DE102004029070B4

DE102004029070B4 - Verfahren zum Eingießen eines Rohlings aus Eisenlegierung in ein Aluminium-Gussteil

Info

Publication number: DE102004029070B4
Application number: DE200410029070
Authority: DE
Inventors: Thomas Kränzler; Jürgen STEINWANDEL; Marco Fandel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-06-16
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2024-06-17
Also published as: DE102004029070A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils, wobei ein Rohling aus Eisen-Legierung mit einer Aluminiumlegierung umgossen wird, umfassend die Schritte
(a) Konditionierung des Rohlings aus Eisenlegierung an der zur Verbindung mit dem Umguss vorgesehenen Oberfläche
(b) Gasphasen-Beschichtung der konditionierten Oberfläche mit Aluminium oder einer Al-Legierung
(c) Diffusions-Wärmebehandlung zur Herstellung einer Alreichen Diffusionsschicht in der vorgesehenen Eisen-Legierungs-Oberfläche
(d) Umgießen des Rohlings mit einer Al-Legierung
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gasphasen-Beschichtung mittels eines die abzuscheidende Al-Legierung enthaltenden Plasmastrahls erfolgt, welcher mit Überdruck in einem Bereich von 1,5 bis 10 bar in eine unter Niederdruck im Bereich von 0,5 bis 100 mbar stehende Beschichtungskammer eingeleitet wird, so dass die Al-Legierung vor der Abscheidung auf der Oberfläche im wesentlichen atomar oder in Form von Mikroclustern vorliegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eingießen eines Eisenlegierungs-Rohlings in eine Aluminiumlegierung umfassend die Schritte Konditionieren des Graugussrohlings an der zur Verbindung mit dem Umguss vorgesehenen Oberfläche, Gasphasen-Beschichtung der konditionierten Oberfläche mit Aluminium oder einer Al-Legierung, Diffusions-Wärmebehandlung zur Herstellung einer Al-reichen Diffusionsschicht in der vorgesehenen Oberfläche (Alitieren) und Umgießen des Graugussrohlings mit einer Al-Legierung, insbesondere als Herstellungsverfahren eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses mit Grauguss-Laufbuchse.
Das Verfahren ist insbesondere von großem Interesse für die Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen aus Aluminiumlegierungen mit eingegossener Grauguss-Laufbuchse. Zylinderkurbelgehäuse, deren Lauffläche aus den üblichen untereutektischen Al/Si-Legierungen gebildet sind, weisen für die Reibbeanspruchung durch Kolben oder Kolbenring eine zu geringe Stabilität auf. Die übereutektischen Al/Si-Legierungen (beispielsweise AlSi₇Cu₄Mg) weisen hierfür zwar bessere Stabilitäten auf, sind aber aufgrund ihrer schlechten Gießbarkeiten kaum für die Herstellung massiver Zylinderkurbelgehäuse geeignet.
Eine bekannter Lösungsansatz zu einem Leichtmetall-Zylinderkurbelgehäuse zu gelangen ist die Herstellung eines Werkstoffverbundes, bei dem die Laufbahn aus einem verschleiß- und reibbeständigem Material, beispielsweise Grauguss, Keramik, oder übereutektische Al/Si-Legierungen aufgebaut ist und das die Laufbuchse umgebende Zylinderkurbelgehäuse aus gut gießbarer Aluminiumlegierung.
Aus der DE 199 41 563 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Bauteils bekannt, das insbesondere zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses Verwendung findet. Die Bearbeitungszone des Bauteils wird in einem einzigen Arbeitsgang gleichzeitig durch thermisches Spritzen und durch Laseroberflächenbehandlung behandelt. Dabei wird die Oberflächenbehandlung an den Zylinderlaufflächen des Zylinderkurbelgehäuses durchgeführt, wobei teils ein Umschmelzen des Grundwerkstoffs stattfindet und teils eine Verschleißschutzschicht, insbesondere durch Si, aufgetragen wird. Zweckmäßigerweise wird dabei mit der Laseroberflächenbehandlung ein Aufschmelzen des Werkstoffs des Bauteils in der Beschichtungszone zu einem Schmelzbad durchgeführt.
Über die thermische Abscheidung ist nur eine begrenzte Werkstoffauswahl möglich. Legierungen lassen sich hierüber nicht ohne weiteres homogen und in gewünschtem Gefüge abscheiden.
Eine weiteres bekanntes Herstellverfahren ist die Umgusstechnologie, bei der eine Laufbuchse aus verschleißfestem Material mit Leichtmetalllegierung umgossen wird. Beispielsweise wird eine Grauguss-Laufbuchse durch eine untereutektische Al/Si-Legierung umgossen.
Bei diesen Verfahren tritt im allgemeinen das Problem unzureichender Haftung zwischen dem Umgussteil und dem Umgussmetall auf, insbesondere zurückzuführen auf physikalische und chemische Inkompatibilität; beispielsweise unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten oder keine chemische Verbindung durch metallische Mischphasen im Kontaktbereich.
Zur besseren Verbindung in der Kontaktzone wurde in der DE 43 28 619 C2 vorgeschlagen, eine einzugießende Zylinderlaufbuchse vor dem Umgießen gezielt auf eine erhöhte Temperatur zu erwärmen, damit deren Oberfläche durch das Umgussmetall oberflächlich angeschmolzen wird. Nachteilig ist hierbei, dass sich die Weite der Schmelzzone bei geometrisch anspruchsvolleren Bauteilen nur schlecht vorbestimmen lässt. Insbesondere ist die Handhabung der vorgewärmten Bauteile und das Halten der vorbestimmten Prozesstemperatur während der Handhabung nur schwer zu realisieren.
Des weiteren wird in der DE 198 36 706 A1 ein Gussverfahren bekannt, bei dem zunächst auf einem Grauguss-Rohling eine Mangan enthaltene Beschichtung als Haftschicht in einer festhaftenden Verbindung, vorzugsweise durch Verschmelzen der Beschichtung mit der Oberfläche aufgebracht. Die Beschichtung wird so eingestellt, dass sie insgesamt aus Mn oder einer Fe- oder Al-Mn-Legierung besteht. Hierauf wird der Rohling ohne Aufschmelzung der Beschichtung mit einer Aluminiumlegierung umgossen, wobei durch Diffusion in die Beschichtung im Grenzbereich zwischen der Beschichtung und dem Umguss eine stoffschlüssige Verbindung über eine fest haftende Legierung entsteht.
Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass in der Kontaktfläche eine zusätzliche Materialphase eingebracht wird, die Schicht aus Mn-, oder Mn-Legierung, die nun gleichmäßig über die gesamte Kontaktfläche vollständig und homogenen zu der neuen Legierung umgesetzt werden muss.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen kostengünstiges Verfahren zu schaffen, bei welchem der Umguss eines tribologisch stabilen Bauteils durch ein Leichtmetall zu einer festen chemischen Verbindung der unterschiedlichen Werkstoffe in der Kontaktzone führt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Eingießen eines Rohlings aus Eisenlegierung in eine Aluminiumlegierung umfassend die Schritte

(a) Konditionierung des Rohlings aus Eisenlegierung an der zur Verbindung mit dem Umguss vorgesehenen Oberfläche
(b) Gasphasen-Beschichtung der konditionierten Oberfläche mit Aluminium oder einer Al-Legierung
(c) Diffusions-Wärmebehandlung zur Herstellung einer Alreichen Diffusionsschicht in der vorgesehenen Eisen-Legierungs-Oberfläche
(d) Umgießen des Rohlings mit einer Al-Legierung,

Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Gasphasen-Beschichtung mittels eines die abzuscheidende Al-Legierung enthaltenden Plasmastrahls erfolgt, welcher mit Überdruck in eine unter Niederdruck stehende Beschichtungskammer eingeleitet wird.
Die erfindungsgemäße Entspannung des Al-Legierungsplasmas, das heißt das Plasma aus Trägergas und den Legierungsbestandteilen, aus dem Überdruck-Bereich in den Niederdruck Bereich der Beschichtungskammer bewirkt, dass ein quasi-atomarer Nebel aus den Elementen der Al-Legierung gebildet wird. Hierdurch wird die Bildung sehr dünner und homogener Schichten auf dem Substrat aus Eisenlegierung möglich.
Dieser quasi-atomare Nebel wird durch Atome und atomare Mikrocluster, also Aggregate von wenigen Atomen bis einigen tausend Atomen gebildet. Wesentlich ist hierbei, dass die zur Abscheidung gelangende Al-Legierung nicht in Tröpfchenform vorliegt, da sich durch schmelzflüssige Tröpfchen gebildete Beschichtungen wesentlich von den erfindungsgemäßen Beschichtungen unterscheiden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen zum einen in der Verwendung des Plasmaverfahrens, durch welches sich, insbesondere mit Hochleistungs-Plasmabrennern, vergleichsweise hohe Materialdurchsätze realisieren lassen. Hierdurch wird das Verfahren besonders wirtschaftlich.
Zum anderen weist das Plasma eine vergleichsweise hohe Temperatur gegenüber vielen anderen thermischen Beschichtungsverfahren auf. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Al-Legierung in einen quasi-atomaren Zustand überführt wird und nicht zur Kondensation zu Schmelzetröpfchen führen kann.
Mikrowellen-Plasmabrenner können dabei in bevorzugter Weise als Hochleistungs-Plasmabrenner eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß steht der Plasmastrahl zumindest unmittelbar vor dem Eintritt in die Beschichtungskammer unter einem Überdruck. Der Druck liegt erfindungsgemäß oberhalb ca. 1,5 bar. Die Obergrenze des Drucks wird in der Regel durch die Bauweise das Plasmabrenners begrenzt. Üblicherweise sind Druckbereiche oberhalb ca. 20 bar kaum technisch erreichbar. Der erfindungsgemäß bevorzugte Bereich des Überdrucks liegt bei 1,5 bis 10 bar, besonders bevorzugt bei 2 bis 4 bar. Die angegebenen Grenzen stellen dabei nur ungefähre Werte dar.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Dosierung der Al-Legierung, und der Druckunterschied so eingestellt, dass die Al-Legierung vor der Abscheidung auf der Oberfläche im wesentlichen atomar oder in Form von Mikroclustern vorliegt.
Ein Vorteil des Verfahrens ist es, dass dabei Schwankungen des Überdrucks, oder Plasmadurchsatzes auftreten können, ohne dass dieses wesentlichen Einfluss auf die Güte der Beschichtung ausübt.
Denn das vergleichsweise große Volumen der Beschichtungskammer kann die Druckunterschiede des Plasmastrahls ohne nennenswerte eigene Druckschwankungen ausgleichen. Ebenso gleicht dieses große mit Metallnebel gefüllte Volumen Schwankungen in der Zufuhr des Plasmas aus.
Die erfindungsgemäße Beschichtungskammer weist einen Niederdruck auf. Der Druckbereich liegt dabei erfindungsgemäß bei wenigen mbar. Der geeignete Bereich liegt oberhalb von ca. 0,5 mbar. Geringere Drücke sind zwar möglich, führen aber zu einer unter wirtschaftlichen Aspekten zu geringen Abscheidegeschwindigkeit der Al-Legierung.
Mit zunehmendem Druck steigt die Tendenz des Metallnebels zu unerwünschten Tröpfchen zu kondensieren. Daher wird als Obergrenze bevorzugt ein Druck von ca. 100 mbar gewählt. Besonders bevorzugt wird der Druck im Bereich von 1 bis 10 mbar gehalten.
Das Plasma des Plasmabrenners wird im wesentlichen durch ein Trägergas gebildet, dem die Al-Legierung zugeführt wird. Bevorzugt werden nicht-oxidierende Gase als Trägergas angewendet. Hierzu gehören unter anderem Ar oder H₂. Diese Vorgehensweise ist im Prinzip bekannt.
Unter der Al-Legierung sind dabei sowohl die gängigen Gebrauchs-Legierungen, als auch spezielle binäre oder multinäre Zusammensetzungen aus Al und Begleitelementen, sowie Aluminium mit seinen typischen Verunreinigungen zu verstehen. Dabei sieht auch solche Zusammensetzungen umfasst, die im engeren Sinne keine Legierung ausbilden, da sich die legierungstypischen Gefüge weder für den Metallnebel, noch die dünnen abgeschiedenen Schichten ausbilden können.
Die Al-Legierung kann beispielsweise über Pulver- oder Draht-Material in den Plasmastrahl eingebracht werden.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Variante wird die Al-Legierung in Form flüssiger oder gasförmiger metallorganischer Verbindungen der die Legierung bildenden metallischen Elemente in den Plasmastrahl eingebracht. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die Begleitelemente nur in sehr geringen Anteilen eingebracht werden sollen. Die Dosierung über flüssige oder gasförmige, insbesondere verdünnte, Lösungen lässt sich erheblich einfacher durchführen, als die Herstellung eines Metalldrahtes vergleichbarer Legierungszusammensetzung.
Neben Aluminium, ggfs. mit den üblichen Verunreinigungen, weisen die bevorzugten Al-Legierung bevorzugt mindestens eines der weiteren Elemente als Zusätze auf; Si, Cr und/oder Mn. Die Menge der weiteren Elemente in der Al-Legierung liegt bevorzugt bei 1 bis 7 Gew.-% liegt.
Erfindungsgemäß wird die Abscheidung solange durchgeführt, bis eine Al-Legierung mit einer Dicke im Bereich von 30 bis 1000 nm gebildet. Bevorzugt liegt die Dicke im Bereich von 50 bis 300 nm. Dabei ist die gewählte Dicke auch abhängig von der später durchzuführenden Wärmebehandlung, sowie dem gewählten Substratmaterial aus Eisen-Legierung.
Die Abscheidung wird typischerweise nur auf der später als Kontaktfläche vorgesehenen Oberfläche durchgeführt.
Diese vorgesehene Oberfläche wird vor der Abscheidung konditioniert (Schritt a). Dieser Schritt umfasst unterschiedliche Prozesse, insbesondere zur Entfernung von Oberflächen-Verunreinigungen oder einer Aufrauhung, insbesondere einer mechanischen Aufrauhung der Oberfläche. Ebenso kann dieser Schritt die Entfernung von Maskenmaterial umfassen, das zuvor über das gesamte Bauteil aufgebracht wurde. Die nicht zu beschichtenden Oberflächen des Bauteils lassen sich durch bekannte Maßnahmen maskieren.
Die Oberfläche wird durch die Konditionierung bevorzugt aufgerauht, beispielsweise durch Sandstrahlen. Als Strahlmittel werden hierfür bevorzugt Si, SiC oder Al₂O₃-Partikel verwendet, da sie in der Regel nur eine geringe Kontamination der später im Schritt (d) verwendeten Umgusslegierungen, bzw. der einzugießenden Eisenlegierung hervorrufen.
Bevorzugt wird die Eisen-Legierung durch Grauguss gebildet.
Die nachfolgende Wärmebehandlung wird in der Weise durchgeführt, das die abgeschiedene Al-Legierung zum Überwiegenden Teil durch Diffusion in das darunterliegende Substrat aufgenommen wird. Hierdurch wird eine Diffusionsschicht gebildet, bei der die Elemente der Al-Legierung feinstverteilt in der Eisenlegierung vorliegen.
Bevorzugt wird die Wärmebehandlung mit den für die Alitierung üblichen Verfahrensparametern durchgeführt. Beim Alitieren handelt es sich um ein Oberflächenschutzverfahren, bei dem Aluminium in die Stahloberfläche eingebracht wird. Beim Alitieren wird im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren das Aluminium durch thermisches Spritzen oder Tauchen flüssig aufgebracht. Hierdurch werden dicke Schichten erzeugt. Das Aluminium dringt beim anschließenden Diffusionsglühen in die Oberfläche ein. Die überschüssige Aluminiumschicht wird in der Regel vor den weiteren Bearbeitungsschritten mechanisch entfernt. Beim Alitieren bilden sich Aluminium-Eisen-Mischkristalle, die einen guten Verzunderungsschutz bis 950°C bewirken.
Bereits geringe Mengen an den Zusätzen der Al-Legierung, insbesondere Cr, Mn, oder Si können die Diffusionsgeschwindigkeit erheblich erhöhen, oder die später im Schritt (d) zu bildende Kontaktschicht begünstigen.
Die Wärmebehandlung, insbesondere die Alitierung im Schritt (c) wird erfindungsgemäß so durchgeführt, dass eine Diffusionsschicht von bis zu 5 μm entsteht. Auch höhere Diffusionsschichtdicken sind möglich. Die zusätzliche Verbesserung der Kontaktschichtbildung im nachfolgenden Verfahrensschritt (d) ist jedoch gering im Vergleich zum erhöhten Glüh-Aufwand.
Bevorzugt liegt die Dicke der Diffusionsschicht oberhalb 100 nm, besonders bevorzugt oberhalb 500 nm.
Das weitere erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der durch die Wärmebehandlung (Schritt c) alitierte Rohling im Schritt (d) mit einer Al-Legierung umgossen wird. Dabei werden als Umgussmetall die gängigen Leichtmetalllegierungen des Aluminiums verwendet. Wesentlich ist hierbei, dass eine chemische Anbindung des Umgussmetalls mit dem Rohling erfolgt. Hierbei wird in der Kontaktzone eine feste metallische Bindung erzeugt. Durch die Diffusionszone wird sowohl die chemische wie physikalische Kompatibilität zwischen der Eisenlegierung und der Al-Umgusslegierung verbessert.
Vor der Abscheidung der Al-Legierung kann in einem ersten Verfahrensschritt (a) ein Aufrauhen des Rohlings aus Eisenlegierung an der zur Verbindung mit dem Umguss vorgesehenen Oberfläche erfolgen. Bevorzugtes Verfahren zum Aufrauhen der Oberfläche ist das Sandstrahlen.
Hierdurch können Ablösungen des eingegossenen Teils weitgehend vermieden werden, welche insbesondere zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs führen würden. Ebenso sind die Materialspannungen, hervorgerufen durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten unter thermischer Wechselbelastung, wesentlich reduziert. Dies wirkt sich insbesondere günstig auf die Lebensdauer der Bauteile unter Betriebsbedingungen aus.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse mit Grauguss-Laufbuchse gebildet.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils, wobei ein Rohling aus Eisen-Legierung mit einer Aluminiumlegierung umgossen wird, umfassend die Schritte (a) Konditionierung des Rohlings aus Eisenlegierung an der zur Verbindung mit dem Umguss vorgesehenen Oberfläche (b) Gasphasen-Beschichtung der konditionierten Oberfläche mit Aluminium oder einer Al-Legierung (c) Diffusions-Wärmebehandlung zur Herstellung einer Alreichen Diffusionsschicht in der vorgesehenen Eisen-Legierungs-Oberfläche (d) Umgießen des Rohlings mit einer Al-Legierung dadurch gekennzeichnet, dass die Gasphasen-Beschichtung mittels eines die abzuscheidende Al-Legierung enthaltenden Plasmastrahls erfolgt, welcher mit Überdruck in einem Bereich von 1,5 bis 10 bar in eine unter Niederdruck im Bereich von 0,5 bis 100 mbar stehende Beschichtungskammer eingeleitet wird, so dass die Al-Legierung vor der Abscheidung auf der Oberfläche im wesentlichen atomar oder in Form von Mikroclustern vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Al-Legierung über Pulver- oder Draht-Material in den Plasmastrahl eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierung der Oberfläche durch mechanisches Aufrauen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Al-Legierung in Form flüssiger oder gasförmiger metallorganischer Verbindungen der die Legierung bildenden metallischen Elemente in den Plasmastrahl eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschiedene Al-Legierung eine Dicke im Bereich von 50 bis 1000 nm aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergas des Plasmastrahls Ar, H₂ und/oder weitere nichtoxidierende Gase umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisen-Legierung durch Grauguss gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusions-Wärmebehandlung in Form einer Alitierung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Schritte (b) und (c) eine gleichmäßige und durchgängige Al-haltige Diffusionsschicht der konditionierten Oberfläche hervorgerufen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschieden Al-Legierung mindestens eines der Legierungselemente aus der Gruppe Si, Cr und/oder Mn enthält.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der Legierungselemente bei 1 bis 7 Gew.-% liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung im Schritt (c) zu einer Diffusionsschicht von bis zu 5 μm Dicke führt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Diffusionsschicht oberhalb 100 nm liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (d) eine chemische Anbindung des Umgussmetalls mit der Eisenlegierung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (d) ein Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse mit Grauguss-Laufbuchse gebildet wird.