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Dokumentenidentifikation DE19918231A1 26.10.2000
Titel Verfahren zum Herstellen von Rohlingen für Zylinderlaufbüchsen
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Schäfer, Helmut, Dipl.-Ing., 71394 Kernen, DE
DE-Anmeldedatum 22.04.1999
DE-Aktenzeichen 19918231
Offenlegungstag 26.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2000
IPC-Hauptklasse B22D 25/06
IPC-Nebenklasse B22D 17/00   B22D 11/04   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Rohlingen für Zylinderlaufbüchsen aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung. Zunächst wird die geschmolzene Legierung zu einem feinkörnigen Vormaterial verarbeitet. Daraus werden dann unter Ausnutzung des thixotropen Zustandes der Legierung Rohlinge für Zylinderlaufbüchsen hergestellt. Um diese kostengünstiger als bisher herstellen zu können, wird aus der Schmelze in einem kontinuierlichen Stranggußverfahren ein quasi-endloses Vormaterial hergestellt, wobei aufgrund von Scherbewegung in der Schmelze unmittelbar vor und während der Erstarrung der Schmelze feinkörnig und globulitisch zur Erstarrung gebracht wird. Das Vormaterial für die Weiterverarbeitung wird bedarfsgerecht in massegleiche, für jeweils einen Druckgußvorgang für Zylinderlaufbüchsen geeignete Stücke portioniert. Aus diesen Stücken werden dann im laminaren Druckgußverfahren bei thixotropen Zustand der Legierung Rohlinge für Zylinderlaufbüchsen urgeformt. Dabei können wenigstens vier Rohlinge gemeinsam in einem Druckgußvorgang gleichzeitig hergestellt werden. Auf der Außenfläche der Rohlinge wird zweckmäßigerweise zugleich eine Oberflächenaufrauhung mit angeformt. Verschiedene Möglichkeiten zur Erzeugung von Scherbewegungen in der erstarrenden Schmelze werden genannt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen von Rohlingen für Zylinderlaufbüchsen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der DE 195 23 484 A1 als bekannt hervorgeht.

Bei dem in der DE 195 23 484 A1 beschriebenen Verfahren wird aus einer Aluminium/Silizium-Legierung durch feines Versprühen der Schmelze in einer sauerstofffreien Atmosphäre und Niederschlagen des Schmelze-Nebels auf einem aufwachsenden Körper zunächst eine Luppe mit feinkörniger Ausbildung der Silizium- Primärkristalle und intermetallischer Phasen darin erzeugt. Durch dieses sog. Sprühkompaktieren ist ein sehr feinkörniges Gefüge herstellbar. Die Pulverteilchen bzw. Tröpfchen werden auf einen rotierenden Teller gesprüht, auf welchem die erwähnte Luppe aufwächst. Es ist auch denkbar, daß man die Luppe nicht axial auf einem rotierenden Teller aufwachsen läßt, sondern die verdüste Schmelze auf einem umlaufenden Zylinder radial aufwachsen läßt, so daß ein im wesentlichen rohrförmiges Vorprodukt entsteht. Anschließend wird die Luppe auf einer Strangpresse zu dickwandigen Rohren verpreßt, wobei durch den Umformvorgang Restporositäten aus dem Gefüge eliminiert werden. Die dickwandigen Rohre werden dann z. B. durch Rundkneten zu im Querschnitt endformnahen Rohren weiter verarbeitet, von denen schließlich einzelne Büchsenrohlingen abgelängt werden können. Die solcherart hergestellten und eventuell durch eine spanabhebende Bearbeitung auf ein gewisses Weiterverarbeitungsmaß gebrachten Rohteile der Zylinderlaufbüchse werden in ein Kurbelgehäuse aus einer gut gießbaren Aluminiumlegierung vorzugsweise im Druckgußverfahren eingegossen. Nachteilig an diesem qualitativ hochwertigen Verfahren sind die vielen Verarbeitungsstufen, wodurch der Büchsenrohling relativ teuer wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundegelegte Verfahren einfacher und im Herstellungsergebnis kostengünstiger zu gestalten.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Verfahrens erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Danach wird erfindungsgemäß das an sich bekannte und rationelle Stranggußverfahren eingesetzt, mit welchem ein quasi-endloses Vormaterial erzeugt, wobei die Schmelze vor und während der Erstarrung aufgrund einer Scherbewegung in der Schmelze feinkörnig und globulitisch zur Erstarrung gebracht wird. Dieses Vormaterial wird bedarfsgerecht in massegleiche Stücke portioniert. Aus den Stücken werden bei thixotropen Zustand der Legierung in einem laminaren Druckgußverfahren die Rohlinge urgeformt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine Stranggußanlage zur Herstellung von feinkörnig und globulitisch erstarrendem Gußstrang als wesentlichen einem Teil zur erfindungsgemäßen Herstellung von Rohlingen für Zylinderlaufbüchsen, wobei die erstarrende Schmelze durch gegenläufige Rotoren unter Druck gesetzt, gerührt und geschert wird,

Fig. 2 eine Einzeldarstellung eines bezüglich seiner Läge noch gut handhabbaren Gußstrangabschnittes,

Fig. 3 den Vorgang des Ablängens einzelner bedarfsgerecht portionierter Stücke von den Gußstrangabschnitten nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Aufwärmofen zur Temperierung der portionierten Gußstrangstücke nach Fig. 3 auf Solidustemperatur sowie eine Druckgußmaschine zum Urformen von Rohlingen für Zylinderlaufbüchsen im laminaren Thixocasting-Verfahren,

Fig. 5 eine vergrößerte Einzeldarstellung eines Sechfach-Gußstückes von Rohlingen für Zylinderlaufbüchsen, wie sie der Druckgußmaschine nach Fig. 4 entnommen wird und

Fig. 6 eine modifizierte Stranggußanlage zur Herstellung eines feinkörnig und globulitisch erstarrenden Gußstranges, wobei die erstarrende Schmelze aufgrund induktiv bewirkter Rührwirkung bewegt und geschert wird.

In Fig. 1 ist ein Anlage zum Herstellen von Rohlingen 51 für Zylinderlaufbüchsen aus einer übereutektischen Aluminium/ Silizium-Legierung schematisiert dargestellt. Und zwar wird dabei ein Verfahren ausgeübt, bei dem zunächst ein Vormaterial in Vollquerschnitt und in einer größeren Länge aus einem feinkörnigen Gefüge der Aluminium/Silizium-Legierung 2 hergestellt wird, von dem dann - zumindest mittelbar - einzelne portionierte bzw. dosierte Stücke 54 abgelängt werden, aus denen in einem Thixocastingverfahren nach dem Vorbild des Druckgußverfahrens Büchsenrohlingen urgeformt werden.

Um ein solches Vormaterial besonders einfach und im Herstellungsergebnis kostengünstig herstellen zu können, wird unmittelbar aus der Schmelze 2 einer Aluminium/Silizium-Legierung nach dem an sich bekannten Stranggußverfahren ein quasi-endloser Gußstrang 43 gegossen. Dabei wird eine feinkörnige Erstarrung der Schmelze 2 erzwungen, wie sie für Zylinderlaufbüchsen erforderlich ist. Und zwar sind es die harten Silizium-Primärkristalle, die bei der Erstarrung besonders feinkörnig ausfallen sollen. Sie bilden später, nachdem der in ein Kurbelgehäuse eingegossene Büchsenrohling fertig bearbeitet ist, die tragenden und verschleißfesten Oberflächenanteile in der Kolbenlauffläche.

Die Silizium-Primärkristalle entstehen bei der Erstarrung der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung als erstes. Und zwar entstehen bei der Abkühlung der Schmelze mit abnehmender Temperatur mehr und mehr Si-Primärkristalle, wobei die restliche, noch flüssige Schmelze immer mehr an Silizium verarmt. Dabei wird die Anzahl und/oder der Volumenanteil der Si-Primärkristalle je Raumeinheit mit zunehmender Abkühlung immer größer. Diese Primärausscheidung der Si-Kristalle hält so lange an, bis die eutektische Zusammensetzung der restlichen Legierung von Aluminium und Silizium erreicht ist. Das restliche Eutektikum erstarrt bei der Solidustemperatur, wobei diese so lange und dort ansteht, solange bzw. wo noch schmelzflüssige Anteile im Gußstrang vorhanden sind. In dieser Erstarrungsphase bzw. bei der Solidustemperatur muß die Schmelzwärme der eutektischen Legierung abgeführt werden.

Bei mäßig schneller Abkühlung einer in Ruhe befindlichen Schmelze neigt das primär ausscheidende Silizium dazu, von einem Kristallisationskeim aus entlang der Kristallachsen dendritisch zu wachsen, so daß sternförmige Primärkristalle entstehen. Dies ist meist, insbesondere bei der Anwendung für Zylinderlaufbüchsen unerwünscht. Eine feinkörnige Ausscheidung von Si-Primärkristallen kann zum einen durch eine Scherbewegung der Schmelze während der Erstarrung, zumindest aber während der Phase der Primärausscheidung herbeigeführt und/oder zum anderen durch eine rasche Abkühlung erzwungen werden. Aufgrund der Scherbewegung der Schmelze werden die dendritischen Äste der sternförmigen Primärkristalle gebrochen und so die Anzahl der Primärkristalle je Raumeinheit erhöht und die Größe der Primärkristalle verringert. Aufgrund einer kontrollierten Abkühlung der Schmelze schon in der Phase der Primärausscheidung wird eine gleichzeitige Kristallisation von Silizium an vielen Stellen erzwungen, so daß die Möglichkeit oder Wahrscheinlichkeit zu einem Dendritenwachstum geringer ist.

Die Fig. 1 zeigt einen vertikal ausgerichteten Stranggußkopf 35 für fallenden Strangguß, der mit einem vertikal ausgerichteten Doppelwellen-Schneckenförderer 15 integriert ist. Dem Stranggußkopf 35 wird die Schmelze 2 seitlich über einen Zulauf 32 aus einem flachen Warmhalteofen 1 zugeführt, der oberseitig abgedeckt ist. Der gasdicht abgeschlossene Ofenraum 4 oberhalb des Schmelzespiegels 3 ist mit einem Inertgas, z. B. mit einer Stickstoff-Atmosphäre gefüllt, um eine Oxidation des flüssigen Metalls zu verhindern. Zur Aufrechterhaltung eines gewissen Mindestdruckes in dem zu schützenden Raum ist das Inertgas in einem Druckspeicher 10 unter einem bestimmten Druck bevorratet. Sollte der Druck unter ein bestimmtes Niveau absinken, so wird aus einer Vorratsflasche 11 frisches Inertgas nachgespeist. Der Druck des Inertgases in dem zu schützenden Raum 4 beträgt nur wenige Millibar Überdruck gegenüber dem Umgebungsluftdruck. Es braucht lediglich ein Eindringen von Umgebungsluft durch etwaige Lecks in den zu schützenden Raum verhindert zu werden.

Der in dem Warmhalteofen 1 enthaltene Schmelzevorrat, der über eine unterseitig angeordnete induktive Heizeinrichtung 5 auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird, muß bedarfsweise über einen offenen Siphon 8 nachgefüllt werden. Der darin anstehende Spiegel ist der Umgebungsluft frei ausgesetzt und kann oxidieren. Die sich dort bildende Oxidhaut 9 kann von Zeit zu Zeit abgekramt werden. Zwischen dem Siphon und dem Aufnahmeraum der Schmelze 2 ist eine Zwischenwand 6 mit einem Bodendurchlaß 7 angeordnet. Aufgrund dieser Trennung kann jedoch keine Luft in den Vorratsraum des Warmhalteofens gelangen und sich demzufolge dort keine Oxidhaut auf der Schmelze bilden. Voraussetzung ist, daß stets rechtzeitig Schmelze nachgefüllt wird, bevor der Spiegel 3 die Durchlaßöffnung 7 erreicht hat.

Der in den Stranggußkopf integrierte Schneckenförderer 15 enthält ein Paar von Rotoren, die über ein Getriebe 17 von einem Antriebsmotor 16 phasensynchron aber gegenläufig angetrieben werden. Die Rotoren sind axial in unterschiedliche Bereiche mit verschiedenen Gestaltungen unterteilt. Auf einem Teilbereich sind die Rotoren mit einem förderwirksamen Profil 23 versehen und wirken in diesem Bereich als Förderschnecken. Das Getriebe und die Drucklager der Förderschnecken sind in einem gewissen Sicherheitsabstand oberhalb des dort anstehenden Schmelzespiegels 20 angebracht, weshalb relativ lange Wellen 19 zwischen Getriebe 17 einerseits und Zulauf 32 der Schmelze andererseits vorgesehen sind. Die Wellen durchdringen den Zulaufraum 21 des Schneckenförderers vertikal. Dieser Zulaufraum des Fördergehäuses ist oberseitig ebenfalls, und zwar hier durch das Getriebe 17, verschlossen und mit einer Inergasatmoshäre beaufschlagt, um eine Oxidation der Schmelze auch hier zu verhindern.

Unterhalb des Zulaufes 32 gehen die Wellen 19 in das bereits erwähnte förderwirksame gegenläufige Schraubenprofil 23 über; beide Schraubenprofile greifen dichtend ineinander ein und gleiten dichtend an dem die Förderschnecken umgebenden Fördergehäuse 22 entlang. Die Schmelze ist im Bereich der förderwirksamen Schraubenprofile 23 der Schnecken nicht gekühlt, das Gehäuse ist allerdings auch nicht wärmeisoliert, so daß im dargestellten Ausführungsbeispiel im förderwirksamen Bereich 32 noch keine Primärausscheidung von Legierungspartnern aus der Legierung stattfindet. Aufgrund der Partikelfreiheit der Schmelze im Bereich der förderwirksamen Schraubenprofile 23 der Schnecken kann der Schneckenförderer 15 bei relativ engen gegenseitiger Berührung der Schraubenprofile betriebssicher einen Förderdruck aufbauen. Durch den Schneckenförderer wird also in der Schmelze ein nach unten, d. h. in Arbeitsrichtung des Stranggußkopfes 35 wirksamer Förderdruck aufgebaut.

Dieser Druck hat mehrerlei Funktionen. Zum einen soll das erstarrende Gußgefüge des entstehenden Gußstranges 43 in Axialrichtung durch den der Schmelze überlagerten Druck dicht speist werden. Zum anderen soll dieser Druck auch dazu beitragen, daß der Gußstrang weitgehend durch diese Druckwirkung durch den Stranggußkopf 35 hindurch- und aus ihm herausgepreßt, er also gewissermaßen extrudiert wird. Vor allem aber wird der aufgebaute Druck dazu ausgenutzt, die erstarrende Schmelze durch eine Garnitur (25, 26, 27) des Schneckenförderers hindurchzupressen, die intensive Scherbewegungen in die erstarrende Schmelze hineinträgt, und die Primärkristalle feinkörnig in der Schmelze dispergiert.

Im Anschluß an den Druckaufbau in der Schmelze setzt eine zunächst vorsichtige und vor allem überwachte Kühlung der Schmelze ein. Das Fördergehäuse 22 weist zu diesem Zweck außenseitig an dem an den förderwirksamen Bereich 32 anschließenden Bereich 24 der Primärausscheidung Kühlrippen 28 auf, die mit einem Blechmantel 29 umgeben sind. Aufgrund dieser Anordnung kann die im Schneckenförderer befindliche Schmelze durch die Wandung des Fördergehäuses 22 hindurch gezielt gekühlt werden. Als Kühlmedium kann Luft oder Wassernebel verwendet werden. Das Kühlmedium wird mittels eines Gebläses mit bedarfsgerechter Menge und/oder Geschwindigkeit zwischen den ummantelten Kühlrippen 28 hindurch geleitet. Aufgrund einer mehrfachen, axial beabstandeten Temperaturmessung (Temperatursensoren 30) der Schmelze im Inneren des Fördergehäuses und aufgrund einer entsprechend der Temperaturmessungen separat zonal geregelten Zufuhr von Kühlmedium durch die Kühlrippen hindurch kann die Temperatur der geförderten Schmelz zum Ende des Bereiches 24 hin in einem betragsmäßig eng begrenzten Bereich gehalten werden.

Um in der Startphase oder bei Betriebsstörungen der Stranggußanlage das Fördergehäuse ausreichend hoch temperieren zu können, ist an den ummantelten Raum der Kühlrippen auch ein Brenner anschließbar. Im Falle eines zu kalten Fördergehäuses werden heiße Brennerabgase zwischen den Kühlrippen hindurchgefördert, die das Fördergehäuse bedarfsweise erwärmen. Aber auch ein bloßes Unterbrechen der Kühlung des Fördergehäuses führt bei anhaltender Förderung aufgrund innerer Reibungsverluste zu einer leichten Erwärmung der Schmelze, so daß bei Normalbetrieb der Stranggußanlage eine gezielte Temperierung der Schmelze innerhalb des Fördergehäuses allein durch eine geregelte Kühlung aufrecht erhalten werden kann.

Im Inneren des Bereiches 24 der Primärausscheidung setzen sich die Rotoren des Schneckenförderers mit veränderter Profilierung fort, und zwar ist hier eine scherungswirksame Garnitur 25 auf dem Umfang der Rotoren angearbeitet. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die scherungswirksame Garnitur 25 in Form von Scheiben und Einschnürungen auf den Rotoren ausgebildet, die bei den beiden benachbarten Rotoren zueinander axial versetzt sind und gegenüberliegend ineinander eingreifen. Die Scheiben berühren das die Rotoren hier umgebende Fördergehäuse 22 und auch die Einschnürung des jeweils benachbarten Rotors nicht, sondern weisen jeweils einen kleinen Scherspalt gegenüber diesen Oberflächen auf, durch den die Schmelze hindurchgezwängt wird. In dem zwischen zwei axial aufeinander folgenden Scheiben liegenden Bereich weist das Fördergehäuse 22 innenseitig jeweils Verengungen 27 auf, die sich in die Einschnürung der Rotoren hineinwölben. Die Stärke dieser gehäuseseitigen Verengungen nimmt in Förderrichtung des Gußstranges ab, so daß die Einschnürwirkung und der Durchtrittswiderstand in Förderrichtung abnimmt.

Aufgrund der vorsichtigen Abkühlung der Schmelze in dem Bereich 24 kommt es zur primären Ausscheidung von Silizium und gegebenenfalls von intermetallischen Phasen. Durch die Rotoren mit der scherwirksamen Garnitur 25 und die gehäuseseitigen Verengungen 27 wird auf die hindurchtretende Schmelze eine intensive Scherbewegung ausgeübt, die die entstehenden Primärkristelle zerkleinert und sie feinkörnig in der Schmelze dispergiert. Mit zunehmender Primärausscheidung des Siliziums nimmt der Kristallanteil in der restlichen Schmelze und somit deren Fließwiderstand in Förderrichtung zu. Aus diesem Grund sieht das dargestellte Ausführungsbeispiel im unteren Teil des Bereiches 24 und gegen Ende der Rotoren eine gegenüber dem oberen Teil veränderte Form auf, und zwar laufen hier dich Rotoren spitz in Rührwendeln 26 aus. Im Bereich der Rührwedeln 26 verändert außerdem der lichte Querschnitt des Fördergehäuses seine Gestalt, und zwar geht er von einer brillenförmigen oder 8-förmigen Querschnittsform allmählich in eine Kreisform über. Aufgrund der Rührwendeln und des zunehmenden formgebenden Querschnittes nimmt die auf die Schmelze dort ausgeübte Scher- oder Rührwirkung in Förderrichtung ab und hört gegen Ende des Bereiches 24 ganz auf.

Dank der Temperaturüberwachung der Schmelze kann die Abkühlung innerhalb des Bereiches 24 der Primärausscheidung so weit vorangetrieben werden, daß die Primärausscheidung weitgehend innerhalb dieses Bereiches abgeschlossen ist. Dazu braucht lediglich sichergestellt zu werden, daß am Ende dieses Bereiches eine Schmelzetemperatur bei oder kurz unterhalb der Solidustemperatur erreicht wird.

Dank der Primärausscheidung des Siliziums und gegebenenfalls von intermetallischen Phasen in dem durch intensive Scherung der Schmelze gekennzeichneten Bereich des Schneckenförderers werden die entstehenden Primärkristalle durch die Scherungsorgane 25, 26, 27 sehr fein zerkleinert. Damit werden drei wesentliche Vorteile erreicht: Zum einen sind die Primärkristalle sehr feinkörnig und gleichmäßig in der nahezu eutektischen Restschmelze verteilt, was für den vorliegenden Anwendungsfall für Zylinderlaufbüchsen sehr willkommen ist. Zum anderen braucht in dem verbleibenden Teil des Stranggußkopfes 35 lediglich noch die eutektische Restlegierung abgekühlt und erstarrt zu werden, was die Erstarrungslenkung vereinfacht, die Erstarrung abkürzt und Potential für Produktivitätssteigerung in sich birgt. Schließlich wirkt sich die feindisperse Verteilung der Primärkristalle in der eutektischen Restlegierung rheologisch in sofern positiv aus, als durch diese Art der Primärkristall-Verteilung die Viskosität der Schmelze weniger gesteigert wird, als wenn die Primärkristalle dendritische und/oder grobkörnig ausgebildet wären.

Die Schmelze muß, insbesondere im Anschluß an die Primärausscheidung des Siliziums, intensiv gekühlt werden, um nicht nur eine möglichst feinkörnige Erstarrung auch der entstehenden Restschmelze, sondern um auch auf kurzem Weg innerhalb des Stranggußkopfes einen festen Gußstrang 43 zu erreichen. Erstarrung auf kurzem Weg bedeutet nicht nur einen kurzen und somit kostengünstigeren Stranggußkopf, sondern vor allem auch einen geringen Widerstand zum Durch- bzw. Austritt des Gußstranges durch den bzw. aus dem Stranggußkopf. Demgemäß ist in dem Stranggußkopf 35 eine Kühlung des Gußstranges in zwei unterschiedlichen Arten vorgesehen. Und zwar ist zunächst eine Zone 37 für indirekte Kühlung und daran anschließend eine weitere Zone 40 für unmittelbare Kühlung des Gußstranges 43 vorgesehen.

Solange der Werkstoff des Gußstranges 43 noch nicht im gesamten Querschnitt erstarrt ist, kann der Gußstrang nur indirekt, d. h. durch eine formgebende Wandung 36 hindurch, gekühlt werden. Außen um diesen Mantel herum ist ein Kühlmittelmantel 38 angebracht, der von einem Kühlfluid im Gegenstromprinzip, also aufsteigend durchströmt wird. Hierbei kann es sich vorzugsweise um Eiswasser handeln. Je nach Durchsatzgeschwindigkeit des Kühlfluids durch den Kühlmittelmantel und je nach Vorlauftemperatur kann der Schmelze eine ganz erhebliche Wärmemenge entzogen und so eine rasche Erstarrung des Gußstranges erzwungen werden. Es wird durch die erzwungene Abkühlung in der Schmelze zumindest nahe an der Oberflächen des Gußstranges und zumindest während der oberflächennahen Erstarrung ein sehr hoher zeitlicher Temperaturgradienten herbeigeführt.

Innerhalb der Zone 37 der indirekten Kühlung muß der Gußstrang 43 soweit abgekühlt und außenseitig erstarrt sein, daß er, selbst bei mäßiger Krafteinwirkung, seine zylindrische Form selbständig stabil beibehalten kann. Der Materialdurchsatz durch den Stranggußkopf 35 zum einen sowie der Kühlmitteldurchsatz sowie die Vor- und Rücklauftemperaturen müssen dementsprechend so aufeinander abgestimmt sein, daß ein ausreichend fester Gußstrang aus der Zone 37 der indirekten Kühlung austritt. Dann tritt nämlich der rohrförmige Gußstrang aus der Formbildungsoberfläche des Außenmantels 36 aus; die entsprechende Austrittsstelle ist mit den Bezugszahlen 39 bezeichnet. Im Zentrum des Gußstranges kann das Metall auf der Höhe der Austrittsstelle aus der indirekten Kühlung zwar noch flüssig sein, die erstarrten Außenpartien müssen dort jedoch bereits eine so große Stärke erreicht haben, daß eine Formänderung oder Längenänderung bei den einwirkenden Kräften nicht mehr möglich ist.

Der gebildete Gußstrang wird auch nach Austritt (39) aus det Formgebungsfläche in einer anschließenden Zone 40 weiterhin, und zwar durch ein den Gußstrang 43 unmittelbar berührendes Kühlfluid gekühlt. Der Zweck der anhaltenden, nun unmittelbaren Kühlung besteht darin, dem Gußstrang genügend Stabilität zum Handhaben der von ihm abgelenkten Stranggußschnitte 50 zu geben. Nachdem das den Gußstrang unmittelbar berührende Kühlfluid an unvermeidbaren Leckstellen zumindest in kleinen Mengen direkt in die Arbeitsumgebung gelangt, muß das Kühlfluid von einer solchen Art sein, daß es ohne gesundheitliche oder technische Beeinträchtigungen an die Arbeitsplatzumgebung; frei austreten kann. Als Kühlfluid ist demgemäß neben vorzugsweise Wasser z. B. auch flüssige Luft denkbar, die als kalte Luft austritt. Statt dessen sind auch unterschiedliche Gemische aus Luft und Wasser möglich, beispielsweise eine Suspension von feinsten Wassertröpfchen in Luft (Wassernebel) oder ein Luft/ Wasser-Gemisch. An Stelle von Wasser kann auch eine mit Zusätzen versehene, im wesentlichen aus Wasser bestehende Anmischung verwendet werden.

Der Gußstrang 43 wird auf diese Weise in der Zone 40 unmittelbar mit Kühlfluid beaufschlagt. Zur unmittelbaren Kühlung ist unterhalb der Austrittsstelle 39 ein im Querschnitt ringförmiger Kühlraum 41 geschaffen, der radial unmittelbar an die Oberfläche des Gußstranges angrenzt und der unterseitig durch einen Dichtring 42 begrenzt wird. Der Dichtring seinerseits liegt außenseitig am Gußstrang an.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß der Übergang von der Zone der indirekten in die der unmittelbaren Kühlung nicht abrupt an einer Umfangskante zu erfolgen braucht. Vielmehr ist es auch möglich, diesen Übergang fließend zu gestalten. Dies könnte beispielsweise dadurch realisiert werden, daß die formgebende Wandung 36 unterhalb des Kühlmittelmantels 38zwar in die Zone 40 der unmittelbaren Kühlung weitergeführt, dort aber mit mehreren sich allmählich verbreiternden Längsschlitzen versehen ist. Die Wandung 36 ist dort gewissermaßen ausgefranst; sie läuft in schlanken sich verschmälernden Zungen aus. Zur radialen Stabilisierung dieser Zungen können im Bereich der Zungenenden noch Bandagen außen über diese hinweggeführt sein. Auf diese Weise nimmt der Anteil der Abstützung des Gußstranges durch die Wandung 36 mit fortschreitendem Austritt ab und der Anteil des unmittelbaren Zutritts von Kühlmittel an die Oberfläche des Gußstranges zu.

Es wurde bereits erwähnt, daß der Durch- und Austritt des Gußstranges durch den bzw. aus dem Stranggußkopf durch den von Schneckenförderer erzeugten Druck begünstigt wird. Ein gleichmäßiger Austritt des verfestigten Gußstranges 43 aus dem Stranggußkopf 35 wird jedoch durch eine Abziehvorrichtung sichergestellt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese im wesentlichen durch paarweise diametral gegenüberliegend angeordnete, profilierte Abzugrollen 44 gebildet. Das Mantelprofil der Abzugrollen ist der Umfangskontur des Gußstranges angepaßt, die Mantellinien sind also kreisbogenförmig konkav gekrümmt.

Diese Abzugrollen 44 sind in einem ortsfest gehalterten Lagerstuhl gelagert. Um den Gußstrang 43 radial zwischen zwei paarweise zusammengehörigen Abzugrollen einklemmen und eine axialgerichtete Kraftwirkung auf den Gußstrang ausüben zu können, sind die Abzugrollen in Bezug auf die Längsachse des Gußstranges radial beweglich gelagert und radial mit einer Vorspannkraft in Richtung auf den Gußstrang angedrückt. Außerdem sind alle Abzugrollen - es können auch mehrere gegenüberliegende Paare von Abzugrollen versetzt am Umfang angeordnet sein - einheitlich und gemeinsam mit einer bestimmten, voreinstellbaren Umfangsgeschwindigkeit antreibbar. Zur Erhöhung der Reibung zwischen dem Gußstrang und den radial angepreßten Abzugrollen können diese mit einer Aufrauhung versehen sein, die sich in die Oberfläche des Gußstranges eingräbt.

Sofern die oberseitig auf die Schmelze einwirkenden Druckkräfte bereits ausreichend groß sind, den Gußstrang 43 alleine durch den Stranggußkopf 35 hindurch und aus ihm auszupressen, dient die Abziehvorrichtung lediglich dazu, einen kontinuierlichen Austritt des Gußstranges mit gleichbleibender Geschwindigkeit vorzugeben. Dabei kann u. U. zeitweise auch ein "Bremsen" des Gußstranges durch die Abzieheinrichtung vorkommen. Die von der Abziehvorrichtung vorgegebene Austrittsgeschwindigkeit ist im wesentlichen bestimmt durch die in der indirekten Kühlzone 37 realisierbare Kühlleistung. Die oberseitigen Druckkräfte dürfen allerdings nicht übermäßig groß eingestellt werden, sonst müßte nämlich u. U. durch die Abziehvorrichtung permanent eine Rückhaltekraft auf den mit Schubkraft aus dem Stranggußkopf austretenden Gußstrang ausgeübt werden. Dies könnte sich nachteilig auf die Maßhaltigkeit des Gußstranges auswirken. Zweckmäßig erscheint beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ein leichter Überschuß der oberseitigen Druckkräfte, so daß der Gußstrang im zeitlichen Mittel mit einer geringfügigen Schubkraft aus dem Stranggußkopf austritt. Lediglich in ungünstigen und vorübergehenden Phasen können u. U. die Durchtrittswiderstände anwachsen, so daß dann ein geringfügiger Zug durch die Abzieheinrichtung auf den Gußstrang ausgeübt werden muß. Das Drehmoment, das auf die äußeren Abzugrollen 44 einwirkt, kann sich also nach Betrag und Vorzeichen zwischen Schub und Zug ändern. Mit Rücksicht auf diesen Umstand muß der Antrieb der Abzugrollen so ausgebildet sein, daß die von der Abziehvorrichtung vorgegebene Austrittsgeschwindigkeit trotz Schwankung der "Belastung" des Antriebes zwischen Schub und Zug stets konstant auf der voreingestellten Geschwindigkeit bleibt.

Der quasi-endlos nach unten austretende, durcherstarrte Gußstrang 43 muß in Abschnitte 50 von einer handhabbaren Länge L zerteilt werden. Hierzu ist eine sich mit dem Gußstrang mitbewegende Trenneinrichtung vorgesehen, die jedoch nicht dargestellt ist. Denkbar sind zu diesem Zweck mehrere gegenüberliegende Laserschneidköpfe, die in einem drehbar gelagerten und drehantreibbaren Ring aufgenommen sind, der außerdem noch synchron mit der Austrittsgeschwindigkeit des Gußstranges, also synchron mit der Umfangsgeschwindigkeit der Abzugrollen 44, axial verfahren werden kann. Zum Abtrennen eines Gußstrangabschnittes 50 von dem Gußstrang werden die Laserschneidköpfe mit Laserenergie und mit Trenngas beaufschlagt. Zugleich wird der die Laserschneidköpfe tragende Ring in Umfangsrichtung entsprechend der gewünschten Schneidgeschwindigkeit verdreht und geschwindigkeitssynchron mit dem Gußstrang abgesenkt. Auf diese Weise kann der Gußstrang während der Austrittsbewequng ohne Krafteinwirkung rasch und bei geringem Verschnitt in handhabbare Gußstrangabschnitte zerteilt werden. Nach erfolgtem Trennen des Gußstranges kehrt der die Laserschneidköpfe tragende Ring bezüglich seiner Drehbewegung und in Bezug auf seine Hubbewegung in die Ausgangsstellung zurück und wartet dort bis zu einem neuen Trennvorgang. Der abgetrennte Gußstrangabschnitt 50 (Fig. 2) wird aus der Stranggußanlage entnommen und in diesem Zustand zur Weiterverarbeitung bei einer Gießerei oder einem Motorenhersteller verschickt.

In einem anschließenden Weiterverarbeitungsbetrieb werden die Gußstrangabschnitte in bedarfsgerecht portionierte Stücke 54 mit einer geringeren Länge l zerteilt, wofür in der Darstellung der Fig. 3 ebenfalls ein Laserschneidkopf 53 vorgesehen ist. Die Länge L der Gußstrangabschnitte beträgt vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches der Länge l der portionierten Stücke 54 einschließlich eines unvermeidbaren, wenn auch nur sehr geringen Schnittverlustes beim Lasertrennen. Die Stranggußstücke 54 sind im Hinblick auf einen druckgußähnlichen Thixocasting-Vorgang bemessen, der nicht nur die Werkstoffmenge für die zu gießenden Büchsenrohlinge 51, sondern auch für das Anschnitt- und Butzenmaterial umfaßt.

Zum Urformen von Büchsenrohlingen aus den portionierten Stranggußstücken 54 müssen diese zwar in einem Temperierungsofen 56 vorsichtig, also bei geringem zeitlichen Temperaturanstieg auf Solidustemperatur temperiert werden. Durch den Temperierungsvorgang darf sich das feinkörnig und globulitisch erstarrte Gefüge nicht verändern, d. h. es darf an keinem Ort der Stranggußstücke 54 und zu keiner Zeit die Solidustemperatur darin nennenswert überschritten werden. Ein solcherart weniger Grade genau auf Solidustemperatur erwärmtes Stück 54 wird durch einen Handhabungsroboter in eine Thixocasting- Druckgußmaschine 55 eingelegt und der sich thixotrop verhaltende Werkstoff bei laminarem Fließen durch große Anschnitte hindurch in die Druckgußform gepreßt. Hierbei können mit einem "Schuß" zugleich mehrere Büchsenrohlinge 51 urgeformt werden. In Fig. 5 ist beispielsweise ein Sechsfachwerkstück 57, so wie es der Druckgußmaschine 55 entnommen werden kann, mit sechs Büchsenrohlingen 51, radial verlaufenden Anschnitten und mittigem Butzen dargestellt. Bei dem Urformen wird zugleich eine Oberflächenaufrauhung 58 an der Außenseite der Büchsenrohlinge mit angeformt. Nach dem Beseitigen der Anschnitte von den Rohlingen und dem Verputzen von etwaigen Gußgraten können die Rohlinge zur Weiterverarbeitung, d. h. zum Eingießen in ein Kurbelgehäuse transportiert werden.

Es soll nun noch auf das in Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung näher eingegangen werden, dessen Vorteil in dem mechanisch einfacheren Aufbau liegt. Diese Stranggußanlage unterscheidet sich gegenüber der nach Fig. 1 vor allem in Bezug auf den Stranggußkopf 35', der allerdings nur bezüglich der oberen, in Fig. 6 dargestellten Teile anders als der Stranggußkopf 35 der Fig. 1 ausgebildet ist. Und zwar betreffen die Modifizierungen vor allem die Art der Schmelzezufuhr in den Stranggußkopf 35'. Im unteren, in Fig. 6 nicht dargestellten Teil, der im wesentlichen die Erstarrung und die Kühlung des Gußstranges betrifft, stimmen die beiden Stranggußköpfe 35' und 35 im wesentlichen miteinander überein. In soweit kann also auf die voraufgegangene Beschreibung und Darstellung verwiesen werden.

Der modifizierte Stranggußkopf 35' ist vor allem nicht mit einem die Schmelze unter Druck setzenden Förderorgan integriert. Vielmehr wird hier ein gewisser Zulaufdruck der Schmelze hydrostatisch durch eine gewisse Bauhöhe des Warmhalteofens 1' und durch eine bestimmte Füllhöhe h zwischen Schmelzespiegel 3bzw. 20 oberhalb des Schmelzezulaufes 32 in den Stranggußkopf 35' erreicht. Bis zum Eintritt der Schmelze in die Zone 37 der indirekten Kühlung muß diese noch durch den vertikalen Bereich 24' der Primärausscheidung und Scherbewegung der Schmelze hindurchtreten, so daß sich bis zum Beginn der indirekten Kühlung eine nicht unbeträchtliche Füllhöhe H der Schmelze innerhalb des Stranggußkopfes 35' ergibt, die unter Berücksichtigung der Dichte der Legierung zu einem durchaus beachtlichen Druck in der Schmelze zum Dichtspeisen und zum Überwinden des Durchtrittswiderstandes des Gußstranges durch den Stranggußkopf führt.

Der den Gußstrang formende Kanal 36' ist auf seiner gesamten Länge einbaufrei gehalten. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, Querschnittsverengungen oder Querschnittsveränderungen in dem Kanal 36' innerhalb des Bereiches 24' der Primärausscheidung vorzusehen, die die hindurchtretende Schmelze peristaltisch durchwalken. Solche Veränderungen des Kanalquerschnittes sind jedoch zeichnerisch nicht dargestellt. Oberseitig ist der den Gußstrang formende Kanal 36' durch einen Verschlußdeckel 18 verschlossen, so daß auch oberhalb des dort anstehenden Schmelzespiegels 20 eine inerte Atmosphäre gehalten werden kann.

Aufgrund des Wegfalls des Förderorgans und des mechanischen Scherens der Schmelze bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist vor allem der Bereich 24' der Primärausscheidung einfacher und anders als beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gestaltet. Zwar wird die Schmelze auch im Bereich 24' des zweiten Ausführungsbeispiels kontrolliert und vorsichtig unter Zuhilfenahme der ummantelten (29) Kühlrippen 28 gekühlt, jedoch wird eine Scherbewegung in die hindurchströmende Schmelze auf völlig andersartige Weise hineingetragen.

Zum Zweck des Scherens der Schmelze sind außenseitig um den formgebenden Kanal 36' herum ringförmige Induktoren 5 angeordnet, die mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist werden. Und zwar ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ein Induktor 31vor der Kühlstrecke mit den ummantelten Kühlrippen 28 und ein weiterer Induktor 31' hinter der Kühlstrecke angeordnet. Mit den Induktoren 31, 31' können - durch die aus einem magnetisch passiven Werkstoff bestehende Wandung des formgebenden Kanals 36' hindurch - magnetische Wechselfelder in der Schmelze erzeugt werden, die ihrerseits durch Induktionswirkung Wirbelströme in der Schmelze und daraus resultierende rheologische Strömungen hervorrufen. Diese wiederum verursachen in der Schmelze eine intensive Scherbewegung. Durch die Induktoren wird die Schmelze bei der gezeigten Anordnung vor der erwähnten Kühlstrecke und nach ihr geschert. Es ist auch denkbar, die rührwirksamen Induktoren im Wechsel mit einem Teil der Kühlstrecke anzuordnen, so daß die hindurchtretende Schmelze gekühlt - geschert - gekühlt - geschert usw. wird. Durch die Scherung werden die in der abkühlenden Schmelze entstehenden bzw. bereits vorhandenen dendritischen Primärkristalle zerbrochen und zerkleinert sowie ihre Anzahl je Volumeneinheit vermehrt. Nach dem Durchlauf der Schmelze durch die Primärausscheidungsstrecke 24' ist schließlich eine feindisperse Verteilung der Si-Primärkristalle und etwaiger intermetallischer Phasen erreicht, wobei die Primärausscheidung bei Erreichen der Solidustemperatur abgeschlossen ist. Zwar kann die Schmelze eine gewisse Zeit lang auch noch unterhalb der Solidustemperatur auf die genannte Art geschert werden, so daß auch die restliche eutektische Legierung feinkörnig und globulitisch erstarrt, jedoch darf durch ein über die Solidustemperatur hinaus anhaltendes Rühren der Erstarrungsprozeß nicht ungebührlich hinausgezogen werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen Rohlingen für Zylinderlaufbüchsen aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung, bei dem die geschmolzene Legierung zunächst zu einem feinkörnigen Vormaterial größerer Länge als der Büchsenlänge und einer größeren Querschnittsfläche als der des Büchsenrohlings verarbeitet und daraus dann unter Ausnutzung des thixotropen Zustandes der Legierung Rohlinge für Zylinderlaufbüchsen hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Schmelze (2) in einem kontinuierlichen Stranggußverfahren ein quasi-endloser Gußstrang (43) im Vollquerschnitt hergestellt wird, wobei aufgrund von Scherbewegung in der Schmelze unmittelbar vor und während der Erstarrung der Schmelze diese feinkörnig und globulitisch zur Erstarrung gebracht wird, daß der Gußstrang (43) zumindest mittelbar in zur Weiterverarbeitung bedarfsgerechte, massegleiche, für jeweils einen Druckgußvorgang für Zylinderlaufbüchsen geeignete Stücke (54) portioniert wird, daß diese Stücke (54) auf Solidustemperatur erwärmt werden und daraus im laminaren Druckgußverfahren bei thixotropen Zustand der Stücke (54) Rohlinge (51) für Zylinderlaufbüchsen urgeformt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scherbewegung in der Schmelze vor und während der Erstarrung durch magnetisch induzierte Rührwirkung (31, 314) erzeugt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze vor und während der Erstarrung durch in den Gußstrang axial hineinragende Rotoren (19, 23, 25, 26) mechanisch gerührt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erstarrende Gußgefüge des entstehenden Gußstranges (43) durch einen der Schmelze überlagerten Druck in Axialrichtung dichtgespeist wird, indem die Schmelze in einen oberhalb einer den Gußstrang (43) kühlenden Zone (24, 37, 40) angeordneten, geschlossenen Raum permanent unter hohem Druck hineingefördert und so mit Druck beaufschlagt wird.
  5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze in den geschlossenen Raum durch ein Förderorgan (15) hineingefördert wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze unter Aufrechterhaltung einer Scherbewegung in der Schmelze bis nahe an die Solidustemperatur abgekühlt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scherbewegung in der Schmelze vor und während der Erstarrung durch peristaltisches Walken des entstehenden Gußstranges (43) aufgrund von Querschnittsveränderungen (27) der den Gußstrang (43) umgebenden Formgebungsflächen (36) erzeugt wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigsten vier Rohlinge (51) von Zylinderlaufbüchsen gemeinsam in einem Vorgang laminaren Druckgießens im thixotropen Zustand gleichzeitig aus einem portionierten Stücke (54) urgeformt werden.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenfläche der Rohlinge (51) beim Druckgießen eine Oberflächenaufrauhung (58) mit angeformt wird.






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