DE102005047435A1 - Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung im Rheocast/Thixocast-Verfahren - Google Patents

Abstract

Beschrieben ist ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses, bei dem ein übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung im Rheocast- oder Thixocast-Verfahren vergossen wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung.
• Aufgrund der ständig steigenden Energie- und Materialkosten gehen die Bestrebungen der Automobilindustrie dahin, Gewichtseinsparungen vorzunehmen, um den Kraftstoffverbrauch von Automobilen bei gleicher oder gesteigerter Leistung zu senken. Da insbesondere die Motoren auf das Gewicht von Kraftfahrzeugen einen entscheidenden Einfluß haben, ist man bemüht, die Zylinderkurbelgehäuse der Motoren aus Leichtmetall herzustellen. Dies hat bei Dieselmotoren zur Folge, daß unterschiedliche Werkstoffe verwendet werden müssen, da herkömmliche monolithische Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse den erhöhten Anforderungen von Pkw-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung nicht gewachsen sind. Besonders beanspruchte Bereiche sind die Zylinderbohrungen und die Lagerstühle der Kurbelwelle. Dort werden Zylinderlaufbuchsen aus höherfesten Legierungen eingegossen. Auf diese Weise lassen sich quasimonolithische Gehäuse darstellen.
• Auf das Einsetzen von Zylinderlaufbuchsen kann verzichtet werden, wenn das Zylinderkurbelgehäuse aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung besteht. Die harten, tragenden Primärausscheidungen der übereutektischen Aluminium-Legierung stehen dann als Traggerüst für die Kolbenringe und den Kolbenschaft zur Verfügung. Aus der DE 100 32 845 A1 ist beispielsweise bekannt, ein Zylinderkurbelgehäuse eines Motors herzustellen, indem das Zylinderbockteil aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung im Niederdruckkokillenguß, Squeeze-Casting oder Druckgußverfahren und das Kurbelgehäuseteil separat hergestellt wird.
• Beim Vergießen übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierungen führt die Vorerstarrung des Primärsiliziums mit der Folge einer schlechten Verteilung der Siliziumkristalle und eines unkontrollierbaren Kristallwachstums im Bereich der Zylinderbohrungen immer wieder zu Problemen. Auch wird als nachteilig angesehen, daß beim Vergießen von übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen im herkömmlich Druckguß- oder Squeeze-Casting-Verfahren die Stahlformen mit hohen Schmelztemperaturen beaufschlagt werden, die im Bereich von etwa 800°C liegen, während bei herkömmlichen Aluminium-Legierungen nur Temperaturen von ca. 680°C zum Tragen kommen. Schließlich kann es infolge der geringen Viskosität der geschmolzenen Aluminium-Silizium-Legierungen bei den genannten hohen Temperaturen zum Spritzen der Formen kommen.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu geben, mit dem sich Zylinderkurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung problemfrei herstellen lassen.
• Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Zylinderkurbelgehäuse im Rheocast- oder Thixocast-Verfahren hergestellt wird. Die hier vorgeschlagenen Gießverfahren Thixocasting und Rheocasting stehen in engem Bezug zueinander und werden daher häufig auch Rheocasting/Thixocasting genannt. Rheocasting bezeichnet ein Druckgießverfahren, bei welchem ein Metall geschmolzen und dann unter Rühren wieder in den halbflüssigen Zustand zwischen Solidus- und Liquidustemperatur abgekühlt wird. Das halbflüssige Metallmaterial mit einer vorgegebenen Viskosität wird schließlich durch Gießen oder Schmieden zu einem Endprodukt verarbeitet. Das Thixocasting bezeichnet ein Verfahren, bei welchem Stangen, die nach dem Rheocast-Verfahren hergestellt wurden, in den halbflüssigen Zustand mit einer vorgegebenen Viskosität erwärmt werden und das halbflüssige Material dann durch Gießen oder Schmieden zu den Endprodukten gefertigt werden. Bei dem Verfahren wird das thixotrope Werkstoffverhalten der eingesetzten Legierungen genutzt. Thixotrop ist ein Metall dann, wenn es sich im teilflüssigen Zustand in Ruhe noch wie ein Festkörper verhält, unter Einwirkung von Scherkräften aber wie eine leicht zähe Flüssigkeit fließt.
• Erfindungsgemäß werden nun übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen in den thixotropen Zustand gebracht. Da übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen ein größeres Erstarrungsintervall als herkömmliche untereutektische Legierungen haben, sind sie für die vorgeschlagenen Verfahren besonders geeignet. Zudem begünstigt das Gefüge der übereutektischen Legierungen thixotropes Verhalten.
• Auch stellt sich das Problem der Silizium-Vorausscheidungen bei den übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen nicht, da das halbflüssige Vormaterial insbesondere beim Thixocasting bereits Silizium in richtiger Korngröße und Verteilung enthält, so daß auch die Probleme einer Vorerstarrung des Primärsiliziums verbunden mit einem unkontrollierbaren Kristallwachstum entfallen. Zudem liegen die Temperaturen bei Rheocasting/Thixocasting niedriger als bei den üblichen Druckgußverfahren, so daß die damit verbundenen Probleme insbesondere eines Spritzens der Formen nicht auftreten.
• Schließlich hat sich gezeigt, daß Kurbelwellengehäuse aus übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen, welche nach dem Rheocasting/Thixocasting hergestellt sind, eine hohe Festigkeit und ein gutes Dehnungsvermögen besitzen mit der Folge, daß die hergestellten Teile voll wärmebehandelbar und zum Teil auch gut schweißbar sind. Des weiteren besitzen sie ein feines Werkstoffgefüge mit nur unkritischen Resterstarrungszonen, in denen sich Lunker bilden könnten, da der Flüssigkeitsanteil gering ist. Im Vergleich mit herkömmlichen Druckguß werden somit eine geringe Porosität und ein um Größenordnungen niedrigerer Gasgehalt, der auch im Vakuum-Druckgußverfahren nicht erreicht werden kann, erzielt.
• Im Zusammenhang mit der Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen aus übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen scheint das Thixocasting-Verfahren besonders geeignet zu sein, da hier Stangenabschnitte eines Vormaterials in den halbflüssigen Zustand erwärmt und dann in die Gießkammer eingelegt werden. Der kritische Punkt ist die radiale Temperaturverteilung wegen des „Skin-Effekts" bei der induktiven Aufheizung. Die üblichen Anschnittgeschwindigkeiten reichen herunter bis zu den beim Squeeze-Casting üblichen.
• Das Rheocast-Verfahren bietet demgegenüber den Vorteil eines einfacheren Handlings und insbesondere eines großen Spielraums hinsichtlich des Flüssigkeitsan teils, potentieller Legierungsmodifikationen, so daß man nicht auf die Zulieferung von Strangguß-Stangenvormaterial angewiesen ist, sowie einer einfacheren Temperaturführung.
• Im Ergebnis lassen sich durch den Einsatz des Rheocastings/Thixocastings bei der Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen aus übereuteketischen Aluminium-Silizium-Legierungen monolithische Bauteile herstellen, die keine zusätzliche Bewehrung im Bereich der Zylinderbohrungen benötigen und im Massenfertigungsverfahren (Druckgießverfahren) hergestellt werden.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß die das Zylinderkurbelgehäuse im Thixocast- oder Rheocast-Verfahren hergestellt wird.