DE10103596A1 - Verfahren zur Herstellung eines aus wenigstens zwei unterschiedlichen Metallwerkstoffen gebildeten Gußwerkstücks - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus wenigstens zwei unterschiedlichen Metallwerkstoffen gebildeten Gußwerkstückes, wobei in einer ersten Gießform zunächst ein Teilstück aus einem ersten Metallwerkstoff gegossen wird, das danach unter Verwendung einer zweiten Gießform mit einem zweiten Metallwerkstoff so umgossen wird, daß der zweite Metallwerkstoff in vorgegebenen, Kontaktflächen bildenden Bereichen am Teilstück formschlüssig dicht anliegt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß beim Abgießen der ersten Gießform am Teilstück die Kontaktflächen als Rauhflächen geformt werden.

Description

Bei der Konzeption von gegossenen Werkstücken ist man be­ strebt, durch Maßnahmen der Formgebung eine hohe Gestaltfe­ stigkeit bei möglichst geringem Gewicht zu erzielen. Dem sind jedoch schon aus gießtechnischen Gründen Grenzen gesetzt, da Mindeststärken eingehalten werden müssen, damit auch die ge­ wünschte Gußqualität erreicht werden kann. Da vielfach bei einem Werkstück nicht alle Bereiche der Konstruktion "tragen­ de" 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 be­ lastbaren 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 herzustel­ len und die übrigen Bereiche, so beispielsweise die sogenann­ ten Wassermäntel und/oder die Wandungen des Kurbelgehäuses aus einem Leichtmetallwerkstoff zu gießen. Bei diesem Verfah­ ren wird zunächst in einer ersten Gießform das Teilstück mit den tragenden Funktionen aus einem ersten Metallwerkstoff ge­ gossen, 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 Kontakt­ flächen zwischen den beiden Metallwerkstoffen bildenden Be­ reichen so gestaltet werden, daß eine feste Verbindung zwi­ schen dem ersten Teilstück und dem angegossenen Teilen ent­ steht. Zu diesem Zweck wurden am ersten Teilstück in den Kon­ taktbereichen beim Gießen oder durch nachträgliche Bearbeitung Profilierungen hergestellt, die beim Umgießen des Teil­ stücks mit dem zweiten metallischen Werkstoff von diesem aus­ gefüllt werden und eine formschlüssige Verbindung bilden, wo­ bei die Schrumpfung des zweiten Metallwerkstoffs beim Abküh­ len 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 dich­ ten 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 Metallle­ gierung mit geringerer Dichte und/oder geringerer Schmelztem­ peratur einzusetzen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das vorstehend be­ schriebene 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 bei­ spielsweise im Bereich von 1 mm liegen kann, ergibt sich ein fester Verbund zwischen dem ersten und dem zweiten Metall­ werkstoff, wenn der zweite Metallwerkstoff die Vertiefungen der Rauhfläche ausfüllt. In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Rauhflä­ che beim Gießen jeweils durch in die erste Gießform inte­ grierte, 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 for­ men, ist in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, daß das Formelement als verlorenes Formteil aus einem körnigen Form­ stoff gebildet ist und daß die die Rauhfläche formende Profi­ lierung durch zumindest einen Teil des Formstoffs gebildet wird. So ist es beispielsweise möglich, das Formelement in üblicher Weise aus einem Kernsand oder Gießereisand herzu­ stellen und hierbei zumindest für den die Kontaktfläche for­ menden Bereiche einen groben Formsand bzw. Kernsand vorzuse­ hen, wobei ggf. dem Formstoff noch zusätzliche Grobpartikel zugesetzt werden, wie sie üblicherweise in Kern- der Formsan­ den 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 Rauhflä­ che formende Anteil des Formstoffs zumindest teilweise beim Erstarren des ersten Metallwerkstoffs in diesen als die Rauh­ fläche bildender Teil eingebunden wird. Dies kann beispiels­ weise dadurch bewirkt werden, daß der Formstoff Grobpartikel enthält, die über einen Binder am Formelement gehalten wer­ den. 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 ledig­ lich Vertiefungen, so daß eine grobe Rauhstruktur erzielt wird.

Die Einbindung der aus dem Formstoff des Formelementes abge­ nommenen Partikel kann, wie vorstehend beschrieben, rein me­ chanisch-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 Schmelztempe­ ratur 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 ge­ bildet werden, wobei es zweckmäßig sein kann, daß die Metall­ partikel aus einem Metallwerkstoff bestehen, der mit dem zweiten, die Rauhfläche beim zweiten Gußvorgang umschließen­ den Metallwerkstoff identisch oder legierbar ist, d. h. durch die heiße Schmelze des zweiten Werkstoffs beim Umgießen der Rauhfläche angeschmolzen wird, so daß eine metallische Ver­ bindung zwischen dem zweiten Metallwerkstoff und dem Werk­ stoff der Rauhflächenmatrix gebildet wird.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Ansprüchen sowie der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu ent­ nehmen. 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 Kolben­ brennkraftmaschine. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Zy­ linderlaufbüchsen 1.1 aus einem Graugußwerkstoff als Teil­ stück 1 in einen Motorblock 2 aus einem Leichtmetallwerkstoff eingegossen. Die Herstellung eines derartigen Motorblocks er­ folgt in der Weise, daß in einer ersten Gießform als Teil­ stück 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. Die­ ses Teilstück 1 aus einem Graugußwerkstoff, beispielsweise die dargestellte Zylinderlaufbüchse 1.1, wird nach dem Abgie­ ßen der ersten, in der Regel als Sandform hergestellten Gieß­ form ausgeformt und in üblicher Weise gereinigt. Anschließend wird das Teilstück 1, bei einem Motorblock einer Mehrzylin­ dermaschine mehrere derartiger als Block ausgebildeter Zylin­ derlaufbbüchsen, 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 Metallwerk­ stoff des Teilstücks 1 und dem zweiten Metallwerkstoff zu be­ wirken, sind die Kontaktflächen 4 bereits bei der Herstellung des Teilstücks 1 als Rauhflächen geformt, so daß beim Umgie­ ßen des Teilstücks 1 mit dem zweiten Metallwerkstoff im Be­ reich der Kontaktflächen eine feste im wesentlichen form­ schlüssige Verbindung entsteht.

Das Verfahren zur Herstellung der Rauhfläche wird anhand ei­ nes vereinfachten Verfahrens der Herstellung einer Zylinder­ laufbüchse 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 gebil­ det wird. Die Sandform 5 weist jeweils zur Formung der Kon­ taktflächen 4 Formelemente 8 auf, die in bezug auf den Form­ raum 7 mit einer Formfläche 9 zur Formung der Rauhfläche je­ weils am endseitigen Außenumfang der zu erstellenden Zylin­ derlaufbüchse 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 dauer­ haften Profilierung versehen ist.

Für den vorliegenden Fall der Herstellung einer Zylinderlauf­ büchse in einer Sandform ist das Formelement 8 jedoch als verlorenes Formteil aus einem körnigen Formstoff, beispiels­ weise einem Kernsand hergestellt und die die Rauhfläche for­ mende Profilierung der Formfläche 9 wird durch zumindest ei­ nen 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 ver­ sehen, um eine hohe Oberflächengüte in diesen Bereichen zu erzielen. Nach dem Abgießen wird das fertige Teilstück ausge­ formt 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 Form­ stoff 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 son­ dern beim Abreinigen herausfallen, werden entsprechende Ver­ tiefungen 13 in die Kontaktfläche eingeformt, so daß sich insgesamt eine stark strukturierte Rauhfläche ergibt, deren Rauhtiefe nicht ausschließlich durch die Größe der eingebun­ denen Partikel 12 und/oder der durch Grobpartikel gebildeten Vertiefungen 13 definiert ist, sondern auch durch die einge­ formten Vertiefungen 13, so daß eine Oberflächenstruktur mit einer deutlichen Rauhtiefe gegeben ist.

Wird, wie aus Fig. 1 erkennbar, eine mit derartigen Rauhflä­ chen als Kontaktflächen versehenes Teilstück aus einem Me­ tallwerkstoff mit höherer Schmelztemperatur in eine weitere Gießform eingelegt und mit einem Metallwerkstoff mit geringe­ rer Schmelztemperatur umgossen, wie anhand von Fig. 1 be­ schrieben, dann entsteht durch den in die Rauhfläche einflie­ ßenden zweiten Metallwerkstoff eine feste und auch dichte Verbindung zwischen beiden Metallwerkstoffen.

Das Formelement 8 enthält zweckmäßigerweise zumindest in sei­ nem die Rauhfläche formenden Bereich eine Beimischung aus we­ nigstens einem Metalloxid. Zweckmäßig ist auch eine Mischung, die zumindest in dem die Rauhfläche formenden Teils des Form­ stoffes mit Metallpartikeln versehen ist, wobei zweckmäßiger­ weise die Metallpartikel eine gegenüber der Schmelztemperatur des ersten Metallwerkstoffs geringere Schmelztemperatur auf­ weisen. Damit ergibt sich nicht nur eine formschlüssige Ein­ bindung der Grobpartikel 12 in den ersten Metallwerkstoff, sondern es entsteht zwischen den einzelnen Partikeln auch noch eine Art metallischer Matrix, die die Einbindung verbes­ sert. Bestehen die Metallpartikel aus dem zweiten Metallwerk­ stoff oder einem mit diesem legiebaren Metall oder Metall­ werkstoff, dann ergibt sich beim Abgießen mit dem zweiten Me­ tallwerkstoff 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 Metall­ werkstoff bei der Erstellung eines Bauteils fest miteinander verbunden werden können. Als erster Metallwerkstoff wird be­ vorzugt ein Eisenwerkstoff verwendet, insbesondere eine Grau­ gußwerkstoff.

Im Hinblick auf das Ziel einer Gewichtsreduzierung ist als zweiter Metallwerkstoff ein NE-Metallwerkstoff, vorzugsweise eine Leichtmetallwerkstoff, insbesondere ein Aluminiumwerk­ stoff vorgesehen.

Als Formstoff für das Formelement ist die Verwendung von Gie­ ßereiformsand zweckmäßig. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn der Formstoff zusätzlich als Metalloxid noch Eisenoxid (Fe₂O₃) enthält. Durch die Zumischung von Eisenoxid zum Formsand er­ gibt sich eine Rauhfläche, die durch sogenannte Vererzung zwischen dem beispielsweise aus einem Graugußwerkstoff beste­ henden ersten Metallwerkstoff und den vom Grauguß eingebunde­ nen Formstoffanteilen gebildet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur für das als Aus­ führungsbeispiel angegebene Verfahren zum Eingießen von Grau­ gußzylinderbüchsen in einen Leichtmetall-Motorblock anwend­ bar. Das Verfahren ist grundsätzlich in allen Fällen einsetz­ bar, in denen ein oder mehrere Teilstücke, in der Regel tra­ gende 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 bewir­ ken.

Bei entsprechender Komplexität des zu erstellenden Teilstüc­ kes können die die Rauhflächen formenden Formelemente der er­ sten Gießform auch durch Teile der Gießform selbst gebildet werden. So ist beispielsweise die Möglichkeit gegeben, den die Rauhfläche formenden Flächenbereich der Gießform bei­ spielsweise 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 Form­ stoffs der Gießform in die Oberfläche des Gußwerkstückes ge­ zielt erfolgt.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung eines aus wenigstens zwei unter­ schiedlichen Metallwerkstoffen gebildeten Gußwerkstückes, wo­ bei in einer ersten Gießform zunächst ein Teilstück aus einem ersten Metallwerkstoff gegossen wird, das danach unter Ver­ wendung einer zweiten Gießform mit einem zweiten Metallwerk­ stoff so umgossen wird, daß der zweite Metallwerkstoff in vorgegebenen, Kontaktflächen bildenden Bereichen am Teilstück formschlüssig dicht anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abgießen der ersten Gießform am Teilstück die Kontaktflächen als Rauhflächen geformt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhfläche beim Gießen jeweils durch in die erste Gießform integrierte, mit einer Formfläche versehene Formelemente ge­ formt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhfläche durch eine Profilierung der Formfläche ge­ formt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Formelement als verlorenes Formteil aus einem körnigen Formstoff gebildet ist und daß die die Rauh­ fläche formende Profilierung der Formfläche durch zumindest einen Teil des Formstoffs gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der die Rauhfläche formende Teil des Form­ stoffs aus Grobpartikeln besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beim Abgießen des Teilstücks der die Rauh­ fläche formende Anteil des Formstoffs zumindest teilweise beim Erstarren des ersten Metallwerkstoffs in diesen als die Rauhfläche bildender Teil eingebunden wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der die Rauhfläche formende Teil des Form­ stoffs des Formelementes zumindest teilweise aus wenigstens einem Metalloxid besteht oder ein Metalloxid enthält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der die Rauhfläche formende Teil des Form­ stoffs des Formelementes Metallpartikel enthält.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metallpartikel beim Abgießen durch den ersten Metallwerkstoff zumindest anschmelzbar sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metallpartikel aus dem zweiten Metall­ werkstoff bestehen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metalloxide und/oder die Metallpartikel mit dem zweiten Metallwerkstoff legierbar sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest der die Rauhfläche formende Teil des Formstoffs zumindest teilweise eine Korngröße bis etwa 1,5 mm aufweist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als erster Metallwerkstoff ein Eisenwerk­ stoff, insbesondere ein Graugußwerkstoff verwendet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als zweiter Metallwerkstoff ein NE-Metall­ werkstoff, vorzugsweise eine Leichtmetallwerkstoff, insbeson­ dere ein Alumniumwerkstoff verwendet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Formstoff für das Formelement Gießerei­ formsand verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Formstoff für das Formelement Eisenoxid (FE₂O₃) enthält.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest die erste Gießform als verlorene Form, insbesondere als Sandform ausgebildet ist und die nicht als Kontaktfläche bestimmten Flächenbereiche mit einer Schlichte versehen sind.