EP1308227B1 - Verfahren zum Eingiessen eines metallischen Halbzeugs - Google Patents
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Classifications
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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
- B22D19/0081—Casting in, on, or around objects which form part of the product pretreatment of the insert, e.g. for enhancing the bonding between insert and surrounding cast metal
-
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Definitions
- the invention relates to a method for pouring a metallic semifinished product into a cast component according to the preamble of claim 1.
- Cast components in particular light metal cast components are often reinforced by inserts that are integrated by pouring into the component. These inserts represent local material improvements such. B. better wear resistance, higher mechanical strength or thermal resistance.
- the object of the invention is to improve the adhesion of inserts over the prior art and to make cheaper.
- the inventive method according to claim 1 is that an insert is roughened by high pressure water jets prior to insertion into a casting tool.
- the high-pressure water jetting the surface is cleaned and there are produced advantageous undercuts on the surface of the insert, which lead to a good clamping of the cast metal after its solidification.
- the insert is preferably a metallic insert. Under certain conditions and surface properties also intermetallic components; Carbide, metal-ceramic composites, metal matrix composites (MMC), intermetallic ceramic composites, ceramics or inorganic natural materials can be used as inserts
- the roughening of the surface according to the invention is preferably carried out by one or more flat jet nozzles, which has an elliptical opening.
- Such nozzles in contrast to full-jet nozzles with a circular opening, provide an expanded surface jet and a groove-free surface. The use of several nozzles at the same time reduces the processing time.
- an exit angle of the high-pressure water jet between 20 and 34 °.
- a particularly convenient way to roughen the surface economically and quickly is to use a field of nozzles that are preferably perpendicular to the surface.
- Hypereutectic aluminum-silicon alloys Very suitable for roughening the surface according to the inventive method are hypereutectic aluminum-silicon alloys.
- Semi-finished products made from such materials have hard silicon-rich phases on the surface and relatively soft aluminum-rich phases.
- the hard, silicon-rich phases are torn out by the water jets and leave the desired undercuts on the surface.
- the distance 9 between the nozzle opening and the cylinder liner 5 is 12 mm.
- the rotational speed of the cylinder liner 5 is 600 revolutions per minute.
- the nozzle field 1 describes a longitudinal movement along the longitudinal axis of the cylinder liner at a speed of 10 mm / s.
- the blasting medium water contains a neutral cleaner with a concentration of approx. 1.5%.
- the jet medium emerges from the nozzle 3 in the form of a water jet 7 and describes an opening angle ⁇ of 30 °.
- the water jet 7 has at the outlet from the nozzle opening to a pressure of 1900 bar.
- a surface 11 is generated, as shown in Fig. 2 .
- the surface 11 has undercuts 13, which results from the breaking out of silicon-rich phases, not shown here.
- the average roughness Ra of the surface thus produced is 8.4 ⁇ m, the average roughness Rz is 55.3 ⁇ m.
- the thus pretreated cylinder liner is positioned in a die casting tool on quills, the tool is closed and a resulting mold cavity, which forms a cylinder crankcase, under pressure (about 800 bar) with a liquid aluminum alloy (AlSi9Cu3) filled.
- AlSi9Cu3 a liquid aluminum alloy
- the aluminum flows around the cylinder liner and penetrates into the regions of the undercuts 13.
- After solidification of the aluminum creates a firm clamping between the solidified aluminum and the surface of the cylinder liner (interface).
- the adhesive strength of this interface is twice as high as that of a sandblasted surface interface of the insert.
- the method according to the invention can be applied to all common casting methods in which inserts are pourable. These include, in particular, conventional die casting, squeeze casting, thixocasting, thixomolding, chill casting, sand casting, precision casting and all types of iron casting with temperature-resistant inserts.
- the parameters mentioned in the previous example are optimized for a specific application. Depending on the application, the parameters can vary as follows.
- the distance between the nozzle opening and the surface of the insert may be between 10 mm and 30 mm.
- the pressure of the water jet is between 1500 bar and 2000 bar, the exit angle between 25 ° and 34 °.
- the rotational speed of the insert is between 100 and 1000 / min, wherein the feed rate of the nozzle or the nozzle array varies between 2 mm / s and 50 mm / s.
- the nozzle field or the single nozzle is in conventional plants for high-pressure water jetting with thick and difficult to move Supply lines connected.
- the free movement of the nozzles is therefore limited.
Landscapes
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- Mechanical Engineering (AREA)
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- Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eingießen eines metallischen Halbzeugs in ein Gussbauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Gussbauteile, insbesondere Leichtmetallgussbauteile werden häufig durch Einlegeteile, die durch Eingießen in das Bauteil integriert werden, verstärkt. Diese Einlegeteile stellen lokale Werkstoffverbesserungen dar wie z. B. bessere Verschleißbeständigkeit, höhere mechanische Festigkeit oder thermische Beständigkeit.
- Die technische Schwierigkeit beim Eingießen derartiger Einlegeteile besteht oftmals in der unbefriedigenden Haftung zwischen der relativ glatten Oberfläche des Einlegeteils und dem erstarrten Gießmetall. Die kurze Berührungszeit zwischen der metallischen Schmelze und dem Einlegeteil sowie geringe Benetzung, wie sie in verschieden Materialpaarungen besteht, verhindert in den meisten Fällen eine chemische Verbindung bzw. ein Legieren des Gießmetalls und des Einlegeteils an deren Grenzflächen. Ein Spalt an der Grenzfläche kann den Wärmeübergang beeinträchtigen oder eine mechanische Schwachstelle darstellen.
- Diesem Problem wird derzeit durch ein Aufrauhen der Oberfläche des Einlegeteils begegnet. Das Aufrauhen erfolgt zuweilen durch Sandstrahlen oder wie in der DE 197 50 687 A1 am Beispiel einer Zylinderläufbuchse beschrieben wird, durch spanabhebendes Bearbeiten der Oberfläche und anschließenden Sandstrahlen. Hierdurch werden an der Oberfläche des Halbzeuges mikroskopische Hinterschnitte erzeugt, die eine Verklammerung zwischen dem Gießmetall und dem Einlegeteil bewirken.
- Reines Sandstrahlen führt jedoch nicht zu gewünschten Hinterschnitten, sondern im Wesentlichen zu Vertiefungen an der Oberfläche. Das Verfahren nach der DE 197 50 687 A1 erzeugt die gewünschten Hinterschnitte ist jedoch in seiner Gesamtheit sehr teuer.
- Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Haftung von Einlegeteilen gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern und kostengünstiger zu gestalten.
- Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1.
- Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 besteht darin, dass ein Einlegeteil vor dem Einlegen in ein Gießwerkzeug durch Hochdruckwasserstrahlen aufgerauht wird. Durch das Hochdruckwasserstrahlen wird die Oberfläche gereinigt und es werden vorteilhafte Hinterschnitte auf der Oberfläche des Einlegeteils erzeugt, die zu einer guten Verklammerung des Gießmetalls nach dessen Erstarrung führen.
- Das Einlegeteil ist bevorzugt ein metallisches Einlegeteil. Unter bestimmten Vorraussetzungen und Oberflächeneigenschaften können auch intermetallische Bauteile; Hartmetall, Metall-Keramik-Composites, Metall-Matrix-Composites (MMC), Intermetallik-Keramik-Composites, Keramiken oder anorganische Naturmaterialien als Einlegeteile eingesetzt werden
- Es hat sich herausgestellt, dass der optimale Druckbereich eines Wasserstrahls zwischen 1500 bar und 2000 bar liegt. Über 2000 bar wird die Oberfläche zu sehr beschädigt, unter 1500 bar ist die Ausbildung von Hinterschnitten zu gering. Zudem ist es möglich für diese relativ geringen Drücke Pumpen bestehender Druckanlagen wie zum Beispiel für das Bauteilentgraten zu nutzen, wodurch die Investitionskosten verringert werden.
- Das erfindungsgemäße Aufrauhen der Oberfläche erfolgt bevorzugt durch einen oder mehrere Flachstrahldüsen, die eine elliptische Öffnung aufweist. Derartige Düsen liefern im Gegensatz zu Vollstrahldüsen mit kreisförmiger Öffnung zu einen aufgeweiteten Oberflächenstrahl und zu einer rillenfreien Oberfläche. Die Anwendung mehrerer Düsen gleichzeitig verringert die Bearbeitungszeit.
- Zu Erzielung einer besonders rillenfreien Oberfläche liegt ein Austrittswinkel des Hochdruckwasserstrahls zwischen 20 und 34°.
- Eine besonders zweckmäßige Art die Oberfläche wirtschaftlich und schnell aufzurauhen ist die Anwendung eines Feldes von Düsen, die bevorzugt senkrecht zur Oberfläche angeordnet sind.
- Sehr gut geeignet zur Aufrauhung der Oberfläche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind übereutektische Aluminium-Siliziumlegierungen. Halbzeuge aus derartigen Werkstoffen weisen an der Oberfläche harte siliziumreiche Phasen und relativ weiche aluminiumreiche Phasen auf. Die harten, siliziumreichen Phasen werden durch das Wasserstrahlen herausgerissen und hinterlassen die gewünschten Hinterschnitte an der Oberfläche.
- Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren an Hand von einem Beispiel und zwei Figuren näher erläutert.
- Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Anordnung von drei Wasserstrahldüsen und einem Halbzeug,
- Fig. 2
- Schnitt durch eine wassergestrahlte Oberfläche.
- Eine Feld 1 von 3 Flachstrahldüsen 3 -wie in Fig. 1 dargestellt- mit hier nicht erkennbaren elliptischen Öffnungen vom Durchmesser 2,5 mm, wird senkrecht zu einer rotierenden Zylinderlaufbuchse 5 aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung positioniert. Der Abstand 9 zwischen Düsenöffnung und der Zylinderlaufbuchse 5 beträgt 12 mm. Die Rotationsgeschwindigkeit der Zylinderlaufbuchse 5 beträgt 600 Umdrehungen pro Minute. Gleichzeit beschreibt das Düsenfeld 1 eine Längsbewegung entlang der Längsachse der Zylinderlaufbuchse mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/s.
- Das Strahlmedium Wasser enthält einen Neutralreiniger mit einer Konzentration von ca. 1,5 %. Das Strahlmedium tritt in Form eines Wasserstrahls 7 aus der Düse 3 aus und beschreibt dabei einen Öffnungswinkel α von 30°. Der Wasserstrahl 7 weist beim Austritt aus der Düsenöffnung einen Druck von 1900 bar auf. Durch den Wasserstrahl wird eine Oberfläche 11 erzeugt, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Oberfläche 11 weist Hinterschneidungen 13 auf, die durch das Herausbrechen von hier nicht dargestellten silziumreichen Phasen herrührt. Der Mittenrauhwert Ra der so erzeugten Oberfläche beträgt 8,4 um, die gemittelte Rauhtiefe Rz beträgt 55,3 um.
- Die so vorbehandelte Zylinderlaufbuchse wird in einem Druckgusswerkzeug auf Pinolen positioniert, das Werkzeug wird geschlossen und ein so entstandener Formhohlraum, der ein Zylinderkurbelgehäuse abbildet, wird unter Druck (ca. 800 bar) mit einer flüssigen Aluminiumlegierung (AlSi9Cu3) gefüllt. Während des Füllens umströmt das Aluminium die Zylinderlaufbuchse und dringt in die Bereiche der Hinterschneidungen 13 ein. Nach dem Erstarren des Aluminiums entsteht eine feste Verklammerung zwischen dem erstarrten Aluminium und der Oberfläche der Zylinderlaufbuchse (Grenzfläche). Die Haftfestigkeit dieser Grenzfläche ist zweimal so hoch wie die einer Grenzfläche mit sandgestrahlter Oberfläche des Einlegeteils.
- Im Gegensatz zu anderen Strahlverfahren wird bei der Anwendung auf aluminiumreichen Oberflächen eine Adsorbtionsschicht und eine sich auf Grund der hohen Sauerstoffaffinität bildende Oxidschicht entfernt. Es wird durch das erfindungsgemäße Verfahren bezüglich des Anschmelzens der Oberfläche und einer daraus resultierenden metallischen Bindung eine hochaktive Oberfläche des Halbzeugs geschaffen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf alle gängige Gießverfahren, bei denen Einlegeteile eingießbar sind, angewendet werden. Dazu gehören insbesondere der konventionelle Druckguss, das Squeeze Casting, Thixocasting, Thixomolding, Kokillenguss, Sandguss, Feinguss und bei entsprechend temperaturbeständigen Einlegeteilen alle Arten des Eisengusses.
- Die im vorangegangenen Beispiel genannten Parameter sind auf einen bestimmten Anwendungsfall optimiert. Je nach Anwendungsfall können die Parameter wie folgt variieren. Der Abstand zwischen der Düsenöffnung und der Oberfläche des Einlegeteils kann zwischen 10 mm und 30 mm betragen. Der Druck des Wasserstrahls liegt zwischen 1500 bar und 2000 bar, der Austrittswinkel zwischen 25° und 34°. Die Rotationsgeschwindigkeit des Einlegeteils liegt zwischen 100 und 1000/min, wobei die Vorschubgeschwindigkeit der Düse oder des Düsenfeldes zwischen 2 mm/s und 50 mm/s variiert.
- Die beiden letzt genannten Parameter sind besonders wichtig für die Beschaffenheit der Oberfläche, nämlich die Form und Häufigkeit der Hinterschneidungen, die mikroskopische Oberflächenrauhigkeit und die makroskopische Ebenheit (Vermeidung von Rillenbildung). Bei nicht rotationssymmetrischen Einlegeteilen wird auf eine Rotation des Einlegeteils während des Wasserstrahlens verzichtet.
- Das Düsenfeld oder die einzelne Düse ist bei herkömmlichen Anlagen zum Hochdruckwasserstrahlen mit dicken und schwer beweglichen Versorgungsleitungen verbunden. Die freie Bewegung der Düsen ist demnach eingeschränkt. In vielen Fällen ist es zweckmäßig, das zu bestrahlende Einlegeteil relativ zum Düsenfeld oder zur Düse zu bewegen. In einem einfachen Fall erfolgt dies, wie im Beispiel beschrieben, durch Rotation. In anderen Fällen erfolgt die Relativbewegung durch eine geeignete Mimik bzw. durch Roboter.
Claims (6)
- Verfahren zum Eingießen eines Halbzeugs in ein Gussbauteil, wobei das Halbzeug an einer dem Gussteil zugewanden Oberfläche aufgerauht wird, anschließend in ein Gießwerkzeug lagedefiniert positioniert wird, mit Gießmetall umgossen wird, wonach eine feste Verbindung zwischen dem Halbzeug und dem erstarrten Gießmetall an der aufgerauhten Oberfläche erfolgt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberfläche des Halbzeugs durch Hochdruck-Wasserstrahlen aufgerauht wird. - Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wasserdruck zwischen 1500 bar und 2000 bar beträgt. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Aufrauhen durch mindestens eine Düse mit einer elliptischer Öffnung erfolgt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Austrittswinkel eines Wasserstrahls aus der mindestens einen Düse zwischen 25° und 34° beträgt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Feld von mindestens zwei Düsen, senkrecht zur Oberfläche gerichtet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Halbzeug aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung besteht.
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