EP1948374B1

EP1948374B1 - Dauergiessform und giessformeinsatz

Info

Publication number: EP1948374B1
Application number: EP06792722.8A
Authority: EP
Inventors: Rolf Dr. Gosch; Peter Dr. Stika
Original assignee: Nemak Linz GmbH
Current assignee: Nemak Linz GmbH
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2026-08-07
Also published as: ES2421158T3; RU2008123849A; US20080296471A1; CA2625622A1; EP1948374A1; US7975751B2; BRPI0618566A2; WO2007057238A1; ZA200803348B; UA95089C2; DE102005054616B3; PL1948374T3; KR101270229B1; CN101365551B; AU2006314739A1; JP2009515708A; RU2412779C2; BRPI0618566B1; JP5566027B2; SI1948374T1

Description

Die Erfindung betrifft eine Dauergießform zum Gießen von Gussstücken aus einer Metallschmelze, insbesondere einer Leichtmetallschmelze, und einen in einer solchen Dauergießform eingesetzten Gießformeinsatz. Dauergießformen dieser Art, in der Fachsprache auch "Gießkokillen" genannt, werden beispielsweise in der Großserienproduktion eingesetzt, um Zylinderköpfe für Verbrennungsmotoren aus einer Aluminiumschmelze zu gießen. Die Gießformeinsätze bilden dabei in den Zylinderköpfen die Brennräume ab. Zu diesem Zweck sind an ihrer dem vom Kokillenkörper umgebenen Formhohlraum zugeordneten Oberseite Formelemente ausgebildet, die korrespondierende Formelemente im zu gießenden Gussstück abformen.
In der Praxis heute eingesetzte Dauergießformen sind üblicherweise mehrteilig ausgebildet und umfassen jeweils mindestens einen Kokillenkörper, der den das zu erzeugende Gussteil abbildenden Formhohlraum mindestens abschnittsweise abgrenzt. Dabei wird der Kokillenkörper typischerweise aus einem hoch warmfesten Werkzeugstahl gefertigt, der trotz der im Gießbetrieb auftretenden hohen mechanischen und thermischen Belastungen eine ausreichend lange Lebensdauer des Kokillenkörpers sicherstellt.
Aufgrund der hohen Qualitätsanforderungen, die an die Formhaltigkeit der Gießprodukte gestellt werden, ist die Herstellung von Dauergießformen der in Rede stehenden Art aufwändig und teuer. Daher ist man bestrebt, Dauergießformen möglichst lange bzw. für möglichst große Stückzahlen einzusetzen. Dies gilt insbesondere für Dauergießformen, die für die Serienproduktion von Zylinderköpfen verwendet werden, da die Herstellung solcher Kokillen aufgrund der Komplexität der Formgebung solcher Zylinderköpfe besonders arbeits- und kostenaufwändig ist.
Um bestimmte Formelemente des herzustellenden Gussteils auf einfache Weise variieren zu können, ohne dazu jeweils eine komplett neue Gießkokille herstellen zu müssen, sind heute in der Praxis eingesetzte Dauergießformen üblicherweise mit Gießformeinsätzen ausgestattet, die in den von der Dauergießform umgebenen Innenraum eingesetzt werden und im jeweils zu erzeugenden Gussstück die jeweils gewünschten Formelemente, wie Ausnehmungen oder Erhebungen, abbilden.
Ein typisches Beispiel für den Einsatz derartiger Einsätze ergibt sich bei der eingangs bereits erwähnten gießtechnischen Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren. Die Leistungsausbeute, das Verbrennungsverhalten und damit einhergehend der Verbrauch eines Verbrennungsmotors wird entscheidend beeinflusst durch die Form der jeweils in den Zylinderkopf eingeformten Brennräume, in die der jeweilige Brennstoff über mindestens ein Einlassventil eingelassen und aus dem die Abgase über mindestens ein Auslassventil ausgetrieben werden.
Um bei einem bestimmten Grundtyp von Zylinderkopf die Brennraumform auf einfache Weise ändern zu können, werden in die zum Gießen dieses Zylinderkopfs vorgesehene Dauergießform üblicherweise Gießformeinsätze eingesetzt, deren dem von der Kokille umgebenen Formhohlraum zugeordnete Oberfläche die Form der im Zylinderkopf jeweils zu erzeugenden Brennraumausnehmungen bestimmt. Gießformeinsätze dieser Art werden in der Fachsprache auch als "Brennraumeinsätze" bezeichnet. Sie sitzen zu diesem Zweck in den in die den Formhohlraum umgrenzenden Wände des Kokillenkörpers eingeformten Aufnahmen.
Im Zuge des Gießprozesses kommt es aufgrund des Kontakts der Gießform mit der jeweils eingegossenen Metallschmelze zu einer starken Erwärmung des jeweiligen Kokillenkörpers und der in ihm sitzenden Gießformeinsätze. Infolge dieser Erwärmung dehnen sich Kokillenkörper und Gießformeinsätze aus. Der Umfang dieser Ausdehnung ist zum einen abhängig von der in Kokillenkörper und Gießformeinsatz jeweils einsetzenden Temperaturerhöhung und andererseits vom Ausdehnungsverhalten des jeweils für ihre Herstellung verwendeten Werkstoffs. So kommt es in der Regel zu einer unterschiedlich starken Ausdehnung von Kokille und Gießformeinsatz, weil die Massen der Einsätze und des Kokillenkörpers unterschiedlich sind, so dass sich der eine wesentlich geringere Masse aufweisende Gießformeinsatz sehr viel schneller erwärmt als der ihn umgebende Kokillenkörper mit der Folge, dass der Einsatz sich schneller und stärker ausdehnt als der ihn umgebende Kokillenkörper. Dieses Phänomen tritt nicht nur dann auf, wenn Kokillenkörper und Gießformeinsatz aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, sondern aufgrund der geringeren Volumina auch dann, wenn sie aus demselben Material gefertigt sind.
Das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten von Gießformeinsätzen und Kokillenkörper führt zu Maßungenauigkeiten, die sich beispielsweise dann, wenn möglichst endabmessungsnah gegossen werden soll, als besonders schwer beherrschbar erweisen. Besonders kritisch erweist sich diese Anforderung bei der Großserienfertigung von Zylinderköpfen, für die vom Motorbauer eine maximale Maßabweichung von +/- 0,15 mm gegenüber dem Sollmaß gefordert wird.
Um auch unter diesen Umständen die prozesssichere Einhaltung der jeweils geforderten Genauigkeiten der Maßhaltigkeit zu gewährleisten, sind aufwändige Maßnahmen für den Einbau der Gießformeinsätze und eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung im Kokillenkörper erforderlich. So muss bei aus der Praxis bekannten, für das Gießen von Zylinderköpfen eingesetzten Dauergießformen die Position der Gießformeinsätze im jeweiligen Kokillenkörper in der Regel zunächst durch eine Vielzahl von Versuchen empirisch ermittelt werden, um durch eine entsprechende Dimensionierung des Gießformeinsatzes die im Zuge des jeweiligen Gießprozesses auftretende Wärmeausdehnung so zu kompensieren, dass ein ausreichend präzises Gießergebnis erreicht wird. Ist eine geeignete Dimensionierung im Rahmen des jeweils zur Verfügung stehenden Bauraums bzw. im Hinblick auf die Funktion und Stabilität des jeweiligen Gießformeinsatzes nicht möglich, so kann zur Verringerung der Wärmeausdehnung eine Kühlung der Gießformeinsätze erforderlich werden.
Da trotz allen für die der Ermittlung einer optimalen Form des Gießformeinsatzes betriebenen Aufwands es im Gießbetrieb bei Einsatz konventioneller Kokillen häufig noch zu unzulässigen Maßabweichungen kommt, muss beispielsweise bei der gießtechnischen Großserienfertigung von Zylinderköpfen üblicherweise eine Prüfung der jeweils fertig gestellten Köpfe auf Einhaltung der geforderten Tiefe der jeweils in sie einzuformenden Brennräume durchgeführt werden.
Aus der DE 198 38 561 A1 ist der Versuch bekannt, die Standzeiten von Kokillen, in denen Nicht-Eisenmetalle, wie Magnesiumschmelzen, zu Gussteilen vergossen werden, dadurch zu erhöhen, dass die Kokillenkörper und die darin eingesetzten Gießformeinsätze aus einem hochschmelzenden Schwermetallwerkstoff, wie Molybdän oder Wolfram, hergestellt sind. Der Vorteil der Verwendung solcher Werkstoffe für die Herstellung von Gießformen wird dabei darin gesehen, dass sie durch die jeweilige Leichtmetallschmelze weniger angegriffen werden als konventionelle Stähle und einer dementsprechend geringeren Korrosion ausgesetzt sind.
Unabhängig von diesem Vorteil der in der DE 198 38 561 A1 vorgeschlagenen Werkstoffauswahl besteht jedoch das Problem, dass sich auch die aus hochschmelzenden Schwermetallen gefertigten Kokillenkörper und die in ihnen eingesetzten Gießformeinsätze aufgrund ihres jeweils unterschiedlichen Volumens und ihrer unterschiedlich großen, mit der Schmelze in Kontakt kommenden Flächen bei Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnen. So machen sich die durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung verursachten Maßabweichungen in der Praxis selbst dann bemerkbar, wenn nach dem Vorbild der DE 198 38 561 A1 Schwermetallwerkstoffe verwendet werden, die besonders geringe Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen.
Neben dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ist aus der DE 100 59 045 C1 ein Spritzgieß- oder Presswerkzeug zur Verarbeitung von Kunststoff- oder anderen plastischen Massen bekannt, das mindestens eine einen Rahmendurchbruch umgebende rahmenförmige Formplatte mit mindestens einem im Rahmendurchbruch lösbar gehaltenen Formeinsatz aufweist. An der Formplatte ist dabei ein Formeinsatz lösbar gehalten, an dessen der Trennebene abgewandten Seite ein Wechsel-Auswerferplattenpaket angeordnet ist. Das Wechsel-Auswerferplattenpaket ist mit einem Stamm-Auswerferplattenpaket lösbar gekuppelt, wobei das Wechsel-Auswerferplattenpaket im Formeinsatz geführte Auswerferelemente hält. Nachdem eine axiale Entnahme des Formeinsatzes von der Trennebene her erfolgt ist, ist durch den Rahmendurchbruch hindurch ebenfalls das Wechsel-Auswerferplattenpaket zu entnehmen, aus welchem ein an letzterem befestigtes, von der Trennebene wegweisendes Kupplungselement axial vorragt und in eine zentrale Kupplungsöffnung des Stamm-Auswerferplattenpakets axial eintaucht. Das Kupplungselement weist dabei mindestens eine sich quer zu dessen Längsachse erstreckende Hinterschneidungsfläche auf, an welcher ein vom Stamm-Auswerferplattenpaket geführter Riegelstab mit mindestens einer Gegenriegelfläche anliegt. Das so gestaltete Spritzgieß- oder Presswerkzeug soll einen besonders einfachen Wechsel des Wechsel-Auswerferplattenpakets gestatten.
Des Weiteren ist aus der DE 43 13 336 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Grauguss-Zylinderköpfen für ventilgesteuerte Verbrennungskraftmaschinen im Sandguss-Verfahren bekannt, durch das im Bereich der späteren VentilSitzfläche eine ledeburitische Gefügeausbildung erhalten werden kann. Zu diesem Zweck wird die in die Gießform eingebrachte Schmelze im Bereich der zylinderseitigen Mündung des Ein- und des Auslaßkanals im Vergleich zur Abkühlgeschwindigkeit in den übrigen Bereichen der Gießform derart gesteuert abgekühlt, dass die Schmelze zumindest im Bereich der späteren VentilSitzflächen mit ledeburitischem Gefüge erstarrt. Zur gesteuerten Abkühlung des Zylinderkopfs im betreffenden Bereich wird dabei ein aus Stahl gefertigtes Abkühlelement in der Gießform angeordnet.
Ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, mit einfachen Mitteln einen Gießformeinsatz sowie eine Dauergießform zu schaffen, die eine kostengünstige Herstellung von Gussteilen mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Produktionsergebnissen ermöglichen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß in Bezug auf eine Dauergießform zum Gießen von Gussteilen aus einer Metallschmelze, insbesondere einer Leichtmetallschmelze, dadurch gelöst worden, dass eine solche Dauergießform einen Kokillenkörper, der einen das zu gießende Gussteil abbildenden Formhohlraum mindestens teilweise umgibt und in dessen den Formhohlraum begrenzende Wand eine einen in den Formhohlraum übergehenden Absatz aufweisende Aufnahme eingeformt ist, und einen in der Aufnahme sitzenden Gießformeinsatz aufweist, der eine dem von der jeweiligen Dauergießform umgebenen Formhohlraum zugeordnete Oberseite, einen bei kalter Gießform mit Spiel in der Aufnahme sitzenden Grundkörper und einen Stützkragen aufweist, der sich über einen Bruchteil der Höhe des Grundkörpers des Gießformeinsatzes erstreckt und formschlüssig in dem Absatz der Aufnahme sitzt, wobei die Gesamthöhe von Stützkragen und Grundkörper um ein Untermaß, das mindestens gleich dem Höhenmaß ist, um das sich der Grundkörper beim Gießen in Folge seiner durch den Kontakt mit der Metallschmelze eintretenden Erwärmung in Höhenrichtung ausdehnt, kleiner ist als die Tiefe der Aufnahme, so dass bei kalter Dauergießform zwischen dem Boden der Aufnahme und der ihr zugeordneten Seite des Gießformeinsatzes ein Abstand vorhanden ist.
Dementsprechend weist ein die oben angegebene Aufgabe lösender Gießformeinsatz, insbesondere Brennraumeinsatz, für eine Dauergießform zum Gießen von Gussteilen aus einer Metallschmelze, insbesondere einer Leichtmetallschmelze, der einen Grundkörper und eine Oberseite besitzt, welche bei in die Dauergießform eingesetztem Gießformeinsatz dem von der Dauergießform umgrenzten, das herzustellende Gussteil abbildenden Formhohlraum zugeordnet ist, erfindungsgemäß einen gegenüber dem Grundkörper vorstehenden Stützkragen auf, dessen Höhe kleiner als die Höhe des Gießformeinsatzes ist.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, den Gießformeinsatz durch eine geeignete konstruktive Gestaltung in der Dauergießform so abzustützen, dass es bei seiner Erwärmung nur zu einer minimalen Veränderung der Lage der dem Formhohlraum der Dauergießform zugeordneten Oberseite des Gießformeinsatzes kommt. Zu diesem Zweck weist erfindungsgemäß der Gießformeinsatz einen Stützkragen auf, und es ist in der ihm zugeordneten Aufnahme ein entsprechend geformter Absatz ausgebildet, in der der Stützkragen bei fertig montierter Dauergießform sitzt. Gleichzeitig ist der Grundkörper des Gießformeinsatzes so dimensioniert, dass er bei kalter Gießform mit Spiel in der ihm zugeordneten Aufnahme positioniert ist. Zwischen dem Boden der Aufnahme und der im zugeordneten Unterseite des Gießformeinsatzes ist auf diese Weise ein Raum ausgebildet, dessen Höhe ausreicht, um die Länge aufzunehmen, um die sich die Höhe des Gießformeinsatz-Grundkörpers bei der durch den Kontakt sich einstellenden Erwärmung des Gießformeinsatzes ändert. In Folge der mit der Erwärmung einhergehenden Ausdehnung wird der Gießformeinsatz folglich nur noch in sehr geringem Maße in den von der Gießform umgebenen Formhohlraum gedrückt, während der überwiegende Betrag der Ausdehnung durch den unterhalb des Grundkörpers vorhandenen Raum aufgenommen wird. Auf diese Weise lassen sich die im Gießbetrieb eintretenden Ausdehnungen von Gießkokille und Gießformeinsatz so aneinander anpassen, dass trotz des Umstandes, dass der Gießformeinsatz einem geringeren Wärmeabfluss ausgesetzt und infolgedessen heißer ist und sich daher stärker ausdehnt als der das jeweilige Gussteil umgebende Kokillenkörper, die in Höhenrichtung tatsächlich eintretenden Ausdehnungen von Kokille und Einsatz im Wesentlichen gleich oder zumindest soweit aneinander angenähert sind, dass sie lediglich innerhalb eines eng bemessenen Toleranzbereichs voneinander abweichen. Gleichzeitig kann der Grundkörper problemlos ein so großes Volumen aufweisen, dass die an der Gießformeinsatz ausgebildeten Formelemente gegen eine zu hohe Erwärmung geschützt sind und das Auftreten von übermäßigen Wärmespannungen im Oberflächenbereich der Gießform vermieden werden.
Die Erfindung ermöglicht es auf diese Weise, Gussteile, in die mittels Gießformeinsätzen im Gießbetrieb Ausnehmungen eingeformt werden sollen, mit verbesserter Genauigkeit herzustellen. Besonders gute Abbildungsgenauigkeiten werden dabei dann erreicht, wenn der Stützkragen des Gießformeinsatzes von der dem Formhohlraum der Dauergießform zugeordneten Oberfläche ausgeht. So kann auf einfache Weise ein bündiger Anschluss der Oberfläche des Gießformeinsatzes an die Oberfläche des Kokillenkörpers bewerkstelligt werden, die die dem Gießformeinsatz jeweils zugeordnete Aufnahme umgibt.
Besonders günstig erweist sich die auf erfindungsgemäße Weise erzielte Verbesserung der Fertigungsgenauigkeit bei der Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren, die sich mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Gießkokille besonders kosteneffektiv herstellen lassen. Mit der größeren Maßhaltigkeit eines als Brennraumeinsatz eingesetzten Gießformeinsatzes bei Erwärmung erhöht sich auch die Maßhaltigkeit des durch den betreffenden Einsatz im fertigen Zylinderkopf abgebildeten Brennraums. Somit können auch die im Betrieb des Verbrennungsmotors geforderten Parameter für die Kraftstoffverdichtung und Abgasverbrennung exakter eingehalten werden.
Eine weitere vorteilhafte Anwendungsvariante der Erfindung ist die Anfertigung von Einlasskanalkernmarkeneinsätzen in Kokillen für Dieselzylinderköpfe. Durch erfindungsgemäß erreichte Genauigkeit der Abbildung dieser Formelemente können die Schwankungen der Kanalpositionen im Zylinderkopf auf ein Minimum reduziert werden.
Die Lage der für die Ausbildung des Gussstücks wesentlichen Oberseite des Gießformeinsatzes ist bei erfindungsgemäßer Ausgestaltung nur noch davon abhängig, wie stark sich der Stützkragen in Höhenrichtung des Gießformeinsatzes ändert, da nur der Stützkragen in Höhenrichtung unmittelbar am Kokillenkörper der Gießform abgestützt ist. Je geringer die Höhe des Stützkragens, desto geringer ist die bei Erwärmung des Gießformeinsatzes eintretende Lageänderung der Oberseite des Gießformeinsatzes. Im Bereich des Grundkörpers dagegen steht ausreichend Material zur Verfügung, um einerseits die für die Formgebung des Gussteils benötigten Formelemente auszubilden und andererseits über ein ausreichendes Materialvolumen gezielt Wärme aus dem Gussteil abführen zu können.
Daher sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Höhe des Stützkragens höchstens 30 % der Höhe des Grundkörpers des Gießformeinsatzes beträgt. Ziel ist es dabei, die Einbaubezugsebene, also die Ebene, in der der Stützkragen am Kokillenkörper abgestützt ist, in möglichst naher Nachbarschaft zur freien, dem Formhohlraum der Gießform direkt zugeordneten Oberfläche des Kokillenkörpers anzuordnen. Dementsprechend ist es günstig, wenn die Höhe des Stützkragens höchstens 15 % oder sogar höchstens 10 % der Höhe des Grundkörpers des Gießformeinsatzes beträgt. Eine solche Begrenzung der Höhe des Stützkragens kann in der Praxis problemlos dadurch bewerkstelligt werden, dass Gießformeinsatz und Stützkragen lediglich den Gießformeinsatz halten, ohne unmittelbar an der Ausprägung von Formelementen des zu fertigenden Gussteils beteiligt zu sein.
Die Genauigkeit der Positionierung des Gießformeinsatzes in Breitenrichtung, also quer zu seiner Höhe, kann dadurch gewährleistet werden, dass der Stützkragen des Gießformeinsatzes spielfrei in dem ihm zugeordneten Absatz der Aufnahme der Dauergießform sitzt. Dabei kann die Passung zwischen dem Stützkragen und der Aufnahme so ausgelegt werden, dass der Gießformeinsatz auch im kalten Zustand einerseits sicher in der Aufnahme gehalten ist, andererseits jedoch auch problemlos aus ihr entnommen werden kann.
Eine besonders sichere Abstützung des Gießformeinsatzes kann dadurch erreicht werden, dass der Stützkragen um den Grundkörper herum verläuft.
Aufgrund der durch die Erfindung erzielten Minimierung des Einflusses der Wärmeausdehnung des Gießformeinsatzes auf die Maßhaltigkeit des herzustellenden Gussteils erlaubt es die Erfindung grundsätzlich, den für den Gießformeinsatz verwendeten Werkstoff unabhängig von seinem Ausdehnungsverhalten bei Erwärmung allein nach seiner Eignung zum Abformen der jeweils gewünschten Formelemente am Gussstück auszuwählen. Praktische Erprobungen haben jedoch gezeigt, dass es insbesondere im Hinblick auf eine Optimierung des Gussgefüges im Bereich des durch den Gießformeinsatz am Gussteil ausgebildeten Formelements günstig ist, wenn der Gießformeinsatz aus einem Werkstoff gefertigt ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient größer ist als der des Werkstoffs des Kokillenkörpers.
Als besonders vorteilhaft hat es sich in diesem Zusammenhang erwiesen, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gießformeinsatzes 17,0*10^-6 m/(m*K) bis 18, 5*10^-6 m/(m*K), insbesondere 17,5*10^-6 m/(m*K) bis 18, 0*10^-6 m/(m*K) beträgt. In dieser Hinsicht für die Herstellung der Gießformeinsätze besonders gut geeignete Werkstoffe sind Cu-, Ni- oder Bebasierte Legierungen, wobei es vorteilhaft sein kann, wenn der Gießformeinsatz jeweils zu 90 % bis 98 % aus Cu, Ni oder Be bzw. auf diesen Elementen basierten Legierungen besteht.
Ein hoher Ausdehnungskoeffizient des Gießformeinsatzes erweist sich als besonders günstig beim Gießen von Gussteilen aus Leichtmetallschmelzen. Bei diesen kann durch Verwendung von gut wärmeleitfähigen Gießformeinsätzen im Bereich der durch den Gießformeinsatz jeweils abzubildenden Formelemente gezielt eine besonders schnelle Abkühlung und damit einhergehend ein besonders feines Gefüge erzeugt werden, das sich vorteilhaft auf die mechanischen Eigenschaften auswirkt. Besonders vorteilhaft wirkt sich diese Möglichkeit der gezielten Gefügebeeinflussung beim Gießen von Zylinderköpfen aus, bei dem mit der Erfindung auf einfache Weise im Bereich der Brennräume ein hinsichtlich der Dauerbelastbarkeit günstiges feines Gefüge erzeugt werden kann.
Eine weitere Minimierung der in Folge der Erwärmung beim Gießen eintretenden Formabweichungen kann zudem dadurch erreicht werden, dass die Brennraumeinsätze und / oder die Kokille in an sich bekannter Weise gekühlt, insbesondere wassergekühlt, werden.
Verformungen des Gießformeinsatzes in Folge von bei seiner Erwärmung eintretenden Spannungen und einer Behinderung der Ausdehnung des Gießformeinsatzes in Höhenrichtung kann auch dadurch entgegen gewirkt werden, dass das Untermaß des Querschnitts des Grundkörpers gegenüber dem Querschnitt der Aufnahme mindestens gleich der Ausdehnung ist, die in Folge der Erwärmung des Gießformeinsatzes bei Kontakt mit der Metallschmelze in Breitenrichtung eintretenden Ausdehnung des Grundkörpers eintritt.
Der Werkstoff des Kokillenkörpers kann insbesondere ein Stahlwerkstoff sein, wie er im Stand der Technik bereits erfolgreich für diesen Zweck eingesetzt wird. Bevorzugt wird der Werkstoff der Kokille erfindungsgemäß so gewählt, dass er einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 11*10^-6 m/(m*K) und 12*10^-6 m/ (m*K) besitzt. Als Werkstoff für den Kokillenkörper kann dementsprechend insbesondere ein Werkzeugstahl zum Einsatz kommen, der sich durch eine hohe Härte und Zähigkeit auszeichnet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1: einen Ausschnitt eines als Bodenplatte ausgebildeten Kokillenkörpers einer Dauergießform zum Gießen eines Zylinderkopfs in Draufsicht;
Fig. 2: den Kokillenkörper in einem Schnitt entlang der in Fig. 1 eingetragenen Schnittlinie A - A.

Der Kokillenkörper 1 dient als Bodenplatte einer weiter nicht dargestellten, als Dauergießform ausgebildeten Gießkokille, die einen das jeweilige Gussteil abbildenden Formhohlraum H umgibt. Der Kokillenkörper 1 ist wie die anderen hier nicht gezeigten Kokillenkörper der Gießkokille aus einem warmfesten Werkzeugstahl hergestellt, dem in der deutschen Stahl-Eisen Liste die Werkstoff-Nr. 1.2343 zugeordnet ist und der (in Gew.-%) 0,36 - 0,42 % C, 0,90 - 1,20 % Si, 0,30 - 0,50 % Mn, ≤ 0,03 % P, ≤ 0,03 % S, 4,80 - 5,50 % Cr, 1,10 - 1,40 % Mo, 0,25 - 0,50 % V und als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen enthält. Dieser Werkzeugstahl besitzt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der im Mittel 11, 5*10^-6 m/ (m*K) beträgt.
In der aus dem Bodenplatten-Kokillenkörper 1 gemeinsam mit den anderen, hier nicht dargestellten, Seitenwände und einen Deckel bildenden Kokillenkörpern zusammengesetzten Gießkokille werden Zylinderköpfe für Verbrennungsmotoren gegossen. In die Zylinderköpfe werden dabei eine der Zylinderzahl des jeweiligen Verbrennungsmotors entsprechende Zahl von Brennräumen mit Ventilsitzen für jeweils zwei Einlass- und zwei Auslassventile eingeformt. Zu diesem Zweck sind in den Kokillenkörper 1 eine der Zylinderzahl des jeweiligen Verbrennungsmotors entsprechende Zahl von Gießformeinsätzen 2 in jeweils eine Aufnahme 3 eingesetzt.
Jeder der einstückig ausgebildeten Gießformeinsätze 2 weist einen zylindrischen Grundkörper 2a auf, der an seiner dem Formhohlraum H zugeordneten Seite eine in ihrem ringförmigen Umfangsabschnitt planebene und ihrem zentralen Mittelabschnitt in Richtung des Formhohlraums H gewölbte Oberfläche 2b trägt, von der paarweise die Einlass- und Auslassventilsitze abbildenden Formelemente 2c,2d,2e,2f vorstehen. Ausgehend von dem planebenen Umfangsabschnitt der Oberfläche 2b ist an den Grundkörper 2a ein in radialer Richtung gegenüber der Umfangsfläche 2g des Grundkörpers 2a vorstehender Stützkragen 2h angeformt, der um den Gründkörper 2a umläuft und dessen dem Formhohlraum H zugeordnete Oberfläche 2i stufenlos an den planebenen Umfangsabschnitt der Oberfläche 2b des Grundkörpers 2a angeschlossen ist. Die Höhe hs des Stützkragens 2h beträgt ca. 22 % der Höhe hg des Grundkörpers 2a. In die der Oberfläche 2b gegenüberliegende Bodenfläche 2j des Grundkörpers 2a des Gießformeinsatzes 2 sind Sackgewindebohrungen 2k eingeformt, in die hier nicht gezeigte Dehnschrauben zur Befestigung des Gießformeinsatzes 2 aus seiner Aufnahme 3 eingeführt werden können.
Die Aufnahme 3 ist topfförmig in den Kokillenkörper 1 eingeformt und weist im Bereich ihrer dem Formhohlraum H zugeordneten Öffnung einen ringartig umlaufenden, in den Formhohlraum H übergehenden Absatz 3a auf. Der Durchmesser do der von der Innenumfangsfläche des Absatzes 3a umgrenzten Öffnung entspricht bis auf ein geringes Untermaß dem Außendurchmesser des Stützkragens 2h, so dass der Stützkragen 2h bei kalter Gießkokille mit leichtem Presssitz im Absatz 3a gehalten ist. Gleichzeitig entspricht die Tiefe des Absatzes 3a der Höhe hs des Stützkragens 2h, so dass bei kalter Gießkokille die Oberfläche 2i des Stützkragens 2h bündig zur die Aufnahme 3 umgrenzenden Oberfläche 1a des Kokillenkörpers 1 ausgerichtet ist.
Außerhalb des Absatzes 3a ist der Innendurchmesser di des übrigen Abschnitts der Aufnahme 3 um ein Übermaß ds größer als der Außendurchmesser dg des Grundkörpers 2a des Gießformeinsatzes 2, so dass der Grundkörper 2a bei kalter Gießkokille in Umfangsrichtung mit Spiel in der Aufnahme 3 sitzt. Genauso ist die Tiefe der Aufnahme 3 um ein Übermaß tg größer als die Höhe hg des Grundkörpers 2a, so dass auch zwischen der Bodenfläche 2j und dem Boden 3b der Aufnahme bei kalter Gießkokille ein freier Luftraum 3c gebildet ist.
Die in der Gießkokille eingesetzten Gießformeinsätze 2 bestehen zu mindestens 95 Gew.-% aus Cu. Neben den herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen kann der Cu-Werkstoff in bekannter Weise weitere Bestandteile aufweisen, die ihm zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften zugegeben werden. Die aus dem derart zusammengesetzten Cu-Werkstoff gefertigten Gießformeinsätze 2 besitzen im Mittel einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 18*10^-6 m/ (m*K).
Dementsprechend dehnen sich die Brennraumeinsätze 2 über ihre Höhe und Breite bei einer Erwärmung deutlich stärker aus als der aus dem Stahlwerkstoff 1.2343 gefertigte Kokillenkörper 1. Dabei ist jedoch der Anteil der über die Höhe des Gießformeinsatzes in Richtung des Formhohlraums H bei Erwärmung eintretenden Ausdehnung des Gießformeinsatzes 2, der sich auf die Lage der mit den Formelementen 2c - 2f versehenen Oberfläche 2b auswirkt, gering, da eine Lageänderung der Oberfläche 2b nur proportional zur Höhe hs des Stützkragens 2h eintritt. Der wesentliche Teil der Ausdehnung in Höhenrichtung des Gießformeinsatzes 2 wird durch den unterhalb des Grundkörpers 2a in der Aufnahme 3 gebildeten Luftraum 3b aufgenommen. In entsprechender Weise wird die Ausdehnung des Grundkörpers 2a in radialer Breitenrichtung durch das bei kalter Gießkokille zwischen der Innenumfangswand der Aufnahme 3 und der Außenumfangsfläche 2g des Grundkörpers 2a vorhandene Spiel aufgenommen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Ausdehnung des Grundkörpers 2a in der Aufnahme 3 nicht behindert wird.
Die Höhe hs kann dabei unter Berücksichtigung des Ausdehnungsverhaltens des Kokillenkörpers 1 und des Gießformeinsatzes 2 so ausgelegt werden, dass auch bei einer durch den Kontakt mit der in den Formholraum H gegossenen Leichtmetallschmelze die Oberfläche 2b mit den Formelementen 2c - 2f des Gießformeinsatzes 2 im selben Abstand zur Oberfläche 1a des Kokillenkörpers 1 angeordnet ist, so dass eine präzise Abformung des Brennraums und der Ventilsitze im zu erzeugenden Zylinderkopf gewährleistet ist.

BEZUGSZEICHEN

1	Kokillenkörper
2	Gießformeinsatz
2a	Grundkörper des Gießformeinsatzes 2
2b	dem Formhohlraum H zugeordnete Oberfläche des Gießformeinsatzes
2c - 2f	Einlass- und Auslassventilsitze abbildende Formelemente
2g	Umfangsfläche des Grundkörpers 2a
2h	Stützkragen
2i	dem Formhohlraum H zugeordnete Oberfläche des Stützkragens
2j	Bodenfläche des Grundkörpers 2a
2k	Sackgewindebohrungen
3	Aufnahme
3a	Absatz der Aufnahme 3
3c	Luftraum

dg	Außendurchmesser des Grundkörpers 2a
di	Innendurchmesser der Aufnahme 3 außerhalb des Absatzes 3a
do	Durchmesser der von der Innenumfangsfläche des Absatzes 3a umgrenzten Öffnung
ds	Übermaß
H	Formhohlraum
hs	Höhe des Stützkragens 2h
hg	Höhe des Grundkörpers 2a
tg	Übermaß der Tiefe der Aufnahme 3 gegenüber der Höhe hg des Grundkörpers 2a

Claims

Dauergießform zum Gießen von Gussteilen aus einer Metallschmelze
- mit mindestens einem Kokillenkörper (1), der einen das zu gießende Gussteil abbildenden Formhohlraum (H) mindestens teilweise umgibt und in dessen den Formhohlraum (H) begrenzende Wand eine Aufnahme (3) eingeformt ist, die einen in den Formhohlraum (H) übergehenden Absatz (3a) aufweist, und

- mit einem in der Aufnahme (3) sitzenden Gießformeinsatz (2), der eine dem von der jeweiligen Dauergießform umgebenen Formhohlraum (H) zugeordnete Oberseite (2b), einen bei kalter Gießform mit Spiel in der Aufnahme (3) sitzenden Grundkörper (2a) und einen Stützkragen (2h) aufweist, der sich über einen Bruchteil (hs) der Höhe (hg) des Grundkörpers (2a) des Gießformeinsatzes (2) erstreckt und formschlüssig in dem Absatz (3a) der Aufnahme (3) sitzt,

- wobei die Gesamthöhe (hg) von Stützkragen (2h) und Grundkörper (2a) um ein Untermaß (tg), das mindestens gleich dem Höhenmaß ist, um das sich der Grundkörper (2a) beim Gießen in Folge seiner durch den Kontakt mit der Metallschmelze eintretenden Erwärmung in Höhenrichtung ausdehnt, kleiner ist als die Tiefe der Aufnahme (3), so dass bei kalter Dauergießform zwischen dem Boden der Aufnahme (3) und der ihr zugeordneten Seite (2j) des Gießformeinsatzes (2) ein Abstand (tg) vorhanden ist.
Dauergießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkragen (2h) spielfrei in dem Absatz (3a) der Aufnahme (3) sitzt.
Dauergießform nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkragen (2h) von der dem Formhohlraum (H) zugeordneten Oberseite (2b) des Gießformeinsatzes (2) ausgeht.
Dauergießform nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (hs) des Stützkragens (2h) höchstens 30 % der Höhe (hg) des Grundkörpers (2a) beträgt.
Dauergießform nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (hs) des Stützkragens (2h) höchstens 15 % der Höhe (hg) des Grundkörpers (2a) beträgt.
Dauergießform nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Untermaß (ds) des Querschnitts des Grundkörpers (2a) gegenüber dem Querschnitt der Aufnahme (3) mindestens gleich der Ausdehnung ist, die in Folge der Erwärmung des Gießformeinsatzes (2) bei Kontakt mit der Metallschmelze in Breitenrichtung des Grundkörpers (2a) eintritt.
Dauergießform nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkragen (2h) um den Grundkörper (2a) herum verläuft.
Dauergießform nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießformeinsatz (2) einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff des Kokillenkörpers (1).
Dauergießform nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kokillenkörper (1) aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist.
Dauergießform nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Werkstoffs, aus dem der Kokillenkörper (1) hergestellt ist, 10*10^-6 m/ (m*K) bis 14*10^-6 m/(m*K) beträgt.
Gießformeinsatz für eine Dauergießform zum Gießen von Gussteilen aus einer Metallschmelze mit einem Grundkörper (2a) und einer Oberseite (2b), welche bei in die Dauergießform eingesetztem Gießformeinsatz (2) dem von der Dauergießform umgrenzten, das herzustellende Gussteil abbildenden Formhohlraum (H) zugeordnet ist, gekennzeichnet durch einen gegenüber dem Grundkörper (2a) vorstehenden Stützkragen (2h), dessen Höhe (hs) kleiner als die Höhe (hg) des Gießformeinsatzes (2) ist.
Gießformeinsatz nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkragen (2h) von der dem Formhohlraum (H) der Dauergießform zugeordneten Oberfläche (2b) ausgeht.
Gießformeinsatz nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer Cu-, Ni- oder Be-basierten Legierung hergestellt ist.
Gießformeinsatz nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass er zu 90 % bis 98 % aus Cu, Ni oder Be besteht.
Gießformeinsatz nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sein thermischer Ausdehnungskoeffizient 17,0*10^-6 m/(m*K) bis 18,5*10^-6 m/(m*K) beträgt.