EP0349031A1 - Verbundguszstück - Google Patents

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EP0349031A1
EP0349031A1 EP89201525A EP89201525A EP0349031A1 EP 0349031 A1 EP0349031 A1 EP 0349031A1 EP 89201525 A EP89201525 A EP 89201525A EP 89201525 A EP89201525 A EP 89201525A EP 0349031 A1 EP0349031 A1 EP 0349031A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
holding means
base body
melting temperature
composite casting
cast
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP89201525A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Norman Seitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kolbenschmidt AG
Original Assignee
Kolbenschmidt AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Kolbenschmidt AG filed Critical Kolbenschmidt AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0009Cylinders, pistons
    • B22D19/0027Cylinders, pistons pistons
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/02Light metals
    • F05C2201/021Aluminium
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/04Heavy metals
    • F05C2201/0433Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
    • F05C2201/0448Steel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2253/00Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/16Fibres

Definitions

  • the invention relates to a composite casting of a cast base body and by means of a holding means formed from a metallic material insert or molded therein from a material different from the material of the base body, in particular as an oscillating mass forces component of piston engines, in particular internal combustion engines.
  • DE-B-2 408 500 describes a component made of spheroidal graphite cast iron for machine and engine construction, into which a locally made of a high-strength material of low or non-iron is described Cobalt-based alloy or heat-resistant nickel-chromium-silicon-based insert is cast in.
  • a component made of spheroidal graphite cast iron for machine and engine construction into which a locally made of a high-strength material of low or non-iron is described
  • Cobalt-based alloy or heat-resistant nickel-chromium-silicon-based insert is cast in.
  • temperature-resistant, heat-insulating and / or wear-resistant insert parts in the area of the parts to be protected, such as the piston crown, top land and first piston ring groove Pour into the piston body from ceramic material.
  • cooling channels through which cooling oil can flow are arranged in the piston head, which are produced by ring-shaped hollow cores made of steel or copper or solid salt cores cast into the piston body.
  • the hollow cores must be removed from the piston body with acid and the salt cores rinsed out with water.
  • the insert parts are fastened in a self-supporting manner in the casting mold or on the casting cores by means of holding means and remain in the cast base body.
  • the holding means or parts thereof can loosen or loosen under the influence of the gas and inertial forces that change periodically during engine operation, which leads to considerable consequential damage and even failure of the internal combustion engine can.
  • This object is achieved in that there is a cohesive metallic bond between the base body and the holding means, which is achieved when the composite casting is cast by melting or melting the holding means.
  • holding means made of suitable light metal alloys with a coordinated melting temperature have significantly higher weight-specific strengths than conventional holding means made of ferrous material, over the entire operating temperature range of the composite casting are at least twice as high. This significantly increases the security against characteristic damage cases, caused by the effect of the periodically changing mass forces. In the event of overstressing of parts of the holding means that are not metallically connected to the base body, for example in inaccessible areas of the composite casting, these are conserved by plastic deformation due to the high ductility of the light metal alloys used.
  • Another advantage can be seen in the fact that commercially available semi-finished products, such as standardized welding wires made of light metal alloys, can be used for the holding means, whereas the holding means which were customary up to now had to have special geometric shapes for better anchoring.
  • the melting temperature of the material of the holding means is expediently the same as the melting temperature of the material of the base body, preferably the difference is up to 100 K, in particular up to 75 K.
  • the melting temperature of the material of the holding means is somewhat lower than the melting temperature of the material of the base body.
  • the melting temperature of the material of the holding means is somewhat higher than the melting temperature of the material of the base body.
  • holding means made of aluminum alloy of the type AlMg3 with different diameters were poured into eutectic aluminum piston alloys of the type G-AlSil2CuMgNi at a casting temperature of 973 to 1073 ° C.
  • the holding means could be melted down to a depth of 15% of the diameter and thus a solid material bond between the cast body and the holding means could be achieved.
  • Fig. 1 shows a broken-away sectional view of a holding pin (1) made of the aluminum alloy of the AlMg3 type and embedded in its one section in a sand / salt-based casting core, the other section of which is in a cast body (4) made of the eutectic aluminum-piston alloy of the type G-AlSil2CuMgNi is poured in such a way that the retaining pin (1) in the zone (3) is melted to form a metallic compound.
  • FIG. 2 shows a section along the section line A-B of FIG. 1.
  • the solidus temperature of the retaining pin (1) is approx. 90 K above that of the material of the cast body (4).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

In Gußkörper sind mit Hilfe metallischer Haltemittel Einlegteile an- oder eingegossen. Um ein Lockern des Haltemittels zu verhindern, besteht zwischen dem Gußkörper und dem Haltemittel eine stoffschlüssige metallische Bindung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verbundgußstück aus gegossenem Grundkörper und mittels aus metallischem Werkstoff gebildetem Haltemittel darin ein- oder angegossenem Einlegteil aus vom Werkstoff des Grundkörpers unterschiedlichen Werkstoff, insbesondere als oszillierenden Massenkräften unterworfenes Bauteil von Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen.
  • Das Ein- bzw. Angießen metallischer und nicht-metallischer Einlegteile ist bei der Herstellung von Gußstücken durch statischen und dynamischen Guß möglich. Derartige Verbundgußstücke sind immer dann von Interesse, wenn konstruktive und/oder technische Erfordernisse eines Gußstückes die Ausnützung der spezifisch günstigen Eigenschaften unterschiedlicher Werkstoffe notwendig machen, wobei zwischen dem gegossenen Grundkörper und dem Einlegteil entweder eine stoffschlüssige metallische Bindung oder eine als Schrumpf- oder Verzahnungshaftung bezeichnete Bindung besteht. Bei Verbundgußstücken mit einem Grundkörper aus Leichtmetall und einem Einlegteil aus Eisenwerkstoff, Kupferwerkstoff, harter Aluminiumlegierung oder Faser- bzw. Whisker-Werkstoff werden neben dem geringen Gewicht und der guten Wärmeleitfähigkeit und der chemischen Beständigkeit des Leichtmetalls die besseren mechanisch-technologischen Eigenschaften des Werkstoffs des Einlegteils benutzt.
  • In der DE-B-2 408 500 ist ein aus Gußeisen mit Kugelgraphit bestehendes Bauteil für den Maschinen- und Motorenbau beschrieben, in das lokal ein aus einem hochfesten Werkstoff einer eisenarmen oder eisenfreien Legierung auf Kobalt-Basis oder warmfesten Legierung auf Nickel-Chrom-Silizium-Basis gebildetes Einlegteil eingegossen ist. In Fällen, in denen beispielsweise Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen im Motorbetrieb vergleichsweise hohen mechanischen und/oder thermischen Belastungen ausgesetzt sind, ist es angebracht, im Bereich der zu schützenden Partien, wie insbesondere Kolbenboden, Feuersteg und erste Kolbenringnute, temperaturwechselbeständige, wärmedämmende und/oder verschleißfeste Einlegteile aus keramischem Werkstoff in den Kolbengrundkörper einzugießen. Wenn es um den reinen Wärmeschutz des Kolbens geht, sind von Kühlöl durchströmbare Kühlkanäle im Kolbenkopf angeordnet, die durch ringförmige in den Kolbengrundkörper eingegossene Hohlkerne aus Stahl oder Kupfer oder Salzvollkerne hergestellt werden. Die Hohlkerne müssen mit Säure aus dem Kolbengrundkörper herausgelöst und die Salzkerne mit Wasser herausgespült werden.
  • In aller Regel werden die Einlegteile mittels Haltemitteln in der Gießform oder an den Gießkernen freitragend befestigt und verbleiben in dem gegossenen Grundkörper. Da jedoch zwischen dem Grundkörper und dem eingegossenen Haltemittel keine metallische Bindung besteht, kann sich unter der Einwirkung der im Motorbetrieb periodisch veränderlichen Gas- und Massenkräfte das Haltemittel bzw. Teile desselben lockern oder lösen, was zu erheblichen Folgeschäden bis hin zu einem Ausfall der Brennkraftmaschine führen kann.
  • Es ist zwar bekannt, Haltemittel von Einlegteilen aus dem gegossenen Grundkörper herauszuziehen und die entstandenen Löcher entweder mit Leichtmetall zu stopfen oder mit pulverförmigem Leichtmetall zu verschließen und durch Warmhohlpressen das Leichtmetall mit dem Werkstoff des Grundkörpers zu verbinden (DE-C-1 577 099, DE-B-1 627 757). Solche Maßnahmen sind allerdings mit einem beachtlichen technischen und zeitlichen Aufwand verbunden.
  • Bekannt ist auch (DE-A-2 402 337), bei der Herstellung eines Leichtmetallkolbens mit im Kolbenkopf angeordneten ringförmigen, mittels eines Salzvollkerns hergestellten Kühlkanals den Salzkern durch ein Haltemittel in die in der Kokille befindlichen Schmelze in die gewünschte Position einzutauchen und das Haltemittel aus der Restschmelze zu entfernen, sobald die Erstarrungsfront die Unterseite des Salzkerns erreicht hat. Dieses Verfahren hat sich in der Gießereipraxis jedoch nicht durchsetzen können.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das in dem Grundkörper des eingangs beschriebenen Verbundgußstücks eingegossene Haltemittel für das Einlegteil unlösbar in dem Grundkörper zu verankern.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß zwischen dem Grundkörper und dem Haltemittel eine stoffschlüssige metallische Bindung besteht, die beim Gießen des Verbundgußstücks durch ein Anschmelzen oder Aufschmelzen des Haltemittels erreicht wird.
  • Bei Verbundgußstücken, bei denen der Grundkörper aus Leichtmetall besteht, besitzen Haltemittel aus geeigneten Leichtmetallegierungen mit abgestimmter Schmelztemperatur gegenüber herkömmlichen Haltemitteln aus Eisenwerkstoff deutlich höhere gewichtsspezifische Festigkeiten, die über den gesamten Einsatztemperaturbereich des Verbundgußstücks mindestens doppelt so hoch liegen. Dadurch wird die Sicherheit gegenüber charakteristischen Schadensfällen, verursacht durch die Wirkung der periodisch veränderlichen Massenkräfte, deutlich erhöht. Für den Fall auftretender Überbeanspruchungen von nicht mit dem Grundkörper metallisch verbundenen Teilen des Haltemittels, beispielsweise in unzugänglichen Bereichen des Verbundgußstücks, werden diese durch die hohe Duktilität der verwendeten Leichtmetallegierungen durch plastische Verformung konservativ aufgefangen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß für das Haltemittel handelsübliches Halbzeug, wie z.B. genormte Schweißdrähte aus Leichtmetallegierungen, eingesetzt werden können, während die bisher üblichen aus Eisenwerkstoff bestehenden Haltemittel zum Zwecke einer besseren Verankerung spezielle geometrische Formen aufweisen mußten.
  • Zweckmäßigerweise ist die Schmelztemperatur des Werkstoffs des Haltemittels größenordnungsmäßig gleich der Schmelztemperatur des Werkstoffs des Grundkörpers, vorzugsweise beträgt die Differenz bis zu 100 K, insbesondere bis zu 75 K.
  • Im Rahmen der weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist bei durch statisches Gießen hergestellten Verbundgußstücken die Schmelztemperatur des Werkstoffs des Haltemittels etwas niedriger als die Schmelztemperatur des Werkstoffs des Grundkörpers.
  • Sind die Verbundgußstücke durch dynamisches Gießen hergestellt, so ist die Schmelztemperatur des Werkstoffs des Haltemittels etwas höher als die Schmelztemperatur des Werkstoffs des Grundkörpers.
  • Je nach Werkstoffwahl für das Haltemittel kann dieses nur angeschmolzen oder ganz aufgeschmolzen sein.
  • Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Im Preßgießverfahren wurden Haltemittel aus der Aluminiumlegierung des Typs AlMg₃ mit unterschiedlichem Durchmesser in eutektische Aluminium-Kolbenlegierung des Typs G-AlSil2CuMgNi bei einer Gießtemperatur von 973 bis 1073°C eingegossen. In allen Fällen konnte ein Anschmelzen der Haltemittel bis auf eine Tiefe von 15 % des Durchmessers und damit eine feste stoffschlüssige metallische Bindung zwischen Gußkörper und Haltemittel erzielt werden.
  • Fig. 1 zeigt in einer abgebrochenen Schnittdarstellung einen mit seinem einen Abschnitt in einen Gießkern auf Sand-/Salzbasis eingebetteten Haltestift (1) aus der Aluminiumlegierung des Typs AlMg3, dessen anderer Abschnitt in einen Gußkörper (4) aus der eutektischen Aluminium-Kolbenlegierung des Typs G-AlSil2CuMgNi so eingegossen ist, daß der Haltestift (1) in der Zone (3) unter Bildung eines metallischen Verbundes aufgeschmolzen ist.
  • In Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Schnittlinie A-B der Fig. 1 dargestellt. Die Solidustemperatur des Haltestifts (1) liegt ca. 90 K über derjenigen des Werkstoffs des Gußkörpers (4).

Claims (7)

1. Verbundgußstück aus gegossenem Grundkörper und mittels aus metallischem Werkstoff gebildetem Haltemittel darin ein- oder angegossenem Einlegteil aus vom Werkstoff des Grundkörpers unterschiedlichem Werkstoff, insbesondere als oszillierenden Massenkräften unterworfenes Bauteil von Kolbenmaschinen, vorzugsweise Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Grundkörper (4) und Haltemittel (1) eine stoffschlüssige metallische Bindung besteht.
2. Verbundgußstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelztemperatur des Werkstoffs des Haltemittels (1) größenordnungsmäßig gleich der Schmelztemperatur des Werkstoffs des Grundkörpers (4) ist.
3. Verbundgußstück nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen der Schmelztemperatur des Werkstoffs des Haltemittels (1) und derjenigen des Werkstoffs des Grundkörpers (4) bis zu 100 K, vorzugsweise bis zu 75 K, beträgt.
4. Verbundgußstück nach den Ansprüchen 1 bis 3, hergestellt durch statisches Gießen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelztemperatur des Werkstoffs des Haltemittels (1) etwas niedriger als die Schmelztemperatur des Werkstoffs des Grundkörpers (4) ist.
5. Verbundgußstück hergestellt durch dynamisches Gießen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelztemperatur des Werkstoffs des Haltemittels (1) etwas höher als die Schmelztemperatur des Werkstoffs des Grundkörpers (4) ist.
6. Verbundgußstück nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein angeschmolzenes Haltemittel (1).
7. Verbundgußstück nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein aufgeschmolzenes Haltemittel (1).
EP89201525A 1988-06-30 1989-06-13 Verbundguszstück Withdrawn EP0349031A1 (de)

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GB2019758A (en) * 1978-04-19 1979-11-07 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Making a composite cylinder head
DE2854958A1 (de) * 1978-12-20 1980-07-10 Daimler Benz Ag Verfahren zum herstellen von zylinderbloecken fuer verbrennungskraftmaschinen durch verbundgiessen unterschiedlicher aluminium-legierungen

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