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Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein Verfahren zur Herstellung von einen
Einsatz aufweisenden Gußstücken aus Aluminiumlegierung.
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Die vorliegende Erfindung findet eine Anwendung insbesondere in der
Herstellung eines mit einem Einsatz versehenen Zylinderkopfes einer
Brennkraftmaschine.
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In der Metallurgie von Gießereilegierungen ist ein Verfahren zur Herstellung
eines einen Einsatz aus Keramikwerkstoff aufweisenden Gußstückes bekannt.
Es besteht darin, eine geschmeidige Matte aus Keramikfasern auf den Einsatz
aufzutragen und dann den Einsatz in eine Gießform zu stellen und schließlich
das Metall in die Gießform zu gießen.
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Ein anderes Verfahren zur Herstellung von einen sich aus einem
Verbundwerkstoff mit Metallmatrize zusammensetzenden Einsatz aufweisenden
Gußstücken aus Aluminiumlegierung ist in EP-A-0 203 198 beschrieben. Dieses
Verfahren besteht darin, wenigstens eine Fläche des aluminiumbasischen
Einsatzes einer chemischen Behandlung der Zinkatart zu unterwerfen.
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Eine Behandlung zur Endfertigung und zur Reinigung von
Aluminiumlegierungen, die darin besteht, die Werkstücke aus
Aluminiumlegierung in eine Zinkatlösung oder in eine Stannatlösung
einzutauchen, ist in dem Dokument "Metals Handbook", 9. Auflage. Band 5,
1982, Seiten 601-606 beschrieben.
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Nun werden die derart erhaltenen Werkstücke während ihrer Benutzung oft
Temperatur-Zeit-Folgen unterworfen; und unter der Wirkung von hohen
Temperaturen erreichen diese Werkstücke schnell ihre Bruchgrenze, ihre
Wärmeermüdungsgrenze und ihre Elastizitätsgrenze bei der Temperatur des
betroffenen Werkstoffes.
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In dem Sonderfall der Motorenzylinderköpfe erfährt das den Zylinderkopf
bildende Legierungsstück starke Temperaturänderungen während des Betriebs
des Motors, wobei die Höchsttemperatur 350ºC erreichen kann. Der die
Bereiche zwischen Ventilsitzen bildende Teil des Zylinderkopfes wird durch
Rißbildung beschädigt, verformt sich unter der Hitze und seine Lebensdauer
nimmt demzufolge ab.
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Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die hier oben erwähnten Nachteile zu
beheben, indem sie ein Verfahren zuc Herstellung von einen Einsatz
aufweisenden Gußstücken aus Aluminiumlegierung vorschlägt, bei welchem
der Einsatz sich aus einem Verbundwerkstoff mit einer Metallmatrize
zusammensetzt, der durch eine einen Filz bildende aluminiumoxidfaserbasische
oder aluminiumoxid-silikafaserbasische Verstärkung gebildet wird, die unter
hohem Druck mit einer sich von der Gußlegierung unterscheidenden oder mit
dieser gleichartigen Aluminiumlegierung getränkt wird.
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Ausserdem soll bei diesem Verfahren die insbesondere chemische Befestigung
zwischen dem Einsatz und dem Legierungsgußstück einwandfrei sein. In der
Tat überdeckt eine undurchlässige und nicht schmelzbare
Aluminiumoxydschicht die ganze Oberfläche des Einsatzes und bildet ein
Hinderniß für die Erzeugung einer chemischen Verbindung zwischen dem
Einsatz und dem Legierungsgußstück.
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Die Erfindung hat also ebenfalls zum Ziel, eine chemische Verbindung an der
Grenzfläche zwischen Einsatz und Werkstück zu erzeugen.
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Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von
einen Einsatz aufweisenden aus Aluminiumlegierung gegossenen Werkstücken
vor, daß in genauerer Weise darin besteht, eine Oberfläche aus Matrixlegierung
von wenigstens einer Fläche des Einsatzes einer chemischen Behandlung der
Zinkatart zu unterwerfen, welche von wenigstens einer elektrolytischen
Behandlung, wie einem Nickelüberzug gefolgt wird, die von einer zweiten
elektrolytischen Behandlung, wie einem Silberüberzug gefolgt wird, um eine
Silberschicht zu bilden.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung bildet die Behandlung mit Zinkat eine
Schicht von Zink oder von einer ungefähr 15% Eisen enthaltenden Zink-Eisen-
Legierung auf der vorgenannten Oberfläche.
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Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung wird die elektrolytische
Behandlung ausgehend von einer Nickelsulfatlösung oder Nickelsulfamatlösung
durchgeführt.
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Die Erfindung hat ebenfalls einen mit wenigstens einem Einsatz versehenen
Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors zum Gegenstand, wobei der aus
Aluminiumlegierung gegossene Zylinderkopf durch das erfindungsgemässe
Verfahren hergestellt wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden besser beim Lesen der
ausführlichen Beschreibung, die folgt und sich auf die beigefügten nur
beispielsweise angegebenen Zeichnungen bezieht, erscheinen, in welchen:
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Die Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch den aus einem Verbundwerkstoff
vor der Behandlung seiner Oberfläche gebildeten Einsatz darstellt;
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Die Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch diesen selben Einsatz nach der
Behandlung seiner Oberfläche darstellt;
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Die Fig. 3 eine Draufsicht des Einsatzes nach Tränkung und vor Einführung in
die Gießform darstellt;
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Die Fig. 4 eine Ansicht im Schnitt durch den Einsatz entlang der Linie IV-IV
der Fig. 3 ist;
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Die Fig. 5 eine Teilansicht von unten eines
Brennkraftmaschinenzylinderkopfes darstellt;
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Die Fig. 6 einen Teilschnitt durch den auf der Fig. 5 dargestellten
Zylinderkopf entlang der Linie VI-VI darstellt;
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Die Fig. 7 eine schaubildliche Teilansicht des auf der Fig. 5 in der Richtung
VII dargestellten Zylinderkopfes darstellt.
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Gemäß dem Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Werkstücken
aus gegossener Legierung wird ein Einsatz im Inneren des Werkstückes
angeordnet.
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Dieser Einsatz wird vorher aus einem Verbundwerkstoff hergestellt, der sich
einerseits aus einem keramikfasernbasischen Verstärkungswerkstoff wie z. B.
Aluminiumoxidfasern oder Aluminiumoxid-Silikafasern, die in der Art eines
Filzes, dessen Zusammenhalt durch ein mineralisches Bindemittel, wie z. B. ein
Silikabindemittel, verwirrt sind und andererseits aus einer aluminiumbasischen
Matrix und in genauerer Weise aus einer sich von der Aluminiumlegierung des
Gußstückes unterscheidenden oder mit dieser gleichartigen
Aluminiumlegierung zusammensetzt. Diese die Matrix bildende
Aluminiumlegierung wird auch noch Matrixlegierung genannt. Dieser
Verbundwerkstoff wird durch Tränkung des Verstärkungswerkstoffes unter
hohem Druck mit einer Aluminiumlegierung oder Matrixlegierung im flüßigen
Zustand hergestellt.
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Ein Verfahren zur Herstellung dieses Verbundwerkstoffes ist insbesondere in
der unter Nr. 89402986.7 hinterlegten europäischen Patentanmeldung
beschrieben.
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Ein Beispiel des Werkstoffes dieser Gattung umfaßt eine Verstärkung aus
kurzen Aluminiumoxidfasern, eine Matrix AS5U4G2 gemäß den AFNOR-
Normen.
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Bezugnehmend auf die Fig. 1 umfaßt der Einsatz 1:
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- einen Zentralteil a, der aus einem durch mit einer Aluminiumlegierung
getränkten Keramikfasern verstärkten Verbundwerkstoff gebildet wird;
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- eine Fläche b aus Verbundwerkstoff, wo die Keramikfasern bündig
fluchtend eingelassen sind; dies ist die nützliche Fläche des Einsatzes, die
die optimale Verwertung der Eigenschaften des Verbundwerkstoffes
gestattet; diese Fläche wird nicht mit der Gußlegierung in Berührung
kommen;
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- eine Fläche c und eine Fläche d, die durch eine Überdicke der
Aluminiumlegierung oder auch noch der Matrixlegierung gebildet werden,
wobei die Aluminiumlegierung ohne Fasern demzufolge mit den Flächen c
und d bündig fluchtend ist.
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Die Fläche c wird wegen ihrer Aushebeschräge lediglich der mechanischen
Verhakung zwischen dem Einsatz und dem Gußstück dienen.
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Was die Fläche d anbetrifft, wird sie wie hier nachstehend beschrieben
verwendet werden, um eine chemische Verbindung an der Grenzfläche
zwischen Einsatz und Werkstück zu erzeugen, was die chemische Befestigung
zwischen dem Werkstück und dem Einsatz ermöglicht
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Der derart hergestellte Einsatz wird dann Behandlungen chemischer Art
unterworfen.
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In genauerer Weise wird die Oberfläche der Fläche d des Einsatzes eine
chemische Behandlung und wenigstens eine elektrolytische Behandlung
erfahren.
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Tatsächlich weist die hier oben beschriebene Fläche d an ihrer Oberfläche eine
undurchlälßige und nicht schmelzbare Aluminiumoxidschicht auf, die die
nachträgliche chemische Befestigung zwischen dem Einsatz und dem
Werkstück behindert.
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Um dies zu tun, ist es notwendig, diese Aluminiumoxidschicht zu beseitigen.
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Zu diesem Zweck wird die Oberfläche d einer chemischen Behandlung der
Zinkatart und vorzugsweise der Zink-Eisen-Art unterworfen.
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Diese Behandlung wird mittels einer Zinkoxid, Soda, Seignettesalz und Eisen
(III)-Chlorid enthaltenden Lösung durchgeführt.
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Die in der Reaktion gebrauchten Mechanismen sind wie folgt für die
hauptsächlichen.
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Die Reaktionen der anodischen Art:
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Al + 3OH&supmin; → Al(OH)&sub3; + 3e&supmin;
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Al(OH)&sub3; → AlO&sub2;&supmin; + H&sub2;O + H&spplus;,
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gestatten es, die Aluminiumoxidschicht zu zerstören und die Reaktionen der
kathodischen Art:
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H&spplus; + 1c&supmin; → ½H&sub2;
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Zn(OH)&sub4;&supmin; → Zn²&supmin; + 40H&supmin;
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Zn²&supmin; + 2e&supmin; → Zn
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bilden dann eine Schicht aus Zink oder aus Zink-Eisen-Legierung, die die
Aluminiumoxidschicht ersetzt.
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In dem Fall der Zink-Eisen-Legierung hat diese Schicht einen Eisengehalt von
ungefähr 15%.
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Bezugnehmend auf die Fig. 2 ist diese bei f dargestellte Schicht sehr fein, da
sie eine Dicke unter 1 Mikron hat.
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Diese Schicht f hat den Zweck, die Aluminiumoxidschicht zu verhindern, sich
an der Oberfläche der Fläche d des Einsatzes wieder zu bilden; sie vermeidet
also die oberflächliche Rückoxidicrung der Fläche d des Einsatzes.
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Diese wenig dicke Schicht ist jedoch spröde und soll geschützt werden, um die
Handhabungen und die Bewahrung des Zustandes der Oberfläche des Einsatzes
zu erleichtern.
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Deswegen wird die Oberfläche des Einsatzes, d. h. diese Fläche F einer
elektrolytischen Behandlung, um einen Überzugsbelag zu bilden, unterworfen.
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Ein herkömmlicher Überzug ist z. B. ein elektrolytischer Nickelauftrag.
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Die Behandlung findet in einem Nickelsulfat oder Nickelsulfamat,
Nickelchlorid und Bohrsäure enthaltenden Bad statt.
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Eine Schicht g von einigen Mikronen Dicke bildet sich, wobei sie demzufolge
die Schicht f schützt und die oberflächliche Rückoxidierung des Einsatzes vor
dem Guß des Werstückes beschränkt. Ausserdem gestattet diese Schicht f die
Diffusion des Nickels in der. Gußaluminiumlegierung, wobei somit die
chemische Verbindung während des Gießvorganges des Werkstückes erzeugt,
wird.
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Schließlich unter schwierigen 1 Gießverhältnissen ist es möglich, einen
zusäztlichen Überzug durch einen elektrolytischen Silberauftrag auf der Schicht
g anzuordnen.
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Dieser Überzug wird ausgehend von einem Bad, das in typischer Weise
doppeltes Silber und Kaliumcyanid, Kaliumcyanid und Kaliumkarbonat
enthält, hergestellt.
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Die derart erhaltene, einige mikronendicke Silberschicht h schützt besser als
Nickel die Oberfläche des Einsatzes, indem sie in wirksamerer Weise die
Rückoxidierung der Oberfläche des Einsatzes vor dem Gießen beschränkt.
Ausserdem verbessert diese Silberschicht h die chemische Verbindung an der
Grenzfläche zwischen Einsatz und Werkstück, wegen der Tatsache, daß der
Beiwert der Diffusion von Silber in Aluminium größer ist, als derjenige des
Nickels in Aluminium.
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Die derart vorbereiteten und behandelten Flächen des Einsatzes gewährleisten
gleichzeitig ein mechanisches Verhaken und eine chemische Verbindung an der
Grenzfläche zwischen Einsatz und Werstück.
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Alle Einsatzgestaltungen können in Betracht gezogen werden.
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Der Einsatz, der in die Gießform zum Gießen des Werkstückes gestellt werden
wird, kann in einer vorläufigen Gestalt sein, die manchmal notwendig ist, um
ihn während des Gußes festzuhalten. In diesem Fall wird er nach dem
Gußvorgang maschinell bearbeitet werden, um seine entgültige Gestalt zu
erreichen.
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Sodann wird der eigentliche Einsetzungsvorgang in Betracht gezogen werden.
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Alle Gestaltungen von Werkstücken sind möglich, wobei die Gießformen
entsprechend vorbereitet werden.
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Der sämtliche Überzugschichten f und g und gegebenenfalls h auf seiner Fläche
d aufweisende Einsatz wird innerhalb der Gießform positioniert. Die letztere
wird sodann geschlossen und das Gießen des Werkstückes kann beginnen.
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Alle fachtechnischen Gießverfahren von heutigen und künftigen
Leichtlegierungen können hier angewandt werden.
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Die Aluminiumlegierung des Werkstückes wird gemäß spezifischen
Parametern, wie der Temperatur des Einsatzes in der Gießform, der
Gießtemperatur der flüssigen Legierung, die, bei Berührung mit dem Einsatz,
diesen während der Dauer des Gießens erwärmt, gegossen. Die Gesamtheit
dieser in Kombination genommenen Parameter wirkt auf die Erzeugung einer
chemischen Verbindung an der Grenzfläche zwischen Einsatz und Werkstück
ein. Eine optimale Kombination der Parameter erzeugt eine sehr gute chemische
Verbindung.
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Das somit einen Einsatz aufweisende Werkstück wird sodann abgehoben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines einen Einsatz
aufweisenden Legierungswerkstückes findet in der Automobilindustrie
Anwendung.
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Insbesondere werden Verbrennungsmotorenzylinderköpfe aus
Aluminiumlegierung somit erzeugt.
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Ein Beispiel eines zur Einführung in einen Zylinderkopf vorgesehenen
Einsatzes ist auf der Fig. 3 dargestellt. Er weist Seitenflächen 2 und 3
konkaver Gestalt auf, wo die Ventile in den Bereichen zwischen Sitzen 4 und 5
untergebracht werden. Der Einsatz gemäß Fig. 4 hat einen trapezförmigen
Querschnitt. Die Aushebeschrägen 6 und 7 dienen zur mechanischen
Befestigung des Einsatzes und die Fläche 8, die die erfindungsgemäßen
chemischen und elektrolytischen Behandlungen erfahren wird, dient zur
chemischen Befestigung zwischen dem Einsatz und dem Werkstück.
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Die Aluminiumlegierung des Zylinderkopfes wird sodann z. B. durch
Eigengewicht auf diesen Einsatz aus Verbundwerkstoff, der die vorangehend
erwähnten chemischen und elektrolytischen Behandlungen erfahren hat,
gegossen.
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In dem Fall der Zylinderköpfe wird bzw. werden ein Einsatz oder mehrere
Einsätze z. B. in der Höhe der Bereiche zwischen den Ventilsitzen angeordnet.
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Bezugnehmend auf die Fig. 5 wird der Einsatz 1 zwischen zwei Bereichen
zwischen Ventilsitzen 4 und 5 innerhalb des Zylinderkopfes 9 untergebracht.
Ventile werden dann in den Räumen 10 und 11 untergebracht.
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Die Fig. 6, die ein Teilschnitt durch den auf der Fig. 5 dargestellten
Zylinderkopf ist, zeigt gut den Einsatz 1, der insbesondere mit seiner Fläche 8
an dem Zylinderkopf 9 durch die durch das Verfahren zur Herstellung des
Zylinderkopfes erzeugte chemische Verbindung befestigt ist.
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Der Einsatz 1 wird zwischen den Räumen 10 und 11 oder auch Ventilkanälen
und zwar einem Einlaßkanal und einem anderen Auspuffkanal positioniert.
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Die jeweiligen Ventilköpfe 12 und 13 werden an dem Einsatz 1 in den Kanälen
10 und 11 untergebracht, wobei sie mit dem Einsatz 1 in den Bereichen 4 und 5
in Berührung kommen.
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Die schaubildliche Ansicht der Fig. 7 veranschaulicht ebenfalls gut das
Positionieren des innerhalb des Zylinderkopfes befestigten Einsatzes. Die
Ventilköpfe 12 und 13 können sich beiderseits des Einsatzes 1 bewegen.
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Der somit hergestellte, einen Einsatz in wenigstens einer seiner Bereiche
zwischen Ventilsitzen aufweisende Zylinderkopf aus Aluminiumlegierung
verlängert die Lebensdauer des Zylinderkopfes bei deutlicher Verbesserung der
Lebensdauer unter Wärmeermüdung und der Elastizitätsgrenze bei der
Temperatur dieser Bereiche zwischen Ventilsitzen.
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Der Zylinderkopf widersteht dann viel besser den Temperaturänderungen
während der Arbeitskreisprozessen des Motors im Vergleich mit den
herkömmlichen Zylinderköpfen.
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Die Erfindung findet auch bei der Herstellung anderer Werkstücke aus
Gußaluminiumlegierung Anwendung.