DE4434576A1 - Verbundgußzylinder oder -zylinderblock - Google Patents
Verbundgußzylinder oder -zylinderblockInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen gegossenen
Verbundgußzylinder oder -zylinderblock nach dem
Oberbegriff der Ansprüche 1 oder 2.
Aluminium-Legierungen sind unter heutigen Gesichtspunkten
die wichtigsten Zukunftswerkstoffe im Kraftfahrzeugbau
mit steigender Anwendungstendenz. Primär wird dabei neben
anderen Vorzügen der Gewichtsvorteil gegenüber
Eisenwerkstoffen ausgenutzt. Dies hat spürbare
Auswirkungen nicht nur beim Kolben sondern ganz besonders
auch beim Zylinder bzw. Zylinderblock als dem schwersten
Einzelteil eines Kraftfahrzeugs. So sind
Gewichtsreduzierungen von 40 bis 60% durch die
Umstellung des Zylinderblocks von Grauguß auf
Aluminium-Silizium-Legierungen für den Motorblock
realisierbar bzw. bereits realisiert. In der Z.: MTZ
Motortechnische Zeitschrift 35 (1974), S. 33-41, ist ein
aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung
des Typs AlSi17Cu4 im Niederdruckgußverfahren
hergestellter Zylinder beschrieben. Die in der
Zylinderlauffläche durch Primärausscheidung aus der
übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung erzeugten,
gleichmäßig verteilten und gleichmäßig ausgebildeten
Siliziumkörner besitzen eine Korngröße zwischen 30 und
80 µm. Nach dem Gießen des Zylinders bzw. Zylinderblocks
wird die Zylinderbohrung durch Vor- und Feinbohren
mechanisch bearbeitet und anschließend vor- und
feingehont, so daß die Siliziumkörner in der
Zylinderlaufbahn geglättet sind und zunächst mit der
umgebenden Legierungsmatrix eine Ebene bilden. Nach dem
Honvorgang wird die Legierungsmatrix zwischen den
Siliziumkörnern durch elektrochemische Bearbeitung leicht
zurückgesetzt, so daß die Siliziumkörner als Traggerüst
für die Kolbenringe und den Kolbenschaft aus der
unbewehrten Zylinderlaufbahn geringfügig, d. h. um 0,5 bis
2,0 µm, vorzugsweise 0,8 bis 1,5 µm, herausragen. Eine
solche Zylinderlauffläche kann nur in der Kombination mit
einem wenigstens am Kolbenschaft mit einer Eisenschicht
von etwa 20 µm Dicke beschichteten Leichtmetallkolben
benutzt werden, um bei extremen Laufbedingungen und unter
allen Umständen einen Kontakt zwischen der
Legierungsmatrix, der Zylinderlauffläche und dem
Leichtmetall des Kolbens zu vermeiden. Durch die
Eisenbeschichtung des Kolbenschafts wird der
Kolbenschaftverschleiß erheblich gesenkt und die
Freßneigung zwischen Kolbenschaft und Zylinderlaufbahn
eliminiert. Der Nachteil eines solchen Zylinders bzw.
Zylinderblocks besteht darin, daß der gesamte
Zylinderblock aus einer mit beachtlichem Aufwand
herzustellenden übereutektischen
Aluminium-Silizium-Legierung gegossen werden muß.
Bekannt ist auch ein Zylinder bzw. Zylinderblock aus
Aluminium-Legierung des Typs AlSi9Cu3, bei dem auf die
Oberfläche der Zylinderbohrung eine auf galvanischem Wege
erzeugte, 50 bis 80 µm dicke Grundschicht aus Nickel mit
darin dispergierten Siliziumcarbidteilchen einer Größe
von 1 bis 3 µm aufgebracht ist. Die Zylinderlaufbahn wird
anschließend gehont. Die Herstellung der
Nickel-Dispersionsbeschichtung ist mit einem nicht
unerheblichen Verfahrensaufwand verbunden. Insbesondere
sind im Rahmen der Galvanikanlage
Entgiftungseinrichtungen für die Vorbehandlungsbäder
notwendig. Der bei der Entsorgung anfallende Schlamm muß
gesammelt und vorschriftsmäßig beseitigt werden, und in
den Arbeitsbereichen der Beschichtungsbäder müssen Abzüge
mit eingebauten Waschanlagen installiert sein. Hinzu
kommt, daß im Reparaturfall die Handhabung der
Regenerierung der Beschichtung aufwendig und umständlich
ist.
In der DE-A-37 25 495 ist ein Zylinderblock für
Verbrennungskraftmaschinen vorgesehen, bei der die
Zylinderlaufbahn aus einem zylindrischen,
faserverstärkten Abschnitt aus einer Mischung aus einer
auf Aluminiumoxid basierenden Faser mit einem
Volumenanteil von 8 bis 20% und einer Kohlenstoffaser
mit einem Volumenanteil von 0,3 bis 15% mit einer
Leichtmetallmatrix besteht, wobei die auf Aluminiumoxid
basierende Faser bis zu 25% Siliziumoxid enthält. Bei
einer derartig ausgebildeten Zylinderlauffläche ist nach
wie vor der Einsatz eines Leichtmetallkolbens
erforderlich, dessen Mantel eine galvanisch
abgeschiedene, durch eine ebenfalls galvanisch
abgeschiedene Zinnschicht abgedeckte Eisenschicht
aufweist, um einen Kontakt zwischen der Legierungsmatrix
des Zylinderblocks und dem Leichtmetallkolben zu
vermeiden. Die in der Zylinderlauffläche infiltrierte
Hybrid-Faser ist teuer und die tribologischen
Eigenschaften unter Betriebsbedingungen sind schlechter
als diejenigen der aus übereutektischen
Aluminium-Silizium-Legierungen hergestellten
Zylinderlaufflächen.
Bekannt ist aus der EP-A-0 449 356 ein Zylinderblock, der
aus einer untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung
gegossen ist, wobei in den Zylinder ein mit der
Aluminiummatrix des Zylinderblocks penetrierter,
hohlzylinderförmiger Körper aus keramischen Fasern mit
darin eingesetzten Siliziumkörnern eingegossen ist. Der
Faserformkörper hat keinerlei tribologische Funktion,
sondern dient lediglich als Halterung für die
Siliziumkörner.
Gegenstand der DE-C-40 20 268 ist ein
Zylinder-Kurbelgehäuse aus einer
Aluminium-Silizium-Legierung mit 3 bis 12% Silizium und
3 bis 5% Kupfer, wobei in die Zylinder
Zylinderlaufbüchsen aus einer übereutektischen
Aluminium-Legierung eingelassen sind.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
verbesserten gegossenen Verbundgußzylinder bzw.
-zylinderblock aus untereutektischer
Aluminium-Silizium-Legierung mit umgossener Laufbüchse
aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung
bereitzustellen, der die Vorteile eines
Verbundgußzylinders bzw. Zylinderblocks mit
eingegossener Grauguß-Laufbüchse mit den Vorteilen eines
aus Aluminium-Silizium-Legierung gegossenen Zylinders
bzw. Zylinderblocks ohne Laufflächenschutz verbindet.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1
oder Anspruch 2 angegebenen Maßnahmen.
In den Ansprüchen 3 bis 7 sind weitere Ausgestaltungen
der Gegenstände gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2
angegeben.
Durch die Anwendung des Schleuderformgußverfahrens kommt
es zu einer starken Anreicherung von primärerstarrten
Siliziumkristallen auf der Innenseite der aus
übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung
hergestellten Laufbüchse, wobei die Anreicherung um so
größer ist, je höher der Siliziumgehalt der
übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung ist.
Bedingt durch die Zentrifugalkraft kommt es während des
Schleuderns zu einer Art Phasentrennung mit der Folge,
daß sich auf der Innenseite der Laufbüchse eine stark mit
Silizium angereicherte abgegrenzte Zone, die von der
Aluminiummatrix umgeben ist, bildet. Das sich auf der
Innenseite der Laufbüchse ergebende Gefüge entspricht
etwa einer AlSi35-Legierung.
Beim Flüssigpreßgießverfahren wird die
Aluminium-Silizium-Legierungsschmelze in die Gießform
gefüllt und anschließend unter einem Druck von 100 bis
1000 bar mit hoher Geschwindigkeit zur Erstarrung
gebracht, so daß ein feines Gefüge mit Erhöhung des
Anteils an Korngrenzenverfestigung und eine
ausgezeichnete Dichtespeisung, die praktisch
Porenfreiheit gewährleistet, erreicht werden. Da die
Erstarrungsgeschwindigkeit steuerbar ist, läßt sich die
Größe der Siliziumkörner anwendungsbezogen hinreichend
genau einstellen.
Darüber hinaus kann die Ausscheidung der primärerstarrten
Siliziumkristalle in beiden Fällen auch durch die
Verschiebung des Eutektikums durch Zulegieren von Nickel
und Mangan zu Legierungen mit einem vergleichsweise
geringeren Siliziumgehalt erhöht werden. Bei der
Anwendung des Schleuderformgußverfahrens wird der
Dichteunterschied zwischen der Aluminiummatrix von ca.
2,7 g/cm³ und dem ausgeschiedenen Silizium von ca.
2,3 g/cm³ ausgenutzt.
Die Laufflächen der auf diese Weise hergestellten
Laufbüchsen müssen nach dem Eingießen nur gehont und
nicht mehr einer elektrochemischen Bearbeitung zum Zwecke
der Zurücksetzung der die Siliziumkörner umgebenden
Legierungsmatrix unterworfen werden. Die
Zylinderlauffläche ist demzufolge weniger rauh und übt
deshalb eine geringere Oberflächenspannung auf das
Schmieröl aus, so daß sich eine gute Ölverteilung und ein
sehr dünner Ölfilm ergibt. Das hat zur Folge, daß sich
der Ölverbrauch verringert und damit die HC-Emissionen
sinken.
Für die Herstellung des Verbundgußzylinders bzw.
-zylinderblocks ist sowohl das Kokillengießen als auch
das Druckgießen geeignet.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft
dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch einen
Verbundzylinder,
Fig. 2 das Detail "X" der Fig. 1, eine vergrößerte
Darstellung der umgossenen,
schleuderformgegossenen Laufbüchse,
Fig. 3 eine Abwandlung des Details "X" der Fig. 1 und
Fig. 4 einen vergrößerten Teilausschnitt aus einer
umgossenen, preßgegossenen Laufbüchse.
In den aus einer untereutektischen
Aluminium-Silizium-Legierung des Typs AlSi9Cu3 im
Niederdruckgießverfahren gegossenen Zylinderblock (1) ist
eine im Schleuderformgußverfahren aus einer
Aluminium-Silizium-Legierung des Typs AlSi17Cu4Mg
hergestellte Laufbüchse (2) eingegossen. Die
Laufbüchse (2) besitzt eine Zone (3) mit einer radialen
Tiefe von 3 mm, in der eine Konzentration von
primärerstarrten Siliziumkörnern (4) erfolgt, die
derjenigen einer Aluminium-Silizium-Legierung des Typs
AlSi35 entspricht. Außerhalb der mit Siliziumkörnern (4)
angereicherten Zone (3) besitzt die Laufbüchse (2) eine
Schicht (5) aus weitgehend eutektischem Gefüge. Diese
Schicht (5) kann, wie Fig. 3 zeigt, vor dem Umgießen der
Laufbüchse (2) durch spanende Bearbeitung abgetragen
werden. Die eingegossene Laufbüchse (2) wird nach dem
Vor- und Feinbohren vor-, zwischen- und fertiggehont.
Durch das Honen wild die auf den Siliziumkörnern (4)
verschmierte Aluminium-Silizium-Legierung abgetragen und
zerstörte Siliziumkörner entfernt. Fig. 4 zeigt einen im
Druckgußverfahren gegossenen Zylinderblock (6) mit
eingegossener, durch Preßgießen hergestellter
Laufbüchse (7), bei der zwar keine Zone mit einer
Konzentration von primärerstarrten Siliziumkörnern (8)
vorliegt, die aber frei von Poren ist. Im Vergleich mit
den Ausführungsformen gemäß Fig. 2 und Fig. 3 ist die
Anzahl der Siliziumkörner (8) geringer und ihre Korngröße
kleiner.
Claims (7)
1. Gegossener Verbundgußzylinder oder -zylinderblock (1)
aus untereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung für
Verbrennungskraftmaschinen mit umgossener
Laufbüchse (2) auf übereutektischer
Aluminium-Silizium-Legierung, gekennzeichnet durch
eine schleuderformgegossene Laufbüchse (2).
2. Gegossener Verbundgußzylinder oder -zylinderblock (6)
aus untereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung für
Verbrennungskraftmaschinen mit umgossener
Laufbüchse (7) aus übereutektischer
Aluminium-Silizium-Legierung, gekennzeichnet durch
eine preßgegossene Laufbüchse (7).
3. Verbundgußzylinder oder -zylinderblock (1), (6) nach
einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch eine
untereutektische Aluminium-Silizium-Legierung des Typs
AlSi6Cu, AlSi9Cu oder AlSi10Mg.
4. Verbundgußzylinder oder -zylinderblock (1), (6) nach
einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Laufbüchse (2), (7) aus einer übereutektischen
Aluminium-Silizium-Legierung des Typs AlSi17Cu4Mg,
AlSi20-25Cu4Mg, AlSi30-40, AlSi17Cu4Ni3MnMg besteht.
5. Verbundgußzylinder oder -zylinderblock (1), (6) nach
einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Laufbüchse (2), (7) auf der Außenseite eine
Oberflächenrauhheit in Form von Rillen, Riefen, Rippen
oder Wellen aufweist.
6. Verbundgußzylinder oder -zylinderblock (1), (6) nach
einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die umgossene Laufbüchse (2), (7) nach der
Bearbeitung der Zylinderlauffläche eine Wanddicke von
1,5 bis 4,0 mm, vorzugsweise 2 bis 3 mm, besitzt.
7. Verbundgußzylinder oder -zylinderblock (1), (6) nach
einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Siliziumkörner der
Laufbüchse (2), (7) eine Korngröße von 15 bis 50 µm
oder 30 bis 80 µm besitzen.
Priority Applications (3)
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Publications (1)
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4434576A Withdrawn DE4434576A1 (de) | 1994-08-09 | 1994-09-28 | Verbundgußzylinder oder -zylinderblock |
Country Status (1)
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |