkühlmechanismen 75&sub1; und 75&sub3; und Ausstoßmittel 76 auf. Diese Abschnitte sind für beide Form-Teile 68&sub1; und 68&sub2; die gleichen und daher werden im folgenden nur die des ersten Form-Teils 68&sub1; beschrieben.
Der erste Vorerwärmungsmechanismus 74&sub1; umfaßt eine Mehrzahl von Heizelementen 78&sub1;, welche in einem hohlraumbildenden Abschnitt 77 des ersten Form-Teils 68&sub1; angeordnet sind, und ein erstes Vorerwärmungs-Temperatursteuermittel 79&sub1;, welches mit den einzelnen Heizelemente 78&sub1; verbunden ist.
Der zweite Vorerwärmungsmechanismus 74&sub3; umfaßt eine Mehrzahl von Heizelementen 78&sub2;, welche in einem den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Abschnitt 81 des ersten Form-Teils 68&sub1; zum Bilden eines Durchlasses für geschmolzenes Metall angeordnet sind, der aus einem Einguß 69, dem Hauptkanal 70 und dem Einlauf 71 besteht, und ein zweites Vorerwärmungs-Temperatursteuermittel 79&sub3;, welches mit den einzelnen Heizelementen 78&sub3; verbunden ist.
Der erste Abkühlmechanismus 75&sub1; umfaßt eine Mehrzahl von Kühlwasserkanälen 82&sub1;, welche sich durch den hohlraumbildenden Abschnitt 77 des ersten Form-Teils 68&sub1; erstreckend angeordnet sind und ein erstes Abkühl-Temperatursteuermittel 83&sub1;, welches mit den einzelnen Kühlwasserkanälen 82&sub1; verbunden ist.
Der zweite Abkühlmechanismus 75&sub3; umfaßt eine Mehrzahl von Kühlwasserkanälen 82&sub2;, welche sich durch den den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Abschnitt 81 des ersten Form-Teils 68&sub1; erstreckend angeordnet sind, und ein zweites Abkühl-Temperatursteuermittel 63&sub3;, welches mit den einzelnen Kühlwasserleitungen 82&sub2; verbunden ist.
Die Ausstoßmittel 76 umfassen eine Mehrzahl von Stiften 84, eine Trägerplatte 85 zum Tragen der einen Enden der Ausstoßstifte 84 und ein mit der Trägerplatte 85 verbundenes Betätigungselement 68. Jeder der Stifte 84 ist verschiebbar in einem der Einführungslöcher 87 aufgenommen, welche in dem ersten Form-Teil 68&sub1; vorgesehen sind und sich in den Einguß 69, den Hauptkanal 70 und den Hohlraum 72 öffnen.
Der Betrieb zum Gießen des Nockenwellenrohlings 2&sub2; in der oben beschriebenen Gußformvorrichtung M4 wird beschrieben.
Ein geschmolzenes Metall der gleichen Stahlgußlegierungszusammensetzung, wie das unter Punkt [II] beschriebene, wird bereitet und ähnlichen primären und sekundären Entsäuerungsbehandlungen unterzogen.
Die Form 68 wird durch beide Vorerwärmungsmechanismen 74&sub1; bis 74&sub2; vor Eingießen, wie in Figur 25 gezeigt, vorerwärmt, so daß der hohlraumbildende Abschnitt 77 auf ungefähr 120ºC gehalten wird, angezeigt durch einen Punkt k&sub1; einer Kurve H1, der den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildende Abschnitt 81 liegt auch auf ungefähr 110ºC, angezeigt durch einen Punkt m&sub1; einer Kurve H&sub2;. Das entsäuerte geschmolzene Metall wird in die Form 68 bei einer Temperatur von 1630 bis 1670ºC eingegossen, um einen Nockenwellenrohling 2&sub2; zu gießen. Die Menge des eingegossenen geschmolzenen Metalls ist zu diesem Zeitpunkt 5,0 kg.
Wenn die Form 68, wie oben beschrieben, kurz vorher vorerwärmt wurde, wird das Fließen des geschmolzenen Metalls während des Eingießens verbessert und es ist möglich, Rißbildung u. dgl. des resultierenden Nockenwellenrohlings 2&sub2; aufgrund des schnellen Abkühlens des geschmolzenen Metalls zu vermeiden.
Wie es durch einen Punkt M2 der Kurve H1 in Figur 25 angezeigt ist, wird der zweite Abkühlmechanismus 75&sub2; gleichzeitig mit dem Beginn des Eingießens betätigt, wodurch das Abkühlen des den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Abschnitts 81 begonnen wird, um die schnelle Verfestigung des geschmolzenen Metalls, welches sich in dem Durchlaß für geschmolzenes Metall 80 befindet, zu einem frühen verfestigten Zustand zu beginnen.
Wenn die Temperatur des hohlraumbildenden Abschnitts 77 darüberhinaus 280 bis 330ºC erreicht hat, z.B. 290ºC, wie es durch einen Punkt k&sub2; der Kurve H1 in Figur 25 angezeigt ist, wird der erste Abkühlmechanismus 75&sub1; betrieben um das Abkühlen des hohlraumbildenden Abschnitts 77 zu beginnen um das sich in dem Hohlraum 72 befindende geschmolzene Metall schnell abzukühlen.
Wie in Figur 6 gezeigt, nimmt der Nockenwellenrohling 2&sub2; einen verfestigten Zustand an, wobei seine Oberflächenschicht zu einer schalenartigen verfestigten Schicht umgewandelt ist, wenn die Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub2; durch den oben beschriebenen Abkühlwirkung schnell abgekühlt wird, so daß die Temperatur desselben auf ungefähr 1250ºC (Soliduslinie Ls), angezeigt durch den Punkt b&sub1;, abfällt.
Wenn die Temperatur der Oberflächenschicht in diesem Fall geringer ist als 950ºC, angezeigt durch den Punkt b&sub5;, wird befürchtet, daß in dem resultierenden Nockenwellenrohling 2&sub2; thermische Rißbildung erzeugt werden kann. Wenn die Temperatur der Oberflächenschicht geringer ist als 1000ºC, angezeigt durch den Punkt b4, wird darüberhinaus befürchtet, daß Adhäsion des resultierenden Nockenwellenrohlings 2&sub2; an der Form 68 u. dgl. aufgrund des schnellen und großen Verfestigungsschrumpfens des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub2; erzeugt werden kann, um Beschädigung, z.B. Verformung und Abnutzung der Form 68, zu bewirken.
Wenn die Temperatur der Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub2; 1100ºC erreicht hat, angezeigt durch den Punkt b&sub2;, von 1200ºC, angezeigt durch den Punkt a&sub3;, in ungefähr 3,5 bis ungefähr 6,5 Sekunden nach Eingießen und wenn darüberhinaus die Temperaturen beider Abschnitte 77 und 81 der Form 68 in dem Bereich der Punkte k&sub3; bis k&sub4; und der Punkte m&sub3; bis m&sub4; in Figur 25 liegen, wird die Form danach geöffnet und das Ausstoßstiftmittel 76 betätigt, um den Nockenwellenrohling 2&sub2; und durch den Durchlaß 80 für geschmolzenes Metall ausgeformte unnötige Abschnitte von der Form zu lösen.
Wenn die Temperatur des hohlraumbildenden Abschnitts 77 bei ungefähr 150ºC herunten ist, angezeigt durch einen Punkt k&sub5; der Kurve H2, und die Temperatur des den Durchlaß für geschmolzenes Metall bildenden Abschnitts 81 bei ungefähr 140ºC, angezeigt durch einen Punkt m&sub5; der Kurve H3 in Figur 25, herunten ist, wird dann der Betrieb der einzelnen Abkühlmechanismen 75&sub1; und 75&sub2; gestoppt, um das Abkühlen des hohlraumbildenden Abschnitts 77 und des den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Abschnitts 81 zu stoppen.
Der erste und zweite Vorerwärmungsmechanismus 74&sub1; und 74&sub2; sind sogar nach dem Beginn des Eingießens in Betrieb um die Temperaturen der beiden bildenden Abschnitte 77 und 81 zu steuern, wie es durch die Kurven H1 und H2 angezeigt ist, so daß die Temperaturen der beiden bildenden Abschnitte 77 und 81 unmittelbar zu den vorerwärmten Temperaturen zurückgebracht werden können, nachdem die Abkühlung gestoppt wurde. Dies ermöglicht den Beginn des darauffolgenden Gießvorgangs.
Der durch das obige Verfahren erzeugte Nockenwellenrohling 2&sub2; weist keine darin erzeugte thermische Rißbildung auf, wobei auch die Form 48 in keiner Weise beschädigt ist. Darüberhinaus ist der Nockenwellenrohling 2&sub2; mit der schalenartigen verfestigten Schicht bedeckt und kann daher während des Lösens desselben nicht verformt werden. Sogar dann, wenn er verformt wäre, wäre das Ausmaß der Verformung äußerst gering.

[VI] Gießen eines Nockenwellenrohlings aus Aluminiumgußlegierung

Die Formgußvorrichtung M4 für den in dem obigen Punkt [V] beschriebenen Stahlguß wird zum Gießen eines Nockenwellenrohlings 2&sub2; als ein Aluminiumlegierungsgußerzeugnis verwendet.
Bei einem Gießvorgang wird geschmolzenes Material der gleichen Aluminiumlegierungszusammensetzung bereitet, wie das unter Punkt [III] beschriebene.
Die Form 68 wird durch beide Vorerwärmungsmechanismen 74&sub1; und 74&sub2; vor Eingießen vorerwärmt, wie in Figur 26 gezeigt, so daß der hohlraumbildende Abschnitt 77 bei ungefähr 120ºC, angezeigt durch einen Punkt p&sub1; einer Kurve N1, gehalten wird und der den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildende Abschnitt 81 liegt auch auf ungefähr 110ºC, angezeigt durch einen Punkt g&sub1; einer Kurve N2. Das geschmolzene Metall der Aluminiumlegierung wird in die Form 68 bei einer Temperatur von 700 bis 740ºC eingegossen, um einen Nockenwellenrohling 2&sub2; zu gießen. Die Menge des zu diesem Zeitpunkt eingegossenem geschmolzenen Metalls beträgt 2,0 kg.
Wenn die Form 68, wie oben beschrieben, kurz vorher vorerwärmt wurde, wird das Fließen des geschmolzenen Metalls während des Eingießens verbessert und es ist möglich Rißbildung u. dgl. des resultierenden Nockenwellenrohlings 2&sub2; aufgrund schnellen Abkühlens des geschmolzenen Metalls zu vermeiden.
Wie es durch Punkt q&sub2; der Kurve N1 in Figur 26 angezeigt ist, wird der zweite Abkühlmechanismus 75&sub2; gleichzeitig mit dem Beginn des Eingießens betätigt wodurch das Abkühlen des den Durchlaß für geschmolzenes Metall bildenden Abschnitts 81 begonnen wird, um die schnelle Verfestigung des sich in dem Durchlaß 80 für geschmolzenes Metall befindende geschmolzenen Metalls zu beginnen, wodurch es früh in einen verfestigten Zustand gebracht wird.
Wenn die Temperatur des hohlraumbildenden Abschnitts 77 140 bis 170ºC, z.B. 150ºC, angezeigt durch einen Punkt p&sub2; der Kurve N1 in Figur 26, erreicht hat, wird der erste Abkühlmechanismus 75&sub1; betrieben, um das Abkühlen des hohlraumbildenden Abschnitts 77 zum schnellen Abkühlen des sich in dem Hohlraum 72 befindlichen geschmolzenem Metalls zu beginnen.
Wie in Figur 16 gezeigt, nimmt der Nockenwellenrohling 2&sub2; einen verfestigten Zustand an, wobei seine Oberflächenschicht in eine schalenartige verfestigte Schicht umgewandelt ist, wenn die Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub2; schnell durch den oben beschrieben Abkühlwirkung abgekühlt wird, so daß die Temperatur desselben auf ungefähr 580ºC (eutektische Kristallinie Le2), angezeigt durch den Punkt c&sub1;, fällt.
Wenn die Temperatur der Oberflächenschicht geringer als 280ºC, angezeigt durch den Punkt c&sub4;, ist, wird in diesem Fall befürchtet, daß bei dem resultierenden Nockenwellenrohling 2&sub2; thermische Rißbildung erzeugt werden kann. Wenn die Temperatur der Oberflächenschicht geringer ist als 350ºC, angezeigt durch den Punkt c&sub3;, wird darüberhinaus befürchtet, daß Adhäsion des resultierenden Nockenwellenrohlings 2&sub2; an der Form 68 u. dgl. aufgrund schnellen und großen Verfestigungsschrumpfens des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub2; erzeugt werden kann um Beschädigung, z.B. Verformung und Abnutzung, der Form 68 zu verursachen.
Wenn die Temperatur der Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlings 2&sub2; 500ºC erreicht hat, angezeigt durch den Punkt c&sub2;, in ungefähr 3,0 bis 10,8 Sekunden nach Eingießen, und die Temperaturen der beiden Abschnitte 77 und 81 der Form 68 darüberhinaus in dem Bereich der Punkte p&sub3; und p&sub4; und der Punkte q&sub3; bis q&sub4; in Figur 26 liegen, wird die Form geöffnet und das Ausstoßstiftmittel 76 betrieben, um den resultierenden Nockenwellenrohling 2&sub2; und durch den Durchlaß 80 für das geschmolzene Metall geformte unnötige Abschnitte von der Form zu lösen.
Wenn dann die Temperatur des hohlraumbildenden Abschnitts 77 auf ungefähr 125ºC, angezeigt durch einen Punkt p&sub5; der Kurve N2, herunten liegt und die Temperatur des den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Abschnitts 81 auf ungefähr 115ºC, angezeigt durch einen Punkt q&sub5; der Kurve N3 in Figur 26, herunten ist, wird der Betrieb der einzelnen Abkühlmechanismen 75&sub1; und 75&sub2; gestoppt, um das Abkühlen des hohlraumbildenden Bereichs 77 und des den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Bereichs 81 zu stoppen.
Der erste und zweite Vorerwärmungsmechanismus 74&sub1; und 74&sub2; sind sogar nach Beginn des Eingießens in Betrieb, um die Temperaturen der beiden Bildendungsabschnitte 77 und 81 zu steuern, angezeigt durch die Kurven N1 und N2, so daß die Temperaturen der beiden Bildungsabschnitte 77 und 81 unverzüglich auf die vorerwärmten Temperaturen zurückgebracht werden können, nachdem das Abkühlen gestoppt wurde. Dies ermöglicht den Beginn des darauffolgenden Gießvorgangs.
Der durch das obige Verfahren erzeugte Nockenwellenrohling 2&sub2; weist keine darin erzeugte thermische Rißbildung auf, wobei auch die Form 48 in keiner Weise beschädigt ist. Darüberhinaus ist der Nockenwellenrohling 2&sub2; mit der schalenartigen verfestigten Schicht bedeckt und kann daher während seinens Lösens nicht verformt werden. Selbst dann, wenn er verformt werden würde, wäre der Betrag der Verformung äußerst gering.
In einigen Fällen könnte das Abkühlen des hohlraumbildenden Abschnitts 57, 77 bei jedem der Gießvorgänge der Punkte [IV] bis [VI] vor Beenden des Eingießens begonnen werden und das Abkühlen des den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Abschnitts 61, 81 könnte unmittelbar nach Beenden des Eingießens begonnen werden.

[VII] Gießen eines Nockenwellenrohlings aus Gußeisen

Die Figuren 27 bis 29 zeigen eine Formgußvorrichtung M5, welche dazu verwendet wird einen Nockenwellenrohling 2&sub1;, wie in Figur 4 gezeigt, als ein Gußeisenerzeugnis zu gießen.
Die Formgußvorrichtung M5 ist in der folgenden Weise konstruiert.
Der an seiner oberen Fläche geöffnete Schmelztiegel 89 ist in einem Heizelement 88 enthalten, welches gleichfalls an seiner oberen Fläche geöffnet ist, wobei obere Öffnungen des Heizelements 88 und des Schmelztiegels 89 durch einen Deckel 90 verschlossen sind. Eine Form 91 ist auf dem Deckel 90 angebracht und ein Drückmittel zum Drücken von in einem Hohlraum der Form 91 vorhandenem geschmolzenem Metall, z.B. ein Drückzylinder 93 in der dargestellten Ausführungsform, ist mit seiner Kolbenstange 94 nach oben ausgerichtet an einem Tragegestell 92 auf dem Deckel 90 angeordnet. Die Kolbenstange 94 weist an ihrem unteren Ende einen Bereich 95 größeren Durchmessers aus einer Kupferlegierung auf, welcher eine wassergekühlte Konstruktion ist, stattdessen könnte aber ein unterer Endbereich des Bereichs 95 mit größerem Durchmesser auch aus einem keramischen Material geformt sein.
Die Form 91 umfaßt einen hohlraumbildenden Abschnitt 97 mit einem Hohlraum 96 zum Gießen eines Nockenwellenrohlings und einen den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Abschnitt 99 mit einem kegelstumpfförmigen Durchlaß 98 für das geschmolzene Metall der mit einem unteren Ende des Hohlraums 96 in Verbindung steht. In der dargestellten Ausführungsform stehen der Hohlraum 96 und der Durchlaß 98 für das geschmolzene Metall mit einander durch den Hohlraum bildenden Abschnitt 97 in Verbindung. Der Durchlaß 98 für geschmolzenes Metall steht an seinem unteren Ende mit dem Schmelztiegel 89 über ein Zufuhrrohr 101 für geschmolzenes Metall, welches an dem Deckel 99 hängt, in Verbindung.
Der hohlraumbildende Abschnitt 97 ist aus ersten und zweiten Bauteilen 97&sub1; und 97&sub2; als geteilter Typ konstruiert und Formoberflächen der beiden Bauteile 97&sub1; und 97&sub2; bilden ein durchgehendes Loch 100, den Hohlraum 96 und ein mit dem Hohlraum 96 in Verbindung stehendes Drückloch 102, welches ausgelegt ist, den Abschnitt 95 mit größerem Durchmesser der Kolbenstange 94 verschiebbar aufzunehmen. Die zwei Komponenten 97&sub1; und 97&sub2; werden durch eine nicht dargestellte Betätigungseinrichtung geöffnet und geschlossen.
Der den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildende Abschnitt 99 ist auch aus ersten und zweiten Blöcken 99&sub1; und 99&sub2; als geteilter Typ in Zusammenhang mit dem Hohlraum bildenden Abschnitt 97 konstruiert und Formoberflächen der beiden Blöcke 99&sub1; und 99&sub2; bilden den Durchlaß 98 für geschmolzenes Metall. Das Bezugszeichen 103 bezeichnet einen Betätigungszylinder zum Öffnen und Schließen der beiden Blöcke 99&sub1; und 99&sub2;.
Der hohlraumbildende Abschnitt 97 und ein innerer Abschnitt 99a des den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Abschnitts 99 sind aus einem hochwärmeleitfähigem Material z.B. einer Cu-Cr Legierung, welche 0,8 bis 4 Gew.-% Cr enthält, geformt, wobei deren Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,4 und 0,8 kal/cm/sek/ºC liegt. Ein äußerer Abschnitt 99b des den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Abschnitts 99 ist aus Stahl geformt.
In dem den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildenden Abschnitt 99 ist ein erster Abkühlkreis 104&sub1; in jedem der beiden inneren Abschnitte 99a angebracht. Der erste Abkühlkreis 104&sub1; umfaßt einen um den Durchlaß 98 für das geschmolzene Metall herum angeordneten Wasserkanal 105a und einen mit dem Wasserkanal 105a in Verbindung stehenden und im inneren Bereich 99a verteilten Wasserkanal 105b mit einer Zuführöffnung und einer Auslaßöffnung (beide nicht dargestellt), welche in dem Wasserkanal 105b vorgesehen sind.
Die ersten Abkühlkreise 104&sub1; sind mit einem ersten Abkühl-Temperatursteuermittel 106&sub1; verbunden, welches eine Funktion zum Betätigen jedes der ersten Abkühlkreise 104&sub1; zum schnellen Abkühlen und Verfestigen des geschmolzenen Metalls innerhalb des Durchlasses 98 für das geschmolzene Metall nach Beschicken des Hohlraums 96 mit dem geschmolzenen Metall aufweist, wodurch der Durchlaß 98 für das geschmolzene Metall geschlossen wird.
In dem hohlraumbildenden Abschnitt 97 ist jede der ersten und zweiten Komponenten 97&sub1; und 97&sub2; mit einem Erwärmungskreis 107, einem zweiten Abkühlkreis 104&sub2; und Ausstoßmitteln 108 versehen. Diese Abschnitte sind für beide Komponenten 97&sub1; und 97&sub2; die gleichen, so daß nur diejenigen der ersten Komponente 97&sub1; beschrieben werden.
Der Erwärmungskreis 107 ist aus einer Mehrzahl von Einführungslöchern 109, welche die erste Komponente 97&sub1; durchdringen, und stabförmigen Heizelementen 110 gebildet, welche in die entsprechenden Einführungslöcher 109 eingesteckt, bzw. darin gehalten werden. Jedes der Einführungslöcher 109 ist derart angeordnet, daß ein Abschnitt derselben in der Nähe eines Bereichs zum Ausformen jedes Abschnitts 2d mit kleinerem Durchmesser des Nockenwellenrohlings 2&sub1; in der ersten Komponente 97&sub1; liegt.
Der zweite Abkühlkreis 104&sub2; umfaßt einen oberen Einlaßkanal 111, der horizontal in der ersten Komponente 97&sub1; ausgebildet ist, einen unteren Auslaßkanal 112, der gleichfalls in der ersten Komponente 97&sub1; ausgebildet ist, und eine Mehrzahl von Verbindungskanälen 113&sub1; und 113&sub2;, welche in der ersten Komponente 97&sub1; sich horizontal und vertikal in einer sich schneidenden Beziehung zueinander erstreckend angeordnet sind um den Einlaß- und den Auslaßkanal 111 und 112 zu verbinden, so daß in den Einlaßkanal 111 eingeführtes Wasser über die einzelnen Verbindungskanäle 113&sub1; und 113&sub2; geleitet wird und durch den Auslaßkanal 112 ausgelassen wird. Der Einlaßkanal 111, der Auslaßkanal 112 und die einzelnen horizontalen Verbindungskanäle 113&sub1; sind derart angeordnet, daß ein Bereich von jedem von ihnen in der Nähe eines Bereichs in der ersten Komponente 97&sub1; zum Ausformen der Nase 2e liegt, welche ein abgeschrägter Bereich des Nockenbereichs 2a ist.
Die einzelnen Heizelemente 110 des Erwärmungskreises 107 sind mit einem Erwärmungs-Temperatursteuermittel 114 verbunden, welches eine Funktion zum Aktivieren des Erwärmungskreises 107 und deshalb des Erregens der einzelnen Heizelemente 110 zum Erwärmen der ersten Komponente 97&sub1; vor Eingießen von geschmolzenem Metall in den Hohlraum 96 und zum Deaktivieren des Erwärmungskreises 107 und daher zum Entregen der einzelnen Heizelemente 110 nach Beginn des Eingießens aufweist.
Während des Erwärmens ist jedes Heizelement 110 von dem die Nase 2e ausformenden Bereich der ersten Komponente 97&sub1; beabstandet, so daß die Temperatur dieses Bereichs daher geringer ist, als diejenige anderer Bereiche. Natürlich sind die einzelnen Heizelemente 110 der zweiten Komponente 97&sub2; auch mit dem Erwärmungs-Temperatursteuermittel 114 verbunden.
Der Einlaßkanal 111 und der Auslaßkanal 112 des zweiten Abkühlkreises 104&sub2; sind mit einem zweiten Abkühl-Temperatursteuermittel 106&sub2; verbunden, welches eine Funktion zum Aktivieren des zweiten Abkühlkreises 104&sub2; umfaßt, wodurch es ermöglicht wird, daß Kühlwasser durch den zweiten Abkühlkreis 104&sub2; fließt, um die erste Komponente 97&sub1; nach Beginn des Eingießens abzukühlen, wodurch eine Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub1; in Kontakt mit der ersten Komponente 97&sub1; schnell abgekühlt wird, um die Oberflächenschicht in eine schalenartige verfestigte Schicht umzuwandeln.
Während des Abkühlens können die Nasen 2e schnell abgekühlt werden, um sicherzustellen, daß sie zuverlässig abgeschreckt werden, da der Einlaßkanal 111, der Auslaßkanal 112 und die einzelnen horizontalen Verbindungskanäle 113&sub1; nahe der die Nasen 2e formenden Bereiche der ersten Komponente 97&sub1; sind und auch weil diese Bereiche auf einer niedrigeren Temperatur liegen als andere Bereiche in dem Erwärmungsstadium. Natürlich ist der zweite Abkühlkreis 104&sub2; der zweiten Komponente 97&sub2; auch mit dem zweiten Abkühl-Temperatursteuermittel 106&sub2; verbunden.
Die Ausstoßmittel 108 umfassen eine Mehrzahl von Stiften 115, eine Trägerplatte 116 zum Tragen der einen Enden der Stifte 115 und ein Betätigungselement 117, welches mit der Trägerplatte 116 verbunden ist. Jeder der Stifte 115 ist verschiebbar in einem der sich in den Hohlraum 96 öffnenden Einführungslöcher 118 aufgenommen.
Der Drückzylinder 93 hat eine Funktion zum Anwenden einer Drückkraft auf ein unverfestigtes Nockenwellenrohlingmaterial 2&sub1;, welches sich in dem Hohlraum 96 befindet um es auf einem Lösepunkt zu halten, nachdem der Durchlaß 98 für das geschmolzene Metall geschlossen wurde.
Im folgenden wird ein Vorgang zum Gießen eines Nockenwellenrohlings 2&sub1; in der oben beschriebenen Formgußvorrichtung M5 beschrieben.
Es wird geschmolzenes Metall der gleichen Gußeisenzusammensetzung bereitet, wie das unter Punkt [IV] beschriebene, und das geschmolzene Metall einer ähnlichen Impfung unterzogen, welche durch Einsetzen in den Schmelztiegel 89 zum Erwärmen gefolgt wird.
Der hohlraumbildende Abschnitt 97 wird vor Eingießen des geschmolzenen Metalls erwärmt, so daß ein Bereich zum Ausformen jedes der Abschnitte 2d mit kleinerem Durchmesser auf einer Temperatur von 100 bis 150ºC gehalten wird, und der Bereich zum Ausformen der Nase 2e bei einer Temperatur von 50 bis 100ºC.
Ein Gasdruck wird auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls in dem Schmelztiegel 89 auf einer Temperatur von geschmolzenem Metall von 1380 bis 1420ºC ausgeübt, um das geschmolzene Metall in den Hohlraum 96 durch das Zuführrohr 101 für geschmolzenes Metall, den Durchlaß 98 für geschmolzenes Metall und das durchgehende Loch 100, einzugießen, wodurch ein Nockenwellenrohling 2&sub1; gegossen wird. Die Menge des eingegossenen geschmolzenen Metalls ist dabei 5 kg.
Wenn der hohlraumbildende Abschnitt 97 wie oben beschrieben vorher erwärmt wurde, ist das Fließen des geschmolzenen Metalls während des Eingießens verbessert und es ist möglich, Rißbildung u. dgl. des Nockenwellenrohlings 2&sub1; aufgrund schnellen Abkühlens des geschmolzenen Metalls zu vermeiden.
Die Eingießrate wird auf ein konstantes Niveau in einem Bereich von 0,6 bis 1,5 kg/sek gesteuert, wodurch es möglich ist, die Erzeugung von Gießdefekten z.B. Hohlräumen u. dgl. aufgrund von Einschlüssen von Gasen, Oxiden und ähnlichem zu verhindern.
Nach Beginn des Eingießens wird das Erwärmen des hohlraumbildenden Abschnitts 97 durch den Erwärmungskreis 107 gestoppt und gleichzeitig damit begonnen den hohlraumbildenden Abschnitt 97 durch den zweiten Abkühlkreis 104&sub2; abzukühlen.
Nachdem das geschmolzene Metall in den Hohlraum 96 gebracht wurde, wird der den Durchlaß für das geschmolzene Metall bildende Abschnitt 99 durch den ersten Abkühlkreis 104&sub1; abgekühlt, wodurch das geschmolzene Metall in dem Durchlaß für das geschmolzene Metall 98 schnell abgekühlt und verfestigt wird, um den letzteren zu schließen. Die Betätigung des ersten Abkühlkreises 104&sub1; wird bis unmittelbar vor Lösen des resultierenden Nockenwellenrohlings fortgesetzt. Das geschmolzene Metall in dem Zuführrohr 101 für geschmolzenes Metall wird nach Verfestigung des geschmolzenen Metalls in dem Durchlaß 98 für geschmolzenes Metall in den Schmelztiegel 89 zurückgeführt.
Dann wird der Drückzylinder 93 betätigt, um das geschmolzene Metall in den Hohlraum 96 zu drücken, d.h. das unverfestigte Nockenwellenrohlingmaterial 2&sub1; mit einem Druck von 0,8 bis 1,2 kg/cm² durch den Abschnitt 95 mit größerem Durchmesser. Diese Tätigkeit des Drückzylinders 93 wird bis unmittelbar vor Lösen des resultierenden Nockenwellenrohlings fortgesetzt.
Danach wird der resultierende Nockenwellenrohling 2&sub1; von der Form gelöst, wobei der Zeitpunkt dafür wie unter Punkt [I] mit Bezug auf Figur 6 beschrieben festgesetzt wurde.
Gemäß dem obigen Verfahren wird eine der unter Punkt [I] ähnliche Wirkung erreicht und insbesondere ist es in diesem Fall möglich, einen Nockenwellenrohling 2&sub1; zu schaffen, der keine internen Defekte aufweist, da schnelles Abkühlen des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub1; durchgeführt wird, während ein Druck ausgeübt wird.

[VIII] Gießen eines Stahlgußnockenwellenrohlings

Die Figuren 30 bis 32 zeigen eine Formgußvorrichtung M6, welche dazu verwendet wird, einen Nockenwellenrohling 2&sub2; als ein Stahlgußstück zu gießen, wie es in Figur 13 gezeigt ist. Die Vorrichtung M6 weist die gleichen Anordnungen auf wie die unter Punkt [VII] beschriebene, abgesehen von einer Form 119. Daher werden in den Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet, um gleiche Teile zu bezeichnen, deren Beschreibung weggelassen wird, wobei im folgenden vor allem die Form 119 beschrieben wird.
Die Form 119 umfaßt einen hohlraumbildenden Abschnitt 121 mit einem Hohlraum 120 für einen Nockenwellenrohling und einen einen Durchlaß für geschmolzenes Metall bildenden Abschnitt 123 mit einem kegelstumpfförmigen Durchlaß 122 für geschmolzenes Metall, welcher mit einem unteren Ende des Hohlraums 120 in Verbindung steht und z.B. aus dem gleichen Material gebildet ist, wie unter Punkt [VII] beschrieben. In der dargestellten Ausführungsform stehen der Hohlraum 120 und der Durchlaß 122 für geschmolzenes Metall untereinander über ein durchgehendes Loch 124 in dem hohlraumbildenden Abschnitt 121 in Verbindung. Der Durchlaß 122 für geschmolzenes Metall steht an seinem unteren Ende mit dem Schmelztiegel 89 über das Zuführrohr 101 für geschmolzenes Metall in Verbindung, welches an dem Deckel 90 hängt.
Der hohlraumbildende Abschnitt 121 ist aus ersten und zweiten Komponenten 121&sub1; und 121&sub2; als geteilter Typ konstruiert, wobei Formflächen der zwei Komponenten 121&sub1; und 121&sub2; ein durchgehendes Loch 124, den Hohlraum 120 und ein Drückloch 125 bilden, welches geeignet ist, den Abschnitt 95 mit größerem Durchmesser der Kolbenstange 94 verschiebbar aufzunehmen. Die zwei Komponenten 121&sub1; und 121&sub2; werden durch eine nicht dargestellte Betätigungseinrichtung geöffnet und geschlossen.
Der den Durchlaß für geschmolzenes Metall bildende Abschnitt 123 ist auch aus ersten und zweiten Blöcken 123&sub1; und 123&sub2; als ein geteilter Typ in Verbindung mit dem hohlraumbildenden Abschnitt 121 konstruiert und Formflächen beider Blöcke 123&sub1; und 123&sub2; bilden den Durchlaß 122 für geschmolzenes Metall.
In dem den Durchlaß für geschmolzenes Metall bildenden Abschnitt 123 ist ein erster Abkühlkreis 126&sub1; in jedem der inneren Abschnitte 123a angebracht. Der erste Abkühlkreis 126&sub1; umfaßt einen Wasserkanal 127a, der um den Durchlaß 122 für geschmolzenes Metall angeordnet ist, und einen Wasserkanal 127b, der mit dem Wasserkanal 127a in Verbindung steht und im inneren Abschnitt 123a verteilt ist, wobei eine Zuführöffnung und eine Auslaßöffnung (nicht dargestellt) in dem Wasserkanal 127b vorgesehen sind.
Beide ersten Abkühlkreise 126&sub1; sind mit einem ersten Abkühl-Temperatursteuermittel 128&sub1; verbunden, welches eine Funktion zum Betätigen jedes der ersten Abkühlkreise 126&sub1; aufweist, um das geschmolzene Metall in dem Durchlaß 122 für geschmolzenes Metall schnell abzukühlen und zu verfestigen, nachdem das geschmolzene Metall in den Hohlraum 120 gefüllt wurde, wodurch der Durchlaß 122 für geschmolzenes Metall geschlossen wird.
In dem hohlraumbildenden Abschnitt 121 ist jede der ersten und zweiten Komponenten 121&sub1; und 121&sub2; mit einem Erwärmungskreis 129, einem zweiten Abkühlkreis 126&sub2; und Ausstoßmitteln 130 versehen. Diese Abschnitte sind für beide Komponenten 121&sub1; und 121&sub2; die gleichen, so daß nur die der ersten Komponente 121&sub1; beschrieben werden.
Der Abkühlkreis 129 besteht aus einer Mehrzahl von Einführungslöchern 131, welche die erste Komponente 121&sub1; perforieren, und stabförmigen Heizelementen 132, welche jeweils in den entsprechenden Einführungslöchern 131 eingeführt und gehalten sind.
Die einzelnen Heizelemente 132 sind mit einem Erwärmungs-Temperatursteuermittel 114 verbunden, welches eine Funktion zum Aktivieren des Erwärmungskreises 129 aufweist, und daher die einzelnen Heizelemente 132 erregt, um die erste Komponente 121&sub1; vor Eingießen von geschmolzenem Metall zu erwärmen, und zum Deaktivieren des Erwärmungskreises 129 und daher die einzelnen Heizelemente 132 nach Beginn des Eingießens entregt. Natürlich sind die einzelnen Heizelemente 129 der zweiten Komponente 121&sub2; auch mit dem Erwärmungs-Temperatursteuermittel 133 verbunden.
Der zweite Abkühlkreis 126&sub2; umfaßt einen horizontalen Einlaßkanal 134, der in einem oberen Abschnitt der ersten Komponente 121&sub1; ausgebildet ist, einen horizontalen Auslaßkanal 135, der in einem unteren Abschnitt der ersten Komponente ausgebildet ist, und eine Mehrzahl von vertikalen Verbindungskanälen 136, welche in der ersten Komponente 121&sub1; ausgebildet sind, um die Einlaß- und Auslaßkanäle 134 und 135 zu verbinden, so daß in den Einlaßkanal 134 eingeleitetes Kühlwasser durch die einzelnen Verbindungskanäle 136 fließen kann und durch den Auslaßkanal 135 ausgelassen werden kann.
Der Einlaßkanal 134 und der Auslaßkanal 135 sind mit einem zweiten Abkühl-Temperatursteuermittel 128&sub2; verbunden, welches eine Funktion zum Aktivieren des zweiten Abkühlkreises 126&sub2; aufweist, so daß Kühlwasser durch den zweiten Abkühlkreis 126&sub2; fließen kann, um die erste Komponente 121&sub1; nach dem Beginn des Eingießens zu kühlen, wodurch eine Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub1; in Kontakt mit der ersten Komponente 121&sub1; schnell abgekühlt wird, um die Oberflächenschicht in eine schalenartige verfestigte Schicht umzuwandeln.
Das Ausstoßmittel 130 umfaßt eine Mehrzahl von Stiften 137, eine Trägerplatte 138 zum Tragen der einen Enden der Stifte 137 und ein Betätigungselement 139, welches mit der Trägerplatte 138 verbunden ist. Jeder der Stifte 137 ist in einem der Einführungslöcher 118 verschiebbar aufgenommen, welche in der ersten Komponente 121&sub1; vorgesehen sind und sich in den Hohlraum 120 und durch das Loch 124 öffnen.
Im folgenden wird ein Vorgang zum Gießen eines Nockenwellenrohlings 22 in der oben beschriebenen Formgußvorrichtung M5 beschrieben.
Es wird geschmolzenes Metall der gleichen Gußeisenzusammensetzung vorbereitet wie unter Punkt [II] beschrieben und das geschmolzene Metall wird ähnlichen ersten und zweiten Entsäuerungsbehandlungen unterzogen, welche vom Einsetzen in den Schmelztiegel 89 zum Erwärmen gefolgt werden.
Der hohlraumbildende Abschnitt 121 wurde auf eine Temperatur von 50 bis 180ºC durch den Erwärmungskreis 129 vor Eingießen des geschmolzenen Metalls erwärmt. Auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls in dem Schmelztiegel 89 wird bei einer Temperatur des geschmolzenen Metalls von 1630 bis 1670ºC ein Gasdruck ausgeübt um das geschmolzene Metall in den Hohlraum 120 durch das Zuführrohr 110 für geschmolzenes Metall, den Durchlaß 122 für geschmolzenes Metall und das durchgehende Loch 124 einzugiessen, wodurch ein Nockenwellenrohling 2&sub2; gegossen wird. Die Eingießrate und die Menge des eingegossenen geschmolzenen Metalls sind die gleichen wie unter Punkt [VII].
Nach Beginn des Eingießens wird das Erwärmen des hohlraumbildenden Abschnitts 121 durch den Erwärmungskreis 129 gestoppt, und gleichzeitig damit begonnen, den hohlraumbildenden Abschnitt 121 durch den zweiten Abkühlkreis 126&sub2; abzukühlen.
Nachdem das geschmolzene Metall in den Hohlraum 120 gefüllt wurde, wird dann der den Durchlaß für geschmolzenes Metall bildende Abschnitt 123 durch den ersten Abkühlkreis 126&sub1; abgekühlt, wodurch das geschmolzene Metall in dem Durchlaß 122 für geschmolzenes Metall schnell abgekühlt und verfestigt wird, um den letzteren zu schließen. Die Tätigkeit des ersten Abkühlkreises 126&sub1; wird bis unmittelbar vor Lösen des resultierenden Nockenwellenrohlings fortgesetzt.
Dann wird der Drückzylinder 93 betätigt, um das geschmolzene Metall in den Hohlraum 120 zu drücken, d.h. das unverfestigte Nockenwellenrohlingmaterial 2&sub2; mit einem Druck von 0,8 bis 1,2 kg/cm² durch den Abschnitt 95 mit größerem Durchmesser. Diese Tätigkeit des Drückzylinders 93 wird bis unmittelbar vor dem Lösen des resultierenden Nockenwellenrohlings fortgesetzt.
Danach wird der resultierende Nockenwellenrohling 2&sub2; von der Form gelöst, wobei der Zeitpunkt dafür, wie der unter Punkt [II] mit Bezug auf Figur 14 beschriebene festgelegt ist.
Gemäß dem obigen Verfahren wird eine Wirkung erreicht, die der von Punkt [II] ähnlich ist und es ist in diesem Fall insbesondere möglich, einen hochqualitativen Nockenwellenrohling 2&sub2; zu schaffen, der keine internen Defekte aufweist, da das schnelle Abkühlen des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub2; durchgeführt wird, während ein Druck ausgeübt wird.

[VIII] Gießen eines Nockenwellenrohlings aus Aluminiumlegierungsguß

Die Formgußvorrichtung M6 für ein unter Punkt [VIII] beschriebenes Stahlgußteil wird verwendet um einen Nockenwellenrohling als ein Aluminiumgußteil zu gießen.
Beim Gießen wird geschmolzenes Metall der gleichen Aluminiumlegierungszusammensetzung bereitet wie das unter Punkt [III] beschriebene und das geschmolzene Metall wird in den Schmelztiegel 89 gebracht und darin erwärmt.
Der hohlraumbildende Abschnitt 121 wird auf eine Temperatur von 100 bis 140ºC durch den Erwärmungskreis 129 vor Eingießen des geschmolzenen Metalls erwärmt. Ein Gasdruck wird auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls in dem Schmelztiegel 89 ausgeübt, um das geschmolzene Metall in den Hohlraum 120 durch das Zufuhrrohr 101 für geschmolzenes Metall einzugießen, wobei der Durchlaß 122 für geschmolzenes Metall und das Durchgangsloch 124 auf einer Temperatur von 700 bis 749ºC liegen und eine Eingießrate von 0,3 bis 0,8 kg/sek verwendet wird, wodurch ein Nockenwellenrohling 2&sub2; gegossen wird. Die Menge des zu diesem Zeitpunkt eingegossenen geschmolzenen Metalls beträgt 2,0 kg.
Wenn der hohlraumbildende Abschnitt 121 wie im vorhergehenden beschrieben, vorher erwärmt wurde, wird das Fließen des geschmolzenen Metalls während des Eingießens verbessert und es ist möglich Rißbildung u. dgl. des resultierenden Nockenwellenrohlings 2&sub2; aufgrund schnellen Abkühlens des geschmolzenen Metalls zu vermeiden.
Nach Beginn des Eingießens wird das Erwärmen des hohlraumbildenden Abschnitts 121 durch den Erwärmungskreis 129 gestoppt und gleichzeitig damit begonnen, den hohlraumbildenden Abschnitt 121 durch den zweiten Abkühlkreis 126&sub2; abzukühlen.
Nachdem das geschmolzene Metall in den Hohlraum 120 gefüllt wurde, wird der den Durchlaß für geschmolzenes Metall bildende Abschnitt 123 dann durch den ersten Abkühlkreis 126&sub1; abgekühlt, um das geschmolzene Metall in dem Durchlaß 122 für geschmolzenes Metall schnell abzukühlen und zu verfestigen, um den letzteren zu schließen. Die Tätigkeit des ersten Abkühlkreises 126&sub1; wird bis unmittelbar vor Lösen des resultierenden Nockenwellenrohlings fortgesetzt.
Dann wird der Drückzylinder 93 betätigt, um das geschmolzene Metall in dem Hohlraum 120 zu drücken, d.h. das unverfestigte Nockenwellenrohlingmaterial 2&sub2; mit einem Druck von 0,2 bis 0,5 kg/cm² durch den Abschnitt 95 mit größerem Durchmesser. Diese Tätigkeit des Drückzylinders 93 wird bis unmittelbar vor Lösen des resultierenden Nockenwellenrohlings fortgesetzt.
Danach wird der resultierende Nockenwellenrohling 2&sub2; von der Form gelöst, wobei der Zeitpunkt dafür wie unter Punkt [III] mit Bezug auf Figur 16 beschrieben ist.
Gemäß dem obigen Verfahren kann eine zu der von Punkt [III] ähnliche Wirkung erzielt werden, wobei es in diesem Fall insbesondere möglich ist, einen hochqualitativen Nockenwellenrohling 2&sub2; zu schaffen, der keine internen Defekte aufweist, da das schnelle Abkühlen des Nockenwellenrohlingmaterials 22 durchgeführt wird, während ein Druck ausgeübt wird.
Der Drückdruck wurde auf das geschmolzene Metall innerhalb des Hohlraums 96, 120 unter den Punkten [VII] bis [IX] durch den Drückzylinder 93 ausgeübt, es ist aber selbstverständlich, daß ein Drückdruck auf das geschmolzene Metall in dem Hohlraum 96, 120 durch einen Steiger ausgeübt werden kann. Darüberhinaus können die Erwärmungs-Temperatursteuermittel 114, 133 eine Funktion zum Reduzieren einer Ausgabeleistung des Erwärmungskreises 107, 129 aufweisen und dadurch einen Erregerstrom für die einzelnen Heizelemente 110, 132 verringern. Weiterhin kann eine beliebige Weise gewählt werden, um das geschmolzene Metall in den Hohlraum 96, 120 einzugießen, z.B. kann das geschmolzene Metall horizontal oder von oben eingegossen werden. Darüberhinaus kann der hohlraumbildende Abschnitt 97, 121 weiterhin integral mit dem den Durchlaß für geschmolzenes Metall bildenden Abschnitt 99, 123 verbunden sein.

[X] Gießen eines Nockenwellenrohlings aus Gußeisen

Es wird ein Nockenwellenrohling 2&sub1; als Gußeisenstück, wie in Figur 4 gezeigt, bereitet. In dem Nockenwellenrohling 2&sub1; weist eine Nase 2e jedes Nockenabschnitts 2a als eine erste Komponente eine harte Struktur auf, in dieser Ausführungsform eine hartgegossene Struktur, und andere Abschnitte, d.h. ein kreisförmiger Basisabschnitt 2f jedes Nockenabschnitts 2a, jeder Kurbelzapfenabschnitt 2b, jeder Kragenabschnitt 2c und jeder Abschnitt 2d mit kleinerem Durchmesser, weisen weiche Strukturen auf, in dieser Ausführungsform eutektische Graphit- oder Graphitflockenstrukturen.
Die Figuren 33 bis 38 zeigen eine Formgußvorrichtung M7, umfassend eine Form 141 zum Gießen eines Nockenwellenrohlings 2&sub1;. Die Form 141 ist aus einem ersten Form-Teil 141&sub1; und einem zweiten Form-Teil 141&sub2; als geteilter Typ konstruiert und wird durch eine nicht dargestellte Betätigungseinrichtung geöffnet und geschlossen. Formoberflächen 141a des ersten und zweiten Form-Teils 141&sub1; und 141&sub2; bilden einen Einguß 142, einen Hauptkanal 143, einen Einlauf 144, einen nockenwellenrohlingausformenden Hohlraum 145 und einen Steigereinlauf 146.
Die ersten und zweiten Form-Teile 141&sub1; und 141&sub2; weisen im wesentlichen den gleichen Aufbau auf, so daß nur das erste Form-Teil 141&sub1; beschrieben wird. Das erste Form-Teil 141&sub1; umfaßt einen Körper 147 mit dem Einguß 142, dem Hauptkanal 143 und dem Einlauf 144 und einen Formungsblock 150, mit dem Hohlraum 145 und dem Steigereinlauf 146, der in eine Ausnehmung 148 in dem Körper 147 mit einem dazwischen angeordneten wärmeisolierendem Material 149&sub1; eingepaßt ist.
Der Formungsblock 150 umfaßt einen langsam abgekühlten Abschnitt 151 mit einer den kreisförmigen Basisabschnitt formenden Zone r1, r2, (Fig. 35, 36) zum Ausformen des ganzen oder einer Hälfte des kreisförmigen Basisabschnitts 2f des Nockenabschnitts 2a, eine kurbelzapfenabschnittausformende Zone r3 zum Ausformen des Kurbelzapfenabschnitts 2b, eine kragenabschnittausformende Zone r4 zum Ausformen des Kragenabschnitts 2c und eine den Abschnitt mit kleinerem Durchmesser ausformende Zone r5 zum Ausformen des Abschnitts 2d mit kleinerem Durchmesser, um als ein Ausformungsbereich der zweiten Komponente zu dienen, und eine Mehrzahl von plattenartigen schnell abgekühlten Abschnitten 154&sub1;, 154&sub2;, welche in Durchgangslöchern 152 und 153 in dem Körper 147 und dem langsam abgekühlten Abschnitt 151 des ersten Form-Teils 141&sub1; angebracht sind, um als ein Ausformungsbereich für die erste Komponente zu dienen und umfaßt eine Nasenausformungszone r6, r7 (Figur 36, 37) zum Ausformen der ganzen oder einer Hälfte der Nase 2e des Nockenabschnitts 2a.
Ein dem oben beschriebenen ähnliches wärmeisolierendes Material 149&sub2; ist zwischen dem langsam abkühlenden Element 151 und jedem der schnell abgekühlten Abschnitte 154&sub1; und 154&sub2; angeordnet, wobei aber in der Nähe der Formoberflächen 141a der langsam abgekühlte Abschnitt 151 in direktem Kontakt mit den schnell abgekühlten Abschnitten 154&sub1; und 154&sub2; ist. Dies ermöglicht einen Wärmetransfer zwischen dem langsam abgekühlten Abschnitt 151 und dem schnell abgekühlten Abschnitten 154&sub1; und 154&sub2;, wobei aber ein solcher Wärmetransfer im wesentlichen unterdrückt ist.
Der Körper 147 und die schnell abgekühlten Abschnitt 154&sub1; und 154&sub2; werden aus einer Cu-Cr Legierung geformt, welche 0,8 bis 4 Gew.-% Cr enthält und eine Wärmeleitfähigkeit von 0,4 bis 0,8 cal/cm/sek/ºC hat.
Der langsam abgekühlte Abschnitt 151 ist aus Graphit geformt und weist eine Wärmeleitfähigkeit von 0,005 bis 0,4 cal/cm/sek/ºC auf. Zusätzlich zu Graphit können andere Materialien zum Ausformen des langsam abgekühlten Bereichs 151 verwendet werden, z.B. Keramiken, Kupferlegierungen, Stähle etc., wobei auf alle Fälle Materialien mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als derjenigen der schnell abgekühlten Abschnitte 154&sub1; und 154&sub2; bevorzugt werden.
Jedes der verwendeten wärmeisolierenden Materialien 149&sub1; und 149&sub2; besteht aus einer Keramikschicht, welche aus einer inorganischen Faser, z.B. Aluminiumoxyd und Kieselsäurefaser, hergestellt ist.
Ein Abkühlkreis 155&sub1; ist in dem Körper 147 vorgesehen und umfaßt einen vertikalen Kühlwassereinlaßkanal 156, der in dem Körper 147 entlang des Eingusses 142 ausgebildet ist, einen vertikalen Kühlwasserauslaßkanal 157, der in dem Körper 147 entlang des Ausformungsblocks 150 an der entgegengesetzten Seite des Eingusses 142 ausgebildet ist, und einen horizontalen Verbindungskanal 158, der in dem Körper 147 ausgebildet ist um die beiden Kanäle 156 und 157 an ihren unteren Abschnitten zu verbinden.
Der langsam abgekühlte Abschnitt 151 weist auch einen Erwärmungskreis 159 und einen Abkühlkreis 1552 auf. Der Erwärmungskreis 159 umfaßt ein Paar von vertikalen Einführungslöchern 160, welche in dem langsam abgekühlten Abschnitt 151 derart perforiert sind, daß die einzelnen schnell abgekühlten Abschnitte 154&sub1; und 154&sub2; dazwischen und in enger Nachbarschaft zu den Formoberflächen 141a angeordnet sind, und stabförmige Heizelemente 161, welche in den entsprechenden Einführungslöchern 160 angebracht sind. Der Abkühlkreis 155&sub2; umfaßt vertikale Kühlwassereinlaß- und -auslaßkanäle 162 und 163, welche in dem langsam abgekühlten Abschnitt 151 ausgebildet sind, um die einzelnen schnell abgekühlten Abschnitte 154&sub1; und 154&sub2; zwischen sich zu nehmen und sich von den Formoberflächen 141a wegzuerstrecken, und einen horizontalen Verbindungskanal 164, der in dem langsam abgekühlten Abschnitt 151 ausgebildet ist, um beide Kanäle 162 und 163 an ihren unteren Abschnitten zu verbinden. In diesem Fall ist das von dem Abkühlkreis 155&sub2; eingenommene Volumen des langsam abgekühlten Abschnitts 151 kleiner.
Weiterhin ist ein Abkühlkreis 155&sub3; in jedem der schnell abgekühlten Abschnitte 154&sub1; und 154&sub2; vorgesehen und umfaßt in dem schnell abgekühlten Abschnitt 154&sub1; und 154&sub2; ausgebildete horizontale Kühlwassereinlaß- und -auslaßkanäle 165 und 166 und einen horizontalen Verbindungskanal 167, der die Kanäle 165 und 166 in der Nähe der nasenformenden Zonen r6, r7 verbindet. In diesem Fall ist das von dem Abkühlkreis 155&sub3; eingenommene Volumen des schnell abgekühlten Abschnitts 154&sub1;, 154&sub2; größer.
Das einzelne Heizelement 161 des Erwärmungskreises 159 in jedem der ersten und zweiten Form-Teile 141&sub1; und 141&sub2; ist mit einem Erwärmungs-Temperatursteuermittel 168 verbunden, welches eine Funktion zum Erregen jedes Heizelements 161 aufweist, um den langsam abgekühlten Abschnitt 151 vor Eingießen von geschmolzenem Metall zu erwärmen und zum Entregen jedes Heizelements 161, wenn das Eingießen begonnen wird.
Während des Erwärmens bewirkt die Übertragung von Wärme von dem langsam abgekühlten Abschnitt 151, daß die schnell abgekühlten Abschnitte 154&sub1; und 154&sub2; auch erwärmt werden, wobei eine solche Wärmeübertragung im wesentlichen unterdrückt wird, da das wärmeisolierende Material 149&sub2; zwischen den Elementen 151 und 154&sub1;, 154&sub2; angeordnet ist und auch weil beide Elemente 151 und 154&sub1;, 154&sub2; an ihren reduzierten Abschnitten in direktem Kontakt miteinander sind. Daher wird die Temperatur der schnell abgekühlten Abschnitte 154&sub1; und 154&sub2; geringer als die des langsam abgekühlten Abschnitts 151, was sich in einem deutlichen Temperaturunterschied zwischen diesen äußert.
Die Einlaßkanäle 156, 162 und 165 und die Auslaßkanäle 157, 163 und 166 der Abkühlkreise 155&sub1; bis 155&sub3; in den ersten und zweiten Form-Teilen 141&sub1; und 141&sub2; sind mit einem Abkühl-Temperatursteuermittel 169 verbunden, welches eine Funktion zum Zulassen eines Kühlwasserstroms durch die einzelnen Abkühlkreise 155&sub1; und 155&sub3; aufweist, um den Körper 147, den langsam abgekühlten Abschnitt 151 und die schnell abgekühlten Abschnitte 154&sub1; und 154&sub2; abzukühlen, wenn das Eingießen von geschmolzenem Metall begonnen wird.
Während des Abkühlens wird der langsam abgekühlte Abschnitt 151 wegen seiner kleineren Wärmeleitfähigkeit und des von dem Abkühlkreis 155&sub2; eingenommenen kleineren Volumens langsam abgekühlt. Andererseits werden die schnell abgekühlten Abschnitte 154&sub1; und 154&sub2; wegen ihrer größeren Wärmeleitfähigkeit und des von dem Abkühlkreis 155&sub3; eingenommenen größeren Volumens schnell abgekühlt. In diesem Fall wird ein deutlicher Temperaturunterschied zwischen dem langsam abgekühlten Abschnitt 151 und dem schnell abgekühlten Abschnitt 154&sub1;, 154&sub2; erzeugt, da das wärmeisolierende Material 149&sub2; zwischen den Abschnitten 151 und 154&sub1;, 154&sub2; angeordnet ist und auch wegen des Temperaturunterschieds vor Eingießen.
Dies ermöglicht es die Nase 2e in jedem Nockenabschnitt 2a des resultierenden Nockenwellenrohlings 2&sub1; als eine hartgegossene Struktur zu formen, und ermöglicht es auch, daß andere Abschnitte des resultierenden Nockenwellenrohlings 2&sub1; in eine eutektischte Graphit- oder Graphitflockenstruktur geformt werden.
Der Vorgang zum Gießen eines Nockenwellenrohlings 2&sub1; in der oben beschriebenen Formgußvorrichtung M7 wird beschrieben.
Geschmolzenes Metall der gleichen Gußeisenzusammensetzung wie die unter Punkt [IV] beschriebenen wird bereitet und das geschmolzene Metall einer ähnlichen Impfung unterzogen.
Die Form 141 wird durch den Erwärmungskreis 159 vor Eingießen des geschmolzenen Metalls erwärmt, so daß der langsam abgekühlte Abschnitt 151 auf einer Temperatur von 150 bis 450ºC gehalten wird, und die einzelnen schnell abgekühlten Abschnitte 154&sub1; und 154&sub2; auf einer Temperatur von 120ºC gehalten werden. Nach Impfen wird das geschmolzene Metall in die Form 141 bei einer Temperatur von 1380 bis 1420ºC eingegossen, um einen Nockenwellenrohling 2&sub1; zu gießen. Die Menge des eingegossenen geschmolzenen Metalls ist zu diesem Zeitpunkt 5 kg.
Wenn die Form 141, wie oben beschrieben, vorher erwärmt wurde, ist das Fließen des geschmolzenen Metalls während des Eingießens verbessert und es ist möglich Rißbildung des resultierenden Nockenwellenrohlings 2&sub1; u. dgl. aufgrund schnellen Abkühlens des geschmolzenen Metalls zu vermeiden.
Nach Beginn des Eingießens wird das Erwärmen der Form 141 durch den Erwärmungskreis 159 gestoppt und gleichzeitig damit begonnen die Form 141 durch die Abkühlkreise 155&sub1; und 155&sub3; abzukühlen, so daß der langsam abgekühlte Abschnitt 151 langsam abgekühlt wird, und die einzelnen schnell abgekühlten Abschnitte 154&sub1; und 154&sub2; schnell abgekühlt werden.
Dieser Abkühlbetrieb wird fortgesetzt, bis die Verfestigung des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub1; beendet wurde, wobei der gesamte äußere Umfang desselben in eine schalenartige verfestigte Schicht umgewandelt ist. Danach wird die Form geöffnet und der resultierende Nockenwellenrohling 2&sub1; von der Form gelöst.
Die Temperatur der verfestigten Schicht bei diesem Lösen liegt bevorzugterweise in einem Bereich zwischen der eutektischen Kristallinie und 350ºC darunter. Dies ermöglicht es, thermische Rißbildung des resultierenden Nockenwellenrohlings zu vermeiden und darüberhinaus eine Beschädigung der Form 141 aufgrund des Verfestigungsschrumpfens des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub1; zu vermeiden.
Bei dem Nockenwellenrohling 2&sub1; hat jede Nase 2e eine hartgegossene Struktur mit feinen Fe&sub3;C-Partikeln (weißer Abschnitt), wie es sich aus einer Mikrophotographie (100 mal) ergibt, die in Figur 39A zur Darstellung einer metallographischen Struktur gezeigt ist, wobei andere Abschnitte, z.B. ein Kurbelzapfenabschnitt 4 eine Struktur mit Graphitflockenpartikeln (Rohlingsabschnitt) aufweist, wie es aus einer in Figur 39B gezeigten Mikrophotographie zur Darstellung einer metallographischen Struktur deutlich wird.
Jede Nase 2e der besagten hartgegossenen Struktur weist eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung auf und der Kurbelzapfenabschnitt 2b o. dgl. aus der besagten Graphitflockenstruktur sind zäh und gut bearbeitbar.
In dieser Ausführungsform beschränkt sich das Gußmaterial nicht auf Gußeisen, auch Kohlenstoffgußstahl und ein Legierungsgußstahl können verwendet werden. Weiterhin kann das Erwärmungs-Temperatursteuermittel 168 derart konstruiert werden, daß ein Erregerstrom zu den einzelnen Heizelementen 161 verringert wird, wenn das Eingießen begonnen wird, wodurch die Wärmemenge zum Erwärmen der Form 141 verringert wird.
Die unter den Punkten [I] bis [X] beschriebenen Formgußverfahren sind nicht auf die Erzeugung des Nockenwellenrohlings beschränkt sondern sind auch auf die Gießherstellung von verschiedenen mechanischen Teilen z.B. Kurbelwelle, Sattel- und Gelenkarmrohlinge, anwendbar.

[XI] Gießen eines Gußeisengelenkarmrohlings

Wie in den Figuren 40 bis 42 gezeigt, umfaßt ein Gelenkarmrohling 170 als ein Gußeisengießstück einen Rohlingskörper 170a als einen dickeren Abschnitt und einen mit dem Körper 170a integral verbundenen zylindrischen Abschnitt 170b als einen dünneren Abschnitt.
Eine Formgußvorrichtung M8 zum Gießen des Gelenkarmrohlings 170 umfaßt ein Paar von linken und rechten oder ersten und zweiten stationären Basisplatten 171&sub1; und 171&sub2;, zwischen denen eine Mehrzahl von Führungspfosten 171 angeordnet ist. Ein beweglicher Rahmen 173 ist verschiebbar an den Führungspfosten 172 gehalten und eine Kolbenstange 175 eines Betätigungszylinders 174 ist an der ersten stationären Basisplatte 171&sub1; befestigt und mit dem beweglichen Rahmen 173 verbunden.
Die Form 176 für einen Gelenkarmrohling umfaßt einen Formkörper 177 und einen beweglichen Kern 178, der in dem Formkörper 177 angeordnet ist, um den zylindrischen Abschnitt 170b in Zusammenwirken damit auszuformen. Der Formkörper 177 umfaßt ein bewegliches Form-Teil 177&sub1;, welches an einer Form-Teilbasis 179 des beweglichen Rahmens 173 befestigt ist, und ein stationäres Form-Teil 177&sub2;, welches an einer Form-Teilbasis 180 der zweiten stationären Basisplatte 171&sub2; befestigt ist. Der bewegliche Kern 178 ist verschiebbar in einem Einführungsloch 181 aufgenommen, welches in dem stationären Form-Teil 177&sub2; vorgesehen ist, und eine Kolbenstange 183 eines Betätigungszylinders 182 ist an der zweiten stationären Basisplatte 171&sub2; befestigt und mit dem beweglichen Kern 178 verbunden. Das Bezugszeichen 184 bezeichnet ein Ausstoßmittel in dem beweglichen Form-Teil 177&sub1; und dem stationären Form-Teil 177&sub2;.
Jedes Ausstoßmittel 184 umfaßt eine Mehrzahl von in Einführungslöchern jedes beweglichen Form-Teils 171&sub1; und stationären Form-Teils 177&sub2; verschiebbar aufgenommenen Stiften 186 und einen Betätigungszylinder 189, der an dem beweglichen Rahmen 173 befestigt ist und eine mit einer Trägerplatte 187 verbundene Kolbenstange 188 aufweist.
Sowohl das bewegliche Form-Teil 177&sub1; als auch das stationäre Form-Teil 177&sub2; weisen jeweils einen Abkühlkreis 191 auf, der einen im gesamten Bereich jeder der Form-Teile 177&sub1; und 177&sub2; verteilten Kühlwasserkanal umfaßt, und einen Erwärmungskreis 194, der in eine Mehrzahl von Einführungslöchern eingeführte und darin gehaltene stabförmige Heizelemente 193 umfaßt. Ein Abkühlkreis 196 mit einem Kühlwasserkanal 195 (Fig. 42) ist auch in dem beweglichen Kern 178 vorgesehen.
Im folgenden wird ein Vorgang zum Gießen eines Gelenkarmrohlings 170 in der oben beschriebenen Formgußvorrichtung M8 beschrieben.
Wie in Fig. 41 gezeigt, wird das bewegliche Form-Teil 177&sub1; bewegt und mit dem stationären Form-Teil 177&sub2; zusammengefügt, wobei der bewegliche Kern 178 in einem Raumbereich zwischen beiden Form-Teilen 171&sub1; und 171&sub2; angeordnet ist und die Form eingespannt wird, wodurch ein Hohlraum 197 für den Gelenkarmrohling 110 gebildet wird. Der Erwärmungskreis 194 wird betätigt, um das bewegliche Form-Teil 177&sub1; und das stationäre Form-Teil 177&sub2; zu erwärmen.
Es wird geschmolzenes Metall mit der unter Punkt [IV] beschriebenen Gußeisenzusammensetzung vorbereitet und das geschmolzene Metall einem ähnlichen Impfen unterzogen, welches vom Eingießen in den Hohlraum 197 zum Gießen des Gelenkarmrohlings 170 gefolgt wird.
Nach Beginn des Eingießens des geschmolzenen Metalls wird das Erwärmen des beweglichen Form-Teils 177&sub1; und des stationären Form-Teils 177&sub2; durch den Erwärmungskreis 194 gestoppt und gleichzeitig werden die Abkühlkreise 191 in beiden Form-Teilen 177&sub1; und 177&sub2; betätigt, um das Kühlen derselben zu beginnen. Während dieses Gießvorgangs wird der Abkühlkreis 196 in dem beweglichen Kreis 178 außer Betrieb gehalten.
Oberflächenschichten des Rohlingkörpers 170a und des zylindrischen Abschnitts 170b werden durch einen Schnellabkühlwirkung des beweglichen Form-Teils 177&sub1;, des stationären Form-Teils 177&sub2; und des beweglichen Kerns 178 schnell abgekühlt. Wenn die Temperatur der Oberflächenschichten auf ungefähr 1150ºC (eutektische Kristallinie Le1) herunten ist, wie oben beschrieben, werden der Rohlingskörper 170a und der zylindrische Abschnitt 170b verfestigt, wobei ihre Oberflächenschichten jeweils zu einer schalenartigen verfestigten Schicht umgewandelt werden.
Das Ausbilden der verfestigten Schicht erfolgt auf dem zylindrischen Abschnitt 170b wegen seiner im Vergleich mit der des dickeren Rohlingskörpers 170a dünneren Wandung früher.
Wenn daher die Oberflächenschicht des zylindrischen Abschnitts 178 in die verfestigte Schicht umgewandelt wurde, wird der bewegliche Kern 178 von dem zylindrischen Abschnitt 170b zurückgezogen, so wie es durch eine strichpunktierte Linie in Figur 42 zu sehen ist.
Wenn die Oberflächenschicht des Rohlingkörpers 170a in die verfestigte Schicht umgewandelt wurde, wird das bewegliche Form-Teil 177&sub1; danach bewegt um die Formöffnung durchzuführen und der resultierende Gelenkarm 170 von der Form durch das Ausstoßmittel 184 gelöst.
Fig. 43 zeigt eine Beziehung des Ausmaßes der thermischen Expansion der Form 176 und des Schrumpfausmaßes des Gelenkarmrohlings 170 abhängig von der nach Eingießen des geschmolzenen Metalls verstrichenen Zeit, wobei eine Kurve S1 dem den zylindrischen Abschnitt ausformenden Bereich der Form 176 entspricht; eine Kurve T1 dem den Rohlingskörper ausformenden Bereich der Form 176 entspricht; eine Kurve S2 dem zylindrischen Abschnitt 170 des Gelenkarmrohlings 170 entspricht; und eine Kurve T2 dem Rohlingkörper 170a des Gelenkarmrohlings 170 entspricht.
Aus Fig. 43 ist zu sehen, daß das Entfernen des beweglichen Kerns 178 nach einer seit Eingießen verstrichenen Zeit von ungefähr 4 bis 6 Sekunden durchgeführt und das Lösen des Gelenkarmrohlings 170 von der Form nach einer verstrichenen Zeit von ungefähr 12 bis ungefähr 16 Sekunden durchgeführt werden sollte. Wenn solches Entfernen und Lösen früher durchgeführt werden, weisen der zylindrische Abschnitt 170b und der Rohlingskörper 170a wegen ihrer unverfestigten Zustände keine Gestalthaltigkeit auf. Wenn andererseits das Entfernen und Lösen später durchgeführt werden, werden thermische Rißbildung des resultierenden Gelenkarmrohlings 170 und Beschädigung der Form 176, insbesondere des beweglichen Form-Teils 177&sub1; und des stationären Form-Teils 177&sub2; erzeugt.
Fig. 44 zeigt eine Fig. 43 ähnliche Beziehung mit Ausnahme davon, daß der Abkühlkreis 196 bei dem oben beschriebenen Gießvorgang in dem beweglichen Kern 178 nach dem Beginn des Eingießens betätigt wird, so daß auch ein Abkühlen des beweglichen Kerns 178 vorliegt.
Fig. 45 zeigt eine Beziehung zwischen den Temperaturen der Form 176 und des Gelenkarmrohlings 170 und der nach Eingießen des geschmolzenen Metalls verstrichenen Zeit. Eine Kurve U1 entspricht derjenigen des rohlingkörperausformenden Bereichs der Form 176; eine Kurve V1 entspricht derjenigen des zylindrischen Abschnitts 170b wenn der bewegliche Kern 178 nicht gekühlt wurde; eine Kurve V2 entspricht der des beweglichen Kerns 178, welcher nicht gekühlt wird; eine Kurve W1 entspricht der des zylindrischen Abschnitts 170b wenn der bewegliche Kern 178 gekühlt wurde; und eine Kurve W2 entspricht der des gekühlten beweglichen Kerns 178.
Wie in Fig. 45 gezeigt wird die Differenz zwischen dem Schrumpfungsausmaß des zylindrischen Abschnitts 170b und des Ausmaßes der thermischen Expansion des beweglichen Kerns 178 betrachtet, um thermische Rißbildung des zylindrischen Abschnitts 170b zu vermeiden und daher ein Unterschied in der Temperatur zwischen dem zylindrischen Abschnitt 170b und dem beweglichen Kern 178 relativ zu der nach Eingießen des geschmolzenen Metalls verstrichenen Zeit. Wenn der bewegliche Kern 178 jedoch gekühlt wird, kann ein Temperaturunterschied an dem Grenzzeitpunkt zum Entfernen des beweglichen Kerns 178, angezeigt durch Kurven W1 und W2, für eine längere Zeitperiode gehalten werden als die durch die Kurven V1 und V2 angezeigte, wenn der bewegliche Kern 178 nicht gekühlt wird. Dies ermöglicht es die Schwere der Auswirkung des Entfernens des beweglichen Kerns 178 zu lindern, während ein Zeitbereich erweitert wird, in dem der bewegliche Kern 178 nicht entfernt wird.
In der obigen Ausführungsform ist es möglich, eine gerichtete Verfestigung von geschmolzenem Metall mit einem von der Form 176 durch Steuern des Erwärmungskreises 194 und der Abkühlkreise 191 und 196 geschaffenen Temperaturgradienten durchzuführen.

[XII] Form zum Gießen eines Nockenwellenrohlings

Die Fig. 46 und 47 zeigen ein dem ersten Form-Teil 1&sub1; der Form 1 des geteilten Typs ähnliches erstes Form-Teil, abgesehen davon, daß der Erwärmungskreis 8, der Abkühlkreis 9 u. dgl. weggelassen sind.
Das erste Form-Teil 1&sub1; besteht aus einem einen Hauptabschnitt bildenden Formkörper 200 und einer Mehrzahl von plattenartigen hitzebeständigen Elementen 201&sub1; und 201&sub2;, welche an dem Formkörper 200 befestigbar und von ihm loslösbar sind.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Nockenwellenrohling 2&sub1; sind der Abschnitt 2g jedes Abschnitts 2d mit kleinerem Durchmesser, der mit dem Nockenabschnitt 2a verbunden ist, und jeder Kragenabschnitt 2c ringförmige Vertiefungen. Daher sind zum Ausformen derselben konvexe Abschnitten in den hitzebeständigen Elementen 201&sub1; und 201&sub2; vorgesehen.
Die hitzebeständigen Elemente 201&sub1; und 201&sub2; umfassen zwei Typen, einer davon beinhaltet einen halbringförmigen konvexen Abschnitt 202 zum Ausformen einer Hälfte der Verbindung 2g, in Fig. 48A gezeigt, und der andere umfaßt einen halbringförmigen konvexen Abschnitt 203 zum Ausformen einer Hälfte des Kragenabschnitts 2c und in der Nähe des konvexen Ausformungsabschnitts 203 einen halbringförmigen konkaven Abschnitt 204 zum Ausformen eines Teils des Kurbelzapfenabschnitts 2b, wie in Fig. 48B gezeigt.
Jedes der hitzebeständigen Elemente 201&sub1; und 201&sub2; ist aus Muschelsand geformt und in eine Vertiefung 205&sub1;, 205&sub2; des ersten Form-Teils 1&sub1; gepaßt; und bildet ein Paar mit jedem der hitzebeständigen Elemente 201&sub1; und 201&sub2;, welches gleicherweise in das zweite Form-Teil (nicht gezeigt) während des Schließens der Form eingepaßt wird, wodurch jeder Verbindungsabschnitt 2g und jeder Kragenabschnitt 2c ausgeformt werden.
Wenn die Form 1 in der obigen Art und Weise gebaut ist, ist es möglich, die Form 1 nur durch Austausch eines solchen hitzebeständigen Elements 201&sub1;, 201&sub2; durch ein neues wiederaufzubauen, wenn Abnutzung aufgrund von Fließen des geschmolzenen Metalls oder eine Beschädigung aufgrund der Adhäsion, die bei der verfestigenden Schrumpfung des Nockenwellenrohlingmaterials 2&sub1; auftritt, o. dgl. in jedem der hitzebeständigen Elemente 201&sub1;, 201&sub2; erzeugt werden. Wenn die hitzebeständigen Elemente 201&sub1;, 201&sub2; wie oben beschrieben aus einem Muschelsand gebildet sind, werden sie im Hinblick auf ihre Hitzebeständigkeit bevorzugterweise für jeden Gießvorgang durch neue ersetzt.
Die Fig. 49 und 50 zeigen eine Form mit einem hitzebeständigen Element 201&sub2;, welches aus einem Material, z.B. Metall, Keramik, Kohlenstoff etc., geformt ist und welches durch einen Bolzen 206 an dem Formkörper 200 befestigt ist. Obwohl es in den Figuren nicht gezeigt ist, ist das andere hitzebeständige Element 201&sub1; ähnlich geformt. In diesem Fall kann die Hitzebeständigkeit der hitzebeständigen Elemente 201&sub1; und 201&sub2; verbessert werden und kann daher vielen Gießoperationen widerstehen, was zu einer Verringerung der Anzahl der Austauschoperationen führt.
Der technologische Nutzen der oben beschriebenen hitzebeständigen Elemente ist nicht auf die Gießherstellung von Nockenwellenrohlingen begrenzt, sondern auch auf die Gießherstellung von verschiedenen, Vertiefungen aufweisenden Gußstücken anwendbar.

[XIII] Form zum Gießen eines Nockenwellenrohlings

Fig. 51 zeigt ein erstes Form-Teil, welches dem unter Punkt [XII] beschriebenen ersten Form-Teil 1&sub1; ähnlich ist.
Wie in den Fig. 51 bis 54 gezeigt, umfaßt das erste Form-Teil 1&sub1; einen einen Primärabschnitt bildenden Formkörper 207, plattenförmige hitzebeständige Elemente 208&sub1; und 208&sub2;, welche zu dem Formkörper 207 zur Ausformung einer Mehrzahl von Kragenbereichen und eines Verbindungsbereichs hinzugefügt sind.
Der Formkörper 207 umfaßt ein Paar von entlang einer Rückseite eines Hohlraums 6 ausgebildeten Luftströmungskanälen 209 und Löchern 210&sub1; und 210&sub2;, welche zu dem Hohlraum 6 in kragenabschnittformenden und verbindungsabschnittformenden Bereichen des Hohlraums 6 offen sind, derart, daß die hitzebeständigen Elemente 208&sub1; und 208&sub2; jeweils in den entsprechenden Löchern 210&sub1; und 210&sub2; angebracht sind. Ein Boden jedes der Löcher 210&sub1; und 210&sub2; steht mit den zwei Luftströmungskanälen 209 in Verbindung.
Wie es in den Fig. 55A und 55B gezeigt ist, dient eines 208&sub1; der hitzebeständigen Elemente 208&sub1; und 208&sub2; dazu, einen Kragenabschnitt 2c auszuformen und das andere 208&sub2; dient dazu, eine Verbindung 2g auszuformen. Diese Elemente weisen im wesentlichen den gleichen Aufbau auf, so daß das kragenabschnittausformende hitzebeständige Element 208&sub1; beschrieben wird und die Beschreibung des anderen 208&sub2; weggelassen wird, abgesehen davon, daß die gleichen Zeichen für die gleichen Abschnitte verwendet werden.
Das hitzebeständige Element 208&sub1; ist aus einem Material, wie z.B. Metall, Keramik etc. geformt und umfaßt eine halbkreisförmig ausgeschnittene Vertiefung 211 an einem Abschnitt nahe dem Hohlraum 6 und dem Kragenabschnitt 2c entsprechend und eine halbkreisförmig ausgeschnittene Vertiefung 212, welche mit beiden Luftströmungskanälen 209 in Verbindung steht. Darüberhinaus weist das hitzebeständige Element 208&sub1; auf einer seiner Seitenflächen drei Vorsprünge 213 auf, welche an einer inneren Oberfläche des Lochs 210&sub1; in dem Formkörper 207 anliegen. Zwei der drei Vorsprünge 213 sind angeordnet, um eine Öffnung der ausgeschnittenen Vertiefung 211 zwischen sich aufzunehmen, und der verbleibende ist an einer Bodenoberfläche der ausgeschnittenen Vertiefung 211 angeordnet.
Die Höhe jeder der Vorsprünge 213 beträgt 0,1 bis 0,2 mm und zwei Schlitze 215 sind zwischen den benachbarten Vorsprüngen 213 und zwischen den Vertiefungen 214 und der inneren Oberfläche des Lochs 210&sub1; gebildet. Die Schlitze ermöglichen die Verbindung zwischen dem Hohlraum 6 und den Luftströmungskanälen 209.
Die Breite des Schlitzes 215 entspricht der Höhe des Vorsprungs 213. Wenn der Schlitz 215 eine sehr kleine Breite aufweist, hat er eine Funktion zum Zulassen von Luftströmung, aber Abhalten von Strömung geschmolzenen Metalls.
Die Luftströmungskanäle 209 sind mit einer Vakuumpumpe 217 und einem Kompressor 218 durch ein Schaltventil 216 verbunden.
Bei der obigen Konstruktionen sind beim Gießen beide Luftströmungskanäle 209 über das Schaltventil 216 mit der Vakuumpumpe 217 verbunden. Während des Eingießens von geschmolzenem Metall wird Gas innerhalb des Hohlraums 6 durch ein Entlüftungsloch 7 und die einzelnen Schlitze 215 entlassen, und ein nach Eingießen erzeugtes Gas wird durch die einzelnen Schlitze 215 effektiv entlassen.
Nachdem der resultierende Nockenwellenrohling 2&sub1; von der Form gelöst wurde, werden die Luftströmungskanäle 209 über das Schaltventil 216 mit dem Kompressor 218 verbunden, so daß beiden Luftströmungskanälen 209 Druckluft zugeführt wird. Sogar dann, wenn das verfestigte Material, welches wegen Eindringens in die einzelnen Schlitze 215 erzeugt werden könnte, in diesen vorhanden ist, bewirkt die Druckluft, daß solches verfestigtes Material ausgestoßen wird.

[XIV] Form zum Gießen eines Nockenwellenrohlings

Die Fig. 56 und 57 zeigen ein erstes Form-Teil, welches dem unter Punkt [I] beschriebenen und in Fig. 2 gezeigten ersten Form-Teil 1&sub1; der Form 1 des geteilten Typs ähnlich ist, aber ein Paar von Hohlräumen 6 aufweist, wobei der Erwärmungskreis 8 und der Abkühlkreis 9 o. dgl. weggelassen sind. Eine Form 1 ist aus einer 0,75 bis 1 Gew.-% Cr enthaltenden Cr Legierung gebildet und hat eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2 bis 0,9 kal/cm/sek/ºC.
Ein aus einem porösen SiC-Material hergestellter Filter 220 mit einem durchschnittlichen Porendurchmesser von ungefähr 1 bis 5 mm befindet sich in jedem der folgenden Elemente: einem Durchlaß für geschmolzenes Metall, d.h. einen mit den Hohlräumen 6 in Verbindung stehenden Einguß 3, einen mit einem der Hohlräume 6 in Verbindung stehenden Hauptkanal 4 und einem mit dem anderen Hohlraum 6 in Verbindung stehenden Einlauf 5.
Zusätzlich zu SiC kann ein aus der aus Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4; u. dgl. bestehenden Gruppe ausgewähltes Keramikmaterial verwendet werden.
In jedem Filter-einsetzabschnitt 221, sind ersten und zweite kegelstumpfförmige Vertiefungen 222&sub1; 222&sub2; mit einander entgegengesetzten Endflächen größeren Durchmessers sind auf Eingangs- und Ausgangsseiten des Filters 220 für geschmolzenes Metall in einem Zustand gebildet, in den das erste Form-Teil 1&sub1; und ein zweites Form-Teil (nicht gezeigt) zusammengefügt wurde. Wie z.B. in Fig. 57 gezeigt, weisen die Durchmesser d1 und d2 einer Endfläche mit kleinerem Durchmesser und der Endfläche mit größerem Durchmesser der ersten Vertiefung 222&sub1; 20 bzw. 30 mm auf, während die Durchmesser d3 und d4 einer Endfläche mit kleinerem Durchmesser und der Endfläche mit größerem Durchmesser der zweiten Vertiefung 222&sub2; 25 bzw. 15 mm aufweisen. Dementsprechend gilt für Schnittbereiche der einzelnen Endflächen eine Beziehung der Endfläche mit größerem Durchmesser der ersten Vertiefung 222&sub1; > die Endfläche mit größerem Durchmesser der zweiten Vertiefung 222&sub2; > die Endfläche mit kleinerem Durchmesser der ersten Vertiefung 222&sub1; > die Endfläche mit kleinerem Durchmesser der zweiten Vertiefung 222&sub2;.
Das Festsetzen der Querschnittsflächen der einzelnen Endflächen in einer solchen Beziehung ermöglicht eine effiziente Filterung von geschmolzenem Metall und ermöglicht einen Drosselungseffekt zur Vergrößerung der Eingießrate.
Nach Vorbereiten von geschmolzenem Metall der unter Punkt [IV] beschriebenen Gußeisenzusammensetzung wurde das geschmolzene Metall einem ähnlichen Impfen unterzogen und dann einem Gießvorgang unter Verwendung der Form 1 mit den folgenden Bedingungen zugeführt.
Die Bedingungen waren derart, daß eine Vorerwärmungs-Temperatur des nasenformenden Bereichs der Form 1 zwischen ungefähr 70 und 150ºC lag; Vorerwärmungs-Temperaturen der anderen Bereiche lagen zwischen ungefähr 120 und 450ºC; eine Eingießtemperatur lag zwischen 1380 und 1420ºC; eine Eingießzeit war zwischen 4 bis 15 Sekunden; und die eingegossene Menge war 9 kg. Nach einer verstrichenen Zeit von ungefähr 3 bis 8 Sekunden vom Eingießen ab, betrug die Temperatur der Oberflächenschicht des Nockenwellenrohlingmaterials 950 bis 850ºC und dann, als die Oberflächenschicht in eine verfestigte Schicht umgewandelt war, wurde der resultierende Nockenwellenrohling von der Form gelöst.
Das obige Verfahren ermöglicht es, die vom Beginn des Eingießens bis zum Lösen des resultierenden Nockenwellenrohlings erforderliche Zeit zu verringern und effektiv einen Nockenwellenrohling 2&sub1; mit hoher Qualität zu erzeugen. Dies ist auf das Entfernen von Schlacke durch jeden der Filter 220 zurückzuführen und auf die Steuerung des Fließens des geschmolzenen Metalls, um den Einschluß von Gas aufs äußerste zu unterdrücken. Da darüberhinaus die Eingießrate vergrößert ist, ist es möglich, ein Mißlingen des Fließens des geschmolzenen Metalls zu verhindern.
Tabelle VI zeigt die prozentuale Häufigkeit von Gußdefekten wenn der Filter 220 verwendet wurde und dann, wenn er nicht verwendet wurde. Aus Tabelle VI ist es offensichtlich, daß es die Verwendung des Filters 220 erlaubt, die prozentuale Häufigkeit von Gußdefekten wesentlich zu unterdrücken. TABELLE VI Gußdefekt Filter nicht verwendet verwendet Stiftloch Einschluß von Schlacke
Es sollte beachtet werden, daß der Filter 220 in den Einguß 3, den Hauptkanal 4 oder den Einlauf 5 gesetzt werden kann.
Der oben beschriebene Schlitz 215, die hitzebeständigen Elemente 201&sub1;, 201&sub2;, 208&sub1; und 208&sub2; und der Filter 220 können erforderlichenfalls in den oben beschriebenen Formgußvorrichtungen vorgesehen werden.

Claims

1. Formgußverfahren umfassend Einführen von geschmolzenem Metall in einen Hohlraum (6) einer Form (1), welche wenigstens teilweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist, Steuern der Temperatur der Form, um ein in der Form gegossenes mechanisches Teil oder Bauteil (21) zu erhalten, und nach Einführen des geschmolzenen Metalls schnelles Abkühlen der Oberfläche des mechanischen Teils oder Bauteils in Kontakt mit der Form, um eine schalenartige, verfestigte Schicht auf dem Teil oder Bauteil auszubilden, gekennzeichnet durch den Schritt des Lösens des erhaltenen mechanische Teils oder Bauteils von der Form, wenn die verfestigte Schicht an der Oberfläche des mechanischen Teils oder Bauteils gebildet wurde, der innere Bereich des mechanischen Teils oder Bauteils aber sich noch nicht verfestigt hat und wenn die verfestigte Schicht eine erhöhte Temperatur aufweist, deren Wert mit dem Material des Teils oder Bauteils derart korreliert ist, daß thermische Rißbildung des mechanischen Teils oder Bauteils im wesentlichen vermieden ist und Adhäsion zwischen dem Teil oder Bauteil und der Form minimiert ist, wodurch die Form minimaler Beschädigung aufgrund von Verfestigung und Schrumpfen des gegossenen mechanischen Teils oder Bauteils unterworfen wird.

2. Formgußverfahren nach Anspruch 1, wobei die Form (91) einen mit dem Hohlraum (96) in Verbindung stehenden Durchlaß (98) zum Leiten des geschmolzenen Metalls in den Hohlraum aufweist und das Verfahren weiterhin ein Vorheizen des Hohlraums und des Durchlasses vor Einführen des geschmolzenen Metalls darin umfaßt, wobei das Abkühlen des mechanischen Teils oder Bauteils durchgeführt wird, indem das Abkühlen des Formhohlraums in Antwort auf den Einführschritt des geschmolzenen Metalls gestartet wird und das Abkühlen des Durchlasses in Antwort auf das Beenden des Einführens des geschmolzenen Metalls gestartet wird, derart, daß in dem Durchlaß vorhandenes, geschmolzenes Metall verfestigt ist, und das Abkühlen des Hohlraums und des Durchlasses gestoppt wird, wenn ihre Temperaturen auf ein Niveau in der Nähe der Vorwärmtemperatur abgesunken sind.

3. Formgußverfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Form (91) eine mit dem Hohlraum (96) zum Einführen des geschmolzenen Metalls in den Hohlraum in Verbindung stehenden Durchlaß (98) aufweist und das Abkühlen des mechanischen Teils oder Bauteils derart durchgeführt wird, daß der Durchlaß zuerst schnell abgekühlt wird, um das geschmolzene Metall in dem Durchlaß zu verfestigen, und dann die Oberflächenschicht des mechanischen Teils oder Bauteils in dem Hohlraum verfestigt wird, während eine drückende Kraft auf das Teil oder Bauteil ausgeübt wird.

4. Formgußverfahren nach Anspruch 3, bei welchem die drückende Kraft durch einen Kolben angewendet wird.

5. Formgußverfahren nach Anspruch 4, bei welchem die drückende Kraft durch einen Drückzylinder (93) angewendet wird.

6. Formgußverfahren nach Anspruch 1, bei welchem das gegossene mechanische Teil oder Bauteil einen ersten geformten Abschnitt (2e) mit einer härteren Struktur und einen zweiten geformten Abschnitt (2f) mit einer weicheren Struktur aufweist, wobei das Verfahren weiterhin umfaßt die Schritte des Erwärmens der Form vor Einführen des geschmolzenen Metalls in einem Zustand, in dem Wärmetransport zwischen einem ersten Bereich (1541, 1542) der Form für den ersten geformten Abschnitt des mechanischen Teils oder Bauteils und einem zweiten Bereich (151) der Form für den zweiten geformten Abschnitt und die Temperatur des ersten Bereichs geringer ist als die des zweiten Bereichs, und nach Einführen des geschmolzenen Metalls in die Form den Schritt des Durchführens des schnellen Abkühlens in dem ersten Bereich und langsamen Abkühlens des zweiten Bereichs, während das Erwärmen der Form bei Beginn des Einführens des geschmolzenen Metalls in die Form verringert wird, derart, daß das gegossene mechanische Teil oder Bauteil in dem ersten Bereich eine härtere Struktur und in dem zweiten Bereich eine weichere Struktur aufweist.

7. Formgußverfahren nach Anspruch 6, bei welchem das Erwärmen der Form durch Anhalten des Erwärmens verringert wird.

8. Formgußverfahren nach Anspruch 1, bei welchem das gegossene mechanische Teil oder Bauteil (170) einen dünneren Wandabschnitt (170b) und einen mit dem dünneren Wandabschnitt integral verbundenen dickeren Wandabschnitt (170a) aufweist, wobei die Form (176) einen in dem Körper (177) der Form verschiebbar angebrachten, beweglichen Kern (178) aufweist, um den dünneren Wandabschnitt in Zusammenwirkung mit dem Formkörper auszuformen, das Verfahren weiterhin umfassend, die Schritte des Anordnens des beweglichen Kerns in dem Formkörper in einer dem dünneren Wandabschnitt entsprechenden Position vor Einführen des geschmolzenen Metalls in die Form, des Trennens des beweglichen Kerns von dem dünneren Wandabschnitt nach Einführen des geschmolzenen Metalls in die Form, wenn die verfestigte Schicht an dem dünneren Wandabschnitt geformt ist und danach des Entfernens des resultierenden mechanischen Teils oder Bauteils aus der Form, wenn die verfestigte Schicht auch an der Oberfläche des dickeren Wandabschnitts geformt ist.

9. Formgußverfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend Anwenden von Druck auf das gegossene mechanische Teil oder Bauteil, wenn es noch eine relativ hohe Temperatur aufweist, unmittelbar nachdem es von der Form gelöst ist.

10. Formgußverfahren nach Anspruch 1 oder 9, bei welchem das mechanische Teil oder Bauteil ein Gußeisenerzeugnis (21) ist, und das Lösen des Erzeugnisses von der Form durchgeführt wird, wenn die Temperatur an der Oberfläche des Erzeugnisses auf einem Niveau zwischen der eutektischen Temperatur und 350º C darunter liegt.

11. Formgußverfahren nach Anspruch 1 oder 9, bei welchem das mechanische Teil oder Bauteil ein Stahlerzeugnis (22) ist, und das Lösen des Erzeugnisses von der Form durchgeführt wird, wenn die Temperatur an der Oberfläche des Stahlerzeugnisses auf einem Niveau zwischen dem Solidus und 250º C darunter liegt.

12. Formgußverfahren nach Anspruch 1 oder 9, bei welchem das mechanische Teil oder Bauteil ein Aluminiumlegierungserzeugnis (22) ist und das Lösen des Erzeugnisses von der Form durchgeführt wird, wenn die Temperatur an der Oberfläche des Aluminiumlegierungserzeugnisses auf einem Niveau zwischen der eutektischen Temperatur und 230ºC darunter liegt.

13. Formgußvorrichtung, umfassend eine Form (1) zum Erhalten eines mechanischen Teils oder Bauteils (21) durch Gießen, wobei die Form wenigsten teilweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist und einen Hohlraum (6) mit verschiedenen Abschnitten zum Gießen verschiedener Abschnitte (2a-2g) des mechanischen Teils oder Bauteils beinhaltet, und ein Abkühlungs/Erwärmungskreissystem für die Form, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlungs/Erwärmungskreissystem umfaßt einen wenigstens einem (2e) der Abschnitte des mechanischen Teils oder Bauteils zugeordneten Abkühlkreis (9), einen einem anderen (2d) der Abschnitte des mechanischen Teils oder Bauteils zugeordneten, von dem Abkühlkreis (9) getrennten und unabhängigen Erwärmungskreis (8), ein mit dem Abkühlkreis verbundenes Abkühl-Temperatursteuermittel (18) und ein mit dem Erwärmungskreis verbundenes Erwärmungs-Temperatursteuermittel (19) umfaßt, wobei das Erwärmungs-Temperatursteuermittel konstruiert ist, den Erwärmungskreis zu aktivieren, einen ersten Abschnitt der verschiedenen Abschnitte der Form vor Einführen von geschmolzenem Metall in die Form zu erwärmen und weiterhin eine Ausgabeleistung von dem Erwärmungskreis nach Beginn des Einführens des geschmolzenen Metalls in die Form zu verringern, wobei ferner das Abkühl-Temperatursteuermittel konstruiert ist, den Abkühlkreis zu aktivieren, einen zweiten Abschnitt der verschiedenen Abschnitte der Form nach Einführen des geschmolzenen Metalls in die Form abzukühlen, um die Oberfläche von dem wenigstens einen dem Abkühlkreis zugeordneten Abschnitt des gegossenen mechanischen Teils oder Bauteils schnell abzukühlen, um eine schalenartige, verfestigte Schicht auf dem letzteren Abschnitt zu formen.

14. Formgußvorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher die Form (91 etc) einen mit dem Hohlraum (96) zum Einführen des geschmolzenen Metalls in den Hohlraum in Verbindung stehenden Durchlaß (3-5, 98 etc) aufweist und ein Drückmittel (93-95) zum Anlegen von Druck an das in den Formhohlraum eingeführte geschmolzene Metall mit der Form gekoppelt ist, wobei der Abkühlkreis einen ersten um den Durchlaß angeordneten Abkühlkreis (1041) und einen zweiten in einem ersten Abschnitt des hohlraumbildenden Abschnitts (97) der Form angebrachten Abkühlkreis (1042) aufweist, wobei die ersten und zweiten Abkühlkreise voneinander getrennt und unabhängig sind, wobei ferner das Abkühl-Temperatursteuermittel erste und zweite Steuerelemente (1061) und (1062) für den ersten, bzw. zweiten Abkühlkreis umfaßt, wobei ferner der Erwärmungskreis in einem zweiten Abschnitt des hohlraumbildenden Abschnitts der Form angebracht ist und bei welcher das erste Steuerelement (1061) konstruiert ist, den ersten Abkühlkreis (1041) zu aktivieren, das geschmolzene Metall in dem Durchlaß nach Einführen des Metalls in den Hohlraum schnell abzukühlen, wodurch der Durchlaß geschlossen wird, und wobei das Drückmittel konstruiert ist, Druck auf das sich in einem unverfestigten Zustand innerhalb des Hohlraums nach dem Verschließen des Durchlasses befindende mechanische Teil oder Bauteil auszuüben.

15. Formgußvorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher die Form einen Durchlaß (3-5) zum Leiten des geschmolzenen Metalls in den Hohlraum aufweist und ein Filter (220) in dem Durchlaß zum Einstellen des Flusses des geschmolzenen Metalls durch diesen angeordnet ist.

16. Formgußvorrichtung nach Anspruch 14, bei welcher ein Filter (220) in dem Durchlaß (3-5) zum Einstellen des Flusses des geschmolzenen Metalls durch diesen angeordnet ist.

17. Formgußvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, bei welcher der Filter aus einem porösen Keramikmaterial hergestellt ist.

18. Formgußvorrichtung nach Anspruch 13, 14, 15, 16 oder 17, bei welcher die Form einen konvexen Formungsabschnitt (202, 203) zum Erzeugen eines zurücktretenden Abschnitts (2c,2g) in dem gegossenen mechanischen Teil oder Bauteil aufweist, wobei der konvexe Formungsabschnitt in einem lösbar an der Form angebrachten, hitzebeständigen Element (2021, 2012) vorgesehen ist.

19. Formgußvorrichtung nach Anspruch 18, bei welcher das hitzebeständige Element aus einem Muschelsand hergestellt ist.

20. Formgußvorrichtung nach Anspruch 18, bei welcher das hitzebeständige Element aus einem Material hergestellt ist, welches aus der Metalle, Keramiken und Kohlenstoff umfassenden Gruppe ausgewählt ist.

21. Formgußvorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher die Form weiterhin einen sich entlang der Rückseite des Hohlraums (6) erstreckenden Luftströmungskanal (209) aufweist, wobei der Luftströmungskanal und der Hohlraum miteinander durch einen Schlitz (215) verbunden sind, welcher einen Luftstrom durch sich zuläßt, einen Strom von geschmolzenem Metall aber hemmt.

22. Formgußvorrichtung nach Anspruch 21, bei welcher der Schlitz durch eine innere Oberfläche eines einen Teil des Hohlraums formenden ausgenommenen Abschnitts (2101, 2102) gebildet ist und durch eine Ausnehmung (214) in einem in dem ausgenommenen Abschnitt angebrachten hitzebeständigen Element (2081, 2082), wobei das hitzebeständige Element einen Abschnitt des Hohlraums bildet.

23. Formgußvorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher die verschiedenen Abschnitte des mechanischen Teils oder Bauteils (21 etc), einen Abschnitt (2e, etc) mit einer härteren Struktur und einen Abschnitt (2d, etc) mit einer weicheren Struktur beinhalten, wobei die verschiedenen Abschnitte der Form einen ersten Bereich (1541, 1542) zum Formen des Abschnitts mit einer härteren Struktur und einen zweiten Bereich (151) zum Formen des Abschnitts mit einer weicheren Struktur beinhalten, wobei ferner ein wärmeisolierendes Material (1491, 1492) zwischen den ersten und zweiten Bereichen angeordnet ist, wobei ferner der Erwärmungskreis (159) vor Einführen des geschmolzenen Metalls in den Hohlraum die zwei Bereiche voneinander unterschiedlich erwärmt, derart, daß der erste Bereich bei einer niedrigeren Temperatur gehalten wird als der des zweiten Bereichs.

24. Formgußvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, bei welcher die Form aus Kupfer oder Kupferlegierung erzeugt ist.

25. Formgußvorrichtung nach Anspruch 24, bei welcher das gegossene mechanische Teil oder Bauteil von der Form in einer Zeitperiode der Größenordnung Sekunden nach dem Einführen des geschmolzenen Metalls in die Form entfernt wird.