DE3509015C2 - - Google Patents
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- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D15/00—Casting using a mould or core of which a part significant to the process is of high thermal conductivity, e.g. chill casting; Moulds or accessories specially adapted therefor
- B22D15/02—Casting using a mould or core of which a part significant to the process is of high thermal conductivity, e.g. chill casting; Moulds or accessories specially adapted therefor of cylinders, pistons, bearing shells or like thin-walled objects
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- Mechanical Engineering (AREA)
- Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen kombinierten Kern zum Gießen
der aus Grauguß bestehenden Zylinder von luftgekühlten Verbrennungsmotoren,
bestehend aus einem mit einer Außenverkleidung
aus porösen feuerfesten Stoffen versehenen metallischen
hohlen Kühlkörper mit radialen Gasabführungskanälen.
Ein solcher kombinierter Kern ist bekannt durch die
DE-PS 5 50 955. Diese beschreibt einen aus einem
massiven Metallstück bestehenden Kern mit einer zentralen
längs durchgehenden Bohrung, in von dieser abzweigenden Seitenkanälen,
wobei der Kern mit Rillen außenseitig versehen
und einer Massenschicht umhüllt ist. Die Massenschicht wird
als feuerfeste poröse Schicht beschrieben.
Bei dieser aus dem Jahr 1932 stammenden Konstruktion
erscheint es schwierig, daß der praktisch massive Kühlkern
die richtige Wärmemenge aufnehmen kann (es sollen ja beim
Abkühlen an der Innenseite des Zylinders andere Verhältnisse
als an den äußeren Kühlrippen sich einstellen), da die Kühlmasse
des Kerns im wesentlichen das gesamte Volumen der
Bohrung des Gußstücks ausfüllt. Zudem ist ein enormes
Gewicht des Kühlkerns, was zu Verformungen am späteren Guß
etc. führt, in Kauf zu nehmen. Die äußere poröse Schicht
wird zudem leicht beschädigt und ist nur schwierig auf
dem Außenmantel zu halten. Andererseits werden zumindest
wenn man versuchen sollte, den Kern mehrfach zu verwenden,
die Gasabführungsbohrungen verstopfen, was Lunkerbildung
im gegossenen Zylinder zur Folge hat. Bei einer Beschädigung
des dünnen Mantels kann es sehr leicht zum Einbruch der
Schmelze in die Entgasungsbohrungen kommen, die nicht nur
verstopfen, sondern auch die Schmelze durchlassen. Eine Überflutung des Innenraums des Kühlkerns
kann die Folge sein. Zudem eignet sich der bekannte Kern
nicht für Hochgeschwindigkeitsserienproduktion.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde,
kombinierte Kerne mit metallischem Kühlkörper für Hochgeschwindigkeitsherstellung,
möglichst unter Wiederbenutzung
des Kühlkörpers geeignet zu machen.
Erreicht wird dies überraschend einfach dadurch, daß
der Kühlkörper aus einer innen- und außenseitig mit
aus Gießereisand und Bindemittel verkleideten metallischen
Kühlbüchse besteht, wobei die Gasabführungskanäle zur
Haftverbindung der inneren und äußeren Schicht der Auskleidung
als Sandverbindungsbolzen ausgebildet sind.
Es ist überraschend, daß zum erstenmal ein metallischer
Kühlkörper praktisch beliebig (etwa bis zu 1000 mal)
wieder verwendbar ist. Erreicht wird dies dadurch, daß
der Kühlkörper innen- und außenseitig in Sand eingebettet
ist, es sich also um einen praktisch aus Gießereisand und
Bindemittel bestehenden Sandkern handelt, wobei in diesem
eine metallische Kühlbüchse eingebettet ist. Die Sandverbindungsbolzen
zwischen äußerer und innerer Kernsandschicht tragen dazu bei,
daß diese innen- und außenseitig fest an der metallischen
Kühlbüchse gehalten werden.
Der erfindungsgemäße kombinierte Kern ist auch für größere
Durchmesser geeignet. Eine Anpassung an bestimmte Härten
(schnelle aber nicht zu schnelle Abkühlung der inneren Schicht
unter Bildung eines porenfreien Gefüges, mit einer völlig
anderen Struktur im Bereich der Kühlrippen) wird gewährleistet.
Die sonst auftretenden inneren Spannungen werden weitestgehend
abgebaut. Die Konstruktion ist leichter als alle bisher
bekannten mit Kühlkern.
Die Kühlwirkung wird durch die einstellbare Wandstärke der
Kühlbüchse steuerbar, Hochgeschwindigkeitsherstellung ist
gewährleistet.
Die auf diesem Gebiet bestehende Forderung, daß die Bohrungsfläche
des Zylinders - Gleitfläche für den Kolben - einmal
porenfrei ist und dann eine das Gleiten des Kolbens fördernde
Struktur aufweist, die neben der erforderlichen Ölschmierung
auch durch die Beschaffenheit ihres Aufbaus möglichst niedrige
Reibungswerte zwischen Kolben und Zylinder ergibt, ist gewährleistet.
Die beim Erstarrungsprozeß des Graugußstückes durch
starke Wärmeabfuhr gewünschte perlitische porenfreie Struktur
wird erreicht. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, werden
die Gießformen nach dem Croningverfahren hergestellt, während
die Kerne für die Bildung der Zylinderbohrung nach dem
Croning-CO₂/hot box/cold box-Verfahren oder aus Ölmischungen
hergestellt werden.
Kerne wurden früher schon unter Verwendung von Stahlkugeln
hergestellt, dies aber nur von Hand. Die gleichmäßige
Verteilung der Stahlkugeln war äußerst schwierig.
Nicht nur die innere Kühlung, sondern auch eine ausgezeichnete
Entlüftung beim Gießen bei gleichmäßiger Herbeiführung
des Kühleffekts über die gesamte Kernhöhe ist gewährleistet,
insbesondere auch durch die Möglichkeit der maschinellen
Herstellung.
Es wird nicht verkannt, daß an sich die Verwendung von Kühlbüchsen
(DE-PS 4 44 490) bekannt ist. Hier dient ein unten
geschlossenes Metallrohr als direkte Kühlung für den
Zylinder. Innen ist das Kühlrohr mit Sand versehen,da die
Büchse durch Eingießen etwa flüssigen Gußeisens zunächst
aufgewärmt werden muß. Möglichkeiten einer Kompensation für
das Schrumpfen des Zylinders auf dem metallischen Kern oder
für die Abführung der Gase sind genauso wenig gegeben, wie
die Möglichkeit. etwa solche Kerne auf Kernmaschinen zu
schießen.
Nach einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung ist
eine Vorrichtung zur Herstellung des kombinierten Kerns so
ausgestaltet, daß sie aus zwei Teilen mit einem eine Kernauswerferplatte
haltenden Boden besteht, der von einem die
Büchse innenzentriert haltenden Dorn durchsetzt ist, während
zu deren Außenzentrierung Distanzbolzen vorgesehen sind.
Vorzugsweise dient der Dorn als Kern zur Herstellung der
inneren Sandauskleidung.
Hierdurch wird eine genau konzentrische Anordnung des
erfindungsgemäßen Kerns mit Kühleigenschaften gewährleistet
und eine einfache und wirtschaftliche Herstellung der
Zylinder ermöglicht.
Die Metallkühlbüchse kann aus Grau- oder Stahlguß und mit
Bohrungen für Gasabfuhr beim Gießen versehen sein. Zum
gleichmäßigen Kühleffekt trägt die Außen- und Innenverkleidung
der Metallkühlbüchse mittels Formsandes bei. Der erwähnten
inneren Zentrierung steht die äußere Zentrierung über Distanzbolzen
gegenüber. Die Aushärtung der Sandverkleidung der
Metallkühlbüchse des Kerns erfolgt durch Aufwärmen oder
einen chemischen Prozeß.
Das eigentliche Gießverfahren zur Herstellung von Zylindern mit geforderten
Qualitäten für luftgekühlte Motoren erfolgt in einer Gießform, in der
die Strukturen des Graugußstücks des Zylinders durch die Wirkung des
erfindungsgemäßen Kernes mit intensiver Kühleigenschaft und Gasabfuhrmöglichkeiten
während des Gießprozesses.
Der ausgehärtete Kern wird positioniert in die Gießform eingelegt, danach
wird die Graugußschmelze entsprechender Qualität in die Gießform gegossen.
Während der Erstarrung führt die Metallkühlbüchse des Kernes die Wärme
mit derartiger Intensität ab, daß am eigentlichen Zylinderkörper eine
gasdichte perlitische Struktur und an Rippen des Zylinders eine die Wärmeleitung
fördernde "graue" Struktur entsteht.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Ausführung
des Verfahrens werden näher aufgrund eines Verfahrensbeispiels und der
Ausführungsbeispiele der betreffenden Vorrichtungen sowie aufgrund der
beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt
Fig. 1 eine Gießform mit eingesetztem erfindungsgemäßen Kern mit intensiver
Kühleigenschaft;
Fig. 2 den Querschnitt des erfindungsgemäßen Kernes mit intensiver
Kühleigenschaft nach der Linie I-I aus Fig. 3;
Fig. 3 den Vertikalschnitt des erfindungsgemäßen Kernes mit intensiver
Kühleigenschaft;
Fig. 4 eine Metallkühlbüchse des erfindungsgemäßen Kernes mit intensiver
Kühleigenschaft;
Fig. 5 den Querschnitt nach der Linie II-II aus Fig. 4;
Fig. 6 die Draufsicht mit einem Teilhorizontalschnitt der Vorrichtung
zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kernes mit intensiver
Kühleigenschaft;
Fig. 7 den Querschnitt nach Linie III-III aus Fig. 6;
Fig. 8 den Vertikalschnitt eines aus Grauguß hergestellten Zylinders
für luftgekühlte Verbrennungsmotoren nach der Linie V-V aus Fig. 10;
Fig. 9 den Vertikalschnitt eines Zylinders nach Fig. 10 nach der Linie
VI-VI aus Fig. 10;
Fig. 10 den Grundriß des Zylinders nach Fig. 8; und
Fig. 11 den Querschnitt nach der Linie IV-IV aus Fig. 8.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht die Gießform aus einer Maske 7,
die im Gießformkasten angeordnet ist, aus flachen Umfangskernen 8, die
beim Gießen die Rippen des Zylinders bilden, und aus dem erfindungsgemäßen
Kern 2, der aus einer Metallkühlbüchse 2′ besteht, die innerhalb
und außerhalb mit einer Kernsandverkleidung 6 ausgestattet ist, wobei die Maske
7 positionsfest eingelegt ist. Der Kern 2 formt die "Bohrung" des Zylinders
1 und besorgt, daß während des Erstarrens des eingegossenen Zylinders
1 angesichts seiner kompakten Metallkühlbüchse 2′ eine intensive Wärmeabfuhr
an der inneren Zylinderwand erfolgt, die, wie bereits erklärt, die
Entstehung einer porenfreien perlitischen Struktur der Zylinderwand im
allgemeinen, besonders aber im inneren Teil der Zylinderwand, gewährleistet.
Fig. 2 und 3 veranschaulichen den erfindungsgemäßen Kern 2 im Quer- und
Vertikalschnitt. Der Kern 2 besteht aus einer Metallkühlbüchse 2′, die
entweder aus Grau- oder Stahlguß hergestellt wird und mit den durch die
Wand durchgehenden Bohrungen 2′′ (Fig. 4, 5) versehen ist, die für die
Gasabfuhr während des Gießverfahrens sorgen. Diese durchgehenden Bohrungen
2′′ sind auf der ganzen Metallkühlbüchse 2′ mit einem gleichmäßigen Abstand
voneinander in Längs- sowie Umfangsrichtung der Büchse 2′ angeordnet. Die
Metallkühlbüchse 2′ ist innen (6′′) und außen (6′) mit Kernsand verkleidet,
wobei die Sandverkleidung 6 auch die Wandbohrungen 2′′ ausfüllt und somit
neben der Haftkraft der Sandverkleidung an der Oberfläche der Metallkühlbüchse
2′, eine Verbindung durch die "Sandbolzen", welche die beiden Schichten
6′′ und 6 der Sandverkleidung 6 auch durch die Wandbohrungen miteinander verbinden.
Zur Erhöhung der Haftkraft und Sicherung der Formbeständigkeit der
Sandverkleidung 6 werden dem Kernsand, der für diesen Zweck bestimmt ist,
entsprechende Bindemittel zugegeben, die eine Aushärtung der Sandverkleidung
6 entweder durch die Erwärmung oder auf chemischem Wege ermöglichen.
Fig. 4 und 5 zeigen die Metallkühlbüchse 2′ des Kernes 2 im Vertikal- und
Querschnitt, wobei bessonders gut die durchgehenden Wandbohrungen 2′′ ersichtlich
sind. Diese sind nämlich derart angeordnet, daß sie entlang der
Metallkühlbüchse 2′ sowie längs des Umfangs dieser mit ungefähr gleichen
Abständen voneinander entfernt sind. Diese Verteilung der Wandbohrungen
sorgt für eine gute Gasabfuhr während des Gießvorgangs, die erfindungsgemäße
Metallkühlbüchse 2′ bürgt somit neben der intensiven Kühlung der
Zylinderwand auch durch die Entfernung der Gase aus der noch nicht erstarrten
Schmelze der Wandmasse des Zylinders 1 (siehe Fig. 1) für eine gute
Qualität (Homogenität und Dichte) der Zylinderwand.
Aus Fig. 6 und 7 ist die Konstruktion der Vorrichtung für die Herstellung
des erfindungsgemäßen Kernes zu ersehen. Die Vorrichtung besteht aus
zwei Teilen 9 und 10, die miteinander zusammengefügt werden (Fig. 6), und
aus einem Boden 14, in dem der Dorn 13 für die innere Zentrierung der
Metallkühlbüchse 2′ vorgesehen ist. Die äußere Zentrierung der Metallkühlbüchse 2′ wird mittels Bolzen 12 (siehe Fig. 6) versorgt.
Zum Heben des fertiggestellten Kernes 2 aus der Vorrichtung zur Herstellung
der Kerne wird von einer Auswurfplatte 11 Gebrauch gemacht. Die Vorrichtung
ist aus Werkzeugstahl hergestellt.
Bei der Herstellung der Kerne nach Fig. 2, 3 in der beschriebenen Vorrichtung
wird die Metallkühlbüchse 2′ in die Vorrichtung hineingelegt und
entsprechend zentriert, danach wird die die Bindemittel enthaltende Sandmischung
in die Vorrichtung eingeblasen. Auf diese Weise entsteht in der
Vorrichtung zur Herstellung der Kerne die Sandverkleidung 6 an der Metallkühlbüchse
2′ die nach der Formierung durch Wärmebehandlung oder mittels
eines chemischen Prozesses noch ausgehärtet wird.
Fig. 10 und 11 zeigen die Zylinder für luftgekühlte Verbrennungsmotoren,
die das Erzeugnis des erfindungsgemäßen Verfahrens in Vertikalschnitten
bzw. im Querschnitt und in Draufsicht darstellen. Sie lassen deutlich die
einzelnen Bereiche des Zylinders (die Zylinderwand bzw. die Rippen) erkennen,
wo besonders Strukturen des Graugusses verlangt werden.
Beim Gießen der Zylinder aus Grauguß mit lamellarem Graphit für luftgekühlte
Motoren ist es allgemein schwer, die geforderten mechanischen
Eigenschaften, die Struktur und die Gasdichte der Zylinder zu erzielen.
Die Grundvorschriften für die Zusammensetzung des Graugusses sind wie
folgt:
C<3%
P=0,3% bis 0,45%
Cr0,3%
P=0,3% bis 0,45%
Cr0,3%
Der Gehalt anderer chemischer Elemente ist nicht vorgeschrieben.
Die Härte auf der Stirnfläche auf der Seite des Zylinderkörpers soll
200-240 HB (HB 5/570) und auf der Zylinderwand minimal 190 HB (HB 5/570) betragen.
Die minimale Zugfestigkeit soll 200 N/mm², bei manchen Zylindern 250 N/mm²
betragen.
Graphit
50-100%, Form A, Größe 4-6
0-50%, Form B, Größe 4-6
Graphite D und E sind nicht zulässig.
50-100%, Form A, Größe 4-6
0-50%, Form B, Größe 4-6
Graphite D und E sind nicht zulässig.
Die Grundstruktur soll der lamellare Perlit bilden, der keinen freien
Zementit enthalten soll.
Der freie Ferrit ist bis 3% erlaubt, soll aber gleichmäßig verteilt sein.
Das Phosphideutektikum soll im Netz verteilt auftreten.
Die Kühlrippen sollen "grau" erstarrt sein, die Grundstruktur darf im
äußeren Drittel der Kühlrippe freien Zementit enthalten. Freier Ferrit
ist zulässig.
Das Grundproblem beim Gießen der Zylinder ist es, die vorgeschriebene
Struktur und die Porenfreiheit zu erreichen. Allgemein sind die Strukturen
und die mechanischen Eigenschaften der Gußstücke aus Grauguß von der
chemischen Zusammensetzung des Graugusses, der Wandstärke, der sphärolithischen
Wirkung und Abkühlungsgeschwindigkeit des Gußstückes
abhängig. Beim Gießen der Zylinder ist es besonders schwer, die entsprechende
Struktur der Kühlrippen und jene der inneren Zylinderwand zu erreichen,
da die Stärkeunterschiede zwischen diesen Teilen sehr groß sind
und die Kühlrippen des Zylinders eine "graue" Erstarrungsstruktur (minimal
2/3 der Rippenlänge), die Zylinderwand aber eine perlitische Struktur mit
einer Härte von 240 HB aufweisen sollen. Ferner ist es verhältnismäßig
schwer, die nötige Porenfreiheit zu erzielen; da sich die entsprechenden
Speiser wegen der Form des Zylinders nicht anbringen lassen.
Für jede Type des Zylinders wird in Abhängigkeit von der Form, der Wandstärke
und der Masse des Zylinders eine entsprechende Zusammensetzung des
Graugusses gewählt. Für Zylinder mit einer Wandstärke von 10-30 mm und
einer Masse von 3-30 kg hat der Grauguß die folgende Zusammensetzung:
C=3-3,5%
Si=1,6-2,2%
Mn=0,6-1,2%
P=0,2-0,4%
S≦0,1%
Cr≦0,3%
Zum Schmelzen des Graugusses zum Gießen der Zylinder wird ein Niederfrequenz-Induktions-Schmelzofen
-verwendet. Angebracht sind auch Kupolöfen in
Kombination mit Rezeptoren oder Induktionsöfen.
Der Einsatz ist aus basisch erschmolzenem Roheisen, Stahlschrott, Grauguß-Rückgut,
Ferrolegierungen zur Korrektur der Zusammensetzung des Gusses und aus Additiven
zum Aufkohlen zusammengesetzt. Beim Schmelzen in Induktionsöfen könnte
man einen Einsatz ohne Roheisen verwenden. Die Schmelze wird auf
1450°C erwärmt, dann wird der Zusatz zur Erzeugung sphärolithischen Gußeisens,
enthaltend Fe, Si, Ca, Zr und Mn zugegeben und nachher die Schmelze
bei einer Temperatur von 1330-1380°C in Formen nach Fig. 1 eingegossen.
Die eingegossene Schmelze wird an der inneren Wand der Zylinderbohrung
durch den erfindungsgemäßen Kern (Fig. 3) mit intensiver Wärmeabfuhr
stark abgekühlt, so daß bei entsprechender chemischer Zusammensetzung
des Graugusses die gewünschte Struktur mit gewünschten mechanischen Eigenschaften
und Gasdichte erreicht werden.
Die Intensität der Kühlung durch den erfindungsgemäßen Kern 2 kann durch
die Wahl der Stärke der Sandverkleidung 6 am äußeren Umfang des Kernes
2, d. h. durch die Wahl der Dicke der Sandverkleidung, die zwischen der
Schmelze und der Metallkühlbüchse 2′ liegt, sowie mit der Wahl der Größe
der Masse dieser Metallkühlbüchse 2′ beeinflußt bzw. angepaßt werden.
Mit dieser erfindungsgemäßen Maßnahme wird erreicht, daß die Zylinderwand
in der Tiefe von 8-10 mm keine Porosität aufweist, daß die Zylinderwand
die erwünschten mechanischen Eigenschaften und die Kühlrippen in ²/₃
ihrer Länge die "graue" Struktur aufweisen.
- - Die Härte, gemessen auf dem Querschnitt der Zylinder im Abstand von 3 mm vom inneren Rand der Zylinderbohrung, betrug 200-240 HB.
- - Die Zugfestigkeit einer Zerreißprobe aus dem Zylinder betrug 250-300 N/mm².
- - Die Struktur der Zylinderwand im Abstand von 3 mm vom inneren Rand der Zylinderbohrung: Basis:Perlit mit weniger als 3% Ferrit Graphit:50-100%, Form A, Größe 5-6 0- 50%, Form B, Größe 5-6
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Kerne mit intensiver Kühlwirkung
ermöglicht neben dem Erreichen der geforderten Qualität der Zylinder auch
eine Ersparnis an Kernsand, eine Reduzierung des Kreislaufmaterials
und eine maschinelle, vom Menschenfaktor unabhängige Produktion der Kerne.
Claims (3)
1. Kombinierter Kern zum Gießen der aus Grauguß bestehenden
Zylinder von luftgekühlten Verbrennungsmotoren, bestehend
aus einem mit einer Außenverkleidung aus porösen feuerfesten
Stoffen versehenen metallischen hohlen Kühlkörper
mit radialen Gasabführungskanälen, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlkörper aus einer innen- und außenseitig mit
aus Gießereisand und Bindemittel verkleideten metallischen
Kühlbüchse (2′) besteht, wobei die Gasabführungskanäle
(2′′) zur Haftverbindung der inneren und äußeren Schicht
der Auskleidung (6′; 6′′) als Sandverbindungsbolzen ausgebildet
sind.
2. Vorrichtung zur Herstellung des kombinierten Kerns
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie
aus zwei Teilen (9; 10) mit einem eine Kernauswerferplatte
(11) haltenden Boden (14) besteht, der von
einem die Büchse (2′) innenzentriert haltenden Dorn
(13) durchsetzt ist, während zu deren Außenzentrierung
Distanzbolzen (12) vorgesehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Dorn (13) als Kern zur Herstellung der inneren
Sandauskleidung (6′′) dient.
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