DE4414095A1 - Verfahren zum Verbinden zweier Werkstücke aus Metall zu einem Verbundbauteil - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbin­ den zweier Werkstoffe aus Metall zu einem Verbundbauteil gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verbundbau­ teil, das durch ein solches Verfahren erhältlich ist und des sen Gebrauchseigenschaften im Vergleich zu einem ein­ metallischen Werkstück deutlich verbessert sind.

Metallische Werkstücke, deren Gebrauchseigenschaf­ ten verbessert werden müssen, werden z. B. im Maschinen-, Flugzeug- und Automobilbau eingesetzt, wo sie erhöhten mechanischen und/oder thermischen Belastungen ausgesetzt sind.

Diese Werkstücke können aus Leichtmetall oder Leichtmetallegierungen hergestellt sein. Insbesondere können sie Kolben für Verbrennungsmotoren sein. Kolben müssen thermisch und mechanisch besonders belastbar sein, d. h. sie müssen besonders gute Festigkeits- und zumindest örtlich auch gute Verschleißeigenschaften bei hohen Temperaturen haben.

Es ist üblich, die besonders hoch beanspruchten Bereiche durch Einlagen aus Metallegierungen zu armieren. Das bekannteste Beispiel ist die Armierung der obersten Ringnut eines Kolbens durch einen Ringträger. In der Regel besteht der Ringträger aus einem austenitischen Grauguß (sogenanntes Ni-Resist). Er wird bei der gieß­ technischen Herstellung des Kolbens als vorgefertigtes Teil in die Form eingelegt und durch Umgießen mit der Aluminiumlegierung des Kolbens in diesem als Eingießteil verankert. Durch das sogenannte Alfin-Verfahren wird zwischen Grundkörper und Armierung eine metallurgische Bindung zur Verbesserung der Verankerung erzeugt. Nach­ teilig ist bei diesem Verfahren, daß der Gießprozeß für den Kolben erschwert wird und durch das Eingießteil beim Gießen der Metallfluß in der Form gestört wird und die Gefahr von Gießfehlern heraufbeschworen wird. Die durch das Eingießteil erzeugte Armierung ist auch nicht voll befriedigend.

Bisher aus austenitischem Grauguß hergestellte Ringträger für Leichtmetallkolben haben normalerweise einen annähernd gleichen thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten wie die Leichtmetallegierung, so daß Kolbengrund­ material und Eingießteil sich unter thermischer Bean­ spruchung im Motorbetrieb annähernd gleich verhalten.

Es besteht jedoch eine besondere Problematik darin, daß der Leichtmetallgrundkörper des Kolbens nach dem Gießen und Erstarren die Tendenz hat, beim weiteren Abküh­ len vom Ringträger-Eingießteil abzuschrumpfen.

Zwischen dem Eingießteil und dem Umgußmetall be­ stehende metallische Verbindungsschichten geraten dabei unter hohen innerer Spannungen, die noch dadurch gleich­ sinnig verstärkt werden können, daß Ni-Resist wie alle Fe- Legierungen, die einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweisen, im festen Zustand unter Wärmebelastung zu einem gewissen Volumenwachstum neigt. In der Summe der wirksamen Span­ nungen und Kräfte kann der Ringträger im Motorbetrieb radial aus dem Kolben heraus wachsen, was im schlimmsten Fall zum Anlaufen an die Zylinderwand führt.

Zur Vermeidung des Loslösens solcher Eingießteile aus dem Umgußteil werden häufig die Eingießteile mit Hin­ terschneidungen zur Verankerung ausgestattet, wie es z. B. in DE-OS 32 31 998 beschrieben ist.

Die Herstellung, Beschaffung und Lagerhaltung von vorgefertigten Armierungsteilen, z. B. von Ringträgerkör­ pern, ist aufwendig und kostenintensiv, wodurch die Ge­ samtproduktionskosten von durch Eingießteile armierten Werkstücken erheblich gesteigert werden.

Außer der beschriebenen Armierung durch Eingieß­ teile aus Ni-Resist sind im Stand der Technik noch andere Verfahren zur örtlichen Verbesserung der Gebrauchseigen­ schaften insbesondere an Kfz-Kolben bekannt: gemäß DE-OS 25 33 746 wird ein Ringträger für einen Kolben aus einem verschleißfesteren Material als der Kolben hergestellt und in eine vorgegossene oder vorbearbeitete Aussparung des Kolbens 50 eingeformt, daß er mindestens eine Nut für die Lagerung eines Kolbenringes aufnehmen kann. Das Einformen erfolgt durch Explosionsverformung, Magnetverformung, hydraulische Verformung, Rollen oder Walzen.

Aus DE-OS 28 54 958 ist bekannt, einen Werkstoff aus einer Al-Legierung mit einer Al-Gußlegierung zu um­ gießen. Die Gießtemperatur der Umgußlegierung soll sich jedoch um nicht mehr als ± 100°C von dem Schmelzpunkt des Materials der zu umgießenden Legierung unterscheiden.

Gemäß US-PS 5,273,099 ist ebenfalls bekannt, einen Werkstoff aus einer Al-Legierung mit einer anderen Al- Legierung zumindest teilweise zu umgießen. Dazu wird der zu umgießende Werkstoff mit einem chemischen Film, der Kalium und Fluor enthält, versehen.

Aus DE-OS 40 05 097 ist schließlich noch ein Ver­ fahren zur Herstellung von Verbundgußstücken mit wenig­ stens einem Metall durch Ein- oder Umgießen, insbesondere aus Leicht- und Schwermetallen bekannt. Es wird dazu auf dem Eingießteil eine Oxidationsschutzschicht aus einem Material gebildet, das von der Gießschmelze des Umguß­ metalls aufschmelzbar ist und somit beim Umgießen wegge­ schwemmt werden kann.

Schließlich ist aus DE-OS 35 23 003 ein Verfahren zur Beschichtung von Metallen zur Verbesserung der Ge­ brauchseigenschaften von Werkstücken bekannt, wobei auf ein festes metallisches Werkstück ein in schmelzflüssigem Zustand befindliches metallisches Beschichtungsmaterial aufgebracht wird. Dieses Beschichtungsmaterial liegt in Lösung in einem metallischen Trägermaterial vor, wobei dieses Trägermaterial einen niedrigeren Schmelzpunkt als der zu beschichtende Werkstoff hat. Als Beschichtungs­ material wird ein metallischer Werkstoff verwendet, dessen Schmelzpunkt höher ist als der des Trägermaterials und höher oder tiefer sein kann als der des zu beschichtenden Werkstoffes. Als Auswahlkriterium für das Beschichtungs­ material muß außerdem ein Werkstoff verwendet werden, der mit dem zu beschichtenden Werkstoff bei Temperaturen einen Mischkristall bildet, die unterhalb des Schmelzpunktes des Trägermaterials liegen. Außerdem muß das als Trägermate­ rial verwendete Material im schmelzflüssigen Zustand eine begrenzte Löslichkeit für das zu beschichtende Material und eine Löslichkeit für das Beschichtungsmaterial auf­ weisen. Daraus ergibt sich, daß es schwierig ist, geeig­ nete Materialien für die Erzeugung der Beschichtung von Metallen auszuwählen, die alle genannten Voraussetzungen erfüllen.

Angesichts des geschilderten Standes der Technik liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden zweier Werkstücke aus Metall anzu­ geben, das einfacher und billiger ist, als die bekannten Verfahren, wobei das resultierende Verbundbauteil im Anwendungsbetrieb deutlich verbesserte Gebrauchseigen­ schaften, insbesondere bei höheren Temperaturen, und bevorzugt gute Festigkeits- und Verschleißeigenschaften aufweisen soll.

Zur Lösung wird gemäß dieser Erfindung ein Verfah­ ren zum Verbinden eines ersten Werkstückes aus Metall mit mindestens einem zweiten Werkstück aus Metall zu einem Verbundbauteil angegeben, bei dem das erste Werkstück ge­ fertigt vorliegt und das mindestens eine zweite Werkstück durch Aufgießen des Werkstoffes im schmelzflüssigen Zu­ stand auf mindestens eine Kontaktfläche des ersten Werk­ stückes und Erstarrenlassen des Werkstoffes erzeugt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß der Werkstoff des zweiten Werkstückes eine um mindestens 150°C höhere Liquidustemperatur als der Werkstoff des ersten Werkstückes hat und die Kontaktfläche des ersten Werkstückes so gestaltet ist, daß beim Erstarren durch Aufschrumpfen des zweiten Werkstückes auf das erste Werk­ stück ein Kraftschluß, eine zumindest kraftschlüssige Ver­ bindung zwischen beiden Werkstücken erzeugt wird, die ge­ gebenenfalls durch Form- und/oder Stoffschluß unterstützt werden kann.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen von Merk­ malen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 20.

Somit wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer ersten Fertigungsstufe ein erstes Werkstück nach einer üblichen Fertigungsmethode hergestellt. Als Ferti­ gungsverfahren eignen sich beispielsweise das Kokillen­ gieß-, Sandgieß- oder Druckgießverfahren.

In einer zweiten Fertigungsstufe wird das mindes­ tens eine zweite Werkstück aus Metall durch Aufgießen auf das erste Werkstück aufgebracht. Wesentlich ist dabei, daß der Werkstoff des zweiten Werkstückes eine um mindes­ tens 150°C, vorzugsweise mindestens 200°C, höhere Liquidustemperatur als der Werkstoff des ersten Werk­ stückes hat. Nach dem Aufgießen des zweiten Werkstückes erfolgt seine Abkühlung, was zur Erstarrung des aufgegos­ senen Werkstoffes führt. Bei weiterer Abkühlung nach der Erstarrung erfolgt ein Aufschrumpfen des zweiten Werk­ stückes auf dem ersten Werkstück, wobei eine kraftschlüs­ sige Verklammerung zwischen den Werkstücken bewirkt wird. Gegebenenfalls kann gleichzeitig mit dem Kraftschluß auch ein Formschluß und/oder Stoffschluß stattfinden.

Im Gegensatz zu den im eingangs genannten Stand der Technik beschriebenen Verfahren ist bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren nicht erforderlich, daß sich eine metal­ lische Bindung zwischen den zu verbindenden Materialien ausbildet. Eine metallische Bindung kann aber unter Um­ ständen erwünscht sein, um gegebenenfalls den Wärmeüber­ gang zwischen den beiden Materialien im Anwendungsbetrieb des resultierenden Verbundbauteils zu verbessern.

Vorzugsweise hat der Werkstoff des zweiten Werk­ stückes eine Liquidustemperatur, die im Bereich von 150 bis 900°C über der Liquidustemperatur des Werkstoffes des ersten Werkstückes liegt, vorzugsweise 300 bis 700°C, darüber.

Erfindungsgemäß wird als Werkstoff des zweiten Werkstückes bevorzugt eine Schwermetallegierung oder ein Schwermetall verwendet. Besonders geeignet sind Schwer­ metallegierungen auf Kupfer-, Nickel- oder Eisenbasis. Als Schwermetallegierung auf Kupferbasis wird vorzugsweise eine Aluminiumbronze verwendet. Eine besonders geeignete Aluminiumbronze hat die folgende Zusammensetzung:
Cu bis 76,0 Gew.-%
Al 8,5 bis 11,0 Gew.-%
Ni 4,0 bis 6,5 Gew.-%
Fe 3,5 bis 5,5 Gew.-%
Mn maximal 3,0 Gew.-%
wobei weitere Verunreinigungen in einer Menge von bis zu 0,8 Gew.-% enthalten sein können.

Die Solidus- bzw. Liquidustemperaturen dieser Schwermetallegierung liegen bei 1020 bzw. 1040°C und damit etwa 440°C über der Liquidustemperatur üblicher Al-Kolbenlegierungen. Diese Aluminiumbronze zeichnet sich durch eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 51 W/m X K bis 80 W/m x K bei Temperaturen von 20°C bzw. 400°C aus und liegt damit zwischen den Werten von Al-Legierungen und austenitischem Gußeisen.

Die Schwermetallegierung auf Cu-Basis kann auch eine Kupfer-Beryllium-Bronze oder eine Kupfer-Nickel-Sili­ zium-Bronze sein. Schwermetallegierungen auf Cu-Basis haben üblicherweise Liquidustemperaturen unterhalb 1200°C, meistens zwischen 1000 und 1200°C.

Die Schwermetallegierung auf Ni-Basis enthält bei­ spielsweise die folgenden Bestandteile:
Cu 28 bis 32 Gew.-%
Fe maximal 3,0 Gew.-%
Mn 0,5 bis 1,5 Gew.-%
C 0,1 bis 0,3 Gew.-%
Si 0,5 bis 1,5 Gew.-%
S maximal 0,05 Gew.-%
Mg 0,08 bis 0,12 Gew.-%
Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen.

Der Gehalt an Si kann jedoch auch höher sein, wobei der 4,5 Gew.-% nicht übersteigen sollte.

Eine Schwermetallegierung auf Fe-Basis kann ein austenitischer Grauguß (Ni-Resist) mit Lamellengraphit oder Kugelgraphit sein. Bevorzugt wird Ni-Resist Typ 1 oder Ni-Resist Typ D2C verwendet. Legierungen auf Fe- Basis haben üblicherweise eine Liquidustemperatur im Bereich von 1150 bis 1400°C.

Ni-Resist Typ 1 enthält die folgenden Bestandteile:
C maximal 3,0 Gew.-%
Si 1,0 bis 2,8 Gew.-%
Mn 1,0 bis 1,5 Gew.-%
Ni 13,5 bis 17,5 Gew.-%
Cu 5,5 bis 7,5 Gew.-%
Cr 1,75 bis 2,5 Gew.-%
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.

Ni-Resist Typ D2C enthält die folgenden Bestand­ teile:
C maximal 2,9 Gew.-%
Si 2,0 bis 3,0 Gew.-%
Mn 1,8 bis 2,4 Gew.-%
Ni 21,0 bis 24,0 Gew.-%
Cr maximal 0,5 Gew.-%
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.

Als Werkstoff des ersten Werkstückes wird vorzugs­ weise ein Leichtmetall oder eine Leichtmetallegierung mit einer Liquidustemperatur im Bereich von 550 bis 660°C verwendet. Eine bevorzugt für Kolben verwendete Al-Legie­ rung hat die folgenden Bestandteile:
Si 11,0 bis 13,0 Gew.-%
Cu 0,8 bis 1,5 Gew.-%
Ni 0,8 bis 1,3 Gew.-%
Mg 0,8 bis 1,3 Gew.-%
Fe maximal 0,65 Gew.-%
Mn maximal 0,2 Gew.-%
Ti maximal 0,2 Gew.-%
Rest Al sowie unvermeidbare Verunreinigungen.

Überraschenderweise konnte durch das erfindungsgemäße Ver­ fahren ein Vorurteil in der Fachwelt überwunden werden, wonach es als unmöglich galt, zwei Werkstücke aus Metall durch Aufgießen miteinander zu verbinden, wobei der Werk­ stoff des zweiten, aufgegossenen Werkstückes eine deutlich höhere Liquidustemperatur als der Werkstoff des ersten Werkstückes hat, ohne daß dabei gleichzeitig das erste Werkstück durch Aufschmelzen zerstört wird. Es wird bei­ spielsweise in DE-OS 28 54 958 angegeben, daß die Schmelz­ temperatur des Umgußmaterials sich um maximal ± 100°C von der Schmelztemperatur des zu umgießenden Materials unterscheiden darf, wenn eine Zerstörung des ersten Werk­ stückes durch Aufschmelzen vermieden werden soll.

Überraschenderweise treten jedoch die befürchteten gravierenden Nachteile bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf. Dank der hohen Wärmeleitfähigkeit von Al- Legierungen und dank der hohen Festigkeit der Oxidhaut auf Al-Oberflächen, die sich auf dem Werkstück bei der Ferti­ gung bildet, übersteht das Werkstück das Aufgießen des Werkstoffes aus dem zweiten Werkstück unbeschadet.

Das Vorurteil der Fachwelt wird auch durch den fol­ genden Sachverhalt erkennbar. Aus DE-PS 10 66 048 ist ein Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen bekannt, in dessen Kopf hinter dem Ringfeld ein zur Aufnahme von Kühl­ mitteln vorgeformter Körper vorgesehen ist. In einer ersten Fertigungsstufe wird ein Kolbenrohling aus einer Al-Legierung gegossen. In diesem Rohling wird im Bereich des Ringfeldes eine Ausnehmung hergestellt, in die Kühl­ kanäle eingesetzt und dann in einer weiteren Fertigungs­ stufe mit schmelzflüssigem Metall umgossen werden. Das Umgußteil verankert die Kühlkanäle und bildet das Mate­ rial, in das später die Ringnuten eingearbeitet werden.

Die Aussage in dieser Druckschrift, daß die Aus­ nehmung mit einem anderen metallischen Werkstoff ausge­ füllt werden kann und keineswegs ein Leichtmetall oder ein Leichtmetallegierung sein muß, hat in den 36 Jahren seit Anmeldung dieses Schutzrechtes nicht dazu geführt, daß Werkstoffe zum Aufgießen verwendet wurden, deren Liquidus­ temperatur deutlich höher ist als die Liquidustemperatur des Werkstoffes des zu beschichtenden Werkstückes.

Es liegt vielmehr nahe, daß der Hinweis, daß keineswegs eine Leichtmetallegierung verwendet werden muß, so zu verstehen ist, daß hier an niedrigschmelzende Metal­ legierungen gedacht wurde, denn der Fachmann war bisher stets davon ausgegangen, daß als aufzugießender Werkstoff auf jeden Fall ein Werkstoff gefunden werden müßte, dessen Schmelzpunkt nicht weit von dem Schmelzbereich des Werk­ stoffes aus dem ersten Werkstück entfernt war. Hierzu er­ hielt er aus der oben genannten DE-OS 28 54 958 einen kon­ kreten Hinweis, wie weit die Schmelzpunkte voneinander entfernt sein durften.

Obwohl seit jeher das Vorurteil der Fachwelt be­ steht, wird erfindungsgemäß gerade vorgeschlagen, das zweite Werkstück aus einem Werkstoff aufzugießen, das eine deutlich höhere Liquidustemperatur als der Werkstoff des ersten Werkstückes hat. Für die Funktionsfähigkeit des fertigen Verbundbauteils ist es entscheidend, daß die Verklammerung zwischen dem ersten und dem zweiten Werk­ stück durch die Schrumpfspannung auch im Anwendungsbe­ trieb erhalten bleibt. Dies bedeutet, daß der Werkstoff des zweiten Werkstückes bei einer erhöhten Betriebstempe­ ratur des Verbundbauteils keine wesentlichen Festigkeits­ einbußen erfahren darf. Diese Bedingung wird aufgrund der deutlich höheren Liquidustemperatur des Werkstoffes für das zweite Werkstück gut erfüllt.

Für die Auswahl von geeigneten Materialkombinatio­ nen können zusätzlich zu der angegebenen unteren Grenze der Liquidustemperatur auch die folgenden Einflußgrößen berücksichtigt werden. Der Grundkörper des ersten Werk­ stückes darf selbstverständlich durch das Aufgießen des zweiten Materials nicht völlig aufschmelzen. Dies bedeu­ tet, daß der Grundkörper aus einem solchen Material be­ stehen sollte, das die durch das Aufgießen aufgebrachte Wärme möglichst gut abführen kann. Für diesen Zweck her­ vorragend geeignet sind Aluminium oder Al-Legierungen, da sie eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit haben. Dabei ist es vorzuziehen, wenn der Grundkörper aus der Al-Legie­ rung im Bereich des Aufgusses einen möglichst massiven Materialquerschnitt aufweist, damit die Wärme, die durch das Aufgießen auf den Grundkörper aufgebracht wird, ohne Schaden aufgenommen werden kann. Notfalls muß bei mangel­ dem Materialquerschnitt die Wärme des Umgußmetalls durch zusätzliche Kühlmaßnahmen abgeführt werden, eine dem Gießereifachmann geläufige Maßnahme.

Auch der thermische Ausdehnungskoeffizient kann bei der Auswahl von besonders geeigneten Materialkombinationen für das erste und das zweite Werkstück eine Rolle spielen. Wenn das Verbundbauteil z. B. ein gebauter Kolben ist, der aus einer Al-Legierung hergestellt ist, ist es empfehlens­ wert, daß das Material für das zweite Werkstück, z. B. den Ringträger, einen geringfügig niedrigeren thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten hat als die Al-Legierung. Dann ist gewährleistet, daß ein solcher Kolben den Temperatur­ schwankungen im Motorbetrieb widerstehen kann, ohne die sichere Verankerung zwischen Al-Grundkörper und Armie­ rungsteil einzubüßen.

Bei anderen Anwendungszwecken des erfindungsge­ mäßen Verbundbauteils kann jedoch auch ein wesentlich nie­ driger Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten für den Werkstoff des zweiten Werkstückes akzeptabel sei. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn das Verbund­ bauteil während des Anwendungsbetriebes keinen erheblichen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.

Ebenso kann die Streckgrenze des verwendeten Werk­ stoffes eine Einflußgröße sein, die bei der Auswahl der zu verwendenden Materialien für die Herstellung des Verbund­ bauteils berücksichtigt werden muß. Bevorzugt ist die Streckgrenze des verwendeten Werkstoffes so hoch, daß die infolge des Aufschrumpfens entstehende Spannung im wesent­ lichen durch elastische Verformung aufgenommen werden kann. Günstig ist es, wenn die Streckgrenze des Werk­ stoffes für das zweite Werkstück höher ist als die des Werkstoffes für das erste Werkstück. Bevorzugt ist es, wenn die Werkstoffe für das erste und das zweite Werkstück unter den bei zyklischer Erwärmung und Abkühlung im Anwen­ dungsbetrieb entstehenden Spannungen in einem Spannungs-/ Dehnungs-Diagramm jeweils im elastischen Bereich bleiben, denn dann bleibt die durch die Schrumpfspannung erzeugte Bindung unter allen Betriebsbedingungen gut erhalten.

Ein weiteres Auswahlkriterium für den Werkstoff des zweiten Werkstückes kann auch eine hohe Warmfestigkeit im Bereich der Arbeitstemperatur des fertigen Verbundbauteils sein. Außerdem können je nach Anwendungsfall zusätzlich besondere spezifische Eigenschaften gefordert sein, z. B. Reibverschleißfestigkeit, Thermoschockbeständigkeit, Be­ ständigkeit gegenüber bestimmten chemischen Stoffen, usw. Je nach Anwendungsfall wird man aus den verfügbaren Mate­ rialien die jeweils am besten geeigneten aussuchen.

Erfindungsgemäß erfolgt die Verbindung der beiden Werkstücke aus Metall grundsätzlich so, daß das erste Werkstück nach üblichen Fertigungsmethoden vorgefertigt wird und daß das mindestens eine zweite Werkstück auf das erste Werkstück aufgegossen wird. Somit ist es möglich, auf ein erstes Werkstück mehrere zweite Werkstücke, die miteinander nicht in Verbindung stehen müssen, aufzu­ gießen. Dabei kann es günstig sein, das vorgefertigte erste Werkstück vor dem Aufgießen auf eine etwas erhöhte Temperatur vorzuwärmen, wobei eine Temperatur im Bereich von 100 bis 200°C als Vorwärmtemperatur gewählt werden kann.

Die Zeit zum Aufgießen des Werkstoffes des zweiten Werkstückes ist normalerweise sehr kurz und beträgt wenige Sekunden. Zum Aufgießen wird das zu verwendende Material auf die erforderliche Temperatur erhitzt, damit dieses Material im schmelzflüssigen Zustand gegossen werden kann. Die konkrete Temperatur hängt von der verwendeten Legierung und deren Liquidustemperatur ab.

Erfindungsgemäß ist es ebenfalls möglich, zusätz­ lich zur Verankerung des Umgußteils durch die Schrumpf­ kräfte die Oberflächenhaftung zwischen den beiden ver­ wendeten Materialien durch an sich bekannte Verfahren wei­ ter zu verbessern, erforderlichenfalls bis hin zur Ausbil­ dung eines Stoffschlusses. Als Behandlungsmöglichkeit für die Oberfläche des Werkstoffes des ersten Werkstückes vor dem Aufgießen des Werkstoffes für das zweite Werkstück kommen in Betracht: eine haftvermittelnde Oberflächenbe­ handlung, z. B. ein Aufrauhen bishin zur Ausbildung von Verzahnungen, das Aufbringen von metallischen Schichten oder das Aufbringen von chemischen Schichten. Als metal­ lische Schichten können insbesondere Schichten aus Zink, Zinn, Kupfer oder Silber aufgebracht werden. Derartige Schichten werden üblicherweise in einer Dicke von wenigen Mikrometern aufgebracht.

Die chemischen Schichten können beispielsweise durch Phosphatieren oder Chromatieren oder auch in Form von an sich bekannten flußmittelbildenden Fluoridkomplex­ salzen aufgebracht werden.

Ebenso ist es möglich, nach dem Aufgießen entlang der entstandenen Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück eine Schweißnaht anzubringen, um gegebe­ nenfalls z. B. das Eindringen von schädlichen Stoffen in eine verbliebene Trennfuge zu verhindern. Die Kontakt­ fläche zwischen den beiden Metallen kann bei Bedarf auch durch Einbringen eines flüssigen Lotmetalls abgedichtet werden.

Das erfindungsgemäße Verbundbauteil, das durch das beschriebene Verfahren erhältlich ist, ist vorzugsweise ein Kolben oder ein Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen, oder eine Welle oder Wellenlageranordnung. Besonders bevorzugt wird der Kolben in Dieselmaschinen verwendet, wobei ein solcher Kolben in seinem oberen Bereich sehr stark beansprucht wird. Erfindungsgemäß ist es daher bevorzugt, daß die oberste Ringnut des Kolbens mit dem Werkstoff des zweiten Werkstückes als Armierung versehen ist. Das zweite Werkstück kann dabei ein Ringträger sein. Der Ringträger kann so in den Kolben eingearbei­ tet sein, daß die Kolbenkopffläche vollständig aus dem Material des ersten Werkstückes hergestellt ist. Es ist aber auch möglich, den Ringträger in Bezug auf die Kol­ benkopffläche freizustellen, so daß dieser damit einen Teil der Kolbenkopffläche bildet. Durch eine derartige Vorgehensweise wird ermöglicht, die Ringnut möglichst nahe am oberen Rand des Kolbens vorzusehen.

Es ist erfindungsgemäß bei der Herstellung eines Kolbens ebenfalls möglich, einen Umguß aus dem verwendeten Werkstoff für das zweite Werkstück für die oberste Nut vorzusehen und gleichzeitig eine Armierung in der Bolzen­ bohrung des Kolbens z. B. in Form einer Halbschale vorzu­ sehen, die auch aus dem Material des zweiten Werkstückes hergestellt ist. Diese Halbschale kann ohne Verbindung zu dem Umgußteil für die oberste Ringnut sein; es ist auch möglich, eine Verbindung, z. B. einen Steg zwischen dem Umguß für die oberste Ringnut und der Halbschale herzu­ stellen, wobei alle diese Teile aus dem Werkstoff für das zweite Werkstück entsprechend dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren hergestellt sind.

Bei der Herstellung eines Leichtmetallkolbens aus der oben spezifizierten Al-Legierung ist es vorteilhaft, für das Armierungsteil als Werkstoff des zweiten Werk­ stückes eine Aluminiumbronze, die oben angegeben ist, zu wählen, weil eine Vermischung eines solchen Materials mit dem Materialkreislauf in der Leichtmetallgießerei und Kol­ benbearbeitung keine Probleme bereitet. Bei den eingangs beschriebenen Verfahren aus dem Stand der Technik konnte man diesen Vorteil nicht nutzen, weil es sehr schwierig ist, eine reproduzierbare metallische Bindung zwischen einem Armierungsteil auf Cu-Basis und einem Al-Grundkörper zu erzeugen. Aus diesem Grund wurde im Hinblick auf die im Stand der Technik angestrebte metallische Bindung zwischen Al-Grundwerkstück und Armierungsteil in erster Linie Grauguß als Ringträger verwendet.

Das erfindungsgemäße Aufgießen und Aufschrumpfen des Werkstoffes für das zweite Werkstück auf das vorge­ fertigte erste Werkstück erlaubt unter Berücksichtigung der oben angegebenen, besonders bevorzugten Auswahlkrite­ rien eine freie Werkstoffauswahl, weil der feste Sitz des zweiten Werkstückes in erster Linie auf der Schrumpfspan­ nung beruht und auf metallurgische Affinität der Werk­ stoffe keine Rücksicht genommen werden muß.

Diese Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Teilansicht eines gebauten Kol­ ben, der mit einem Ringträger zu einem Verbundbauteil ver­ bunden ist; und

Fig. 2 zeigt eine Teilansicht eines Kolbens gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein einstückig hergestellter Kolben (1) gezeigt, wobei mit Bezugszeichen (2) der Boden des Kolbenkopfes (20) und mit Bezugszeichen (3) der Kolben­ schaft bezeichnet sind. Der Ringträger (4) ist aus dem Werkstoff des zweiten Werkstückes durch Aufgießen in eine in dem Kolben (1) vorgefertigte Aussparung eingefügt und weist eine Ringnut (5) auf.

Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, ist der Ring­ träger (4) am oberen Teil des Kolbenkopfes (20) vorgese­ hen, wobei er gemäß dieser Ausführungsform auch einen Teil des Kolbenbodens (2) bildet. Dadurch ist es möglich, die Ringnut (5) möglichst nahe am Kolbenboden (2) vorzusehen.

Gemäß einer Variante, die in Fig. 2 gezeigt ist, bildet der Ringträger (4) keinen Teil des Kolbenbodens (2), sondern ist von dieser beabstandet im Kolbenkopf (20) vorgesehen. Gemäß dieser Variante ist der Ringträger (4) durch einen Steg (7) mit einer Halbschale in der Bol­ zenbohrung (6) verbunden. Bei dieser Variante bestehen der Ringträger (4), der Steg (7) und die Halbschale in der Bolzenbohrung (6) bevorzugt aus dem gleichen Werkstoff des zweiten Werkstückes. Es ist aber auch möglich, den Ring­ träger (4) und die Halbschale in der Bolzenbohrung (6) aus dem Werkstoff des zweiten Werkstückes herzustellen, ohne daß zwischen diesen beiden Teilen eine Verbindung durch den Steg (7) hergestellt ist.

In gleicher Weise kann eine im Kolbenkopf angeord­ nete Brennraummulde zumindest segmentweise durch den Werk­ stoff des zweiten Werkstückes armiert werden, wobei diese Armierung ebenfalls über Stege mit Armierungen an anderen Stellen des Kolbens wie dem Ringträger oder den Bolzen­ bohrungen verbunden sein kann.

Zur Herstellung eines solchen Verbundbauteils, das in den Fig. 1 oder 2 dargestellt ist, wird zunächst der Kolben beispielsweise aus einer Al-Legierung durch konven­ tionelle Fertigungsverfahren wie Gießen, Schmieden, Strangpressen, Zerspanen, etc. hergestellt. An dem Al- Werkstück werden anschließend Aussparungen vorgesehen, die später mit dem Umgußmetall aufgefüllt werden sollen. Das Al-Werkstück wird dann in eine Gießform eingelegt, die die erforderlichen Eingießkanäle für das Umgußmetall sowie Hohlräume zur Formgebung des Umgußmetalls enthält, wobei diese Hohlräume mit den im Al-Werkstück vorhandenen Aus­ sparungen in Verbindung stehen. Das Al-Werkstück kann auf eine Temperatur von etwa 100 bis 200°C vorerwärmt wer­ den. Anschließend wird das auf Gießtemperatur erwärmte Material für das zweite Werkstück aufgegossen. Nach dem Aufgießen erkaltet das Umgußmetall und erstarrt in der Form. Danach wird das so hergestellte Verbundbauteil aus der Form genommen und auf übliche Weise zu dem resultie­ renden Verbundbauteil verarbeitet. Für die Erzeugung des Umgusses bzw. Angusses kann jedes im Stand der Technik be­ kannte Formgießverfahren in Frage kommen: Sandguß, Kokil­ lenguß, Druckguß oder auch das Squeeze-Cast-Verfahren.

Auf gleiche Weise können durch das erfindungsgemäße Verfahren auch andere beliebige Verbundbauteile erzeugt werden, deren Gebrauchseigenschaften durch das zweite Werkstück örtlich verbessert werden sollen. Bei der Her­ stellung z. B. eines Zylinderkopfes kann der den Brennraum begrenzende Bereich des Zylinderkopfes wenigstens teil­ weise mit dem Werkstoff des zweiten Werkstückes als Armie­ rung versehen sein.

Claims (30)

1. Verfahren zum Verbinden eines ersten Werkstückes aus Metall mit mindestens einem zweiten Werkstück aus Metall zu einem Verbundbauteil, bei dem

• - das erste Werkstück gefertigt vorliegt und
• - das mindestens eine zweite Werkstück durch Aufgießen seines Werkstoffes im schmelzflüssigen Zustand auf mindestens eine Kontaktfläche des ersten Werkstückes und Erstarrenlassen des Werk­ stoffes erzeugt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Werkstoff des zweiten Werkstückes eine um mindestens 150°C höhere Liquidustemperatur als der Werkstoff des ersten Werkstückes hat, und
• - die Kontaktfläche des ersten Werkstückes so ge­ staltet ist, daß beim Erstarren durch Aufschrumpfen des zweiten auf das erste Werkstück eine zumindest kraftschlüssige Verbindung zwischen beiden erzeugt wird, die gegebenenfalls durch Form- und/oder Stoffschluß unterstützt werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des zweiten Werkstückes eine um min­ destens 200°C höhere Liquidustemperatur als der Werkstoff des ersten Werkstückes hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des zweiten Werkstückes eine im Bereich von 150 bis 900°C höhere Liquidustem­ peratur als der Werkstoff des ersten Werkstückes hat.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff des zweiten Werkstückes ein Schwer­ metall, eine Schwermetallegierung oder eine Al- Legierung verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwermetallegierung auf Cu-, Ni- oder Fe- Basis verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallegierung auf Cu-Basis eine Alumi­ niumbronze ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumbronze die folgende Zusammensetzung hat:
Cu bis 76,0 Gew.-%
Al 8,5 bis 11,0 Gew.-%
Ni 4,0 bis 6,5 Gew.-%
Fe 3,5 bis 5,5 Gew.-%
Mn maximal 3,0 Gew.-%,
wobei weitere Verunreinigungen in einer Menge von bis zu 0,8 Gew.-% enthalten sein können.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallegierung auf Cu-Basis eine Kupfer- Beryllium-Bronze ist.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallegierung auf Cu-Basis eine Kupfer- Nickel-Silizium-Bronze ist.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallegierung auf Ni-Basis folgende Be­ standteile enthält:
Cu 28 bis 32 Gew.-%
Fe maximal 3,0 Gew.-%
Mn 0,5 bis 1,5 Gew.-%
c 0,1 bis 0,3 Gew.-%
Si 0,5 bis 1,5 Gew.-%
S maximal 0,05 Gew.-%
Mg 0,08 bis 0,12 Gew.-%,
Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen.

11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallegierung auf Fe-Basis ein aus­ tenitischer Grauguß (Ni-Resist) mit Lammellen­ graphit oder Kugelgraphit ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallegierung auf Fe-Basis Ni-Resist Typ 1 mit den folgenden Bestandteilen ist:
C maximal 3,0 Gew.-%
Si 1,0 bis 2,8 Gew.-%
Mn 1,0 bis 1,5 Gew.-%
Ni 13,5 bis 17,5 Gew.-%
Cu 5,5 bis 7,5 Gew.-%
Cr 1,75 bis 2,5 Gew.-%
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallegierung auf Fe-Basis Ni-Resist Typ D2C mit den folgenden Bestandteilen ist:
C maximal 2,9 Gew.-%
Si 2,0 bis 3,0 Gew.-%
Mn 1,8 bis 2,4 Gew.-%
Ni 21,0 bis 24,0 Gew.-%
Cr maximal 0,5 Gew.-%
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff des ersten Werkstückes ein Leicht­ metall oder eine Leichtmetallegierung verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück aus dem Leichtmetall oder der Leicht­ metallegierung eine Liquidustemperatur im Bereich von 550 bis 660°C hat.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Oberfläche des ersten Werkstückes, der mit dem zweiten Werkstück versehen werden soll, vor dem Aufgießen des Werkstoffes des zweiten Werk­ stückes eine haftvermittelnde Oberflächenbehandlung z. B. durch Aufrauhen, Aufbringen von metallischen Schichten oder Aufbringen von chemischen Schichten erfährt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß metallische Schichten auf Basis von Sn, Zn, Cu oder Ag auf die Oberfläche des ersten Werkstückes aufge­ bracht werden.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die chemischen Schichten durch Phosphatieren oder Chromatieren aufgebracht werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufgießen des Werkstoffes des zweiten Werkstückes entlang der Kontaktfläche zwischen den Werkstoffen der beiden Werkstücke eine Schweißnaht aufgebracht wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spalt entlang der Kontaktfläche zwischen den Werkstoffen der beiden Werkstücke mit einem Lot­ metall ausgefüllt wird.

21. Verbundbauteil aus zwei Werkstücken, erhältlich nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

22. Verbundbauteil nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundbauteil ein Kolben, ein Zylinderkopf, eine Welle oder eine Wellenlageranordnung ist.

23. Verbundbauteil nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein brennraumnaher Bereich des Kolbenkopfes mit dem Werkstoff des zweiten Werkstückes als Armierung versehen ist.

24. Verbundbauteil nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Werkstück ein Ringträger ist.

25. Verbundbauteil nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringträger in Bezug auf den Kolbenboden freige­ stellt ist und damit einen Teil der Kolbenboden­ fläche bildet.

26. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Bolzenbohrung in dem Kolben zumindest teil­ weise aus dem Werkstoff des zweiten Werkstückes hergestellt ist.

27. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung der obersten Ringnut und der Bolzen­ bohrung mit einem Steg verbunden sind und daß diese Teile aus dem Werkstoff des zweiten Werkstückes hergestellt sind und zusammenhängend das zweite Werkstück bilden.

28. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraummulde des Kolbens wenigstens ab­ schnittsweise mit dem Werkstoff des zweiten Werk­ stückes versehen ist.

29. Verbundbauteil nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der den Brennraum begrenzende Bereich des Zylinder­ kopfes wenigstens abschnittsweise mit dem Werkstoff des zweiten Werkstückes als Armierung versehen ist.