DE102004039306A1 - Process to manufacture automotive crankcase with embedded supra-eutectic lightweight metal containing silicon - Google Patents

Process to manufacture automotive crankcase with embedded supra-eutectic lightweight metal containing silicon Download PDF

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Abstract

In a process to manufacture an automotive crankcase of a compound material, the main body is a cast metal case with an embedded supra-eutectic lightweight metal sleeve containing silicon. In the initial phase, the separate silicon sleeve is in a porous condition and is impregnated in the light metal prior to positioning in the form, followed by casting of the crankcase metal.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundgussteils, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Kurbelgehäuses, sowie auf ein verfahrensgemäß hergestelltes Verbundgussteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 8.The The invention relates to a method for producing a composite casting, in particular a motor vehicle crankcase, as well as a process according to manufactured Composite casting according to the preamble of claim 1 or 8th.

Es ist bekannt, Kraftfahrzeug-Kurbelgehäuse als Verbundgussteile aus unterschiedlichen, jeweils nach Maßgabe der örtlichen thermomechanischen Belastungen ausgewählten Leichtmetall-Gusslegierungen herzustellen. So werden für den Laufflächenbereich bevorzugt übereutektische Aluminium-Siliziumlegierungen verwendet, die zwar kostspielig sind und sich im Allgemeinen nur im Wege des Niederdruckverfahrens vergießen lassen, aufgrund ihrer hohen Siliziumanteile aber eine ideale, verschleißbeständige Gleitfläche bilden, während ansonsten untereutektische Aluminiumlegierungen oder bei neueren Kurbelgehäusekonzepten auch Magnesiumlegierungen, welche bei annähernd gleicher Festigkeit eine nochmalige Gewichtsreduzierung erbringen, allerdings auch eine vergleichsweise geringe Korrosionsbeständigkeit, Kriechfestigkeit und Steifigkeit aufweisen, zum Einsatz kommen. Nach diesem Leichtbaukonzept wird ein bekanntes Zylinderkurbelgehäuse in der Weise hergestellt, dass zunächst ein Gussteil einschließlich der Laufflächen, der Verschraubungen und der Kühlwasserkanäle aus einer übereutektischen Aluminiumlegierung im Niederdruckverfahren angefertigt und dieses dann als zentrales Kernstück mit einer den Grundkörper des Kurbelgehäuses bildenden Magnesiumlegierung umgossen wird, wobei das Aluminium-Gussteil aus Gründen einer verbesserten Grenzflächenbindung vor dem Magnesiumumguss noch mit einer Zwischenschicht aus untereutektischem Aluminium belegt wird.It is known, motor vehicle crankcase as composite castings different, depending on the local thermo-mechanical Loads selected Produce light metal casting alloys. So be for the tread area preferably hypereutectic Aluminum-silicon alloys used, which are expensive and generally can only be shed by low pressure but their high silicon content forms an ideal, wear-resistant sliding surface, while otherwise hypoeutectic aluminum alloys or newer crankcase concepts also magnesium alloys, which at approximately the same strength a again reduce weight, but also a relatively small Corrosion resistance, Creep resistance and stiffness, are used. To This lightweight concept is a well-known cylinder crankcase in the Way made that first including a casting the treads, the Glands and cooling water channels from a hypereutectic Aluminum alloy made in low pressure and this then as a central core with one the main body of the crankcase forming magnesium alloy is cast, wherein the aluminum casting for reasons improved interfacial bonding the Magnesiumumguss still with an intermediate layer of hypoeutectic Aluminum is occupied.

Bei einem bekannten Kurbelgehäuse der eingangs genannten Art hingegen kommt für den Laufflächenbereich eine poröse, unter dem Markennamen Lokasilbuchse geführte Siliziumstruktur zur Anwendung, die als Insert in das Gusswerkzeug eingesetzt und dann mit einer untereutektischen Aluminiumlegierung durchtränkt und umgossen wird. Auf diese Weise wird das gesamte Kurbelgehäuse in einem einzigen Gussvorgang mit einer im Laufflächenbereich gleichförmig übereutektisch siliziumhaltigen, im Übrigen untereutektischen Aluminium-Gefügestruktur angefertigt. Dabei ergeben sich jedoch erhebliche gusstechnische Schwierigkeiten, da derartige Lokasilbuchsen einerseits sehr bruchempfindlich sind, andererseits aber nur im Druckguss ausreichend leichtmetalldurchtränkt werden können, so dass es bei Verwendung üblicher Druckgusswerkzeuge zu hohen Ausschussraten kommt und man daher gezwungen ist, auf kostspielige Sondermaschinen mit einer komplizierten Gießmengen- und -drucksteuerung zurückzugreifen, um ohne Beschädigung der porösen Siliziumstruktur ein insgesamt lunkerfreies Kurbelgehäuse zu erhalten.at a known crankcase The type mentioned above, however, comes for the tread area a porous, under the brand name Lokasilbuchse guided silicon structure for the application, which is used as an insert in the casting tool and then with a soaked and cast around hypoeutectic aluminum alloy. To this Way, the entire crankcase in a single casting process with one in the tread area uniformly hypereutectic silicon-containing, by the way hypoeutectic aluminum microstructure prepared. However, this results in considerable casting technology Difficulties, since such Lokasilbuchsen are on the one hand very fragile, on the other hand, however, only be sufficiently infused with metal in the die casting can, so that when using usual Die casting tools come to high reject rates and therefore forced is on expensive special machines with a complicated Gießmengen- to access and pressure control, around without damage the porous one Silicon structure to obtain a total lunkerfreies crankcase.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Verbundgussteil der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen unterschiedliche Materialbereiche mit den örtlichen Belastungen entsprechenden Werkstoffeigenschaften auf herstellungsmäßig einfache, kostengünstige und vor allem seriengerechte Weise zu einer integralen Leichtmetallstruktur verbunden sind.task The invention is a process and a composite casting of to create the aforementioned type in which different material areas with the local Loads corresponding material properties to production-wise simple, inexpensive and, above all, production-compatible way to an integral light metal structure connected are.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren bzw. das im Patentanspruch 8 gekennzeichnete Verbundgussteil gelöst.These The object is achieved by the characterized in claim 1 method or in the claim 8 marked composite casting solved.

Erfindungsgemäß wird die poröse Siliziumstruktur zunächst getrennt vom Grundkörper in einem üblichen Druckgusswerkzeug mit einem bezogen auf das Gesamtbauteil geringen Füllvolumen leichtmetalldurchtränkt und dadurch unter Verzicht auf eine baulich und steuerungsmäßig aufwändige Sondergussmaschine, dennoch aber auf gusstechnisch schonende Weise und somit ohne Bruchgefahr der fragilen Siliziumstruktur ein im Laufbereich übereutektisch siliziumhaltiges, lunkerfreies und eigenstabiles Gussinsert mit einer definierten Verteilung des Primärsiliziumanteils vorgefertigt, welches dann in einem weiteren Fertigungsschritt problemlos mit der den tragenden Grundkörper des Verbundgussteils bildenden Leichtmetalllegierung umgossen werden kann. Auf diese Weise wird erfindungsgemäß mit geringem maschinellen Aufwand eine kostengünstige Serienfertigung eines Leichtmetall-Verbundgussteils, insbesondere eines Zylinderkurbelgehäuses, mit gewichtsoptimal auf die örtlich jeweils unterschiedlichen Belastungen abgestimmten Materialeigenschaften in gleichbleibend hoher Fertigungsqualität ermöglicht.According to the invention porous Silicon structure first separated from the main body in a usual Die casting tool with a low relative to the overall component Fill volume light metal impregnated and thereby waiving a structurally and controlally complex special casting machine, nevertheless, on casting technology careful way and thus without danger of breaking the fragile silicon structure in the running area hypereutectic silicon-containing, void-free and intrinsically stable casting insert with a defined Distribution of primary silicon content prefabricated, which then easily in a further manufacturing step with the supporting body be cast around the composite casting forming light metal alloy can. In this way, according to the invention with low mechanical Effort a cost-effective Series production of a light metal composite casting, in particular a cylinder crankcase, with weight optimal on the local each material adapted to different loads in consistently high production quality.

Zum Durchtränken der porösen Siliziumstruktur wird aus Gründen geringer Materialkosten und einer zugleich leichten Vergießbarkeit vorzugsweise eine untereutektische Al-Si-Gusslegierung verwendet, aus welcher in besonders bevorzugter Weise gleichzeitig mit dem Durchtränkungsvorgang ein die poröse Siliziumstruktur auf der Außenseite umschließender Gussmantel gebildet wird. Das so vorgefertigte Gussinsert besteht also in diesem Fall laufflächenseitig aus der mit der untereutektischen Aluminiumlegierung durchtränkten, porösen Siliziumstruktur und dem mit dieser integral vergossenen Außenmantel aus einer untereutektischen Aluminiumlegierung, also einer Leichtmetallzone mit vergleichsweise hohen Kriech- und Korrosionsbeständigkeits- sowie Festigkeits- und Steifigkeits-Kennwerten, in welcher insbesondere die Kühlmittelführung und die Verschraubungen eines Kurbelgehäuses untergebracht werden. Die für die Grundfestigkeit des Verbundgussteils maßgebliche Gusslegierung, mit welcher das Gussinsert im zweiten Fertigungsschritt umgossen wird, wird aus Ge wichtsgründen zweckmäßigerweise aus einer Magnesiumlegierung hergestellt, welche mit dem untereutektischen Aluminiummantel des Gussinserts unmittelbar und ohne das Erfordernis einer eigens aufgebrachten Zwischenschicht eine enge Bindung eingeht.For impregnating the porous silicon structure, a hypoeutectic Al-Si casting alloy is preferably used for reasons of low material costs and a simultaneously easy pourability, from which in a particularly preferred manner simultaneously with the Durchtränkungsvorgang the porous silicon structure on the outside enclosing cast shell is formed. The prefabricated cast insert thus consists in this case on the tread side of the impregnated with the hypoeutectic aluminum alloy, porous silicon structure and with this integrally molded outer sheath of a hypoeutectic aluminum alloy, ie a light metal zone with comparisons wise high creep and corrosion resistance and strength and stiffness characteristics, in which in particular the coolant supply and the fittings of a crankcase are housed. The decisive for the basic strength of the composite casting casting alloy with which the casting insert is encapsulated in the second manufacturing step is suitably made of Ge for reasons of weight magnesium alloy which enters into a close bond with the hypoeutectic aluminum shell of Gussinserts directly and without the requirement of a specially applied intermediate layer.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:The Invention will now be based on an embodiment in conjunction closer with the drawings explained. It shows in a highly schematic representation:

1 einen Schnitt eines Gusswerkzeugs zur Herstellung eines Gussinserts nach der Erfindung; und 1 a section of a casting tool for producing a cast insert according to the invention; and

2 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäß hergestellten Verbundgussteils in Form eines Zylinderkurbelgehäuses im Bereich einer der Zylinderlaufbuchsen, ebenfalls in geschnittener Darstellung. 2 a section of a composite casting according to the invention in the form of a cylinder crankcase in the region of one of the cylinder liners, also in a sectional view.

Das in 2 ausschnittsweise dargestellte Aluminium-Magnesium-Verbundkurbelgehäuse enthält im Bereich der einzelnen Zylinderlaufflächen jeweils eine Laufbuchse 1, bestehend aus einer porösen und mit einer untereutektischen Aluminium-Gusslegierung durchtränkten Siliziumstruktur, welche von einem Außenmantel 2 aus dem Durchtränkungsmaterial der Siliziumstruktur, also ebenfalls der untereutektischen Aluminiumlegierung, umgossen ist. Im Außenmantel 2 sind Kühlmittelführungen 3 sowie (nicht gezeigte) Befestigungsstellen für die stärker belasteten Verschraubungen des Kurbelgehäuses vorgesehen. Mit dem Außenmantel 2 ist der die Bauteilfestigkeit maßgeblich bestimmende, aus einer Magnesiumlegierung bestehende Grundkörper 4 des Kurbelgehäuses vergossen.This in 2 Partial aluminum-magnesium composite crankcase shown contains in each case a liner in the area of the individual cylinder surfaces 1 consisting of a porous and impregnated with a hypoeutectic aluminum casting alloy silicon structure, which of an outer shell 2 from the impregnation material of the silicon structure, so also the hypoeutectic aluminum alloy, cast around. In the outer jacket 2 are coolant guides 3 and (not shown) attachment points provided for the more heavily loaded screw connections of the crankcase. With the outer jacket 2 is the component strength decisively determining, consisting of a magnesium alloy body 4 the crankcase shed.

Die Herstellung des Kurbelgehäuses erfolgt in zwei Fertigungsschritten in der Weise, dass zunächst gemäß 1 ein Gussinsert 5 in einem Druckgusswerkzeug 6 vorgefertigt wird, welches aus einem Werkzeugunterteil 7 und einem Werkzeugdeckel 8 mit einem zentralen Stempelteil 9 und seitlichen, die Kühlmittelführungen 3 ausbildenden Formkörpern 10 besteht. Vor dem Verschließen des Druckgusswerkzeugs 6 wird die offenporig poröse Siliziumstruktur (Markenname Lokasilbuchse) am zentralen Stempelteil 9 fixiert, und nach dem Schließen des Werkzeugdeckels 8 wird die Formkavität mit einer untereutektischen Aluminium-Gusslegierung druckgefüllt, so dass die Siliziumstruktur vollständig mit der Aluminiumlegierung durchtränkt und auf der Außenseite integral von dem aus der reinen Durchtränkungslegierung bestehenden Außenmantel 2 umgossen wird.The production of the crankcase takes place in two production steps in such a way that initially according to 1 a cast insert 5 in a die casting tool 6 is prefabricated, which from a tool base 7 and a tool lid 8th with a central stamp part 9 and lateral, the coolant ducts 3 forming moldings 10 consists. Before closing the diecasting tool 6 becomes the open porous porous silicon structure (brand name Lokasilbuchse) at the central stamp part 9 fixed, and after closing the tool cover 8th For example, the mold cavity is pressure filled with a hypoeutectic cast aluminum alloy so that the silicon structure is completely saturated with the aluminum alloy and on the outside is integrally formed by the outer jacket consisting of the pure impregnation alloy 2 is poured over.

In einem zweiten Fertigungsschritt wird das so vorgefertigte, aus der Laufbuchse 1 und dem Außenmantel 2 gebildete Gussinsert 5 in einem weiteren Gusswerkzeug positionsgenau fixiert und anschließend mit der den Grundkörper 4 bildenden Magnesiumlegierung umgossen. Zusätzlich zu der Grundfestigkeit des Kurbelgehäuses übernimmt der Magnesium-Grundkörper 4 als weitere Funktionen z.B. die Ölführung (Ölkanäle 11) und/oder die Halterung von Motor-Nebenaggregaten.In a second production step, the so prefabricated, from the liner 1 and the outer jacket 2 formed font insert 5 fixed in a precise position in another casting tool and then with the base body 4 encapsulating magnesium alloy. In addition to the basic strength of the crankcase, the magnesium body takes over 4 as further functions eg the oil guide (oil channels 11 ) and / or the mounting of engine ancillaries.

Claims (11)

Verfahren zum Herstellen eines Verbundgussteils, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Kurbelgehäuses, bestehend aus einem als Gussteil hergestellten Grundkörper und mindestens einer in diesen eingebetteten, übereutektisch siliziumhaltigen Leichtmetall-Laufbuchse, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine poröse Siliziumbuchse getrennt vom Grundkörper leichtmetalldurchtränkt und die so eigenstabil vorgefertigte Siliziumbuchse im Laufflächenbereich des Verbundgussteils positioniert und als Gussinsert beim nachfolgenden Vergießen des Grundkörpers mit dem Grundkörpermaterial umgossen wird.A method for producing a composite casting, in particular a motor vehicle crankcase, consisting of a base body produced as a casting and at least one embedded in these, hypereutectic silicon-containing light metal liner, characterized in that initially a porous silicon bushing separated from the body light metal impregnated and the so self-stable prefabricated silicon bushing positioned in the tread area of the composite casting and cast as Gussinsert during subsequent casting of the body with the body material. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Siliziumbuchse im Wege des Druckgussverfahrens leichtmetalldurchtränkt wird.Method according to claim 1, characterized in that that the porous one Silicon bush is easily penetrated by means of the die-casting process. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Siliziumbuchse mit einer Aluminiumlegierung durchtränkt wird.Method according to claim 1, characterized in that that the porous one Silicon bush is impregnated with an aluminum alloy. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Siliziumbuchse mit einer untereutektischen Aluminium-Siliziumlegierung durchtränkt wird.Method according to claim 3, characterized that the porous one Silicon bush is impregnated with a hypoeutectic aluminum-silicon alloy. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Siliziumbuchse beim Durchtränkungsvorgang von einem Außenmantel aus dem die Buchse durchsetzenden Leichtmetall umschlossen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the porous Silicon bushing during the impregnation process from an outer jacket from the sleeve passing through light metal is enclosed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus einer Leichtmetall-Gusslegierung hergestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the basic body is made of a light metal casting alloy. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus einer Magnesiumlegierung hergestellt wird.Process according to claim 6, characterized records that the base body is made of a magnesium alloy. Verbundgussteil, insbesondere Kraftfahrzeug-Kurbelgehäuse, bestehend aus einem Grundkörper aus Leichtmetallguss und mindestens einer in diesen eingebetteten, übereutektisch siliziumhaltigen Leichtmetall-Laufbuchse, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbuchse (1) eine poröse, leichtmetalldurchtränkte Siliziumstruktur besitzt und der Grundkörper (4) mit der Laufbuchse als Gussinsert (5) aus einem anderen als dem die Siliziumstruktur durchsetzenden Leichtmetall-Gussmaterial hergestellt ist.Composite casting, in particular motor vehicle crankcase, consisting of a base body of light metal casting and at least one embedded in these, hypereutectic silicon-containing light metal liner, characterized in that the liner ( 1 ) has a porous, light metal impregnated silicon structure and the main body ( 4 ) with the liner as Gussinsert ( 5 ) is made of a different than the silicon structure passing through light metal casting material. Verbundgussteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Siliziumstruktur mit einer untereutektischen Aluminium-Siliziumlegierung durchtränkt ist.Composite casting according to claim 8, characterized that the porous one Silicon structure is impregnated with a hypoeutectic aluminum-silicon alloy. Verbundgussteil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbuchse (1) von einem Außenmantel (2) aus dem die poröse Siliziumstruktur durchsetzenden Leichtmetall umschlossen ist.Composite casting according to claim 8 or 9, characterized in that the liner ( 1 ) of an outer jacket ( 2 ) is surrounded by the porous silicon structure passing through light metal. Verbundgussteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (4) aus einer Magnesiumlegierung besteht.Composite casting according to one of the preceding claims, characterized in that the basic body ( 4 ) consists of a magnesium alloy.
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