WO1995029023A1 - Verfahren zum verbinden von zwei werkstücken sowie nach dem verfahren hergestelltes verbundbauteil - Google Patents

Verfahren zum verbinden von zwei werkstücken sowie nach dem verfahren hergestelltes verbundbauteil Download PDF

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WO1995029023A1
WO1995029023A1 PCT/EP1995/001119 EP9501119W WO9529023A1 WO 1995029023 A1 WO1995029023 A1 WO 1995029023A1 EP 9501119 W EP9501119 W EP 9501119W WO 9529023 A1 WO9529023 A1 WO 9529023A1
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weight
workpieces
heavy metal
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alloy based
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PCT/EP1995/001119
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English (en)
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Inventor
Hans Lämmermann
Original Assignee
Alcan Deutschland Gmbh
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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
    • B22D19/04—Casting in, on, or around objects which form part of the product for joining parts

Definitions

  • the invention relates to a method for connecting two workpieces and a composite component produced by the method.
  • a firm, non-detachable connection must be created between two or more separately manufactured workpieces in order to obtain a complex composite component.
  • connection methods such as welding, riveting, stapling or the like, these methods are unsuitable for many applications, for example because they do not do justice to the mechanical and / or thermal stresses of the composite component because they deal with the geometric and constructive Circumstances are not compatible because they are not compatible with the materials of the workpieces to be connected are, or because they are too complex to manufacture and therefore too expensive.
  • the invention is therefore based on the problem of creating a method for connecting two workpieces and a composite component produced by the method, with which a firm connection between two workpieces is realized in a simple and inexpensive manner.
  • two separately manufactured, adjacent workpieces are connected to one another by casting around them with a material in the molten state.
  • At least one abutment surface is formed on the workpieces, on which the workpieces lie against one another.
  • at least one contact surface is formed adjacent to the abutting surfaces, which is cast around with the molten material.
  • the workpieces are placed in a casting mold which contains the necessary pouring channels for the casting material and corresponding cavities for shaping the casting material.
  • the casting takes place in such a way that a solid connecting body results from the molten casting material after solidification, which is shrunk onto the contact surfaces of the workpieces with a pretension in such a way that the two workpieces are relatively shrinking are firmly clamped to the connecting body and to each other.
  • the method according to the invention thus creates a firmly joined composite of the workpieces and the connecting body.
  • connection method according to the invention by casting around the workpieces to be connected can be implemented comparatively simply and inexpensively.
  • the method can be used for a wide variety of material combinations of the workpieces to be connected to one another, and, depending on the requirements, a wide variety of materials can also advantageously be used for the casting material. Consequently, several workpieces can also be combined to form a complex component by connecting the individual workpieces to one another in each case using the method according to the invention. After the connecting body created by encapsulation of the workpieces is shrunk onto the contact surfaces, a firm and secure connection is ensured by the shrinkage stresses present between the connecting body and the workpieces.
  • the contact surfaces are preferably designed such that a positive connection is formed between the connecting body and the workpieces.
  • the contact areas can run into the workpieces at the connection point in the form of recesses in such a way that corresponding undercuts are formed between the connecting body and the workpieces to be connected.
  • the contact surfaces can also run out of the workpieces in the form of a flange at the connection point, in such a way that corresponding undercuts also exist between the connecting body and the workpieces to be connected.
  • the contact surfaces can be designed in such a way that there is an additional mechanical anchoring between the connecting body and the workpieces.
  • the contact surfaces can be roughened or provided with teeth, grooves, ribs, grooves and the like.
  • the surface adhesion between the contact surfaces and the connecting body can also be improved by applying metallic or chemical layers.
  • zinc, tin, copper or silver can be applied in a layer of a few ⁇ m, or the contact surfaces can be phosphated, chromated or provided with fluoride complex salts which form fluxes.
  • the joint between the connecting body and the contact surfaces can also be additionally sealed by applying a liquid solder metal or by welding.
  • workpieces made of metal or ceramic are preferably connected to one another, in particular a connection between a workpiece made of metal and a workpiece made of ceramic can also be advantageously realized.
  • both workpieces to be connected are made of metal and the casting material is also a metal.
  • Another advantageous embodiment of the method consists in connecting workpieces made of light metal or light metal alloys by means of a casting material made of heavy metal or a heavy metal alloy.
  • the method according to the invention overcome a prejudice in the professional world that it was impossible to pour a heavy metal alloy that has a significantly higher melting point than light metals or light metal alloys around pre-made work pieces made of light metal or light metal alloys without melting these work pieces at the same time to destroy.
  • the workpieces survive casting around with heavy metal alloys thanks to the high thermal conductivity of Al alloys and the high strength of the oxide skin on aluminum surfaces.
  • the casting material advantageously has a liquidus temperature which is at least 150 ° C., preferably at least 200 ° C., higher than the materials of the workpieces to be joined.
  • a liquidus temperature which is at least 150 ° C., preferably at least 200 ° C., higher than the materials of the workpieces to be joined.
  • the casting material in the range of 150 ° C to 900 ° C compared to the workpiece materials has a higher liquidus temperature.
  • the difference between the liquidus temperatures of the casting material and the liquidus temperatures of the materials of the workpieces to be joined can also be selected to be even higher.
  • the encapsulation material shrinks during solidification and cooling onto the contact surfaces of the workpieces to be connected, strong shrinkage stresses being formed, so that the connecting body made of the encapsulation material is fixed on the contact surfaces of the workpieces by frictional connection.
  • a heavy metal, a heavy metal alloy or an Al alloy is preferably used as the casting material.
  • Advantageous heavy metal alloys based on Cu, Ni or Fe are described below, but other heavy metal alloys can of course also be used.
  • An aluminum bronze is particularly suitable as a heavy metal alloy based on Cu, and in particular an aluminum bronze with the following composition:
  • a copper-beryllium bronze or a copper-nickel-silicon bronze is suitable on a heavy metal basis.
  • An inexpensive heavy metal compound based on Ni contains the following components:
  • An austenitic gray cast iron (Ni resist) with lamellar graphite or spheroidal graphite is particularly suitable as the heavy metal alloy based on Fe, and in particular a heavy metal alloy based on Fe based Ni resist type 1 with the following components:
  • the workpieces to be joined are made of light metal or light metal alloys with a liquidus temperature in the range from 550 to 660 ° C.
  • the materials for the workpieces to be connected and the casting material can be varied in many ways. If, for example, specific properties are desired for the connecting body formed after solidification and cooling from the casting material, for example a special wear resistance, high heat resistance, high elastic extensibility, good thermal shock resistance or resistance to certain chemical substances, the material selection can of course also be used be made according to such criteria.
  • the method according to the invention does not take into account the metallurgical affinities of the individual components of the Composite component must be taken because the tight fit of the connecting body ensures primarily by the existing shrinkage tension d.
  • the process according to the invention which is based on casting and shrinking, thus enables a relatively free choice of material for the composite component.
  • Chill casting processes, sand casting processes and die casting processes can preferably be used for the process according to the invention.
  • the composite component according to the invention consists of two or more separately manufactured individual workpieces, each abutting one another via abutment surfaces and each being firmly connected by connecting bodies, which are cast and shrunk around contact surfaces adjoining the abutment surfaces by the method according to the invention.
  • Composite components according to the invention can, for example, be shafts or shaft bearing arrangements produced by the method described above.
  • the composite components according to the invention can be of the most varied shape and of the most varied of cross sections. It is only necessary that two workpieces to be connected to each other can be cast around at least in the area of the connection point using the previously explained method.
  • a preferred composite component which is produced by the method according to the invention is a built-in piston for internal combustion engines, in which the piston head and the piston skirt are separated by a Connection body are connected.
  • the piston head is preferably made of ceramic, gray cast iron or a light metal alloy. Due to the separate manufacture of the piston head and the piston skirt, the abutting surfaces adjoining one another in the assembled state can be machined beforehand, for example to form cooling channels or recesses for reducing weight.
  • the encapsulation material for the connecting body can then fulfill both the function of a connecting clamp between the piston head and the piston skirt, as well as the function of a ring carrier, into which corresponding ring grooves for piston rings are then incorporated.
  • the connecting body sits under prestress on the corresponding contact surfaces of the piston head and the piston skirt due to the shrinking, the composite component is always firmly joined together. Even at a high piston operating temperature, the firm bond is guaranteed if, as previously explained, a higher liquidus temperature is selected for the casting material than for the materials of the piston head and the piston skirt.
  • the encapsulation material can also be designed specifically for the requirements given there with regard to good strength properties and good wear properties at high temperatures. In contrast to conventional ring carriers for pistons for
  • Internal combustion engines which are used as prefabricated ring carriers, for example made of gray cast iron, in the casting mold for a one-piece piston, for example made of an aluminum alloy, does not occur in the composite component according to the invention in that the piston shrinks from the ring carrier after casting during solidification and cooling and then the ring bearer is no longer fixed.
  • the abutting surfaces of the piston head and the piston skirt are formed in the built piston produced according to the method of the invention so that they end radially outward in a projecting, relatively thin-walled bead, which then melts during the encapsulation and can alloy or weld together, whereby in addition to the bond through the connecting body, a metallurgical, gap-free connection between the piston head and the piston skirt is also created.
  • Fig. 1 is a view of one with the invention
  • Fig. 2 is a longitudinal sectional view of a piston composite component produced by the method according to the invention.
  • two shafts 1, 2 separately manufactured by conventional manufacturing methods abut one another on mating abutment surfaces 6, 7.
  • corresponding contact surfaces 5 are designed on the shaft 2 between their abutting surfaces 6 and the outer diameter of the shaft.
  • the two adjacent shafts 1, 2 were cast with a casting material which was in the molten state and which, after solidification and cooling, had a prestressing shrunk, annular connecting body 3 is present.
  • the connecting body rests on the contact surfaces 4, 5 of the shafts 1, 2.
  • connection body 3 forms a positive connection with the two joined shafts, since there is in the environment the butt joint between the two shafts undercuts the shaft material in the direction of the longitudinal axis with the connecting body 3. In other words, the shafts 1, 2 cannot be pulled apart in the direction of the longitudinal axis of the shaft.
  • a piston made up of three parts is shown.
  • the piston consists of a piston head 9, a piston skirt 10 and a ring carrier 11 manufactured as a casting ring.
  • the piston head 9 is made, for example, of ceramic, austenitic gray cast iron or a high-strength Al alloy.
  • the piston skirt 10 consists, for example, of a commonly used aluminum piston alloy.
  • the ring carrier 11, which is cast around these two components by the method according to the invention for connecting the piston head 9 to the piston skirt 10, consists of a heavy metal alloy.
  • contact surfaces 14, 15 on the piston head 9 and on the piston skirt 10, adjacent to the butt joint of the abutting abutment surfaces 12, 13, are designed in such a way that a positive connection between the ring carrier 11 and the piston head 9 and the piston skirt 10 is formed and the piston head 9 and the piston skirt 10 are braced against one another by the shrunk-on ring carrier 11.
  • the abutment surface 13 of the piston head 9 and the abutment surface 12 of the piston skirt 10 are machined so that they form a cooling channel 16 between them in the joined state.
  • Corresponding ring grooves (not shown) for receiving piston rings are worked into the ring carrier 11. If the casting material from which the ring carrier 11 is made has, for example, a melting temperature of approx. 1000 ° C. and the operating temperature of the piston is around 300 ° C. in critical areas, for example, the operating temperature practically does not impair the mechanical strength of the ring carrier 11 and that The connection remains pre-stressed. Such, because of its composition of several components as a built Piston designated piston can be adapted very well in its materials to the different requirements that are placed on the different areas of the piston.

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Abstract

Verfahren zum Verbinden von zwei Werkstücken, die jeweils mindestens eine Stoßfläche (6, 7) zur Anlage aneinander sowie jeweils mindestens eine daran angrenzende Kontaktfläche (4, 5) aufweisen, durch Umgießen der beiden an den Stoßflächen aneinanderliegenden Werkstücke (1, 2) mit einem im schmelzflüssigen Zustand befindlichen Werkstoff in einer Weise, daß dieser Werkstoff nach dem Erstarren einen in sich geschlossenen, mit Vorspannung auf die Kontaktflächen aufgeschrumpften Verbindungskörper (3) bildet.

Description

Verfahren zum Verbinden von zwei Werkstücken sowie nach dem Verfahren hergestelltes Verbundbauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei Werkstücken sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Verbundbauteil.
In vielen Anwendungsfällen muß zwischen zwei oder mehreren getrennt hergestellten Werkstücken eine feste, nicht lösbare Verbindung geschaffen werden, um ein komplexes Verbundbauteil zu erhalten. Zwar gibt es zahlreiche herkömmliche Verbindungsverfahren, wie z.B. durch Schweißen, Vernieten, Verklammern oder ähnliches, jedoch sind diese Verfahren für viele Anwendungszwecke ungeeignet, z.B. weil sie den mechanischen und/oder thermischen Beanspruchungen des Verbundbauteiles nicht gerecht werden, weil sie mit den geometrischen und konstruktiven Gegebenheiten nicht vereinbar sind, weil sie mit den Werkstoffen der zu verbindenen Werkstücke nicht vereinbar sind, oder weil sie zu aufwendig in der Fertigung und damit zu teuer sind.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden von zwei Werkstücken sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Verbundbauteil zu schaffen, mit dem eine feste Verbindung zwischen zwei Werkstücken auf einfache und kostengünstige Weise realisiert wird.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß von einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie von einem Verbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden zwei getrennt hergestellte, aneinanderliegende Werkstücke durch Umgießen mit einem im schmelzflüssigen Zustand befindlichen Werkstoff miteinander verbunden. An den Werkstücken wird dabei jeweils mindestens eine Stoßfläche ausgebildet, an der die Werkstücke aneinanderliegen. Ferner wird angrenzend zu den Stoßflächen jeweils mindestens eine Kontaktfläche gestaltet, die mit dem schmelzflüssigen Werkstoff umgössen wird. Zum Umgießen der miteinander zu verbindenden Werkstücke werden die Werkstücke in eine Gießform eingelegt, die die erforderlichen Eingießkanäle für den Umgießwerkstoff enthält sowie entsprechende Hohlräume zur Formgebung für den Umgießwerkstoff. Das Umgießen erfolgt derart, daß sich aus dem schmelzflüssigen Umgießwerkstoff nach dem Erstarren ein in sich geschlossener Verbindungskörper ergibt, der auf die Kontaktflächen der Werkstücke mit einer Vorspannung derart aufgeschrumpft ist, daß die beiden Werkstücke durch SchrumpfSpannung relativ zum Verbindungskörper und zueinander fest v-rspannt sind. Somit wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein fest zusammengefügter Verbund aus den Werkstücken und dem Verbindungskörper geschaffen.
Das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren durch Umgießen der zu verbindenden Werkstücke läßt sich vergleichsweise einfach und kostengünstig realisieren. Das Verfahren kann dabei für unterschiedlichste Werkstoffkombinationen der miteinander zu verbindenden Werkstücke angewendet werden, wobei auch, je nach den Anforderungen, für den Umgießwerkstoff in vorteilhafter Weise verschiedenste Werkstoffe verwendet werden können. Folglich lassen sich so auch mehrere Werkstücke zu einem komplexen Bauteil zusammenfügen, indem die einzelnen Werkstücke untereinander jeweils mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbunden werden. Nachdem der durch Umgießen der Werkstücke geschaffene Verbindungskörper auf die Kontaktflächen aufgeschrumpft ist, wird durch die zwischen dem Verbindungskörper und den Werkstücken vorhandenen SchrumpfSpannungen eine feste und sichere Verbindung gewährleistet.
Aufgrund der Vorspannung der Verbindung infolge der SchrumpfSpannungen des Verbindungskörpers auf den Werkstücken ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich, eine Formschlußverbindung oder eine metallurgische Verbindung zwischen dem Verbindungskörper und den zu verbindenden Werkstücken vorzusehen. Jedoch werden vorzugsweise die Kontaktflächen derart gestaltet, daß sich zwischen dem Verbindungskörper und den Werkstücken ein Formschluß ausbildet. Die Kontaktflächen können dabei an der Verbindungsstelle in Form von Ausnehmungen derart in die Werkstücke hineinverlaufen, daß sich entsprechende Hinterschneidungen zwischen dem Verbindungskörper und den zu verbindenden Werkstücken ausbilden. Die Kontaktflächen können aber auch an der Verbindungsstelle aus den Werkstücken in Form eines Flansches herausverlaufen, und zwar derart, daß ebenfalls entsprechende Hinterschneidungen zwischen dem Verbindungskörper und den zu verbindenden Werkstücken vorliegen.
Ferner können die Kontaktflächen in ihrer Oberflächengestaltung so ausgebildet sein, daß sich eine zusätzliche mechanische Verankerung zwischen dem Verbindungskörper und den Werkstücken ergibt. Beispielsweise können die Kontaktflächen aufgerauht werden oder mit Verzahnungen, Rillen, Rippen, Nuten und dergleichen versehen werden. Neben einer entsprechenden mechanischen Bearbeitung der Kontaktflächen der zu verbindenden Werkstücke kann die Oberflächenhaftung zwischen Kontaktflächen und Verbindungskörper auch durch Aufbringen von metallischen oder chemischen Schichten verbessert werden. Beispielsweise kann Zink, Zinn, Kupfer oder Silber in einer Schicht von wenigen um aufgebracht werden, oder die Kontaktflächen können phosphatiert, chromatiert oder mit Flußmittel bildenden Fluoridkomplexsalzen versehen werden.
Weiterhin kann bei Bedarf auch die Trennfuge zwischen dem Verbindungskörper und den Kontaktflächen durch Aufbringen eines flüssigen Lotmetalls oder durch eine Schweißung zusätzlich abgedichtet werden. Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Werkstücke aus Metall oder Keramik miteinander verbunden, wobei insbesondere auch eine Verbindung zwischen einem Werkstück aus Metall und einem Werkstück aus Keramik in vorteilhafter Weise realisiert werden kann. In einer günstigen Ausführungsform des Verfahrens sind beide zu verbindenden Werkstücke aus Metall und der Umgießwerkstoff ist ebenfalls ein Metall. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, Werkstücke aus Leichtmetall oder Leichtmetallegierungen mittels eines Umgießwerkstoffes aus Schwermetall oder einer Schwermetallegierung zu verbinden.
Überraschenderweise konnte durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Vorurteil in der Fachwelt überwunden werden, wonach es unmöglich sei, eine Schwermetallegierung, die einen deutlich höheren Schmelzpunkt als Leichtmetalle oder Leichtmetallegierungen hat, um vorgefertigte Werkstücke aus Leichtmetall oder Leichtmetallegierungen herumzugießen, ohne dabei gleichzeitig diese Werkstücke durch Aufschmelzen zu zerstören. Überraschenderweise überstehen die Werkstücke das Umgießen mit Schwermetallegierungen dank der hohen Wärmeleitfähigkeit von AI-Legierungen und dank der hohen Festigkeit der Oxidhaut auf Aluminiumoberflächen unbeschadet.
Vorteilhafterweise hat der Umgießwerkstoff eine um mindestens 150 °C, vorzugsweise mindestens 200 °C höhere Liquidustemperatur als die Werkstoffe der zu verbindenden Werkstücke. Insbesondere ist es bevorzugt, daß der Umgießwerkstoff eine im Vergleich zu den Werkstückwerkstoffen im Bereich von 150 °C bis 900 °C höhere Liquidustemperatur besitzt. Die Differenz der Liquidustemperaturen des Umgießwerkstoffes zu den Liquidustemperaturen der Werkstoffe der zu verbindenden Werkstücke kann jedoch auch noch höher gewählt werden.
Wie bereits zuvor erwähnt, schrumpft der Umgießwerkstoff bei der Erstarrung und Abkühlung auf die Kontaktflächen der zu verbindenden Werkstücke auf, wobei sich starke SchrumpfSpannungen ausbilden, so daß die Verbindungskörper aus dem Umgießwerkstoff auf den Kontaktflächen der Werkstücke durch Kraftschluß fixiert ist. Durch die Wahl einer höheren Liquidustemperatur für den Umgießwerkstoff im Verhältnis zu den Werkstoffen der zu verbindenden Werkstücke wird diese Vorspannung auch bei hohen Betriebstemperaturen der Werkstücke nicht aufgehoben. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann also eine feste Verbindung von Werkstücken realisiert werden, die auch besonderen thermischen Beanspruchungen standhält.
Erfindungsgemäß wird vorzugsweise als Umgießwerkstoff ein Schwermetall, eine Schwermetallegierung oder eine AI- Legierung verwendet. Nachfolgend werden vorteilhafte Schwermetallegierungen auf Cu-, Ni- oder Fe-Basis beschrieben, es können natürlich aber auch andere Schwermetallegierungen verwendet werden.
Als Schwermetallegierung auf Cu-Basis eignet sich gut eine Aluminiumbronze, und insbesondere eine Aluminiumbronze mit folgender Zusammensetzung:
Cu bis 76,0 Gew.-% AI 8,5 bis 11,0 Gew.-% Ni 4, 0 bis 6,5 Gew.-% Fe 3,5 bis 5,5 Gew.-% Mn maximal 3,0 Gew.-%
wobei weitere Verunreinigungen in einer Menge von bis zu 0,8 Gew.-% enthalten sein können.
Weiterhin eignet sich auf Schwermetallbasis gut eine Kupfer-Beryllium-Bronze oder eine Kupfer-Nickel-Silizium- Bronze.
Eine günstige Schwermetallverbindung auf Ni-Basis enthält folgende Bestandteile:
Cu 28 bis 32 Gew.-%
Fe maximal 3,0 Gew.-%
Mn 0,5 bis 1,5 Gew.-%
C 0,1 bis 0,3 Gew.-%
Si 0,5 bis 1,5 Gew.-%
S maximal 0,05 Gew.-%
Mg 0,08 bis 0,12 Gew.-%,
Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen
Als Schwermetallegierung auf Fe-Basis eignet sich gut ein austenitischer Grauguß (Ni Resist) mit Lamellengraphit oder Kugelgraphit, und insbesondere eine Schwermetallegierung auf Fe-Basis Ni-Resist Typ 1 mit folgenden Bestandteilen:
C maximal 3,0 Gew.-%
Si 1, 0 bis 2, 8 Gew.-%
Mn 1, 0 bis 1,5 Gew.-%
Ni 13,5 bsi 17,5 Gew.-% Cu 5,5 bis 7,5 Gew.-% Cr 1,75 bis 2,5 Gew.-% Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen
Günstig ist auch die Verwendung der Schwermetallegierung auf Fe-Basis Ni-Resist Typ D2C mit folgenden Bestandteilen:
C maximal 2,9 Gew.-% Si 2,0 bis 3,0 Gew.-% Mn 1,8 bis 2,4 Gew.-% Ni 21,0 bis 24,0 Gew.-% Cr maximal 0,5 Gew.-% Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen
Bei einer günstigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen die zu verbindenden Werkstücke aus Leichtmetall oder Leichtmetallegierungen mit einer Liquidustemperatur im Bereich von 550 bis 660 °C. Je nach den Anforderungen an das Verbundbauteil können die Werkstoffe für die zu verbindenden Werkstücke sowie der Umgießwerkstoff in vielfältiger Weise variiert werden. Falls z.B. für den nach dem Erstarren und Abkühlen aus dem Umgießwerkstoff gebildeten Verbindungskörper spezifische Eigenschaften gewünscht werden, z.B. eine besondere Reibverschleißfestigkeit, eine hohe Warmfestigkeit, eine hohe elastische Dehnfähigkeit, eine gute Thermoschockbeständigkeit oder eine Resistenz gegenüber bestimmenten chemischen Stoffen, kann natürlich die Werkstoffauswahl zusätzlich auch nach solchen Kriterien getroffen werden. Dabei ist es sehr vorteilhaft, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren keine Rücksicht auf die metallurgischen Affinitäten der einzelnen Komponenten des Verbundbauteiles genommen werden muß, da der feste Sitz des Verbindungskörpers in erster Linie durch die vorhandene Schrumpfspannung gewährleistet d. Das auf einem Umgießen und Aufschrumpfen basierende er idungsgemäße Verfahren ermöglicht also eine relativ freie Werkstoffauswahl für das Verbundbauteil.
Für das erfindungsgemäße Verfahren können vorzugsweise Kokillengießverfahren, Sandgießverfahren und Druckgießverfahren zur Anwendung kommen.
Das erfindungsgemäße Verbundbauteil besteht aus zwei oder mehreren, separat hergestellten Einzelwerkstücken, die jeweils über Stoßflächen aneinanderliegen und jeweils durch Verbindungskörper fest verbunden sind, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren um an die Stoßflächen angrenzende Kontaktflächen herumgegossen und aufgeschrumpft sind. Erfindungsgemäße Verbundbauteile können beispielsweise nach dem vorangehend geschilderten Verfahren gefertigte Wellen oder Wellenlageranordnungen sein. Selbstverständlich können die erfindungsgemäßen Verbundbauteile von unterschiedlichster Gestalt und von unterschiedlichsten Querschnitten sein. Es ist lediglich erforderlich, daß sich jeweils zwei miteinander zu verbindende Werkstücke zumindest im Bereich der Verbindungsstelle nach dem zuvor erläuterten Verfahren umgießen lassen.
Ein bevorzugtes Verbundbauteil, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, ist ein gebauter Kolben für Verbrennungsmotoren, bei dem der Kolbenkopf und der Kolbenschaft durch einen Verbindungskörper verbunden sind. Der Kolbenkopf besteht vorzugsweise aus Kermaik, Grauguß oder einer Leichtmetallegierung. Durch die getrennte Herstellung des Kolbenkopfes und des Kolbenschaftes können die im zusammengefügten Zustand aneinandergrenzenden Stoßflächen vorher bearbeitet werden, um z.B. Kühlkanäle oder Ausnehmungen zur Gewichtsverminderung auszubilden. Der Umgießwerkstoff für den Verbindungskörper kann dann sowohl die Funktion einer Verbindungsklammer zwischen Kolbenkopf und Kolbenschaft erfüllen, als auch die Funktion eines Ringträgers, in den dann entsprechende Ringnuten für Kolbenringe eingearbeitet werden. Da der Verbindungskörper durch das Aufschrumpfen unter Vorspannung auf den entsprechenden Kontaktflächen des Kolbenkopfes und des Kolbenschaftes sitzt, ist das Verbundbauteil stets fest zusammengefügt. Auch bei einer hohen Kolbenbetriebstemperatur bleibt der feste Verbund gewährleistet, wenn, wie zuvor erläutert, für den Umgießwerkstoff eine höhere Liquidustemperatur gewählt wird als für die Werkstoffe des Kolbenkopfes und des Kolbenschaftes. Weiterhin kann der Umgießwerkstoff im Hinblick auf seine Funktion als Ringträger auch speziell auf die dort gegebenen Anforderungen hinsichtlich guter Festigkeitseigenschaften und guter Verschleißeigenschaften bei hohen Temperaturen ausgelegt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ringträgern bei Kolben für
Verbrennungsmotoren, die als vorgefertigte Ringträger, z.B. aus Grauguß, in die Gußform für einen einstückigen Kolben, z.B. aus einer Aluminiumlegierung, eingesetzt werden, tritt beim erfindungsgemäßen Verbundbauteil nicht das Problem auf, daß der Kolben nach dem Gießen beim Erstarren und Abkühlen vom Ringträger abschrumpft und dann der Ringträger nicht mehr fest fixiert ist. Vorzugsweise werden bei dem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten gebauten Kolben die aneinanderliegenden Stoßflächen des Kolbenkopfes und des Kolbenschaftes, sofern diese Komponenten beide aus Metall sind, so ausgebildet, daß sie radial nach außen in einem vorspringenden, relativ dünnwandigen Wulst enden, der dann beim Umgießen schmelzen und sich zusammenlegieren bzw. zusammenschweißen kann, wodurch neben der Bindung durch den Verbindungskörper zusätzlich eine metallurgische, spaltfreie Verbindung zwischen dem Kolbenkopf und dem Kolbenschaft geschaffen wird.
Nachfolgend werden nun zwei Ausführungsbeispiele von Verbundbauteilen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Wellen-Verbundbauteils;
Fig. 2 eine Längsschnittansicht eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kolben- Verbundbauteils.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Wellen-Verbundbauteil liegen zwei separat nach herkömmlichen Fertigungsverfahren hergestellte Wellen 1, 2 an zueinander passenden Stoßflächen 6, 7 aneinander an. An der Welle 1 sind angrenzend an deren Stoßflächen 7 Kontaktflächen 4 ausgebildet, die sich von der Stoßebene bis zum Außendurchmesser der Welle erstrecken. Ebenso sind an der Welle 2 entsprechende Kontaktflächen 5 zwischen deren Stoßflächen 6 und dem Außendurchmesser der Welle gestaltet, Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden die beiden aneinanderliegenden Wellen 1, 2 mit einem im schmelzflüssigen Zustand befindlichen Umgießwerkstoff umgössen, der nach der Erstarrung und Abkühlung als mit Vorspannung aufgeschrumpfter, ringförmiger Verbindungskörper 3 vorliegt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, liegt der Verbindungskörper an den Kontaktflächen 4, 5 der Wellen 1, 2 an. Durch die besondere Gestaltung der Kontaktflächen 4, 5, die jeweils zur Verbindungsstelle hin zunächst vom Außendurchmesser der Welle einwärts in Richtung zur Wellenmittelachse und anschließend wieder etwas radial auswärts verlaufen, bildet der Verbindungskörper 3 einen Formschluß mit den beiden zusammengefügten Wellen, da sich in der Umgebung der Stoßfuge zwischen den beiden Wellen das Wellenmaterial in Richtung der Wellenlängsachse mit dem Verbindungskörper 3 hinterschneidet. Mit anderen Worten können die Wellen 1, 2 in Richtung der Wellenlängsachse nicht auseinandergezogen werden. Durch die SchrumpfSpannungen, die vom Verbindungskörper 3 auf die benachbart zur Stoßfuge liegenden Bereiche der Kontaktflächen 4, 5 aufgebracht werden, werden die beiden Wellen infolge der Keilwirkung, die durch die geometrische Gestaltung der Kontaktflächen und des Verbindungskörpers gegeben ist, gegeneinander verspannt. Am Außenumfang des Verbindungskörpers 3 sind zwei Dichtringe 8 in entsprechende Ringnuten eingesetzt. In Fig. 2 ist ein aus drei Teilen aufgebauter Kolben gezeigt. Der Kolben besteht aus einem Kolbenkopf 9, einem Kolbenschaft 10 und einem als Umgußring gefertigten Ringträger 11. Der Kolbenkopf 9 ist z.B. aus Keramik, aus austenitischem Grauguß oder einer hochfesten AI-Legierung hergestellt. Der Kolbenschaft 10 besteht z.B. aus einer üblicherweise verwendeten Aluminium-Kolbenlegierung. Der Ringträger 11, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verbindung des Kolbenkopfes 9 mit dem Kolbenschaft 10 um diese beiden Komponenten herumgegossen ist, besteht aus einer Schwermetallegierung. Analog zum vorher mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Wellen-Verbundbauteil sind am Kolbenkopf 9 und am Kolbenschaft 10 Kontaktflächen 14, 15, angrenzend an die Stoßfuge der aneinanderliegenden Stoßflächen 12, 13 derart gestaltet, daß ein Formschluß zwischen dem Ringträger 11 und dem Kolbenkopf 9 und dem Kolbenschaft 10 gebildet wird und der Kolbenkopf 9 und der Kolbenschaft 10 durch den aufgeschrumpften Ringträger 11 gegeneinander verspannt werden. Die Stoßfläche 13 des Kolbenkopfes 9 und die Stoßfläche 12 des Kolbenschaftes 10 sind so bearbeitet, daß sie zwischen sich im aneinandergefügten Zustand einen Kühlkanal 16 bilden. In den Ringträger 11 werden entsprechende (nicht gezeigte) Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen eingearbeitet. Falls der Umgießwerkstoff, aus dem der Ringträger 11 besteht, z.B. eine Schmelztemperatur von ca. 1000 °C hat und die Betriebstemperatur des Kolbens beispielsweise in kritischen Bereichen bei etwa 300°C liegt, beeinträchtigt die Betriebstemperatur die mechanische Festigkeit des Ringträgers 11 praktisch nicht und die Vorspannung der Verbindung bleibt erhalten. Ein derartiger, aufgrund seiner Zusammensetzung aus mehreren Komponenten als gebauter Kolben bezeichneter Kolben kann in seinen Werkstoffen sehr gut an die unterschiedlichen Anforderungen angepaßt werden, die an die verschiedenen Bereiche des Kolbens gestellt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden von zwei Werkstücken, die jeweils mindestens eine Stoßfläche (6, 7; 12, 13) zur Anlage aneinander sowie jeweils mindestens eine daran angrenzende Kontaktfläche (4, 5; 14, 15) aufweisen, durch Umgießen der beiden an den Stoßflächen aneinanderliegenden Werkstücke (1, 2; 9, 10) mit einem im schmelzflüssigen Zustand befindlichen Werkstoff in einer Weise, daß dieser Werkstoff nach dem Erstarren einen in sich geschlossenen, mit Kraftschluß auf die Kontaktflächen aufgeschrumpften Verbindungskörper (3; 11) bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen derart gestaltet werden, daß sich zwischen dem Verbindungskörper (3; 11) und den beiden Werkstücken (1, 2; 9, 10) ein Formschluß ausbildet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Werkstücke aus Metall sind und der Umgießwerkstoff ebenfalls aus Metall ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke aus Leichtmetall oder Leichtmetallegierungen sind und der Umgießwerkstoff aus Schwermetall, einer Schwermetallegierung oder einer AI-Legierung ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgießwerkstoff eine um mindestens 150 °C höhere Liquidustemperatur als die Werkstoffe der Werkstücke hat.
6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgießwerkstoff eine um mindestens 200 °C höhere Liquidustemperatur als die Werkstoffe der Werkstücke hat.
7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgießwerkstoff eine im Bereich von 150 bis 900 °C höhere Liquidustemperatur als die Werkstoffe der Werkstücke hat.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Umgießwerkstoff eine Schwermetallegierung auf Cu-, Ni- oder Fe-Basis verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch geken zeichnet, daß die Schwermetallegierung auf Cu-Basis eine Aluminiumbronze ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumbronze die folgende Zusammensetzung hat: Cu bis 76,0 Gew.-%
AI 8,5 bis 11,0 Gew.-%
Ni 4,0 bis 6,5 Gew.-%
Fe 3, 5 bis 5,5 Gew.-%
Mn maximal 3,0 Gew.-%
wobei weitere Verunreinigungen in einer Menge von bis zu 0,8 Gew.-% enthalten sein können.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch geken zeichnet , daß die Schwermetallegierung auf Cu-Basis eine Kupfer- Beryllium-Bronze ist.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Schwermetallegierung auf Cu-Basis eine Kupfer- Nickel-Silizium-Bronze ist.
13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallegierung auf Ni-Basis folgende Bestandteile er-.hält:
Cu 28 bis 32 Gew.-%
Fe maximal 3,0 Gew.-%
Mn 0,5 bis 1,5 Gew.-%
C 0,1 bis 0,3 Gew.-%
Si 0,5 bis 1,5 Gew.-%
S maximal 0,05 Gew.-%
Mg 0,08 bis 0,12 Gew.-%,
Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen
14. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallegierung auf Fe-Basis ein austenitischer Grauguß (Ni-Resist) mit Lamellengraphit oder Kugelgraphit ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallegierung auf Fe-Basis Ni-Resist Typ 1 mit den folgenden Bestandteilen ist:
C maximal 3,0 Gew.-%
Si 1, 0 bis 2, 8 Gew.-%
Mn 1,0 bis 1,5 Gew.-%
Ni 13,5 bsi 17,5 Gew.-%
Cu 5,5 bis 7,5 Gew.-%
Cr 1,75 bis 2,5 Gew.-% Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallegierung auf Fe-Basis Ni-Resist Typ D2C mit den folgenden Bestandteilen ist:
C maximal 2,9 Gew.-% Si 2,0 bis 3,0 Gew.-% Mn 1, 8 bis 2,4 Gew.-% Ni 21,0 bis 24,0 Gew.-% Cr maximal 0,5 Gew.-% Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kontaktflächen der Werkstücke Aufrauhungen, Verzahnungen, Rillen, Rippen, Nuten oder dergleichen, für eine formschlüssige Verklammerung zwischen den Werkstücken und dem Verbindungskörper vorgesehen sind.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Maßnahmen zur Schaffung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Umgießwerkstoff und den Werkstoffen der Werkstücke vorgesehen sind.
19. Verbundbauteil, in Form eines gebauten Kolbens, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenkopf (9) und der Kolbenschaft (10) durch einen Verbindungskörper (11) verbunden sind.
20. Verbundbauteil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenkopf aus Keramik, Grauguß oder einer Leichmetallegierung besteht.
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