DE4328619C2 - Partiell verstärktes Al-Gußbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Partiell verstärktes Al-Gußbauteil und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein partiell verstärktes Al-Gußbauteil, bestehend aus einem Al-
Gußteil und einem von dessen Grundwerkstoff zumindestens partiell durch Eingießen
umschlossenen Verstärkungsteil sowie das Verfahren zur Herstellung derartig verstärkter
Al-Gußbauteile.
Al-Gußbauteile finden aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichts, der einfachen
Formgebung und leichten Verarbeitbarkeit vielseitig Verwendung. Über die verschiedenen
Gießverfahren lassen sich komplizierte Werkstücke, wie z. B. Kolben für
Verbrennungsmaschinen, Zylinderköpfe oder Motorblöcke kostengünstig herstellen. Solche
Bauteile, insbesondere bestimmte Bereiche dieser Bauteile unterliegen bei
Betriebsbeanspruchung hohen thermischen und/oder mechanischen Belastungen. Um
diesen Belastungen standzuhalten, sind bei der Verwendung konventioneller Al-
Gußwerkstoffe häufig ungünstige Konstruktionen mit großen Wandstärken erforderlich
oder es müssen schwer gießbare Aluminiumlegierungen eingesetzt werden. Solche
Legierungen sind z. B. übereutektische AlSi-Gußlegierungen, die zur Erhöhung der
notwendigen Verschleißfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit von Zylinderlaufbuchsen
eingesetzt werden. Diese Legierungen sind allerdings nur mit großem Aufwand und in
kleinen Serien zu gießen. Die Verschleißfestigkeit der Lauffläche wird dabei durch spezielle
Ätz- und Beschichtungsverfahren erreicht, die im Hinblick auf ihre Umweltbedenklichkeit
und die Entsorgung der entstehenden Chemikalien ebenfalls nur im Kleinserienmaßstab
vertretbar sind.
Da andererseits Al-Gußwerkstoffe in anderen Bereichen der o. g. Bauteile den dortigen
Anforderungen genügen, sind verschiedene Verfahren bekannt, Al-Gußbauteile an den
stark belasteten Bereichen dieser Bauteile mit Werkstoffen, die die gewünschten
mechanischen und physikalischen Eigenschaften besitzen, zu verstärken. So ist u. a.
bekannt, Al-Gußwerkstoffe mit Fasern oder Partikeln zu verstärken. Dadurch wird
insbesondere eine hohe Verschleißfestigkeit erreicht. Die thermische Belastbarkeit wird
dagegen kaum beeinflußt, da die Matrix solcher Werkstoffe die konventionelle Al-
Gußlegierung darstellt. Für die Herstellung derartig verstärkter Werkstoffe sind nur
spezielle Gießverfahren geeignet, die langsame Taktzeiten und hohe Drücke verlangen.
Nachteilig bei einem derartigen Verfahren ist des weiteren die aufwendige
Fertigbearbeitung, die nur mit Diamantwerkzeugen möglich ist und werden bei der
spanenden Bearbeitung Fasern durchtrennt, können sich diese mit der Zeit aus der Matrix
lösen und zu Schädigungen der Bauteile führen, die mit den Fasern in Berührung kommen.
Es ist auch bereits bekannt, pulvermetallurgische Al-Werkstoffe mit Al-Gußwerkstoffen zu
verbinden. Dies ist u. a. mit Hilfe des Reibschweißverfahrens möglich. Sowohl der
pulvermetallurgische Verstärkungswerkstoff als auch der Gußwerkstoff kann jeweils nach
optimalen Parametern hergestellt werden. Beim Verbinden dieser Werkstoffe durch
Reibschweißen erfolgt nur eine kurzzeitige Temperaturbelastung, so daß die
Werkstoffeigenschaften des Verstärkungswerkstoffs kaum herabgesetzt werden. Das
Reibschweißen ist allerdings auf einfache Bauteilgeometrien beschränkt, da nur axiale und
keine radialen Verschweißungen möglich sind. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß
durch das Reibschweißen Spannungen im Bauteil erzeugt werden, die eine zusätzliche
Wärmebehandlung zum Entspannen erforderlich machen. Nachteilig bei diesem Verfahren
ist weiterhin die Anzahl der Verfahrensschritte. Das Reibschweißen selbst ist ein
zusätzlicher Arbeitsschritt und um reproduzierbare Ergebnisse zu erreichen, sind
des weiteren sowohl Verstärkungsteil als auch das Gußwerkstück vor der Verschweißung
spanend zu bearbeiten.
In der DE-PS 31 00 755 ist ein Bauteil beschrieben, das einen Einsatz aus
disperionsgehärtetem Sinteraluminium besitzt, welcher durch Eingießen, Einpressen oder
Einschweißen in das Bauteil eingebracht wird. Das Eingießen als Herstellungsverfahren von
verstärkten Al-Gußteilen ist kostengünstig, da kein zusätzlicher Verfahrensschritt, wie z. B.
beim Reibschweißen, notwendig ist, um den Verbund herzustellen. Nachteilig bei dem in
der DE-PS 31 00 755 vorgeschlagenen Bauteil ist, daß keine einwandfreie Verbindung in
der Fügezone erreicht wird. Aufgrund der verfahrensbedingten hohen Gasgehalte der
pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoffe, sind diese für ein Eingießen wenig geeignet.
Beim Kontakt eines pulvermetallurgischen Bauteils, welches entweder aus einem Al-
Sinterwerkstoff besteht (pulvermetallurgisches Formteilverfahren) oder aus einem PM-
Werkstoff (pulvermetallurgisches Halbzeugverfahren), welcher z. B. durch Verdüsen von
Aluminiumschmelze, kaltisostatischem Pressen und anschließendes Warmstrangpressen zu
voller Dichte hergestellt wurde, mit der Schmelze der konventionellen Al-Gußlegierung,
kommt es zu sofortigem Ausgasen mit starker Porenbildung in der Fügezone und im
pulvermetallurgischen Bauteil. Diese Porenbildung verhindert einen guten
Werkstoffverbund.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil aus partiell verstärktem
Al-Guß zu schaffen, welches auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist und
einen vollständigen Materialverbund zwischen Al-Guß und Verstärkungsteil aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Bauteil zur Verfügung
gestellt wird, bestehend aus einem Al-Gußteil und einem von dessen Grundwerkstoff
zumindest partiell durch Eingießen umschlossenen Verstärkungsteil, das aus einem
sprühkompaktierten Aluminium-Werkstoff besteht. Über das Sprühkompaktieren und die
weiteren Verfahrensschritte Strangpressen bzw. Schmieden können Aluminiumprofile oder
Aluminiumschmiedestücke hergestellt werden, die in ihren Eigenschaften konventionellen
Al-Gußlegierungen weit überlegen sind. Diese Al-Werkstoffe weisen gegenüber den Al-
Sinterwerkstoffen oder PM-Al-Werkstoffen erheblich niedrigere Gasgehalte auf, die sogar
noch unter den Gasgehalten von konventionellen Al-Guß- oder Al-Knetlegierungen liegen.
Darüber hinaus sind mit diesem Verfahren Werkstoffe herstellbar, die in ihren
mechanischen und physikalischen Eigenschaften ähnlich den über Verdüsung hergestellten
Al-PM-Werkstoffen sind. Im Vergleich zu konventionell gegossenen Al-Werkstoffen ist es
mittels des Sprühkompaktierverfahrens ohne Probleme möglich, den Si-Gehalt im Al-
Werkstoff auf Gehalte von über 35 Gew.-% Si zu erhöhen. Damit ist es möglich den
Wärmeausdehnungskoeffizient auf beliebige Werte zwischen 23 · 10-6K-1 und 13 · 10-6K-1
einzustellen. Da auch die Gehalte anderer Legierungselemente wie z. B. Fe, Ni, Cu, Mg für
technisch sinnvolle und verwendbare Legierungen in weiten Grenzen eingestellt werden
können, ist es sehr leicht möglich Werkstoffe auf einen vorgegebenen
Anwendungsfall genau einzustellen. Die
niedrigen Gasgehalte ermöglichen ein Eingießen dieser Werkstoffe,
ohne daß es zu einer Porenbildung kommt, was technisch sinnvolle und kostengünstige
Verbundbauteile ermöglicht.
Die Herstellung solcher Verbundbauteile erfolgt, indem das Verstärkungsbauteil, z. B. ein
Strangpreßprofilabschnitt, ein Schmiedestück oder ein über zerspanende Verfahren
hergestelltes Bauteil, aus einer sprühkompaktierten Al-Legierung, an der Stelle in der
Gießform positioniert wird, an der die Verstärkung im fertigen Gußwerkstück erfolgen soll.
Je nach Masse des Verstärkungsbauteils im Verhältnis zur Masse des Gußwerkstücks ist es
erforderlich, um eine gute Verbindung durch partielles Anschmelzen zu erreichen, daß das
Verstärkungsbauteil vorgewärmt wird. Mit der Wahl der Vorwärmtemperatur kann der
Grad des Anschmelzens so eingestellt werden, daß das Verstärkungsbauteil auch vollständig
aufgeschmolzen wird und es dadurch im Bereich der Verstärkung zu einer vollständigen
Durchmischung mit dem Gußwerkstoff kommt, wodurch dieser partiell auflegiert wird.
Weiterhin ist es für eine besonders gute Verbindung hilfreich, wenn das
Verstärkungsbauteil von der Schmelze parallel und mit ausreichend großer
Geschwindigkeit umströmt wird, wodurch die auf Aluminium immer vorhandene
Oxidschicht abgewaschen wird und es zu einem direkten Kontakt der Al-Schmelze mit der
oxidfreien Al-Oberfläche kommt. Dieser Abwaschvorgang kann entweder durch geschickte
Wahl der Angußstellen, durch Rühren, durch Erzeugung von Wirbelströmen mit Hilfe von
Induktionsspulen, oder ähnliche Mittel, die eine Strömung der Schmelze parallel zur
Oberfläche des Verstärkungsbauteils während oder direkt nach dem Abguß erzeugen,
erreicht werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert:
Es zeigt
Es zeigt
Fig. 1 ein Schliffbild einer Fügezone zwischen sprühkompaktiertem Al-Werkstoff
(AlSi20Fe5Ni2) und Al-Guß (AlSi18CuMgNi);
Fig. 2 ein Schliffbild einer Fügezone zwischen PM-Al-Werkstoff (AlSi20Fe5Ni2) und
Al-Guß (AlSi18CuMgNi);
Fig. 3 ein Schliffbild einer Fügezone zwischen PM-AL-Werkstoff (AlSi35Fe2Ni1) und
Al-Guß (AlSi9Cu3);
Fig. 4 a, b schematische Darstellung von Kolbenoberteilen;
Fig. 5 schematische Darstellung des Kolbenbodens.
Es wurden strangepreßte Rundstangenabschnitte ¢ 85 mm × 55 mm aus der Legierung
AlSi20Fe5Ni2 in einer Stahlkokille eingegossen. Dabei wurde zu Vergleichszwecken
einerseits eine sprühkompaktierte Legierung und andererseits eine PM-Legierung gleicher
Zusammensetzung verwendet. Als Gußwerkstoff wurde eine Kolbenlegierung
AlSi18CuMgNi verwendet. Die Strangpreßabschnitte wurden in die offene Kokille eingelegt
und auf 450°C vorgeheizt. Die Schmelzentemperatur betrug 720°C. Die Schmelze wurde in
die oben offene Kokille auf die Strangpreßabschnitte aufgegossen und der Abwaschvorgang
wurde durch Rühren nach dem Abgießen unterstützt. Bei Verwendung der
sprühkompaktierten Legierung (Fig. 1) konnte eine einwandfreie Verbindung ohne Poren
in der Fügezone erreicht werden. Bei der PM-Legierung (Fig. 2) entstanden in der
Verbindungszone und im PM-Material große Poren durch das Ausgasen und
"Ausblühungen" an der Außenseite. An Zugproben aus der sprühkompaktierten Variante,
bei denen die Fügezone in der Mitte der Meßlänge lag, wurden Werte nach der
Wärmebehandlung ermittelt, wie sie die Gußlegierung in diesem Zustand erreicht. Der
Bruch erfolgte immer im Gußmaterial deutlich neben der Fügezone.
Weitere Versuche wurden mit Ringen (Außendurchmesser = 48 mm, Innendurchmesser =
37 mm, Höhe = 7 mm) aus der sprühkompaktierten Legierung AlSi35Fe2Ni1 durchgeführt.
Diese Ringe wurden über einen Dorn in einer oben offenen Stahlkokille gelegt und mit der
Zylinderkopflegierung G-AlSi9Cu3 umgossen. Die Schmelzentemperatur betrug 720°C. Die
Ringe wurden entweder kalt direkt vor dem Abguß in eine vorgeheizte Kokille eingelegt,
oder mit der Kokille zusammen aufgeheizt. Zusätzlich wurde bei einigen Versuchen die
Schmelze direkt nach dem Abguß umgerührt. Es konnten mit allen Versuchen porenfreie
Verbindungen hergestellt werden. Als besonders günstig erwies sich das Einlegen von
kalten Ringen in eine auf 400°C vorgeheizte Matrize mit nachfolgendem Abguß. Durch
Rühren direkt nach dem Abguß konnte so eine einwandfreie Verbindung mit extrem
feinem Gefüge auf der Ringseite erzielt werden (Fig. 3). Aber porenfreie Fügezonen
konnten auch mit anderen Versuchsbedingungen erreicht werden. So führt ein Aufheizen
der Ringe auf 500°C mit anschließendem Abguß zu einer ebenfalls sehr guten Verbindung,
wobei es bei den Si-Primärausscheidungen im Gegensatz zu den oben genannten
Bedingungen zu einer Vergröberung (von 3-7 µm auf 10-20 µm) kommt.
Ein Anwendungsbeispiel für eine partielle Verstärkung mit Hilfe des Eingießens sind
Kolben für Verbrennungskraftmaschinen. Kolbenoberteile sind in den Fig. 4a und 4b
dargestellt. Die Fig. 5 zeigt die schematische Darstellung des Kolbenbodens.
Kolben 1 werden heute meistens aus Si-haltigen eutektischen oder übereutektischen
Gußlegierungen hergestellt. Insbesondere bei hochbelasteten Kolben für
direkteinspritzende Dieselmotoren ist die Muldenrandzone 4 hohen Temperaturen und
mechanischen Belastungen ausgesetzt. In den Bereichen des Kolbenhemds 5 genügen Al-
Gußwerkstoffe 2 den dortigen Anforderungen. Mit Hilfe des Eingießens von
sprühkompaktierten Aluminiumlegierungen (z. B. AlSi20Fe5Ni2) an den belasteten Stellen
kann kostengünstig eine Verstärkung 3 der Muldenrandzone 4 oder der gesamten
Brennraummulde 7 erfolgen, wodurch eine Konstruktion des Kolbens 1 möglich wird, mit
der eine effektivere Verbrennung realisiert werden kann. Weitere
Verstärkungsmöglichkeiten am Kolben 1 sind z. B. der Bereich der Ringnut 6, wo zum Teil
heute schon Eisenbasis-Werkstoffe eingegossen werden, um den Verschleiß durch die
Bewegung der Kolbenringe zu minimieren.
Eine weitere erfindungsgemäße Verstärkung kann im Bereich des Feuersteges vorgesehen
werden (siehe hierzu Bild 5). Durch die Verwendung von sprühkompaktiertem
Hochleistungsaluminium an diesen Stellen ergeben sich erhebliche Verbesserungen durch
den vollkommenen Verbund der Gußlegierung 2 mit den Verstär
kungen 3. Es wird dadurch
möglich, den Abstand des obersten Kolbenringes zum Kolbenboden 9 zu minimieren, was
zu reduzierten Schadstoffwerten führt.
Ein weiteres Beispiel ist die Verstärkung von Zylinderköpfen von
Verbrennungskraftmaschinen zur Brennraumseite. Auf Grund der hier entstehenden hohen
Temperaturen und der Ausbildung eines Temperaturgradienten kommt es im Zylinderkopf
zu Spannungen, die zu Rissen zumeist im Bereich der Stege zwischen den Ventilen führen.
Wird in diesen Bereichen eine Verstärkung mit einem Werkstoff vorgenommen, der
einerseits den thermischen und mechanischen Belastungen besser standhält, und der
andererseits einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als die Gußlegierung
des Zylinderkopfes, die wegen der Komplexität und des Formfüllungsvermögens verwendet
werden muß, kann die Spannung, die durch den Temperaturgradienten induziert wird,
keine kritischen Werte zur Rißentstehung erreichen.
Ein weiteres Beispiel ist die Zylinderlaufbuchse von Verbrennungskraftmaschinen. Um
kostengünstig in einer Großserie Motorenblöcke aus Aluminium fertigen zu können, ist die
Verwendung gut gießbarer Al-Legierungen zwingend notwendig. Diese Legierungen
erfordern jedoch aufgrund ihrer unzureichenden Verschleißfestigkeit eine Armierung der
Kolbenlauffläche. Dies wird heute durch das Eingießen einer Graugußzylinderlaufbuchse
erreicht. Der Nachteil hierbei ist eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und eine stark
unterschiedliche Wärmeausdehnung. Auch entsteht kein vollständiger Stoffverbund
zwischen Buchse und Block (Gießspalt), was die Wärmeleitfähigkeit und mechanische
Belastbarkeit ebenfalls beeinflußt. Die Verwendung von übereutektischen AlSi-
Gußlegierungen ermöglicht zwar die gewünschte Verschleißfestigkeit und
Wärmeleitfähigkeit ohne den Einsatz von Laufbuchsen, jedoch sind solche Legierungen nur
mit großem Aufwand und in kleinen Serien zu gießen (wie oben beschrieben).
Bei der Verwendung von Laufbuchsen aus sprühkompaktiertem Material ist es einerseits
möglich, leicht gießbare Legierungen für den Motorblock zu verwenden und andererseits
eine verschleißfeste Lauffläche ohne besondere Ätzverfahren zu erhalten. Dabei ist durch
den vollständigen Stoffverbund und die gute Wärmeleitfähigkeit des
Laufbuchsenwerkstoffes die gesamte Wärmeleitfähigkeit erheblich besser als bei der
Verwendung von Graugußbuchsen.
Bezugszeichenliste
1 erfindungsgemäßes Bauteil
2 Al-Guß
3 Verstärkungsteil
4 Muldenrandverstärkung
5 Kolbenhemd
6 Ringträger
7 Brennraummulde
8 Kühlkanal
9 Kolbenboden
2 Al-Guß
3 Verstärkungsteil
4 Muldenrandverstärkung
5 Kolbenhemd
6 Ringträger
7 Brennraummulde
8 Kühlkanal
9 Kolbenboden
Claims (8)
1. Bauteil (1) bestehend aus einem Al-Gußteil (2) und einem von dessen
Grundwerkstoff zumindest partiell durch Eingießen umschlossenen
Verstärkungsteil (3), dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsteil (3) aus
einem sprühkompaktierten Al-Werkstoff besteht und zwischen dem
Verstärkungsteil (3) und dem Al-Gußteil (2) porenfreie Fügezonen vorliegen.
2. Verfahren zur Herstellung eines partiell verstärkten Al-Gußbauteils (1) gemäß
Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte
- - Ausbilden eines aus sprühkompaktiertem Material bestehenden Verstärkungselements (3), das wenigstens einen Teil des fertigen Bauteils (1) definiert;
- - Einsetzen des Verstärkungselements (3) in kompakter, fester Form in den vorgesehenen Raum der das Bauteil (1) bildenden Gießform;
- - Füllen des verbleibenden Raums der Gießform mit der Schmelze des konventionellen Al-Gußwerkstoffs und
- - anschließendes Verfestigen der Schmelze.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus
sprühkompaktiertem Material bestehende Verstärkungselement (3) als
Strangpreßprofilabschnitt ausgebildet wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus
sprühkompaktiertem Material bestehende Verstärkungselement (3) als
Schmiedestück ausgebildet wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß das in die
Gießform eingesetzte Verstärkungselement (3) vorgewärmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorwärmtemperatur so gewählt wird, daß das Verstärkungselement (3)
vollständig aufgeschmolzen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Al-
Gußschmelze parallel zur Oberfläche des Verstärkungselements (3) und mit so
großer Geschwindigkeit in die Gießform eingefüllt wird, daß sie die auf dem
Aluminium des Verstärkungselementes (3) vorhandene Oxidschicht abwäscht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abwaschvorgang
durch die Wahl der Angußstellen und/oder durch Rühren und/oder durch
Erzeugung von Wirbelströmen mit Hilfe von Induktionsspulen erreicht wird.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4328619A DE4328619C2 (de) | 1993-08-26 | 1993-08-26 | Partiell verstärktes Al-Gußbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung |
AT94112615T ATE149637T1 (de) | 1993-08-26 | 1994-08-12 | Partiell verstärktes al-gussbauteil und verfahren zu dessen herstellung |
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4328619A DE4328619C2 (de) | 1993-08-26 | 1993-08-26 | Partiell verstärktes Al-Gußbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung |
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Publication Number | Publication Date |
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DE4328619A1 DE4328619A1 (de) | 1995-03-02 |
DE4328619C2 true DE4328619C2 (de) | 1995-08-10 |
Family
ID=6496011
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4328619A Expired - Lifetime DE4328619C2 (de) | 1993-08-26 | 1993-08-26 | Partiell verstärktes Al-Gußbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung |
Country Status (4)
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EP (1) | EP0640759B1 (de) |
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