DE102007024864A1

DE102007024864A1 - Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils

Info

Publication number: DE102007024864A1
Application number: DE200710024864
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing.(FH) Scheydecker
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2008-12-04

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils für ein Fahrzeug, bei welchem folgende Schritte durchgeführt werden: a) Erzeugen und Formen eines Formteilkerns aus einem Eismaterial; b) Ausbilden einer Schlichteschicht mit zumindest einer Öffnung auf der Oberfläche des Formteilkerns; c) Erwärmen des Formteilkerns und Verfestigung der Schlichteschicht sowie Abführen des schmelzenden oder verdampfenden Eismaterials aus der mindestens einen Öffnung der formstabil ausgebildeten Schlichteschicht; d) Umgießen der Schlichteschicht mit dem Gussmaterial des Gussbauteils in einer Gussform.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils für ein Fahrzeug, insbesondere eines hohlen Metallgussbauteils.
Aus der JP 05-318024 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Trockeneiskern erzeugt und im Hinblick auf die Formgebung des Gussbauteils mit einer definierten Formgebung gestaltet wird.
Es ist auch bekannt dass beim Herstellen derartiger Gussbauteile Sandmaterial der Gießkerne zurückbleibt, welches bei spezifischen Verfahrensschritten benötigt wird, wobei dieses Sandmaterial nicht mehr vollständig aus der Gussvorrichtung entfernt werden kann und somit auch im Gussbauteil auftritt. Dies ist insbesondere dann ein Problem wenn durch Sandkerne Hohlräume dargestellt werden, die im Gussbauteil kaum noch zugänglich sind. Dies ist jedoch unerwünscht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung eines Gussbauteils zu verbessern. Insbesondere soll das Auftreten von Sandrückständen verhindert werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, welches die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils für ein Fahrzeug wird zunächst ein Formteilkern erzeugt und im Hinblick auf eine spezifische Formgestaltung des Gussbauteils im Inneren eine entsprechende Formung des Formteilkerns durchgeführt. Der Formteilkern wird aus einem Eismaterial ausgebildet. Das Eis muss sich dabei, bereits bei Raumtemperatur in flüssiger oder gasförmiger Form verflüchtigen lassen. Als Eis ist hier insbesondere Trockeneis geeignet, das bei Raumtemperatur ohne Bildung einer flüssigen Phase verdampft (sublimiert). Auf dem vorgefertigten Formteilkern wird eine Schlichteschicht ausgebildet, welche zumindest eine Öffnung aufweist. Die Schlichte muss dabei zu einer formstabilen Schlichteschicht ausgehärtet werden. Nach oder während dem Erzeugen der Schlichteschicht wird ein Erwärmen des Formteilkerns durchgeführt. Hierbei schmilzt oder verdampft der Formteilkernmaterial und wird aus der Öffnung der formstabil ausgebildeten Schlichteschicht abgeführt. Dabei ist es von besonderer Bedeutung, dass das flüssige oder gasförmige Material des Eises keine Beschädigung der Schlichteschicht hervorruft. Insbesondere ist zu vermeiden, dass flüssiges Material erzeugt wird, dass die frische oder sich bildende Schlichteschicht wieder an- oder auflösen kann. Als Eismaterial ist daher insbesondere Trockeneis (festes CO₂) oder Eis aus organischen Lösungsmitteln geeignet. Die Schlichteschicht wird nach Erreichen einer ausreichenden Härte mit dem Gussmaterial des Gussbauteils in einer Gussform umgossen. Die Schlichteschicht wirkt dabei als Gießkern. Dadurch ist das Gussbauteil gefertigt.
Durch diese Vorgehensweise beim Herstellen eines Gussbauteils kann auch ein rein anorganisches Gießkern-System ermöglicht werden. Beim Gießen kann hierdurch das bei organisch gebundenen Sandkernen Auftreten von organischen Materialien verhindert werden, wodurch auch eine organische Emission verhindert werden kann. Des Weiteren ist es nicht mehr erforderlich, Sandmaterial bei spezifischen Verfahrensschritten zu verwenden, wodurch das Auftreten von unerwünschten Sachrückständen in der Gussform, die sich dann auch in dem Gussbauteil wiederfinden können, vermieden. Besonders störend sind dabei schwächer gebundene Sandrückstände, die sich erst beim weiteren Bearbeiten oder dem Betrieb des Gussbauteils von der Oberfläche lösen.
Bevorzugt erweist es sich, wenn der Formteilkern aus Trockeneis erzeugt wird. Dazu ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Trockeneis in eine Form, insbesondere in eine Metallform, eingebracht wird und dort im Hinblick auf die erforderliche Formgebung gepresst wird.
Vorzugsweise wird nach dem Erzeugen des Formteilkerns zumindest der weitere Schritt des Ausbildens der Schlichteschicht in einer Fertigungsumgebung durchgeführt, in welcher der aufgrund seiner Materialausgestaltung kältebeaufschlagte Formteilkern keine oder keine nennenswerte Verformung erfährt. Somit ist insbesondere vorgesehen, dass das Ausbilden der Schlichteschicht in einer entsprechend erzeugten Kälteumgebung durchgeführt wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Schlichteschicht Metallpartikel oder Keramikpartikel zugegeben werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Formteilkern mit einer Mischung aus tiefgefrorenen pulvrigen Metallpartikeln oder Keramikpartikeln umhüllt wird. Die Partikel erhöhen die Festigkeit der Schlichteschicht. Dabei haben die Metallpartikel den Vorteil, dass sie beim Umgießen mit einem Gießmetall in die Oberfläche des Bauteils eingeschmolzen werden. Hierdurch wird die Schlichteschicht fest in die Oberfläche des Gussbauteils gebunden. Spätere Ablösungen sind damit wirkungsvoll verhindert. Es ist dabei von Bedeutung, dass die mittels des Gießkerns aus Schlichteschicht gebildeten Hohlräume im Gussbauteil in der Regel keine Funktions- oder Sichtflächen ausbilden und daher keine besonderen Anforderungen an die Glätte oder besonders hohe Formtreue gestellt werden.
Vorzugsweise weist die Schlichteschicht eine Dicke zwischen 0,1 mm und 0,8 mm auf. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Dicke der Schlichteschicht mit etwa 0,5 mm erzeugt wird.
Durch diese Vorgehensweise wird durch die Schlichteschicht quasi eine hohle Schalenstruktur als Gießkern konstruiert, welche durch die Kältebeaufschlagung des Formteilkerns formstabil ausgebildet werden kann.
Bevorzugt erweist es sich, wenn in der Schlichteschicht Metallpartikel beigegeben werden, welche einem Metallmaterial des Gussmaterials entsprechen. Somit weisen die Schlichteschicht und die dann auf der Schlichteschicht ausgebildete Gussmaterialzusammensetzung bevorzugt gleiche Metallkomponenten auf. Ist das Gussmaterial beispielsweise Aluminium, bzw. eine Leichtmetalllegierung, so ist es bevorzugt, dass der Schlichteschicht Aluminiumpartikel zugegeben werden. Ist das Gussmaterial Gusseisen oder Stahl, so ist es bevorzugt, wenn die Schlichteschicht Eisenpartikel oder Partikel aus einem Stahlmaterial aufweist.
Durch diese Materialanpassung kann eine verbesserte Materialverbindung zwischen der Schlichteschicht und dem Gussmaterial erreicht werden.
Vorzugsweise wird die Schlichteschicht mit einem Bindermaterial, insbesondere einem CO₂-härtenden Bindermaterial, überzogen. Vorzugsweise ist das Bindermaterial Natriumsilikat, bzw. Wasserglas. Die Formstabilität der Schlichteschicht sowie die Verbindung mit dem Gussmaterial können dadurch nochmals verbessert werden.
Vorzugsweise wird nach dem Erzeugen der Schlichteschicht mit dem die Schlichteschicht umhüllenden Bindermaterial der Formteilkern auf Raumtemperatur erwärmt, wodurch insbesondere bei Ausgestaltung als Trockeneiskern das CO₂ über eine oder mehrere kleinere Öffnungen in der Schlichteschicht als Gas entweichen kann.
Vorzugsweise wird vor dem Umgießen der Schlichteschicht mit Gussmaterial des Gussbauteils und insbesondere nach dem Entfernen des Formteilmaterials aus dem Inneren der schalenförmigen Schlichteschicht diese schalenartige Schlichteschicht durch eine Nachbearbeitung weiter verfestigt. Beispielsweise kann hier eine galvanische Nachbearbeitung, die Erzeugung einer Spritzschicht oder das Durchführen eines Schmelze-Tauchbads erfolgen. Gegebenenfalls kann ein Infiltrieren durchgeführt werden.
Insbesondere kann bei einer derartigen Nachbearbeitung vorgesehen sein, dass ein Sintern der formstabil ausgebildeten und schalenartig geformten Schlichteschicht durchgeführt wird. Dabei sind die Silikatischen Binder, sowie feine keramische Partikel besonders gut zur Verfestigung durch Sintern geeignet. Im Nachgang zu diesem Sintern kann dann ein Vorwärmen der Schlichteschicht erfolgen, um beispielsweise einen Temperaturschock beim nachfolgenden Umgießen der Schlichteschicht mit dem Gussmaterial verhindern zu können.
Insbesondere wird die schalenförmige Schlichteschicht vor dem Umgießen mit dem Gussmaterial in ein Formwerkzeug der Gussform eingesetzt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass bereits der erzeugte und gefertigte Formteilkern nach der Entnahme aus seiner Metallform in das Formwerkzeug der Gussform zum Ausbilden des Gussbauteils eingesetzt wird und das Erzeugen der Schlichtenschicht bereits in dem Formwerkzeug der Gussform durchgeführt wird. Auch alle weiteren Schritte werden dann bereits in der Gussform durchgeführt.
Vorzugsweise wird als Gussbauteil durch dieses Verfahren ein Motorteil des Fahrzeugs hergestellt. Insbesondere kann ein Kolben eines Motors entsprechend gefertigt werden. Allerdings können auch ringförmige Strukturen, wie Kolbenringe für Motoren von Nutzfahrzeugen, wie Lastkraftwagen oder Sattelzugmaschinen, entsprechend gefertigt werden. Auch Motorbauteile für das Kurbelwellengehäuse, Zylinderköpfe oder Komponenten, welche Ölkanäle und dergleichen aufweisen, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
Des Weiteren ist das Verfahren zur Herstellung von Hohlprofilen geeignet, die beispielsweise für Fahrzeugkarosserien eingesetzt werden. Hier sind beispielsweise dünnwandige Leichtmetall- oder Stahl-Hohlprofile oder -säulen von Bedeutung.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend kurz erläutert.
Zum Herstellen eines Kolbens eines Motors eines Fahrzeugs als Gussbauteil wird zur definierten Innenformgebung dieses Kolbens zunächst ein Formteilkern erzeugt. Dies erfolgt dadurch, dass der aus Trockeneis ausgebildete Formteilkern in einer Metallform erzeugt und gepresst wird. Dazu werden entsprechende Umgebungstemperaturen in und um die Metallform herum erzeugt.
Nach dem Entnehmen dieses Formteilkerns aus der Metallform wird dieser in geeigneter Weise bereitgestellt, um im Nachfolgenden den Kern mit Schlichte aus tiefgefrorenem pulvrigen Metallpartikeln oder Keramikpartikeln umhüllen zu können. Die Schlichteschicht wird mit zumindest einer Öffnung auf der Oberfläche des Formteilkerns ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel wird die Schlichteschicht mit einer Dicke von etwa 0,5 mm erzeugt. Indem die Schlichte unmittelbar auf die Oberfläche des Formteilkerns aufgebracht wird, wird aufgrund der vorherrschenden Temperaturbedingungen die Schlichteschicht formstabil ausgebildet. Die Schlichteschicht umgibt den Formteilkern somit ähnlich der Eierschale bei einem Ei. Wesentlich ist jedoch, dass zumindest eine Öffnung ausgebildet wird, aus der eine Entgasung des CO₂-Gases des Trockeneises nach dem oder bei dem Erwärmen des Formteilkernmaterials, und somit des Trockeneises, erfolgen kann.
Vor dem Erwärmen dieser hergestellten Zwischenkomponente umfassend den Formteilkern mit der außenseitigen Schlichteschicht, wird ein CO₂-härtendes Bindermaterial, im Ausführungsbeispiel Natriumsilikat, aufgebracht. Im Anschluss daran erfolgt die bereits oben erwähnte Erwärmung und die daraus resultierende Abführung des CO₂-Gases aus der Öffnung der Schlichteschicht.
Es kann vorgesehen sein, dass unmittelbar nach dem Entfernen des Trockeneises aus dem Inneren der nunmehr als Hülle bereitgestellten formstabilen, schalenartigen Schlichteschicht das Umgießen der Schlichteschicht mit dem Gussmaterial des Gussbauteils in einer Gussform erfolgt.
Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass vor diesem Umgießen mit dem Gussmaterial zunächst eine Nachbearbeitung der Schlichteschichtschale durchgeführt wird. Insbesondere ist dabei ein Sintern und eine Vorwärmung dieser Schlichteschichtschale vorgesehen. Erst nachfolgend auf diese Nachbearbeitung wird dann das Umgießen mit dem Gussmaterial in der Gussform durchgeführt.
Es kann vorgesehen sein, dass erst nach dem Erwärmen und Abführen des Formteilkernmaterials aus dem hohlen schalenartigen Schlichteschichtteil dieses in ein Formwerkzeug der Gussform eingesetzt wird. Ebenso kann jedoch vorgesehen sein, dass bereits der gepresste und geformte Formteilkern in dieses Formwerkzeug der Gussform eingesetzt wird und alle weiteren Verfahrensschritte dann bereits in diesem Formwerkzeug durchgeführt werden.
Das Gussbauteil wird durch Umgießen des im Gussbauteil verbleibenden Kerns hergestellt.
Insbesondere ist vorgesehen, dass bei einer Beimischung von Metallpartikeln zur Schlichteschicht dieses Metall dem Metall des Gussmaterials entspricht.
Das so gefertigte Gussbauteil, im Ausführungsbeispiel der Kolben, kann dann zu einem geeigneten Zeitpunkt aus der Gussform entnommen und gegebenenfalls nachbearbeitet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 05-318024 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils für ein Fahrzeug, bei welchem folgende Schritte durchgeführt werden: a) Erzeugen und Formen eines Formteilkerns aus einem Eismaterial; b) Ausbilden einer Schlichteschicht mit zumindest einer Öffnung auf der Oberfläche des Formteilkerns; c) Erwärmen des Formteilkerns und Verfestigung der Schlichteschicht sowie Abführen des schmelzenden oder verdampfenden Eismaterials aus der mindestens einen Öffnung der formstabil ausgebildeten Schlichteschicht; d) Umgießen der Schlichteschicht mit dem Gussmaterial des Gussbauteils in einer Gussform.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) der Formteilkern aus Trockeneis erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlichte für die Schlichteschicht Metallpartikel oder Keramikpartikel zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlichte Metallpartikel beigegeben werden, welche einem Metall des Gussmaterials entsprechen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlichteschicht zum Verfestigen mit einem Bindermaterial, insbesondere einem CO2-härtenden Bindermaterial, überzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindermaterial Natriumsilikat ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt d) eine Nachbearbeitung der schalenartigen Schlichteschicht durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sintern und/oder eine Vorwärmung der schalenartigen Schlichteschicht durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Schlichteschicht nach dem Umgießen mit Gussmaterial im Wesentlichen im Gussbauteil verbleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gussbauteil ein Leichtmetall- oder Gusseisen-Motorteil eines Kraftfahrzeugs hergestellt wird, wobei durch den Formteilkern Druckölkanäle oder Kühlkanäle dargestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gussbauteil ein Karosseriebauteil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere ein Hohlprofil oder Hohlträger hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, als Gießverfahren in Schritt d) ein metallisches Niederdruckverfahren oder ein Schwerkraftgussverfahren angewendet werden.