DE102006008170B4 - Process for the treatment of castings - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Behandlung von Gussteilen, in welchem ein Zylinderkurbelgehäuse nach dem Gießvorgang und dem nachfolgenden Abkühlvorgang auf seiner Oberflächenstruktur und/oder in seiner Bauteilstruktur in Abhängigkeit der Parameter „IST” und „SOLL” des Eigenspannungsprofils mittels Stahlstrahlen bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlstrahlen als ein kombiniertes Reinigungs- und Spannungsstrahlen durchgeführt wird.Process for the treatment of castings, in which a cylinder crankcase after the casting process and the subsequent cooling process on its surface structure and / or in its component structure depending on the parameters "IS" and "TARGET" of the residual stress profile is processed by means of steel blasting, characterized in that the steel blasting as a combined cleaning and stress blasting is performed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Gussteilen, insbesondere zur Veränderung der Spannungscharakteristik von aus Eisenwerkstoffen mittels Lamellenguss (GJL) oder Vermikularguss (GJV) hergestellten Zylinderkurbelgehäusen für Brennkraftmaschinen.The invention relates to a method for the treatment of cast parts, in particular for changing the voltage characteristic of cylinder crankcases for internal combustion engines produced from iron materials by lamellar casting (GJL) or vermicular casting (GJV).

Die Werkstoffeigenschaften zahlreicher technischer Objekte können grundsätzlich durch eine mechanische Oberflächenbehandlung verändert werden, wobei derartige Verfahren beispielsweise für die Herstellung von Komponenten für Brennkraftmaschinen allgemein bekannt sind.The material properties of numerous technical objects can basically be changed by a mechanical surface treatment, such methods being generally known, for example, for the production of components for internal combustion engines.

So wird in JP 11 93 003 A vorgeschlagen, die Oberflächen von Bauteilen einer Brennkraftmaschine durch Kugelstrahlen zu glätten.So will in JP 11 93 003 A proposed to smooth the surfaces of components of an internal combustion engine by shot peening.

In DE 199 18 230 C2 wird ein Verfahren zum Herstellen eines rohrförmigen Rohlings einer Zylinderlaufbuchse beschrieben, die in ein Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall eingegossen werden soll. Damit die Laufbuchse dauerhaft im Kurbelgehäuse lagefixierbar ist, wird die Außenoberfläche des Rohlings durch radiales Prägen mit einem Prägewerkzeug aufgeraut.In DE 199 18 230 C2 For example, a method of manufacturing a tubular blank of a cylinder liner to be cast into a light metal cylinder crankcase is described. So that the bush is permanently fixed in position in the crankcase, the outer surface of the blank is roughened by radial embossing with a stamping tool.

Aus DE 196 34 504 A1 ist es ebenfalls bekannt, den Rohling einer Zylinderlaufbuchse auf der äußeren Mantelfläche aufzurauen, wobei hier jedoch ein Strahlen unter Verwendung von scharfkantig gebrochenen Hartstoffpartikeln angewendet wird.Out DE 196 34 504 A1 It is also known to roughen the blank of a cylinder liner on the outer surface, but here a blasting using sharp-edged broken hard particles is applied.

DE 199 22 265 A1 betrifft ein Verfahren zum Strahlen der Zylinderlaufflächen einer Brennkraftmaschine. Hierbei wird als Vorbehandlungsprozess für das Thermospritzen mit einer Strahlpistole eine gleichmäßig aufgeraute Zylinderlauffläche erzeugt. DE 199 22 265 A1 relates to a method for blasting the cylinder surfaces of an internal combustion engine. In this case, a uniformly roughened cylinder surface is produced as a pretreatment process for the thermal spraying with a blasting gun.

Beim Verfahren gemäß DE 41 26 158 A1 wird ein Motorblock zunächst entfettet und danach gestrahlt, bevor er mit einer Grundierschicht lackiert wird.In the method according to DE 41 26 158 A1 an engine block is first degreased and then blasted before it is painted with a primer layer.

Neben solchen Verfahren zur Verbesserung konventioneller Brennkraftmaschinen wird von der Automobilindustrie und den Motorenherstellern zunehmend eine Anwendung neuer Werkstoffe für die Zylinderkurbelgehäuse angestrebt, weil der bisher verwendete Grauguss für die geforderten Leistungssteigerungen und die damit verbundenen Belastungsprofile nicht mehr ausreicht. Hierbei weisen Eisenwerkstoffe bereits ähnliche Eigenschaften auf wie die geforderten Gusseigenschaften. Allerdings kann ein Einsatz höher belastbarer Eisenwerkstoffe nur mit einer kostenintensiveren Bearbeitung, einem hohen Werkstoffpreis und einem schlechteren Dämpfungsfaktor realisiert werden. Bei den oben genannten technischen Lösungen wird durch das Strahlen die Oberflächenstruktur der Bauteile verändert, um eine bessere Haftung für einen nachfolgenden Materialverbund mit weiteren Bauteilen zu schaffen. Die Werkstoffeigenschaften der Bauteile an sich werden jedoch nicht oder lediglich geringfügig verändert, so dass mit diesen Verfahren kein verbessertes Eigenschaftsbild für Eisenwerkstoffe zur Anwendung für Zylinderkurbelgehäuse erreichbar ist.In addition to such methods for improving conventional internal combustion engines, the automotive industry and the engine manufacturers are increasingly seeking to use new materials for the cylinder crankcases because the previously used gray iron is no longer sufficient for the required power increases and the associated load profiles. In this case, iron materials already have similar properties as the required casting properties. However, the use of higher-strength ferrous materials can only be achieved with more costly machining, a higher material price and a poorer damping factor. In the above-mentioned technical solutions, the surface structure of the components is changed by the blasting in order to provide better adhesion for a subsequent composite material with other components. However, the material properties of the components themselves are not or only slightly changed, so that with these methods no improved property profile for ferrous materials for use in cylinder crankcases can be achieved.

In DE 41 43 189 C2 wird ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken beschrieben, mit dem eine Ausbreitung von Ermüdungsbruchanrissen verhindert werden soll. Als Ermüdungsbruch wird bekanntlich das Versagen eines Werkstoffes unter zyklisch variierenden Spannungen infolge des Wachstums von zunächst nur mikroskopisch großen Fehlstellen bezeichnet. Da sich Ermüdungsbrüche üblicherweise von der Bauteiloberfläche ausbreiten, wird eine Strahlbehandlung vorgeschlagen. Somit sollen Restspannungen in den Oberflächenschichten erzeugt werden, welche den Widerstand gegen Ermüdungsbrüche verbessern. Allerdings ist dieses Verfahren primär für Titanlegierungen konzipiert, die für tragende Bauteile in der Luft- und Raumfahrt sowie für Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken eingesetzt werden. Folglich kann auch mit diesem Verfahren, das neben einer verbesserten Ermüdungsbruchanfälligkeit ohnehin keine weiteren Effekte auf das Bauteilverhalten anstrebt, kein verbessertes Eigenschaftsbild für Eisenwerkstoffe zum Gießen von Zylinderkurbelgehäusen erreicht werden.In DE 41 43 189 C2 describes a process for the surface treatment of workpieces intended to prevent the propagation of fatigue cracking cracks. Fatigue fracture is known as the failure of a material under cyclically varying stresses due to the growth of initially only microscopically large defects. Since fatigue fractures typically propagate from the component surface, blast treatment is suggested. Thus, residual stresses are to be generated in the surface layers, which improve the resistance to fatigue fractures. However, this process is primarily designed for titanium alloys used for aerospace structural components and jet engine turbine blades. Consequently, even with this method, which in addition to an improved susceptibility to fatigue anyway strives for no further effects on the component behavior, no improved property profile for iron materials for casting of cylinder crankcases can be achieved.

Aus DE 697 22 997 T2 geht ein Verfahren zur Behandlung von Gussteilen hervor, in welchem nach dem Gießvorgang Gusseisenteile mittels dem als Kugelstrahlverfahren bezeichneten Sandstrahlen bearbeitet werden, um auf der Oberfläche die gewünschten Druckeigenspannungen zur Verbesserung der Lebensdauer zu erzeugen.Out DE 697 22 997 T2 shows a method for the treatment of castings, in which after the casting process cast iron parts are processed by means of the shot peening sandblasting method to produce on the surface the desired compressive residual stresses to improve the life.

Die DE 26 05 988 B2 betrifft ein Prüfungsverfahren kugelgestrahlter Oberflächen eines Werkstücks, indem eine Kontrollprobe eines Materials mit einer Beschichtung versehen wird und so lange kugelgestrahlt wird, bis eine im vorbestimmten Maße verdichtete Deckschicht erhalten wird. Das Aussehen der Kontrollprobe wird mit demjenigen eines kugelgestrahlten, ebenso beschichteten Werkstücks verglichen.The DE 26 05 988 B2 relates to a test method of shot blasted surfaces of a workpiece by providing a control sample of a material with a coating and blasting it until a pre-compacted topcoat is obtained. The appearance of the control sample is compared with that of a shot peened, similarly coated workpiece.

In DE 31 40 114 A1 wird ein Verfahren zur Spannungs-Vorbehandlung der Arbeitsflächen von Druckkammern oder Zylindern beschrieben, bei dem die Arbeitsflächen zunächst kugelgestrahlt und dann einer Autofrettage-Behandlung unterzogen werden. Die Größe der auf den äußeren Arbeitsflächen erzeugten Rest-Druckspannungen wird im Wesentlichen gleich der Zugspannung gemacht, welche während der Autofrettage auf die Arbeitsfläche einwirkt.In DE 31 40 114 A1 describes a process for stress pretreatment of the working surfaces of pressure chambers or cylinders, in which the work surfaces are first shot peened and then subjected to autofrettage treatment. The size of the residual compressive stresses generated on the outer work surfaces is in Substantially equal to the tension applied during autofrettage on the work surface.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Behandlung von Gussteilen aus Eisenwerkstoffen zu schaffen, mit dem die Spannungscharakteristik dieser Gussteile gezielt veränderbar ist. Hierbei sollen insbesondere durch gestaltungsbedingte Abkühlungsbedingungen beim Lamellenguss (GJL) oder Vermikularguss (GJV) auftretende Gusseigenspannungen an Zylinderkurbelgehäusen derart beeinflusst werden, dass eine höhere Bauteilbeanspruchung derartiger Gussteile aus bisher verwendeten Eisenwerkstoffen möglich wird.The object of the invention is to provide a method for the treatment of castings made of iron materials, with which the voltage characteristics of these castings can be selectively changed. In this case, in particular due to design-related cooling conditions during lamellar casting (GJL) or vermicular casting (GJV) occurring cast iron stresses on cylinder crankcases are so influenced that a higher component stress of such castings from previously used iron materials is possible.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Behandlung von Gussteilen, insbesondere zur Veränderung der Spannungscharakteristik von aus Eisenwerkstoffen mittels Lamellenguss (GJL) oder Vermikularguss (GJV) hergestellten Zylinderkurbelgehäusen für Brennkraftmaschinen, indem ein Zylinderkurbelgehäuse nach dem Gießvorgang und dem nachfolgenden Abkühlvorgang auf seiner Oberflächenstruktur und/oder in seiner Bauteilstruktur in Abhängigkeit der Parameter „IST” und „SOLL” des Eigenspannungsprofils mittels Stahlstrahlen bearbeitet wird. Hierbei bezeichnet der Begriff „Stahlstrahlen” ein Strahlen mit Stahlkies, mit Stahldrahtkorn oder mit ähnlichen Materialien. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, deren technische Merkmale im Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden. Dabei wird der Verfahrensschritt des Stahlstrahlen nicht allein zum Steigern der Bauteilfestigkeit bzw. zum Einstellen der Bauteilspannungen angewendet, sondern ist auch als ein kombiniertes Reinigungs- und Spannungsstrahlen ausgestaltet.This object is achieved by a method for the treatment of castings, in particular for changing the voltage characteristic of engine blocks made of ferrous materials by lamellar casting (GJL) or vermicular casting (GJV) for internal combustion engines by a cylinder crankcase after the casting process and the subsequent cooling process on its surface structure and / or is processed in its component structure as a function of the parameters "IST" and "SOLL" of the residual stress profile by means of steel blasting. Here, the term "steel blasting" refers to blasting with steel gravel, steel wire grain or similar materials. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims, the technical features are described in detail in the embodiment. In this case, the method step of steel blasting is not used solely for increasing the component strength or for adjusting the component voltages, but is also designed as a combined cleaning and voltage blasting.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Zylinderkurbelgehäuse nach dem Abgießen und Abkühlen auf seiner Oberfläche und/oder in seiner Bauteiltiefe mit Stahlkies, mit Stahldrahtkorn oder mit ähnlichen Materialien gestrahlt. Somit wird ein „Oberflächen-Strahlen” bzw. ein „Tiefen-Strahlen” realisiert. Diese Strahlungsvorgänge, die gezielt auf das Zylinderkurbelgehäuse erfolgen, bewirken durch die Kaltverfestigung einen Abbau der Zugspannungen, die sich durch das Abkühlen nach dem Gießen einstellen. Durch das Stahlstrahlen können die in der Tiefe wie auch an der Oberfläche vorhandenen Spannungen gemäß dem späteren Belastungsprofil erhöht oder vermindert werden. Das Stahlstrahlen kann im Außenbereich des Zylinderkurbelgehäuses, im Innenbereich des Zylinderkurbelgehäuses oder auch in Kombination von Außen- und Innenbereich erfolgen.When using the method according to the invention, a cylinder crankcase is blasted after casting and cooling on its surface and / or in its component depth with steel gravel, steel wire grain or similar materials. Thus, a "surface-blasting" or a "deep-blasting" is realized. These radiation processes, which are targeted to the cylinder crankcase cause by strain hardening degradation of the tensile stresses that set by the cooling after casting. The steel blasting can increase or decrease the stresses present in the depth as well as on the surface according to the later load profile. The steel blasting can be done in the outer area of the cylinder crankcase, in the interior of the cylinder crankcase or in combination of exterior and interior.

In Abhängigkeit vom konkret ausgewählten Strahlgut, dem Bestrahlungsverfahren und der Bestrahlungsintensität können nachträglich hohe oder weniger hohe Kaltverfestigungen sowohl in die Bauteiltiefe wirkend als auch an der Bauteiloberfläche des vorzugsweise als Zylinderkurbelgehäuse ausgestalteten Gussteils erreicht werden, jeweils gemäß den vorliegenden Eigenspannungen sowie dem gewünschten Eigenspannungsprofil. Somit kann das Zylinderkurbelgehäuse in Abhängigkeit der Bestrahlungsparameter an jeder Stelle eine andere Kaltverfestigung erfahren, so dass eine weitgehende Optimierung für das zu erwartende Belastungsprofil möglich ist. Folglich können Zugspannungen in Druckspannungen umgewandelt werden, wodurch sich die Lebensdauer eines Zylinderkurbelgehäuses wesentlich erhöht. Da die Gusshaut eines Gussteils nicht sehr glatt ist und die meisten Risse durch eine Kerbwirkung entstehen, können mit dieser Oberflächenbestrahlung durch Kaltverformung Rissansätze vermieden werden.Depending on the specific blasting material selected, the irradiation method and the irradiation intensity, subsequently high or less high work hardening can be achieved both in the component depth and on the component surface of the casting, which is preferably designed as a cylinder crankcase, in each case in accordance with the present residual stresses and the desired residual stress profile. Thus, depending on the irradiation parameters, the cylinder crankcase can experience a different work hardening at each point, so that a far-reaching optimization for the expected load profile is possible. Consequently, tensile stresses can be converted into compressive stresses, which significantly increases the life of a cylinder crankcase. Since the casting skin of a casting is not very smooth and most cracks are caused by a notch effect, this surface irradiation can be avoided by cold deformation crack approaches.

Der vorgeschlagene Verfahrensschritt des Stahlstrahlens wird als kombiniertes Reinigungs- und Spannungsstrahlen angewendet. Anlagen zum Reinigungsstrahlen, mit denen das Zylinderkurbelgehäuse vom Kernsand gesäubert wird, sind ohnehin in Fertigungslinien verfügbar. Für derartige Anlagen ist lediglich eine Modifizierung notwendig, indem ein Strahlungsprofil mit den Eigenspannungsparametern aufgeschaltet wird. Demzufolge kann das erfindungsgemäße Verfahren mit geringem Kosten- und Geräteaufwand in bereits existierende Fertigungslinien integriert werden.The proposed method of steel blasting is used as combined cleaning and stress blasting. Equipment for cleaning blasting, which cleans the cylinder crankcase from the core sand, is already available on production lines. For such systems, only a modification is necessary by a radiation profile is switched with the residual stress parameters. As a result, the method according to the invention can be integrated into already existing production lines with little cost and equipment expense.

Unabhängig von der jeweils konkreten Ausgestaltung wird somit ein Verfahren zur Behandlung von Gussteilen aus Eisenwerkstoffen geschaffen, mit dem die Spannungscharakteristik dieser Gussteile gezielt veränderbar ist. Hierbei ist eine Reduzierung von erstarrungsbedingten Gusseigenspannungen möglich, wodurch sich eine verbesserte Festigkeit für aus Lamellenguss (GJL), Vermikularguss (GJV) oder „Einfachguss” gefertigte Zylinderkurbelgehäuse ergibt. Demzufolge wird trotz Einsatz der bisher verwendeten Eisenwerkstoffe eine höhere Beanspruchung derartiger Gussteile im Motorbetrieb einer Brennkraftmaschine möglich, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Herstellung spannungsoptimierter Gussteile realisierbar ist.Regardless of the respective specific embodiment, a method for the treatment of castings made of ferrous materials is thus created, with which the voltage characteristics of these castings can be selectively changed. In this case, a reduction of solidification-related cast iron stresses is possible, resulting in improved strength for lamellar castings (GJL), vermicular castings (GJV) or "single castings" manufactured cylinder crankcase. Accordingly, a higher stress of such castings in engine operation of an internal combustion engine is possible despite the use of iron materials used so far, so that with the inventive method, a production of stress-optimized castings can be realized.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben:
Das vorgeschlagene Verfahren ist zur Behandlung unterschiedlicher Gussteile geeignet. Eine bevorzugte Anwendung ist die Veränderung der Spannungscharakteristik von mittels Lamellenguss (GJL) oder Vermikularguss (GJV) hergestellten Zylinderkurbelgehäusen aus Eisenwerkstoffen für Brennkraftmaschinen.An embodiment of the invention will be described below:
The proposed method is suitable for treating different castings. A preferred application is the variation of the voltage characteristic of lamellar cast (GJL) or vermicular (GJV) cylinder crankcases made of ferrous materials for internal combustion engines.

Hierbei wird ein Zylinderkurbelgehäuse nach dem Gießvorgang und dem nachfolgenden Abkühlvorgang auf seiner Oberflächenstruktur und/oder in seiner Bauteilstruktur in Abhängigkeit der Parameter „IST” und „SOLL” des Eigenspannungsprofils mittels Stahlstrahlen bearbeitet. Der Parameter „IST” entspricht dem tatsächlich vorliegenden Eigenspannungsprofil. Dieser Parameter „IST” kann auf Grundlage von Messungen und CAD-Berechnungen der Eigenspannungen ermittelt werden. Der Parameter „SOLL” entspricht dem für die jeweils konkrete Anwendung angestrebten Eigenspannungsprofil.Here, a cylinder crankcase after the casting process and the subsequent cooling process on its surface structure and / or in its component structure depending on the parameters "IS" and "TARGET" of the residual stress profile is processed by means of steel blasting. The parameter "IST" corresponds to the actual residual stress profile. This parameter "IST" can be determined on the basis of measurements and CAD calculations of the residual stresses. The parameter "SOLL" corresponds to the desired residual stress profile for the particular application.

Unter Beachtung der Parameter „IST” und „SOLL” können die mittels Stahlstrahlen zu bearbeitenden Abschnitte des Zylinderkurbelgehäuses lokal begrenzt festgelegt werden. Es wird also keine vollflächige und einheitliche Bestrahlung realisiert, sondern das Stahlstrahlen wird lediglich partiell auf definierten Abschnitten des Zylinderkurbelgehäuses realisiert. Weiterhin kann das Stahlstrahlen auf den Außenbereich oder auf den Innenbereich vom Zylinderkurbelgehäuse begrenzt werden. Ebenso ist ein kombiniertes Stahlstrahlen auf dem Außenbereich und dem Innenbereich möglich.Taking into account the parameters "ACTUAL" and "DESIRED", the sections of the cylinder crankcase to be machined by means of steel jets can be defined locally limited. So there is no full-surface and uniform irradiation realized, but the steel blasting is only partially realized on defined sections of the cylinder crankcase. Furthermore, the steel blasting can be limited to the outside or to the inside of the cylinder crankcase. Likewise, a combined steel blasting on the outside and the inside is possible.

Claims (5)

Verfahren zur Behandlung von Gussteilen, in welchem ein Zylinderkurbelgehäuse nach dem Gießvorgang und dem nachfolgenden Abkühlvorgang auf seiner Oberflächenstruktur und/oder in seiner Bauteilstruktur in Abhängigkeit der Parameter „IST” und „SOLL” des Eigenspannungsprofils mittels Stahlstrahlen bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlstrahlen als ein kombiniertes Reinigungs- und Spannungsstrahlen durchgeführt wird.Process for the treatment of castings, in which a cylinder crankcase after the casting process and the subsequent cooling process on its surface structure and / or in its component structure as a function of the parameters "IS" and "TARGET" of the residual stress profile is processed by means of steel blasting, characterized in that the steel blasting as a combined cleaning and stress blasting is performed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter „IST” des Eigenspannungsprofils auf Grundlage von Messungen und CAD-Berechnungen der Eigenspannungen ermittelt wird.A method according to claim 1, characterized in that the parameter "actual" of the residual stress profile is determined on the basis of measurements and CAD calculations of the residual stresses. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels Stahlstrahlen zu bearbeitenden Abschnitte des Zylinderkurbelgehäuses unter Beachtung der Parameter „IST” und „SOLL” des Eigenspannungsprofils lokal begrenzt festlegbar sind.Method according to Claim 1, characterized in that the sections of the cylinder crankcase to be machined by means of steel beams can be defined to a limited extent in compliance with the parameters "ACTUAL" and "DESIRED" of the residual stress profile. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderkurbelgehäuse auf seinem Außenbereich mittels Stahlstrahlen bearbeitet wird.A method according to claim 1, characterized in that the cylinder crankcase is machined on its outer area by means of steel blasting. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderkurbelgehäuse in seinem Innenbereich mittels Stahlstrahlen bearbeitet wird.A method according to claim 1, characterized in that the cylinder crankcase is machined in its interior by means of steel blasting.