DE10153306A1 - Casting in process involves laying insertion part in pressure casting tool, applying non-ferrous metal layer to it, and making groove structure in this layer - Google Patents
Casting in process involves laying insertion part in pressure casting tool, applying non-ferrous metal layer to it, and making groove structure in this layerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eingießen eines metallischen Einlegeteils in ein Leichtmetall-Gussbauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3. The invention relates to a method for pouring a metallic insert into a light metal cast component after the preamble of claim 1 and a method according to the Preamble of claim 3.
Gussbauteile, insbesondere Leichtmetall-Gussbauteile werden häufig durch Einlegeteile, die durch Eingießen in das Bauteil integriert werden, verstärkt. Diese Einlegeteile stellen lokale Werkstoffverbesserungen dar wie z. B. bessere Verschleißbeständigkeit, höhere mechanische Festigkeit oder thermische Beständigkeit. Cast components, in particular light metal cast components are often by inserting, by pouring into the component integrated, reinforced. Put these inserts local material improvements such. B. better Wear resistance, higher mechanical strength or thermal Resistance.
Eine technische Schwierigkeit beim Eingießen derartiger Einlegeteile besteht oftmals in der unbefriedigenden Haftung zwischen der Oberfläche des Einlegeteils und dem erstarrten Gießmetall. Die kurze Berührungszeit zwischen der metallischen Schmelze und dem Einlegeteil sowie geringe Benetzung, wie sie in verschieden Materialpaarungen auftritt, verhindert in den meisten Fällen eine chemische Verbindung bzw. ein Legieren des Gießmetalls und des Einlegeteils an deren Grenzflächen. Ein Spalt an der Grenzfläche kann den Wärmeübergang beeinträchtigen oder eine mechanische Schwachstelle darstellen. A technical difficulty in pouring such Inserts often consist in unsatisfactory adhesion between the surface of the insert and the solidified Casting metal. The short contact time between the metallic ones Melt and the insert and low wetting, as they occurs in different material combinations, prevents in the In most cases, a chemical compound or an alloying of the Casting metal and the insert at their interfaces. On Gap at the interface can heat transfer affect or constitute a mechanical weak point.
Diesem Problem wird derzeit durch ein Aufrauen der Oberfläche des Einlegeteils begegnet. Das Aufrauen erfolgt zuweilen durch Sandstrahlen oder wie in der DE 197 50 687 A1 am Beispiel einer Zylinderlaufbuchse beschrieben wird, durch spanabhebendes Bearbeiten der Oberfläche und anschließenden Sandstrahlen. Hierdurch werden an der Oberfläche des Halbzeuges mikroskopische Hinterschnitte erzeugt, die eine Verklammerung zwischen dem Gießmetall und dem Einlegeteil bewirken. This problem is currently due to a roughening of the surface the insert encountered. The roughening takes place occasionally Sand blasting or as in DE 197 50 687 A1 using the example a cylinder liner is described by machining Working the surface and then sandblasting. This will be on the surface of the semifinished product microscopic undercuts generated, which is a stapling between cause the casting metal and the insert.
Reines Sandstrahlen führt jedoch nicht zu gewünschten Hinterschnitten, sondern im Wesentlichen zu Vertiefungen an der Oberfläche. Das Verfahren nach der DE 197 50 687 A1 erzeugt die gewünschten Hinterschnitte, ist jedoch in seiner Gesamtheit sehr teuer. However, pure sandblasting does not lead to desired Undercuts, but essentially to depressions on the Surface. The method according to DE 197 50 687 A1 produces the desired undercuts, but is in its entirety very expensive.
Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik tritt dann auf, wenn mit den beschriebenen Verfahren Einlegeteile auf Eisen- Basis, insbesondere aus Gusseisen in Niederdruck-Gießverfahren eingegossene werden. Der Druck der Leichtmetallschmelze reicht in weiten Bereichen nicht aus, um die erzeugten Vertiefungen gänzlich auszufüllen. Hinzu kommt, dass Einlegeteile auf Eisen-Basis bei den relativ niedrigen Gießtemperaturen der Leichtmetallschmelzen keine chemische Bindung mit den Leichtmetallen eingehen. Another disadvantage of the prior art then occurs if, with the described methods, inserts on iron Base, in particular of cast iron in low-pressure casting be poured. The pressure of the light metal melt is sufficient in many areas not to the wells produced to be completed completely. On top of that, insert parts on Iron base at the relatively low casting temperatures of Light metal melts no chemical bond with the Gain light metals.
Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Haftung von Einlegeteilen auf Eisen-Basis gegenüber Leichtmetallen in Gussbauteilen zu verbessern. On this basis, the object of the invention is the, Adherence of iron-based inserts To improve light metals in cast components.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 3. The solution of the problem consists in a method according to Features of claim 1 or claim 3.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 wird ein Einlegeteil auf Eisen-Basis zuerst in ein Druckgusswerkzeug, das zur Konditionierung dient, eingelegt. Das Druckgusswerkzeug ist derart ausgelegt, dass es einen Formhohlraum aufweist, der eine annähernd gleiche, jedoch vergrößerte Form des Einlegeteils aufweist. Zudem weist eine Wand des Druckgusswerkzeuges ein Oberflächenprofil auf. Das Einlegeteil wird in dem Druckgusswerkzeuges so positioniert, dass es umlaufend in etwa gleiche Abstände zu der Werkzeugwand aufweist. After the process according to claim 1 of the invention is a Iron-based insert first into a die-casting tool, used for conditioning, inserted. The Die casting tool is designed such that it has a mold cavity having an approximately same but enlarged shape of the Has insert. In addition, a wall of the Die-casting tool has a surface profile. The insert is in The die casting tool is positioned so that it rotates in having approximately the same distances from the tool wall.
Im folgenden Schritt wird der verbleibende, nicht durch das Einlegeteil ausgefüllte Formhohlraum des Druckgusswerkzeuges unter erhöhtem Druck mit Aluminium oder Magnesium oder einer Legierung dieser Metalle (im Folgenden Leichtmetall genannt) gefüllt. Unterstützt durch den hohen Druck, verbindet sich das Leichtmetall mit der Oberfläche des Einlegeteils mechanisch und/oder chemisch, was eine gute Haftung zwischen der Leichtmetallschicht und dem Einlegeteil zur Folge hat. In the following step will be the remaining, not by the Insert filled mold cavity of the die-casting tool under elevated pressure with aluminum or magnesium or a Alloy of these metals (hereinafter referred to as light metal) filled. Supported by the high pressure, this connects Light metal with the surface of the insert mechanically and / or chemically, giving good adhesion between the Alloy layer and the insert has the consequence.
Die so erzeugte Verbindung von Einlegeteil auf Eisen-Basis und Leichtmetallschicht wird im Folgenden als Verbundeinlegeteil bezeichnet. Auf der Leichtmetallschicht des Verbundeinlegeteils ist die Oberflächenstruktur abgebildet, die aus dem Druckgusswerkzeug hervorgeht. Diese Oberflächenstruktur führt beim folgenden Eingießen des Verbundeinlegeteils zu einer besseren Haftung zwischen dieser und dem so dargestellten Bauteil. The compound produced by insert iron-based and Light metal layer is hereinafter referred to as composite insert designated. On the light metal layer of the Composite insert, the surface structure is shown, which from the Die casting tool emerges. This surface structure leads during the subsequent pouring of the composite insert to a better adhesion between this and the one shown Component.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere dann, wenn das Einlegeteil in großvolumige Bauteile eingegossen wird und wenn das Gießen unter geringem Druck erfolgt. The process according to the invention is particularly advantageous especially when the insert in large-volume components is poured and when the casting under low pressure he follows.
Als Oberflächestrukturen sind alle Strukturen denkbar, die keine Hinterschnitte erzeugen und somit die Entformung nicht beeinträchtigen. Rillenstrukturen und pyramidenförmige Vertiefungen haben sich als zweckmäßig herausgestellt. As surface structures, all structures are conceivable, the do not create any undercuts and therefore not demoulding affect. Groove structures and pyramidal Wells have been found to be useful.
Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren nach Anspruch 3. Die Konditionierung des Einlegeteils erfolgt durch eine thermische Spritzschicht. Die Spritzpartikel setzen sich auf der Oberfläche des Einlegeteils, das eine Grundrauhigkeit aufweist, fest. Durch die Spritzschicht werden Hinterschneidungen, die bereits auf der Oberfläche des Einlegeteils vorhanden sind, ausgefüllt, was zu einer besonders guten Haftung führt. Another inventive solution to the problem consists in A method according to claim 3. Conditioning the Insert part is made by a thermal spray coating. The Spray particles settle on the surface of the Insert, which has a basic roughness, firmly. By the Injection coating will be undercuts already on the Surface of the insert are present, filled, what to a particularly good adhesion leads.
Die Spritzschicht, die auf der Basis eines Leichtmetalls besteht, insbesondere auf der Basis des Leichtmetalls, durch das das spätere Bauteil gegossen wird, bildet eine Übergangsschicht vom Einlegeteil zum Bauteilmetall. Die Spritzschicht weist wiederum eine Oberflächenrauigkeit mit Hinterschneidungen auf, in denen sich das Gießmetall verklammern kann. Dabei geht das Gießmetall mit dem gleichartigen Metall der Spritzschicht Oberflächeniegierungen ein, die wiederum zu einer festen Verbindung und zu einer guten Haftung führen. The sprayed layer, based on a light metal consists, in particular on the basis of the light metal, by the the later component is cast forms one Transition layer from the insert to the component metal. The sprayed layer again has a surface roughness Undercuts on where the casting metal can cling. there the casting metal goes with the similar metal of the Spritzschicht surface coatings a, which in turn to a firm connection and lead to good adhesion.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Spritzschichten mit einem hohen Spritzdruck, wie er beim Lichtbogendrahtspritzen (LDS) oder beim kinetischen Kaltgaskompaktieren (K3) auftritt, zu erzeugen. Durch den hohen Druck werden Vertiefungen und Hinterschneidungen, die auf der Oberfläche des Einlegeteils vorhanden sind, gut gefüllt, was zu einer guten Haftung führt. It has proved to be advantageous, the Sprayed layers with a high injection pressure, as in the case of Arc wire spraying (LDS) or kinetic cold gas compacting (K3) occurs to produce. Due to the high pressure Depressions and undercuts on the surface of the Einlegeteils are present, well filled, resulting in a good Liability leads.
Insbesondere bei der Herstellung von Aluminiumbauteilen mit Einlegeteilen hat sich herausgestellt, dass Spritzschichten auf der Basis von Aluminium-Silizium-Legierungen besonders vorteilhaft sind. Der Siliziumanteil liegt zwischen 4% und 12%, bevorzugt zwischen 5% und 7%. Die Spritzschicht kann noch weitere übliche Legierungszusätze wie Kupfer enthalten. Die Schichtdicke beträgt üblicherweise zwischen 200 µm und 300 µm. In particular, in the production of aluminum components with Inlay parts have been found to be sprayed especially based on aluminum-silicon alloys are advantageous. The silicon content is between 4% and 12%, preferably between 5% and 7%. The spray coat can still contain other common alloying additives such as copper. The Layer thickness is usually between 200 microns and 300 microns.
Als Material für das Einlegeteil ist Gusseisen gut geeignet, welches eine hohe Festigkeit und eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist. Der sogenannte Rauguss ist eine Form des Gusseisens mit besonders rauer Oberfläche. Die raue Oberfläche bildet eine gute Verklammerung mit der Spritzschicht nach Anspruch 3 oder der Leichtmetallschicht nach Anspruch 1. As a material for the insert cast iron is well suited which is high strength and high Temperature resistance has. The so-called Rauguss is a form of the Cast iron with a particularly rough surface. The rough surface forms a good bond with the sprayed layer Claim 3 or the light metal layer according to claim 1.
Im Folgenden werden die erfindungsgemäßen Verfahren an drei bevorzugten Beispielen veranschaulicht. Die Figuren dienen der Verdeutlichung der Verfahrensschritte. In the following, the inventive method to three preferred examples. The figures serve the Clarification of the process steps.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1a eine Schnittzeichnung eines zylinderförmigen Verbundeinlegeteils umfassend ein Einlegeteil auf Eisen-Basis und eine Leichtmetallschicht mit Rillenstruktur, FIG. 1a is a cross-sectional view of a cylindrical composite insert comprising an insert iron-based and a light metal layer with groove structure,
Fig. 1b eine vergrößerte Darstellung des Details 1b aus Fig. 1a, FIG. 1b is an enlarged view of detail 1 b in Fig. 1a,
Fig. 2 eine Schnittzeichnung eines zylinderförmigen Verbundeinlegeteils umfassend ein Einlegeteil auf Eisen-Basis und eine Leichtmetallschicht mit Pyramidenstruktur, Fig. 2 is a cross-sectional view of a cylindrical composite insert comprising an insert iron-based and a light metal layer having a pyramid structure,
Fig. 3 ein Einlegeteil auf Eisenbasis mit einer thermisch gespritzten Schicht. Fig. 3 shows an insert part based on iron having a thermally sprayed layer.
Ein zylinderförmiges Einlegeteil 1 (Fig. 1a und 1b) aus Rauguss mit einer rauen Oberfläche 5 wird in ein Druckgießwerkzeug eingelegt. Hierzu wird das Einlegeteil 1 auf einer Pinole in einem Formhohlraum des Druckgusswerkzeuges positioniert. Im geschlossen Zustand des Druckgießwerkzeuges ist das Einlegeteil im Formhohlraum derart angeordnet, dass seine äußere Oberfläche 5 einen nahezu äquidistanten Abstand zu einer Werkzeugwand aufweist. Die Werkzeugwand ist mit einer Oberflächenstruktur in Form eines Rillenmusters versehen. A cylindrical insert 1 (FIGS . 1a and 1b) made of furring with a rough surface 5 is inserted into a die casting tool. For this purpose, the insert 1 is positioned on a quill in a mold cavity of the die-casting tool. In the closed state of the die-casting tool, the insert is arranged in the mold cavity such that its outer surface 5 has a nearly equidistant distance from a tool wall. The tool wall is provided with a surface structure in the form of a groove pattern.
Anschließend wird der Formhohlraum unter Druck (800 bar) mit Aluminium (Legierung AlSi9Cu3) gefüllt. Das Aluminium füllt den Raum zwischen der Werkzeugwand und dem Einlegeteil 1 und dringt auf Grund des hohen Drucks in die mikroskopischen Strukturen der rauen, teilweise Hinterschneidungen 6 aufweisenden Oberfläche 5 des Einlegeteils 1. Durch die gleichmäßige Ausfüllung der Oberflächenstruktur 5 entsteht nach dem Erstarren des Aluminiums eine Leichtmetallschicht in Form einer Aluminiumschicht 3 mit einer guten Haftung zum Einlegeteil 1. Der Innenbereich des zylindrischen Einlegeteils wird durch die Pinole ausgefüllt und bleibt nach dem Gießen frei von Aluminium. Auf der Aluminiumschicht 3 ist eine Rillenstruktur 9 abgebildet, die durch die Oberfläche der Werkzeugwand erzeugt wird. Einlegeteil 1 und Aluminiumschicht 3 werden gemeinsam als Verbundeinlegeteil 7 bezeichnet. Subsequently, the mold cavity is filled under pressure (800 bar) with aluminum (alloy AlSi9Cu3). The aluminum fills the space between the tool wall and the insert 1 and penetrates due to the high pressure in the microscopic structures of the rough, partially undercuts 6 having surface 5 of the insert. 1 Due to the uniform filling of the surface structure 5 , a light metal layer in the form of an aluminum layer 3 with a good adhesion to the insert part 1 is formed after the solidification of the aluminum. The interior of the cylindrical insert is filled by the quill and remains free of aluminum after casting. On the aluminum layer 3 , a groove structure 9 is shown, which is generated by the surface of the mold wall. Insert 1 and aluminum layer 3 are collectively referred to as composite insert 7 .
Das Verbundeinlegeteil 7 wird nun in eine Sandform eingelegt und auf einem Sandkern positioniert. Durch die Sandform wird ein Zylinderkurbelgehäuse für einen Verbrennungsmotor abgebildet. Das Verbundeinlegeteil 7 dient zur Darstellung einer Zylinderlaufbuchse. Das Formfüllen der Sandform mit einer Aluminiumlegierung erfolgt nach einem üblichen Sandgießverfahren. Die Aluminiumlegierung wird im Folgenden im flüssigen Zustand Gießmetall, im erstarrten Zustand Bauteil genannt. Nach dem Erstarren des Gießmetalls und dem Entformen des Bauteils besteht eine weitgehend spaltfreie Verbindung zwischen dem Verbundeinlegeteil 7 entlang der Aluminiumschicht 3 und dem Bauteil. The composite insert 7 is now placed in a sand mold and positioned on a sand core. The sand mold depicts a cylinder crankcase for an internal combustion engine. The composite insert 7 is used to represent a cylinder liner. The mold filling of the sand mold with an aluminum alloy takes place according to a customary sand casting method. The aluminum alloy is referred to below in the liquid state cast metal, in the solidified state component. After solidification of the cast metal and removal of the component, there is a largely gap-free connection between the composite insert 7 along the aluminum layer 3 and the component.
Die gute, nahezu spaltfreie Verbindung ist vorwiegend auf zwei Faktoren zurückzuführen. Erstens kommt es zu lokalen, oberflächlichen Aufschmelzungen der Aluminiumschicht 3 und somit zu einem oberflächlichen Legieren des Gießmetalls und dem Aluminium der Aluminiumschicht 3 des Verbundeinlegeteils 7. Stünde das Gießmetall im direkten Kontakt mit dem Einlegeteil auf Eisen-Basis, so würde auf Grund des hohen Eisenschmelzpunktes kein lokales Aufschmelzen der Oberfläche erfolgen. Zweitens führt die makroskopische Rillenstruktur 9 auf der Aluminiumschicht 3 des Verbundeinlegeteils 7 zu einer weiteren vorteilhaften Verklammerung zwischen dem Metall des Bauteils und dem Verbundeinlegeteil. Die Aluminiumschicht 3 dient somit als haftvermittelnde Schicht zwischen dem Einlegeteil auf Eisen- Basis und dem umgebenden Bauteil. The good, almost gap-free connection is mainly due to two factors. First, there are local superficial melting of the aluminum layer 3 and thus superficial alloying of the cast metal and the aluminum of the aluminum layer 3 of the composite insert 7 . If the casting metal were in direct contact with the iron-based insert, no local melting of the surface would take place due to the high iron melting point. Second, the macroscopic groove structure 9 on the aluminum layer 3 of the composite insert 7 results in a further advantageous clamping between the metal of the component and the composite insert. The aluminum layer 3 thus serves as an adhesion-promoting layer between the iron-based insert and the surrounding component.
Das Verfahren nach Beispiel 2 erfolgt analog dem Beispiel 1 die Unterschiede bestehen darin, dass die Leichtmetallschicht 3' eine Magnesiumschicht ist (Fig. 2), in die Oberflächenvertiefungen in Form von Pyramiden 11 eingebracht sind. Ferner wird das Verbundeinlegeteil 7' in eine Dauergießform (Kokille) eingelegt und das Zylinderkurbelgehäuse im Kokillenguss aus einer Magnesiumlegierung (AZ91) dargestellt. Die haftvermittelnde Wirkung der Magnesiumschicht 3' erfolgt analog dem Beispiel 1. The method according to Example 2 is analogous to Example 1, the differences are that the light metal layer 3 'is a magnesium layer ( FIG. 2) into which surface depressions in the form of pyramids 11 are introduced. Further, the composite insert 7 'is placed in a permanent mold (mold), and the cylinder crankcase is diecast from a magnesium alloy (AZ91). The adhesion-promoting effect of the magnesium layer 3 'is carried out analogously to Example 1.
Ein Einlegeteil 13 aus Rauguss analog den vorhergehenden Beispielen wird im Lichtbogendrahtspritzen mit einer Spritzschicht 17 aus einer Aluminium-Silizium-Legierung versehen (AlSi7Cu). Die Schichtdicke beträgt 250 µm. Das Material der Spritzschicht dringt in die Konturen der rauen Oberfläche 15 des Einlegeteils 13 ein. Sie weist eine sehr gute mechanische Verklammerung und somit eine sehr gute Haftung auf. An insert 13 of Rauguss analogous to the preceding examples is provided in the arc wire spraying with a spray layer 17 made of an aluminum-silicon alloy (AlSi7Cu). The layer thickness is 250 μm. The material of the sprayed layer penetrates into the contours of the rough surface 15 of the insert 13 . It has a very good mechanical clamping and thus a very good adhesion.
Im weiteren Verfahrensablauf folgt das Beispiel 3 dem Beispiel 1. Die Spritzschicht 17 stellt analog der Aluminiumschicht 3 eine Haftvermittlungsschicht dar. Die Wechselwirkung der Spritzschicht 17 erfolgt nach den selben Mechanismen wie die der Aluminiumschicht 3. In the further course of the procedure, Example 3 follows Example 1. The spray layer 17 is analogous to the aluminum layer 3 is an adhesion promoting layer. The interaction of the spray layer 17 is carried out according to the same mechanisms as that of the aluminum layer. 3
Das erfindungsgemäße Einlegeteil kann ebenso als Verstärkungsteil im Lagerbereich z. B. eines Zylinderkurbelgehäuses eingesetzt werden. Besonders zweckmäßig sind sie stets bei Niederdruck Gießverfahren. Ferner sind Einlegeteile zur Verstärkung hochbelasteter Bereiche im Zylinderkopf zweckmäßig. Generell sind die erfindungsgemäßen Verfahren stets bei Verbundguss insbesondere dann anwendbar, wenn ein Bauteil auf Eisenbasis in ein Leichtmetallbauteil zu integrieren ist. Dies ist z. B. auch vorteilhaft beim Angießen eines Bremsscheiben Topfes aus Aluminium an einen Brems-Reibring aus Grauguss. The insert according to the invention can also as Reinforcing part in the storage area z. B. a cylinder crankcase be used. Especially useful they are always with Low pressure casting process. Furthermore, inserts are for reinforcement highly loaded areas in the cylinder head appropriate. As a general rule the processes according to the invention are always in composite casting especially applicable if an iron-based component to be integrated into a light metal component. This is z. B. also advantageous when casting a brake discs pot Aluminum to a brake friction ring made of gray cast iron.
Claims (6)
dass zur Konditionierung der Oberfläche des Einlegeteils das Einlegeteil zunächst in ein Druckgießwerkzeug eingelegt wird,
im Druckgießverfahren eine Leichtmetallschicht auf das Einlegeteil aufgebracht wird und
in die Leichtmetallschicht Oberflächenvertiefungen eingebracht werden. A method of pouring an iron-based insert into a light metal cast component, wherein the insert is at least partially conditioned on a surface facing the cast component, then positioned in a mold-defined position, cast around with cast metal, followed by a strong bond between the insert and the solidified cast metal takes place on the conditioned surface, characterized
that for conditioning the surface of the insert, the insert is first inserted into a diecasting tool,
diecasting a light metal layer is applied to the insert and
in the light metal layer surface depressions are introduced.
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