DE19621264B4

DE19621264B4 - Verfahren zur Herstellung einer Zylinderbüchse

Info

Publication number: DE19621264B4
Application number: DE1996121264
Authority: DE
Inventors: Martin RÜHLE
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 1996-05-25
Filing date: 1996-05-25
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2016-05-26
Also published as: DE19621264A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Zylinderbüchse für einen Verbrennungsmotor unter Verwendung eines Ausgangsmaterials, bestehend aus einer siliziumhaltigen, übereutektischen Aluminiumbasis-Legierungsschmelze, wobei die Zylinderbüchse im Bereich ihrer Lauffläche einen Silizium-Gehalt aufweist, der höher ist als der Silizium-Gehalt des Ausgangsmaterials,
gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
a) Eintauchen eines Kerns (2) mit zylindrischer oder annähernd zylindrischer Form in die siliziumhaltige übereutektische Aluminiumbasis-Legierungssschmelze (S),
b) Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Schmelze (S) und Kern (2) durch Rotation eines die Schmelze (S) enthaltenden Tiegels (1), wobei eine schalenartige Erstarrung auf dem Kern erfolgt,
c) Entfernen des Kerns (2) aus der Schmelze,
d) Trennung von Kern (2) und Randschale.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderbüchse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung 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 Verbrennungsmotors, der im Schleudergußverfahren aus einer übereutektischen Aluminiumlegierung hergestellt wird, der Siliziumgehalt im inneren Bereich, also im Bereich der späteren Lauffläche, infolge des unterschiedlichen spezifischen 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 übereutektische Aluminiumlegierung bei Temperaturen von mehr als 200°C oberhalb der Schmelztemperatur der Legierung vergossen wird, da eine Gießtemperatur nahe der Erstarrungstemperatur 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 Minute liegen.

Die mit dem gattungsgemäßen Verfahren erzielten Unterschiede 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 Energieeinsatz 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 Zentrifugalkräfte nicht zu einer Erstarrung unter Druck führen, häufig ein aufgelockertes Gefüge aufweist.

Aus der DE 40 09 714 A1 ist ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem ein erhöhter Siliziumgehalt im Bereich der Lauffläche eines Zylinders dadurch erzielt wird, daß in den Zylinder ein die Zylinderlaufbahn bildender, mit untereutektischer Aluminiumlegierung penetrierter Keramikfaserkörper mit darin eingefügten Siliziumkörnern eingegossen ist.

Dabei wird durch den Keramikfaserkörper kein faserverstärkter Bereich definiert, sondern er dient ausschließlich dazu, 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 erforderlichen sorgfältigen "handling" des Faserformkörpers sowie der problematischen Entsorgung eines derartigen Verbundwerkstoffs erscheint bei diesem Verfahren auch der erfor derliche Druck von wenigstens 30 bar und vorzugsweise 200 – 1000 bar nachteilig.

Die Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, 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 Lauffläche nicht aufgelockert ist.

Diese Aufgabe 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 erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Randschale wird nach dem Ablängen als Zylinderbüchse in einen Motorblock eingegossen.

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

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.

Eine Zylinderbüchse mit erhöhtem Siliziumgehalt radial innen, 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 umfassenden, siliziumarmen Randschale erstarrt.

Die Relativbewegung zwischen Kern und Schmelze wird nach Anspruch 1 vorteilhaft dadurch erzeugt, daß der Tiegel um den Kern rotiert, wobei nach Anspruch 3 die Rührwirkung dadurch 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 Tiegels.

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 Primärsiliziumpartikel zu bilden. Außerdem kühlt die Schmelze insgesamt ab, wobei die Tendenz zur Si-Keimbildung mit wachsender 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 erstarrenden Randschale in Berührung. Dabei wirkt die erstarrende 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 Zusammensetzung – verarmt.

Die Erfindung beruht auch auf dem Effekt, daß für eine Si-Keimbildung in der Schmelze eine stärkere Unterkühlung notwendig ist als für ein Keimwachstum. Wenn leicht unterkühl te Schmelze an die Erstarrungsfront der Randschale herangeführt wird, so scheidet sich vorzugsweise dort weiteres Silizium ab. Insofern wirkt der Kern in Verbindung mit der Relativbewegung der Schmelze als "Siliziumabscheider".

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
1 eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann
2 ein Schliffbild der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Randschale.
Dabei ist in 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 einem 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 Verbrennungsmotoren 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 Volumina von Kern 2 und Tiegel 1 sind aufeinander abgestimmt und größenordnungsmäßig vergleichbar, so daß sich beim Drehen des Tiegels 1 eine gute Rührwirkung im gesamten Tiegel ergibt.
Der Tiegel 1 wird von einem Motor 3 angetrieben. Die Drehzahl des Tiegels beträgt 60 U/min. Der Kern 2 ist über einen Träger 4 mit einem nicht dargestellten Hydraulikzylinder 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 eingeschaltet, 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-Gehalt der Schmelze, da das im Bereich des Kerns 2 sich ausbildende Primärsilizium als "Siliziumfänger" wirkt und durch die intensive Rührwirkung ständig mit neuer siliziumhaltiger Restschmelze in Kontakt kommt, wobei sich das Silizium 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. Zylinderbüchsen 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 insbesondere Warmarbeitsstahl eingesetzt.
2 zeigt einen Querschliff aus einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Randschale in 20-facher Vergrößerung, wobei der radial innen liegende Teil in der oberen Bildhälfte dargestellt ist. Im radial außen liegenden Bereich (untere Bildhälfte) ist zu erkennen, daß beim Herausziehen des Kerns aus der Schmelze die an der Randschale anhaftende Schmelze nahezu ohne Primärsiliziumpartikel erstarrt, während im mittleren Bereich ein sehr hoher Anteil an Primärsilizium vorliegt.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Zylinderbüchse für einen Verbrennungsmotor unter Verwendung eines Ausgangsmaterials, bestehend aus einer siliziumhaltigen, übereutektischen Aluminiumbasis-Legierungsschmelze, wobei die Zylinderbüchse im Bereich ihrer Lauffläche einen Silizium-Gehalt aufweist, der höher ist als der Silizium-Gehalt des Ausgangsmaterials, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte a) Eintauchen eines Kerns (2) mit zylindrischer oder annähernd zylindrischer Form in die siliziumhaltige übereutektische Aluminiumbasis-Legierungssschmelze (S), b) Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Schmelze (S) und Kern (2) durch Rotation eines die Schmelze (S) enthaltenden Tiegels (1), wobei eine schalenartige Erstarrung auf dem Kern erfolgt, c) Entfernen des Kerns (2) aus der Schmelze, d) Trennung von Kern (2) und Randschale.
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, siliziumarmen Randschale in der Schmelze (S) verbleibt.
Verfahren zur Herstellung einer Zylinderbüchse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Drehachse (D) des Tiegels (1) und der Mittelachse des Tiegels (1) eine Desachsierung eingestellt ist, um eine bessere Rührwirkung zu erzielen.
Verfahren zur Herstellung einer Zylinderbüchse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (D) des Tiegels (1) und die Mittelachse (M) des Kerns (2) fluchten.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schmelze aufnehmende Schmelztiegel (1) beheizt wird.
Vorrichtung zur Herstellung einer Zylinderbüchse mit lokal erhöhtem Siliziumgehalt aus einer übereutektischen Aluminiumbasis-Legierung, gekennzeichnet durch – einen Schmelztiegel (1) mit übereutektischer Aluminiumbasis-Legierungsschmelze, – mindestens einen Kern (2) mit zylindrischer oder annähernd zylindrischer Form, wobei zwischen der Drehachse (D) des Schmelztiegels (1) und der Mittelachse (M) des Kernes (2) eine Desachsierung von 10 mm eingestellt ist, – Mittel zum Eintauchen des mindestens einen Kerns in die Schmelze und zum Herausziehen des mindestens einen Kerns aus der Schmelze, – Mittel zum Erzeugen einer Relativbewegung von 60 U/Min 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, und – Mittel zum Trennen von Kern und Randschale.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) aus einem an sich als Kokillenwerkstoff bekannten Warmarbeitsstahl besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) teilbar ist.