DE10043105A1

DE10043105A1 - Metallurgische Bindung beschichteter Einsätze innerhalb von Metallgußteilen

Info

Publication number: DE10043105A1
Application number: DE10043105A
Authority: DE
Inventors: Martin R Myers; Michael J Warwick; Yongching Chen; Ramesh Subramanian; Srinath Viswanathan; Karren More; Qingyou Han
Original assignee: Lockheed Martin Energy Research Corp; Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc; UT Battelle LLC
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2001-04-05
Anticipated expiration: 2020-09-01
Also published as: US6484790B1; DE10043105B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung leichter Verbundmetallgußteile, die metallurgisch gebundene Einsätze enthalten und für eine Reihe von Anwendungen eingesetzt werden können, vorgeschlagen. Die Gußteile sind insbesondere als Komponenten eines Verbrennungsmotors nützlich. Das geschmolzene Gußmaterial wird so behandelt und gehandhabt, daß der Wasserstoffgehalt unter 0,15 und vorzugsweise unter 0,10 ppm liegt. Die Einsätze werden mit einer dünnen Schicht beschichtet. Die aufgetragene Schicht kann durch eine Reihe von unterschiedlichen Beschichtungsverfahren, wie Galvanisieren, in einer Dicke von 0,5 bis 8 Milli-Inch (etwa 12,7 bis 203,2 mum) aufgetragen werden, wobei 0,5 bis 4 Milli-Inch (etwa 12,7 bis 101,6 mum) wünschenswert sind und 1 bis 2 Milli-Inch (etwa 25,4 bis 50,8 mum) noch wünschenswerter sind. Das Gießen erfolgt unter einer Schutzgasumgebung von Trockenluft, Argon oder Stickstoff mit einem Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 3 ppm und unter solchen Bedingungen, daß ein Teil der Schicht durch Auflösen in das Gußmetallmaterial geopfert wird, während mindestens ein Teil der Schicht als Diffusionsbarriere zwischen dem Einsatz und dem Gußmaterial bleibt.

Description

Die vorliegende Erfindung wurde mit Unterstützung der US-Regierung unter Hauptvertrag Nr. DE-AC05-00OR22725 vergeben durch das US-Energie ministerium gemacht. Der US-Regierung stehen bestimmte Rechte an dieser Erfindung zu.

Die vorliegende Erfindung betrifft generell Verfahren zur Bildung von zäh festen oder belastbaren Bindungen zwischen Einsätzen und Gußmetallmate rialien, wie Verstärkungseinsätzen für Gußteile von Verbrennungsmotorkom ponenten. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Gußteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 69.

Das Ersetzen von leichtem Gußmaterial, wie Aluminiumlegierungen, durch Gußeisen ist eine bekannte Vorgangsweise zur Gewichtsreduktion bei einer Reihe von Anwendungen, wie der Herstellung von Verbrennungsmotoren. So ist zum Beispiel die Verwendung von Aluminiumlegierungen zur Bildung von Verbrennungsmotorkomponenten für die Autoindustrie oder Hoch leistungsrennmotoren oder Flugzeugmotoren wohl bekannt. Derartige Erset zungen erforderten jedoch oft Kompromisse bei der Leistung und/oder Ver läßlichkeit.

Eine wohl bekannte Lösung einiger der Probleme in Bezug auf Leistung und Verläßlichkeit, die mit der Verwendung von leichtem Gußmaterial als Ersatz für Gußeisen in Zusammenhang stehen, besteht darin, hochfeste Einsätze an kritischen Punkten zu verwenden, an denen es zu einem hohen Verschleiß oder einer hohen Beanspruchung kommt.

Eine Vorgangsweise besteht darin, herkömmlich erzeugtes Gußeisen durch Aluminiumkolben mit Nickel-Eisen-Ringträgern zu ersetzen, so wie von E. Mahle offenbart, "Alloy Iron Ring Carriers Reduce Cylinder Wear", Auto Industries, Vol. 68, No. 19, Mai 1933, Seiten 578-82. Der Verschleiß von Ringstegen und Ringen in Aluminiumkolben führt jedoch zu einer Reduk tion der Motorleistung, einem Durchblasen von Verbrennungsgasen, erhöh tem Ölverbrauch, erhöhtem Treibstoffverbrauch und Kolbenklappern (Geräusch). Erste Versuche zur Beseitigung dieser Nachteile bestanden unter anderem darin, Graugußeiseneinsätze, die über einen Wärmeausdehnungsko effizienten (CTE) von 0,000067/°F verfügten, in Aluminiumkolben einzuset zen, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 0,000134/°F aufwiesen. Die Unterschiede bei der Wärmeausdehnung führten dazu, daß der Träger locker wurde. Die ersten erfolgreichen Kolben verwendeten eine Aluminium- Silizium-Legierung mit einem CTE von 0,00010 in/in- °F mit einem Ni-Resist- Träger mit ungefähr demselben CTE. Der Ni-Resist ist ein legiertes Eisen mit 15% Nickel und 5% Kupfer. Wenn ein Ni-Resist mit noch höherem Nickel- und Molybdängehalt verwendet wurde, konnte eine Aluminium-Kupfer-Le gierung für den Kolben verwendet werden, was zu Verbesserungen bei der Wärmeleitfähigkeit, der Bearbeitbarkeit sowie der Wärmeermüdungsfestigkeit führte.

Wenn jedoch eine Eisenlegierung mit einem geringen Wärmeausdehnungs koeffizienten verwendet wird, besteht beim Aluminium die Tendenz, während jedes Heizzyklus gegen das zurückhaltende Eisenband zu wachsen bzw. drücken. Dies kann zu einer geringfügigen Störung des Aluminiums führen, so daß - wenn das Aluminium abkühlt - die Passung nicht so genau sein wird wie ursprünglich. Nachfolgende Heizzyklen werden diesen Zustand verstärken, bis sich das Ringband selbst auf dem Kolben lockert.

Das Ersetzen von Gußeisen durch Leichtlegierungen mit Einsätzen zur Ge wichtsreduktion ist bei Dieselmotoren für Schwerfahrzeuge wegen der großen Leistungs- und Lebensdaueranforderungen der Märkte, auf denen sie traditionell eingesetzt werden, nicht allgemein anerkannt worden. Eine Erklä rung dafür besteht in der Schwierigkeit, eine effektive, dauerhafte metallurgi sche Bindung zwischen dem Einsatz und dem benachbarten Leichtgußmate rial zu erzielen. So diskutieren zum Beispiel in "Engineering for Aluminum- Alloy Castings" von T. R. Gauthier und H. J. Rowe von ALCOA, Mechani cal Engineering, Vol. 70, Juni 1948, Seiten 505-14, die Autoren das Gußde sign vom Standpunkt der mechanischen Eigenschaften, der Abschnittsdicke und der Verwendung von Einsätzen aus. Die Autoren stellen fest, daß norma lerweise keine metallurgische Bindung zwischen Einsätzen und dem Alumi nium besteht. Demnach sind normalerweise Streben oder Klauen oder zumin dest Rändelungen notwendig, um den Einsatz mechanisch im Guß-Stück zu halten, insbesondere wenn ein Drehmoment auf den Einsatz einwirkt.

Eine Ausnahme von der allgemeinen Regel, daß Leichtlegierungen mit Ver stärkungseinsätzen im allgemeinen nicht bei Dieselmotoren eingesetzt wer den, ist die Verwendung von Aluminiumkolben verbunden mit Gußeisenring trägern durch ein Al-Fin-Verfahren, das in der US-A-2,396,730 offenbart wird. Andere Techniken zur Vorbeschichtung eines Einsatzes vor dem Gie ßen werden in den US-Patenten Nr. 2,849,790, 2,881,491, 3,945,423, 4,997,024 und 5,333,669 offenbart.

Die Bindungsauflösungsprobleme mit dem Ni-Resist-Eiseneinsatz haben je doch dazu geführt, daß das Al-Fin-Verfahren - und andere Vorbeschich tungsverfahren - einen schlechten Ruf erhielten. Diese Kolben haben mit zwei Problemen zu kämpfen. Das erste besteht darin, daß sich das Aluminium während des Gußvorgangs mehr zusammenzieht als das Eisen, wodurch die Schnittstelle in Spannung gebracht werden kann. Das zweite Problem in Zu sammenhang mit Kolben dieser Art ist das Vorhandensein von brüchigen in termetallischen Verbindungen. Es wurde festgestellt, daß Risse in Kolben zwischen gamma-Al₃FeSi und einer Fe₃(Si_0,9Al_0,1)-Phase auftreten. Die Ge genwart dieser Verbindungen ist eine Funktion der Gußtemperatur, Kühlge schwindigkeit und Badzusammenstellung und ist kein inhärentes Merkmal der Al-Fin-Bindung.

J. A. Lucas, "Aluminium Cylinder Blocks Cast in Permanent Molds", Am. Mach., Vol. 66, No. 4, Januar 1928, Seiten 173-174, beschreibt einen Ver bundmotorblock, der Gußaluminium mit mehreren Einsätzen umfaßt. Die Büchsen bestanden aus Gußeisen mit Nickel, das zur Verschleißfestigkeit und zur Regelung der Wärmeausdehnung hinzugefügt wurde. Die Büchsen wur den sandgestrahlt und vor dem Platzieren in die Form verkupfert. Die beste Gußlegierung hinsichtlich der Bindung mit den Einsätzen, der Stabilität und ordentlicher Schrumpfung wurde in Form von Experimenten mit 99% Alu minium und 1% Kupfer festgestellt. Selbst geringe Prozentsätze an Unrein heiten haben zu einem dramatischen Anstieg der Ausschußraten geführt.

J. H. Beile und C. H. Lund, "Current Status of Composite Casting as Bon ding Technique", Metals Eng. Quarterly, Vol. 6, Nr. 1, Februar 66, Seiten 63- 4, offenbaren eine Bindungstechnik zum Erzielen einer metallurgischen Bin dung, die eine absolut saubere Oberfläche auf den Einsätzen erfordert. In der Praxis durchgeführte Verfahren zur Vermeidung von Oxidierung sind die Anwendung von Vakuum, inerten Atmosphären oder reduzierenden Atmos phären.

"Bonding Iron to Aluminum by Casting-On", Light Metals, Vol. 21, No. 248, Nov. 1958, Seiten 355-6, beschreibt die Prinzipien zur Herstellung metallurgi scher Bindungen zwischen Einsätzen und Guß. Aus diesem Dokument geht hervor, daß die Erzeugung einer innigen Verbindung durch die Gegenwart eines Oxidfilms auf der Außenfläche der aluminisierten Beschichtung auf dem Einsatz verhindert werden kann.

Eine weitere Vorgangsweise, die in dem Bemühen angewandt wurde, eine akzeptable Bindung zwischen Einsätzen und Gußmetall zu erzielen, wird in der US-A-5,429,173 offenbart, wobei ein Gußverfahren dargestellt wird, bei dem der Einsatz, wie eine Eisenmetallzylinderbüchse, mit mehreren Schichten von abwechselnden Materialien vorbeschichtet wird, die exothermisch reak tiv sind, um intermetallische Phasen an der Oberfläche zu produzieren.

Eine wiederum andere Vorgangsweise zur Erzielung einer Bindung akzep tabler Stärke zwischen einer Gußaluminiumlegierung, die für die Bildung ei nes Motorblocks geeignet wäre, und Einsätzen, wie Gußeisenzylinderbüch sen, schließt die Vorbeschichtung der Büchse mit einer Metallschicht ein. Beispiele für diese Vorgangsweisen werden in den US-Patenten Nr. 1,710,136, 3,165,983 und 5,005,469 offenbart. Obwohl behauptet wurde, daß diese Verfahren metallurgische Bindungen erzeugen würden, wurde von an deren berichtet, daß diese Bindungen nicht kontinuierlich und verläßlich gebildet würden. Siehe zum Beispiel US-A-5,280,820. Letzteres Patent of fenbart ein Verfahren, mit dem versucht wird, die Mängel des bekannten Stands der Technik zu beseitigen, indem der Einsatz mit Zink, Zinn oder Cadmium oder deren Legierungen auf eine Weise beschichtet wird, die zur Bildung einer äußeren oxidierten Oberfläche führt, gefolgt vom Schritt des Entfernens der oxidierten Oberfläche und dem Gießen von geschmolzenem Metall, wie einem auf Aluminium basierenden Material, um den Einsatz herum, damit die Beschichtung wieder schmilzt und sich sowohl mit dem Ein satzmaterial als auch dem Gußmaterial legiert, um eine metallurgische Bin dung zwischen der Büchse und dem Gußmaterial zu bilden. Obwohl letztere Vorgangsweise für die offenbarten Zwecke wirksam ist, führt sie dazu, daß ein direkter Kontakt zwischen dem Grundmaterial des Einsatzes und dem ge schmolzenen Gußmaterial möglich ist. Dieser direkte Kontakt kann zu uner wünschten intermetallischen Phasen führen, die sich auf die Qualität der Bin dung negativ auswirken.

Obwohl von Relevanz, ist keines der Verfahren des bekannten Stands der Technik gänzlich erfolgreich bei der Erzeugung von kontinuierlichen, hoch festen Bindungen zwischen Einsätzen und Leichtgußmaterial gewesen, das den langfristigen Anforderungen in Bezug auf Verläßlichkeit gerecht wird, die bei bestimmten Anwendungen, wie der Herstellung von Komponenten von Dieselmotoren für Schwerfahrzeuge, erforderlich ist. So neigen Verfahren des bekannten Stands der Technik dazu, fehlerhafte Produkte durch Hohl räume, Gasporen und Oxide zu erzeugen. In vielen Fällen wird der Einsatz einfach vom Guß-Stück abfallen, da die Anzahl der Fehler so groß ist, daß überhaupt keine metallurgische Bindung gebildet wird. Daher bleibt die Gewichtsreduktion durch die breite Anwendung von Leichtgußmaterial ein nicht erreichtes, jedoch höchst wünschenswertes Ziel für viele Anwendun gen, einschließlich Dieselmotoren, insbesondere in bestimmten Dieselmotor anwendungen, wie den Märkten der Oberklasse-Pick-Up-Autos, der Seefahrt und bestimmter Militäranwendungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Gußverfahren und Gußteil anzugeben.

Die obige Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1, 23 oder 38 oder ein Gußteil gemäß Anspruch 69 gelöst. Vorteilhafte Weiter bildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Mängel des bekannten Stands der Technik durch Bereitstellung eines Gußverfahrens zu beseitigen, daß hochfeste Verbindungen zwischen Einsätzen und Leicht gußmaterial bildet und durch Bereitstellung von Gußteilen, die dauerhaft eine extrem niedrige Fehlerrate, hohe Festigkeit und lange Lebensdauer aufwei sen.

Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstel lung eines Gußverfahrens zur Bildung hoch zäher Bindungen, wie metallurgi scher Bindungen zwischen Einsätzen und dem Gußmaterial, einschließlich des Schritts der Beschichtung des Einsatzes mit einer oder mehreren Schich ten metallischen Materials bis zu einer Dicke, die es ermöglicht, daß ein Teil, nicht notwendigerweise die Gesamtheit, der Schicht im Gußmaterial aufgelöst wird, um eine Diffusionsbarriere zu schaffen, welche die Bildung von uner wünschten intermetallischen Verbindungen, wie Fe-Al-Si, verhindert.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Gußverfahrens wie oben beschrieben, bei dem der Schritt der Beschich tung des Einsatzes das Auftragen einer ersten Schicht auf dem Einsatz um faßt, gefolgt von einem Gußchritt unter Bedingungen, zu denen eine Tempe ratur zählt, die ausreicht, um dafür zu sorgen, daß ein Teil der ersten Schicht durch Auflösung in dem Gußmetallmaterial geopfert wird, während zumindest ein Teil der ersten Schicht als Diffusionsbarriere zwischen dem Einsatz und dem Gußmaterial bleibt. Die aufgetragene Schicht kann mit Hilfe einer Reihe unterschiedlicher Beschichtungsverfahren, wie Galvanisieren, bis zu einer Dicke von 0,5 bis 8 Milli-Inch (etwa 12,7 bis 203,2 µm), wobei 0,5 bis 4 Milli- Inch (etwa 12,7 bis 101,6 µm) wünschenswert und 1 bis 2 Milli-Inch (etwa 25,4 bis 50,8 µm) noch wünschenswerter ist, aufgebracht werden.

Ein weiterer Aspekt besteht darin, Gußteile bereitzustellen, die durch das oben genannte Verfahren gebildet werden und Grenzflächenzähfestigkeiten bzw. Schnittstellenbindungsstärken zwischen dem Einsatz bzw. den Einsät zen und dem gebundenen Gußmaterial von über 8.000 psi (etwa 55,16 MPa) aufweisen.

Ein wiederum anderer Aspekt besteht in der Bereitstellung von Gußteilen, die einem Wärmebehandlungsverfahren (wie dem T5- oder T6-Verfahren) nach dem Gießen unterzogen werden können, ohne Verschlechterung der Bin dungsstärke oder Verringerung der langfristigen Lebensdauer und der Quali tät der Bindung zwischen dem Gußmaterial und dem Einsatz.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Gußverfahrens wie oben beschrieben, das eine Vorbeschichtung des Einsatzes umfaßt, wobei die Einsatzbeschichtung(en) einen Wärmeausdeh nungskoeffizienten aufweist bzw. aufweisen, der zwischen dem Wärmeaus dehnungskoeffizienten des Einsatzmaterials und dem Wärmeausdehnungs koeffizienten des Gußmaterials liegt.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, ein Gußverfahren zur Bil dung von hoch zähen Bindungen zwischen Einsätzen und dem Gußmaterial bereitzustellen, indem versucht wird, die Menge an Wasserstoff und anderer Verunreinigungen, die im geschmolzenen Gußmaterial während des Schmel zens und Füllens der Form absorbiert werden, zu verringern und andererseits Weise die Verunreinigung des Gußmaterials zu reduzieren.

Ein wiederum anderer Aspekt der Erfindung ist die Bereitstellung eines Guß verfahrens, bei dem das geschmolzene Gußmaterial, das Aluminium ein schließt, entgast wird, um die Konzentration an gelöstem Wasserstoff in der Schmelze zu verringern und auf diese Weise die Menge an Wasserstoff zu reduzieren, die während der Verfestigung bei der Schnittstelle von Alumi nium/Einsatzmaterial (wie Eisenmetall) ausfällt.

Ein noch spezifischerer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Gußverfahrens, bei dem das geschmolzene Gußmaterial ausreichend entgast wird, um dafür zu sorgen, daß Porenräume, die sich gebildet haben mögen, kleiner sind als jene, die mit freiem Auge auf einem geschnittenen Querschnitt einer Probe eines Tests mit verringertem Druck (RPT) zu sehen sind. Die Menge an Wasserstoff sollte weniger als 0,15 Teile pro Million (ppm) und idealer 0,10 ppm ausmachen. Diese Werte ergeben weniger als 0,168 Kubikzentimeter pro 100 g Gußmaterial (m³/100 g) und 0,112 cm³/100 g.

Ein wiederum weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung ei nes Gußverfahrens zur Bildung hoch zäher Bindungen zwischen Einsätzen und dem Gußmaterial, einschließlich des Schritts des Gießens innerhalb einer Trockenluft- oder Trockeninertgasumgebung (wie Argon oder Stickstoff) oder unter Vakuum, um zu verhindern, daß Wasserstoff vom geschmolzenen Gußmaterial während des Formfüllungsvorgangs aufgenommen wird, wo durch die Menge an gelöstem Wasserstoff im geschmolzenen Gußmaterial begrenzt und die resultierende Anzahl der Porenräume im Guß gering gehal ten wird. Diese Aufgabe kann dadurch erleichtert werden, dass Argon mit ei nem Feuchtigkeitsgehalt von unter 3 ppm verwendet wird.

Ein nochmals anderer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung ei nes Gußverfahrens, das die Bereitstellung einer Form umfaßt, die so angepaßt ist, daß sie den Einsatz bzw. die Einsätze aufnehmen kann, und die einen oder mehrere Einlässe umfasst, durch die das geschmolzene Gußmaterial in die Form eintreten kann, und einen oder mehrere Auslässe, durch die über schüssiges geschmolzenes Gußmaterial während des Gußverfahrens ausflie ßen kann, wodurch dafür gesorgt wird, daß Oxide und andere Verunreini gungen an der führenden Kante des Metallflußes, die sonst die Schnittstelle verunreinigen würden, von der Schnittstelle wegfließen. Dieses Merkmal der Erfindung macht es möglich, das Gießen bei geringeren Gießtemperaturen durchzuführen, da die größere Menge an Metall ein vorzeitiges Frieren des Metalls verhindert und somit die Konzentration an gelöstem Wasserstoff in der Schmelze reduziert.

Ein wiederum anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Gußverfahren zur Bildung von hoch zähen Bindungen zwischen Einsätzen und dem Gußmaterial bereitzustellen, wobei die Guß-Einsatz-Schnittstelle im wesentlichen dadurch mängelfrei gemacht werden kann, daß das geschmol zene Gußmaterial entgast wird, das Gießen unter Trockenluft- oder Troc keninertgasschutz oder unter Vakuum erfolgt und eine Form verwendet wird, die dafür sorgt, daß mitgenommene Verunreinigungen von der Schnittstelle zwischen dem Einsatz und dem Gußmaterial wegfließen.

Ein nochmals anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Gußverfahren wie oben beschrieben bereitzustellen, bei dem der Einsatz aus eisenhaltigem Material, wie Kohlenstoffstahl oder rostfreiem Stahl, gebildet werden kann, das Gußmaterial aus einer Leichtmetalllegierung, wie einer Aluminiumlegierung und insbesondere einer 354 oder A354-Aluminiumlegie rung gebildet werden kann, und die Beschichtungsmaterialien aus einer Gruppe ausgewählt werden können, die aus Ni, Ag, Cu, Antimon, Wismut, Chrom, Gold, Blei, Magnesium, Silizium, Zinn, Titan und Zink besteht.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Guß verfahrens wie oben beschrieben, das den Schritt des Reinigens des be schichteten Einsatzes in einem alkalischen Bad gefolgt vom Schritt des Säu rebeizens umfaßt.

Ein wiederum anderer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung ei nes Gußverfahrens wie oben beschrieben, wobei der Einsatz mit Ni bei einer Temperatur von 50° bis 55°C beschichtet wird, und wenn es sich bei der Schicht um Cu handelt, sollte die Beschichtungstemperatur 40° bis 45°C be tragen. Danach wird der beschichtete Einsatz bei einer Temperatur von 900°C geglüht.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung neuartiger Gußteile, die vorbeschichtete Einsätze einschließen, die wie oben beschrieben gebildet und so gegossen werden, daß sie Bestandteile eines Verbrennungsmotors, wie den Kopf, Block oder die Kolben, bilden.

Die oben angeführte Aufgabe sowie weiter Aspekte und Vorteile der vorlie genden Erfindung können durch ein Gußverfahren umgesetzt bzw. erreicht werden, das die Schritte zur Bildung eines Einsatzes, wie einer Zylinder büchse oder eines Kopfverstärkungselements, gebildet aus Kohlenstoffstahl oder rostfreiem Stahl, einschließt. Die Oberfläche des Einsatzes wird vorberei tet und durch ein Galvanisierungsverfahren mit einer Schicht von Metall, wie Cu, Ni oder Ag beschichtet, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwi schen dem Wärmeausdehungskoeffizienten des Einsatzmaterials und jenem des Gußmaterials aufweist. Danach wird der beschichtete Einsatz bei einer Temperatur (z. B. 900°C) geglüht, die ausreicht, um geeignete Diffusionsbin dungen zwischen der aufgetragenen Schicht und dem Einsatz zu bilden. Um das Gußverfahren zu starten, wird der beschichtete Einsatz bei einer Tempe ratur von mindestens 100°C über einen Zeitraum von mindestens 5 Minuten gebacken, um absorbierte Feuchtigkeit zu vertreiben. Eine Sandform wird vorbereitet und der Einsatz in der Sandform platziert. Die Sandform kann mit Hilfe einer Wärmelampe getrocknet werden. Das Gußmaterial (z. B. A354- oder 354-Aluminiumlegierung) wird auf 720°C erhitzt, und das geschmol zene Material wird entgast. Das Gießen wird in einer Argonatmosphäre fort geführt, um eine Absorption von Wasserstoff zu verhindern. Die Sandform wird mit einem Einlaß und einem Auslaß ausgebildet, um der führenden Kante des geschmolzenen Flußes zu erlauben, als Überlauf durch den Auslaß zu fließen, wodurch Verunreinigungen von der Schnittstelle zwischen dem ge schmolzenen Gußmaterial und der beschichteten Oberfläche des Einsatzes fortgetragen werden. Schließlich kann der Guß mit Hilfe eines standardisier ten Wärmebehandlungsverfahrens, das als T5 oder T6 bekannt ist, wärmebe handelt werden.

Weitere und spezifischere Aspekte, Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung können der folgenden Beschreibung zusammen mit der Zeichnung einer bevorzugten Ausführungsform entnommen werden. Es zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm von Schritten, die im Gußverfahren enthalten sind, das Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Überlauftechnik, die dazu führt, daß Verunreinigungen von der Bindungsschnittstelle wegfließen;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Einsatzes, der mit einer ein zelnen Schicht beschichtet und innerhalb eines Probegußes ge mäß der vorliegenden Erfindung gegossen wird;

Fig. 4a, b schematische Darstellungen der Art, in welcher der beschichtete Einsatz von Fig. 3 gemäß der vorliegenden Erfindung gegossen werden kann;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines anderen Einsatzes, der mit mehreren Schichten (einschließlich Ni und Cu) beschichtet und innerhalb eines Probegußes gemäß der vorliegenden Erfindung gegossen wird;

Fig. 6 eine mikrographische Darstellung (Schliffbild) der metallurgi schen Bindung, die in der Ausführungsform von Fig. 4 gebildet wird;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines anderen Einsatzes, der mit mehreren Schichten (einschließlich Cu und Ag) beschichtet und innerhalb eines Probegußes gemäß der vorliegenden Erfindung gegossen wird;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines wiederum anderen Ein satzes, der mit mehreren Schichten (einschließlich Ni und Au) beschichtet und innerhalb eines Probegußes gemäß der vorlie genden Erfindung gegossen wird;

Fig. 9 ein Schaubild der atomaren Konzentrationen von Fe, Ni und Cu eines beschichteten Einsatzes, der durch die vorliegende Erfin dung gebildet wird, nach dem Glühen;

Fig. 10 ein Schaubild, das zeigt, daß Fehler an der Stahl-Aluminium- Schnittstelle die Bindungsstärke bzw. -festigkeit reduzieren;

Fig. 11a, b mikrographische Darstellungen von Schnittstellenbereichen ei ner Al-zu-Stahl-Bindung, die ein Auftreten von intermetallischen Al-Si-Fe-Verbindungen zeigen;

Fig. 12 eine mikrographische Darstellung der Schnittstellenbereiche ei ner Al-zu-Stahl-Bindung, welche das Auftreten von Nickelalu miniden offenbart;

Fig. 13a-c vergleichende mikrographische Darstellungen von intermetalli schen Verbindungen in gebundenen Proben, die gemäß der vor liegenden Erfindung gebildet werden, für eine Probe "gemäß Guß", eine Probe, die einer T5-Wärmebehandlung unterzogen wurde beziehungsweise für eine Probe, die einer T6-Wärmebe handlung unterzogen wurde;

Fig. 14 ein Schaubild, das die hohe Bindungsfestigkeit darstellt, die durch die vorliegende Erfindung erreicht wird;

Fig. 15 ein Schaubild, das die Bindungsfestigkeit von Proben, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet werden, nach einer T6- Wärmebehandlung unter Anwendung einer geringen Erwär mungsgeschwindigkeit darstellt;

Fig. 16 ein Schaubild, das die Bindungsfestigkeit von Proben, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet werden, nach einer T5- Wärmebehandlung darstellt;

Fig. 17 ein Schaubild, das die Bindungsfestigkeit von Proben, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet werden, für den Zustand "gemäß Guß" und nach einer T6-Wärmebehandlung unter An wendung einer geringen Erwärmungsgeschwindigkeit darstellt;

Fig. 18a-c mikrographische Darstellungen von Proben, welche die Wir kung von hohen, mittleren und geringen Wasserstoffkonzentra tionen auf die Bindung offenbaren;

Fig. 19 ein Schaubild, das die verbesserte Grenzflächenzähfestigkeit bzw. Schnittstellenfestigkeit darstellt, die durch die vorliegende Erfindung erzielt wird;

Fig. 20 ein Schaubild, das den Umstand darstellt, daß die höchste Grenzflächenzähfestigkeit bzw. Schnittstellenfestigkeit durch Ni/Cu-Beschichtungen erreicht werden kann;

Fig. 21 eine mikrographische Darstellung einer Probe, bei der sich ein Spalt zwischen den aufgetragenen Schichten gebildet hat, die durch ein Verfahren ausgebildet werden, bei dem nicht die ver besserten Beschichtungsmaterialien und die Temperaturerzeu gungsschritte der vorliegenden Erfindung zur Anwendung ge kommen sind;

Fig. 22 eine mikrographische Darstellung der verbesserten Bindung in einer Probe, die durch ein Verfahren gebildet wurde, das die vor liegende Erfindung angewandt hat;

Fig. 23 eine mikrographische Darstellung einer Probe mit hoher Porosi tät, die für Verfahren des bekannten Stands der Technik typisch ist; und

Fig. 24 eine mikrographische Darstellung einer Probe, die infolge der Umsetzung der vorliegenden Erfindung eine weitaus geringere Porosität aufweist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung von leichten Verbundmetallguß-Stücken, die metallurgisch gebundene Einsätze für eine Reihe von Anwendungen enthalten. Guß-Stücke, die durch die in diesem Dokument offenbarte Erfindung gebildet werden, erweisen sich insbesondere als Verbrennungsmotorkomponenten als nützlich. Insbesondere werden mit Hilfe der offenbarten Erfindung eine Kontinuität, Vorhersagbarkeit, hohe Festigkeit und Langzeitlebensdauer erzielt, die mit Guß-Stücken des bekann ten Stands der Technik nicht erreicht werden konnten. Infolgedessen sind Guß-Stücke, die durch das offenbarte Verfahren erzeugt werden, imstande, die ausgesprochen hohen Leistungs- und Verläßlichkeits-Anforderungen der, Benutzer von Dieselmotoren für Schwerfahrzeuge auf eine Weise zu erfüllen, wie dies die Guß-Stücke des bekannten Stands der Technik nicht konnten.

Fig. 1 stellt Schritte dar, die bei der bevorzugten Umsetzung der vorliegenden Erfindung erforderlich sind. Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfin dung ist die richtige Bildung eines Einsatzes in Schritt 2, bevor er in eine Gußform eingesetzt wird. Der Einsatz kann eine ganze Reihe von Formen aufweisen und kann aus einer großen Bandbreite von Materialien in Abhän gigkeit vom funktionalen Zweck des Einsatzes hergestellt werden. So kann der Einsatz zum Beispiel als Zylinderbüchse dienen, bei der Verschleißfestig keit, Wärmeübertragungsfähigkeit und hohe Festigkeit erforderlich sind. Al ternativ dazu kann der Einsatz als Verstärkungselement in einem kritischen Teil des Kopfes eines Verbrennungsmotors dienen, wo hohe Festigkeit und lange Lebenszeit erforderlich sind. Eine wiederum andere Anwendung wäre eine Anwendung als Ringträger oder Kopf für einen Motorkolben, wo wie der andere Leistungskriterien gelten. In vielen Fällen wird der Einsatz wahr scheinlich aus einem eisenhaltigen Metall, wie Gußeisen, Kohlenstoffstahl oder rostfreiem Stahl, gebildet, aber es können auch Nichteisenmetalllegie rungen oder sogar keramische Materialien verwendet werden.

Der Einsatz könnte in Schritt 4 durch eine Reihe bekannter Verfahren gerei nigt werden, um die Oberfläche, die mit dem Gußmaterial zu verbinden ist, so zu gestalten, daß sie das Beschichtungsmaterial aufnehmen kann. Zum Bei spiel kann der Einsatz einer anodischen Reinigung in einem alkalischen Bad, gefolgt durch Säurebeizen, unterzogen werden. Sobald der Einsatz erfolg reich gereinigt wurde, kann eine erste dünne Schicht in Schritt 6 auf den Ein satz zum Beispiel durch ein Galvanisierungsverfahren aufgetragen werden. Die Art des Beschichtungsmaterials, das ausgewählt wird, stellt einen wichti gen Teil der vorliegenden Erfindung dar, und kann aus einer großen Band breite von Materialien ausgewählt werden, so lange das Material imstande ist, eine zähe bzw. belastbare Bindung mit der Oberfläche des Einsatzes zu bil den. So kann das Material zum Beispiel Ni, Ag, Cu, Antimon, Wismut, Chrom, Gold, Blei, Magnesium, Silizium, Zinn, Titan und Zink sein. Ni, Ag und Cu wurden in zahlreichen Tests verwendet und haben sich bei der Anwendung in der vorliegenden Erfindung als besonders wirksam erwiesen.

Obwohl die genaue Dicke der Beschichtung nicht als besonders kritisch er achtet wird, sollte die erste Schicht eine Dicke von über ungefähr 0,5 Milli- Inch (etwa 12,7 µm) aufweisen, um zu verhindern, daß sich die erste Schicht vollständig auflöst und einen direkten Kontakt des Gußmaterials mit der Oberfläche des Einsatzes ermöglicht. Andererseits sollte die Dicke nicht über 8 Milli-Inch (etwa 203,2 µm) liegen. Eine zu große Dicke kann zu einer Schwächung der Verbindung zwischen dem Einsatz und dem Gußmaterial führen. In den meisten Fällen sollte die erste Schicht nicht über 4 Milli-Inch (etwa 101,6 µm) ausmachen, und noch bevorzugter sollte sie im Bereich von 1 bis 2 Milli-Inch (etwa 25,4 bis 50.8 µm) liegen.

Wenn der Einsatz eine Einzelschicht einer Ni-Beschichtung erhalten soll, sollte die Beschichtungstemperatur bei 50 bis 55°C liegen. Wenn die Einzel schicht aus Cu oder Au gebildet wird, sollte die Beschichtungstemperatur bei 40 bis 45°C liegen. Wenn Mehrschicht-Beschichtungen verwendet werden, werden andere Temperaturbedingungen bevorzugt. In diesem Zusammen hang wird auf die deutsche Patentanmeldung, eingereicht am 31. August 2000 für Cummins unter Inanspruchnahme der Priorität der US-Patentanmel dung 09/386,520 vom 31. August 1999, mit der Bezeichnung "Metallurgi sche Bindung von Einsätzen mit mehrlagigen Beschichtungen innerhalb von Metallgußteilen", verwiesen. Die Offenbarung dieser Patentanmeldung wird hiermit eingeführt.

Normalerweise ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Gußmaterials grö ßer als jener des Einsatzmaterials. Obwohl nicht erforderlich, wurde festge stellt, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Beschichtungsschicht zwi schen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Einsatzmaterials und jenem des Gußmaterials liegen sollte. Wenn mehrere Beschichtungsschichten ver wendet werden, sollte die erste Schicht, die auf den Einsatz aufgetragen wird, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der zwischen jenem des Einsatzmaterials und dem der zweiten Beschichtungsschicht liegt. Ebenso sollte die zweite Beschichtungsschicht einen Wärmeausdehnungskoeffizien ten aufweisen, der zwischen jenem der ersten Schicht und jenem des Gußma terials liegt. Ein schlechtes Verhältnis der Wärmeausdehnungskoeffizienten zueinander kann die Wahrscheinlichkeit der Schichtbindungsauflösung er höhen.

Eine Galvanisierung erweist sich beim Erzielen der hoch zähen Bindung der aufgetragenen Schicht, so wie dies für die vorliegende Erfindung gewünscht wird, als effektiv. Dennoch können andere Beschichtungsverfahren, wie Dif fusionsbindung, Formen (Extrusion, Walzplattierung usw.), Schmelztauchen (z. B. Tauchen in das geschmolzene Metall), Zerstäuben, Dampfauftragen und/oder Schweißplattierung, angewandt werden.

Um die Diffusion von Metallen zwischen der aufgetragenen Schicht und dem Einsatz zu verbessern, sollte ein Vergütungs- bzw. Glühschritt 11 hinzuge fügt werden, um sicherzustellen, daß geeignete metallurgische Bindungen zwischen den Materialien in der aufgetragenen Schicht und dem Einsatz gebildet werden. Bei einer einzelnen Beschichtungsschicht könnte zum Bei spiel eine geeignete Glühtemperatur etwa 900°C sein. Bei mehreren Schichten von Ni/Cu würden etwa 900°C ebenfalls gut funktionieren. Bei mehreren Schichten von Ag/Cu wären etwa 720°C angebracht.

Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Einsätze, wenn sie einmal beschichtet sind, in Schritt 12 gelagert werden können. Sie müssen nicht sofort verwendet werden, wie dies bei bestimmten Verfahren des bekannten Stands der Technik der Fall ist. Kurz bevor sie verwendet werden, sollten die Einsätze jedoch in Schritt 14 erwärmt bzw. gebacken werden, um die gesamte Feuchtigkeit zu entfernen. So könnte der Einsatz zum Beispiel bei einer Temperatur von mindestens 100°C über einen Zeit raum von mindestens 5 Minuten vor dem Einfügen in Schritt 16 in die Guß form getrocknet bzw. gebacken werden.

Die Gußform kann eine Reihe von unterschiedlichen Formen aufweisen und kann in Schritt 18 in Übereinstimmung mit einer Reihe von bekannten Tech nologien gebildet werden. Eine besonders wünschenswerte Form wäre eine Sandform für den Typ von Gußmaterial, das zu verwenden ist. Auf jeden Fall ist es wichtig, daß die Form während des Formverfahrens vollständig trocken ist. Zu diesem Zweck sollte die Form in Schritt 20 vor ihrer Verwendung zum Beispiel mit Hilfe einer Wärmelampe über einen längeren Zeitraum (z. B. 6 Stunden) erwärmt werden.

Bevor das Gießen beginnt, muß das Gußmaterial in Schritt 22 mit einer ausrei chend hohen Temperatur geschmolzen werden, und die Schmelze wird dann in Schritt 24 entgast. Zum Beispiel wird das geschmolzene Gußmaterial auf 720°C erwärmt, und das geschmolzene Gußmaterial wird unter Verwendung einer geeigneten Technik, wie der Verwendung eines Drehentgasungsgerätes oder einer porösen Lanze, entsprechend entgast. Während der Entgasung muß der Gasgehalt in der Schmelze auf ein solches Maß reduziert werden, daß Porenräume, die sich bilden mögen, kleiner sind als jene, die mit dem freien Auge auf einem geschnittenen Querschnitt einer Probe eines Tests mit redu ziertem Druck (RPT) zu sehen sind. Der RPT-Test ist ein standardmäßiger Gie ßereitest zur Bestimmung des Gehalts an Gas/Wasserstoff in einer Aluminium legierungsschmelze.

In Abhängigkeit vom eigentlichen Funktionszweck des Guß-Stückes können eine Reihe von Gußmaterialien bei der Umsetzung der vorliegenden Erfin dung verwendet werden. Zum Beispiel wäre ein geeignetes Leichtgußmate rial eine 354- oder A354-Aluminiumlegierung, die eine hervorragende Guß legierung aus der Luft- und Raumfahrttechnik ist, die sowohl für Köpfe als auch Blöcke von Verbrennungsmotoren geeignet wäre. Aber auch andere Metallgußmaterialien wären geeignet, wie zum Beispiel C355 und C356, die als Legierungen in der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt werden, und die auch bei einigen Kraftfahrzeugkomponenten, einschließlich der Köpfe und Blöcke, Anwendung finden. Die Legierung 390 ist eine hypereutekti sche Aluminium-Silizium-Legierung, mit einigen einzigartigen Eigenschaften, einschließlich hohem Modul, hoher Härte und Verschleißfestigkeit. Die meis ten Aluminiumlegierungen weisen einen elastastischen Modul von ungefähr 10,5 Msi (etwa 7,24 . 10¹⁰ Pa) auf. Der Modul von 390 liegt bei 11,9 Msi (etwa 8,21 . 10¹⁰ Pa). Dieser 10%ige Anstieg beim Modul führt zu einem fes teren Guß-Stück.

Wie weiter unten im Detail erläutert wird, sollte die Form so gestaltet sein, daß sie zumindest einen Einlaß für das geschmolzene Gußmaterial und einen Auslaß aufweist, um dem geschmolzenen Gußmaterial zu ermöglichen, sich durch die Form fortzubewegen und eine kontrollierte Menge an Überlauf durch den Auslaß zu ermöglichen. Durch Bereitstellung dieses Überlaufs werden Verunreinigungen, die durch das geschmolzene Gußmaterial aufge nommen werden, zum Beispiel durch die führende Kante des Flußes, aus der Form ausgeschieden. Gibt es keinen Überlauf, kann schmutzige Schmelze an der Schnittstelle zwischen dem Gußmaterial und dem Einsatz eingefroren bzw. verfestigt oder abgeschieden werden, was zu einer schlechten Bindung führt.

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Ausführung des Formgußschritts 26 innerhalb einer schützenden Gasumgebung. Zum Bei spiel wurde festgestellt, daß das Mitführen von Wasserstoff innerhalb des ge schmolzenen Gußmaterials zu deutlichen Anstiegen bei den Mängeln führen und eine adäquate, hochfeste Bindung verhindern kann. Siehe Fig. 18a-18c unten. Der Entgasungsschritt 24 ist im Zusammenhang mit der Lösung dieses Problems wichtig. Idealerweise sollte der Wasserstoffgehalt unter 0,15 Teile pro Million (ppm) liegen und noch idealerweise auf 0,10 ppm reduziert wer den. Diese Werte entsprechen weniger als 0,168 Kubikzentimeter pro 100 g Gußmaterial (cm³/100 g) beziehungsweise 0,112 cm³/100 g. Selbst nach dem Entgasen kann Wasserstoff (so wie andere Verunreinigungen) während des Gußverfahrens aufgenommen werden. Durch Bereitstellung einer Gasumge bung, welche die Wasserstoffverunreinigung während des Gußverfahrens verzögert oder eliminiert, können die Verläßlichkeit, Festigkeit und Bestän digkeit der resultierenden Einsatz-/Gußteil-Bindung aufrechterhalten werden. Trockenluft oder Trockeninertgasschutz während des Gießens oder Gießen unter Vakuum verhindern, daß Wasserstoff durch die Schmelze während des Füllens der Form aufgenommen wird, wodurch der Gehalt an gelöstem Was serstoff in der Schmelze begrenzt und der resultierende Porositätswert im Gußteil gering gehalten wird. Das Trockengas, das zum Schutz verwendet wird, kann Trockenluft, Edelgas (wie Argon), Stickstoff etc. sein. Experi mente, die mit Argongas als Schutz durchgeführt werden, das weniger als 3 ppm Feuchtigkeit enthielt, ergaben mängelfreie Grenzflächen zwischen dem Aluminium und dem beschichteten Einsatz.

Sobald das Gußteil entnommen und in Schritt 28 gekühlt wurde, ist es wün schenswert, die Gußteil/Einsatz-Verbindung durch bekannte Wärmebehand lungsverfahren einer Wärmebehandlung zu unterziehen. So kann diese Be handlung zum Beispiel in Form des T5- oder des T6-Behandlungsverfahrens erfolgen. T6 ist die bevorzugte Behandlung, wobei der Einsatz zwischen 900 und 1000°F bzw. °C über einen Zeitraum von 8 bis 12 Stunden einem Vergü tungs- bzw. Lösungsglühen unterzogen und dann in heißem Wasser oder ei ner Polymerlösung abgeschreckt würde. Dem folgt ein Vergüten, das im all gemeinen zwischen 300 und 400°F über einen Zeitraum von 2 bis 12 Stun den ausgeführt wird. Längere Zeiten und höhere Temperaturen innerhalb dieser Bandbreiten werden verwendet, um die Matrix überzuvergüten, mit dem Ziel, die Wärmestabilität zu verbessern oder ein Verziehen und Rest spannungen zu reduzieren. Infolgedessen müssen für eingegossene Einsätze das Einsatzmaterial, die Gußlegierung und die Grenzflächenbeschichtungen so ausgewählt werden, daß die Schnittstelle bzw. Grenzschicht dem Gießen, der Luftkühlung, dem Lösungsglühen, dem Abschrecken und dann der Ver gütungsbehandlung standhalten kann. Wenn die Härte der Grenzflächen phasen gering ist, dann muß die Schnittstelle bzw. Grenzschicht so dünn wie möglich gehalten werden, um das Abschrecken ohne Risse zu überstehen. Wenn die Grenzfläche so gestaltet werden kann, daß sie verformbare bzw. duktile Phasen aufweist, dann ist die Dicke weniger bedeutend.

In Fällen, in denen eine weniger starke Wärmebehandlung wünschenswert ist, wären andere Behandlungsarten geeignet, wie zum Beispiel die T5-Be handlung. Diese Art der Behandlung verzichtet auf das Lösungsglühen und das Abschrecken von T6, folgt ansonsten jedoch derselben Vergütungsbe handlung. Der Unterschied in Bezug auf die Eigenschaften zwischen T5 und T6 variiert sehr stark in Abhängigkeit von der Legierungschemie. Im allge meinen werden die Zugfestigkeit, die Streckgrenze und die Dehnbarkeit auf grund der Lösungsbehandlung von T6 verbessert. Der Unterschied bei der Ermüdungsfestigkeit, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, ist unklar. Wenn eine T5-Behandlung angewandt werden muß, kann es notwendig sein, die Abschnittsdicken zu erhöhen oder mehr Einsätze zu verwenden, um eine adäquate Verläßlichkeit zu erzielen.

Fig. 2 stellt schematisch die Form einer geeigneten Gußform 32 dar, die min destens einen Einlaß 34 und mindestens einen Auslaß 36 aufweist. Indem das geschmolzene Gußmaterial 38 durch den Einlaß 34 gepreßt wird, bewegt sich die führende Kante LE des geschmolzenen Flußes nach oben und füllt die Form und fließt durch den Auslaß 36 ab. Der abfließende Teil des geschmol zenen Gußmaterials führt Verunreinigungen sowie Oxide und Einschlüsse von der Grenzfläche zwischen dem Einsatz und dem Gußmaterial weg. Alter nativ dazu kann die Form so gestaltet werden, daß sie den Fluß des ge schmolzenen Gußmaterials in Abschnitte der Form leitet, die weit vom Einsatz entfernt sind, nachdem das geschmolzene Gußmaterial über die beschichteten Einsatzoberflächen fließt, damit Verunreinigungen von den beschichteten Oberflächen fortgetragen werden können. Dieses Flußmuster wird dazu füh ren, daß der Bereich des geschmolzenen Gußmaterials, der am wahrschein lichsten mit Oxiden und Einschlüssen verunreinigt wird, von der Grenzfläche zwischen dem Einsatz und dem Gußmaterial weggeleitet wird. Fig. 2a ist eine auseinandergezogene Ansicht des Grenzflächenbereichs, wo - ohne den Überlauf - anfänglich schmutzige Schmelze auf der Oberfläche des Einsatzes frieren bzw. sich verfestigen und dadurch zu einer schlechten Bindung füh ren könnte.

Fig. 3 stellt einen Stahleinsatz 40 dar, der anfangs mit einer einfachen Schicht 42 aus Ni beschichtet wird. In Abhängigkeit von einer Reihe von Faktoren, wie der Dicke der Beschichtung, der Temperatur und der chemischen Natur des Gußmaterials und des Schmelzflußmusters innerhalb der Form, kann die Beschichtung entweder teilweise oder gänzlich während des Guß-Schritts aufgelöst werden. Jedes dieser Ergebnisse wird in Fig. 4a bzw. Fig. 4b darge stellt. Fig. 4a schließt Werte für die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Einsatzmaterials (12 . 10^-6/°C), das Ni-Beschichtungsmaterial (13 . 10^-6/°C) und das Aluminiumgußmaterial (25 . 10^-6/°C) ein.

Obwohl die Ausführungsform von Fig. 4b einige der Vorteile der vorliegen den Erfindung aufweisen mag, ist es vorzuziehen, das Gußverfahren mit der Konfiguration von Fig. 4a umzusetzen, da diese Konfiguration einem Teil der Ni-Beschichtung ermöglicht, durch die Bildung und die Wärmebehandlungs verfahren hindurch bestehen zu bleiben, und danach zu verhindern, daß sich unerwünschte intermetallische Phasen bilden.

Fig. 5 stellt ein spezifisches Beispiel eines Gußteils dar, das durch das Ver fahren der vorliegenden Erfindung gebildet wird, bei dem der Einsatz aus Stahl ausgebildet wird und das eine Vielzahl an damit verbundenen Be schichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Die erste Schicht 48, die auf den Einsatz galvanisiert wurde, ist Ni, während die zweite Schicht. 50, ebenfalls galvanisiert, Cu ist. Wiederum folgen die Wärmeausdeh nungskoeffizienten in der gewünschten Reihenfolge, wobei der Einsatz mit 12 . 10^-6/°C den niedrigsten Wert aufweist, die erste Schicht (Ni) 13 . 10^-6/°C aufweist, die zweite Schicht (Cu) 16,6 . 10^-6/°C und das Gußmaterial (Alumi nium) 25 . 10^-6/°C.

Fig. 6 ist eine optische mikrographische Darstellung des Stahleinsatzes, der metallurgisch mit dem Aluminium verbunden ist, nachdem das Aluminium um den Stahleinsatz herum gegossen wurde, der mit Ni bis zu einer Dicke von 4 Milli-Inch (etwa 101,6 µm) beschichtet ist, gefolgt von einer Cu-Beschich tung bis zu einer Dicke von 4 Milli-Inch (etwa 101,6 µm).

Fig. 7 stellt ein weiteres Beispiel eines mit mehreren Schichten beschichteten Einsatzes 52 dar. Diesmal wird die erste Schicht aus Cu und die zweite Schicht 56 aus Ag gebildet. Diese Ausführungsform der Erfindung stellt ein weiteres Beispiel des Wärmeausdehnungsgradienten dar. Wie in Fig. 7 darge stellt, kann die Ag-Schicht als eine Opferschicht fungieren und eine Bindung zwischen den Cu- und Al-Schichten ermöglichen. In diesem Fall würde Cu als eine Diffusionsbarriere für die Bildung von Fe-Al-Si intermetallischen Verbindungen dienen.

Im Beispiel von Fig. 8 wurde der Einsatz 58 zuerst mit einer Schicht 60 aus Ni und einer zweiten Schicht 62 aus Ag galvanisiert. In diesem Fall ist die Ag- Schicht eine Opferschicht, die eine Bindung zwischen der Ni-Schicht und dem Aluminium-Gußmaterial ermöglicht. In diesem Fall würde die Ag-Schicht 62 als eine Diffusionsbarriere gegen die Bildung von Fe-Al-Si intermetalli schen Verbindungen fungieren.

Unter Bezugnahme auf Fig. 9 stellt das Schaubild die Auswirkungen eines Glühschritts vor dem Eingießen des Einsatzes dar. Das Diagramm stellt die atomaren Konzentrationen von Fe, Ni und Cu gegenüber dem Abstand von der Oberfläche des beschichteten Einsatzes nach einem 4 Stunden langen, bei 900°C durchgeführten Glühvorgang dar.

Fig. 10 ist ein Schaubild, das zeigt, daß Fehler an der Stahl-/Aluminium- Grenzfläche die Bindungsfestigkeit wesentlich reduzieren. Fig. 11a und 11b sind mikrographische Darstellungen eines Querschnitts an der Grenzfläche eines Probegußes von Al/Ni/Fe, bei dem die Al-Si-Fe intermetallischen Phasen gezeigt werden, die bei der Bindung für Proben auftreten, die mit 1 Milli-Inch (etwa 25,4 µm) Ni beschichtet und 4 Stunden lang geglüht wurden.

Fig. 12 ist eine mikrographische Darstellung, die zeigt, daß Ni-Aluminide bei der Stahl-/Aluminium-Grenzfläche von Proben auftreten, die gemäß der vor liegenden Erfindung geformt wurden. Fig. 13a, 13b und 13c zeigen, daß schädliche Al-Si-Fe intermetallische Verbindungen während der Wärmebe handlung nicht stark ansteigen. Fig. 13a zeigt die Bedingungen nach dem Gießen aufgrund von Daten, die aus Testgießproben entnommen wurden, die gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden, jedoch ohne Wär mebehandlung. Fig. 13b stellt die Bedingungen nach der Behandlung gemäß der T5-Wärmebehandlung und Fig. 13c die Bedingungen nach der Behandlung gemäß der T6-Wärmebehandlung dar.

Fig. 14 ist ein Schaubild von Daten, die Testgießproben entnommen wurden, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt worden sind, und das zeigt, daß eine hochfeste Bindung für Gußteil im "gemäß Guß"-Zustand erzielt wird. Die Bindungsfestigkeit liegt zwischen 8.000-12.000 psi (etwa 55,16 bis 82,73 MPa), höher als jene von Gußteilen, die durch das Al-Fin-Verfahren (dort liegt der Wert im Bereich von 7.200 psi [etwa 49,64 MPa]) geformt wer den. Die Bindungsfestigkeit wird kaum von der Ni-Dicke im Bereich zwi schen 0,5 bis 2,5 Milli-Inch (etwa 12,7 bis 63,5 µm) beeinflußt, obwohl eine dünne Beschichtung eine höhere Festigkeit aufzuweisen scheint. Dieses Schaubild zeigt zudem, daß die Diffusionsbindungszeit wenig Auswirkung auf die Bindungsfestigkeit zu haben scheint.

Fig. 15 ist ein anderes Schaubild von Daten, die Testgießproben entnommen wurden, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt worden sind, wobei die Bindungsfestigkeit von Proben nach der T6-Wärmebehandlung aufge zeichnet wird. Dieses Schaubild verdeutlicht, daß die Festigkeit gegenüber der Ni-Stärke und der Glühzeit nicht empfindlich ist. Ebenso ist Fig. 16 ein Schaubild von Daten, die Testgießproben entnommen wurden, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt worden sind, und das zeigt, daß die Bin dungsfestigkeit nach der T5-Wärmebehandlung noch hoch ist und über der Festigkeit bleibt, die mit dem Al-Fin-Verfahren des bekannten Stands der Technik erzielt werden. Diese Daten zeigen überdies, daß die Diffusionszeit wenig Einfluß auf die Bindungsfestigkeit hat. In einer verwandten Testreihe, die in Fig. 17 dargestellt wird, ist die Bindungsfestigkeit ebenfalls nicht nega tiv von den geringen Erwärmungsgeschwindigkeiten bei den T6-Wärmebe handlungsverfahren beeinflußt.

Die mikrographischen Darstellungen von Fig. 18a, 18b und 18c offenbaren Testproben, die gegossen wurden, als die Wasserstoffmitführung in der Schmelze hoch, mittel bzw. gering war. Diese Figuren zeigen, daß die Verrin gerung des Wasserstoffgehalts in der Schmelze des Gußmaterials die Bin dungsfestigkeit verbessert.

Das Schaubild von Fig. 19 zeigt die Auswirkungen der Befolgung der ver besserten Verfahren der vorliegenden Erfindung, wobei die dargestellten Bindungsfestigkeiten weit über jenen des bekannten Stands der Technik lie gen. Von den Grenzflächenbindungen, die getestet wurden, erzeugten die Ni/Cu-Beschichtungsbindungen die stärksten Bindungen, so wie in den in Fig. 20 dargestellten Tests aufgezeichnet.

Die mikrographische Darstellung von Fig. 21 offenbart eine Probe, die durch Techniken des bekannten Stands der Technik erstellt wurde, wobei zwischen den Schichten ein Spalt offenbart wird. Um den in Fig. 21 dargestellten Spalt zu beseitigen, wurde das Verfahren der vorliegenden Erfindung angewandt. In diesem Verfahren wird Nickel auf Stahl bei 50°C aufgebracht und auf Raumtemperatur gekühlt. Kupfer wird dann bei 40°C aufgebracht. Während des Aufbringens der Kupferschicht wird die Stahl-/Nickel-Verbindung aufge heizt und dehnt sich aus. Da die Kupferschicht, die auf der Nickelschicht wächst, einen höheren CTE als die Stahl-/Ni-Verbindung aufweist, "schrumpft" sie beim Kühlen auf der Nickel-Verbindung. Infolgedessen kommt es zu keinem Spalt zwischen den Nickel- und Kupferschichten. Eine Reihe von Stahlproben wurde unter Anwendung der neuen Technik be schichtet. Dabei wurden zwischen den Nickel- und Kupferschichten keine Spalten festgestellt. Fig. 22 stellt das Fehlen eines Spalts zwischen der Stahl-/Nickel-Verbindung und dem äußeren Kupfer bei der neuen Galvanisie rungstechnik dar.

Die oben beschriebenen Beschichtungstechniken wurden experimentell mehrere Male für mehrschichtige Beschichtungen von Nickel und Kupfer auf Stahl getestet. In jedem Fall ist die Nickel-/Kupfer-Grenzfläche frei von Män geln gewesen. Dadurch war es möglich, mehrere unterschiedliche Dicken der Nickelschicht zu testen, um die Nickelschichtdicke hinsichtlich der Bin dungsfestigkeit zu optimieren. Außerdem hat das Fehlen eines Spalts zwi schen der Nickel- und der Kupferschicht auch zu einer verbesserten Be schichtungsintegrität nach dem Wärmebehandlungsschritt geführt. Proben, die mit Hilfe der alten Technik erzeugt wurden, wiesen große Porenräume in der Beschichtungsschicht auf, wobei die Poren oft an der Oberfläche expo niert waren. Oberflächenporen haben oft Feuchtigkeit aufgefangen und während des Gießens Mängel verursacht. Proben, die mit Hilfe der vorliegen den Erfindung erzeugt wurden, enthielten wesentlich geringere Porenräume, wobei die Porenräume immer innerhalb der Beschichtung lagen, wodurch eine verbesserte Bindungsintegrität nach dem Gießen möglich wurde. Fig. 23 ist eine mikrographische Darstellung einer Probe, die gemäß den Techniken des bekannten Stands der Technik erzeugt wurde, und Fig. 24 ist eine mikro graphische Darstellung einer Probe, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde. Fig. 24 stellt die verbesserte Qualität der Beschichtung nach der Wärmebehandlung dar, wenn die vorliegende Erfindung verwendet wird, um die Probe zu erzeugen.

Die vorliegende Erfindung wird bei allen Gußverfahren breite Anwendung finden, bei denen Vorteile daraus gewonnen werden können, daß ein her kömmlicheres, schweres Gußteil aus Metall (wie Gußeisen) durch ein leichtes, einsatzverstärktes Gußteil ersetzt wird. Die Erfindung bietet sich insbeson dere für eine Anwendung bei Verbrennungsmotoren und noch spezieller für eine Anwendung bei Dieselmotoren für Schwerfahrzeuge an, die unter schwierigen Bedingungen eingesetzt werden, an. Die Komponenten dieser Motoren, die zuvor aus Gußeisen gebildet wurden, werden nun in Leichtme talllegierungen ausgeführt. Die deutliche Gewichtsreduktion wird zu einer wesentlichen Leistungsverbesserung in bezug auf den Treibstoffverbrauch und die Betriebskosten führen.

Hinsichtlich der in den Figur teilweise verwendeten Einheit "Milli-Inch" gilt, daß 1 Milli-Inch etwa 25,4 µm entspricht.

Claims

1. Verfahren zur Bildung einer zähfesten und/oder belastbaren, insbeson dere zumindest im wesentlichen mängelfreien Verbindung zwischen einem Einsatz und einem Gußmetallmaterial mit einem Schmelzpunkt unter dem Schmelzpunkt des Einsatzmaterials, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

a) Beschichten des Einsatzes mit einer dünnen Schicht eines metallischen Materials mit einer Dicke von 0,5 bis 8 Milli-Inch (etwa 12,7 bis 203,2 µm); und
b) Gießen des Gußmetallmaterials gegen die beschichtete Oberfläche des Einsatzes unter Bedingungen, welche die metallurgischen Bindungen zwischen dem Einsatz und dem metallischen Material der Beschichtung und zwischen dem metallischen Material und dem Gußmaterial maximie ren, während die Wasserstoffabsorption reduziert wir, insbesondere um eine Bindungsfestigkeit bzw. Zähfestigkeit von über 8000 psi (etwa 55,16 MPa) zu erzielen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und das Gußmetallmaterial einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und wobei der Schritt des Gießens den Schritt des Gießens mit metallischem Material ein schließt, das einen dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient aber geringer als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Beschichtung den Schritt des Auftragens einer Schicht mit einer Dicke von 0,5 bis 2,5 Milli-Inch einschließt.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verfahren den Schritt der T5-Wärmebehandlung nach dem Gießschritt umfaßt.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verfahren des weiteren den Schritt der T6-Wärmebehand lung nach dem Gießschritt einschließt.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schritt des Gießens den Schritt des Gießens innerhalb einer Inertgasumgebung einschließt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Gießens innerhalb einer Inertgasumgebung den Schritt des Gießens innerhalb einer Gasumgebung einschließt, die vorwiegend Argon enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Gießens innerhalb einer Inertgasumgebung den Schritt des Gie ßens innerhalb einer Gasumgebung einschließt, die vorwiegend Stickstoff enthält.

9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schritt des Gießens den Schritt des Gießens innerhalb einer Trockengasumgebung einschließt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Gießens innerhalb einer Trockengasumgebung den Schritt des Gießens in nerhalb einer Trockengasumgebung einschließt, die vorwiegend Luft enthält.

11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verfahren des weiteren den Schritt der Bildung des Ein satzes aus unlegiertem Stahl oder Kohlenstoffstahl einschließt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren des weiteren den Schritt der Bildung des Einsatzes aus rostfreiem Stahl einschließt.

13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schritt der Beschichtung die Bildung der Schicht aus einem Material einschließt, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Ni, Ag, Cu, Antimon, Wismut, Chrom, Kupfer, Gold, Blei, Magnesium, Silizium, Zinn, Titan und Zink besteht.

14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schritt der Beschichtung den Schritt der Galvanisierung der Schicht des metallurgischen Materials auf den Einsatz einschließt.

15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schritt der Beschichtung den Schritt der Reinigung des Einsatzes in einem alkalischen Bad gefolgt vom Schritt der Säurebeizung ein schließt.

16. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verfahren den Schritt der Beschichtung bei einer Tempera tur über der Raumtemperatur einschließt, wobei das Beschichtungsmaterial Ni ist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfah ren des weiteren den Schritt des Glühens bzw. Vergütens des beschichteten Einsatzes bei einer Temperatur von 900°C einschließt.

18. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schritt der Beschichtung die Beschichtung über Raumtem peratur einschließt, wobei das Beschichtungsmaterial Cu ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfah ren des weiteren den Schritt des Glühens bzw. Vergütens des beschichteten Einsatzes bei einer Temperatur von 900°C einschließt.

20. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schritt der Beschichtung die Beschichtung bei einer Tem peratur von 40° bis 45°C einschließt, wobei das Beschichtungsmaterial Ag ist.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfah ren des weiteren den Schritt des Glühens bzw. Vergütens des beschichteten Einsatzes bei einer Temperatur von 900°C einschließt.

22. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Gießschritt die Schritte der Bildung einer Form mit einem Einlaß und einem Auslaß einschließt, in die der Einsatz vor dem Gießen plat ziert dafür sorgt, daß das geschmolzene Gußmaterial durch den Einlaß eintritt, die Form füllt und durch den Auslaß überläuft, um einer verunreinigten Fluß front zu ermöglichen, aus dem Auslaß der Form auszutreten.

23. Verfahren zur Bildung einer insbesondere zumindest im wesentlichen mängelfreien, metallurgischen Bindung zwischen einem Einsatz und einem Gußmetallmaterial, insbesondere nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a) Beschichten des Einsatzes mit einer dünnen Schicht eines metallurgi schen Materials mit einer Dicke von 0,5 bis 8 Milli-Inch (etwa 12,7 bis 203,2 µm); und
b) Gießen des Gußmetallmaterials gegen die beschichtete Oberfläche des Einsatzes in einer bzw. unter Schutzgasumgebung.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfah ren des weiteren den Schritt der Bildung des Einsatzes aus unlegiertem Stahl oder Kohlenstoffstahl einschließt.

25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfah ren des weiteren den Schritt der Bildung des Einsatzes aus rostfreiem Stahl einschließt.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Beschichtung die Bildung der Schicht aus einem Material einschließt, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Ni, Ag, Cu, Antimon, Wismut, Chrom, Kupfer, Gold, Blei, Magnesium, Silizium, Zinn, Titan und Zink besteht.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Beschichtung den Schritt der Galvanisierung der Schicht von metallischem Material auf den Einsatz einschließt.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Beschichtung den Schritt der Reinigung des Einsatzes in einem alkalischen Bad gefolgt vom Schritt der Säurebeizung einschließt.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Beschichtung die Beschichtung bei einer Temperatur von 50 bis 55°C einschließt, wobei das Beschichtungsmaterial Ni ist.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfah ren des weiteren den Schritt des Glühens bzw. Vergütens des beschichteten Einsatzes bei einer Temperatur von 900°C einschließt.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Beschichtung die Beschichtung bei einer Temperatur von 40 bis 45°C einschließt, wobei das Beschichtungsmaterial entweder Ni oder Ag ist.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfah ren des weiteren den Schritt des Glühens bzw. Vergütens des beschichteten Einsatzes bei einer Temperatur von 900°C einschließt.

33. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß vor dem Gießschritt des weiteren der Schritt des Erwärmens des beschichteten Einsatzes auf eine Temperatur von mindestens 100°C über einen Zeitraum von mindestens 5 Minuten erfolgt.

34. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Gießschritt des weiteren den Schritt der Erwärmung des Gußmaterials auf eine Temperatur von 720°C und die Entgasung des ge schmolzenen Gußmaterials einschließt.

35. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Gußmaterial eine A354- oder 354-Aluminiumlegierung ist.

36. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Gießschritt den Schritt der Bildung einer Sandform ein schließt, in die der Einsatz eingesetzt wird.

37. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Gießschritt die Schritte der Bildung einer Form mit einem Einlaß und einem Auslaß einschließt, in die der Einsatz vor dem Gießen platziert wird und die dafür sorgt, daß das geschmolzene Gußmaterial durch den Einlaß eintritt, die Form füllt und durch den Auslaß überläuft, um einem vorderen Fluß an Verunreinigungen zu ermöglichen, durch den Auslaß der Form auszutreten.

38. Verfahren zur Bildung einer zäfesten und/oder belastbaren, insbesondere zumindest im wesentlichen mängelfreien Verbindung zwischen einem Einsatz und einem Gußmetallmaterial mit einem Schmelzpunkt unter jenem des Ein satzmaterials, insbesondere nach einem der voranstehenden Ansprüche, wo bei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a) Beschichten des Einsatzes mit einer dünnen Schicht eines metallischen Materials; und
b) Gießen des Gußmetallmaterials gegen die beschichtete Oberfläche des Einsatzes unter Bedingungen, welche die metallurgischen Bindungen . zwischen dem Einsatz und dem metallischen Material und zwischen der dünnen Schicht und dem Gußmetall maximieren, während die Wasser stoffabsorption reduziert wird, um eine Bindungsfestigkeit bzw. Zäh festigkeit von über 8000 psi (etwa 55,16 MPa) zu erzielen.

39. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Einsatz einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten, das erste metallische Material einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten und das Gußmetallmaterial einen dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient größer als der ers te und geringer als der dritte Wärmeausdehnungskoeffizient ist.

40. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Gießschritt unter Bedingungen ausgeführt wird, die eine Temperatur einschließen, die dazu führt, daß nur ein Teil der aufgetragenen Schicht durch Auflösen in das Gußmetallmaterial geopfert wird, während zumindest ein Teil der aufgetragenen Schicht als eine Diffusionsbarriere zwi schen dem Einsatz und dem Gußmaterial bleibt.

41. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß der Gießschritt die Schritte der Bildung einer Form mit einem Einlaß und einem Auslaß einschließt, in die der Einsatz vor dem Gießen platziert wird, und die dafür sorgt, daß das geschmolzene Gußmaterial durch den Einlaß ein tritt, die Form füllt und durch den Auslaß überläuft, um zu ermöglichen, daß eine verunreinigte Flußfront durch den Auslaß der Form austritt.

42. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 41, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Beschichtens den Schritt des Auftragens einer Schicht mit einer Dicke von 0,5 bis 8 Milli-Inch (etwa 12,7 bis 203,2 µm) einschließt.

43. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verfahren des weiteren den Schritt der T5-Wärmebehand lung nach dem Gießschritt einschließt, wodurch sich eine Grenzflä chen(zäh)festigkeit von über 7000 psi (etwa 48,26 MPa) ergibt.

44. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verfahren des weiteren den Schritt der T6-Wärmebehand lung nach dem Gießschritt einschließt, wodurch sich eine Grenzflä chen(zäh)festigkeit von über 7000 psi (etwa 48,26 MPa) ergibt.

45. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Gießens den Schritt des Gießens innerhalb einer Inertgas umgebung einschließt.

46. Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Gießens innerhalb einer Inertgasumgebung den Schritt des Gießens in nerhalb einer Gasumgebung einschließt, die vorwiegend Argon enthält.

47. Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Gießens innerhalb einer Inertgasumgebung den Schritt des Gießens in nerhalb einer Gasumgebung einschließt, die vorwiegend Stickstoff enthält.

48. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schritt des Gießens den Schritt des Gießens innerhalb einer Trockengasumgebung einschließt.

49. Verfahren nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Gießens innerhalb einer Trockengasumgebung den Schritt des Gießens innerhalb einer Trockengasumgebung einschließt, die vorwiegend Luft ent hält.

50. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 49, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren des weiteren den Schritt der Bildung des Einsatzes aus unlegiertem Stahl oder Kohlenstoffstahl einschließt.

51. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 49, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren des weiteren den Schritt der Bildung des Einsatzes aus rostfreiem Stahl einschließt.

52. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 51, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren des weiteren den Schritt der Bildung des Gußmaterials aus einer Aluminiumlegierung einschließt.

53. Verfahren nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, daß die Alumini umlegierung eine A354- oder 354-Aluminiumlegierung ist.

54. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 53, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Beschichtung die Bildung der Schicht aus einem Material einschließt, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Ni, Ag, Cu, Antimon, Wismut, Chrom, Gold, Blei, Magnesium, Silizium, Zinn, Titan und Zink be steht.

55. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schritt der Beschichtung den Schritt der Galvanisierung der Schicht von metallischem Material einschließt.

56. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schritt der Beschichtung den Vorschritt der anodischen Reinigung des Einsatzes in einem alkalischen Bad gefolgt vom Schritt der Säurebeizung einschließt.

57. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 56, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Beschichtung bei einer Temperatur von 50° bis 55°C er folgt, und das Beschichtungsmaterial Ni ist.

58. Verfahren nach Anspruch 57, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfah ren des weiteren den Schritt des Glühens bzw. Vergütens des beschichteten Einsatzes bei einer Temperatur von 900°C einschließt.

59. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 58, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Beschichtung die Beschichtung bei einer Temperatur von 40° bis 45°C einschließt, und das Beschichtungsmaterial Cu ist.

60. Verfahren nach Anspruch 59, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfah ren des weiteren den Schritt des Glühens bzw. Vergütens des beschichteten Einsatzes bei einer Temperatur von 900°C einschließt.

61. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 60, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Beschichtung die Beschichtung bei einer Temperatur von 40° bis 45°C einschließt und das Beschichtungsmaterial Ag ist.

62. Verfahren nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfah ren des weiteren den Schritt des Glühens bzw. Vergütens des beschichteten Einsatzes bei einer Temperatur von 900°C einschließt.

63. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Gießschritt des weiteren den Schritt des Erwärmens des Gußmaterials auf eine geeignete Temperatur und die Entgasung des ge schmolzenen Gußmaterials auf einen Punkt einschließt, wo die Menge an mitgeführtem Wasserstoff geringer als 0,15 Teile pro Million (ppm) ist.

64. Verfahren nach Anspruch 63, dadurch gekennzeichnet, daß des weiteren der Gießschritt den Schritt der Erwärmung des Gußmaterials auf eine ge eignete Gießtemperatur und Entgasung des geschmolzenen Gußmaterials auf einen Punkt einschließt, bei dem die Menge an mitgeführtem Wasserstoff ge ringer als 0,10 Teile pro Million (ppm) ist.

65. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die dünne Schicht mit einer Dicke von 0,5 bis 4 Milli-Inch (etwa 12,7 bis 101,6 µm) aufgetragen wird.

66. Verfahren nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht mit einer Dicke von 0,5 bis 2 Milli-Inch (etwa 12,7 bis 50,8 µm) auf getragen wird.

67. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasumgebung Argon, Stickstoff oder Trockenluft ist.

68. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verfahren die Bereitstellung einer Form einschließt, die so gestaltet ist, daß sie den Fluß des geschmolzenen Gußmaterials in Abschnitte der Form leitet, nachdem das geschmolzene Gußmaterial über die beschichte ten Einsatzoberflächen geflossen ist, um zu ermöglichen, daß Verunreinigun gen von der beschichteten Oberfläche fortgetragen werden, um dafür zu sor gen, daß das geschmolzene Gußmaterial, das am wahrscheinlichsten mit Oxi den und Einschlüssen verunreinigt wird, von der Grenzfläche zwischen dem Einsatz und dem Gußmaterial fortgeführt wird.

69. Gußteil mit einem beschichteten, eingegossenen Einsatz aus einem Mate rial, das einen höheren Schmelzpunkt als das Gußmetallmaterial aufweist, da durch gekennzeichnet, daß die Beschichtung des Einsatzes teilweise in den Gußmetallmaterial aufgelöst ist.