B E S C H R E I B U N G

Zylinderkurbelgehäuse für ein Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft ein in einer metallischen Dauerform gegossenes, quasimonolithisches Zylinderkurbelgehäuse für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem in das Zylinderkurbelgehäuse penetrierten Infiltrationskörper. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Infiltrationskörper sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Infiltrationskörpers zur Verwendung in einem und zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Verbrennungskraftmaschine.

Die in heutigen Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommenden Verbrennungskraftmaschinen werden zum größten Teil aus Leichtmetalllegierungen gefertigt. Zumeist werden die Zylinderkurbelgehäuse dieser Verbrennungskraftmaschinen aus Aluminium beziehungsweise deren Legierungen gefertigt, wobei auch Magnesiumlegierungen zum Einsatz kommen, die genau wie Aluminiumlegierungen den Vorteil einer geringen spezifischen Dichte und somit eines geringen Gewichts mit sich bringen. Um den gestiegenen und immer weiter steigenden Anforderungen an zum Beispiel den Drücken bei der Verdichtung gerecht zu werden, werden im Bereich der Aluminiumlegierungen übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen verwendet, die je nach Legierung in ihren Elastizitätsmodulen und Festigkeiten denen von Eisenwerkstoffen nahezu entsprechen. Ein Nachteil bei diesen hochfesten Aluminiumlegierungen ist der, dass sich zwar einerseits hohe Festigkeiten einstellen, die sich positiv auf die an das Zylinderkurbelgehäuse gestellten Anforderungen auswirken, die aber andererseits aufgrund ihrer hohen Festigkeit aufwendig in der Bearbeitung sind.

Um den Vorteil der hohen Festigkeiten bei hochfesten Aluminiumlegierungen zu nutzen und andererseits das Zylinderkurbelgehäuse auch leicht bearbeiten zu können, ist aus der EP 0 449 356 B1 ein Zylinderkurbelgehäuse beschrieben, das lediglich lokal legiert ausgeführt ist, so dass einerseits die notwendigen tribologi- schen Eigenschaften im hoch beanspruchten Bereich der Zylinderlauffläche

bereitgestellt ist und andererseits das Zylinderkurbelgehäuse leicht zu bearbeiten ist. Beschrieben ist ein in einer metallischen Dauerform gegossener, buchsenloser Einzelzylinder oder Mehrzylinderblock aus einer Aluminiumlegierung mit in der Aluminiummatrix eingebetteten Siliziumkörnern, wobei in den Bereich der Zylinderlaufbahn ein die Zylinderlaufbahn bildender, mit untereutektischer Aluminiumlegierung penetrierter hohlzylinderförmiger Faserformkörper aus keramischen Fasern mit darin eingefügten Siliziumkörnern eingegossen ist. Hierbei wird der separat hergestellte Faserformkörper auf eine Pinole der Gießform aufgesetzt und die Aluminiumlegierungsschmelze in die Gießform eingefüllt und unter Druck zur Erstarrung gebracht. Vorzugsweise wird die Aluminiumlegierungsschmelze unter einem Druck von wenigstens 30 bar, insbesondere jedoch 200 bis 1000 bar, zur Erstarrung gebracht. Das hierbei beschriebene Verfahren ist auch als Squeeze-Casting-Verfahren bekannt. Während der Druckbeaufschlagung nach dem Einfüllen der Aluminiumlegierungsschmelze in die Gussform wird die Aluminiumlegierungsschmelze in den Faserform körper infiltriert, so dass je nach Vorwärmung des Faserformkörpers und Legierungszusammensetzung ein Verbundwerkstoff beziehungsweise ein lokal legierter, quasi monolithischer Zylinderblock herstellbar ist.

Die Verwendung poröser, infiltrierbarer Formkörper zur Herstellung von Motorblöcken ist ebenfalls in der DE 196 17 457 A1 beschrieben. Für die gusstechnische Herstellung der erfindungsgemäßen Blöcke werden die vorgefertigten Kerne in die die äußeren Abmessungen darstellenden Gussformen eingelegt und die sich ergebenden Hohlräume mit dem flüssigen Metall ausgegossen. Aufgrund der Temperatur der Schmelze werden dabei die äußeren Bereiche der porösen Kerne angeschmolzen, so dass zwischen den Kernen und der massiven Blockstruktur eine innige und mechanisch belastbare Verbindung entsteht. Der Grad der Anschmelzung wird hierbei dadurch beeinflussbar, dass die Temperatur der Schmelze höher oder niedriger eingestellt wird oder dass die Schmelzpunkte der verwendeten Werkstoffe auf ein unterschiedliches Niveau gelegt werden. Ein Hinweis auf ein druckbeaufschlagtes Gießen kann der Druckschrift nicht entnommen werden. Zur Herstellung der hierin verwendeten porösen Formkörper sind verschiedene Verfahren bekannt. So ist einerseits die thermische Sinterung aus metallischen Partikeln beschrieben, wobei die Partikel in eine Form eingefüllt und bis in den Bereich des Schmelzpunktes erwärmt werden, wodurch sie an ihren Berührungspunkten fest miteinander verschmelzen. Hierdurch wird ein mechanisch stabiler

Verbund mit einer groben Anzahl kleinerer miteinander in Verbindung stehender Hohlräume geschaffen. Beschrieben ist weiterhin eine Herstellung der Sintermetall- Formlinge, wobei die metallischen Partikel in eine teilbare keramische Kokille eingefüllt und die Kokille in eine elektrische Spule eingetaucht wird, und die Partikel mit hoher Frequenz induktiv erwärmt werden. Darüber hinaus ist die Verwendung so genannter offenporiger Metallschäume zur Verwendung der Herstellung der Strömungswege in Motoren beschrieben.

Die Herstellung von porösen flächenhaften Werkstoffverbunden ist ebenfalls in der DE 197 22 088 A1 offenbart. Eine Pulverschicht oder ein Pulverformkörper wird hierbei kurzzeitig mit einem magnetischen Wechselfeld im Frequenzbereich von etwa 10 kHz bis 120 MHz beaufschlagt, um in der Pulverschicht oder dem Pulverformkörper einen Induktionsstrom solcher Energiedichte zu erzeugen, dass die Berührungsstellen der Pulverpartikel untereinander an ihren Berührungsstellen schmelzflüssig verbunden werden. Die Bedingung ist lediglich, dass das Pulver elektrisch leitend ist, damit ein elektrischer Strom induziert werden kann. Das Verfahren läuft dabei bei Schmelztemperatur, so dass die Pulverpartikel an ihren Berührungsstellen verschmelzen. Durch die Art des Schweißvorgangs entsteht ein fester, poröser Werkstoffverbund, der eine gute Formbeständigkeit aufweist.

Ausgehend von dem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Zylinderkurbelgehäuse sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses bereitzustellen, dass quasi monolithisch aufgebaut ist und lokal unterschiedliche Festigkeitswerte aufweist. Darüber hinaus besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses bereitzustellen, das unabhängig vom Gießverfahren ist.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe in Bezug auf die Herstellung eines Zylindergehäuses wird dadurch bereitgestellt, dass der Infiltrationskörper in einem Zylinderkurbelgehäuse aus einem induktiv verschweißten, offenporigen Formkörper gebildet ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Zylinderkurbelgehäuse bereitgestellt, das quasi monolithisch aufgebaut, aber in den hoch beanspruchten Bereichen lokal unterschiedliche Festigkeiten aufweist. Hierbei sind, durch die Auswahl der Werkstoffe zur Herstellung des Infiltrationskörpers, durch die Größe der Metallpartikel und damit der Größe der Hohlräume zwischen den Metallpartikeln im vom Körper und die Temperatur der Vorwärmung des Infiltrationskörpers vor

dem Eingießen in das Zylinderkurbelgehäuse definierte und gezielt vorgebbare Festigkeiten in lokal hoch beanspruchten Bereichen des Zylinderkurbelgehäuses einstellbar und somit die geforderten tribologischen Eigenschaften erzielt werden, wie auch die notwendigen Gleiteigenschaften im Lagerstuhlbereich einstellbar sind..

Vorteilhaft ist die Verwendung eines induktiv verschweißten Infiltrationskörpers auch deshalb, da der induktiv verschweißte Formkörper in sich eine verhältnismäßig hohe Festigkeit aufweist, so dass das erfindungsgemäße Zylinderkurbelgehäuse als Druck- oder Squeeze-Cast-Zylinderkurbelgehäuse darstellbar ist. Dieser Vorteil wirkt sich einerseits positiv auf die konstruktive Ausgestaltung des Zylinderkurbelgehäuses wie auch auf die Kosten bei der Herstellung des Zylinderkurbelgehäuses aus. Insbesondere sind die Infiltrationskörper leicht zu handhaben, da sie formstabil sind und als Infiltrationskörper selbst eine hohe Festigkeit aufweisen. Es sind somit durch die Erfindung Zylinderkurbelgehäuse bereitgestellt, deren statische und dynamische Festigkeitseigenschaften und/oder der Verschleißbeständigkeiten gezielt und lokal einstellbar sind.

Die Metallpartikel zur Bildung des Infiltrationskörpers, der auch als Formkörper oder Grünling bezeichenbar ist, ist auf Basis von Metallpartikeln auf Eisen und/oder Nichteisenbasis gebildet. Bevorzugt aber nicht ausschließlich wird der Infiltrationskörper aus den Metallen Eisen und/oder Nickel und/oder Chrom und/oder Mangan und/oder deren Legierungen gebildet. Bedingung ist hierbei, dass das verwendete Metallpulver, das die Metallpartikel zur Bildung des Grünlings darstellt, elektrisch leitend ist, da der Grünling mittels eines Induktionsstroms erzeugt wird, der eine derartige Energiedichte aufweist, dass die Berührungsstellen der Metallpartikel untereinander schmelzflüssig verbindbar sind.

Die Metallpartikel besitzen hierbei eine durchschnittliche Größe von 0,1 mm bis 1 ,5 mm, so dass je nach verwendeter Größe beziehungsweise Durchmesser der Metallpartikel ein Porositätsgrad des Infiltrationskörpers einstellbar ist. Hierbei wird der Infiltrationskörper als Verstärkungselement aus Metallpartikeln durch induktives Verschweißen der Metallpartikel erzeugt, wobei die Metallpartikel in einer druckbeaufschlagten Schüttung oder unter Vibration in Form gebracht werden.

Der Porositätsgrad des Infiltrationskörpers liegt zwischen 20% und 70%. Der einzustellende Porositätsgrad ist abhängig von den Infiltrationsbedingungen, das

heißt der Geometrie der Infiltrationskörper sowie den Druckaufbauvorgaben des Gießprozesses. Es ist erfindungsgemäß möglich, für Porositätsanteile von über 50% bei der Herstellung der Infiltrationskörper organische oder anorganische Platzhalter zu verwenden. Als Platzhalter dienen hierbei Harze und/oder Kunststoffe und/oder Cellulose und/oder Gelatine und/oder Salze. Es hat sich gezeigt, dass bei hohen Porositätsgraden keine Vorwärmung des Infiltrationskörpers erforderlich ist. Sollen dem gegenüber sehr hohe Elastizitätsmodule in den lokal verstärkten Bereichen des Zylinderkurbelgehäuses erreicht werden, resultiert aus dieser Anforderung ein relativ niedriges Porenvolumen von 20% bis 50%, so dass die Infiltrationskörper auf eine Temperatur von 300 ⁰ C bis 800°C vor dem Einlegen in die Gießform vorgewärmt werden müssen. Durch das Vorwärmen der Infiltrationskörper wird einerseits das Infiltrieren der Leichtmetallschmelze erleichtert und andererseits ist durch das Vorwärmen der Infiltrationskörper die Bildung der intermetallischen Verbindungen zwischen dem Umgussmaterial und den den Infiltrationskörper bildenden Metallpartikeln definiert, beeinflussbar. So ist es leicht verständlich, dass ein auf beispielsweise 500 ⁰ C vorgewärmter Infiltrationskörper vermehrt intermetallische Verbindungen bildet, als ein wenig vorgewärmter mit einem geringen Porenvolumen versehener Infiltrationskörper, da die im Infiltrationskörper gespeicherte Energie zur Legierungsbildung bereitsteht. Bedingt durch die hohe Wärmekapazität des Infiltrationskörpers, der aus einem offenporigen Metallschaum gebildet ist, ist der Wärmeverlust während des Einlegens in die Gießform gering, so dass die Infiltrationsbedingungen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Keramikschäumen deutlich verbessert sind.

Bei einer Infiltration von beispielsweise Magnesium-Legierungen sind offenporige Metallschäume als Infiltrationskörper auf Eisenbasis innert, so dass keine Reaktionen erfolgen und sich keine reproduzierbaren Verbundfestigkeiten ergeben. Werden hingegen Eisen oder Nichteisenbasis-Metallschäume mit Aluminiumlegierungen infiltriert, so kann über die Partikelgröße und die Vorwärmtemperatur eine nahezu vollständige Umwandlung des Metallschaums in Aluminide erreicht werden, so dass ein hoch verschleißfester Verbundwerkstoff entsteht. Diese hoch verschleißfesten Verbundwerkstoffe dienen dann beispielsweise als Zylinderlaufflächen oder im Bereich der Kurbelwelle als Lager.

Die Werkstoffeigenschaften des erfindungsgemäß gebildeten Zylinderkurbelgehäuses sind mittels der Partikelgröße, der Wahl der Werkstoffe für den Infiltrationskör-

per, die Einstellung der Porosität im Infiltrationskörper sowie einer möglichen Vorwärmung des Infiltrationskörpers definiert und reproduzierbar einstellbar. Eine weitere Möglichkeit, die Bildung der intermetallischen Phasen und somit einer Einflussnahme auf die Werkstoffeigenschaften, wie beispielsweise der Festigkeit, ist die, die Oberfläche des Infiltrationskörpers zu beschichten, um somit die Umwandlung der Metallpartikel mit dem Umgussmaterial zu reduzieren oder weitestgehend zu blockieren. Die Oberfläche des Infiltrationskörpers ist hierbei oxidierbar oder nitrierbar oder mit einem anorganischen überzug zu versehen. Neben den genannten Einflussgrößen auf die Bildung der intermetallischen Phasen ist es somit möglich, dass mehrere Arten von intermetallischen Verbindungen sowie einem Kernbereich aus reinem Metall im Bereich der lokalen Festigkeitssteigerung des Zylinderkurbelgehäuses ausgebildet wird. Ist beispielsweise der Infiltrationskörper aus Eisenpartikeln gebildet, so bildet sich je nach Partikelgröße, Porosität, Vorwärmung und Beschichtung ein Kernbereich aus reinem Eisen aus, der von einer ersten Schicht aus FeAI gebildet ist, wenn das Umgussmaterial zum Beispiel eine Aluminiumlegierung ist. über dieser ersten Eisenaluminid-Schicht bildet sich eine weitere intermetallische Verbindung aus Eisenaluminid der Form Fe ₂ AI ₅ und als dritte umgebende Schicht würde sich eine intermetallische Verbindung der Form FeAI ₃ ausbilden. Dieses Beispiel ist selbstverständlich nicht beschränkend und bildet lediglich ein Ausführungsbeispiel der Bildung von Eisenaluminiden, wenn die Metallpartikel aus Eisen und das Umgussmaterial zur Bildung des Zylinderkurbelgehäuses aus einer Legierung auf Aluminiumbasis bestehen. Es ist beispielhaft aber auch vorstellbar, dass bei einer derartigen Werkstoffkombination der Kernbereich aus reinen Eisenaluminiden, der erste umgebende Bereich aus Eisenaluminiden der Form Fe ₂ AI ₅ und der zweite umgebende Bereich aus Eisenaluminiden der Form FeAI ₃ gebildet ist. Die Einstellungen der intermetallischen Verbindungen ist mit den genannten einstellbaren Parametern in Bezug auf die gewünschte statische oder dynamische Festigkeitssteigerung definiert beeinflussbar.

Das induktive Verschweißen der Metallpartikel zur Herstellung des Infiltrationskörpers stellt ein kostengünstiges Herstellverfahren dar. Je nach gewünschter Porosität werden mit den Metallpartikeln Platzhalter vermengt, die während des Eingießens der flüssigen Schmelze in die Gießform gelöst oder verdampft werden. Platzhalter sind zum Beispiel organische Harze und/oder Kunststoffe, und/oder

Cellulose und/oder Gelatine, aber auch organische Bestandteile, wie beispielsweise Salze. Ein Vorteil der induktiven Verschweißung ist die hohe Formbeständigkeit. Der Infiltrationskörper wird erfindungsgemäß beispielhaft aus unter Druck verfertigten Metallpartikeln gebildet, so dass ein Grünling gebildet ist, der anschließend mit einem induktiven Mittelfrequenzfeld mit einer derart großen Inenergiedichte beaufschlagt wird, dass eine Schweißung an den Kontaktstellen der Metallpartikel erfolgt. Das induzierte Mittelfrequenzfeld besitzt hierbei eine Frequenz von 1 kHz bis 400 kHz und ist entsprechend des verwendeten Werkstoffs für die Metallpartikel und der ausgewählten Partikelgröße veränderbar, wobei wesentlich das Verschweißen an den Kontaktstellen der Metallpartikel ist. Bei der induktiven Verschweißung ist eine Schutzgas- oder Formiergasatmosphäre vorstellbar, aber nicht erfindungswesentlich, da eventuell vorhandene Oxidschichten auf den Metallpartikeln aufgrund der hohen induzierten Spannung, und dem daraus resultierenden Skin-Effekt, an den Kontaktstellen über den gesamten Querschnitt des Infiltrationskörpers durchbrochen werden. Platzhalter oder Fixierungsbestandteile auf organischer Basis werden beim induktiven Schweißprozess vergast. Der Verschweißungsprozess regelt sich korrespondierend zur Teilchengröße nach dem Induktionsgesetz selbstständig.

Ein wesentlicher Vorteil der induktiv verschweißten Infiltrationskörper ist der, dass die Infiltrationskörper für druckbeaufschlagte Gießverfahren einsetzbar sind, da die Infiltrationskörper aufgrund ihrer mechanischen Stabilität der Verschweißungen den Drücken beim Druckgießen widerstehen. So werden die Infiltrationskörper in die Gießform eingesetzt und unter einem Druck von 10 bar bis 15 bar umgössen und anschließend unter einem Druck bon bis zu 1000 bar zur Erstarrung gebracht.

Durch die Erzeugung lokaler Verbundwerkstoffe im Zylinderkurbelgehäuse mittels der Infiltrationskörper ist einerseits eine Festigkeitssteigerung wie auch eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit möglich. Darüber hinaus sind die tribologi- schen Eigenschaften gezielt beeinflußbar wie auch Gluteigenschaften einstellbar.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung der Infiltrationskörper aus induktiv verschweißten Metallpartikeln ist der, dass die Infiltrationskörper einen Gewichtsvorteil aufweisen, gegenüber monolithischen Eingussteilen auf Eisenbasis. Durch die vollständige Infiltration des Umgussmaterials in den Infiltrationskörper wird darüber hinaus ein spaltfreies Eingießen ermöglicht.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Infiltrationsversuchs von offenporigem Metallsschaum näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Schliffbild in einer Auflösung von 40μm in einem Bereich zwischen Umgussmaterial und Infiltrationskörper,

Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt gemäß einem Bereich Il aus der

Figur 1 und

Figur 3 einem ebenfalls vergrößert dargestellten Bereich III als Randbereich des Infiltrationskörpers aus der Figur 1.

In der Figur 1 ist ein Schliffbild eines Infiltrationskörpers 1 , der in ein Umgussmaterial 2 eingegossen ist, dargestellt. Der Infiltrationskörper 1 weist hierbei zwei deutlich unterscheidbare Bereiche Il und III auf. Der Randbereich IM des Infiltrationskörpers 1 wird dabei unmittelbar von dem Umgussmaterial 2, das eine Leichtmetalllegierung wie beispielsweise Aluminium oder Magnesium ist, umschlossen. Das Umgussmaterial 2 ist dabei vollständig in den Infiltrationskörper eingedrungen und hat die beiden deutlich voneinander unterscheidbaren Bereiche Il und III zum Teil durch Bildung intermetallischer Phasen gebildet.

Der Infiltrationskörper 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist aus einem unter dem Markennamen „Astaloy CrM" gebildeten Formkörpers mit einer Dichte von 3,5 g/cm ³ hergestellt. Als Umgussmaterial wurde die Aluminium-Silizium-Legierung AISi12 CuNiMg ausgewählt. Die eutektische Aluminium-Silizium-Legierung ist vollständig in den Infiltrationskörper 1 eingedrungen. Die Figur 1 verdeutlicht sehr gut, wie genau die Verbundwerkstoffbildung erfindungsgemäß einstellbar ist. Der Infiltrationskörper 1 wurde unter Atmosphäre auf ca. 500° vorgewärmt, wodurch es zu einer Oxidbildung auf der Oberfläche der Metallpartikel kam. Durch dieses Oxidieren des Randbereichs III des Infiltrationskörpers 1 wurde hier die Bildung intermetallischer Phasen gehemmt. Deutlich zu erkennen sind die oxidischen Sperren 5, 6 in der Figur 3, die eine vergrößerte Darstellung des oxidierten Randbereichs III darstellt. Die Metallpartikel 7 wurden zwar sämtlichst und vollständig von der Aluminiumlegierung 8 umschlossen, die Bildung intermetallischer Verbindungen wurde aber durch die oxidische Beschichtung des Infiltrations-

körpers 1 unterbunden. Die Figur 3 zeigt somit deutlich, wie mittels eines Vorwär- mens, wobei durch die Dauer des Vorwärmens die oxidische Beschichtung des Infiltrationskörpers 1 und somit der induktiv verbundenen Metallpartikel 7 gezielt steuerbar ist. Bei längeren Vorwärmzeiten unter atmosphärischen Bedingungen ist der Randbereich IM bis in den Kern des Infiltrationskörpers 1 hinein verschiebbar. Die Methode der Beschichtung des Infiltrationskörpers ist natürlich ebenfalls auf die anderen beanspruchten Beschichtungsverfahren anwendbar.

Wird entsprechend eine Aluminid-Bildung, das heißt, eine Bildung intermetallischer Verbindungen zwischen den Metallpartikeln 7, 9 und dem Umgussmaterial 8, 10 angestrebt, so wird keine Beschichtung auf dem Infiltrationskörper 1 abgeschieden, und es bildet sich ein Werkstoffgefüge mit intermetallischen Verbindungen und homogenen übergängen zwischen den Metallpartikeln 9 und dem Umgussmaterial 10 aus, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. Hierbei zeigt die Figur 2 eine vergrößerte Ansicht des zentrumnahen Bereichs 2 des infiltrierten Infiltrationskörpers 1 , der als offenporiger Metallschaum 1 vor dem Umgießen vorlag.