DE4011948A1 - Verbundgussverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundgußverfahren zur Herstellung von insbesondere aus Leichtmetall bestehenden, durch Einlagen z. B. aus faserförmigen oder offenporigen Werkstoffen od. dgl. verstärkten Gußteilen, insbesondere von Motorenteilen, wie z. B. Kolben, Zylindern, Zylinderköpfen und Motorblöcken von Brennkraftmaschinen, bei welchem zunächst ein durch die Einlage oder Einlagen verstärkter Vorformling durch Einbetten und/oder Durchdringen der Einlage(n) oder eines Einlagenpaketes, z. B. eines Faserpaketes, in ein schmelzflüssiges Matrixmetall bzw. mit einem schmelzflüssigen Matrixmetall mit dessen anschließender Erstarrung hergestellt, später in ein Metallschmelzbad getaucht und daraufhin in eine Gießform zum An- oder Herumgießen des endgültigen Gußteiles eingesetzt wird.

Ein derartiges Verbundgußverfahren ist durch die DE-PS 27 01 421 und die DE-OS 35 11 542 bekannt. Diese bekannte Verfahrensweise ist insbesondere für die Herstellung größerer und kompliziert gestalteter faserverstärkter Gußteile zweckmäßig und ermöglicht auf relativ einfach auszuführende Weise die erforderliche Orientierung der Fasern oder Whisker zur Hauptbeanspruchungsrichtung in den herzustellenden Gußteilen.

Der faser- oder whiskerverstärkte Vorformling muß dafür in einem speziellen Gießverfahren hergestellt werden, bei welchem das Matrixmetall des Vorformlings mit gesteuerter Füllgeschwindigkeit und unter genau dosiertem Druck in das Faser- oder Whiskerpaket eingetrieben und zur Erstarrung gebracht werden wird, um eine fehlerfreie Benetzung jeder einzelnen Faser oder jedes Whiskers sowie die Ausbildung eines lückenlosen stoff- und/oder kraftschlüssigen Verbundes zwischen dem Faser- oder Whiskerwerkstoff und dem Matrixmetall zu gewährleisten.

Das anschließende An- oder Herumgießen des engültigen Gußteiles an bzw. um den Vorformling herum kann dann mit einem einfachen Gießverfahren erfolgen. Das Gießen des gesamten endgültigen Gußteils mit dem für die Herstellung des Vorformlinges notwendigen speziellen Gießverfahren wäre für die Herstellung größerer und kompliziert gestalteter Gußteile nicht zweckmäßig, da die dazu benötigte Gießvorrichtung zu aufwendig und die Gießparameter dabei kaum beherrschbar wären.

Das eingangs geschilderte bekannte Verbundgußverfahren ist jedoch ebenfalls nicht problemlos. So ist der in die Gießform einzulegende Vorformling an seiner Oberfläche in der Regel mit einer Oxidhaut überzogen, die einen lückenlosen metallurgischen Verbund mit dem An- oder Umgießmetall behindert oder unmöglich macht. Um überhaupt eine Chance für die Ausbildung einer metallurgischen Bindung des Vorformlings mit dem An- oder Umgießmetall zu haben, muß der Vorformling auf relativ hohe Temperatur vorgewärmt in die Gießform eingelegt werden, wodurch aber die auf seiner OberfläChe entstehende Oxidhaut verstärkt wird, so daß nur ein intensives Umspülen des Vorformlings mit dem An- oder Umgießmetall zu einer oxidfreien Bindung führen könnte.

Um eine solche fehlerfreie Bindung zu erreichen, wird bei dem bekannten Verfahren gemäß DE-OS 35 11 542 der Vorformling vor seinem Einlegen in die Gießform in eine Schmelze aus einer auf 150-400°C erhitzten Lotlegierung getaucht, um seine Oxidhaut abzulösen. Die dabei zum Anhaften gelangende Lotlegierung soll die erneute Ausbildung einer Oxidschicht auf der Metalloberfläche des Vorformlings vor dem An- oder Herumgiessen des endgültigen Gußteiles verhindern.

Dieses bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die Legierungselemente der Lotschmelze in die Verbundschicht zwischen Vorformling und An- oder Umgießmetall eingetragen werden und in dieser Schicht einen nicht vorhersehbaren Einfluß auf die Eigenschaften dieser Schicht und unter Umständen sogar auf die Eigenschaften des gesamten endgültigen Gußteils haben können. Außerdem ist die durch eine nur auf 150-400°C erhitzte Lotschmelze dem Vorformling vermittelte Vorwärmung in der Regel nicht ausreichend, um einen vollständigen Verbund des Vorformlings mit dem An- oder Umgießmetall zu gewährleisten.

Die Schmelzbereiche von Aluminium-Gußlegierungen liegen zwischen 540 und 650°C. Ein in die Gießform mit wesentlich niedrigerer Temperatur eingelegter Vorformling führt dazu, daß die Schmelze des An- oder Umgießmetalls an der Grenzfläche zum Vorformling sofort erstarrt, so daß die Ausbildung eines lückenlosen metallurgischen Verbundes zwischen diesem Metall und dem Vorformling nicht in ausreichend zuverlässiger Weise gewährleistet werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Verbundgußverfahren der eingangs genannten Gattung auf möglichst einfache Weise einen lückenlosen, einwandfreien metallurgischen Verbund zwischen dem Vorformling und dem An- oder Umgießmetall zu gewährleisten. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Vorformling vor seinem Einsetzen in die Gießform in ein Metallschmelzbad getaucht wird, das aus dem gleichen oder einem ähnlichen Metall oder der gleichen oder einer ähnlichen Metallegierung wie das Matrixmetall des Vorformlings oder das zum Gießen des endgültigen Gußteiles verwendete Metall besteht und auf eine Temperatur erhitzt ist, die höher als der Schmelzpunkt des Matrixmaterials ist. Dabei wird zwar in Kauf genommen, daß das Matrixmetall des Vorformlings im Schmelzbad zumindest weitgehend aufgeschmolzen wird. Der Erfindung liegt jedoch die Erkenntnis zugrunde, daß dabei die Einlage bzw. das Einlagenpaket, wie z. B. ein Faserpaket oder ein offenporiger Schaumkörper, im Vorformling in Verbindung mit den Adhäsions- und Kohäsionskräften des jede Faser oder die Struktur des Schaumwerkstoffes od. dgl. einhüllenden Matrixmetalls dem Gesamtverbund des Vorformlings eine für sein Überführen in die Gießform und sein anschließendes An- oder Umgießen ausreichende Stabilität verleiht. Diese überraschende Stabilität geht soweit, daß dem Vorformling im Metallschmelzbad eine rotierende oder hin- und hergehende Bewegung erteilt werden kann, um seine Oberfläche von anhaftenden Oxiden freizuwaschen, ohne daß er sich dabei im Metallschmelzbad auflöst. Voraussetzung ist natürlich, daß die Einlage oder das Einlagenpaket selbst so beschaffen ist, um die thermischen und chemischen Gegebenheiten beim Tauchvorgang aushalten zu können. Diese auch im weitgehend oder ganz aufgeschmolzenen Zustand seines Matrixmetalls gegebene Verbund-Stabilität des Vorformlinges ist überraschend, da man bisher angenommen hat, daß ein Erweichen oder Aufschmelzen dea Vorformlings aus Stabilitätsgründen in jedem Fall zu vermeiden ist.

Der erfindungsgemäß vorbehandelte Vorformling besitzt nach seiner Überführung in die Gießform eine Temperatur, die noch nahe der Gießtemperatur des An- oder Umgießmetalls liegt, da die im Vorformling befindliche Schmelzwärme seines Matrixmetalles seine rasche Wiederabkühlung unter die Schmelztemperatur verhindert.

Die zwangsläufig auf der schmelzflüssigen Oberfläche des Vorformlings nach dessen Entnahme aus dem Metallschmelzbad sich bildende Oxidhaut kann während des An- oder Umgießvorganges vom Fluß des Gießmetalles leicht abgewaschen werden, so daß mit größtmöglicher Sicherheit ein sauberer Verbund von schmelzflüssigen Legierungen in Matrix, Oberflächenschicht und Gießmetall erhalten werden kann, ohne daß in diesen Verbund störende Legierungselemente eingeschleppt werden.

Das Eingießen des vorbehandelten, durch die Einlagen verstärkten Vorformlings in das endgültige Gußteil kann bei dem erfindungsgemäßen Verbundgußverfahren mit jedem beliebigen Gießverfahren, wie Sandguß, Kokillenguß, Niederdruckguß oder Druckguß und deren Abwandlungen erfolgen. Dabei kann als An- oder Umgießmetall eine Aluminium-Silizium-Legierung, z. B. G Al Si 12 Cu Ni Mg, verwendet werden.

Die Einlage oder das Einlagenpaket kann bei der Herstellung des Vorformlings derart unter Druck mit Matrixmetall durchtränkt und in dieses Metall eingebettet werden, daß sein Volumen mindestens 10% des Gesamtvolumens des Vorformlings beträgt. Für den Vorformling kann z. B. eine Einlage aus offenporigem Schaumgraphit, Schaumkeramik, Schaummetall od. dgl. oder ein Faserpaket verwendet werden, dessen Fasern z.B. zum überwiegenden Teil, wie z. B. 95%, aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) und zum kleineren Teil, wie z. B. 5%, aus Siliziumoxid (SiO₂) bestehen. Das Matrixmetall des Vorformlings kann Aluminium mit einem Schmelzpunkt vom ca. 660°C sein.

Für das Tauchschmelzbad kann z. B. eine Aluminium-Silizium-Legierung wie AlSi10 verwendet werden, die auf eine Badtemperatur von über 700°C, vorzugsweise etwa 780°C, gebracht wird. In dieses Schmelzbad kann der Vorformling bis zu seiner völligen Durchwärmung je nach Größe eine oder mehrere Minuten eingetaucht werden.

Da das Matrixmetall des Vorformlings nach dessen Tauchbad-Behandlung ganz oder weitgehend im schmelzflüssigen Zustand vorliegt, unterliegt der Vorformling bei Erstarrung des gesamten endgültigen Gußteiles wie dieses Gußteil einer normalen Erstarrungsschwindung. Um dabei das Entstehen von Schwindungslunkern innerhalb des Gußteiles zu vermeiden, sind in der Gießform zweckmäßig Vorkehrungen zu treffen, durch die das Matrixmetall im Einlagenkörper oder im Einlagenpaket od. dgl. in den gerichteten Erstarrungsablauf des endgültigen Gußteiles einbezogen wird.

Claims (11)

1. Verbundgußverfahren zur Herstellung von insbesondere aus Leichtmetall bestehenden, durch Einlagen z. B. aus faserförmigen oder offenporigen Werkstoffen od. dgl. verstärkten Gußteilen, insbesondere von Motorenteilen, wie z. B. Kolben, Zylindern, Zylinderköpfen und Motorblöcken von Brennkraftmaschinen, bei welchem zunächst ein durch die Einlage oder Einlagen verstärkter Vorformling durch Einbetten und/oder Durchdringen der Einlage(n) oder eines Einlagenpaketes, z. B. eines Faserpaketes, in ein schmelzflüssiges Matrixmetall bzw. mit einem schmelzflüssigen Matrixmetall mit dessen anschließender Erstarrung hergestellt, später in ein Metallschmelzbad getaucht und daraufhin in eine Gießform zum An- oder Herumgießen des endgültigen Gußteiles eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformling in ein Metallschmelzbad getaucht wird, das aus dem gleichen oder einem ähnlichen Metall oder der gleichen oder einer ähnlichen Metallegierung wie das Matrixmetall des Vorformlings oder das zum Gießen des endgültigen Gußteiles verwendete Metall besteht und auf eine Temperatur erhitzt ist, die höher als der Schmelzpunkt des Matrixmetalles ist.

2. Verbundgußverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintauchen des Vorformlings in das Metallschmelzbad derart erfolgt, daß sein Matrixmetall in dem Bad ganz oder weitgehend aufgeschmolzen wird, und daß dieser Vorformling anschließend in diesem aufgeschmolzenen Zustand in die Gießform zum An- oder Herumgießen des endgültigen Gußteils eingelegt wird.

3. Verbundgußverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformling im Metallschmelzbad rotierend oder hin- und hergehend bewegt wird.

4. Verbundgußverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage oder das Einlagenpaket derart mit Matrixmetall unter Druck durchtränkt und in dieses Metall eingebettet wird, daß ihr bzw. sein Volumen mindestens 10% des Gesamtvolumens des Vorformlings beträgt.

5. Verbundgußverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Faserpaket verwendet wird, dessen Fasern zum überwiegenden Teil, z. B. 95%, aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) und zum kleineren Teil, z. B. 5%, aus Siliziumoxid (SiO₂) bestehen.

6. Verbundgußverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Einlage eine solche aus offenporigem Schaumgraphit, Schaumkeramik, Schaummetall od. dgl. verwendet wird.

7. Verbundgußverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der schmelzflüssigen Oberfläche des in die Gießform einzusetzenden Vorformlings sich bildende Oxidhaut beim anschließenden An- oder Herumgießen des Metalls des endgültigen Gußteils durch den Fluß dieses Metalls vom Vorformling abgespült wird.

8. Verbundgußverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrixmaterial des Vorformlings ein Aluminium mit einem Schmelzpunkt von ca. 660°C verwendet wird.

9. Verbundgußverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Tauchbadschmelze eine Aluminium-Silizium-Legierung, z. B. AlSilO, verwendet wird, die auf eine Badtemperatur von über 700°C, vorzugsweise etwa 780°C gebracht wird.

10. Verbundgußverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformling bis zu seiner völligen Durchwärmung je nach Größe eine oder mehrere Minuten in das Metallschmelzbad eingetaucht wird.

11. Verbundgußverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das An- oder Umgußmetall aus einer Aluminium-Silizium-Legierung, z. B. aus G Al Si 12 Cu Ni Mg besteht.