DE19612500A1 - Verfahren zur Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Herstellung von Zylinderköpfen ist es zur Zeit bekannt, in den fertig gegossenen Zylinderkopf aus Aluminium oder Grauguß Ventilsitzringe und Ventilführungen mit einer bestimmten Gebrauchsdichte in entsprechende Bohrungen des Zylinderkopfes einzuziehen. Daneben gibt es Bestrebungen, den Zylinderkopfwerkstoff der Ventilsitzoberfläche zu behandeln, um den hohen motorischen Beanspruchungen gerecht zu werden.

Die bekannte Methode, Ventilsitzringe bzw. hohlzylindrische Ventilführungen einzuziehen, erfordert einen erheblichen fertigungstechnischen Aufwand, z. B. spanende Bearbeitung von Ventilsitzring, Ventilführung und Zylinderkopf, um die notwendigen Einbautoleranzen einzuhalten, und ferner eine lagerichtige Positionierung vor dem Einbau der Ringe bzw. Ventilführungen in den Zylinderkopf. Bei einer Oberflächenbehandlung, z. B. durch Laserumschmelzen oder -legieren, werden erhebliche Mengen an Energie benötigt, die diese Methode bei einem Wirkungsgrad des Lasers von 3% als sehr unwirtschaftlich erscheinen läßt.

Es hat auch Bestrebungen gegeben, Ventilsitzringe mit hoher Dichte in Zylinderköpfe einzugießen, hierbei entsteht jedoch zwischen Zylinderkopfmaterial und Ventilsitzring keine innige Verbindung (DE 39 37 402 A1). Im wesentlichen hält der Ring im Zylinderkopf nur durch mechanische Verklammerung, wodurch kein inniger Kontakt zum Zylinderkopf vorhanden ist und somit die Gefahr besteht, daß die Ringe herausfallen. Auch hat diese Lösung den Nachteil eines oxydierten Überganges vom Ventilsitzring zum Zylinderkopf; die dabei entstehende Schicht wirkt isolierend und verhindert einen hohen leitenden Wärmeübergang.

Die Erfindung will diesen Nachteilen abhelfen. Die Aufgabe der Erfindung besteht dementsprechend darin, für die Gestaltung von Zylinderköpfen eine Lösung zu entwickeln, bei der durch direktes Eingießen von Ventilsitzringen und Ventilführungen der fertigungstechnische Aufwand verringert werden kann und bei der dennoch eine innige Anbindung der Ventilsitzringe und der Ventilführungen an das Zylinderkopfmaterial und damit eine Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit erzielbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einem Verfahren zur Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren gemäß den Merkmalen im Kennzeichen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Für das erfindungsgemäße Verfahren werden Ventilsitzringe und Ventilführungen mit einem offenen Porenvolumen von 5 bis 15% eingesetzt. Während des Gießvorganges des Zylinderkopfes, z. B. durch Niederdruckguß, dringt flüssiges Aluminium in die Poren der temperierten Ventilsitzringe und Ventilführungen und füllt diese aus. Hierbei erfolgt eine innige Verbindung beider Werkstoffe. Wird als Zylinderkopfmaterial Aluminium verwendet, so erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit der Werkstoffe um den Anteil des infiltrierten Aluminiums. Zusätzlich wird eine isolierende Zwischenschicht im Bereich Zylinderkopf und Ventilsitzring bzw. Ventilführung vermieden, wodurch die Wärmeleitung vom vorgenannten Bauteil zum Kühlkreislauf im Zylinderkopf erhöht wird. Auf spanende Fertigungsschritte, sowohl bei der Zylinderkopfbearbeitung als auch bei der Herstellung der Ventilsitzringe bzw. Ventilführungen, kann verzichtet werden.

Die Erfindung bietet auch die Möglichkeit, anstelle konventioneller Sitzring- und Führungswerkstoffe auf der Basis von Eisen bzw. Kupfer keramische Werkstoffe einzusetzen, die speziell für die Infiltration durch flüssige Leichtmetalle konzipiert sind.

Das Eingießen von flüssigem Aluminium in die Form kann entweder unter Schwerkraft oder unter Druck, gegebenenfalls mit variablen Druckverhältnissen vorgenommen werden.

Es ist zweckmäßig, Ventilsitzringe und Ventilführungen vor dem Eingießen zu erwärmen. Dies kann entweder nach dem Einlegen zusammen mit der Gußform oder vor dem Einlegen in die Gußform vorgenommen werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung besteht die Möglichkeit, das Porenvolumen von Ventilsitzringen und Ventilführungen gradiert einzustellen, d. h., daß der Bereich mit hohen thermischen und mechanischen Belastungen ein geringeres Porenvolumen, z. B. von < 2% aufweist, während die Bereiche zum Zylinderkopf hin ein Porenvolumen im vorstehend beschriebenen Grenzbereich besitzen.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung können unterschiedliche Verdichtungsgrade in den Ventilsitzringen und/oder Ventilführungen während eines Nachpreßvorganges erzeugt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Zylinderkopfes im Bereich einer Ventilführung mit Ventilsitzring und Ventilführung und

Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Herstellung gradierter Porosität.

Die Zeichnung zeigt als Ausschnitt einen Schnitt im Bereich eines Einlaß- oder Auslaßkanals eines Zylinderkopfes nach dem Gießvorgang. Aus der erstarrten Aluminiumschmelze 1 ist der Gießkern 2 mit abgestuften Abschnitten noch nicht entfernt. Der Gießkern 2 enthält einen oberen zylindrischen Abschnitt 3 und darunter einen zweiten zylindrischen Abschnitt 4 mit größerem Durchmesser. Den Übergang zwischen den beiden Abschnitten 3, 4 bildet eine ebene Ringschulter 5, während der zweite Abschnitt 4 an seinem unteren Ende über eine Ringschulter 6 an die äußere Mantelfläche des zylindrischen Gießkernes 2 anschließt.

Vor dem Gießvorgang wird auf den oberen Abschnitt 3 eine vorgefertigte Ventilführung 7 und auf den unteren Abschnitt 4 ein vorgefertigter Ventilsitzring 8 aufgelegt. Wie die Zeichnung zeigt, ist der Eckbereich zwischen dem zylindrischen Abschnitt 4 und der Ringschulter 6 entsprechend der Kontur des Ventilsitzringes 8 ausgebildet.

Ventilsitzring 8 und Ventilführung 7 werden mit einem offenen Porenvolumen von 5 bis 15% hergestellt und vor dem Einlegen vorgewärmt. Während des Gießvorganges des Zylinderkopfes dringt flüssiges Aluminium in die Poren der temperierten Ventilsitzringe und -führungen 8, 7 und füllt diese aus. Wichtig ist dabei die gleichmäßige Verteilung der gefüllten Poren sowie eine ausreichende Grundfestigkeit der einzugießenden Bauteile.

Bei Bedarf besteht die Möglichkeit, das Porenvolumen der Ventiltriebskomponenten gradiert einzustellen, d. h., daß der Bereich mit der hohen thermischen und mechanischen Beanspruchung ein Porenvolumen von < 2% aufweist, während der Bereich zum Zylinderkopf hin ein Porenvolumen im vorstehend beschriebenen Grenzbereich besitzt. Dies kann erreicht werden durch unterschiedliche Verdichtungsgrade während eines Nachpreßvorganges, der nachfolgend anhand der schematischen Darstellung in Fig. 2 erläutert wird.

Eine Pulvermischung, bestehend aus einer für Ventilsitzringe speziell zusammengesetzten Eisenbasislegierung, wird in einer Form 9 auf eine Dichte von beispielsweise 6,4 bis 6,8 g/cm³ entsprechend Stufe 1 der Fig. 2 mit einem Stempel 10 zu einem Körper 11 mit geneigter Oberfläche vorgepreßt. Anschließend wird dieser Grünling in einer Stufe 2 bei einer Temperatur zwischen 900 und 1200°C gesintert. Der gesinterte Rohling erhält in einer Stufe 3 mit Hilfe eines Stempels 12 eine Nachverdichtung, wobei nur ein geometrisch vorbestimmter Bereich des Ringes verformt wird. Damit ergibt sich bei entsprechenden Preßdrücken ein Körper 13 mit einem Dichtegradienten vom unverformten Bereich (Dichte 6,4 bis 6,8 g/cm³) zum verformten Bereich (Dichte < 7,2 g/cm³). Der Bereich mit der niedrigen Dichte, d. h. der radial äußere Bereich eines Ventilsitzringes, bildet die spätere Kontaktfläche mit dem Zylinderkopf, während der radial innere Bereich des Ventilsitzringes mit der hohen Dichte die spätere Funktionsfläche darstellt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren durch Vergießen des flüssigen Zylinderkopfmaterials, insbesondere Aluminium, in eine Zylinderkopfform, die einen Gießkern enthält, der abgestufte Abschnitte im Bereich des Ventilsitzringes und der Ventilführung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Ventilsitzringe (8) und Ventilführungen (7) aus einem für deren Herstellung üblichen Werkstoff auf Eisen- oder Kupfer-Basis durch Pressen und Sintern derart hergestellt werden, daß sie ein offenes Porenvolumen von 5 bis 15% aufweisen, daß je ein Ventilsitzring (8) und/oder je eine Ventilführung (7) auf die abgestuften Abschnitte (4, 3) des Gießkernes (2) aufgelegt werden, daß anschließend flüssiges Aluminium in die vorgewärmte Gußform eingegossen wird und daß nach dem Erstarren der Aluminiumschmelze (1) der Gießkern (2) in üblicher Weise entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Aluminium unter Schwerkraft oder Druck in die Form eingegossen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingießen des flüssigen Aluminiums unter variablen Druckverhältnissen vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform einschließlich Ventilsitzringe (8) und Ventilführungen (7) vor dem Gießen erwärmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilsitzringe (8) und Ventilführungen (7) vor dem Einlegen in die Gußform erwärmt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung der Ventilsitzringe (8) und/oder Ventilführungen (7) durch unterschiedliche Verdichtungsgrade in Bereichen mit hohen thermischen und mechanischen Belastungen ein Porenvolumen von < 2% erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß während eines Nachpreßvorganges unterschiedliche Verdichtungsgrade in den Ventilsitzringen (8) und/oder Ventilführungen (7) erzeugt werden.