DE10113962A1

DE10113962A1 - Gießtechnisches Verfahren für unterschiedliche Werkstoffe

Info

Publication number: DE10113962A1
Application number: DE2001113962
Authority: DE
Inventors: Christian Herbst-Dederichs
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2002-10-02

Abstract

Gießtechnisches Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen, bestehend aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen, von denen der eine Werkstoff eine Legierung auf Eisenbasis und der andere eine Legierung auf Aluminiumbasis ist, mit den Verfahrensschritten: Auftragen einer metallischen Schicht auf einen Körper aus einer Eisenbasis-Legierung, wobei die metallische Schicht vorzugsweise eine Legierung auf Aluminiumbasis ist, Einlegen des beschichteten Körpers in eine Gießform, Umgießen des beschichteten Körpers mit einer Legierung auf Aluminiumbasis, wobei auf die metallische Schicht vor dem Umgießen ein Flussmittel aufgebracht wird, so dass es zur Reduktion bzw. zum Auflösen der sich auf der metallischen Schicht bildenden Oxidhaut kommt und dass der Gießwerkstoff mit der metallischen Schicht beim Umgießen eine metallurgische Bindung eingeht.

Description

Die Erfindung beschreibt ein gießtechnisches Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen, bestehend aus mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen, von denen der eine Werkstoff eine Legierung auf Eisenbasis und der andere eine Legierung auf Aluminiumbasis ist, mit den Verfahrensschritten: Auftragen einer metallischen Schicht auf einen Körper aus einer Eisenbasis-Legierung, wobei die metallische Schicht vorzugsweise eine Legierung auf Aluminiumbasis ist, Einlegen des beschichteten Körpers in eine Gießform, Umgießen des beschichteten Körpers mit einer Legierung auf Aluminiumbasis.

Um den tribologischen aber auch fertigungstechnischen Anforderungen in Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere dem System Kolben, Kolbenring und Zylinderlaufbuchse, gerecht zu werden, werden in den Motorblock verschleißbeständige Körper eingegossen. Dabei können je nach Beanspruchung unterschiedliche Werkstoffe kombiniert werden. Aus gewichts- und fertigungstechnischen Gründen wie auch der spezifischen Eigenschaften wegen, werden für Motorblöcke Aluminiumlegierungen verwendet. In den tribologisch beanspruchten Bereichen des Systems Kolben, Kolbenring und Zylinderlaufbuchse wird hingegen mit eisenhaltigen Basislegierungen gearbeitet, wobei zum Beispiel die Zylinderlaufbuchse in den Motorblock und das Ringträgerelement in den Kolben eingegossen wird. Durch die unterschiedlichen spezifischen Eigenschaften der Werkstoffe war es von jeher ein Problem, eine mechanische oder metallurgische Bindung zwischen den Werkstoffen herzustellen. Nicht nur die dynamischen auch die thermischen Eigenschaften in den Verbrennungskraftmaschinen stellen hier hohe Ansprüche an die Bindung.

Ein seit langem bekanntes Verfahren zur Erzielung einer metallurgischen Bindung ist das in der DE 95 86 14 beschriebene Alfin-Verfahren. Hierbei wird eine wenige hundertstel Millimeter dicke Aluminium-Legierung auf eine eisenhaltige Zylinderlaufbuchse aufgebracht, wobei eine diffusive Verbindung entsteht. Beim Umgießen der Zylinderlaufbuchse verbindet sich dann der Gießwerkstoff mit der Diffusionsschicht. Um die metallurgischen Bindungen zwischen dem eisenhaltigen Teil und der aufgebrachten Aluminiumschicht zu erhöhen, wird in der DE 23 44 899 vorgeschlagen, auf den eisenhaltigen Kern ein Flussmittel aufzubringen. Diese Maßnahme kann zwar die diffusive Bindung an den eisenhaltigen Kern unterstützen, wirkt aber nicht auf das Umgießen. Ein Problem der Bindung zwischen der durch das Alfin-Verfahren erzeugten Schicht und dem Umgießen mit einer Aluminium-Legierung, ist die sich bildende Oxidschicht auf dem Aluminium. Die Oxidschichten des Aluminiums besitzen einen sehr hohen Schmelzpunkt, von ca. 2000°C, übliche Aluminum-Legierung schmelzen meist bei unter 1000°C. Um diesem und den vorgenannten Problemen entgegenzutreten wird in der DE 43 25 864 A1 ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem über die Aluminiumschicht galvanisch eine Chromschicht abgeschieden wird. Eine nach diesem Verfahren erzeugte Bindung mag zwar höhere Festigkeiten liefern, bedingt aber gleichzeitig eine höhere Anzahl von Grenzschichten, in denen Poren und Bindefehler entstehen können.

Ein weiterer Nachteil ist, dass sich auf der Chromschicht eine Oxidschicht bildet, welche die Benetzung ebenfalls erschwert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zum Stand der Technik gehörigen Nachteile zu überwinden und eine Bindung, zwischen dem aus Eisenbasis bestehendem Bauteil und dem aluminiumhaltigen Gusswerkstoff zu erzeugen, welche die Festigkeiten der herkömmlichen Bindungen übersteigt und die metallurgische Anbindung verbessert. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dokumentiert.

Der erfindungsgemäße Gedanke überwindet die vorgenannten technischen Nachteile dadurch, dass auf die metallische Schicht nach dem Abkühlen und vor dem Umgießen ein Flussmittel aufgebracht wird, so dass es zur Reduktion bzw. zum Auflösen der sich auf der Aluminiumbeschichtung bildenden Oxidhaut kommt und dass der Gießwerkstoff mit der metallischen Schicht beim Umgießen eine metallurgische Bindung eingeht. Das Aufbrechen oder Eliminieren der Oxidschicht ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, dem Gusswerkstoff wird hierdurch ermöglicht die Bauteiloberfläche so zu benetzen, dass die molekularen und diffusiven Vorgänge nicht behindert werden. Die Folge ist eine, im Gegensatz zu herkömmlich umgossenen Bauteilen wesentlich verbesserte metallurgische Anbindung und eine sehr viel höhere Festigkeit der Metallbindung.

Im folgenden wird anhand eines Beispiels ein, den Patentansprüchen genügender Verfahrensablauf erläutert. Das Beispiel beschreibt das Eingießen einer Zylinderlaufbuchse in einen Motorblock. Vor dem Aufbringen der metallischen Schicht wird die Außenoberfläche der Zylinderlaufbuchse, zum Beispiel mittels Sandstrahlens, bearbeitet, damit die benötigte Oberflächengüte erreicht wird. In der auf diese Weise aufgerauhten Oberfläche kann sich die im folgenden Verfahrensschritt aufgebrachte metallische Schicht, zum einen mechanisch verklammern, zum zweiten bietet sie den metallurgischen Prozessen eine größere Oberfläche. Die nun aufzubringende metallische Schicht kann alternativ durch ein thermisches Spritzverfahren oder durch Alfinieren erzeugt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei den metallischen Schichten um Aluminiumlegierungen. Eine elementare Zusammensetzung ist aus der oben genannten Druckschrift DE 958 614 bekannt, es handelt sich hierbei um eine nur wenige hundertstel Millimeter dicke FeAl3-Schicht. Das sich auf der Aluminiumschicht bildende Oxid liegt meist als das sehr stabile Aluminiumoxid (Al2O3) vor. Der sehr hohe Schmelzpunkt von 2050°C und die hohe chemische Stabilität hemmen die Benetzung der Oberfläche beim Gießen und blockieren so die metallurgischen Prozesse zwischen den Werkstoffen. Bei den Gießwerkstoffen für die Motorblöcke handelt es sich hauptsächlich um Legierungen, die im wesentlichen aus Aluminium und Silizium gebildet werden. So liegt der Schmelzpunkt des Eutektikums des Zweistoffsystems aus Aluminium und Silizium bei 577°C. Ein Aufschmelzen der Oxidschicht während des Gießens ist somit nur bedingt möglich. Im nächsten Verfahrensschritt wird nun mittels Streichens oder Sprühens ein Flussmittel auf die Oberfläche der erkalteten metallischen Schicht aufgetragen. Die Oxidschicht wird aufgebrochen und der Gießwerkstoff kann die Oberfläche benetzen. Als Flussmittel können solche eingesetzt werden, die eine hohe Affinität zur vorliegenden Oxidschicht besitzen und die diese entsprechend auflösen. Ein den Patentansprüchen entsprechendes Flussmittel, dass die Aluminiumoxidschicht aus Al2O3 abbaut, wird aus den folgenden Elementen und Verbindungen gebildet:

Tabelle

Chem. Zusammensetzung eines Flussmittels

Nach dem Trocknen des Flussmittels kann die Zylinderlaufbuchse in die Gießform eingelegt und abschließend umgossen werden. Als Gießverfahren kommen hierbei insbesondere das Niederdruck- und das Schwerkraftgießen in Betracht.

Claims

1. Gießtechnisches Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen, bestehend aus mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen, von denen der eine Werkstoff eine Legierung auf Eisenbasis und der andere eine Legierung auf Aluminiumbasis ist, mit den Verfahrensschritten: Auftragen einer metallischen Schicht auf einen Körper aus einer Eisenbasis-Legierung, wobei die metallische Schicht vorzugsweise eine Legierung auf Aluminiumbasis ist, Einlegen des beschichteten Körpers in eine Gießform, Umgießen des beschichteten Körpers mit einer Legierung auf Aluminiumbasis, dadurch gekennzeichnet, dass auf die metallische Schicht vor dem Umgießen ein Flussmittel aufgebracht wird, so dass es zur Reduktion bzw. zum Auflösen der sich auf der metallischen Schicht bildenden Oxidhaut kommt und dass der Gießwerkstoff mit der metallischen Schicht beim Umgießen eine metallurgische Bindung eingeht.

2. Gießtechnisches Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Flussmittel aus einer eutektischen Zusammensetzung, bestehend aus K3AlF6 und KAlF4, gebildet wird.

3. Gießtechnisches Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens erzeugt wird.

4. Gießtechnisches Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht durch Eintauchen in eine metallische Schmelze erzeugt wird, vorzugsweise durch das Alfin-Verfahren.

5. Gießtechnisches Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper eine aus einer Eisenbasis-Legierung gefertigte Zylinderlaufbuchse für eine Verbrennungskraftmaschine ist.

6. Gießtechnisches Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper ein aus einer Eisenbasis-Legierung gefertigter Ringträger für einen Kolben einer Verbrennungskraftmaschine ist.

7. Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete, mit Flussmittel beaufschlagte Zylinderlaufbuchse in eine Gießform eingelegt und anschließend mit einer Aluminiumlegierung umgossen wird, so dass sich zwischen der Aluminiumlegierung und der metallischen Schicht eine metallurgische Verbindung bildet, in der Elemente des Flussmittels verbleiben.

8. Kolben einer Verbrennungskraftmaschine, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der beschichtete, mit Flussmittel beaufschlagte Ringträger in eine Gießform eingelegt und anschließend mit einer Aluminiumlegierung umgossen wird, so dass sich zwischen der Aluminiumlegierung und der metallischen Schicht eine metallurgische Verbindung bildet, in der Elemente des Flussmittels verbleiben.