DE10153306A1

DE10153306A1 - Verfahren zum Eingießen eines Einlegeteils

Info

Publication number: DE10153306A1
Application number: DE2001153306
Authority: DE
Inventors: Franz Rueckert; Peter Stocker
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2021-11-01
Also published as: DE10153306B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eingießen eines Einlegeteils auf Eisen-Basis in ein Leichtmetall-Gussbauteil, wobei das Einlegeteil an einer dem Gussteil zugewandten Oberfläche konditioniert wird, anschließend in ein Gießwerkzeug lagedefiniert positioniert wird, mit Gießmetall umgossen wird, wonach eine feste Verbindung zwischen dem Einlegeteil und dem erstarrten Gießmetall an der konditionierten Oberfläche erfolgt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Konditionierung der Oberfläche des Einlegeteils das Einlegeteil zunächst in ein weiteres Gießwerkzeug eingelegt wird, im Druckgießverfahren eine Leichtmetallschicht auf das Einlegeteil aufgebracht wird und in die Leichtmetallschicht Oberflächenvertiefungen eingebracht werden. In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung wird die Oberfläche des Einlegeteils mit einer thermischen Spritzschicht konditioniert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eingießen eines metallischen Einlegeteils in ein Leichtmetall-Gussbauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
Gussbauteile, insbesondere Leichtmetall-Gussbauteile werden häufig durch Einlegeteile, die durch Eingießen in das Bauteil integriert werden, verstärkt. Diese Einlegeteile stellen lokale Werkstoffverbesserungen dar wie z. B. bessere Verschleißbeständigkeit, höhere mechanische Festigkeit oder thermische Beständigkeit.
Eine technische Schwierigkeit beim Eingießen derartiger Einlegeteile besteht oftmals in der unbefriedigenden Haftung zwischen der Oberfläche des Einlegeteils und dem erstarrten Gießmetall. Die kurze Berührungszeit zwischen der metallischen Schmelze und dem Einlegeteil sowie geringe Benetzung, wie sie in verschieden Materialpaarungen auftritt, verhindert in den meisten Fällen eine chemische Verbindung bzw. ein Legieren des Gießmetalls und des Einlegeteils an deren Grenzflächen. Ein Spalt an der Grenzfläche kann den Wärmeübergang beeinträchtigen oder eine mechanische Schwachstelle darstellen.
Diesem Problem wird derzeit durch ein Aufrauen der Oberfläche des Einlegeteils begegnet. Das Aufrauen erfolgt zuweilen durch Sandstrahlen oder wie in der DE 197 50 687 A1 am Beispiel einer Zylinderlaufbuchse beschrieben wird, durch spanabhebendes Bearbeiten der Oberfläche und anschließenden Sandstrahlen. Hierdurch werden an der Oberfläche des Halbzeuges mikroskopische Hinterschnitte erzeugt, die eine Verklammerung zwischen dem Gießmetall und dem Einlegeteil bewirken.
Reines Sandstrahlen führt jedoch nicht zu gewünschten Hinterschnitten, sondern im Wesentlichen zu Vertiefungen an der Oberfläche. Das Verfahren nach der DE 197 50 687 A1 erzeugt die gewünschten Hinterschnitte, ist jedoch in seiner Gesamtheit sehr teuer.
Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik tritt dann auf, wenn mit den beschriebenen Verfahren Einlegeteile auf Eisen- Basis, insbesondere aus Gusseisen in Niederdruck-Gießverfahren eingegossene werden. Der Druck der Leichtmetallschmelze reicht in weiten Bereichen nicht aus, um die erzeugten Vertiefungen gänzlich auszufüllen. Hinzu kommt, dass Einlegeteile auf Eisen-Basis bei den relativ niedrigen Gießtemperaturen der Leichtmetallschmelzen keine chemische Bindung mit den Leichtmetallen eingehen.
Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Haftung von Einlegeteilen auf Eisen-Basis gegenüber Leichtmetallen in Gussbauteilen zu verbessern.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 3.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 wird ein Einlegeteil auf Eisen-Basis zuerst in ein Druckgusswerkzeug, das zur Konditionierung dient, eingelegt. Das Druckgusswerkzeug ist derart ausgelegt, dass es einen Formhohlraum aufweist, der eine annähernd gleiche, jedoch vergrößerte Form des Einlegeteils aufweist. Zudem weist eine Wand des Druckgusswerkzeuges ein Oberflächenprofil auf. Das Einlegeteil wird in dem Druckgusswerkzeuges so positioniert, dass es umlaufend in etwa gleiche Abstände zu der Werkzeugwand aufweist.
Im folgenden Schritt wird der verbleibende, nicht durch das Einlegeteil ausgefüllte Formhohlraum des Druckgusswerkzeuges unter erhöhtem Druck mit Aluminium oder Magnesium oder einer Legierung dieser Metalle (im Folgenden Leichtmetall genannt) gefüllt. Unterstützt durch den hohen Druck, verbindet sich das Leichtmetall mit der Oberfläche des Einlegeteils mechanisch und/oder chemisch, was eine gute Haftung zwischen der Leichtmetallschicht und dem Einlegeteil zur Folge hat.
Die so erzeugte Verbindung von Einlegeteil auf Eisen-Basis und Leichtmetallschicht wird im Folgenden als Verbundeinlegeteil bezeichnet. Auf der Leichtmetallschicht des Verbundeinlegeteils ist die Oberflächenstruktur abgebildet, die aus dem Druckgusswerkzeug hervorgeht. Diese Oberflächenstruktur führt beim folgenden Eingießen des Verbundeinlegeteils zu einer besseren Haftung zwischen dieser und dem so dargestellten Bauteil.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere dann, wenn das Einlegeteil in großvolumige Bauteile eingegossen wird und wenn das Gießen unter geringem Druck erfolgt.
Als Oberflächestrukturen sind alle Strukturen denkbar, die keine Hinterschnitte erzeugen und somit die Entformung nicht beeinträchtigen. Rillenstrukturen und pyramidenförmige Vertiefungen haben sich als zweckmäßig herausgestellt.
Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren nach Anspruch 3. Die Konditionierung des Einlegeteils erfolgt durch eine thermische Spritzschicht. Die Spritzpartikel setzen sich auf der Oberfläche des Einlegeteils, das eine Grundrauhigkeit aufweist, fest. Durch die Spritzschicht werden Hinterschneidungen, die bereits auf der Oberfläche des Einlegeteils vorhanden sind, ausgefüllt, was zu einer besonders guten Haftung führt.
Die Spritzschicht, die auf der Basis eines Leichtmetalls besteht, insbesondere auf der Basis des Leichtmetalls, durch das das spätere Bauteil gegossen wird, bildet eine Übergangsschicht vom Einlegeteil zum Bauteilmetall. Die Spritzschicht weist wiederum eine Oberflächenrauigkeit mit Hinterschneidungen auf, in denen sich das Gießmetall verklammern kann. Dabei geht das Gießmetall mit dem gleichartigen Metall der Spritzschicht Oberflächeniegierungen ein, die wiederum zu einer festen Verbindung und zu einer guten Haftung führen.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Spritzschichten mit einem hohen Spritzdruck, wie er beim Lichtbogendrahtspritzen (LDS) oder beim kinetischen Kaltgaskompaktieren (K3) auftritt, zu erzeugen. Durch den hohen Druck werden Vertiefungen und Hinterschneidungen, die auf der Oberfläche des Einlegeteils vorhanden sind, gut gefüllt, was zu einer guten Haftung führt.
Insbesondere bei der Herstellung von Aluminiumbauteilen mit Einlegeteilen hat sich herausgestellt, dass Spritzschichten auf der Basis von Aluminium-Silizium-Legierungen besonders vorteilhaft sind. Der Siliziumanteil liegt zwischen 4% und 12%, bevorzugt zwischen 5% und 7%. Die Spritzschicht kann noch weitere übliche Legierungszusätze wie Kupfer enthalten. Die Schichtdicke beträgt üblicherweise zwischen 200 µm und 300 µm.
Als Material für das Einlegeteil ist Gusseisen gut geeignet, welches eine hohe Festigkeit und eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist. Der sogenannte Rauguss ist eine Form des Gusseisens mit besonders rauer Oberfläche. Die raue Oberfläche bildet eine gute Verklammerung mit der Spritzschicht nach Anspruch 3 oder der Leichtmetallschicht nach Anspruch 1.
Im Folgenden werden die erfindungsgemäßen Verfahren an drei bevorzugten Beispielen veranschaulicht. Die Figuren dienen der Verdeutlichung der Verfahrensschritte.
Es zeigen:
Fig. 1a eine Schnittzeichnung eines zylinderförmigen Verbundeinlegeteils umfassend ein Einlegeteil auf Eisen-Basis und eine Leichtmetallschicht mit Rillenstruktur,
Fig. 1b eine vergrößerte Darstellung des Details 1b aus Fig. 1a,
Fig. 2 eine Schnittzeichnung eines zylinderförmigen Verbundeinlegeteils umfassend ein Einlegeteil auf Eisen-Basis und eine Leichtmetallschicht mit Pyramidenstruktur,
Fig. 3 ein Einlegeteil auf Eisenbasis mit einer thermisch gespritzten Schicht.

Beispiel 1

Ein zylinderförmiges Einlegeteil 1 (Fig. 1a und 1b) aus Rauguss mit einer rauen Oberfläche 5 wird in ein Druckgießwerkzeug eingelegt. Hierzu wird das Einlegeteil 1 auf einer Pinole in einem Formhohlraum des Druckgusswerkzeuges positioniert. Im geschlossen Zustand des Druckgießwerkzeuges ist das Einlegeteil im Formhohlraum derart angeordnet, dass seine äußere Oberfläche 5 einen nahezu äquidistanten Abstand zu einer Werkzeugwand aufweist. Die Werkzeugwand ist mit einer Oberflächenstruktur in Form eines Rillenmusters versehen.
Anschließend wird der Formhohlraum unter Druck (800 bar) mit Aluminium (Legierung AlSi9Cu3) gefüllt. Das Aluminium füllt den Raum zwischen der Werkzeugwand und dem Einlegeteil 1 und dringt auf Grund des hohen Drucks in die mikroskopischen Strukturen der rauen, teilweise Hinterschneidungen 6 aufweisenden Oberfläche 5 des Einlegeteils 1. Durch die gleichmäßige Ausfüllung der Oberflächenstruktur 5 entsteht nach dem Erstarren des Aluminiums eine Leichtmetallschicht in Form einer Aluminiumschicht 3 mit einer guten Haftung zum Einlegeteil 1. Der Innenbereich des zylindrischen Einlegeteils wird durch die Pinole ausgefüllt und bleibt nach dem Gießen frei von Aluminium. Auf der Aluminiumschicht 3 ist eine Rillenstruktur 9 abgebildet, die durch die Oberfläche der Werkzeugwand erzeugt wird. Einlegeteil 1 und Aluminiumschicht 3 werden gemeinsam als Verbundeinlegeteil 7 bezeichnet.
Das Verbundeinlegeteil 7 wird nun in eine Sandform eingelegt und auf einem Sandkern positioniert. Durch die Sandform wird ein Zylinderkurbelgehäuse für einen Verbrennungsmotor abgebildet. Das Verbundeinlegeteil 7 dient zur Darstellung einer Zylinderlaufbuchse. Das Formfüllen der Sandform mit einer Aluminiumlegierung erfolgt nach einem üblichen Sandgießverfahren. Die Aluminiumlegierung wird im Folgenden im flüssigen Zustand Gießmetall, im erstarrten Zustand Bauteil genannt. Nach dem Erstarren des Gießmetalls und dem Entformen des Bauteils besteht eine weitgehend spaltfreie Verbindung zwischen dem Verbundeinlegeteil 7 entlang der Aluminiumschicht 3 und dem Bauteil.
Die gute, nahezu spaltfreie Verbindung ist vorwiegend auf zwei Faktoren zurückzuführen. Erstens kommt es zu lokalen, oberflächlichen Aufschmelzungen der Aluminiumschicht 3 und somit zu einem oberflächlichen Legieren des Gießmetalls und dem Aluminium der Aluminiumschicht 3 des Verbundeinlegeteils 7. Stünde das Gießmetall im direkten Kontakt mit dem Einlegeteil auf Eisen-Basis, so würde auf Grund des hohen Eisenschmelzpunktes kein lokales Aufschmelzen der Oberfläche erfolgen. Zweitens führt die makroskopische Rillenstruktur 9 auf der Aluminiumschicht 3 des Verbundeinlegeteils 7 zu einer weiteren vorteilhaften Verklammerung zwischen dem Metall des Bauteils und dem Verbundeinlegeteil. Die Aluminiumschicht 3 dient somit als haftvermittelnde Schicht zwischen dem Einlegeteil auf Eisen- Basis und dem umgebenden Bauteil.

Beispiel 2

Das Verfahren nach Beispiel 2 erfolgt analog dem Beispiel 1 die Unterschiede bestehen darin, dass die Leichtmetallschicht 3' eine Magnesiumschicht ist (Fig. 2), in die Oberflächenvertiefungen in Form von Pyramiden 11 eingebracht sind. Ferner wird das Verbundeinlegeteil 7' in eine Dauergießform (Kokille) eingelegt und das Zylinderkurbelgehäuse im Kokillenguss aus einer Magnesiumlegierung (AZ91) dargestellt. Die haftvermittelnde Wirkung der Magnesiumschicht 3' erfolgt analog dem Beispiel 1.

Beispiel 3

Ein Einlegeteil 13 aus Rauguss analog den vorhergehenden Beispielen wird im Lichtbogendrahtspritzen mit einer Spritzschicht 17 aus einer Aluminium-Silizium-Legierung versehen (AlSi7Cu). Die Schichtdicke beträgt 250 µm. Das Material der Spritzschicht dringt in die Konturen der rauen Oberfläche 15 des Einlegeteils 13 ein. Sie weist eine sehr gute mechanische Verklammerung und somit eine sehr gute Haftung auf.
Im weiteren Verfahrensablauf folgt das Beispiel 3 dem Beispiel 1. Die Spritzschicht 17 stellt analog der Aluminiumschicht 3 eine Haftvermittlungsschicht dar. Die Wechselwirkung der Spritzschicht 17 erfolgt nach den selben Mechanismen wie die der Aluminiumschicht 3.
Das erfindungsgemäße Einlegeteil kann ebenso als Verstärkungsteil im Lagerbereich z. B. eines Zylinderkurbelgehäuses eingesetzt werden. Besonders zweckmäßig sind sie stets bei Niederdruck Gießverfahren. Ferner sind Einlegeteile zur Verstärkung hochbelasteter Bereiche im Zylinderkopf zweckmäßig. Generell sind die erfindungsgemäßen Verfahren stets bei Verbundguss insbesondere dann anwendbar, wenn ein Bauteil auf Eisenbasis in ein Leichtmetallbauteil zu integrieren ist. Dies ist z. B. auch vorteilhaft beim Angießen eines Bremsscheiben Topfes aus Aluminium an einen Brems-Reibring aus Grauguss.

Claims

1. Verfahren zum Eingießen eines Einlegeteils auf Eisen-Basis in ein Leichtmetall-Gussbauteil, wobei das Einlegeteil an einer dem Gussbauteil zugewandten Oberfläche zumindest teilweise konditioniert, anschließend in ein Gießwerkzeug lagedefiniert positioniert wird, mit Gießmetall umgossen wird, wonach eine feste Verbindung zwischen dem Einlegeteil und dem erstarrten Gießmetall an der konditionierten Oberfläche erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
dass zur Konditionierung der Oberfläche des Einlegeteils das Einlegeteil zunächst in ein Druckgießwerkzeug eingelegt wird,
im Druckgießverfahren eine Leichtmetallschicht auf das Einlegeteil aufgebracht wird und
in die Leichtmetallschicht Oberflächenvertiefungen eingebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenvertiefungen pyramidenförmig oder Rillenförmig ausgebildet sind.

3. Verfahren zum Eingießen eines Einlegeteils auf Eisen-Basis in ein Leichtmetall-Gussbauteil, wobei das Einlegeteil an einer dem Gussbauteil zugewanden Oberfläche zumindest teilweise konditioniert wird, anschließend in ein Gießwerkzeug lagedefiniert positioniert wird, mit Gießmetall umgossen wird, wonach eine feste Verbindung zwischen dem Einlegeteil und dem erstarrten Gießmetall an der konditionierten Oberfläche erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Konditionierung der Oberfläche des Einlegeteils das Einlegeteil mit einer thermischen Spritzschicht auf Leichtmetallbasis versehen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht durch kinetisches Kaltgaskompaktieren oder durch Lichtbogendrahtspritzen aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzschicht aus einer Aluminium-Silizium- Legierung besteht, die zwischen 4% und 12% Silizium enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil aus Rauguss besteht.