DE102004047841A1 - Verfahren zum Herstellen von Gussteilen und Insert für Gussteile - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gussteilen aus einer Metallschmelze, bei dem die Metallschmelze mindestens abschnittsweise um ein Insert gegossen wird, und ein Insert für Gussteile. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, qualitativ hochwertige, mit mindestens einem Insert ausgerüstete Gussteile herzustellen. Darüber hinaus sollte ein Insert angegeben werden, das die Herstellung von qualitativ hochwertigen Gussteilen ermöglicht. Dies wird dadurch erreicht, dass vor dem Vergießen der Metallschmelze das Insert mindestens im Bereich seiner Abschnitte, die im fertigen Gussteil mit der Metallschmelze in Berührung kommen, mit einer durch thermisches Spritzen aufgetragenen Metallschicht beschichtet wird, deren Legierung im Wesentlichen frei von niedrigschmelzenden eutektischen Phasen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gussteilen aus einer Metallschmelze, bei dem die Metallschmelze mindestens abschnittsweise um ein Insert gegossen wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Insert für Gussteile.
• Aus Leichtmetallwerkstoffen, wie Aluminium- oder Magnesiumlegierungen erzeugte Gussteile weisen ein geringes Gewicht bei gleichzeitig guten Gebrauchseigenschaften auf. Derartige Gussteile werden daher vielfach verwendet, wenn besondere Anforderungen an die Gewichtsersparnis gestellt werden. Grenzen sind der Verwendung von aus Leichtmetallwerkstoff erzeugten Bauteilen in der Praxis allerdings durch ihre in der Regel beschränkte Festigkeit gesetzt.
• Ein Beispiel für die vorteilhafte Verwendung von Leichtmetallwerkstoffen ist das Gießen von Motorblöcken für Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren. So lassen sich insbesondere bei der Herstellung von Otto-Motoren durch die Verwendung von Aluminium- oder Magnesiumlegierungen als Gießwerkstoff für die wesentlichen Motorteile, wie Motorblock und Zylinderkopf, erhebliche Gewichtsersparnisse erzielen.
• Um eine ausreichende Belastbarkeit eines aus einem Leichtmetallwerkstoff gegossenen Motorblocks zu gewährleisten, ist es in der Regel erforderlich, Inserts in Form von so genannten "Linern" einzusetzen, die die Verbrennungsräume umgeben. Bei diesen Linern handelt es sich um zylindrische, rohrartige Bauelemente, die aus einem mechanisch, tribologisch und/oder thermisch beständigeren Werkstoff hergestellt sind.
• Andere Beispiele für die Notwendigkeit, verstärkende Inserts in ein Leichtmetallgussteil einzugießen, sind so genannte "Lagerstuhlverstärkungen". Derartige Verstärkungsinserts werden beispielsweise in Leichtmetallmotorblöcken für Dieselmotoren eingesetzt, um die im praktischen Einsatz auftretenden hohen Wechselbelastungen insbesondere im Bereich der Lagerung der Kurbelwelle des Motors sicher aufnehmen zu können.
• Ein Problem beim Eingießen von Inserts der voranstehend erläuterten Art in eine Metallschmelze besteht darin, dass die Erzeugung einer zuverlässigen Verbindung zwischen dem Insert und der Metallschmelze schwierig ist. So treten im Allgemeinen beim Eingießen von metallischen Inserts in Aluminium aufgrund der mangelnden Benetzungseigenschaften der flüssigen Aluminiumschmelze Probleme bei der Anbindung des Inserts an das Gussmaterial des Gussteils auf. Diese Schwierigkeiten beeinträchtigen nicht nur die Qualität des fertigen Gussteils, sondern können sogar dessen Funktionalität in Frage stellen.
• Es ist versucht worden, den Halt von Inserts in einem Gussteil durch Formelemente zu verbessern, die an der Außenseite des Inserts ausgebildet werden und eine formschlüssige Verklammerung des Inserts mit dem es umgebenden Gusswerkstoff ermöglichen sollen. So werden beispielsweise Liner-Inserts für Verbrennungsmotoren aus Aluminium mit einer besonders rauen Außenfläche versehen, um einen besseren Halt des Liners im Aluminiumgusswerkstoff zu erreichen. In der Praxis erweist sich allerdings, dass sich gerade bei derart aufgerauten Oberflächen die mangelnde Benetzungsfähigkeit des Aluminiums in Bezug auf die Anbindung des Liners im Gussteil besonders negativ auswirkt. Dies zeigt sich insbesondere dann, wenn die Gussteile im Sandguss hergestellt werden, bei dem die Metallschmelze in der Regel nur mit geringem Druck gegen das jeweilige Insert wirkt. Gerade dort ergibt es sich vielfach, dass es nicht möglich ist, eine optimale Anbindung des Inserts an den Gusswerkstoff zu gewährleisten, obwohl dies gerade beim Gießen von Motorblöcken im Hinblick auf einen optimalen Wärmeübergang von jeweiligen Liner-Inserts auf den es umgebenden Gusswerkstoff und die Minimierung der Verzugsneigung angestrebt wird.
• Die voranstehend erläuterten Schwierigkeiten beim Eingießen von Inserts in eine Metallschmelze können dadurch minimiert werden, dass die Inserts vor dem Vergießen der das Gussteil bildenden Metallschmelze auf eine Temperatur gebracht werden, bei der eine bessere Benetzbarkeit des Inserts mit dem Gusswerkstoff gegeben ist. Allerdings hat diese Vorgehensweise den Nachteil, dass jeweils eine bestimmte Zeit für die Beheizung des jeweiligen Inserts erforderlich ist. Hinzukommt als weiterer wesentlicher Nachteil, dass die vom aufgeheizten Insert in den Gusswerkstoff abgegebene Wärme das Erstarrungsgefüge des an das erwärmte Insert angrenzenden Gussmetalls beeinflusst. Auf diese Weise können Inhomogenitäten des Gussteilgefüges entstehen, die wiederum die Qualität des erhaltenen Gussteils verschlechtern.
• Ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem sich qualitativ hochwertige, mit mindestens einem Insert ausgerüstete Gussteile herstellen lassen. Darüber hinaus sollte ein Insert angegeben werden, das die Herstellung von qualitativ hochwertigen Gussteilen ermöglicht.
• In Bezug auf ein Verfahren zum Herstellen von Gussteilen aus einer Metallschmelze, bei dem die Metallschmelze mindestens abschnittsweise um ein Insert gegossen wird, ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, dass vor dem Vergießen der Metallschmelze das Insert mindestens im Bereich seiner Abschnitte, die im fertigen Gussteil mit der Metallschmelze in Berührung kommen, mit einer durch thermisches Spritzen aufgetragenen Metallschicht beschichtet wird, deren Legierung im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig, frei von niedrigschmelzenden eutektischen Phasen ist.
• Gemäß der Erfindung wird auf das zu vergießende Insert eine Metallbeschichtung aufgebracht, deren Legierung so an die Zusammensetzung der Metallschmelze angepasst ist, dass einerseits bei Benetzung des beschichteten Inserts mit der Metallschmelze eine sichere Anbindung zwischen der Metallschmelze und der Beschichtung hergestellt wird und andererseits sichergestellt ist, dass es beim Kontakt des Gussmetalls nicht zu einem Aufschmelzen im Inneren der erfindungsgemäß aufgebrachten Metallschicht kommt.
• Beschädigungen der Metallschicht durch Blasenbildung werden so sicher verhindert.
• Indem die Metallschicht durch thermisches Spritzen auf das Insert appliziert wird, kann die optimale Anbindung der Metallschicht an dem Insert auch dann gewährleistet werden, wenn das Insert eine raue Außenfläche besitzt. Beim thermischen Spritzen wird das Metall der auf dem Insert zu erzeugenden Metallbeschichtung im schmelzflüssigen Zustand in Form von Tropfen mit hoher Geschwindigkeit gegen das Insert gespritzt. Die mit entsprechend hoher kinetischer Energie auftreffende Metallschmelze setzt sich in den auf der Außenfläche des Liners vorhandenen Poren fest, so dass es zu einer intensiven form-, kraft- und ggf. auch stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Liner und der Metallbeschichtung kommt.
• Die derart auf das Insert aufgebrachte Metallschicht wirkt beim Gießen des Gussteils als Brücke zwischen dem Metall des Inserts und dem jeweiligen Gusswerkstoff. Dabei stellt die Metallschicht einerseits die gute mechanische Anbindung an das Insert sicher. Andererseits gewährleistet sie aufgrund der Verwandtschaft ihrer Zusammensetzung mit der Zusammensetzung des Gusswerkstoffs eine gute Benetzbarkeit durch den Gusswerkstoff. Im Ergebnis können so gemäß der Erfindung mit Inserts versehene Gussteile mit gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserter Qualität erzeugt werden.
• Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von mit Inserts versehenen Motorblöcken für Verbrennungsmotoren. Insbesondere lassen sich in erfindungsgemäßer Weise mit einer Metallbeschichtung versehene Liner-Inserts in einen Leichtmetall-Motorblock eingießen.
• Die Wirkung, die mit der erfindungsgemäß durch thermisches Spritzen hergestellten Metallbeschichtung des Inserts erzielt wird, kann besonders dadurch verbessert werden, dass die Legierung der Metallschicht eine vergleichsweise hohe Reinheit an Fremdlegierungselementen aufweist, so dass ein Aufschmelzen der auf das Insert aufgetragenen Schicht beim Eingießen in das Gießmetall vermieden wird. Der Schmelzpunkt der Beschichtung sollte dementsprechend bevorzugt höher als die Temperatur liegen, mit der die Metallschmelze beim Umgießen des erfindungsgemäß beschichteten Inserts auf dieses trifft.
• Das Aufschmelzen der Beschichtung kann dann, wenn als Gussmaterial eine Aluminiumlegierung verarbeitet wird, durch Verwendung eines Aluminiumwerkstoffs für die Beschichtung erreicht werden, dessen Zusammensetzung gewährleistet, dass die erhaltene Metallschicht im Wesentlichen frei von niedrigschmelzenden eutektischen Phasen ist. Praktische Versuche an Motorblöcken, die aus Aluminiumgusswerkstoff mit darin eingegossenen Liner-Inserts gegossen worden sind, haben ergeben, dass sich eine optimale Wirkung der Metallbeschichtung beispielsweise dann einstellt, wenn als Werkstoff für die auf das Insert aufgetragene Metallschicht annähernd reines Aluminium verwendet wird, das einen vergleichsweise höheren Schmelzpunkt aufweist, als die nach dem Stand der Technik verwendeten nahe eutektischen AlSi-Legierungen. Um ein Aufschmelzen sicher zu vermeiden, sollte bei Verwendung von Al-Legierungen für die Beschichtung deren Si-Gehalt auf höchstens 1,5 Gew.-% und ihr Cu-Gehalt auf höchstens 5 Gew.-% beschränkt werden.
• Die bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise erzielte Verbesserung der Anbindung zwischen dem Gussmetall und dem jeweils eingegossenen Insert ermöglicht es, den beim Stand der Technik mit der Vorheizung der Inserts verbundenen Aufwand zu minimieren. So reicht es bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus, die Inserts vor dem Gießen auf deutlich niedrigere Temperaturen zu erwärmen als dies beim Stand der Technik erforderlich ist, um eine ordnungsgemäße Anbindung des Gussmetalls an das Insert zu gewährleisten. Neben dem entsprechend verminderten Aufwand für die Erwärmung hat dies den besonderen Vorteil, dass das in die Umgebung des Inserts gelangende Gussmetall gegenüber der konventionellen Verfahrensweise thermisch entlastet wird. Dies führt zu einer verbesserten Gefügestruktur in der Umgebung des Inserts, wobei insbesondere die Gefahr der Entstehung von Porositäten auf ein Minimum reduziert ist. Besonders positiv wirkt sich dieser Effekt beim Gießen von Leichtmetallschmelzen, insbesondere Aluminiumschmelzen, in Sandformen aus.
• Eine noch stärkere Reduzierung der erforderlichen Vorwärmtemperatur des Inserts beim Eingießen von Inserts in eine Aluminiumschmelze kann dadurch erzielt werden, dass auf die erste, direkt mit dem Insert verbundene Metallschicht eine weitere Metallschicht aufgetragen wird, die aus einer AlZn-Legierung gebildet ist. Durch Aufbringung einer solchen niedrigschmelzenden Schicht auf die auf das Insert direkt aufgetragene erste Metallschicht wird eine stoffschlüssige Verbindung mit dem umgebenden AlGussmaterial ermöglicht. Alternativ kann zum selben Zweck auf die erste Metallschicht eine weitere Metallschicht aufgetragen sein, die aus reinem Zn oder einer Zn-Legierung gebildet ist.
• In Bezug auf ein Insert wird die oben genannte Aufgabe entsprechend den voranstehenden Erläuterungen dadurch gelöst, dass ein erfindungsgemäßes Insert für Gussteile mindestens in den Abschnitten, in denen es mit dem Gussmaterial des Gussteils in Berührung kommt, mit einer Metallbeschichtung versehen ist, deren Legierung im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig, frei von niedrigschmelzenden Phasen ist. Inserts, die aus einem Eisenwerkstoff hergestellt sind und bei denen die Metallschicht aus einer Aluminiumlegierung erzeugt ist, eigenen sich dabei in besonderer Weise zum Eingießen in eine Aluminiumgusslegierung. So lassen sich durch die Verwendung erfindungsgemäßer Inserts bei vermindertem Fertigungsaufwand qualitativ hochwertige Leichtmetallgussteile erzeugen. Dies gilt insbesondere für die Herstellung von Aluminium-Motorblöcken, in die in erfindungsgemäßer Weise beschichtete Grauguss-Liner als Inserts eingegossen sind.
• Besonders vorteilhaft wirkt sich die Erfindung beim Vergießen von Aluminiumschmelze im Sandguss aus. Aufgrund der dort über eine lange Zeitdauer anhaltenden hohen thermischen Belastungen der auf das jeweilige Insert erfindungsgemäß aufgespritzten Beschichtung ist es gerade beim Sandguss günstig, wenn die Metallschicht keine bei niedrigen Temperaturen schmelzenden (eutektischen) Phasen aufweist. Stattdessen sollte ein Beschichtungswerkstoff gewählt werden, der einen gegenüber der zu vergießenden Schmelze vergleichsweise hohen Schmelzpunkt besitzt. Dies kann beispielsweise durch Verwendung von möglichst reinem Aluminium für die Metallbeschichtung des Inserts erreicht werden. Der hohe Schmelzpunkt einer solchen Beschichtung verhindert lokale An- und Aufschmelzungen im Bereich der Beschichtung und stellt eine optimierte Benetzbarkeit des Inserts durch den umgebenden Gusswerkstoff sicher.
• Beschädigungen der Schicht durch ein Aufschmelzen im Innern (Blasenbildung) oder ein komplettes Abschmelzen der Schicht vom Insert werden vermieden. Stattdessen wird eine, besonders bei rauen Eingießteilen (z.B. Graugussbuchsen) verbesserte Anbindung erreicht, da die erfindungsgemäß durch thermisches Spritzen auf das Insert aufgebrachte Metallschicht bedingt durch die beim thermischen Spritprozess erreichte hohe Aufprallgeschwindigkeit des schmelzflüssigen Metalls eine sehr gute Anhaftung zum einzugießenden Insert zeigt. Zusätzlich garantiert die auf das Insert aufgebrachte Metallschicht im Sinne eines "Interfaces" eine verbesserte Benetzbarkeit mit der Gussschmelze. Die bei Verwendung eines geeigneten Beschichtungswerkstoffs erzielte Temperaturstabilität der Beschichtung verbessert die dauerhafte Anbindung des Inserts an den Gusswerkstoff zusätzlich. Im praktischen Betrieb wird so der Wärmeübergang zwischen dem Insert und dem umgebenden Metallgusswerkstoff optimiert und die Verzugsneigung maßgeblich reduziert.
• Zum Nachweis der Wirksamkeit der Erfindung sind beispielsweise für die Herstellung eines Motorblocks aus einer untereutektischen AlSi-Gusslegierung bestimmte Graugussliner mit einer Al-Schicht beschichtet worden, die eine Reinheit von 99,5 % aufwies.
• Derart beschichtete Liner sind in eine Gießform gesetzt und anschließend mit der schmelzflüssigen AlSi-Gusslegierung umgossen worden. Die dabei zwischen dem Liner und dem AlSi-Metallgusswerkstoff erzielte Kontaktfläche entsprach nahezu 100 % der gesamten von Gusswerkstoff umgossenen Außenfläche der Liner. Der Anteil der Kontaktfläche an der von Gusswerkstoff umgebenen Außenfläche des Liners lag damit deutlich über dem Anteil von 75 %, den die Kontaktfläche an der Liner-Außenfläche hat, wenn unbeschichtete, eine raue Außenfläche aufweisende Graugusslinern in denselben AlSi-Werkstoff eingegossen werden.
• Die hohe Reinheit der auf dem Liner aufgetragenen Beschichtung von mehr als 98 % stellt dabei sicher, dass die Beschichtung einen hohen, im vorliegenden Fall mindestens 660 °C betragenden Schmelzpunkt besitzt, der deutlich über der Temperatur liegt, mit dem der Gusswerkstoff beim Abgießen der Metallschmelze mit dem beschichteten Liner in Berührung kommt. Da der Anteil an bei niedrigen Temperaturen von bis ca. 570 °C schmelzenden eutektischen Phasen in der Beschichtung auf ein Minimum reduziert ist, ist so die Gefahr einer Beschädigung der Beschichtung des Liners durch Blasenbildung in Folge eines Aufschmelzens des Beschichtungsmetalls beseitigt.

Claims (14)

1. Verfahren zum Herstellen von Gussteilen aus einer Metallschmelze, bei dem die Metallschmelze mindestens abschnittsweise um ein Insert gegossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Vergießen der Metallschmelze das Insert mindestens im Bereich seiner Abschnitte, die im fertigen Gussteil mit der Metallschmelze in Berührung kommen, mit einer durch thermisches Spritzen aufgetragenen Metallschicht beschichtet wird, deren Legierung im Wesentlichen frei von niedrigschmelzenden eutektischen Phasen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung der Metallschicht eine höhere Reinheit als die zu vergießende Metallschmelze besitzt.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze eine Aluminiumschmelze ist.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Insert aus einem Werkstoff besteht, der thermisch, mechanisch und/oder tribologisch beständiger ist als der um das Insert gegossene, aus der Metallschmelze gebildete Gusswerkstoff.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Insert aus einem Eisenwerkstoff besteht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf die hochschmelzende Metallschicht eine weitere Metallschicht aufgetragen ist, die aus einem niedrigschmelzenden Metallwerkstoff gebildet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der niedrigschmelzende Metallwerkstoff eine AlZn-Legierung ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der niedrigschmelzende Metallwerkstoff Zn ist.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der niedrigschmelzende Metallwerkstoff eine Zn-Legierung ist.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Insert vor dem Vergießen des Metalls erwärmt wird.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil ein Motorblock und das Insert ein Liner für den im Motorblock auszubildenden Verbrennungsraum ist.
12. Insert für Gussteile, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens in den Abschnitten, in denen es mit dem Gussmaterial des Gussteils in Berührung kommt, mit einer durch thermisches Spritzen aufgebrachten Metallbeschichtung versehen ist, deren Legierung im Wesentlichen frei von niedrigschmelzenden eutektischen Phasen ist.
13. Insert nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Eisenwerkstoff hergestellt ist und die Metallschicht aus einer Aluminiumlegierung erzeugt ist.
14. Motorblock hergestellt durch das gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildete Verfahren.