DE4313336C2

DE4313336C2 - Verfahren zur Herstellung von Grauguß-Zylinderköpfen und Abkühlelement zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4313336C2
Application number: DE19934313336
Authority: DE
Inventors: Heinz Bieler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-04-23
Filing date: 1993-04-23
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2013-04-24
Also published as: DE4313336A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Grauguß-Zylinderköpfen für ventilgesteuerte Verbrennungs kraftmaschinen im Sandguß-Verfahren mit im Bereich der späteren Ventil-Sitzflächen ledeburitischer Gefügeausbil dung sowie ein Abkühlelement zur Durchführung des Verfah rens.

Bei den heute hergestellten ventilgesteuerten Verbrennungs kraftmaschinen mit Motorblöcken und Zylinderköpfen aus Grauguß, d. h. insbesondere bei Dieselmotoren sind die zu sätzlich zu den durch die sich in schneller Folge öffnenden und schließenden Ventile mechanisch insbesondere im Bereich des Auslaßventils auch thermisch hoch beanspruchten Ventilsitzflächen in gesondert hergestellten Ventilsitz ringen aus hochlegierten Stahl, Kobalt oder Gußlegierungen gebildet. Diese Ventilsitzringe werden in entsprechend ge formte durch mechanische Bearbeitung hergestellte Ausspa rungen im brennraumseitigen Mündungsbereich des Auslaß- bzw. Einlaßkanals montiert, was bisher durch Einschrumpfen erfolgt.

In der DE 35 32 196 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von hohlgegossenen Nockenwellen beschrieben, bei denen an der zu kühlenden Stelle Kühlkokillen angebracht werden, die im Bereich der Nockenerhebung eine vorzugsweise ca. 4 mm dicke Wand stärke in ein Schalenhartgußgefüge über die gesamte Wanddicke rein ledeburitisch (Fe3C) ohne Übergangsgefüge erstarren läßt.

In der Fachzeitschrift "Gießerei-Praxis", Heft 20/1990 ist auf der Seite 346-348 die Schutzfunktion von Kokillenschlichten und deren Wirkungsgrad der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Schlichte-Dicke von Metall in die Kokille beschrieben.

Früher bekanntgewordene Versuche, die Ventilsitzflächen direkt im Material des Grauguß-Zylinderkopfs auszubilden, indem das Gußgefüge des Zylinderkopfs im Bereich der mit den Ventilsitzflächen zu versehenden brennraumseitigen Mün dungsbereichen des Aus- und des Einlaßkanals durch parti elle nachträgliche Wärmebehandlung, d. h. eine Erhitzung mit einem Brenner, induktiver Erhitzung o. dgl. und anschließen der Abkühlung mit einem verschleißfesten Hartgußgefüge (Ledeburit) versehen wird, in welchem die Sitzflächen durch Schleifen erzeugt werden können (DE-OS 26 12 833) haben nicht zum angestrebten Erfolg geführt und sich in der Praxis nicht eingeführt, weil offentlichtlich der apparative und arbeitsmäßige Aufwand für die nachträgliche Wärmebehandlung erheblich ist und Kosteneinsparungen daher kaum möglich sind, dafür aber die Gefahr besteht, daß bei nicht hinrei chend hoher Erwärmung ein nur anfänglich höher beanspruch bares martensitisches Sitzgefüge enthalten wird, welche sich bei den in Betrieb auftretenden Temperaturen in der Größenordnung von bis zu 850°C wieder zurückbildet, so daß die zunächst erhaltene Härte in den Bereich der Ausgangs härte zurückgeht und die Ventilsitzflächen dann nach kurzer Betriebsdauer zerstört werden. Zur Erzeugung eines auch bei den auftretenden Betriebstemperaturen standfesten ledeburi tischen Hartgußgefüges muß nämlich eine Abkühlung des Mate rials aus dem schmelzflüssigen Zustand erfolgen. Die nach träglich partielle Erwärmung des Zylinderkopfs bis in den schmelzflüssigen Zustand ist aber mit hohem Fehlerrisiko behaftet und in der Praxis kaum beherrschbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Zylinderköpfe aus den in der Motorenherstellung üblicherweise verwendeten Graugußlegierungen so herzustellen, daß sie im Bereich der brennraumseitigen Mündungen der Auslaß- und Einlaßkanäle bei den auftretenden Motor-Betriebsbedingungen ein hinrei chend verschleißfestes Gefüge aufweisen, in welchem die Ventilsitze direkt - z. B. durch Schleifen - hergestellt werden können.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in die Gußform eingebrachte Schmelze im Bereich der zylin derseitigen Mündung des Ein- und des Auslaßkanals im Ver gleich zur Abkühlgeschwindigkeit in den übrigen Bereichen der Gußform derart gesteuert abgekühlt wird, daß die Schmelze dort im Bereich der späteren Ventil-Sitzflächen mit ledeburitischem Gefüge erstarrt.

Zur gesteuerten Abkühlung des Zylinderkopfs im Bereich der Mündung des Ein- und des Auslaßkanals werden in der Gußform Teil der Formenkerne für den Ein- und Auslaßkanal bildende metallische Kühlkörper mit im Vergleich zur restlichen, aus Formsand gebildeten Gußform verstärktem Wärmeübergangs- und Wärmeleitvermögen angeordnet. Die in die Sandgußform ein fließende Schmelze kühlt infolge des raschen Wärmeübergangs partiell im Bereich der Kühlkörper mit der erforderlichen Abkühlgeschwindigkeit ab, um dort das angestrebte ledeburitische Hartgußgefüge auszubilden, welches auch bei den in Verbrennungskraftmotoren, und zwar insbesondere in Dieselmotoren üblicherweise auftretenden höchsten Betriebs temperaturen stabil bleibt und auch die erforderliche Härte aufweist, um den mechanischen Beanspruchungen durch die Ventile standzuhalten.

Die Kühlkörper werden zweckmäßig durch eine sie relativ zu einander fixierende und in der Gußform einlegbare metal lische Grundplatte verbunden. Diese metallische Grundplatte erhöht die Wärmeaufnahmekapazität der Kühlkörper.

Auf die Kühlkörper und gegebenenfalls die der Schmelze zu gewandte Fläche der Grundplatte kann vor dem Abguß der Guß form eine das Anhaften der Schmelze verhindernde Schlichte, beispielsweise eine Graphitschlichte aufgebracht werden.

Auch eine Beeinflussung des Wärmeübergangs von der Schmelze zu den Kühlkörpern und somit eine Steuerung der Abkühlge schwindigkeit im Bereich der angestrebten Gefügeänderung kann dadurch erhalten werden, daß vor dem Abguß der Gußform eine den Wärmeübergang von der in die Gußform eingebrachten Schmelze auf die Kühlkörper beeinflussende Schlichte aufge bracht wird. Eine Beschleunigung der Abkühlung wird bei spielsweise durch eine Zirkon-Schlichte erhalten, bei wel cher pulverförmig aufbereitetes Zirkon als Aufschwemmung in einer leicht flüchtigen Lösung auf die Kühlkörper aufgetra gen und getrocknet wird. Eine Herabsetzung des Wärmeüber gangs kann dagegen durch Auftragen einer Schlichte aus ei ner Aufschwemmung eines hinreichend hitzebeständigen Pul vers aus einem mineralischen Material mit im Vergleich zu Metall verringerten Wärmeleitfähigkeit erreicht werden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zweckmäßig so vorgegangen, daß das metallische Material der Kühlkörper und der Grundplatte sowie ihre Masse so gewählt werden, daß die im fertigen Gußstück unmittelbar aus den Kühlkörpern gebildeten Bereiche völlig ledeburitisch er starren, wobei die anschließenden Bereiche des Gußstücks bis in eine Tiefe von etwa 10 mm mit kontinuierlich abnehmendem ledeburitischen Anteil in das normale Grauguß gefüge übergehen, d. h. es wird keine deutlich abgegrenzte ledeburitische Gefügeschicht auf dem Grundgefüge erzielt, sondern hier erfolgt ein allmählicher Übergang von dem einen ins andere Gefüge und somit auch ein allmählicher - Eigenspannungen vermeidenden - Härteübergang.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zweckmäßig ein Abkühlelement verwendet, welches jeweils einen den brennraumseitigen Endabschnitt des Ein- bzw. Aus laßkanals erzeugenden Formkern bildenden metallischen Kühl körper aufweist, welche durch eine in die Sandgußform ein legbare metallische Grundplatte in ihrer relativen Lage zu einander und zur Gußform gehalten sind.

Die Kühlkörper sind dabei zweckmäßig gesondert hergestellt und abnehmbar auf der Grundplatte gehaltert, so daß Ände rungen in Bezug auf die Abmessungen des Ein- und/oder Aus laßkanals bei unterschiedlichen Motorentypen einfach durch Austausch der Kühlkörper verwirklichbar sind.

Die Grundplatte weist außerdem zweckmäßig auf der den Kühl köpern gegenüberliegenden, in der Gußform zu halternden Flachseite wenigstens einen vortretenden - z. B. kegel stumpfförmigen - Ansatz auf, der bzw. die - zum Beispiel aus Gründen der einfacheren Herstellung - ebenfalls geson dert hergestellt und demontierbar mit der Grundplatte ver bunden sein kann bzw. können.

Die Erfindung ist nachstehenden Verbindungen mit der Zeich nung näher erläutert und zwar zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht durch einen in der erfindungsgemäßen Weise hergestellten Zylinderkopf im Bereich des Auslaß kanals;

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein in der erfin dungsgemäßen Weise ausgebildetes Ab kühlelement;

Fig. 3 eine Ansicht des Abkühlelements, gese hen in Richtung des Pfeils 3 in Fig. 2; und

Fig. 4 eine Draufsicht auf die brennraumsei tige Flachseite eines Zylinderkopfs mit eingetragenen Härte-Meßpunkten, denen die in der nachstehenden Be schreibung eines Ausführungsbeispiels angegebenen Härtewerte zugeordnet sind.

Der in Fig. 1 gezeigte, in seiner Gesamtheit mit 10 be zeichnete Zylinderkopf sei insgesamt aus Gußeisen (Grauguß), und zwar beispielsweise dem bei dem nachstehend als Ausführungsbeispiel beschriebenen, in der erfindungsge mäßen Weise hergestellten Zylinderkopf verwendeten GG 25 Cr hergestellt. Der Auslaßkanal 12 mündet brennraumseitig in der in der Zeichnungsfigur linken senkrechten Flachseite 14, mit welcher der Zylinderkopf 10 auf dem - nicht gezeig ten - Motorblock befestigt wird und weist dort die - im ge zeigten Fall bereits maßhaltig durch Überschleifen herge stellte Ventilsitz-Ausgestaltung 16 auf, die - wie in der Zeichnung erkennbar ist - im Material des Zylinderkopfs selbst hergestellt ist, d. h. der hier üblicherweise vorge sehene Ventil-Sitzring ist nicht vorhanden. Fluchtend zum Ventilsitz 16 ist eine Führungsbohrung 18 für den Schaft des ebenfalls nicht dargestellten Auslaßventils durch den Zylinderkopf geführt. Die in der Zeichnungsfigur noch dar gestellten Hohlräume 20 und 22 dienen der Aufnahme und Füh rung der Kühlflüssigkeit des Kühlsystems für den Motor. Die im oberen Bereich in der Zeichnung dargestellte, von der brennraumseitigen Flachseite 14 aus nach rechts durchge hende Bohrung 24 ist schließlich der Durchlaß für die das Auslaßventil betätigende Stößelstange des konventionellen und daher ebenfalls nicht gezeigten Ventiltriebes, welche üblicherweise vom zugeordneten Nocken der Nockenwelle be tätigt und ihrerseits über einen Kipphebel auf das ventil tellerabgewandte Ende des Schafts des Auslaßventils ein wirkt. Die Möglichkeit der Ausbildung des thermisch und me chanisch hochbeanspruchten Ventilsitzes 16 direkt im Zylin derkopf ist dadurch gegeben, daß der Zylinderkopf in der beschriebenen Weise so hergestellt wird, daß das Gefüge im Bereich des Ventilsitzes ein ledeburitisches Gußgefüge ist, in welchem der Ventilsitz durch Formschleifen direkt erzeugt werden kann. Aus dem im folgenden noch beschriebe nen Ausführungsbeispiel wird hervorgehen, daß dabei im Be reich des Ventilsitzes Festigkeits-, d. h. Härtewerte er zielt werden, die zum Teil noch über den entsprechenden Werten der heute verwendeten, mit erheblichen Kosten geson dert hergestellten und hohem Montageaufwand in den Zylin derkopf eingepreßten Ventil-Sitzringe liegen.

Bei der Herstellung des Zylinderkopfs 1 z. B. im Hotbox-Ver fahren wird zur Erzeugung des erwähnten ledeburitischen Hartgußgefüges im Ventilsitzbereich ein in die Form einzu legendes wiederverwendbares Abkühlelement aus Metall, und zwar im vorliegenden Fall aus Stahl, verwendet, welches in den Fig. 2 und 3 schematisch dargestellt ist.

Grundsätzlich setzt sich das Abkühlelement 28 aus zwei be abstandeten, beim Abguß der Form jeweils als Teil des For menkerns für die Auslaß- und Einlaßkanäle, die brennraum seitigen Endabschnitte dieser Kanäle ausbildenden und somit praktisch Teil des Formenkerns für den Auslaß und den Ein laß bildende Kühlkörper 30, 32 auf, welche durch eine sie verbindende und in ihrer gegenseitigen Lage zueinander fixierende Grundplatte 34 gehalten sind. Die bündig in die Form einzulegende Grundplatte 34 ihrerseits weist auf der den Kühlkörpern 30, 32 gegenüberliegenden Flachseite Ansätze 36 und 38 auf, welche das Abkühlelement 28 beim Abgießen mit dem schmelzflüssigen Gußeisen in der Form fixieren und Versetzungen durch Auftrieb verhindern.

Im dargestellten Fall sind die Kühlkörper 30, 32 ebenso wie die Fixierzapfen bildenden Ansätze 36, 38 gesondert herge stellte Metallkörper, die in der in Fig. 3 dargestellten Weise mit der Grundplatte 34 verschraubt sind und somit ohne Schwierigkeiten auch gegen abweichend ausgestaltete Metallkörper ausgetauscht werden können. Beim Abgießen der Gußform wird die in die Form einfließende Schmelze im Be reich der Kühlkörper und der Grundplatte durch die dort stärkere Wärmeabfuhr gesteuert abgekühlt, so daß das ange strebte ledeburitische Gußgefüge in dem gewünschten Bereich entsteht. Es ist klar, daß die Kühlkörper 30 und 32 in ihrer Form entsprechend der Form des späteren Ventilsitzes, jedoch mit leichtem Untermaß bemessen sind, so daß im Rohling des Zylinderkopfs im Bereich der Ventilsitze noch hinreichende Materialstärke vorhanden ist, um die Ven tilsitze durch einen Schleifvorgang maßhaltig herzustellen und bei Verschleiß nachzuschleifen, so daß Übermaß-Ventile eingebaut werden können.

In Verbindung mit Fig. 4, welche eine Draufsicht auf die brennraumseitige Flachseite 14 des in Fig. 1 gezeigten Zylinderkopfs 10 zeigen möge, sind in gleichmäßigen Winkel abständen von jeweils 45° um den Auslaß und den Einlaß im Anschluß an die Ventilsitze Meßpunkte a, b und c einge zeichnet, in denen die Härte des Zylinderkopfs gemessen wird. Die Meßpunkte a, b und c, in denen die Härte des Materials des Zylinderkopfs im Bereich der Ventilsitze des Auslasses und des Einlasses gemessen wird, haben jeweils einen radialen Abstand von a (= 1,5 mm), b (= 4,5 mm) und c (= 9 mm) von der eigentlichen Ventil-Sitzfläche.

Der Zylinderkopf sei hergestellt aus dem oben erwähnten Gußmaterial GG25 Cr mit der nachstehenden Analyse:

% C = 3,2-3,4
% Si = 1,95
% Mn = 0,45
% Cr = 0,25
% P = < 0,2
% S = < 0,1

In dem normal in der Sandform mit hinreichendem Abstand vom Abkühlelement erstarrten Bereich wurden bei Härtemessungen Brinellhärten (HB 30/5) von 220 bis 235 kp/mm² gemessen, die im Bereich guter Zerspanbarkeit liegen.

Die am Ventilsitz gemessene Vickers-Härte (HV30) lag zwischen 450 und 500 kp/mm².

Die im Anschluß an den Ventilsitz des Einlaß- und des Aus laßventils gemessenen radialen Härten sind (gemessen in HV30) in der nachstehenden Liste zusammengestellt, wobei die Prüfstellen 1 bis 8 und die Härte-Meßpunkte a, b, c den entsprechenden Bezeichnungen in Fig. 4 entsprechen.

Die metallurgische Untersuchung des Zylinderkopfs ergab dann, daß das Gefüge des Materials des Zylinderkopfs im Be reich des Ventilsitzes in 1 mm Abstand rein ledeburitisch ausgebildet war, während in 10 mm Abstand ein Anteil von 65-75% als ledeburitisch ermittelt wurde, wobei ein kontinu ierlicher Übergang ins normale Grundgefüge festgestellt wurde.

Im normal erstarrten Grundmaterial wurde das übliche Grau guß-Gefüge mit Abscheidung des Kohlenstoffs in Form von Graphit I A (B), < 5% Ferrit und Rest Perlit festgestellt.

Die für den Abguß des Zylinderkopfs verwendete Schmelze war auf eine Temperatur; T_ü = 1510°C erhitzt, wobei die Gießtem peratur T_gieß 1420°C betrug. Als Impfmittel wurde der Schmelze FeSi in der Gießpfanne zugegeben.

Die Auswertung der erzielten Härtewerte und Härteverläufe im Bereich der Ventilsitze zeigt, daß für die Verschleiß festigkeit charakteristische Härtewerte erreicht werden, die teilweise über den bei üblichen hochlegierten Ventil- Sitzringen liegenden Werten liegen.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die beim vorstehenden Aus führungsbeispiel ermittelten Werte für die speziell verwen dete Gußlegierung, die speziellen Abmessungen des Zylinder kopfs und des Abkühlelements gelten, d. h. daß bei sich än dernden konstruktiven Abmessungen des Zylinderkopfs oder Änderungen des Gußmaterials, d. h. des Sättigungswerts (SC), auch das Abkühlelement in seinen Abmessungen und seinen Kühleigenschaften entsprechend angepaßt werden muß, wobei die Möglichkeiten der Verwendung unterschiedlicher metallischer Materialien, welche also unterschiedliche Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit haben, für die Kühl körper und die Grundplatte gegeben sind. Auch eine Beein flussung des Wärmeübergangs von der Schmelze auf die Kühl körper bzw. die Grundplatte durch Verwendung von auf die Kühlkörper bzw. die der Schmelze zugewandte Flachseite der Grundplatte aufgetragene Schlichten, und zwar sowohl im Sinne einer Verbesserung des Wärmeübergangs als auch im Sinne einer Pufferung sind möglich. Die erforderliche An passungen sind jedoch in Versuchen relativ leicht zu be stimmen und dann für die konstruktiven Abmessungen und das verwendete Gußmaterial des Zylinderkopfs mit entsprechend angepaßten Abkühlelementen reproduzierbar.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Grauguß-Zylinderköpfen für ventilgesteuerte Verbrennungskraftmaschinen im Sandguß-Ver fahren mit im Bereich der späteren Ventil-Sitzflächen lede buritischer Gefügeausbildung, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Gußform eingebrachte Schmelze im Bereich der zylinderseitigen Mündung des Ein- und des Auslaßkanals im Vergleich zur Abkühlgeschwindigkeit in den übrigen Berei chen der Gußform derart gesteuert abgekühlt wird, daß die Schmelze dort zumindest im Bereich der späteren Ventil- Sitzflächen mit ledeburitischem Gefüge erstarrt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur gesteuerten Abkühlung des Zylinderkopfs im Bereich der Mündung des Ein- und des Auslaßkanals in der Gußform Teil der Formenkerne für den Ein- und den Auslaßkanal bildende metallische Kühlkörper mit im Vergleich zur restlichen Gußform verstärktem Wärmeübergangs- und Wärmeleitvermögen angeordnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Kühlkörper durch eine sie relativ zueinander fixierende und in der Gußform einlegbare metallische Grund platte verbunden werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß vor dem Abguß der Gußform eine ein Anhaf ten der Schmelze verhindernde Schlichte auf die Kühlkörper und gegebenenfalls die der Schmelze zugewandte Fläche der Grundplatte aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß vor dem Abguß der Gußform eine den Wärme übergang von der in die Gußform eingebrachten Schmelze auf die Kühlkörper und gegebenenfalls die der Schmelze zuge wandte Fläche der Grundplatte beeinflussende Schlichte auf gebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das metallische Material der Kühlkörper und der Grundplatte sowie ihre Masse so gewählt wird, daß die im fertigen Gußstück unmittelbar an den Kühlkörpern ge bildeten Bereiche vollständig ledeburitisch erstarren, wo bei die anschließenden Bereiche des Gußstücks bis in eine Tiefe von etwa 10 mm mit kontinuierlich abnehmendem ledebu ritischem Anteil in das normale Grauguß-Gefüge übergehen.

7. Abkühlelement zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch jeweils einen den brennraumseitigen Endabschnitt des Ein- bzw. Auslaßkanals erzeugenden Formenkern bildenden metalli schen Kühlkörper (32; 30), welche durch eine in die Gußform einlegbare metallische Grundplatte (28) in ihrer relativen Lage zueinander und zur Gußform gehalten sind.

8. Abkühlelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper (32; 30) gesondert hergestellt und ab nehmbar auf der Grundplatte (28) gehaltert sind.

9. Abkühlelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Grundplatte (28) auf der den Kühlkörpern (32; 30) gegenüberliegenden, in die Gußform eingelegte Flachseite vortretende, vorzugsweise kegelstumpfförmige Ansätze (38; 36) aufweist.

10. Abkühlelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze (38; 36) gesondert hergestellt und demon tierbar mit der Grundplatte (28) verbunden sind.