EP1477661A2 - Herstellen eines Gradientenwerkstücks durch Schichtgiessen - Google Patents

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EP1477661A2
EP1477661A2 EP04010594A EP04010594A EP1477661A2 EP 1477661 A2 EP1477661 A2 EP 1477661A2 EP 04010594 A EP04010594 A EP 04010594A EP 04010594 A EP04010594 A EP 04010594A EP 1477661 A2 EP1477661 A2 EP 1477661A2
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EP
European Patent Office
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casting
graphite
cast
running
cast iron
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04010594A
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English (en)
French (fr)
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EP1477661A3 (de
Inventor
Ulrich Dieterle
Rolf Heinemann
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Halberg Guss GmbH
Volkswagen AG
Original Assignee
Halberg Guss GmbH
Volkswagen AG
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Publication date
Priority claimed from DE10342582A external-priority patent/DE10342582B4/de
Application filed by Halberg Guss GmbH, Volkswagen AG filed Critical Halberg Guss GmbH
Publication of EP1477661A2 publication Critical patent/EP1477661A2/de
Publication of EP1477661A3 publication Critical patent/EP1477661A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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 or frames
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D1/00—Treatment of fused masses in the ladle or the supply runners before casting
    • B22D1/007—Treatment of the fused masses in the supply runners
    • 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
    • B22D19/16—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making compound objects cast of two or more different metals, e.g. for making rolls for rolling mills
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/20—Measures not previously mentioned for influencing the grain structure or texture; Selection of compositions therefor
    • 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
    • F05C2201/04—Heavy metals
    • F05C2201/0433—Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
    • F05C2201/0436—Iron
    • F05C2201/0439—Cast iron

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a casting from graphite-containing Cast iron with the features of the preamble of claim 1. It relates also on a device which is particularly suitable for carrying out the method, and on the castings manufactured with them and their uses.
  • DE-A1-36 22 511 discloses a method for pouring on a (noble) metal body on another (precious) metal body, on the body that was cast first a second molten metal is poured on. This creates a gap-free intermediate area between the two workpieces. According to the above However, print will be available a graphite release agent layer is applied to the pouring of the second body, which prevent the two castings from merging.
  • GJV cast iron with compact is often used Graphite inclusions - used.
  • GJS i.e. spheroidal graphite cast iron.
  • the latter materials also have manufacturing disadvantages because they tend z. B. to higher porosity. In particular, they are for high speed machining less useful, e.g. B. when cylinder bores and oil channels through PCBN cutting should be introduced.
  • the invention is based on the object of a method for producing a casting with differently stressed areas or zones, in particular a cylinder crankcase for internal combustion engines, to indicate with which different materials can be arranged in the casting according to the load.
  • a device is also to be created which is particularly suitable for carrying out the process according to the invention Process is suitable.
  • this object is achieved according to the invention solved with the features of claim 1.
  • the features of the claim 11 indicate a corresponding device, while in claim 20 corresponding Castings are stressed.
  • the characteristics of the independent claims subordinate claims give advantageous developments of the invention on.
  • a casting is made in a uniform Mold made from different batches of cast iron, their properties better geared to the different operational stresses in certain areas or to these can be customized as this with a homogeneous batch of cast iron or - Alloy is possible for the entire casting.
  • Such a casting can also be used as Gradient casting can be called, because in any case its inner graphite structure is not is the same everywhere.
  • the cylinder axes become during casting or in orient the shape preferably vertically, the cylinder area positioned above or below can be. It is preferred to pour upwards, but also downwards is possible.
  • Another advantageous embodiment provides that the running and gating system one component or alloy during the casting of a second component or alloy is closed, so that the two alloys do not accidentally can mix.
  • poured a common base melt into the sprue This is used to manufacture the graphite structures required for the different areas of the finished casting in a manner known per se by adding modifiers, alloying elements, Inoculants and other suitable agents in the pouring funnel, in the pouring stream or treated in the individual running and gating system.
  • a running and gating system is used used for one or more cast batches (materials).
  • a particularly suitable device for carrying out the method discussed above is Different run and gate channels for feeding the individual melt batches to include the areas of the form with the differently alloyed and modified Cast iron batches are to be filled. When using one to be filled in vertical order These different filling levels are staggered vertically. A separation of the different layers is not necessary, because according to the inventive method Transitions or a quasi-autogenous course of the alloys in the transition areas are desired.
  • the device is operated in increasing casting, falling pouring is also conceivable, as described above. It includes the Furthermore at least one overflow from which the batch just cast from the mold can exit as soon as the level assigned to it is reached. This is next to one Overfill protection also allows a visual control of the melt level. It understands by itself that overflows preceded while filling more layers encapsulated batches are sealed, in particular by solidification. It can also Device contain closure devices with which inlets from first cast Batches are sealed while a subsequent batch is filled into the mold. In order to returns of the still liquid pre-batch based on the principle of communicating Prevents tubes. Further details and advantages of the method and the device according to the invention go from the drawing of an embodiment and their themselves here following detailed description.
  • a mold 2 is like this aligned that the axes of the cylinders 3 are perpendicular - parallel to the direction of gravity.
  • a power flow area 5 can be seen, which later has to absorb the gas forces.
  • the crankcase outer wall 6 can also be seen arranged inside the form 2 below the cylinder bank with its cooling water jacket Crankcase 4 is cast over a first running and gating system 7.
  • the inflow the melt in form 2 is at the bottom of the latter, so it is poured upwards.
  • An overflow 8 is at the level of the transition from the crankcase 4 to the cylinders 3 intended. It marks the threshold up to which the Form 2 marks out with a first batch Cast iron can be filled with preferably vermicular or spheroidal graphite. Naturally more than one overflow can be provided at the same level; the arrangement is here shown only schematically simplified.
  • the mold 2 with the cast material is included the properties desired for the area of the crankcase. This has the The advantage that you don't necessarily work with a precisely defined amount of melt must, but can work with a tolerable tolerance.
  • the first running and gating system is then closed with the aid of a closing device 9 7.
  • the overflow 8 is closed by rapid solidification.
  • the first casting batch is now a second by a second barrel and gate system 10 Cast batch cast from one material (also in increasing cast), which is suitable for the Has cylinder properties desired properties, preferably with lamellar graphite or Vemiculargraphit.
  • the preferred combinations with the material of the first batch have already been discussed above.
  • the closure device 9 prevents that after introducing the material over the first Running and gating system 7 this is pushed back again (communicating Tubes) when the material is filled in via the second run and gate system 10.
  • Form 2 could also be used with the cylinders arrange downwards and the casting material intended to form their walls First fill in via the first run and gate system 7- until it comes out of the overflow 8 exit. Thereafter, the crankcase 4 would over the second barrel and gate arrangement 10 cast from the designated material. Changes to the result / product achieved nothing.
  • the two running and gating systems are 7 and 10 shown completely separate from each other. As stated above, you can nevertheless be fundamentally fed from the same base melt if the funds to provide the different graphite structures in the systems mentioned itself (not shown) can be provided. For large series production, however, it is also conceivable to hold different base melts, from which the respective ones Running and gating systems can be filled individually.
  • FIG. 2 shows a modification 1 'of the device in a representation similar to FIG. 1 1 from Fig. 1.
  • the device 1 'shown in Fig. 2 also has two running and Gate systems 7 and 10, now with the running and gate system 7 of Cylinder area and with the running and gating system 10 the crankcase area is poured, starting with the crankcase area with the barrel and gate system 10 and then the cylinder area with the barrel and gate system 7 cast becomes.
  • two distributor strips 11 and 12 are provided in the running and gating system 10, which extend along the crankcase outer walls 6 and over the entire Length of the cylinder crankcase to be cast a direct filling of the form 2 in the area allow the crankcase outer walls 6. This results in a special one favorable filling of the crankcase outer walls 6 without turbulence, so that a uniform microstructure is created.
  • the cylinder area 3 is over several, also over the length of the cylinder crankcase distributed central inlets 13 of the running and gating system 7 with a second, for first casting batch filled different casting batch, one compared to the crankcase different structure with a different graphite formation results.
  • Cylinder region 3 also has a uniform material distribution over the cylinder tube bank reached.
  • FIG. 3 A further modification of the device 1 'from FIG. 2 is with the device 1 "in FIG. 3 shown.
  • the running and gating system 7 is modified such that the Central inlets 13 replaced by inlets 14 and 15 when filling the cylinder area have been, which open into the form 2 directly in the area of the cylinder wall.
  • an annular inlet can also be provided, so that a direct and immediate filling of the cylinder wall is possible. This can be a more defined one Adjustment of the microstructure in the cylinder area 3 can be made.
  • Fig. 4 shows a device 1 "', in which the crankcase to be cast or the corresponding Form 2 is rotated by 90 ° with respect to the embodiments of FIGS. 1 to 3, so that the cylinder axis is horizontal, that is, perpendicular to the direction of gravity is arranged.
  • the gating system 10 is a third running and gating system 17 intended. With the different barrel and gate systems that are staggered vertically are arranged, and the correspondingly arranged overflows 8, it is possible to provide different graphite structures in layers in the cylinder crankcase.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Gussstücks, insbesondere eines Maschinenelements wie eines Zylinderblocks, aus graphithaltigem Gusseisen, werden erfindungsgemäß für unterschiedliche Beanspruchungszonen (4, 3) des Gussstücks unterschiedliche Graphitstrukturen enthaltende Gusseisenchargen und/oder Legierungen nacheinander in eine Form (2) gegossen, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, die örtlichen Materialeigenschaften an den Beanspruchungsfall besser anzupassen als bei einer Herstellung aus einer einzigen homogenen Schmelze. Es wird auch eine zum Durchführen des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung beschrieben. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Gussstücks aus graphithaltigem Gusseisen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Sie bezieht sich auch auf eine besonders zum Durchführen des Verfahrens geeignete Vorrichtung sowie auf die damit hergestellten Gussstücke und deren Verwendungen.
Bekannt ist aus DE-A1-36 22 511 ein Verfahren zum Aufgießen eines (Edel-)Metallkörpers auf einen anderen (Edel-)Metallkörper, bei dem auf den zuerst fertig gegossenen Körper eine zweite Metallschmelze aufgegossen wird. Dadurch entsteht ein spaltfreier Zwischenbereich zwischen den beiden Werkstücken. Nach der o. g. Druckschrift wird allerdings vor dem Aufgießen des zweiten Körpers eine Trennmittelschicht aus Graphit aufgetragen, welche eine Verschmelzung der beiden Gusskörper verhindern soll.
Generell ist es bekannt, dass räumlich komplizierte Gussstücke, z. B. Getriebe- oder Motorgehäuse, Zylinderblöcke und -köpfe etc., im Betrieb örtlich je nach Funktionsbereich sehr unterschiedlichen Beanspruchungen ausgesetzt werden. Am Beispiel von Zylinderblöcken für hoch beanspruchte Dieselmotoren und/oder gewichtsoptimiert gebaute Diesel- oder Ottomotoren wird dies vorab näher erörtert.
Bei solchen Bauteilen sind folgende Anforderungen zu erfüllen:
  • möglichst geringes Gewicht (kleine Wand- und Stegstärken, gewichtsoptimiertes Design);
  • hohe Belastbarkeit gegen hohe Zünddrücke;
  • gute Geräuschdämmung;
  • gute Bearbeitbarkeit (Bohren, Schleifen, Fräsen, Honen, Innenspindeln, Gewindeschneiden etc.) in Großserienfertigungen;
  • hohe Verschleißbeständigkeit.
Im Detail werden
  • in den Wänden der Zylinderbohrungen günstige tribologische Eigenschaften im Zusammenspiel mit den Kolbenringen erwartet. Hierdurch sollen der Ölverbrauch verringert und die Inspektionsintervalle (Ölwechsel) ausgedehnt werden. Man wünscht einen geringen Reibungsbeiwert, hohe Verschleißbeständigkeit und hohe mechanische Steifigkeit gegen den Arbeitsdruck.
  • im Kraftflussbereich um die Kurbelwellenlager hohe Festigkeit, Dauerfestigkeit und Steifigkeit gefordert.
  • von den Außenwänden, insbesondere von der Kurbelraum-Außenwand eine hohe Steifigkeit gefordert, um die Geräuschentwicklung durch hohe Oberflächen-Dämpfung (geringe Oberflächenmobilität) zu verringern.
Zum Gießen von Motorenteilen wie Zylinderblöcken sind dem Fachmann verschiedene Eisen-Kohlenstoff-Gusslegierungen mit verschiedenen Graphit-Ausbildungsformen und Legierungszusammensetzungen bekannt: Lamellengraphit (GJL), Vermiculargraphit (GJV), Kugelgraphit (GJS) und deren mögliche Übergangsformen (vgl. z. B. DE-A1-199 42 780). Man hat bislang zumeist GJL in den Klassen GJL-250 bis GJL-350 verwendet. Dieser Werkstoff, insbesondere in legierter Ausführung, eignet sich insbesondere für die Zylinderbohrungen bzw. -wände, weil Lamellengraphit ein guter tribologischer Partner für die Kolben ist und die Gussstücke daraus technisch einfach herstellbar und spanend bearbeitbar sind. Weil jedoch der lamellare Graphit in einer meist perlitischen Matrix aufgrund innerer Kerbwirkungen die Dauerfestigkeit des Gussstücks beeinträchtigt, ist er für hoch aufgeladene Dieselmotoren nicht uneingeschränkt verwendbar.
Für solche Höchstbeanspruchungen wird deshalb häufig GJV - Gusseisen mit kompakten Graphiteinschlüssen - eingesetzt. Mit der Realisierung immer höherer Zünddrücke gibt es auch schon Anforderungen, GJS, also Gusseisen mit Kugelgraphit, zu verwenden. Die beiden letztgenannten Werkstoffe haben jedoch auch fertigungstechnische Nachteile, denn sie neigen z. B. zu höherer Porosität. Insbesondere sind sie für die Hochgeschwindigkeits-Bearbeitung weniger brauchbar, z. B. wenn Zylinderbohrungen und Ölkanäle durch PCBN-Schneiden eingebracht werden sollen.
Es ist grundsätzlich bekannt (DE-A1-25 18 637), beim Herstellen von Gusseisenstücken die Graphitstrukturen in der Schmelze durch eine "inmould"-Behandlung unmittelbar vor dem Eingießen in die Form bedarfsgerecht zu modifizieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Gussstückes mit unterschiedlich beanspruchten Bereichen oder Zonen, insbesondere eines Zylinderkurbelgehäuses für Verbrennungsmotoren, anzugeben, mit dem verschiedene Werkstoffe belastungsgerecht im Gussstück angeordnet werden.
Es soll auch eine Vorrichtung geschaffen werden, die besonders zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Merkmale des Patentanspruchs 11 geben eine entsprechende Vorrichtung an, während im Anspruch 20 entsprechende Gussteile beansprucht sind. Die Merkmale der den unabhängigen Ansprüchen jeweils nachgeordneten Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gussstück in einer einheitlichen Form aus unterschiedlichen Gusseisenchargen hergestellt, deren Eigenschaften besser auf die bereichsweise unterschiedlichen Betriebsbeanspruchungen abgestellt bzw. an diese angepasst werden können, als dies mit einer homogenen Gusseisencharge oder - legierung für das gesamte Gussstück möglich ist. Ein solches Gussstück kann auch als Gradientengussstück bezeichnet werden, da jedenfalls seine innere Graphitstruktur nicht überall gleich ist.
Es ist als besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht notwendig, bei der Abfolge des Gießens das Erstarren einer zuerst eingefüllten Schmelze abzuwarten, sondern man kann unmittelbar nach dem Erreichen der gewünschten Schichthöhe bzw. des Füllungsgrades der Form mit dem Eingießen der nächsten Charge beginnen. Damit wird zwar kein wirklich trennscharfer Übergang zwischen den Chargen bzw. Schichten erreicht, sondern es bilden sich Übergangsformen, z. B. Korallengraphit, in den Schnittstellen. Hierdurch wird aber einerseits eine innige, quasi autogene Verbindung der beiden Gussphasen erzielt, und zum anderen gibt es keine merklichen Verzögerungen vor dem Umschalten auf die zweite bzw. die jeweils folgende Gussphase.
Man wird so den vorstehend erörterten Problemen besser gerecht als mit herkömmlichen Gussstücken, denn man erreicht jeweils dort hohe Festigkeit, tribologische Eigenschaften und Schwingungsdämpfung, wo diese gewünscht werden. Zugleich erhält man die Option, für eher gering beanspruchte Bereiche nicht ebenfalls das höchstqualifizierte Material bzw. die höchstwertige Legierung zu verwenden und insofern dessen/deren Nachteile und Verbrauch auf das Unerlässliche zu beschränken.
Vorzugsweise sind für einen Motor- oder Zylinderblock für eine Verbrennungskraftmaschine nachfolgende Ausführungsfälle möglich:
  • a) der Kurbelraumbereich aus GJV und der Zylinderbereich nebst Wassermantel/Kühlkanälen aus GJL;
  • b) der Kurbelraumbereich aus GJS und der Zylinderbereich aus GJV;
  • c) der Kurbelraumbereich aus GJS und der Zylinderbereich aus GJL.
    • Hieraus ergeben sich analytisch voneinander unterscheidbare Schichten innerhalb des äußerlich homogen erscheinenden Gussstücks.
    Im vorstehenden Fall a) handelt es sich z. B. um einen Zylinderblock mit eher herkömmlichem Einsatzgebiet, während die Fälle b) und c) eine erhöhte Steifigkeit im Bereich der Zylinderwände und des Wasserkühlmantels bewirken. Letzteres wird bei hoch aufgeladenen Dieselmotoren mit extremen Verbrennungsdrucken bevorzugt und verhindert weitgehend blow-by-Verluste.
    Bei demselben Ausführungsfall wird man die Zylinderachsen während des Gießens bzw. in der Form bevorzugt senkrecht orientieren, der Zylinderbereich oben oder unten positioniert werden kann. Man wird bevorzugt steigend gießen, wobei jedoch auch fallendes Gießen möglich ist.
    Um eine Trennhöhe der verschiedenen, das Gussstück bildenden Schichten reproduzierbar zu definieren, wird man bevorzugt jeweils in Höhe des beabsichtigten (oberen) Endes des mit einer Legierung zu füllenden Formraums einen oder mehrere Überläufe vorsehen. Dies erübrigt darüber hinaus eine genaue Mengenzumessung der jeweiligen Charge zur damit aufzufüllenden Formkavität.
    Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, dass das Lauf- und Anschnittsystem einer Komponente bzw. Legierung während des Gießens einer zweiten Komponente bzw. Legierung verschlossen wird, damit die beiden Legierungen sich nicht unbeabsichtigt vermischen können.
    In noch einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine gemeinsame Basisschmelze in die Eingusskanäle gegossen. Diese wird zum Herstellen der jeweils für die unterschiedlichen Bereiche des fertigen Gussstücks gewünschten Graphitstrukturen in an sich bekannter Weise durch Beifügen von Modifikatoren, Legierungselementen, Impfmitteln und anderen geeigneten Mitteln im Eingusstrichter, im Gießstrahl oder im jeweils individuellen Lauf- und Anschnittsystem behandelt.
    Neben dem Gießen der verschiedenen Gusschargen nacheinander in einem Lauf- und Anschnittsystem wird bei einer weiteren vorteilhaften Variante jeweils ein Lauf- und Anschnittsystem für eine oder mehrere Gusschargen (Materialien) verwendet.
    Eine zum Durchführen des oben erörterten Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung wird unterschiedliche Lauf- und Anschnittkanäle zum Zuführen der einzelnen Schmelze-Chargen zu den Bereichen der Form umfassen, die mit den unterschiedlich legierten und modifizierten Gusseisenchargen zu füllen sind. Bei Verwendung einer in vertikaler Folge zu füllenden Form sind diese unterschiedlichen Füllstufen vertikal gestaffelt. Eine Trennung der unterschiedlichen Schichten ist nicht erforderlich, weil nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Übergänge bzw. ein quasi autogenes Verlaufen der Legierungen in den Übergangsbereichen gewünscht sind.
    In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die Vorrichtung in steigendem Guss betrieben, wobei, wie oben beschrieben, auch fallendes Gießen denkbar ist. Sie umfasst des Weiteren mindestens einen Überlauf, aus dem die soeben gegossene Charge aus der Form austreten kann, sobald die ihr zugeordnete Füllhöhe erreicht ist. Hierdurch ist neben einer Überfüll-Sicherung auch eine optische Kontrolle des Schmelzepegels möglich. Es versteht sich von selbst, dass während des Einfüllens weiterer Schichten Überläufe vorangehend vergossener Chargen insbesondere durch Erstarrung verschlossen werden. Auch kann die Vorrichtung Verschlussvorrichtungen enthalten, mit denen Zuläufe von zuerst gegossenen Chargen verschlossen werden, während eine Folgecharge in die Form gefüllt wird. Damit werden Rückläufe der noch flüssigen Vorcharge nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren verhindert. Weitere Einzelheiten und Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung gehen aus der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels und deren sich hier anschließender eingehender Beschreibung hervor.
    Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen deutlich, dabei zeigen die rein schematischen Zeichnungen in
    Fig. 1
    eine Schnittansicht einer ersten Vorrichtung zum Gießen eines Gussstücks in Gestalt von Zylinderblöcken für eine Verbrennungskraftmaschine aus Bereichen mit unterschiedlichen Graphitstrukturen;
    Fig. 2
    einen Schnittansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Gießen von Zylinderblöcken bzw. Zylinderkurbelgehäusen;
    Fig. 3
    eine weitere Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Gießen von Zylinderblöcken; und in
    Fig. 4
    eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gussform.
    In einer Vorrichtung 1 zum Herstellen des Zylinderblocks durch Gießen ist eine Form 2 so ausgerichtet, dass die Achsen der Zylinder 3 senkrecht -parallel zur Schwerkraftrichtungstehen. Im Bereich des Kurbelgehäuses 4 erkennt man einen Kraftflussbereich 5, der später die Gaskräfte aufzunehmen hat. Man erkennt ferner die Kurbelgehäuse-Außenwand 6. Das innerhalb der Form 2 unterhalb der Zylinderbank mit ihrem Kühlwassermantel angeordnete Kurbelgehäuse 4 wird über ein erstes Lauf- und Anschnittsystem 7 gegossen. Der Zulauf der Schmelze in die Form 2 befindet sich am Boden der letzteren, es wird also steigend gegossen. Ein Überlauf 8 ist in Höhe des Übergangs vom Kurbelgehäuse 4 zu den Zylindern 3 vorgesehen. Er markiert die Schwelle, bis zu der die Form 2 mit einer ersten Charge aus Gusseisen mit vorzugsweise Vermicular- oder Kugelgraphit gefüllt werden kann. Natürlich kann mehr als ein Überlauf auf gleicher Höhe vorgesehen werden; die Anordnung ist hier nur schematisch vereinfacht dargestellt.
    Tritt die Schmelze aus diesem Überlauf 8 aus, so ist die Form 2 mit dem Gussmaterial mit den für den Bereich des Kurbelgehäuses gewünschten Eigenschaften gefüllt. Dies hat den Vorteil, dass man nicht unbedingt mit einer genau definierten Schmelzemenge arbeiten muss, sondern mit einer tragbaren Toleranz arbeiten kann.
    Man verschließt dann mithilfe einer Verschlusseinrichtung 9 das erste Lauf- und Anschnittsystem 7. Der Überlauf 8 wird durch schnelle Erstarrung verschlossen. Auf die noch flüssige erste Gusscharge wird nun durch ein zweites Lauf- und Anschnittsystem 10 eine zweite Gusscharge aus einem Material eingegossen (ebenfalls in steigendem Guss), das die für die Zylinderwände gewünschten Eigenschaften hat, vorzugsweise mit Lamellengraphit oder Vemiculargraphit. Die bevorzugten Kombinationen mit dem Material der ersten Gusscharge wurden schon weiter oben erörtert.
    Bei dieser Vorgehensweise wird kein scharfer Grenzbereich zwischen den beiden Materialien ausgebildet, vielmehr vermischen sich im Grenzbereich, d. h. etwa in Höhe des Überlaufs 8 bzw. des Übergangs vom Kurbelgehäuse zur Zylinderbank, beide Gusschargen in einem begrenzten Bereich. Die Einfüllgeschwindigkeit der zweiten Charge ist nach fachmännischem Ermessen zu bestimmen, weil hierdurch ggf. der Grad der Vermischung im Grenzbereich beeinflusst werden kann.
    Die Verschlussvorrichtung 9 verhindert, dass nach Einbringen des Materials über das erste Lauf- und Anschnittsystem 7 dieses wieder rückwärts verdrängt wird (kommunizierende Röhren), wenn das Material über das zweite Lauf- und Anschnittsystem 10 eingefüllt wird. Man könnte die Form 2 abweichend von der Darstellung grundsätzlich auch mit den Zylindern nach unten anordnen und das zur Bildung von deren Wänden bestimmte Gussmaterial zuerst über das erste Lauf- und Anschnittsystem 7- einfüllen, bis es aus dem Überlauf 8 austritt. Danach würde das Kurbelgehäuse 4 über die zweite Lauf- und Anschnittanordnung 10 aus dem dafür bestimmten Material gegossen. Am erreichten Ergebnis / Produkt ändert sich hierdurch nichts.
    In der hier beschriebenen Ausführung sind die beiden Lauf- und Anschnittsysteme 7 und 10 völlig voneinander getrennt dargestellt. Wie schon weiter oben ausgeführt, können sie gleichwohl grundsätzlich aus derselben Basisschmelze gespeist werden, wenn die Mittel zum Bereitstellen der jeweils unterschiedlichen Graphitstrukturen in den genannten Systemen selbst (nicht dargestellt) vorgesehen werden. Für eine Großserienfertigung ist es jedoch auch denkbar, unterschiedliche Basisschmelzen vorzuhalten, aus denen dann die jeweiligen Lauf- und Anschnittsysteme individuell gefüllt werden können.
    Die Fig. 2 zeigt in einer ähnlichen Darstellung wie die Fig. 1 eine Abwandlung 1' der Vorrichtung 1 aus Fig. 1. Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung 1' weist ebenfalls zwei Lauf- und Anschnittsysteme 7 und 10 auf, wobei nunmehr mit dem Lauf- und Anschnittsystem 7 der Zylinderbereich und mit dem Lauf- und Anschnittssystem 10 der Kurbelgehäusebereich gegossen wird, wobei zunächst der Kurbelgehäusebereich mit dem Lauf- und Anschnittsystem 10 und anschließend der Zylinderbereich mit dem Lauf- und Anschnittsystem 7 gegossen wird.
    Hierfür sind in dem Lauf- und Anschnittssystem 10 zwei Verteilerleisten 11 und 12 vorgesehen, die sich entlang der Kurbelgehäuse-Außenwände 6 erstrecken und über die gesamte Länge des zu gießenden Zylinderkurbelgehäuses eine direkte Befüllung der Form 2 im Bereich der Kurbelgehäuse-Außenwände 6 ermöglichen. Damit ergibt sich eine besonders günstige Füllung der Kurbelgehäuse-Außenwände 6 ohne Turbulenzen, so dass eine gleichmäßige Mikrostruktur entsteht.
    Der Zylinderbereich 3 wird über mehrere, ebenfalls über die Länge des Zylinderkurbelgehäuses verteilte Zentraleinläufe 13 des Lauf- und Anschnittssystems 7 mit einer zweiten, zur ersten Gusscharge unterschiedlichen Gusscharge befüllt, die ein gegenüber dem Kurbelgehäuse unterschiedliches Gefüge mit einer anderen Graphitausbildung ergibt. Durch das Vorsehen von mehreren Zentraleinläufen 13 unterhalb der jeweiligen Bohrungsunterkante des Zylinderbereichs 3 wird auch hier eine gleichmäßige Materialverteilung über die Zylinderrohrbank erreicht.
    Eine weitere Abwandlung der Vorrichtung 1' aus Fig. 2 ist mit der Vorrichtung 1" in Fig. 3 dargestellt. Hier ist das Lauf- und Anschnittsystem 7 dahingehend abgewandelt, dass die Zentraleinläufe 13 beim Befüllen des Zylinderbereichs durch die Einläufe 14 und 15 ersetzt worden sind, die unmittelbar im Bereich der Zylinderwandung in die Form 2 münden. Neben dem Vorsehen von mehreren Einläufen 14 und 15, die über den Umfang der Zylinder 3 verteilt sind, kann auch ein ringförmiger Einlauf vorgesehen sein, so dass eine direkte und unmittelbare Befüllung der Zylinderwandung möglich ist. Damit kann noch eine definiertere Einstellung der Gefügestruktur im Zylinderbereich 3 vorgenommen werden.
    Die Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung 1"', bei der das zu gießende Kurbelgehäuse bzw. die entsprechende Form 2 um 90° gegenüber den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 gedreht ist, so dass also die Zylinderachse horizontal, das heißt senkrecht zu der Schwerkraftrichtung angeordnet ist. Neben dem ersten Lauf- und Anschnittsystem 7 und dem zweiten Lauf- und Anschnittsystem 10 ist bei dieser Vorrichtung 1'" ein drittes Lauf- und Anschnittsystem 17 vorgesehen. Mit den unterschiedlichen Lauf- und Anschnittsystemen, die vertikal gestaffelt angeordnet sind, sowie den entsprechend angeordneten Überläufen 8 ist es möglich, schichtweise verschiedene Graphitstrukturen in dem Zylinderkurbelgehäuse vorzusehen.
    Darüber hinaus ist im Bereich des Kurbelgehäuses am Kurbelwellenlager ein Kühlelement 16 vorgesehen, mit dem die Schmelze seitlich variabel an der entsprechenden Stelle gekühlt werden kann, um dadurch die Erstarrung und infolge dessen die Mikrostruktur zu beeinflussen.
    Bezugszeichenliste
    1,1',1",1'"
    Gießvorrichtung
    2
    Form
    3
    Zylinder
    4
    Kurbelgehäuse
    5
    Kraftflussbereich
    6
    Kurbelgehäuse-Außenwand
    7
    Erstes Lauf- und Anschnittsystem
    8
    Überlauf
    9
    Verschlusseinrichtung
    10
    Zweites Lauf- und Anschnittsystem
    11,12
    Verteilerleisten
    13
    Zentraleinläufe
    14,15
    Einläufe
    16
    Kühlkörper
    17
    Drittes Lauf- und Anschnittsystem

    Claims (21)

    1. Verfahren zum Herstellen eines Gussstücks, insbesondere eines Maschinenelements wie eines Zylinderblocks (3,4), aus graphithaltigem Gusseisen, dadurch gekennzeichnet, dass man für unterschiedliche Beanspruchungszonen des Gussstücks unterschiedliche Graphitstrukturen enthaltende oder bildende Gusseisenchargen und/oder Legierungen in eine Form (2) gießt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man aufeinander folgende Gusseisenchargen nacheinander vor dem Erstarren der jeweils zuvor gegossenen Gusseisencharge in die Form einfüllt.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitstrukturen der unterschiedlichen Gusseisenchargen aus Lamellengraphit (GJL), Vermiculargraphit (GJV) und /oder Kugelgraphit (GJS) und deren Übergangsformen ausgewählt sind.
    4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (2) in steigender und/oder in fallender Gussweise gefüllt wird.
    5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einzelne Bereiche einer Graphitstruktur oder Gusslegierung je ein eigenes Lauf- und Anschnittsystem (7, 10) verwendet wird und/oder dass in einem Lauf- und Anschnittsystem 2 bis n Gusseisenchargen (Schichten) in einer zeitlichen Abfolge eingebracht werden.
    6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch mindestens einen in die Formkavität (2) eingebrachten Überlauf (8) die Füllhöhe einer Charge in der Form (2) begrenzt wird.
    7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Eingießen einer ersten Charge deren Lauf- und Anschnittsystem (7) vor dem Eingießen der Folgecharge verschlossen wird.
    8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Basisschmelze zum Herstellen der jeweils für die unterschiedlichen Bereiche des fertigen Gussstücks gewünschten Graphitstrukturen durch Beifügen von Modifikatoren, Legierungselementen, Impfmitteln und anderen geeigneten Mitteln im Eingusstrichter, im Gießstrahl oder im jeweils individuellen Lauf- und Anschnittsystem (7, 10) behandelt wird, insbesondere Mangansulfid und/oder Molybdändisulfid eingesetzt wird.
    9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Gießen eines Motor- oder Zylinderblocks für Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass
      der Kurbelraumbereich (4) aus GJV und der Zylinderbereich (3) aus GJL oder
      der Kurbelraumbereich (4) aus GJS und der Zylinderbereich (3) aus GJV oder
      der Kurbelraumbereich (4) aus GJS und der Zylinderbereich (3) aus GJL hergestellt wird.
    10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass räumlich und/oder zeitlich variabel die Temperatur der Schmelze beeinflusst, insbesondere gekühlt wird, um die Mikrostruktur des Gussstücks gezielt zu beeinflussen.
    11. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer Gussform (2) zum Herstellen eines Gussstücks aus mehreren durch ihre Graphitstrukturen und/oder Legierungsgehalten unterscheidbaren Gusseisenchargen unterschiedliche Lauf- und Anschnittsysteme (7, 10) zugeordnet sind, deren jedes zum Einfüllen einer oder mehrerer bestimmter Gusseisenchargen vorgesehen ist.
    12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Lauf- und Anschnittsystem (7) für die zuerst einzufüllende Gusseisencharge in den Boden der Formkavität (2) ausmündet.
    13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkavität (2) mit mindestens einem, die Füllhöhe einer Gusscharge begrenzenden Überlauf (8) verbunden ist, der insbesondere so ausgelegt ist, dass die Schmelze im Anschnitt schnell erstarrt.
    14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einläufe aus den unterschiedlichen Lauf- und Anschnittsystemen (7, 10) in die Formkavität (2) vertikal und/oder horizontal gestaffelt sind.
    15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Lauf- und Anschnittsystem (7) eine Verschlussvorrichtung (9) vorgesehen ist.
    16. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Lauf- und Anschnittsystem Mittel zum Modifizieren der Graphitstruktur der durchlaufenden Gusscharge vorgesehen sind.
    17. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Mittel zur Regulierung der Temperatur, insbesondere Kühlmittel vorgesehen sind, die insbesondere räumlich und/oder zeitlich variabel die Temperatur der Schmelze beeinflussen.
    18. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Lauf- oder Anschnittsysteme vorgesehen sind, die Verteilerleisten aufweisen, die zumindest entlang einer Erstreckungsrichtung des zu befüllenden Gussstückbereichs angeordnet sind, um das Gussteil zumindest über die gesamte Länge dieser Erstreckungsrichtung gleichmäßig und/oder turbulenzarm zu füllen.
    19. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lauf- und Anschnittsystem direkt in den zu füllenden Gussteilbereich einmündet oder über ein oder mehrere Zentraleinläufe gleichmäßig verteilt wird.
    20. Gussteil, insbesondere Motor- oder Zylinderblock oder Zylinderkurbelgehäuse aus graphithaltigem Gusseisen, welches insbesondere nach dem Verfahren nach einem den Ansprüche 1 bis 10 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil in Bereichen mit unterschiedlichen Anforderungsprofilen aus Schichten oder Bereichen mit unterschiedlichen Graphitstrukturen und/oder Legierungen ausgebildet ist.
    21. Gussstück nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche mit unterschiedlichen Graphitstrukturen und/oder Legierungen durch Ausbildung von Mischbereichen ineinander übergehen, wobei insbesondere in den Mischbereichen Mischformen der Graphitstrukturen vorliegen.
    EP04010594A 2003-05-06 2004-05-04 Herstellen eines Gradientenwerkstücks durch Schichtgiessen Withdrawn EP1477661A3 (de)

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