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Diese Erfindung betrifft ein
Schaumausschmelzmetallgußverfahren, wie im Oberbegriff von Anspruch 1 spezifiziert. Ein
derartiges Verfahren ist in der US-A-4 243 093 offenbart.
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In einem typischen Schaumausschmelzgußverfahren wird ein
Modell aus einem polymeren Material gebildet, das bei
Metallgußtemperaturen verdampfbar ist, wie geformtes, expandiertes
Polystyrol. Dieses Modell wird in einem unverbundenen
Sandkörper eingebettet, um eine Gußform zu bilden. Geschmolzenes
Metall wird in die Form in Berührung mit dem Modell
gegossen, wobei das Metall das Modell fortschreitend auflöst und
ersetzt. Auf diese Weise wird das Modell durch das Metall
dupliziert, wonach sich das Metall verfestigt, um einen
Produktguß zu bilden.
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Ein gewöhnlicher Verbrennungsmotor des in Kraftfahrzeugen
angewendeten Typs umfaßt einen Motorblock, der aus einem
relativ massiven und komplexen Metallgußteil gebildet ist.
Abhängig von der besonderen Motorkonstruktion umfaßt das
Motorblockgußteil eine oder mehrere Wände, die eine gewünschte
Anzahl von Zylinderbohrungen festlegen. Während des
Motorbetriebes bewegt sich ein Kolben in jeder Bohrung hin und her,
um eine gewöhnliche Kurbelwelle anzutreiben. Die Kurbelwelle
ist in einem Kurbelgehäus untergebracht, das wenigstens
teilweise durch einen Abschnitt des Motorblockgußteils gebildet
ist. Das Motorblockgußteil umfaßt auch eine äußere Wand, die
um die Zylinderwände herum, aber davon beabstandet
angeordnet ist, um einen Wassermantel festzulegen, durch den
Kühlmittel während des Motorbetriebes zirkuliert. Somit ist
der Motorblock aus einem einzigen Gußteil gebildet, das
einen Zylinderwandabschnitt, einen Kurbelgehäuseabschnitt
und einen Wassermantelwandabschnitt umfaßt.
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Obwohl historisch die meisten Motorblöcke aus Gußeisen
geformt sind, werden Motorblöcke auch aus Aluminiumgußteilen
geformt. Aluminiumblöcke werden durch Leerraumverfahren, wie
Druckguß oder Dauerformguß, gegossen. Es wird auch
vorgeschlagen, Aluminiumblöcke durch ein
Schaumausschmelzverfahren zu gießen. Aluminiumlegierungen des in Motorblöcken
verwendeten Typs weisen von deren Siliziumgehalt abhängige
Eigenschaften auf, und werden bezüglich einer niedrig
schmelzenden eutektischen Zusammensetzung beschrieben, die
zwischen Aluminium und ungefähr 12 Prozent Silizium gebildet
wird. Übereutektische Legierungen umfassen Silizium in einer
Größenordnung, die größer als die eutektische
Zusammensetzung ist, und sind durch das Vorhandensein freier
Siliziumpartikel gekennzeichnet, die in einer eutektischen Matrix
dispergiert sind. Die freien Siliziumpartikel bilden eine
harte Phase, die den Verschleißwiderstand verbessert. Dieser
Verschleißwiderstand ist in der Bohrungswand erwünscht, um
den Abrieb durch den Kolben zu verringern. Jedoch sind
übereutektische Legierungen schwieriger zu gießen,
insbesondere in einen großen Körper, wie einen Motorblock.
Ein frühes Ausscheiden der Siliziumpartikel hindert den Fluß
von Zufuhrmetall in langsam verfestigende Regionen des
Gußteils, was zu einer vergrößerten Makroporosität des
Gußteils führt. Auch zeigen übereutektische Legierungen eine
vergrößerte Mikroporosität, die der hinzugefügten Wärme
zugeschrieben wird, die während der Siliziumausscheidung
ausgelöst wird, und eine vergrößerte thermische Zusammenziehung
während der Abkühlung. Obwohl für die Zylinderwände
erwünscht, macht die übereutektische Legierung das Gußteil
schwieriger zu bearbeiten, wie durch den vergrößerten
Werkzeugverschleiß offensichtlich ist, und wird als nicht
vorteilhaft in Abschnitten betrachtet, die entfernt von der
Zylinderwand liegen. Von besonderer Bedeutung für diese
Erfindung ist, daß der Guß einer übereutektischen Legierung
durch ein Schaumausschmelzverfahren dem Verfahren eigene
Schwierigkeiten zeigt. Der Wärmeverlust an der Schmelzfront
benachbart dem sich auf lösenden Modell führt zu einer
frühzeitigen Verfestigung, wie durch Kaltfaltenfehler im
Produktgußteil offensichtlich gemacht.
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Andererseits sind untereutektische Legierungen, welche
weniger Silizium als die eutektische Zusammensetzung beinhalten,
durch dispergierte Aluminiumpartikel gekennzeichnet, die
weich im Gegensatz zu den harten Siliziumpartikeln in der
übereutektischen Legierung sind. Dies erleichtert die
Bearbeitung des Gußteils, vergrößert aber auch den Verschleiß an
der Bohrungswand. Es ist bekannt, eine aus
verschleißresistenten Legierungen, wie Gußeisen oder übereutektischer
Aluminiumlegierung, gebildete rohrförmige Buchse in
Zylinderbohrungen im untereutektischen Gußteil einzusetzen, um eine
zufriedenstellende Kolbenberührungsfläche vorzusehen.
Buchsen erfordern eine Präzisionsbearbeitung sowohl der
Innendurchmesser- als auch der Außendurchmesseroberflächen und
einen sorgfältigen Einbau in den Motorblock, um einen
genauen Sitz zu erhalten, wodurch sich die Kosten des Motors
bedeutend erhöhen. Auch können abhängig von der
Motorkonstruktion Beanspruchungen, die durch differentielle thermische
Ausdehnung zwischen der Buchse und der umgebenden
Zylinderwand erzeugt werden, zur Rißbildung während des
Motorbetriebes führen.
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Aus diesen Gründen sind Motorblockgußteile, die nur aus
übereutektischer Legierung gebildet sind oder die nur aus
untereutektischer Legierung gebildet sind, nicht vollständig
zufriedenstellend.
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Ein Schaumausschmelzgußverfahren zur Erzeugung eines
Verbundlegierungsproduktgußteils gemäß der vorliegenden Erfindung
ist durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1
spezifizierten Merkmale gekennzeichnet.
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Es ist ein Ziel dieser Erfindung, ein integrales Gußteil zu
schaffen, das durch ein Schaumausschmelzverfahren gebildet
wird und einen ersten Abschnitt, der aus einer ersten
Legierung gebildet wird, und einen unabhangig aber gleichzeitig
gegossenen zweiten Abschnitt umfaßt, der aus einer zweiten
Legierung gebildet wird, die sich in der Zusammensetzung von
der ersten Legierung unterscheidet.
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Es ist ein weiteres besonderes Ziel dieser Erfindung, ein
Verbundaluminiumlegierungs-Motorblockgußteil zu schaffen mit
einem Zylinderbohrungswandabschnitt, der aus einer ersten
Legierung, vorzugsweise übereutektischer Aluminiumlegierung,
gebildet ist, und einem Rest, der aus einer zweiten
Legierung, vorzugsweise untereutektischer Aluminiumlegierung, die
sich in der Zusammensetzung von der ersten Legierung
unterscheidet, gebildet ist.
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Es ist auch ein Ziel dieser Erfindung, ein
Schaumausschmelzverfahren zum Gießen von Metall zu schaffen, welches die
Schritte umfaßt, daß ein Einweg-Modell mit Teilen
entsprechend Abschnitten in dem Produkt vorgesehen wird und daß
eine erste Legierung, umeinen ersten Teil des Modells zu
ersetzen, und eine sich in der Zusammensetzung unterscheidende
zweite Legierung gegossen wird, um einen zweiten Teil des
Modells zu ersetzen, so daß das resultierende integrale
Produkt einen ersten Abschnitt, der aus der ersten Legierung
gebildet ist, und einen zweiten Abschnitt, der aus der zweiten
Legierung gebildet ist, umfaßt.
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Es ist ein weiteres besonderes Ziel dieser Erfindung, ein
Schaumausschmelzgußverfahren zur Herstellung eines
Motorblockgußteils von einem Modell zu schaffen, das entsprechend
der gewünschten Motorblockkonfiguration bemessen und geformt
ist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß eine
Schmelze einer übereutektischen Legierung gegossen wird, um
einen Teil des Modells entsprechend einem Motorwandabschnitt
des Motorblockgußteils zu duplizieren, und daß eine
untereutektische Legierung unabhängig gegossen wird, um Teile des
Modells entsprechend einem Kurbelgehäuseabschnitt und einem
Wassermantelwandabschnitt zu ersetzen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung werden diese und andere Ziele durch ein
Schaumausschmelzgußverfahren zur Erzeugung eines
Verbundaluminiumlegierungs-Motorblockgußteils erreicht, welches einen
zylindrischen Wandabschnitt, der aus einer übereutektischen
Aluminiumlegierung gebildet ist, und einen Kurbelgehäuseabschnitt
und einen Wassermantelwandabschnitt umfaßt, die aus einer
untereutektischen Aluminiumlegierung gebildet sind. Das
Verfahren verwendet ein Einweg-Modell mit einem Produktteil, das
entsprechend der gewünschten Motorblockgußteilkonfiguration
bemessen und geformt ist. Das Motorblockmodell umfaßt Teile
entsprechend einem Kurbelgehäuseabschnitt, einem
Zylinderwandabschnitt und einem Wassermantelwandabschnitt in dem
Motorblockgußteil. Das Modell umfaßt ein erstes Angußkanalsystem
mit einer Schmelzgießfläche. Das erste Angußkanalsystem ist
mit dem Zylinderwandteil des Modells zur Förderung
geschmolzenen Metalls von der Schmelzgießfläche zu dem
Zylinderwandteil verbunden. Das Modell umfaßt weiter ein zweites
Angußkanalsystem mit einer Schmelzgießfläche, die unabhängig von
der ersten Angußkanalschmelzgießfläche ist. Das zweite
Angußkanalsystem ist mit dem Wassermantelwandteil an einer oder
mehreren Regionen beabstandet von dem Zylinderwandteil
verbunden und ist zur Förderung geschmolzenen Metalls von der
zweiten Angußkanalschmelzgießfläche zum Zylinderwandteil
ausgelegt. Das Modell wird gebildet, indem unter Verwendung
eines verdampfbaren Anhaftmittels individuell geformte
Teile, die aus expandiertem Polystyrol oder dergleichen
gebildet sind, zusammengesetzt werden. Das zusammengesetzte
Modell wird dann in einem Körper unverbundener Sandpartikel
eingebettet, um eine Form herzustellen. Das Modell wird in
der Form angeordnet, so daß die erste
Angußkanalschmelzgießfläche und die zweite Angußkanalschmelzgießfläche für eine
unabhängige Berührung mit dem Gußmetall frei liegen und
beabstandet sind.
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Gemäß dieser Erfindung wird eine erste Charge geschmolzener,
übereutektischer Aluminium-Siliziumlegierung in Berührung
mit der ersten Angußkanalschmelzgießfläche gegossen. Bei
Berührung mit dem Modell löst und ersetzt das geschmolzene
Metall fortschreitend das erste Angußkanalsystem und danach
den Zylinderwandteil des Modells. Eine zweite Charge einer
untereutektischen Aluminiumlegierung wird gegen die zweite
Angußkanalschmelzgießfläche gegossen, wobei die Charge
fortschreitend das zweite Schmelzangußkanalsystem und danach den
Wassermantelwandteil und den Kurbelgehäuseteil des
Motorblockmodells auflöst und ersetzt. Das vollständige
Produktmodellteil wird aufgebraucht und ersetzt, wobei die zwei
Chargen zusammenfließen und verschmelzen, um ein integrales
Gußteil herzustellen. Die zwei geschmolzenen Chargen werden
gleichzeitig gegossen, was bedeutet, daß die Chargen
simultan gegossen werden, oder wenn sie aufeinanderfolgend
gegossen werden, in einer derart dichten Abfolge, zum Beispiel
wenigen Sekunden, gegossen werden, daß die letztere
Gußcharge gegossen wird, bevor die frühere Gußcharge sich
verfestigt hat. Die Verschmelzungslinie, bei welcher die Chargen
zusammenfließen, ist durch die relativen Volumen der Chargen
festgelegt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das
Gußvolumen der übereutektischen Legierung hinreichend, um eine
Region der Zylinderwand zu ersetzen, über welche sich der
Kolben während des Motorbetriebes bewegt. Die Schmelzfront
für die übereutektische Legierung schließt somit an einer
Linie nahe des Kurbelgehäuseabschnittes ab. Das Volumen der
verwendeten untereutektischen Legierung ist hinreichend, um
den Rest des Modells zu ersetzen, wobei die Front der
untereutektische Legierung gegen die Front der übereutektischen
fließt, um die unabhängigen Chargen in ein einziges
Produktgußteil zu verschmelzen. Nach der Verfestigung der dualen
Gußlegierungen wird das Produktmotorblockgußteil von der
Form entfernt und von den Angußkanalsystemen getrennt.
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Daher umfaßt das Motorblockgußteil dieser Erfindung somit
einen Zylinderwandabschnitt, der aus einer übereutektischen
Aluminium-Siliziumlegierung gebildet ist, und einen Rest,
einschließlich der Wassermantelwand und des
Kurbelgehäuseabschnittes, der aus einer untereutektischen
Aluminium-Siliziumlegierung gebildet ist. Somit liefert diese Erfindung die
Verschleißresistenzvorteile der übereutektischen Legierung
in der kritischen Region des Zylinderwandabschnittes, ohne
die Nachteile von hoher Porosität, Kaltfalten und
schlechterer Bearbeitbarkeit in massiveren Regionen des Gußteils,
und stellt gleichzeitig ein fehlerfreies Gußteil im ganzen
Kurbelgehäuseabschnitt und um Wassermantelwandabschnitt der
untereutektischen Legierung her, welche leicht durch Bohren
und Gewindeschneiden von Löchern und durch Fertigstellen
anderer Merkmale im Motorblock bearbeitet werden kann, ohne
an den Nachteilen einer weichen Zylinderbohrungswand zu
leiden, die sonst Zylinderbuchsen mit zusätzlichen Kosten
notwendig machen würden. Des weiteren kann das Verfahren
dieser Erfindung leicht in einer einzigen Form ausgeführt
werden, um ein einziges Produktgußteil herzustellen, wodurch
die Kosten des Produktmotorblocks verringert werden.
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Diese Erfindung und wie sie ausgeführt werden kann wird
nachstehend besonders mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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Figur 1 eine Querschnittsansicht einer Gußform mit
einem polymeren Einweg-Motorblockmodell für
den Guß durch ein Schaumausschmelzverfahren
ist,
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Figur 2 eine Querschnittsansicht, teilweise
weggeschnitten, der in Figur 1 gezeigten Form ist,
die entlang der Linien 2-2 genommen ist und
in die Richtung der Pfeile weist,
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Figur 3 eine Querschnittsansicht eines Teils der in
Figur 1 gezeigten Form ist, die entlang der
Linie 3-3 genommen ist und in die Richtung
der Pfeile weist,
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Figur 4 eine perspektivische Ansicht ist, die ein
Teil eines Angußkanalsystems für das in
Figur 1 gezeigte Modell zeigt, die entlang
der Pefestigungsebene zu dem Produktteil
geschnitten ist,
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Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines
bevorzugten dualen
Aluminiumlegierungsmotorblockgußteils der Erfindung ist, und
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Figur 6 eine Querschnittsansicht des in Figur 5
gezeigten Motorblockgußteils ist, die entlang
Linie 6-6 genommen ist und in die Richtung
der Pfeile weist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung, wie
in den Zeichnungen gezeigt, wird ein
Verbundaluminiumlegierungs-Motorblockgußteil durch ein Schaumausschmelzverfahren
gegossen. Nach den Figuren 5 und 6 ist ein Motorblockgußteil
10 für einen Automobil-L-4-Funkenzündungsmotor dargestellt.
Das in aufrechter Orientierung gezeigte Motorblockgußteil 10
umfaßt einen Basiskurbelgehäuseabschnitt 12, welcher einen
Teil des Kurbelgehäuses festlegt und Kurbelwellenlagerhalter
14 umfaßt, und ein Zylinderkopfdeck 16 gegenüber dem
Kurbelgehäuseabschnitt 12. Zwischen dem Kurbelgehäuseabschnitt 12
und dem Deck 16 erstrecken sich ein Zylinderwandabschnitt 18
und eine äußere Wassermantelwand 20, welche beabstandet
sind, um einen Wassermantel 22 festzulegen, durch welchen
während des Motorbetriebes Kühlmittel zirkuliert. In diesem
Beispiel legt die Zylinderwand 18 vier parallele
Zylinderbohrungen 24 fest, die sich vom Deck 16 zum Kurbelgehäuse 12
erstrecken und entlang einer Mittellinie 25 so ausgerichtet
sind, daß jede Zylinderbohrungsmittelachse 23 die
Mittellinie 25 senkrecht schneidet. In diesem Beispiel sind die
Zylinderbohrungen 24 auf eine Zwillingsart angeordnet, das
heißt, benachbarte Bohrungen sind durch eine gemeinsame Wand
getrennt. Eine Folge dieser Zwillingsanordnung ist, daß alle
vier Bohrungen 24 durch eine einzige kontinuierliche Wand
festgelegt sind. Jedoch ist diese Erfindung auch für den Guß
eines Motorblocks mit vier Zylinderwänden geeignet, die
durch unterschiedliche rohrförmige Wände festgelegt sind,
die durch Wasserkühlmitteldurchgänge beabstandet sind. Jede
Bohrung 24 ist ausgelegt, um einen Kolben des Motors
aufzunehmen und umfaßt ein Ende 21 am Zylinderkopfdeck 16 und
umfaßt eine Region 26, über welche sich der Kolben während des
Motorbetriebes hin- und hergehend bewegt. Gemäß dieser
Erfindung ist der Kolbenbewegungsunterabschnitt 26 aus einer
verschleißresistenten Legierung gegossen, die sich in der
Zusammensetzung vom Kurbelgehäuseabschnitt 12 und der
Wassermantelwand 20 unterscheidet.
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In Figur 1 ist eine Gießereiform 30 für den
Schaumausschmelzguß eines Motorblockgußteils 10 gezeigt. Die Form 30 umfaßt
einen Körper 31 aus unverbundenen Seesandpartikeln, die um
ein Modell 32 herum gepackt sind, das aus einem expandierten
Polystyrolmaterial besteht ist, das bei
Aluminiumgußtemperaturen thermisch auf lösbar ist. Der Sandkörper 31 ist in
einem Sandkasten 27 enthalten, der durch eine perforierte
untere Wand 28 getragen wird. Der Sandkasten 27 umfaßt ein
Plenum 29 gegenüber der perforierten Wand 28 vom Sandkörper 31
und ist mit einer externen Vakuumpumpe 33 verbunden. Die
perforierte Wand 28 hält die Sandpartikel zurück, wohingegen
sie es Modellauflösungsdämpfen erlaubt, in das evakuierte
Plenum 29 während des Gusses zu entlüften.
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Das Modell 32 umfaßt ein Motorblockmodell 34, das
entsprechend dem Motorblockgußteil 10 bemessen und geformt ist. Wie
hierin verwendet, beziehen sich Teile auf Teile des Modells
entsprechend Abschnitten des Gußteils 10. Somit umfaßt das
Motorblockmodell 34 ein Kurbelgehäuseteil 36 entsprechend
einem Gußkurbelgehäuseabschnitt 12, ein Zylinderwandteil 38
entsprechend einem Gußzylinderwandabschnitt 18 und ein
Mantelwandteil 40 entsprechend einer Gußmantelwand 20.
Bohrungen 42 mit parallelen Mittelachsen 43 sind in dem
Zylinderwandteil 38 festgelegt, um Zylinderbohrungen 24 im Gußteil
10 zu formen. Das Produktmodell 34 umfaßt auch eine
Oberfläche 44 zur Formung des Zylinderkopfdecks 16. Wie aus den
Zeichnungen ersichtlich, ist das Produktmodell 34 in der
Form 30 in einer umgekehrten Position angeordnet, so daß die
Zylinderkopfdeckfläche 44 eine unterste Oberfläche des
Produktmodells 34 darstellt.
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Das Modell 32 umfaßt weiter ein erstes Angußkanalsystem 50,
das auch aus expandiertem Polystyrolmaterial gebildet ist.
Das Angußkanalsystem 50 umfaßt einen Eingußtrichter 52 mit
einer Schmelzgießfläche 54 (durch Gußmaterial ersetzt
gezeigt), die über dem Sandkörper 31 zum Einlaß geschmolzenen
Metalls während des Gusses freiliegt. Der Eingußtrichter 52
ist an seinem untersten Punkt mit einem gestuften Angußkanal
56 verbunden, der benachbart dem Zylinderwandabschnitt 38
des Produktmodells 34 parallel zu Linie 59 entsprechend der
Motorblockmittellinie 25 liegt, so daß jede
Zylinderbohrungsachse 43 Linie 59 senkrecht schneidet. Der gestufte
Angußkanal 56 ist mit einem Zylinderwandteil 38 durch eine Reihe
ausgerichteter Eingüsse 58 verbunden. Wie am besten in den
Figuren 3 und 4 ersichtlich, sind Eingüsse 58 mit dem
Zylinderwandabschnitt 38 an jedem Zwischenbohrungsort und an
Orten an den Enden der Bohrungsanordnung verbunden. Auf
diese Weise verbindet das Angußkanalsystem 50 die
Schmelzgießfläche 54 und den Zylinderwandteil 38. Der Angußkanal 56
umfaßt Stufen zwischen den Eingüssen 58 für einen
gleichförmigeren Schmelzfluß durch die Eingüsse in den
Zylinderwandteil 38.
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Das Modell 32 umfaßt ein zweites Angußkanalsystem 60, das
auch aus expandiertem Polystyrolmaterial besteht. Das
Angußkanalsystem 60 umfaßt einen Eingußtrichter 62 mit einer
Schmelzgießfläche 64 (durch Metall während des Gusses
ersetzt gezeigt), die über dem Sandkörper 31 freiliegt und von
der ersten Angußkanalschmelzgießfläche 54 beabstandet ist.
Der Eingußkanaltrichter 62 ist an seinem untersten Punkt mit
einem Angußkanal 65 verbunden, der Abzweige 66 umfaßt, die
sich im allgemeinen parallel zu Linie 59 auf jeder Seite des
Angußkanals 56 erstrecken, aber durch die Sandform 31
getrennt sind, um ein Vermischen von Metallen zu verhindern,
die durch das Angußkanalsystem gefördert werden. Die
Abzweige 66 liegen benachbart dem Wassermantelwandteil 40 und sind
daran durch Eingüsse 68 verbunden. Weil das zweite
Angußkanalsystem 60 aus auflösbarem Polystyrol gebildet ist, ist es
somit zum Fördern von Metall von der Schmelzgießfläche 64
zum Wassermantelwandteil 40 des Produktmodells 34 geeignet.
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Das Modell 32 wird durch anhaftendes Verbinden individuell
geformter Polystyrolelemente in einen einzigen Körper
geformt. Eine dünne, poröse, feuerfeste Beschichtung, ähnlich
einer Kernschlichte, wird dann auf die äußeren Oberflächen,
außer auf den Schmelzgießflächen 54 und 64 aufgebracht, um
die Gußoberflächenendbearbeitung zu verbessern und eine
thermische Isolierung während des Gusses vorzusehen und somit
eine vorzeitige Metallverfestigung zu verhindern. Das Modell
32 wird dann im Sandkasten 27 positioniert, während dieser
leer ist, wonach unverbundener Sand in den Sandkasten 27
eingestreut wird, während der Sandkasten leicht vibriert, um
den Sand um das Modell 32 herum zu packen und somit die Form
zu bilden. Gießschalen 70 und 72 werden dann um die
Schmelzgießflächen 54 bzw. 64 auf der Oberfläche des Sandes 31
angeordnet, um das geschmolzene Metall in die Eingußtrichter 52
und 62 zu leiten.
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Für den Guß des Motorblockgußteils 10 gemäß dieser Erfindung
wird eine erste Charge 80 aus einer übereutektischen
Aluminiumlegierung vorbereitet, die durch die Amerikanische
Gesellschaft für Metalle als Aluminiumlegierung 390 bezeichnet
wird. Eine nominale Zusammensetzung für die
Aluminiumlegierung 390 umfaßt pro Gewicht, 4 bis 5 Prozent Kupfer, 0,45
bis 0,65 Prozent Magnesium, 16 bis 18 Prozent Silizium und
den Rest Aluminium und Unreinheiten. Die Charge 80 wird aus
einer Gießpfanne 82 in eine Gießschale 70 und gegen die
Schmelzgießfläche 54 gegossen. Wärme von dem geschmolzenen
Metall löst das benachbarte Polystyrol auf, wobei das
geschmolzene Metall in den resultierenden Hohlraum fließt. Auf
diese Weise löst und ersetzt das geschmolzene Metall
fortschreitend den Eingußtrichter 52, den Angußkanal 56 und die
Eingüsse 58 und den Zylinderwandteil 38. Die Stufen im
Angußkanal 56 liefern einen gleichförmigeren Schmelzfluß
durch die Eingüsse 58, trotz der variierenden Abstände vom
Eingußtrichter 52, und erzeugen dadurch ein gleichförmigeres
Ersetzen des Zylinderwandteils 38.
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Nach dem Gießen der ersten Charge, wird eine zweite
Aluminiumlegierungscharge 84 aus einer Gießpfanne 86 in eine
Gießschale 72 gegen die Schmelzgießfläche 64 gegossen. Die
zweite Charge ist aus einer untereutektischen Aluminiumlegierung
gebildet, die von der Amerikanischen Gesellschaft für
Metalle als Legierung 319 bezeichnet wird und eine nominale
Zusammensetzung pro Gewicht von 3 bis 4 Prozent Kupfer, 5,5 bis
6,5 Prozent Silizium und den Rest Aluminium und Unreinheiten
aufweist. Auf eine hierin beschriebene Weise, die das Gießen
der ersten Charge betrifft, löst und ersetzt Charge 84
fortschreitend den Eingußtrichter 62 und den Angußkanal 65,
einschließlich der Abzweige 66, und fließt danach durch
Eingüsse 68, um den Wassermantelwandteil 40 zu ersetzen. Das
Volumen der Charge 84 wird so eingestellt, daß nicht nur den
Wassermantelwandteil 40 ersetzt wird, sondern auch der
Kurbelgehäuseteil 36 und die Region des Zylinderwandteils 38
benachbart dem Kurbelgehäuseteil. Dies bedeutet, daß die
Charge 84 hinreichend ist, um den Rest des Modells 34 zu
ersetzen, der nicht durch die Charge 80 verbraucht wird. Auf
diese Weise wird das gesamte Modell dupliziert, wobei die
Gußaluminiumlegierung 319 der Charge 84 gegen die
Gußaluminiumlegierung 390 der Charge 80 fließt. An diesem bei 90 in
Figur 6 gezeigten Zusammenfluß verschmelzen die beiden
Chargen miteinander und stellen einen einzigen Körper aus
Gußmetall her.
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Nach dem Abkühlen und Verfestigen wird das Gußteil aus der
Form entfernt und die Abschnitte entsprechend den
Angußkanälen 50 und 60 getrennt, um das in den Figuren 5 und 6
gezeigte Motorblockgußteil 10 herzustellen. Wie ersichtlich, ist
der Kolbenbewegungsunterabschnitt 26 des
Zylinderwandabschnittes 24 aus verschleißresistenter übereutektischer
Aluminium-Siliziumlegierung 390 gegossen. Der Rest,
einschließlich des Kurbelgehäuseabschnittes 12 und der
Wassermantelwand 20, ist aus untereutektischer
Aluminium-Siliziumlegierung 319 gegossen. Die beiden Legierungen sind bei 90
verschmolzen, so daß das resultierende Gußteil 10 ein
integraler Metallkörper ist.
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Dieses Motorblockgußteil kombiniert somit die Vorteile der
übereutektischen Legierung im Zylinderwandabschnitt und die
Vorteile der untereutektischen Legierung im Rest, ohne die
Nachteile der weichen untereutektischen Legierung in der
Zylinderwandregion und die Porosität und schlechte
Verarbeitbarkeit der übereutektischen Legierung im Hauptteil des
Gußteils.
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In der beschriebenen Ausführungsform wurde ein
Verbundaluminiumlegierungs-Motorblockgußteil durch ein
Schaumausschmelzverfahren gegossen, worin zwei Chargen in der
Zusammensetzung unterschiedlicher Metalle unabhängig und gleichzeitig
in die Form gegossen wurden, um ein einziges Modell zu
ersetzen. Das Verfahren der Auflösung und Ersetzung des
Polystyrols erzeugt einen Widerstand gegen den Schmelzfluß, der
nicht im Gußverfahren mit leerem Hohlraum gefunden wird.
Dies wird durch ein kontrolliertes Füllen begleitet, was
einen relativ gleichförmigen Fluß der Aluminiumlegierung 390
in den Kolbenbewegungsunterabschnitt 26 des
Zylinderwandabschnitts des Gußteils erlaubt. Dies wird auch durch
verringerte Turbulenz und Setzen des Metalls an jeder Schmelzfront
begleitet, was den zwei Fronten erlaubt, zusammen mit
minimaler Vermischung zu fließen, was sonst die gewünschten
Eigenschaften der individuellen Legierungen abschwächen würden.
Beim Formen des Dual-Legierungs-Motorblockgußteils, wird das
Volumen der übereutektischen Legierung so berechnet, daß ein
vorbestimmter Teil des Zylinderwandabschnittes ersetzt wird.
Das Volumen der untereutektischen Legierung wird so
gesteuert, daß hinreichend Metall vorgesehen ist,um den Rest des
Modells zu ersetzen, ohne das Metall vom Unterabschnitt 26
zurück in das erste Angußkanalsystem 50 zu drücken. In der
beschriebenen Ausführungsform erzeugten die relativen
Volumen des Gußmetalls eine Verschmelzungslinie im
Zylinderwandabschnitt. Alternativ können die relativen Volumen so
eingestellt werden, daß sie woanders im Gußprodukt eine
Verschmelzungslinie bilden. Beispielsweise kann das relative Volumen
der übereutektischen Legierung vergrößert werden, um ein
Teil des Kurbelgehäuseteils zu verbrauchen, wobei die
resultierende Verschmelzungslinie im Kurbelgehäuseabschnitt
gebildet werden kann.
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Während das Dual-Legierungs-Gußverfahren dieser Erfindung
zur Herstellung eines bevorzugten Motorblockgußteils
offenbart ist, ist das Verfahren zur Erzeugung integraler
Gußteile geeignet, die Konfigurationen aufweisen, die für andere
Zwecke vorgesehen sind, aber welche unterschiedliche
Abschnitte unähnlicher Metalle kennzeichnen. Während in der
beschriebenen Ausführungsform das Gußteil aus einer
Kombination einer übereutektischen Aluminiumlegierung und einer
untereutektischen Aluminiumlegierung gebildet war, ist das
Verfahren für den Guß anderer Kombinationen unähnlicher
Aluminium- oder Nichtaluminiummetalle geeignet. Beispielsweise ist
das Verfahren auch für den Guß unterschiedlicher Typen von
Eisenlegierungen, wie Kugelguß und Grauguß, ausgelegt. Gemäß
dieser Erfindung werden zwei unterschiedliche Legierungen
simultan in eine einzige Form gegossen. Beide Legierungen
können gleichzeitig in die Form gegossen werden, oder die
Legierungen können aufeinanderfolgend, wie in der
beschriebenen Ausführungsform, gegossen werden. Es ist vorzuziehen,
die letztere Charge zu gießen, bevor die erste Charge
vollständig verfestigt ist. Typischerweise kann der Guß beider
Metalle mit wenigen Sekunden Abstand voneinander
vervollständigt sein.
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Während die Erfindung in Ausdrücken bestimmter
Ausführungsformen davon beschrieben wurde, ist es nicht beabsichtigt,
sie nur auf die obige Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung zu begrenzen, sondern eher lediglich
auf den Umfang, der in den folgenden Ansprüchen dargelegt
ist.