WO2013186055A2 - Metallisches gussbauteil und verfahren zur herstellung eines metallischen gussbauteils - Google Patents

Metallisches gussbauteil und verfahren zur herstellung eines metallischen gussbauteils Download PDF

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WO2013186055A2
WO2013186055A2 PCT/EP2013/061112 EP2013061112W WO2013186055A2 WO 2013186055 A2 WO2013186055 A2 WO 2013186055A2 EP 2013061112 W EP2013061112 W EP 2013061112W WO 2013186055 A2 WO2013186055 A2 WO 2013186055A2
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cast
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Ingolf Behm
Stefan Scharf
Sven RÖPKE
Joachim SCHNEIBEL
Manja Krüger
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a metallic cast component, in particular for parts of a
  • Internal combustion engine or a reciprocating compressor such as a piston, a cylinder head, a transmission housing, a crankcase and / or another housing is provided.
  • the invention relates to a method for producing a metallic cast component, in particular for parts of an internal combustion engine or a reciprocating compressor such as a piston, a cylinder head, a gear housing, a crankcase and / or another housing, which consists of a cast material or more cast materials, such as cast iron and or ferrous aluminide and / or light metal, in which a first portion of the cast component is produced in a first casting operation and a second portion of the cast component is produced in a second casting operation.
  • a method for producing a metallic cast component in particular for parts of an internal combustion engine or a reciprocating compressor such as a piston, a cylinder head, a gear housing, a crankcase and / or another housing, which consists of a cast material or more cast materials, such as cast iron and or ferrous aluminide and / or light metal, in which a first portion of the cast component is produced in a first casting operation and a second portion of the cast component is produced in a second casting operation.
  • Verbundgussbauteils comprises an at least two-stage casting process in a casting, wherein in a first process step, a casting of a first material in the casting device is produced by casting and then in a second process step, the composite casting is finished by replacing one or more cores the first step during the
  • Cooling of the first material cores are changed geometry used in the pouring device before the casting process is completed in the second process step by pouring the second material.
  • DE 100 02 440 A1 discloses a primer layer of a nickel-aluminum alloy and a nickel-titanium alloy to be applied to a cast part first, the cast part.
  • a cylinder head with support structures for stabilizing a jacket made of light metal shows the document EP 2 024 1 16 B1. The loads of cast components for internal combustion engines increased by
  • the invention has the object, a cast component and a method for producing a cast component of the type mentioned in such a way that the cast component meets the increased requirements.
  • the first embodiment relates to a cast component which exclusively comprises an iron aluminide.
  • the second embodiment relates to a cast component which comprises one of at least two
  • Sections existing composite casting is, each of the sections has a different density with respect to the casting material. It turned out that too
  • Cast component which is made entirely of ferric aluminide, which meets the increased requirements.
  • Iron aluminide has characteristics similar to those of cast iron, particularly in terms of temperature resistance and strength, but the density of iron aluminide is similar to that of a light metal such as aluminum.
  • a lightweight and at the same time durable cast component was created.
  • the cast component may also be a composite cast component, which consists of at least two sections, also called casting sections. These sections are created one after the other.
  • one of the sections is made of a more durable, denser material, such as a cast iron and / or an iron aluminide and / or a
  • the other section is ideally made of a lighter material, such as ferric aluminide and / or a light metal.
  • ferric aluminide or a combination of a durable material with a lightweight material it is possible to produce a cast component that meets the increased requirements.
  • cast iron cast iron with aluminide, aluminide with aluminum and aluminum with magnesium have proven. This is mainly due to the fact that these materials have similar thermal expansion coefficients, which reduces the formation of gaps and residual stresses.
  • the casting materials cast iron and aluminum may indeed form a gap between the components cooled to room temperature, but this is not a problem since the material with the lower density heats up when the cast component is heated
  • the sections may also be referred to as casting areas, with a section made earlier in terms of time also being called a cast part.
  • a Eingussteil which is provided in an at least partially solidified state for placement in another casting tool is also referred to as a depositor.
  • the first section, the cast part or the insert can be produced from both the resistant material and from the light material. It has proven to be particularly practical in production that the first section produced is made of the durable material. In particular, in an intermediate storage or the introduction into another casting tool this is easier to handle, because it is less sensitive.
  • iron aluminide the use of Fe x Al, in particular of Fe 3 AI has proven to be particularly favorable.
  • iron aluminide in particular as a primer layer, simple casting plants and simple casting techniques can be used, as a targeted adjustment of certain microstructures, especially in the light metals such as aluminum, is not necessary.
  • secondary raw materials such as recycled aluminum.
  • a casting subsequent process of heat treatment can be omitted.
  • the coating is at most 20 millimeters thick, but preferably thinner than 2 millimeters, and thus substantially thinner than the section of a section.
  • Iron aluminides are characterized by extremely high strengths, even at high temperatures. Compared with classic steels, they have a significantly reduced density and, at the same time, very good corrosion resistance
  • a further embodiment of the invention relates to a cast component, in which one of the sections of a combustion chamber and / or a gas line of an internal combustion engine
  • the first section is for example a boundary wall of a combustion chamber and comprises at least one outlet opening of the combustion chamber for exhaust gas.
  • the first produced section is an insert, which is at least partially surrounded by at least one second section. Since the portion defining the combustion chamber or an exhaust pipe of an internal combustion engine is subjected to higher stress than other portions of the cast component by temperature and / or pressure, this first portion is preferably made of a steel, cast iron, iron aluminide or high-strength light metal alloy.
  • the insert enclosing portion is also called shell casing.
  • the jacket housing is preferably made of an iron-aluminide or light metal.
  • An embodiment of the invention also relates to a cast component, in which the first section with respect to geometry, pressure and temperature resistance as a support member of
  • Cast components is executed.
  • Exterior surfaces of the casting provide additional stability, fatigue strength and rigidity to another section made from a lightweight, lower density material. Even by such a local reinforcement by partial use of high-strength materials, the specific power of an internal combustion engine can be increased.
  • a cast component for a cylinder head a separation of the different media-carrying channels by the combination of the light metals aluminum and magnesium take place.
  • this cast component can have individual cast iron surfaces for shielding from the hot gases of the combustion chamber and a cast iron or iron-aluminide support structure for increasing the rigidity or for reducing stress peaks.
  • An embodiment of the invention is that the first section is designed as a heat protection element or cooling element.
  • a heat protection element reflects the heat radiation so that it can not penetrate into the depth of the cast component.
  • Heat protection element also realize the function of a cooling element and dissipate heat targeted.
  • a cooling element heat exchangers with a large surface area are also referred to.
  • a section which is a boundary wall of at least one combustion chamber comprising at least one outlet opening of the combustion chamber for exhaust gas comprises an exhaust manifold.
  • Exhaust manifold according to the invention consists for example of a cast iron and / or an iron aluminide.
  • the invention also makes it possible to combine areas of the internal combustion engine that fulfill different functions in a cast component.
  • the cast component is a cylinder head or a cylinder housing, of which a portion is integrally formed with at least a part of a housing of a turbocharger. This makes it possible to reduce the number of parts and the assembly cost.
  • each section an independent water jacket is provided, in each of which a cooling fluid circulates.
  • a cooling fluid circulates.
  • independent casting process steps in particular by the use of a section as a depositor, a separation of the media-leading areas in a simple manner possible.
  • the separation of the media leading areas prevents corrosion as the cooling fluids in contact with different metals are separated.
  • the vibration resistance in the region of a water jacket or a gas exchange channel can by the formation of a
  • Support structure can be achieved.
  • the support structure is preferably made of an iron aluminide and is at least partially surrounded by an aluminum material.
  • cylinder heads made of cast iron are used.
  • Light metal such as aluminum are often used in passenger cars. These have the advantage of being light in weight. At higher temperatures, the strength of light metal decreases.
  • one section consists of a pressure-resistant material such as cast iron and the other section of a lightweight material, such as aluminum.
  • the elements of the cast component of a Cylinder heads which consist of pressure- or temperature-resistant materials, are for example the inlet and outlet channels.
  • Other elements for example conduits for cooling media or lubricants, are made of a light metal.
  • the cast body of the cylinder head consists partly or completely of this material.
  • iron aluminide is combined according to the invention with cast iron and / or a light metal.
  • a cast component which consists of a combination of the materials cast iron and
  • Alloy exists may form due to the different thermal expansion of the materials in the transition region columns.
  • the use according to the invention of iron aluminide as adhesion promoter layer between two sections makes it possible to improve the material bond in the transition region between different light metal alloys or between light metal and cast iron and thus reduce the tendency to fission, in particular during cooling after casting. This is achieved above all by applying the iron aluminide as a coating to an existing section before producing a further section.
  • a method is provided in which prior to a second casting operation on the first section a coating, in particular of iron aluminide as
  • Adhesive layer is applied.
  • a primer layer of iron aluminide it is possible to reduce the manufacturing costs compared to the prior art and to produce an improved cohesive connection between two sections in the casting. It is possible to use simple casting machines and casting techniques, since it is not necessary to deliberately adjust certain microstructures, in particular in light metals such as aluminum. In addition, it will be possible, even secondary raw materials, like again
  • the sections can be produced in a common casting tool. However, it has proved favorable that the sections are produced in separate casting tools, wherein the first section is arranged in the casting tool intended for the second or further casting operation before a second or further casting operation. In any case, the first cast and already partially or fully solidified section is surrounded by the second section. In this case, the sections connect materially.
  • Cast component is provided according to one of claims 1 to 6.
  • the coating is applied by means of casting, dipping, spraying and / or thermal spraying.
  • the coating forming a primer layer is ideally applied completely between the sections.
  • the coating is a liquid or solid material.
  • the coating and the section on which the coating is applied are charged statically in opposite directions for application. The improved by the coating
  • Bonding between the sections reduces the gap formation during the cooling of the cast component after the casting process.
  • the iron aluminide for the primer layer is provided as a coating, preferably in a solid phase, for example as a powder.
  • the application of the coating success preferably by means of thermal spraying, such as flame spraying, arc spraying or
  • the first section in particular a first section provided as a depositor of the cast component, is subjected to sandblasting prior to coating.
  • first casting material is used in the first casting process and a second casting material is used in the second casting process. This is the first one
  • the coating is a material connection with both the first and with the another section and thus forms the adhesion promoter layer.
  • This cohesive connection formed between the sections by means of a bonding agent layer has in particular during
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of a portion of a cast component
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the section shown in FIG. 1 with the casting cores of a casting tool before the casting of a further section of the cast component;
  • FIG. 3 shows a schematic exploded view of the section shown in FIG. 1 and of the further section of the cast component formed during casting;
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the cast component shown in FIG.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a cast component with two sections and a coating provided therebetween
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a flow chart of the method for producing a cast component
  • Fig. 7 is a schematic representation of a combustion chamber of a
  • Fig. 8 is a schematic representation of a combustion chamber of a
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of a second embodiment of a section of a cast component with a support structure
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a third embodiment of a section of a cast component with an exhaust manifold.
  • FIGS. 1 to 6 show a method for producing a metallic cast component 1.
  • the cast component 1 shown by way of example here is a cylinder head of one not further
  • the cast component 1 is a hybrid cylinder head consisting of two different cast materials.
  • a first section 2 of the cast component 1 consists of cast iron or iron aluminide, while a second section 3 of the cast component 1 consists of iron aluminide or a light metal.
  • the first section 2 of the cast component 1 is produced in a first casting tool.
  • the first section 2 taken from the first casting tool (not shown) is shown inter alia in FIG.
  • the first section 2 is inserted into a second casting tool 5. From the second casting tool in Figure 2, only one oil core 6 for generating a cavity, which later serves to receive a lubricant, and a water core 7 shown.
  • the water core 7 generates in the second section 3 a cavity, also called water jacket 10, which can serve to receive a cooling medium or cooling fluid.
  • a water jacket 1 1 arranged in the first section 2 is independent of the water jacket 10 of the second section 3. This serves to reduce corrosion in the cylinder head.
  • the second section 3 of the cast component 1 is produced.
  • FIGS. 3 and 4 the complete cast component 1 with the first section 2 and the second section 3 can be seen.
  • a coating 12 is applied to the first section 2
  • the coating 12 is made of an iron aluminide and is preferably applied by thermal spraying. 8. The application of an iron-aluminide coating is dispensed with if the first section 2 and the second section 3 consist of an iron aluminide.
  • FIGS. 7 and 8 show the first section 2 in a first embodiment as a combustion chamber plate of a cylinder head.
  • the combustion chamber plate comprises two gas outlet channels 13, two gas inlet channels 14 and also a part of the already described water jacket 1 1.
  • the combustion chamber facing side is shown. This side is also called cylinder head surface 15 and has outlet openings 16 of the gas outlet channels 13 and inlet openings 17 of the gas inlet channels 14.
  • FIG. 9 shows a second embodiment of the cast component 1, in particular its first section 2.
  • This first section 2 comprises a support element 18
  • the second section 3 encloses the first section 2 and forms the
  • Shell casing a cylinder head, while the first portion 2 is designed as a combustion chamber plate with the cylinder head surface 15.
  • FIG. 10 shows a third embodiment of the cast component 1, in particular its first section 2.
  • This first section 2 comprises an exhaust manifold 19.
  • a housing of a turbocharger 20 is arranged on the exhaust manifold 19 by means of a screw connection.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein metallisches Gussbauteil (1), das insbesondere für Teile von Verbrennungskraftmaschinen oder Kolbenverdichtern wie Kolben, Getriebegehäuse, Kurbelgehäuse und andere Gehäuse und/oder Zylinderköpfe, vorgesehen ist, wobei das Gussbauteil (1) zumindest abschnittsweise aus einem Eisen-Aluminid besteht und/oder ein Verbundgussbauteil mit zumindest zwei Abschnitten (2, 3) ist, welche aus einem Gusseisen und/oder einem Eisen-Aluminid und/oder einem Leichtmetall bestehen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Gussbauteils (1), insbesondere für Teile von Verbrennungskraftmaschinen oder Kolbenverdichtern wie Kolben, Getriebegehäuse, Kurbelgehäuse und andere Gehäuse und/oder Zylinderköpfe, das aus einem oder mehreren Gusswerkstoffen wie Gusseisen und/oder Eisen-Aluminid und/oder Leichtmetall besteht, bei dem in einem ersten Gussvorgang ein erster Abschnitt (2) des Gussbauteils (1) und in einem weiteren Gussvorgang ein weiterer Abschnitt (3) des Gussbauteils (1) erzeugt wird und bei dem vor dem weiteren Gussvorgang auf den ersten Abschnitt (2) eine Beschichtung, insbesondere aus Eisen-Aluminid und/oder einer Nickel-Legierung, als Haftvermittlerschicht aufgetragen wird.

Description

Beschreibung
Metallisches Gussbauteil und Verfahren zur Herstellung eines metallischen Gussbauteils
Die Erfindung betrifft ein metallisches Gussbauteil, das insbesondere für Teile einer
Verbrennungskraftmaschine oder eines Kolbenverdichters wie ein Kolben, ein Zylinderkopf, ein Getriebegehäuse, ein Kurbelgehäuse und/oder ein anderes Gehäuse vorgesehen ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Gussbauteils, insbesondere für Teile einer Verbrennungskraftmaschine oder eines Kolbenverdichters wie ein Kolben, ein Zylinderkopf, ein Getriebegehäuse, ein Kurbelgehäuse und/oder ein anderes Gehäuse, welches aus einem Gusswerkstoff oder mehreren Gusswerkstoffen, wie Gusseisen und/oder Eisen-Aluminid und/oder Leichtmetall besteht, bei dem in einem ersten Gussvorgang ein erster Abschnitt des Gussbauteils erzeugt wird und in einem zweiten Gussvorgang ein zweiter Abschnitt des Gussbauteils erzeugt wird.
Ein Verfahren der genannten Art ist aus der DE 10 2005 015 186 A1 bekannt. Der
beschriebene Herstellprozess des Verbundgussbauteils umfasst einen mindestens zweistufigen Gießprozess in einer Gießeinrichtung, wobei in einem ersten Verfahrensschritt ein Eingussteil aus einem ersten Werkstoff in der Gießeinrichtung durch Gießen hergestellt wird und danach in einem zweiten Verfahrensschritt das Verbundgussteil fertiggegossen wird, indem durch Austausch eines oder mehrerer Kerne aus dem ersten Verfahrensschritt während des
Abkühlens des ersten Werkstoffs Kerne mit geänderter Geometrie in die Gießeinrichtung eingesetzt werden, bevor in dem zweiten Verfahrensschritt durch Eingießen des zweiten Werkstoffs der Gießvorgang abgeschlossen wird.
Um die stoffschlüssige Verbindung zweier Gussabschnitte bei einem Verbundgussbauteil zu verbessern, ist aus der Druckschrift DE 100 02 440 A1 eine auf einem zuerst gegossenen Abschnitt, dem Eingussteil, aufzubringende Haftvermittlerschicht aus einer Nickel-Aluminium- Legierung und einer Nickel-Titan-Legierung bekannt. Einen Zylinderkopf mit Stützstrukturen zur Stabilisierung eines aus Leichtmetall bestehenden Mantelgehäuses zeigt die Druckschrift EP 2 024 1 16 B1. Die Belastungen von Gussbauteilen für Verbrennungskraftmaschinen durch erhöhten
Verbrennungsdruck sowie erhöhte Verbrennungs- als auch Abgastemperaturen nehmen insbesondere mit zunehmenden Downsizing-Maßnahmen zu. Gleichzeitig besteht die
Anforderung, das Gewicht der Gussbauteile so gering wie möglich zu halten.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gussbauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass das Gussbauteil die erhöhten Anforderungen erfüllt.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Gussbauteil gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß sind zwei Ausführungsformen eines Gussbauteils vorgesehen. Die erste Ausführungsform betrifft ein Gussbauteil, welches ausschließlich ein Eisen-Aluminid aufweist. Die zweite Ausführungsform betrifft ein Gussbauteil, welches ein aus zumindest zwei
Abschnitten bestehendes Verbundgussbauteil ist, wobei jeder der Abschnitte einen hinsichtlich der Dichte anderen Gusswerkstoff aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass auch ein
Gussbauteil, welches vollständig aus Eisen-Aluminid besteht, die erhöhten Anforderungen erfüllt. Eisen-Aluminid weist insbesondere hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit und der Festigkeit ähnliche Eigenschaften auf, wie Gusseisen - die Dichte von Eisen-Aluminid ist jedoch der eines Leichtmetalls wie Aluminium ähnlich. Somit wurde erfindungsgemäß ein leichtes und zugleich beständiges Gussbauteil geschaffen.
Das Gussbauteil kann auch ein Verbundgussbauteil sein, welches aus zumindest zwei Abschnitten, auch Gussabschnitte genannt, besteht. Diese Abschnitte werden nacheinander erzeugt. Vorzugsweise ist einer der Abschnitte aus einem beständigeren, dichteren Werkstoff, beispielsweise aus einem Gusseisen und/oder einem Eisen-Aluminid und/oder einem
Leichtmetall. Der andere Abschnitt besteht idealerweise aus einem leichteren Werkstoff, beispielsweise Eisen-Aluminid und/oder einem Leichtmetall. Durch den Einsatz von Eisen- Aluminid oder einer Kombination eines beständigen Werkstoffs mit einem leichten Werkstoff ist es möglich, ein Gussbauteil zu erzeugen, welches die erhöhten Anforderungen erfüllt.
Als besonders günstig haben sich die Kombinationen der Gusswerkstoffe Gusseisen mit Eisen- Aluminid, Aluminid mit Aluminium und Aluminium mit Magnesium erwiesen. Dies liegt vor allem darin begründet, dass diese Werkstoffe ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, was die Spaltbildung und Eigenspannungen reduziert. Bei einer weiteren, bevorzugten Kombination der Gusswerkstoffe Gusseisen und Aluminium kann sich zwischen den auf Raumtemperatur abgekühlten Bauteilen zwar ein Spalt bilden, dieser ist jedoch unproblematisch, da bei der Erwärmung des Gussbauteils der Werkstoff mit der geringeren Dichte eine stärkere
Wärmeausdehnung aufweist, wodurch dieser auf den Abschnitt mit der geringeren
Wärmeausdehnung aufschrumpft und so den Spalt schließt. Andere Werkstoffkombinationen sind Gusseisen mit Magnesium oder Eisen-Aluminid mit Aluminium oder Eisen-Aluminid mit Magnesium. Die genannten Werkstoffe beziehen sich sowohl auf den reinen Werkstoff als auch auf Legierungen, denen der entsprechende Werkstoff zugrunde liegt.
Die Abschnitte können auch als Gussbereiche bezeichnet werden, wobei ein zeitlich früher hergestellter Abschnitt auch Eingussteil genannt wird. Ein Eingussteil, welches in einem zumindest teilweise erstarrten Zustand zur Anordnung in einem weiteren Gießwerkzeug vorgesehen ist, wird auch als Einleger bezeichnet. Bei einem Gussbauteil aus zwei Abschnitten kann der erste Abschnitt, das Eingussteil beziehungsweise der Einleger, sowohl aus dem beständigen Werkstoff als auch aus dem leichten Werkstoff erzeugt sein. Es hat sich in der Produktion als besonders praktisch erwiesen, dass der zuerst erzeugte Abschnitt aus dem beständigen Werkstoff besteht. Insbesondere bei einer Zwischenlagerung oder dem Einbringen in ein weiteres Gusswerkzeug ist dieser leichter zu handhaben, weil er weniger empfindlich ist. Bei der Verwendung von Eisen-Aluminid hat sich der Einsatz von FexAI, insbesondere von Fe3AI als besonders günstig erwiesen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen zwei benachbarten Abschnitten eine Beschichtung aus einem Eisen-Aluminid und/oder einer Nickel-Legierung als Haftvermittlerschicht aufgebracht ist. Hierdurch wird es möglich, ein erhebliches
Einsparpotential bei den Fertigungskosten zu schaffen. Durch die Verwendung eines Eisen- Aluminids, insbesondere als Haftvermittlerschicht, können einfache Gießanlagen und einfache Gießtechniken eingesetzt werden, da eine gezielte Einstellung bestimmter Gefügestrukturen, insbesondere bei den Leichtmetallen wie Aluminium, nicht notwendig ist. Darüber hinaus ist es auch möglich, Sekundärrohstoffe wie wieder aufbereitetes Aluminium einzusetzen. Auch kann ein dem Gießen nachfolgender Prozess der Wärmebehandlung entfallen. Die Beschichtung ist maximal 20 Millimeter dick, vorzugsweise jedoch dünner als 2 Millimeter und somit wesentlich dünner als der Querschnitt eines Abschnitts. Eisen-Aluminide zeichnen sich durch extrem hohe Festigkeiten, auch bei hohen Temperaturen, aus. Sie haben gegenüber klassischen Stählen eine deutlich verringerte Dichte bei zugleich sehr guter Korrosionsbeständigkeit in
verschiedenen Medien. Als Haftvermittlerschicht zwischen den Werkstoffen Eisen und Aluminium eignet sich der Werkstoff Eisen-Aluminid speziell aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein Gussbauteil, bei dem einer der Abschnitte einer Brennkammer und/oder einer Gasleitung einer Verbrennungskraftmaschine
beziehungsweise eines Kolbenverdichters zugeordnet ist und/oder diese begrenzt. Der erste Abschnitt ist beispielsweise eine Begrenzungswand eines Brennraums und umfasst wenigstens eine Auslassöffnung des Brennraums für Abgas. Vorzugsweise ist der zuerst hergestellte Abschnitt ein Einleger, der von wenigstens einem zweiten Abschnitt zumindest abschnittsweise umgössen wird. Da der Abschnitt, welcher die Brennkammer oder eine Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine begrenzt, durch Temperatur und/oder Druck höher beansprucht wird als ein anderer Abschnitt des Gussbauteils, ist dieser erste Abschnitt vorzugsweise aus einem Stahl, Gusseisen, Eisen-Aluminid oder einer hochfesten Leichtmetalllegierung hergestellt. Der den Einleger umschließende Abschnitt wird auch Mantelgehäuse genannt. Das Mantelgehäuse besteht vorzugsweise aus einem Eisen-Aluminid oder Leichtmetall.
Eine Ausgestaltung der Erfindung betrifft auch ein Gussbauteil, bei dem der erste Abschnitt hinsichtlich Geometrie, Druck- und Temperaturbeständigkeit als ein Stützelement des
Gussbauteils ausgeführt ist. Eine solche Stützstruktur im Inneren und/oder an den
Außenflächen des Gusskörpers gibt einem weiteren, aus einem leichten, eine geringere Dichte aufweisenden Werkstoff hergestellten Abschnitt zusätzliche Stabilität, Schwingfestigkeit und Steifigkeit. Auch durch eine solche lokale Verstärkung mittels partiellen Einsatzes von hochfesten Werkstoffen kann die spezifische Leistung einer Verbrennungskraftmaschine gesteigert werden. Beispielsweise kann ein Gussbauteil für einen Zylinderkopf eine Trennung der unterschiedlichen, Medien führenden Kanäle durch die Kombination der Leichtmetalle Aluminium und Magnesium erfolgen. Zugleich kann dieses Gussbauteil zur Abschirmung gegenüber den Heißgasen des Brennraums einzelne Oberflächen aus Gusseisen und zur Erhöhung der Steifigkeit beziehungsweise zum Abbau von Spannungsspitzen eine Stützstruktur aus Gusseisen oder Eisen-Aluminid aufweisen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist es, dass der erste Abschnitt als Hitzeschutzelement oder Kühlelement ausgestaltet ist. Ein Hitzeschutzelement reflektiert die Wärmestrahlung, sodass diese nicht in die Tiefe des Gussbauteils eindringen kann. Zugleich kann ein
Hitzeschutzelement auch die Funktion eines Kühlelements realisieren und Wärme gezielt ableiten. Als Kühlelement werden auch Wärmetauscher mit großer Oberfläche bezeichnet. Auch eine Ausgestaltung der Erfindung ist es, dass ein Abschnitt, der eine Begrenzungswand zumindest eines Brennraums umfassend wenigstens eine Auslassöffnung des Brennraums für Abgas ist, einen Abgaskrümmer umfasst. Durch die Integration des Abgaskrümmers in beispielsweise eine sogenannte Brennraumplatte eines Zylinderkopfgehäuses, werden das Zylinderkopfgehäuse und der Abgaskrümmer zu einem einteiligen Gussbauteil. Dies spart einerseits Fertigungsschritte ein und andererseits entfällt der aufwendige Anschluss des Abgaskrümmers an das Zylinderkopfgehäuse, welcher bei hohen Temperaturen und hohem Druck beständig sein muss. Der gemeinsam mit einem der Abschnitte gegossene
Abgaskrümmer besteht erfindungsgemäß beispielsweise aus einem Gusseisen und/oder einem Eisen-Aluminid.
Die Erfindung ermöglicht es weiterhin, Bereiche der Verbrennungskraftmaschine, die unterschiedliche Funktionen erfüllen, in einem Gussbauteil zusammenzufassen. Exemplarisch ist eine Ausgestaltungsform, bei der das Gussbauteil ein Zylinderkopf oder ein Zylindergehäuse ist, von dem ein Abschnitt einteilig mit zumindest einem Teil eines Gehäuses eines Turboladers ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, die Zahl der Teile und den Montageaufwand zu reduzieren.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass in jedem Abschnitt ein unabhängiger Wassermantel vorgesehen ist, in dem jeweils ein Kühlfluid zirkuliert. Durch unabhängige Gießprozessschritte, insbesondere durch die Verwendung eines Abschnitts als Einleger ist eine Trennung der Medien führenden Bereiche auf einfache Weise möglich. Die Trennung der Medien führenden Bereiche verhindert die Korrosion, da die mit unterschiedlichen Metallen in Kontakt stehenden Kühlfluide voneinander getrennt sind. Die Schwingfestigkeit im Bereich eines Wassermantels oder eines Gaswechselkanals kann durch die Ausbildung einer
Stützstruktur erreicht werden. Die Stützstruktur ist bevorzugt aus einem Eisen-Aluminid gefertigt und wird von einem Aluminiumwerkstoff zumindest abschnittsweise umgössen.
Bei Lastkraftwagen zum Beispiel werden Zylinderköpfe aus Gusseisen eingesetzt.
Zylinderköpfe aus Gusseisen haben den Vorteil, dass in der Brennkammer und den
Gaswechselkanälen hohe Drücke erreicht werden können. Zylinderköpfe aus einem
Leichtmetall wie Aluminium werden häufig bei Personenkraftwagen eingesetzt. Diese haben den Vorteil, ein geringes Gewicht aufzuweisen. Bei höheren Temperaturen nimmt die Festigkeit von Leichtmetall ab. Bei einem erfindungsgemäßen Hybrid-Zylinderkopf aus zwei Abschnitten besteht ein Abschnitt aus einem druckfesten Werkstoff wie Gusseisen und der andere Abschnitt aus einem leichten Werkstoff, beispielsweise Aluminium. Die Elemente des Gussbauteils eines Zylinderkopfs, welche aus druck- oder temperaturbeständigen Werkstoffen bestehen, sind beispielsweise die Ein- und Auslasskanäle. Andere Elemente, zum Beispiel Leitungen für Kühlmedien oder Schmierstoffe, sind aus einem Leichtmetall hergestellt.
Ein Gemisch aus Eisen und Aluminium, Eisen-Aluminid, hat sich als besonders günstig erwiesen, die gehobenen Anforderungen zu erfüllen. Erfindungsgemäß besteht der Gusskörper des Zylinderkopfs teilweise oder vollständig aus diesem Werkstoff. Bei einem Gusskörper aus mehreren Werkstoffen wird Eisen-Aluminid erfindungsgemäß mit Gusseisen und/oder einem Leichtmetall kombiniert.
Bei einem Gussbauteil, welches aus einer Kombination der Werkstoffe Gusseisen und
Leichtmetall besteht, können sich aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Werkstoffe im Übergangsbereich Spalten bilden. Die erfindungsgemäße Verwendung von Eisen-Aluminid als Haftvermittlerschicht zwischen zwei Abschnitten ermöglicht es, dass sich im Übergangsbereich zwischen unterschiedlichen Leichtmetall-Legierungen oder zwischen Leichtmetall und Gusseisen der Stoffschluss verbessert und somit die Spaltbildungsneigung, insbesondere beim Abkühlen nach dem Guss, herabgesetzt wird. Dies wird vor allem erreicht, indem das Eisen-Aluminid vor dem Erzeugen eines weiteren Abschnitts als Beschichtung auf einen bestehenden Abschnitt aufgetragen wird.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des
Patentanspruchs 7. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem vor einem zweiten Gussvorgang auf den ersten Abschnitt eine Beschichtung, insbesondere aus Eisen-Aluminid als
Haftvermittlerschicht aufgetragen wird. Durch den Einsatz einer Haftvermittlerschicht aus Eisen- Aluminid ist es möglich, die Fertigungskosten gegenüber dem Stand der Technik zu senken und eine verbesserte stoffschlüssige Verbindung zwischen zwei Abschnitten im Guss zu erzeugen. Ein Einsatz einfacher Gießanlagen und Gießtechniken ist möglich, da eine gezielte Einstellung bestimmter Gefügestrukturen, insbesondere bei den Leichtmetallen wie Aluminium, nicht notwendig ist. Darüber hinaus wird es möglich, auch Sekundärrohstoffe, wie wieder
aufbereitetes Aluminium einzusetzen. Es hat sich herausgestellt, dass sich gerade Eisen- Aluminid durch extrem hohe Festigkeitswerte bei relativ geringer Dichte auszeichnet. Sein Wärmeausdehnungsverhalten entspricht annähernd dem von Aluminium-Silizium-Legierungen, sodass keine gesteigerten Eigenspannungen durch eine Werkstoffkombination von beispielsweise Gusseisen mit Aluminium zu erwarten sind. Das Herstellen eines Gussbauteils aus zumindest zwei unterschiedlichen Werkstoffen wird auch Hybridgießen genannt.
Die Abschnitte können in einem gemeinsamen Gießwerkzeug erzeugt werden. Es hat sich jedoch als günstig erwiesen, dass die Abschnitte in getrennten Gießwerkzeugen erzeugt werden, wobei der erste Abschnitt vor einem zweiten oder weiteren Gussvorgang in dem für den zweiten oder weiteren Gussvorgang vorgesehenen Gießwerkzeug angeordnet wird. In jedem Fall wird der zuerst gegossene und bereits teilweise oder vollständig erstarrte Abschnitt von dem zweiten Abschnitt umgössen. Dabei verbinden sich die Abschnitte stoffschlüssig.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist es, wenn das Verfahren zu Herstellung eines
Gussbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 6 vorgesehen ist.
Günstig ist weiterhin, dass die Beschichtung mittels Gießen, Tauchen, Besprühen und/oder thermisches Spritzen aufgetragen wird. Die eine Haftvermittlerschicht bildende Beschichtung wird idealerweise vollständig zwischen den Abschnitten aufgebracht. Die Beschichtung ist ein flüssiger oder fester Werkstoff. Bei einem festen Werkstoff ist die Verwendung von Pulver oder Flocken praktisch. Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass die Beschichtung und der Abschnitt, auf dem die Beschichtung aufgebracht wird, zum Auftragen gegensätzlich statisch aufgeladen werden. Der durch die Beschichtung verbesserte
Stoffschluss zwischen den Abschnitten verringert die Spaltbildung bei der Abkühlung des Gussbauteils nach dem Gießprozess.
Das Eisen-Aluminid für die Haftvermittlerschicht wird als Beschichtung vorzugsweise in einer festen Phase, zum Beispiel als Pulver, bereitgestellt. Das Aufbringen der Beschichtung erfolg bevorzugt mittels thermischen Spritzens, wie Flammspritzen, Lichtbogenspritzen oder
Hochgeschwindigkeitsspritzen. In einer Weiterbildung der Erfindung wird der erste Abschnitt, insbesondere ein als Einleger des Gussbauteils vorgesehener erster Abschnitt, vor dem Beschichten einem Sandstrahlen unterzogen.
Vorteilhaft ist es, dass bei dem ersten Gussvorgang ein erster Gusswerkstoff und bei dem zweiten Gussvorgang ein zweiter Gusswerkstoff verwendet wird. Dabei ist der erste
Gusswerkstoff eine sich von dem zweiten Gusswerkstoff unterscheidende metallische
Legierung. Beim Umgießen eines beschichteten ersten Abschnitts und/oder ersten
Gusswerkstoffs mit einem weiteren Abschnitt und/oder weiteren Gusswerkstoff geht die Beschichtung eine stoffschlüssige Verbindung sowohl mit dem ersten als auch mit dem weiteren Abschnitt ein und bildet so die Haftvermittlerschicht. Diese mittels Haftvermittlerschicht gebildete stoffschlüssige Verbindung zwischen den Abschnitten hat insbesondere beim
Abkühlen des Gussbauteils gegenüber dem Stand der Technik eine geringere Neigung zur Spaltbildung.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind drei davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend
beschrieben. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Abschnitts eines Gussbauteils;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des in Figur 1 gezeigten Abschnitts mit den Gießkernen eines Gießwerkzeugs vor dem Guss eines weiteren Abschnitts des Gussbauteils;
Fig. 3 eine schematische Explosionsdarstellung des in Figur 1 gezeigten Abschnitts und des beim Gießen entstandenen weiteren Abschnitts des Gussbauteils;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des in Figur 3 gezeigten Gussbauteils mit den
stoffschlüssig verbundenen Abschnitten;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Gussbauteils mit zwei Abschnitten und einer dazwischen vorgesehenen Beschichtung;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Ablaufschemas des Verfahrens zur Herstellung eines Gussbauteils;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer einem Brennraum einer
Verbrennungskraftmaschine abgewandten Seite des in Figur 1 gezeigten Abschnitts eines Gussbauteils;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer einem Brennraum einer
Verbrennungskraftmaschine zugewandten Seite des in Figur 1 gezeigten Abschnitts eines Gussbauteils; Fig. 9 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Abschnitts eines Gussbauteils mit einer Stützstruktur;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Abschnitts eines Gussbauteils mit einem Abgaskrümmer.
Die Figuren 1 bis 6 zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Gussbauteils 1. Das hier exemplarisch gezeigte Gussbauteil 1 ist ein Zylinderkopf einer nicht weiter
dargestellten Verbrennungskraftmaschine. Das Gussbauteil 1 ist ein Hybrid-Zylinderkopf, bestehend aus zwei verschiedenen Gusswerkstoffen. Ein erster Abschnitt 2 des Gussbauteils 1 besteht aus Gusseisen oder Eisen-Aluminid, während ein zweiter Abschnitt 3 des Gussbauteils 1 aus Eisen-Aluminid oder einem Leichtmetall besteht. In einem ersten Gussvorgang 4 wird in einem ersten Gießwerkzeug der erste Abschnitt 2 des Gussbauteils 1 erzeugt. Der dem nicht weiter dargestellten ersten Gießwerkzeug entnommene erste Abschnitt 2 ist unter anderem in Figur 1 dargestellt. Nach dem Erstarren wird der erste Abschnitt 2 in ein zweites Gießwerkzeug eingelegt 5. Von dem zweiten Gießwerkzeug sind in Figur 2 nur ein Ölkern 6 zur Erzeugung eines Hohlraums, der später der Aufnahme eines Schmiermittels dient, und ein Wasserkern 7 abgebildet. Der Wasserkern 7 erzeugt in dem zweiten Abschnitt 3 einen Hohlraum, auch Wassermantel 10 genannt, welcher zur Aufnahme eines Kühlmediums oder Kühlfluids dienen kann. Ein in dem ersten Abschnitt 2 angeordneter Wassermantel 1 1 ist unabhängig von dem Wassermantel 10 des zweiten Abschnitts 3. Dies dient der Verminderung von Korrosion in dem Zylinderkopf. In einem anschließenden zweiten Gussvorgang 9 wird der zweite Abschnitt 3 des Gussbauteils 1 erzeugt. In den Figuren 3 und 4 ist das vollständige Gussbauteil 1 mit dem ersten Abschnitt 2 und dem zweiten Abschnitt 3 zu erkennen. Vor dem zweiten Gussvorgang 9 wird auf den ersten Abschnitt 2 eine Beschichtung 12 aufgetragen 8. Die als
Haftvermittlerschicht zwischen dem ersten Abschnitt 2 und dem zweiten Abschnitt 3
fungierende Beschichtung 12 besteht aus einem Eisen-Aluminid und wird vorzugsweise durch thermisches Spritzen aufgetragen 8. Das Aufbringen einer Eisen-Aluminid Beschichtung entfällt, wenn der erste Abschnitt 2 und der zweite Abschnitt 3 aus einem Eisen-Aluminid bestehen.
Die Figuren 7 und 8 zeigen den ersten Abschnitt 2 in einer ersten Ausführungsform als eine Brennraumplatte eines Zylinderkopfs. Die Brennraumplatte umfasst zwei Gasauslasskanäle 13, zwei Gaseinlasskanäle 14 und weiterhin einen Teil des bereits beschriebenen Wassermantels 1 1. In Figur 8 ist die einem Brennraum zugewandte Seite gezeigt. Diese Seite wird auch Zylinderkopffläche 15 genannt und weist Auslassöffnungen 16 der Gasauslasskanäle 13 und Einlassöffnungen 17 der Gaseinlasskanäle 14 auf. Figur 9 zeigt eine zweite Ausführungsform des Gussbauteils 1 , insbesondere dessen ersten Abschnitt 2. Dieser erste Abschnitt 2 umfasst eine aus Stützelementen 18 bestehende
Stützstruktur. Der zweite Abschnitt 3 umschließt den ersten Abschnitt 2 und bildet das
Mantelgehäuse eines Zylinderkopfs, während der erste Abschnitt 2 als Brennraumplatte mit der Zylinderkopffläche 15 ausgeführt ist.
Figur 10 zeigt eine dritte Ausführungsform des Gussbauteils 1 , insbesondere dessen ersten Abschnitt 2. Dieser erste Abschnitt 2 umfasst einen Abgaskrümmer 19. An dem Abgaskrümmer 19 ist mittels einer Schraubverbindung ein Gehäuse eines Turboladers 20 angeordnet.
Bezugszeichenliste
Gussbauteil
erster Abschnitt
zweiter/weiterer Abschnitt
erster Gussvorgang
Einlegen Ölkern
Wasserkern
Auftragen
zweiter Gussvorgang
Wassermantel Wassermantel
Beschichtung
Gasauslasskanal
Gaseinlasskanal
Zylinderkopffläche Auslassöffnungen
Einlassöffnungen
Stützelement
Abgaskrümmer
Turbolader

Claims

Patentansprüche
1. Metallisches Gussbauteil (1 ), das insbesondere als ein Teil von einer
Verbrennungskraftmaschine wie ein Kolben, ein Zylinderkopf, ein Zylindergehäuse und/oder ein Kurbelgehäuse vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das
Gussbauteil (1 ) ausschließlich ein Eisen-Aluminid aufweist oder ein, aus zumindest zwei Abschnitten (2, 3) bestehendes Verbundgussbauteil ist, wobei jeder der Abschnitte (2, 3) einen hinsichtlich der Dichte anderen Gusswerkstoff aufweist.
2. Gussbauteil (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei benachbarten
Abschnitten (2, 3) der eine der Abschnitte (2, 3) eine Gusseisenlegierung oder ein Eisen- Aluminid oder eine Aluminiumlegierung aufweist und der andere der Abschnitte (2, 3) ein Eisen-Aluminid oder eine Aluminiumlegierung oder eine Magnesiumlegierung aufweist.
3. Gussbauteil (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Abschnitten (2, 3) eine Beschichtung (12) aus einem Eisen-Aluminid als Haftvermittlerschicht aufgebracht ist.
4. Gussbauteil (1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Abschnitte (2, 3), welcher einen dichteren Gusswerkstoff aufweist, einer Brennkammer und/oder einer Gasleitung einer Verbrennungskraftmaschine zugeordnet ist und/oder diese begrenzt.
5. Gussbauteil (1 ) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass einer der Abschnitte (2, 3), welcher einen dichteren Gusswerkstoff aufweist, hinsichtlich Geometrie, Spannungsverteilung, Druck- und/oder
Temperaturbeständigkeit als ein Stützelement (18) des Gussbauteils (1 ) ausgeführt ist.
6. Gussbauteil (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Abschnitte (2, 3), welcher einen dichteren Gusswerkstoff aufweist, einen Abgaskrümmer (19) und/oder Teile eines Gehäuses eines Turboladers (20) umfasst.
7. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Gussbauteils (1 ), insbesondere für Teile von Verbrennungskraftmaschinen wie Kolben, Zylinder, Zylinderkopfgehäuse und/oder
Kurbelgehäuse, das einen oder mehreren Gusswerkstoffe wie Gusseisen und/oder Eisen- Aluminid und/oder Leichtmetall aufweist, bei dem in einem ersten Gussvorgang (4) ein erster Abschnitt (2) des Gussbauteils (1 ) erzeugt wird und in einem weiteren Gussvorgang (9) ein weiterer Abschnitt (3) des Gussbauteils (1 ) erzeugt wird, wobei vor dem weiteren Gussvorgang (9) auf den ersten Abschnitt (2) eine Beschichtung (12), insbesondere aus Eisen-Aluminid, als Haftvermittlerschicht aufgetragen (8) wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass bei dem ersten Gussvorgang (4) ein erster Gusswerkstoff und bei dem weiteren Gussvorgang (9) ein weiterer, sich von dem ersten Gusswerkstoff insbesondere metallurgisch unterscheidender Gusswerkstoff in einem Gießwerkzeug angeordnet wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die beiden Abschnitte (2, 3) in getrennten Gießwerkzeugen erzeugt werden und der erste Abschnitt (2) vor einem weiteren Gussvorgang (9) in dem für den weiteren Gussvorgang (9) vorgesehenen weiteren Gießwerkzeug angeordnet,
insbesondere in das weitere Gießwerkzeug eingelegt (5) wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) mittels Gießen, Tauchen, Besprühen und/oder thermischen Spritzens auf zumindest einen der Abschnitte (2, 3) aufgetragen (8) wird.
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