EP2855050A2 - Verfahren zur herstellung von verbundgussteilen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von verbundgussteilen

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Publication number
EP2855050A2
EP2855050A2 EP13734318.2A EP13734318A EP2855050A2 EP 2855050 A2 EP2855050 A2 EP 2855050A2 EP 13734318 A EP13734318 A EP 13734318A EP 2855050 A2 EP2855050 A2 EP 2855050A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mold
sprue
casting
cooling channel
coolant flow
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13734318.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Berger
Sven Reibetanz
André Schönherr
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.)
ACTech GmbH
Original Assignee
ACTech 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 ACTech GmbH filed Critical ACTech GmbH
Publication of EP2855050A2 publication Critical patent/EP2855050A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0009—Cylinders, pistons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/06—Permanent moulds for shaped castings
    • B22C9/064—Locating means for cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D15/00—Casting using a mould or core of which a part significant to the process is of high thermal conductivity, e.g. chill casting; Moulds or accessories specially adapted therefor
    • B22D15/02—Casting using a mould or core of which a part significant to the process is of high thermal conductivity, e.g. chill casting; Moulds or accessories specially adapted therefor of cylinders, pistons, bearing shells or like thin-walled objects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/04—Casting in, on, or around objects which form part of the product for joining parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a technical solution for the composite casting of inserts in a base body made of cast material.
  • Casting processes are known in numerous variants.
  • the molds are often designed as lost sand molds or metallic permanent molds.
  • dormant permanent forms are usually filled without pressure, the shape of the casting is determined by the permanent mold.
  • low-pressure mold casting the mold is first filled from below with a slight overpressure via a riser, and the casting is solidified after the mold has been completely filled.
  • die casting the melt is pressed into a mold at high pressure and speed. The pressure is maintained until the end of solidification.
  • Die casting is primarily suitable for thin-walled castings, such as aluminum, zinc or magnesium alloys.
  • Composite castings can also be produced using the above-mentioned casting methods.
  • the so-called compound casting designates a production of components made of several materials by input, or encapsulation of component areas with another material.
  • Such composite castings are used for different applications, for example for internal combustion engines.
  • the conventional gray cast iron cylinder crankcases are increasingly made of light metal, especially aluminum and magnesium alloys. While gray cast iron is suitable both for the crankcase and for the cylinder running surfaces, light metal casting alloys have significantly worse tribological properties. Therefore, additional cylinder liners are cast in the tread area, which consist for example of gray cast iron. Here, the liners must be sufficiently firmly locked in the cylinder crankcase.
  • DE 196 05 946 C1 describes a related cylinder liner, which consists of a running layer of molybdenum and an outer layer of aluminum alloy. The outer layer is profiled on its outside. The two layers are formed by thermal spraying on a rotating mandrel and when casting the cylinder crankcase arranged on quills in the mold cylinder liners are connected positively with their profiled outer surface with the casting material.
  • oxide layers may also interfere with composite casting.
  • an oxide skin on an aluminum component that is to be cast in aluminum casting material may impair the connection to the casting material. This can be avoided according to DE 197 45 725 A1 by destroying the oxide skin on the sprue body by thermal spraying.
  • the spray material used is a nickel or molybdenum alloy.
  • the detached oxide particles are distributed in the sprayed layer. Partially molten particles protrude from the sprayed layer and improve the bond with the casting material.
  • the cohesive bond is to be produced during casting, since this is the most direct and cost-effective variant, which also allows the greatest geometric freedom. Whether a cohesive bond can be produced during casting depends very much on the temperature regime.
  • the object of the invention is therefore to provide a technical solution for the production of composite castings, achieved in the manufacturing process with an optimized temperature control between an insert and a base body made of cast material and a permanently good material connection between insert and body is guaranteed.
  • composite cast parts may be produced which comprise at least one sprue body and a component geometry which otherwise consists essentially of an aluminum casting alloy.
  • the sprue used is an aluminum-based metal-matrix composite (Al-MMC). This AI-MMC casting is freed of its oxide skin before casting and protected from re-oxidation.
  • the sprue is provided with a low-melting metal alloy before the sprue. It is essential that the melting point of this alloy is below the melting point of the sprue and the molten metal.
  • the application of the metal coating can be carried out in various ways, for example by friction soldering or ultrasonic soldering or mechanical treatment in a solder bath. It is essential here that processes can be used which do not require pretreatments such as pickling or the use of flux during soldering and which eliminate a possible oxide layer on the sprue body and prevent the formation of an oxide layer before and during the casting process.
  • the sprue body can be coated both completely and only partially.
  • the natural oxide layer located on the sprue body is removed simultaneously with the formation of the metal coating by an external mechanical action, so that there is a material bond between the coating material and the sprue body.
  • all coating processes are suitable in which the applied metal layer is applied without intermediate layers and with a material bond to the sprue.
  • the metal coating has a dense structure so that the underlying surface of the sprue is closed off from the surrounding atmosphere. Thus, no new oxide layer can form on this surface.
  • the thickness of the metal coating is in a range of 10 m to 500 ⁇ , with thicknesses of 100 m to 300 m are useful for most applications.
  • the correspondingly pretreated sprue body is then positioned in the casting mold and flows around in the following casting process with a usual gravity and low-pressure casting speed of the molten metal.
  • the melting temperature of the coating material is achieved on the sprue body before the flow is stopped.
  • this coating is washed off and the molten metal comes into direct contact, to the exclusion of the atmosphere, with the now oxide-free, metallic bright surface of the sprue.
  • the flow around the sprue body with the molten metal or the process of washing off the coating from the sprue body can be assisted by the casting process, by aerodynamically optimized design of the gate parts or by maintaining the flow movement after completion of the mold filling.
  • additional components are necessary, for example, a stirring device.
  • the sprue body can be preheated and / or cooled depending on the respective specific process conditions.
  • the tempering can be done for example with heat transfer oil or water or a spray.
  • the optional preheating brings the sprue to a temperature that prevents cold running over the sprue and favors the melting of the low melting metal alloy metal coating.
  • a targeted melting of the coating can be achieved without, however, melting the sprue body itself.
  • the decisive factor is that the sprue is tempered directly (preheated and / or cooled). Direct tempering hot, that the sprue is in direct contact with the heat transfer medium and not as known by applying a cooling iron or a mold, which in turn can also be flowed through by a heat transfer medium.
  • the sprue has an accumulation of mass that does not belong to the finished part contour, So has no function in the finished part, is removed after casting, is used for temperature control of the sprue in the casting process and the thermal inertia of the sprue adjusted so that only the low-melting metal alloy is melted on the surface and the casting is not or only slightly melted ,
  • the mass accumulation of the sprue itself acts as a heat transfer medium.
  • the casting mold has a cooling passage open towards the sprue body, and the sprue body is inserted into this casting mold in such a way that the open cooling channel is closed by the sprue body.
  • Parts of the mold and the sprue are tempered by a heat transfer medium (coolant flows).
  • coolant flows heat transfer media
  • a first coolant stream is supplied at a temperature between 100 ° C and 450 ° C for preheating the mold. Preheating prevents cold runs.
  • the coolant flow has no negative pressure during preheating. In the context of the invention, however, it is also fundamentally possible that the coolant flow could have a pressure which is at least 1. 000 Pa lower than the pressure in the mold cavity. This precludes the heat transfer medium from entering the mold cavity. However, with the already available technical solutions, it is not absolutely necessary to realize such a negative pressure in the coolant flow during preheating.
  • a second coolant flow is supplied with a temperature which is at least 100 K lower than the temperature of the first coolant flow.
  • this coolant flow is not active during preheating and is switched on only at the end of the casting.
  • the first and second coolant streams are passed through the same cooling channel.
  • the first coolant stream and the second coolant stream have either direct or only indirect contact with the sprue body.
  • a direct contact to the Cast body eliminates the heat transfer resistance between the heat transfer medium and the surface of the sprue through the shape and the interface between the mold and sprue. Thus, the temperature of the sprue can be controlled very quickly. Very high cooling rates are possible.
  • the surface of the sprue melts. The sprue does not melt. If such a direct contact is realized, however, particular aspects of the water-melt contact are to be considered very accurately.
  • the change from preheating to excessive cooling occurs so early that according to the thermal conductivity of the insert, the melting of the surface is prevented only when the entire composite casting area is melted and the melting of the surface is prevented before the sprue is unintentionally thermally stressed. This time is typically from one minute to one minute after pouring.
  • the melt in the mold solidifies, the coolant flow is interrupted, the composite casting is removed from the mold and thus the cooling channel is opened again.
  • the process described for the production of a composite casting can be slightly modified by the sprue body and / or the casting mold or Parts of the mold to be preheated to a temperature between 100 ° C and 450 ° C before the sprue is inserted into the mold.
  • this coolant flow has a pressure which is at least 1. 000 Pa lower than the pressure in the mold cavity and also has direct contact with the sprue body.
  • the melt in the mold solidifies, the coolant flow is interrupted, the composite casting is removed from the mold and thus the cooling channel is opened again.
  • the composite casting produced according to the method can be configured as a cylinder crankcase, which consists of at least one Zylinderbuchseneinlegeteil and a base body made of a cast metal.
  • the cylinder running surface which can be provided with a machining allowance if necessary, during the casting process part of the wall of a cooling channel.
  • This cooling channel is further essentially formed by the mold.
  • the composite casting produced according to the method can also be designed as a cylinder head, which consists of at least one combustion chamber insert and a base body made of cast metal.
  • the combustion chamber surface of the insert part which may also be provided with a machining allowance if necessary, during the casting process part of the wall of a cooling channel.
  • This cooling channel is further essentially formed by the mold.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine technische Lösung zum Verbundgießen von Einlegeteilen in einen Grundkörper aus Gusswerkstoff. Dabei ist es Aufgabe der Erfindung, eine Lösung zu schaffen, mit der im Herstellungsprozess eine optimierte Kühlung zwischen einem Einlegeteil und einem Grundkörper aus Gusswerkstoff erreicht und ein dauerhaft guter Stoffschluss zwischen Einlegeteil und Grundkörper gewährleistet wird. Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem in einer bevorzugten Anwendung Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderköpfe für Verbrennungskraftmaschinen herstellbar sind.

Description

Verfahren zur Herstellung von Verbundgussteilen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine technische Lösung zum Verbundgießen von Einlegeteilen in einen Grundkörper aus Gusswerkstoff.
Gießverfahren sind in zahlreichen Varianten bekannt. Die Gießformen sind oftmals als verlorene Sandformen oder metallische Dauerformen ausgeführt. Beim Kokillengießen werden ruhende Dauerformen üblicherweise drucklos gefüllt, wobei die Gestalt des Gussteils durch die Dauerform bestimmt wird. Beim Niederdruck- Kokillengießen wird die Form zunächst über ein Steigrohr von unten mit geringem Überdruck gefüllt und nach ruhigem Füllen der Form erstarrt das Gussstück. Beim Druckgießen wird die Schmelze mit hohem Druck und großer Geschwindigkeit in eine Form gepresst. Der Druck wird bis zum Ende der Erstarrung aufrechterhalten. Das Druckgießen ist primär für dünnwandige Gussteile geeignet, zum Beispiel aus Aluminium, Zink- oder Magnesium-Legierungen.
Mit den oben benannten Gießverfahren können auch Verbundgussteile hergestellt werden. Das sog. Verbundgießen bezeichnet eine Herstellung von Bauteilen aus mehreren Werkstoffen durch Ein-, An- oder Umgießen von Bauteilbereichen mit einem anderen Werkstoff. Solche Verbundgussteile werden für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt, beispielsweise für Verbrennungskraftmaschinen. Hierbei werden die konventionell aus Grauguss bestehenden Zylinderkurbelgehäuse zunehmend aus Leichtmetall hergestellt, insbesondere aus Aluminium- und Magnesiumlegierungen. Während Grauguss sowohl für das Kurbelgehäuse als auch für die Zylinderlaufflächen geeignet ist, weisen Leichtmetallgusslegierungen wesentlich schlechtere tribologische Eigenschaften auf. Daher werden im Bereich der Lauffläche zusätzliche Zylinderlaufbuchsen eingegossen, die beispielsweise aus Grauguss bestehen. Hierbei müssen die Laufbuchsen ausreichend fest im Zylinderkurbelgehäuse arretiert werden. Dies ist neben der Lagefixierung auch für den Wärmeübergang zwischen Zylinderlaufbuchse und Zylinderkurbelgehäuse notwendig. DE 196 05 946 C1 beschreibt eine diesbezügliche Zylinderlaufbuchse, die aus einer Laufschicht aus Molybdän und einer Außenschicht aus Aluminiumlegierung besteht. Die äußere Schicht ist an ihrer Außenseite profiliert. Die beiden Schichten werden durch thermisches Spritzen auf einem rotierenden Dorn gebildet und beim Gießen des Zylinderkurbelgehäuses werden die auf Pinolen in der Gießform angeordneten Zylinderlaufbuchsen mit ihrer profilierten Außenfläche mit dem Gussmaterial formschlüssig verbunden.
Gemäß DE 196 34 504 A1 wird der Verbund zwischen Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderlaufbuchse verbessert, indem die Buchse auf ihrer äußeren Mantelfläche vor dem Verbundgussvorgang mit scharfkantigen Partikeln gestrahlt wird. Somit werden pyramidenähnliche Ausstülpungen erzeugt, die ein besseres Eingießen bewirken sollen.
Während die oben benannten Fundstellen zum Stand der Technik insbesondere Probleme durch zu glatte Übergangsoberflächen vermindern sollen, können auch Oxidschichten das Verbundgießen beeinträchtigen. So kann beispielsweise eine Oxidhaut auf einem Aluminiumbauteil, das in Aluminiumgussmaterial eingegossen werden soll, die Anbindung an das Gussmaterial beeinträchtigen. Dies kann nach DE 197 45 725 A1 vermieden werden, indem die Oxidhaut auf dem Eingusskörper durch thermisches Spritzen zerstört wird. Als Spritzwerkstoff wird eine Nickel- oder Molybdän-Legierung verwendet. Die hiermit abgelösten Oxidpartikel werden in der Spritzschicht verteilt. Nicht vollständig aufgeschmolzene Partikel ragen aus der Spritzschicht hervor und verbessern die Verbindung mit dem Gussmaterial.
Weitere Fundstellen zum Stand der Technik widmen sich den Kühlproblemen beim Verbundgießen. So beschreibt beispielsweise DE 10 2006 001 946 B4 ein Einlegeteil für Zylinderbuchsen sowie ein diesbezügliches Herstellungsverfahren, bei dem ein Kühlkanal des späteren Zylinderkurbelgehäuses für die Kühlung beim Gießen genutzt wird. Allerdings sind hierfür nur Einleger mit einem eigenen Kühlkanal geeignet und es wird eine zusätzliche Abdeckung zur Abdichtung benötigt. Neben dem oben erläuterten Stand der Technik betreffen auch zahlreiche weitere Fundstellen das Verbundgießen, so dass an sich bereits eine Vielzahl technischer Lösungen verfügbar ist. Dennoch besteht weiterhin Entwicklungsbedarf, um die vielfältigen Aspekte beim Einsatz dieser Technologie weiter zu verbessern. Dies betrifft beispielsweise umfangreiche Forderungen bezüglich der Eingusskörper, von denen ein stoffschlüssiger Verbund, hohe Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit des stoffschlüssigen Verbundes und geringe Dichte des Eingusskörpers zu nennen sind. Erst der stoffschlüssige Verbund ermöglicht Leichtbauweise, hohe Festigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit. Diese Forderungen sind insbesondere relevant, sofern in mobilen Geräten hohe thermische und mechanische Belastungen gemeinsam auftreten, wie dies bei Verbrennungskraftmaschinen in Brennraumnähe zutrifft.
Der stoffschlüssige Verbund soll beim Gießen hergestellt werden, da das die direkteste und kostengünstigste Variante ist, die zudem die größte geometrische Freiheit zulässt. Ob beim Gießen ein stoffschlüssiger Verbund hergestellt werden kann hängt ganz wesentlich vom Temperaturregime ab.
Aufgabe der Erfindung ist deshalb, eine technische Lösung zur Herstellung von Verbundgussteilen zu schaffen, mit der im Herstellungsprozess eine optimierte Temperierung zwischen einem Einlegeteil und einem Grundkörper aus Gusswerkstoff erreicht und ein dauerhaft guter Stoffschluss zwischen Einlegeteil und Grundkörper gewährleistet wird.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, für das zwei etwas modifizierte Varianten vorgeschlagen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen, deren technische Merkmale in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Die erfindungsgemäße technische Lösung ist zur Herstellung verschiedenartiger hoch beanspruchbarer Verbundgussteile geeignet, wobei als eine bevorzugte Anwendung die Herstellung von Verbrennungskraftmaschinen zu nennen ist. Nachfolgend werden beispielhaft Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Verbundgussteile erzeugt werden, die mindestens einen Eingusskörper und eine Bauteilgeometrie umfassen, die ansonsten im Wesentlichen aus einer Aluminiumgusslegierung besteht. Als Eingusskörper wird ein Metall-Matrix-Kompositwerkstoff auf Aluminiumbasis (Al- MMC) verwendet. Dieser AI-MMC Eingusskörper wird vor dem Abguss von seiner Oxidhaut befreit und vor erneuter Oxidation geschützt.
Der Eingusskörper wird vor dem Einguss mit einer niedrig schmelzenden Metalllegierung versehen. Hierbei ist wesentlich, dass der Schmelzpunkt dieser Legierung unterhalb des Schmelzpunktes des Eingusskörpers und der Metallschmelze liegt. Das Auftragen der Metallbeschichtung kann verschiedenartig erfolgen, beispielsweise mit Reiblöten oder Ultraschalllöten oder mechanischer Bearbeitung in einem Lotbad. Wesentlich ist hierbei, dass Verfahren genutzt werden können, die keine Vorbehandlungen wie Beizen oder den Einsatz von Flussmitteln beim Löten erfordern und die eine eventuelle Oxidschicht auf dem Eingusskörper beseitigen und die Bildung einer Oxidschicht vor und während des Gießvorganges verhindern.
Der Eingusskörper kann sowohl vollständig als auch nur teilweise beschichtet werden. Dabei wird die auf dem Eingusskörper befindliche natürliche Oxidschicht gleichzeitig mit der Ausbildung der Metallbeschichtung durch eine äußere mechanische Einwirkung entfernt, so dass zwischen dem Beschichtungswerkstoff und dem Eingusskörper ein stofflicher Verbund vorhanden ist. Grundsätzlich eignen sich jedoch alle Beschichtungsverfahren, bei denen die aufgebrachte Metallschicht ohne Zwischenschichten und mit einem stofflichen Verbund mit dem Eingusskörper aufgebracht wird. Außerdem weist die Metallbeschichtung eine dichte Struktur auf, so dass die darunter liegende Oberfläche des Eingusskörpers von der umgebenden Atmosphäre abgeschlossen ist. Somit kann sich auf dieser Oberfläche auch keine neue Oxidschicht bilden. Die Dicke der Metallbeschichtung liegt in einem Bereich von 10 m bis 500 μηπ, wobei für die meisten Anwendungen Dicken von 100 m bis 300 m zweckmäßig sind. Der entsprechend vorbehandelte Eingusskörper wird danach in der Gießform positioniert und im dann folgenden Gießprozess mit einer für den Schwerkraft- und Niederdruckguss üblichen Geschwindigkeit von der Metallschmelze umströmt. Dabei wird noch vor dem Erliegen der Strömung die Schmelztemperatur des Beschichtungswerkstoffes auf dem Eingusskörper erreicht. Dadurch wird diese Beschichtung abgewaschen und die Metallschmelze gelangt in direkten Kontakt, unter Ausschluss der Atmosphäre, mit der jetzt oxidfreien, metallisch blanken Oberfläche des Eingusskörpers. Die Umströmung des Eingusskörpers mit der Metallschmelze bzw. der Vorgang des Abwaschens der Beschichtung vom Eingusskörper kann durch das Gießverfahren, durch strömungstechnisch optimierte Ausgestaltung der Anschnittsteilen oder durch eine Aufrechterhaltung der Strömungsbewegung nach Beendigung der Formfüllung unterstützt werden. Bei der dritten Variante sind zusätzliche Bauteile notwendig, beispielsweise eine Rührvorrichtung.
Weiterhin kann der Eingusskörper in Abhängigkeit der jeweils konkreten Verfahrensbedingungen vorgewärmt und/oder gekühlt werden. Die Temperierung kann beispielsweise mit Wärmeträgeröl oder Wasser oder einem Sprühnebel erfolgen. Die optionale Vorwärmung bringt den Eingusskörper auf eine Temperatur, die einen Kaltlauf über dem Eingusskörper verhindert und das Aufschmelzen der Metallbeschichtung aus der niedrig schmelzenden Metalllegierung begünstigt. Durch die erfindungsgemäße Beeinflussung der Temperatur des Eingusskörpers kann ein gezieltes Aufschmelzen der Beschichtung erreicht werden, ohne dass jedoch der Eingusskörper selbst mit aufschmilzt. Entscheidend dabei ist, dass der Eingusskörper direkt temperiert (vorgewärmt und/oder gekühlt) wird. Direkte Temperierung heiß, dass der Eingusskörper in direktem Kontakt mit dem Wärmeträgermedium steht und nicht wie bekannt durch Anlegen eines Kühleisens oder einer Kokille, die ihrerseits auch durch ein Wärmeträgermedium durchströmt sein können.
Eine weitere Ausgestaltung der direkten Kühlung besteht darin, dass der Eingusskörper eine Masseanhäufung aufweist, die nicht zur Fertigteilkontur gehört, also keine Funktion im fertigen Teil hat, nach dem Gießen entfernt wird, zur Temperierung des Eingusskörpers im Gießprozess dient und die thermische Trägheit des Eingusskörpers so einstellt, dass an der Oberfläche nur die niedrig schmelzende Metalllegierung aufgeschmolzen wird und das Eingussteil nicht oder nur unwesentlich angeschmolzen wird. Hier fungiert die Masseanhäufung des Eingusskörpers selbst als Wärmeträgermedium.
Die Gießform weist einen zum Eingusskörper hin offenen Kühlkanal auf und der Eingusskörper wird derart in diese Gießform eingelegt, dass der offene Kühlkanal durch den Eingusskörper geschlossen wird.
Teile der Form und der Eingusskörper werden durch ein Wärmeträgermedium (Kühlmittelströme) temperiert. Als Kühlmittelstrom werden im Folgenden auch Wärmeträgermedien bezeichnet, die die Form aufheizen, bzw. auf einer bestimmten Temperatur halten. Ein erster Kühlmittelstrom wird mit einer Temperatur zwischen 100 °C und 450 °C zum Vorwärmen der Form zugeführt. Mit dem Vorwärmen werden Kaltläufe verhindert. Der Kühlmittelstrom weist beim Vorwärmen noch keinen Unterdruck auf. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch grundsätzlich möglich, dass der Kühlmittelstrom einen Druck aufweisen könnte, der mindestens 1 .000 Pa niedriger ist als der Druck im Formhohlraum. Damit wird ausgeschlossen, dass das Wärmeträgermedium in den Formhohlraum gelangt. Allerdings ist es mit den bereits verfügbaren technischen Lösungen nicht zwingend notwendig, während des Vorwärmens einen derartigen Unterdruck im Kühlmittelstrom zu realisieren.
Weiterhin wird ein zweiter Kühlmittelstrom zugeführt mit einer Temperatur, die mindestens 100 K niedriger ist als die Temperatur des ersten Kühlmittelstroms. Dieser Kühlmittelstrom ist beim Vorwärmen jedoch noch nicht aktiv und wird erst zum Ende des Abgusses zugeschaltet. Der erste und der zweite Kühlmittelstrom werden durch den gleichen Kühlkanal geführt.
Der erste Kühlmittelstrom und der zweite Kühlmittelstrom haben entweder direkten oder lediglich indirekten Kontakt zum Eingusskörper. Ein direkter Kontakt zum Eingusskörper beseitigt den Wärmeübertragungswiderstand zwischen Wärmeträgermedium und der Oberfläche des Eingusskörpers durch die Form und die Grenzfläche zwischen Form und Eingusskörper. Damit kann die Temperatur des Eingusskörpers sehr schnell gesteuert werden. Sehr hohe Abkühlraten sind möglich. Die Oberfläche des Eingusskörpers schmilzt an. Der Eingusskörper schmilzt aber nicht auf. Sofern ein solcher direkter Kontakt realisiert wird, sind jedoch insbesondere Aspekte des Wasser-Schmelze-Kontaktes sehr exakt zu berücksichtigen.
Sofern hingegen ein indirekter Kontakt realisiert wird, ist zwar nur eine geringere Kühlwirkung möglich, diese ist nach gegenwärtigem Erprobungsstand jedoch ausreichend, um den notwendigen stoffschlüssigen Verbund zu erzeugen. Diese Variante kann vorrichtungstechnisch umgesetzt werden, indem ein werkzeugseitig vorgesehenes Formelement mit integrierter Kühlung als Träger für das formschlüssig darauf positionierte Eingießteil verwendet wird.
Der Wechsel von Vorwärmen zu stark Kühlen erfolgt so zeitig, dass entsprechend der Temperaturleitfähigkeit des Einlegers das Aufschmelzen der Oberfläche erst unterbunden wird, wenn der gesamte Verbundgussbereich angeschmolzen ist und das Aufschmelzen der Oberfläche unterbunden wird, bevor der Eingusskörper ungewollt thermisch belastet wird. Dieser Zeitpunkt liegt typischer Weise von einer Minute vor bis einer Minute nach dem Abguss.
Vorteilhaft ist, die Oberfläche des Eingusskörpers im Verbundgussbereich mit einer niedrig schmelzenden Metalllegierung zu beschichten.
Die Schmelze in der Form erstarrt, der Kühlmittelstrom wird unterbrochen, das Verbundgussteil wird aus der Form entnommen und somit wird der Kühlkanal wieder geöffnet.
Der beschriebene Verfahrensablauf zur Herstellung eines Verbundgussteils kann etwas modifiziert werden, indem der Eingusskörper und/oder die Gießform oder Teile der Gießform auf eine Temperatur zwischen 100 °C und 450 °C vorgewärmt werden, bevor der Eingusskörper in die Gießform eingelegt wird.
Dabei wird in der Zeit von einer Minute vor bis einer Minute nach dem Abguss damit begonnen einen Kühlmittelstrom mit einer Temperatur, die mindestens 100 K niedriger ist, als die Temperatur der vorgewärmten Teile zuzuführen.
Dieser Kühlmittelstrom weist wie bei der oben beschriebenen Variante einen Druck auf, der mindestens 1 .000 Pa niedriger ist als der Druck im Formhohlraum und hat ebenso direkten Kontakt zum Eingusskörper.
Die Schmelze in der Form erstarrt, der Kühlmittelstrom wird unterbrochen, das Verbundgussteil wird aus der Form entnommen und somit wird der Kühlkanal wieder geöffnet.
Das verfahrensgemäß erzeugte Verbundgussteil kann als Zylinderkurbelgehäuse ausgestaltet werden, das aus mindestens einem Zylinderbuchseneinlegeteil und einem Grundkörper aus einem Gussmetall besteht. Dabei ist die Zylinderlauffläche, die bei Bedarf auch mit einem Bearbeitungsaufmaß versehen sein kann, während des Gießvorganges Teil der Wandung eines Kühlkanals. Dieser Kühlkanal wird des Weiteren im Wesentlichen vom Formwerkzeug gebildet.
Alternativ kann das verfahrensgemäß erzeugte Verbundgussteil auch als ein Zylinderkopf ausgestaltet werden, der aus mindestens einem Brennraumeinlegeteil und einem Grundkörper aus Gussmetall besteht. Dabei ist die Brennraumfläche des Einlegeteils, die bei Bedarf ebenfalls mit einem Bearbeitungsaufmaß versehen sein kann, während des Gießvorganges Teil der Wandung eines Kühlkanals. Dieser Kühlkanal wird des Weiteren im Wesentlichen vom Formwerkzeug gebildet.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils, insbesondere eines Zylinderkurbelgehäuses oder eines Zylinderkopfes für eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus mindestens einem Eingusskörper und einer Bauteilgeometrie, die ansonsten im Wesentlichen aus einer Aluminiumlegierung besteht, wobei als Eingusskörper ein Werkstoff auf Aluminiumbasis verwendet wird, der vor dem Abguss von seiner Oxidhaut befreit und vor erneuter Oxidation geschützt wird, wobei die Gießform einen zum Eingusskörper hin offenen Kühlkanal aufweist, wobei der Eingusskörper derart in die Gießform eingelegt wird, dass der offene Kühlkanal durch den Eingusskörper geschlossen wird, wobei ein erster Kühlmittelstrom mit einer Temperatur zwischen 100 °C und 450 °C zum temperieren der Form zugeführt wird und wobei dieser erste Kühlmittelstrom direkten oder indirekten Kontakt zum Eingusskörper hat, während die Form abgegossen wird, wobei ein zweiter Kühlmittelstrom mit einer Temperatur, die mindestens 100 K niedriger ist als die Temperatur des ersten Kühlmittelstroms zum temperieren der Form zugeführt wird und wobei dieser zweite Kühlmittelstrom ebenfalls direkten oder indirekten Kontakt zum Eingusskörper hat, während die Form abgegossen wird und wobei die Schmelze in der Form erstarrt, der Kühlmittelstrom unterbrochen, das Verbundgussteil aus der Form entnommen und somit der Kühlkanal wieder geöffnet wird.
2. Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils, insbesondere eines Zylinderkurbelgehäuses oder eines Zylinderkopfes für eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus mindestens einem Eingusskörper und einer Bauteilgeometrie, die ansonsten im Wesentlichen aus einer Aluminiumlegierung besteht, wobei als Eingusskörper ein Werkstoff auf Aluminiumbasis verwendet wird, der vor dem Abguss von seiner Oxidhaut befreit und vor erneuter Oxidation geschützt wird, wobei die Gießform einen zum Eingusskörper hin offenen Kühlkanal aufweist und wobei der Eingusskörper und/oder die Gießform oder Teile der Gießform auf eine Temperatur zwischen 100 °C und 450 °C vorgewärmt werden und wobei der Eingusskörper derart in die Gießform eingelegt wird, dass der offene Kühlkanal durch den Eingusskörper geschlossen wird, wobei die Form abgegossen wird und im Zeitraum von einer Minute vor dem Abguss bis eine Minute nach dem Abguss begonnen wird einen Kühlmittelstrom mit einer Temperatur, die mindestens 100 K niedriger ist als die Temperatur der vorgewärmten Teile zum temperieren der Form zuzuführen und wobei dieser Kühlmittelstrom direkten oder indirekten Kontakt zum Eingusskörper hat, während die Form abgegossen wird und wobei die Schmelze in der Form erstarrt, der Kühlmittelstrom unterbrochen, das Verbundgussteil aus der Form entnommen und somit der Kühlkanal wieder geöffnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmittelstrom entweder mit oder ohne Unterdruck und der zweite Kühlmittelstrom bei direkter Kühlung des Eingusskörpers stets mit Unterdruck geführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Kühlmittelstrom einen Druck aufweisen, der mindestens 1 .000 Pa niedriger ist als der Druck im Formhohlraum.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Eingusskörper ein Metall-Matrix-Kompositwerkstoff auf Aluminiumbasis verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingusskörper vor dem Einguss zumindest teilweise von seiner Oxidhaut befreit und stoffschlüssig mit einer niedrig schmelzenden Metalllegierung versehen wird, deren Schmelzpunkt mindestens 100 K unterhalb der Schmelzpunkte des Eingusskörpers und der Metallschmelze liegt und der derart behandelte Eingusskörper danach in der Gießform positioniert sowie nachfolgend von der Metallschmelze mit einer beim Schwerkraftguss oder Niederdruckguss üblichen Geschwindigkeit umströmt wird und die niedrig schmelzende Metalllegierung angelöst, angeschmolzen und/oder abgewaschen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrig schmelzende Metalllegierung ohne Zwischenschichten und mit einem stofflichen Verbund auf den Eingusskörper aufgebracht wird, insbesondere mittels Reiblöten oder Ultraschallöten oder mechanischer Bearbeitung innerhalb eines Lotbades oder einer Oberflächenbehandlung unter Schutzgas oder Vakuum.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrig schmelzende Metalllegierung in einer Dicke von 10 μηι bis 500 μηπ, insbesondere 100 μηι bis 300 μηι auf den Eingusskörper aufgetragen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umströmung des Eingusskörpers mit der Metallschmelze durch das Gießverfahren und/oder durch mehrere strömungstechnisch optimierte Anschnittsteilen unterstützt wird und/oder dass eine Aufrechterhaltung der Strömungsbewegung mittels zusätzlicher Bauteile nach Beendigung der Formfüllung unterstützt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Herstellung eines aus mindestens einem Zylinderbuchseneinlegeteil und einem Grundkörper aus Gussmetall bestehenden Zylinderkurbelgehäuses die Zylinderlauffläche, die mit einem Bearbeitungsaufmaß versehen sein kann, während des Gießvorganges ein Teil der Wandung eines Kühlkanals ist, der des Weiteren im Wesentlichen vom Formwerkzeug gebildet wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Herstellung eines aus mindestens einem Brennraumeinlegeteil und einem Grundkörper aus Gussmetall bestehenden Zylinderkopfes die Brennraumfläche des Einlegeteils, die mit einem Bearbeitungsaufmaß versehen sein kann, während des Gießvorganges ein Teil der Wandung eines Kühlkanals ist, der des Weiteren im Wesentlichen vom Formwerkzeug gebildet wird.
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