DE69216018T2

DE69216018T2 - Zu umgiessende Auskleidung auf Eisenbasis

Info

Publication number: DE69216018T2
Application number: DE1992616018
Authority: DE
Inventors: Robert Anthony Martin
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1991-09-12
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2012-09-11
Also published as: CA2077187A1; EP0532331B1; DE69216018D1; MX9204697A; EP0532331A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eingegossene Buchsen mit einem Boden aus Eisen und auf eine Methode zum Giessen eines Zylinderblocks der solche Buchsen hat.
Die Verbindung von Teilen mit Böden aus Eisen mit einer umgebenden Masse aus leichterem Metall ist ein ständiges Problem für Erzeugnisse gewesen, die hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt werden, wie zum Beispiel ein Verbrennungsmotorblock aus Aluminium, der Buchsen mit Böden aus Eisen hat.
Das frühere Fachwissen hat hauptsächlich eine der zwei Lösungen für dieses Problem befolgt: metallurgische Verbindung oder mechanische Verbindung.
Obwohl die metallurgische Verbindung nicht vollständig verstanden wird, hat sie sich als erfolglos erwiesen, möglicherweise weil das leichtere Metall, wie zum Beispiel Aluminium, sehr dazu neigt abzukühlen und einen Oxydbelag an der Schnittstelle von mindestens irgendeinem kleineren Abschnitt zu bilden. Bei komplizierten Giessvorgängen, wie zum Beispiel bei Motorböcken aus Aluminium, die Wassermäntel mit komplizierten Formen und eine Anzahl dünnwandiger Zylinderwände haben, erweist sich die Fähigkeit, das Aluminium bei genügend hoher Temperatur zu halten, bei 100 % der Schnittstelle mit einer Buchse, als äusserst schwierig. Da sich Aluminium vollständig erhärtet, bewegt es sich (schrumpft) und blättert deshalb mindestens an lenem kleineren Abschnitt ab. Daraus ergibt sich eine verminderte Wärmeübertragungs-Eigenschaft für den Block, weshalb diese Technik kommerziell nicht genutzt werden kann. Bestenfalls liegt das Aluminium nur bis zu 80 % - 85 % an der Schnittstellenwand der Buchse mit einem Boden aus Eisen entlang auf.
Für eine metallurgische Verbindung wurden Zwischenbeschichtungen aus Zinklegierungen (siehe das U.S. Patent 2 634 469) vorgeschlagen, aber sie haben sich für eine Massenherstellung von Motorblöcken als wirtschaftlich unrentabel erwiesen.
Als hybride Lösung wurde eine Art mechanischer Verbindung im früheren Fachwissen angestrebt, die zu der metallurgischen Verbindung, die erreicht werden kann, hinzugefügt wird. In einem Beispiel ( U.S. Patent 3 069 209) wurde die Schnittstellenoberfläche der Buchsen aus Gusseisen durch spitze Ausstülpungen uneben gemacht, wenn derartige Buchsen herkömmlicherweise durch Giessvorgänge geformt wurden ; derartige Ausstülpungen wirken als längliche und peripherische mechanische Verbindungen, wenn Aluminium unter Hochdruck (Druckguss) um sie herum gegossen wird. Hochdruck ist immer erforderlich, um das Aluminium durch solche Ausstülpungen zu bewegen und er bewirkt noch, dass sich Aluminium gegen die ursprüngliche äussere Wand der Buchse legt. Die maschinell bearbeitete glatte Wand der Buchse wird zu Vertiefungen zwischen den Ausstülpungen. Da ein schnelles Füllen der Form bei Hochdruck erforderlich ist, um ein frühzeitiges Erstarren zu verhindern, ist eine derartige Technik für das Giessen von Motorblöcken aus Aluminium bei Niederdruck (im Bereich von 14 - 35 kpa (2-5 psi)) unbrauchbar und die Füllzeiten für die Form betragen im Durchschnitt eine - halbe Minute.
In einem anderen hybriden Breispiel (U.S. Patent 3 401 026) wurde eine unregelmässige äussere Oberfläche einer Buchse aus Gusseisen für eine Bremstrommel aus Aluminium benutzt, um irgendeine existierende Zylinderverbindung zu erhöhen, indem die Buchse eingegossen wurde. Der Typ der benutzten unregelmässigen Oberfläche wurde nicht erwähnt, aber der Bedarf an Hochschall-Schwingungen des geschmolzenen Aluminiums während des Giessvorgangs, zur Schaffung eines intensiven Aushöhlungsbereichs, der Aluminium an der unregelmässigen Oberfläche entlang drängt, um gutes Befeuchten zu erreichen, wurde ausführlich erwähnt. Ein derartiger Schwingungsapparat wäre zum Giessen eines Motorblocks aus Aluminium mit einer Vielzahl innerer Buchsen unbrauchbar.
Es ist erforderlich, eine Methode zu finden, die im wesentlichen ein 100 %iges Aufliegen des geschmolzenen Aluminiums auf der äusseren Oberfläche der eingegossenen Buchse mit einem Boden aus Eisen in einem Aluminiumblock für Giesstechniken bei Niedrigdruck gewährleistet, wobei diese Methode keine zusätzlichen Beschichtungen oder besondere Ausrüstungen während des Giessvorgangs erfordert, um ein derartiges Ergebnis zu erreichen.
In einem ersten Aspekt handelt es sich bei der Erfindung um einen eingegossenen Buchseneinbau, der beim Giessen von hohlen Aluminiumteilen bei Niedrigdruck benutzt wird, der Einbau ist durch einen Zylinderkörper mit einem Boden aus Eisen gekennzeichnet, der eine zylinderförmige Oberfläche mit einem aufgedrückten, sich wiederholenden Modell gekreuzter Gruppen von Hinterschliffnuten hat, wobei die Bahn jeder Nute eine Spirale an einer derartigen Oberfläche entlang ist, wobei der Zwischenraum zwischen derartigen Nuten und der Tiefe derartiger Nuten einheitlich geregelt wird, um den Nuten zu ermöglichen, als Eingusstrichter für das geschmolzene Aluminium während des Giessvorgangs bei Niedrigdruck des Aluminiums einzuwirken, was das Aufliegen des Aluminiums auf der ganzen Oberfläche entlang ermöglicht.
Die Tiefe der Nuten liegt vorteilhaft im Bereich von 0,05 bis 0,10 cm (0,02 - 0,04 inch) ; der Zwischenraum zwischen den Nuten liegt vorteilhaft bei 0,05 - 0,75 cm (0,20-0,30 inch) ; und die Breite jeder dieser Nuten liegt im Bereich von 0,05-0,10 cm (0,02-0,04 inch). Der Winkel, der zwischen den sich kreuzenden Gruppen von Nuten liegt, befindet sich vorzugsweise im Bereich von 350 - 550 Vorzugsweise ist die aufgedrückte Oberfläche die äussere zylinderförmige Oberfläche der Buchse, während deren innere zylinderförmige Oberfläche glatt ist.
Ein zweiter Aspekt dieser Erfindung betrifft eine Methode für das Giessen eines Zylinderblocks aus Aluminium, in dem sich eine derartige Buchse befindet, wobei die Methode beinhaltet (a) das Aufdrücken einer äusseren zylinderförmigen Oberfläche auf jede Hülse einer Vielzahl gegossener Hülsen mit Böden aus Eisen, wobei jede Hülse so ausgelegt ist, dass sie eine Schnittstelle mit dem dagegenliegenden gegossenen Aluminium bildet, wobei jede Hülse ein durchgestochenes Modell mit leicht ausgehöhlten Nuten hat, wobei jede Nute eine Spirale um die zylinderförmige Oberfläche hat, wobei derartige Nuten so dimensioniert sind und auseinander liegen, dass sie den Transfer von geschmolzenem Aluminium während des Füllens bei Niedrigdruck der Form, die solche Nuten enthält, sowie das Aufliegen des Aluminiums im wesentlichen entlang der ganzen zylinderförmigen Oberfläche gewährleistet und (b) die Buchse in einer derartigen Form zu installieren und Aluminium bei Niedrigdruck hineinzuführen, um den besagten Zylinderblock aus Aluminium zu formen.
Das Aufdrücken kann durch maschinelle Bearbeitung der vorgefertigten Hülse erfolgen oder durch Aufdrücken von Ausbuchtungen in die Hülse während des Wälzens oder der Herstellung solcher Hülsen
Die Erfindung wird jetzt als Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, von denen
Figur 1 ein Perspektivplan einer Buchse aus Eisen ist, die nach den Prinzipien dieser Erfindung ausgelegt ist;
Figur 2 ein vergrösserter Plan der Gruppe der Nuten ist, der an dem eingekreisten Bereich A von Figur 1 entlang genommen wurde
Figur 3 ein vergrösserter Querschnitt ist, der radial durch die Wand der Buchse genommen wurde ; und
Figur 4 eine Querschnitts-Aufrisszeichnung eines als V gestalteten Aluminiumblocks für einen Verbrennungsmotor ist, der die Buchsen darstellt, die nach der Methode dieser Erfindung gegossen wurden.
Das Eingiessen von Zylinderbuchsen aus Eisen in einen Zylinderblock aus Aluminium gilt als Routine, wenn der Block durch Druckguss bei Hochdruck hergestellt wird. Geschmolzenes Metall wird unter Hochdruck während einer kurzen Zeitspanne eingespritzt, um das Aufliegen des Aluminiums gegen die Buchse aus Eisen zu erleichtern. Aber für Giessvorgänge wie zum Beispiel Schwerpunkt- oder Niedrigdruck-Giessen, bei denen das Füllen der Form über eine verhältnismässig lange Zeit erfolgt und bei wenig oder gar keinem Druck stattfindet, wird das Eingiessen von Buchsen als äusserst schwierig angesehen. Diese Erfindung liefert ein einziges durchgestossenes Modell von Nuten auf der Oberfläche der Buchse aus Eisen, das mit dem Aluminium eine Schnittstelle bilden soll, wobei ein derartiges Modell den Durchfluss von geschmolzenem Aluminium gegen die Zylinderbohrungs-Buchsenoberfläche aus Eisen ermöglicht, um das Problem des Erhärtens und der damit auftretenden Oxydbildung zu vermeiden.
Die Buchse 20 mit dem Boden aus Eisen hat einen Zylinderkörper B, der mit einer äusseren Oberfläche 10 und einer inneren zylinderförmigen Oberfläche 11 versehen ist, sowie einem Modell C, das auf die äussere zylinderförmige Oberfläche 10 aufgedrückt ist, wobei das besagte Modell aus gekreuzten Gruppen 12 und 13 von Hinterschliffnuten 14 besteht. Die Nuten dienen dazu, einheitlich als Eingusstrichter für das geschmolzene Aluminium während des Niedrigdruckgiessens zu funktionieren, um das Aufliegen des Aluminiums an der ganzen zylinderförmigen Oberfläche 10 entlang zu ermöglichen.
Die Nuten bilden ein diamantförmiges, geflochtenes Modell, wobei der seitliche Zwischenraum 15 zwischen nebeneinander liegenden Nuten im Bereich von 0,5 - 0,75 cm (0,20 - 0,30 inch) liegt, wobei die Tiefe 16 jeder Nute im Bereich von 0,05 - 0,10 cm (0,02 - 0,04 inch) liegt und es wünschenswert ist, dass die Breite 17 jeder Nute im Bereich von 0,5 - 0,75 cm (0,20 - 0,30 inch) liegt. Der Winkel 18, der sich zwischen den quer liegenden oder sich kreuzenden Nuten befindet, liegt im Bereich von 35º - 55º
Das Modell wird auf die äussere zylinderförmige Oberfläche aufgedrückt, entweder durch maschinelle Bearbeitung des Modells wenn die Hülse rotiert wird oder das Modell kann durch Ausbuchtungen in der Buchse während des Wälzens oder Giessens der Buchse geformt werden. Die Nuten in leder Gruppe sind spiralenförmig um die äussere Oberfläche der Buchse angeordnet dies ist vorteilhaft, wenn die Buchse in Schrägstellung gebracht wird, wie es auf Figur 4 für einen als V ausgelegten Aluminiumblock dargestellt wird. In einer derartigen Auslegung liegt ein Satz Nuten etwas waagerecht im Verhältnis zu einer senkrechten Ebene 21 und der andere Satz Nuten liegt näher zur senkrechten Ebene, da sie sich um die äussere Oberfläche der Buchse wickeln.
Eine Giessmethode für derartige Buchsen beinhaltet: (a) das Aufdrücken einer äusseren zylinderförmigen Oberfläche einer Hülse mit einem Boden aus Eisen, die so ausgelegt ist, dass sie eine Schnittstelle mit gegossenem Aluminium gegen sie bilden soll, wobei die Hülse ein durchgestossenes Modell hohler Nuten hat, wobei jede Nute eine Spirale um die zylinderförmige Oberfläche bildet, wobei die Nuten derartig dimensioniert sind und im Abstand zueinander liegen, dass der Transfer von geschmolzenem Aluminium während des Füllens der Form, die die Hülse enthält, bei Niedrigdruck gewährleistet wird und das Aufliegen des Aluminiums an im wesentlichen der ganzen zylinderförmigen Oberfläche ermöglicht wird ; und (b) das Installieren der Buchse in einer derartigen Form und das Einfüllen von Aluminium bei Niedrigdruck in sie, um den gewünschten Aluminiumguss zu bilden. Der in einer derartigen Methode ausgeübte Druck liegt im Bereich von 14 - 35 kpa (2 - 5 psi) und die Temperatur des geschmolzenen Aluminiums liegt im Bereich von 690º C (1275º F). Wegen des Modells der Nuten und ihrer kritischen Dimension, fällt das geschmolzene Aluminium nicht unter eine Flüssigkeitstemperatur während des Füllens der Form und erstarrt nicht frühzeitig, wenn es durch alle Spalte der zylinderförmigen Oberfläche der Buchse fliesst.
Wenn die Nuten so ausgelegt sind, dass ihre Tiefe einen Überschuss von 0,10 cm (0,04 inch) hat, neigt das Aluminium zum Erhärten oder zur Bildung eines Meniskus, der charakteristisch für Probleme im Zusammenhang mit dem früheren Fachwissen ist. Wenn die Tiefe weniger als 0,05 cm (0,02 inch) beträgt, ist es sehr unwahrscheinlich, dass ein Eingusstrichter-Effekt für das geschmolzene Aluminium entsteht. Wenn der Zwischenraum zwischen den Nuten mehr als 0,75 cm (0,3 inch) beträgt, wird die Fähigkeit Aluminium durch die normale zylinderförmige Oberfläche zu legen verhindert, während ein Zwischenraum zwischen den Nuten der niedriger als 0,5 cm (0,20 inch) ist, das Füllen aller Nuten mit geschmolzenem Aluminium erschwert, wegen des fehlenden Drucks, der das Aluminium durch eine grössere Anzahl von Nuten leiten muss. Der Endeffekt dieser Erfindung erreicht im wesentlichen ein 100 %iges Aufliegen des Aluminiums gegen die Buchse mit einem Boden aus Eisen, nach derm Abschluss der Giesstechnik bei Niedrigd ruck. Durch "Aufliegen" wird hier gemeint : die Quantität des engen Kontakts zwischen der äusseren Oberfläche der Buchse aus Eisen und dem Aluminiumzylinder, der die Buchse umgibt.

Claims

1 Eine eingegossene Buchse mit einem Boden aus Eisen, die beim Giessen von hohlen Teilen aus Aluminium bei Niedrigdruck benutzt wird, wobei der Einbau beinhaltet : einen Zylinderkörper (B) mit einem Boden aus Eisen, der eine zylinderförmige Oberfläche (10) hat, auf die ein sich wiederholendes Modell (C) von gekreuzten Gruppen (12, 13) von Hinterschliffnuten (14) aufgedrückt ist, wobei die Bahn jeder Nute eine Spirale um die besagte Oberfläche (10) bildet, wobei der Zwischenraum zwischen den besagten Nuten (14) und der Tiefe der besagten Nuten einheitlich geregelt wird, um den Nuten zu ermöglichen, als Einguskanäle für das geschmolzene Aluminium während eines derartigen Giessvorgangs bei Niedrigdruck zu wirken, wobei das Aufl iegen des Aluminiums im wesentlichen an der ganzen besagten Oberfläche entlang ermöglicht wird.

2. Eine Buchse nach Anspruch 1, in der die Tiefe jeder der besagten Nuten im Bereich von 0,05 - 0,10 cm (0,02 - 0,04 inch) liegt.

3. Eine Buchse nach Anspruch 1, in der sich die besagten Nuten zueinander in einem Abstand befinden, der im Bereich von 0,5 - 0,75 cm (0,20 - 0,30 inch) liegt.

4. Eine Buchse nach Anspruch 1, in der der Winkel, der sich zwischen den querliegenden Gruppen von Nuten befindet, im Bereich von 350 - 550 liegt.

5. Eine Buchse nach Anspruch 2, in der sich die Weite jeder der besagten Nuten im Bereich von 0,05 - 0,1 cm (0,02 - 0,04 inch) befindet.

6. Eine Buchse nach Anspruch 1, in der die besagte aufgedrückte Oberfläche die äussere zylinderförmige Oberfläche der besagten Buchse ist und die innere zylinderförmige Oberfläche glatt ist.

7. Eine Buchse nach Anspruch 1, in der das besagte aufgedrückte Modell ein durchstochenes Aussehen aufweist.

8. Eine Methode zum Giessen eines Zylinderblocks aus Aluminium mit eingegossenen Buchsen mit Böden aus Eisen, die beinhaltet:

(a) das Aufdrücken einer äusseren zylinderförmigen Oberfläche auf jede Hülse einer Vielzahl von gegossenen Hülsen mit Böden aus Eisen, wobei jede Hülse so ausgelegt ist, dass sie eine Schnittstelle mit dem gegossenen Aluminium gegen sie bildet, wobei jede Hülse ein durchstochenes Modell hohler Nuten aufweist, wobei jede Nute eine Spirale um die zylinderförmige Oberfläche bildet, wobei die Nuten so dimensioniert sind und sich im Abstand zueinander befinden, dass der Transfer von geschmolzenem Aluminium während des Füllens der Form, die die besagten Hülsen enthält, bei Niedrigdruck ermöglicht wird und das Aufliegen des Aluminiums im wesentlichen an der ganzen zylinderförmigen Oberfläche entlang gewährleistet wird ; und

(b) das Installieren der besagten Hülse in einer Form und das Einführen von Aluminium bei Niedrigdruck in sie, um den besagten Zylinderblock aus Aluminium zu formen.

9. Eine Methode nach Anspruch 8, in der das Aufdrücken der Stufe (a) durch maschinelle Bearbeitung der zylinderförmigen Oberfläche der vorgefertigten Hülse ausgeführt wird oder durch die Bildung von Ausbuchtungen in die zylinderförmige Oberfläche der Hülse während des Wälzens oder Giessens bei der Herstellung der Hülse

10. Eine Methode nach Anspruch 8, in der sich das Modell der Nuten durch die ganze äussere Oberfläche erstreckt.