WO2013023866A1 - Verfahren und vorrichtung zum giessen eines kolbens für einen verbrennungsmotor - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method and an apparatus for casting a piston for an internal combustion engine.
- JP 2005-334899 A proposes Casting method in which a mold is increasingly inclined to pour successively several alloys.
- the invention is based on the object, a method and an apparatus for casting a piston for a
- Mold cavity is poured, and subsequently becomes a second
- the first alloy can be cast under inert gas, and
- the second alloy can be cast.
- inert gas prevents the formation of a
- Alloy can be poured without the two
- Alloys are separated by an oxide layer. This already ensures the casting during casting
- the pouring of the second alloy below the surface of the first alloy can be done, for example, by a centrally or laterally arranged pipette whose opening is at the beginning of the
- Casting the second alloy is located below the surface of the first alloy.
- the mold cavity or the mold fills up to the upper edge of the feeder with the second alloy, so that it is present in an advantageous manner in the upper region of the piston.
- a low-turbulence casting of the second alloy for example by a side gate with knife gate, a large "disturbance 11 of the already cast first
- Trough edge such as by remelting or applying additional pressure, are unnecessary. Overall, the cast oxides can be reduced, which the
- the casting of the first and second alloys may be continuous, resulting in
- the cooling of the first alloy has already begun when the second alloy is cast.
- At least one pipette has proved to be particularly favorable for the casting of the first and / or second alloy.
- the casting of the first alloy for example, in the lower region of the
- Piston shaft is provided turbulence, in particular by a side gate with knife gate done. If both alloys with a side gate with
- Knife gate are poured, the two sprues can be arranged in an advantageous manner opposite.
- the inventive device is characterized in that two separate sprues are used, which are designed as a pipette and / or knife gate.
- a pipette is advantageously adapted to be immersed in the already cast first alloy to pour the second alloy below the surface of the first alloy.
- a knife gate advantageously ensures low-turbulence casting including the benefits that can be achieved.
- the pipette is essentially filled by opening a valve provided at the top of the pipette and immersing the pipette in the melt.
- the pipette is preferably made of ceramic.
- Valve preferably at one (in use) top and / or at least one (in use) lower
- alloys at the interface can be mixed to a small extent. This provides advantageously for a particularly good connection.
- specially loaded areas such as the piston skirt or the
- a piston 10 to be cast has, on the one hand, a shaft, the lower one of which, in particular
- Area 12 is made of a first alloy is executed.
- a combustion chamber trough is provided, so that special demands are placed on the material surrounding the combustion chamber trough. This is done by running this area through a second
- both alloys are cast in by means of pipettes 16. First, this is done
- Level 18 is located, this pipette 16 is opened, and below the level 18, the second alloy is filled until the level has reached the top edge of the feeder 14.
- the opening 20 of the pipette may be bounded by an inner circumferential "collar”.
- the embodiment shown in FIG. 2 differs from the embodiment shown in FIG. 1 on the one hand by the sprue for the first alloy and on the other hand by the position of the pipette 16 for the second alloy.
- the second alloy is filled by means of the pipette 16 through a central feeder, and not as in Fig. 1 lateral sprue. This filling takes place again only when the opening 20 of the pipette is below the level 18, which results from filling the first alloy over a comparatively deep side gate provided.
- the casting of the first alloy is carried out by a low-turbulence
- Knife gate is tapered from top to bottom, as shown by the hatched area in Fig. 2.
- Alloy can be cast.
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor wird zunächst eine erste Legierung in einen Formhohlraum gegossen, und nachfolgend wird eine zweite Legierung unterhalb der Oberfläche (18) der ersten Legierung und/oder turbulenzarm eingegossen und/oder bereits die erste Legierung wird unter Schutzgas eingegossen. Eine Vorrichtung zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor weist zwei voneinander getrennte Angüsse auf, die als Pipette (16) und/oder Messeranschnitt ausgebildet sind. Ein Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor weist zumindest zwei getrennte, jeweils gegossene Legierungen auf.
Description
Verfahren und Vorrichtung zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.
An unterschiedliche Bereiche von Kolben für
Verbrennungsmotoren werden äußerst unterschiedliche
Anforderungen gestellt. Unterschiedliche Beanspruchungen können beispielsweise durch stark unterschiedliche
Temperaturen auftreten, die in modernen Dieselmotoren zwischen -50°C und +400°C liegen können. Ein derartiges Temperaturfeld wird durch unterschiedliche Arten mechanischer Beanspruchung überlagert. Ein besonders kritischer Bereich ist hierbei der Rand der Brennraummulde.
Stand der Technik
Insbesondere der Rand der Brennraummulde wurde in der
Vergangenheit lokal durch mechanisch und thermisch
hochbelastbare Materialien verstärkt. Derartige Werkstoffe weisen jedoch Eigenschaften auf, die diese für andere
Bereiche des Kolbens ungeeignet machen. Alternativ wurden bislang am Muldenrand Fasern eingesetzt, oder hochfeste Werkstoffe in diesem Bereich wurden durch Schweißverfahren mit anderen Bereichen des Kolbens verbunden.
Für das Gebiet des Gießens von Schmuck- oder Dentalartikeln ist es aus der US 3,338,294 bekannt, eine zweite Legierung "auf" (on top of) eine bereits gegossene erste Legierung zu gießen. In ähnlicher Weise schlägt die JP 2005-334899 A ein
Gießverfahren vor, bei dem eine Gießform zunehmend geneigt wird, um nacheinander mehrere Legierungen einzugießen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen eines Kolbens für einen
Verbrennungsmotor zu schaffen, mit denen den an
unterschiedliche Bereiche eines Kolbens gestellten
Anforderungen Genüge getan werden kann, und die
unterschiedlichen Bereiche möglichst gut miteinander
verbunden werden und der Kolben insgesamt möglichst effizient hergestellt werden kann. Ferner soll ein derartiger Kolben geschaffen werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
Demzufolge wird zunächst eine erste Legierung in einen
Formhohlraum gegossen, und nachfolgend wird eine zweite
Legierung unterhalb der Oberfläche der ersten Legierung und bevorzugt turbulenzarm eingegossen. Ergänzend zu einer oder beiden der vorangehend genannten Maßnahmen kann bereits die erste Legierung unter Schutzgas gegossen werden, und
nachfolgend kann die zweite Legierung eingegossen werden. Die Verwendung von Schutzgas verhindert die Bildung einer
Oxidschicht an der Oberfläche der ersten Legierung, so dass erfindungsgemäß die zweite Legierung "auf" die erste
Legierung gegossen werden kann, ohne dass die beiden
Legierungen durch eine Oxidschicht voneinander getrennt sind. Dies sorgt bereits beim Gießen für die Darstellung
unterschiedlicher Materialeigenschaften an unterschiedlichen Bereichen des Kolbens sowie eine besonders gute, nämlich metallische, einstückige oder integrale Verbindung zweier Bereiche des Kolbens, die aus unterschiedlichen Legierungen bestehen. Beispielsweise kann in einem oberen Bereich, der demnach auch den Rand der Brennraummulde bildet, ein
mechanisch und thermisch hochbelastbarer Werkstoff eingesetzt werden, während in anderen Bereichen, beispielsweise am überwiegenden Teil des Kolbenschafts, ein Werkstoff zum
Einsatz kommen kann, der besonders gute Reib- und
Verschleißeigenschaften aufweist.
Die genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für die eingangs genannten Alternativ- oder Ergänzungsmaßnahmen. Wenn die zweite Legierung unterhalb der Oberfläche der ersten Legierung eingegossen wird, besteht keine Gefahr dahingehend, dass eine möglicherweise den Badspiegel, d.h. die Oberfläche der ersten Legierung bedeckende Oxidschicht in die Tiefe gerissen wird, und somit in nachteiliger Weise in den
späteren Kolben eingespült wird. Das Eingießen der zweiten Legierung unterhalb der Oberfläche der ersten Legierung kann beispielsweise durch eine zentral oder seitlich angeordnete Pipette geschehen, deren Öffnung sich beim Beginn des
Eingießens der zweiten Legierung unterhalb der Oberfläche der ersten Legierung befindet. Durch einen geeigneten statischen Druck der Flüssigkeitssäule in der Pipette füllt sich der Formhohlraum oder die Kokille bis zur Speiseroberkante mit der zweiten Legierung, so dass diese in vorteilhafter Weise im oberen Bereich des Kolbens vorliegt. Auch durch ein turbulenzarmes Gießen der zweiten Legierung, beispielsweise durch einen Seitenanguss mit Messeranschnitt, kann eine umfangreiche "Störung11 der bereits gegossenen ersten
Legierung vermieden und die Vermischung der beiden
Legierungen auf ein Minimum verringert werden.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, dass gesonderte Bearbeitungsschritte, wie das
Verbinden durch Reibschweißen oder das Verändern des Gefüges und/oder der Eigenschaften des Materials im Bereich des
Muldenrandes, wie z.B. durch Umschmelzen oder Aufbringen zusätzlichen Drucks, unnötig sind. Insgesamt können die eingegossenen Oxide verringert werden, was den
Fertigungsausschuss in vorteilhafter Weise reduziert. Ferner
ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch das Eingießen von Ringträgern und/oder Salzkernen möglich.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
In vorteilhafter Weise kann das Gießen der ersten und der zweiten Legierung kontinuierlich erfolgen, was ein
weitestgehend "gemeinsames" Erstarren der beiden Legierungen und eine besonders gute Verbindung zwischen Bereichen mit unterschiedlicher Legierung ermöglicht.
Hierbei kann die Vermischung der beiden Legierungen
beeinflusst und insbesondere begrenzt werden, wenn in
vorteilhafter Weise das Kühlen der ersten Legierung bereits begonnen hat, wenn die zweite Legierung gegossen wird.
Wie erwähnt, hat sich für das Gießen der ersten und/oder zweiten Legierung zumindest eine Pipette als besonders günstig erwiesen.
In vorteilhafter Weise kann ferner auch das Gießen der ersten Legierung, die beispielsweise im unteren Bereich des
Kolbenschafts vorgesehen wird, turbulenzarm, insbesondere durch einen Seitenanguss mit Messeranschnitt, erfolgen. Wenn beide Legierungen mittels eines Seitenangusses mit
Messeranschnitt eingegossen werden, können die beiden Angüsse in vorteilhafter Weise gegenüberliegend angeordnet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zwei voneinander getrennte Angüsse verwendet werden, die als Pipette und/oder Messeranschnitt ausgebildet sind. Eine Pipette ist hierbei in vorteilhafter Weise dafür geeignet, in die bereits gegossene erste Legierung eingetaucht zu werden, um die zweite Legierung unterhalb der Oberfläche der ersten Legierung einzugießen. Wie erwähnt, sorgt ein Messeranschnitt in vorteilhafter Weise für ein turbulenzarmes Gießen
einschließlich der dadurch erreichbaren Vorteile. Im Hinblick auf bevorzugte Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung sei erwähnt, dass hierbei sämtliche vorangehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie nachfolgend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kolben genannten
Merkmale verwendet werden können und umgekehrt.
Die Pipette wird im Wesentlichen dadurch gefüllt, dass ein oben an der Pipette vorgesehenes Ventil geöffnet wird und die Pipette in die Schmelze eingetaucht wird. Die flüssige
Legierung steigt nun in der Pipette bis zu einem gewünschten Füllstand. Anschließend wird das Ventil geschlossen, und die Pipette kann nunmehr aus einem Warmhalteofen gehoben werden, in dem sie bislang aufbewahrt wurde. Nachfolgend wird die Pipette in das Gießwerkzeug und mit ihrer unteren Öffnung insbesondere unterhalb die Oberfläche einer ersten Legierung eingeführt. Zum Entleeren wird nunmehr das obere Ventil geöffnet. Dies ermöglicht eine Belüftung oder, wie bevorzugt, das Einströmen von Schutzgas, so dass die flüssige Legierung in den Formhohlraum austreten kann. Das Fluten der Pipette mit Schutzgas bietet den Vorteil, dass sich in der Pipette keine Oxidhäute bilden, die andernfalls an der Pipettenwand haften würden.
Um den Anforderungen im besonderen Maße gerecht zu werden, ist die Pipette bevorzugt aus Keramik ausgeführt.
Als besonders einfache und gleichzeitig effiziente Bauweise hat sich die Ausführung der Pipette als Rohr mit einem
Ventil, bevorzugt an einer (im Gebrauchszustand) Oberseite und/oder zumindest einer (im Gebrauchszustand) unteren
Öffnung erwiesen.
Für die erfindungsgemäße Gießvorrichtung sei noch erwähnt, dass sie in vorteilhafter Weise lediglich translatorisch oder in keiner Weise bewegbar ausgeführt sein muss, während der
oben gewürdigte Stand der Technik eine kipp- oder neigbare Gießvorrichtung erfordert .
Es wird ferner ein Kolben für einen Verbrennungsmotor
beschrieben, der sich durch zumindest zwei getrennte, jeweils gegossene Legierungen auszeichnet. Wie erwähnt, können sich die Legierungen an der Schnittstelle in geringem Umfang vermischen. Dies sorgt in vorteilhafter Weise für eine besonders gute Verbindung. Insbesondere an den speziell belasteten Bereichen, wie dem Kolbenschaft oder der
Brennraummulde, liegt jedoch weitgehend ausschließlich die jeweils in diesem Bereich vorgesehene Legierung vor, um den Anforderungen hier besonders gut gerecht zu werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden beispielhaft in den Zeichnungen
dargestellte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 bis 3 wesentliche Teile einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit jeweils zu gießenden Kolben in drei
verschiedenen Ausführungsformen.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Wie in Fig. 1 erkennbar ist, weist ein zu gießender Kolben 10 zum einen einen Schaft auf, dessen insbesondere unterer
Bereich 12 aus einer ersten Legierung auszuführen ist. In einem oberen Bereich des Kolbens ist beispielsweise eine Brennraummulde vorgesehen, so dass an das die Brennraummulde umgebende Material besondere Anforderungen gestellt sind. Dem wird durch Ausführung dieses Bereichs durch eine zweite
Legierung Rechnung getragen.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 werden beide Legierungen mittels Pipetten 16 eingegossen. Zunächst erfolgt das
Eingießen einer ersten Legierung von der Unterseite her, durch eine entsprechend tief angeordnete Pipette, bis zu einem Füllstand 18. Dann, wenn sich eine Öffnung 20 der Pipette 16 für die zweite Legierung unterhalb dieses
Füllstandes 18 befindet, wird diese Pipette 16 geöffnet, und unterhalb des Füllstandes 18 wird die zweite Legierung eingefüllt, bis der Füllstand die Oberkante des Speisers 14 erreicht hat. Wie gezeigt, kann die Öffnung 20 der Pipette durch einen innen umlaufenden "Kragen" begrenzt sein.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform zum einen durch den Anguss für die erste Legierung und zum anderen durch die Position der Pipette 16 für die zweite Legierung. Die zweite Legierung wird nämlich mittels der Pipette 16 durch einen zentralen Speiser, und nicht wie in Fig. 1 seitlichen Anguss eingefüllt. Dieses Einfüllen erfolgt wiederum erst dann, wenn sich die Öffnung 20 der Pipette unterhalb des Füllstandes 18 befindet, der sich durch Einfüllen der ersten Legierung über einen vergleichsweise tief vorgesehenen Seitenanguss ergibt. Bei der in Fig. 2 gezeigten Aueführungsform erfolgt das Gießen der ersten Legierung durch einen turbulenzarmen
Seitenanguss mit Messeranschnitt. Ein derartiger
Messeranschnitt ist sich von oben nach unten verjüngend ausgebildet, wie durch die schraffierte Fläche in Fig. 2 dargestellt .
Dies gilt auch für die in Fig. 3 gezeigte dritte
Ausführungsform, die sich von derjenigen von Fig. 2 im
Hinblick auf den Anguss für die zweite Legierung
unterscheidet. Dieser ist nämlich ebenfalls, in diesem Fall gegenüberliegend, als Seitenanguss mit Messeranschnitt ausgeführt und erlaubt demnach ein turbulenzarmes Gießen der zweiten Legierung "auf die erste Legierung . Hierdurch kann eine Vermischung der beiden Legierungen in vorteilhafter
Weise begrenzt werden. Wenn der Formhohlraum vor dem
Eingießen der ersten Legierung darüber hinaus mit Schutzgas geflutet wird, bildet sich keine Oxidhaut, so dass die zweite Legierung ohne entsprechende Nachteile auf die erste
Legierung gegossen werden kann.
Claims
1. Verfahren zum Gießen eines Kolbens für einen
Verbrennungsmotor, bei dem zunächst eine erste Legierung in einen Formhohlräum gegossen wird, und nachfolgend eine zweite Legierung unterhalb der Oberfläche ( 18 ) der ersten Legierung eingegossen wird und bevorzugt die zweite Legierung turbulenzarm eingegossen wird und/oder bevorzugt bereits die erste Legierung unter Schutzgas eingegossen wird .
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Gießen der ersten und zweiten Legierung
kontinuierlich erfolgt .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 ,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Kühlen der ersten Legierung begonnen hat , wenn die zweite Legierung gegossen wird .
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche ,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die erste und/oder zweite Legierung mittels zumindest einer Pipette (16) gegossen wird .
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche ,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die erste Legierung turbulenzarm gegossen wird .
6. Vorrichtung zum Gießen eines Kolbens für einen
Verbrennungsmotor mit zwei voneinander getrennten
Angüssen, die als Pipette (16) und/oder Messeranschnitt ausgebildet sind und die für das Eingießen einer zweiten Legierung unterhalb der Oberfläche einer ersten Legierung ausgebildet ist .
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Pipette (16) aus Keramik ausgeführt ist .
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Pipette (16) als Rohr mit einem Ventil und/ode einer Öffnung (20) ausgeführt ist.
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Publications (1)
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