DE69105761T2

DE69105761T2 - Gusswerkstück mit keramischer Verstärkungseinlage und Verfahren zu dessen Herstellung.

Info

Publication number: DE69105761T2
Application number: DE69105761T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Kamimura; Akira Tsujimura
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1990-01-26
Filing date: 1991-01-24
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2011-01-25
Also published as: EP0440093B1; CA2035018C; US5223213A; DE69105761D1; CA2035018A1; EP0440093A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Gußteil mit einem Einsatz aus Keramik wie einen Zylinderkopf, einen Kolben und einen Auspuffkrümmer wobei das Teil wiederholt hoher thermischer Belastung ausgesetzt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gußteiles.
Im allgemeinen sind ein Zylinderkopf und ein Zylinder, die eine Brennkammer eines Verbrennungsmotors bilden, jeweils aus Gußeisen hergestellt. Daher ist die Brennkammer stets einer Bruchgefahr aufgrund der dem Gußeisen eigenen geringen Festigkeit und aufgrund der Restbelastung beim Guß des Zylinderkopfes und des Zylinders sowie aufgrund einer thermischen Belastung und eines thermischen Schocks ausgesetzt, der auf den Zylinderkopf und den Zylinder während des Betriebs des Motors ausgeübt wird. Insbesondere der sogenannte "Ventilbrückenabschnitt" (ein Abschnitt zwischen einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung und ein Abschnitt zwischen diesen Öffnungen und einer Vorverbrennungskammer oder eines Loches für die Brennstoffeinspritzdüse) kann aufgrund seiner Struktur keine ausreichende Größe und Dicke haben. Daher ist der Ventilbrückenabschnitt von seiner Struktur her schwach, sodaß Risse in den Elementen des Ventilbrückenabschnittes auftreten können.
Eine herkömmliche Maßnahme zum Überwinden der vorstehend beschriebenen Probleme ist folgende: beim Gießen des Zylinderkopfes wird ein anderes Metall in jene Abschnitte eingesetzt, die eine hohe Festigkeit erfordern, wie dies in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 48-25923 beschrieben ist. Das Zwischenprodukt wird einer Härtung unterschiedlicher Grade entsprechend der thermischen Belastung unterzogen, die in dem Endprodukt während des Betriebes des Motors auftritt, wie dies in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung 63-8831 beschrieben ist.
Neuere Motoren jedoch haben eine hohe Ausgangsleistung und entsprechend haben die therinische Belastung und die mechanische Beanspruchung der Teile rund um die Brennkammer erheblich zugenommen. Daher reicht die Verstärkung dieser Teile die einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt sind, nicht aus, um die Möglichkeit von Rissen auszuschließen.
Andererseits werden die Teile rund um die Brennkammer einer Oberflächenbehandlung zu ihrer Isolierung unterzogen, um die thermische Ermüdung aufgrund eines Temperaturanstieges zu unterdrücken, wobei dies eine Maßnahme zur Verbesserung der Motoreigenschaften darstellt. Eine Möglichkeit zur Oberflächenisolierung ist beispielsweise in der japanischen Gebrauchsmusteroffenlegungsschrift Nr. 59-85348 beschrieben. In dieser Anmeldung ist ein Teil des Zylinderkopfes auf der Brennkammerseite von keramischem Material gebildet. Dies verhindert Risse und verbessert die thermischen Isolationseigenschaften.
Die Figuren 18 und 19 zeigen eine Zylinderkopfanordnung in Verbindung mit dem oben beschriebenen Vorschlag in einer Draufsicht bzw einer Schnittansicht. Entsprechend der Darstellung ist ein Abschnitt 5 in einem Ventilbrückenabschnitt 4 zwischen einer Einlaßöffnung 1 und einer Auslaßöffnung 2 des Zylinderkopfes ausgebildet. In dem Ventilbrückenabschnitt 4 ist ein Einbauloch 13 für eine Brennstoffeinpritzdüse gebohrt. Der Aussparungsabschnitt 5 ist mit keramischem Material gefüllt, das eine Keramikschicht 6 bildet.
In einem aus Gußeisen hergestellten Zylinderkopf jedoch gibt es keine adäquate Technik, um das Gußeisenmaterial mit dem keramischen Material zu vereinigen. Daher sollte die Keramikschicht an der Brennkammerseite des Zylinderkopfes durch Schrauben befestigt werden. Die Verschraubung kann jedoch keine ausreichende Verbindung gewährleisten. Infolgedessen kann das Keramikteil, das ein sprödes Teil ist, aufgrund der Vibrationen während des Motorbetriebes brechen.
In einem anderen Beispiel wird eine Keramikbüchse in den Auspuffkrümmer eingesetzt, um einen Turbolader-Wirkungsgrad durch eine thermische Isolierung des Verbrennungsabgases zu erhöhen. Bei einer derartigen Anordnung wird die keramische Auskleidung eingegossen, wenn der Auspuffkrümmer gegossen wird. Dabei entsteht das Problem, daß das spröde keramische Teil durch eine Differenz bei der thermischen Ausdehnung zwischen dem Keramikteil sowie der Belastung bricht, die durch Schrumpfen beim Erhärten des Materials auftritt. Selbst wenn keine Riese während und nach dem Gußvorgang auftreten, können die Teile durch Vibrationen während des Motorbetriebes brechen.
Es wurde noch eine weitere Technik zum Verbinden des Gußeisenteiles und des Keramikteiles vorgeschlagen. Eine geeignete Menge von Metaliteilchen wird mit Keramikteilchen gemischt und die Mischung wird gesintert. Anschließend wird das gesinterte Element als Einsatz eingegossen. Bei dieser Technik werden die Metallteilchen mit der Schmelze des Gußeisens metallografisch verbunden. Infolgedessen sind das keramische Material und das Gußeisen sehr eng miteinander verbunden.
Der vorstehend beschriebene Vorschlag hat jedoch folgende Nachteile:
Zunächst, wenn die Keramikteilchen mit den Metallteilchen in dem Produkt in getrennter Form vorliegen, werden die thermische Festigkeit, die thermische Isoliereigenschaft und der Verformungswiderstand des Produktes herabgesetzt. Die Lebensdauer des Produktes wird verkürzt. Darüber hinaus ist es sehr schwierig, das Produkt so herzustellen, daß die Keramikteilchen und die Metallteilchen homogen verteilt sind. Eine sehr strenge Qualitätskontrolle ist erforderlich, um ein homogenes Produkt zu erhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Festigkeit und die thermische Isolierwirkung eines Gußteiles zu verbessern.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gußteil anzugeben mit einem Keramikeinsatz, dessen Verbindung mit dem Gußeisen verbessert wird, wenn der Keramikeinsatz mit ausreichender Festigkeit und thermischer Isoliereigenschaft als Einsatz in dem Gußeisen eingegossen wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es ein Keramikprodukt zu erhalten, bei dem keine Segregation in der Struktur auftritt, das zum mechanischen Schneiden geeignet ist und das keine Risse hat.
Schließlich ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Produkt zu erhalten, in dem die Keramikteilchen und die Metallteilchen homogen miteinander vermischt sind.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1, 21 und 22 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2 bis 20 und 23 bis 26 angegeben.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Gußteil mit einem Kermaikeinsatz vorgesehen, umfassend eine Gruppe von Kapselteilchen aus keramischen Teilchen, die mit Metallteilchen bedeckt sind, und metallisches Material, in welches die Gruppe von Kapselteilchen während des Gießvorganges eingebracht werden.
Die Gruppe von Kapseiteilchen umfaßt Kapselteilchen vorbestimmter Konfiguration, wobei die Kapselteilchen aus Pulverpreßlingen bestehen.
Die Gruppe von Kapselteilchen kann ein gesinterter Körper sein, der aus Pulverpreßlingen der Kapselteilchen hergestellt ist.
Die Keramikteilchen sind vorzugsweise hohle Keramikteilchen.
Ein Durchmesser des Keramikteilchens kann annähernd zwischen 10 und 500 Mikrometer betragen.
Ein Durchmesserverhältnis des Keramikteilchens zu dem Metallteilchen kann ungefähr 10 zu 1 betragen.
Das Keramikteilchen kann Al&sub2;O&sub3; sein.
Die Keramikteilchen können Vulkanenasche, Sandkörner sein. Diese Sandkörner können "Shirasu" sein. "Shirasu" bildet Schichten von Vulkanasche und/oder Bimsstein, die auf der Halbinsel Ohsumi, der Halbinsel Satsuma und dem Gebiet von Miyakonojo in Japan gefunden werden können. Eine Anhäufung von Auswürfen von Vulkanen in Kagoshima bildet "Shirasu". "Shirasu" kann eine Korngröße von 74 Mikrometer oder weniger für 40 bis 60 Gewichtsprozent und von 74 bis 420 Mikrometer für 50 bis 40 Gewichtsprozent oder 120 Mikrometer oder weniger für 30 bis 40 Gewichtsprozent haben.
Die Metallteilchen können Eisen oder rostfreies Material enthaltendes Metall sein.
Die Metallteilchen können aus Gußeisen hergestellt sein.
Die Gruppe von Teilchen wird vorzugsweise in den Abschnitten des Produktes angeordnet, die hoher thermischer Belastung ausgesetzt sind. Die Gruppe von Teilchen kann ein gesinterter Körper oder ein Preßling sein, der eine Brennkammer begrenzt. Die Gruppe von Teilchen kann ein gesinterter Körper oder ein Preßling sein, welcher eine Innenwand eines Auspuffkrümmers eines Motors begrenzt. Die Innenwand des Auspuffkrümmers kann die innere Wand am Eingang des Auspuffkrümmers sein. Die Teilchengruppe kann ein gesinterter Körper oder ein Preßling sein, welcher einen unteren Abschnitt des Zylinderkopfes und/oder einer Futterbüchse einer Abgasöffnung bildet.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen des oben beschriebenen Produktes vorgesehen. Insbesondere wird ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Gußeisenteiles mit einem Keramikteil als Einsatz vorgeschlagen, umfassend die folgenden Schritte: Bilden von Kapselteilchen durch Überziehen von keramischen Kernteilchen mit metallischen Überzugsteilchen, wobei jedes Kernteilchen mit einer Vielzahl von Überzugsteilchen bedeckt ist; Bilden eines Pulverpreßlings einer vorgegebenen Konfiguration unter Verwendung der Kapselteilchen; und Gießen von metallischem Material als Gußeisen über den Pulverpreßling und gleichzeitiges Sintern des Pulverpreßlings.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Gußeisenteiles mit einem keramischen Einsatz angegeben, umfassend folgende Schritte: Formen von Kapselteilchen durch Überziehen keramischer Kernteilchen mit metallischen Überzugsteilchen, wobei jedes Kernteilchen mit einer Vielzahl von Überzugsteilchen bedeckt ist; Formen eines Pulverpreßlings vorgegebener Form unter Verwendung der Kapselteilchen; Formen eines gesinterten Körpers durch Sintern des Pulverpreßlings; und Gießen von metallischem Material wie beispielsweise Gußeisen über den gesinterten Körper, um ein Gußteil mit Keramikeinsatz zu erzeugen.
Der Schritt zur Herstellung der Kapselteilchen kann folgende Schritte enthalten: Bilden eines zu behandelnden Pulverkörpers (ein Zwischenprodukt), indem man die Möglichkeit schafft, daß eine Anzahl metallischer Teilchen an einer Oberfläche eines keramischen Teilchens haftet, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser der metallischen Teilchen; und indem man den Pulverkörper der Schock- oder Schlagwirkung eines Luftstromes hoher Geschwindigkeit aussetzt, um zu erreichen, daß die Metallteilchen sich an den Keramikteilchen festkrallen oder in diese eindringen, um so ein Kapselteilchen zu bilden.
Der Schritt zur Bildung der Kapselteilchen kann in einer Maschine zum Anwenden von Stößen auf das Pulver oder einer Umwälzmaschine ausgeführt werden.
Der Schritt zur Herstellung des Pulverpreßlings kann in dem Pressen des Pulvers aus Kapselteilchen bestehen.
Der Sinterschritt kann das Sintern bei einer Temperatur zwischen ungefähr 900ºC und ungefähr 1000ºC enthalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die keramischen Elemente dem Produkt in einem gewünschten Zustand hinzugefügt, sodaß die Festigkeit und die Wärmeisolierungseigenschaft des Produktes verbessert werden. Ferner wird die Oberfläche des Pulverpreßlings oder des gesinterten Körpers im wesentlichen metallisch, sodaß die Verbindung mit dem Gußeisen oder das Gießen des Gußeisens über den Pulverpreßling oder den gesinterten Körper einfacher wird. Ferner sind die Keramikelemente gleichförmig in dem Endprodukt verteilt, sodaß die Möglichkeit von Rissen eliminiert wird. Schließlich erleichtern die Metallteilchen die Bearbeitung oder das mechanische Schneiden
Insbesondere wenn die Keramikteilchen hohle Abschnitte haben, welche Luft enthalten, wird die thermische Isolierung durch die Luftschichten weiter verbessert. Wenn außerdem Vulkanasche-Sandkörner wie "Shirasu" als hohle keramische Körper verwendet werden, werden die Kosten für die Herstellung eines keramischen Elementes reduziert.
Van der Waals-Kräfte werden verwendet, um die Metallteilchen dazu zu bringen, an der Oberfläche des Keramikteilchens zu haften. Jedoch ist die Haftung zwischen ungleichen Teilchen nicht immer in diesem Punkt ausreichend. Um daher ein Kapselteilchenpulver zu bilden, werden von dem Hochgeschwindigkeitsluftstrom herrührende Stoßkräfte auf die Oberfläche übertragen, welche aus einer Anzahl von Metallteilchen besteht, die an dem Keramikkern haften, sodaß die Metallteilchen in den Keramikkern eindringen. Dies ergibt eine starke Verbindung zwischen den ungleichen Teilchen. Insbesondere werden einzelne Keramikteilchen mit den Metallteilchen mit hoher Verbindungskraft bedeckt oder von den Metallteilchen eingeschlossen. Infolgedessen führt die Herstellung des Pulverpreßlings aus diesen Kapselteilchen dazu, daß die Keramikteilchen und Metallteilchen in dem Pulverpreßling homogen miteinander vermischt sind.
Im nächsten Schritt werden die Preßlinge aus dem Kapselpulverteilchen gesintert, um einen gesinterten Körper zu erhalten. Dann wird Gußeisen über den gesinterten Körper gegossen. Alternativ hierzu wird der Preßling gesintert und gleichzeitig das Eisen über den Preßling gegossen. Beim Sintern des Preßlings und beim Gießen des Eisens über den Preßling oder den gesinterten Körper werden die Metallteilchen, welche die Keramikteilchen überdecken und die anderen Metallteilchen metallurgisch miteinander verbunden. Das kombinierte Metall und das Gußeisen werden metallurgisch miteinander verbunden, sodaß das metallische Gußteil die keramischen Teilchen als Einlage enthält. Dies bedeutet, daß der Preßling aus den gekapselten Pulverteilchen und das Gußeisen fest miteinander verbunden sind. Daher werden die Wärmefestigkeit, die Wärmeisoliereigenschaft und die Deformationsfestigkeit des Endproduktes verbessert.
Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Kolbenkopfes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Brennkammerseitenwand des in Figur 1 dargestellten Kolbenkopfes;
Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Auspuffkrümmers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 ist ein Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 3;
Figur 5 ist ein Schnitt durch wesentliche Teile eines Zylinderkopfes gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 6 ist eine perspektivische Ansicht einer Futterbüchse für einen Auslaßkanal gemäß Figur 5;
Figur 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Schnitt, welcher den Schritt des Anhaftens der Metallteilchen an der Oberfläche eines Keramikteilchens zeigt;
Figur 8 zeigt einen Schnitt durch ein Kapselteilchen;
Figur 9 zeigt eine Pulverpreßmaschine, die zum Ausführen eines Verfahrens zur Herstellung eines Gußteiles mit eingesetzten Keramikteilchen verwendet wird;
Figur 10 ist eine Ansicht zur Erläuterung einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche einen Schnitt durch ein Teilchen mit einem hohlen Keramikteilchen und mit Metallteilchen zeigt, welche an den Keramikteilchen haften;
Figur 11 ist ein Schnitt durch ein Kapselteilchen;
Figur 12 zeigt ein System zur Herstellung der Kapselteilchen;
Figur 13 zeigt einen Schnitt durch eine Umwälzmaschine des Systems gemäß Figur 12;
Figur 14 zeigt einen aus Kapselteilchen gesinterten Körper;
Figur 15 ist ein Teilschnitt durch einen Kolben gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung, wobei der Kolben ein Gußteil mit eingebautem Keramikmaterial ist;
Figur 16 ist eine vergrößerte Ansicht des Abschnittes B in Figur 15;
Figur 17 zeigt in schematischer Weise Vulkanasche- Sandkörner "Shirasu", die als hohle keramische Teilchen verwendet werden;
Figur 18 ist eine Draufsicht auf einen Zylinderkopf einer herkömmlichen Anordnung und
Figur 19 ist eine Schnittansicht entlang Linie C-C in der Figur 18.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert.
Die Figuren 1 und 2 zeigen einen als Gußteil hergestellten Kolben 11 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welchen Keramikteilchen eingebettet sind. In einen Kolbenkopf 12 des Kolbens 11 ist ein Pulverpreßling oder ein gesinterter Körper 13, der aus Kapselteilchen hergestellt ist, als Einsatz eingegossen. Der Pulverpreßling oder der gesinterte Körper 13 umfaßt Keramikteilchen (Kerne) und Metallteilchen (Überzugs- oder Deckteilchen), welche die Keramikteilchen umgeben. Jedes Keramikteilchen (Kern) ist von einer Vielzahl von Metallteilchen (Überzugsteilchen) eingeschlossen. Eine Brennkammer wird von dem Pulverpreßling 13 begrenzt. In anderen Worten heißt dies, eine Wand 15 der Brennkammer 14 wird von homogen verteilten, fest hinzugefügten Keramikteilchen gebildet.
Der Kolben 11 ist Verbrennungsgas hoher Temperatur und wiederholter thermischer Belastung ausgesetzt, wobei jedoch in der Brennkammerwand des Gußkolbens keine Risse auftreten, da der Kolben 11 die oben beschriebene Konstruktion hat.
Die Figuren 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Bezugszeichen 21 bezeichnet einen Gußauspuffkrümmer mit einem Einsatz aus Keramikteilchen. Ein Pulverpreßling (gesinterter Körper) 23 aus Kapselteilchen ist in eine innere Wand des Auspuffkrümmers eingegossen. Eine Innenwand 24 des Pulverpreßlings 23 begrenzt einen Abgaskanal 25.
Ein Gußort für den Pulverpreßling 23 kann in einem Verbindungsabschnitt 26 zwischen dem Auspuffkrümmer 21 und einem nicht dargestellten Zylinderkopf sein oder der kann die gesamte Innenwand des Auspuffkrümmers 21 bilden.
Die Figuren 5 und 6 zeigen eine dritte Ausführungsform der Erfindung. In einem unteren Abschnitt 32 (ein Ventilbrückenabschnitt) eines Gußzylinderkopfes 31 und in einem Auslaßkanal 33 des Zylinderkopfes 31 sind Pulverpreßlinge (gesinterte Körper) 34 bzw 35 als Einsätze eingegossen, die aus den oben beschriebenen Kapselteilchen hergestellt wurden.
Da der untere Abschnitt 32 des Zylinderkopfes und der Auslaßkanal 33 die Pulverpreßlinge 34 bzw 35 enthalten, werden die Hitzebeständigkeit, die thermische Isoliereigenschaft und die Deformationsfestigkeit dieser Elemente verbessert. Ferner treten keine Risse in diesen Elementen auf, selbst wenn diese Elemente wiederholter thermischer Belastung ausgesetzt sind.
Im folgenden wird nun ein Verfahren zum Herstellen des Gußteiles mit einem eingebetteten keramischen Element gemäß den ersten drei Ausführungsformen als vierte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Die Hauptschritte des Verfahrens sind: Bilden der Kapselteilchen; Bilden eines Pulverpreßlings aus Kapselteilchen; und Durchführen eines Gusses mit dem Pulverpreßling als Einsatz.
Die Schritte zum Bilden der Kapselteilchen können mittels einer Maschine zum Ausüben von Stößen auffeine Teilchen erzeugt werden. Die zugehörige Ausrüstung (Figur 9) und die schockerzeugende Maschine wird nun erläutert.
Gemäß der Darstellung ist eine Scheibe 44 auf einer Welle 43 befestigt, die in einem Gehäuse 42 drehbar gelagert ist. An dem Außenumfang der Scheibe 44 sind mehrere schockerzeugende Stifte 45 mit vorgegebenen Abständen angeordnet, die sich radial zur Scheibe 44 erstrecken.
Die Scheibe 44 kann sich mit hoher Geschwindigkeit drehen. Um die Scheibe 44 ist mit einem vorgegebenen Spiel ein Kollisions- oder Stoßring 46 vorgesehen. Der Stoßring 46 ist an der Innenwand des Gehäuses 42 befestigt. Der Stoßring 46 hat an seinem unteren Abschnitt 47 einen Ausschnitt, in dem ein Ventil 48 angeordnet ist.
Das Ventil 48 ist mit einem Ventilstößel 50 verbunden, der als Stange eines Betätigungselementes 49 dient, wobei eine Auf- und Abbewegung des Ventilstößels 50 den Abschnitt 47 öffnet und schließt. Ein Spiel zwischen dem Außenumfang der Scheibe 44 und dem Stoßring 46 begrenzt eine Stoßkammer 51, um auf die Feinteilchen Stöße oder Impulskräfte auszuüben. Die Stoßkammer 51 hat eine Zirkulationsöffnung 52. Ein Zirkulationskanal 53 erstreckt sich von der Öffnung 52 zu einem Mittelabschnitt der Scheibe 44.
Die Feinteilchen werden in die Kammer 51 durch ein Fallrohr 55 zugeführt, welches den Kanal 53 mit einem Vorratstrichter 54 verbindet. Auf die Feinteilchen wird eine vorgegebene Stoßkraft ausgeübt und die Feinteilchen werden durch die Förderrinne 56 abgegeben, wenn sich das Ventil 48 bewegt.
Die zu der Stoßmaschine 51 gehörende perifere Ausrüstung umfaßt einen Rohmaterialgewichtsförderer 57, der die Feinteilchen dem Rohmaterialvorratstrichter 54 zuführt, einen Rohmaterialspeicher 58, der stromaufwärts des Förderers 57 angeordnet ist, und einen Vorprozessor 59, welcher die Feinteilchen dem Speicher 58 zuführt.
Weitere perifere Geräte sind ein Zyklon 60 zur Aufnahme der Feinteilchen aus der Stoßkammer 51, ein Drehventil 61, das für das Zyklon 60 vorgesehen ist, ein Sackfilter 63 mit einem weiteren Drehventil 62, ein Gebläse 64 und eine Steuereinrichtung 65 zum Steuern des Rohmaterialgewichtsförderers 57, der Scheibe 44 und des Betätigungsorgans 49.
Im folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen der Kapselteilchen erläutert.
Wie Figur 7 zeigt, werden Keramikteilchen 71 mit einem Durchmesser von 10 bis 500 Mikrometer vorbereitet. Diese Keramikteilchen 71 können Feinteilchen aus Al&sub2;O&sub3; sein. Zusätzlich werden Metallteilchen 72 mit einem gegenüber dem Keramikteilchen kleinerem Durchmesser, beispielsweise einem Zehntel des Durchmessers der Keramikteilchen vorbereitet. Die Metallteilchen können Eisenteilchen sein.
Die Metallteilchen 72 werden auf die Oberfläche der Keramikteilchen 71 so aufgebracht, daß die Metallteilchen 72 daran anhaften. Die Adhäsion wird durch den Vorprozessor 59 bewirkt, unter Nutzung von van der Waals-Kräften.
Jedes Teilchen 73 hat Aluminateilchen 71 und die Metallteilchen 72, welche das Aluminateilchen 71 umgeben. Die Teilchen 73 werden von dem Vorprozessor 59 dem Rohmaterialspeicher 58 zugeführt.
Zu dieser Zeit ist das Ventil 58 der Stoßmaschine 41 geschlossen und es wird Inertgas in die Maschine 41 eingeführt, während die Scheibe 44 sich dreht. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Scheibe 44 wird auf zwischen 8000 bis 16000 Umdrehungen pro Minute mittels der Steuereinrichtung 65 eingestellt. Die Drehung der Scheibe 44 dreht die Stifte 45, die an dem Außenumfang der Scheibe 44 angeordnet sind, und erzeugt einen umlaufenden Luftstrom. Ein Ventilatoreffekt aufgrund der Zentrifugalkraft des Luftstromes bildet eine Zirkulationsströmung, die sich von der Öffnung 52 der Kammer 51 zu dem Mittelabschnitt der Scheibe 44 durch den Kanal 53 erstreckt.
Nach der Bildung des Zirkulationsstromes werden die behandelten Feinteilchen 73 in dem Speicher 58 in den Vorratstrichter 54 mittels des Förderers 57 eingeführt. Die Feinteilchen 74 treten durch das Förderrohr 55 aus dem Rohmaterialvorratstrichter 54 in die Stoßkammer 51 ein. In der Kammer 51 üben die Stifte 45 der Scheibe 44, die mit hoher Geschwindigkeit umläuft, kurze Schläge auf die Feinteilchen 73 aus. Dann kollidieren die Feinteilchen 73 mit dem Stoßring 46, sodaß ein zweiter Stoß und eine hohe Kompressionskraft auf die Feinteilchen 73 wirken. Hierauf strömen die Feinteilchen 73 in den Zirkulationskanal 53 und erreichen wiederum die Kammer 51, wie dies durch den Pfeil "a" angedeutet ist. Dann werden die Feinteilchen 73 wieder dem Schock ausgesetzt.
Infolgedessen erleiden die Feinteilchen 73 die Stoßkraft wiederholt in einer kurzen Zeitspanne. Die erforderliche Zeit kann etwa 1 bis 10 Minuten betragen. Während dieser Zeitspanne wird der Oberfläche der Keramikteilchen 71 eine thermische Energie zugeführt, sodaß die Metallteilchen 72 oder das Keramikteilchen 71 weich werden oder schmelzen innerhalb einer kurzen Zeitspanne, wodurch die Metallteilchen 72 homogen auf der Oberfläche des Keramikteilchens 71 verteilt werden. Mit anderen Worten wird das Keramikteilchen 71 mit den Metallteilchen 72 bedeckt, wodurch das beschichtete Kapselteilchen (Pulverkörper) 74 hergestellt wird, das das Keramikteilchen 71 als Kern und die Metallteilchen 72 um das Keramikteilchen 71 hat. Nach der Vorbereitung der Keramikteilchen 74 wird das Ventil 48 in ein Position bewegt, die durch eine strichpunktierte Linie in Figur 9 angegeben ist, sodaß der Abschnitt 47 geöffnet wird, um die Kapselteilchen 74 aus der Kammer 51 abzuführen.
Die auf die Kapselteilchen 74 einwirkende Zentrifugalkraft und eine Saugkraft des Gebläses 64 ziehen die Kapselteilchen 74 aus der Kammer 51 und dem Zirkulationskanal 53 innerhalb einer kurzen Zeitspanne (einige Sekunden) ab, wie dies in Figur 8 gezeigt ist. Dann werden Kapselteilchen 74 in den Feinteilchensammelmechanismus (das Zyklon 60 und den Gasfilter 63) durch das Abflußrohr 56 eingeführt. Die Kapselteilchen 74 werden nach außen durch die Drehventile 61 und 62 abgegeben.
Anschließend werden die Kapselteilchen 74 gepreßt und zu vorgegebenen Konfigurationen geformt. Mit anderen Worten wird gemäß der Darstellung in den Figuren 2, 4 oder 6 der Pulverpreßling 13 geformt, welcher die Brennkammer 14 des Kolbenkopfes 12 begrenzt, der Pulverpreßling 74, welcher den Abgaskanal 25 des Auspuffkrümmers 71 auskleidet, und der Pulverpreßling 74, welcher den Auslaßkanal 33 des Zylinderkopfes 31 begrenzt.
Die Pulverpreßlinge 13, 24 und 34 werden jeweils in eine nicht dargestellte Gußform eingesetzt und es wird eine Metallschmelze (Eisen) in die Gußform eingefüllt, wodurch der gewünschte Kolben 11, der Auspuffkrümmer 21 und er Zylinderkopf 31 gegossen werden. Deshalb werden die Pulverpreßling 13, 24 und 34 durch die hohe Temperatur des geschmolzenen Metalls gesintert und gleichzeitig werden die Pulverpreßlinge zu Einsätzen in den jeweiligen Gußteilen.
Alternativ hierzu können die Pulverpreßling 13, 24 und 34 über einem normalen Sinterprozess von Metall in einem Sinterofen gesintert werden bei einer Sintertemperatur des Metalles.
Das erhaltene Endprodukt ist in den Figuren 1 bis 6 dargestellt.
Da die Kapselteilchen 74 verwendet werden, sind die einzelnen Keramikteilchen 71 mit den Metallteilchen 72 durch hohe Bindungskraft bedeckt. Daher erhält man Produkte mit den Keramikteilchen 71 und den Metallteilchen 72, wobei beide Teilchen ohne strenge Qualitätskontrolle in dem Produkt homogen verteilt sind.
Das Produkt hat eine exzellente thermische Beständigkeit, thermische Isoliereigenschaft und Deformationsfestigkeit. Darüber hinaus sind in dem Produkt, das die Keramikteilchen als Einlage enthält, die Keramikteilchen und die sie bedeckenden Metallteilchen metallurgisch miteinander verbunden. Ferner werden beim Gießen des Gußeisens mit den Pulverpreßlingen 13, 24 und 34 als Einsätzen die Metallteilchen um die keramischen Teilchen metallurgisch mit dem Gußeisen verbunden. Infolgedessen wird das Problem der Sprödigkeit des keramischen Materials eliminiert. Daher werden die thermische Festigkeit, die thermische Isolierung und die Deformationsfestigkeit des Produktes verbessert ebenso wie die Festigkeit und die Lebenszeit des Produktes.
Auf diese Weise eliminiert das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung alle Probleme des herkömmlichen Gußproduktes mit keramischen Einsätzen. Das erfindungsgemäße Verfahren erweitert das Anwendungsgebiet keramischer Produkte beträchtlich.
Da das keramische Material mit Metall überzogen Ist, werden Spannungen vermieden, die bei der thermischen Ausdehnung und dem Schrumpfen des gegossenen Basismetalls beim Erhärten auftreten würden. Infolgedessen wird die Gießbarkeit verbessert und es treten keine Risse auf. Ferner wird das mechanische Schneiden des Produktes ebenso einfach wie das Schneiden des Metalls selbst.
Ein Verhältnis des Metallanteils zu dem Keramikanteil beträgt maximal 30 zu 70 und der Metallanteil kann relativ zum Keramikanteil reduziert werden. Wenn daher gewünscht wird, die thermische Festigkeit, die thermische Isolierfähigkeit und die Deformationsbeständigkeit weiter zu verbessern, wird der Metallanteil (Metallpartikel) reduziert. Wenn auf der anderen Seite das Produkt oft Vibrationen und Stößen ausgesetzt ist, wird der Metallanteil erhöht, um die Sprödigkeit des keramischen Materials zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung kann auf andere Produkte als die in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Produkte angewendet werden.
Anschließend wird eine fünfte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren 10 bis 17 beschrieben.
Bei dieser speziellen Ausführungsform werden Keramikteilchen 82 mit einem hohlen Teil 81 verwendet, wie dies in Figuren 10 und 11 dargestellt ist. Wie bei der vierten Ausführungsform wird das Keramikteilchen 82 fit Metallteilchen 83 beschichtet. Das Metallteilchen 83 hat einen kleineren Durchmesser als des Keramikteilchens 82, beispielsweise ein Zehntel des Durchmessers des Keramikteilchens. Die Metallteilchen 83 werden gezwungen, an dem Keramikteilchen 82 zu haften, und es werden Stoßkräfte auf sie ausgeübt derart, daß die Metallteilchen 83 fest an dem Keramikteilchen 82 haften. In dieser Weise erhält man das Kapselteilchen 86, das das hohle Keramikteilchen 82 als Kernteilchen 84 und die Metallteilchen 83 als Hüllteilchen 85 hat, wie dies in Figur 11 dargestellt ist.
Das Kapselteilchen 86 kann mit dem System gemäß Figur 9 hergestellt werden, jedoch wird hier ein anderes System verwendet, das in den Figuren 12 und 13 dargestellt ist.
Das System wird verwendet, um die Kapselteilchen in einem Trockenverfahren herzustellen. Das System umfaßt eine elektrostatische Einrichtung 91, eine Fördereinrichtung 92, eine Umwälzeinrichtung (Hybridisierer) 93 und eine Pulverkörpersammeleinrichtung 94. Die elektrostatische Einrichtung 91 dient dazu, kleine Teilchen zum Anhaften an einem Basisteilchen zu bringen. Das kleine Teilchen hat einen gegenüber dem Basisteilchen kleineren Durchmesser. Die Fördermaschine 92 wird dazu verwendet, die Basisteilchen mit den an ihnen haftenden kleineren Teilchen zu fördern. Die Umwälzmaschine 93 wird dazu verwendet, Stöße oder Impulskräfte auf die Teilchen auszuüben. Die Sammelmaschine 94 dient dazu, die hergestellten Kapselteilchen aufzunehmen. Diese Einrichtungen 91, 92 und 93 werden durch eine Steuereinrichtung 95 gesteuert.
Wie in Figur 13 dargestellt ist, ist in der Umwälzmaschine 93 ein Rotor 98 drehbar gelagert. Der Rotor 98 enthält einen Stator 96 und der Stator 96 hat Schaufeln 97. die zu behandelnden Teilchen, die von einer Zufuhrrinne 98 zugeführt werden, werden durch die Zentrifugalkraft des Rotors 98 weggeblasen oder gestreut, wie dies durch die gestrichelte Linie "b" angedeutet ist. Während dieses Prozesses treffen die Teilchen auf die Innenwand des Stators 96 und die Schaufeln 97, sodaß Stoßkräfte auf die Teilchen ausgeübt werden und diese durch den Umlaufkanal 100 wiederholt in den Hochgeschwindigkeitsluftstrom gestoßen werden. Dann wird ein Auslaßventil 101 des Stators 96 geöffnet und die Kapselteilchen werden durch eine Auslaßöffnung 102 abgegeben.
Die hohlen Keramikteilchen 82 und die an ihnen haftenden Metallteilchen 83 werden in die Umwälzmaschine 93 hineingeschleudert und die Stoßkräfte werden auf die Teilchen durch den Hochgeschwindigkeitsluftstrom für circa 1 bis 10 Minuten ausgeübt. Die Drehgeschwindigkeit des Rotors 98 liegt zwischen 8000 und 16000 Umdrehungen pro Minute. Das Produkt 86 ist das Kapselteilchen, dessen Elemente fest miteinander verbunden sind.
Das Verfahren zum Herstellen des Kapselteilchen 86 ist nicht auf die oben beschriebene Methode beschränkt, sondern kann auch ein bekanntes Naßverfahren sein.
Anschließend werden die Feinteilchen (eine Anzahl von Kapselteilchen 86) zu einer vorgegebenen Konfiguration geformt, wie bei dem normalen Sintern von Metall und dann in einem Sinterofen bei einer Sintertemperatur des Metalles gesintert.
Das resultierende Produkt ist der gesinterte Körper 87, der in Figur 14 dargestellt ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, erhält man einen aus den hohlen Keramikteilchen 82 und den Metallteilchen (Hüllteilchen) 85 aggregierten Körper. Die Oberfläche des gesinterten Körpers 86 ist mit Metall bedeckt. Dies ist dieselbe Situation wie beim Beschichten von keramischen Metall.
Der gesinterte Körper 87 und das Gußeisen werden mit dem gesinterten Körper 87 als Einsatz gegossen wie bei der vierten Ausführungsform und man erhält ein Gußteil mit eingebettetem keramischen Material. Da der gesinterte Körper 87 aus Kapselteilchen 86 hergestellt ist, welche die hohlen Keramikteilchen 82 als Einlage enthalten, hat auf diese Weise das Gußteil mit dem gesinterten Körper 87 als Einlage eine weiter verbesserte thermische Isolierfähigkeit. Insbesondere, da die Kernteilchen hohle Teilchen sind, verbessern die Luftschichten in den hohlen Abschnitten weiter die thermische Isolierfähigkeit.
Rostfreie Feinteilchen (SUS 304) können als Hüllteilchen 85 für die Kapselteilchen 86 verwendet werden. In diesem Falle liegt die Sintertemperatur zwischen ungefähr 900 und ungefähr 1000ºC.
Die fünfte Ausführungsform kann in demselben Feld wie die vierte Ausführungsform eingesetzt werden. Beispielsweise kann die fünfte Ausführungsform als thermisches Isolierelement auf der Oberseite des Kolbens (Gußeisen) verwendet werden, wie dies in Figur 16 dargestellt ist.
Mit anderen Worten heißt dies, daß der gesinterte Körper 111 mit der Form einer Brennkammer an der Kolbenoberseite aus den Kapselteilchen 86 hergestellt ist. Der gesinterte Körper 111 wird in der Gußform (nicht dargestellt) zum Gießen des Kolbens 112 angeordnet und das geschmolzene Metall wird in die Form eingegossen. Zu diesem Zeitpunkt reagiert das geschmolzene Metall mit dem Metall (Hüllteilchen 85) an der Oberfläche des gesinterten Körpers 111 und verbindet sich mit der Oberfläche des gesinterten Körpers 111, wie dies in Figur 16 dargestellt ist. Auf diese Weise wird das Gußeisen 113 über den gesinterten Körper gegossen oder der gesinterte Körper wird zu einem Einsatz in dem Gußeisenprodukt.
Der gesinterte Körper 111 ist mit dem Metall auf Teilchenebene bedeckt, sodaß die metallische Hüllschicht als Spannungsabsorbierer dient, wenn das Gußeisen erstarrt. Außerdem ist die thermische Ausdehnung des Produktes ähnlich der des Gußeisens (13 x 10&supmin;&sup6; 1/ºC), sodaß keine Möglichkeit für das Auftreten von Rissen aufgrund der thermischen Expansion besteht.
Die hohlen Keramikteilchen können poröse Vulkanasche- Sandkörner sein, die in der Natur auftreten. Beispielsweise können Sandkörner 121 ("Shirasu") gemäß Figur 17 verwendet werden. "Shirasu" kann in dem Bereich von Kyushu in Japan gefunden werden und enthält porösen Bimsstein und vulkanische Gläser als Hauptbestandteile. Die Korngröße von sogenanntem feinen "Shirasu" liegt unter 74 Mikrometer für 40 bis 60 % desselben (Gewichtsprozent) und zwischen 74 und 420 Mikrometer für 50 bis 40 %. Die Korngröße von sogenanntem groben "Shirasu" liegt zwischen 120 Mikrometer für 30 bis 40 % des Gewichtes.
Durch die Verwendung von "Shirasu" kann der Vorbereitungsprozess für hohle Keramikteile entfallen und die Herstellungskosten werden gesenkt.

Claims

1. Gußteil aus metallischem Werkstoff und Keramikwerkstoff, wobei der Keramikwerkstoff ein Einsatz ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußteil umfaßt:

einen aus Kapselteilchen (74) zusammengesetzten Körper, wobei das Kapselteilchen (74) ein mit metallischen Partikeln (72) überzogenes Keramikteilchen (71) enthält; und

einen um den zusammengesetzten Körper gegossenen metallischen Werkstoff.

2. Gußteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Körper eine Pulverpressung aus Kapselteilchen (74) enthält.

3. Gußteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Körper einen gesinterten Körper enthält, der durch Sintern eines Pulverkörpers aus Kapselteilchen (74) gebildet ist.

4. Gußteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikteilchen (71) ein Keramikteilchen (82) mit einem Hohlraum (81) ist.

5. Gußteil nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des Keramikteilchens (71, 82) zwischen ungefähr 10 und 500 Mikrometer liegt.

6. Gußteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Korndurchmessers des Keramikteilchens (71, 82) und des Korndurchmessers des Metallteilchens (72, 83) ungefähr 10 zu 1 ist.

7. Gußteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anteilsverhältnis der Keramikteilchen (71, 82) zu den Metallteilchen (72, 83) 70 zu 30 ist, oder daß weniger Metallteilchen enthalten sind.

8. Gußteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekeniizeichnet, daß die Keramikteilchen (71, 82) Al&sub2;O&sub3; enthalten.

9. Gußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikteilchen (82) Sandkörner aus poröser Vulkanasche enthalten.

10. Gußteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sandkörner Vulkanasche "Shirasu" (121) enthalten.

11. Gußteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf 40 bis 60% des Gewichts von "Shirasu" (121) Körner mit einer Korngröße von weniger als 74 Mikrometer und auf 50 bis 40% Körner mit einer Korngröße von 74 bis 420 Mikrometer kommen.

12. Gußteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf 30 bis 40% des Gewichts von "Shirasu" (121) Körner mit einer Korngröße unter 120 Mikrometer kommen.

13. Gußteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen (72, 83) Eisen enthalten.

14. Gußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen (72, 83) Edelstahl enthalten.

15. Gußteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Werkstoff Gußeisen enthält.

16. Gußteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekezinzeichnet, daß der zusammengesetzte Körper dort ausgebildet ist, wo das Teil hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist.

17. Gußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Körper einen kompakten oder gesinterten Körper (13) enthält, der eine im einem Kolbenkopf (12) ausgebildete Verbrennungskammer (14) definiert.

18. Gußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Körper einen kompakten oder gesinterten Körper (24) enthält, der eine Innenwand (23) eines Auspuffkrümmers (21) bildet.

19. Gußteil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (23) eine Innenwand (23) an einem Eintritt (26) des Auspuffkrümmers (21) ist.

20. Gußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammengesetzte Körper ein kompakter oder gesinterter Körper (34, 35) ist, der den unteren Teil (32) eines Zylinderkopfes (31) und/oder einer Zylinderöffnungsbuchse (33) bildet.

21. Verfahren zur Herstellung eines Gußteils, wobei ein metallischer Werkstoff und ein Keramikwerkstoff verwendet wird und der Keramikwerkstoff ein Einsatz ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(A) Überziehen eines Keramikteilchens (71) mit Metallteilchen (72) zur Bildung eines Kapselteilchens (73);

(B) Bildung einer Pulverpressung vorbestimmter Form aus den Kapselteilchen (73); und

(C) Gießen des metallischen Werkstoffs über die Pulverpressung und gleichzeitiges Sintern der Pulverpressung.

22. Verfahren zur Herstellung eines Gußteils, wobei ein metallischer Werkstoff und ein Keramikwerkstoff verwendet wird, und wobei der Keramikwerkstoff ein Einsatz ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(B) Bildung einer Pulverpressung vorbestimmter Form aus den Kapselteilchen (73);

(C) Sintern der Pulverpressung zur Bildung eines gesinterten Körpers; und

(D) Gießen des metallischen Werkstoffs über den gesinterten Körper, zur Bildung des Gußteils.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt zur Bildung des Kapselteilchens die Schritte umfaßt:

(D; E) Pressen einer Anzahl von Metallteilchen auf eine Fläche des Keramikteilchens derart, daß die Metallteilen auf dem Keramikteilchen haften, wobei der Durchmesser der Metallteilchen kleiner ist als der des Keramikteilchens, so daß ein Zwischenprodukt entsteht; und

(E; F) Beaufschlagen des Zwischenprodukts mit einem Stoß- oder Schockeffekt durch Hochgeschwindigkeits- Luftfluß derart, daß sich die Metallteilchen in dem keramischen Teilchen verankern oder in es eindringen, wodurch das Kapselteilchen entsteht.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zur Bildung des Kapselteilchens (74) von einer Maschine (41) zum Beaufschlagen von Feinteilchen mit einem Stoß oder von einer Walzmaschine (93) ausgeführt wird.

25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Pulverpressung das Pressen und Fornen des Kapselteilchens (74) umfaßt.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bildung des Sinterkörpers die Sintertemperatur zwischen etwa 900 und etwa 1000ºC liegt.