DE19836706B4

DE19836706B4 - In ein Aluminium-Gußteil einzugießender Grauguß-Rohling und entsprechendes Gußverfahren

Info

Publication number: DE19836706B4
Application number: DE19836706A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Eberlein
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-08-13
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2018-08-14
Also published as: DE19836706A1

Abstract

In ein Aluminium-Gussteil einzugießender Grauguss-Rohling, dadurch gekennzeichnet, dass der Grauguss-Rohling auf seiner vom Werkstoff des Aluminium-Gussteils zu umfassenden Oberfläche eine Mangan enthaltende Beschichtung als Haftschicht aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen in ein Aluminium-Gussteil einzugießenden Grauguss-Rohling nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die Verwendung des Grauguss-Rohlings als Zylinderlaufbuchse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 sowie ein dazu geeignetes Gussverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Die Problematik einer guten, stoffschlüssigen Bindung beim Eingießen eines Grauguss-Rohlings in ein Aluminium-Gussteil wird am Beispiel einer Zylinderlaufbuchse aus Grauguss erläutert, die mit einem Aluminium-Gussteil als Kurbelgehäuse einer Hubkolbenmaschine aus Aluminiumlegierung umgossen werden soll: der traditionelle Werkstoff für Kurbelgehäuse ist lamellarer Grauguss. Aufgrund erheblicher Gewichtsvorteile und in dem Bemühen, den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen zu reduzieren, werden zunehmend mehr Kurbelgehäuse aus Aluminium hergestellt, wobei als weiterer Vorteil eine verbesserte Wärmeleitung erreichbar ist. Ein Problem bei Kurbelgehäusen aus Aluminium liegt in der Gestaltung der Zylinderlauffläche. Während herkömmlicher Grauguss bereits einen sehr guten Laufpartner für einen Kolben mit Kolbenringen darstellt, ist Aluminium als direkter Laufpartner ungeeignet. Durch das an sich bekannte Eingießen von Zylinderlaufbuchsen aus Grauguss in ein Kurbelgehäuse aus Aluminium lassen sich die erprobten und bewährten Laufeigenschaften von Graugussoberflächen auch in einem Aluminium-Kurbelgehäuse realisieren.
Ohne besondere Maßnahmen können sich jedoch Probleme beim Eingießen der Zylinderlaufbuchse in das Aluminium-Kurbelgehäuse dadurch ergeben, dass die Bindung der Buchsenaußenseite mit dem Kurbelgehäusewerkstoff nur unzureichend ist. Bei einer stoffschlüssig unvollkommenen Anbindung kann es bei einem Betrieb einer Brennkraftmaschine zu einer Behinderung des Wärmeabflusses und in ungünstigen Lagefällen zu einer Lockerung der Zylinderlaufbuchse im Kurbelgehäuse kommen.
Es wurde daher bereits vorgeschlagen ( DE 43 28 619 C2 ), eine einzugießende Zylinderlaufbuchse vor dem Umgießen gezielt auf eine hohe Temperatur, beispielsweise 450°C vorzuwärmen. Dabei soll durch die in die Gießform einströmende Schmelze des Gehäusematerials die Zylinderlaufbuchse oberflächlich angeschmolzen werden und dadurch eine innige Verbindung mit dem Gehäusewerkstoff eingehen. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die auf hohe Temperaturen vorgewärmten Laufbuchsen-Rohlinge insbesondere beim Gießen von mehrzylindrigen Kurbelgehäusen nur schwierig zu handhaben sind. Zudem sind komplizierte Gießwerkzeuge erforderlich, wobei in jedem Fall ein Vorwärmofen mit relativ hohen Investitionskosten zu installieren ist.
Weiter ist ein Verfahren bekannt ( DE 196 34 504 A1 ), mit dem Zylinderlaufbuchsen aus Leichtmetall, insbesondere aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung in ein Kurbelgehäuse einer Hubkolbenmaschine einer anderen Leichtmetall-Legierung eingegossen werden. Dabei wird der Zylinderlaufbuchsen-Rohling an der vom Leichtmetall-Kurbelgehäuse zu umfassenden, außenseitigen Oberfläche mit scharfkantig gebrochenen Partikeln aus einem spröden Hartwerkstoff gestrahlt, die bei ihrem Aufprall auf den Rohling dessen Oberfläche aufrauen und das Material pyramidenähnlich oder lanzettartig ausstülpen oder aufwerfen. Dadurch soll beim Umgießen einer so behandelten Oberfläche eine bessere metallurgische Anbindung erfolgen. Eine solche Oberflächenbehandlung ist nur bei bestimmten Leichtmetallmaterialien einer Zylinderlaufbuchse möglich und insbesondere für kostengünstigere Zylinderlaufbuchsen aus Grauguss nicht geeignet.
Aus einem Artikel der Klepzig Fachberichte für die Berg-, Hütten-, Metall- und Maschinenindustrie, Jahrgang 1957, Heft 11, ist ein Verfahren zum Verbundgießen von Eisen und Aluminium bekannt, bei dem auf Seite 425 eine Beschichtung als Haftschicht im Verbundguss vorgeschlagen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, demgegenüber einen in ein Aluminium-Gussteil einzugießenden Grauguss-Rohling so weiterzubilden, dass eine stoffschlüssige und metallurgisch verbesserte Anbindung möglich ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Gussverfahren unter Verwendung eines solchen Grauguss-Rohlings vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Grauguss-Rohlings mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Gemäß Anspruch 1 weist der Rohling auf seiner vom Werkstoff des Aluminium-Gussteils zu umfassenden Oberfläche eine Mangan enthaltende Beschichtung als Haftschicht auf.
Unter einem Aluminium-Gussteil wird hier ein Gussteil verstanden, das mit dem Fachmann geläufigen Aluminiumgusslegierungen hergestellt ist. Entsprechend wird unter einem Grauguss-Rohling ein Gussteil verstanden, das aus üblichen Grauguss-Legierungen hergestellt ist.
Erfindungswesentlich ist die Verwendung von Mangan in der Beschichtung, wobei je nach den Gegebenheiten unterschiedliche Beschichtungszusammensetzungen möglich sind:
Gemäß Anspruch 2 ist eine Beschichtung insgesamt aus Mangan möglich.
Zweckmäßig kann nach Anspruch 3 auch eine Beschichtung aus einer Legierung aus Mangan und Eisen sein, wobei die Verhältnisse der Einzelbestandteile gemäß Anspruch 4 je nach den Gegebenheiten in weiten Grenzen dimensionierbar ist. Gute Ergebnisse wurden mit einer Zusammensetzung von etwa 80% Eisen und 20% Mangan erzielt.
Es wurden auch metallurgisch gute Bindungen mit Beschichtungen aus einer Legierung aus Aluminium und Mangan nach Anspruch 5 erzielt. Auch hier sind nach Anspruch 6 je nach den konkreten Gegebenheiten die Dimensionierungen in relativ weiten Grenzen möglich, wobei beispielsweise gute Ergebnisse mit einem Verhältnis von 95% Aluminium und 5% Mangan erzielt worden sind.
Die Zusammensetzung und Dimensionierung der Beschichtung hängt im Rahmen der vorstehenden Möglichkeiten insbesondere von den verwendeten Legierungen, den Gießtemperaturen, den ggf. verwendeten Drücken und den Schichtdicken ab und ist den speziellen Gegebenheiten anzupassen.
Die Aufbringung der Beschichtung erfolgt nach Anspruch 7 vorzugsweise dadurch, dass der Grauguss-Rohling mit der Beschichtung für eine festhaftende Verbindung verschmolzen ist. Dabei ist die Zusammensetzung der Beschichtung so zu dimensionieren, dass diese bei einem Umgießen mit einer Aluminiumgusslegierung nicht aufgeschmolzen wird.
Eine besonders bevorzugte Anwendung besteht nach Anspruch 8 darin, dass der Grauguss-Rohling eine Zylinderlaufbuchse und das Aluminium-Gussteil ein Kurbelgehäuse einer Hubkolbenmaschine ist. Besonders hier ist eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Kurbelgehäuse vorteilhafter als eine im wesentlichen mit den bisherigen Verfahren nur formschlüssig umfasste Zylinderlaufbuchse mit der Gefahr von Spaltbildungen: durch die bessere metallische Anbindung werden gleichmäßige und gute Wärmeübergänge sichergestellt. Die gleichmäßige, gute metallurgische Verbindung zwischen Eingussteil und Umgussteil führt zudem zu einer hohen Steifigkeit des gesamten Teils mit hoher Formgenauigkeit und der Möglichkeit, ggf. durch dünnere Wandstärken Gewichtsvorteile zu erzielen.
Die Aufgabe der Erfindung wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst, wobei auch hier vorzugsweise ein Gussverfahren für das Eingießen einer Zylinderlaufbuchse aus Grauguss in ein Kurbelgehäuse aus Aluminium vorgeschlagen wird.
Gemäß Anspruch 9 wird in einem ersten Verfahrensschritt auf dem Grauguss-Rohling auf seiner vom Werkstoff des Aluminium-Gussteils zu umfassenden Oberfläche eine Mangan enthaltende Beschichtung als Haftschicht aufgebracht. Für eine festhaftende Verbindung wird vorzugsweise die Beschichtung mit der Oberfläche verschmolzen. Die Zusammensetzung der Beschichtung ist dabei so dimensioniert, dass sie insgesamt aus Mangan oder aus einer Legierung aus Eisen und/oder Aluminium und Mangan besteht und dass sie bei einem Umgießen mit dem Material des Aluminium-Gussteils nicht aufgeschmolzen wird.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird der so beschichtete Grauguss-Rohling ohne Aufschmelzung der Beschichtung mit einer Aluminiumlegierung umgossen. Dabei erfolgt im Grenzbereich zwischen der Beschichtung und dem Umguss eine Diffusion. Dadurch entsteht in diesem Grenzbereich eine festhaftende Legierung, die sich aus Elementen des Umgusses und der Beschichtung zusammensetzt und die zu einer festen, stoffschlüssigen Verbindung führt.
Die Verwendung für Mangan für den vorstehenden Zweck ist zudem relativ kostengünstig. Beispielsweise werden Eisen-Mangan-Legierungen in großem technischen Maßstab als Ferromangan bzw. Spiegeleisen hergestellt, wodurch auch der Bezug ausreichender Mengen gesichert ist.

Claims

In ein Aluminium-Gussteil einzugießender Grauguss-Rohling, dadurch gekennzeichnet, dass der Grauguss-Rohling auf seiner vom Werkstoff des Aluminium-Gussteils zu umfassenden Oberfläche eine Mangan enthaltende Beschichtung als Haftschicht aufweist.
Grauguss-Rohling, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung insgesamt aus Mangan besteht.
Grauguss-Rohling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einer Legierung aus Mangan und Eisen besteht.
Grauguss-Rohling nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 40% bis 95% Eisen und entsprechend 60% bis 5% Mangan, vorzugsweise 80% Eisen und 20% Mangan, zusammengesetzt ist.
Grauguss-Rohling nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einer Legierung aus Aluminium und Mangan besteht.
Grauguss-Rohling nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 40% bis 95% Aluminium und entsprechend 60% bis 5% Mangan, vorzugsweise 95% Aluminium und 5% Mangan besteht.
Grauguss-Rohling nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grauguss-Rohling mit der Beschichtung für eine festhaftende Verbindung verschmolzen ist und die Zusammensetzung der Beschichtung so dimensioniert ist, dass diese bei einem Umgießen mit einer Aluminiumgusslegierung nicht aufgeschmolzen wird.
Hubkolbenmaschine mit einem Kurbelgehäuse als Aluminium-Gussteil, dadurch gekennzeichnet, dass in das Aluminium-Gussteil mindestens ein Grauguss-Rohling als Zylinderlaufbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.
Gussverfahren zum Eingießen eines Grauguss-Rohling, insbesondere einer Zylinderlaufbuchse aus Grauguss in ein Aluminium-Gussteil, insbesondere in ein Kurbelgehäuse einer Hubkolbenmaschine aus Aluminium, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Grauguss-Rohling auf seiner vom Werkstoff des Aluminium-Gussteils zu umfassenden Oberfläche eine Mangan enthaltende Beschichtung als Haftschicht in einer festhaftenden Verbindung, vorzugsweise durch Verschmelzen der Beschichtung mit der Oberfläche, aufgebracht wird, dass die Zusammensetzung der Beschichtung dabei so dimensioniert ist, dass sie insgesamt aus Mangan oder aus einer Legierung aus Eisen und/oder Aluminium und Mangan besteht und dass sie bei einem Umgießen mit dem Material des Aluminium-Gussteils nicht aufgeschmolzen wird, und dass der so beschichtete Grauguss-Rohling ohne Aufschmelzung der Beschichtung mit einer Aluminiumlegierung umgossen wird, wobei durch Diffusion in die Beschichtung im Grenzbereich zwischen der Beschichtung und dem Umguss eine stoffschlüssige Verbindung über eine festhaftende Legierung entsteht, die sich aus Elementen des Umgusses und der Beschichtung zusammensetzt.