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Die Erfindung betrifft ein Gussbauteil, insbesondere für einen Verbrennungsmotor eines Kraftwagens gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie einen Gießkern für ein derartiges Gussbauteil. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gussbauteils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 8 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Gießkerns für ein derartiges Gussbauteil.
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Aus der
DE 10 2007 023 060 A1 sind bereits ein Gussbauteil in Form eines Zylinderkurbelgehäuses und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gussbauteils als bekannt zu entnehmen, wobei die Herstellung eines als Hohlraum gestalteten Wassermantels des Zylinderkurbelgehäuses durch eine Mehrzahl verlorener Gießkerne erfolgt. Genauer gesagt handelt es sich bei diesen Gießkernen um jeweilige Salzkerne, welche in einem vorgelagerten Verfahren an einen sogenannten Zylinderliner zur Führung jeweiliger Hubkolben angebunden werden. Nach dem Eingießen des Zylinderliners bei der Herstellung des Gussbauteils werden in einem anschließenden Verfahren die jeweiligen Salzkerne, welche aus einem wasserlöslichen Salz bestehen, entsprechend herausgespült. Durch die verlorenen Gieß- bzw. Salzkerne werden demzufolge die offenen Hohlräume des Wassermantels zur Kühlung des Zylinderkurbelgehäuses gebildet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gussbauteil und einen Gießkern sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gussbauteils bzw. eines solchen Gießkerns zu schaffen, mittels welchen sich eine erhöhte Festigkeit bzw. Steifigkeit des Gussbauteils im jeweiligen, durch den Gießkern gebildeten Hohlraum realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gussbauteils sowie einen Gießkern mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 6 gelöst. Des Weiteren wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils bzw. eines Gießkerns mit den Merkmalen der Patentansprüche 8 bzw. 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
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Um ein Gussbauteil zu schaffen, welches im Bereich des jeweiligen Hohlraums eine verbesserte Festigkeit bzw. Steifigkeit aufweist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass durch den Geißkern ein in dem Hohlraum eingegossener poröser Metallkörper gebildet ist. Hierzu wird ein Gießkern eingesetzt, welcher aus einem Metall bzw. einer Metalllegierung zusammen mit einem Salz, insbesondere einem Kristallsalz, vergossen oder dergleichen verarbeitet wird. Als Metall oder Metalllegierung eignet sich dabei insbesondere Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung, beispielsweise auf Basis von AlSi7. Als im Rahmen der Erfindung mit umfasst ist es jedoch zu betrachten, dass auch andere Metalle bzw. Metalllegierungen zum Einsatz kommen können.
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Der poröse Metallkörper wird erzeugt, indem – insbesondere nach dem Gießprozess des Gussbauteils – das Salz aus dem verlorenen Gießkern herausgelöst wird. Dabei wird vorzugsweise ein wasserlösliches Salz eingesetzt, so dass durch Spülen mit Wasser das Salz ausgewaschen werden kann. Durch die heraus gelösten Salzkristalle bzw. Salkörner werden dann die jeweiligen Poren des schwammartigen, porösen Metallkörpers gebildet. Insgesamt entsteht somit ein poröser Metallkörper, mittels welchem der durch den Geißkern erzeugte Hohlraum zumindest teilweise ausgefüllt ist. Durch diese Ausfüllung des Hohlraums ergibt sich in diesem Bereich eine strukturelle Verstärkung des Gussbauteils und somit eine höhere Steifigkeit bzw. Festigkeit. Im Ergebnis kann hierbei auch eine Gewichtsersparnis in den jeweiligen Gussbauteilen erreicht werden, da durch die Aussteifung bzw. Verstärkung mittels der porösen Metallkörper die jeweiligen, den Hohlraum umgebenden Wände entsprechend geringer bzw. dünner dimensioniert werden können.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Gussbauteil wenigstens eine Spülöffnung des nach außen hin offenen Hohlraums auf, über welche zur Bildung des porösen Metallkörpers das Salz aus dem Gießkerns herausspülbar ist. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Gießkern vorzugsweise als Halbzeug – mit dem noch darin aufgenommenen Salz – in ein Gießwerkzeug einzulegen und durch zumindest teilweises Umgießen bzw. Angießen mit dem Gusswerkstoff des Gussbauteils den entsprechenden Hohlraum zu bilden. Im Wesentlichen erst im Nachhinein erfolgt dann beispielsweise das Herausspülen des entsprechenden Salzes. Die Spülöffnung kann in einer solchen Weise gestaltet sein, dass sie unmittelbar nach Entnehmen des Gussbauteils aus dem Gießwerkzeug zugänglich ist, dass das Salz also unmittelbar nach dem Gießprozess herausgewaschen werden kann. Alternativ kann der Gießkern vollkommen umgossen sein, so dass zunächst eine (spanende) Bearbeitung des Gussbauteils zur partiellen Freilegung des Gießkerns (und somit zur Schaffung der Spülöffnung) stattfinden muss, bevor das Salz des Gießkerns ausgewaschen werden kann.
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Als im Rahmen der Erfindung mit umfasst ist es jedoch zu betrachten, dass das Salz – zumindest teilweise – auch bereits vor dem Gießprozess aus dem jeweiligen Gießkern herausgelöst werden kann. Dies ist beispielsweise denkbar, wenn – wie nachfolgend noch beschrieben werden wird – eine Außenschicht des Gießkerns zur verbesserten Verbindung mit dem Gusswerkstoff des Gussbauteils aufgerauht werden soll oder wenn einzelne Teilbereiche des Gießkerns bzw. des porösen Metallkörpers im Anschluss an den Gießprozess nicht mehr gespült werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Hohlraum, innerhalb welchem der poröse Metallkörper angeordnet ist, zur Führung eines Mediums, insbesondere eines Kühlmediums für den Verbrennungsmotor eines Kraftwagens, ausgebildet ist. Solche porösen Metallkörper besitzen nämlich die Eigenschaft, den Hohlraum einerseits sehr gut zu Stabilisieren, jedoch andererseits eine hinreichende Durchlässigkeit auszuweisen, so dass ein Medium, beispielsweise Kühlwasser oder dergleichen für den Verbrennungsmotor eines Kraftwagens, zirkulieren kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen der poröse Metallkörper und das Gussbauteil Materialien bzw. Legierungen mit entweder zumindest im Wesentlichen gleichen Eigenschaften oder aber mit unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, auf. Weisen die beiden jeweiligen Legierungen zumindest im Wesentlichen gleiche Eigenschaften auf oder sind diese zumindest im Wesentlichen identisch, so hat dies den Vorteil, dass sich eine besonders gute Integration des porösen Metallkörpers in das jeweilige Gussbauteil ergibt. Insbesondere können hierbei zum Beispiel Spannungen oder dergleichen innerhalb des Gussbauteils vermieden und eine gute Verbindung zwischen dem Metallkörper und dem Gussbauteil gewährleistet werden. Andererseits kann es vorteilhaft sein, wenn die Legierungen des Gussbauteils bzw. des Metallkörpers unterschiedlich sind. Hierdurch wird – insbesondere wenn die beiden Legierungen unterschiedliche Wärmeausdehnungen aufweisen – beispielsweise eine besonders günstige Verklammerung des Metallkörpers innerhalb des Gussbauteilhohlraums erreicht.
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Die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gussbauteil genannten Vorteile gelten in ebensolcher Weise für den Gießkern gemäß Patentanspruch 6.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind innerhalb des Gieskerns Bereiche mit unterschiedlichen Metallanteilen bzw. Salzanteilen vorgesehen. Durch eine entsprechende Variation des Metall- bzw. Salzgehalts kann eine entsprechende Variation der Porosität, Größe der jeweiligen Poren oder dergleichen erzeugt werden, um hierdurch beispielsweise die Steifigkeit und Festigkeit des Metallkörpers und des Gussbauteils zu beeinflussen.
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Die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gussbauteil und dem zugehörigen Gießkern beschriebenen Vorteile gelten in ebensolcher Weise für das Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils gemäß Patentanspruch 8.
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Dabei ist in vorteilhafter Ausgestaltung in der Erfindung vorgesehen, dass die Außenschicht des Gießkerns vor dem Eingießen in den Gusswerkstoff des Gussbauteils behandelt wird. Hierbei kann beispielsweise eine entsprechende Ummantelung des Gießkerns vorgesehen sein, in welchem beispielsweise weniger Salz oder aber auch mehr Salz als in einem mittleren Bereich vorgesehen wird. Eventuell kann auch eine Aufrauung oder Strukturierung der Außenhaut bzw. Außenschicht des Gießkerns erfolgen, um eine verbesserte Verklammerung des Gießkerns bzw. des Metallkörpers innerhalb des Gusswerkstoffs des Gussbauteils zu erreichen. So ist es beispielsweise auch denkbar, die Außenschicht des Gießkerns dadurch aufzurauen, dass bereits in diesem Bereich vor dem Gießen des Gussbauteils das entsprechende Salz herausgelöst wird.
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Die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gussbauteil bzw. dem zughörigen Gießkern sowie dem entsprechenden Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils genannten Vorteile gelten in ebensolcher Weise für das Verfahren zur Herstellung des verlorenen Gießkerns gemäß Patentanspruch 10.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1a, 1b eine Draufsicht bzw. eine perspektivische Schnittansicht auf einen Gießkern für ein Gussbauteil in Form eines Kurbelgehäuses eines Verbrennungsmotors eines Kraftwagens, mittels welchem ein Hohlraum in Form eines Wassermantels für jeweilige Zylinder der Verbrennungskraftmaschine erzeugbar ist, und welcher durch Gießen eines Metalls, insbesondere einer Aluminiumlegierung, gemeinsam mit einem Salz gebildet ist; und in den
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2a, 2b eine schematische Draufsicht und eine schematische Schnittansicht entlang einer durch die Linie IIb-IIb in 2a repräsentierten Schnittebene durch das Gussbauteil in Form des Kurbelgehäuses des Verbrennungsmotors für einen Kraftwagen, wobei erkennbar ist, dass der durch den Gießkern gebildete Hohlraum in Form des Wassermantels durch einen porösen Metallkörper ausgefüllt ist, welcher durch Ausspülen des Salzes aus dem Gießkern gebildet worden ist.
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In den 1a und 1b ist in einer schematischen Draufsicht bzw. perspektivischen Schnittansicht ein Gießkern 10 dargestellt, mittels welchem in einem Gießprozess zur Herstellung eines in den 2a und 2b dargestellten Gussbauteils 12 in Form eines Zylinderkurbelgehäuses für einen Verbrennungsmotor eines Kraftwagens ein zusammenhängender Hohlraum 14, welcher auf im Weiteren noch näher beschriebene Weise einen Wassermantel für jeweilige Zylinder 16 des Verbrennungsmotors bildet, geschaffen wird.
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Zunächst wird in einem entsprechenden Verfahren der verlorene Gießkern 10 durch Gießen eines Metalls, insbesondere von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, gemeinsam mit einem Salz erzeugt. Hierzu wird in einem entsprechenden Gießprozess die Metallschmelze mit dem Salz vermischt und gegossen. Denkbar sind jedoch auch andere Herstellungsprozesse.
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Als Legierung eignet sich beispielsweise eine Aluminiumlegierung auf Basis von AlSi7. Natürlich sind auch eine Vielzahl anderer Legierungen, insbesondere Aluminium-Basislegierungen, denkbar. Ebenso sind auch Reinmetalle denkbar. Als Salz eignen sich insbesondere wasserlösliche Salze, welche auf einfache Weise, beispielsweise in einem entsprechenden Bad oder durch Spülen auf im Weiteren noch näher beschriebene Weise aus dem Gießkern entfernt werden können.
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In einem der Herstellung des Gießkerns 10 nachgelagerten Verfahren zur Herstellung des Gussbauteils 12 wird dann der verlorene Gießkern 10 zur Bildung des Wassermantels bzw. Hohlraums 14 in ein entsprechendes Gießwerkzeug eingelegt und anschließend zumindest teilweise in den Gusswerkstoff des Gussbauteils 12 eingegossen. Als Gusswerkstoff sind prinzipiell alle gängigen Reinmetalle bzw. Legierungen denkbar. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine Aluminium-Basislegierung, welche in einem Druckgussverfahren zur Herstellung des Gussbauteils 12 verarbeitet wird. Ein wesentlicher Vorteil des hier verwendeten Gießkerns 10, bei welchem sich das Salz noch innerhalb des Metalls befindet, besteht also darin, dass dieser in einem Druckgussverfahren mit entsprechend hohen Gießdrücken verarbeitet werden kann. Es ist jedoch auch denkbar, den Gießkern 10 bei anderen Gießverfahren, beispielsweise Niederdruckguss- bzw. Sandgussverfahren einzusetzen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird im Anschluss an den Gießprozess das Salz aus dem Gießkern 10 ausgespült. Hierzu weist das Gussbauteil 12 wenigstens eine Spülöffnung 18 nach außen hin auf, so dass der Gießkern 10, welcher den Hohlraum 14 ausbildet und füllt, entsprechend mit einem Spülmedium – vorliegend Wasser – beaufschlagt werden kann. In einem entsprechenden Spülprozess innerhalb eines Wasserbads oder durch direkte Beaufschlagung mit einem Wasserstrom/Wasserstrahl wird sodann das Salz aus dem Gießkern 10 ausgespült, so dass insgesamt ein poröser Metallkörper 20 geschaffen ist, welcher insbesondere in 2b erkennbar ist. Es wäre wie angedeutet jedoch theoretisch auch denkbar, den bereits zumindest teilweise vom Salz befreiten bzw. gespülten Metallkörper 20 im Giesprozess einzusetzen. Im vorliegenden Druckgussverfahren stellen jedoch die Salzkörner innerhalb der Poren des Metallkörpers 20 sicher, dass der Gießkern 10 nicht kollabiert.
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Dieser Metallkörper 20 füllt im vorliegenden Fall vollständig den entsprechenden Hohlraum 14, welcher den Wassermantel für das Gussbauteil 12 in Form des Zylinderkurbelgehäuses bildet, aus. Denkbar wäre es jedoch auch, dass der Metallkörper 20 nur einen Teil des Hohlraums 14 füllt. Dies wäre beispielsweise denkbar, indem ein kombinierter Gießkern 10 geschaffen wird, bei welchem ein Teil aus der vorbeschriebenen Kombination aus Metall und Salz gebildet ist und beispielsweise ein anderer Teil aus einem Material, welches nach dem Gießprozess beispielweise durch Spülen oder dergleichen vollständig entfernt werden kann. Dieses Material kann beispielsweise Salz sein.
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Insgesamt ist somit erkennbar, dass der in den 1a und 1b gezeigte Gießkern 10 ein Halbzeug darstellt, welches vorliegend mit entsprechender Metallschmelze des Gussbauteils 12 umgossen und anschließend zur Bildung des porösen Metallkörpers 20 gespült wird.
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Der poröse Metallkörper 20 ergibt dabei den Vorteil, dass im Bereich des Hohlraums 14 die Festigkeit und Steifigkeit des Gussbauteils 12 deutlich erhöht wird. Dies kommt beispielsweise den statischen und dynamischen Eigenschaften des Gussbauteils 12 zugute. Außerdem können an den Hohlraum 14 angrenzende Bereiche des Gussbauteils 12 geringer dimensioniert werden, da der Metallkörper 20 zur Aussteifung des Gussbauteils 12 beiträgt.
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Das Metall des Gießkerns 10 bzw. des porösen Metallkörpers 20 und des Gussbauteils 12 besteht entweder aus Materialien mit zumindest im Wesentlichen gleichen Eigenschaften oder aber aus Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Sind die Materialien des Metallkörpers 20 und des Gussbauteils 12 aneinander angepasst oder identisch, so ergibt sich beispielsweise ein besonders günstiges Eingießen und eine besonders günstige Verbindung zwischen Metallkörper 20 und Gussbauteil 12. Zudem sind – auch bei Wärmeschwankungen – die Wärmeausdehnung und andere Materialeigenschaften im Wesentlichen identisch, so dass beispielsweise keine Spannungen oder dergleichen innerhalb des Gussbauteils 12 entstehen können. Andererseits kann es – wenn für den Metallkörper 20 und das Gussbauteil 12 – unterschiedliche Legierungen bzw. Reinmetalle eingesetzt werden, vorteilhaft sein, entsprechend unterschiedliche Materialeigenschaften wie beispielsweise unterschiedliche Wärmeausdehnungen zu erhalten. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn sich der Metallkörper 20 bei einer Wärmeausdehnung im Gussbauteil 12 verhaken bzw. verkrallen soll.
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Des Weiteren können innerhalb des Gießkerns 10 Bereiche mit unterschiedlichen Metallanteilen bzw. Salzanteilen vorgesehen werden. Hierdurch kann beispielsweise die Porosität des Metallkörpers 20 eingestellt werden, um insgesamt die Steifigkeit bzw. Festigkeit des Gussbauteils 12 im Bereich des Hohlraums 14 zu variieren.
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Weiterhin kann auch zumindest teilweise ein Ausspülen des Salzes aus dem Gießkern 10 bereits vor dem Einlegen in das Gießwerkzeug zur Herstellung des Gussbauteils 12 erfolgen. Beispielsweise wäre es denkbar, die Außenschicht des Gießkerns 10 vor dem Eingießen in den Gusswerkstoff des Gussbauteils dadurch aufzurauen, indem diese bereits von dem Salz befreit wird. Somit ergibt sich ein besonders guter Verbund zwischen dem Gussmaterial des Gussbauteils 12 und dem Metall des Gießkerns 10 bzw. dem Metallkörper 20. Außerdem wäre es denkbar, den Gießkern 10 mit einer Verhautung bzw. Außenhaut zu versehen, welche beispielsweise von Salz frei ist. Hierdurch wird ebenfalls eine besonders günstige Verbindung zwischen Gießkern 10 und Gussbauteil 12 erreicht.
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Wird der Metallkörper 20 – wie im vorliegenden Fall – innerhalb eines einen Wassermantel bildenden Hohlraums 14 angeordnet, so kann eine Variation von dessen Porosität – beispielsweise durch Einstellung des Metall- oder Salzgehalts des Gießkerns 10 – gezielt den Durchfluss des Kühlmediums durch den Wassermantel/Hohlraum 14 beeinflussen.
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Insgesamt ist somit erkennbar, dass vorliegend ein Gussbauteil 12 und ein Gießkern 10 sowie ein zugehöriges Verfahren geschaffen sind, mittels welchem zunächst entsprechende Hohlräume 14 innerhalb des Gussbauteils 12 gebildet werden können, wobei sich entsprechend verbesserte Steifigkeits- bzw. Festigkeitswerte innerhalb des Gussbauteils 12 ergeben. Des Weiteren eignet sich die Verwendung des porösen Metallkörpers 20 insbesondere in Gussbauteilen 12, welche durch ein Medium, insbesondere ein Kühlmedium, durchströmt werden müssen. Hierbei stellt der Metallkörper 20 kein nennenswertes Hindernis für das entsprechende Kühlmedium dar. Der Wassermantel/Hohlraum 14 kann dabei auch nur partiell mit einem oder mehrere Metallkörpern 20 versehen sein, beispielsweise insbesondere in jeweiligen Stegbereichen des Kurbelwellengehäuses.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007023060 A1 [0002]
