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

Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Zylinderkurbelgehäuse

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine aus einer übereutektischen Aluminium- Silizium-Legierung, sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Zylinderkurbelgehäuse.

Aufgrund der ständig steigenden Energie- und Materialkosten gehen die Bestrebungen der Automobilindustrie dahin, Gewichtseinsparungen vorzunehmen, um den Kraftstoffverbrauch von Automobilen bei gleicher oder gesteigerter Leistung zu senken. Da insbesondere die Motoren auf das Gewicht von Kraftfahrzeugen einen entscheidenden Einfluß haben, ist man bemüht, die Zylinderkurbelgehäuse der Motoren aus Leichtmetall herzustellen. Dies hat bei Dieselmotoren zur Folge, dass unterschiedliche Werkstoffe verwendet werden müssen, da herkömmliche monolithische Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse den erhöhten Anforderungen von Pkw- Dieselmotoren mit oder ohne Direkteinspritzung nicht gewachsen sind. Besonders beanspruchte Bereiche sind die Zylinderbohrungen und die Lagerstühle der Kurbelwelle. Dort werden zum Beispiel Zylinderlaufbuchsen aus höherfesten Legierungen oder Infiltrationskörper eingegossen. Auf diese Weise lassen sich quasimonolithische Gehäuse darstellen.

Auf das Einsetzen von Zylinderlaufbuchsen kann verzichtet werden, wenn das Zylinderkurbelgehäuse aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung besteht. Die harten, tragenden Primärausscheidungen der übereutektischen Aluminium-Legierung stehen dann als Traggerüst für die Kolbenringe und den Kolbenschaft zur Verfügung. Aus der DE 100 32 845 A1 ist beispielsweise bekannt, ein

Zylinderkurbelgehäuse eines Motors herzustellen, indem das Zylinderbockteil aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung im Niederdruckkokillenguß, Squeeze-Casting oder Druckgußverfahren und das Kurbelgehäuseteil separat hergestellt wird.

Aus der DE 103 52 932 A1 ist ein Thixo- und Rheocasting-Verfahren bekannt, mit dem hochbelastbare Gußteile aus Aluminiumlegierungen herstellbar sind. Beschrieben sind unter anderem auch Motorgußteile aus einer untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundgußteils im Thixocasting-Verfahren ist in der DE 103 50 713 A1 beschrieben. Derartige Verbundgußteile werden beispielsweise in Brennkraftmaschinen getriebenen Kraftfahrzeugen als Kurbelgehäuse verwendet. Als Werkstoffe sind hierin auch Aluminium-Silizium-Legierungen genannt.

Eine untereutektische Aluminium-Silizium-Legierung, mit der Verbundgußteile auch im Thixocasting-Verfahren herstellbar sind, ist aus der EP 1 308 227 A1 bekannt. Einen Hinweis auf eine Temperatur zum Thixocasting kann der Druckschrift aber nicht entnommen werden.

Die Verwendung des Rheocasting-Verfahrens für übereutektische Aluminium- Silizium-Legierungen ist aus der WO 2005/007912 A1 bekannt. Als typische Temperaturbereiche für dieses Verfahren sind hierin Temperaturen zwischen 600 ⁰ C und 850 ⁰ C genannt.

Beim Vergießen übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierungen führt die Vorerstarrung des Primärsiliziums mit der Folge einer schlechten Verteilung der Siliziumkristalle und eines unkontrollierbaren Kristallwachstums im Bereich der Zylinderbohrungen immer wieder zu Problemen. Auch wird als nachteilig angesehen, dass beim Vergießen von übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen im herkömmlich Druckguß- oder Squeeze-Casting-Verfahren die Stahlformen mit hohen Schmelztemperaturen beaufschlagt werden, die im Bereich von etwa 800 ⁰ C liegen, während bei herkömmlichen Aluminium-Legierungen nur Temperaturen von ca. 680°C zum Tragen kommen. Schließlich kann es infolge der geringen Viskosität der geschmolzenen Aluminium-Silizium-Legierungen bei den genannten hohen Temperaturen

zum Herausspritzen des flüssigen Metalls über die Teilungsebenen aufgrund der hohen Viskosität der Legierung kommen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu geben, mit dem sich Zylinderkurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine aus einer übereutektischen Aluminium- Silizium-Legierung problemfrei herstellen lassen. Darüber hinaus ist ein nach dem Verfahren hergestelltes Zylinderkurbelgehäuse Aufgabe der Erfindung, wobei das Zylinderkurbelgehäuse ohne Bewährungen im Bereich der Zylinderbohrungen auszubilden ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Zylinderkurbelgehäuse im Rheocast- oder Thixocast-Verfahren hergestellt und in einem Temperaturbereich von 520 ⁰ C bis 580 ⁰ C vergossen wird. Die hier vorgeschlagenen Gießverfahren Thixocasting und Rheocasting stehen in engem Bezug zueinander und werden daher häufig auch Rheocasting/Thixocasting genannt. Rheocasting bezeichnet ein Druckgießverfahren, bei welchem ein Metall geschmolzen und dann unter Rühren wieder in den halbflüssigen Zustand zwischen Solidus- und Liquidustemperatur abgekühlt wird. Ein bevorzugter Temperaturbereich ist dabei der Bereich zwischen 520 ⁰ C und 58O ⁰ C, da hiermit ein gleichmäßiges Werkstoffgefüge erzielbar ist. Das halbflüssige Leichtmetall mit einer vorgegebenen Viskosität wird schließlich durch Gießen oder Schmieden zu einem Endprodukt verarbeitet. Das Thixocasting bezeichnet ein Verfahren, bei welchem Stangen, die nach dem Rheocast-Verfahren hergestellt wurden, in den halbflüssigen Zustand mit einer vorgegebenen Viskosität erwärmt werden und das halbflüssige Material dann durch Gießen oder Schmieden zu den Endprodukten gefertigt werden. Bei dem Verfahren wird das thixotrope Werkstoffverhalten der eingesetzten Legierungen genutzt. Thixotrop ist ein Metall dann, wenn es sich im teilflüssigen Zustand in Ruhe noch wie ein Festkörper verhält, unter Einwirkung von Scherkräften aber wie eine leicht zähe Flüssigkeit fließt.

Erfindungsgemäß werden nun übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen in den thixotropen Zustand gebracht. Da übereutektische Aluminium-Silizium- Legierungen ein größeres Erstarrungsintervall als herkömmliche untereutektische Legierungen haben, sind sie für die vorgeschlagenen Verfahren besonders geeignet. Zudem begünstigt das Gefüge der übereutektischen Legierungen thixotropes Verhalten.

Auch stellt sich das Problem der Silizium-Vorausscheidungen bei den übereutekti- schen Aluminium-Silizium-Legierungen nicht, da das halbflüssige Vormaterial insbesondere beim Thixocasting bereits Silizium in richtiger Korngröße und Verteilung enthält, so dass auch die Probleme einer Vorerstarrung des Primärsiliziums verbunden mit einem unkontrollierbaren Kristallwachstum entfallen. Zudem liegen die Temperaturen bei Rheocasting/Thixocasting niedriger als bei den üblichen Druckgußverfahren, so dass die damit verbundenen Probleme insbesondere eines He- rausspritzens des flüssigen Leichtmetalls zwischen den Formhälften nicht auftritt.

Schließlich hat sich gezeigt, dass Kurbelwellengehäuse aus übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen, welche nach dem Rheocasting/Thixocasting hergestellt sind, eine hohe Festigkeit und ein gutes Dehnungsvermögen besitzen mit der Folge, dass die hergestellten Teile voll wärmebehandelbar und zum Teil auch gut schweißbar sind. Des Weiteren besitzen sie ein feines Werkstoffgefüge mit nur unkritischen Resterstarrungszonen, in denen sich Lunker bilden könnten, da der Flüssigkeitsanteil gering ist. Im Vergleich mit herkömmlichem Druckguß werden somit eine geringe Porosität und ein um Größenordnungen niedrigerer Gasgehalt, der auch im Vakuum-Druckgußverfahren nicht erreicht werden kann, erzielt.

Im Zusammenhang mit der Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen aus übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen ist das Thixocasting-Verfahren besonders geeignet, da hier Stangenabschnitte eines Vormaterials in den halbflüssigen Zustand erwärmt und dann in die Gießkammer eingelegt werden. Der kritische Punkt ist die radiale Temperaturverteilung wegen des „Skin-Effekts" bei der induktiven Aufheizung. Die üblichen Anschnittgeschwindigkeiten reichen herunter bis zu den beim Squeeze-Casting üblichen.

Das Rheocast-Verfahren bietet demgegenüber den Vorteil eines einfacheren Hand- lings und insbesondere eines großen Spielraums hinsichtlich des Flüssigkeitsanteils, potentieller Legierungsmodifikationen, so dass man nicht auf die Zulieferung von Strangguß-Stangenvormaterial angewiesen ist, sowie einer einfacheren Temperaturführung.

Im Ergebnis lassen sich durch den Einsatz des Rheocastings/Thixocastings bei der Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen aus übereuteketischen Aluminium- Silizium-Legierungen monolithische Bauteile herstellen, die keine zusätzliche Be-

wehrung im Bereich der Zylinderbohrungen benötigen und im Massenfertigungsverfahren (Druckgießverfahren) hergestellt werden.

Besonders gute Ergebnisse konnten mit einer Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Siliziumgehalt zwischen 17 und 20 Massen-%, einem Kupfergehalt zwischen 3 und 5 Massen-% sowie geringen Anteilen an Kupfer erzielt werden. Eine derartige Legierung, die in einem Temperaturbereich zwischen 520 ⁰ C bis 580 ⁰ C mittels eines Thixocasting-Verfahrens vergossen wird, weist ein homogenes und damit hoch beanspruchbares Werkstoffgefüge auf. In einem nach diesem Verfahren hergestellten Zylinderkurbelgehäuse liegt die Korngröße des Siliziums zwischen 35 μm und 100 μm. Darüber hinaus ist ein derartiges Zylinderkurbelgehäuse durch die Kornanzahl von ca. 15.000 Kristallen pro cm ² identifizierbar und mit höchsten mechanischen Belastungen beaufschlagbar.