DE3111097A1

DE3111097A1 - "verfahren zum verbessern der metallurgischen verbindung zwischen einem eisenmetalleinsatz und einem aluminium-gusskoerper"

Info

Publication number: DE3111097A1
Application number: DE19813111097
Authority: DE
Inventors: Albert G. 78100 St. Germain En Laye Mosher; David Ta-Ming Hawthorne Calif. Yee
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1980-03-21
Filing date: 1981-03-20
Publication date: 1982-01-21
Also published as: IL62443A0; GB2072065A; BR8101672A; ES8204628A1; JPS56144856A; SE8101763L; MX155171A; ZA811792B; NL8101370A; AR223100A1; FR2478503A1; IT1170829B; IN153699B; ES500565A0; FR2478503B1; IT8148069A0; IT8148069A1

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. R. DÖRING - 3 - DIPL.-PHYS. DR. J. FRICKE

BRAUNSCHWEIG -. MÜNCHEN

DANA CORPORATION

P.O.Box 1000

Toledo, Ohio 43 697/USA

"Verfahren zum Verbessern der metallurgischen Verbindung zwischen einem Eisenmetalleinsatz und einem Aluminium-Gußkörper"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der metallurgischen Verbindung zwischen einem Eisenmetalleinsatz und einem Aluminium-Gußköpper,

Hierbei geht es vor allem um die Herstellung eines Kolbens für schwere Brennkraftmaschinen, beispielsweise Motoren für Lastkraftwagen, unabhängig davon, ob es sich um Motoren nach dem Otto-Prinzip oder dem Diesel-Prinzip handelt.

Flüssigmetall-Schmieden wird auch als Druckgießen oder Strangpreßgießen bezeichnet. Es handelt sich um einen Hybridprozeß_} bei dem die Vorteile sowohl des Schmiedens als auch des Gießens vereinigt werden. Man erhält dabei Werkstücke von größerer Festigkeit als beim reinen Gießvorgang. Auf der anderen Seite wird wesentlich weniger Energie benötigt als, b'sim reinen Schmiedverformen.

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; Die Hauptvorteile der Verwendung des Flüssigmetallschmiedens gegenüber der ständigen Gießformherstellung von Kolben besteht

j in höheren Pro4uktionsgeschwindigkeiten und der Eliminierung von M&t*eriai verschwendenden Angüssen und Steigern, wie sie _; be}· den bisherigen Gießpraktiken auftreten. Auch ist die beim

'' Aluminiunjgießen vor dem Eingießen erforderliche Stickstoff-

j entgasung hinfällig, da Gasporisitäten oder Schrumpflöcher durch die aufgewendeten Drücke beseitigt werden können.

Es igt weiterhin allgemeine Erfahrung, daß eine ausreichende Kolbenringabdichtung gerade im Bereich des Kopfende des Kolbens von ganz besonderer Bedeutung ist, und zwar sowohl bezüglich der Lebensdauer des Kolbens als auch bezüglich der Effektivität Während des Betriebes, Wenn keine saubere Abdichtung" erfolgt, ^: ist es nicht iqöglich die Verbrennungsgase für eine zufrieden- ■ stellende Verbrennung unter ausreichenden Druck zu versetzen. Dadurch §rh_ält man eine nur unvollständige Verbrennung der Kraftstoffe mit der Folge, daß Kohlenstoffablagerungen am . Kolbenkopf und an den Zylinderwänden auftreten. Das Abdichtungsproblem wird um so größer, je größer die Maschinengröße und Leistung werden. Bei schweren Maschinen ist es praktisch, einen Kolbenringeinsatz aus härterem Material zu verwenden, der in den Kolbenringbereich der in üblicher Weise durch Gießen hergestellten Kolbenköpfe eingesetzt ist, Dadurch soll die Abnutzung in den Kolbenringnuten verringert werden, die durch das ständige Kippen des Kolbenringes unter den Drücken bei Beginn der Verbrennung auftritt. ' '

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Bisher hat man das Verfahren der Flüsslgmetallschraiedung bei Herstellung von Kolben für leichtere Maschinen verwendet, bei denen Einsätze im Kolbenkopf nicht erforderlich waren.

; Ea ist Aufgabe der Erfindung die Verbindung von Einsätzen und

ί - Aluminiu.m,tfG.ußkörpern wesentlich zu verbessern und insb, das • Herstellen von Kolben für schwere Brennkraftmaschinen mit ί Eisenraetalleinsätzen im Hauptdichtungsbereich der Kolbenköpfe > zu vereinfachen und zu verbilligen.

'

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Einsatz aus Eisenmetall in eine Formausnehmung eingesetzt und ■ dann diese mit geschmolzenem Aluminium ausgegossen wird, daß - dann die Schmelze einem erhöhten Druck unterworfen und der Druck bis zum Erstarren der Schmelze aufrechterhalten wird, worauf der Gußkörper der Formausnehmung entnommen wird.

Bei diesem Verfahren erhält man eine wesentlich bessere metallurgische Verbindung zwischen den Kolbeneinsätzen aus Eisenmetall und der Aluminium-Legierung, aus der der Kolben, hergestellt ist. Man erhält somit Kolben insb, für schwere Brennkraftmaschinen mit wesentlich höherer Lebensdauer und besserer Abdichtung. Gleichzeitig wird der Aluminiumgußkörper mit besseren Festigkeitseigenschaften als beim reinen Gießverfahren versehen.

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Als Ringeinsatz können Einsätze aus Gußeisen mit hohem

Nickelanteil hergestellt werden. Zweckmäßigerweise wird der

, Einsat? yor dem Einsetzen in die Formausnehmung durch Sand- [

j strahlen Qder dgl. vorbehandelt. Nach dieser Vorbehandlung

j und yor dem Einsetzen in die Formausnehmung kann der Einsatz

, yorteilhafterweise mit einer dünnen zusammengesetzten Schicht '

j einer Eisen/Aluminium-Legierung beschichtet werden,

! Beim Verdichten des Aluminiums in der Formausnehmung kann

\ der auf die Schmelze ausgeübte Druck mit einem Stöß"el aufge-

; bracht werden,., und zwar bis zu Druckwerten im Bereich von

j 200 kg/cm² bis 1750 kg/cm².

; Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen

ί an einer zum Ausüben des Verfahrens dienenden Vorrichtung

! näher erläutert.

Es zeigen;

Figur 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Gießvorrichtung in geschlossener Stellung, die unter Verwendung des neuen Verfahrens arbeitet und

Figur 2 einen senkrechten Schnitt durch einen Brennkraftmaschinen-Kolben, der nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt worden ist. ," '· '· .

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In Fig. 1 ist eine Formvorrichtung gezeigt. Diese kann zum Aus-■ führen des Verfahrens nach der Erfindung eingesetzt werden,

; Eine zum Gießen eines Kolbens dienende Formausnehmung 10 ist . zwischen oberen und unteren Formhälften 12 und 14 gebildet. Die obere Formhälfte dient zur Ausformung des Kolbenkopfes, während die untere Formhälfte zum Ausformen der Kolbenschürze 20 dient. Ein innerer Kern 16 erstreckt sich durch eine Bohrung 15 im Boden der unteren Formhälfte 14 nach oben in die Formausnehmung 10, um in dem fertigen Kolben nach Fig. 2 eine Ausnehmung 18 unter der Kolbenschürze 20 zu bilden. Die obere Formhälfte 12 umfaßt eine Bohrung 17. Durch diese erstreckt sich ein Druckstüßel 22. Mit diesem wird das geschmolzene Metall in der Form einem erhöhten Druck unterworfen.

Die bevorzugte Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Ein aus Eisenmetall bestehender Kolbenringeinsats 24 wird zunächst durch Sandstrahlen oder dgl. vorbehandelt. Statt Sandstrahlen kann auch eine Schießstrahlbehandlung vorgesehen werden. In beiden Fällen sollen die Oxyde von der Oberfläche des Einsatzes entfernt werden. Bei dem Einsatz handelt es sich vorzugsweise um Gußeisen mit hohem Nickelanteil. Nach dem Sandstrahlen oder dgl. wird der Einsatz mit einer dünnen Schicht aus einer Eisen/Aluminium-Legierung beschichtet. Hierzu wird vorzugsweise ein Aluminierungsprozeß angewendet, wie er dem Fachmann bekannt ist, Der vorbeschichtete ringförmige Einsatz 24 wird dann mittels Zangen öder dgl. auf mehrere kleine^einstückig angeformte Stützlappen (nicht gezeigt) gelegt, die sich von einer Senkbohrung 26 in der Oberseite

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ι der unteren Forrahälfte 14 aus nach oben erstrecken. Die obere

■ Formhälfte 12 wird dann auf die untere Forrahälfte 14 abgesenkt,

: um die Formausnehmung 10 zu schließen. Darauf wird geschmolzene

' Aluminium-Legierung in die Formausnehmung 10 durch die Bohrung

; 17 eingegossen, und zwar bis zu einem sorgfältig überwachten

\ Höhenstand· Das Eingießen der Schmelze erfolgt im kurzen Ab-

: stand nach dem Einsetzen des Ringes. Es sollte nur eine sehr

• kurze Verzögerungszeit von 5 bis 20 sek, zwischen dem Einsetzen·

! des Einsatzes und dem Eingießen der Aluminiumschmelze ver-

— streichen, um eine neue Bildung von Oxyden auf dem Einsatzring zu vermeiden oder gering zu halten. Als nächstes wird der Druckstößel 22 durch die Bohrung 17 in die Formhöhlung 10 abgesenkt. Der Stößel 22 ist an eine hydraulische Presse (nicht gezeigt) angeschlossen, durch die ein erforderlicher Druck ausgeübt werden kann. Der Druck auf das geschmolzene Aluminium sollte vorzugsi

liegen.

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vorzugsweise im Bereich zwischen 100 kg/cm und 1750 kg/cm

Der Druck durch den Stößel wird aufrechterhalten, bis der Guß-körper erstarrt ist. Die dafür erforderliche Zeit beträgt 3 bis 5 Minuten in Abhängigkeit von der Größe der Formausnehmung. Danach wird die Form geöffnet und der durch Schmiedegießen hergestellte Kolben ausgestoßen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sollte eine Temperatur der Form von 260 bis 316⁰C aufrechterhalten werden. Die Temperatur hängt von der Größe des Gußstückes und von der Form der Formausnehmung ab. Die Form muß ausreichend heiß sein, so daß das geschmolzene Metall unter Druck versetzt werden kann, bevor die Erstarrung beginnt. Sie sollte jedoch nicht so heiß sein, daß ein Reißen

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des Kolbens durch die Form beim Entfernen des Kolbens aus der Form stattfindet.

Figur 2 zeigt den fertigen Kolben 40 nach einer anschließenden Bearbeitung. Die Nuten 42, 44 und 46 sind in den Außenumfang eingeschnitten worden und dienen zum Einsetzen der Kolbenringe. Der obere Kolbenring wird dabei in eine Nut 42 eingesetzt, die in den ringförmigen Einsatz 4 aus Eisenmetall eingeschnitten ist. Dadurch wird die Abnutzungsgeschwindigkeit wesentlich verringert, die durch das ständige Kippen des oberen Ringes in der oben beschriebenen Weise begünstigt wird.

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Leerseite

Claims

DR.-ING. R. DÖRING DIPL.-PHYS. DR. J. FRICKE BRAUNSCHWEIG MÜNCHEN Ansprüche

1. Verfahren zum Verbessern der metallurgischen Verbindung zwischen einem Eisenmetalleinsatz und einem Aluminium-Gußkörper,

/■. gekennzeichnet durch die Schritte, daß der Einsatz in eine Formausnehmung eingesetzt und diese dann mit geschmolzenem Aluminium ausgegossen wird, daß dann die Schmelze einem erhöhten Druck unterworfen und der Druck bis zum Erstarren der Schmelze aufrechterhalten wird, worauf der Gußkörper der Formausnehmung entnommen wird. · ,·

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminium-Gußkörper als Kolben einer Brennkraftmaschine ausgeformt und der ringförmige Einsatz im

Dichtungsbereich am Kolbenende eingesetzt wird,

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß üer Ringeinsatz aus einem Gußeisen mit hohem Nickelanteil hergestellt wird.

h. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz vor dem Einsetzen in· die Formausnehmung durch Sandstrahlen oder dgl. vorbehandelt wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich-

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net, daß der Einsatz nach der Sandstrahlbehandlung und vor dpi Einsetzen in die Formausnehmung mit einer dünnen zusammengesetzten Schicht einer Eisen-Aluminium-Legierung beschichtet wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck auf die ,Schmelze mit einem Stößel bis zu Druckwerten im Be-

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reich γοη 200 kg/cm bis 1750 kg/cm aufgebracht wird.

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