Verschleißfeste Gussstücke werden häufig aus Schmelzen oder Legierungen hergestellt, welche Vorausscheidungen, intermetallische Phasen oder zugesetzte Partikel oder Fasern aufweisen, die die Verschleißfestigkeit des Gussstücks gegenüber dem Basismetall bzw. der Basismetallliegierung erhöhen sollen. Beispielhaft sei an dieser Stelle lediglich auf übereutektische AlSi- Legierungen hingewiesen, bei denen primär vorausgeschiedenes Silizium eine derartige Phase niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit bildet. Von Schwerkraftseigerungseffekten abgesehen ist grundsätzlich von einer gleichmäßigen Verteilung derartiger Phasen im Gussstück auszugehen. Die erhöhte Verschleißfestigkeit wird jedoch nicht an allen Stellen des Gussstücks, sondern üblicherweise an Oberflächenbereichen, die später einen Gleitbereich bilden, oder an Lagerabschnitten oder Querschnittsverengungen benötigt. Eine erhöhte Konzentration dieser Phasen im Gussstück kann sich sogar nachteilig auswirken (z. B. Versprödung), weshalb die Verschleißfestigkeit von Gussstücken beispielsweise an Oberflächenabschnitten nicht beliebig durch Anreicherung derartiger Phasen im gesamten Gussstück erhöht werden kann.

Um die Qualität des Gussstücks beim Stranggießen von Stählen zu erhöhen, wurden bereits elektromagnetische Drehfelder eingesetzt, um der Seigerung in den bis zu 6 Meter langen Sümpfen von Stahl im gerade erstarrenden Strang entgegenzuwirken. Das Drehfeld wird durch unterhalb der Stranggusskokille angeordnete Spulen, also im Nachkühlbereich, erzeugt und in den Strang eingestrahlt.

Hierdurch soll eine iimige Vermischung innerhalb des Sumpfs erreicht werden und wie bereits erwähnt Seigerungserscheinungen entgegengewirkt werden, um ein homogenes Gefüge innerhalb des Stranggussstücks zu erhalten. Im Hinblick auf die Verhinderung von Seigerungserscheinungen durch elektromagnetische Drehfelder wird auf die DE-A-31 22 156 und die DE-A-2 424 610 verwiesen.

Aus der DE-A-28 55 933 ist ein Verfahren bekannt, wonach durch die Kombination eines von außen aber Elektroden angelegten Stromflußes in einem elektrisch leitfähigen fluiden Medium und eines hiervon unabhängig angelegten Magnetfeldes die Auftriebskräfte von verschieden gut leitenden Bestandteilen des Mediums beeinflusst werden. Es handelt sich hierbei um ein Gleichfeldverfahren, d. h. Strom und Magnetfeld sind in vorgegebener Weise zeitlich sowie räumlich aufeinander abgestimmt ; sie könnten nur gleichphasig zueinander verändert werden. Die Druckschrift lehrt die vollständige volumenmäßige Durchdringung der Flüssigkeit durch den Strom bzw. das Magnetfeld, um Entmischungen aufzuheben oder zu verstärken, um beispielsweise eine Phase abtrennen zu können.

Ausgehend von der eingangs erwähnten Herstellung von Gussstücken mit verschleißfesten Oberflächenbereichen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, verschleißmindernde Phasen in den betreffenden Oberflächenbereichen zu konzentrieren, ohne in anderen Bereichen des Gussstücks hieraus resultierende negative Auswirkungen hinnehmen zu müssen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schmelze unter zumindest lokaler Einwirkung eines elektromagnetischen Wechselfeldes zur Erstarrung gebracht wird, dass dabei das elektromagnetische Wechselfeld in einen Oberflächenbereich einer von der Frequenz des Wechselfelds und der Leitfähigkeit der Schmelze abhängigen Eindringtiefe eindringt und dadurch eine Anreicherung der weniger leitfähigen Phasen an diesen Oberflächenbereichen des Gußteils erreicht wird.

Es wurde erfindungsgemäß erkannt, dass im Bereich der Eindringtiefe eines elektromagnetischen Wechselfeldes eine Kraftkomponente auf die weniger leitfähigen Phasen in Richtung der Gussstückoberfläche gebildet wird, so dass diese sich an Bereichen der Gussteiloberfläche anreichern.

Dies lässt sich physikalisch mit dem Eindringen des elektromagnetischen Wechselfelds in die Schmelze und die Auswirkungen der hierbei sich ergebenden elektrischen Feldstärke E und magnetischen Feldstärke H bzw. Induktion B und der aus dem Vektorprodukt der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Feldstärke H gebildeten Energiestromdichte S (S=E X H) im Zusammenhang mit der jeweils unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeit a der Phasen und der sie umgebenden Schmelze zumindest qualitativ erklären. Diese Wirkung ist praktisch auf den Bereich der Eindringtiefe des elektromagnetischen Wechselfelds im Bereich einiger weniger mm, etwa 0,5 bis 10 mm, vorzugsweise 1 bis 4 mm, beschränkt, welche nach der Theorie proportional zum Reziproken der Wurzel aus Frequenz, magnetischer Permeabilität und elektrischer Leitfähigkeit ist (6 fla). Bevorzugte Frequenzen des elektromagnetischen Wechselfelds sind 20 bis 1000 Hz, vorzugsweise 50 bis 500 Hz.

Innerhalb dieser Eindringtiefe werden also die weniger leitfähigen Partikel in Richtung auf die Oberfläche bewegt, weil sie eine geringere abstoßende Kraft durch das Wechselfeld erfahren als die stärker leitfähige umgebende Schmelze. Hierdurch entsteht hinter der angereicherten Oberflächenschicht mit erhöhter Konzentration der jeweils betrachteten Phase eine Schicht mit demgegenüber deutlicher Verarmung. Es wird auch darauf hingewiesen, dass der Begriff der Gussteiloberfläche im weitesten Sinne zu verstehen ist. Es kann sich hierbei um eine Bohrung, einen Kanal oder dergleichen handeln.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann also bei gleicher Ausgangsschmelze eine höhere Oberflächenkonzentration der betreffenden Phase als bei einem bekannten Gießverfahren erreicht werden.

Diese bewusst herbeigeführte Seigerung unter der Wirkung elektromagnetischer Wechselfelder muss im wesentlichen im noch flüssigen Zustand erfolgen. Wird der Anteil aus Partikeln bzw. Vorausscheidungen und weiteren Schmelzenanteilen zu groß, so lassen sich die Partikel nicht mehr hinreichend leicht verschieben. Die festen Phasen verkanten und behindern sich gegenseitig.

Diese örtlich eingeleitete Phasenbewegung unter elektromagnetischer Feldeinwirkung benötigt auch Zeit. Die Erstarrung darf daher nicht so rasch wie zum Beispiel beim Druckguss erfolgen. Die üblichen Erstarrungszeiten im Sandguss aber auch im Kokillenguss mit vorzugsweise wärmedämmenden Schlichten erlauben im allgemeinen die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Insoweit erweist es sich auch als vorteilhaft, dass die Einstrahlung des elektromagnetischen Wechselfelds in die Schmelze nicht nur"Auftriebskräfte"erzeugt, sondern auch die Erzeugung von Wärme mit sich bringt. Diese lokale Energiezufuhr verzögert die Erstarrung in vorteilhafter Weise weiter.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erweist sich als besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit dem Vergießen einer übereutektischen oder nah-eutektischen technischen Aluminium-Silizium-Legierung, bei der die Silizium- Vorausscheidungen, die sogenannten Silizium-Primärkristalle die Phase geringerer elektrischer Leitfähigkeit bilden.

Auch intermetallische Phasen wie z. B. Ni2Al3 oder TiAl3 werden in AlSi-Legierungen vorausgeschieden und weisen eine geringere elektrische Leitfähigkeit auf als flüssiges Aluminium und werden daher ebenfalls an die Oberfläche transportiert.

Bei der Schmelze kann es sich aber in ebenfalls vorteilhafter Weise auch um eine Eisenschmelze handeln, bei der Graphit-oder Zementit-Vorausscheidungen die Phase geringerer elektrischer Leitfähigkeit bilden. Auch Schwermetallschmelzen sowie Leicht-oder Buntmetallschmelzen mit Partikeln oder Kurzfasern aus Materialien mit niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit als die Restschmelze eignen sich zum Vergießen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die Phase geringerer elektrischer Leitfähigkeit in der zu vergießenden Schmelze kann auch von Granulatkörnen oder auch von dispergierten SiC-Partikeln gebildet sein. In vorteilhafter Weise kann die Phase geringerer elektrischer Leitfähigkeit auch Fasern, wie zum Beispiel A1203, SiO2, C oder Aluminiumsilikate (Al203) (SiO2) umfassen.

Wie vorausgehend bereits erwähnt, wird die Schmelze mit zunehmender Erstarrung insgesamt zäher. Vor allem das Wachstum von Stengelkristallen, Dendriten oder Platten behindert die Beweglichkeit der zu verschiebenden Partikel.

Auch im Bereich dünner Wandstärken beispielsweise im Stegbereich zwischen Bohrungen eines Zylinderblocks führt das"Aufschwimmen"der weniger leitfähigen Partikel sehr rasch zu einer Verarmung, so dass es wünschenswert wäre, wenn"aus der Tiefe"des Gussstücks weitere Phasen nachgeliefert würden. Zur Lösung dieses Problems wird in Weiterbildung der Erfindung von besonderer Bedeutung vorgeschlagen, dass durch Einstrahlen eines magnetischen Wanderfeldes, insbesondere zusätzlich zu dem elektromagnetischen Wechselfeld ein tangentialer Materialfluss im Bereich der Gussteiloberfläche erzeugt wird. Hierdurch wird die Ausbildung großer Stengel-und Plattenkristalle behindert, was sich in jedweder Hinsicht als vorteilhaft erweist. Die erstarrende Schmelze bleibt länger thixotrop. Die Beweglichkeit der zu verschiebenden Phasen kann bis zu höheren Feststoffanteilen aufrecht erhalten werden.

Das magnetische Wanderfeld kann, wie vorstehend erwähnt, insbesondere zusätzlich aber auch unabhängig von elektromagnetischen Wechselfeldern erzeugt und eingestrahlt werden. Werden Felder mit unterschiedlicher Frequenz verwendet, so wirken beide Felder unabhängig voneinander, wobei aber beachtet werden muss, dass auch das Wanderfeld eine Kraftwirkung auf die weniger leitfähigen Phasen in Normalenrichtung haben kann. Die Lage der Feldvektoren des Segregationsfeldes und des Wanderfeldes können unterschiedliche Richtungen haben. Dies erlaubt eine freiere Gestaltung der hierfür erforderlichen Spulensysteme.

Die Ausgestaltung der Induktionsspulen kann mit aufwendiger Sehnung wie bei größeren Drehstrommotoren oder aber nur aus wenigen Teilspulen aufgebaut werden. Werden nur wenige Teilspulen verwandt, so entstehen sogenannte Oberwellenfelder. Mit steigender Ordnungszahl nimmt deren Amplitude jedoch ab. Das Oberwellenfeld der dritten Ordnung ist ein Drehfeld mit entgegengesetztem Drehsinn. Seine Eindringtiefe in das Material ist deutlich niedriger als diejenige des Grundfeldes. Daher bewirkt das Oberwellenfeld nur eine Schwächung des oberfächenparallelen Antriebs in unmittelbarer Nähe der Oberfläche der Schmelze bzw. des hieraus gebildeten Gussstücks.

Um den apparativen Aufwand nicht zu groß werden zu lassen, erweist es sich als vorteilhaft, die Erzeugung der Drehfelder nicht mit einem 3-Phasensystem aus drei jeweils um 120° zeitlich versetzten Stromleitersystemen, sondern nur mit zwei um 90° zeitlich versetzten Systemen zu arbeiten. Dies erlaubt den Einsatz eines einfacheren Spulenaufbaus innerhalb der beengten Verhältnisse einer Gießform. Zwar steigt der Anteil der Oberwellenfelder hierdurch ; dies wirkt sich aber auf die Ausbildung der Anreicherungsschicht vorteilhaft aus.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt also eine deutliche Verringerung der Konzentration der verschleißfesten Phasen im übrigen Gussstück bzw. in der Schmelze, wobei dennoch eine hohe Oberflächenkonzentration der verschleißfesten Phasen erreicht werden kann. Dies bringt Vorteile im Hinblick auf die Bearbeitbarkeit des übrigen Gussstücks mit sich, aber auch die mechanischen Kennwerte des Gussstücks werden hierdurch verbessert. Eine Versprödung in Folge hoher Konzentrationen verschleißfester harter Partikel kann damit auf die angereicherten Oberflächenbereiche des Gussstücks beschränkt werden. Die Dehnbarkeit und Zugfestigkeit des Grundmaterials kann den Anforderungen entsprechend besser gewählt werden.

Werden teure Verstärkungsmaterialien, z. B. SiC eingesetzt, so kann mit stärker"verdünnten"Schmelzen gearbeitet werden, so dass die Herstellungskosten deutlich reduziert werden können.

Mit der Erfindung wird auch Schutz begehrt für ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12, wonach innerhalb der zu vergießenden Schmelze Phasen mit höherer elektrischer Leitfähigkeit als das Metall der Restschmelze vorgesehen sind und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schmelze unter zumindest lokaler Einwirkung eines elektromagnetischen Wechselfeldes zur Erstarrung gebracht wird und dadurch eine Verarmung der Gusssteiloberfläche an höher leitfähigen Phasen erreicht wird. Das Einstrahlen elektromagnetischer Wechselfelder in derartige Schmelzen drängt daher in entsprechender Weise feste Phasen mit höherer elektrischer Leitfähigkeit von der Oberfläche weg.

Die Anwendung dieser Erfindungsvariante bietet sich insbesondere bei Schmelzen mit verhältnismäßig geringer elektrischer Leitfähigkeit an. Wenn hohe Wechselfestigkeiten des herzustellenden Gussstücks erwünscht sind, erweist sich das Verfahren als vorteilhaft, da die Spannungen an der Oberfläche stets besonders hoch sind und Risse üblicherweise von größeren Einlagerungen mit abweichendem E-Modul ausgelöst werden, deren Konzentrationen im Oberflächenbereich erfindungsgemäß reduziert werden.

Nach einem weiteren Erfindungsgedanken kann mittels eines zusätzlichen Induktionsfeldes in denjenigen Bereichen der Kokille wo eine gezielte Partikelanreicherung erreicht werden soll, durch Überlagern eines zusätzlichen Wechselfelds mit deutlich höherer Frequenz eine zusätzliche Erwärmung erreicht werden, ohne dass jedoch eine merkliche zusätzliche Kraftwirkung hierdurch verursacht wird.

Zur Reduzierung der gegenseitigen Blockierung fester Phasen im Zuge der erfindungsgemäß herbeizuführenden Seigerungseffekte können auch Ultraschallfelder eingesetzt werden.

Zum Gegenstand der Erfindung, für den Schutz begehrt wird, gehören auch Zylinderblöcke, Kolben, Bremsscheiben, Bremstrommeln sowie Bremszylinder, Pumpengehäuse und Lagerschalen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind (Ansprüche 13-19).

Bei Zylinderblöcken erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die Gussteiloberfläche im Bereich der Laufflächen der Zylinderbohrung oder im Bereich der Lagerstühle eine Anreicherung von Phasen mit niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit aufweisen.

Bei Kolben mussten seither extrem verschleiß-bzw. thermisch beanspruchte Bereiche, wie zum Beispiel Ringnutbereiche, der Feuersteg, die Kolbenbolzenbohrungen oder Muldenkanten durch aufwendige Bearbeitung, wie z. B.

Aufschmelzlegieren von nickelhaltigen Legierungen oder Beschichten, verbessert werden. Zur Herstellung von Kolben aber auch Zylinderblöcken wurden auch infiltrierbare Hohlkörper mit verschleißbeständigen Partikeln oder Fasern eingesetzt, die dann mit einer untereutektischen Aluminium- Silizium-Legierung infiltriert werden und so die verschleißbeständigen Oberflächenbereiche bilden. Wird das erfindungsgemäße Gießverfahren nunmehr zum Herstellen von Kolben oder Zylinderblöcken angewandt, so kann in den vorstehend erwähnten Bereichen eine Anreicherung von Silizium, NiAl, TiAl erreicht werden, ohne dass die diesbezügliche Konzentration der Restschmelze erhöht werden muss.

Erfindungsgemäß hergestellte Bremsscheiben und Bremstrommeln enthalten vorzugsweise SiC-oder A1203- Partikel als verschleißmindernde Einlagerungen an den Bremsflächen. Durch die vorgeschlagene Lösung kann die Oberflächenkonzentration noch deutlich erhöht werden, wodurch die sich hieraus ergebende lokal verstärkte Sprödbrüchigkeit wegen der dahinterliegenden duktileren Bereiche sich nicht negativ auswirkt.

Des Weiteren wird für eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 20 Schutz in Anspruch genommen. Hiernach umfasst die Gießkokille und/oder ein in die Kokille eingesetzter Kern eine Spule zum Erzeugen des elektromagnetischen Wechselfelds. Die Kokillenwand der Gießkokille ist vorzugsweise aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff mit vorzugsweise niedriger elektrischer Leitfähigkeit gefertigt. Hierfür hat sich ein austenitischer Chrom- Nickel-Stahl, auf den eine Schutzschicht z. B. aus Keramik oder Molybdän aufgebracht ist, als zweckmäßig erwiesen.

Zusätzlich ist durch Kombination magnetischer und nicht magnetisierbarer Werkstoffe im Gießwerkzeug eine gezielte Lenkung des Magnetfelds möglich, so dass bestimmte Bereiche des Gussteils magnetisch abgeschirmt werden, während andere ein entsprechend konzentrierteres Magnetfeld erfahren.

Um die Abschirmung des Magnetfeldes durch die Kokillenwand weiter herabzusetzen, wird nach einem weiteren Erfindungsgedanken vorgeschlagen, die Kokillenwand senkrecht zu den dahinterliegenden Spulen mehrfach geschlitzt auszubilden, damit das elektromagnetische Wechselfeld möglichst umgeschwächt zur Schmelze gelangen kann.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einiger Anwendungsbeispiele. In der Zeichnung zeigt : Figur 1A eine perspektivische Darstellung eines Kokillenwandabschnitts einer Kokillengießvorrichtung ; Figur 1B eine Wicklung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfelds zur Beaufschlagung des Kokillenwandabschnitts nach Figur 1A ; Figur 2A eine Draufsicht auf eine in eine gießformeinsetzbare Vorrichtung zur Herstellung einer Zylinderbohrung ; Figur 2B einen Vertikalschnitt durch die Vorrichtung nach Figur 2A Figur 1A zeigt einen Kokillenwandabschnitt 2, der aus einem wendelförmig gewickelten und im Querschnitt rechteckförmigen Hohlprofil 4 gebildet ist. Das Hohlprofil 4 ist von einem Kühlmedium durchströmbar, was durch die Anschlussstücke 6,8 angedeutet ist. Die einzelnen Wendelgänge liegen nicht aneinander an, sondern es ist ein Spalt oder Schlitz 12 zwischen ihnen ausgebildet, der von einer keramischen Masse 14 ausgefüllt ist, die auch eine innere Beschichtung 16 des Kokillenwandabschnitts 2 bildet.

Im Bereich dieser Spalte 12 ist die Kokillenwand für ein einzustrahlendes elektromagnetisches Wechselfeld ideal durchlässig.

Um den Kokillenwandabschnitt 2 herum ist die in Figur 1B dargestellte Wicklung 20 positionierbar. Diese Wicklung 20 entspricht einer Drehstromstatorwicklung mit vergleichbarem Aufbau wie bei einem Asynchronmotor. Die Spulenpakete sind nur angedeutet.

Die Figuren 2A und 2B zeigen eine in eine Gießform einsetzbare Vorrichtung 30 zur Herstellung einer Zylinderbohrung. Die zu vergießende Schmelze gelangt daher an die Umfangsflache 32 der Vorrichtung 30, welche von einer Keramikbeschichtung 34 der Umfangsflächen von in Längsrichtung verlaufenden Hohlprofilkörper 36 gebildet ist. Diese Hohlprofilkörper 36 sind in Umfangsrichtung voneinander geringfügig beabstandet angeordnet, so dass zwischen ihnen jeweils ein Spalt 38 verbleibt, der von der keramischen Beschichtungsmasse 34 ausgefüllt ist.

Die jeweiligen Hohlprofilkörper 36 bilden einerseits einen längsverlaufenden Kühlmittelkanal 40, sie dienen aber auch als stromführende Wicklung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfelds. Mit den Buchstaben R, S und T wird eine Schaltungsanordnung für 3-phasigen Drehstrom für drei Polpaare mit insgesamt 18 palisadenartigen Hohlkörperprofilleitern angedeutet. Die mit"'"bezeichneten Phasen sind um 180° elektrisch versetzt und bilden die jeweilige Gegenphase. An zentraler Stelle 42 sind die Leiter zusammengeführt. Dort ist der Sternpunkt des 3-phasigen Drehstromanschlusses.

Der Blindleistungsbedarf der Anordnung wird durch permable Ringkörper aus Ferrit reduziert.