DE102006008170A1 - Verfahren zur Behandlung von Gussteilen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Gussteilen, insbesondere zur Veränderung der Spannungscharakteristik von aus Eisenwerkstoffen mittels Lamellenguss (GJL) oder Vermikularguss (GJV) hergestellten Zylinderkurbelgehäusen für Brennkraftmaschinen. Es wird die Aufgabe gelöst, ein solches Verfahren zu schaffen, mit dem die Spannungscharakteristik der Gussteile gezielt veränderbar ist. Dies wird erreicht, indem ein Zylinderkurbelgehäuse nach dem Gießvorgang und dem nachfolgenden Abkühlvorgang auf seiner Oberflächenstruktur und/oder in seiner Bauteilstruktur in Abhängigkeit der Parameter "IST" und "SOLL" des Eigenspannungsprofils mittels Stahlstrahlen bearbeitet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Gussteilen, insbesondere zur Veränderung der Spannungscharakteristik von aus Eisenwerkstoffen mittels Lamellenguss (GJL) oder Vermikularguss (GJV) hergestellten Zylinderkurbelgehäusen für Brennkraftmaschinen.
• Die Werkstoffeigenschaften zahlreicher technischer Objekte können grundsätzlich durch eine mechanische Oberflächenbehandlung verändert werden, wobei derartige Verfahren beispielsweise für die Herstellung von Komponenten für Brennkraftmaschinen allgemein bekannt sind.
• So wird in JP 11 93 003 A vorgeschlagen, die Oberflächen von Bauteilen einer Brennkraftmaschine durch Kugelstrahlen zu glätten.
• In DE 199 18 230 C2 wird ein Verfahren zum Herstellen eines rohrförmigen Rohlings einer Zylinderlaufbuchse beschrieben, die in ein Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall eingegossen werden soll. Damit die Laufbuchse dauerhaft im Kurbelgehäuse lagefixierbar ist, wird die Außenoberfläche des Rohlings durch radiales Prägen mit einem Prägewerkzeug aufgeraut.
• Aus DE 196 34 504 A1 ist es ebenfalls bekannt, den Rohling einer Zylinderlaufbuchse auf der äußeren Mantelfläche aufzurauen, wobei hier jedoch ein Strahlen unter Verwendung von scharfkantig gebrochenen Hartstoffpartikeln angewendet wird.
• DE 199 22 265 A1 betrifft ein Verfahren zum Strahlen der Zylinderlaufflächen einer Brennkraftmaschine. Hierbei wird als Vorbehandlungsprozess für das Thermospritzen mit einer Strahlpistole eine gleichmäßig aufgeraute Zylinderlauffläche erzeugt.
• Beim Verfahren gemäß DE 41 26 158 A1 wird ein Motorblock zunächst entfettet und danach gestrahlt, bevor er mit einer Grundierschicht lackiert wird.
• Neben solchen Verfahren zur Verbesserung konventioneller Brennkraftmaschinen wird von der Automobilindustrie und den Motorenherstellern zunehmend eine Anwendung neuer Werkstoffe für die Zylinderkurbelgehäuse angestrebt, weil der bisher verwendete Grauguss für die geforderten Leistungssteigerungen und die damit verbundenen Belastungsprofile nicht mehr ausreicht. Hierbei weisen Eisenwerkstoffe bereits ähnliche Eigenschaften auf wie die geforderten Gusseigenschaften. Allerdings kann ein Einsatz höher belastbarer Eisenwerkstoffe nur mit einer kostenintensiveren Bearbeitung, einem hohen Werkstoffpreis und einem schlechteren Dämpfungsfaktor realisiert werden. Bei den oben genannten technischen Lösungen wird durch das Strahlen die Oberflächenstruktur der Bauteile verändert, um eine bessere Haftung für einen nachfolgenden Materialverbund mit weiteren Bauteilen zu schaffen. Die Werkstoffeigenschaften der Bauteile an sich werden jedoch nicht oder lediglich geringfügig verändert, so dass mit diesen Verfahren kein verbessertes Eigenschaftsbild für Eisenwerkstoffe zur Anwendung für Zylinderkurbelgehäuse erreichbar ist.
• In DE 41 43 189 C2 wird ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken beschrieben, mit dem eine Ausbreitung von Ermüdungsbruchanrissen verhindert werden soll. Als Ermüdungsbruch wird bekanntlich das Versagen eines Werkstoffes unter zyklisch variierenden Spannungen infolge des Wachstums von zunächst nur mikroskopisch großen Fehlstellen bezeichnet. Da sich Ermüdungsbrüche üblicherweise von der Bauteiloberfläche ausbreiten, wird eine Strahlbehandlung vorgeschlagen. Somit sollen Restspannungen in den Oberflächenschichten erzeugt werden, welche den Widerstand gegen Ermüdungsbrüche verbessern. Allerdings ist dieses Verfahren primär für Titanlegierungen konzipiert, die für tragende Bauteile in der Luft- und Raumfahrt sowie für Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken eingesetzt werden. Folglich kann auch mit diesem Verfahren, das neben einer verbesserten Ermüdungsbruchanfälligkeit ohnehin keine weiteren Effekte auf das Bauteilverhalten anstrebt, kein verbessertes Eigenschaftsbild für Eisenwerkstoffe zum Gießen von Zylinderkurbelgehäusen erreicht werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Behandlung von Gussteilen aus Eisenwerkstoffen zu schaffen, mit dem die Spannungscharakteristik dieser Gussteile gezielt veränderbar ist. Hierbei sollen insbesondere durch gestaltungsbedingte Abkühlungsbedingungen beim Lamellenguss (GJL) oder Vermikularguss (GJV) auftretende Gusseigenspannungen an Zylinderkurbelgehäusen derart beeinflusst werden, dass eine höhere Bauteilbeanspruchung derartiger Gussteile aus bisher verwendeten Eisenwerkstoffen möglich wird.
• Diese Aufgabe wird gelöst, indem ein Zylinderkurbelgehäuse nach dem Gießvorgang und dem nachfolgenden Abkühlvorgang auf seiner Oberflächenstruktur und/oder in seiner Bauteilstruktur in Abhängigkeit der Parameter „IST" und „SOLL" des Eigenspannungsprofils mittels Stahlstrahlen bearbeitet wird. Hierbei bezeichnet der Begriff „Stahlstrahlen" ein Strahlen mit Stahlkies, mit Stahldrahtkorn oder mit ähnlichen Materialien. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, deren technische Merkmale im Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
• Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Zylinderkurbelgehäuse nach dem Abgießen und Abkühlen auf seiner Oberfläche und/oder in seiner Bauteiltiefe mit Stahlkies, mit Stahldrahtkorn oder mit ähnlichen Materialien gestrahlt. Somit wird ein „Oberflächen-Strahlen" bzw. ein „Tiefen-Strahlen" realisiert. Diese Strahlungsvorgänge, die gezielt auf das Zylinderkurbelgehäuse erfolgen, bewirken durch die Kaltverfestigung einen Abbau der Zugspannungen, die sich durch das Abkühlen nach dem Gießen einstellen. Durch das Stahlstrahlen können die in der Tiefe wie auch an der Oberfläche vorhandenen Spannungen gemäß dem späteren Belastungsprofil erhöht oder vermindert werden. Das Stahlstrahlen kann im Außenbereich des Zylinderkurbelgehäuses, im Innenbereich des Zylinderkurbelgehäuses oder auch in Kombination von Außen- und Innenbereich erfolgen.
• In Abhängigkeit vom konkret ausgewählten Strahlgut, dem Bestrahlungsverfahren und der Bestrahlungsintensität können nachträglich hohe oder weniger hohe Kaltverfestigungen sowohl in die Bauteiltiefe wirkend als auch an der Bauteiloberfläche des vorzugsweise als Zylinderkurbelgehäuse ausgestalteten Gussteils erreicht werden, jeweils gemäß den vorliegenden Eigenspannungen sowie dem gewünschten Eigenspannungsprofil. Somit kann das Zylinderkurbelgehäuse in Abhängigkeit der Bestrahlungsparameter an jeder Stelle eine andere Kaltverfestigung erfahren, so dass eine weitgehende Optimierung für das zu erwartende Belastungsprofil möglich ist. Folglich können Zugspannungen in Druckspannungen umgewandelt werden, wodurch sich die Lebensdauer eines Zylinderkurbelgehäuses wesentlich erhöht. Da die Gusshaut eines Gussteils nicht sehr glatt ist und die meisten Risse durch eine Kerbwirkung entstehen, können mit dieser Oberflächenbestrahlung durch Kaltverformung Rissansätze vermieden werden.
• Der vorgeschlagene Verfahrensschritt des Stahlstrahlens kann unterschiedlich angewendet werden, z.B. als kombiniertes Reinigungs- und Spannungsstrahlen oder als separates Spannungsoptimierungsstrahlen. Anlagen zum Reinigungsstrahlen, mit denen das Zylinderkurbelgehäuse vom Kernsand gesäubert wird, sind ohnehin in Fertigungslinien verfügbar. Für derartige Anlagen ist lediglich eine Modifizierung notwendig, indem ein Strahlungsprofil mit den Eigenspannungsparametern aufgeschaltet wird. Demzufolge kann das erfindungsgemäße Verfahren mit geringem Kosten- und Geräteaufwand in bereits existierende Fertigungslinien integriert werden.
• Unabhängig von der jeweils konkreten Ausgestaltung wird somit ein Verfahren zur Behandlung von Gussteilen aus Eisenwerkstoffen geschaffen, mit dem die Spannungscharakteristik dieser Gussteile gezielt veränderbar ist. Hierbei ist eine Reduzierung von erstarrungsbedingten Gusseigenspannungen möglich, wodurch sich eine verbesserte Festigkeit für aus Lamellenguss (GJL), Vermikularguss (GJV) oder „Einfachguss" gefertigte Zylinderkurbelgehäuse ergibt. Demzufolge wird trotz Einsatz der bisher verwendeten Eisenwerkstoffe eine höhere Beanspruchung derartiger Gussteile im Motorbetrieb einer Brennkraftmaschine möglich, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Herstellung spannungsoptimierter Gussteile realisierbar ist.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben:
  Das vorgeschlagene Verfahren ist zur Behandlung unterschiedlicher Gussteile geeignet. Eine bevorzugte Anwendung ist die Veränderung der Spannungscharakteristik von mittels Lamellenguss (GJL) oder Vermikularguss (GJV) hergestellten Zylinderkurbelgehäusen aus Eisenwerkstoffen für Brennkraftmaschinen.
• Hierbei wird ein Zylinderkurbelgehäuse nach dem Gießvorgang und dem nachfolgenden Abkühlvorgang auf seiner Oberflächenstruktur und/oder in seiner Bauteilstruktur in Abhängigkeit der Parameter „IST" und „SOLL" des Eigenspannungsprofils mittels Stahlstrahlen bearbeitet. Der Parameter „IST" entspricht dem tatsächlich vorliegenden Eigenspannungsprofil. Dieser Parameter „IST" kann auf Grundlage von Messungen und CAD-Berechnungen der Eigenspannungen ermittelt werden. Der Parameter „SOLL" entspricht dem für die jeweils konkrete Anwendung angestrebten Eigenspannungsprofil.
• Unter Beachtung der Parameter „IST" und „SOLL" können die mittels Stahlstrahlen zu bearbeitenden Abschnitte des Zylinderkurbelgehäuses lokal begrenzt festgelegt werden. Es wird also keine vollflächige und einheitliche Bestrahlung realisiert, sondern das Stahlstrahlen wird lediglich partiell auf definierten Abschnitten des Zylinderkurbelgehäuses realisiert.
• Weiterhin kann das Stahlstrahlen auf den Außenbereich oder auf den Innenbereich vom Zylinderkurbelgehäuse begrenzt werden. Ebenso ist ein kombiniertes Stahlstrahlen auf dem Außenbereich und dem Innenbereich möglich.
• Schließlich sind im Rahmen der Erfindung weitere Ausgestaltungen möglich. So könnte der Verfahrensschritt des Stahlstrahlen nicht allein zum Steigern der Bauteilfestigkeit bzw. zum Einstellen der Bauteilspannungen angewendet werden, sondern alternativ hierzu auch als ein kombiniertes Reinigungs- und Spannungsstrahlen ausgestaltet werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Behandlung von Gussteilen, insbesondere zur Veränderung der Spannungscharakteristik von aus Eisenwerkstoffen mittels Lamellenguss (GJL) oder Vermikularguss (GJV) hergestellten Zylinderkurbelgehäusen für Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zylinderkurbelgehäuse nach dem Gießvorgang und dem nachfolgenden Abkühlvorgang auf seiner Oberflächenstruktur und/oder in seiner Bauteilstruktur in Abhängigkeit der Parameter „IST" und „SOLL" des Eigenspannungsprofils mittels Stahlstrahlen bearbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter „IST" des Eigenspannungsprofils auf Grundlage von Messungen und CAD-Berechnungen der Eigenspannungen ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels Stahlstrahlen zu bearbeitenden Abschnitte des Zylinderkurbelgehäuses unter Beachtung der Parameter „IST" und „SOLL" des Eigenspannungsprofils lokal begrenzt festlegbar sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderkurbelgehäuse auf seinem Außenbereich mittels Stahlstrahlen bearbeitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderkurbelgehäuse in seinem Innenbereich mittels Stahlstrahlen bearbeitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt des Stahlstrahlens als ein kombiniertes Reinigungs- und Spannungsstrahlen durchgeführt wird.