EP0212469B1 - Hitzebeständiges Bauteil und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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EP0212469B1
EP0212469B1 EP86110921A EP86110921A EP0212469B1 EP 0212469 B1 EP0212469 B1 EP 0212469B1 EP 86110921 A EP86110921 A EP 86110921A EP 86110921 A EP86110921 A EP 86110921A EP 0212469 B1 EP0212469 B1 EP 0212469B1
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EP
European Patent Office
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insert part
casting
component
insert
gas
Prior art date
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EP86110921A
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French (fr)
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EP0212469A3 (en
EP0212469A2 (de
Inventor
Bernhard Dr. Dipl.-Phys. Otte
Rudolf Schwarz
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Novelis Deutschland GmbH
Original Assignee
Alcan Deutschland GmbH
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Publication date
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Publication of EP0212469A3 publication Critical patent/EP0212469A3/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
    • F02F3/12—Pistons  having surface coverings on piston heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases
    • F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts
    • F02F7/0087—Ceramic materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/02—Light metals
    • F05C2201/021—Aluminium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2253/00—Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/16—Fibres

Definitions

  • the invention relates to a heat-resistant component, having the features of the preamble of independent claims 1 and 10 and a method for producing such components according to the features of claims 17 and 18.
  • Heat-resistant components such as combustion chamber components, namely piston and / or cylinder heads as well as inlet and exhaust ports of cylinder heads, contain locally insert parts made of a fine-porous, heat-resistant material, in particular a ceramic material or a cermet, which are incorporated in the base material, e.g. B. aluminum, the castings are at least partially cast in or shrunk (see, for example. DE-C-725 761 and DE-C-2 354 254).
  • a fine-porous, heat-resistant material in particular a ceramic material or a cermet, which are incorporated in the base material, e.g. B. aluminum
  • the castings are at least partially cast in or shrunk (see, for example. DE-C-725 761 and DE-C-2 354 254).
  • the fine-porous structure of the material of the insert parts proves to be disadvantageous.
  • the gas volume contained in the pores of the material of the insert parts expands when the insert is cast with melt due to the temperature increase that occurs and attempts to escape over the entire surface.
  • the surface tension of the melt possibly supported by the oxide skin that forms, prevents the escape of individual small bubbles.
  • the object of the invention is to provide components of the type described, in which there is a gas-bubble-free encapsulation of the insert by the encapsulation material, and to propose a method for producing such components, which ensures that the gases emerging from the insert during the encapsulation are harmless can be derived.
  • the invention is based on the knowledge that the insert parts made of the porous, heat-resistant materials mentioned give off gases due to the thermal load during the casting. These collect, at least in part, in the parting line between the insert part and the casting and expand there with the result that gas cavities form in the casting material.
  • This finding is surprising because ceramic materials or cermet are regarded as inert materials, in which gassing can be excluded, especially since the insert parts have already been subjected to a heat treatment, namely sintering, so that it could be assumed that this The process has essentially expelled the gaseous substances.
  • the patentee's older EP-A-0 163 241 relates to the problem of dissipating gases in relevant components which collect gases when the temperature fluctuates between the insert and the casting metal.
  • these gases can lead to the insert being cast in such a way gradually changing out of the encapsulating encapsulation material, which can result in the entire component being destroyed.
  • the solution to this problem is that at least one gas pressure relief bore is provided in the casting for relieving the gas pressure building up between the insert and the casting, which leads from the parting line between the insert and the casting to a free surface of the casting.
  • the solution according to the invention deals with the harmless removal of the gases released when the insert is poured around.
  • the measures proposed by the present invention can of course also serve in special cases to easily remove the gases released during operation due to thermal stress on the component.
  • the invention applies to the concrete solution of the invention proposal, namely to design the insert part in such a way that an unobstructed outflow of the gases emerging from the pouring part during the casting process is made possible back to suggestions of the core technology of the foundry technology, which are also aimed at deriving the gas discharge from the mold and core materials. Only the knowledge that the insert parts in question gas despite the selected inert materials opened the possibility to use the knowledge from the core technology to solve the mentioned problems. So z. B.
  • DE-B-2 163 717 made a strict distinction between the insert parts in question, called hollow cores there, as also in DE-C-2 354 254, and the actual cores in the sense of a conventional casting process (DE -B-2 163 717, column 2, lines 42 ff.).
  • open gas discharge channels can be formed both inside the insert and on its surface with respect to a surface.
  • the openings of the gas discharge ducts provided in the interior of the insert part can lie in the gas discharge ducts provided on the surface, so that the latter form collecting ducts by means of which the gases emerging under expansion can be collected and led to a discharge point.
  • the channels guided inside the insert part can be formed by slits, perforations or the like.
  • the gas discharge channels guided on the surface of the insert part can be produced by a surface structure which form open flow paths for the gas escaping flatly. These open channels must be dimensioned so that the surface tension and the oxide skin of the melt prevent the surface structure from being filled.
  • the escaping gas can reach individual suction bores via the gas-carrying surface structure.
  • the structure can cover the surface of the cast part in whole or in part.
  • the openings of the gas discharge channels inside the insert must also be designed with respect to their cross-section so that, on the one hand, the melt of the base material cannot penetrate during the remelting process when the vacuum is applied, and on the other hand, the escape and suction of the gases is not impeded.
  • a gas-permeable and / or gas-conducting layer may be arranged at least between the surface of the insert part on which a gas discharge duct ends or is provided and the cast part consisting of the base material.
  • this layer contributes completely or partially to the fact that the melt does not enter the gas discharge channels during the casting process and, on the other hand, that the gas expelled from the insert part can be easily discharged.
  • This layer can be produced by placing or wrapping a foil on or around the pouring part, preferably a foil made of metal. It will preferably have a melting point above the casting temperature of the casting metal. Your melting can, for. B. but also be prevented solely by cooling it sufficiently intensely by contact with colder bodies.
  • the gas-carrying layer is formed by the space between the surface of the insert and the film.
  • the layer can also consist of a fiber or felt mat, preferably ceramic or graphite.
  • the mats can be coated gas-impermeably on one side, preferably towards the side of the casting metal.
  • the layer intended for gas discharge can also be produced by spraying on or spreading on suitable compositions.
  • the filling expediently consists of a fiber or felt material, preferably ceramic or graphite.
  • a heat-resistant component known from EP-A-0 111 961 does indeed have an insert made of a ceramic material which has an open porosity.
  • this open porosity of the insert part serves to ensure that the base material penetrates into the pore structure of the insert part during the pouring process, so as to increase the strength of the connection of the two components.
  • measures are to be taken to prevent the liquid base material from penetrating into the open-pore structure of the insert. This is the only way to ensure that the gases generated during the pouring process can actually be removed from the insert.
  • an absorbent material as a kind of insert at the desired points on the insert part.
  • the degree of porosity can then e.g. B. by the choice of density or by the absorbency of this material, for. B. sponge, fibers, etc. can be varied.
  • the ability to be vented or suctioned off can be influenced by the alignment of these fibers or the like.
  • the absorbent material can either remain in the sintered insert, e.g. B. if it is fibers made of ceramic or graphite, or removed during sintering by burning, volatilization or by a chemical process, for. B. when using foam, graphite or organic sponges.
  • the solution according to the invention also relates to methods for producing components of the type described with the features of claim 17 for a component according to claim 1 and of claim 18 for a component according to claim 10.
  • the gas discharge channels described can be generated in the insert in its green state.
  • This can e.g. B. in slip or pressing by introducing non-absorbent wires, pins, threads, etc. into the manufacturing mold.
  • These are removed from the green compact in that they are firmly connected to the mold and thus remain in the mold when the mold is opened.
  • chemical or thermal removal e.g. B. when sintering the green body, can be thought.
  • the gas discharge channels provided on the surface of the insert can be produced by creating a surface structure on the insert. In the case of slip or pressing, this can be done by means of correspondingly structured surfaces of the production mold.
  • the surface structure can also be generated by material removal, either in the green state or after sintering, e.g. B. by etching, milling, sawing, ultrasonic or laser ablation. It is also conceivable to produce the structure by inserting structure-forming nets, fabrics and the like into the manufacturing mold. The removal of these structure-forming elements can e.g. B. chemically, thermally or mechanically.
  • a structured porous surface layer e.g. B. of ceramic, metal or metal ceramic, sprayed onto the insert.
  • the gas removal during the manufacturing process can be promoted by external suction after a further manufacturing process.
  • the composite component consists of a casting 10, z. B. made of aluminum.
  • An insert 20 is at least partially cast into the casting 10.
  • This insert part 20 consists of a fine-porous, heat-resistant material, in particular a ceramic material or a cermet. With its surface 22, the insert part 20 is exposed to the thermal stress when enclosed by the molten metal. If the component 10, 20 z. B. a cylinder head, forms the free surface 21 of the insert 20 z. B. part of the fuel gas outlet channels.
  • slits or perforations 23 are inserted from the free surface 21 forming the already described in detail gas deflecting i t-channels.
  • the gas expanding during the encapsulation process can be driven to the surfaces 21, 22 of the casting part 20 and can be discharged from there.
  • This derivation takes place e.g. B. in relation to the surface 21 in that there allows a free outflow or a corresponding negative pressure is built up.
  • a layer 30, for example a layer 30 is provided between this surface 22 of the insert 20 and the associated counter surface 11 of the casting 10. B.
  • This layer 30 is particularly gas-conducting in that the fibers of the layer are oriented in the direction of the desired gas flow, ie in the present case approximately parallel to the surfaces 11 and 22. This makes the gas collected in the layer 30 easy due to the Gas pressure directed to the edge areas of the layer 30, from where it can be removed. This exhaustion can, for. B. take place in that a suction pin 40 (FIG. 3) is guided through the casting 10 in the region of the layer 30 in which the gas is to collect and from where it is then sucked off via the suction pin 40.
  • a suction pin 40 FIG. 3
  • these gas extraction channels 23 can be filled with a filling 31, e.g. B. made of ceramic fibers.
  • this filling 31 prevents cast metal from penetrating into the gas discharge channels 23 and, on the other hand, promotes the gas discharge from the gas discharge channels 23, in particular when the fibers of the filling 31 are oriented in the channel direction.
  • the mat 30 made of, in particular, ceramic fibers according to FIG. 1 can also be replaced by a metal foil 32, which likewise drains the gas moving out of the discharge channels 23 in this direction between itself and the adjacent surface 22 of the insert part promotes.
  • a metal foil 32 which likewise drains the gas moving out of the discharge channels 23 in this direction between itself and the adjacent surface 22 of the insert part promotes.
  • surface channels 24 are also provided, which are open towards the film and into which the gas discharge channels 23 guided inside the insert part 20 open.
  • the surface channels 24 thus form manifolds in which a plurality of gas discharge channels 23 end and in which the gas expelled from the insert 20 is guided into a collecting area, from which it is then z. B. is derived by external suction.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein hitzebeständiges Bauteil, mit den Merkmalen des Oberbegriffs der unabhängigen Ansprüche 1 und 10 sowie Verfahren zur Herstellung derartiger Bauteile nach den Merkmalen der Ansprüche 17 und 18.
  • Hitzebeständige Bauteile, wie Brennraum-Bauteile, nämlich Kolben- und/oder Zylinderköpfe sowie Ein- und Auslaßkanäle von Zylinderköpfen, enthalten örtlich Einsatzteile aus einem fein-porösen, hitzebeständigen Werkstoff, insbesondere einem keramischen Werkstoff oder einem Cermet, die in den Grundwerkstoff, z. B. Aluminium, der Gußteile zumindestens teilweise eingegossen oder eingeschrumpft sind (vgl. z. B. DE-C-725 761 und DE-C-2 354 254).
  • Bei diesen Bauteilen erweist sich die fein-poröse Struktur des Werkstoffes der Einsatzteile als nachteilig. Das in den Poren des Werkstoffes der Einsatzteile enthaltene Gasvolumen dehnt sich nämlich beim Umgießen des Einsatzteiles mit Schmelze aufgrund der dabei eintretenden Temperaturerhöhung aus und versucht, über die gesamte Oberfläche zu entweichen. Die Oberflächenspannung der Schmelze, eventuell unterstützt durch die sich bildende Oxidhaut, verhindert aber das Entweichen einzelner kleiner Bläschen.
  • Aufgrund dessen entsteht um das Einsatzteil ein geschlossener Gasschlauch, der sich allenfalls an hochgelegenen Punkten des Einsatzteils in einzelnen, großen Blasen in die Schmelze entleert. Bei leicht oxidierbarem Schmelzen kann es dadurch zu Materialtrennungen in Form von Oxidschlieren kommen. Dadurch wird natürlich die Befestigung der Einsatzteile im Grundwerkstoff der Gußteile beeinträchtigt. Die zur Rede stehenden Werkstoffe weisen also zwar eine unvermeidliche Porosität auf, jedoch reicht die Porengröße in der Regel nicht aus, um dem Gas über weitere Strecken innerhalb des Werkstoffes Wege zu bieten, so daß es an gewünschten Stellen außerhalb des Metallumschlusses austreten oder im Verlauf des Gießvorgangs abgesaugt werden könnte.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Bauteile der bezeichneten Art zu schaffen, bei denen ein gasblasenfreier Umschluß des Einsatzteiles durch das Umgußmaterial gegeben ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Bauteile vorzuschlagen, durch das gewährleistet wird, daß die beim Umgießen aus dem Einsatzteil austretenden Gase schadlos abgeleitet werden können.
  • Diese Aufgabe wird in bezug auf die Bauteile als solche gemäß einem ersten Weg durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Einsatzteile aus den genannten, porösen, hitzebeständigen Werkstoffen aufgrund der thermischen Belastung während des Umgießens Gase abgeben. Diese sammeln sich zumindestens teilweise in der Trennfuge zwischen dem Einsatzteil und dem Gußteil und expandieren dort mit der Folge, daß sich dadurch Gashohlräume im Umgußmaterial bilden. Diese Feststellung ist deshalb überraschend, weil keramische Werkstoffe oder Cermet als inerte Materialien angesehen werden, bei denen an sich ein Gasen auszuschließen ist, zumal die Einsatzteile vorher bereits einer Wärmebehandlung, nämlich dem Sintern, unterworfen worden sind, so daß anzunehmen wäre, daß bei diesem Vorgang bereits im wesentlichen die gasförmigen Stoffe ausgetrieben worden sind.
  • Zwar wird in der schon erwähnten DE-C-2 354 254 vorgeschlagen, bei der Herstellung eines einschlägigen Verbund-Bauteils das Einsatzteil vor dem Gießvorgang zumindestens auf diejenige Temperatur zu erhitzen, die die Metallschmelze, mit der es umgossen wird, aufweist. Bei dieser Maßnahme ist aber ersichtlich nicht daran gedacht, daß damit vor dem Umgießvorgang die Gase aus dem Einsatzteil ausgetrieben werden sollen, so daß dann beim Umgießen ein Gasen im wesentlichen nicht mehr auftritt. Bei der bekannten Lösung soll nämlich die Oberfläche des Einsatzteils glatt sein und keine Öffnungen, Poren oder Löcher aufweisen, in die die Metallschmelze eindringen kann. Die Möglichkeit der Erhitzung des Einsatzteils scheidet ferner völlig aus, wenn es sich um Keramikeinsätze mit Hohlräumen handelt, welche für den Umgießvorgang mit Kernsand ausgefüllt werden müssen, oder wenn Kernsandpaßstücke (sog. Kernmarken) zur Lagefixierung in der Gießform am Keramikteil befestigt sind (DE-C-2 354 254, Spalte 6, Zeile 6 ff. und DE-B-2 163 717. Spalte 2, Zeile 58 ff.).
  • Die ältere EP-A-0 163 241 der Patentinhaberin bezieht sich auf das Problem, bei einschlägigen Bauteilen die sich bei Temperaturwechselbeanspruchung zwischen Einsatzteil und Umgußmetall sammelnden Gase abzuführen. Diese Gase können nämlich bei Bauteilen, bei denen das Einsatzteil im wesentlichen nur durch Schrumpfsitz kraftschlüssig im Gußteil verankert ist, dazu führen, daß das derart eingegossene Einsatzteil allmählich aus dem es umklammernden Umgußmaterial herauswändert, wodurch es zu einer Zerstörung des kompletten Bauteils kommen kann. Die Lösung dieses Problems besteht darin, daß zur Entspannung des sich zwischen dem Einsatzteil und dem Gußteil aufbauenden Gasdrucks im Gußteil mindestens eine Gasdruck-Entlastungsbohrung vorgesehen ist, die von der Trennfuge zwischen Einsatzteil und Gußteil zu einer freien Oberfläche des Gußteils führt. Demgegenüber beschäftigt sich die erfindungsgemäße Lösung mit der schadlosen Abfuhr der beim Umgießen des Einsatzteils freigesetzten Gase. Die durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagenen Maßnahmen können natürlich in speziellen Fällen auch dazu dienen, die im Betrieb aufgrund thermischer Belastung des Bauteils noch freigesetzten Gase problemlos abzuführen.
  • Zur konkreten Lösung des Erfindungsvorschlags, nämlich das Einsatzteil derart auszubilden, daß ein unbehindertes Abströmen der beim Umgießvorgang aus dem Eingießteil austretenden Gase ermöglicht wird, greift die Erfindung zurück auf Vorschläge der Kerntechnologie der Gießereitechnik, die ebenfalls darauf gerichtet sind, eine Ableitung der Gasabfuhr aus den Form- und Kernwerkstoffen zu erreichen. Erst die Erkenntnis, daß die zur Rede stehenden Einsatzteile trotz der dafür gewählten inerten Werkstoffe gasen, eröffnete die Möglichkeit, die Kenntnisse aus der Kerntechnologie zur Lösung der angesprochenen Probleme nutzbar zu machen. So ist z. B. in der DE-B-2 163 717 eine strikte Unterscheidung getroffen zwischen den zur Rede stehenden Einsatzteilen, dort zwar Hohlkerne genannt, wie auch in der DE-C-2 354 254, und den eigentlichen Kernen im Sinne eines konventionellen Gießverfahrens (DE-B-2 163 717, Spalte 2, Zeilen 42 ff.). Eine Erklärung könnte darin bestehen, daß der Fachmann einen deutlichen Unterschied macht zwischen Kernen, die zur Erzeugung von Hohlräumen theoretisch nur bis zum Ende der Erstarrung des Gießmetalls im Gußteil verbleiben müssen, und den hier angesprochenen Eingießteilen, die dazu bestimmt sind, als dauernder funktionswichtiger Bestandteil des Gußteils für immer in diesem verankert zu bleiben.
  • Um nun erfindungsgemäß das Einsatzteil derart auszubilden, daß ein unbehindertes Abströmen der beim Umgießvorgang austretenden Gase ermöglicht wird, können sowohl im Inneren des Einsatzteils als auch an dessen Oberfläche in bezug auf eine Oberfläche offene Gasableit-Kanäle ausgebildet sein. Die Öffnungen der im Inneren des Einsatzteils vorgesehenen Gasableit-Kanäle können in den an der Oberfläche vorgesehenen Gasableit-Kanälen liegen, so daß letztere Sammelkanäle bilden, mittels denen die unter Expansion austretenden Gase gesammelt und zu einer AbIeitstelle geführt werden können.
  • Die im Inneren des Einsatzteils geführten Kanälen können durch Schlitzungen, Perforationen oder dergleichen ausgebildet sein. Die an der Oberfläche des Einsatzteils geführten Gasableit-Kanäle können durch eine Oberflächenstruktur erzeugt sein, die offene Strömungswege für das flächig austretende Gas bilden. Diese offenen Kanäle müssen so dimensioniert sein, daß die Oberflächenspannung und die Oxidhaut der Schmelze ein Auffüllen der Oberflächenstruktur verhindern. Über die gasführende Oberflächenstruktur kann das austretende Gas zu einzelnen Absaugbohrungen gelangen. Die Struktur kann dabei die Oberfläche des Eingießteils ganz oder nur teilweise abdecken.
  • Zwar ist es durch die DE-A-3 126 028 bekannt, in der Wandung eines Keramik-Einsatzteils Schwalbenschwanznuten auszuführen, in die beim Gießen der Grundwerkstoff des Gußteils eindringen kann. Jedoch soll bei dieser Lösung ausschließlich die Befestigung der beiden Komponenten des Bauteils erhöht werden, während es erfindungsgemäß um das Ableiten der aus dem Eingießteil austretenden Gase bei dem Umgießvorgang geht und folglich die Kanäle gerade nicht vom flüssigen Metall aufgefüllt werden dürfen.
  • Natürlich müssen auch die Öffnungen der im Inneren des Einsatzteils geführten Gasabzugs-Kanäle bezüglich des Querschnitts so ausgelegt sein, daß einerseits die Schmelze des Grundwerkstoffs beim Umschmelzvorgang bei angelegtem Unterdruck nicht eindringen kann, andererseits das Austreten und das Absaugen der Gase nicht behindert wird.
  • Es ist aber auch möglich, daß zumindest zwischen der Oberfläche des Einsatzteils, an der ein Gasableit-Kanal endet bzw. vorgesehen ist, und dem aus dem Grundwerkstoff bestehenden Gußteil eine gasdurchlässige und/oder-gasleitende Schicht angeordnet ist.
  • Diese Schicht trägt einerseits völlig oder teilweise dazu bei, daß die Schmelze beim Umgießvorgang nicht in die Gasabzugs-Kanäle eintreten und daß andererseits das aus dem Einsatzteil ausgetriebene Gas gut abgeleitet werden kann.
  • Diese Schicht kann durch Auflegen oder Umwickeln einer Folie auf oder um das Eingießteil erzeugt werden, vorzugsweise einer Folie aus Metall. Sie wird vorzugsweise einen Schmelzpunkt oberhalb der Gießtemperatur des Umgußmetalls haben. Ihr Aufschmelzen kann aber z. B. aber auch allein dadurch verhindert werden, daß sie durch Kontakt mit kälteren Körpern ausreichend intensiv gekühlt wird. Die gasführende Schicht wird gebildet durch den Zwischenraum zwischen der Oberfläche des Einsatzteils und der Folie.
  • Die Schicht kann ferner aus einer Faser- bzw. Filzmatte bestehen, vorzugweise aus Keramik oder Grafit. Die Matten können einseitig, und zwar bevorzugt zur Seite des Umgußmetalls hin, gasundurchlässig beschichtet sein.
  • Zwar sind bereits einschlägige Bauteile bekannt, bei denen das Einsatzteil in bezug auf das Gußteil mit einer Umhüllung aus Fasern aus anorganischen, u.U. keramische Fasern umgeben ist (DE-A-3 309 699, US-A-4 245 611). Diese Faserumhüllungen dienen allerdings einem anderen Zweck, bilden nämlich eine Art elastischen Puffer, um die auf das Einsatzteil wirkenden Schrumpfspannungen sowohl beim Gießvorgang als auch beim Betrieb des Bauteils zu erniedrigen.
  • Die zur Gasableitung bestimmte Schicht kann auch durch Aufspritzen oder Aufstreichen geeigneter Massen erzeugt werden.
  • Es ist aber auch möglich, ausschließlich die Kanäle zumindestens in ihren oberflächenseitigen Abschnitten mit einer gasdurchlässigen Füllung auszufüllen, um einerseits ein Eindringen des Gußmetalls in die Kanäle zu verhindern und andererseits die Gasabfuhr aus den Kanälen zu gewährleisten. Für den letztgenannten Zweck ist es empfehlenswert, die Fasern weitgehend in Gasströmungsrichtung zu orientieren. Auch hier besteht die Füllung zweckmäßigerweise aus einem Faser- bzw. Filzmaterial, vorzugsweise aus Keramik oder Grafit.
  • Während die vorstehend beschriebenen Lösungsvarianten darauf hinauslaufen, Gasableit-Kanäle durch entsprechende Formgebung des Einsatzteils zu erzeugen, besteht eine weitere grundsätzliche Lösungsmöglichkeit der erfindungsgemäßigen Idee darin, partiell oder insgesamt den Werkstoff des Einsatzteils so einzustellen, daß dieser einen Porendurchmesser aufweist, der zur Ableitung der expandierenden Gase geeignet ist. Dies ist Gegenstand des Anspruches 10.
  • Ein aus der EP-A-0 111 961 bekanntes hitzebeständiges Bauteil weist zwar ein Einsatzteil aus einem Keramikwerkstoff auf, das eine offene Porosität besitzt. Diese offene Porosität des Einsatzteils dient jedoch, daß während des Eingießvorgangs der Grundwerkstoff in die Porenstruktur des Einsatzteils eindringt, um so die Festigkeit der Verbindung der beiden Bauteile zu erhöhen. Nach Anspruch 10 sollen aber im Gegensatz dazu gerade Maßnahmen getroffen werden, die ein Eindringen des flüssigen Grundwerkstoffs in die offenporige Struktur des Einsatzteils verhindern. Nur dadurch kann nämlich gewährleistet werden, daß die während des Eingießvorgangs erzeugten Gase tatsächlich aus dem Einsatzteil abgeführt werden können.
  • Für eine partielle Erhöhung der Porosität des Werkstoffes des Einsatzteils bietet sich in erster Linie an, an den gewünschten Stellen des Einsatzteils einen saugfähigen Werkstoff als Art Einlage einzubringen. Der Porositätsgrad kann dann z. B. durch die Wahl der Dichte oder durch die Saugfähigkeit dieses Werkstoffs, z. B. Schwamm, Fasern usw., variiert werden. Falls es sich um Fasern, Fäden, Borsten oder dergleichen handelt, kann die Entlüftbarkeit bzw. Absaugbarkeit durch die Ausrichtung dieser Fasern oder dergleichen beeinflußt werden. Das saugfähige Material kann entweder im gesinterten Einsatzteil verbleiben, z. B. wenn es sich um Fasern aus Keramik oder Grafit handelt, oder aber beim Sintern durch Verbrennen, Verflüchtigen oder durch ein chemisches Verfahren entfernt werden, z. B. beim Einsatz von Schaum, Grafit oder organischen Schwammstoffen.
  • Auch bei einer Erhöhung der Porosität des Werkstoffes des Einsatzteils über dessen gesamtes Volumen kann so vorgegangen werden, wie oben im Zusammenhang mit der partiellen Erhöhung der Porosität geschildert. In dem zur Rede stehenden Fall ist es aber auch möglich, dem Werkstoff zur Herstellung der Einsatzteile Treibmittel oder Schaumbildner als Zusätze hinzuzugeben. Dies bietet sich in erster Linie bei Keramik an, wo diese Zusätze in den Keramik-schlicker eingebracht werden können.
  • Die erfindungsgemäße Lösung betrifft auch Verfahren zur Herstellung von Bauteilen der beschriebenen Art mit den Merkmalen des Anspruches 17 für ein Bauteil nach Anspruch 1 und des Anspruches 18 für ein Bauteil nach Anspruch 10.
  • Die beschriebenen Gasabieit-Kanäie können in dem Einsatzteil in dessen Grünzustand erzeugt werden. Dies kann z. B. beim Schlickern oder Pressen durch Einbringen von nicht-saugfähigen Drähten, Stiften, Fäden usw. in die Herstellungsform erreicht werden. Diese werden dadurch aus dem Grünling entfernt, daß sie fest mit der Form verbunden sind und dadurch beim Öffnen der Form in dieser verbleiben. Es ist aber auch möglich, diese Werkzeuge nach dem Entformen aus dem Grünling zu ziehen. Auch an eine chemische oder thermische Entfernung, z. B. beim Sintern des Grünlings, kann gedacht werden.
  • Es ist aber auch grundsätzlich möglich, die Gasabzugs-Kanäle nach dem Sintern des Einsatzteils durch Materialabtragung herzustellen. Hier ist z. B. an Ätzen, Bohren, Ultraschall- oder Laserabtrag zu denken.
  • Bei der Lösungsvariante, bei der die Porosität des Einsatzteils generell durch entsprechende Einstellung des Werkstoffs erhöht wird, können dem Werkstoff Zusätze von Treibmitteln oder Schaumbildnern beigegeben werden.
  • Die an der Oberfläche des Einsatzteils vorgesehenen Gasableit-Kanäle können durch Erzeugung einer Oberflächenstruktur auf dem Einsatzteil hergestellt werden. Dies kann beim Schlickern oder Pressen durch entsprechend strukturierte Oberflächen der Herstellungsform erfolgen. Die Oberflächenstruktur kann aber auch durch Materialabtrag erzeugt werden, und zwar entweder im Grünzustand oder nach dem Sintern, z. B. durch Ätzen, Fräsen, Sägen, Ultraschall- oder Laserabtrag. Es ist des weiteren denkbar, die Struktur durch Einlegen von strukturbildenden Netzen, Geweben und ähnlichem in die Herstellungsform zu erzeugen. Die Entfernung dieser strukturbildenden Elemente kann z. B. chemisch, thermisch oder mechanisch erfolgen. Schließlich ist es möglich, auf das Einsatzteil eine strukturierte poröse Oberflächenschicht, z. B. aus Keramik, Metall oder Metallkeramik, auf das Einsatzteil aufzuspritzen.
  • Zur weiteren Unterstützung der Gasabfuhr in einem erfindungsgemäßen Bauteil mit einem entsprechend ausgestalteten Einsatzteil kann nach einem weiteren Herstellungsverfahren die Gasabfuhr während des Herstellungsvorgangs durch Fremd-Absaugung gefördert werden. Dazu bieten sich lösungsmöglichkeiten an, die aus der Kerntechnologie bekannt sind und an das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend adaptiert werden können.
  • Ein Beispiel einer in der Kerntechnik bevorzugten Absauglösung, die auch auf das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden ist, ergibt sich aus der DE-A-2 917 208.
  • Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Bauteils und Einzelheiten zur Durchführung des Herstellungsverfahrens eines derartigen Bauteils ergeben sich anhand der Erläuterung der Zeichnungen. In diesen zeigt in sehr schematischer Darstellung:
    • Fig. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Bauteil,
    • Fig. 2 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Einsatzteils,
    • Fig. 3 einen Schnitt durch ein Bauteil in der Herstellungsphase, und
    • Fig. 4 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Bauteils.
    In den Figuren sind vergleichbare Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Gemäß Fig. 1 besteht das Verbund-Bauteil aus einem Gußteil 10, z. B. aus Aluminium. In das Gußteil 10 ist zumindestens teilweise ein Einsatzteil 20 eingegossen. Dieses Einsatzteil 20 besteht aus einem fein-porösen, hitzebeständigen Werkstoff, insbesondere einem keramischen Werkstoff oder einem Cermet. Mit seiner Fläche 22 ist das Einsatzteil 20 der thermischen Belastung beim Umschließen durch das schmelzflüssige Metall ausgesetzt. Ist das Bauteil 10, 20 z. B. ein Zylinderkopf, bildet die freie Fläche 21 des Einsatzteils 20 z. B. einen Teil der Brenngasauslaßkanäle.
  • In dem Einsatzteil 20 sind von der freien Fläche 21 zu der dem Gußteil 10 zugewandten Fläche 22 verlaufende Schlitze bzw. Perforationen 23 eingebracht, die die schon im Detail geschilderten Gasableit-Kanäle bilden. Durch diese Gasableit-Kanäle 23 kann das beim Umgießvorgang expandierende Gas an die Oberflächen 21, 22 des Eingußteils 20 getrieben und von dort abgeleitet werden. Diese Ableitung erfolgt z. B. in bezug auf die Oberfläche 21 dadurch, daß dort ein freies Abströmen ermöglicht oder ein entsprechender Unterdruck aufgebaut wird. Um auch eine unmittelbare Gasableitung in bezug auf die dem Gußteil 10 zugewandte Oberfläche 22 des Einsatzteils 20 zu ermöglichen bzw. zu fördern, ist zwischen dieser Fläche 22 des Einsatzteils 20 und der zugehörigen Gegenfläche 11 des Gußteils 10 eine Schicht 30, z. B. bestehend aus einer Fasermatte aus Keramik, eingebracht. Diese Schicht 30 ist dadurch im besonderen Maße gasleitend ausgebildet, daß die Fasern der Schicht in Richtung der gewünschten Gasführung orientiert sind, d.h. im vorliegenden Fall in etwa parallel zu den Flächen 11 und 22. Dadurch wird das in der Schicht 30 gesammelte Gas leicht aufgrund des Gasdruckes in Randbereiche der Schicht 30 geleitet, von wo aus es abgeführt werden kann. Diese Abführung kann z. B. dadurch erfolgen, daß durch das Gußteil 10 ein Absaugstift 40 (Fig. 3) in den Bereich der Schicht 30 geführt ist, in der das Gas sich sammeln soll und von wo aus es dann über den Absaugstift 40 abgesaugt wird.
  • Gemäß Fig. 2, die einen Schnitt nur durch das Einsatzteil 20 zeigt, können in dem Fall, in dem die Querschnitte der Gasabzugs-Kanäle 23 größer sein sollen als in Fig. 1, diese Gasabzugs-Kanäle 23 durch eine Füllung 31, z. B. aus keramischen Fasern, aufgefüllt sein. Diese Füllung 31 verhindert einerseits ein Eindringen von Gußmetall in die Gasableit-Kanäle 23 und fördert andererseits die Gasableitung aus den Gasableit-Kanälen 23, insbesondere dann, wenn die Fasern der Füllung 31 in Kanalrichtung orientiert sind.
  • Gemäß Fig. 4 kann die Matte 30 aus insbesondere Keramik-Fasern nach Fig. 1 auch durch eine Metallfolie 32 ersetzt sein, die ebenfalls das Ableiten des aus den Ableitkanälen 23 in diese Richtung sich bewegenden Gases zwischen sich selbst und der benachbarten Fläche 22 des Einsatzteils fördert. Auf der von der Folie abgedeckten Fläche 22 des Einsatzteils 20 sind ferner noch Oberflächen-Kanäle 24 vorgesehen, die zur Folie hin offen sind und in die die im Inneren des Einsatzteils 20 geführten Gasableit-Kanäle 23 sich öffnen. Die Oberflächen-Kanäle 24 bilden also Sammelleitungen, in die eine Mehrzahl von Gasableit-Kanälen 23 enden und in denen das aus dem Einsatzteil 20 ausgetriebene Gas in einen Sammelbereich geführt wird, aus dem es dann z. B. durch Fremd-Absaugung abgeleitet wird.

Claims (29)

1. Hitzebeständiges Bauteil, bestehend aus einem Gußteil (10) und einem von dessen Grundwerkstoff zumindest teilweise durch Eingießen umschlossenen Einsatzteil (20), das aus einem fein-porösen, hitzebeständigen Werkstoff, insbesondere einem keramischen Werkstoff oder einem Cermet, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzteil (20) durch gezielt angeordnete Strömungswege derart körperlich ausgebildet ist, daß ein unbehindertes Abströmen der beim Eingießvorgang aus dem Einsatzteil freigesetzten Gase ermöglicht ist, und daß Mittel vorgesehen sind, die ein Eindringen des flüssigen Grundwerkstoffs in die Strömungswege verhindern.
2. Bauteil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in dem Einsatzteil (20) als Strömungsweg mindestens ein Gasableit-Kanal (23, 24) ausgebildet ist, der in bezug auf eine Oberfläche (21, 22) des Einsatzteils (20) offen ist.
3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasableit-Kanal (23) sich im Inneren des Einsatzteils (20) erstreckt und sich mindestens eines seiner Enden an einer Oberfläche (21, 22) des Einsatzteils (20) öffnet.
4. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das offene Ende oder die offenen Enden des Gasableit-Kanals (23, 24) in bezug auf den Querschnitt so bemessen ist bzw. sind, daß ein Eindringen des schmelzflüssigen Grundwerkstoffs in den Kanal beim Umschließen durch Eingießen weitgehend verhindert ist.
5. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Oberfläche (22) des Einsatzteils (20) mindestens ein offener Oberflächenkanal (24) ausgebildet ist.
6. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein durch das Innere des Einsatzteils (20) verlaufender Gasableit-Kanal (23) mit seinem Ende sich in einen Oberflächen-Kanal (24) öffnet.
7. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Inneren des Einsatzteils (20) geführten Gasableit-Kanäle (23) durch Schlitzungen, Perforationen oder dergleichen ausgebildet sind.
8. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (23, 24) des Einsatzteils gleichmäßig angeordnet sind.
9. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle des Einsatzteils örtlich konzentriert sind.
10. Hitzebeständiges Bauteil, bestehend aus einem Gußteil (10) und einem von dessen Grundwerkstoff zumindest teilweise durch Eingießen umschlossenen Einsatzteil (20), das aus einem sonst üblicherweise fein-porösen, hitzebeständigen Werkstoff, insbesondere einem keramischen Werkstoff oder einem Cermet, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des Einsatzteils (20) aufgrund von Vorkehrungen bei der Herstellung zumindest bereichsweise eine offenporige Struktur mit einem Poren-Durchmesser aufweist, der einerseits zur Ableitung der beim Eingießvorgang aus dem Einsatzteil freigesetzten Gase geeignet ist, und daß andererseits Mittel vorgesehen sind, die ein Eindringen des flüssigen Grundwerkstoffs in die Struktur verhindern.
11. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwischen der Oberfläche (22) des Einsatzteils (20), an der ein Gasableit-Kanal (23, 24) endet bzw. vorgesehen ist, und dem aus dem Grundwerkstoff bestehenden Gußteil (10) eine gasdurchlässige und/oder gasleitende Schicht (30, 32) angeordnet ist, die eine Ableitung der Gase nach außen bewirkt.
12. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (32) als Zwischenraum zwischen der Oberfläche des Einsatzteiles und einer darüber gelegten Folie - vorzugsweise einer Metallfolie - ausgebildet ist.
13. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (30) aus einer Faser- bzw. Filzmatte besteht, vorzugsweise aus Keramik oder Grafit.
14. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht durch Spritzen oder Streichen aufgetragen wird.
15. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (23) zumindest in ihren oberflächenseitigen Abschnitten mit einer gasdurchlässigen Füllung (31) ausgefüllt sind.
16. Bauteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung (31) aus einem Faser- bzw. Filzmaterial besteht, vorzugsweise aus Keramik oder Grafit.
17. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 1 wobei ein Einsatzteil, das aus einem fein-porösen, hitzebeständigen Werkstoff besteht, durch Eingießen von dem Grundwerkstoff eines Gußteils zumindest teilweise umschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Eingießvorgang in dem Einsatzteil gezielt angeordnete Strömungswege ausgebildet werden, die ein unbehindertes Abströmen der beim Eingießvorgang aus dem Einsatzteil freigesetzten Gase ermöglichen, daß ferner Maßnahmen getroffen werden, die ein Eindringen des flüssigen Grundwerkstoffs in die Strömungswege verhindern, und daß während des Eingießvorgangs die aus dem Einsatzteil freigesetzten Gase von einer Oberfläche des Einsatzteils abgeleitet werden.
18. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 10, wobei ein Einsatzteil durch Eingießen von dem Grundwerkstoff eines Gußteils zumindest teilweise umschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzteil, das aus einem sonst üblicherweise fein-porösen, hitzebeständigen Werkstoff besteht, mit einer zumindest bereichsweise offenporigen Struktur erzeugt wird, die einen Poren-Durchmesser aufweist, der einerseits zur Ableitung der beim Eingießvorgang aus dem Einsatzteil freigesetzten Gase geeignet ist, daß andererseits Maßnahmen getroffen werden, die ein Eindringen des flüssigen Grundwerkstoffs in die Struktur verhindern und daß während des Eingießvorgangs die aus dem Einsatzteil freigesetzten Gase von einer Oberfläche des Einsatzteils abgeleitet werden.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die als Strömungswege dienenden Gasableit-Kanäle in dem Einsatzteil in dessen Grünzustand erzeugt werden.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasableit-Kanäle durch entsprechende Werkzeuge in der Herstellungsform für das Einsatzteil erzeugt werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeuge thermisch entfernt werden, z. B. beim Sintern des Einsatzteils.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die im Werkstück nach dem Entformen verbleibenden Werkzeuge auf chemische Weise entfernt werden.
23. Verfahren nach Anspruch 17; dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle nach dem Sintern des Einsatzteils durch Materialabtragung hergestellt werden.
24. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Oberfläche des Einsatzteils vorgesehenen Gasableit-Kanäle durch Erzeugung einer Oberflächenstruktur hergestellt werden.
25. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität des Keramik-Einsatzteils durch Zusätze von Treibmitteln oder Schaumbildnern zum Keramik-Schlicker erhöht wird.
26. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität des Einsatzteils (20) durch Einbringen eines porenbildenden Werkstoffs erhöht wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der porenbildende Werkstoff durch hitzebeständige Fasern, wie Keramik, gebildet wird.
28. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der porenbildende Werkstoff, z. B. Schaumgrafit, durch Verbrennen, Verflüchtigen und/oder chemische Lösungsmittel entfernt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 17 bzw. 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasabfuhr während des Herstellungsvorgangs durch Absaugung unterstützt bzw. gefördert wird.
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