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Die Erfindung betrifft ein gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgestaltetes Verfahren zum Herstellen eines Gussteils und ein nach diesem Verfahren hergestelltes Gussteil.
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Aus der Publikation ”Gusseisen mit Kugelgraphit, Herstellung – Eigenschaften – Anwendung” des Bundesverbandes der Deutschen Gießerei-Industrie sind ein Verfahren und ein Gussteil der eingangsgenannten Art jeweils bekannt. Gemäß dem aus dieser Publikation bekannten Verfahren wird durch einen thermochemischen Prozess die chemische Zusammensetzung des Gussmaterials durch Einlagern eines oder mehrerer Elemente in eine Randschicht des bereits erstarrten Gussteils verändert, um bestimmte Eigenschaften der Randschicht zu verändern. In Frage kommen hierbei als thermochemische Prozesse z. B. das Nitrieren, Chromatieren, Aluminieren und Borieren.
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Hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften zu verbessernde Gussteile können z. B. Propellernaben für Windkraftanlagen oder auch Zylinderköpfe, Ladeluftkühler, Zylinderkurbelgehäuse, Getriebegehäuse und Turboladergehäuse für Brennkraftmaschinen, wie insbesondere Großdieselmotoren, sein.
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Bei Großdieselmotoren bedingt sich dies z. B. durch immer strengere Vorschriften zur Reduzierung von Emissionen, wobei unter anderem durch die Einführung von Abgasrückführung und gleichzeitigem Vorliegen von stark schwefelhaltigen Kraftstoffen Schweröl) die Beanspruchungsprofile von Bauteilen verändert werden. So kommt es beispielsweise zu Angriffen durch Nasskorrosion (schwefelige Saure, salpetrige Säure, salzhaltige Ansaugluft usw.) im Bereich der Ladeluftkühler, der Ansaugwege und auf der Einlassseite des Zylinderkopfes. Für die Bauteile im von Heißgas beaufschlagten Teil der Abgasführung ist Nasskorrosion aufgrund der hohen Temperaturen nach wie vor kein Problem.
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Das aus der o. g. Publikation bekannte Verfahren ist jedoch z. B. bei Gussteilen für Großdieselmotoren relativ ungeeignet, da es ein Einbringen der Gussteile in eine entsprechende Atmosphäre oder ein entsprechendes Bad erfordert, was durch das hohe Gewicht und große Volumen der Gussteile schwierig bzw. nur zu hohen Kosten zu bewerkstelligen ist.
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Korrosions- oder verschleißbeanspruchte Gussteile, wie z. B. Ladeluftkühler-Gehäuse, könnten z. B. auch durch metallische oder nichtmetallische Beschichtungen oder entsprechende Legierungsauswahl geschützt werden. Allerdings können sich Beschichtungen ablösen oder unterwandert werden und sind hochwertige Legierungen gerade bei Gussteilen mit hohem Gussgewicht, wie z. B. Großdieselmotoren, schwer vergießbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgestaltetes Verfahren zum Herstellen eines Gussteils so bereitzustellen, dass die Oberflächeneigenschaften des Gussteils langanhaltend und mit geringem Aufwand optimiert werden können. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein nach einem solchen Verfahren hergestelltes Gussteil bereitzustellen, dessen Oberflächeneigenschaften langanhaltend und mit geringem Aufwand optimiert wurden.
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Die o. g. Aufgaben werden mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. mit einem Gussteil gemäß Anspruch 10 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt ein Verfahren zum Herstellen eines Gussteils, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer Gussform, deren Kavität zu einer für das Gussteil zu realisierenden Form korrespondiert, Einbringen von geschmolzenem Gussmaterial in die Kavität der Gussform, Erstarren lassen des Gussmaterials in der Kavität der Gussform bis sich das Gussteil als Festkörper herausgebildet hat, und partielles Einbringen eines Zusatzes in das Gussmaterial, um Eigenschaften wenigstens einer Gussteilfläche zu modifizieren. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das partielle Einbringen des Zusatzes durchgeführt wird, indem vor dem in die Kavität der Gussform Einbringen des geschmolzenen Gussmaterials eine zum Formen der wenigstens einen Gussteilfläche vorgesehene die Kavität begrenzende Gussformfläche bestimmt wird und auf diese Gussformfläche der Zusatz aufgebracht wird.
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Durch das erfindungsgemäße Einbringen des Zusatzes entsteht beim fertigen Gussteil eine oberflächennahe Veränderung der Zusammensetzung des Gussmaterials (wie z. B. der Gusslegierung), so dass die dort geformte Gussteilfläche die gewünschten optimierten bzw. verbesserten Eigenschaften aufweist.
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Da sich der Zusatz ähnlich wie beim Legieren direkt in das Gefüge des Gussteils einmischt, weist die hinsichtlich ihrer Eigenschaften modifizierte Gussteilfläche eine hohe Lebensdauer auf und kann sich nicht wie eine Beschichtung einfach ablösen oder unterwandert werden. Da für das erfindungsgemäße Einbringen des Zusatzes dieser lediglich auf ohnehin vorhandene Gussformflächen aufgebracht werden muss, kann das erfindungsgemäße Verfahren mit geringem Aufwand realisiert werden.
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Gemäß der Erfindung ist das Gussmaterial bevorzugt von Gusseisen, wie insbesondere Gusseisen mit Kugelgraphit oder Lamellengraphit, gebildet.
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Gemäß der Erfindung kann die Gussform eine Matrize und/oder wenigstens einen Innenkern und/oder wenigstens einen Außenkern aufweisen, wobei die zum Formen der wenigstens einen Gussteilfläche vorgesehene die Kavität begrenzende Gussformfläche an der Matrize, dem Innenkern oder dem Außenkern ausgebildet ist.
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Gemäß der Erfindung können auch mehrere Gussteilfläche hinsichtlich ihrer Eigenschaften modifiziert werden, wobei dann zum partiellen Einbringen des Zusatzes jeweilige zum Formen der Gussteilflächen vorgesehene die Kavität jeweils begrenzende Gussformflächen bestimmt werden und auf diese Gussformflächen ein einziger Zusatz oder unterschiedliche Zusätze jeweils aufgebracht wird bzw. werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Zusatz wenigstens einen Legierungsstoff auf. Gemäß der Erfindung können z. B. solche Legierungsstoffe ausgewählt werden, die die Härte, die Korrosionsbeständigkeit, die Festigkeit und/oder die Verschleißbeständigkeit beeinflussen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Legierungsstoff in Form eines Pulvers auf die Gussformfläche aufgebracht.
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Gemäß noch einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Legierungsstoff in Form eines hochkonzentrierten Chrompulvers auf die Gussformfläche aufgebracht.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Zusatz zusammen mit einer Schlichte auf die Gussformfläche aufgebracht.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Zusatz auf die Gussformfläche aufgebracht, nachdem eine Schlichte auf diese aufgebracht wurde.
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Gemäß noch einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Zusatz einen Haftvermittler auf. Bevorzugt weist der Haftvermittler einen keramischen Klebstoff auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als geschmolzenes Gussmaterial niedriglegiertes Gussmaterial in die Kavität der Gussform eingebracht.
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Im Fazit wird gemäß der Erfindung eine bevorzugt niedriglegierte Schmelze aus Gussmaterial vergossen und werden nur die besonders beanspruchten Bereiche der Oberfläche des Gussteils gezielt beeinflusst. Je nach Anwendung und Ausgestaltung des Zusatzes können Härte, Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und/oder Verschleißbeständigkeit der besonders beanspruchten Bereiche der Oberfläche des Gussteils gezielt beeinflusst bzw. verbessert werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt ein Gussteil, das nach einem Verfahren gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination hergestellt wurde.
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Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung – soweit dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert sein können.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur detaillierter beschrieben.
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1 zeigt ein Diagramm, in dem der Härteverlauf eines erfindungsgemäßen Gussteils in Abhängigkeit von einer Eindringtiefe von der Oberfläche aus dargestellt ist.
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Ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Verfahren zum Herstellen eines Gussteils weist zumindest die folgenden Schritte auf: Bereitstellen einer Gussform, deren Kavität zu einer für das Gussteil zu realisierenden Form korrespondiert, Einbringen von geschmolzenem Gussmaterial in die Kavität der Gussform, Erstarren lassen des Gussmaterials in der Kavität der Gussform bis sich das Gussteil als Festkörper herausgebildet hat, und partielles Einbringen eines Zusatzes in das Gussmaterial, um Eigenschaften wenigstens einer Gussteilfläche zu modifizieren, indem vor dem in die Kavität der Gussform Einbringen des geschmolzenen Gussmaterials eine zum Formen der wenigstens einen Gussteilfläche vorgesehene die Kavität begrenzende Gussformfläche bestimmt wird und auf diese Gussformfläche der Zusatz aufgebracht wird.
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung weist die Gussform eine Matrize, wenigstens einen Innenkern und wenigstens einen Außenkern auf, die mit ihren jeweiligen Oberflächen gemeinsam die Kavität der Gussform definieren.
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Gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der Erfindung sollen mehrere Gussteilflächen hinsichtlich ihrer Eigenschaften modifiziert werden, so dass zum partiellen Einbringen des Zusatzes jeweilige zum Formen der Gussteilflächen vorgesehene die Kavität jeweils begrenzende Gussformflächen bestimmt werden und auf diese Gussformflächen eine einzige Art Zusatz oder unterschiedliche Arten von Zusätzen jeweils aufgebracht wird bzw. werden.
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Die zum Formen der hinsichtlich ihrer Eigenschaften zu modifizierenden Gussteilflächen vorgesehenen Gussformflächen können an der Matrize, dem Innenkern und/oder dem Außenkern ausgebildet sein.
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Jeder Zusatz weist bevorzugt wenigstens einen Legierungsstoff auf, welcher bevorzugt in Form eines Pulvers auf die Gussformfläche aufgebracht wird. Jeder Zusatz kann dabei zusammen mit einer Schlichte auf die jeweilige Gussformfläche aufgebracht werden oder kann auf die jeweilige Gussformfläche aufgebracht werden, nachdem eine Schlichte auf diese aufgebracht wurde.
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In dem Fall, in dem der jeweilige Zusatz auf eine bereits aufgebrachte Schlichte aufgetragen wird, ist es vorteilhaft, wenn der Zusatz einen Haftvermittler aufweist. Als solch ein Haftvermittler kann bevorzugt ein keramischer Klebstoff wie z. B. Wasserglas) verwendet werden.
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Nun wird unter Bezugnahme auf 1 die Herstellung eines Gussteils gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden.
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Nachdem die Gussform bereitgestellt wurde, welche exemplarisch eine Matrize, wenigstens einen Innenkern und wenigstens einen Außenkern aufweist, die die Kavität jeweils begrenzenden Gussformflächen jeweils mit einer Schlichte überzogen wurden und die jeweiligen zum Formen der hinsichtlich ihrer Eigenschaften zu modifizierenden Gussteilflächen vorgesehenen Gussformflächen bestimmt bzw. ausgewählt wurden, wird in einem nächsten Schritt hier exemplarisch eine einzige Art Zusatz auf die bereits mit einer Schlichte versehenen ausgewählten Gussformflächen aufgetragen.
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Gemäß dieser exemplarischen Ausführungsform der Erfindung enthält der Zusatz einen Legierungsstoff in Form eines hochkonzentrierten Chrompulvers sowie einen Haftvermittler in Form von Wasserglas (keramischer Klebstoff).
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In einem nächsten Schritt wird geschmolzenes niedriglegiertes Gussmaterial (hier Gusseisen mit Kugelgraphit) in die Kavität der Gussform eingebracht und erstarren gelassen bis sich das Gussteil als Festkörper herausgebildet hat.
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In einem nachfolgenden Schritt wird das Gussteil aus der Gussform entfernt und gereinigt, wobei ggf. die Innen- und Außenkerne entfernt werden.
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Beim fertigen Gussteil ist nun an den ausgewählten hinsichtlich ihrer Eigenschaften zu modifizierenden Gussteilflächen nicht etwa eine Beschichtung, sondern eine oberflächennahe Veränderung der Gusslegierung entstanden, welche die gewünschten optimierten bzw. verbesserten Eigenschaften aufweist.
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Bei dem Gussteil gemäß der exemplarischen Ausführungsform der Erfindung konnte durch das hochkonzentrierte Chrompulver in Verbindung mit dem Haftvermittler eine deutliche Härtezunahme im Oberflächenbereich der modifizierten Gussteilflächen erzielt werden.
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1 zeigt hierzu ein Diagramm, in dem Härteverläufe V1, V2 jeweils in Abhängigkeit von der Eindringtiefe s von der Oberfläche aus dargestellt sind. Die Abszisse zeigt hierbei die Eindringtiefe s in das Gussteil, wobei der Abszissenursprung (0) die Position der Oberfläche definiert. Die Ordinate zeigt die Härte H (z. B. nach Brinell, Rockwell oder Vickers), wobei der Ordinatenursprung (0) eine theoretische Minimalhärte definiert.
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In dem Diagramm von 1 ist mit V1 der Härteverlauf (durchgezogene Linie) eines zum Vergleich herangezogenen üblichen Gussteils (aus gleichem Gussmaterial) und mit V2 der Härteverlauf (gestrichelte Linie) des erfindungsgemäßen Gussteils bezeichnet.
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Wie aus 1 ersichtlich, zeigt der Härteverlauf V2 des erfindungsgemäßen Gussteils gerade im oberflächennahen Bereich eine deutliche Erhöhung des Wertes der Härte H, welcher sich mit zunehmender Eindringtiefe s allmählich wieder dem in etwa konstanten Wert der Härte H des üblichen Gussteils annähert.
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Damit weisen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hinsichtlich ihrer Eigenschaften modifizierten Gussteilflächen im oberflächennahen Bereich eine erhöhte Verschleißfestigkeit auf. Ferner ist durch die oberflächennahe Legierung mit Chrom eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit der modifizierten Gussteilflächen gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- H
- Härte
- s
- Eindringtiefe
- V1
- Härteverlauf
- V2
- Härteverlauf
- 0
- Ursprung
