EP1452716A1 - Monolithisches Aluminum-Zylinderkurbelgehäuse für hochbeanspruchte Dieselmotoren - Google Patents

Monolithisches Aluminum-Zylinderkurbelgehäuse für hochbeanspruchte Dieselmotoren Download PDF

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EP1452716A1
EP1452716A1 EP04003226A EP04003226A EP1452716A1 EP 1452716 A1 EP1452716 A1 EP 1452716A1 EP 04003226 A EP04003226 A EP 04003226A EP 04003226 A EP04003226 A EP 04003226A EP 1452716 A1 EP1452716 A1 EP 1452716A1
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EP
European Patent Office
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casting
cylinder
aluminum
weight
casting process
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Ceased
Application number
EP04003226A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Eduard Dr. Köhler
Oliver Dr. Vogt
Herbert Dr. Möding
Manfred Böhm
Rolf Pfeuffer
Thomas EIDENBÖCK
Robert Eglseer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
KS Huayu Alutech GmbH
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
KS Aluminium Technologie GmbH
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Filing date
Publication date
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Application filed by Bayerische Motoren Werke AG, KS Aluminium Technologie GmbH filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases
    • F02F7/0002—Cylinder arrangements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/007—Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/043—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with silicon as the next major constituent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
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    • 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
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    • 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
    • F05C2201/90—Alloys not otherwise provided for
    • F05C2201/903—Aluminium alloy, e.g. AlCuMgPb F34,37

Definitions

  • the invention relates to a cylinder crankcase for an internal combustion engine, which as Casting from a hypereutectic aluminum alloy with the composition AlSi17Cu4Mg is manufactured, with a cylinder bore and a bearing bracket and one in the solidified state in the material structure, supporting primary silicon phase.
  • DE-A-42 12 716 is made of a hypoeutectic aluminum casting alloy existing cylinder block for an internal combustion engine known in the Liners are cast. To reduce manufacturing costs and There is an improvement in the connection between the liner and the cylinder block the liners made of a cast aluminum alloy with embedded in the matrix Silicon grains, their outer cladding in acid or an acid mixture and then is pickled in zincate solution.
  • cylinder liners can be dispensed with if that Cylinder crankcase consists of a hypereutectic aluminum-silicon alloy.
  • the hard, load-bearing primary excretions of the hypereutectic aluminum alloy are available as a supporting structure for the piston rings and the piston skirt.
  • a hypereutectic aluminum-silicon material is known from DE-A-100 32 845, from which a monolithic cylinder block part can be manufactured. These are about the hypereutectic aluminum-silicon alloy with the composition AlSi17Cu4Mg.
  • crankcase is preferably a sand casting.
  • the invention has for its object to a monolithic cylinder crankcase develop that has high wear resistance, high mechanical Has strength and is inexpensive to manufacture at the same time. It is at the same time
  • the object of the invention is a method for producing such a cylinder crankcase to develop.
  • the object of the invention is achieved in that the generic Aluminum alloy has a content of 0.1-1.5% by weight of nickel and an iron content of about 0.2% by weight, so that in addition to the primary silicon crystals wear-resistant phase is in the form of nickel-copper aluminides and that in Area of the cylinder bore a more homogeneous material structure, d. H. a more homogeneous Distribution of the silicon and in the area of the camp chair with a finer material structure a dentrite arm distance of 25 ⁇ m to 45 ⁇ m, preferably 35 ⁇ m to 45 ⁇ m, is trained.
  • the alloying of nickel according to the invention results in the solidification Material structure another hard phase in the form of one or more intermetallic Phases with a significant proportion in the structure.
  • a hypereutectic aluminum base material with a Silicon content of 14 wt .-% to 22 wt.% Used, preferably a silicon content of 17 wt .-% is set.
  • the copper content of the aluminum-based alloy is between 2% and 5% by weight, but is preferably 4% by weight. Alloying 0.1 - 2.0% by weight of nickel and the reduction of the iron content to 0.3% by weight and less have proven to be an appropriate measure to meet the claims in to meet monolithic cylinder crankcases for diesel engines.
  • the Macro hardness is increased by the ternary copper-nickel aluminides.
  • the copper-nickel aluminides are additional to the tribological system Hard phase with an area share of approx. 5% is available.
  • the copper-nickel aluminides cause the material to harden only slightly reduced static strength.
  • the alloy according to the invention is therefore a good one Compromise between high strength combined with heat treatment and high wear resistance on the other hand.
  • the task is solved in that a Aluminum alloy of the form AlSi17Cu4NiMg is cast and that the filling of the Aluminum melt through connected to the side walls of the cylinder crankcase Sprues and sprue bars are done.
  • the aluminum alloy used has a share of 0.1 to 2.0% by weight of nickel, the preferred proportion being about 1% by weight of nickel.
  • the main task of the Alloy element copper is in solid solution strengthening. By adding Nickel lowers the solubility of the aluminum mixed crystal for copper, from this. this results in a reduction in the hardness of the mixed crystals.
  • the hardening of the material will thereby increased by the ternary copper-nickel aluminides.
  • the copper-nickel aluminides are in the range of 5 ⁇ m to 50 ⁇ m and have a hardness of 700 - 900 HV.
  • the CuNi aluminides are therefore additional to the tribological system supporting hard phase is available. With an area share of 5%, this represents Hard phase a significant increase in the effective hard phase portion in the material structure
  • An additional improvement in material properties in terms of the claims in an internal combustion engine is through the use of a heat treatment possible.
  • the strength can be increased, for example, by the following in sequence heat treatment steps to be carried out: solution annealing, Quenching and subsequent aging.
  • the aluminum melt is usually poured into the casting mold in the area of the warehouse chair, below the main warehouse lane in the finished part. Cutting one Cylinder crankcase in the bearing chair area is referred to as the center gate.
  • the distance between the Bearings of the crankshaft axis and the gate areas are dimensioned very short.
  • the Machining advantages in removing the gate areas is one of the Casting quality in the storage chair counteracts slow solidification. This for the casting quality disadvantageous solidification follows clearly from that with this arrangement increased convective heat input into the solidifying cylinder crankcase.
  • Characteristic of a cylinder crankcase designed in this way and thereby A dentrite arm distance is related to the non-optimal structural properties on a permanent mold, from 55 ⁇ m to 65 ⁇ m. This results in a lower static and dynamic strength as well as a lower ductility of the solidified material.
  • the filling of the aluminum melt by sprue bars connected to the side walls of the cylinder crankcase and subsequent sprues are carried out.
  • the filling of the aluminum melt through the Side walls are also called side gates.
  • oval sprues attached below the side walls of the cylinder crankcase It but are also any other shapes, such as round, rectangular with broken corners etc., can be used.
  • the prerequisite for this is that sufficient Cross sections in the side wall area of the cylinder crankcase are provided in the design are to ensure a regular mold filling of the component.
  • the through openings for the are directly on the side wall to be cast Melted aluminum, these openings are also called sprue bars designated.
  • the so-called gates are arranged above the sprue bars.
  • the aluminum melt is at least two sprues each Filled in sidewall. Only in the case where the sidewalls are constructed Reasons do not have a sufficient cross-section to melt the aluminum Filling into the mold with little turbulence can also be a further sprue in the area of the camp chair.
  • By moving the sprues into the area of Side walls are able to solidify the storage chairs faster, which means better ones Structural properties can be set in this area. This comes through a significantly reduced dentrite arm spacing of 25 ⁇ m to 45 ⁇ m, based on one Chilled casting, expressed. A dentrite arm distance of 35 ⁇ m to is preferred 45 ⁇ m.
  • Cylinder crankcase is a monolithic component, that is, without cast parts in shape of cylinder liners or other, subsequent measures for the representation of Cylinder liners.
  • the use of cylinder liners for example, always requires that Interaction of different materials with different physical Properties, such as in particular the modulus of elasticity and the coefficient of thermal expansion, what a certain problem in a thermally loaded component with a potentially negative impact on engine functions.
  • monolithic In contrast, cylinder crankcases guarantee high stability in relation to the Oil consumption, blow-by and emissions, especially by their comparative low cylinder distortion after a long runtime.
  • FIG. 1 shows the micrograph of the material used according to the invention ASi17Cu4NiMg in a 200x magnification. They are clearly recognizable primary silicon crystals 1, the first load-bearing hard phase and running partner to Example on the surface of the cylinder liner, facing the piston ring.
  • the second supporting hard phase is the ternary CuNi aluminide 2 available.
  • the two hard phases are in the aluminum-based alloy 3 embedded and are on the surface using customary known methods exposed.
  • FIG. 2 shows the micrograph of the material used according to the invention AlSi17Cu4NiMg in a 1,000x magnification.
  • the extra hard phase that comes from the CuNi aluminides 2 is formed, the tribological system with a Area share of approx. 5% available.
  • the CuNi aluminides have one Expansion from 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zylinderkurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine, das als Gußteil aus einer übereutektischen Aluminiumiegierung mit der Zusammensetzung AlSi17Cu4Mg hergestellt ist, mit einer Zylinderbohrung und einem Lagerstuhl und einer im erstarrten Zustand im Werkstoffgefüge vorliegenden, tragenden primären Siliziumphase, wobei die Aluminiumlegierung einen Anteil von 0,5 bis 2,0 Gew.-% Nickel und einen Eisengehalt von etwa 0,3 Gew.-% aufweist, so dass neben der primären Siliziumphase eine weitere verschleißbeständige Phase in Form von Nickel-Kupfer-Aluminiden vorliegt und das im Bereich der Zylinderbohrung ein homogenes Werkstoffgefüge und im Bereich des Lagerstuhis ein feineres Werkstoffgefüge mit einem Dentritenarmabstand von 35 µm bis 45 µm ausgebildet ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Zylinderkurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine, das als Gußteil aus einer übereutektischen Aluminiumiegierung mit der Zusammensetzung AlSi17Cu4Mg hergestellt ist, mit einer Zylinderbohrung und einem Lagerstuhl und einer im erstarrten Zustand im Werkstoffgefüge vorliegenden, tragenden primären Siliziumphase.
Ein Bestreben der Automobilindustrie ist es, die Gewichte der Automobile zu reduzieren, um deren Kraftstoffverbrauch bei gleicher oder gesteigerter Leistung zu senken. Insbesondere die Motoren haben auf das Gewicht des Kraftfahrzeugs einen entscheidenden Einfluß. Aus diesem Grund ist man bestrebt, die Zylinderkurbelgehäuse der Motoren aus Leichtmetall herzustellen, was in Bezug auf Dieselmotoren zur Folge hat, dass unterschiedliche Werkstoffe verwendet werden müssen, da herkömmliche monolithische Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse den erhöhten Anforderungen von PKW-DI-Dieselmotoren nicht gewachsen sind. Besonders beanspruchte Bereiche sind die Zylinderbohrungen und die Lagerstühle der Kurbelwelle. Im Zylinderbereich werden zum Beispiel Buchsen aus höher festen Werkstoffen eingesetzt.
Aus der DE-A-42 12 716 ist ein aus einer untereutektischen Aluminium-Gußlegierung bestehender Zylinderblock für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, in den Laufbüchsen eingegossen sind. Zur Verringerung des Herstellungsaufwands und zur Verbesserung der Anbindung zwischen der Laufbüchse und dem Zylinderblock bestehen die Laufbüchsen aus einer Aluminium-Gußlegierung mit in der Matrix eingebetteten Siliziumkörnern, deren Außenmantel in Säure oder einem Säuregemisch und anschließend in Zinkatlösung gebeizt wird.
Auf das Einsetzen von Zylinderlaufbuchsen kann dann verzichtet werden, wenn das Zylinderkurbelgehäuse aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung besteht. Die harten, tragenden Primärausscheidungen der übereutektischen Aluminium-Legierung stehen dabei als Traggerüst für die Kolbenringe und den Kolbenschaft zur Verfügung. Aus der DE-A-100 32 845 ist ein übereutektischer Aluminium-Silizium-Werkstoff bekannt, aus dem ein monolithisches Zylinderblockteil gefertigt werden kann. Es handelt sich dabei um die übereutektische Aluminium-SiliziumLegierung mit der Zusammensetzung AlSi17Cu4Mg. Durch die Integration der Zylinderrohre in Form einer monolithischen Ausbildung des Zylinderblockteils erweisen sich die die Zylinderlaufflächen begrenzenden Wandungen als hinreichend verwindungsstabil. Durch die in der DE-A-100 32 845 beschriebene separate Herstellung des Zylinderblockteils kann eine gießtechnisch schwieriger zu beherrschende übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung vorzugsweise im Squeeze-Casting oder Druckgußverfahren in einfacher Weise vergossen werden. Das Kurbelgehäuse ist bei hoher Komplexität vorzugsweise ein Sandgußteil.
Die Herstellung eines monolithischen Zylinderkurbelgehäuses aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung ist ebenfalls in der US 5,253,625 offenbart. Neben einem Siliziumgehalt von 16 - 30 Gew.-% besteht die Legierung aus Magnesium bis 2 Gew.-%, Kupfer bis zu 5 Gew.-%, Eisen bis zu 1,5 Gew.-% und Anteilen an Mangan und Phosphor. Diese Legierung eignet sich aber nicht für den Einsatz in einem Zylinderkurbelgehäuse für einen Dieselmotor, da lediglich die primäre Siliziumphase als tragender Gefügebestandteil zur Verfügung steht und die Belastungen in den hochverdichtenden Dieselmotoren weit über die Belastungen eines mit Benzin betriebenen Motors hinausgehen. Eine weitere Schwierigkeit ist das Vorhandensein von unterschiedlichen Wanddicken im Zylinderkurbelgehäuse, so dass sich mit unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten auch unterschiedliche Werkstoffgefüge, insbesondere Korngrößen, ausbilden, die die Belastbarkeit der monolithischen Zylinderkurbelgehäuse einschränken. Ein Serieneinsatz derartiger Werkstoffe für monolithische Zylinderkurbelgehäuse für Dieselmotoren ist derzeit aus den genannten Gründen nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein monolithisches Zylinderkurbelgehäuse zu entwickeln, dass eine hohe Verschleißfestigkeit besitzt, eine hohe mechanische Festigkeit aufweist und das gleichzeitig kostengünstig zu fertigen ist. Es ist gleichzeitig Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Zylinderkurbelgehäuses zu entwickeln.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die gattungsgemäße Aluminium-Legierung einen Anteil von 0,1 -1,5 Gew.-% Nickel und einen Eisengehalt von etwa 0,2 Gew. % aufweist, so dass neben den primären Siliziumkristallen eine weitere verschleißbeständige Phase in Form von Nickel-Kupfer-Aluminiden vorliegt und das im Bereich der Zylinderbohrung ein homogeneres Werkstoffgefüge, d. h. eine homogenere Verteilung des Siliziums und im Bereich des Lagerstuhis ein feineres Werkstoffgefüge mit einem Dentritenarmabstand von 25 µm bis 45 µm, vorzugsweise 35 µm bis 45 µm, ausgebildet ist. Durch das erfindungsgemäße Zulegieren von Nickel liegt im erstarrten Werkstoffgefüge eine weitere harte Phase in Form einer oder mehrerer intermetallischer Phasen mit einem nennenswerten Anteil im Gefüge vor. Gleichzeitig bleibt die Forderung nach einer hohen Festigkeit in Verbindung mit einer Wärmebehandlung erfüllbar. Erfindungsgemäß wird ein übereutektischer Aluminiumbasiswerkstoff mit einem Siliziumgehalt von 14 Gew.-% bis 22 Gew.% verwendet, wobei bevorzugt ein Siliziumgehalt von 17 Gew.-% eingestellt wird. Der Kupfergehalt der Aluminium-Basis-Legierung liegt zwischen 2 Gew.-% und 5 Gew.%, bevorzugt aber bei 4 Gew.-%. Das Zulegieren von ca. 0,1 - 2,0 Gew.-% Nickel und die Reduzierung des Eisengehalts auf 0,3 Gew.-% und weniger haben sich als geeignete Maßnahme erwiesen, um den Ansprüchen in monolithischen Zylinderkurbelgehäusen für Dieselmotoren gerecht zu werden. Die Makrohärte wird dabei durch die ternären Kupfer-Nickel-Aluminide erhöht. Die Kupfer-Nickel-Aluminide stehen dem tribologischen System als zusätzlich tragende Hartphase mit einem Flächenanteil von ca. 5 % zur Verfügung. Die Kupfer-Nickel-Aluminide führen zu einem Aufhärten des Werkstoffs bei nur geringfügig reduzierter statischer Festigkeit. Die erfindungsgemäße Legierung ist daher als guter Kompromiß zwischen einerseits hoher Festigkeit in Verbindung mit einer Wärmebehandlung und hoher Verschleißfestigkeit andererseits zu sehen.
In verfahrenstechnischer Hinsicht wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Aluminiumiegierung der Form AlSi17Cu4NiMg vergossen wird und dass das Einfüllen der Aluminiumschmelze durch mit den Seitenwänden des Zylinderkurbelgehäuses verbundene Angüsse und Angußleisten erfolgt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist nun die Möglichkeit geschaffen, ein Zylinderkurbeigehäuse herzustellen, dass im Bereich der Zylinderbohrung und des Lagerstuhis ein feineres Werkstoffgefüge aufweist. Die verwendete Aluminiumiegierung weist einen Anteil von 0,1 bis 2,0 Gew.-% Nickel auf, wobei der bevorzugte Anteil bei etwa 1 Gew.-% Nickel liegt. Die Hauptaufgabe des Legierungselements Kupfer liegt in der Mischkristallverfestigung. Durch die Zugabe von Nickel wird die Löslichkeit des Aluminium-Mischkristalls für Kupfer gesenkt, hieraus . resultiert eine Reduzierung der Mischkristallhärte. Die Aufhärtung des Werkstoffs wird dabei durch die ternären Kupfer-Nickel-Aluminide erhöht. Die Kupfer-Nickel-Aluminide liegen in einer Ausdehnung von 5 µm bis 50 µm vor und besitzen eine Härte von 700 - 900 HV. Die CuNi-Aluminide stehen dem tribologischen System somit als zusätzliche tragende harte Phase zur Verfügung. Mit einem Flächenanteil von 5 % stellt diese Hartphase eine signifikante Erhöhung des wirksamen Hartphasenanteils im Werkstoffgefüge dar. Eine zusätzliche Verbesserung der Werkstoffeigenschaften in Bezug auf die Ansprüche in einem Verbrennungsmotor ist durch den Einsatz einer Wärmebehandlung möglich. Die Erhöhung der Festigkeit kann zum Beispiel durch die folgenden nacheinander auszuführenden Wärmebehandlungsschritte erzielt werden: Lösungsglühen, Abschrecken und anschließendes Warmauslagern.
Um den deutlich höheren Anforderungen von Dieselmotoren an die Lagerstuhlfestigkeit zu genügen, muß neben den werkstofflichen Maßnahmen ein optimiertes Gießkonzept zur Anwendung kommen. Für das erfindungsgemäße Zylinderkurbelgehäuse hat sich das Niederdruck-Gießverfahren als geeignet erwiesen. Als weiteres denkbares Gießverfahren ist das Schwerkraft-Gießen zu nennen. Beide Verfahren können im Sandguß oder Kokillenguß verwendet werden. Es ist ebenfalls eine Kombination aus Sandguß mit bereichweise gekühlten Kokillen denkbar. Dabei werden im Bereich der Zylinder Kokillen eingesetzt um die Abkühlgeschwindigkeit zu beeinflussen und somit die Korngröße zu steuern. So werden beispielsweise hybride Sandformen eingesetzt mit kühlbaren Stehlpinolen, die dann die Abkühigeschwindigkeit im Bereich der erstarrenden Zylinderlauffläche beschleunigen, somit kann ein gezielter Einfluss auf die Abkühlgeschwindigkeit und damit auf das Kornwachstum genommen werden.
Üblicherweise erfolgt das Eingießen der Aluminiumschmelze in die Gießform im Bereich des Lagerstuhls, unterhalb der Hauptlagergasse im Fertigteil. Das Anschneiden eines Zylinderkurbelgehäuses im Lagerstuhlbereich wird dabei als Mittenanschnitt bezeichnet. Bei herkömmlicher Auslegung des Angußbereichs ist die Distanz zwischen den Lagerstühlen der Kurbelwellenachse und den Angußbereichen sehr kurz bemessen. Den bearbeitungstechnischen Vorteilen beim Enffernen der Angußbereiche steht eine der Gußqualität im Lagerstuhl entgegenwirkende langsame Erstarrung gegenüber. Diese für die Gußqualität nachteilige Erstarrung folgt aus dem bei dieser Anordnung deutlich erhöhten konvektiven Wärmeeintrag in das erstarrende Zylinderkurbelgehäuse. Kennzeichnend für ein derartig ausgebildetes Zylinderkurbelgehäuse und die dadurch bedingten nicht optimalen Gefügeeigenschaften ist ein Dentritenarmabstand, bezogen auf einen Kokillenguß, von 55 µm bis 65 µm. Hieraus resultiert eine geringere statische und dynamische Festigkeit sowie eine geringere Duktilität des erstarrten Werkstoffs. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass das Einfüllen der Aluminiumschmelze durch mit den Seitenwänden des Zylinderkurbelgehäuses verbundene Angußleisten und daran anschließende Angüsse erfolgt. Das Einfüllen der Aluminiumschmelze durch die Seitenwände wird auch als Seitenanschnitt bezeichnet. Es werden hierbei zum Beispiel ovale Angüsse unterhalb der Seitenwände des Zylinderkurbelgehäuses angebracht. Es sind aber auch beliebige andere Formen, wie beispielsweise rund, rechteckig mit gebrochenen Ecken etc., einsetzbar. Voraussetzung hierfür ist, dass ausreichende Querschnitte im Seitenwandbereich des Zylinderkurbelgehäuses konstruktiv vorgesehen sind, um eine reguläre Formfüllung des Bauteils zu gewährleisten.
Unmittelbar an die zu gießende Seitenwand sind die Durchtrittsöffnungen für die Aluminiumschmelze angeformt, diese Durchtrittsöffnungen werden auch als Angußleisten bezeichnet. Über den Angußleisten sind die sogenannten Angüsse angeordnet. Erfindungsgemäß wird die Aluminiumschmelze durch mindestens zwei Angüsse je Seitenwand eingefüllt. Lediglich in dem Fall, in dem die Seitenwände aus konstruktiven Gründen keinen hinreichenden Querschnitt aufweisen, um die Aluminiumschmelze turbulenzarm in die Gießform einzufüllen, kann zusätzlich ein weiterer Anguß im Bereich des Lagerstuhls angeordnet sein. Durch die Verlegung der Angüsse in den Bereich der Seitenwände gelingt es, die Lagerstühle schneller erstarren zu lassen, wodurch bessere Gefügeeigenschaften in diesem Bereich eingestellt werden können. Dies kommt durch einen deutlich reduzierten Dentritenarmabstand von 25 µm bis 45 µm, bezogen auf einen Kokillenguß, zum Ausdruck. Bevorzugt wird ein Dentritenarmabstand von 35 µm bis 45 µm.
Allein der unter die Seitenwände verlegte Anschnitt reicht nicht aus, Gießfehler infolge fallenden Gusses und Resterstarrungszonen, wie Abschnürungen und Hot-Spots, in den Seitenwänden sicher zu vermeiden. Um diese potenziellen Fehler nach unten in einen Bereich außerhalb des Zylinderkurbelgehäuses zu verlegen, werden die Seitenwände über die Angußleisten hinaus nach unten durch sogenannte Angüsse verlängert. Unterhalb dieser Angüsse befindet sich der Gießtopf. Die Entfernung der Angußleiste, der Angüsse und des Gießtopfs erfolgt vergleichsweise einfach durch eine Sägeoperation.
Bei Sandguß ist es vorteilhaft, anstelle von Sieben Keramikfilter zu verwenden. Beim Kokillenguß sind Keramikfilter nicht zu empfehlen, da diese beim Einsetzen unter Zwang leicht brechen, wodurch Oxide und andere Verunreinigungen eingeschwemmt werden, können.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Zylinderkurbelgehäuse ist es nun möglich, auch hochbelastete Dieselmotoren mit in funktionstechnischer Hinsicht vorteilhaften monolithischen Aluminium-Zylinderkurbelgehäusen auszurüsten. Das bestmögliche Zylinderkurbelgehäuse ist ein monolithisches Bauteil, das heißt, ohne Eingußteile in Form von Zylinderlaufbuchsen oder anderen, nachträglichen MaBnahmen zur Darstellung von Zylinderlaufflächen. Der Einsatz von zum Beispiel Zylinderlaufbuchsen bedingt immer das Zusammenwirken unterschiedlicher Werkstoffe mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, wie insbesondere des Elastizitätmoduls und des Wärmeausdehnungskoeffizienten, was in einem thermisch beaufschlagten Bauteil eine gewisse Problematik mit potenziell negativer Auswirkung auf die Motorfunktionen mit sich bringt. Monolithische Zylinderkurbelgehäuse garantieren demgegenüber eine hohe Stabilität in Bezug auf den Ölverbrauch, Blow-by und die Emission, insbesondere durch ihren vergleichsweise geringen Zylinderverzug nach langer Laufzeit.
Der grundsätzliche Aufbau des erfindungsgemäß eingesetzten Werkstoffs wird nachträglich anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
ein Schliffbild des erfindungsgemäß eingesetzten Werkstoffs in 200-facher Vergrößerung,
Figur 2
ein Schliffbild des erfindungsgemäßen Werkstoffs in 1000-facher Vergrößerung.
Die Figur 1 zeigt das Schliffbild des erfindungsgemäß eingesetzten Werkstoffs ASi17Cu4NiMg in einer 200-fachen Vergrößerung. Deutlich zu erkennen sind die primären Siliziumkristalle 1, die als erste tragende Hartphase und Laufpartner, zum Beispiel auf der Oberfläche der Zylinderlauffläche, dem Kolbenring gegenübersteht. Als zweite tragende Hartphase stehen dem tribologischen System die ternären CuNi-Aluminide 2 zur Verfügung. Die beiden Hartphasen sind in die Aluminium-Basis-Legierung 3 eingebettet und werden über übliche bekannte Verfahren an der Oberfläche freigelegt.
Die Figur 2 zeigt das Schliffbild des erfindungsgemäß eingesetzten Werkstoffs AlSi17Cu4NiMg in einer 1 000-fachen Vergrößerung. Die zusätzliche Hartphase, die aus den CuNi-Aluminiden 2 gebildet wird, steht dem tribologischen System mit einem Flächenanteil von ca. 5 % zur Verfügung. Die CuNi-Aluminide haben dabei eine Ausdehnung von 5 µm bis 50 µm.

Claims (8)

  1. Zylinderkurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine, das als Gußteil aus einer übereutektischen Aluminiumlegierung mit der Zusammensetzung AlSi17Cu4Mg hergestellt ist, mit einer Zylinderbohrung und einem Lagerstuhl und einer im erstarrten Zustand im Werstoffgefüge vorliegenden, tragenden primären Siliziumphase, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung einen Anteil von 0,1 - 2,0 Gew.-% Nickel und einen Eisengehalt von etwa 0,3 Gew.-% aufweist, so dass neben der primären Siliziumphase eine weitere verschleißbeständige Phase in Form von Nickel-Kupfer-Aluminiden vorliegt und das im Bereich der Zylinderbohrung ein homogeneres Werkstoffgefüge, das heißt eine homogenere Verteilung des Siliziums und im Bereich des Lagerstuhis ein feineres Werkstoffgefüge mit einem Dentritenarmabstand von 35 µm bis 45 µm, bevorzugt zwischen 25 µm und 45 µm, ausgebildet ist.
  2. Gießtechnisches Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine aus einer übereutektischen Aluminum-Silizium-Legierung, gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumiegierung der Form AlSi17Cu4NiMg vergossen wird und dass das Einfüllen der Aluminiumschmelze durch mit den Seitenwänden des Zylinderkurbelgehäuses verbundene Angußleisten und Angüsse erfolgt.
  3. Gießtechnisches Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderkurbelgehäuse nach dem Erstarren einer Wärmebehandlung, mit den Verfahrensschritten: Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagern, unterworfen wird.
  4. Gießtechnisches Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumiegierung mit einem Nickelanteil von 0,1 - 1,5 Gew.-%, vorzugsweise mit 1 Gew.-%, und einem Eisengehalt von bis zu 0,2 Gew.-% vergossen wird.
  5. Gießtechnisches Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölrücklaufkanäle vollgegossen und nach dem Erstarren mittels eines mechanischen Trennverfahrens in das Zylinderkurbelgehäuse eingearbeitet werden.
  6. Gießtechnisches Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch geennzeichnet, dass das Einfüllen der Aluminiumschmelze über über die Seitenwände des Gehäuses hinausragende, in einem nachfolgenden Arbeitsschritt abzutrennende Angußleisten und Angüsse erfolgt.
  7. Gießtechnisches Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfüllen der Aluminiumschmelze in eine mit einem Sandkern bestückte Gießform durch Angüsse mit ovalem Querschnitt erfolgt.
  8. Gießtechnisches Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschmelze durch mindestens zwei Angüsse je Seitenwand eingefüllt wird.
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