DE2630541A1

DE2630541A1 - Verfahren zur herstellung eines aluminium-gussteiles mit verschleissfesten oberflaechenpartien

Info

Publication number: DE2630541A1
Application number: DE19762630541
Authority: DE
Inventors: Adolf Hetke
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1975-08-27
Filing date: 1976-07-07
Publication date: 1977-03-03
Also published as: CA1057932A; US4034464A; JPS557346B2; GB1517815A; JPS5238423A; GB1517816A

Description

Patentanmeldung

Verfahren zur Herstellung eines A luminium-Gußteiles mit verschleiß«· festen Oberflächenpartien.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines .A.lurainium-Gußteiles mit verschleißfesten Oberfläohenpartien ,zB. eines Verbrennungs motor-Zylinderkopfes mit versdieißfesten Ventilsitzen.

, ALuminium-Gußteile haben infolge ihres geringen Gewichtes und ihrer guten Wärmeleitfähigkeit eine immer weitere Verwendung im Verbrennungsmotorenbau gefunden.Pur dieses Anwendungsgebiet ist Jedoch eine gute Verschleißfestigkeit von besonderer Bedeutung. Um diese Verschleißfestigkeit zu erzielen ist die Gießereiindustrie immer mehr zu Aluminium-Siliziumlegierungen übergegangen,die ein Abscheiden oder Ausscheiden von Silizium in einer ersten Phase ermöglichen. Es ist im Stand der Technik anerkannt,daß kleine und gut verteilte Partikel von primäremSilizium in einem eutektischen Aluminium-Silizium-Gefüge die Verschleißfestigkeit und andere physikalische Eigenschaften der Aluminium- Siliziumlegierung verbessern. Es wurden daher Abscheide - oder Modifiziermittel ,wie zB. Phosphor oder Natrium,entwickelt,die entweder ein Abscheiden von primärem oder eutektischem Silizium bewirkten.Erst vor Kurzem wurde herausgefunden ,daß durch Einbringen von A.luminiumoxyd in fein und gleiohmäßig verteilter Form in die Gießschmelze sowohl ein Abscheiden von primärem als auch eutektischem Silizium erzielt werden kann.

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So wünschenswert auch die gute Verschleißfestigkeit einer α lumlnium-Siliziuralegierung ist ,so let die Herstellung solcher Legierungen doch mit höheren Kosten verbunden.Geringere Kosten für die Herstellung von Aluminium-Gußteilen können erzielt werden, wenn ein einfacheres ,Aluminium-Material ( geringer legiert ) verwendet wird und eine gute Verschleißfestigkeit nur an bestimmten ausgewählten Oberflächenpartien vorgesehen wird,an denen diese in erster Linie erforderlloh ist.

Entsprechend dem Stand der Technik wurde bereits vorgeschlagen,eine örtlich höhere Verschleißfestigkeit an bestimmten Oberflächenpartien eines Gußteiles zu erzielen, in dem eine Schlämme aus extrem feinem Metallpulver ( wie z.B. Nickel ) auf bestimmte Oberflächenpartien einer Gießform oder eines Gießkernes aufgebracht wurden und hierauf die Gießschtselze in die Form eingegossen wurde .Die extrem feine Korngröße des Metallpulvers verhinderte hierbei eine zufriedenstellende metallurgische Ärblndtuog mit dem Gießmaterial und zeigte darüber hinaus auch keine zufriedenstellende Verschleißfestigkeit. Darüber hinaus weist dieses Verfahren den Nachteil auf,daß nach Aufbringen der Schlämme aus Metallpulver zunächst das die Schlämme bildende Wasser entfernt werden muß.

Die oben erwähnten Aluminium-Siliziumlegierungen weisen neben dem Nachteil hoher Kosten noch folgenden Nachteil auf :Durch die Anwesenheit von abgeschiedenem Silizium ergibt sich eine Veränderung der Dichte der Legierung ,die im Wesentlichen auf zwei Erscheinungen zurückgeht: a) Der festen Löslichkeit von Silizium und Aluminium und b) dessen Vorliegen in einer Mischung.Bei Aluminium-Siliziumlegierungen mit einem Anteil von 1,65 % Silizium oder weniger ( vorausgesetzt daß dieses Material auf Lösungstemperatur erhitzt wird,um sicher zu stellen,daß das gesamte Silizium in feste Lösung geht ),wird das Silizium in Lösung die Parameter des Gittergefüges von Aluminium verringern und dadurch die Dichte der Legierung zunehmen,was wieder zu einem beträchtlichen Schrumpfen beim Erstarren führt.Bei "Aluminium-Siliziumlegierungen mit einem Anteil von mehr als I,ß5# Silizium,wird das Überschüssige Silizium nicht in Lösung gehen und die Dichte der Legierung verringert werden,wobei Jedoch

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infolge des gelösten Siliziums weiterhin eine bestimmte Sohrumpfung beim Erstarren auftreten wird.

Eine typische Aluminium-Siliziumlegierung für die Anwendung im Verbrennungsmotorenbau weist ζ B. 16 bis l8£ Silizium, 4bis5# Kupfer,maximal O,l# Mangan,0,0 bis l,l£ Eisen, 0,45 bis O,65£ Mangan,maximal 0,1$ Zink,maximal 0,2% Titan&uren von Phosphor und als Rest A .luminium auf .Das Abscheiden der SiliziuBpartikel wird im Wesentlichen duroh das Abköhlen unterhalb der Verflüssigungstemperatur ( welche bei etwa 650 Gradcela .liegt ) erzielt.Der Temperaturausdehnungskoeffizient für eine solche Legierung liegt bei 17,2·10~^ m/m*C in einem Bereich von 20 Grad oels.bis 318 Grad celsius.Hierzu entsprechend reziprok ist das Sohrumpfungeverhalten der Legierung.

Die bekannten Aluminium-Siliziumlegierungen weisen somit neben dem Nachteil hoher Herstellungskosten noch den Nachteil einer hohen Schrumpfung auf .Das bekannte Verfahren zur Herstellung von Gußteilen mit verschleißfesten Oberflächenpartien ist durch das Trocknen der Metallpulverschlämne aufwendiger und darüber hinaus in der erzielten Verschleißfestigkeit nicht zufriedenstellend.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile der bekannten Aluminium-Siliziumlegierungen dadurch zu vermeiden,daß ein einfacheres,verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Gußteiles mit verschleißfesten Oberflächenpartien geschaffen wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, in dem ein Verfahren der eingangs genannten Art die im Hauptanspruch aufgezeigten Verfahrensschritte aufweist.

Durch das erfindungsgemäße Aufbringen eines geringflüchtigen,aschenarmen klebrigen Materials auf einen bestimmten Oberflächenbereich einer Gießform oder eines Formkernes und Aufbringen einer Schicht von Siliziumgrieß mit einer Korngröße zwischen 0,4 und 2 mm wird während des anschließenden

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Gießvorganges ein Wegbrennen des klebrigen Materials und gleichzeitig eine metallurgische Verbindung zwischen dem A luminium und den einzelnen Silizium-Partikeln erzielt .Durch die gewählte,verhältnismäßig grobe Korngröße des Siliziumgrieß gehen die Siliziumpartikel in der ALumlniumschaelze nicht vollständig in Lösung, sondern bilden nur an ihren Randbereichen eine Übergangs- Aluminium-Siliziumlegierung,die für die metallurgische Verbindung sorgt.Bei der nachfolgenden spanabhebenden Bearbeitung der auf dem Gußteil angeordneten Siliziumgrießschicht besteht die fertige Oberfläche zu 6o£aus Siliziumpartikeln und nur zu 40£ aus A luminium.Dadurch wird eine hohe Verschleißfestigkeit bestimmter OberflSchenpartien am Gußteil erzielt. Da die erwünschte Verschleißfestigkeit an bestimmten Oberflächenpartien durch die örtlich angeordnete Siliziumgrießschicht erzielt wird,kann als Materialfür das gesamte Gußteil eine im Wesentlichen·, siliziumfreie A lurainiumlegierung gewählt werden.Daduroh wird wieder eine erwünschte geringere Schrumpfung erzielt.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Ablauffolge der Verfahrensschritte gemäß der Erfindung.

Figur 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch den Teil eines Gußteiles mit einer verschleißfesten Oberflächenpartie gemäß der Erfindung.

Figur 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Schnitts durch die Siliziumgrießschicht an der vorbestimmten Oberfläohenpartie.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren eines Aluminium-Gußteiles mit verschleißfesten Oberflächenpartien,insbesondere eines Verbrennungsraotor-Zylinderkopfes mit versohleißfesten Ventilsitzen umfaßt die folgenden Verfahrenssohrittei

a) Ein Formkern 12 wird in herkömmlicher Weise aus Formsand hergestellt und weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Innenkontur eines

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Einlaßkanales 27 eines Verbrennungsraotor-Zylinderkopfes 1? auf.Der Formkern 12 ist später zerstörbar,d.h. er besteht aus Formsand,der z. B. durch Zugabe von Harze» bindefShig gemaoht wurde. Das Material des Formkernes wird so aufgelegt,daß es nach dem Gießvorgang ein Zerstören und Entfernen des Formkernes aus dem Gußteil ermöglicht.Der Formkern muß zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit extrem engen Toleranzen hergestellt werden ,d.h.,der Kernkasten 11 zum Herstellen des Formkernes muß so präzise sein,daß zumindest der den Ventilsitz bestimmende Oberflächenbereich 14 innerhalb einer Toleranz von + oder - 0,12 mm liegt.

b) Der aus dem Kernkasten 11 entnommene formbeständige Formkern 12 wird in dem den Ventilsitz bestimmenden,konischen Oberflächenbereich 14 mit einem geringflüchtigen,aschearmen klebrigen Material 15 versehen. Das Aufbringen des klebrigen Materials 15 kann durch Streichen oder andere geeignete Überzugsverfahren erfolgen. Das klebrige Material 15 soll hierbei in einer Dicke nicht großer als 0,03 mm aufgebracht werden,es muß jedoch über den den Ventilsitebildenden Fläehenbereich ausreichend zusammenhängend sein. Ein entsprechendes klebriges Material 15 kann hierbei aus der Gruppe von Klebern auf Latexbasis ,Methylzellulose, Natriumpolyacrylat oder entsprechenden Materialien ausgewählt werden,die unter Einfluß der Gießschmelze verbrennen oder verdampfen.

c) Nun wird Siliziumgrieß 17 auf den vorbestimmten Oberflächenbereich 14 mit der Beschichtung aus klebrigemMaterial 15 aufgebracht. Der Siliziumgrieß 17 muß hierbei eine grobe Korngröße ,insbesondere zwischen 0,4 und 2 mm aufweisen.Das Aufbringen des Siliziumgrieß ί-7 auf die KLebersohioht kann durch Eintauchen in eine Siliziumgrieß-Suspension 16 erfolgen,wie sie z.B. in einem Behälter 18 durch eine entsprechendeLuftzufuhr von unten aufrecht erhalten werden kann.Der Siliziumgrieß 17 kann jedoch alternativ durch pneumatisches Aufstäuben auf die KLebersohioht 15 aufgebracht werden.Es ist wichtig,daß Überschüssiges Siliziummaterial,welches an der Kleber, sohicht 15 nicht anhaftet durch Schütteln oder^Uandere geeignete Weise entfernt wird.Auf diese Weise wird eine Silizium-Grießschicht von einer oder zwei Lagen von Siliziumpartikeln gebildet,von denen jedes zum Teil Kontakt

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d) Entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden nun zwei derart behandelte Formkerne 12 in den Hohlraum 20 einer Gießform 21 eingesetzt. Die Formkerne 12 müssen hierbei entsprechend exakt ausgerichtet werden um die oben erwähnten engen Lage toleranzen einzuhalten .Nunmehr wird geschmolzenes liuninium, im Wesentlichen ein siliziumfreies >. Aluminium (d,h, mit einem Siliziumgehalt ,der wesentlich geringer 1st als er für die Abscheidung von Silizium erforderlioh ist ) über ein herkömmliches Eingußsystem 22 in den Hohlraum 20 der Gießform 21 eingegossen. Das geschmolzene Aluminium verdampft oder verbrennt das klebrige Material 15 und bildet über eine in den Randbereichen der Siliziumpartikel entstehende Übergangs- Aluminium-Silizium-Legierung eine metallurgische Verbindung

mit den Siliziumpartikeln.

e) Nach dem Erstarren des Aiumuminiums wird das Gußteil I3 aus der Gießform 21 entnommen und die Formkerne 12 zerstört und entfernt.

f) Die metallurgisch mit dem 'Aluminium verbundene Siliziumgrießschicht

17 wird zu nicht mehr als 0,8 der Schichtdicke zwischen denpfeil«jn~02 "uncfrlabgetragen,wodurch im Wesentlichen alle Siliziumpartikel 3>2 bearbeitet werden und eine fertige Oberfläche 3>2 a bilden,die zumindest 60# der fertigen Ventilsitzfläohe 354 bilden.Der übrige Anteil der Ventilsitzfläche 3>4 besteht aus Aluminium . ( Siehe hierzu Insbesondere Figur 3 )·

Ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Gußteil weist an den vorbestimmten verschleißfesten Oberflächenpartien eine Verschleißfestigkeit auf ,daß nach 100000 Lastwechseln eines Ventiles 36 kein größerer Verschleiß als 0,002 mm aufgetreten ist.Diese Verschleißfestigkeit übersteigt die Verschleißfestigkeit einer herkömmlichen Aluminium-Siliziumlegierung wie sie im Verbrennungsmotorenbau verwendet wird beträchtlich. Die metallurgisch mit dem Aluminium verbundene Siliziumgrießsohicht enthält hierbei auf eine Tiefe von ungefähr 1,5mm bezogen einen .volumenmäßigen Anteil von 40$ Silizium. Jedes der Siliziumpartikel hat

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hierbei in seinem Randbereioh 35 eine Übergangs- Aluminium-Silizium-Legierung gebildet, die für eine metallurgische Verbindung mit dem -.Aluminiumgefüge sorgt.

Durch die verhältnismßig grobe Korngröße der Siliziumpartikel der Siliziumgrießsohicht kann das geschmolzene 'Aluminium die Siliziumgrießschicht durchwandern und bildet nach Bearbeitung der Silixiumgrießschicht einen 25# nicht übersteigenden Anteil der fertigen Oberfläche 32 a des Ventilsitzes 34 .

Das Wärmedehnungsverhalten und die Schrumpfung des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gußteiles ist entsprechend der verwendeten, im Wesentlichen siliziumfreien Jluminiumlegierung in vorteilhafter Weise geringer.

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Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Herstellung eines Äluminiumgußteiles mit verschleißfesten Oberflächenpartien,z.B. eines Verbrennungsmotor-Zylinder kopfes mit verschleißfesten Ventilsitzen,gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Herstellen eines später zerstörbaren Formkernes ( 12 ) von der Innenkontur (27 ) des Gußteiles (13 ).

b) Aufbringen eines gering flüchtigen , asohenarmen , klebrigen Materials( 15 ) auf einen bestimmten Oberflächenbereich (14) des Formkernes ( 12 ) .

c) Aufbringen von Siliziumgrieß ( 17 5 mit einer Korngröße zwischen 0,4 und 2 mm auf das klebrige Material ( 15 ) und Abschütteln der nicht anhaftenden Partikel.

d) Nach dem Einsetzen des derart behandelten Formkernes ( 12 ) in seiner bestimmten Lage in einer Gießform (21 ) von der Außenkontur ( 20 ) des Gußteiles ( 13 ) -Eingießen von im Wesentlichen siliziumfreien ,geschmolzenen Aluminium in die Gießform (21 ).

e) Nach de« Erstarren des Aluminiums Entnehmen des Gußteiles (IJ) aus der Gießform (21 ) und Zerstören des Formkernes (12 ) zum Entfernen des Kernmaterials.

f) Abtragen von nicht mehr als 0,8 der Siliziumgrießschioht ( 17 ) non etwa 1,2 bis 1,6 mm Dioke durch spanabhebende Bearbeitung.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumgrießschicht ( 17 ) am fertigen Gußteil( 13 ) nicht mehr als 40 Gewichtsprozent Aluminium enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumgrießschicht ( 17 J eine solche grobe Korngröße aufweist, daß geschmolzenes Aluminium zwischen den einzelnen Partikeln hindurchwandern kann.

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Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet ,daß jedes Siliziumpartikel in seinem Randbereich mit dem geschmolzenen Aluminium eine Ubergangs-Aluminium-Silizium-Eegierung bildet,über die eine metallurgische Verbindung zwischen den Siliziuapartikeln und dem Aluminium erzielt wird.

Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4,d adurch gekennzeichne t,daß der behandelte Pormkern( 12 ) in der Gießform ( 21 )derart genau ausgerichtet wird,daß die Sillziumgrleßschioht ( 17 )innerhalb einer Toleranz von 0,12 mn der Lage der bestimmten, verschleißfesten Oberflächenpartie ( 3* ) am Gußteil ( IJ ) liegt.

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