DE102004039306A1

DE102004039306A1 - Verfahren zum Herstellen eines Verbundgussteils

Info

Publication number: DE102004039306A1
Application number: DE200410039306
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Landerl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2006-02-23

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Verbundgussteils, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Kurbelgehäuses, bestehend aus einem als Gussteil hergestellten Grundkörper und mindestens einer in diesem eingebetteten, übereutektisch siliziumhaltigen Leichtmetall-Laufbuchse, wird erfindungsgemäß eine gewichtsoptimale und belastungsgerechte Bauteilfertigung dadurch erreicht, dass zunächst eine poröse Siliziumbuchse getrennt vom Grundkörper mit einer untereutaktischen Aluminium-Siliziumlegierung durchtränkt und beim Durchtränken von einem Außenmantel aus der die Buchse durchsetzenden Aluminiumlegierung umschlossen wird und anschließend die so separat vorgefertigte Laufbuchse als eigenstabiles Insert beim Vergießen des Grundkörpers mit dem Grundkörpermaterial umgossen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundgussteils, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Kurbelgehäuses, sowie auf ein verfahrensgemäß hergestelltes Verbundgussteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 8.

Es ist bekannt, Kraftfahrzeug-Kurbelgehäuse als Verbundgussteile aus unterschiedlichen, jeweils nach Maßgabe der örtlichen thermomechanischen Belastungen ausgewählten Leichtmetall-Gusslegierungen herzustellen. So werden für den Laufflächenbereich bevorzugt übereutektische Aluminium-Siliziumlegierungen verwendet, die zwar kostspielig sind und sich im Allgemeinen nur im Wege des Niederdruckverfahrens vergießen lassen, aufgrund ihrer hohen Siliziumanteile aber eine ideale, verschleißbeständige Gleitfläche bilden, während ansonsten untereutektische Aluminiumlegierungen oder bei neueren Kurbelgehäusekonzepten auch Magnesiumlegierungen, welche bei annähernd gleicher Festigkeit eine nochmalige Gewichtsreduzierung erbringen, allerdings auch eine vergleichsweise geringe Korrosionsbeständigkeit, Kriechfestigkeit und Steifigkeit aufweisen, zum Einsatz kommen. Nach diesem Leichtbaukonzept wird ein bekanntes Zylinderkurbelgehäuse in der Weise hergestellt, dass zunächst ein Gussteil einschließlich der Laufflächen, der Verschraubungen und der Kühlwasserkanäle aus einer übereutektischen Aluminiumlegierung im Niederdruckverfahren angefertigt und dieses dann als zentrales Kernstück mit einer den Grundkörper des Kurbelgehäuses bildenden Magnesiumlegierung umgossen wird, wobei das Aluminium-Gussteil aus Gründen einer verbesserten Grenzflächenbindung vor dem Magnesiumumguss noch mit einer Zwischenschicht aus untereutektischem Aluminium belegt wird.

Bei einem bekannten Kurbelgehäuse der eingangs genannten Art hingegen kommt für den Laufflächenbereich eine poröse, unter dem Markennamen Lokasilbuchse geführte Siliziumstruktur zur Anwendung, die als Insert in das Gusswerkzeug eingesetzt und dann mit einer untereutektischen Aluminiumlegierung durchtränkt und umgossen wird. Auf diese Weise wird das gesamte Kurbelgehäuse in einem einzigen Gussvorgang mit einer im Laufflächenbereich gleichförmig übereutektisch siliziumhaltigen, im Übrigen untereutektischen Aluminium-Gefügestruktur angefertigt. Dabei ergeben sich jedoch erhebliche gusstechnische Schwierigkeiten, da derartige Lokasilbuchsen einerseits sehr bruchempfindlich sind, andererseits aber nur im Druckguss ausreichend leichtmetalldurchtränkt werden können, so dass es bei Verwendung üblicher Druckgusswerkzeuge zu hohen Ausschussraten kommt und man daher gezwungen ist, auf kostspielige Sondermaschinen mit einer komplizierten Gießmengen- und -drucksteuerung zurückzugreifen, um ohne Beschädigung der porösen Siliziumstruktur ein insgesamt lunkerfreies Kurbelgehäuse zu erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Verbundgussteil der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen unterschiedliche Materialbereiche mit den örtlichen Belastungen entsprechenden Werkstoffeigenschaften auf herstellungsmäßig einfache, kostengünstige und vor allem seriengerechte Weise zu einer integralen Leichtmetallstruktur verbunden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren bzw. das im Patentanspruch 8 gekennzeichnete Verbundgussteil gelöst.

Erfindungsgemäß wird die poröse Siliziumstruktur zunächst getrennt vom Grundkörper in einem üblichen Druckgusswerkzeug mit einem bezogen auf das Gesamtbauteil geringen Füllvolumen leichtmetalldurchtränkt und dadurch unter Verzicht auf eine baulich und steuerungsmäßig aufwändige Sondergussmaschine, dennoch aber auf gusstechnisch schonende Weise und somit ohne Bruchgefahr der fragilen Siliziumstruktur ein im Laufbereich übereutektisch siliziumhaltiges, lunkerfreies und eigenstabiles Gussinsert mit einer definierten Verteilung des Primärsiliziumanteils vorgefertigt, welches dann in einem weiteren Fertigungsschritt problemlos mit der den tragenden Grundkörper des Verbundgussteils bildenden Leichtmetalllegierung umgossen werden kann. Auf diese Weise wird erfindungsgemäß mit geringem maschinellen Aufwand eine kostengünstige Serienfertigung eines Leichtmetall-Verbundgussteils, insbesondere eines Zylinderkurbelgehäuses, mit gewichtsoptimal auf die örtlich jeweils unterschiedlichen Belastungen abgestimmten Materialeigenschaften in gleichbleibend hoher Fertigungsqualität ermöglicht.

Zum Durchtränken der porösen Siliziumstruktur wird aus Gründen geringer Materialkosten und einer zugleich leichten Vergießbarkeit vorzugsweise eine untereutektische Al-Si-Gusslegierung verwendet, aus welcher in besonders bevorzugter Weise gleichzeitig mit dem Durchtränkungsvorgang ein die poröse Siliziumstruktur auf der Außenseite umschließender Gussmantel gebildet wird. Das so vorgefertigte Gussinsert besteht also in diesem Fall laufflächenseitig aus der mit der untereutektischen Aluminiumlegierung durchtränkten, porösen Siliziumstruktur und dem mit dieser integral vergossenen Außenmantel aus einer untereutektischen Aluminiumlegierung, also einer Leichtmetallzone mit vergleichsweise hohen Kriech- und Korrosionsbeständigkeits- sowie Festigkeits- und Steifigkeits-Kennwerten, in welcher insbesondere die Kühlmittelführung und die Verschraubungen eines Kurbelgehäuses untergebracht werden. Die für die Grundfestigkeit des Verbundgussteils maßgebliche Gusslegierung, mit welcher das Gussinsert im zweiten Fertigungsschritt umgossen wird, wird aus Ge wichtsgründen zweckmäßigerweise aus einer Magnesiumlegierung hergestellt, welche mit dem untereutektischen Aluminiummantel des Gussinserts unmittelbar und ohne das Erfordernis einer eigens aufgebrachten Zwischenschicht eine enge Bindung eingeht.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:
1 einen Schnitt eines Gusswerkzeugs zur Herstellung eines Gussinserts nach der Erfindung; und
2 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäß hergestellten Verbundgussteils in Form eines Zylinderkurbelgehäuses im Bereich einer der Zylinderlaufbuchsen, ebenfalls in geschnittener Darstellung.
Das in 2 ausschnittsweise dargestellte Aluminium-Magnesium-Verbundkurbelgehäuse enthält im Bereich der einzelnen Zylinderlaufflächen jeweils eine Laufbuchse 1, bestehend aus einer porösen und mit einer untereutektischen Aluminium-Gusslegierung durchtränkten Siliziumstruktur, welche von einem Außenmantel 2 aus dem Durchtränkungsmaterial der Siliziumstruktur, also ebenfalls der untereutektischen Aluminiumlegierung, umgossen ist. Im Außenmantel 2 sind Kühlmittelführungen 3 sowie (nicht gezeigte) Befestigungsstellen für die stärker belasteten Verschraubungen des Kurbelgehäuses vorgesehen. Mit dem Außenmantel 2 ist der die Bauteilfestigkeit maßgeblich bestimmende, aus einer Magnesiumlegierung bestehende Grundkörper 4 des Kurbelgehäuses vergossen.
Die Herstellung des Kurbelgehäuses erfolgt in zwei Fertigungsschritten in der Weise, dass zunächst gemäß 1 ein Gussinsert 5 in einem Druckgusswerkzeug 6 vorgefertigt wird, welches aus einem Werkzeugunterteil 7 und einem Werkzeugdeckel 8 mit einem zentralen Stempelteil 9 und seitlichen, die Kühlmittelführungen 3 ausbildenden Formkörpern 10 besteht. Vor dem Verschließen des Druckgusswerkzeugs 6 wird die offenporig poröse Siliziumstruktur (Markenname Lokasilbuchse) am zentralen Stempelteil 9 fixiert, und nach dem Schließen des Werkzeugdeckels 8 wird die Formkavität mit einer untereutektischen Aluminium-Gusslegierung druckgefüllt, so dass die Siliziumstruktur vollständig mit der Aluminiumlegierung durchtränkt und auf der Außenseite integral von dem aus der reinen Durchtränkungslegierung bestehenden Außenmantel 2 umgossen wird.
In einem zweiten Fertigungsschritt wird das so vorgefertigte, aus der Laufbuchse 1 und dem Außenmantel 2 gebildete Gussinsert 5 in einem weiteren Gusswerkzeug positionsgenau fixiert und anschließend mit der den Grundkörper 4 bildenden Magnesiumlegierung umgossen. Zusätzlich zu der Grundfestigkeit des Kurbelgehäuses übernimmt der Magnesium-Grundkörper 4 als weitere Funktionen z.B. die Ölführung (Ölkanäle 11) und/oder die Halterung von Motor-Nebenaggregaten.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Verbundgussteils, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Kurbelgehäuses, bestehend aus einem als Gussteil hergestellten Grundkörper und mindestens einer in diesen eingebetteten, übereutektisch siliziumhaltigen Leichtmetall-Laufbuchse, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine poröse Siliziumbuchse getrennt vom Grundkörper leichtmetalldurchtränkt und die so eigenstabil vorgefertigte Siliziumbuchse im Laufflächenbereich des Verbundgussteils positioniert und als Gussinsert beim nachfolgenden Vergießen des Grundkörpers mit dem Grundkörpermaterial umgossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Siliziumbuchse im Wege des Druckgussverfahrens leichtmetalldurchtränkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Siliziumbuchse mit einer Aluminiumlegierung durchtränkt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Siliziumbuchse mit einer untereutektischen Aluminium-Siliziumlegierung durchtränkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Siliziumbuchse beim Durchtränkungsvorgang von einem Außenmantel aus dem die Buchse durchsetzenden Leichtmetall umschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus einer Leichtmetall-Gusslegierung hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus einer Magnesiumlegierung hergestellt wird.
Verbundgussteil, insbesondere Kraftfahrzeug-Kurbelgehäuse, bestehend aus einem Grundkörper aus Leichtmetallguss und mindestens einer in diesen eingebetteten, übereutektisch siliziumhaltigen Leichtmetall-Laufbuchse, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbuchse (1) eine poröse, leichtmetalldurchtränkte Siliziumstruktur besitzt und der Grundkörper (4) mit der Laufbuchse als Gussinsert (5) aus einem anderen als dem die Siliziumstruktur durchsetzenden Leichtmetall-Gussmaterial hergestellt ist.
Verbundgussteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Siliziumstruktur mit einer untereutektischen Aluminium-Siliziumlegierung durchtränkt ist.
Verbundgussteil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbuchse (1) von einem Außenmantel (2) aus dem die poröse Siliziumstruktur durchsetzenden Leichtmetall umschlossen ist.
Verbundgussteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (4) aus einer Magnesiumlegierung besteht.