DE102010030214B4

DE102010030214B4 - Verfahren zur Herstellung von Kolben oder Zylinderköpfen eines Verbrennungsmotors und Verwendung von Wismut in einem Tauchmetall

Info

Publication number: DE102010030214B4
Application number: DE201010030214
Authority: DE
Inventors: Klaus Lades
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2030-06-18
Also published as: DE102010030214A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Kolben und Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren aus Leichtmetall und mindestens einem Eingussteil, wobei das Eingussteil vor dem Gießen in ein Tauchmetall getaucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass, ohne weitere Vorbehandlung des Eingussteils mit Flussmittel, das Eingussteil in das Tauchmetall getaucht wird, wobei dem Tauchmetall metallisches Wismut zugesetzt wurde.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kolben und Zylinderköpfen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In vielen Bereichen der Technik, insbesondere beim Herstellen von Kolben für Motoren, ist es nötig, Verbundgussteile herzustellen. In dieser Technik werden Eingussteile, die z. B. aus Gusseisen bestehen, in eine Gießform eingelegt und dann mit einem anderen Metall, das z. B. eine Aluminiumlegierung sein kann, umgossen.
Ein Problem, das hierbei oft auftritt, ist, dass sich die beiden Metalle schlecht verbinden. Um dies zu verhindern, werden verschiedene Methoden benutzt. Eine bekannte Methode ist das sogenannte Alfin-Verfahren. Hierbei wird ein Eingussteil aus Gusseisen vor dem Umguss in eine Aluminiumlegierung, die als Tauchmetall fungiert, getaucht, so dass eine Diffusionsschicht der Aluminiumlegierung an dem Material des Eingussteils entsteht. Nach diesem Eintauchen wird das Eingussteil in die Gießform eingelegt und mit einer (im Normalfall vom Tauchmetall verschiedenen) Aluminiumlegierung umgossen. Dies sollte am besten geschehen, während die Diffusionsschicht noch flüssig oder zumindest teilflüssig ist, um eine metallische Bindung beim Umguss zu ermöglichen.
Allerdings oxidiert die Diffusionsschicht beim Herausnehmen aus dem Tauchmetall an der Oberfläche sofort. Im Idealfall sollte diese Oxidschicht beim Umguss aufgebrochen und abgespült werden, was aber aufgrund von Prozessschwankungen häufig nicht passiert. Die dadurch entstehenden Verbundgussteile haben aufgrund der verringerten Benetzbarkeit des Eingussteils mit dem Umgussmaterial eine mangelhafte Verbindung zwischen den beiden Metallen, was sich in einer erhöhten Ausfallwahrscheinlichkeit äußert, und müssen als Ausschuss entsorgt werden. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von Kolben für Kfz-Verbrennungsmotoren von Nachteil, da hier aufgrund der guten Materialeigenschaften bevorzugt Verbundgussteile eingesetzt werden, es aber gleichzeitig hohe Sicherheitsstandards gibt, und daher eine hohe Ausfallwahrscheinlichkeit der Kolben zu einem großen Anteil an Ausschuss führen würde, was aufgrund der dadurch entstehenden Kosten zu vermeiden ist.
Stand der Technik
Abgesehen vom bereits erwähnten Alfin-Verfahren mit den genannten Schwächen, gibt es verschiedene Methoden, die Benetzbarkeit von Werkstoffoberflächen zu erhöhen.
In der Publikation „Increased Wetting of Saffil^TM Reinforcement Preforms by the Addition of Bismuth to Aluminium Alloys” von Adam Papworth und Peter Fox, vorgestellt auf der Tagung „International Congress & Exposition, Session: Advanced Materials For Automotive Applications”, Februar 1998, Detroit, Michigan, USA, publiziert in den SAE Technical Paper Series als Publikation 980701, wird berichtet, dass Saffil-Fasern sich besser von einer Aluminiumlegierung benetzen lassen, wenn dieser Wismut beigefügt wurde. Bei den genannten Fasern handelt es sich um einen keramischen, d. h. nichtmetallischen, Werkstoff. Das dadurch entstehende Material zeichnet sich durch eine erhöhte Festigkeit im Vergleich zum Vergleichsmaterial, das ohne die Zugabe von Wismut entstand, aus.
Aus der EP 1 083 246 B1 geht hervor, dass sich Wismut als Beigabe zu wässrigen Tauchlösungen zur Behandlung der Oberflächen von Kolben in Kfz-Verbrennungsmotoren eignet. Die so behandelten Oberflächen zeichnen sich durch einen verringerten Reibungskoeffizienten und reduzierten Verschleiß aus.
Die US 5,352,538 beschreibt, dass Wismut zum Härten der Oberflächen der Aluminiumteile in den Kolben von Kfz-Verbrennungsmotoren benutzt werden kann. Hierbei werden Wismut oder andere Metalle oder Legierungen in Pulverform auf die zu behandelnden Oberflächen des Kolbens aufgetragen und mit Hilfe eines Lasers oder einer anderen Hitzequelle eingeschmolzen.
Die DE 101 13 962 A1 beschreibt ein gießtechnisches Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen, das die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist.
Die WO 2008/011933 A2 beschreibt ein Flussmittel, das auf die Oberfläche einer Aluminiumschmelze aufgebracht wird, um dort die Bildung einer Oxidschicht zu verhindern.
Die DE 102 26 978 A1 beschreibt eine Metallschmelze zur Oberflächenveredelung von Eisenkörpern, die u. a. Wismut enthält.
Die DE 602 13 131 T2 beschreibt ein Flussmittel, das eine Wismutverbindung enthält.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem man Verbundgussteile basierend auf dem Alfin-Verfahren mit höherer Produktivität herstellen kann. Ferner sollen verbesserte Verbundgussteile und eine vorteilhafte Verwendung von Wismut (Bi) vorgestellt werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
Hierbei wird dem in dem Alfin-Verfahren verwendeten Tauchmetall Wismut zugesetzt. Da typischerweise für das Tauchmetall eine Aluminiumlegierung benutzt wird und da sich Wismut in Aluminium nur sehr begrenzt löst, entstehen in der erstarrenden Diffusionsschicht Wismutinseln, deren Eigenschaften dem reinen Wismut entsprechen. Wesentlich ist hierbei der im Vergleich zu Aluminium niedrige Schmelzpunkt (ca. 660°C für Aluminium und ca. 270°C für Wismut), der ausgenutzt wird, um für die so behandelten Eingussteile einen verbesserten Zustand für die Vermeidung von Bindungsfehlern zum Eingussteil zu erhalten. Hierbei schmilzt das Wismut beim Umguss, wodurch die Oxidschicht abgelöst wird und sich eine bessere Bindung zu dem Umgussmaterial ergibt. Dies ermöglicht daher eine Verbesserung des „Abwaschprozesses”. Ferner ist, da die Vermeidung von Oxidation weniger wichtig ist, und die Zeit zwischen Eintauchen und Umgießen weniger kritisch ist, eine vollständige Automatisierung des Gießbetriebs vorstellbar. Dadurch können die Zykluszeiten erheblich reduziert werden.
Weiterhin verbessert Wismut die Benetzung von Eingussteilen. Dies trägt zur Reduzierung von Ausschuss bei, der aufgrund von mangelnder Benetzung entsteht und sich typischerweise durch schwarze Flecken zeigt.
Ein weiterer Vorteil ist, dass es zumindest denkbar ist, dass so erzeugte Diffusionsschichten auf Eingussteilen auch im vollständig erstarrten Zustand, also „kalt” eingegossen werden können. Dies kann zu erheblich reduzierten Zykluszeiten in der Produktion und somit Kosten führen, die sich auch trotz der vergleichsweise hohen Preise für Wismut auszahlen.
Das Verfahren wird sowohl für Zylinderköpfe als auch Kolben bei Verbrennungsmotoren eingesetzt, und es sind auch weitere Anwendungen möglich, die aber nicht unter die beanspruchte Erfindung fallen.
Bevorzugte Ausführungen des Verfahrens sind in den weiteren Patentansprüchen beschrieben.
Vorzugsweise besteht das Tauchmetall aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wie dies auch im Alfin-Verfahren der Fall ist. Aluminium und Aluminiumlegierungen haben sich beide als Tauchmetall bewährt, und sie stellen eine gute Kombination mit Wismut dar.
Ferner wird bevorzugt, dass die Eingussteile aus Gusseisen, Stahl oder einem anderen metallischen Werkstoff bestehen. Dies trägt der Tatsache, dass diese Erfindung zunächst in der Automobilbranche eingesetzt werden wird, Rechnung.
Außerdem wird bevorzugt, dass das Leichtmetall, mit dem die Eingussteile umgossen werden, aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Diese Metalle zeichnen sich durch ihre hohe Festigkeit verbunden mit einem geringen Gewicht aus. Ferner erweisen sich die Vorteile des Verfahrens in besonderer Weise, wenn man als ein Verbundgussteil einen Kolben für Verbrennungsmotoren mit einem oder mehreren Eingussteilen herstellt, wobei diese Eingussteile den Ringträger des Kolbens bilden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Kolben und Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren aus Leichtmetall und mindestens einem Eingussteil, wobei das Eingussteil vor dem Gießen in ein Tauchmetall getaucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass, ohne weitere Vorbehandlung des Eingussteils mit Flussmittel, das Eingussteil in das Tauchmetall getaucht wird, wobei dem Tauchmetall metallisches Wismut zugesetzt wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Tauchmetall eine Aluminiumlegierung oder reines Aluminium ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem mindestens ein Eingussteil aus Gusseisen, Stahl oder einem anderen metallischen Werkstoff besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Umgusslegierung ein Leichtmetall aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ist.