DE102005048650B4

DE102005048650B4 - Fertigungsverfahren und Bauweise für Gussbauteile mit Formhohlräumen

Info

Publication number: DE102005048650B4
Application number: DE200510048650
Authority: DE
Inventors: Tilmann Dr.rer.nat Haug; Jürgen Dipl.-Ing. Joos; Florian Dr. Lampmann; Holger Schmitt; Karl-Ludwig Dr. Weisskopf
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2025-10-12
Also published as: DE102005048650A1

Abstract

Kurbelgehäuse mit eingegossener Blechstruktur, wobei das Kurbelgehäuse mehrere fluidführende Bereiche umfasst, die zumindest in eine innere Fluidführung (8) und eine hiervon getrennte äußere Fluidführung (7) aufgeteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die eingegossene Blechstruktur eine mit dem Gussmetall des Kurbelgehäuses metallurgisch verbundene Schottwand (15) aus Stahl- oder Edelstahl ist, welche den Bereich der inneren Fluidführung (8) vom Bereich der äußeren Fluidführung (7) trennt.

Description

Die Erfindung betrifft Kurbelgehäuse von Brennkraftmaschinen mit eingegossener Blechstruktur, wobei das Kurbelgehäuse mehrere fluidführende Bereiche umfasst, die zumindest in eine innere Fluidführung (8) und eine hiervon durch die Blechstruktur getrennte äußere Fluidführung (7) aufgeteilt sind,
Kurbelgehäuse mit angegossenen Blechstrukturen, die zumindest Teile der Außenwand bilden,
Verfahren zur Herstellung von Gusskörpern aus Eisen- oder Aluminium-Basislegierungen, die hohle Funktionsräume oder Fluidführungen aufweisen, welche durch zumindest ein dünnwandiges Einlegeteil (1) voneinander getrennt sind, sowie Verfahren zur Herstellung von Sandkernen mit dünnwandigem Einlegeteil (10) durch Kernschießen.
Um die Abgasgrenzwerte von Verbrennungsmotoren ohne Verschlechterung der Verbrauchswerte zu verbessern und gleichzeitig auch weitere Leistungssteigerungen zu erreichen, müssen unter anderem die Spitzenzünddrücke künftiger Dieselmotoren auf mehr als 200 bar gesteigert werden. Weitere Anforderungen an moderne Motorkonzepte ergeben sich aus dem Ziel der Gewichtsreuzierung.
Aufgrund der hohen Belastbarkeit bezüglich Dauerfestigkeit und Warmfestigkeit werden üblicherweise für die Herstellung des Motorblocks Eisengusswerkstoffe gegenüber Aluminiumgusswerkstoffen bevorzugt, obwohl hierdurch ein Gewichtsnachteil in Kauf genommen werden muss. Zu den üblichen Eisengusswerkstoffen gehören Gusseisen mit Lamellengraphit (Grauguss, GJL) oder Gusseisen mit Kugelgraphit (Sphäroguss, GJS), sowie Gusseisen mit Vermiculargraphit (GJV). Um mit dem Werkstoff Eisen einen Gewichtsvorteil gegenüber Aluminium zu erreichen, müssen Kurbelgehäuse extrem dünnwandig dargestellt werden. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Belastungen verschiedener fluidführender Begrenzungswände könnten die Dicken aus konstruktiver Sicht auf weniger als 1 mm Wandstärke reduziert werden. Bei derartig dünnen Strukturen stößt die konventionelle Gießtechnik an ihre Grenzen. Bei komplexen Geometrien und der Verwendung von Grauguss liegt der Grenzwert für zuverlässig in Großserie gießbare Strukturen bei ca. 3 bis 4 mm Wanddicke, bei der Verwendung von GJV noch höher.

Aus der DE 195 47 490 C1 sind im Druckgießverfahren hergestellte Zylinderköpfe einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine mit Einlass- und Auslassventilen sowie Einlass- und Auslasskanälen, sowie einer Trennwand im Bereich zwischen Zylinderkopf und Zylinderkopfhaube bekannt, wobei die Trennwand einen die Ventiltriebteile aufweisenden Schmierölraum von einem Kühlraum trennt. Die Trennung von oben liegendem Schmierölraum und dem Kühlholraum erfolgt durch eine separat eingelegte Trennwand, die z. B. als Blechformteil nach dem Gießvorgang des Zylinderkopfes in diesen von oben eingeführt und montiert werden kann. Das nachträgliche Einsetzen dünnwandiger Teile ist aufwändig und bei komplexerer Bauteilgeometrie, wie beispielsweise bei Fluid-Trennwänden in Zylinderkurbelgehäusen nahezu unmöglich.

Aus der DE 36 32 160 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, mit einem zwischen Zylinder bzw. Zylinderlaufbüchse und Kurbelgehäuse angeordneten Kühlraum für Kühlflüssigkeit, wobei im Kühlraum auf der Außenseite des Zylinders bzw. der Zylinderlaufbüchse aufgeschobene Turbulenzbleche angeordnet sind. Diese Turbulenzbleche weisen Turbolatoren auf, die durch Einstechen und Auswölben einzelner Abschnitte des Turbulenzbleches geformt sind. Durch diese Turbulenzbleche ist der Wärmeübertrag vom Zylinder bzw. der Zylinderlaufbüchse auf die Kühlflüssigkeit erhöht.

Aus der AT 21 31 49 ist eine Brennkraftmaschine mit einem die Zylinderlaufbüchse umgebenden Wasserraum bekannt, in welchem zur Verhinderung der durch Kavitation auftretenden Schäden an der Zylinderbüchse in Abstand von dieser ein Wasserleitmantel vorgesehen ist, wobei der Wasserraum zwischen dem die Zylinderbüchse umgebenden Wasserleitmantel und dem Motorgehäuse durch eine Zwischenwand unterbrochen ist, die vom Wasserleitmantel bis zum Motorgehäuse reicht und der oberhalb der Trennwand befindliche ringförmige Wasserraum mit dem die Laufbüchse umgebenden Wassermantel im Bereich des zylinderkopfseitigen Endes der Büchse verbunden ist.

Die DE 10 2005 014 756 A1 beschreibt eine Kühlstruktur eines Zylinderblocks mit einem Wassermantelabschnitt, der so angeordnet ist, dass er den gesamten äußeren Umfang der mehrere Bohrungsabschnitte umgebenden Bohrungswandung umschließt und mit dem Kühlmittel versorgt ist, und ein Wassermantelzwischenstück, das in den Wassermantelabschnitt derart eingesetzt ist, dass zwischen der Bohrungswandung und dem Wassermantelzwischenstück ein Zwischenraum besteht.

Aus der WO 2004 020 799 A1 ist ein Zylinderblock mit Kühlmänteln bekannt. Dabei wird eine an einer Zylinderkopfdichtung fixierte Schottwand, die mit dem Auflegen auf das Kurbelgehäuse in den fluidführenden Bereich eingreift, offenbart.

Die DE 696 10 358 T2 offenbart eine Zylinderkühlvorrichtung für einen Mehrzylindermotor und ein Gießverfahren, bei dem eine Kernstütze eingebettet wird, zum Konstruieren eines Wasserdurchlässe bildenden Elements in einer Verbindungswand zwischen benachbarten Zylinderbohrungen eines Mehrzylindermotors. Indem man das Kühlwasser durch das Wasserdurchlässe bildende Element strömen lässt wird ein Kopfseitenteil der Verbindungswand intensiv gekühlt.

Aus der DE 103 04 971 A1 sind Zylinderkurbelgehäuse bekannt, die Führungskanäle für Öl oder Wasser aufweisen, welche durch das Eingießen von Rohren erzeugt werden. Insbesondere werden zu Kurbelwellen- oder Nockenwellenlager verlaufende Seitenkanäle eines gebohrten Hauptölkanals durch eingegossene Rohre gebildet.

Aus Kostengründen wird bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren eine hohe Integration gefordert. Dies bedeutet, dass Nebenaggregate direkt am Kurbelgehäuse angebracht bzw. gelagert werden. Zur Herstellung komplexer hochintegrativer Kurbelgehäuse sind beim Gießen aufwändige Formsysteme erforderlich. Die Kernpakete weisen zum Teil eine Vielzahl filigraner Einzelkerne auf. Diese sind für eine großserientechnische Anwendung aufgrund ihrer Bruchempfindlichkeit kritisch und in der Herstellung aufwändig. Durch die angestrebten geringen Wandstärken werden des Weiteren hohe Anforderungen an die Maß-Toleranzen des Kernpaketes gestellt. Bedingt durch den Aufbau aus unterschiedlichen Einzelkernen und dem Fügeverfahren des Kernpaketes können die Toleranzanforderungen nur schwer eingehalten werden.

Aus der DE 41 02 358 A1 sind Gießverfahren zur Herstellung integrierter Zylinderköpfe bekannt. Die Zylinderköpfe sind mit einer gegossenen Trennwand im Bereich einer Trennebene versehen, die zwischen Zylinderkopf und montierter Zylinderkopfhaube verläuft und den Schmierölraum der Ventiltriebteile und den Kühlwassermantel bzw. Kühlwasserraum trennt. Da beim Druckgussverfahren sehr hohe Drücke auftreten, ist das Gießen des Zylinderkopfes, nämlich das Gießen der relativ großflächigen Trennwand insofern problematisch, als eine Verformung des Hohlkörpers zur Begrenzung der abzugießenden Trennwand kaum zu vermeiden ist. Als Hohlkörper ist Formsand verwendet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Fertigungsverfahren zur Herstellung gewichtsreduzierter gegossener Kurbelgehäuse für hohe Betriebsdrücke mit hoher Integration an Komponenten aufzuzeigen.

Die Aufgabe wird gelöst durch Kurbelgehäuse mit eingegossener Blechstruktur, wobei das Kurbelgehäuse mehrere fluidführende Bereiche umfasst, die zumindest in eine innere Fluidführung und eine hiervon getrennte äußere Fluidführung aufgeteilt sind, mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch Kurbelgehäuse mit angegossenen Blechstrukturen, wobei das Kurbelgehäuse mindestens einen fluidführenden Bereich umfasst, mit den Merkmalen des Anspruchs 5, sowie durch ein Verfahren zur Herstellung von Gusskörpern aus Eisen- oder Aluminium-Basislegierungen, die hohle Funktionsräume oder Fluidführungen aufweisen, welche durch zumindest ein dünnwandiges Einlegeteil voneinander getrennt sind, mit den Merkmalen des Anspruchs 17.

Die Gusskörper aus Eisen- oder Aluminium-Basislegierungen, die hohle Funktionsräume oder Fluidführungen aufweisen, sind bevorzugt Teile von Verbrennungsmotoren, insbesondere Kurbelgehäuse, Motorblöcke oder Zylinderköpfe.

Der wesentliche Aspekt der Erfindung ist die Verwendung eines oder mehrerer dünnwandiger Einlegeteile, die in die Struktur des Gussteils des Verbrennungsmotors, beziehungsweise des Kurbelgehäuses integriert werden. Das dünnwandige Einlegeteil ist dabei so fein strukturiert beziehungsweise so dünn ausgestaltet, dass es sich nicht mehr mit angemessenem Aufwand über einen gemeinsamen Abguss des gesamten Gussteils des Verbrennungsmotors oder Kurbelgehäuses darstellen lässt. Das dünnwandige Einlegeteil wird daher vorgeformt und während des Gießens in das Gussteil integriert. Hierdurch werden im Gussteil integrierte Komponenten mit sehr geringen Wandstärken zugänglich. Des Weiteren können im Gussteil des Verbrennungsmotors unterschiedliche, an die entsprechenden Anforderungen angepasste Materialien angewendet werden. Insbesondere ist es möglich, die Einlegeteile durch Konstruktion und Materialauswahl so auszulegen, dass eine Versteifungsfunktion oder eine Gewichtsreduktion erreicht wird.

Die Erfindung wird anhand schematischer Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 Einen Sandkern mit dünnwandigem Einlegeteil (10) in der Seitenansicht, umfassend ein dünnwandiges Einlegeteil (1), welches einen Überstand (6) aufweist, einen Sandkern für eine äußere Fluidführung (2), einen Sandkern für einen inneren Fluidführung (3), Überstand des Sandkerns für eine äußere Fluidführung (4), Überstand des Sandkerns für eine innere Fluidführung (5) und weiteres Einlegeteil (13),
2 einen Sandkern mit dünnwandigem Einlegeteil (10) in der Aufsicht von oben, umfassend ein dünnwandiges Einlegeteil (1), einen Sandkern für eine äußere Fluidführung (2), einen Sandkern für einen inneren Fluidführung (3), Überstände des Sandkerns für eine äußere Fluidführung (4), Überstände des Sandkerns für eine innere Fluidführung (5) und weitere Einlegeteile (13),
3 einen Sandkern mit dünnwandigem Einlegeteil (10) in der Aufsicht, umfassend ein dünnwandiges Einlegeteil (1), das einseitig eingebettet ist, einen Sandkern für eine äußere Fluidführung (2) und Überstände des Sandkerns für eine äußere Fluidführung (4),
4 ein Kernpaket (16) mit Sandkern mit dünnwandigem Einlegeteil (10), weiteren Sandkernen (17), weiteren Einlegeteilen (13) und einer Außenwand (12),
5 eine Außenwand (12),
6 Ein Kernpaket (16), umfassend einen Sandkern mit dünnwandigem Einlegeteil (10) und weitere Einlegeteile (13) und
7 ein auf der Vorderseite seitlich geöffnetes gegossenes Zylinderkurbelgehäuse mit Außenwand (12), Zylinderliner (11), äußere Fluidführung (7), innere Fluidführung (8), weitere eingegossene Einlegeteile (13) und freigelegte Schottwand (15), freigelegte weitere Sandkerne (17).
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft somit ein Kurbelgehäuse, mit eingegossener Blechstruktur, wobei das Kurbelgehäuse mehrere fluidführende Bereiche umfasst, die zumindest in eine innere Fluidführung (8) (oder Fluidraum) und eine hiervon getrennte äußere Fluidführung (7) (oder Fluidraum) aufgeteilt sind, wobei die eingegossene Blechstruktur eine mit dem Gussmetall des Kurbelgehäuses metallurgisch verbundene Schottwand (15) aus Stahl- oder Edelstahl ist, welche den Bereich der inneren Fluidführung (8) vom Bereich der äußeren Fluidführung (7) trennt.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, als dünnwandiges Einlegeteil eine Blechstruktur aus Stahl- oder Edelstahl vorzusehen. Die Blechstruktur bildet im Kurbelgehäuse eine Schottwand (15) aus, welche zwei Fluidräume voneinander trennt. Bei den Fluidräumen handelt es sich typischerweise um Kühlmäntel für Kühlflüssigkeiten. In der Regel wird für den inneren Fluidraum (7) Kühlwasser und für den äußeren Öl gewählt.
Als Material für die dünnwandigen Teile sind im Gegensatz zum Kurbelgehäuse die gängigen Tiefziehstähle (beispielsweise St14), mit niedrigem C-Gehalt (beispielsweise St 37), höherfeste Stähle (beispielsweise St 50), hochfeste und höchstfeste Stähle, sowie CrNi-Stähle (Rostfrei-Stähle) und unterschiedliche Arten hochlegierter Stähle geeignet.
Für die Erfindung ist es von besonderer Bedeutung, dass das Einlegeteil, beziehungsweise die Schottwand (15) mit dem Gussmetall des Kurbelgehäuses metallurgisch verbunden ist. Hierdurch wird die erforderliche Dichtigkeit für die flüssigen Medien in den Fluidführungen, sowie eine hohe Dauerfestigkeit der Verbindung erreicht. Die erfindungsgemäße Verwendung eines eingegossenen Blechteils als Schottwand ist im Vergleich zu der mit dem Kurbelgehäuse zusammen gegossenen Schottwand erheblich zuverlässiger; die Dicke ist gleichmäßiger und das Material weist keine Gussfehler auf.
Es kann zweckmäßig sein, die Fluidführungen oder Fluidräume nicht vollständig mit dem dünnwandigen Einlegeteil zu begrenzen. Bevorzugt wird die innere Fluidführung (8) auf ihrer Außenseite im Wesentlichen durch die Schottwand (15) und auf ihrer Innenseite durch das Gussmetall des Kurbelgehäuses begrenzt.
Bevorzugt gilt dies in entsprechender Weise auch für den äußeren Fluidraum, so dass die äußere Fluidführung (7) auf ihrer Innenseite im Wesentlichen durch die Schottwand (15) und auf ihrer Außenseite durch das Gussmetall des Kurbelgehäuses begrenzt ist. Besonders bevorzugt sind beide Ausführungen kombiniert.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist es, dass vergleichsweise dünne Schottwände vorliegen können. Die bevorzugte Wanddicke liegt im Bereich von 0,2 bis 4 mm. Für die meisten Stähle sind Wanddicken von 0,5 bis 3 mm am Zweckmäßigsten. Dabei sind Dicken um 0,5 bis 2 mm aus Gewichtsgründen zu bevorzugen. Bei den angegeben Dicken handelt es sich um die Mindestdicken der Schottwand im Bereich der angrenzenden Fluidräume. Die Dicke kann über die gesamte Fläche der Schotwand unterschiedlich sein, beziehungsweise Variationen aufweisen. Es kann zweckmäßig sein, das dünnwandige Blech oberhalb oder unterhalb der fluidführenden Bereiche dicker oder dünner auszulegen. Eine geringere Wandstärke kann zum Beispiel zweckmäßig sein, um eine besonders feste Anbindung zum Umgussmetall zu erreichen. Zur Verbesserung der Anbindung kann die Oberfläche des Blechs in diesem Bereich auch durch Krümmung, Rippung oder dergleichen erhöht sein.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das dünnwandige Blech nicht im Inneren des Kurbelgehäuses liegt sondern eine Außenwand (12) bildet. Ein entsprechendes dünnwandiges Blech ist in 5 abgebildet. 7 zeigt die Anordnung eines Außenblechs (12) auf der Rückseite eines gegossenen Zylinderkurbelgehäuses. Das Blech kann ein oder mehrteilig ausgestaltet sein. Bevorzugt werden zwei Bleche in der Form von Halbschalen gebildet. Das dünnwandige Blech lässt sich vor dem Angießen durch gängige Umformverfahren komplex formen. In einer weiteren Variante wird das Blech durch dünnwandigen Stahlguss hergestellt.
Durch angegossene Außenwände kann auf einen Teil der Kerne Verzichtet werden was sich positiv auf die Kosten auswirken kann.
Erfindungsgemäß ist dabei eine mit dem Gussmetall des Kurbelgehäuses metallurgisch verbundene Außenwand (12) aus Stahl- oder Edelstahl vorgesehen. Stahl- oder Edelstahl werden dabei bevorzugt deutlich fester als die Gusswerkstoffe des Kurbelgehäuses ausgewählt. Die Stützstruktur des Kurbelgehäuses kann daher weniger massiv ausgelegt werden. Hierdurch wird gegenüber einer vergleichbaren Eisenguss oder insbesondere Aluminiumgussstruktur eine Gewichtsverringerung erreicht.
Bevorzugt wird das gesamte Kurbelgehäuse seitlich durch eine Außenwand (12) aus dünnwandigem Blech umschlossen, die ein- oder mehrteilig aufgebaut sein kann.
Eine erfindungsgemäße Weiterbildung dieser Variante sieht vor, dass unmittelbar an die Außenwand fluidführende Bereiche angrenzen. 7 zeigt beispielhaft ein Zylinderkurbelgehäuse in closed deck Bauweise, mit weiteren Einlegeteilen (13), die fluidführende Bereiche bilden, welche in der Nähe der Außenwand (12) verlaufen. Hierbei handelt es sich in der Regel um Kühlwasserkanäle. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Außenwand (12) aus Stahl- oder Edelstahl eine Begrenzungsfläche für die oberflächennahen fluidführenden Bereiche aus weiteren Einlegeteilen (13) im Kurbelgehäuse bildet. Die entsprechenden Kühlwasserkanäle sind somit nut teilweise vom Eisen- oder Aluminiumguss des Kurbelgehäuses umgeben und deren Außenbegrenzung durch die Außenwand selbst gebildet.
Eine Verdickung der Außenwand, beziehungsweise Variation der Wandstärke ist in der Regel nicht erforderlich. Es kann jedoch zweckmäßig sein, Konturen in fluidführenden Bereichen des Bauteils bereits im Blech vorzusehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind dünnwandige Bleche sowohl im inneren des Kurbelgehäuses als Schottwand eingegossen, als auch in Form von Außenwänden an das Kurbelgehäuse angegossen.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, dass die an- und/oder eingegossene Blechstruktur, die Schottwand und/oder Außenwand bildet und Aussparungen und/oder Durchgänge aufweist.
Oberflächenkonturen können beispielsweise in Rillen oder Stegen bestehen, welche die Strömung des Fluids in den fluidführenden Breichen leiten.
Aussparungen oder Durchgänge können beispielsweise in den Bereichen der Schottwand, wie durch die überstehenden Bereiche, bzw. Überstände (6) in 2 entsprechend für die dünnwandigen Einlegeteile dargestellt, angeordnet sein. Dabei wird die Außenwand oder Schottwand in den Aussparungen oder Durchgängen durch das Gussmetall des Kubelgehäuses durchsetzt und eine sehr feste Anbindung begünstigt.
Eine weitere Möglichkeit, die Anbindung des dünnwandigen Einlegeteils an das Gussmetall des Kurbelgehäuses zu verbessern sind strukturierte Oberflächen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind die an- oder eingegossenen Blechstrukturen mit einer Zinn-, oder Nickelreichen Verbindungsschicht versehen, die zu einer qualitativ hochwertigen metallurgischen Anbindung des Gussmetalls des Kurbelgehäuses an die Blechstruktur führt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die anund/oder eingegossenen Blechstrukturen mit weiteren Konstruktionselementen aus Stahl- oder Edelstahl fest verbunden. Die weiteren Konstruktionselemente bilden dabei mit dem dünnwandigen Blech, das Schottwand oder Außenwand bildet, eine feste Einheit. Die weiteren Konstruktionselemente sind bevorzugt durch Verstärkungsrippen, Bleche, Rohre und/oder Hülsen gebildet. Die Hülsen können beispielsweise Gewinde für Verschraubungen aufnehmen. Die Rohre sind typischerweise weitere Kühlmittelleitungen.
Das erfindungsgemäße Kurbelgehäuse ist bevorzugt aus Gusseisen mit Lamellengraphit (Grauguss, GJL), Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS), Gusseisen mit Vermiculargraphit (GJV) oder Edelstahlguss gebildet, während die Schottwand oder die Außenwand aus Baustahl oder Edelstahl besteht.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Kurbelgehäuse aus einer Aluminiumgusslegierung gebildet, während die Schottwand oder die Außenwand aus Baustahl oder Edelstahl besteht. Für Aluminiumguss-Kurbelgehäuse ist es außerdem zweckmäßig, die Schottwand oder die Außenwand mit weiteren Funktionselementen zu versehen, die als Verstärkungselemente wirken. Diese ragen bevorzugt in den Raum zwischen den Zylindern hinein, oder überbrücken diesen ganz.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Gusskörpern aus Eisen- oder Aluminium-Basislegierungen, die hohle Funktionsräume oder Fluidführungen (7, 8) aufweisen, welche durch zumindest ein dünnwandiges Einlegeteil (1) voneinander getrennt sind. Dieser Aspekt der Erfindung ist nicht auf die Anwendung in Verbrennungsmotoren, insbesondere nicht auf die Herstellung von Kurbelgehäusen beschränkt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Verfahrensschritte:

– Ein- oder beidseitiges teilweises Einbetten oder Beschichten des dünnwandigen Einlegeteils (1) mit Formsand (2, 3)
– Aushärten des Formsands unter Bildung eines Sandkerns mit dünnwandigem Einlegeteil (10),
– Fixieren des Sandkerns mit Einlegeteil in einer Gießform
– Umgießen des Sandkerns mit Einlegeteil mit Eisen- oder Aluminium-Basislegierungen, wobei die nicht mit Formsand beschichteten oder in Formsand eingebetteten Bereiche des Einlegeteils (1), welche in Kontakt mit dem Gussmetall kommen eine metallurgische Verbindung mit dem Gussmetall eingehen und
– entfernen des Formsands unter Bildung der hohlen Funktionsräume oder Fluidführungen (7, 8).

Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, dass in die Sandkerne Einlegeteile integriert werden, um Gießstrukturen höchster Komplexität und Bauteile mit integrierten filigranen und dünnen Bereichen verwirklichen zu können.
Werden die dünnwandigen Bereiche des Gusskörpers bereits im Sandkern fixiert in die Gussform eingebracht, so ist die Herstellung von filigranen Kern-Hohlstrukturen zur Erzeugung dünnwandiger Gussbereiche nicht mehr erforderlich.
Da die Herstellung und Verarbeitung der Sandkerne für die filigranen Gussstrukturen aufwändig und fehlerbelastet ist, stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine wesentliche Vereinfachung und Verbesserung der Prozesssicherheit dar.
Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist ebenfalls das Zusammensetzen einzelner Sandkerne zu einem Kernpaket vereinfacht und die Zahl der erforderlichen Einzelkerne verringert. Durch Anwendung dieses Verfahrens lassen sich Bauteile im Bereich des Maschinen- und Fahrzeugbaus kostengünstiger herstellen, wobei vor allem komplexe Bauteile wie Zylinderkopf, Steuergehäuse und ATL-Gehäuse (Abgasturbolader) im Fokus der Anwendung stehen.
Zu den bevorzugten Anwendungen des Verfahrens zählen auch Leichtmetallkurbelgehäuse. Dabei sind als Leichtmetalllegierung unter- und übereutektische AlSi-Legierungen mit weiteren Legierungselementen wie Cu und Mg bevorzugt. Ebenso ist das Verfahren auch auf Verbundguss-Kurbelgehäuse aus Al-und Mg-Legierung anwendbar.
In einem ersten Verfahrensschritt ist vorgesehen, das dünnwandigen Einlegeteil (1) mit Formsand (2, 3) ein- oder beidseitig zu Beschichten oder teilweise einzubetten.
1 zeigt schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sandkerns mit eingebettetem dünnwandigen Einlegeteil, wie er für die Herstellung eines Kurbelgehäuses geeignet ist. Das dünnwandige Einlegeteil (1) steht nach oben und nach unten über. Der entsprechende Überstand (6) bildet beim späteren Umgießen mit der Eisen- oder Aluminium-Basislegierung einen festen metallurgischen Verbund zu dem umgebenden Gusskörper. Der Formsand wird durch das dünnwandige Einlegeteil (1) in zwei angrenzende Sandkerne getrennt. Sie bilden je einen Sandkern für eine äußere Fluidführung (2) und einen Sandkern für eine innere Fluidführung (3). Nach dem Guss werden hierdurch entsprechende durch ein dünnwandiges Blechteil getrennte äußere und innere Fluidführungen (7, 8) gebildet. Die beiden Sandkerne weisen nach oben ragende Überstände für die Fluidführungen (4, 5) auf, die zapfenförmig sind. Diese dienen nach dem Guss als Fluidzuführungen.
Die eigentliche Gießform kann aus kalt- und warmaushärtenden Kernen und aus Grünsandformen bestehen. Typischerweise werden hierzu organische Bindersysteme verwendet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden zumindest teilweise auch Kerne mit anorganischen Bindersystemen, beispielsweise mit Silikat-, Aluminat-, Phosphat- oder Borat-Bindersystemen verwendet. Diese Kernmaterialien haben den Vorteil einer hohen Härte, die auch bei den Gusstemperaturen erhalten bleibt, so dass sich filigrane Strukturen bzw. dünnwandige Bleche sehr zuverlässig fixieren lassen.
In 3 ist eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sandkerns mit eingebettetem dünnwandigen Einlegeteil (10) dargestellt. Dabei handelt es sich um ein nur einseitig beschichtetes dünnwandiges Einlegeteil (1). Durch die angrenzende Sandbeschichtung wird ein Sandkern für eine äußere Fluidführung (2) gebildet. Der benachbarte innere Fluidraum kann dabei durch die üblichen Formkerne erreicht werden. Es ist beispielsweise möglich, einen weiteren Sandkern in den Innenraum des Sandkerns mit dünnwandigem Einlegeteil (10) einzusetzen, um einen unmittelbar an das dünnwandige Einlegeteil angrenzenden inneren Fluidraum (8) zu bilden.
Das dünnwandige Einlegeteil, beziehungsweise die im Guss gebildete Schottwand muss aber nicht zwangsläufig direkt an das Fluid des inneren Fluidraums angrenzen, sondern kann durch eine Materialschicht aus Gussmetall von diesem getrennt sein. Entsprechend kann ein weiterer Sandkern im Innenraum des Sandkerns angeordnet und von dem dünnwandigen Einlegeteil (10) beanstandet sein.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Formsand ausgehärtet, so dass sich ein Sandkern mit dünnwandigem Einlegeteil (10) bildet. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Sandkern mit dünnwandigem Einlegeteil (10) unbeschadet gelagert, nachbearbeitet oder mit weiteren Elementen der Gussform insbesondere weiteren Sandkernen verbunden werden kann. Dies ist insbesondere für die Herstellung komplexer aus mehreren Teilen bestehender Kernpakete von Bedeutung.
In 4 ist eine mögliche Ausführung für komplex geformte Kernpakete für die Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen beispielhaft dargestellt. Das Kernpaket (16) enthält einen Sandkern mit dünnwandigem Einlegeteil (10) und vier darunter und einem als Rückenplatte angeordneten weiteren Sandkernen (17). Die Sandkerne werden mit den üblichen Mitteln miteinander verbunden.
Im darauf folgenden Schritt erfolgt das Fixieren des Sandkerns mit Einlegeteil (10) in einer Gießform. Dies geschieht entweder als separater Sandkern mit dünnwandigem Einlegeteil (10) oder in feste Bindung mit weiteren Sandkernen (17).
Zuletzt erfolgt das Umgießen des Sandkerns mit Einlegeteil (10) mit Eisen- oder Aluminium-Basislegierungen. Dabei gehen die freiliegenden, das heißt nicht mit Formsand beschichteten oder in Formsand eingebetteten Bereiche des Einlegeteils (1), welche in Kontakt mit dem Gussmetall kommen eine metallurgische Verbindung mit dem Gussmetall ein. Beispiele für die nicht in Formsand eingebetteten Bereiche sind die Überstände (6) in 1.
Nach dem Guss wird der Formsand unter Bildung der hohlen Funktionsräume oder Fluidführungen (7, 8) entfernt.
Es ist besonders zweckmäßig, weitere Einlegeteile mit dem Sandkern mit dünnwandigem Einlegeteil zu verbinden und ein hochintegriertes Kernpaket herzustellen. Die erfindungsgemäßen Sandkerne mit dünnwandigem Einlegeteil sind hierzu besonders gut geeignet, da das dünnwandige Einlegeteil (1) der Kernstruktur eine hohe Festigkeit verleiht, insbesondere auch deshalb weil durch die Integration des dünnwandigen Einlegeteils (1) dünne Hohlstrukturen im Sandkern vermieden werden können.
1 zeigt exemplarisch die Anbringung weiterer Einlegeteile (13). Hierbei kann es sich um Stahlrohre handeln, die als zusätzliche Flüssigkeitsleitungen genutzt werden. Die weiteren Einlegeteile (13) sind beidseitig mit dem Sandkern für eine innere Fluidführung (3) verbunden.
Eine weitere Ausführungsform für weitere Einlegeteile zeigt 6. Hierbei werden Rohre für Fluidführungen als Einlegeteile (13) an den Sandkern mit dünnwandigem Einlegeteil (10) angebracht. 4 zeigt ein hochintegriertes Kernpaket mit Einlegeteilen (13) die am Sandkern (10) und den weiteren Sandkernen (17) fixiert sind. Weitere Einlegeteile (13) verlaufen zwischen den Zylinderräumen des zu bildenden Kurbelgehäuses und sind beidseitig mit dem inneren Sandkern verbunden.
Für das dünnwandige Einlegeteil werden besonders bevorzugt Blechteile mit einer Wanddicke im Bereich von 0,5 bis 4 mm gewählt. Dabei können die Bleche vor dem Einbetten in den Formsand strukturiert oder die Oberfläche mit einer Kontur versehen werden. Das Blech kann beispielsweise zu eine wellblechartigen Struktur gewalzt werden. Ebenso können in das Blech Sicken oder Ausnehmungen eingebracht werden.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung sieht vor, dass an das Blech vor dem Einbetten in den Formsand weitere Stahl- oder Edelstahlbauteile angebracht werden. Hierzu gehören insbesondere Hohlteile, Rohre, die Verschraubungen oder Flüssigkeitsleitungen aufnehmen oder bilden, sowie Verstärkungsstege oder -rippen. Die Verbindung erfolgt bevorzugt über Schweißen.
Das dünnwandige Einlegeteil und gegebenenfalls auch die hieran befestigten weiteren Bauteile werden bevorzugt mit einer Haftvermittlungsschicht, insbesondere einer Sn- oder Ni-reichen Beschichtung versehen. Zweckmäßigerweise wird die Beschichtung auf die später mit dem Gussmetall in Verbindung stehenden Bereiche beschränkt. Die Beschichtung unterstützt die Bildung einer festen metallurgischen Verbindung.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Sandkerne mit dünnwandigem Einlegeteil (10) wird bevorzugt in konventionellen Werkzeugen zur Herstellung von Sandkernen erzeugt.
Besonders bevorzugt wird das dünnwandige Einlegeteil (1) in ein Kernschießwerkzeug für Sandkerne eingebracht und beim Kernschießen zumindest teilweise ein- oder beidseitig in Formsand eingebettet.
Zur besseren Anbindung an den Formsand kann die Oberfläche des Einlegeteils strukturiert, oder zumindest teilweise aufgeraut sein.

Claims

Kurbelgehäuse mit eingegossener Blechstruktur, wobei das Kurbelgehäuse mehrere fluidführende Bereiche umfasst, die zumindest in eine innere Fluidführung (8) und eine hiervon getrennte äußere Fluidführung (7) aufgeteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die eingegossene Blechstruktur eine mit dem Gussmetall des Kurbelgehäuses metallurgisch verbundene Schottwand (15) aus Stahl- oder Edelstahl ist, welche den Bereich der inneren Fluidführung (8) vom Bereich der äußeren Fluidführung (7) trennt.
Kurbelgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Fluidführung (8) auf ihrer Außenseite im Wesentlichen durch die Schottwand (15) und auf ihrer Innenseite durch das Gussmetall des Kurbelgehäuses begrenzt ist.
Kurbelgehäuse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Fluidführung (7) auf ihrer Innenseite im Wesentlichen durch die Schottwand (15) und auf ihrer Außenseite durch das Gussmetall des Kurbelgehäuses begrenzt ist.
Kurbelgehäuse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke der Schottwand (15) im Bereich von 0,2 bis 4 mm liegt.
Kurbelgehäuse mit angegossenen Blechstrukturen, wobei das Kurbelgehäuse mindestens einen fluidführenden Bereich umfasst dadurch gekennzeichnet, dass die angegossene Blechstruktur eine mit dem Gussmetall des Kurbelgehäuses metallurgisch verbundene Außenwand (12) aus Stahl- oder Edelstahl ist.
Kurbelgehäuse nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (12) eine Begrenzungsfläche für oberflächennahe fluidführende Bereiche aus weiteren Einlegeteilen (13) im Kurbelgehäuse bildet.
Kurbelgehäuse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (12) das gesamte Kurbelgehäuse seitlich umschließt.
Kurbelgehäuse, nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und einem der Ansprüche 5 bis 8.
Kurbelgehäuse nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die an- und/oder eingegossene Blechstruktur Oberflächenkonturen, Aussparungen und/oder Durchgänge aufweist.
Kurbelgehäuse nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die an- und/oder eingegossene Blechstrukturen mit weiteren Konstruktionselementen aus Stahl- oder Edelstahl fest verbunden sind.
Kurbelgehäuse nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Konstruktionselemente durch Verstärkungsrippen, Bleche, Rohre und/oder Hülsen gebildet sind.
Kurbelgehäuse nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkonturen Aussparungen, Durchgänge und/oder weiteren Konstruktionselemente einseitig und/oder beidseitig der Schottwand (15) und/oder der Außenwand (12) angeordnet sind.
Kurbelgehäuse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an- oder eingegossene Blechstruktur mehrteilig aufgebaut ist.
Kurbelgehäuse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an- oder eingegossene Blechstruktur über eine Zinn-, oder Nickel-reiche Verbindungsschicht mit dem Gussmetall des Kurbelgehäuses metallurgisch verbunden ist.
Kurbelgehäuse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelgehäuse aus Gusseisen mit Lamellengraphit (Grauguss, GJL), Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS), Gusseisen mit Vermiculargraphit (GJV) oder Edelstahlguss gebildet ist.
Kurbelgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelgehäuse aus einer Aluminiumgusslegierung gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung von Gusskörpern aus Eisen- oder Aluminium-Basislegierungen, die hohle Funktionsräume oder Fluidführungen (7, 8) aufweisen, welche durch zumindest ein dünnwandiges Einlegeteil (1) voneinander getrennt sind, umfassend die Verfahrensschritte – beidseitiges teilweises Einbetten oder Beschichten des dünnwandigen Einlegeteils (1) mit Formsand für die äußeren und inneren Fluidführungen (2, 3) – Aushärten des Formsands unter Bildung eines Sandkerns mit Einlegeteil, – Fixieren des Sandkerns mit Einlegeteil in einer Gießform – Umgießen des Sandkerns mit Einlegeteil mit Eisen- oder Aluminium-Basislegierungen, wobei die nicht mit Formsand beschichteten oder in Formsand eingebetteten Bereiche des Einlegeteils (1), welche in Kontakt mit dem Gussmetall kommen eine metallurgische Verbindung mit dem Gussmetall eingehen und – der Formsand unter Bildung der hohlen Funktionsräume oder Fluidführungen (7, 8) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das dünnwandige Einlegeteil nur einseitig mit Formsand beschichtet ist oder so in Formsand eingebettet ist, dass eine Seite des Einlegeteils im wesentlichen frei von Formsand ist.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Einlegeteile (13) mit dem Sandkern mit dünnwandigem Einlegeteil verbunden oder in die Gießform eingebracht und fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Einlegeteile (13) rohrförmig und zur Leitung von Fluiden geeignet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Sandkerne (17) mit dem Sandkern mit dünnwandigem Einlegeteil zu einem Kernpaket (16) verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als dünnwandiges Einlegeteil (1) ein Blechteil mit einer Wanddicke im Bereich von 0,8 bis 4 mm gewählt wird.
Verfahren zur Herstellung von Sandkernen mit dünnwandigem Einlegeteil (10), geeignet für ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das dünnwandige Einlegeteil (1) in ein Kernschießwerkzeug für Sandkerne eingebracht wird und beim Kernschießen zumindest teilweise beidseitig in Formsand eingebettet oder mit Formsand beschichtet wird.