EP0704613A1 - Verbundgusszylinder oder -zylinderblock - Google Patents

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EP0704613A1
EP0704613A1 EP95113107A EP95113107A EP0704613A1 EP 0704613 A1 EP0704613 A1 EP 0704613A1 EP 95113107 A EP95113107 A EP 95113107A EP 95113107 A EP95113107 A EP 95113107A EP 0704613 A1 EP0704613 A1 EP 0704613A1
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EP
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cylinder
cast
silicon
cylinder block
aluminum
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EP95113107A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Eduard Köhler
Jochen Hahn
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KS Huayu Alutech GmbH
Original Assignee
KS Aluminium Technologie GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/16—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making compound objects cast of two or more different metals, e.g. for making rolls for rolling mills
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/004—Cylinder liners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases
    • F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts
    • F02F2007/009—Hypereutectic aluminum, e.g. aluminum alloys with high SI content
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/02—Light metals
    • F05C2201/021—Aluminium

Definitions

  • the invention relates to a cast composite cast cylinder or cylinder block according to the preamble of claims 1 or 2.
  • the evenly distributed and evenly formed silicon grains produced in the cylinder running surface by primary separation from the hypereutectic aluminum-silicon alloy have a grain size between 30 and 80 ⁇ m.
  • the cylinder bore is mechanically machined by pre-drilling and fine boring and then pre-honed and finely honed so that the silicon grains in the cylinder raceway are smoothed and initially form a plane with the surrounding alloy matrix.
  • the alloy matrix between the silicon grains becomes light by electrochemical processing reset so that the silicon grains as a supporting structure for the piston rings and the piston skirt protrude slightly from the unreinforced cylinder raceway, ie by 0.5 to 2.0 ⁇ m, preferably 0.8 to 1.5 ⁇ m.
  • Such a cylinder running surface can only be used in combination with a light metal piston coated at least on the piston skirt with an iron layer of approximately 20 ⁇ m thick, in order to avoid contact between the alloy matrix, the cylinder running surface and the light metal of the piston under extreme running conditions and under all circumstances.
  • the iron coating on the piston skirt significantly reduces wear on the piston skirt and eliminates the tendency to seize between the piston skirt and cylinder liner.
  • the disadvantage of such a cylinder or cylinder block is that the entire cylinder block has to be cast from a hypereutectic aluminum-silicon alloy which can be produced with considerable effort.
  • the cylinder race is then honed.
  • the production of the nickel dispersion coating is associated with a considerable process outlay.
  • detoxification devices for the pretreatment baths are necessary as part of the electroplating system.
  • the sludge generated during disposal must be collected and disposed of properly, and fume cupboards with built-in washers must be installed in the working areas of the coating baths.
  • the handling of the regeneration of the coating is complex and cumbersome.
  • DE-A-3 725 495 provides a cylinder block for internal combustion engines, in which the cylinder track consists of a cylindrical, fiber-reinforced section made of a mixture of an alumina-based fiber with a volume fraction of 8 to 20% and a carbon fiber with a volume fraction of 0.3 to 15% with a light metal matrix, the fiber based on aluminum oxide containing up to 25% silicon oxide.
  • a light metal piston the jacket of which has an electrodeposited iron layer covered by a likewise galvanically deposited tin layer in order to avoid contact between the alloy matrix of the cylinder block and the light metal piston.
  • the hybrid fiber infiltrated in the cylinder barrel is expensive and the tribological properties under operating conditions are worse than those of the cylinder barrel made of hypereutectic aluminum-silicon alloys.
  • a cylinder block is known from EP-A-0 449 356, which is cast from a hypoeutectic aluminum-silicon alloy, wherein a hollow cylindrical body made of ceramic fibers with silicon grains inserted therein is cast into the cylinder with the aluminum matrix of the cylinder block.
  • the fiber molded body has no tribological function, but only serves as a holder for the silicon grains.
  • DE-C-4 020 268 relates to a cylinder crankcase made of an aluminum-silicon alloy with 3 to 12% silicon and 3 to 5% copper, cylinder liners made of a hypereutectic aluminum alloy being embedded in the cylinders.
  • Claims 3 to 7 specify further configurations of the objects according to claim 1 or claim 2.
  • the aluminum-silicon alloy melt is poured into the casting mold and then solidified at high speed under a pressure of 100 to 1000 bar, so that a fine structure with an increase in the proportion of grain boundary hardening and excellent density feeding, which practically ensures freedom from pores , can be achieved. Since the rate of solidification can be controlled, the size of the silicon grains can be set with sufficient accuracy depending on the application.
  • the precipitation of the primary solidified silicon crystals can be increased in both cases by shifting the eutectic by alloying nickel and manganese to alloys with a comparatively lower silicon content.
  • the density difference between the aluminum matrix of approx. 2.7 g / cm3 and the deposited silicon of approx. 2.3 g / cm3 is used.
  • the running surfaces of the liners produced in this way only have to be honed after the casting and no longer have to be subjected to electrochemical processing for the purpose of resetting the alloy matrix surrounding the silicon grains.
  • the The cylinder surface is therefore less rough and therefore exerts a lower surface tension on the lubricating oil, so that there is a good oil distribution and a very thin oil film. As a result, oil consumption is reduced and HC emissions are reduced.
  • Both the die casting and the die casting are suitable for the production of the composite casting cylinder or cylinder block.
  • a liner (2) is cast in a centrifugal casting process from an aluminum-silicon alloy of the type AlSi17Cu4Mg.
  • the liner (2) has a zone (3) with a radial depth of 3 mm, in which a concentration of primary solidified silicon grains (4), which corresponds to that of an aluminum-silicon alloy of the type AlSi35.
  • the liner (2) has a layer (5) of largely eutectic structure. 3, this layer (5) can be removed by machining before the liner (2) is cast around it.
  • the cast liner (2) is pre-, intermediate and finished honed after pre-drilling and fine boring. By honing, the aluminum-silicon alloy smeared on the silicon grains (4) is removed and destroyed silicon grains are removed.
  • Fig. 4 shows a die-cast cylinder block (6) with a cast, made by die casting liner (7), in which there is no zone with a concentration of primary solid silicon grains (8), but which is free of pores. In comparison with the embodiments according to FIGS. 2 and 3, the number of silicon grains (8) is smaller and their grain size is smaller.

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Abstract

Bei einem aus Aluminium-Silizium-Legierung gegossenen Verbundgußzylinder mit Laufbüchse besteht der Zylinder aus untereutektischer und die Laufbüchse aus schleuderformgegossener oder preßgegossener übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung. <IMAGE>

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-3 725 495 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-4 020 268 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 wird 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) aus 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.
EP95113107A 1994-09-28 1995-08-21 Verbundgusszylinder oder -zylinderblock Withdrawn EP0704613A1 (de)

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