DE19745725A1 - Method of making a composite casting - Google Patents
Method of making a composite castingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundgußteils aus Leichtmetallegierung mit einem eingegossenen Eingußkörper. Bei der Leichtmetallegierung kann es sich um Magnesiumlegierung oder aber in bevorzugter Weise um Aluminiumlegierung handeln. Werden beispielsweise Zylinderblöcke für Brennkraftmaschinen hergestellt, so besteht das Problem, metallische Eingußkörper, wie z. B. Laufbüchsen oder Lagerverstärkungen, unter Ausbildung einer metallischen Bindung einzugießen.The invention relates to a method for producing a Composite casting made of light metal alloy with one cast casting body. With the light metal alloy it can be magnesium alloy or more preferred Trade aluminum alloy wisely. For example Cylinder blocks for internal combustion engines manufactured, so there is the problem of metallic casting, such. B. Liners or bearing reinforcements, forming a Pour metallic bond.
Die Erzeugung eines metallischen Verbundes beispielsweise
zwischen Aluminiumeingußkörpern und dem Aluminiumumguß ist
schwierig, da der einzugießende Aluminiumkörper mit einer
Oxidhaut überzogen ist, die aufgrund ihrer hohen
Schmelztemperatur durch den Umguß nicht erschmolzen sondern
nur in Einzelfällen zerstört und weggeschwemmt werden kann.
Desweiteren gestaltet sich das Anschmelzen der Oberfläche
eines Aluminiumeingußkörpers - wenn nicht eine niedrig
schmelzende Hilfsschicht aufgebracht wurde - aufgrund der
hohen Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums als schwierig.
Einerseits muß die Grenzfläche des Eingußkörpers durch den
Umguß auf etwas oberhalb der Eutektikumstemperatur, also in
das heterogene Gebiet der Eingußkörper-Legierung, erwärmt
werden. Der Wärmeeintrag darf aber nicht zu einem zu tiefen
Aufschmelzen des Körpers führen. Die oxidüberzogene
Eingußoberfläche wird bei druckarmen Gießverfahren vom
Umguß schlecht benetzt, so daß der Wärmekontakt schwankend
und nicht reproduzierbar vorhersagbar ist. Andererseits wird
infolge der hohen Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums eines
Aluminiumeingußkörpers die übertragene Wärme sehr schnell
tief in den Eingußkörper hinein abgeführt. Es bestehen
mehrere Probleme:
It is difficult to create a metallic bond, for example, between cast aluminum bodies and the cast aluminum, since the cast aluminum body is coated with an oxide skin, which due to its high melting temperature cannot be melted by the cast, but can only be destroyed and washed away in individual cases. Furthermore, the melting of the surface of an aluminum casting body - unless a low-melting auxiliary layer has been applied - is difficult because of the high thermal conductivity of the aluminum. On the one hand, the boundary surface of the casting body must be heated by the casting to a little above the eutectic temperature, that is to say into the heterogeneous area of the casting body alloy. However, the heat input must not lead to the body melting too deeply. The casting surface coated with oxide is poorly wetted by the overmolding in low-pressure casting processes, so that the thermal contact fluctuates and is not reproducibly predictable. On the other hand, due to the high thermal conductivity of the aluminum of an aluminum casting body, the heat transferred is very quickly dissipated deep into the casting body. There are several problems:
- - Der Leichtmetallegierung des Umgusses wird während des ersten Kontakts mit dem Eingußkörper sehr viel Wärme entzogen, so daß sie sehr stark überhitzt sein müßte, um an der Grenzfläche zum Eingußkörper das gewünschte Temperaturniveau zu erreichen. Die Wandstärkenverhältnisse sind nur in den seltensten Fällen geeignet, um dieses Temperaturniveau an der gesamten Eingußoberfläche zu gewährleisten.- The light alloy of the casting is made during the first contact with the casting body a lot of heat withdrawn so that it should be very overheated, to the desired at the interface to the pouring body To reach temperature level. The Wall thickness ratios are very rare Cases suitable to this temperature level at the to ensure the entire pouring surface.
- - Der Wärmeübergangskoeffizient zum Eingußkörper wird bei druckarmen Gießverfahren durch den Oberflächenzustand des Eingußkörpers stark beeinflußt und läßt sich daher nur sehr schwer reproduzieren bzw. vorhersehen.- The heat transfer coefficient to the casting body is at low-pressure casting process due to the surface condition of the casting body strongly influenced and can therefore very difficult to reproduce or predict.
- - Bei dünnwandigen Eingußkörpern, die großflächig an Wänden der Form aufliegen, wirkt sich die Temperatur der Gießform und der Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Eingußkörper und Form stark auf den Wärmeabfluß und damit auf die Grenzflächentemperatur aus. Der Wärmeübergang des Eingußkörpers zur Form wird ferner durch Schlichteanhaftungen oder Schmierstellen lokal erheblich beeinflußt, so daß eine prozeßfähige reproduzierbare Qualität des Verbunds zwischen Eingußkörper und Umguß nicht möglich ist. In einigen Fällen verbleibt eine trennende mehr oder minder geschlossene, die Ausbildung eines metallischen Verbunds nicht zulassende Oxidhaut an der Oberfläche des Eingußkörpers. Daneben wird es auch Bereiche mit metallurgisch verbundenen Grenzflächen geben.- In the case of thin-walled cast-in bodies that cover a large area Walls of the mold rest, the temperature of the Casting mold and the heat transfer coefficient between Cast body and shape strongly on the heat flow and the interface temperature. Of the Heat transfer of the casting body to the mold is also due to size buildup or lubrication points locally significantly influenced, so that a process reproducible quality of the association between Pouring body and casting is not possible. In some Cases remains a more or less divisive closed, the formation of a metallic composite non-permissible oxide skin on the surface of the Pouring body. Besides that there will also be areas with give metallurgically connected interfaces.
Wenn vorstehend von einer Oxidhaut gesprochen wird, so ist dies im weitesten Sinne zu verstehen. Je nach der Umgebung, der der Eingußkörper vor dem Eingießen ausgesetzt war, kann die Oxidhaut beispielsweise auch Nitride, Hydroxide oder andere Bestandteile umfassen.If an oxide skin is mentioned above, then it is to understand this in the broadest sense. Depending on the environment, to which the casting body was exposed before pouring the oxide skin, for example, also nitrides, hydroxides or include other ingredients.
Die vorstehend geschilderte Problematik ist an sich bekannt. Es wurde mit der DE 42 12 716 A1 bereits vorgeschlagen, einen Aluminiumeingußkörper zunächst einer Beizenbehandlung mit Lauge oder Säure zu unterziehen, um die Aluminiumoxidhaut abzutragen. Anschließend wird die Oberfläche des Aluminiumeingußkörpers durch Eintauchen in eine Zinkatbeize mit Zink abgesättigt, so daß eine erneute Oxidation an der Aluminiumoberfläche des Eingußkörpers verhindert wird.The problem described above is known per se. DE 42 12 716 A1 has already proposed one Cast aluminum body first with a pickling treatment Undergo lye or acid to the alumina skin to ablate. Then the surface of the Cast aluminum body by immersion in a zincate stain saturated with zinc, so that a new oxidation at the Aluminum surface of the casting body is prevented.
Das chemische Ätzen und das galvanische Abscheiden von Zink ist einerseits mit hohen Kosten und andererseits infolge der unvermeidbar auftretenden Galvanikschlämme mit einer erheblichen Umweltbelastung verbunden.Chemical etching and galvanic deposition of zinc is on the one hand with high costs and on the other hand as a result of inevitably occurring electroplating sludge with a significant environmental impact.
In der EP 0 498 719 A1 wird vorgeschlagen, nach einer Ätzbehandlung zum Entfernen der Oxidhaut auf der Oberfläche des Eingußkörpers eine erste diffusionsdichte Schicht galvanisch aufzutragen und auf diese eine zweite Schicht mit hohem Diffusionskoeffizienten in festem Zustand aufzubringen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine wirklich diffusionsdichte Schicht durch galvanischen Auftrag nicht erreicht werden kann. Im übrigen verbleiben die Nachteile der Ätzbehandlung.In EP 0 498 719 A1 it is proposed to use a Etching treatment to remove the oxide skin on the surface of the casting body a first diffusion-tight layer apply galvanically and a second layer on top of it high diffusion coefficient in the solid state. However, it has been shown to be a real one diffusion-proof layer not by galvanic application can be achieved. For the rest, the disadvantages of Etching treatment.
Besteht der Eingußkörper aus einem artfremden Material, wie z. B. Eisen, so ist nur in den seltensten Fällen mit einer lokalen Legierungsbildung zwischen dem Umguß und dem Eingußkörper zu rechnen. Die Löslichkeit von Eisen in z. B. Magnesium-Legierung ist sehr klein (Magnesium wird z. B. in Eisentiegeln geschmolzen). Die Löslichkeit von Eisen in Aluminium ist deutlich höher als in Magnesium. Die sich vereinzelt bildenden Aluminium-Eisen-Phasen sind aber sehr spröde und zerbrechen meist schon beim Erstarren, so daß praktisch keine metallische Bindung zwischen Aluminium-Umguß und Eisen-Eingußkörper erzeugt wird. Das bekannte Alfinieren von Eisenkörpern in Aluminium-Schmelzen benötigt eine wesentlich längere Verweildauer des Eisenkörpers in einer flüssigen Aluminium-Schmelze als dies bei dem Gießprozeß auftritt, es muß daher vor dem eigentlichen Gießprozeß durchgeführt werden.Is the casting body made of an alien material, such as e.g. B. iron, is rarely with one local alloying between the casting and the Cast body to count. The solubility of iron in e.g. B. Magnesium alloy is very small (e.g. magnesium is used in Iron crucibles melted). The solubility of iron in Aluminum is significantly higher than in magnesium. Which isolated aluminum-iron phases are very brittle and break mostly on solidification, so that practically no metallic bond between cast aluminum and cast iron body is produced. The well-known finishing of iron bodies in aluminum melts requires one much longer dwell time of the iron body in one liquid aluminum melt than this in the casting process occurs, it must therefore before the actual casting process be performed.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Ausbildung einer metallurgischen Bindung zwischen Eingußteil und Leichtmetallegierung zu verbessern und reproduzierbar zu erreichen.Proceeding from this, the present invention is the Task based on the training of a metallurgical Bond between the casting and light metal alloy improve and achieve reproducible.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, daß dadurch gekennzeichnet ist, daß auf die Oberfläche des zuvor hergestellten Eingußkörpers eine oder mehrere Schicht(en) aus teilerschmolzenen Metallegierungspartikeln, vorzugsweise aus Nickel oder Nickel- oder Molybdänlegierung, aufgesprüht wird bzw. werden und durch die hiermit verbundene mechanische Impulsbeaufschlagung eine an der Oberfläche des Eingußkörpers gebildete Oxidhaut zerstört wird und die hierbei anfallenden Oxidpartikel in der Schicht verteilt aufgenommen werden und daß der so behandelte Eingußkörper in eine Gießform eingesetzt und mit Leichtmetallegierung umgossen wird.This task is accomplished by a method of the type mentioned at the beginning Kind solved that is characterized in that on the Surface of the previously produced casting body one or several layers of partially melted Metal alloy particles, preferably made of nickel or Nickel or molybdenum alloy is sprayed on and the mechanical associated with it Impulse application on the surface of the Cast body formed oxide skin is destroyed and the resulting oxide particles distributed in the layer are recorded and that the cast body so treated inserted in a mold and with light metal alloy is cast around.
Mit der Erfindung wird also vorgeschlagen, auf eine mit starker Umweltbelastung verbundene Ätzbehandlung zum Abtragen der Oxidhaut zu verzichten und statt dessen unter mechanischer Einwirkung, d. h. durch den mechanischen Impuls der aufgesprühten angeschmolzenen bzw. teilerstorbenen Partikel, die Oxidhaut zu zerstören. Hierbei verbleiben die Oxide in der gebildeten Schmelzenschicht und stören die beim Eingießen gebildete metallurgische Bindung nur geringfügig. Die nach der Sprühbehandlung des Eingußkörpers an der Oberfläche der aufgesprühten Schicht sich bildenden Oxide und Hydroxide werden beim Gießprozeß durch die Leichtmetallegierung weggeschwemmt bzw. reduziert und als fein verteilte Oxide im Gußgefüge eingelagert.With the invention it is therefore proposed to use a severe environmental pollution associated etching treatment for removal to do without the oxide skin and instead under mechanical Exposure, d. H. through the mechanical impulse of sprayed-on melted or partially died particles, to destroy the oxide skin. The oxides remain in the melt layer formed and interfere with the pouring Metallurgical bond formed only slightly. The after the spray treatment of the casting body on the surface of the sprayed layer forming oxides and hydroxides are in the casting process by the light metal alloy washed away or reduced and as finely divided oxides in the Cast structure stored.
Mit der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß durch eine aufgesprühte Schicht aus teilerschmolzenen Metallegierungspartikeln, vorzugsweise aus Nickel- oder Molybdänlegierung, z. B. Ni95Al5 eine gute metallische Bindung und gleichzeitige Verklammerung an den rauhen Oberflächenstrukturen des so vorbehandelten Eingußkörpers in der Leichtmetallegierung, insbesondere Aluminiumlegierung erreicht wird. With the present invention it was recognized that by a sprayed-on layer of partially melted Metal alloy particles, preferably made of nickel or Molybdenum alloy, e.g. B. Ni95Al5 a good metallic Binding and simultaneous clinging to the rough Surface structures of the cast body pretreated in this way in the light metal alloy, in particular aluminum alloy is achieved.
Da die Eutektikumstemperatur von Al-Ni oberhalb der Eutektikumstemperatur des den Umguß bildenden Al-Si liegt, wäre eigentlich von einem Aufschmelzen von Al-Ni nicht auszugehen. Die Ausbildung einer guten metallischen Bindung des Eingußkörpers in dem Umguß könnte auf die hohe Diffusionsgeschwindigkeit des Nickels im Aluminium zurückzuführen sein. Beim Eingießen des Eingußkörpers kann Nickel aus der die Oberfläche des Eingußkörpers überdeckenden Al-Ni-Schicht herausdiffundieren und dadurch eine metallische Bindung mit dem Umguß ausbilden. Es hat sich auch gezeigt, daß Al-Ni nur eine sehr dünne Oxidhaut ausbildet, die beim Eingießen des Eingußkörpers kaum stört. Es hat sich des weiteren gezeigt, daß durch die geschilderte Vorgehensweise hohe Gestaltfestigkeiten erhalten werden können.Since the eutectic temperature of Al-Ni is above the Eutectic temperature of the Al-Si forming the encapsulation is wouldn't actually be from melting Al-Ni going out. The formation of a good metallic bond of the pouring body in the overmold could on the high Diffusion rate of nickel in aluminum to be attributed. When pouring the casting body can Nickel from the surface of the casting body diffuse out overlapping Al-Ni layer and thereby form a metallic bond with the casting. It has also found that Al-Ni is only a very thin oxide skin trains, which hardly disturbs when pouring the casting body. It has also been shown that the described Procedure high structural strength can be obtained can.
Die dauerhafte Haftfestigkeit einer Bindung zwischen zwei unterschiedlichen Materialien wird bekannterweise durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der benachbarten Materialien beeinträchtigt. Vorteilhaft ist es daher, wenn die Trennfläche nicht eben, sondern stark zerklüftet ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die auf den zu beschichtenden Eingußkörper auftreffenden Tropfen oder zumindest ein ausreichender Anteil von ihnen nicht komplett aufgeschmolzen sind. Die meist spitzförmigen Kristallite ragen aus der aufgetragenen Schicht heraus und vergrößern die Oberfläche der später beim Eingießen benetzten Grenzfläche. Die herausragenden Schichtspitzen heizen sich aber auch stärker auf und verschmelzen daher bevorzugt mit dem Umguß.The permanent bond strength of a bond between two different materials are known to be made by the different coefficients of thermal expansion of the neighboring materials impaired. It is advantageous therefore, if the interface is not flat, but strong is jagged. This is achieved according to the invention by that the cast body to be coated drops or at least a sufficient proportion of them have not melted completely. The most pointed crystallites protrude from the applied layer out and enlarge the surface of the later when Pour wetted interface. The outstanding Layer peaks also heat up more and therefore preferably merge with the casting.
Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die Schmelzenschicht im Lichtbogenspritzverfahren aufgebracht wird. Hierfür werden zwei Elektroden aus dem aufzutragenden Material oder eine Drahtelektrode und eine Permanentelektrode verwandt und zum Aufsprühen des erschmolzenen Materials mit einem Schutzgasstrom beaufschlagt. Indem die im Lichtbogen geschmolzenen Elektroden von dem Schutzgasstrom erfaßt und die hierbei gebildeten Schmelztröpfchen durch den Schutzgasstrom auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden, wird der zur Zerstörung der Oxidhaut erforderliche mechanische Impuls erreicht. Die beim Auftreffen mit festen Anteilen behafteten Schmelzentröpfchen reißen beim Auftreffen auf die Oberfläche des Eingußkörpers die Oxidhaut auf und bilden dort eine geschlossene die entstehenden Oxidpartikel oder -fetzen umfassende Schicht.It proves to be particularly advantageous if the Melt layer applied by arc spraying becomes. For this, two electrodes are made from the one to be applied Material or a wire electrode and a permanent electrode related and for spraying the melted material with a protective gas flow. By doing that in the arc melted electrodes from the protective gas stream and the melt droplets formed here by the Shielding gas flow accelerated to high speeds becomes necessary to destroy the oxide skin mechanical impulse reached. That when hitting with solid Portions of melted droplets tear when they hit on the surface of the casting body on the oxide skin and there form a closed the resulting oxide particles layer or scraps.
Zum erfindungsgemäßen Aufbrechen der Oxidschicht könnte auch das Plasmaspritzverfahren angewandt werden, wobei das Beschichtungsmaterial in Form eines Pulvers in ein Plasma eingetragen und dann in einem Schutzgasstrom auf die Oberfläche des Eingußkörpers aufgetragen wird. Der hierfür erforderliche Plasmagenerator ist jedoch aufwendiger, und das Beschichtungsmaterial muß in Pulverform vorliegen, so daß dieses Verfahren gegenüber dem Lichtbogenspritzverfahren teurer sein dürfte.The oxide layer according to the invention could also the plasma spraying method are used, the Coating material in the form of a powder in a plasma entered and then in a protective gas stream on the Surface of the casting body is applied. The one for this required plasma generator is more complex, and that Coating material must be in powder form so that this process compared to the arc spraying process should be more expensive.
Die Anwendung eines Flammspritzverfahrens ist grundsätzlich ebenfalls möglich. Dieses Verfahren ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß der Beschichtungswerkstoff durch die Flamme selbst partiell oxidiert wird. Die Spritzschicht beinhaltet daher einen stark erhöhten Oxydgehalt. Die Schicht selber wird dadurch geschwächt und auch die Bindungsfläche zwischen Schicht und Umguß reduziert.The application of a flame spraying process is fundamental also possible. However, this procedure is with the Disadvantageous that the coating material by Flame itself is partially oxidized. The spray layer therefore contains a greatly increased oxide content. The layer This weakens itself and also the binding surface reduced between layer and casting.
Es versteht sich, daß der Eingußkörper bevorzugtermaßen auf seiner gesamten Oberfläche in der erfindungsgemäßen Weise behandelt wird, bevor er in die Form eingelegt und mit Leichtmetallegierung umgossen wird. Besonders kritisch erweist sich das Eingießen aber im angußfernen Bereich der Form, da dort aus Gründen der Erstarrungscharakteristik naturgemäß die Anbindung am schlechtesten ist. Insoweit wird vorgeschlagen, den Eingußkörper zumindest in diesem Bereich in der erfindungsgemäßen Weise zu behandeln, um dort die Ausbildung einer metallurgischen Bindung zu verbessern.It is understood that the sprue body is preferably on its entire surface in the manner according to the invention is treated before it is placed in the mold and with Light metal alloy is cast. Particularly critical the pouring proves in the area of the Form because there for reasons of solidification characteristics the connection is naturally the worst. So far suggested the cast body at least in this area to treat in the manner according to the invention, there to Improve formation of a metallurgical bond.
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