DE102006008170A1

DE102006008170A1 - Steel shot blasting process to modify the tensile characteristics of a cast metal crankcase produced by e.g. lamellar cast or vermicular cast iron

Info

Publication number: DE102006008170A1
Application number: DE200610008170
Authority: DE
Inventors: Rolf Heinemann; Herbert Junk; Wolfgang Dr. Lenz
Original assignee: HALBERG GUSS GmbH; HALBERG-GUSS GmbH; Volkswagen AG
Current assignee: Neue Halberg-Guss De GmbH; Volkswagen AG
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-02-23
Also published as: DE102006008170B4

Abstract

A process modifies the tensile characteristics of a cast metal crankcase produced by e.g. lamellar cast or vermicular cast iron. Following casting and the subsequent regulated cooling process, the cylinder housing is treated by surface-blasting with e.g. steel shot directed and applied as required with reference to the actual surface condition and the target surface condition. The actual surface condition is derived by actual measurement and CAD calculation of internal tensile characteristics.

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.The The invention relates to a method for the treatment of castings, especially for change the voltage characteristic of ferrous materials by lamellar casting (GJL) or Vermikularguss (GJV) produced engine blocks for internal combustion engines.

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.The Material properties of numerous technical objects can basically by a mechanical surface treatment changed Such methods are used, for example, for the production of components for Internal combustion engines are well known.

So wird in JP 11 93 003 A vorgeschlagen, die Oberflächen von Bauteilen einer Brennkraftmaschine durch Kugelstrahlen zu glätten.So will in JP 11 93 003 A proposed to smooth the surfaces of components of an internal combustion engine by shot peening.

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.In DE 199 18 230 C2 For example, a method of manufacturing a tubular blank of a cylinder liner to be cast into a light metal cylinder crankcase is described. So that the bush is permanently fixed in position in the crankcase, the outer surface of the blank is roughened by radial embossing with a stamping tool.

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.Out DE 196 34 504 A1 It is also known to roughen the blank of a cylinder liner on the outer surface, but here a blasting using sharp-edged broken hard particles is applied.

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. DE 199 22 265 A1 relates to a method for blasting the cylinder surfaces of an internal combustion engine. In this case, a uniformly roughened cylinder surface is produced as a pretreatment process for the thermal spraying with a blasting gun.

Beim Verfahren gemäß DE 41 26 158 A1 wird ein Motorblock zunächst entfettet und danach gestrahlt, bevor er mit einer Grundierschicht lackiert wird.In the method according to DE 41 26 158 A1 an engine block is first degreased and then blasted before it is painted with a primer layer.

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.Next Such methods for improving conventional internal combustion engines is increasing by the automotive industry and engine manufacturers an application of new materials for the cylinder crankcases sought because the previously used gray cast iron for the required performance increases and the associated load profiles is no longer sufficient. Here iron materials already have similar properties as the required casting properties. However, an insert can be more resilient Ferrous materials only with a more expensive processing, a high material price and a poorer damping factor can be realized. In the above technical solutions is by the blasting the surface structure of the components changed, for better adhesion for to create a subsequent composite material with other components. However, the material properties of the components themselves are not or only slightly changed so that with these methods no improved property picture for iron materials achievable for use with cylinder crankcases is.

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.In DE 41 43 189 C2 describes a process for the surface treatment of workpieces intended to prevent the propagation of fatigue cracking cracks. Fatigue fracture is known as the failure of a material under cyclically varying stresses due to the growth of initially only microscopically large defects. Since fatigue fractures typically propagate from the component surface, blast treatment is suggested. Thus, residual stresses are to be generated in the surface layers, which improve the resistance to fatigue fractures. However, this process is primarily designed for titanium alloys used for aerospace structural components and jet engine turbine blades. Consequently, even with this method, which in addition to an improved susceptibility to fatigue anyway strives for no further effects on the component behavior, no improved property profile for iron materials for casting of cylinder crankcases can be achieved.

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.task The invention is a process for the treatment of castings made of ferrous materials, with which the voltage characteristics These castings can be changed in a targeted manner is. This should in particular by design-related cooling conditions cast iron stresses occurring in lamellar casting (GJL) or vermicular casting (GJV) on cylinder crankcases be influenced such that a higher component stress such Castings from previously used iron materials is possible.

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.These Task is solved by a cylinder crankcase after the casting process and the subsequent cooling process on its surface structure and / or in its component structure as a function of the parameters "IST" and "SOLL" of the residual stress profile is processed by means of steel blasting. Here, the term "steel blasting" means blasting Steel gravel, with steel wire grain or similar materials. advantageous Embodiments are the subject of the dependent claims, whose Technical features described in detail in the embodiment become.

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.When using the inventive Method is a cylinder crankcase after casting and cooling on its surface and / or in its component depth with steel gravel, blasted with steel wire grain or similar materials. Thus, a "surface-blasting" or a "deep-blasting" is realized. These radiation processes, which are targeted to the cylinder crankcase cause by strain hardening degradation of the tensile stresses that set by the cooling after casting. The steel blasting can increase or decrease the stresses present in the depth as well as on the surface according to the later load profile. The steel blasting can be done in the outer area of the cylinder crankcase, in the interior of the cylinder crankcase or in combination of exterior and interior.

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.In dependence from the concrete selected blasting material, The irradiation procedure and the irradiation intensity can be subsequently high or less high work hardening both in the component depth acting as well as on the component surface of the preferably designed as a cylinder crankcase Casting can be achieved, each according to the residual stresses as well as the desired Residual stress profile. Thus, the cylinder crankcase depending the irradiation parameter at each point a different work hardening experienced, so that a far-reaching optimization for the expected load profile possible is. Consequently, you can Tensile stresses are converted into compressive stresses, resulting in significantly increases the life of a cylinder crankcase. Because the Casting skin of a casting is not very smooth and most cracks caused by a notch effect, can with this surface irradiation by cold deformation crack approaches be avoided.

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.Of the proposed process step of steel blasting can be different be applied, e.g. as combined cleaning and stress blasting or as a separate voltage optimization beam. Facilities for cleaning blasting, with those the cylinder crankcase cleaned from the core sand are available in production lines anyway. For such systems is only a modification necessary by a radiation profile with the Residual stress parameters is switched. As a result, the inventive method with low cost and equipment costs be integrated into existing production lines.

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.Independent of each concrete embodiment is thus a method for Treatment of castings made of ferrous materials, with the The voltage characteristics of these castings specifically changed is. In this case, a reduction of solidification-induced Gusseigenspannungen is possible, thereby improved strength for lamellar casting (GJL), vermicular casting (GJV) or "single-cast" manufactured cylinder crankcase results. Consequently, despite the use of iron materials previously used a higher one Stress of such castings in engine operation of an internal combustion engine possible, so that with the method according to the invention a production of stress-optimized castings can be realized.

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.An embodiment of the invention will be described below:
The proposed method is suitable for treating different castings. A preferred application is the variation of the voltage characteristic of lamellar cast (GJL) or vermicular (GJV) cylinder crankcases made of ferrous materials for internal combustion engines.

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.in this connection becomes a cylinder crankcase after the casting process and the subsequent cooling process on its surface structure and / or in its component structure as a function of the parameters "IST" and "SOLL" of the residual stress profile processed by means of steel blasting. The parameter "IST" corresponds to the actual residual stress profile. This parameter "is" based on determined from measurements and CAD calculations of residual stresses become. The parameter "DESIRED" corresponds to that for each concrete application targeted residual stress profile.

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.Under Attention to the parameters "ACTUAL" and "REQUIRED" can be the localized by steel sections to be machined sections of the cylinder crankcase be determined. So it is not a full-surface and uniform irradiation realized, but the steel blasting is only partially on realized sections of the cylinder crankcase realized.

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.Farther Can the steel blasting on the outside or on the inside area from the cylinder crankcase be limited. Likewise is a combined steel blasting on the Outdoor area and the interior possible.

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.Finally are in the context of the invention further embodiments possible. So could the step of steel blasting not only for increasing the component strength or for adjusting the component voltages but alternatively as a combined one Cleaning and voltage beams are designed.

Claims

Process for the treatment of castings, in particular for changing the tension profile Characteristics of engine blocks made of ferrous materials by lamellar casting (GJL) or vermicular (GJV) engine blocks, characterized in that a cylinder crankcase after the casting process and the subsequent cooling process on its surface structure and / or in its component structure depending on the parameters "IST" and " SOLL "of the residual stress profile is processed by means of steel blasting.

Method according to claim 1, characterized in that that the parameter "IS" of the residual stress profile based on measurements and CAD calculations of residual stresses is determined.

Method according to claim 1, characterized in that in that the sections of the cylinder crankcase to be machined by means of steel blasting comply with the parameter "actual" and "target" of the residual stress profile Locally limited are determined.

Method according to claim 1, characterized in that that the cylinder crankcase on his outdoor area is processed by means of steel blasting.

Method according to claim 1, characterized in that that the cylinder crankcase is processed in its interior by means of steel blasting.

Method according to claim 1, characterized in that that the step of steel blasting as a combined Cleaning and stress blasting is performed.