-
Die
Erfindung betrifft Eingussverfahren zur Herstellung von metallischen
Verbundbauteilen mit Eingussteilen aus Stahl und/oder Gusseisen,
insbesondere GGG, GJV oder GGL und dem Umgusswerkstoff Stahl, Gusseisen
oder Leichtmetall.
-
Beim
Eingießen
von Stahlteilen oder Gusseisteilen in Stahl-, Gusseisen oder Aluminiumschmelzen
stellt sich häufig
die Problematik unzureichender Verbindung zwischen Einguss- und
Umgusswerkstoff. Dadurch werden insbesondere störende Spalte und Lunker gebildet.
Für die
Gussfehler sind im Wesentlichen Oxidschichten auf der Oberfläche der
Eingussteile sowie ein zu frühes
Erstarren der Gießschmelzen
verantwortlich. Dies unterbindet eine fehlerfreie metallurgische
Verbindung von Ein- und Umgusswerkstoff.
-
Im
Prinzip ist es möglich,
die Prozessbedingungen oder die Werkstoffkombination so ausgelegt werden,
dass das Eingussteil beim Einguss vollständig aufgeschmolzen wird. Beispielsweise
sind aus der
DE 100
26 546 B4 rohrförmige
Eingussteile aus Kernsand und Metallmantel bekannt, wobei der Metallmantel
zum vollständigem
Abschmelzen beim Guss in der Schmelze dient. Offensichtlich ist
dieses Verfahren hinsichtlich der Werkstoffauswahl und den geometrischen
bzw. thermischen Verhältnissen
beim Guss sehr begrenzt.
-
Die
DE 692 25 163 T2 offenbart
ein Verfahren zum Eingießen
von Aluminiumwerkstoffen. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird
das Eingussteil mit 3 Schichten versehen. Die erste Schicht soll
aus Metall/Legierung mit geringer Oxidationsempfindlichkeit sein,
bevorzugt Zn, Cd, Cr, Cu, Ag, Au und/oder Ni. Die zweite Schicht
soll bei relativ niedrigen Temperaturen schmelzen, so dass beim
Verbundguss an der Randfläche
zwischen dem Eingießteil
und der geschmolzenen Metallmasse eine flüssige Schicht vorhanden ist,
welche die Haftung durch Interdiffusion gewährleistet. Geeignete Metalle
oder Legierungen, welche eine hohe Löslichkeit im Aluminium im festen Zustand
haben, sind Lötlegierungen,
zum Beispiel Zink oder Zinklegierungen vom Typ ZnMg3 und ZnCu5.
Als dritte Schicht kann ein oxidationsbeständigen Metalls oder ein Flussmittel
verwendet werden. Ein geeignetes Flussmittel ist zum Beispiel K
2ZrF
6.
-
Aus
der
DE 101 13 962
A1 ist ein Gießverfahren
zur Herstellung von metallischen Bauteilen aus einer Fe-Legierung
einer Al-Legierung bekannt, mit den Verfahrensschritten: Auftragen
einer metallischen Al-Basis-Schicht auf den Fe-Körper,
Auftragen eines Flussmittels, das zur Reduktion bzw. zum Auflösen der
sich auf der metallischen Schicht bildenden Oxidhaut geeignet ist
und Umgießen
des beschichteten Körpers
mit einer Al-Basis-Legierung. Bevorzugte Flussmittel sind eutektische
Zusammensetzungen aus K
3AlF
6 und
KAlF
4.
-
Die
DE 603 01 723 T2 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen, bestehend
aus einer Legierung auf Eisenbasis und einer Legierung auf Aluminiumbasis
mit den Verfahrensschritten: Auftragen einer metallischen Schicht aus
Al-Si oder Fe, auf den Fe-Körper
sandstrahlen und/oder besprühen
mit Siliziumpulver und/oder Borax (Na
2B
4O
7-10H
2O, hydratisiertes
Natriumborat) und Umgießen
des beschichteten Körpers
mit einer Legierung auf Aluminiumbasis.
-
Aufgabe
der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten und vereinfachten
Eingussverfahrens, insbesondere mit verbesserter metallurgischer
Bindung der Eingussteile, sowie hierfür geeignete Eingussteile.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Verbundbauteilen
aus Stahl und/oder Gusseisen, insbesondere GGG, GJV oder GGL, mit
den Verfahrensschritten
- – Herstellung zumindest eines
Eingussteils aus Stahl oder Gusseisen
- – Beschichtung
des zumindest einen Eingussteils mit einem Flussmittel
- – Trocknung
des Flussmittels
- – Einlegen
des zumindest einen Eingussteils in die Gießform und/oder einen keramischen
Gießkern
- – Umgießen des
zumindest einen Eingussteils mit Stahl oder Gusseisen,
wobei
das Flussmittel ausgewählt
ist aus Alkali- oder Erdalkali Boraten, Fluoriden und/oder Phosphaten sowie
Zuschlagstoffen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
-
Eine
weitere Lösung
findet sich in einem Verfahren zur Herstellung von metallischen
Verbundbauteilen aus Stahl oder Grauguss und Aluminiumlegierung,
mit den Verfahrensschritten
- – Herstellung
zumindest eines Eingussteils aus Stahl oder Grauguss
- – erste
Beschichtung des zumindest einen Eingussteils mit Sn, Sn-Legierung,
Ni, und/oder Ni-Legierung
- – zweite
Beschichtung des zumindest einen Eingussteils mit einem Flussmittel
- – Trocknung
des Flussmittels
- – Einlegen
des zumindest einen Eingussteils in die Gießform und/oder einen keramischen
Gießkern
- – Umgießen des
zumindest einen Eingussteils mit einer Al-Legierung,
wobei das Flussmittel
ausgewählt
ist aus Alkali- oder Erdalkali-Boraten, -Fluoriden, komplexen Fluoriden und/oder
-Phosphaten sowie Zuschlagstoffen mit den Merkmalen des Anspruchs
2.
-
Besonders
geeignete Eingussteile aus Stahl oder Gusseisen zum Eingießen in Stahl,
Gusseisen oder Aluminiumlegierung, wobei es auf der Oberfläche eine
Beschichtung eines Flussmittels aus Alkali- oder Erdalkali-Boraten,
-Fluoriden und/oder -Phosphaten sowie Zuschlagstoffen trägt, sind
Gegenstand von Anspruch 14.
-
Überraschenderweise
hat sich gezeigt, dass die Flussmittel aus Alkali- oder Erdalkali-Boraten, -Fluoriden
und/oder -Phosphaten sowie Zuschlagstoffen hervorragend für das Eingießen von
Eisenlegierungen, wie Stahl oder Gusseisen geeignet sind. In den
für die
Wirkung als Flussmittel benötigten Mengen
findet keine nachteilige Beeinträchtigung
der Legierungszusammensetzung in der Verbindungszone zwischen Einguss-
und Umgusswerkstoff statt. Insbesondere sind die Flussmittel für die Kombinationen
Stahl/Stahl, Stahl/Gusseisen und Gusseisen/Gusseisen geeignet. Dasselbe
gilt für
die Kombination Stahl/Aluminiumlegierung und Gusseisen/Aluminiumlegierung,
wenn auf das Eingussteil eine erste Schicht aus Sn, Sn-Legierung,
Ni, und/oder Ni-Legierung aufgetragen ist.
-
Die
Beschichtung mit dem erfindungsgemäßen Flussmittel hat den Vorteil,
dass es beim Umgießen
des beschichteten Eingussteils zur Reduktion, dem Auflösen und
Wegschwemmen der Oxidhaut des Eingussteils kommt und somit der Gießwerkstoff mit
dem Metall des Eingussteils eine metallurgische Bindung eingehen
kann.
-
Das
Aufbrechen und Wegschwemmen der Oxidschicht ist ein wesentliches
Merkmal der Erfindung. Dem Umgussmetall wird hierdurch ermöglicht, die
Bauteiloberfläche
gut zu benetzen und die für eine
metallurgische Bindung erforderlichen Anschmelz- oder Diffusionsprozesse
so erst zu ermöglichen.
Die Folge ist eine, im Gegensatz zu herkömmlich umgossenen Bauteilen
wesentlich verbesserte metallurgische Anbindung und eine sehr viel
höhere Festigkeit
der Metallbindung.
-
Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Flussmittels liegt in der
Herabsetzung der Schmelztemperatur des Metalls des Eingussteils
durch oberflächliche
Bildung unterschiedlicher niedrig schmelzender Phasen. Hierdurch
wird ein Anschmelzen der Oberflächenschicht
des Eingussteils unterstützt,
so dass eine feste metallurgische Bindung entstehen kann.
-
Beim
Eingießen
bewirkt das Flussmittel, dass die Schmelztemperatur auf der Oberfläche sinkt und
damit alle Verunreinigungen und Oxyde weggeschwemmt werden. Gleichzeitig
führt beispielsweise auch
bereits abkühlendes
Gusseisen zur Aufschmelzung der Oberfläche (nur ca. 900-1200°C erforderlich)
und es entsteht eine metallurgische Verbindung.
-
Das
Auftreten der typischen Gussfehler in der Form von Spalten und Lunkern
wird weitgehend vermieden.
-
Das
Verfahren des Eingießens
umfasst sowohl das vollständige
Umgießen
des Eingussteils als auch nur teilweises Umgießen. Im Sinne der Erfindung
wird hierdurch insbesondere auch das so genannte Angießen oder
das gießtechnische
Fügen umfasst.
-
Bevorzugt
enthält
das Flussmittel Borax (Na2B4O7-10H2O), Boroxid,
NaF, KF, K2ZrF6,
K3AlF6, KAlF4 oder Na3PO4 oder MgF2. Besonders
bevorzugt enthält
das Flussmittel Borax und KAlF4 in einem
Verhältnis
von 1:5 bis 5:1.
-
Die
im Flussmittel vorhandenen Zuschlagstoffe lassen sich insbesondere
in Gießhilfsmittel oder
in Beschichtungshilfsmittel unterteilen. Der Gehalt an Zuschlagstoffen
kann im Bereich von 1 bis 50% des Flussmittels liegen. Bevorzugt
liegt der Gehalt an Beschichtungshilfsmitteln an der unteren Grenze
des Bereichs, insbesondere bei 1 bis 5%.
-
Zu
den Gießhilfsmitteln
gehören
metallische Pulver die niedrig schmelzend oder Eutektikum bildend
sind. Die metallischen Zuschlagstoffe wirken auch als metallische
Reduktionsmittel. Diese sind insbesondere auch geeignet, die Neubildung
von Oxiden auf der Oberfläche
des Eingussteils während des
Vorwärmes
oder des Eingießens
zu verringern. Bevorzugt werden hierbei Sn-Legierungen, Sn/Cu-Legierungen,
Ni und/oder Ni-Legierungen eingesetzt. Zu den besonders geeigneten
Sn-Legierungen zählen
SnCu0,7Ni0,1 oder SnCu0,7. Diese Gießhilfsmittel unterstützen die
Reduktion der Oxidschicht sowie deren Abtransport und insbesondere das
Anschmelzen der Oberfläche
des Eingussteils durch Bildung niedrig schmelzender Legierungen.
-
Die
Beschichtungshilfsmittel haben die Aufgabe, die Viskosität bzw. Thixotropie
gegebenenfalls flüssiger Beschichtungen
einzustellen und die auf die Oberfläche aufgetragene Beschichtung
zu binden beziehungsweise zu verfestigen. Bevorzugt sind die Beschichtungshilfsmittel
ausgewählt
aus metallorganischen Polymeren, Silan- und/oder Siloxanharzen, die
als Binder werden. Die Silanharze und Siloxanharze haben den zusätzlichen
Vorteil, dass sie auf die Oxidschichten reduzierend wirken.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Flussmittel in Form einer
wässrigen
Lösung
oder Suspensionen auf das Eingussteil aufgebracht. Als Beschichtungshilfsmittel
sind hierbei unter anderem Polyphosphate geeignet.
-
Das
Flussmittel kann je nach Konsistenz beispielsweise durch Siebdruck
(Paste) oder Aufspritzen bzw. Einstreichen oder Tauchen (Flüssigkeit) aufgetragen
werden.
-
Wird
das Flussmittel als flüssige
Beschichtung aufgetragen, so ist eine gesonderte Trocknung des Flussmittels
erforderlich, bevor der Einguss erfolgt.
-
Die
Schichtdicke des Flussmittels im getrockneten Zustand liegt bevorzugt
in einem Bereich von 0,1-1,0 mm.
-
Als
Gießverfahren
wird bevorzugt ein Niederdruckguss oder ein Mitteldruckgussverfahren
gewählt.
Dies gilt insbesondere, wenn als Eingussmetall Stahl oder Gusseisen
gewählt
wird. Der beim Niederdruckgießen
angewandte Druck liegt üblicherweise
je nach notwendiger Steighöhe
und der Dichte des Gusswerkstoffes zwischen 0,02 und 0,1 MPa. Der Gießdruck liegt
bei Stahl und Gusseisen als Umgusswerkstoff bevorzugt bei einem Überdruck
von ca. 0,3 bis 5 bar. Eine präzise
Regelung des Gießdrucks,
sowie des Druckverlaufs (Druckaufbau, Haltephase und Nachdruck)
ist für
eine gleichmäßige und
lunkerfreie Formfüllung
erforderlich. Bevorzugt werden 0,5 bis 1,5 bar angewendet.
-
Das
verfahrensbedingt langsame Einströmen der Schmelze begünstigt hierbei
sowohl das Auflösen
und Wegschwemmen der Oxidschicht, als such das Anschmelzen der Eingussteil-Oberfläche. Die
Schmelze kann darüber
hinaus auch weitgehend laminar strömen.
-
In
bevorzugter Ausgestaltung wird die Schmelze des Umgussmetalls von
unten in die Gießform
zugeführt
wird. Dies hat den Vorteil, dass sich die aufgelöste Oxidschicht bzw. die sich
bildende Schlacke aus dem sich bildenden Verbundgussteil ausgetragen
wird, da Oxide bzw. Schlacke oben aufschwimmen. Eine ungünstige Rückvermischung
mit der Schmelze wird hierdurch weitgehend verhindert.
-
Besonders
bevorzugt werden die Speiser bzw. der Anguss nicht in unmittelbarer
Nähe zum
Eingussteil, bzw. der Fügezonen
gelegt. Das Einlegeteil wird bevorzugt so in die Gießform eingepasst,
dass das Ausgasen der Reaktionsprodukte des Flussmittels nach oben
möglichst
ungestört
erfolgen kann. Die Gießform
bzw. die Schmelzezufuhr werden bevorzugt so ausgestaltet, dass die
Schmelze weitgehend laminar und ohne Rückvermischung an der Oberfläche des
Eingussteils entlang fließen
kann. Hierdurch entstehen günstige
Fließbedingungen, was
das Wegschwemmen der Oxide beziehungsweise Schlacke sowie das Anschmelzen
der Oberfläche des
Eingussteils begünstigt.
Aufgrund der günstigen thermischen
und Strömungsverhältnisse
können
bei dieser Variante auch vergleichsweise dickere Schichten des Flussmittels
verwendet werden mit Dicken im Bereich von 0,5-1,0 mm.
-
Je
nach Geometrie und relativer Lage des Eingussteils in der Gießform kann
die Dicke des Flussmittels unterschiedlich eingestellt werden.
-
Die
Eingussteile können
auch Bestandteile von zusammengesetzten Gießkernen oder Kernpaketen sein.
Eine Beschichtung der in den Kern eingebrachten Bauteilbereiche
erübrigt
sich entsprechend.
-
Für die Herstellung
von metallischen Verbundbauteilen aus Stahl- oder Grauguss-Eingussteilen
und Umguss aus Aluminiumlegierung ergibt sich ein besonders deutlicher
Unterschied zwischen den Schmelzpunkten der beteiligten Metalle,
so dass weitere Anstrengungen erforderlich sind, um eine ausreichende
metallurgische Verbindung zu erreichen.
-
Erfindungsgemäß ist somit
bei den Werkstoffkombinationen aus Stahl/Aluminiumlegierung oder
Gusseisen/Aluminiumlegierung eine unterhalb dem Flussmittel angeordnete
erste Beschichtung vorgesehen, die im wesentlichen die Aufgabe hat,
ein Anschmelzen der Oberfläche
des Eingussteils zu erreichen. In einem ersten Verfahrensschritt
wird auf das Eingussteil eine erste metallische Beschichtung aus
Sn, Sn-Legierung, Ni, und/oder Ni-Legierung aufgebracht.
-
Zu
den geeigneten Sn-Legierungen gehören Al/Sn- oder Al/Cu-Legierungen.
-
Als
Beschichtungsprozess können
die üblichen
Verfahren angewendet werden. Besonders geeignet sind thermische
Spritzverfahren, wie das Flammspritzen oder galvanische Verfahren.
Die Schichtdicke liegt bevorzugt im gleichen Bereich, wie die Schichtdicke
des Flussmittels. Nach dem Aufbringen der ersten Schicht erfolgt
die bereits beschriebene Beschichtung mit dem Flussmittel als zweite Schicht.
-
Bei
der Verwendung einer metallischen Beschichtung ist in der Regel
kein Zusatz an metallischen Gießhilfsmitteln
im Flussmittel mehr erforderlich.
-
In
bevorzugter Anwendung des Verfahrens werden mit eingegossenen Kühlleitungen
oder Druckölleitungen
versehene Motorteile für
Verbrennungskraftmaschinen hergestellt. Hierzu zählen Motorblöcke, Zylinderkurbelgehäuse oder
Zylinderköpfe.
Als Eingussteile werden bevorzugt Stahlrohre oder mit Kernsand gefüllte Stahlrohre
verwendet.
-
In
einer weiteren Anwendung des Verfahrens werden Stahlkolben für Verbrennungsmotoren
gegossen. Die Eingussteile bilden dabei Kühlkanäle und/oder der Pleuellagerwände des
gegossenen Stahlkolbens aus. Bevorzugte Materialkombination ist
Stahl/Stahl.
-
In
einer weiteren Verfahrensvariante werden Gusseisen-Kurbelgehäuse hergestellt,
bei denen die Eingussteile Kühlkanäle und/oder
Druckölleitungen bilden.
Bevorzugte Materialkombination ist Stahl/Gusseisen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung in vorteilhafter Weise
bei der Herstellung von Fahrzeugkarosseriebauteilen anwendbar, welche
dünnwandig
ausgestaltet sind. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Strukturträger, wie
A- oder B-Säulen
eines Automobils. Dabei kann ein weiterer Stahlstrukturträger an- oder
zumindest teilweise in das dünnwandige
Umgussteil eingegossen werden. Ebenso ist das Verfahren sehr vorteilhaft
zum an- oder eingießen
blechartiger Strukturbauteile an dünnwandige Strukturträger.
-
Eine
weitere Anwendung findet das Verfahren bei der Herstellung von Aluminium-
beziehungsweise Leichtmetall-Kurbelgehäuse mit
eingegossenen Zylinderlaufbüchsen,
Kühlkanälen, Druckölleitungen
und/oder blechartigen Einlegeteilen. Die Zylinderlaufbüchsen (Zylinderliner)
als Eingussteile sind bevorzugt aus Grauguss gefertigt. Eingegossener
Blechstrukturen, können
beispielsweise als Trennwände
fluidführender
Bereiche beziehungsweise der Zylinderkühlung dienen oder Teile der
Außenwand
des Kurbelgehäuses
bilden. Kühlkanäle werden
bevorzugt durch Eingussteile aus geschlossenen Stahlrohren oder
mit Kernsand gefüllten
teilweise geöffneten
Stahlrohren gebildet.
-
Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf ein Eingussteil
aus Stahl oder Gusseisen zum Eingießen in Stahl, Gusseisen oder
Aluminiumlegierung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass dieses
eine Beschichtung der Oberfläche
aus einem Flussmittel aufweist, das im Wesentlichen aus Alkali- oder Erdalkali-Boraten,
-Fluoriden und/oder -Phosphaten sowie Zuschlagstoffen gebildet ist.
Der Anteil der Zuschlagstoffe beträgt typischerweise 1 bis 25%.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist unter der Beschichtung
aus dem Flussmittel eine weitere Beschichtung aus Sn, Sn-Legierung,
Ni, und/oder Ni-Legierung angeordnet. Diese Beschichtung ist besonders
bevorzugt eine thermisch gespritzte Schicht aus Sn.