DE102004031164A1

DE102004031164A1 - Eingusskörper mit Außenbeschichtung zur Herstellung von Verbundkörpern

Info

Publication number: DE102004031164A1
Application number: DE200410031164
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Lades; Michael Dr.-Ing. Buchmann; Peter Gödel; Lothar Dipl.-Ing. Hofmann; Jürgen Dipl.-Ing. Gillen; Arnd Dipl.-Ing. Baberg; Rudolf Mundl
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-06-29
Also published as: DE102004031164B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Eingusskörper mit einer Außenbeschichtung auf Basis von zwei Außenbeschichtungskomponenten, deren Verwendung und ein Verfahren zu deren Herstellung. Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Eingießen eines Eingusskörpers zur Herstellung eines Verbundkörpers bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den in den Patentansprüchen angegebenen Gegenstand.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Eingusskörper mit einer Außenbeschichtung auf Basis von zwei Außenbeschichtungskomponenten, insbesondere Zylinderlaufbuchsen und Ringträger, und ein Verfahren zu deren Herstellung. Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Eingießen eines Eingusskörpers zur Herstellung eines Verbundkörpers bereit.
Eine sichere und zuverlässige Anbindung von einzugießenden Bauteilen, wie beispielsweise von Zylinderlaufbuchsen oder Ringträgern, an einen mittels eines Gießverfahrens herzustellenden Verbundkörper, wie beispielsweise einen Motorblock oder einen Kolben, ist von äußerster Wichtigkeit.
Verschiedene Ansätze zur Verbesserung der Anbindung zwischen dem einzugießendem Bauteil und dem Gussmaterial sind im Stand der Technik bereits bekannt.
Beispielsweise ermöglichen thermisch gespritzte Legierungen eine Verbesserung der metallurgischen Anbindung zwischen einem einzugießenden Bauteil und einer Leichtmetalllegierung als Gussmaterial im Druckgießverfahren. Durch die hohe Temperatur und durch die hohe Kinetik der Schmelze werden hierbei während des Eingießens der Schmelze, die Anbindung beeinträchtigende Oxidschichten fortgerissen. Im Schwerkraftguß, Niederdruckguß und bei dem Squeeze-Casting-Gießverfahren liegen derart vorteilhafte Eingießbedingungen jedoch nicht vor.
Weiterhin kann die Schmelzkinematik durch Erhöhung der Oberflächenrauheit oder durch Aufbringung von aufwendigen Schichtstrukturen lokal erhöht und das Aufschmelzverhalten beeinflusst werden. Derartige Verfahren führen jedoch zu einer starken Zunahme des Fertigungsaufwands.

Beispielsweise beschreibt die DE 196 34 504 A1 ein Verfahren bei dem Zylinderlaufbuchsen-Oberflächen mit einer Rauheit von 30 bis 60 μm durch Partikelbestrahlung erhalten werden können. Darüber hinaus können Zylinderlaufbuchsen mit einer bestimmten angestrebten Oberflächenrauheit durch Verwendung von vorbehandelten Gussformen erhalten werden. So ist beispielsweise aus der DE 102 18 714 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Leichtmetall-Laufbuchse bekannt, bei dem zunächst auf der Oberfläche einer Gießform Partikel einer temperaturfesten Substanz adhäsiv fixiert werden, und bei dem dann die Laufbuchse in dieser vorbehandelten Gießform gegossen wird. Anschließend wird der Rohling mit den anhaftenden Partikeln aus der Gießform entnommen, und die Partikel werden aus dem Rohling entfernt. Eine Herstellung derartiger Zylinderlaufbuchsen ist jedoch mit einem relativ hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit einen Eingusskörper bereitzustellen, der bei einer Produktion im Serienmaßstab, bei vergleichsweise niedrigem Kosten- und Arbeitsaufwand, eine gute Anbindung eines Eingusskörpers an den zu gießenden Verbundkörper gewährleistet. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zu dessen Herstellung und zur Herstellung von Verbundgusskörpern mit derartigen Eingusskörpern bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung eines Eingusskörpers, der mindestens teilweise aus Metall oder einer Metalllegierung besteht und eine Außenbeschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenbeschichtung auf einer ersten Außenbeschichtungskomponente und einer zweiten Außenbeschichtungskomponente basiert, wobei die erste Außenbeschichtungskomponente ein Metall oder eine Metalllegierung ist und die zweite Außenbeschichtungskomponente Eisen oder eine Eisenlegierung oder Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist, und die erste Außenbeschichtungskomponente einen niedrigeren Schmelzpunkt, beziehungsweise Schmelzbereich als die zweite Außenbeschichtungskomponente aufweist, und wobei die Außenbeschichtung vor einem Eingießen des Eingusskörpers ein heterogenes Gefüge ist, das Gefügebereiche aufweist, die im wesentlichen aus der ersten Außenbeschichtungskomponente bestehen und Gefügebereiche umfasst, die im wesentlichen aus der zweiten Außenbeschichtungskomponente bestehen.

Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Außenbeschichtung von Eingusskörpern und ein Verfahren zum Ein- oder Umgießen eines Eingusskörpers zur Herstellung eines Verbundkörpers bereit, wie nachstehend beschrieben.

1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Bereich eines Substratwerkstoffs (beispielsweise einer Zylinderlaufbuchse) 30, der an seiner Oberfläche erfindungsgemäß mit einer thermisch gespritzten Außenbeschichtung versehen ist, deren Gefüge Gefügebereiche 10 aus der ersten Außenbeschichtungskomponente und Gefügebereiche 20 aus der zweiten Außenbeschichtungskomponente aufweist.
2 zeigt schematisch einen Schnitt durch denselben Bereich des Substratwerkstoffs 30 nach Umguss mit dem Gussmaterial, wobei die erste Außenbeschichtungskomponente 10, die einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, während des Gießverfahrens entfernt wird bzw. komplett aufgeschmolzen wird und sich mit dem Umgussmaterial verbindet (legiert), so dass die verbleibenden, porösen Gefügebereiche 20 der Außenschicht von dem Gussmaterial 40 durchdrungen werden.
3 zeigt schematisch die Eingusssituation, nämlich einen Schnitt durch einen Bereich des Substratwerkstoffes 30 (GG-Liner) nach Umguss mit dem Aluminium-Gussmaterial, wobei die erste Außenbeschichtungskomponente 10 komplett aufgeschmolzen wird und sich mit dem Umgussmaterial legiert, so dass die verbleibenden, porösen Gefügebereiche der Mehrelementenschicht 20 von dem Al-Umgussmaterial 40 durchdrungen werden.
Während der zahlreichen Versuche, die zu der vorliegenden Erfindung führten, stellten die Erfinder überraschend fest, dass eine hervorragende Anbindung eines Eingusskörpers an ein Gussmaterial gewährleistet werden kann, wenn auf den Eingusskörper eine Außenbeschichtung aufgebracht wird, die ein Gefüge aufweist, das aus mindestens zwei Außenbeschichtungskomponenten besteht, wobei eine der Komponenten eine vergleichsweise niedriger schmelzende Komponente, beispielsweise Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Zink, oder eine Zinklegierung ist, während die andere Komponente aus der vergleichsweise höher schmelzenden Komponente, das heißt aus Eisen oder einer Eisenlegierung, besteht. Das heterogene Gefüge der Außenbeschichtung weist – vor einem Eingießen – Gefügebereiche auf, die im wesentlichen aus der ersten Außenbeschichtungskomponente bestehen und Gefügebereiche, die im wesentlichen aus der zweiten Außenbeschichtungskomponente bestehen. Diese Gefügebereiche können, jeweils für sich betrachtet, homogen sein.
Während des Umgießens mit dem Gussmaterial wird die niedriger schmelzende Außenbeschichtungskomponente aufgeschmolzen beziehungsweise fortgerissen und das Gussmaterial durchdringt das verbleibende, poröse Gefüge aus der höherschmelzenden Außenbeschichtungskomponente, derart dass eine sehr gute und zuverlässige Anbindung eines Eingusskörpers an das Gussmaterial erfolgt. Eine Außenbeschichtung auf einem Eingusskörper kann, wie nachstehend bei der Beschreibung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von derartigen Eingusskörpern eingehend erläutert, beispielsweise dadurch erhalten werden, dass die Außenbeschichtungskomponenten während eines Aufbringungsvorgangs, insbesondere bei einem Spritzverfahren, auf die Oberfläche des zu beschichtenden Körpers aufgebracht werden, dort in getrennter Form auftreffen und erstarren. Für einen Fachmann ist klar, dass an der Grenzfläche in geringem Maße ein Übertritt von Atomen beziehungsweise Bestandteilen aus der zu beschichtenden Oberfläche in die jeweiligen Gefügebereiche oder zwischen den jeweiligen Gefügebereichen erfolgen kann. Derartige Übertritte von Bestandteilen führen jedoch im Allgemeinen nur zu Veränderungen in der Zusammensetzung der Bereiche der ersten und zweiten Außenbeschichtungskomponente von unter 10 Gew.-%, vorzugsweise unter 2 Gew.-%, insbesondere von unter 0,5 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung der jeweils aufgetragenen Außenbeschichtungskomponente und können beispielsweise durch die Temperatur der Tröpfchen (durch Variation der zugeführten Prozessenergiemenge) beim Auftreffen auf den zu beschichtenden Eingußkörper gesteuert werden. Für bestimmte Anwendungen kann jedoch auch eine weitergehende Durchmischung der beiden Außenbeschichtungskomponenten, beispielsweise in bestimmten Abschnitten erwünscht sein.
Die Schichtdicke der Außenbeschichtung kann beispielsweise im Bereich von 50 bis 1000 μm, vorzugsweise von 100 bis 500, bevorzugterweise von 150 bis 300 μm liegen. Die Größe der Gefügebereiche (das heißt der erstarrten Tröpfchen) der Außenbeschichtungskomponenten kann im Bereich von 10 bis 1000 μm, vorzugsweise von 50 bis 500 μm, bevorzugterweise von 100 bis 300 μm liegen. Durch gezielte Wahl unterschiedlicher Tröpfchengrößen kann folglich die Größe der Gefügebereiche bei der Beschichtung eines bestimmten Eingusskörpers verändert werden.
Der mit der Außenbeschichtung zu versehende Eingusskörper besteht mindestens teilweise aus Metall oder einer Metalllegierung. Im Allgemeinen wird der Eingusskörper vollständig aus Metall oder Metalllegierung bestehen, wobei der Eingusskörper jedoch auch ein Element sein kann, das lediglich in Bereichen seiner Oberfläche Metall oder eine Metalllegierung aufweist. Beispielsweise kann der Eingusskörper Gusseisen (z.B. GJV, Gusseisen mit vermicularer Graphitausbildung; GJS, Gusseisen mit „kugelförmiger" Graphitausbildung; GJL, Gusseisen mit lamellarer Graphitausbildung), Stahl, Leichtmetall, wie Aluminium oder Magnesium, oder eine Legierung hiervon enthalten.
Die Außenbeschichtung basiert auf einer ersten und einer zweiten Außenbeschichtungskomponente, wobei dies jedoch einschließt, dass in Abhängigkeit von der angestrebten Anwendung beispielsweise eine dritte, vierte oder eine beliebige Zahl an Außenbeschichtungskomponenten auf dem Eingusskörper aufgebracht werden können. Auch kann der Eingusskörper mit unterschiedlichen ersten und zweiten Außenbeschichtungskomponenten beschichtet werden. Vorteilhaft kann dabei beispielsweise sein, dass der mit einer heißeren Schmelze des Gussmaterials in Kontakt kommende Abschnitt des Eingusskörpers, das heißt im Allgemeinen der in der Gussform näher an dem Eingussbereich angeordnete Teil, aus einem oder mehreren vergleichsweise höher schmelzenden Außenbeschichtungskomponenten-Material(ien) hergestellt ist.
Die Außenbeschichtung kann auf der gesamten Außenoberfläche des Eingusskörpers oder lediglich auf einem oder mehreren Abschnitten der Außenoberfläche der Zylinderlaufbuchse aufgetragen werden. Darüber hinaus kann die Außenbeschichtung auch in Form von geometrischen oder frei wählbaren Mustern, beispielsweise in Form von Streifen, aufgetragen werden.
Verschiedenste Eingusskörper können mit einer derartigen Beschichtung versehen werden. Beispielsweise werden im Automobilbereich Zylinderlaufbuchsen und Ringträger, die erfindungsgemäß mit einer Außenbeschichtung versehen sind, von großem Nutzen sein und eine sichere, einfache und zuverlässige Anbindung dieser Eingusskörper an den Gussverbundkörper (beispielsweise einen Motorblock oder Kolben) gewähren.
Als erste Außenbeschichtungskomponente kann erfindungsgemäß Aluminium, insbesondere Reinaluminium, oder eine Aluminiumlegierung verwendet werden, wobei die erste Außenbeschichtungskomponente zwischen 2 und 99 Gew.-% an Aluminium, vorzugsweise zwischen 3 und 90 Gew.-% an Aluminium, bevorzugterweise zwischen 10 und 90 Gew.-% an Aluminium, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumlegierung, aufweist.
Insbesondere kann die erste Außenbeschichtungskomponente eine Aluminium und Silizium umfassende Legierung, insbesondere AlSi₁₂, oder Al + Cu, insbesondere AlCu_25-40, oder Al + Mg, insbesondere AlMg_20-80, oder Al + Zn, insbesondere AlZn_>60 sein. Eine Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als niedriger schmelzende Außenbeschichtungskomponente ist von großem Vorteil bei der Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als Gussmaterial, da dieses Außenbeschichtungskomponenten-Material entweder identisch mit dem Gussmaterial ist beziehungsweise eine sehr ähnliche chemische Zusammensetzung wie dieses aufweist und im Allgemeinen sehr gut mit diesem kompatibel ist.
Weiterhin kann als erste Außenbeschichtungskomponente Zink oder eine Zinklegierung, beispielsweise eine der als Messing bekannten Kupfer-Zink-Legierungen, verwendet werden. Insbesondere kann eine Zinklegierung verwendet werden, die zwischen 2 und 99 Gew.-% an Zink, vorzugsweise zwischen 3 und 90 Gew.-% an Zink, bevorzugterweise zwischen 10 und 90 Gew.-% an Zink, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Zinklegierung, aufweist.
Als zweite Außenbeschichtungskomponente wird Eisen oder eine Eisenlegierung verwendet, die zwischen 2 und 99 Gew.-% an Eisen, vorzugsweise zwischen 35 und 99 Gew.-% an Eisen, bevorzugterweise zwischen 40 und 99 Gew.-% an Eisen, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Eisenlegierung, aufweist. Insbesondere kann die zweite Außenbeschichtungskomponente eine Chrom und Eisen umfassende Legierung, beispielsweise CrFe sein. Darüber hinaus können auch Stähle, das heißt schmiedbares Eisen, das einen Gehalt von 1,7 Gew.-% oder weniger an Kohlenstoff aufweist, als zweite Außenbeschichtungskomponente verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird erfindungsgemäß für die Außenbeschichtung eine Kombination aus hoch- und niederschmelzender Phase, nämlich eine Kombination von Aluminium (660°C) und AlSi₁₂ (570°C) verwendet oder eine Kombination von AlSi₁₂ (570°C) und Zn/Al(85/15; 460°C) verwendet.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Außenbeschichtung eines Eingusskörpers bereit, der mindestens teilweise aus Metall oder einer Metalllegierung besteht. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf Bereitstellen einer ersten Außenbeschichtungskomponente und einer zweiten Außenbeschichtungskomponente, wobei die erste Außenbeschichtungskomponente ein Metall oder eine Metalllegierung ist und die zweite Außenbeschichtungskomponente Eisen oder eine Eisenlegierung oder Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist, und die erste Außenbeschichtungskomponente einen niedrigeren Schmelzpunkt (beziehungsweise Schmelzbereich) als die zweite Außenbeschichtungskomponente aufweist; Schmelzen der ersten Außenbeschichtungskomponente und der zweiten Außenbeschichtungskomponente; und Aufsprühen der geschmolzenen ersten Außenbeschichtungskomponente und der geschmolzenen zweiten Außenbeschichtungskomponente in Form eines oder mehrerer Tröpfchenströme auf den Eingusskörper unter Bildung der Außenbeschichtung; Steuern der Aufbringungsbedingungen des einen oder der mehreren Tröpfchenströme auf den Eingusskörper während des Sprühvorgangs, derart dass die einzelnen Tröpfchen der Metallströme im Wesentlichen während der Verfestigung getrennt verbleiben und dadurch im wesentlichen gleichzeitig eine Außenbeschichtung aus der ersten und zweiten Außenbeschichtungskomponente aufbauen, wobei die Außenbeschichtung ein heterogenes Gefüge ist, das Gefügebereiche aufweist, die im wesentlichen aus der ersten Außenbeschichtungskomponente bestehen und Gefügebereiche umfasst, die im wesentlichen aus der zweiten Außenbeschichtungskomponente bestehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Außenbeschichtungskomponenten sowohl vollständig, als auch nur teilweise erschmolzen werden, und der Begriff "Tröpfchen", wie in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, ist nicht auf Tröpfchen, die ausschließlich aus flüssigem Material bestehen, beschränkt.
Als Spritzvorrichtung kommt jede im Stand der Technik bekannte Vorrichtung zum Spritzen von Metall oder Metalllegierungen in Betracht und die Oberflächenbeschichtung kann durch jedes im Stand der Technik bekannte thermische Spritzverfahren, wie beispielsweise Lichtbogendraht-Spritzverfahren, Plasmaspritzverfahren oder Flammspritzverfahren hergestellt werden. Darüber hinaus können beliebige für ein thermisches Spritzverfahren geeignete Spritzwerkstoffe verwendet werden, beispielsweise sowohl Pulverwerkstoffe oder Draht.
Aus Kostengründen werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere Lichtbogenspritzverfahren häufig angewendet werden. Hierbei werden mindestens zwei unterschiedliche Drahtwerkstoffe (beispielsweise Eisenlegierung als hochschmelzende Außenbeschichtungskomponente in Kombination mit einer Aluminiumlegierung oder Zink als niedriger schmelzende Außenbeschichtungskomponente) der Lichtbogenspritzanlage zugeführt, kontaktiert, im Lichtbogen aufgeschmolzen und auf das zu beschichtende Bauteil aufgetragen. Die abgeschiedene Schicht wird simultan aus beiden zugeführten Drahtwerkstoffen aufgebaut, die homogen, aber in Bezug zu einander unlegiert in der Schicht vorliegen können.
Während der Herstellung der Außenbeschichtung auf dem Eingusskörper können verschiedene Parameter gezielt verändert werden, wodurch eine vorteilhafte Anpassung der Eigenschaften der Außenbeschichtung an die jeweils vorliegenden Anwendungsbedingungen durch einen Fachmann erfolgen kann.
So kann die Oberflächenrauheit gezielt durch die Wahl der Zerstäubergasmenge eingestellt werden.
Darüber hinaus können durch Einstellen der jeweils verwendeten Mengen an erster und zweiter Außenbeschichtungskomponente in den Metallströmen gezielt Beschichtungen mit unterschiedlichen Gehalten an höherschmelzenden und der tieferschmelzenden Komponenten erhalten werden, wodurch die Anbindung zwischen Eingusskörper und Gussmaterial nach einem Eingiessen gesteuert werden kann.
Weiterhin kann die Temperatur und die Geschwindigkeit der aufzubringenden Tröpfchen gesteuert werden. Die Temperatur und die Geschwindigkeit der aufzubringenden, geschmolzenen Außenbeschichtungskomponenten hängt primär von der Schmelztemperatur der Außenbeschichtungskomponenten ab und kann über die Prozessparameter (Spannung, Stromstärke) variiert werden. Außerdem besteht die Möglichkeit die Temperatur der zu beschichtenden Oberfläche zu variieren.
Darüber hinaus kann auch die Größe der aufzubringenden Tröpfchen der Außenbeschichtungskomponente beispielsweise durch Zerstäubergasmenge und Prozessparameter (Spannung, Stromstärke) verändert werden.
Die Spritzvorrichtung kann einen oder mehrere Spritzköpfe aufweisen. Eine Anlage unter Verwendung von zwei oder mehr Spritzköpfen ist beispielsweise in der EP 1 285 975 A1 beschrieben, wobei diese Schrift unter Bezugnahme hierin eingegliedert wird. Diese Veröffentlichung beschreibt ein Verfahren zur schnellen Herstellung von Prototypen oder Werkzeugen in geringer Stückzahl auf Basis eines Sprühverfahrens, wobei das zur Herstellung des Gegenstands verwendete Metall auf eine Vorlageform aus einem Material mit geringer Hitzewiderstandsfähigkeit, wie beispielsweise aus Wachs, Holz, Kunststoffen, oder sogar auf Körperteile von Personen aufgesprüht wird. Ein Verfahren zur dauerhaften Oberflächenbeschichtung oder gar zur Oberflächenbeschichtung von Eingusskörpern aus Metallen oder Metalllegierungen, wird in der EP 1 285 975 A1 jedoch nicht gelehrt.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Außenbeschichtung verschiedenster einzugießender Körper, wie vorstehend eingehend erläutert. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Außenbeschichtung von Zylinderlaufbuchsen oder Ringträgern verwendet werden.
Als erste Außenbeschichtungskomponente können beispielsweise Aluminium, Zink und deren Legierungen und als zweite Außenbeschichtungskomponente können Eisen und Eisenlegierungen verwendet werden, wie zuvor eingehend beschrieben.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch Eingusskörper, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten werden.
Ein erfindungsgemäßer Eingusskörper, wie vorstehend beschrieben, ebenso wie ein Eingusskörper, der als Produkt des vorstehend dargestellten Verfahrens erhalten wird, können zur Herstellung eines Verbundkörpers verwendet werden, der mindestens einen Eingusskörper und Gussmaterial umfasst.
Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ein- oder Umgießen eines Eingusskörpers zur Herstellung eines Verbundkörpers, umfassend mindestens einen Eingusskörper und Gussmaterial, bereit. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Außenbeschichtung auf den mindestens einen Eingusskörper aufgebracht, wobei die Außenbeschichtung auf einer ersten Außenbeschichtungskomponente und einer zweiten Außenbeschichtungskomponente basiert. Bei der ersten Außenbeschichtungskomponente handelt es sich um Metall oder eine Metalllegierung und bei der zweiten Außenbeschichtungskomponente um Eisen oder eine Eisenlegierung. Hierbei weist die erste Außenbeschichtungskomponente einen niedrigeren Schmelzpunkt als die zweite Außenbeschichtungskomponente auf. Die Außenbeschichtung liegt – vor einem Eingießen des Eingusskörpers – als ein heterogenes Gefüge vor, das Gefügebereiche aufweist, die im wesentlichen aus der ersten Außenbeschichtungskomponente bestehen und Gefügebereiche umfasst, die im wesentlichen aus der zweiten Außenbeschichtungskomponente bestehen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiterhin das Anordnen des mindestens einen Eingusskörpers mit Außenbeschichtung in einer Gussform, und Ein- oder Umgießen des Eingusskörpers mit einem Gussmaterial, das eine Temperatur aufweist, die höher als der Schmelzpunkt (beziehungsweise der Schmelzbereich) der ersten Außenbeschichtungskomponente ist, wobei die erste Außenbeschichtungskomponente im wesentlichen oder vollständig von der eintretenden Schmelze entfernt wird und eine Anbindung zwischen dem Gussmaterial, der Oberfläche des Eingusskörpers und/oder der verbleibenden zweiten Außenbeschichtungskomponente auf dem Eingusskörper erfolgt.
Unter dem Begriff die "Temperatur des Gussmaterials" wird im Rahmen dieser Anmeldung die Temperatur verstanden, die das Gussmaterial bei Inkontakt-kommen mit dem Eingusskörper hat. Praktisch wird diese Temperatur im wesentlichen identisch mit der Temperatur sein, welche die Schmelze beim Eintritt in die Gussform aufweist oder kann in Abhängigkeit von den Randbedingungen, beispielsweise der Größe der Gussform, den Außentemperaturen, den Druckwerten gemäß dem Wissen des Fachmanns angepasst werden.
Wie vorstehend ausführlich erläutert, umfasst das Gefüge der Außenbeschichtung vor einem Eingießen Gefügebereiche, die im wesentlichen aus der ersten Außenbeschichtungskomponente oder der zweiten Außenbeschichtungskomponente bestehen. Bei dem Ein- oder Umgießen des Eingusskörpers mit dem Gussmaterial, das eine Temperatur aufweist, die höher als der Schmelzpunkt der ersten Außenbeschichtungskomponente ist, wird die erste Außenbeschichtungskomponente im wesentlichen oder vollständig von der eintretenden Schmelze aufgelöst und/oder fortgerissen wird. Das hochschmelzende Material verbleibt als poröser Durchdringungskörper und sichert die Anbindung zum einzugiessenden Bauteil. Dem Fachmann ist klar, dass während im Allgemeinen die erste Außenbeschichtungskomponente vollständig abgelöst wird, praktisch geringe Mengen an erster Außenbeschichtungskomponente, beispielsweise bis zu 5 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 1 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Außenbeschichtung an der Oberfläche des Eingusskörpers verbleiben können.
Abschließend erfolgt ein Schritt, bei dem der Verbundkörper aus der Gussform gewonnen wird.
Als Gussmaterial bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können im Allgemeinen alle dem Fachmann bekannten Gussmaterialien verwendet werden, beispielsweise Gusseisen, Leichtmetalle oder Leichtmetalllegierungen, insbesondere Aluminium oder Magnesiumlegierungen, wie beispielsweise AlSi₁₂, AlSi₁₀Mg, AlSi₇Cu₃, AlSi₆Cu₄, AlSi₉Mg.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann für das Eingießen verschiedenster Eingusskörper unterschiedlicher Form verwendet werden, wobei das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft beim Eingießen von Ringträgern in Kolben oder von Zylinderlaufbuchsen in Motorblöcken ist.
Verschiedene Gussverfahren können zur Anwendung kommen, beispielsweise Schwerkraftguss, Niederdruckguss, Squeeze-Casting-Gussverfahren oder Druckguss.
Der erfindungsgemäße Eingusskörper und die erfindungsgemäßen Verfahren weisen verschiedene wichtige Vorteile auf:
Die Außenbeschichtung kann in einem Verfahrensschritt aufgebracht werden, wobei die Prozesszeiten im wesentlichen mit den Prozesszeiten bei der Beschichtung von Eingusskörpern mit lediglich einer Außenbeschichtungskomponente vergleichbar sind, jedoch deutlich unter den Prozesszeiten von zweistufigen Verfahren liegt, bei denen beispielsweise zunächst ein Beschichten und anschließend ein weiterer Behandlungsschritt, beispielsweise eine Partikelbestrahlung, erfolgt.
Die Oberflächenrauheit kann, wie vorstehend erläutert, gezielt durch die Wahl der Zerstäubergasmenge eingestellt werden. Dies bietet eine einfache, aber hocheffektive Möglichkeit die Anbindung des Eingusskörper in dem nach dem Gießen gebildeten Verbundkörper zu erhöhen.
Weiterhin sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Eingußkörper mit geringen Materialkosten verbunden, da die Drahtkosten bei handelsüblichen Drähten (AlSi_12, CrFe, St) bei unter 5 EUR/kg liegen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Temperatur der Eingussschmelze reduziert werden kann, da die Anbindung zum einzugiessenden Bauteil durch die niedrigschmelzende Schichtkomponente definiert wird.
Darüber hinaus bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass auf eine zusätzliche Vorbehandlung von Eingusskörpern durch Alfinierungsverfahren, das heißt auf eine Tauchbehandlung von Eingusskörpern aus Gusseisen, Stahl oder Eisenlegierungen in einem Bad aus flüssigem Aluminium zur Bildung einer Zwischenschicht (beispielsweise aus Al₂Fe oder Al₃Fe) verzichtet werden kann, oder die Alfinierprozesszeiten deutlich reduziert werden können, da das erfindungsgemäße Verfahren eine Anbindung durch die Aufschmelzung der niedrigschmelzenden Elemente in der Spritzschicht ermöglicht und die Anbindung nicht durch die Bildung einer spröden, intermetallischen Al-Fe-Phase realisiert wird.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Vorwärmtemperatur der einzugiessenden Bauteile reduziert werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird durch das nachstehende, nicht-einschränkende Beispiel erläutert.
Beispiel
Eine Zylinderlaufbuchse aus Grauguss wird mit einer Außenbeschichtung versehen. Hierzu werden zwei unterschiedliche Drahtwerkstoffe ( AlSi₁₂ und FeCr) einer Lichtbogenspritzanlage zugeführt, kontaktiert, im Lichtbogen aufgeschmolzen und auf das zu beschichtende Bauteil aufgetragen. Die Außenbeschichtung weist eine Schichtdicke von 250 μm auf, wobei die einzelnen Gefügebereiche eine Größe im Bereich von 50 bis 100 μm haben.
Bei einem Umgießen mit AlSi₇Cu₃ wurde eine ausgezeichnete Anhaftung zwischen Gussmaterial und Zylinderlaufbuchse festgestellt.

10: Gefügebereiche einer ersten Außenbeschichtungskomponente
20: Gefügebereiche einer zweiten Außenbeschichtungskomponente/Mehrelementenschicht
30: Substratwerkstoff/GG-Liner
40: Gussmaterial/Al-Umguss

Claims

Eingusskörper, der mindestens teilweise aus Metall oder einer Metalllegierung besteht und eine Außenbeschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenbeschichtung auf einer ersten Außenbeschichtungskomponente und einer zweiten Außenbeschichtungskomponente basiert, wobei die erste Außenbeschichtungskomponente ein Metall oder eine Metalllegierung ist und die zweite Außenbeschichtungskomponente Eisen oder eine Eisenlegierung oder Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist, und die erste Außenbeschichtungskomponente einen niedrigeren Schmelzpunkt als die zweite Außenbeschichtungskomponente aufweist, und wobei die Außenbeschichtung vor einem Eingießen des Eingusskörpers ein heterogenes Gefüge ist, das Gefügebereiche aufweist, die im wesentlichen aus der ersten Außenbeschichtungskomponente bestehen und Gefügebereiche umfasst, die im wesentlichen aus der zweiten Außenbeschichtungskomponente bestehen.
Eingusskörper nach Anspruch 1, worin der Eingusskörper eine Zylinderlaufbuchse oder ein Ringträger ist.
Eingusskörper nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 2, worin die erste Außenbeschichtungskomponente Aluminium, insbesondere Reinaluminium, oder eine Aluminiumlegierung ist, wobei die Aluminiumlegierung vorzugsweise zwischen 2 und 99 Gew.-% an Aluminium, bevorzugterweise zwischen 3 und 90 Gew.-% an Aluminium, und insbesondere zwischen 10 und 90 Gew.-% an Aluminium, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumlegierung, aufweist.
Eingusskörper nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, worin die erste Außenbeschichtungskomponente AlSi₁₂ ist.
Eingusskörper nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, worin die erste Außenbeschichtungskomponente Zink oder eine Zinklegierung ist, wobei die Zinklegierung vorzugsweise zwischen 2 und 99 Gew.-% an Zink, bevorzugterweise zwischen 3 und 90 Gew.-% an Zink, und insbesondere vorzugsweise zwischen 10 und 90 Gew.-% an Zink, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Zinklegierung, aufweist.
Eingusskörper nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, worin die zweite Außenbeschichtungskomponente eine Eisenlegierung ist, die vorzugsweise zwischen 2 und 99 Gew.-% an Eisen, bevorzugterweise zwischen 35 und 99 Gew.-% an Eisen, und insbesondere vorzugsweise zwischen 40 und 99 Gew.-% an Eisen, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Eisenlegierung, aufweist.
Eingusskörper nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, worin die zweite Außenbeschichtungskomponente CrFe oder Stahl ist.
Eingusskörper nach einem der vorherstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Außenbeschichtungskomponente Aluminium oder AlSi₁₂ und die zweite Außenbeschichtungskomponente AlSi₁₂ oder eine Zinkaluminiumlegierung mit 85 Gew.-% Zink und 15 Gew.-% Aluminium ist.
Verfahren zur Außenbeschichtung eines Eingusskörpers, der mindestens teilweise aus Metall oder einer Metalllegierung besteht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer ersten Außenbeschichtungskomponente und einer zweiten Außenbeschichtungskomponente, wobei die erste Außenbeschichtungskomponente ein Metall oder eine Metalllegierung ist und die zweite Außenbeschichtungskomponente Eisen oder eine Eisenlegierung oder Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist, und die erste Außenbeschichtungskomponente einen niedrigeren Schmelzpunkt als die zweite Außenbeschichtungskomponente aufweist; Schmelzen der ersten Außenbeschichtungskomponente und der zweiten Außenbeschichtungskomponente; und Aufsprühen der geschmolzenen ersten Außenbeschichtungskomponente und der geschmolzenen zweiten Außenbeschichtungskomponente in Form eines oder mehrerer Tröpfchenströme auf den Eingusskörper unter Bildung der Außenbeschichtung; Steuern der Aufbringungsbedingungen des einen oder der mehreren Tröpfchenströme auf den Eingusskörper während des Spühvorgangs, derart dass die einzelnen Tröpfchen der Metallströme im Wesentlichen während der Verfestigung getrennt verbleiben und dadurch im wesentlichen gleichzeitig eine Außenbeschichtung aus der ersten und zweiten Außenbeschichtungskomponente aufbauen, wobei die Außenbeschichtung ein heterogenes Gefüge ist, das Gefügebereiche aufweist, die im wesentlichen aus der ersten Außenbeschichtungskomponente bestehen und Gefügebereiche umfasst, die im wesentlichen aus der zweiten Außenbeschichtungskomponente bestehen.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Eingusskörper eine Zylinderlaufbuchse oder ein Ringträger ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 oder 10, bei dem die erste Außenbeschichtungskomponente Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist, wobei die Aluminiumlegierung vorzugsweise zwischen 2 und 99 Gew.-% an Aluminium, bevorzugterweise zwischen 3 und 90 Gew.-% an Aluminium, und insbesondere zwischen 10 und 90 Gew.-% an Aluminium, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumlegierung, aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 11, bei dem die erste Außenbeschichtungskomponente Zink oder eine Zinklegierung ist, wobei die Zinklegierung vorzugsweise zwischen 2 und 99 Gew.-% an Zink, bevorzugterweise zwischen 3 und 90 Gew.-% an Zink, und insbesondere vorzugsweise zwischen 10 und 90 Gew.-% an Zink, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Zinklegierung, aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 12, bei dem die zweite Außenbeschichtungskomponente eine Eisenlegierung ist, die vorzugsweise zwischen 2 und 99 Gew.-% an Eisen, bevorzugterweise zwischen 35 und 99 Gew.-% an Eisen, und insbesondere vorzugsweise zwischen 40 und 99 Gew.-% an Eisen, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Eisenlegierung, aufweist.
Verfahren nach einem der vorherstehenden Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Außenbeschichtungskomponente Aluminium oder AlSi₁₂ und die zweite Außenbeschichtungskomponente AlSi₁₂ oder eine Zinkaluminiumlegierung mit 85 Gew.% Zink und 15 Gew.-% Aluminium ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 13, welches weiter umfasst, Einstellen der Oberflächenrauheit durch Verändern der Zerstäubergasmenge.
Verwendung eines Eingusskörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eines durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14 erhaltenen Eingusskörpers zur Herstellung eines Verbundkörpers, der mindestens einen Eingusskörper und Gussmaterial umfasst.
Eingusskörper, der durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15 erhalten wird.
Verfahren zum Ein- oder Umgießen eines Eingusskörpers zur Herstellung eines Verbundkörpers, umfassend mindestens einen Eingusskörper und Gussmaterial, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Aufbringen einer Außenbeschichtung auf den mindestens einen Eingusskörper, wobei die Außenbeschichtung auf einer ersten Außenbeschichtungskomponente und einer zweiten Außenbeschichtungskomponente basiert, wobei die erste Außenbeschichtungskomponente ein Metall oder eine Metalllegierung ist und die zweite Außenbeschichtungskomponente Eisen oder eine Eisenlegierung oder Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist, und die erste Außenbeschichtungskomponente einen niedrigeren Schmelzpunkt als die zweite Außenbeschichtungskomponente aufweist, und wobei die Außenbeschichtung vor einem Eingießen des Eingusskörpers ein heterogenes Gefüge ist, das Gefügebereiche aufweist, die im wesentlichen aus der ersten Außenbeschichtungskomponente bestehen und Gefügebereiche umfasst, die im wesentlichen aus der zweiten Außenbeschichtungskomponente bestehen, Anordnen des mindestens einen Eingusskörpers mit Außenbeschichtung in einer Gussform, Ein- oder Umgießen des Eingusskörpers mit einem Gussmaterial, das eine Temperatur aufweist, die höher als der Schmelzpunkt der ersten Außenbeschichtungskomponente ist, wobei die erste Außenbeschichtungskomponente im wesentlichen oder vollständig von der eintretenden Schmelze entfernt wird und eine Anbindung zwischen dem Gussmaterial, der Oberfläche des Eingusskörpers und/oder der verbleibenden zweiten Außenbeschichtungskomponente auf dem Eingusskörper erfolgt; Gewinnen des Verbundköpers aus der Gussform.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei als Gussmaterial Gusseisen, ein Leichtmetall, insbesondere Aluminium, oder eine Leichtmetalllegierung verwendet wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei der Eingusskörper eine Zylinderlaufbuchse oder ein Ringträger ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei das Gussverfahren Schwerkraftguss, Niederdruckguss, Squeeze-Casting-Gussverfahren oder Druckguss ist.