DE10352601A1 - Verfahren zur Herstellung bereichsweise modifizierter Gussstücke sowie entsprechend hergestellte Gussstücke, insbesondere Zylinderkurbelgehäuse - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gussstücken, insbesondere aus Eisengusslegierungen und vorzugsweise Zylinderkurbelgehäuse, bei denen in der Gussform mindestens eine Behandlungskammer vorgesehen ist, so dass der Gusswerkstoff, mit dem zumindest ein Teil des Gussstücks gegossen wird, in der Behandlungskammer modifiziert werden kann, so dass in bestimmten Bereichen des mit dem Gusswerkstoff gegossenen Gussstücks ein verändertes Eigenschaftsprofil vorliegt. Insbesondere können hiermit auf einfache Weise in besonders beanspruchten Bereichen z. B. eines Zylinderkurbelgehäuses eine höher feste Gusseisenlegierung (wie z. B. Gusseisen mit Vermiculargraphit oder Kugelgraphit) erzeugt werden, während in anderen Bereichen der Gusswerkstoff im Ausgangszustand vorliegt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gussstücks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Form zur Durchführung des Verfahrens und ein entsprechend dem Verfahren hergestelltes Gussstück.
• In allen Bereichen der Technik werden Werkstoffe nach dem Anforderungsprofil der damit herzustellenden Bauteile ausgewählt und eingesetzt. Dies führt bei komplexen Geräten und Maschinen, wie z. B. Kraftfahrzeugen, dazu, dass eine Vielzahl unterschiedlichster Werkstoffe in einem Gerät oder eine Maschine eingesetzt werden. Üblicherweise werden dann auch eine Vielzahl unterschiedlichster Bauteile aus diesen verschiedenen Werkstoffen gefertigt, die dann wiederum in geeigneter Weise zusammengebaut oder zusammengesetzt werden müssen.
• In vielen Fällen ist es jedoch wünschenswert bestimmte Bauteile einstückig herzustellen, da geeignete Fügetechniken nicht zur Verfügung stehen oder die Verbindungen den Beanspruchungen nicht standhalten würden. In diesen Fällen muss dann entweder ein Kompromiss bei der Werkstoffauswahl gefunden werden oder für das gesamte Bauteil der hochwertigste Werkstoff eingesetzt werden, was den Aufwand und die Kosten für derartige Bauteile in die Höhe treibt.
• Ein Beispiel hierfür ist das Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors, welches in verschiedensten lokalen Bereichen unterschiedlichsten Anforderungen gerecht werden muss. So müssen die Zylinderwände für den Kolben gute Gleiteigenschaften bereitstellen, aber gleichzeitig verschleißfest ausgebildet sein. In anderen Bereich wiederum sind hohe Festigkeiten gefordert, während wiederum andere Bereiche lediglich Abdeckungs- bzw. Verbindungsfunktionen aufweisen.
• Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit zu schaffen, einstückige Bauteile entsprechend den unterschiedlichen Anforderungsprofilen in einzelnen Bereichen des Bauteils entsprechend modifiziert auszubilden, d. h. unterschiedliche Werkstoffeigenschaften in unterschiedlichen Bereichen des einstückigen Bauteils zur Verfügung zu stellen. Insbesondere ist es Aufgabe ein Zylinderkurbelgehäuse bereit zustellen, bei dem im Kraftflussbereich des Zylinderkurbelgehäuses eine gegenüber den anderen Bereichen höherfeste Werkstoffausbildung vorgesehen ist. Gleichzeitig soll jedoch der Herstellungsaufwand für derartige Gussstücke niedrig gehalten werden.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Gussform zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie Gussstücken mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein einstückig aus einem Werkstoff gegossenes Bauteil oder zumindest ein Bauteilbereich dadurch in bestimmten Beanspruchungsbereichen optimiert bzw. auf die unterschiedlichen Anforderungen angepasst wird, dass in bestimmten Bereichen der Gusswerkstoff modifiziert wird, um nur in diesen definierten Bereichen die gewünschten Eigenschaften aufzuweisen. Auf diese Weise lässt sich teures Material in den Bereichen sparen, in dem die besonderen Eigenschaften des teuren Materials nicht erforderlich sind. Auch Gewichtsvorteile sind mit diesem Verfahren realisierbar.
• Die Modifizierung des Gussstücks in bestimmten lokalen definierten Bereichen wird dadurch erreicht, dass im Lauf- und Anschnittsystem in welches der Gusswerkstoff gegossen wird, eine oder mehrere Behandlungskammern vorgesehen sind, in denen der Ausgangs werkstoff entsprechend modifiziert wird, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Insbesondere kann in den Behandlungskammern eine festigkeitssteigernde Behandlung, z. B. durch Reaktion des Ausgangsgusswerkstoffs mit einer Vorlegierung oder durch Impfung, vorgenommen werden.
• Bei einem bevorzugten Anwendungsfall wird Gusseisen mit Lamellargraphit (GJL) bzw. mit einer Zusammensetzung zur Ausbildung von Lamellargraphit in den Behandlungskammern so behandelt, dass in den gewünschten Bereichen Gusseisen mit Vermiculargraphit und/oder Kugelgraphit entsteht.
• Als Behandlungsmaterial hat sich hierbei eine Magnesium enthaltende Ferrosilicium Vorlegierung, die auch seltene Erden enthalten kann, als vorteilhaft erwiesen.
• Die Behandlungskammern zur Modifizierung des Gusswerkstoffs können entweder zentral oder lokal vorgesehen sein. Zentral bedeutet hierbei, dass eine Behandlungskammer für mehrere zu modifizierende Bereiche des Gussstücks eingesetzt wird, wobei über verschiedene Lauf- und Anschnittsysteme (entsprechend Lauf- und Anschnittsbereiche) die von der zentralen Behandlungskammer ausgehen, die verschiedenen Bereiche mit dem modifizierten Gusswerkstoff versorgt werden.
• Bei den lokalen Behandlungskammern findet die Modifizierung des Gusswerkstoffs genau in dem Bereich statt, in dem der modifizierte Werkstoff bei dem fertigen Gussstück vorhanden sein soll. Diese unterschiedlichen Vorgehensweisen lassen sich natürlich bei einem Gussstück mit mehreren Lauf- und Anschnittsystemen auch miteinander kombinieren.
• Insbesondere für den Fall lokaler Behandlungskammern ist es vorteilhaft, die Behandlungskammern als Hohlraum derart auszubilden, dass sie in ihrer Kontur genau dem zu modifizierenden Bereich des Gussstücks entsprechen. Der in der Gussform so gebildete Hohlraum kann hierbei entweder durch die Außenform und/oder entsprechende Kerne in der Form gebildet werden. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, derartige Behandlungskammern als sozusagen separate Formen auszubilden, die insbesondere aus Blech gebildet sein können. Damit können die Behandlungskammern bzw. die zu modifizierenden Bereiche in einfacher Weise in der Gussform vorgesehen werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden derartige Behandlungskammern aus Blech als Tiefziehteile ausgebildet, die besonders einfach herzustellen sind.
• Erfindungsgemäß werden nach dem oben beschriebenen Verfahren insbesondere Zylinder- und Kurbelgehäuse für Verbrennungsmotoren hergestellt, bei denen der Kraftflussbereich der Zylinderkopf- und Kurbellagerwellendeckelbefestigung gegenüber dem übrigen Zylinderkurbelgehäuse einen modifizierten Werkstoff umfasst, so dass hier insbesondere die erforderliche Festigkeit gegeben ist.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform können dann entsprechend zusätzliche Bauteile, die bisher getrennt von dem Gussstück ausgeführt worden sind, weil sie aus bestimmten Gründen aus einem anderen Werkstoff gebildet werden sollten, direkt in das Gussstück integriert oder mit angegossen werden, da sie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nun aus einem modifizierten Werkstoff gebildet werden können. Beispielsweise kann bei einem Zylinderkurbelgehäuse nunmehr der Kurbelwellenlagerdeckel mit an das Zylinderkurbelgehäuse angegossen werden.
• Weitere Merkmale und Kennzeichen der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Figuren deutlich. Die Zeichnungen zeigen hierbei in schematischer Weise in
• 1 eine Schnittansicht durch ein Zylinderkurbelgehäuse mit dem Lauf- und Anschnittsystem zur gießtechnischen Herstellung, und in
• 2 eine Schnittansicht eines weiteren Zylinderkurbelgehäuses mit unterschiedlichen Werkstoffbereichen
• Wie aus der beigefügten Schnittansicht der 1 durch ein erfindungsgemäß hergestelltes Zylinderkurbelgehäuse bzw. eine entsprechende Form 1 mit dem Lauf- und Anschnittsystem 4 zu erkennen ist, sollen in dem fertigen Zylinderkurbelgehäuse zwei Bereiche 2 und 3 mit unterschiedlichen Werstoffen vorliegen. Zur Herstellung des Zylinderkurbelgehäuses wird jedoch nur ein einziger Werkstoff verwendet, der über das Lauf- und Anschnittsystem 4 mit dem Zentraleinlauf 5 in steigendem Guss in die Form 1 eingefüllt wird.
• In dem Lauf- und Anschnittsystem 4 sind ausgehend von dem Zentraleinlauf 5 ein erster Lauf- und Anschnittsbereich 6 mit zwei dargestellten Armen vorgesehen, mit Hilfe dessen der in den Zentraleinlauf 5 eingefüllte Gusswerkstoff in den Bereich 2 des Zylinder- und Kurbelgehäuses 1 eingefüllt werden kann. Statt zwei Armen kann jedoch auch ein Lauf- und Anschnittsystem mit mindestens einem Arm vorgesehen sein.
• Darüber hinaus ist am oberen Ende des Zentraleinlaufs 5 eine Behandlungskammer 7 vorgesehen, von der ausgehend ein zweiter Lauf- und Anschnittsbereich 8 mit ebenfalls mindestens einem, hier jedoch mit zwei Armen, ausgeht. Beim Gießen wird somit der Gusswerkstoff der über den Zentraleinlauf 5 und den ersten Lauf- und Anschnittbereich 6 in den Bereich 2 des Zylinderkurbelgehäuses 1 eingefüllt wird, in der Behandlungskammer 7 mit der dort vorliegenden Magnesiumvorlegierung vermischt und anschließend über den zweiten Lauf- und Anschnittbereich 8 in den Bereich 3 des Zylinderkurbelgehäuses 1 eingefüllt. Durch die Vermischung des Gusswerkstoffes mit der Magnesiumvorlegierung in der Behandlungskammer 7 wird das als Gusswerkstoff vorgesehene Gusseisen mit Lamellargraphit derart modifiziert, dass es im Bereich 3 des Zylinderkurbelgehäuses 1 als Gusseisen mit Vermiculargraphit und/oder Kugelgraphit erstarrt. Auf diese Weise ist es möglich gerade in dem hoch beanspruchten Bereich 3 des Zylinderkurbelgehäuses, welches dem Kraftflussbereich entspricht, eine höher feste Gusseisenlegierung vorzusehen.
• Um eine Vermischung des Gusswerkstoffs mit dem modifizierten Gusswerkstoff im Grenzbereich der Bereiche 2 und 3 zu vermeiden, kann die Form 1 des Zylinderkurbelgehäuses so ausgebildet sein, dass der Bereich 3 als abgeschlossener Hohlraum ausgebildet ist. Beispielsweise könnte der Bereich 3 als Blechteil, insbesondere Tiefziehteil, oder als gesonderte Form aus einem anderen Werkstoff ausgebildet sein.
• Die 2 zeigt eine andere Ausführungsform eine Zylinderkurbelgehäuses, welches sich lediglich durch die Form des Bereichs 3 mit dem modifizierten Werkstoff sowie den zusätzlich angegossenen Kurbelwellenlagerdeckel 9 von der Ausführungsform der 1 unter scheidet. Sofern kann auf die Beschreibung der 1 verwiesen werden, da für gleiche oder ähnliche Komponenten identische Bezugszeichen verwendet worden sind.
• Der Unterschied des modifizierten Werkstoffbereichs 3 gegenüber dem modifizierten Werkstoffbereich 3 der 1 besteht darin, dass hier lediglich im Zylinderkurbelgehäuse das Zugankerdeckelsystem aus einem modifizierten Werkstoff gebildet ist und der zentrale Bereich des Zylinderkurbelgehäuses aus einem einheitlichen Werkstoff gefertigt ist. Darüber hinaus ist bei der Ausführungsform der 2 ein Kurbelwellenlagerdeckel 9 unmittelbar an das Zylinderkurbelgehäuse und hier auch an das Zugankerdeckelsystem gemäß dem modifizierten Werkstoffbereich 3 angegossen.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung eines Gussstücks (1), insbesondere eines Zylinderkurbelgehäuses, vorzugsweise aus einer Eisenlegierung, bei welchem ein einziger Gusswerkstoff über ein oder mehrere Lauf- und Anschnittsysteme (4) zur Bildung mindestens eines Teils des Gussstücks in eine Form gegossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Lauf- und Anschnittsystem (4), über das der Gusswerkstoff vergossen wird, ein oder mehrere Behandlungskammern (7) vorgesehen sind, so dass der in der Behandlungskammer (7) behandelte Gusswerkstoff in bestimmten Bereichen (3) des Gussstücks durch die Behandlung modifizierte Eigenschaften aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Behandlungskammer (7) eine festigkeitssteigernde Behandlung, insbesondere eine Legierung oder Impfung, erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Gusswerkstoff Gusseisen mit oder zur Bildung von Lamellargraphit (GJL) eingesetzt wird, wobei durch die Behandlung in der Behandlungskammer Gusseisen mit Vermiculargraphit (GJV) oder Kugelgraphit (GJS) erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorlegierung eine Magnesium enthaltende Ferrosilicium-Vorlegierung, die auch seltene Erden enthalten kann, eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungskammer (7) zentral für mehrere zu modifizierende Bereiche des Gussstücks mit entsprechenden Lauf- und Anschnittbereichen (8) für die zu modifizierenden Bereiche (3) und/oder lokal an dem zu modifizierenden Bereich des Gussstücks in der Form vorgesehen ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lauf- und Anschnittsystem (4) zum Gießen verschiedener Bereiche (2, 3) des Gussstücks mit einem einzigen Gusswerkstoff vorgesehen ist, wobei eine Behandlungskammer (7) in einem zentralen Einlauf (5) vorgesehen ist, von dem vor und nach der Behandlungskammer ein oder mehrere Lauf- und Anschnittbereiche (6, 8) zu verschiedenen Teilen der Gussform abzweigen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungskammer als konturgetreuer Hohlraum des zu modifizierenden Bereichs des Gussstücks in der Gussform (Außenform und Kerne) ausgeführt ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungskammer aus Blech, insbesondere als Tiefziehteil ausgebildet ist.
9. Gussform zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gussform, insbesondere in der Außenform oder im Kernpaket, mindestens eine Behandlungskammer zur Modifizierung des Gusswerkstoffs vorgesehen ist.
10. Gussform nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungskammer (7) zentral für mehrere zu modifizierende Bereiche (2, 3) des Gussstücks mit entsprechenden Lauf- und Anschnittbereichen (8) für die zu modifizierenden Bereiche und/oder lokal an dem zu modifizierenden Bereich des Gussstücks in der Form vorgesehen ist.
11. Gussform nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lauf- und Anschnittsystem (4) zum Gießen verschiedener Bereiche (2, 3) des Gussstücks (1) mit einem einzigen Gusswerkstoff vorgesehen ist, wobei eine Behandlungskammer (7) in einem zentralen Einlauf (5) vorgesehen ist, von dem vor und nach der Behandlungskammer ein oder mehrere Lauf- und Anschnittbereiche (6, 8) zu verschiedenen Teilen (2, 3) der Gussform abzweigen.
12. Gussstück, insbesondere Zylinder- und Kurbelgehäuse für einen Verbrennungsmotor hergestellt nach einem der Verfahrensansprüche 1 bis 8.
13. Gussstück nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Behandlung in der oder den Behandlungskammern modifizierte Bereich (3) der Kraftflussbereich der Zylinderkopf- und Kurbellagerwellendeckelbefestigung eines Zylinder- und Kurbelgehäuses ist.
14. Gussstück nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussstück ein Zylinder- und Kurbelgehäuse ist, welches aus Gusseisen mit Lamellargraphit (GJL) gebildet ist, wobei die modifizierten Bereiche aus Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) und/oder Vermiculargraphit (GJV) sind.
15. Gussstück nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussstück einen angegossenen Kurbelwellenlagerdeckel aufweist, der insbesondere aus dem in der oder den Behandlungskammern modifizierten Material gebildet ist.