DE19621264A1 - Verfahren zur Herstellung einer Zylinderbüchse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderbüchse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstel­ lung einer Zylinderbüchse mit lokal erhöhtem Siliziumgehalt aus einer übereutektischen Aluminiumbasislegierung.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der US-Patentschrift 3,536,123 bekannt. Dabei soll bei einem Zylinder eines Ver­ brennungsmotors, der im Schleudergußverfahren aus einer übereutektischen Aluminiumlegierung hergestellt wird, der Siliziumgehalt im inneren Bereich, also im Bereich der spä­ teren Lauffläche, infolge des unterschiedlichen spezifi­ schen Gewichts (Si: 2,4 g/cm³, Al: 2,7 g/cm³) höher sein als im äußeren Bereich. Im schmelzflüssigen Zustand ist der Dichteunterschied allerdings deutlich geringer, ca. 2,33 : 2,38.

Voraussetzung für das Verfahren ist deshalb, daß die über­ eutektische Aluminiumlegierung bei Temperaturen von mehr als 200°C oberhalb der Schmelztemperatur der Legierung ver­ gossen wird, da eine Gießtemperatur nahe der Erstarrungs­ temperatur infolge der höheren Viskosität der Schmelze und der kürzeren Erstarrungszeit in Verbindung mit der geringen Dichtedifferenz ein Aufschwimmen der Si-Partikel behindert. Außerdem soll die Gießform aus Sand oder Keramik bestehen, also eine niedrige thermische Leitfähigkeit aufweisen und die Schleuderdrehzahl soll bei ca. 2000 Umdrehungen pro Mi­ nute liegen.

Die mit dem gattungsgemäßen Verfahren erzielten Unterschie­ de im Siliziumgehalt zwischen innerem und äußerem Bereich des Zylinders bzw. der Laufbüchse liegen bei ca. 5%.

Das beschriebene Verfahren weist verschiedene Nachteile auf: Durch die hohe Gießtemperatur nimmt einerseits die Schmelze viel Wasserstoff auf, wodurch Gasblasen im Bauteil entstehen können, und andererseits ist ein hoher Energie­ einsatz notwendig. Außerdem können Gießformen aus Sand oder Keramik nur einmal verwendet werden bzw. unterliegen einem erhöhten Verschleiß.

Ein weiterer entscheidender Nachteil liegt in der geringen erzielbaren Differenz der Siliziumgehalte von 4-6% und in der Tatsache, daß beim Schleudergießen der radial innere, funktionswesentliche Bereich des Gußstücks, in dem die Zen­ trifugalkräfte nicht zu einer Erstarrung unter Druck füh­ ren, häufig ein aufgelockertes Gefüge aufweist.

Aus der DE-OS 40 09 714 ist ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem ein erhöhter Siliziumgehalt im Bereich der Laufflä­ che eines Zylinders dadurch erzielt wird, daß in den Zylin­ der ein die Zylinderlaufbahn bildender, mit untereutekti­ scher Aluminiumlegierung penetrierter Keramikfaserkörper mit darin eingefügten Siliziumkörnern eingegossen ist.

Dabei wird durch den Keramikfaserkörper kein faserverstärk­ ter Bereich definiert, sondern er dient ausschließlich da­ zu, die eingelagerten Siliziumkörner so zu halten und zu fixieren, daß sie nach Penetration des Faserformkörpers im Bereich der Lauffläche des Zylinders liegen.

Neben den Kosten für den Faserformkörper und dem erforder­ lichen sorgfältigen "handling" des Faserformkörpers sowie der problematischen Entsorgung eines derartigen Verbund­ werkstoffs erscheint bei diesem Verfahren auch der erfor­ derliche Druck von wenigstens 30 bar und vorzugsweise 200-1000 bar nachteilig.

Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein gattungsgemäßes Verfahren bereitzustellen, das ebenfalls zu einem lokal im Bereich der Lauffläche eines Zylinders bzw. einer Zylinderbüchse erhöhten Siliziumgehalt und zu einer höheren Differenz der Siliziumgehalte zwischen innerem und äußerem Bereich führt, bei dem die Schmelze nicht so hoch erwärmt werden muß wie bei dem gattungsgemäßen Verfahren und bei dem das Gefüge der Laufbüchse im Bereich der Lauf­ fläche nicht aufgelockert ist.

Dieses Problem wird bei dem gattungsgemäßen Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Verfahrensschritte gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren hergestellte Randschale wird nach dem Ablängen als Zylinderbüchse in einen Motorblock einge­ gossen.

Die Erfindung beschäftigt sich ferner mit dem Problem, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.

Dieses Problem wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma­ len des Anspruchs 10 gelöst.

Eine Zylinderbüchse mit erhöhtem Siliziumgehalt radial in­ nen, im Bereich der Lauffläche und niedrigem Siliziumgehalt radial außen, läßt sich gemäß Anspruch 2 erzielen, indem nach Bildung der ersten, hochsiliziumhaltigen Randschale die Relativbewegung zwischen Kern und Schmelze beendet wird und weiterhin Schmelze in Form einer zweiten, die erste um­ fassenden, siliziumarmen Randschale erstarrt.

Die Relativbewegung zwischen Kern und Schmelze wird nach Anspruch 3 vorteilhaft dadurch erzeugt, daß der Tiegel um den Kern rotiert, wobei nach Anspruch 4 die Rührwirkung da­ durch verstärkt werden kann, daß die Drehachse des Tiegels desachsiert ist.

Das erstmalige Eintauchen des Kerns in die Schmelze ist noch nicht als Relativbewegung im Sinne der Erfindung zu verstehen, sondern erst die im Anschluß an das erstmalige Eintauchen erzeugte Relativbewegung zwischen Kern und Schmelze beispielsweise durch Rühren oder Drehen des Tie­ gels.

Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare lokal erhöhte Siliziumgehalt läßt sich wie folgt erklären:
Beim Eintauchen des Kerns in die Schmelze beginnt die Schmelze auf der Kernoberfläche zu erstarren und Primärsi­ liziumpartikel zu bilden. Außerdem kühlt die Schmelze ins­ gesamt ab, wobei die Tendenz zur Si-Keimbildung mit wach­ sender Unterkühlung der Schmelze unterhalb der Liquidus- Temperatur größer wird.

Durch die Relativbewegung zwischen Kern und Schmelze kommt permanent übersättigte Schmelze mit der auf dem Kern er­ starrenden Randschale in Berührung. Dabei wirkt die erstar­ rende Randschale als Siliziumfänger:
Anstatt Keime zur Bildung von Primär-Siliziumpartikeln zu bilden, kristallisiert das Silizium der übersättigten Schmelze an die schon vorhandenen Primärsiliziumpartikel im Bereich der Randschale an, wobei die Schmelze insgesamt an Silizium - im Extremfall bis zur eutektischen Zusammenset­ zung - verarmt.

Die Erfindung beruht auch auf dem Effekt, daß für eine Si- Keimbildung in der Schmelze eine stärkere Unterkühlung not­ wendig ist als für ein Keimwachstum. Wenn leicht unterkühl­ te Schmelze an die Erstarrungsfront der Randschale herange­ führt wird, so scheidet sich vorzugsweise dort weiteres Si­ lizium ab. Insofern wirkt der Kern in Verbindung mit der Relativbewegung der Schmelze als "Siliziumabscheider".

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung, mit der das erfindungsge­ mäße Verfahren durchgeführt werden kann,

Fig. 2 ein Schliffbild der nach dem erfindungs­ gemäßen Verfahren erzeugten Randschale.

Dabei ist in Fig. 1 der Kern 2 ungeschnitten und die auf dem Kern gebildete Randschale 5 geschnitten dargestellt.

In einen auf 650°C vorgeheizten drehbaren Tiegel 1 mit ei­ nem Durchmesser von 120 mm und einer Tiefe von 150 mm wird eine Schmelze S mit einer Zusammensetzung von 24% Si, 1% Mg, 1% Cu, 1% Ni, Rest Al gefüllt.

Anschließend wird ein mehrteiliger wassergekühlter Kern 2 aus Warmarbeitsstahl mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Länge von 120 mm in die Schmelze eingetaucht.

Die zeichnerisch nicht dargestellte Kernteilung und der Kernzug können in bekannter Art und Weise entsprechend der Kernteilung bei der Herstellung von z. B. Kolben von Ver­ brennungsmotoren mit hinterschnittenen Bereichen erfolgen.

Die Drehachse D des Tiegels 1 und die Mittelachse M des Kerns fluchten. Allerdings ist der Tiegel 1 zur Erzeugung einer besseren Rührwirkung um 10 mm von seiner Drehachse D desachsiert, so daß bei rotierendem Tiegel 1 der Abstand zwischen Tiegelwand und ortsfestem Kern 2 zeitlich zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert variiert. Die Vo­ lumina von Kern 2 und Tiegel 1 sind aufeinander abgestimmt und größenordnungsmäßig vergleichbar, so daß sich beim Dre­ hen des Tiegels 1 eine gute Rührwirkung im gesamten Tiegel ergibt.

Der Tiegel 1 wird von einem Motor 3 angetrieben. Die Dreh­ zahl des Tiegels beträgt 60 U/min. Der Kern 2 ist über ei­ nen Träger 4 mit einem nicht dargestellten Hydraulikzylin­ der verbunden, der ein Eintauchen und Austauchen des Kerns 2 in die bzw. aus der Schmelze ermöglicht.

Die Wasserkühlung wird nach dem Eintauchen des Kerns in die Schmelze mit einer Verzögerung von 15 Sekunden eingeschal­ tet, nach 45 Sekunden ist auf dem Kern eine ca. 5 mm dicke hoch siliziumhaltige Randschale 5 erstarrt.

Dieser Siliziumgehalt ist wesentlich höher als der Si-Ge­ halt der Schmelze, da das im Bereich des Kerns 2 sich aus­ bildende Primärsilizium als "Siliziumfänger" wirkt und durch die intensive Rührwirkung ständig mit neuer silizium­ haltiger Restschmelze in Kontakt kommt, wobei sich das Si­ lizium der Schmelze vorzugsweise an den schon vorhandenen Si-Primärkristallen der Randschale 5 abscheidet.

Dabei sinkt der Si-Gehalt der Restschmelze auf 18% ab, während der Si-Gehalt der erstarrten Randschale 5 bei 44% liegt.

Nach dem Ausformen weisen die Randschalen bzw. Zylinder­ büchsen an ihrem Innendurchmesser eine sehr glatte und an ihrem Außendurchmesser eine sehr rauhe Oberfläche auf, die für ein Eingießen im Druckguß- oder Niederdruckgußverfahren günstig ist.

Als Kernwerkstoff kommen nahezu alle aus der Gießtechnik bekannten Kernwerkstoffe in Frage, also auch Sandkerne. Vorzugsweise werden allerdings metallische Kerne aus insbe­ sondere Warmarbeitsstahl eingesetzt.

Fig. 2 zeigt einen Querschliff aus einer nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren hergestellten Randschale in 20facher Vergrößerung, wobei der radial innen liegende Teil in der oberen Bildhälfte dargestellt ist. Im radial außen lie­ genden Bereich (untere Bildhälfte) ist zu erkennen, daß beim Herausziehen des Kerns aus der Schmelze die an der Randschale anhaftende Schmelze nahezu ohne Primärsilizi­ umpartikel erstarrt, während im mittleren Bereich ein sehr hoher Anteil an Primärsilizium vorliegt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderbüchse für ei­ nen Verbrennungsmotor unter Verwendung eines Ausgangs­ materials, bestehend aus einer siliziumhaltigen, über­ eutektischen Aluminiumbasis-Legierungsschmelze, wobei die Zylinderbüchse im Bereich ihrer Lauffläche einen Silizium-Gehalt aufweist, der höher ist, als der Sili­ zium-Gehalt des Ausgangsmaterials, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte

• a) Eintauchen eines Kerns (2) mit zylindrischer oder annähernd zylindrischer Form in die sili­ ziumhaltige übereutektische Aluminiumbasis-Le­ gierungsschmelze (S)
• b) Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Schmelze (S) und Kern (2), wobei eine schalen­ artige Erstarrung auf dem Kern erfolgt
• c) Entfernen des Kerns (2) aus der Schmelze
• d) Trennung von Kern (2) und Randschale.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Bilden der Randschale die Relativbewegung zwischen Kern (2) und Schmelze (S) beendet wird und der Kern (2) noch zwecks Bildung einer zweiten, siliziumar­ men Randschale in der Schmelze (S) verbleibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen Kern (2) und Schmelze (S) durch Rotation eines die Schmelze (S) enthaltenden Tiegels (1) erzeugt wird.

4. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderbüchse nach An­ spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Drehachse (D) des Tiegels (1) und der Mit­ telachse des Tiegels (1) eine Desachsierung eingestellt ist, um eine bessere Rührwirkung zu erzielen.

5. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderbüchse nach An­ spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (D) des Tiegels (1) und die Mittel­ achse (M) des Kerns (2) fluchten.

6. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderbüchse nach An­ spruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) aus einem an sich als Kokillenwerk­ stoff bekannten Warmarbeitsstahl besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) gekühlt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) teilbar ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Schmelze aufnehmende Schmelztiegel (1) be­ heizt wird.

10. Vorrichtung zur Herstellung einer Zylinderbüchse mit lokal erhöhtem Siliziumgehalt aus einer übereutekti­ schen Aluminiumbasis-Legierung, gekennzeichnet durch

• - einen Schmelztiegel (1) mit übereutektischer Aluminiumbasis-Legierungsschmelze
• - mindestens einen Kern (2) mit zylindrischer oder annähernd zylindrischer Form
• - Mittel zum Eintauchen des mindestens einen Kerns in die Schmelze
• - Mittel zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen Kern und Schmelze, um die auf den Kern aufwachsende Randschale kontinuierlich mit anderer übereutektischer Schmelze in Kontakt zu bringen, wobei die Randschale als Siliziumfänger wirkt
• - Mittel zum Trennen von Kern und Randschale.