EP2823916B1

EP2823916B1 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils

Info

Publication number: EP2823916B1
Application number: EP13175828.6A
Authority: EP
Inventors: Sabine Tunzini; Thomas Baginski
Original assignee: GF Casting Solutions Herzogenburg Iron GmbH; GF Casting Solutions Kunshan Co Ltd; GF Casting Solutions Leipzig GmbH; GF Casting Solutions Singen GmbH; GF Casting Solutions Mettmann GmbH
Current assignee: GF Casting Solutions Herzogenburg Iron GmbH; GF Casting Solutions Kunshan Co Ltd; GF Casting Solutions Leipzig GmbH; Fondium Mettmann GmbH; Fondium Singen GmbH
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2033-07-10
Also published as: EP2823916A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils enthaltend ein Einlegeteil und Gussmaterial, wobei das Einlegeteil stoffschlüssig mit dem Gussmaterial verbunden ist gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Herstellung von Verbundgussteilen ermöglicht eine Kombination der bevorzugten Eigenschaften der Materialien an den entsprechenden Stellen. So können Bauteile entsprechend ihren Anforderungen und Einsatzgebieten aufgrund der Materialkombination optimal zusammengestellt werden. Das bedingt aber einer stoffschlüssigen bzw. metallurgischen Verbindung zwischen den Materialien. Beim Eingiessen von Stahlteilen in Gusseisen oder Aluminiumlegierungen tritt häufig das Problem der unzureichenden Verbindung zwischen eingegossenem Stahlteil und umschliessenden bzw. eingegossenem Werkstoff auf. Durch das frühe Erstarren der Schmelze aufgrund des Kontakts mit dem raumtemperierten Einlegeteil, wird ein metallurgisches bzw. stoffschlüssiges Verbinden zwischen Gusswerkstoff und Stahlteil behindert, wodurch Spalten zwischen den Verbundpartnern entstehen können.
Die DE 10 2006 041 901 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Verbundteilen aus Stahl und/oder Gusseisen. In diesem Verfahren wird das einzugiessende Teil, welches aus Stahl oder Gusseisen hergestellt ist, mittels Flussmittel beschichtet. Die Beschichtung zielt darauf ab, dass es zu einer Reduktion, das heisst, dass es beim Eingiessen zum Auflösen und Wegschwemmen der Oxidhaut des Eingussteils kommt, wodurch der Gusswerkstoff eine metallurgische Bindung eingehen kann.
Die DE 10 2011 053 858 B3 offenbart ein Verfahren zur Anwendung eines eingiessbaren Bauteils in einer verlorenen Giessform, wobei auf einer Oberfläche des einzugiessenden Bauteils ein Beschichtungsmittel aufgebracht wird. Das Beschichtungsmittel bildet eine trennaktive Oberfläche, welches ein Anhaften vom Material am Bauteil sowie das Korrodieren vor dem Umgiessen mit Gussmaterial verhindert.
Die DE 100 43 105 B4 offenbart ein Verfahren zur Bildung einer zähfesten, belastbaren und/oder zumindest im wesentlichen mängelfreien Verbindung zwischen einem Einsatz und einem Gussmetallmaterial mit Schmelzpunkt unter jenem des Einsatzmaterials. Der Einsatz wird mit einer dünnen Schicht eines metallischen Materials das aus der Gruppe Silber, Antimon, Wismut, Chrom, Gold, Blei, Magnesium, Silizium, Zinn, Titan und Zink stammt, beschichtet. Darauf erfolgt das Giessen des Gussmaterials gegen die beschichtete Oberfläche des Einsatzes. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Beschichtung ist grösser als der des Einsatzes und geringer als der des Gussmaterials. Der beschichtete Einsatz wird zudem auf eine Temperatur von mindestens 100°C während einem Zeitraum von mindestens 5 Minuten gehalten. Durch dieses Verfahren soll ein Teil der Beschichtung sich auflösen und dem Gussmetallmaterial geopfert werden, während ein Teil dieser Beschichtung als Diffusionsbarriere zwischen Einsatz und Gussmaterial bleibt, was eine hoch zähe Bindung zwischen Einsatz und Gussmaterial erzielen soll.
Die EP 0 659 899 A1 offenbart schliesslich auch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils mit allen technischen Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein entsprechendes Verbundgussteil zu schaffen, welches gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Bindung zwischen einem Einlegeteil und Gussmaterial erzielt, sowie eine wirtschaftliche Herstellung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Ummantelung bzw. Einbettung des Einlegeteils durch ein exothermes Material gebildet wird, welches sich durch die Kontaktierung mit dem einfließenden Gussmaterials oder durch Erreichen der Zündtemperatur entzündet wodurch der Temperaturgradient zwischen erstarrender Schmelze und dem Einlegeteil verringert wird, wobei nach dem Giessen und dem Entformen das exotherme Material entfernt wird, wobei die von dem exothermen Material abgedeckten Fläche/n des Einlegeteils frei von Gussmaterial ist/sind.
Dabei wird Energie freigesetzt und an die Umgebung abgegeben, wodurch es zu einem verringert Temperaturgradienten zwischen der erstarrenden Schmelze und dem Einlegeteil kommt.
Das erfindungsgemässe Verfahren umfasst folgende Schritte:

Herstellen des Einlegeteils,
Ummanteln bzw. Einbetten des Einlegeteils mittels exothermen Material,
Einlegen des ummantelten/eingebetteten Einlegeteils in die Giessform,
Füllen der Form mit Schmelze.

Exotherme Materialien werden neben dem Einsatz beim Schweissen (Thermitschweissgemische) auch in exothermen Speisern in der Giesserei eingesetzt. Bei der Berührung der Schmelze mit der exothermen Masse wird eine Verbrennungsreaktion ausgelöst, welche im Speiser gewährleistet, dass sich dort die zuletzt erstarrende Schmelze befindet und sodass das verändernde Volumen während der Erstarrung im Gussteil ausgeglichen werden kann. Solche Materialien sind aus dem Stand der Technik bekannt, die EP 1 050 354 A1 , EP 0 888 199 B1 und DE 196 42 838 A1 offenbaren solche.
In der vorliegenden Erfindung wird ein solch bekanntes Material das eine exotherme Reaktion verursacht, als Ummantelung bzw. Einbettung für das einzugiessende Einlegeteil eingesetzt. Durch die Berührung des exothermen Materials mit dem flüssigen Gussmaterialoder durch Erreichen der Zündtemperatur der exothermen Masse entzündet sich das Material. Dadurch wird das Einlegeteil von beiden Seiten aufgeheizt, was ein rasches Erstarren des Gussmaterials im Grenzbereich zum Einlegeteil verhindert, da das Einlegeteil seine Abschreckwirkung für das Gussmaterial verliert. Der Temperaturgradient zwischen Gussmaterial und Einlegeteil wird minimiert. Das wiederum treibt die Kohlenstoffdiffusion zwischen Gussmaterial und Einlegeteil voran, wodurch eine stoffschlüssige bzw. metallurgische Verbindung erzeugt werden kann.
Das Einlegeteil ist vorzugsweise aus Stahl, Kupfer, Bronze, Messing, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Das Verfahren bzw. das Verbundgussteil ist durch die breite Materialauswahl vielseitig einsetzbar.
Vorzugsweise weist das exotherme Material ein leicht oxidierbares Metall insbesondere Aluminium und/oder Magnesium auf.
Zudem ist es Vorteilhaft, dass das exotherme Material ein Oxidationsmittel für das leicht oxidierbare Metall aufweist insbesondere Eisen(III)-oxid.
Als Hinterfüllstoff wird vorzugsweise ein Oxid eingesetzt, insbesondere SiO₂. Der Hinterfüllstoff dient als Füllmaterial, welcher mit den weiteren Stoffen wie Aluminium und/oder Magnesium sowie einem Oxidationsmittel vermengt wird.
Das exotherme Material weist vorzugsweise ein Bindemittel auf, welches dem Zusammenhalt des exothermen Materials dient. Als bevorzugtes Bindemittel ist ein Alkalisilicat im Einsatz.
Eine bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, dass als Gussmaterial ein Gusseisen eingesetzt wird, vorzugsweise GJS, GJL und/oder GJV. Durch das eingegossene Einlegeteil kann an dafür vorgesehenen Stellen im Gussbauteil eine hohe Festigkeit und Bruchdehnung erreicht werden, bzw. zusätzliche, positive Eigenschaften für eine nachfolgende Weiterbehandlung dem Verbundgussbauteil gegeben werden.
Bei Verbundgussteilen, die durch Verfahren hergestellt wurden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, sind die Verbindungen zwischen Gussmaterial und Einlegeteil meist ungenügend. Verbundgussteile die durch das erfindungsgemäss Verfahren hergestellt wurden, weisen eine verbesserte stoffschlüssige Verbindung zwischen den Materialien auf.
Der Einsatz solcher hergestellten Verbundgussteile bietet eine gute Alternative Stahlguss- bzw. Stahlschweisskonstruktionen mit dem Vorteil der bekannten Gusseisenlegierungen und deren Herstellungsverfahren zu substituieren.
Als bevorzugte Ausführungsform wird als Gussmaterial eine Aluminiumlegierung eingesetzt, dadurch können bspw. Aluminiumbauteile mit verschiedenen metallischen Materialien kombiniert werden, wodurch der Vorteil der Gewichtsreduktion durch das leichte Aluminium genutzt werden kann.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemässe Verfahren mit verlorenen Giessformen angewandt.
Durch dieses Verfahren besteht die Möglichkeit ein Einlegeteil einzusetzen, welches eine genügende Dicke bzw. Wandstärke aufweist, die es ermöglicht, das Einlegeteil nach dem Giessverfahren noch einem Wärmebehandlungs- bzw. Schweissverfahren zu unterziehen. Verfahren, die aus den Stand der Technik bekannt sind, ermöglichen nur das Eingiessen eines Stahlteils, welches sehr dünnwandig ist, um dem raschen Erstarren und der behinderten Kohlenstoffdiffusion durch den Kontakt des raumtemperierten Stahlteils mit dem Gussmaterials etwas entgegen zu halten.
Vorzugsweise wird ein Hohlkörper als Einlegeteil eingesetzt. Der Hohlraum füllt sich mit dem Gussmaterial und verbindet sich stoffschlüssig mit dem Einlegeteil. Die äussere Oberfläche des Einlegeteils ist mit dem exothermen Material ummantelt bzw. in das Material eingebettet. Durch die exotherme Reaktion der Masse nach der Berührung mit der Schmelze, gibt die Masse Wärme auch an das Einlegeteil ab, wodurch es zu einem vereinheitlichtem Temperaturgradienten zwischen der erstarrenden Schmelze und dem Einlegeteil kommt. Das Einlegeteil kann auch einseitig, oder bei hohler Ausführung von innen mit dem exothermen Material in Verbindung stehen.
Nach dem Giessvorgang und dem Entformen kann das exotherme Material leicht entfernt werden und die äussere Oberfläche oder die innere Fläche des Einlegeteils tritt zum Vorschein. Ein Nachbearbeiten ist anschliessend möglich, aber in manchen Fällen auch nicht von Nöten da die Massgenauigkeit und die Oberflächenbeschaffenheit bereits von guter Qualität sind. Auch durch das mögliche Einsparen von weiteren Bearbeitungsschritten ist das erfindungsgemässe Verfahren wirtschaftlich hoch interessant. Weiterhin ergeben sich durch diese Verfahren erweiterte Möglichkeiten das Gussbauteil nachzubehandeln, wie z.B. Schweissen oder Wärmebehandeln (auch nur partiell am Einlegeteil).
Solche Verbundgussteile hergestellt nach dem erfindungsgemässen Verfahren eignen sich insbesondre für den allgemeinen Maschinenbau, für Baumaschinen und den Fahrzeugbau. Es können dadurch unterschiedliche Materialien auch bei hohen Stückzahlen wirtschaftlich miteinander verbunden und die bevorzugten Eigenschaften der einzelnen Materialien miteinander kombiniert werden, ohne dass die Problematik einer ungenügenden Verbindung der Materialien durch frühes Erstarren des Gussmaterials auftritt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren beschrieben, wobei sich die Erfindung nicht nur auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Teilschnitt einer Giessform mit eingesetztem ummantelten Einlegeteil,
Fig. 2 eine fotographische Abbildung eines mit exothermem Material ummantelten Stahlrohrs,
Fig. 3 ein Schliffbild durch einen Ausschnitt des Verbundgussteils und
Fig.4 ein Ausschnitt eines Verbundgussbauteil mit eingegossenem Stahlteil

Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt einer Gussform in der ein Verbundgussteil 1 vergossen wurde. Das Gussmaterial 2 fliesst in die vom Formmaterial 5 gebildete Giessform in welcher ein Einlegeteil 3 eingelegt ist, um mit dem Gussmaterial 2 eine stoffschlüssige bzw. metallurgische Verbindung einzugehen. Das Gussmaterial 2 vorzugsweise GJS, GJL oder GJV fliesst in die vom Formmaterial 5 gebildete Giessform. An den Stellen an denen das Gussmaterial 2 das exotherme Material 4 berührt, entzündet sich dieses, wodurch Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Das Einlegeteil wird dadurch erwärmt und der Temperaturgradient zwischen erstarrender Schmelze und dem Einlegeteil verringert. Zudem wird die Kohlenstoffdiffusion zwischen Gussmaterial 2, welches das Einlegeteil 3 direkt berührt, und dem Einlegeteil 3 vorangetrieben. Damit wird eine stoffschlüssige bzw. metallurgische Verbindung an den direkten Berührungsstellen zwischen Einlegeteil 3 und Gussmaterial 2 erzielt. Nach dem Ausformen kann das exotherme Material 4 leicht vom Einlegeteil 3 entfernt werden. Die von dem exothermen Material 4 abgedeckte Fläche/n des Einlegeteils 3 ist frei von Gussmaterial, somit ist eine Nachbearbeitung der Oberfläche des Einlegeteils nicht zwangsläufig notwendig, was das erfindungsgemässe Verfahren wiederum wirtschaftlich sehr interessant macht.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist durch die Fig. 2-4 aufgezeigt.
Als Einlegeteil 3 wird ein zylindrisches Stahlrohr aus einem hochgekohlten Stahl mit Wanddicken von 5 mm verwendet und in exothermes Material 4 mit definierter Wandstärke eingeformt. Dieses Stahlrohr 3 mit umgebendem exothermen Material 4 wird in die zu giessende Form 5 eingelegt wie aus Fig. 2 ersichtlich. Die geschlossene Giessform 5 wird mit Schmelze 2 zur Herstellung eines GJS gefüllt, wobei der Innenraum des Stahlrohres 3 von Schmelze 2 durchflossen wird und ein Teil des exothermen Materials 4 direkten Schmelzekontakt hat. Nachdem die Zündtemperatur des exothermen Materials 4 erreicht ist, gibt dieses Wärme an die Umgebung und das Stahlrohr 3 ab. Dieses wird dadurch stark erwärmt und der Temperaturgradient zwischen Stahlrohr 3 und erstarrender Schmelze 2 wird verkleinert. Dies wirkt sich begünstigend auf die Gefügeausbildung und auf die Kohlenstoffdiffusion zwischen dem Gussmaterial 2 und dem Stahlrohr 2, welches aufgrund der Konzentrationsunterschiede vonstatten geht, aus. Durch die Einlagerung der Kohlenstoffatome in den Zwischengitterplätzen des Stahls wird die Schmelztemperatur herabgesetzt und die Rohrwand des Stahlrohrs 3 löst sich an. Bereiche des Stahls werden aufgekohlt und quasi durch Guss ersetzt. Somit erfolgt ein nahtloser Übergang vom Guss 2 und Stahl 3 was in Fig. 3 abgebildet ist. In Fig. 4 ist ein Ausschnitt des Bauteils mit eingegossenem Stahlrohr 3 dargestellt.

Bezugszeichenliste

1: Verbundgussteil
2: Gussmaterial
3: Einlegeteil / Stahlrohr
4: Exothermes Material
5: Giessform aus Formmaterial

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils (1) enthaltend ein Einlegeteil (3) und Gussmaterial (2), wobei das Einlegeteil (3) stoffschlüssig mit dem Gussmaterial (2) verbunden ist und das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Herstellen des Einlegeteils (3),

Ummanteln bzw. Einbetten des Einlegeteils,

Einlegen des ummantelten/eingebetteten Einlegeteils in die Giessform,

Füllen der Form mit Schmelze,

dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung/Einbettung des Einlegeteils durch ein exothermes Material (4) gebildet wird, das sich durch die Kontaktierung mit dem einfliessenden Gussmaterials oder durch Erreichen der Zündtemperatur der exothermen Masse entzündet wodurch der Temperaturgradient zwischen erstarrender Schmelze und dem Einlegeteil (3) verringert wird, wobei nach dem Giessen und dem Entformen das exotherme Material (4) entfernt wird, wobei die von dem exothermen Material (4) abgedeckten Fläche/n des Einlegeteils frei von Gussmaterial (2) ist/sind.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (3) aus Stahl, Kupfer, Bronze, Messing, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das exotherme Material (4) ein leicht oxidierbares Metall insbesondere Aluminium und/oder Magnesium aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das exotherme Material (4) ein Oxidationsmittel für das leicht oxidierbare Metall aufweist, insbesondere Eisen(III)-oxid
Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das exotherme Material (4) einen Hinterfüllstoff aufweist vorzugsweise ein Oxid.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxid vorzugsweise SiO₂ ist.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das exotherme Material (4) ein Bindemittel aufweist, vorzugsweise Alkalisilicat.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils(1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussmaterial (2) ein Gusseisen ist, insbesondere GJS, GJL und/oder GJV
Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussmaterial (2) eine Aluminiumlegierung ist.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Giessform (5) eine verlorene Giessform ist.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundgussteil (1) zumindest am Einlegeteil (3) einer Wärmebehandlung bzw. einem Schweissverfahren unterzogen werden kann
Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (3) ein Hohlkörper oder ein Freiformteil ist.