DE102005004481B3 - Kühlkokille zum Vergießen von Leichtmetall-Gusswerkstoffen und Verwendung einer solchen Kokille sowie eines Gusseisenwerkstoffs - Google Patents

Kühlkokille zum Vergießen von Leichtmetall-Gusswerkstoffen und Verwendung einer solchen Kokille sowie eines Gusseisenwerkstoffs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlkokille zum Vergießen von Leichtmetall-Gusswerkstoffen, hergestellt aus einem Ni- und/oder Mn-legierten Gusseisenwerkstoff, dessen Ni- und/oder Mn-Gehalt derart bemessen ist, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kühlkokille an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des jeweils zu vergießenden Leichtmetall-Gusswerkstoffs angepasst ist. Mit der Erfindung steht somit eine kostengünstig herstellbare Kühlkokille zur Verfügung, die optimierte Verwendungseigenschaften besitzt und gleichzeitig optimierte Gießergebnisse ermöglicht. Dementsprechend eignet sich eine solche Kühlkokille insbesondere als Bestandteil einer Sandgießform zum Gießen eines Zylinderblocks (1) aus einem Leichtmetall-Gusswerkstoff.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlkokille zum Vergießen von Leichtmetall-Gusswerkstoffen. Ebenso betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Kokille und die Verwendung eines an sich bekannten Gusseisenwerkstoffs.
  • Es ist bekannt, Kühlkokillen in Gießformen, insbesondere Sandgießformen, einzusetzen, um einen in die Gießform abgegossenen Gusswerkstoff, insbesondere einen Leichtmetall-Gusswerkstoff, wie einen Aluminium- oder einen Magnesiumwerkstoff, im Kontaktbereich zwischen Gusswerkstoff und Kühlkokille gezielt stärker abzukühlen als dies die Sandform vermag (Stephan Hasse, Ernst Brunhuber: "Giesserei Lexikon", Seite 735, 18. Auflage, 2001). Auf diese Weise wird eine gerichtete Erstarrung des Gusswerkstoffs ausgehend von den mit der Kühlkokille in Kontakt kommenden Bereichen des Gusswerkstoffs erzielt. Zudem lässt sich durch die durch den Einsatz von Kühlkokillen erzielte beschleunigte Kühlung ein hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften verbessertes, insbesondere dichteres Gefüge des erstarrten Gussteils in dem durch die Kühlkokille abgekühlten Bereich erzeugen.
  • Die Kühlkokillen werden dementsprechend üblicherweise in solchen Abschnitten der Gießform eingesetzt, die Bereiche des herzustellenden Gussteils abbilden, an deren Gefügeeigenschaften besonders hohe Anforderungen gestellt werden. Dies gilt insbesondere für die gießtechnische Herstellung von Motorblöcken oder Zylinderköpfen von Verbrennungsmotoren aus einer Leichtmetalllegierung.
  • Ein typisches Beispiel für den Bereich von Gießformen, in denen Kühlkokillen zur örtlichen Verbesserung des Gefüges eingesetzt werden, sind die Zylinderräume von Verbrennungsmotoren. Die Laufflächen der Zylinderräume unterliegen im Betrieb großen Belastungen, so dass insbesondere an ihre Verschleißeigenschaften, ihre Zähigkeit bzw. ihre Festigkeit hohe Anforderungen gestellt werden.
  • Übliche Kühlkokillen werden aus Gusseisenwerkstoff gefertigt. Sie lassen sich gießtechnisch auf einfache Weise kostengünstig erzeugen. In der Praxis erweisen sich Gusseisen-Kühlkokillen jedoch insbesondere beim Vergießen von Leichtmetall-Gusswerkstoffen, wie Aluminium- oder Magnesiumschmelzen, aufgrund des im Vergleich zu dem Leichtmetall-Gusswerkstoff geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Gusseisens als problematisch. Beim Abguss wird die mit der Leichtmetallschmelze in Kontakt kommende Kühlkokille erwärmt und dehnt sich dabei entsprechend seinem Wärmeausdehungskoeffizienten aus. Wenn beim anschließenden Erstarrungsprozess die Temperatur absinkt, schrumpft die Kokille wieder in ihr Ausgangsvolumen zurück.
  • Weisen die Schmelze und die Kokillen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so kann es zu Spannungen oder sogar Relativbewegungen in den Kontaktbereichen zwischen Kühlkokillen und erstarrtem Gusswerkstoff kommen, wodurch Fehler am fertigen Gussteil verursacht werden. Insbesondere kann es zu Porositäten und vergleichbaren anderen Oberflächendefekten kommen. Derartige Fehler erweisen sich insbesondere dort als problematisch, wo besonders hohe Belastungen im Betrieb des jeweiligen Gussteils auftreten.
  • Hinzukommt, dass die zwischen Kühlkokille und Gussteil bestehenden Spannungen so stark sein können, dass die Kühlkokille nur mit verhältnismäßig großem Aufwand von dem erstarrten Gussteil getrennt werden kann, was sich insbesondere bei der automatisierten Fertigung von Leichtmetall-Gussteilen als negativ herausstellt.
  • Es ist versucht worden, das mit der Verwendung von Graugusskernen einhergehende Problem dadurch zu lösen, dass aus Messing geformte Kokillen eingesetzt werden. So ist es aus der DE 195 33 529 A1 bekannt, die Zylinderhohlräume von Verbrennungsmotoren durch in eine für das Vergießen von Aluminiumschmelze vorgesehene Sandgießform eingesetzte Messingkokillen zu formen. Die Zusammensetzung des Messings dieser bekannten Kokillen ist dabei bevorzugt so abgestimmt, dass sie Wärmeausdehnungskoeffizienten von mindestens 20 × 10–6 K–1 aufweisen, die dem einer Al-Schmelze angepasst sind. Indem der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kokillen an den des zu vergießenden Aluminiums angepasst ist, ist gewährleistet, dass sich Kokille und vergossener Gusswerkstoff im Wesentlichen gleich ausdehnen bzw. zusammenziehen. Spannungen zwischen Gussteil und Kühlkokille lassen sich so auf ein Minimum reduzieren.
  • Nachteilig an den bekannten Messingkokillen ist ihr hoher Preis und ihr ungünstiges Verschleißverhalten. Auch ist die Handhabung aufwändig, da die Messingkokillen beispielsweise nicht mit Magneten gehalten werden können. Dies macht es gerade bei der automatisierten Fertigung schwierig, Gießformen zur Verfügung zu stellen, die mit den Messingkokillen ausgestattet sind. Um Anhaftungen von Gusswerkstoff auf der Kokille zu vermeiden und eine optimale Oberflächenqualität zu erzielen, ist es darüber hinaus in der Praxis in der Regel erforderlich, die Kokillenoberfläche mit einer Schlichte zu versehen. Auch dieser Arbeitsgang führt zu einer Verkomplizierung des Herstellverfahrens, die unvermeidbar zusätzliche Kosten nach sich zieht.
    •
  • Ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, eine kostengünstig herstellbare Kühlkokille bereitzustellen, die optimierte Verwendungseigenschaften besitzt und gleichzeitig optimierte Gießergebnisse ermöglicht.
  • Darüber hinaus sollte eine bevorzugte Einsatzmöglichkeit für eine solche Kühlkokille angegeben werden.
  • Schließlich bestand die von der Erfindung zu lösende Aufgabe auch darin, eine neue Verwendungsmöglichkeit für einen an sich bekannten Gusseisenwerkstoff zu benennen.
  • In Bezug auf die Kühlkokille zum Vergießen von Leichtmetall-Gusswerkstoffen ist diese Aufgabe dadurch gelöst worden, dass sie aus einem Ni- und/oder Mn- legierten Gusseisenwerkstoff hergestellt ist, dessen Ni- und/oder Mn-Gehalt derart bemessen ist, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kühlkokille an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des jeweils zu vergießenden Leichtmetall-Gusswerkstoffs angepasst ist.
  • Eine erfindungsgemäß beschaffene Kühlkokille lässt sich bevorzugt als Bestandteil einer Sandgießform zum Gießen eines Zylinderblocks aus einem Leichtmetall-Gusswerkstoff verwenden.
  • Die Erfindung nutzt die Möglichkeit, Gusseisen so zu legieren, dass sein Wärmeausdehnungskoeffizient dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der jeweils zu vergießenden Leichtmetallschmelze entspricht. Entsprechend legiertes Gusseisen ist an sich bereits bekannt. So ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 27 19 456 A1 bereits ein Gusseisenwerkstoff beschrieben worden, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 16,0 × 10–6 und 21,0 × 10–6 K–1 bei Temperaturen aufweist, die zwischen 20 °C und 100 °C liegen. Dies entspricht beispielsweise dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von typischen Aluminiumgusslegierungen im betreffenden Temperaturintervall. Bisher sind derartige Gusseisenwerkstoffe allerdings nur für Bauteile verwendet worden, die in Leichtmetallelemente eingegossen oder aufgeschrumpft bzw. mit ihnen verpresst werden. So besteht ein typisches Einsatzbeispiel für die aus der DE 27 19 456 A1 bekannte Legierung in der Herstellung von Ringnuten, die als Dichtelemente in Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren eingesetzt werden.
  • Für eine für die Zwecke der Erfindung ausreichend genaue Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Eisen- und Leichtmetall-Gusswerkstoff wird bevorzugt die Abweichung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des jeweils für die Kühlkokille verwendeten Eisengusswerkstoffs vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des jeweiligen Leichtmetall-Gusswerkstoffs auf einen Bereich von maximal ±0,4 × 10–6/K beschränkt.
  • Überraschend hat sich gezeigt, dass sich nach dem Vorbild des bekannten Werkstoffs mit Mangan und/oder Nickel legierte Gusseisenwerkstoffe hinsichtlich ihres Wärmeausdehnungsverhaltens so einstellen lassen, dass aus ihnen hergestellte Kühlkokillen ein hinsichtlich des angestrebten Gussergebnisses optimales Verhalten in einer Gießform, insbesondere einer Sandgießform, besitzen. Dies war deshalb nicht voraussehbar, als beim Stand der Technik jeweils die in Bezug auf die jeweils erwartete Funktionalität wesentlichen mechanischen und Gefüge-Eigenschaften des bekannten Gusseisenwerkstoffs im Vordergrund standen. Demgegenüber liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass derart beschaffene Gusseisenlegierungen aufgrund des ihnen über die mechanischen und Gefüge-Eigenschaften hinausgehenden Wärmeausdehnungsverhaltens besonders geeignet sind, als Werkstoff für die Herstellung von Kühlkokillen verwendet zu werden.
  • Die Verwendung eines erfindungsgemäß durch Mn, Ni jeweils alleine oder durch eine geeignete Kombination dieser Elemente legierten Gusseisenwerkstoffs zur Herstellung von Kühlkokillen kann die bei Kühlkokillen beim Vergießen von Leichtmetallschmelzen sonst auftretenden Spannungen im Kontaktbereich zwischen der Kühlkokille und dem erstarrten Gusswerkstoff minimieren. Durch die Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Kühlkokille an den des Leichtmetall-Gusswerkstoffs sind die im Zuge der Erstarrung des Gussmaterials zwischen Kokille und Gusswerkstoff auftretenden Spannungen auf ein Minimum reduziert. Gleichzeitig werden mit den Kühlkokillen die aus dem Stand der Technik an sich bekannten vorteilhaften Wirkungen bezüglich des gerichtet erstarrten Gefüges sicher erreicht. Dabei lassen sich erfindungsgemäße Kokillen in an sich bekannter Weise kostengünstig herstellen und besitzen eine den bekannten Messing-Kokillen weit überlegene Verschleißfestigkeit.
  • Aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften lassen sie sich für die automatisierte Verarbeitung leichter handhaben, so dass sie gegenüber den bekannten, im Bereich des Leichtmetallgusses eine deutlich verbesserte Verwendbarkeit besitzen. Für die Praxis besonders bedeutend ist dabei, dass die bei Verwendung erfindungsgemäßer Gießkokillen erzielten Oberflächenqualitäten des Gussstücks so gut sind, dass das beim Stand der Technik erforderliche aufwändige Schlichten der Kokillen vor dem Gießvorgang nicht mehr erforderlich ist.
  • Erfindungsgemäß ist es sowohl möglich, nur Nickel oder nur Mangan zu dem Gusseisenwerkstoff zu geben, als auch beide genannten Elemente als Legierungsbestandteile vorzusehen. Entscheidend ist, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kühlkokille an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Gusswerkstoffs angepasst ist.
  • Erfindungsgemäße Kühlkokillen eignen sich besonders für den Einsatz beim Gießen von Aluminiumlegierungen, da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kokillenwerkstoffs besonders gut an den der Aluminiumlegierungen angepasst werden kann. Die Kühlkokillen können jedoch auch beim Gießen von anderen Leichtmetalllegierungen, wie beispielsweise Magnesiumlegierungen, eingesetzt werden.
  • Bevorzugt eignen sich erfindungsgemäße Kühlkokillen für den Einsatz in Sandgießformen zum Gießen eines Zylinderblocks aus einem Leichtmetall-Gusswerkstoff. Dabei können der Erfindung entsprechend ausgebildete Kühlkokillen insbesondere dazu dienen, die Zylinderhohlräume eines gegossenen Zylinderblocks für Verbrennungsmotoren abzubilden. Dies gilt unabhängig davon, ob die Hohlräume selbst als Zylinderlaufflächen dienen oder ob zusätzliche Zylinderlaufbüchsen vorgesehen sind.
  • Bilden die Hohlrauminnenwände selbst die Zylinderlaufflächen, so können die Hohlrauminnenwände nach der Erstarrung des Gussteils zur Erhöhung ihrer Verschleißfestigkeit in an sich bekannter Weise mit einem Material, beispielsweise Nickel oder Silizium, beschichtet werden. Es ist aber auch möglich, als Gusswerkstoff eine an sich bekannte, aus einer übereutektischen, Silizium ausscheidenden Legierung zu verwenden, wobei die erfindungsgemäßen Kühlkokillen sicher gewährleisten, dass es zu den gewünschten Ausscheidungen an Si im Bereich der Zylinderlaufflächen aufgrund einer mittels der Kühlkokillen kontrolliert herbeigeführten beschleunigten Erstarrung kommt. Selbstverständlich ist es dabei möglich, nach der Erstarrung des Gussteils eine Bearbeitung der Laufflächen zum Freilegen des ausgeschiedenen Siliziums in an sich ebenfalls bekannter Weise durchzuführen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Gusseisenwerkstoff einen Nickelanteil von 0,1 bis 13,0 Gew.-% aufweisen. Mit einem solchen Nickelanteil lässt sich die Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten in besonders einfacher Weise realisieren. Höhere Ni-Gehalte bewirken eine vergrößerte Ausdehnung des Gusseisens bei Erwärmung, während sich bei geringeren Gehalten an Ni, die, soweit vorhanden, mit ebenfalls geringen Gehalten an Mn kombiniert werden, kleinere Wärmausdehnungskoeffizienten einstellen: An das Wärmeausdehnungsverhalten von aluminiumbasierten Schmelzen besonders gut angepasste Wärmausdehnungskoeffizienten der erfindungsgemäßen Kühlkokillen ergeben sich, wenn der Gehalt an Ni mehr als 6,00 Gew.-%, insbesondere mindestens 6,5 Gew.-% beträgt. Nach oben hin abgegrenzt werden kann der Bereich für die Nickelgehalte, bei denen die von der Erfindung genutzten Effekte besonders sicher eintreten, dadurch, dass die Obergrenze dieses Bereichs auf maximal 8,00 Gew.-%, bevorzugt weniger als 8,00 Gew.-%, festgesetzt wird.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Gusseisenwerkstoff zur Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten auch einen Mangananteil aufweisen, der im Bereich von 0,1 bis 19,0 Gew.-% liegt. Höhere Mn-Gehalte führen zu einer Verschiebung des Wärmeausdehnungskoeffizienten hin zu höheren Werten, während niedrige Mn-Gehalte bei gleichzeitig niedrigen bzw. nicht vorhandenen Ni-Gehalten eine geringere Ausdehnung des Gusseisens bei Erwärmung bewirken. Bevorzugt liegen die Gehalte an Mn im Bereich von 4 bis 12 Gew.-%, um eine optimale Anpassung an das Ausdehnungsverhalten von Al-Schmelzen zu gewährleisten.
  • Um auch bezüglich der Verschleißfestigkeit des Gusseisenwerkstoffs optimale Ergebnisse zu erreichen, kann der Gusseisenwerkstoff außerdem in an sich bekannter Weise neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen folgende Elementen enthalten (in Gew.-%):
    C: 1,5–4,0 %
    Si: 0,5–4,0 %
    Cu: 0,3–7,0 %
    Cr: < 2,0 %
    Al: 0,3–8,0 %
    Ti: 0,01–0,5 %
  • Dementsprechend besteht die Lösung der oben genannten Aufgabe in Bezug auf die Verwendung eines an sich aus der DE 27 19 456 A1 bekannten Gusseisenwerkstoffs darin, dass dieser neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) C: 1,5–4,0 %, Si: 0,5–4,0 %, Cu: 0,3– 7,0 %, Cr: < 2,0 %, Al: 0,3–8,0 %, Ti: 0,01–0,5 % sowie mindestens ein Element aus der Gruppe Ni, Mn mit der Maßgabe, dass der Gehalt an Ni: 0,1–13,0 % und der Gehalt an Mn: 0,1–19,0 % beträgt, enthaltende Werkstoff zur Herstellung einer Kühlkokille zum Vergießen von Leichtmetall-Gusswerkstoffen verwendet wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen gegossenen Zylinderblock 1 mit einer eingesetzten Kühlkokille 2 in einem Querschnitt.
  • In der Figur ist ein fertig erstarrter, in an sich bekannter Weise in einer nicht dargestellten Sandgießform gegossener Zylinderblock 1 eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors in einem Querschnitt durch einen der Zylinderräume dargestellt. Nach Erstarrung und Abkühlung ist die Sandgießform unter Zerstörung vom Zylinderblock 1 entfernt worden.
  • Der Zylinderblock 1 ist aus einer konventionellen AlSi17Cu4Mg-Legierung (Si: 16,0–18,0; Cu: 4,0–5,0; Fe: ≤ 0,7; Mg: 0,4–0,7; Mn: ≤ 0,2; Ti: ≤ 0,2; Zn: ≤ 0,2; Σ-Sonstige: ≤ 0,2; Rest Al, Angaben in Gew.-%) gegossen worden. Dieser Gusswerkstoff besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 19,4 × 10–6/K.
  • Die Kühlkokillen 2 sind aus einer handelsüblichen, unter der Bezeichnung "Ni-Resist" bekannten GGL-NiCr 20-2-Gusseisenlegierung gefertigt worden. Durch die Wahl der Gehalte an Mn und Ni weisen die Kühlkokillen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der im Bereich von 20 °C bis 200 °C 18,7 × 10–6/K beträgt. Dieser Wärmeausdehungskoeffizient liegt so nahe am Ausdehnungskoeffizienten von 19,4 × 10–6/K der AlSi17Cu4Mg-Legierung, aus dem der Motorblock gegossen ist, dass sich die Kühlkokillen bei Erwärmung und Abkühlung im Wesentlichen gleich verhalten wie der Al-Gusswerkstoff. Demzufolge treten allenfalls minimale Spannungen im Kontaktbereich zwischen dem Gussteil und der jeweiligen Kühlkokille auf und ein optimales Gussergebnis wird erzielt.
    •

Claims (7)

  1. Kühlkokille zum Vergießen von Leichtmetall-Gusswerkstoffen, hergestellt aus einem Ni- und/oder Mn-legierten Gusseisenwerkstoff, dessen Ni- und/oder Mn-Gehalt derart bemessen ist, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kühlkokille (2) an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des jeweils zu vergießenden Leichtmetall-Gusswerkstoffs angepasst ist.
  2. Kühlkokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gusseisenwerkstoff einen Ni-Gehalt von 0,1 Gew.-% bis 13,0 Gew.-%, insbesondere von mehr als 6 Gew.-% und weniger als 8 Gew.-%, aufweist.
  3. Kühlkokille nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gusseisenwerkstoff einen Mn-Gehalt von 0,1 bis 19,0 Gew.-% aufweist.
  4. Kühlkokille nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gusseisenwerkstoff neben Ni und/oder Mn sowie Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen die folgenden Legierungsbestandteile enthält (in Gew.-%): C: 1,5–4,0 %, Si: 0,5–4,0 %, Cu: 0,3–7,0 %, Cr: < 2,0 °, Al: 0,3–8,0 %, Ti: 0,01–0,5 %
  5. Verwendung einer gemäß einem der voranstehenden Ansprüche ausgebildeten Kühlkokille (2) als Bestandteil einer Sandgießform zum Gießen eines Zylinderblocks (1) aus einem Leichtmetall-Gusswerkstoff.
  6. Verwendung eines Gusseisenwerkstoffs, der (in Gew.-%) C: 1,5–4,0 %, Si: 0,5–4,0 %, Cu: 0,3–7,0 %, Cr: < 2,0 %, Al: 0,3–8,0 %, Ti: 0,01 – 0,5 sowie mindestens ein Element aus der Gruppe Ni, Mn mit der Maßgabe, dass der Gehalt an Ni: 0,1–13,0 und der Gehalt an Mn: 0,1–19,0 beträgt, sowie als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen enthält, zur Herstellung einer Kühlkokille (2) zum Vergießen von Leichtmetall-Gusswerkstoffen.
  7. Verwendung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtmetallgusswerkstoff ein auf Basis von Aluminium legierter Werkstoff ist.
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