DE69200219T2

DE69200219T2 - Entfernbare Kerne zum Metallgiessen.

Info

Publication number: DE69200219T2
Application number: DE69200219T
Authority: DE
Inventors: Christopher Patrick Hyndman; Robert Alan Wordsworth
Original assignee: AE Piston Products Ltd
Current assignee: Federal Mogul Bradford Ltd
Priority date: 1991-02-28
Filing date: 1992-02-11
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: EP0501549A1; JPH04319043A; GB9104179D0; BR9200671A; EP0501549B1; US5273098A; JP2744864B2; GB2253170A; GB2253170B; DE69200219D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf entfernbare Kerne für Metallgußstücke und insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, auf Kerne, die einem Durchtränken mit Metallschmelze beim Druckgießen, wie zum Beispiel beim Preßgießen (squeeze casting), widerstehen können.
In einigen Fällen ist es notwendig, Hohlräume innerhalb von Gußgegenständen erzeugen zu können. Im Fall von unter Schwerkraft gegossenen Aluminiumlegierungen zum Beispiel wird ein geformter Kern aus verfestigtem Sand oder Salz innerhalb der Form angeordnet und Metallschmelze gegossen, um die Form zu füllen und den Kern zu umschließen. Auf Oberflächenspannung beruhende Wirkungen zwischen der Metallschmelze und dem Kern verhindern ein Eindringen des Metalls in den im Kern enthaltenen Porenraum. Wenn Salzkerne verwendet werden, ist es üblich, den so geformten, den Kern enthaltenden Hohlraum anzubohren und den Kern mit Wasser herauszuspülen, um einen freien, nicht verstopften Hohlraum, zu erhalten.
Was Kolben aus einer Aluminiumlegierung für Brennkraftmaschinen betrifft, ist es manchmal notwendig, einen Hohlraum im Bodenbereich vorzusehen, um zum Beispiel einen allgemein ringförmigen Ölkühlkanal auszubilden. Wenn solche Kolben unter Schwerkraft gegossen werden, ist die vorhandene Salzkern-Technologie angemessen. Um jedoch um die Eigenschaften von Kolben aus einer Aluminiumlegierung zu verbessern, insbesondere für eine Verwendung in Hochleistungsdieselmotoren, sind einige Hersteller zum Druckgießen von Kolben übergegangen. Eine insbesondere zur Herstellung von Kolben geeignete Druckgießtechnik ist die, die als Preßgießen bekannt ist. Beim Preßgießen wird eine abgemessene Menge an Metallschmelze in den Aufnahmeabschnitt einer Dauerform gegossen, die dann mit einem bewegbaren Stempelteil geschlossen wird, auf das ein Druck von bis zu ungefähr 150 MPa oder mehr aufgebracht werden kann, der im allgemeinen während der Verfestigung des Metalls in der Form gehalten wird. Die Wirkung dieser Gießtechnik liegt im Herstellen eines Kolbens oder jedes anderen Gegenstands, der im wesentlichen frei von Poren ist.
Das Problem bei bekannten Kernen liegt darin, daß sie zu porös sind, um einem Eindringen von unter Druck stehender Metallschmelze zu widerstehen. In einem geschlossenen Ölkanal kann dies bedeuten, daß sich Membranen aus festem Metall quer über den Kanal erstrecken und dadurch das Strömen von Kühlöl verhindern. Es wurden Versuche unternommen, um die Dichte von Salzkernen durch Aufbringen höherer Preßdrücke auf das Salzpulver zu erhöhen. Jedoch haben diese Versuche in einigen Fällen zu einem verringerten Metalleindringen aufgrund höherer Dichten (weniger Poren) geführt, aber die so hergestellten Kerne sind im allgemeinen immer beim Aufbringen des Preßdruckes gebrochen. Wenn ein solcher Bruch eintritt, werden die Bruchflächen mit Metall getränkt. Aufgrund der Unzugänglichkeit der Ölkühlkanäle ist es wesentlich, daß ein Kern gegen ein Metalleindringen widerstandsfähig sowie bruchfest ist.
In der GB 2 156 720 ist die Verwendung von Salzkemen beschrieben, die durch isostatisches Pressen des Salzpulvers geformt sind und die verwendet werden, um eine geformte Brennkammer auf der Außenfläche des Bodens mit einem Preßguß- Herstellungsverfahren auszubilden. In diesem Fall wird jeder Metallrest, der wegen eines Eindringens von unter Druck stehender Metallschmelze in den Kern zurückbleibt, aufgrund des freien Zugangs leicht entfernt, der in der offenen Brennkammer verfügbar ist, nachdem der Kern herausgespült worden ist. Im allgemeinen haben beim Gießen von Brennkammern zum Formen verwendete Kerne einen relativ großen Querschnitt, sie sind fest und daher von selbst bruchfest. Kerne für Kühlkanäle weisen andererseits einen relativ dünnen Querschnitt auf und sind von zerbrechlicherer Beschaffenheit. Aus isostatisch gepreßtem Salz hergestellte Kerne für Kühlkanäle wurden in der Regel ebenfalls durchdrungen und gebrochen. Ferner ist isostatisches Pressen zur Herstellung von Kernen für Ölkanäle wegen der sehr erhöhten Kosten der Herstellung eines relativ kompliziert geformten Teiles, im Gegensatz zur relativ einfachen Form eines Einsatzes für eine Brennvertiefung, keine geeignete Technik.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Salzkern zu schaffen, der unter der Druckeinwirkung beim Preßgießen sowohl ein Eindringen von Metallschmelze verhindert als auch bruchfest ist.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Salzkerns für die Erzeugung eines Hohlraums in einem Druckguß-Gegenstand zur Verfügung gestellt, das die Schritte des Mischens eines aus groben Teilchen bestehenden Salzpulvers mit einem aus feinen Teilchen bestehenden Salzpulver im Verhältnis von 50/50 bis 70/30 grob/fein, wobei das grobe Pulver eine maximale Teilchengröße von 250 Mikrometer und das feine Pulver eine maximale Teilchengröße von 25 Mikrometer aufweist, ferner des Beimengens eines Schmiermittels, des Pressens der Mischung zum Formen einer gewünschten Kernform und des Sinterns bei einer Temperatur im Bereich von 650ºC bis 775ºC umfaßt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens enthält das Schmiermittel Olsäure und ist es bevorzugt in einer Menge im Bereich von 0,1 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt in einer Menge im Bereich von 0,2 Gew.-% bis 0,7 Gew.-% vorhanden. Es hat sich herausgestellt, daß dieses Material es gestattet, für jeden gegebenen Preßdruck größere Dichten zu erzielen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung enthält die Mischung auch ein oberflächenaktives Mittel. Das oberflächenaktive Mittel kann in einer Ausführungsform des Verfahrens Silan enthalten und bevorzugt in einer Menge im Bereich von 0,1 Gew-% bis 1,0 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,2 Gew.-% bis 0,7 Gew.-% vorhanden sein. Das oberflächenaktive Mittel verbessert die Fließfähigkeit oder die Formfüllfähigkeit der Pulvermischung, die dazu neigen, durch das Schmiermittel beeinträchtigt zu werden. Es sollte hervorgehoben werden, daß, obwohl die oben angegebenen Mengen das Optimum für Silan zu sein scheinen, dieses für andere oberflächenaktive Mittel nicht der Fall sein könnte. Die Kriterien sollten sein, daß das oberflächenaktive Mittel das gemischte Salzpulver handhabbar und fließfähig macht und nicht die durch Sintern erreichte Endfestigkeit wesentlich herabsetzt.
Ringkerne zum Zweck der Ausbildung eines Ölkühlkanals können in geeigneter Weise durch Gesenkpressen bei Drücken bis zu ungefähr 180 MPa geformt werden. Die Verwendung eines Schmiermittelzusatzes, wie zum Beispiel Ölsäure, ermöglicht das Aufbringen solcher Drücke, ohne daß sich die Formteile festsetzen oder festfressen. Falls gewünscht, kann unter geeigneten Umständen isostatisches Pressen angewendet werden, wenn gleiche Drücke zweckdienlich erscheinen. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, daß Drücke im Bereich von 75 bis 150 MPa Kerne erzeugen, die nach dem Sintern einem Eindringen von Metallschmelze bis zu Preßdrücken von ungefähr 150 MPa oder mehr widerstehen und auch bruchfest sind.
Die Sintertemperatur kann im Bereich von 650ºC bis 775ºC liegen. Es hat sich herausgestellt, daß unterhalb der Minimaltemperatur eine unzureichende Festigkeit erzeugt wird, während sich herausgestellt hat daß oberhalb der Maximaltemperatur übermäßiges Kornwachstum die Festigkeit nachteilig beeinflußt. Es wurde herausgefunden, daß in der Praxis eine Temperatur von ungefähr 750ºC gute Ergebnisse bringt, wenn eine Sinterzeit von ungefähr 30 Minuten angesetzt wird. Die Sinterzeit kann im Bereich von ungefähr 15 Minuten bis 1 Stunde liegen.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ferner einen nach einem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Salzkern.
Vorzugsweise sollte die Dichte des gesinterten Salzkerns wenigstens 1,90 g/cm³ betragen, um einer Durchtränkung bei Gießdrücken von ungefähr 150 MPa zu widerstehen.
Ein solcher, oben beschriebener Salzkern sollte eine minimale Biegefestigkeit von 25 MPa bei weiter unten beschriebenen Prüfbedingungen aufweisen.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nun als reine Erläuterung Beispiele beschrieben.
In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt durch einen Kolben mit einem Ölkühlkanal im Bodenbereich und einer Brennvertiefung;
Figur 2a einen Vertikalschnitt einer Prüfvorrichtung zur Bestimmung der Biegefestigkeit eines hergestellten Salzprüfkörpers und Figur 2b eine Draufsicht auf den auf dem Grundteil der Prüfvorrichtung liegenden hergestellten Salzprüfkörper.
Es wird nun auf Figur 1 Bezug genommen, die einen durch Preßguß hergestellten Kolben aus einer Aluminiumlegierung zeigt, der eine geformte Brennvertiefung 10, eine imprägnierte Keramikfaser-Verstärkung auf der Bodenfläche 14 und an den Vertiefungsseiten 16, eine austenitische Eisengußverstärkung 18 für die Kolbenringnut und einen löslichen Salzkern 20 aufweist, der in den Bodenbereich eingegossen ist. Der Kolben wird hergestellt, indem der Kern 20 auf der Unterseite 22 der Verstärkung 12 abgestützt ist und der Kolben in der "Boden-unten"-Weise gegossen wird, das heißt, daß der Kolbenboden im Unterteil der (nicht dargestellten) Gußform geformt wird. Der Kern wird durch (als gestrichelte Linien dargestellte) Bohrlöcher 24, 26 entfernt, in die Wasser geleitet wird, um den Kern aufzulösen und herauszuspülen. Sobald er entfernt ist, bleibt eine Ölkühlkammer, in die im Betrieb Öl aus zum Beispiel einer im Kurbelgehäuse des Motors befindlichen feststehenden Düse geleitet wird. Es ist unmittelbar deutlich, daß zu dieser Kammer für herkömmliche Maschinenwerkzeuge ein geringer oder kein Zugang vorhanden ist. Daher wird, falls der Kern beim Preßgießen mit Metall durchtränkt wird, ein "Steg" oder "Netz" aus Metall nach dem Entfernen des Kerns zurückgelassen. Das Entfernen eines solchen Steges oder Netzes ist schwierig und kostspielig und, falls er bzw. es belassen wird, wird er bzw. es den Ölfluß in dem so ausgebildeten Kanal erheblich einschränken und dadurch eine wirksame Kühlung verhindern. In ähnlicher Weise wird, falls der Kern 12 eine unzureichende Festigkeit aufweist und unter dem Preßdruck bricht, wie es aufgrund einer unterschiedlichen Verfestigung oder ungleichmäßiger Stützung geschehen kann, dann eine Metallmembran durch Eindringen in den Bruch geformt und den Kanal gegen den Ölfluß vollständig versperren.
Der Kern 20 wurde durch Herstellen einer Mischung geformt, die einen Anteil von 60 Gew.-% eines groben Salzes, das eine Verteilung mit einer maximalen Teilchengröße von 250 Mikrometer aufweist, und 40 Gew.-% eines feinen Salzes mit einer maximalen Teilchengröße von 25 Mikrometern umfaßt. Zu dieser Mischung wurde 0,5 % Ölsäure als Schmiermittel mit Pulverteilchen und 0,5 % eines oberflächenaktiven Mittels mit Silan hinzugefügt, um die Fließfähigkeit der Pulvermischung in die Preßform zu unterstützen. Der Salzkern wurde bei einem Druck von 86,5 MPa gepreßt, um ihm im gepreßten Zustand eine Dichte von 1,916 g/cm³ zu geben. Der gepreßte Kern wurde dann für 30 Minuten bei 750ºC gesintert, um ihm im gesinterten Zustand eine Dichte von 1,955 g/cm³ zu geben. Die Festigkeit des gepreßten Materials betrug 15,3 MPa, wohingegen die Festigkeit des gesinterten Materials 54 MPa betrug.
Die Festigkeit wurde durch eine Scheibenbiegetechnik gemessen, bei der die in den Figuren 2a und 2b dargestellte Prüfvorrichtung verwendet wurde. Die Vorrichtung umfaßt eine Grundplatte 30 mit drei Aussparungen 32, die drei Stahlkugeln 34 aufnehmen und halten, die in gleichen Winkelabständen auf einem Teilkreis 36 mit dem Durchmesser 15,6 mm angeordnet sind. Der zu prüfende Salzprüfkörper, der die Form einer flachen Scheibe 38 aufweist, liegt auf den Kugeln 34 auf. Eine Stahlkugel 40 mit 19,04 mm Durchmesser liegt auf der Oberseite der Salzscheibe 38 über dem Mittelpunkt 42 des Kreises 36 auf. In der Grundplatte 30 sind drei vertikale Säulen 44 angeordnet, die eine obere Schiebeplatte 46 führen, die eine mittige Aussparung 48 aufweist, die die Kugel 40 über dem Mittelpunkt 42 hält. Eine Kraft "P" wird auf die Platte 46 aufgebracht, bis der Bruch der Scheibe 38 eintritt.
Es hat sich herausgestellt, daß der nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte Salzkern einen Kern erzeugt, der beim für das Preßgießen verwendeten Druck, der 155 MPa betrug, undurchlässig und bruchfest ist. Es hat sich herausgestellt, daß Kerne mit einer Dichte von weniger als 1,90 g/cm³ einer Durchtränkung bei Preßgieß-Drücken von 150 MPa und darüber nicht widerstehen.
Die folgende Tafel zeigt die Dichte- und Festigkeitsveränderung, die mit verschiedenen Mischungen und Preßdrücken erzielt wurde. Tafel 1 Zusatzmittel-Zusammensetzung Preßdruck Mpa Dichte (g/cm³) Gepreßt Gesintert Biegefestigkeit (Mpa) keine Ölsaure Silan Salzzusammensetzung : 60 Gew.-% grob und 40 Gew.-% fein Sinterplan: 700ºC für 0,5 Stunden @ Sinterplan: 700ºC für 0,5 Stunden * Maximaldruck, der mit diesen Pulvern erzielt werden konnte b) Wiederholungstest Prüfkörpergröße: 32 mm Durchmesser und 3 mm dick, Fläche 804 mm² Sil = Silan, OA =Ölsäure.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Salzkerns für die Erzeugung eines Hohlraums in einem durch ein Preßgußverfahren geformten Gegenstand, gekennzeichnet durch die Schritte des Mischens eines aus groben Teilchen bestehenden Salzpulvers mit einem aus feinen Teilchen bestehenden Salzpulver im Verhältnis von 50/50 bis 70/30 grob/fein, wobei das grobe Pulver eine maximale Teilchengröße von 250 Mikrometer und das feine Pulver eine maximale Teilchengröße von 25 Mikrometer aufweist, ferner des Beimengens eines Schmiermittels, des Pressens der Mischung zum Formen einer gewünschten Kernform und des Sinterns bei einer Temperatur im Bereich von 650ºC bis775ºC.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzelchnet, daß das Schmiermittel Ölsäure enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Olsäure im Bereich von 0,1 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Ölsäure im Bereich von 0,2 Gew.-% bis 0,7 Gew.-% liegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt des Beimengens eines oberflächenaktiven Mittels zu der Salz- und Schmiermittelmischung.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das oberflächenaktive Mittel Silan enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Silan im Bereich von 0,1 Gew.-% bis 1 ,0 Gew.-% liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Silan im Bereich von 0,2 Gew.-% bis 0,7 Gew.-% liegt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintertemperatur ungefähr 750ºC beträgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterzeit im Bereich von ungefähr 15 Minuten bis zu 1 Stunde liegt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck zum Pressen des Kerns bis zu ungefähr 180 MPa beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck zum Pressen des Kerns im Bereich von 75 bis 150 MPa liegt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Sinterschritt der Kern eine Dichte von wenigstens 1,90 g/cm³ aufweist.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Sinterschritt der Kern eine minimale Biegefestigkeit von 25 MPa aufweist.