DE60301723T2

DE60301723T2 - Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen

Info

Publication number: DE60301723T2
Application number: DE60301723T
Authority: DE
Inventors: David James Cook; Clemens Maria Verpoort; Maik Broda; Ulrich Weiss; Matthew John Zaluzec
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2023-03-14
Also published as: EP1462194A1; DE60301723D1; US20060143896A1; EP1462194B1; US7296610B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen aus mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen, von denen der eine Werkstoff eine Legierung auf Eisenbasis und der andere eine Legierung auf Aluminiumbasis ist, mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 aufgeführten Verfahrensschritten, nämlich Auftragen einer metallischen Schicht auf einen Körper aus der Eisenbasis-Legierung, wobei die Schicht eine Legierung auf Aluminiumbasis, vorzugsweise auf Basis von Al-Si oder Fe, ist, Einlegen des beschichteten Körpers in eine Gießform und Umgießen des beschichteten Körpers mit einer Legierung auf Aluminiumbasis.
Zur Erfüllung sowohl der tribologischen als auch der fertigungstechnischen Anforderungen an Verbrennungskraftmaschinen und insbesondere den Anforderungen an das System Kolben, Kolbenring und Zylinderlaufbuchse werden verschleißfeste Körper im Motorblock gegossen. Je nach Belastung können verschiedene Werkstoffe kombiniert werden. Aufgrund von Gewicht, einfacher Herstellung und spezifischen Eigenschaften werden für Motorblöcke Aluminiumlegierungen verwendet. In den Bereichen des Systems Kolben, Kolbenring und Zylinderlaufbuchse, die tribologischen Bedingungen unterliegen, verwendet man dagegen Legierungen auf Eisenbasis, wobei beispielsweise die Zylinderlaufbuchse im Motorblock und das Ringlagerlement im Kolben eingegossen wird. Aufgrund der unterschiedlichen spezifischen Eigenschaften der Werkstoffe ist die Ausbildung einer mechanischen oder metallurgischen Bindung zwischen den Werkstoffen schon immer ein Problem gewesen. Sowohl die dynamischen als auch die thermischen Eigenschaften in den Verbrennungskraftmaschinen stellen hohe Anforderungen an die Bindung.
Das in DE 95 86 14 beschriebene „Alfin"-Verfahren ist schon seit langem als Verfahren zum Erhalt einer metallurgischen Bindung bekannt. Hierbei wird auf einer eisenhaltigen Zylinderlaufbuchse eine Aluminiumlegierung in einer Dicke von einigen hundertstel Millimeter aufgetragen, was durch diffusives Binden eine Verbindung ergibt. Beim Eingießen der Zylinderlaufbuchse wird das Gießmaterial an die Diffusionsschicht gebunden.
Zur Verbesserung der metallurgischen Bindung zwischen dem eisenhaltigen Teil und der aufgetragenen Aluminiumschicht wird in der DE 23 44 899 vorgeschlagen, auf den eisenhaltigen Kern ein Flußmittel aufzutragen. Diese Maßnahme mag zwar die diffusive Bindung mit dem eisenhaltigen Kern verbessern, hat aber keine Auswirkungen auf das Eingießen.
Ein Problem mit der Bindung zwischen der nach dem „Alfin"-Verfahren erzeugten Schicht und der eingegossenen Aluminiumlegierung besteht in der Oxidschicht, die sich auf dem Aluminium bildet. Die Oxidschichten des Aluminiums haben einen sehr hohen Schmelzpunkt von etwa 2000°C, während die meisten gegenwärtigen Aluminiumlegierungen Schmelztemperaturen unter 1000°C aufweisen.
Als Reaktion auf dieses Problem und die oben aufgeführten Probleme wird in der DE 43 25 864 A1 ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem über der Aluminiumschicht galvanisch eine Chromschicht aufgebracht wird. Eine nach diesem Verfahren erhaltene Bindung liefert zwar im allgemeinen eine erhöhte Haftung, impliziert aber gleichzeitig eine größere Zahl von Barriereschichten, in denen Poren und Bindungsversagen auftreten können. Nachteilig ist weiterhin, daß sich auf der Chromschicht eine Oxidschicht bildet, welche eine Benetzung erschwert.
Die EP-A-0 427 389 betrifft die Behandlung einer Gußeisenzylinderbuchse zur anschließenden Bindung an Gußaluminium durch Beschichten mit Aluminium und Abkühlen in einem Zn-Bad.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und die metallische Bindung zwischen den aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Bauteilen zu verbssern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 aufgeführt.
Die oben aufgeführten Nachteile werden vorteilhafterweise dadurch überwunden, daß die metallische Schicht des Körpers aus der Eisenbasis-Legierung vor dem Einlegen in die Gießform mit Siliciumpulver oder Borax besprüht und/oder gesandstrahlt wird.
Die Erfindung lehrt die Aktivierung der Oberfläche der Laufbuchse durch Sandstrahlen mit Pulverteilchen aus Silicium und/oder Borax (Na₂B₄O₇-10H₂O, hydratisiertes Natriumborat) zwecks verbesserter Bindung der Zylinderlaufbuchse an den Zylinderblockwerkstoff. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Größe der Sandstrahlteilchen etwa 200 bis 300 μm beträgt.
Durch diesen Sandstrahlprozeß wird eine mechanische Bindung mit dem Zylinderlaufbuchsenwerkstoff erzeugt. Dies ist auf Zylinderlaufbuchsen aus reinem Grauguß als auch auf Grauguß-Zylinderlaufbuchsen mit einer Außenbeschichtung, wie aufgesprühtem AlSi oder Eisen, anwendbar. Unter beiden Bedingungen ergibt sich eine mechanische Bindung zwischen dem Sandstrahlpulver und der Außenfläche der Zylinderlaufbuchse. Mit Hilfe des nun hinzugefügten Siliciums und/oder Borax kann die Bindung zwischen der Laufbuchse und dem Zylinderblock verbessert werden. Beim Schmelzprozeß reagiert das hinzugefügte Silicium mit dem Aluminium des Blockwerkstoffs. Das heißt, daß eine starke mechanische Bindung erzeugt wird. Mit Hilfe von Borax kann dieser Prozeß verbessert werden. Die Wirkung der Zugabe von Borax besteht in der Zerstörung der Oxidschicht des Aluminiumzylinderblocks. Die Oxidschicht des Aluminiums ist das Haupthindernis bei der Erzeugung einer guten Bindung mit anderen Werkstoffen sowie mit Aluminium selbst. Der andere positive Effekt von Borax ist die Erniedrigung des Schmelzpunkts des Werkstoffs im Außenflächenbereich. Einerseits zerstört dieser Effekt die Oxidschicht, und andererseits kann die Ausbildung einer metallurgischen Bindung durch die beiden Werkstoffe früher beginnen. Die beiden Bauteile haben mehr Zeit zur Ausbildung einer sehr guten Bindung.
Die Erfindung wird im folgenden näher beschrieben, und es wird eine Sequenz des Verfahrens gemäß den Ansprüchen der Erfindung erklärt.
Im Beispiel wird beschrieben, wie man eine Zylinderlaufbuchse in einen Motorblock eingießt. Vor dem Auftragen der metallischen Schicht wird die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse bei Bedarf bearbeitet, um die geforderte Oberflächenqualität zu erhalten. Die nun aufzutragende metallische Schicht kann entweder durch thermisches Spritzen oder nach dem „Alfin"-Verfahren aufgetragen werden. Die bevorzugten metallischen Schichten sind aufgespritzte AlSi- oder Fe-Schichten. Als nächstes und vor dem Einlegen des Körpers in die Gießform wird die metallische Schicht mit Siliciumpulver und/oder Borax (Na₂B₄O₇-10H₂O, hydratisiertes Natriumborat) besprüht und/oder gesandstrahlt. Die bevorzugte Teilchengröße des verwendeten Borax oder Siliciumpulvers liegt im Bereich von 200 bis 300 μm. Die Silicium- und/oder Boraxteilchen haften auf der Oberfläche der Laufbuchse, d.h. auf der aufgespritzten ALSi- oder Fe-Schicht. Als nächstes wird die Zylinderlaufbuchse in die Gießform eingelegt, und danach wird der Zylinderblock gegossen.
Die Zylinderlaufbuchsen werden mit flüssigem Aluminium umgossen. Wie oben bereits beschrieben, sorgen die aufgetragenen Si- und/oder Boraxteilchen für eine verbesserte Haftung. Es ist natürlich auch möglich, andere Bauteile zur Aktivierung ihrer Oberflächen zu beschichten. Hierbei kann es sich beispielsweise um Ventilsitze, Ventilführungen oder Lagerschalen handeln. In einigen Fällen werden diese Bauteile in die Aluminiumzylinderblöcke oder Aluminiumzylinderköpfe eingegossen. Vor dem Einlegen der Teile in die Gießform werden sie ebenfalls mit Siliciumpulver und/oder Borax (Na₂B₄O₇-10H₂O, hydratisiertes Natriumborat) besprüht und/oder gesandstrahlt. Wiederum liegt der Vorteil in der verbesserten Haftung und der sich daraus ergebenden verbesserten Wärmeabfuhr. Im Bereich des Zylinderkopfs (Ventilsitz und Ventilführung) ist das Ventil außerdem vor der Einwirkung zu starker Wärme geschützt.

Claims

Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen, bestehend aus mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen, von denen der eine Werkstoff eine Legierung auf Eisenbasis und der andere eine Legierung auf Aluminiumbasis ist, mit den Verfahrensschritten: – Auftragen einer metallischen Schicht auf einen Körper aus der Eisenbasis-Legierung, wobei die Schicht eine Legierung auf Aluminiumbasis, vorzugsweise auf Basis von Al-Si oder Fe, ist, und – Einlegen des beschichteten Körpers in eine Gießform und Umgießen des beschichteten Körpers mit einer Legierung auf Aluminiumbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht des Körpers aus der Eisenbasis-Legierung vor dem Einlegen des Körpers in die Gießform mit Siliciumpulver und/oder Borax (Na₂B₄O₇-10H₂O, hydratisiertes Natriumborat) besprüht und/oder gesandstrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße des Borax- oder Siliciumpulvers im Bereich von 200 bis 300 μm liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus der Eisenbasis-Legierung eine Grauguß-Zylinderlaufbuchse für einen Kolben einer Verbrennungskraftmaschine ist.
Kolben einer Verbrennungskraftmaschine, hergstellt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Siliciumpulver und/oder Borax (Na₂B₄O₇-10H₂O, hydratisiertes Natriumborat) beschichtete Zylinderlaufbuchse in eine Gießform eingelegt und dann mit einer Aluminiumlegierung umgossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus der Eisenbasis-Legierung ein Ventilsitz, eine Ventilführung oder eine Lagerschale als Teil einer Verbrennungskraftmaschine ist.