Bei der Konzeption von gegossenen Werkstücken ist man bestrebt,
durch Maßnahmen der Formgebung eine hohe Gestaltfestigkeit
bei möglichst geringem Gewicht zu erzielen. Dem sind
jedoch schon aus gießtechnischen Gründen Grenzen gesetzt, da
Mindeststärken eingehalten werden müssen, damit auch die gewünschte
Gußqualität erreicht werden kann. Da vielfach bei
einem Werkstück nicht alle Bereiche der Konstruktion "tragende"
Funktion besitzen, sondern zum Teil nur als Abdeckung
oder als verbindende Elemente dienen, hat man zur Reduzierung
des Gesamtgewichts derartiger Werkstücke den Weg beschritten,
die Bereiche mit "tragenden" Funktionen aus einem höher belastbaren
Metallwerkstoff mit größerer Dichte herzustellen
als die übrigen Bereiche.
So ist man beispielsweise im Motorenbau dazu übergegangen,
die Bereiche mit tragenden Funktionen, wie beispielsweise die
Lagerstühle und die Laufbüchsen aus einem Grauguß herzustellen
und die übrigen Bereiche, so beispielsweise die sogenannten
Wassermäntel und/oder die Wandungen des Kurbelgehäuses
aus einem Leichtmetallwerkstoff zu gießen. Bei diesem Verfahren
wird zunächst in einer ersten Gießform das Teilstück mit
den tragenden Funktionen aus einem ersten Metallwerkstoff gegossen,
beispielsweise aus einem Grauguß, und danach unter
Verwendung einer zweiten Gießform dieses Teilstück mit einem
zweiten Metallwerkstoff, beispielsweise einem Leichtmetall
umgossen. Hierbei muß das erste Teilstück in den die Kontaktflächen
zwischen den beiden Metallwerkstoffen bildenden Bereichen
so gestaltet werden, daß eine feste Verbindung zwischen
dem ersten Teilstück und dem angegossenen Teilen entsteht.
Zu diesem Zweck wurden am ersten Teilstück in den Kontaktbereichen
beim Gießen oder durch nachträgliche Bearbeitung
Profilierungen hergestellt, die beim Umgießen des Teilstücks
mit dem zweiten metallischen Werkstoff von diesem ausgefüllt
werden und eine formschlüssige Verbindung bilden, wobei
die Schrumpfung des zweiten Metallwerkstoffs beim Abkühlen
die Festigkeit der Verbindung beider Metallwerkstoffe im
Bereich der Kontaktflächen erhöht.
Metallwerkstoffe im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen
Metalle und Metallegierungen, wobei der Unterschied der hier
einzusetzenden Metallwerkstoffe durch unterschiedliche dichten
und/oder unterschiedliche Schmelztemperaturen gegeben
ist. Für das herzustellende, ggf. tragende Teilstück ist die
Verwendung eines Metallwerkstoffs mit größerer Dichte
und/oder höherer Schmelztemperatur zweckmäßig, während für
den weiteren Metallwerkstoff ein Metall oder eine Metalllegierung
mit geringerer Dichte und/oder geringerer Schmelztem- ,
peratur einzusetzen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das vorstehend beschriebene
Verfahren zu verbessern.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß beim
Abgießen der ersten Gießform am Teilstück die Kontaktflächen
als Rauhflächen geformt werden. Bei einer Rauhtiefe, die beispielsweise
im Bereich von 1 mm liegen kann, ergibt sich ein
fester Verbund zwischen dem ersten und dem zweiten Metallwerkstoff,
wenn der zweite Metallwerkstoff die Vertiefungen
der Rauhfläche ausfüllt. In vorteilhafter Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Rauhfläche
beim Gießen jeweils durch in die erste Gießform integrierte,
mit einer Formfläche versehene Formelemente geformt
wird. Diese Formelemente können nach Art von Kernen in die
Gießform eingesetzt sein.
Während es grundsätzlich möglich ist, die Rauhfläche durch
eine Profilierung der Formfläche an den Formelementen zu formen,
ist in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, daß das
Formelement als verlorenes Formteil aus einem körnigen Formstoff
gebildet ist und daß die die Rauhfläche formende Profilierung
durch zumindest einen Teil des Formstoffs gebildet
wird. So ist es beispielsweise möglich, das Formelement in
üblicher Weise aus einem Kernsand oder Gießereisand herzustellen
und hierbei zumindest für den die Kontaktfläche formenden
Bereiche einen groben Formsand bzw. Kernsand vorzusehen,
wobei ggf. dem Formstoff noch zusätzliche Grobpartikel
zugesetzt werden, wie sie üblicherweise in Kern- der Formsanden
nicht enthalten sind, um so eine deutliche Rauhtiefe der
Kontaktfläche zu erzeugen.
In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß beim Abgießen des Teilstücks der die Rauhfläche
formende Anteil des Formstoffs zumindest teilweise beim
Erstarren des ersten Metallwerkstoffs in diesen als die Rauhfläche
bildender Teil eingebunden wird. Dies kann beispielsweise
dadurch bewirkt werden, daß der Formstoff Grobpartikel
enthält, die über einen Binder am Formelement gehalten werden.
Beim Abgießen fließt die Metallschmelze teilweise in die
Zwischenräume zwischen den einzelnen Grobpartikeln ein, so
daß beim Ausformen des fertigen Teilstücks die Grobpartikel
aus dem Formstoffverbund gelöst werden und in der Rauhfläche
gehalten werden. Ein Teil der Grobpartikel wird demgegenüber
nicht in den Metallwerkstoff eingebunden sondern formt lediglich
Vertiefungen, so daß eine grobe Rauhstruktur erzielt
wird.
Die Einbindung der aus dem Formstoff des Formelementes abgenommenen
Partikel kann, wie vorstehend beschrieben, rein mechanisch-geometrisch
erfolgen. Durch eine entsprechende Wahl
in der Zusammensetzung des Formstoffs zumindest im Bereich
der Formfläche besteht dann auch die Möglichkeit, daß durch
Zumischungen von schmelzbaren Partikeln, die beispielsweise
eine Schmelztemperatur aufweisen, die unter der Schmelztemperatur
des ersten Metallwerkstoffs liegt, der noch zusätzlich
mit den nichtschmelzenden, in die Rauhfläche einzubindenden
Partikeln eine Art Matrix bildet, so daß die Einbindung der
nichtschmelzenden Partikel noch verbessert wird. Dieser
schmelzbare Teil kann beispielsweise durch Metallpartikel gebildet
werden, wobei es zweckmäßig sein kann, daß die Metallpartikel
aus einem Metallwerkstoff bestehen, der mit dem
zweiten, die Rauhfläche beim zweiten Gußvorgang umschließenden
Metallwerkstoff identisch oder legierbar ist, d. h. durch
die heiße Schmelze des zweiten Werkstoffs beim Umgießen der
Rauhfläche angeschmolzen wird, so daß eine metallische Verbindung
zwischen dem zweiten Metallwerkstoff und dem Werkstoff
der Rauhflächenmatrix gebildet wird.
Weitere Merkmale der Erfindung sind den Ansprüchen sowie der
nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen.
Die Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1
- im Teilschnitt eine Zylinderlaufbüchse aus
Grauguß, eingegossen in einen Motorblock aus
Leichtmetall,
- Fig. 2
- im Teilschnitt eine Gießform zur Herstellung
einer Zylinderlaufbüchse,
- Fig. 3
- in stark vergrößertem Maßstab im Schnitt eine
als Rauhfläche geformte Kontaktfläche,
- Fig. 4
- eine andere Bauform eines Verbundmotorblocks.
Fig. 1 zeigt sehr schematisch einen vertikalen Teilschnitt
durch den Zylinderbereich eines Motorblocks einer Kolbenbrennkraftmaschine.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Zylinderlaufbüchsen
1.1 aus einem Graugußwerkstoff als Teilstück
1 in einen Motorblock 2 aus einem Leichtmetallwerkstoff
eingegossen. Die Herstellung eines derartigen Motorblocks erfolgt
in der Weise, daß in einer ersten Gießform als Teilstück
1 zunächst die Laufbüchsen 1.1 hergestellt werden, die
ggf., wie in Fig. 4 dargestellt, unmittelbar mit den Lagerstühlen
1.2 zur Lagerung der Kurbelwelle verbunden sind. Dieses
Teilstück 1 aus einem Graugußwerkstoff, beispielsweise
die dargestellte Zylinderlaufbüchse 1.1, wird nach dem Abgießen
der ersten, in der Regel als Sandform hergestellten Gießform
ausgeformt und in üblicher Weise gereinigt. Anschließend
wird das Teilstück 1, bei einem Motorblock einer Mehrzylindermaschine
mehrere derartiger als Block ausgebildeter Zylinderlaufbbüchsen,
in eine zweite Gießform eingesetzt, wobei
die zu bildenden Freiräume, beispielsweise der Wassermantel 3
durch entsprechende Kerne ausgefüllt werden und andererseits
Kontaktflächen 4 zwischen dem ersten Metallwerkstoff und dem
zweiten Metallwerkstoff gegeben sind, durch die der Verbund
zwischen dem Teilstück 1 und dem übrigen Teil 2 bewirkt wird.
Um nun eine feste Verbindung zwischen dem ersten Metallwerkstoff
des Teilstücks 1 und dem zweiten Metallwerkstoff zu bewirken,
sind die Kontaktflächen 4 bereits bei der Herstellung
des Teilstücks 1 als Rauhflächen geformt, so daß beim Umgießen
des Teilstücks 1 mit dem zweiten Metallwerkstoff im Bereich
der Kontaktflächen eine feste im wesentlichen formschlüssige
Verbindung entsteht.
Das Verfahren zur Herstellung der Rauhfläche wird anhand eines
vereinfachten Verfahrens der Herstellung einer Zylinderlaufbüchse
mit Fig. 2 näher erläutert. In eine beispielsweise
zweiteilige Sandform 5 wird ein Kern 6 eingelegt, so daß ein
Formraum 7 beispielsweise in Form eines Kreiszylinders gebildet
wird. Die Sandform 5 weist jeweils zur Formung der Kontaktflächen
4 Formelemente 8 auf, die in bezug auf den Formraum
7 mit einer Formfläche 9 zur Formung der Rauhfläche jeweils
am endseitigen Außenumfang der zu erstellenden Zylinderlaufbüchse
vorgesehen sind.
Je nach Gießverfahren zur Erstellung des Teilstücks kann das
Formelement 8 als wiederverwendbares Formelement ausgebildet
sein, so daß die Formfläche mit einer entsprechenden dauerhaften
Profilierung versehen ist.
Für den vorliegenden Fall der Herstellung einer Zylinderlaufbüchse
in einer Sandform ist das Formelement 8 jedoch als
verlorenes Formteil aus einem körnigen Formstoff, beispielsweise
einem Kernsand hergestellt und die die Rauhfläche formende
Profilierung der Formfläche 9 wird durch zumindest einen
Teil des Formstoffs gebildet. Das Formteil 8 kann hierbei
beispielsweise aus einem sehr groben Formsand gebildet werden
mit einem hohen Anteil an Grobpartikeln bis etwa 1,5 mm
Durchmesser. Der die Rauhfläche formende Teil des Formstoffs
kann auch aus Formstoffmischungen besteht, die Metalloxide
und/oder Metallpartikeln enthalten.
Die formende Oberfläche 10 des Kernes 6 und auch die formende
Oberfläche 11 der Sandform 5 im Bereich zwischen den beiden
Formflächen 9 sind zweckmäßigerweise mit einer Schlichte versehen,
um eine hohe Oberflächengüte in diesen Bereichen zu
erzielen. Nach dem Abgießen wird das fertige Teilstück ausgeformt
und in üblicher Weise vom Formstoff, beispielweise
durch Kugelstrahlen gereinigt.
In Fig. 3 ist in einer Schnittdarstellung in größerem Maßstab
eine Kontaktfläche 4 am fertigen Teilstück 1 dargestellt. Wie
aus der Schnittdarstellung zu erkennen, sind beim Abgießen
des Formraumes 7 im Bereich der Formfläche 9 aus dem Formstoff
des Formelementes 8 teilweise Partikel 12 abgetrennt
und in den Metallwerkstoff des Teilstücks 1 eingebunden, so
daß hier entsprechende Vorsprünge gebildet werden. Soweit die
Partikel nicht in den Metallwerkstoff eingebunden sind sondern
beim Abreinigen herausfallen, werden entsprechende Vertiefungen
13 in die Kontaktfläche eingeformt, so daß sich
insgesamt eine stark strukturierte Rauhfläche ergibt, deren
Rauhtiefe nicht ausschließlich durch die Größe der eingebundenen
Partikel 12 und/oder der durch Grobpartikel gebildeten
Vertiefungen 13 definiert ist, sondern auch durch die eingeformten
Vertiefungen 13, so daß eine Oberflächenstruktur mit
einer deutlichen Rauhtiefe gegeben ist.
Wird, wie aus Fig. 1 erkennbar, eine mit derartigen Rauhflächen
als Kontaktflächen versehenes Teilstück aus einem Metallwerkstoff
mit höherer Schmelztemperatur in eine weitere
Gießform eingelegt und mit einem Metallwerkstoff mit geringerer
Schmelztemperatur umgossen, wie anhand von Fig. 1 beschrieben,
dann entsteht durch den in die Rauhfläche einfließenden
zweiten Metallwerkstoff eine feste und auch dichte
Verbindung zwischen beiden Metallwerkstoffen.
Das Formelement 8 enthält zweckmäßigerweise zumindest in seinem
die Rauhfläche formenden Bereich eine Beimischung aus wenigstens
einem Metalloxid. Zweckmäßig ist auch eine Mischung,
die zumindest in dem die Rauhfläche formenden Teils des Formstoffes
mit Metallpartikeln versehen ist, wobei zweckmäßigerweise
die Metallpartikel eine gegenüber der Schmelztemperatur
des ersten Metallwerkstoffs geringere Schmelztemperatur aufweisen.
Damit ergibt sich nicht nur eine formschlüssige Einbindung
der Grobpartikel 12 in den ersten Metallwerkstoff,
sondern es entsteht zwischen den einzelnen Partikeln auch
noch eine Art metallischer Matrix, die die Einbindung verbessert.
Bestehen die Metallpartikel aus dem zweiten Metallwerkstoff
oder einem mit diesem legiebaren Metall oder Metallwerkstoff,
dann ergibt sich beim Abgießen mit dem zweiten Metallwerkstoff
zwischen diesem und der Matrix der Rauhfläche
eine metallisch feste Verbindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit den Vorteil, daß
zwei nicht miteinander durch Schmelzen verbindbare Metallwerkstoff
bei der Erstellung eines Bauteils fest miteinander
verbunden werden können. Als erster Metallwerkstoff wird bevorzugt
ein Eisenwerkstoff verwendet, insbesondere eine Graugußwerkstoff.
Im Hinblick auf das Ziel einer Gewichtsreduzierung ist als
zweiter Metallwerkstoff ein NE-Metallwerkstoff, vorzugsweise
eine Leichtmetallwerkstoff, insbesondere ein Aluminiumwerkstoff
vorgesehen.
Als Formstoff für das Formelement ist die Verwendung von Gieβereiformsand
zweckmäßig. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn der
Formstoff zusätzlich als Metalloxid noch Eisenoxid (Fe2O3)
enthält. Durch die Zumischung von Eisenoxid zum Formsand ergibt
sich eine Rauhfläche, die durch sogenannte Vererzung
zwischen dem beispielsweise aus einem Graugußwerkstoff bestehenden
ersten Metallwerkstoff und den vom Grauguß eingebundenen
Formstoffanteilen gebildet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur für das als Ausführungsbeispiel
angegebene Verfahren zum Eingießen von Graugußzylinderbüchsen
in einen Leichtmetall-Motorblock anwendbar.
Das Verfahren ist grundsätzlich in allen Fällen einsetzbar,
in denen ein oder mehrere Teilstücke, in der Regel tragende
Teile der Gesamtkonstruktion, aus einem belastbaren
Gußwerkstoff erstellt werden, die anschließend dann in eine
zweite Gießform zusammen mit weiteren Kernen oder sonstigen
formgebenden Teilen eingelegt und entsprechend der Formgebung
für das ferttige Gußwerkstück mit dem zweiten Metallwerkstoff
umgossen werden, wobei insbesondere bei einer doppelwandigen
Ausführung des Gußwerkstückes die beiden Metallwerkstoffe nur
in vorgegebenen durch die Kontaktflächen gegebenen Bereiche
miteinander in Berührung stehen und in diesen Bereichen eine
feste Verbindung zwischen den beiden Metallwerkstoffen bewirken.
Bei entsprechender Komplexität des zu erstellenden Teilstükkes
können die die Rauhflächen formenden Formelemente der ersten
Gießform auch durch Teile der Gießform selbst gebildet
werden. So ist beispielsweise die Möglichkeit gegeben, den
die Rauhfläche formenden Flächenbereich der Gießform beispielsweise
mit einem leicht verdampfenden Bindemittel zu
versehen oder aber das vorhandene Porenvolumen anzufeuchten,
so daß beim Abguß das normalerweise bei der Herstellung von
Gußwerkstücken unerwünschte Einbinden von Partikeln des Formstoffs
der Gießform in die Oberfläche des Gußwerkstückes gezielt
erfolgt.