EP0640759B1 - Partiell verstärktes Al-GussBauteil und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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EP0640759B1
EP0640759B1 EP94112615A EP94112615A EP0640759B1 EP 0640759 B1 EP0640759 B1 EP 0640759B1 EP 94112615 A EP94112615 A EP 94112615A EP 94112615 A EP94112615 A EP 94112615A EP 0640759 B1 EP0640759 B1 EP 0640759B1
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EP
European Patent Office
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casting
reinforcing member
aluminium
spray
cast
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EP94112615A
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Rolf Dipl.-Ing. Schattevoy
Klaus Dipl.-Phys. Hummert
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WKW AG
Original Assignee
Peak Werkstoff GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0009—Cylinders, pistons
    • B22D19/0027—Cylinders, pistons pistons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/123—Spraying molten metal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
    • F02F3/12—Pistons  having surface coverings on piston heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F2200/00—Manufacturing
    • F02F2200/04—Forging of engine parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05C2201/02—Light metals
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    • F05C2201/04—Heavy metals
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    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2253/00—Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/16—Fibres

Definitions

  • the invention relates to a partially reinforced Al cast component, consisting of an Al cast part and a reinforcing part, at least partially encased by the base material thereof, and the method for producing such reinforced Al cast components.
  • Complicated workpieces such as. B. inexpensive manufacture of pistons for internal combustion engines, cylinder heads or engine blocks.
  • Such components in particular certain areas of these components, are subject to high thermal and / or mechanical loads when subjected to operating stress.
  • unfavorable constructions with large wall thicknesses are often required or difficult-to-cast aluminum alloys have to be used.
  • Such alloys are e.g. B. hypereutectic AlSi cast alloys, which are used to increase the necessary wear resistance and thermal conductivity of cylinder liners.
  • these alloys can only be cast with great effort and in small series.
  • the wear resistance of the tread is achieved by means of special etching and coating processes, which are also justifiable on a small scale with regard to their environmental impact and the disposal of the chemicals that are produced.
  • Another disadvantage of such a method is the complex finishing, which is only possible with diamond tools, and if fibers are cut during machining, these can separate from the matrix over time and lead to damage to the components that come into contact with the fibers .
  • Friction welding is, however, limited to simple component geometries, since only axial and no radial welding is possible. In addition, there is the risk that the friction welding creates stresses in the component, which make additional heat treatment necessary for relaxation. Another disadvantage of this method is the number of method steps. Friction welding itself is an additional step, and in order to achieve reproducible results, both the reinforcing part and the cast workpiece must be machined before welding.
  • DE-PS 31 00 755 describes a component which has an insert made of dispersion-hardened sintered aluminum, which is introduced into the component by pouring, pressing or welding. Pouring as a manufacturing process of reinforced Al castings is inexpensive, since no additional process step, such as. B. in friction welding, is necessary to produce the composite.
  • a disadvantage of the component proposed in DE-PS 31 00 755 is that no perfect connection is achieved in the joining zone. Due to the high gas content of the powder-metallurgically manufactured materials, they are not very suitable for pouring. When contacting a powder metallurgical component, which either consists of an Al sintered material (powder metallurgical molding process) or a PM material (powder metallurgical semi-finished process), which, for. B.
  • a component is made available, consisting of an aluminum casting and a reinforcing part, at least partially encapsulated by its base material, which consists of a spray-compacted aluminum material.
  • Spray compacting and the further process steps of extrusion or forging can be used to produce aluminum profiles or aluminum forgings that are far superior in their properties to conventional cast aluminum alloys.
  • These Al materials have significantly lower gas contents than the Al sintered materials or PM-Al materials, which are even lower than the gas contents of conventional cast aluminum or wrought aluminum alloys.
  • this process can be used to produce materials that are similar in mechanical and physical properties to the Al-PM materials produced by spraying.
  • the spray compacting method makes it possible to increase the Si content in the Al material to over 35% by weight Si without any problems.
  • This makes it possible to set the coefficient of thermal expansion to any value between 23 ⁇ 10 -6 K -1 and 13 ⁇ 10 -6 K -1 .
  • the contents of other alloy elements such as Fe, Ni, Cu, Mg can be set within wide limits for technically meaningful and usable alloys, it is very easy to set materials precisely for a given application.
  • the low gas contents enable these materials to be poured in without the formation of pores, which enables technically sensible and inexpensive composite components.
  • Such composite components are produced by positioning the reinforcing component, for example an extruded section, a forging or a component produced using a machining process, from a spray-compacted Al alloy at the point in the casting mold where reinforcement is to take place in the finished casting workpiece.
  • the reinforcement component is preheated. With the choice of the preheating temperature, the degree of melting can be adjusted so that the reinforcing component is also complete is melted and this results in complete mixing with the casting material in the area of the reinforcement, as a result of which the latter is partially alloyed on.
  • melt flows around the reinforcement component in parallel and at a sufficiently high speed as a result of which the oxide layer which is always present on aluminum is washed off and there is direct contact of the Al melt with the oxide-free Al surface is coming.
  • This washing process can be achieved either by skillful choice of the sprue points, by stirring, by generating eddy currents with the aid of induction coils, or similar means which produce a flow of the melt parallel to the surface of the reinforcing component during or directly after the casting.
  • Example 1 Comparison of the composite according to the invention with a composite made of PM-Al material and cast aluminum.
  • Example 2 Application of the composite according to the invention to pistons for internal combustion engines.
  • Pistons for internal combustion engines are an example of an application for partial reinforcement with the aid of casting. Upper piston parts are shown in FIGS. 4a and 4b. Figure 5 shows the schematic representation of the piston crown.
  • Pistons 1 are today mostly made of Si-containing eutectic or hypereutectic cast alloys. Particularly in the case of pistons for direct injection diesel engines that are subjected to high loads, the bowl rim zone 4 is exposed to high temperatures and mechanical loads. In the areas of the piston skirt 5, aluminum cast materials 2 meet the requirements there. By pouring spray-compacted aluminum alloys (e.g. AlSi20Fe5Ni2) into the stressed areas, the bowl rim zone 4 or the entire combustion chamber bowl 7 can be inexpensively strengthened 3, which makes it possible to design the piston 1 with which more effective combustion can be achieved. Further reinforcement options on piston 1 are e.g. the area of the ring groove 6, where some iron-based materials are already poured in to minimize wear due to the movement of the piston rings.
  • spray-compacted aluminum alloys e.g. AlSi20Fe5Ni2
  • a further reinforcement according to the invention can be provided in the area of the top land (see Figure 5).
  • the use of spray-compacted high-performance aluminum at these points results in considerable improvements due to the perfect combination of the casting alloy 2 with the reinforcements 3. It is thereby possible to minimize the distance between the uppermost piston ring and the piston crown 9, which leads to reduced pollutant values.
  • Example 3 Application of the composite according to the invention to cylinder heads of internal combustion engines.
  • Another example is the reinforcement of cylinder heads of internal combustion engines to the combustion chamber side. Due to the resulting high temperatures and the formation of a temperature gradient, tensions occur in the cylinder head, which usually lead to cracks in the area of the webs between the valves. If a reinforcement is carried out in these areas with a material that on the one hand withstands the thermal and mechanical loads better, and on the other hand has a different coefficient of thermal expansion than the cast alloy of the cylinder head, which has to be used because of the complexity and the mold filling capacity, the tension can induced by the temperature gradient, do not reach critical values for crack formation.
  • Example 4 Application of the composite according to the invention in cylinder liners of internal combustion engines

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 desweiteren 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. Darüberhinaus 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 desweiteren 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 ähnlichen Mitteln, 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 zeigen:
    • 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
    Beispiel 1: Vergleich des erfindungsgemäßen Verbundes mit einem Verbund aus PM-Al-Werkstoff und Al-Guß.
  • Es wurden strangepreßte Rundstangenabschnitte ¢ 85 mm x 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.
    • Beispiel 2: Anwendung des erfindungsgemäßen Verbundes bei Kolben für Verbrennungskraftmaschinen.
  • Ein Anwendungsbeispiel für eine partielle Verstärkung mit Hilfe des Eingießens sind Kolben für Verbrennungskraftmaschinen. Kolbenoberteile sind in den Figuren 4a und 4b dargestellt. Die Figur 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 Verstärkungen 3. Es wird dadurch möglich, den Abstand des obersten Kolbenringes zum Kolbenboden 9 zu minimieren, was zu reduzierten Schadstoffwerten führt.
    • Beispiel 3: Anwendung des erfindungsgemäßen Verbundes bei Zylinderköpfen von Verbrennungskraftmaschinen.
  • 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.
    • Beispiel 4: Anwendung des erfindungsgemäßen Verbundes bei Zylinderlaufbuchsen von Verbrennungskraftmaschinen
  • 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

Claims (8)

  1. Bauteil (1) bestehend aus einem Al-Gußteil (2) und einem von dessen Grundwerkstoff zumindest partiell durch Eingießen umschlossenen Verstärkungsteil (3), das aus einem sprühkompaktierten Al-Werkstoff besteht und in den Fügezonen mit dem Al-Gußteil (2) einen vollständigen festen Materialverbund eingeht.
  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.
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