DE19634504A1 - In ein Leichtmetall-Gußteil einzugießender Rohling eines anderen Leichtmetallteiles und Verfahren zum Herstellen eines solchen Rohlinges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen in ein Leichtmetall-Gußteil einzu­ gießenden Rohling eines anderen Leichtmetallteiles nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zu dessen Herstel­ lung nach dem Oberbegriff von Anspruch 6, wie beides beispiels­ weise aus der DE 44 38 550 A1 am Beispiel einer in ein Kurbel­ gehäuse eingegossenen Zylinderlaufbüchse als bekannt hervor­ geht.

Durch das Eingießen von gesondert gefertigten Zylinderlaufbüch­ sen in Leichtmetall-Kurbelgehäuse kann die Zylinderlaufbüchse im Hinblick auf die Laufeigenschaften des Hubkolbens darin un­ abhängig von dem Werkstoff des Kurbelgehäuses optimiert werden. Hierbei hat man auch schon beachtliche Erfolge erzielen können. Allerdings können sich Probleme beim Eingießen der Zylinder­ laufbüchsen in das Leichtmetall-Kurbelgehäuse dadurch ergeben, daß die Bindung der Büchsenaußenseite mit dem Kurbelgehäuse­ werkstoff nur unzureichend ist. Durch eine stoffschlüssig un­ vollkommene Anbindung kann es im Motorbetrieb zu einer Behinde­ rung des Wärmeabflusses der Abwärme des Hubkolbenmotors und in besonders ungünstig gelagerten Fällen sogar zu einem Lockern der Zylinderlaufbüchse im Kurbelgehäuse kommen. Bei anderen einzugießenden Teilen, beispielsweise geschmiedete Kolbenmulden in einem gegossenen Kolben, ist eine gute Bindung allein schon aus Festigkeitsgründen unverzichtbar.

Die DE 43 28 619 C2 geht auf die Problematik einer guten stoff­ schlüssigen Bindung der Leichtmetall-Komponenten beim Eingießen insbesondere am Beispiel einer einzugießenden Zylinderlaufbüch­ se ein und will einen porenfreien Stoffschluß zwischen Büchsen­ außenseite und Gehäusewerkstoff durch eine gezielte Vorwärmung der Zylinderlaufbüchse erreichen. Der auf eine bestimmte Tempe­ ratur, beispielsweise 450°C vorgewärmte und in die Gießform eingebrachte Rohling einer Zylinderlaufbüchse wird durch die einströmende Schmelze des Gehäusematerials oberflächlich ange­ schmolzen und geht dadurch eine innige Verbindung mit dem Ge­ häusewerkstoff ein. Durch eine hohe, parallel zur Kontaktfläche gerichte Strömung der Schmelze wird dieser Effekt noch begün­ stigt, indem nicht nur aufgrund eines besseren Wärmeaustauchers ein vermehrtes Anschmelzen bewirkt wird, sondern indem auch die stets vorhandene Oxidhaut von der Kontaktseite der Büchse abge­ waschen wird. Diese intensive Relativströmung der Schmelze kann durch verschiedene Maßnahmen gewährleistet werden. Die genannte Druckschrift erwähnt in diesem Zusammenhang eine geschickte Auswahl und Verteilung der Angußstellen oder ein Rühren der Schmelze oder auch ein Induzieren von elektrischen Wirbelströ­ men, die Fluidströmungen in der Schmelze verursachen. Nachtei­ lig an diesem Verfahren ist, daß die auf Temperaturen, die ein sicheres Anschmelzen bewirken, vorgewärmten Büchsenrohlinge insbesondere beim Gießen von vielzylindrigen Kurbelgehäusen nur schwierig zu handhaben sind. Beim sukzessiven Einsetzen der einzelnen, vorgewärmten Büchse in das Gießwerkzeug muß entweder - abkühlungsbedingt - mit unterschiedlichen Büchsentemperaturen beim Abguß gerechnet werden oder es müssen in das Gießwerkzeug Heizelemente zum Warmhalten der bereits eingesetzten Büchsen­ rohlinge vorgesehen werden, was das Gießwerkzeug komplizierter macht und die Wärmeabfuhr des erstarrenden Gußwerkstückes be­ einträchtigt. In jedem fall muß ein Vorwärmofen installiert werden, der weitere Investitionskosten und der vor allem lau­ fende Energiekosten verursacht. Außerdem können die hohen Vor­ wärm-Temperaturen zu unerwünschten Gefügeveränderungen im Werk­ stoff der Zylinderlaufbüchse führen, die deren Laufeigenschaf­ ten ungünstig beeinflussen können. Tribologisch relevante Gefü­ geveränderungen werden auf jeden Fall erreicht, wenn der Büch­ senrohling beim Eingießen bis nahen in den Bereich der Laufflä­ che aufgeschmolzen wird. Es ist hierbei zu berücksichtigen, daß beim Büchsenrohling an der Innenseite ein Bearbeitungsaufmaß von wenigstens etwa 1 mm vorgesehen ist. Um also ein Durch­ schmelzen des Büchsenrohlings wirklich an allen stellen zu ver­ hindern, müßte ein entsprechend dickwandiger Rohling vorgesehen werden. Aus Gründen eines möglichst geringen Zylinderabstandes ist jedoch eine möglichst dünnwandige Zylinderlaufbüchse er­ wünscht. Ist die Büchse hingegen - aus welchen Gründen auch im­ mer, d. h. aus Vorsicht oder aus Nachlässigkeit - nicht genügend vorgewärmt, so stehen zumindest beim Druckgießen nur sehr kurze Zeiten beim Formfüllen und bis zur beginnenden Erstarrung zur Verfügung, so daß in der Kürze der hier verfügbaren Zeiten die Anschmelz-Maßnahmen der angesprochenen Art nicht oder nur sehr unvollkommen greifen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, den gattungsgemäß zugrundegelegte Rohling eines einzugießenden Leichtmetallbauteiles sowie das entsprechende Herstellungsverfahren dahingehend zu verbessern, daß die Rohlinge auch ohne Vorwärmung auf breiter Fläche einen innigen Stoffschluß beim Eingießen mit dem Gußwerkstoff des Um­ gußteiles eingehen.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Roh­ lings erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und bezüglich des verfahrensmäßigen Aspektes durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 6 gelöst. Wichtig ist, daß die außenseitig liegende Kontaktfläche des Rohlings eine Topographie mit einer Vielzahl spitz auslaufender Materi­ alerhebungen, z. B. in pyramidenähnlicher oder lanzettartiger Form aufweist, die an ihrer Basis breitflächig ungestört in den Basiswerkstoff des Rohlings übergehen. Die Spitzen dieser vielen kleinen pyramiden- oder lanzettartigen Materialausschülpungen bzw. -aufwerfungen an der Kontaktseite des Rohlings schmelzen trotz der bestehenden Oxidhaut beim Kontakt mit der Schmelze des Umgußteiles schlagartig im Bereich ihrer Spitze an, weil auf dieser kleinen Kontaktzone die über den Schmelze-Kontakt zugeführte Wärmeenergie ausreichend hoch und der Wärmeabfluß in die Tiefe des Werkstoffes zunächst noch gering ist, so daß lo­ kal genügend Energiedichte zur Verfügung steht, um die Barriere der Oxidhaut lokal zu überwinden. Die eingeleiteten Anschmel­ zungen breiten sich sehr rasch in der oberflächennahen Schicht auf der Kontaktseite des Rohlings aus. Die pyramidenähnlichen oder lanzettartigen Materialausschülpungen bzw. -aufwerfungen stellen also Initialisierungsstellen für den Anschmelzvorgang dar. Wegen des raschen Voranschreitens eines einmal begonnenen Anschmelzvorganges und wegen der sehr dichten Besetzung der Kontaktseite mit solchen Initialisierungsstellen wachsen die begonnenen Anschmelzungen sehr schnell zu einer zusammenhän­ genden oberflächennahen Anschmelzzone zusammen. Die Anschmelzung breitet sich also rasch in der Fläche aus, dringt aber nur re­ lativ wenig in die Tiefe der Rohlingwandung ein, so daß auf der gegenüberliegenden Wandungsseite des Rohlings, z. B. auf der Laufseite des Kolbens, das Gefüge unbeeinflußt bleibt.

Mit der Erfindung sind die folgenden zahlreichen und recht un­ terschiedlichen Vorteile erzielbar:

• - Entfall einer Vorwärmung des Eingußteiles, insbesondere des Büchsenrohlings zum Eingießen mit den damit zusammenhängen­ den Investitions- und Betriebskosten sowie den Handhabungs­ problemen;
• - durch das Aufrauhen der Außen- bzw. Kontaktfläche des Ein­ gußteiles wird zugleich die Wirkung einer ohnehin erforder­ lichen Reinigung erzielt, so daß ein gesondertes Reinigen entbehrlich ist; der investive und laufende Kostenaufwand für das Aufrauhen ist etwa vergleichbar mit dem für ein Rei­ nigen, so daß das Aufrauhen praktisch keinen Mehraufwand er­ fordert;
• - im Falle von einzugießenden Büchsenrohlingen können mit ho­ her Prozeßsicherheit tribologisch relevanten Gefügeverände­ rungen auf der Laufseite des Büchsenrohlinges vermieden wer­ den;
• - Ermöglichung dünnerer Wandstärken beim Eingußteil; zumindest können dünnere Wandstärken prozeßsicher beherrscht werden als beim Eingießen mit Gußteilvorwärmung;
• - dünnere Zylinderwandstärken erlauben geringere Zylinderab­ stände und somit bei gleichem Hubraum kürzere, leichtere und kostengünstigere Motoren, die kleinere Motorräume im Kraft­ fahrzeug und - massebedingt - einen geringeren Kraftstoff­ verbrauch für das damit angetriebene Kraftfahrzeug ermögli­ chen;
• - gegenüber dem Eingießen nicht-aufgerauhter Eingußteile ist eine bessere und über der Erstreckung der Kontaktfläche weithin gleichmäßig gute metallurgische Verbindung zwischen Eingußteil und Umgußteil erzielbar;
• - im Falle von Zylinderlaufbüchsen ist dadurch - wie Messungen ergeben haben - eine höhere Fertigungsgenauigkeit, insbeson­ dere ein geringerer fertigungsbedingter Zylinderverzug er­ zielbar, weil eine stoffschlüssig gut in das Kurbelgehäuse eingebundene Zylinderlaufbüchse steifer ist als eine im we­ sentlichen nur formschlüssig umfaßte Büchse;
• - aufgrund der besseren metallurgischen Anbindung der Büchse an den Gehäusewerkstoff ist eine höhere Steifigkeit und eine in Umfangs- und Axialrichtung gleichmäßige, also homogene Zy­ linderwandung und bei Montage des Zylinderkopfes mit zwi­ schengeschalteter Dichtung ein geringerer montagebedingter Zy­ linderverzug erzielbar;
• - wegen der hochfesten stoffschlüssigen Einbindung der Zylin­ derlaufbüchse in das Kurbelgehäuse sind endseitige Siche­ rungsbunde an der Büchse entbehrlich, wodurch die Büchse fertigungstechnisch besonders einfach gestaltet und somit kostengünstig herstellbar ist;
• - im Falle von Zylinderlaufbüchsen ist aufgrund der besseren metallurgischen Anbindung der Büchse an den Gehäusewerkstoff im Motorbetrieb ein besserer und in der Fläche gleichmäßige­ rer Wärmeübergang, ein gleichmäßigeres Temperaturprofil der Zylinderlaufbüchse in Umfangs- und in Axialrichtung und ein geringerer thermisch bedingter Zylinderverzug erzielbar;
• - außerdem ist das Temperaturniveau der gut eingebundenen Zy­ linderlaufbüchse insgesamt niedriger als bei nicht-aufge­ rauht eingegossenen Zylinderlaufbüchsen, was sich im Motor­ betrieb günstig auf die Ölabdampfrate und somit auf den Öl­ verbrauch und auf den Gehalt an schmierölseitig verursachten Kohlenwasserstoffen im Abgas auswirkt;
• - höhere fertigungsbedingte Formgenauigkeit, geringere monta­ gebedingte Zylinderverzüge und geringere betriebsbedingte Temperaturverzüge der Zylinderlaufbüchsen wiederum erlauben ein geringeres Kolbenspiel, was sich günstig auf den Gehalt an kraftstoffseitig verursachten Kohlenwasserstoffen im Ab­ gas auswirkt;
• - die hohe Formgenauigkeit der Lauffläche ergibt darüber hin­ aus eine geringer Schwingungsanregung für den Kolben und so­ mit einen ruhigeren Motorbetrieb;
• - die hohe Formgenauigkeit der Lauffläche ergibt aber auch ei­ ne bessere Dichtwirkung der Kolbenringe und somit geringere Durchblasverluste und einen geringeren Ölverbrauch, also ei­ nen besseren Wirkungsgrad, einen geringeren Kraftstoffver­ brauch und geringere Emissionen insbesondere an ölseitig verursachten Kohlenwasserstoffen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine partielle Schnitt-Ansicht einer Hubkolbenmaschine mit eingegossener Zylinderlaufbüchse,

Fig. 2 das Rohteil der Zylinderlaufbüchse für die Hubkolbenma­ schine nach Fig. 1 in Einzeldarstellung,

Fig. 3 einen metallographischen Querschnitt durch die Wandung des Rohteils nach Fig. 2 in einem oberflächennah lie­ genden Bereich - Detail III gemäß Fig. 2 -, die Art der Rauheit der außenseitigen Oberfläche zeigend,

Fig. 4 eine rasterelektronen-mikroskopische Photographie eines außenseitigen Oberflächenausschnittes - Einzelheit IV in Fig. 2 - des Rohteils nach Fig. 2, die Topographie der Oberfläche zeigend,

Fig. 5 einen metallographischen Querschnitt durch die Zylinder­ wandung des Kurbelgehäuses nach Fig. 1 im Grenzbereich zwischen eingegossener Zylinderlaufbüchse und Gehäuse­ basiswerkstoff - Detail V gemäß Fig. 1 -, an einer Stelle guter stoffschlüssiger Bindung zwischen Zylin­ derlaufbüchse und Gehäusebasiswerkstoff,

Fig. 6 einen ähnlichen metallographischen Querschnitt wie nach Fig. 5, jedoch bei einer um den Faktor 10 geringeren Vergrößerung als Fig. 5 und an einer Stelle poröser Bindung zwischen Zylinderlaufbüchse und Gehäusebasis­ werkstoff,

Fig. 7 einen ähnlichen metallographischen Querschnitt wie nach Fig. 6 und bei gleicher Vergrößerung wie Fig. 6, je­ doch an einer Stelle ohne Bindung zwischen Zylinder­ laufbüchse und Gehäusebasiswerkstoff,

Fig. 8a bis 8f eine Folge von Ultraschall-Remissions-Aufnahmen der Laufflächen von eingegossenen und vor dem Eingießen erfindungsgemäß außenseitig aufgerauhten Zylinderlauf­ büchsen eines sechszylindrigen Kurbelgehäuses, die Ver­ teilung der Bindung zwischen Zylinderlaufbüchse und Ge­ häusebasiswerkstoff über der - abgewickelten - Mantel­ fläche der Zylinderlaufbüchse zeigend, wobei der kreuz­ schraffierte, eine gute stoffschlüssige Bindung reprä­ sentierende Bereich anteilig eine große Fläche ein­ nimmt,

Fig. 9a bis 9h zum Vergleich eine ähnliche Folge von Ultra­ schall-Remissions-Aufnahmen eines prinzipiell bauglei­ chen, jedoch achtzylindrigen Kurbelgehäuses, bei dem die Büchsenrohlinge außenseitig in konventioneller Wei­ se spanabhebend überdreht waren, wobei der kreuzschraf­ fierte Bereich einer guten Bindung anteilig eine kleine Fläche einnimmt,

Fig. 10 eine Verfahrensanordnung zum Partikelstrahlen der Au­ ßenfläche des Laufbüchsenrohlinges,

Fig. 11 eine vergrößerte Einzeldarstellung einiger weniger scharfkantig gebrochener Hartstoff-Partikel, die beim erfindungsgemäßen Oberflächenstrahlen verwendet werden und

Fig. 12 ein Diagramm mit verschiedenen Häufigkeitsverteilungen der Größe der Strahlpartikel im Neuzustand, nach Ge­ brauch und nach Pflege des Strahlmaterials.

Die in Fig. 1 partiell dargestellte Hubkolbenmaschine enthält ein Kurbelgehäuse 2 aus Druckguß, in der nach oben freistehende Zylindermäntel 4 (in sog. open-deck-Bauweise) zur Aufnahme ei­ ner Zylinderlaufbüchse 6 angeordnet sind, in denen ein Kolben 3 auf und ab beweglich geführt ist. Oben auf dem Kurbelgehäuse 2 ist unter Zwischenfügung einer Zylinderkopfdichtung ein Zylin­ derkopf 1 mit den Einrichtungen für einen Ladungswechsel und die Ladungszündung angebracht. Innerhalb des Kurbelgehäuses ist um den Zylindermantel 4 herum ein Hohlraum zur Bildung eines Wassermantels 5 für die Zylinderkühlung vorgesehen.

Die Zylinderlaufbüchse 6 wird zuvor als Einzelteil nach einem hier nicht näher interessierenden Verfahren in einer vorzugs­ weise übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung herge­ stellt, dann als Rohteil in das Kurbelgehäuse 2 eingegossen und gemeinsam mit dem Kurbelgehäuse fertig bearbeitet.

Wichtig beim Eingießen der Zylinderlaufbüchse in das Kurbelge­ häuse ist, daß auf einem möglichst großen Flächenanteil eine gute, ungestörte stoffschlüssige Verbindung zwischen Büchsen­ werkstoff und Gehäusewerkstoff zustandekommt. Zu diesem Zweck weist der Rohling 9 auf seiner vom Werkstoff 16 des Leichtme­ tall-Kurbelgehäuses 2 zu umfassenden, außenseitigen Oberfläche 10 eine gewisse Mindestrauheit von Rauheit 20 µm, vorzugsweise von 30 bis 60 µm auf, wobei die Topographie dieser Oberfläche durch spitz auslaufende, in grober Näherung pyramidenähnliche oder lanzettartige Materialausschülpungen oder Materialaufwer­ fungen 11 gebildet ist. Die außen spitz auslaufenden, in ihrer Form und Größe stochastisch ausgebildeten und annähernd gleich­ mäßig über die Oberfläche 10 verteilten Materialerhebungen 11 gehen an ihrer Basis breitflächig ungestört in den Basiswerk­ stoff der Zylinderlaufbüchse über. Beim Zusammentreffen der Schmelze des Gehäusewerkstoffes mit der Außenfläche 10 der Zy­ linderlaufbüchse schmelzen die Spitzen dieser vielen kleinen Materialerhebungen trotz einer Oxidhaut schlagartig an, weil auf dieser kleinen Kontaktzone die über den Schmelze-Kontakt zugeführte Wärmeenergie ausreichend hoch und der Wärmeabfluß in die Tiefe des Werkstoffes zunächst noch gering ist, so daß lo­ kal genügend Energiedichte zur Verfügung steht, um die Barriere der Oxidhaut lokal überwinden zu können. Die eingeleiteten An­ schmelzungen breiten sich sehr rasch in der oberflächennahen Schicht auf der Kontaktseite des Büchsenrohlings aus. Wegen des raschen Voranschreitens eines einmal begonnenen Anschmelzvor­ ganges und wegen der sehr dichten Besetzung der Kontaktseite mit solchen Initialisierungsstellen wachsen die begonnenen An­ schmelzungen sehr schnell zu einer zusammenhängenden oberflä­ chennahen Anschmelzzone zusammen. Die Anschmelzung breitet sich also rasch in der Fläche aus, dringt aber nur relativ wenig in die Tiefe der Büchsenwandung ein, so daß nahe der Kolbenlauf­ seite der Büchse das Gefüge unbeeinflußt bleibt, wobei hier auch noch ein Bearbeitungsaufmaß von wenigstens 1 mm zu berück­ sichtigen ist. Es kommt beim Eingießen trotz eines geringen Temperaturniveaus der in das Gießwerkzeug eingelegten Zylinder­ laufbüchsen breitflächig eine gute stoffschlüssige Verbindung zwischen Zylinderlaufbüchse und Kurbelgehäuse zustande. Dank des geringen Temperaturniveaus, beispielsweise Raumtemperatur, lassen sich die Zylinderlaufbüchsen problemlos handhaben und lagern. Die gute Bindung beim Eingießen kommt sogar auch dann noch zustande, wenn die in das Gießwerkzeug eingelegten Zylin­ derlaufbüchsen mittelbar über den werkzeugseitigen Zentrier­ dorn, auf den sie lagedefiniert aufgesteckt sind, gekühlt wer­ den. Durch diese Kühlung, beispielsweise aufgrund einer Wasser­ durchströmung des Zentrierdornes, können nicht nur die Abkühl­ zeiten des Gußstückes reduziert und somit die Produktivität ge­ steigert werden, sonder es kann auch eine u. U. gefügeverändern­ de Erwärmung des Büchsengefüges weit unterhalb der Schmelztem­ peratur verhindert werden.

Die Qualität der erzielbaren, guten stoffschlüssigen Verbindung sei nachfolgend anhand der Fig. 5 bis 9 näher erläutert. In der Figurenfolge 5, 6 und 7 sind drei grundsätzlich unter­ scheidbare Bindungsqualitäten in einem metallographischen Quer­ schnitt aus der Kontaktzone 17 zwischen eingegossener Zylinder­ laufbüchse und Gehäusebasiswerkstoff - Detail V gemäß Fig. 1 - gezeigt.

Fig. 5 zeigt in einer sehr starken, durch einen gedehnten Maß­ stab angedeutete Vergrößerung eine gute stoffschlüssige Bindung zwischen Zylinderlaufbüchse und Gehäusebasiswerkstoff, die in den Darstellungen der Fig. 8a bis 8f bzw. 9a bis 9h kreuz­ schraffiert angedeutet ist. Die Darstellung der Fig. 5 läßt deutlich den ungestörten Übergang des Werkstoffes 15 der Zylin­ derlaufbüchse in den Werkstoff 16 des Kurbelgehäuses an der ehemaligen Kontaktzone 17 erkennen.

Fig. 6 zeigt einen ähnlichen metallographischen Querschnitt wie Fig. 5, jedoch bei einer um den Faktor 10 geringeren Ver­ größerung, erkennbar an dem angegebenen Maßstab, an einer Stel­ le poröser Bindung zwischen Zylinderlaufbüchse und Gehäuseba­ siswerkstoff, deren Erstreckung in den Darstellungen der Fig. 8a bis 8f bzw. 9a bis 9h punktiert dargestellt ist. Es wechseln hier kleine Stellen guter Bindung mit ausgedehnteren Bereichen einer frontartigen Absetzung der unterschiedlichen Werkstoffe, in die auch Lufteinschlüsse eingelagert sind.

In dem bei gleicher Vergrößerung wie Fig. 6 gezeigten, metal­ lographischen Querschnitt nach Fig. 7 ist einer Stelle ohne Bindung zwischen Zylinderlaufbüchse und Gehäusebasiswerkstoff zu sehen; solche Bereiche sind in den Darstellungen der Fig. 8a bis 8f bzw. 9a bis 9h weiß gelassen. An der Kontaktzone 17 sind hier ein kleiner Spalt von wenigstens 1 µm Spaltweite und mehrere Lufteinschlüsse zu erkennen.

In den Fig. 8a bis 8f einerseits bzw. den Fig. 9a bis 9h andererseits sind Ultraschall-Remissions-Aufnahmen (dazu nähe­ res weiter unten) der Laufflächen von eingegossenen und vor dem Eingießen außenseitig unterschiedlich behandelten Zylinderlauf­ büchsen eines sechs- bzw. achtzylindrigen Kurbelgehäuses ge­ zeigt, wobei die Fig. 8a bzw. 9a dem ersten Zylinder, 8b bzw. 9b dem zweiten Zylinder usw. und die Fig. 8f dem sechsten bzw. Fig. 9h dem achten Zylinder des Kurbelgehäuses zugeordnet ist. Es handelt sich in beiden Fällen um Motoren mit V-förmiger Anordnung der Zylinderbänke, weshalb die Remissionsaufnahmen der einzelnen Zylinder in zwei Reihen angeordnet sind. Die lan­ gen Seiten der Rechtecke entsprechen dem oberen bzw. der unte­ ren Ende der Zylinderlauffläche. Die kurzen Seiten entsprechen der Mantellinie der Laufflächen, die zur Vorderseite oder Steu­ ergehäuseseite der Brennkraftmaschine weist; die vertikale Mit­ tellinie der rechteckigen Mantelfläche weist zur hinteren Seite des Motors hin, wo das Getriebe angeordnet ist. Die vertikalen Ein-Viertel-Teilungslinien bzw. die Drei-Viertel-Teilungslinien der Aufnahmen muß man sich an den Seiten der Zylinderreihen liegend vorstellen. Und zwar entsprechen die zur Mitte der Fig. 8 bzw. 9 zugekehrt liegenden o.g. Teilungslinien der Re­ missionsaufnahmen den zur Mitte des V-Motors zugekehrt liegen­ den Mantellinien, also denen auf der Einlaßseite, wogegen die zum Figurenrand zugekehrt liegenden Teilungslinien den außen­ seitig liegenden Mantellinien - auf der Auslaßseite - entspre­ chen.

Solche Ultraschall-Remissions-Aufnahmen werden unter Wasser ge­ wonnen, wobei das Wasser als Ausbreitungs- und Kontaktmedium zwischen Ultraschallquelle bzw. -empfänger einerseits und zu untersuchendem Objekt andererseits dient. Das Wasser und der Wandungswerkstoff stellen gewissermaßen ein mehr oder weniger homogenes Ausbreitungsmedium für den Ultraschall dar, welches durch Fehlstellen im Metall, beispielsweise quer zur Ausbrei­ tungsrichtung liegende Spalte oder nicht-stoffschlüssige Kon­ taktstellen gestört ist. Derartige Fehlstellen vermag der Ul­ traschall nur zu einem geringen Bruchteil zu überbrücken, woge­ gen der größere Anteil der primären Schallenergie an solchen Fehlstellen reflektiert wird. Zentrisch in der Mitte der zu prüfenden Zylinderlaufbüchse wird auf einer bestimmten Höhe und mit einer bestimmten Orientierung ein Ultraschallsender, der zugleich Ultraschallempfänger ist, angeordnet. Der Ultraschall­ sender emittiert eng gebündelt ein sehr kurzes Ultraschallsi­ gnal und der Ultraschallempfänger empfängt das von der Zylin­ derwand reflektierte Echo, wobei nicht die Laufzeit sondern die Intensität des Echos erfaßt wird. Durch diese Art der Ultra­ schalluntersuchung werden nichtmetallische Einschlüsse inner­ halb des zu untersuchenden Objektes durch einen Anstieg der In­ tensität des remitierten Schalles detektiert, ähnlich wie in ei­ nem Gas Staubpartikel, Rauch o. dgl. durch Einstrahlen eines hel­ len Lichtes sichtbar gemacht werden können. An Stellen einer störungsfreien, guten stoffschlüssigen Bindung zwischen einge­ gossener Zylinderlaufbüchse und Kurbelgehäuse - gemäß Fig. 5 - geht der emittierte Ultraschallimpuls nahezu echofrei durch die störungsfreie Wandung hindurch; die Intensität des Echos ist hier sehr gering. An durch Lufteinschlüsse und kleine Spalte gestörten Stellen - Fig. 6 - ist die Intensität des remittier­ ten Ultraschalles sehr viel größer, wogegen bei flächenhaft ausgedehnten Spalten - Fig. 7 - ein sehr hoher Anteil des aus­ gesandten Ultraschalles zurückgeworfen wird. Mit einer solchen Versuchsanordnung kann man nun mit hoher örtlicher Auflösung die gesamte Oberfläche einer Zylinderlaufbüchse zeilenweise ab­ fahren und erhält dadurch Ultraschall-Remissions-Aufnahmen über der abgewickelten Mantelfläche der Zylinderlaufbüchse, wie sie in den Fig. 8a bis 8f bzw. 9a bis 9h zu sehen sind.

Die Ultraschall-Remissions-Aufnahmen nach den Fig. 8a bis 8f zeigen eine gute Bindung zwischen Zylinderlaufbüchse und Gehäu­ sebasiswerkstoff. Diese Zylinderlaufbüchsen wurden vor dem Ein­ gießen an ihrer Außenseite 10 erfindungsgemäß aufgerauht. Der kreuzschraffierte, eine gute stoffschlüssige Bindung repräsen­ tierende Bereich nimmt hier anteilig eine große Fläche ein - etwa 80 bis 95%. Lediglich bei einigen Zylindern sind in ge­ triebe- bzw. einlaßseitig liegenden Zonen geringere, von ihrer Größe her tolerierbare Stellen mit schlechter Bindung enthal­ ten. Keine Umfangsstelle der Zylinderlaufbüchse ist ganz ohne stoffschlüssige Anbindung an den Gehäusewerkstoff. Soweit der Bereich einer stoffschlüssige Anbindung axial nur kurz ist, so ist dies auf den Bereich einer einzigen, lokal geringen Um­ fangsstelle einiger Zylinder beschränkt. Im übrigen reproduzie­ ren sich diese Bilder weder bei den einzelnen Zylindern eines Kurbelgehäuses noch bei nacheinander gegossenen Kurbelgehäusen. Durch Optimierungsmaßnahmen insbesondere bei der Schmelzefüh­ rung lassen sich hier sicherlich noch Verbesserungen erzielen.

Im Bereich des oberen Randes der einzelnen Remissionsaufnahmen von Fig. 8 ist ein schmaler Streifen ohne stoffschlüssige An­ bindung vorhanden, was nicht weiter verwunderlich ist, weil das Umgießen entsprechend der Gießlage und der Schmelzeführung von unten nach oben erfolgt und der obere Bereich von der Schmelze zuletzt erreicht wird. Nachdem dieser schlecht angebundene Be­ reich jedoch im Bereich des sog. Feuersteges des Kolbens ober­ halb der Kolbenringe liegt, ist aus Gründen einer geringen Schadstoffemission in diesem Bereich eine höhere Zylinderwand­ temperatur durchaus erwünscht und ein etwaiger montagebedingter Zylinderverzug absolut vernachlässigbar.

Demgegenüber zeigen die am Beispiel eines prinzipiell bauglei­ chen, jedoch achtzylindrigen Kurbelgehäuses gewonnenen Ultra­ schall-Remissions-Aufnahmen nach den Fig. 9a bis 9h zum Ver­ gleich, wie vergleichsweise schlecht das Bindungsergebnis ist, wenn die Büchsenrohlinge außenseitig in konventioneller Weise spanabhebend überdreht werden. Zwar reproduzieren sich hier die Verteilungen guter und schlechter Anbindung der zusammenzugie­ ßenden Teile relativ gleichmäßig, jedoch sind die Ergebnisse hier sehr schlecht. Und zwar nimmt in den Remissionsaufnahmen nach Fig. 9 der kreuzschraffierte Bereich einer guten Bindung anteilig eine nur sehr kleine Fläche ein - etwa 20%. Die Stel­ len einer guten Bindung liegen alle - entsprechend der Schmel­ zeführung - auslaßseitig im Kurbelgehäuse. Der Anteil ohne Bin­ dung oder mit einer gestörten Bindung ist sehr hoch und würde u. U. eine geordnete Abfuhr der Betriebs-Abwärme der Brennkraft­ maschine in das Kühlwasser zumindest in bestimmten Last- und/oder Umgebungsbedingungen beeinträchtigen. Es würde darüberhin­ aus sowohl in Umfangs- als auch in Axialrichtung zu einer un­ gleichen Temperaturverteilung in der Zylinderlaufbüchse und demgemäß zu einer recht ungleichmäßigen thermischen Verformung der Büchse kommen, die ein größeres Kolbenspiel erforderlich machen würde, was wiederum wegen des größeren Spaltvolumens zwi­ schen Kolbenumfang und Zylinderlauffläche einen höheren Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas zu Folge hätte. Weiterhin wäre bei den unvollkommen eingegossenen Zylinderlauf­ büchsen nach den Fig. 9a bis 9h zu beanstanden, daß sie an großen Umfangsbereichen axial an keiner Stelle mit dem Gehäuse­ werkstoff verbunden sind und an diesen Stellen axial unter dem Druck der Zylinderkopfdichtung örtlich axial nachgeben können, was nicht nur zu einer ungleichen Verteilung der Anpreßkraft der Zylinderkopfdichtung führt, sondern auch die ungleiche Ver­ formung der Zylinderlaufbüchse erhöht. Ungleiche Laufflächen­ formen, d. h. im Bereich von wenigen µm von der Kreisform und von der geradlinigen Mantelform abweichende Zylinderformen sind ungünstig im Hinblick auf einen ruhigen Kolbenlauf und eine gu­ te Dichtwirkung der Kolbenringe. In Fällen eines nicht an­ schmelzenden Eingießens von Zylinderlaufbüchsen hat man schon endseitig an den Büchsen außen Sicherungsbunde angeformt, die einen axialen Formschluß der Büchse im Kurbelgehäuse sichern und ein axiales lockern der Büchse verhindern sollen. Diese Bunde sind jedoch meist nur durch einen zusätlichen Bearbei­ tungsgang - spanabhebendes Drehen im Bereich zwischen den Bun­ den - und durch einen erhöhten Rohstoffeinsatz darstellbar.

Um die erfindungsgemäße Aufrauhung an einem einzugießenden Roh­ ling einer Zylinderlaufbüchse herstellen zu können, wird zu­ nächst ein rohrförmiges Rohteil hergestellt und auf Sollform und Sollmaß bearbeitet. Zum Aufrauhen der vom Werkstoff 16 des Leichtmetall-Kurbelgehäuses 2 zu umfassenden, außenseitigen Oberfläche 10 des Rohlings 9 wird diese mit scharfkantig gebro­ chenen Partikeln 13 aus einem spröden Hartwerkstoffes, vorzugs­ weise Edelkorund, gestrahlt, die von einem mittels Düse 18 ge­ richteten Luftstrahl 12 mitgenommenen werden. Der luftgetragene Partikelstrahl wird etwa quer, d. h. unter einem Winkel α von etwa 90 ± 45° auf die Behandlungsstelle der Oberfläche 10 des Rohlings 9 gerichtet. Bei ihrem Aufprall auf den Rohling 9 rau­ hen die Partikel dessen Oberfläche 10 auf und werfen das Mate­ rial pyramidenähnlich oder lanzettartig zu Materialaufwerfungen 11 auf oder schülpen es aus und bilden dadurch spitze oder scharfkantige Materialerhebungen, die an ihrer Basis breitflä­ chig in den Basiswerkstoff übergehen. Der partikeltragende Luftstrahl muß hinsichtlich seiner wesentlichen Parameter, ins­ besondere bezüglich Strömungsgeschwindigkeit bzw. Auftreffge­ schwindigkeit der Partikel auf die Außenfläche und Partikel­ dichte im Luftstrom optimiert werden, wobei hier die gewünschte Oberflächentopographie der gerauhten Außenfläche und eine opti­ male metallurgischen Anbindung der Büchse an den Umguß-Werk­ stoff als Optimierungsergebnis im Vordergrund stehen. Derartige Parameteroptimierungen sind jedoch für den Fachmann auf dem Ge­ biet des Partikelstrahlens durchaus zumutbar.

Die verwendeten Partikel 13 des Hartwerkstoffes weisen eine mittlere Korngröße d von etwa 70 µm auf. Die Größe dieses Mit­ telwertes bestimmt wesentlich das Maß der erzielten Rauheit mit. Die mittlere Korngröße sollte größer sein als die ange­ strebte Rauheit. Bei einer mittleren Korngröße des scharfkantig gebrochenen Strahlmaterials von etwa 70 µm ist eine Rauheit von etwa 30 bis 60 µm erzielbar. Bei der Angabe der mittleren Korn­ größe handelt es sich um einen statistischen Mittelwert, der - wie das Diagramm nach Fig. 12 veranschaulichen soll - gemäß einer glockenförmigen Häufigkeitsverteilung 19 nach oben und unter über- bzw. unterschritten werden kann. Zwar wird durch den Aufprall der Partikel 13 auf die Außenfläche 10 auch Gewalt auf die Partikel ausgeübt, so daß zumindest ein Teil von ihnen dabei zu Bruch gehen wird. Es wird sich also während des Parti­ kel-Strahlens die Korngröße der verwendeten Hartstoffpartikel in Richtung zu kleineren mittleren Korngrößen (d′′) verschieben, wie dies in Fig. 12 durch die strichpunktiert gezeichnete Häu­ figkeitsverteilung 20 angedeutet ist. Durch ständiges oder durch wiederholt-fallweises Abfiltern einer Feinfraktion - der linke Bereich 14 in dem Verteilungsdiagramm nach Fig. 12 - aus dem Partikelstrom und durch Nachschub einer massemäßig etwa gleichgroßen Menge eines frischen Partikelgemisches kann eine Häufigkeitsverteilung 21 um einen mittleren Partikeldurchmesser d′ erreicht werden, der nur geringfügig kleiner als der ur­ sprüngliche mittlere Durchmesser d ist. Durch diese Pflege des Partikelgemisches kann eine etwa gleichbleibende Partikelgröße und somit eine etwa gleichbleibende Oberflächenrauheit erzielt werden.

Wichtig bei der Auswahl und Pflege des Strahlmaterials ist, daß nicht nur die Partikelgröße sondern auch die Partikelform opti­ mal ist und durch geeignete Pflegemaßnahmen auch optimal bleibt. Zu bevorzugen sind splitterförmige, lanzettförmige, te­ traedrische, pyramidenförmige Partikel mit spitzen Ecken, woge­ gen kubische oder gar globulare Partikel für das vorliegend an­ gestrebte Aufrauhen ungünstig sind. Soweit die Partikel durch den Aufprall auf das Werkstück zu Bruch gehen, ist es besser, wenn sie u. U. nach einem mehrmaligen Gebrauch total zerbrechen und in eine ausscheidbare Feinfraktion zerfallen, als daß sie lediglich ihre Ecken abstoßen und eine Kieselsteinform anneh­ men. Derartig "verrundete" Partikel würden nicht den gewünsch­ ten Aufrauheffekt erbringen, sondern würden - unter dem Mikro­ skop betrachtet - eher eine relativ glatte Hammerschlagstruktur auf der gestrahlten Oberfläche hinterlassen. Das gewünschte Bruchverhalten ist vor allem bei spröden Werkstoffen zu beob­ achten.

Claims (10)

1. In ein Leichtmetall-Gußteil einzugießender Rohling eines an­ deren Leichtmetallteiles, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling (9) auf seiner vom Werkstoff (16) des Leichtme­ tall-Gußteiles (2) zu umfassenden, außenseitigen Oberfläche (10) eine Rauheit von mehr als 20 µm aufweist, wobei die Topo­ graphie dieser Oberfläche durch spitz auslaufende, in grober Näherung pyramidenähnliche oder lanzettartige Materialausschül­ pungen oder Materialaufwerfungen (11) gebildet ist, die an ih­ rer Basis unmittelbar in das Basisgefüge des Büchsenrohlinges übergehen.

2. Rohling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihrer Form und Größe stochastisch ausgebildeten, py­ ramidenähnlichen oder lanzettartigen Materialausschülpungen oder Materialaufwerfungen (11) im statistischen Mittel annä­ hernd gleichmäßig über die Oberfläche (10) verteilt sind.

3. Rohling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rautiefe des Rohlings (9) auf seiner außenseitigen Oberfläche (10) etwa 30 bis 60 µm beträgt.

4. Rohling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einzugießende Leichtmetallteil eine Zylinderlaufbüchse (9) und das dieses Leichtmetallteil aufnehmende Leichtmetall- Gußteil ein Druckguß-Kurbelgehäuse (2) einer Hubkolbenmaschine (8) ist.

5. Rohling nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff (15) der Zylinderlaufbüchse (9) eine übereu­ tektische Aluminium/Silizium-Legierung ist.

6. Verfahren zum Herstellen eines in ein Leichtmetall-Kurbel­ gehäuse einer Hubkolbenmaschine einzugießenden Rohlinges einer Zylinderlaufbüchse aus ebenfalls einer Leichtmetall-Legierung, bei dem zunächst ein rohrförmiges Rohteil hergestellt und auf Sollform und Sollmaß bearbeitet wird, insbesondere zur Herstel­ lung einer Zylinderlaufbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Werkstoff (16) des Leichtmetall-Kurbelgehäuses (2) zu umfassende, außenseitige Oberfläche (10) des Rohlings (9) mit von einem gerichteten Gasstrahl (12) mitgenommenen, scharf­ kantig gebrochenen Partikeln (13) aus einem spröden Hartwerk­ stoff gestrahlt wird, die bei ihrem Aufprall auf den Rohling (9) dessen Oberfläche (10) aufrauhen und das Material pyrami­ denähnlich oder lanzettartig ausschülpen oder aufwerfen (11)

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Hartwerkstoff zum Partikelstrahlen der Außenfläche (10) Korund, vorzugsweise Edelkorund verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Partikel (13) des Hartwerkstoffes eine mittlere Korngröße (d) von etwa 70 µm aufweisen.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der luftgetragene Partikelstrahl unter einem Winkel (α) von etwa 90 ± 45° auf die Behandlungsstelle der Oberfläche (10) des Rohlings (9) gerichtet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus den verwendeten Partikeln (13) des Hartwerkstoffes eine beim Strahlen aufgrund eines Zerbrechens der Partikel (13) sich bildende Feinfraktion (14) laufend abgeschieden und dadurch so­ wie durch Zugabe von massemäßig etwa gleichviel neuen Partikeln (13) mit einer bestimmten mittleren Korngröße (d) die mittlere Korngröße (d′) des im Betrieb befindlichen Strahlmaterials zu­ mindest annähernd erhalten wird.