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- Priorität: FR 15. September 2000 0011784
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Die Erfindung befaßt sich mit dem Formen oder Gießen von Bauteilen aus einer Leichtmetallegierung, beispielsweise einer Aluminiumlegierung und betrifft insbesondere das Gießen oder Formen von Bauteilen, die metallische Einsätze aufweisen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Gußteils gemäß Anspruch 1 und einen Metalleinsatz in Form einer Zylinderlaufbüchse gemäß Anspruch 15.
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Bei den zu formenden oder gießenden Bauteilen handelt es sich insbesondere um Motorblöcke von Brennkraftmaschinen, die Einsätze aufweisen, die die Zylinderlaufbüchsen bilden.
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Zum Herstellen bestimmter Aluminiumformteile oder Aluminiumgußteile, beispielsweise von Motorblöcken, ist es gegenwärtig notwendig, an bestimmten Stellen Einsätze aus einem anderen Material als dem Material zu verwenden, das zum Gießen oder Formen der Bauteile verwandt wird. Im Fall von Motorblöcken aus einer Leichtmetallegierung besteht das am weitesten verbreitete technische Verfahren darin, bereits gegossene Laufbüchsen aus Gußeisen einzusetzen, die für den Kontakt mit den Kolbenringen sorgen, was es ermöglicht, dem Einsatz eine mechanisch ausreichende Verankerungsfläche zu geben, indem beispielsweise eine schraubenförmige Rille an der Außenfläche der Laufbüchse verwandt wird. Wenn das flüssige Aluminium richtig in diese Oberflächenunebenheiten eintritt, wird eine ausreichende mechanische Festigkeit der Anordnung erhalten.
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Wenn man jedoch kalte Laufbüchsen in die Form einsetzt, sei es in eine Metallform (Schwerkraftkokillen- oder Niederdruckverfahren) oder in eine Form aus Formsand, wie es beispielsweise in der
FR 2 775 917 A beschrieben ist, ist es nicht möglich, eine fehlerfreie Umhüllung der Laufbüchsen aus Gußeisen durch das flüssige Aluminium zu garantieren, wie auch immer die Herstellungsbedingungen der Oberfläche des benutzten Einsatzes (Sandstrahlen, Entfetten... usw.) und die Gießbedingungen (vorausgesetzt, daß sich diese in einem Parameterbereich befinden, der es erlaubt, einen Motorblock ohne Funktionsfehler zu erzielen) sind. Das zeigt sich an bestimmten Stellen der Laufbüchsen und zwar an ihrer Außenfläche, und insbesondere in Bereichen zwischen den Laufbüchsen in Form eines Aluminiummangels, der funktionell nicht hinzunehmen ist, da er die mechanische Verbindung zwischen dem Motorblock und den Laufbüchsen ernsthaft beeinträchtigt.
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Eine bekannte Möglichkeit, diese Schwierigkeit zu überwinden, besteht darin, die Laufbüchsen zu erwärmen, sei es vor dem Einsetzen in die Form in einem separaten Ofen für Verfahren, die Metallformen verwenden, sei es, indem Öffnungen in das Sandpaket bei Verfahren gebohrt werden, die Sandformen verwenden, derart, daß elektrische Leiter bis zum Innenraum der Laufbüchsen hindurchgeführt werden können und die Laufbüchsen in der Form vor dem Eingießen des Metalls induktiv erwärmt werden können.
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Vom Standpunkt der Investitionskosten, der Kompliziertheit der Ausführung und der Kontrolle sind diese Verfahren der Erwärmung indessen für diese Art der Anwendung eigentlich nicht geeignet. Mangels interessanterer Lösungen sind es dennoch diese technischen Verfahren, die gegenwärtig für die Herstellung von Motorblöcken von Brennkraftmaschinen verwandt werden, bei denen Laufbüchsen aus Gußeisen in die Schmelze eingesetzt werden.
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Ferner ist aus der dem Stand der Technik angehörenden Druckschrift
DE 760 193 A ein Verfahren zum Herstellen von aus Stahl und Leichtmetall zusammengesetzten Körpern, insbesondere Motorzylindern bekannt, wobei der Stahlkörper zunächst an seiner aufgerauhten oder evtl. gewellten Oberfläche durch Aufspritzen mit einer dünnen Leichtmetallschicht überzogen und danach in der Form mit dem Leichtmetall umgossen wird, so dass das aufgegossene Metall sich innig mit der aufgespritzten Metallschicht verbindet. Entgegen der beanspruchten Erfindung wird gemäß der Lehre der Druckschrift
DE 760 193 A der Stahlkörper, welcher durch eine Stahlbüchse gebildet wird, an dessen Oberfläche aufgerauht, um eine Verbindungsfläche für die aufzuspritzende Leichtmetallschicht zu schaffen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Beschränkungen des Standes der Technik zu überwinden und sowohl eine gute Umhüllung des Einsatzes durch die flüssige Aluminiumlegierung als auch einen engen Kontakt zwischen dem Einsatz und der Aluminiumlegierung nach der Verfestigung zu ermöglichen und zwar ohne daß auf eine Vorerwärmung des Einsatzes vor dem Gießen der Aluminiumlegierung zurückgegriffen wird. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Metalleinsatz gemäß Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines Gußteils aus einer Leichtmetallegierung, wie beispielsweise einer Aluminiumlegierung, das wenigstens einen Metalleinsatz aufweist, zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
- – Aufbringen eines Überzugs aus Ruß, insbesondere Gasruß, auf einer Fläche des Einsatzes, die dazu bestimmt ist, in Kontakt mit der Legierung des Gußteils zu treten, und
- – Gießen des Gußteils, dadurch dass geschmolzene Legierung in einen Formhohlraum gegossen wird, in dem der Einsatz angeordnet ist.
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Das Verfahren gemäß dem vorgenannten Aspekt ist vorzugsweise in der folgenden Weise ausgebildet:
- – Der Schritt des Aufbringens des Rußüberzugs wird vor dem Einsetzen des Einsatzes in den Formhohlraum durchgeführt.
- – Das Verfahren umfaßt weitere Schritte, die darin bestehen, den Einsatz an einem Sandkern festzulegen und den Kern im Formhohlraum anzuordnen.
- – Der Schritt der Festlegung des Einsatzes am Kern umfaßt die Positionierung des Einsatzes in einem Kernkasten mit anschließendem Schießen des Kerns.
- – Der Schritt des Aufbringens des Rußüberzugs auf den Einsatz erfolgt vor dem Festlegen des Einsatzes am Kern.
- – Der Schritt des Aufbringens des Rußüberzuges erfolgt dadurch, daß die Fläche des Einsatzes einer Flamme ausgesetzt wird.
- – Während der Einsatz der Flamme ausgesetzt wird, werden der Einsatz und die Flamme gegenseitig versetzt.
- – Der Schritt des Aufbringens des Rußüberzugs erfolgt dadurch, daß auf die Fläche des Einsatzes eine Lösung gesprüht wird, die Ruß, insbesondere Gasruß, in Suspension enthält.
- – Diese Lösung ist eine Lösung auf Alkoholbasis, wie beispielsweise Methanolbasis.
- – Diese Lösung enthält ein Dispersionsmittel, wie beispielsweise Gummiarabikum.
- – Das Gußteil ist ein Motorblock einer Wärmekraftmaschine, wobei der Einsatz eine Zylinderlaufbüchse des Motorblockes bildet.
- – Die Laufbüchse ist aus Gußeisen.
- – Die Außenseite der Laufbüchse weist eine Fläche mit Ausnehmungen und Vorsprüngen auf.
- – Der Schritt des Aufbringens des Rußüberzuges an der Laufbüchse wird an der gesamten Außenfläche der Laufbüchse ausgeführt.
- – Der Motorblock weist mehrere Einsätze auf, die alle Zylinderlaufbüchsen bilden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Metalleinsatz zur Verfügung gestellt, der dazu bestimmt ist, fest mit einem Gußteil aus einer Leichtmetallegierung, beispielsweise einer Aluminiumlegierung, beim Gießen des besagten Gußteils in einem Formhohlraum verbunden zu werden, welcher Einsatz dadurch gekennzeichnet ist, daß er auf einer Fläche, die dazu bestimmt ist, mit der Legierung des Gußteils in Kontakt zu kommen, einen Überzug aus Ruß, insbesondere Gasruß, aufweist.
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Vorzugsweise bildet der Einsatz gemäß dem weiteren Aspekt eine Zylinderlaufbüchse, beispielsweise aus Gußeisen, und ist das Gußteil der Motorblock eine Wärmekraftmaschine.
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Der Einsatz ist insbesondere über seine gesamte Außenfläche mit Ruß, insbesondere Gasruß, überzogen.
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Im folgenden wird anhand der zugehörigen Beschreibung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
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1 in einer schematischen Querschnittsansicht eine Anordnung aus Formkernen und Einsätzen für die Herstellung eines Motorblockes gemäß der Erfindung und
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2 eine Seitenansicht der in 1 dargestellten Anordnung in einem etwas kleineren Maßstab.
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In den 1 und 2 ist eine Anordnung aus Kernen und Einsätzen für die Herstellung eines Motorblockes dargestellt, der mit Laufbüchsen versehen ist.
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Diese Anordnung umfaßt in an sich bekannter Weise
- – Wasserkerne NE zur Bildung von Durchgängen im Block für eine Kühlflüssigkeit,
- – Sitz- oder Seitenkerne B,
- – Laufbüchsenhaltekerne PCH und zwar im vorliegenden Fall vier für einen Motor mit 8 Zylindern in V-Anordnung, von denen jeder zwei Laufbüchsen C aus Gußeisen trägt,
- – einen Lagerkern PR, der mit einem Kühlkörper R versehen ist, und
- – einen Gießaufsatzkern M.
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Die Seitenkerne B sind mit dem Rest der Kernanordnung in Richtung des Pfeiles F zusammengesetzt, wobei jeder Wasserkern NE eine jeweilige Laufbüchse C aufnimmt und zwar in einem gegebenen Abstand dazu derart, daß beim Gießen des Motorblockes das geschmolzene Metall in den Zwischenraum zwischen der Außenfläche jeder Laufbüchse und der Innenfläche des jeweiligen Wasserkerns eintritt. Das soll eine ausreichende mechanische Verbindung zwischen der verfestigten Legierung und jeder Laufbüchse sicherstellen.
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2 zeigt insbesondere die vier Laufbüchsenhaltekerne PCH, die Seite an Seite montiert sind, wobei die Laufbüchsen C an den Kernen befestigt sind, sowie die Endkerne NEXT. 2 zeigt gleichfalls Öffnungen O, die in Annäherung an den oben beschriebenen Stand der Technik vorgesehen sind, um Induktionsheizelemente hindurchzuführen, die dazu bestimmt sind, die Laufbüchsen C zu erwärmen.
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Gemäß der Erfindung und zur Gewährleistung einer ausgezeichneten Haftung der Legierungsschmelze, die zum Gießen des Motorblockes verwandt wird, an den Laufbüchsen C sind letztere an ihrer Außenfläche mit Ruß, insbesondere Gasruß überzogen.
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Der Überzug kann beispielsweise nach einem der folgenden Verfahren ausgebildet werden, die lediglich als Beispiele gegeben werden:
Verfahren 1: Der Überzug der Laufbüchsen wird dadurch bewirkt, daß diese dem Ruß ausgesetzt werden, der sich direkt aus der Verbrennung einer Flamme ergibt, die zu diesem Zweck reguliert wird. Durch Drehen und Verschieben der Laufbüchse an der Flamme mittels einer geeigneten von Hand betriebenen oder automatischen Fördereinrichtung wird dann ein homogener Überzug auf der gesamten Außenfläche der Laufbüchsen erhalten.
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Für Laufbüchsen aus Gußeisen, die annähernd die folgenden Abmessungen haben:
- – Außendurchmesser 70 bis 110 mm
- – Höhe 90 bis 140 mm
liegt die typische Behandlungsdauer in der Größenordnung von 20 bis 60 Sekunden für jede Laufbüchse.
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Die in dieser Weise vorbereiteten Laufbüchsen sind bereit, in eine Metallform oder in eine Sandform vor dem Gießen eingesetzt zu werden.
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Verfahren 2: Alternativ kann der Gasruß an den Laufbüchsen auch durch Ansprühen vorgesehen werden, was den Vorteil der Automatisierung des Verfahrens im Hinblick auf die praktische Durchführung im Rahmen einer Serienproduktion hat. Eine Möglichkeit besteht darin, Gasruß in Methanol in einem Gewichtsverhältnis im typischen Fall 5 bis 15% zu lösen und den Ruß mittels einer geeigneten Rühreinrichtung in Suspension zu halten. Die Suspension wird dann mit einer herkömmlichen Spritzpistole unter einem Luftdruck in der Größenordnung von 2·105 Pa aufgespritzt, wobei die Regelung in Abhängigkeit von der Art der Pistole erfolgt, so daß an der Laufbüchse eine Rußschicht erzielt wird, die so regelmäßig wie möglich ist.
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Wenn es notwendig ist, kann der Suspension ein Stabilisierungsmittel für die Dispersion des Rußes, beipsielsweise Gummiarabikum zugegeben sein.
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Gleichgültig, welches dieser Verfahren benutzt wird, wird vorzugsweise der Überzug vorgesehen, nachdem die Anordnung der Kerne und insbesondere der oben beschriebenen Laufbüchsenhaltekerne gebildet ist und bevor die Kernanordnung in den Formhohlraum eingeführt wird.
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Bei den beiden oben beschriebenen Verfahren hat es sich durch eine mikroskopische Prüfung und eine Prüfung der mechanischen Festigkeit ergeben, daß die Laufbüchsen, die in dieser Weise vorbereitet sind und auf Umgebungstemperatur in der Form nach dem Rußniederschlag gehalten sind, durch die flüssige Aluminiumlegierung während der Füllung der Form vollständig und fehlerfrei benetzt werden. In dieser Weise kommen die äußeren Oberflächenunregelmäßigkeiten, die in den Figuren nicht im einzelnen dargestellt ist und beispielsweise aus Rillen, Nuten usw. besteht, wie es oben beschrieben wurde, in einen engen Kontakt mit der Aluminiumlegierung nach der Verfestigung des Gußteils. Das führt zu einer ausgezeichneten mechanischen Festigkeit der Laufbüchsen in dem Motorblock.
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Die Vorteile, die die vorliegende Erfindung bietet, werden sich deutlich aus den folgenden Beispielen ergeben:
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Beispiel A (Stand der Technik)
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Bei einem Gießverfahren mit Umwenden in einer Sandform, wie sie in der
FR 2 775 917 A beschrieben wird, die oben erwähnt wurde, wurde ein Motorblock V8/90° mit einem Hubraum von 5,7 Liter hergestellt, wobei Laufbüchsen aus Gußeisen mit den folgenden Abmessungen verwandt wurden:
Innendurchmesser 96 mm
Außendurchmeser 103,5 mm
Höhe 135 mm.
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Die acht Laufbüchsen wurden in Kernkästen angeordnet, die dazu bestimmt sind, die Innenteile des Blockes zu verwirklichen, bevor die Kerne geschossen wurden derart, daß nach dem Schießen in der Kernformmaschine eine enge Verbindung zwischen den Laufbuchsen und den Teilen der Laufbüchsen tragenden Kerne PCH besteht, die durch das Innere der Laufbüchsen gehen. Dieses technische Verfahren der Befestigung der Laufbüchsen an den betreffenden Kernen ist an sich bekannt und wird nicht mehr im einzelnen beschrieben.
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Das Gesamtgewicht der Kernanordnung lag bei 90 kg. Sie bestand in der oben beschriebenen Weise aus vier Laufbüchsen tragenden Kernen PCH, von denen jeder zwei Laufbüchsen C trägt, zwei Endkernen NEXT, zwei Wasserkernen NE, die von zwei Seitenkernen B gehalten sind, einem Gießaufsatzkern M und einem Kurbellagerkern PR, der mit einem gußeisernen Kühlelement R auf der Achse der Kurbel versehen ist, wobei die Anordnung in der in den 1 und 2 dargestellten Weise zusammengesetzt war. Die Kernanordnung wird in herkömmlicher Weise in einem kalten Kasten gebildet. Eine der kritischen Charakteristiken des Blockes ist die Zwischenlaufbüchsenumgebung, die abwechselnd aus einer Laufbüchse, aus 3 mm Aluminiumlegierung, 2 bis 3 mm Wasserkanal, der durch den Wasserkern gebildet wird, 3 mm Aluminiumlegierung, anschließend der nächten Laufbüchse usw. besteht. Der Block wird mit den Gießaufsätzen gegossen, die die Flächen des Blockes auf der Seite der Zylinderkopfdichtung mit einem Verbrauch in der Größenordnung von 1,6 (86 kg gegossene Legierung auf 46 kg Gußteil nach Entfernung der Gießköpfe) versorgt.
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Der Block wird in einer Sandform gegossen, die in zwei Metallrahmen mit jeweils Abmessungen von 800 × 650 × 300 mm enthalten war.
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Der gesamte benutzte Sand war Kieselerde.
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Das Füllen erfolgte über die Gießköpfe bei niedrigem Druck. Nach dem Füllen und nach dem Sperren des Versorgungskanals wurde die Formanordnung umgedreht und dann unter der Schwerkraft verfestigt, und zwar vor den letzten Arbeitsvorgängen der Entnahme des Blockes aus der Form, der Abkühlung, des Ausstoßens der Kerne (entfernen des Sandes der Kernanordnung durch Vibrationshämmern), der Absägung des Gießkopfes und des Abschneidens, welche Arbeitsvorgänge ihrerseits herkömmlich sind.
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Die dabei benutzte Aluminiumlegierung war eine Legierung auf der Grundlage von Aluminium mit der folgenden Zusammensetzung:
- – Silizium 7,5%
- – Kupfer 3,0%
- – Magnesium 0,3% (strontiummodifiziert)
- – Aluminium: der Rest.
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Die Temperatur des Metalls beim Gießen betrug 710°C und die Füllung der Form dauerte 30 Sekunden. Die folgende Umwendung dauerte 5 Sekunden.
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Während dieses Arbeitsvorganges wurden die Laufbüchsen aus Gußeisen vor dem Gießen weder erwärmt noch überzogen, wie es gemäß der Erfindung der Fall ist. Sie hatten ein Außenprofil mit einer Form, die eine schraubenförmige Rille mit kreisförmigem Querschnitt und einem Radius von etwa 1 mm, einer Länge von etwa 1,85 mm und einer Tiefe von etwa 0,4 mm mit einem Schraubengang von etwa 3 mm hatte. Nach dem Aufschneiden des Blockes zur Analyse und einer direkten Betrachtung der Grenzfläche zwischen der Laufbüchse und der Legierung in dem Zwischenlaufbüchsenbereich zeigten sich deutliche mangelhafte, systematische Bereiche, was heißt, daß eine gute Umhüllung des Gußteils mit der Aluminiumlegierung nicht garantiert werden konnte.
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Beispiel B (Stand der Technik)
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Das Formverfahren war genau dasselbe, wie beim Beispiel A abgesehen davon, daß die Laufbüchsen tragenden Kerne bei ihrer Herstellung mit Dornen durchbohrt wurden und daß mit Hilfe von Leitern, die quer durch diese Bohrungen hindurchgeführt wurden, die Laufbüchsen vor dem Gießen erwärmt wurden. Im typischen Fall erfolgte die Erwärmung der Laufbüchsen vor dem Einsetzen in die Gießstation auf eine Temperatur in der Größenordnung von 500 bis 550°C derart, daß sind beim Gießen eine Temperatur der Laufbüchsen in der Größenordnung von 400°C ergab.
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Es wurde eine gute Umhüllung der Laufbüchsen durch die flüssige Legierung erzielt und nach der Verfestigung und einer Prüfung des Blockes ergab sich, daß die Legierung eng auf die Oberfläche der Laufbüchse plattiert war, wobei sie eng an die äußeren Oberflächenunregelmäßigkeiten angegossen war. Das schloß den Zwischenlaufbüchsenbereich ein, der bei dem Beispiel A Probleme bereitete. Der Block ist funktionell zufriedenstellend.
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Es sei allerdings daran erinnert, daß dieser Versuch schwierig durchzuführen ist. Abgesehen von den Investitionskosten und dem unvermeidlichen Verbrauch an elektrischer Energie beim Erwärmen durch Induktion, was eine magnetische Kopplung und somit eine schwache Nutzung darstellt, ist es bei diesem Versuch erforderlich, den Sand zu durchstoßen, damit die Leiter zu den Kernaussparungen Zugang haben, die in jeder Laufbüchse vorgesehen sind. Das führt zu Problemen, die schwierig zu lösen sind, was die Dichtigkeit der Kontaktflächen zwischen dem Sand und der Kernanordnung senkrecht zu diesen Kanälen anbetrifft. Im übrigen beeinflußt jede Unterbrechung der Arbeitsabfolge die Wartezeit zwischen der Erwärmung der Laufbüchsen und dem Gießen und es besteht die Gefahr von Ausschüssen aufgrund eines zu starken Absinkens der Temperatur der Laufbüchsen, was dann, wenn diese zum Zeitpunkt des Gießvorganges zu stark abgekühlt sind, zu den gleichen Problemen wie beim Beispiel A führt.
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Beispiel C (gemäß der Erfindung)
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Das Gießverfahren war genau das gleiche wie beim Beispiel A mit der Ausnahme, daß die Laufbüchsen mit Gasruß, insbesondere Gasruß nach dem Schießen der Laufbüchsen tragenden Kerne überzogen wurden. Das heißt, daß die vier Anordnungen, die jeweils aus einem Laufbüchsenhaltekern PCH und zwei Laufbüchsen C aus Gußeisen bestehen, etwa 40 bis 60 mm über einer Flamme eines Acetylenbrenners gehandhabt wurden, der so geregelt wurde, daß er Ruß erzeugt, derart, daß die Laufbüchsen vollständig von dem Ruß überzogen wurden. Der Niederschlag dauerte etwa 40 Sekunden pro Laufbüchse und die Laufbüchsen die bei diesem Arbeitsvorgang etwas erwärmt wurden, wurden anschließend auf natürliche Weise in stehender Luft bis zur Umgebungstemperatur abgekühlt. Im Verlauf dieses Arbeitsvorganges wurde der Kern verhüllt, um einen Niederschlag von Ruß auf den Sand zu vermeiden.
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Die Kerne wurden dann so zusammengesetzt, wie es beim Beispiel A der Fall war, woraufhin das Metall unter den selben Bedingungen vergoßen wurde. Nach der Verfestigung des Motorblockes ergab sich eine Qualität der Umhüllung und des engen Kontaktes zwischen der Aluminiumlegierung und der Laufbüchse, die wenigstens so gut wie beim Beispiel B war, allerdings mit einem viel einfacheren Gießvorgang. Das ergibt sich aus der Tatsache, daß gemäß der Erfindung weder eine mechanische, noch eine thermische Einwirkung auf die Laufbüchsen vor dem Gießvorgang erfolgt. Dadurch daß insbesondere ein Durchstoßen des Gießsandes vermieden wird, wird jede Gefahr des Austretens der Aluminiumlegierung beim Gießen zwischen dem Gießsand und den chemischen Kernen vermieden, die im kalten Kasten gebildet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann erfolgreich auch beim selben Motorblock so durchgeführt werden, daß die Laufbüchsen mit einer Mischung aus Methanol und Kohlenstoffruß besprüht werden, wobei der Kohlenstoffruß in Suspension durch einen Rührer mit einem gewichtsanalytischen Gehalt von Gasruß von 9% gehalten wurde. Dazu wird eine Luftpistole mit einem Druck von 2·105 Pa und ein Abstand zwischen der Pistole und der Laufbüchse in der Größenordnung von 50 bis 100 mm verwandt.
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Es hat sich gleichfalls gezeigt, daß das Verfahren gemäß der Erfindung mit Erfolg auch zum Gießen von Motorblöcken in einer Metallform über die Schwerkraft ausgeführt werden kann, indem ein Niederschlag an Gasruß auf den Laufbüchsen bewirkt wird, bevor diese in ihrer Gießposition in der Metallform zusammengesetzt werden
