EP2089173A1 - Zylinderkurbelgehäuse für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Zylinderkurbelgehäuse für ein kraftfahrzeug

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Publication number
EP2089173A1
EP2089173A1 EP07819294A EP07819294A EP2089173A1 EP 2089173 A1 EP2089173 A1 EP 2089173A1 EP 07819294 A EP07819294 A EP 07819294A EP 07819294 A EP07819294 A EP 07819294A EP 2089173 A1 EP2089173 A1 EP 2089173A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
infiltration body
infiltration
cylinder crankcase
metal particles
producing
Prior art date
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Ceased
Application number
EP07819294A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Herbert MÖDING
Stephan Beer
Manfred Laudenklos
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.)
KS Huayu Alutech GmbH
Original Assignee
KS Aluminium Technologie GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KS Aluminium Technologie GmbH filed Critical KS Aluminium Technologie GmbH
Publication of EP2089173A1 publication Critical patent/EP2089173A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B22D19/0009—Cylinders, pistons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
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    • B22D19/085—Casting in, on, or around objects which form part of the product for building-up linings or coverings, e.g. of anti-frictional metal of anti-frictional metal
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    • B22F5/008—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of engine cylinder parts or of piston parts other than piston rings
    • 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 or frames
    • F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts
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    • F02F7/0095—Constructing engine casings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a quasi-monolithic cylinder crankcase, cast in a metallic permanent mold, for an internal combustion engine with an infiltration body penetrated into the cylinder crankcase.
  • the invention relates to an infiltration body and a method for producing such infiltration body for use in and for producing a cylinder crankcase for an internal combustion engine.
  • the internal combustion engines used in today's motor vehicles are for the most part made of light metal alloys.
  • the cylinder crankcases of these internal combustion engines made of aluminum or their alloys, with magnesium alloys are used, which bring just like aluminum alloys the advantage of low specific gravity and thus a low weight with it.
  • over-eutectic aluminum-silicon alloys are used in the field of aluminum alloys which, depending on the alloy, almost correspond to those of ferrous materials in their moduli of elasticity and strength.
  • a disadvantage of these high-strength aluminum alloys is that on the one hand set high strengths, which have a positive effect on the demands placed on the cylinder crankcase, but on the other hand are consuming due to their high strength in the processing.
  • EP 0 449 356 B1 describes a cylinder crankcase which is made only locally alloyed, so that on the one hand the necessary tribological properties are obtained highly stressed area of the cylinder surface is provided and on the other hand, the cylinder crankcase is easy to work. Described is a molded in a metallic permanent, bushing single cylinder or multi-cylinder block of an aluminum alloy embedded in the aluminum matrix silicon grains, wherein in the region of the cylinder bore a cylinder bore forming, penetrated with hypoeutectic aluminum alloy hollow cylindrical shaped fiber body of ceramic fibers is embedded with silicon grains inserted therein.
  • the separately prepared fiber molded body is placed on a quill of the mold and filled the aluminum alloy melt into the mold and solidified under pressure.
  • the aluminum alloy melt is solidified under a pressure of at least 30 bar, but in particular 200 to 1000 bar.
  • the method described here is also known as squeeze casting method.
  • the aluminum alloy melt is infiltrated into the fibrous body, so that depending on the preheating of the fiber molding and alloy composition, a composite material or a locally alloyed, quasi monolithic cylinder block can be produced.
  • porous, infiltrierbarer moldings for the production of engine blocks is also described in DE 196 17 457 A1.
  • the prefabricated cores are inserted into the molds representing the external dimensions, and the resulting cavities are filled with the liquid metal. Due to the temperature of the melt while the outer regions of the porous cores are melted, so that between the cores and the massive block structure creates an intimate and mechanically strong connection.
  • the degree of melting is hereby influenced by the fact that the temperature of the melt is set higher or lower or that the melting points of the materials used are placed on a different level. An indication of a pressurized pouring can not be found in the publication.
  • Various methods are known for the preparation of the porous shaped articles used herein.
  • the thermal sintering of metallic particles is described, wherein the particles are filled into a mold and heated to the melting point, whereby they fuse firmly together at their points of contact.
  • This will be a mechanically stable Composite created with a large number of smaller interconnected cavities.
  • Described is also a production of the sintered metal moldings, wherein the metallic particles are filled into a divisible ceramic mold and the mold is immersed in an electric coil, and the particles are heated inductively at high frequency.
  • so-called open-pore metal foams to use the production of flow paths in engines is described.
  • porous laminar material composites is also disclosed in DE 197 22 088 A1.
  • a powder layer or a powder molded body is briefly exposed to an alternating magnetic field in the frequency range from about 10 kHz to 120 MHz in order to generate an induction current of such energy density in the powder layer or the powder molded body that the points of contact of the powder particles are melted together at their points of contact.
  • the condition is only that the powder is electrically conductive, so that an electric current can be induced.
  • the process runs at melting temperature, so that the powder particles fuse at their points of contact.
  • the type of welding creates a solid, porous composite material, which has a good dimensional stability.
  • the object of the invention is to provide a cylinder crankcase and a method for producing a cylinder crankcase, which is constructed quasi monolithic and locally different strength values.
  • the object of the invention is to provide a method for producing a cylinder crankcase, which is independent of the casting process.
  • the solution of the object according to the invention in relation to the production of a cylinder housing is provided by the fact that the infiltration body is formed in a cylinder crankcase from an inductively welded, open-pore shaped body.
  • the solution according to the invention provides a cylinder crankcase which has a quasi-monolithic structure but locally has different strengths in the highly stressed regions.
  • an inductively welded infiltration body is also advantageous because the inductively welded molded body has a relatively high strength in itself, so that the cylinder crankcase according to the invention can be represented as a pressure or squeeze cast cylinder crankcase.
  • This advantage has a positive effect on the structural design of the cylinder crankcase on the one hand as well as the costs in the production of the cylinder crankcase.
  • the infiltration bodies are easy to handle, since they are dimensionally stable and themselves have a high strength as infiltration body. There are thus provided by the invention cylinder crankcase whose static and dynamic strength properties and / or wear resistance are targeted and locally adjustable.
  • the metal particles for forming the infiltration body which can also be designated as a shaped body or green compact, are formed on the basis of metal particles based on iron and / or non-iron.
  • the infiltration body is formed from the metals iron and / or nickel and / or chromium and / or manganese and / or their alloys.
  • the condition here is that the metal powder used, which represents the metal particles to form the green compact, is electrically conductive, since the green compact is produced by means of an induction current having an energy density such that the points of contact of the metal particles are meltably connectable to one another.
  • the metal particles in this case have an average size of 0.1 mm to 1, 5 mm, so that depending on the size or diameter of the metal particles used, a degree of porosity of the infiltration body is adjustable.
  • the infiltration body is produced as a reinforcing element of metal particles by inductive welding of the metal particles, wherein the metal particles are brought into a pressurized bed or under vibration in shape.
  • the degree of porosity of the infiltration body is between 20% and 70%.
  • the degree of porosity to be set depends on the infiltration conditions, the is called the geometry of the infiltration body and the pressure buildup specifications of the casting process. It is possible according to the invention to use organic or inorganic spacers for porosity fractions of more than 50% in the preparation of the infiltration bodies.
  • the placeholders used here are resins and / or plastics and / or cellulose and / or gelatine and / or salts. It has been shown that at high levels of porosity no preheating of the infiltration body is required.
  • an infiltration body preheated to, for example, 500 ° C. produces more intermetallic compounds than a slightly preheated, low-pore volume infiltration body, since the energy stored in the infiltration body is ready for alloy formation. Due to the high heat capacity of the infiltration body, which is formed from an open-pore metal foam, the heat loss during insertion into the mold is low, so that the infiltration conditions over the known from the prior art ceramic foams are significantly improved.
  • the material properties of the cylinder crankcase formed according to the invention are determined by means of the particle size, the choice of materials for the infiltration body. per, the setting of the porosity in the infiltration body and a possible preheating of the infiltration body defined and reproducibly adjustable. Another possibility, the formation of the intermetallic phases and thus an influence on the material properties, such as the strength, is to coat the surface of the infiltration body, thus reducing or largely blocking the conversion of metal particles with the Umgussmaterial.
  • the surface of the infiltration body is in this case oxidizable or nitridable or provided with an inorganic coating.
  • intermetallic compounds and a core region of pure metal are formed in the region of the local strength increase of the cylinder crankcase.
  • the infiltration body is formed of iron particles, depending on the particle size, porosity, preheating and coating
  • a core region of pure iron is formed, which is formed by a first layer of FeAI
  • the encapsulation material is an aluminum alloy, for example.
  • a further iron aluminide intermetallic compound of the form Fe 2 Al 5 forms above this first iron aluminide layer and the third surrounding layer would form an intermetallic compound of the form FeAl 3 .
  • This example is of course non-limiting and constitutes only one embodiment of the formation of iron aluminides when the metal particles of iron and the encapsulant material for forming the cylinder crankcase are made of an aluminum-based alloy.
  • the core region consists of pure iron aluminides, the first surrounding region of iron aluminides of the form Fe 2 Al 5 and the second surrounding region of iron aluminides of the form FeAl 3 .
  • the settings of the intermetallic compounds can be influenced in a defined manner with the aforementioned adjustable parameters with regard to the desired static or dynamic increase in strength.
  • the inductive welding of the metal particles for the preparation of the infiltration body is a cost-effective production process.
  • the metal particles placeholders which are dissolved or vaporized during the pouring of the liquid melt into the mold.
  • Wildcards are, for example, organic resins and / or plastics, and / or Cellulose and / or gelatin, but also organic ingredients, such as salts.
  • An advantage of the inductive welding is the high dimensional stability.
  • the infiltration body is formed, for example, from metal particles produced under pressure, so that a green body is formed, which is then subjected to an inductive middle frequency field with such a high energy density that a welding takes place at the contact points of the metal particles.
  • the induced mid-frequency field in this case has a frequency of 1 kHz to 400 kHz and is variable according to the material used for the metal particles and the selected particle size, wherein the welding is substantially at the contact points of the metal particles.
  • a protective gas or Formiergasatmosphotre is conceivable, but not essential to the invention, since any existing oxide layers on the metal particles due to the high induced voltage, and the resulting skin effect, are broken at the contact points over the entire cross section of the infiltration body.
  • Placeholders or fixation components on an organic basis are gasified during the inductive welding process.
  • the welding process regulates itself corresponding to the particle size according to the law of induction.
  • An essential advantage of the inductively welded infiltration bodies is that the infiltration bodies can be used for pressurized casting processes, since the infiltration bodies withstand the pressures during die casting due to their mechanical stability of the welds.
  • the infiltration bodies are inserted into the casting mold and encapsulated under a pressure of 10 bar to 15 bar and then brought to solidification under a pressure of up to 1000 bar.
  • the production of local composite materials in the cylinder crankcase by means of the infiltration body on the one hand an increase in strength as well as an increase in wear resistance is possible.
  • the tribological properties can be specifically influenced as well as the gluten properties can be set.
  • the infiltration bodies of inductively welded metal particles have a weight advantage over monolithic iron-based castings.
  • a gap-free pouring is also possible. The invention will be explained in more detail with reference to an infiltration experiment of open-pored metal foam.
  • FIG. 1 shows a micrograph in a resolution of 40 ⁇ m in a region between encapsulation material and infiltration body
  • Figure 2 shows an enlarged section according to an area Il from the
  • FIG. 3 shows a region III likewise shown in enlarged form as the edge region of the infiltration body from FIG. 1.
  • FIG 1 is a micrograph of an infiltration body 1, which is cast in a Umgussmaterial 2, shown.
  • the infiltration body 1 in this case has two clearly distinguishable regions II and III.
  • the edge region IM of the infiltration body 1 is enclosed directly by the encapsulation material 2, which is a light metal alloy such as aluminum or magnesium.
  • the encapsulation material 2 is completely penetrated into the infiltration body and has formed the two clearly distinguishable regions II and III in part by forming intermetallic phases.
  • the infiltration body 1 is made of a shaped body formed under the brand name "Astaloy CrM" with a density of 3.5 g / cm 3.
  • the casting material selected was the aluminum-silicon alloy AISi 12 CuNiMg. Alloy has completely penetrated into the infiltration body 1.
  • Figure 1 clearly shows how precisely the composite material formation is adjustable according to the invention
  • the infiltration body 1 was preheated under atmospheric conditions to about 500 °, which led to oxide formation on the surface of the metal particles This oxidation of the edge region III of the infiltration body 1 was inhibited here by the formation of intermetallic phases 3.
  • FIG. 3 thus clearly shows how, by means of preheating, the oxidic coating of the infiltration body 1 and thus of the inductively bonded metal particles 7 can be controlled in a targeted manner by the duration of the preheating. For longer preheating times under atmospheric conditions, the edge region IM is displaceable into the core of the infiltration body 1.
  • the method of coating the infiltration body is of course also applicable to the other claimed coating methods.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the region 2 close to the center of the infiltrated infiltration body 1, which was present as an open-pored metal foam 1 prior to encapsulation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein in einer metallischen Dauerform gegossenes, quasimonolithisches Zylinderkurbelgehäuse für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem in das Zylinderkurbelgehäuse penetrierten Infiltrationskörper (1), wobei der Infiltrationskörper (1) aus einem induktiv verschweißten, offenporigen Metallschaum gebildet ist.

Description

B E S C H R E I B U N G
Zylinderkurbelgehäuse für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein in einer metallischen Dauerform gegossenes, quasimonolithisches Zylinderkurbelgehäuse für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem in das Zylinderkurbelgehäuse penetrierten Infiltrationskörper. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Infiltrationskörper sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Infiltrationskörpers zur Verwendung in einem und zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Verbrennungskraftmaschine.
Die in heutigen Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommenden Verbrennungskraftmaschinen werden zum größten Teil aus Leichtmetalllegierungen gefertigt. Zumeist werden die Zylinderkurbelgehäuse dieser Verbrennungskraftmaschinen aus Aluminium beziehungsweise deren Legierungen gefertigt, wobei auch Magnesiumlegierungen zum Einsatz kommen, die genau wie Aluminiumlegierungen den Vorteil einer geringen spezifischen Dichte und somit eines geringen Gewichts mit sich bringen. Um den gestiegenen und immer weiter steigenden Anforderungen an zum Beispiel den Drücken bei der Verdichtung gerecht zu werden, werden im Bereich der Aluminiumlegierungen übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen verwendet, die je nach Legierung in ihren Elastizitätsmodulen und Festigkeiten denen von Eisenwerkstoffen nahezu entsprechen. Ein Nachteil bei diesen hochfesten Aluminiumlegierungen ist der, dass sich zwar einerseits hohe Festigkeiten einstellen, die sich positiv auf die an das Zylinderkurbelgehäuse gestellten Anforderungen auswirken, die aber andererseits aufgrund ihrer hohen Festigkeit aufwendig in der Bearbeitung sind.
Um den Vorteil der hohen Festigkeiten bei hochfesten Aluminiumlegierungen zu nutzen und andererseits das Zylinderkurbelgehäuse auch leicht bearbeiten zu können, ist aus der EP 0 449 356 B1 ein Zylinderkurbelgehäuse beschrieben, das lediglich lokal legiert ausgeführt ist, so dass einerseits die notwendigen tribologi- schen Eigenschaften im hoch beanspruchten Bereich der Zylinderlauffläche bereitgestellt ist und andererseits das Zylinderkurbelgehäuse leicht zu bearbeiten ist. Beschrieben ist ein in einer metallischen Dauerform gegossener, buchsenloser Einzelzylinder oder Mehrzylinderblock aus einer Aluminiumlegierung mit in der Aluminiummatrix eingebetteten Siliziumkörnern, wobei in den Bereich der Zylinderlaufbahn ein die Zylinderlaufbahn bildender, mit untereutektischer Aluminiumlegierung penetrierter hohlzylinderförmiger Faserformkörper aus keramischen Fasern mit darin eingefügten Siliziumkörnern eingegossen ist. Hierbei wird der separat hergestellte Faserformkörper auf eine Pinole der Gießform aufgesetzt und die Aluminiumlegierungsschmelze in die Gießform eingefüllt und unter Druck zur Erstarrung gebracht. Vorzugsweise wird die Aluminiumlegierungsschmelze unter einem Druck von wenigstens 30 bar, insbesondere jedoch 200 bis 1000 bar, zur Erstarrung gebracht. Das hierbei beschriebene Verfahren ist auch als Squeeze-Casting-Verfahren bekannt. Während der Druckbeaufschlagung nach dem Einfüllen der Aluminiumlegierungsschmelze in die Gussform wird die Aluminiumlegierungsschmelze in den Faserform körper infiltriert, so dass je nach Vorwärmung des Faserformkörpers und Legierungszusammensetzung ein Verbundwerkstoff beziehungsweise ein lokal legierter, quasi monolithischer Zylinderblock herstellbar ist.
Die Verwendung poröser, infiltrierbarer Formkörper zur Herstellung von Motorblöcken ist ebenfalls in der DE 196 17 457 A1 beschrieben. Für die gusstechnische Herstellung der erfindungsgemäßen Blöcke werden die vorgefertigten Kerne in die die äußeren Abmessungen darstellenden Gussformen eingelegt und die sich ergebenden Hohlräume mit dem flüssigen Metall ausgegossen. Aufgrund der Temperatur der Schmelze werden dabei die äußeren Bereiche der porösen Kerne angeschmolzen, so dass zwischen den Kernen und der massiven Blockstruktur eine innige und mechanisch belastbare Verbindung entsteht. Der Grad der Anschmelzung wird hierbei dadurch beeinflussbar, dass die Temperatur der Schmelze höher oder niedriger eingestellt wird oder dass die Schmelzpunkte der verwendeten Werkstoffe auf ein unterschiedliches Niveau gelegt werden. Ein Hinweis auf ein druckbeaufschlagtes Gießen kann der Druckschrift nicht entnommen werden. Zur Herstellung der hierin verwendeten porösen Formkörper sind verschiedene Verfahren bekannt. So ist einerseits die thermische Sinterung aus metallischen Partikeln beschrieben, wobei die Partikel in eine Form eingefüllt und bis in den Bereich des Schmelzpunktes erwärmt werden, wodurch sie an ihren Berührungspunkten fest miteinander verschmelzen. Hierdurch wird ein mechanisch stabiler Verbund mit einer groben Anzahl kleinerer miteinander in Verbindung stehender Hohlräume geschaffen. Beschrieben ist weiterhin eine Herstellung der Sintermetall- Formlinge, wobei die metallischen Partikel in eine teilbare keramische Kokille eingefüllt und die Kokille in eine elektrische Spule eingetaucht wird, und die Partikel mit hoher Frequenz induktiv erwärmt werden. Darüber hinaus ist die Verwendung so genannter offenporiger Metallschäume zur Verwendung der Herstellung der Strömungswege in Motoren beschrieben.
Die Herstellung von porösen flächenhaften Werkstoffverbunden ist ebenfalls in der DE 197 22 088 A1 offenbart. Eine Pulverschicht oder ein Pulverformkörper wird hierbei kurzzeitig mit einem magnetischen Wechselfeld im Frequenzbereich von etwa 10 kHz bis 120 MHz beaufschlagt, um in der Pulverschicht oder dem Pulverformkörper einen Induktionsstrom solcher Energiedichte zu erzeugen, dass die Berührungsstellen der Pulverpartikel untereinander an ihren Berührungsstellen schmelzflüssig verbunden werden. Die Bedingung ist lediglich, dass das Pulver elektrisch leitend ist, damit ein elektrischer Strom induziert werden kann. Das Verfahren läuft dabei bei Schmelztemperatur, so dass die Pulverpartikel an ihren Berührungsstellen verschmelzen. Durch die Art des Schweißvorgangs entsteht ein fester, poröser Werkstoffverbund, der eine gute Formbeständigkeit aufweist.
Ausgehend von dem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Zylinderkurbelgehäuse sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses bereitzustellen, dass quasi monolithisch aufgebaut ist und lokal unterschiedliche Festigkeitswerte aufweist. Darüber hinaus besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses bereitzustellen, das unabhängig vom Gießverfahren ist.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe in Bezug auf die Herstellung eines Zylindergehäuses wird dadurch bereitgestellt, dass der Infiltrationskörper in einem Zylinderkurbelgehäuse aus einem induktiv verschweißten, offenporigen Formkörper gebildet ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Zylinderkurbelgehäuse bereitgestellt, das quasi monolithisch aufgebaut, aber in den hoch beanspruchten Bereichen lokal unterschiedliche Festigkeiten aufweist. Hierbei sind, durch die Auswahl der Werkstoffe zur Herstellung des Infiltrationskörpers, durch die Größe der Metallpartikel und damit der Größe der Hohlräume zwischen den Metallpartikeln im vom Körper und die Temperatur der Vorwärmung des Infiltrationskörpers vor dem Eingießen in das Zylinderkurbelgehäuse definierte und gezielt vorgebbare Festigkeiten in lokal hoch beanspruchten Bereichen des Zylinderkurbelgehäuses einstellbar und somit die geforderten tribologischen Eigenschaften erzielt werden, wie auch die notwendigen Gleiteigenschaften im Lagerstuhlbereich einstellbar sind..
Vorteilhaft ist die Verwendung eines induktiv verschweißten Infiltrationskörpers auch deshalb, da der induktiv verschweißte Formkörper in sich eine verhältnismäßig hohe Festigkeit aufweist, so dass das erfindungsgemäße Zylinderkurbelgehäuse als Druck- oder Squeeze-Cast-Zylinderkurbelgehäuse darstellbar ist. Dieser Vorteil wirkt sich einerseits positiv auf die konstruktive Ausgestaltung des Zylinderkurbelgehäuses wie auch auf die Kosten bei der Herstellung des Zylinderkurbelgehäuses aus. Insbesondere sind die Infiltrationskörper leicht zu handhaben, da sie formstabil sind und als Infiltrationskörper selbst eine hohe Festigkeit aufweisen. Es sind somit durch die Erfindung Zylinderkurbelgehäuse bereitgestellt, deren statische und dynamische Festigkeitseigenschaften und/oder der Verschleißbeständigkeiten gezielt und lokal einstellbar sind.
Die Metallpartikel zur Bildung des Infiltrationskörpers, der auch als Formkörper oder Grünling bezeichenbar ist, ist auf Basis von Metallpartikeln auf Eisen und/oder Nichteisenbasis gebildet. Bevorzugt aber nicht ausschließlich wird der Infiltrationskörper aus den Metallen Eisen und/oder Nickel und/oder Chrom und/oder Mangan und/oder deren Legierungen gebildet. Bedingung ist hierbei, dass das verwendete Metallpulver, das die Metallpartikel zur Bildung des Grünlings darstellt, elektrisch leitend ist, da der Grünling mittels eines Induktionsstroms erzeugt wird, der eine derartige Energiedichte aufweist, dass die Berührungsstellen der Metallpartikel untereinander schmelzflüssig verbindbar sind.
Die Metallpartikel besitzen hierbei eine durchschnittliche Größe von 0,1 mm bis 1 ,5 mm, so dass je nach verwendeter Größe beziehungsweise Durchmesser der Metallpartikel ein Porositätsgrad des Infiltrationskörpers einstellbar ist. Hierbei wird der Infiltrationskörper als Verstärkungselement aus Metallpartikeln durch induktives Verschweißen der Metallpartikel erzeugt, wobei die Metallpartikel in einer druckbeaufschlagten Schüttung oder unter Vibration in Form gebracht werden.
Der Porositätsgrad des Infiltrationskörpers liegt zwischen 20% und 70%. Der einzustellende Porositätsgrad ist abhängig von den Infiltrationsbedingungen, das heißt der Geometrie der Infiltrationskörper sowie den Druckaufbauvorgaben des Gießprozesses. Es ist erfindungsgemäß möglich, für Porositätsanteile von über 50% bei der Herstellung der Infiltrationskörper organische oder anorganische Platzhalter zu verwenden. Als Platzhalter dienen hierbei Harze und/oder Kunststoffe und/oder Cellulose und/oder Gelatine und/oder Salze. Es hat sich gezeigt, dass bei hohen Porositätsgraden keine Vorwärmung des Infiltrationskörpers erforderlich ist. Sollen dem gegenüber sehr hohe Elastizitätsmodule in den lokal verstärkten Bereichen des Zylinderkurbelgehäuses erreicht werden, resultiert aus dieser Anforderung ein relativ niedriges Porenvolumen von 20% bis 50%, so dass die Infiltrationskörper auf eine Temperatur von 3000C bis 800°C vor dem Einlegen in die Gießform vorgewärmt werden müssen. Durch das Vorwärmen der Infiltrationskörper wird einerseits das Infiltrieren der Leichtmetallschmelze erleichtert und andererseits ist durch das Vorwärmen der Infiltrationskörper die Bildung der intermetallischen Verbindungen zwischen dem Umgussmaterial und den den Infiltrationskörper bildenden Metallpartikeln definiert, beeinflussbar. So ist es leicht verständlich, dass ein auf beispielsweise 5000C vorgewärmter Infiltrationskörper vermehrt intermetallische Verbindungen bildet, als ein wenig vorgewärmter mit einem geringen Porenvolumen versehener Infiltrationskörper, da die im Infiltrationskörper gespeicherte Energie zur Legierungsbildung bereitsteht. Bedingt durch die hohe Wärmekapazität des Infiltrationskörpers, der aus einem offenporigen Metallschaum gebildet ist, ist der Wärmeverlust während des Einlegens in die Gießform gering, so dass die Infiltrationsbedingungen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Keramikschäumen deutlich verbessert sind.
Bei einer Infiltration von beispielsweise Magnesium-Legierungen sind offenporige Metallschäume als Infiltrationskörper auf Eisenbasis innert, so dass keine Reaktionen erfolgen und sich keine reproduzierbaren Verbundfestigkeiten ergeben. Werden hingegen Eisen oder Nichteisenbasis-Metallschäume mit Aluminiumlegierungen infiltriert, so kann über die Partikelgröße und die Vorwärmtemperatur eine nahezu vollständige Umwandlung des Metallschaums in Aluminide erreicht werden, so dass ein hoch verschleißfester Verbundwerkstoff entsteht. Diese hoch verschleißfesten Verbundwerkstoffe dienen dann beispielsweise als Zylinderlaufflächen oder im Bereich der Kurbelwelle als Lager.
Die Werkstoffeigenschaften des erfindungsgemäß gebildeten Zylinderkurbelgehäuses sind mittels der Partikelgröße, der Wahl der Werkstoffe für den Infiltrationskör- per, die Einstellung der Porosität im Infiltrationskörper sowie einer möglichen Vorwärmung des Infiltrationskörpers definiert und reproduzierbar einstellbar. Eine weitere Möglichkeit, die Bildung der intermetallischen Phasen und somit einer Einflussnahme auf die Werkstoffeigenschaften, wie beispielsweise der Festigkeit, ist die, die Oberfläche des Infiltrationskörpers zu beschichten, um somit die Umwandlung der Metallpartikel mit dem Umgussmaterial zu reduzieren oder weitestgehend zu blockieren. Die Oberfläche des Infiltrationskörpers ist hierbei oxidierbar oder nitrierbar oder mit einem anorganischen Überzug zu versehen. Neben den genannten Einflussgrößen auf die Bildung der intermetallischen Phasen ist es somit möglich, dass mehrere Arten von intermetallischen Verbindungen sowie einem Kernbereich aus reinem Metall im Bereich der lokalen Festigkeitssteigerung des Zylinderkurbelgehäuses ausgebildet wird. Ist beispielsweise der Infiltrationskörper aus Eisenpartikeln gebildet, so bildet sich je nach Partikelgröße, Porosität, Vorwärmung und Beschichtung ein Kernbereich aus reinem Eisen aus, der von einer ersten Schicht aus FeAI gebildet ist, wenn das Umgussmaterial zum Beispiel eine Aluminiumlegierung ist. Über dieser ersten Eisenaluminid-Schicht bildet sich eine weitere intermetallische Verbindung aus Eisenaluminid der Form Fe2AI5 und als dritte umgebende Schicht würde sich eine intermetallische Verbindung der Form FeAI3 ausbilden. Dieses Beispiel ist selbstverständlich nicht beschränkend und bildet lediglich ein Ausführungsbeispiel der Bildung von Eisenaluminiden, wenn die Metallpartikel aus Eisen und das Umgussmaterial zur Bildung des Zylinderkurbelgehäuses aus einer Legierung auf Aluminiumbasis bestehen. Es ist beispielhaft aber auch vorstellbar, dass bei einer derartigen Werkstoffkombination der Kernbereich aus reinen Eisenaluminiden, der erste umgebende Bereich aus Eisenaluminiden der Form Fe2AI5 und der zweite umgebende Bereich aus Eisenaluminiden der Form FeAI3 gebildet ist. Die Einstellungen der intermetallischen Verbindungen ist mit den genannten einstellbaren Parametern in Bezug auf die gewünschte statische oder dynamische Festigkeitssteigerung definiert beeinflussbar.
Das induktive Verschweißen der Metallpartikel zur Herstellung des Infiltrationskörpers stellt ein kostengünstiges Herstellverfahren dar. Je nach gewünschter Porosität werden mit den Metallpartikeln Platzhalter vermengt, die während des Eingießens der flüssigen Schmelze in die Gießform gelöst oder verdampft werden. Platzhalter sind zum Beispiel organische Harze und/oder Kunststoffe, und/oder Cellulose und/oder Gelatine, aber auch organische Bestandteile, wie beispielsweise Salze. Ein Vorteil der induktiven Verschweißung ist die hohe Formbeständigkeit. Der Infiltrationskörper wird erfindungsgemäß beispielhaft aus unter Druck verfertigten Metallpartikeln gebildet, so dass ein Grünling gebildet ist, der anschließend mit einem induktiven Mittelfrequenzfeld mit einer derart großen Inenergiedichte beaufschlagt wird, dass eine Schweißung an den Kontaktstellen der Metallpartikel erfolgt. Das induzierte Mittelfrequenzfeld besitzt hierbei eine Frequenz von 1 kHz bis 400 kHz und ist entsprechend des verwendeten Werkstoffs für die Metallpartikel und der ausgewählten Partikelgröße veränderbar, wobei wesentlich das Verschweißen an den Kontaktstellen der Metallpartikel ist. Bei der induktiven Verschweißung ist eine Schutzgas- oder Formiergasatmosphäre vorstellbar, aber nicht erfindungswesentlich, da eventuell vorhandene Oxidschichten auf den Metallpartikeln aufgrund der hohen induzierten Spannung, und dem daraus resultierenden Skin-Effekt, an den Kontaktstellen über den gesamten Querschnitt des Infiltrationskörpers durchbrochen werden. Platzhalter oder Fixierungsbestandteile auf organischer Basis werden beim induktiven Schweißprozess vergast. Der Verschweißungsprozess regelt sich korrespondierend zur Teilchengröße nach dem Induktionsgesetz selbstständig.
Ein wesentlicher Vorteil der induktiv verschweißten Infiltrationskörper ist der, dass die Infiltrationskörper für druckbeaufschlagte Gießverfahren einsetzbar sind, da die Infiltrationskörper aufgrund ihrer mechanischen Stabilität der Verschweißungen den Drücken beim Druckgießen widerstehen. So werden die Infiltrationskörper in die Gießform eingesetzt und unter einem Druck von 10 bar bis 15 bar umgössen und anschließend unter einem Druck bon bis zu 1000 bar zur Erstarrung gebracht.
Durch die Erzeugung lokaler Verbundwerkstoffe im Zylinderkurbelgehäuse mittels der Infiltrationskörper ist einerseits eine Festigkeitssteigerung wie auch eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit möglich. Darüber hinaus sind die tribologi- schen Eigenschaften gezielt beeinflußbar wie auch Gluteigenschaften einstellbar.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung der Infiltrationskörper aus induktiv verschweißten Metallpartikeln ist der, dass die Infiltrationskörper einen Gewichtsvorteil aufweisen, gegenüber monolithischen Eingussteilen auf Eisenbasis. Durch die vollständige Infiltration des Umgussmaterials in den Infiltrationskörper wird darüber hinaus ein spaltfreies Eingießen ermöglicht. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Infiltrationsversuchs von offenporigem Metallsschaum näher erläutert.
Figur 1 zeigt ein Schliffbild in einer Auflösung von 40μm in einem Bereich zwischen Umgussmaterial und Infiltrationskörper,
Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt gemäß einem Bereich Il aus der
Figur 1 und
Figur 3 einem ebenfalls vergrößert dargestellten Bereich III als Randbereich des Infiltrationskörpers aus der Figur 1.
In der Figur 1 ist ein Schliffbild eines Infiltrationskörpers 1 , der in ein Umgussmaterial 2 eingegossen ist, dargestellt. Der Infiltrationskörper 1 weist hierbei zwei deutlich unterscheidbare Bereiche Il und III auf. Der Randbereich IM des Infiltrationskörpers 1 wird dabei unmittelbar von dem Umgussmaterial 2, das eine Leichtmetalllegierung wie beispielsweise Aluminium oder Magnesium ist, umschlossen. Das Umgussmaterial 2 ist dabei vollständig in den Infiltrationskörper eingedrungen und hat die beiden deutlich voneinander unterscheidbaren Bereiche Il und III zum Teil durch Bildung intermetallischer Phasen gebildet.
Der Infiltrationskörper 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist aus einem unter dem Markennamen „Astaloy CrM" gebildeten Formkörpers mit einer Dichte von 3,5 g/cm3 hergestellt. Als Umgussmaterial wurde die Aluminium-Silizium-Legierung AISi12 CuNiMg ausgewählt. Die eutektische Aluminium-Silizium-Legierung ist vollständig in den Infiltrationskörper 1 eingedrungen. Die Figur 1 verdeutlicht sehr gut, wie genau die Verbundwerkstoffbildung erfindungsgemäß einstellbar ist. Der Infiltrationskörper 1 wurde unter Atmosphäre auf ca. 500° vorgewärmt, wodurch es zu einer Oxidbildung auf der Oberfläche der Metallpartikel kam. Durch dieses Oxidieren des Randbereichs III des Infiltrationskörpers 1 wurde hier die Bildung intermetallischer Phasen gehemmt. Deutlich zu erkennen sind die oxidischen Sperren 5, 6 in der Figur 3, die eine vergrößerte Darstellung des oxidierten Randbereichs III darstellt. Die Metallpartikel 7 wurden zwar sämtlichst und vollständig von der Aluminiumlegierung 8 umschlossen, die Bildung intermetallischer Verbindungen wurde aber durch die oxidische Beschichtung des Infiltrations- körpers 1 unterbunden. Die Figur 3 zeigt somit deutlich, wie mittels eines Vorwär- mens, wobei durch die Dauer des Vorwärmens die oxidische Beschichtung des Infiltrationskörpers 1 und somit der induktiv verbundenen Metallpartikel 7 gezielt steuerbar ist. Bei längeren Vorwärmzeiten unter atmosphärischen Bedingungen ist der Randbereich IM bis in den Kern des Infiltrationskörpers 1 hinein verschiebbar. Die Methode der Beschichtung des Infiltrationskörpers ist natürlich ebenfalls auf die anderen beanspruchten Beschichtungsverfahren anwendbar.
Wird entsprechend eine Aluminid-Bildung, das heißt, eine Bildung intermetallischer Verbindungen zwischen den Metallpartikeln 7, 9 und dem Umgussmaterial 8, 10 angestrebt, so wird keine Beschichtung auf dem Infiltrationskörper 1 abgeschieden, und es bildet sich ein Werkstoffgefüge mit intermetallischen Verbindungen und homogenen Übergängen zwischen den Metallpartikeln 9 und dem Umgussmaterial 10 aus, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. Hierbei zeigt die Figur 2 eine vergrößerte Ansicht des zentrumnahen Bereichs 2 des infiltrierten Infiltrationskörpers 1 , der als offenporiger Metallschaum 1 vor dem Umgießen vorlag.

Claims

P A T E N T A N S P R U C H E
1. In einer metallischen Dauerform gegossenes, quasimonolithisches Zylinderkurbelgehäuse für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem in das Zylinderkurbelgehäuse penetrierten Infiltrationskörper (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass der Infiltrationskörper aus einem induktiv verschweißten, schmelzflüssig verbundenem, offenporigen Formkörper (1) gebildet ist, der Porositätsgrad des Infiltrationskörpers zwischen 20% und 70% liegt und das Umgussmaterial vollständig in den Infiltrationskörper eingedrungen ist und intermetallische Phasen gebildet hat.
2. Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (1) aus Metallpartikeln (7, 9) auf Eisen und/oder Nichteisenbasis gebildet ist.
3. Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel (7, 9) eine durchschnittliche Größe von 0,1 mm bis 1 ,5 mm aufweisen.
4. Zylinderkurbelgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) des Infiltrationskörpers (1) beschichtet ist, wobei die Oberfläche (3) oxidiert oder nitriert oder mit einem organischen Überzug versehen ist.
5. Zylinderkurbelgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Infiltrationskörper (1) ein die Zylinderlaufbahn bildender, hohlzylinderförmiger oder zumindest einen Teil einer Lagerschale bildender Infiltrationskörper (1 ) ist.
6. Zylinderkurbelgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderkurbelgehäuse aus einer Leichtmetalllegierung (8, 10) gebildet ist und der Infiltrationskörper (1) von der Leichtmetalllegierung (8, 10) vollständig infiltriert ist.
7. Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Infiltrationskörper (1) aus Eisen und/oder Nickel und/oder Chrom und/oder Mangan und/oder deren Legierungen gebildet ist und zumindest eine teilweise Umwandlung der Werkstoffe erfolgt, so dass ein Verbundwerkstoff und/oder eine intermetallische Phase gebildet ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Infiltrationskörpers (1) für ein Zylinderkurbelgehäuse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein aus elektrisch leitfähigen Metallpartikeln (7, 9) bestehender Formkörper (1) mit einem Induktionsstrom beaufschlagt wird, wobei die Metallpartikel (7, 9) an ihren Berührungsstellen schmelzflüssig verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (1) aus Metallpartikeln (7, 9) mit einer durchschnittlichen Größe von 0,1 mm bis 1 ,5 mm und unter Vibration oder mittels einer druckbeaufschlagten Schüttung gebildet wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines Infiltrationskörpers nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (1) aus einem Gemenge aus Metallpartikeln (7, 9) und Platzhaltern gebildet wird, wobei als Platzhalter organische und/oder anorganische Bestandteile verwendet werden.
10. Verfahren zur Herstellung eines Infiltrationskörpers nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Platzhalter Harze und/oder Kunststoffe und/oder Cellulose und/oder Gelatine und/oder Salze verwendet werden.
11. Verfahren zur Herstellung eines Infiltrationskörpers nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Platzhalter während der induktiven Verschweißung vergast werden, so dass ein poröser Formkörper mit einem Porositätsgrad von 20% bis 70% gebildet wird.
12. Verfahren zur Herstellung eines Infiltrationskörpers nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (1) mit einem induktiven Mittelfrequenzfeld mit einer Wellenlänge von 1 kHz bis 400 kHz beaufschlagt wird.
13. Infiltrationskörper, hergestellt nach einem der Ansprüche 8 bis 12, der aus einem aus elektrisch leitfähigen Metallpartikeln (7, 9) bestehenden Pulver gebildet ist und in dem die Metallpartikel (7, 9) mittels eines Induktionsstroms schmelzflüssig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Infiltrationskörper (1) aus einem Pulver bestehend aus Metallpartikeln (7, 9) und/oder organischen und/oder anorganischen Platzhaltern gebildet ist, wobei mittels des Platzhalters der Porositätsgrad des Infiltrationskörpers (1) einstellbar ist.
14. Infiltrationskörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der
Infiltrationskörper (1) ein offenporiger Metallschaum ist.
15. Infiltrationskörper nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Infiltrationskörper (1) einen Porositätsgrad zwischen 20 und 70% aufweist.
16. Infiltrationskörper nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) des Infiltrationskörpers (1) beschichtet, insbesondere oxidiert oder nitriert oder mit einem organischen Überzug versehen ist.
17. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem penetrierten Infiltrationskörper (1) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem der Infiltrationskörper (1) in ein Gießwerkzeug eingesetzt wird und anschließend die Leichtmetalllegierung (8, 10) in das Gießwerkzeug eingefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetalllegierung (8, 10) unter Druck zur Erstarrung gebracht wird.
18. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Infiltrationskörper (1) vor dem Einsetzen auf eine Temperatur von 3000C bis 8000C erwärmt wird.
19. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses nach einem der Ansprüche 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetalllegierung (8, 10) unter einem Druck von 10 bis 20 bar infliltriert und bis zu 1000 bar zur Erstarrung gebracht wird.
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