DE102011002200B4

DE102011002200B4 - Verfahren zur Gewichtsreduzierung bzw. zur Steigerung der mechanischen Belastbarkeit von Bauteilen aus Gusseisenwerkstoffen

Info

Publication number: DE102011002200B4
Application number: DE201110002200
Authority: DE
Inventors: Klaus Arnold
Original assignee: NEUE HALBERG-GUSS GmbH; NEUE HALBERG GUSS GmbH
Current assignee: NEUE HALBERG-GUSS GmbH; NEUE HALBERG GUSS GmbH
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2031-04-21
Also published as: DE102011002200A1

Abstract

Verfahren zur Gewichtsreduzierung bzw. zur Steigerung der mechanischen Belastbarkeit von Bauteilen aus Gusseisenwerkstoffen, wobei das Bauteil aus Gusseisenwerkstoffen ein Zylinder in einem Zylinderkurbelgehäuse ist, wobei der Zylinder eine Kolbenlauffläche, eine Honzone und einen äußeren Zylindermantel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeit und die Steifigkeit des Gusseisenwerkstoffs lokal durch Gefügeumwandlung zu Zementit erhöht wird, wobei die lokale Gefügeumwandlung durch einen Metalleinsatz, der Chrom, Nickel, Mangan, Vandadium und/oder Titan enthält, welcher in dem äußeren Zylindermantel, in dem die lokale Gefügeumwandlung erfolgen soll, platziert ist, initiiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewichtsreduzierung bzw. zur Steigerung der mechanischen Belastbarkeit von Bauteilen aus Gusseisenwerkstoffen.
Die Anforderungen an moderne Verbrennungsmotoren steigen stetig. So sind Downsizing, Gewichtsreduzierungen und steigende Leistungsdichten der Motoren treibende Faktoren dieser Entwicklung. Nicht zuletzt sind auch die Erwartungen an niedrigere CO₂-Emmisionen, die mit einem niedrigeren Kraftstoff und Ölverbrauch einhergehen, Forderungen der Gesellschaft und der Politik. Um diesen Forderungen nachzukommen, ist es essentiell, diese Umweltfaktoren permanent weiterzuentwickeln.
Vergleichende Untersuchungen an verschiedenen modernen Zylinderkurbelgehäusen aus Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) zeigen, dass alleine die Zylinderwände des Zylinderkurbelgehäuses rund 25 Prozent des Gewichts des fertigbearbeiteten Bauteils ausmachen. Eine dreißigprozentige Reduzierung der Zylinderwanddicken würde somit eine rund achtprozeitige Gewichtsreduzierung des Zylinderkurbelgehäuses nach sich ziehen. Die Zylinderwände von Verbrennungsmotoren haben mehrere Aufgaben. Sie müssen sowohl dem Druck der Verbrennungsgase als auch dem Kompressionsdruck standhalten, die entstehende Wärme schnell abführen und gegenüber der Reibung des Kolbens bzw. der Kolbenringe, gute tribologische und formstabile Eigenschaften aufweisen. Die Zylinderwanddicken liegen bei PKW-Zylinderkurbelgehäusen in der Regel zwischen 3,5 und 5,5 mm. Diese Wanddicken sind bereits so optimiert, dass sie einen Kompromiss zwischen Gewichtsoptimierung und Formsteifigkeit darstellen. Insbesondere der von den Verbrennungsgasen ausgeübte Druck und die Verspannungen durch die Zylinderkopfverschraubung zeigen die Grenzen einer weiteren Wanddickenreduzierung auf. Weitere Reduzierungen über die Geometrie sind somit kaum noch zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Gewichtsreduzierung bzw. Festigkeitssteigerung bei Bauteilen aus Gusseisenwerkstoffen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird im Rahmen der Erfindung dadurch gelöst, dass das Bauteil aus Gusseisenwerkstoffen ein Zylinder in einem Zylinderkurbelgehäuse ist, wobei der Zylinder eine Kolbenlauffläche, eine Honzone und einen äußeren Zylindermantel aufweist und die Festigkeit und die Steifigkeit des Gusseisenwerkstoffs lokal durch Gefügeumwandlung zu Zementit erhöht wird, wobei die lokale Gefügeumwandlung durch einen Metalleinsatz, der Chrom, Nickel, Mangan, Vandadium und/oder Titan enthält, welcher in dem äußeren Zylindermantel, in dem die lokale Gefügeumwandlung erfolgen soll, platziert ist, initiiert wird.
Es hat sich im Rahmen der Erfindung überraschend gezeigt, dass es möglich ist, gezielt und lokal eine Gefügeumwandlung zu Zementit (Fe₃C) zu erreichen und auf diese Weise die Steifigkeit des Werkstoffs lokal zu erhöhen. Der statische Elastizitätsmodul von Stahl beträgt ca. 210.000 MPa, das von Grauguss (GJL) ca. 85.000 bis 105.000 MPa und das von Zementit ca. 180.000 bis 220.000 MPa. Somit liegt der E-Modul von Zementit auf dem gleichen Niveau wie der Stahl, und damit mehr als doppelt so hoch, als Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL). Bei gleichen mechanischen Werten kann somit eine deutliche Gewichtsersparung des Bauteils bzw. bei gleichem Gewicht deutlich bessere mechanische Werte erreicht werden.
Die lokale Gefügeumwandlung zu Zementit wird während der Erstarrung nach dem Gießen realisiert. Die höhere Werkstoffsteifigkeit und auch höhere Festigkeit bieten die Möglichkeit, die Wanddicken zu reduzieren. Man kann aber auch die Wanddicken belassen und festigkeitskritische Bereiche des Bauteils lokal in ihrer Festigkeit und Steifigkeit verstärken. Hierdurch kann der Verzug des Bauteils (beispielsweise bei Zylinderkurbelgehäusen der Zylinderverzug) reduziert werden. Dazwischen sind alle Mischlösungen denkbar. Ein reduzierter Zylinderverzug bedeutet verringerte Reibung und geringeren Ölverbrauch. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei allen Gießverfahren für Eisengusswerkstoffe anwendbar.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Metalleinsatz aus Edelstahl.
Es ist auch möglich, dass der Metalleinsatz eine metallische Beschichtung aufweist, die insbesondere galvanisch, chemisch oder durch Plattieren aufgetragen ist.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Metalleinsatz als Blech, gelochtes Blech, Metallgewebe oder -gewirk oder als Vollmaterial, insbesondere Draht oder Stab ausgebildet ist.
Der Metalleinsatz kann Sicken und/oder Verkrämpungen zur Festlegung an der gewünschten Stelle aufweisen. Bei gelochten Blechen, Metallgeweben oder -gewirken sollte der Flächenanteil des Metalls (d. h. des Metalleinsatzes abzüglich der Lochstanzungen bzw. der Gewebe- oder Gewirkslöcher) 10 bis 95% betragen. Sowohl die Lochform als auch die Gewebestruktur kann jegliche geometrische Form aufweisen.
Es ist vorteilhaft, dass der Metalleinsatz eine Dicke von 0,1 bis 15 mm aufweist. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß ein mehrlagiger Metalleinsatz verwendet wird.
Auf diese Weise kann ein Sandwichaufbau erzielt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl zur Wanddickenreduzierung von Zylindern in Zylinderkurbelgehäusen als auch zur Versteifung von Zylindern in Zylinderkurbelgehäusen verwendet werden.
Da Zementit sehr schlecht zu bearbeiten ist und auch die tribologischen Eigenschaften nicht an die des Gusseisens mit Lamellengraphit heranreichen, ist es dringend geboten, die Gefügeumwandlung lokal, d. h. nur im äußeren Zylindermantel zu realisieren. Auf der Kolbenlauffläche und in der Honzone muss wieder Gusseisen mit Lamellengraphit vorhanden sein.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht daher vor, dass die lokale Gefügeumwandlung des Zylinders nur im äußeren Zylindermantel realisiert ist.
Weiterhin ist für die Erfindung vorgesehen, dass die Kolbenlauffläche und die Honzone unbeeinflusst von der lokalen Umwandlung zum Zementit sind.
Es ist ebenfalls zu der Erfindung gehörig, dass auf der Kolbenlauffläche und in der Honzone Gusseisen mit Lamellengraphit vorhanden ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 ein Zylinderkurbelgehäuse in geschnittener Darstellung,
2 eine Teilansicht zu 1,
3 ein Lochblech, das die lokale Gefügeumwandlung initiiert,
4 die Teilansicht gemäß 2,
5 einen Schnitt durch den Bereich, in dem die Gefügeumwandlung erfolgt ist,
6a und 6b Teilansichten zu 5.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Zylinderkurbelgehäuses erläutert.
Erfindungsgemäß wird eine Gefügeumwandlung ausgehend vom Wassermantel 1 in Richtung der Kolbenlauffläche 2 initiiert. Die Initialisierung der Zementitbildung kann auf zwei Arten geschehen, zum Einen kann der Wassermantel mit einer karbidstabilisierenden Schicht (z. B. Schlichte), insbesondere eine tellurhaltige oder bismuthaltige Schicht überzogen sein, die dann beim Gießvorgang die Aktivierung der Zementitbildung bewirkt. Die erforderlichen Schichtdicken liegen hier bei 150 bis 500 μm. Telluranteile bzw. Bismutanteile von 10 Gew.-% reichen aus, um eine zemetitische Erstarrung zu initiieren.
Zum Anderen kann in den Wassermantelkern ein Metalleinsatz, beispielsweise ein Lochblech (2 und 3) oder Lochgewebe aus Edelstahl, eingebaut werden, der wiederum beim Gießvorgang mit anschließender Erstarrung die zementitische Umwandlung bewirkt.
In den 2 bis 6 ist die Lage des Metalleinsatzes sowie die lokale Gefügeumwandlung zu Zementit dargestellt. Die 4 bis 6 zeigen deutlich den Einfluss des Metalleinsatzes, bei dem geringste Stegbreiten eine deutliche Fernwirkung auf die Zementitbildung haben. 4 zeigt aber auch deutlich, dass die Umwandlung sehr lokal und in geometrisch kontrollierbaren Grenzen abläuft.
Nach dieser Umwandlung ergibt sich für den Zylinderwandbereich ein Mischgefüge, bestehend aus Zementit, Stahl und Gusseisen mit Lamellengraphit. Der wesentliche Anteil des Gefüges liegt im konkreten Fall beim Zementit und führt somit zu einer signifikant erhöhten Steifigkeit des Bauteils. Die armierende Wirkung des Lochblechs kann vernachlässigt werden. Da die Umwandlung zum Zementit lokal kontrolliert erfolgt, bleiben die Kolbenlauffläche und die in die Tiefe gehende Honzone sowie die Notlaufeigenschaften des Gusseisens mit Lamellengraphit von der Umwandlung unbeeinflusst. Selbst die Bearbeitbarkeit wird von dieser Umwandlung nicht tangiert. Gewichtsreduzierungen von bis zu 8% sind auf diese Weise realisierbar.

Claims

Verfahren zur Gewichtsreduzierung bzw. zur Steigerung der mechanischen Belastbarkeit von Bauteilen aus Gusseisenwerkstoffen, wobei das Bauteil aus Gusseisenwerkstoffen ein Zylinder in einem Zylinderkurbelgehäuse ist, wobei der Zylinder eine Kolbenlauffläche, eine Honzone und einen äußeren Zylindermantel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeit und die Steifigkeit des Gusseisenwerkstoffs lokal durch Gefügeumwandlung zu Zementit erhöht wird, wobei die lokale Gefügeumwandlung durch einen Metalleinsatz, der Chrom, Nickel, Mangan, Vandadium und/oder Titan enthält, welcher in dem äußeren Zylindermantel, in dem die lokale Gefügeumwandlung erfolgen soll, platziert ist, initiiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Metalleinsatz ein aus Edelstahl bestehender Metalleinsatz verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalleinsatz eine metallische Beschichtung aufweist, die insbesondere galvanisch, chemisch oder durch Plattieren aufgetragen ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Metalleinsatz ein Metalleinsatz verwendet wird, der als Blech, gelochtes Blech, Metallgewebe oder -gewirk oder als Vollmaterial, insbesondere Draht oder Stab ausgebildet ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Metalleinsatz ein Metalleinsatz, aufweisend eine Dicke von 0,1 bis 15 mm, verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein mehrlagiger Metalleinsatz verwendet wird.
Zylindrisches Bauteil aus Gusseisenwerkstoffen, bestehend aus einem Zylinder mit einer Kolbenlauffläche, einer Honzone und einem äußeren Zylindermantel, hergestellt nach einem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Gefügeumwandlung des Bauteils nur im äußeren Zylindermantel realisiert ist.
Zylindrisches Bauteil aus Gusseisenwerkstoffen, bestehend aus einem Zylinder mit einer Kolbenlauffläche, einer Honzone und einem äußeren Zylindermantel, hergestellt nach einem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenlauffläche und die Honzone unbeeinflusst von der lokalen Umwandlung zum Zementit sind.
Zylindrisches Bauteil aus Gusseisenwerkstoffen, bestehend aus einem Zylinder mit einer Kolbenlauffläche, einer Honzone und einem äußeren Zylindermantel, hergestellt nach einem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kolbenlauffläche und in der Honzone Gusseisen mit Lamellengraphit vorhanden ist.