Niederdruckguss- Zylinderkurbelgehäuse. Optimal für hochbelastete Diesel- und Ottomotoren (Pkw-Motoren)

Transkript

1 Niederdruckguss- Zylinderkurbelgehäuse Optimal für hochbelastete Diesel- und Ottomotoren (Pkw-Motoren)

2 1. Erfolgsstory Die Substitution von Grauguss durch Aluminium beim Zylinderkurbelgehäuse (ZKG), auch Motorblock genannt, begann Anfang der 1970er Jahre bei großvolumigen bzw. vielzylindrigen Motoren der Fahrzeugoberklasse. Das damalige Erfolgsrezept hieß Niederdruck Kokillenguss-ZKG aus der übereutektischen Legierung AlSi17Cu4Mg/ALUSIL. Mittlerweile hat die Substitutionswelle die Massenmotorisierung erfasst. Veränderte Zielsetzungen und Rahmenbedingungen haben dem Markt eine Vielzahl von Konzepten beschert. Erstaunlich ist allerdings, dass sich die ursprüngliche Technologie im genannten Marktsegment bis in die heutige Zeit hinein behaupten konnte. Dies spricht für ihre besonderen Qualitäten. 2. Bauart und Zylinderzahl bestimmen Wirtschaftlichkeit von Gießverfahren In wirtschaftlicher Hinsicht konkurrieren hochautomatisierte Gießverfahren, die Sandformen verwenden und daher mit ihrer Taktzeit nicht an die Erstarrung gebunden sind, bei Reihenmotoren mit dem Druckguss, bei V-Motoren häufig mit dem Niederdruck Kokillenguss (für beide Kategorien übliche jährliche Produktionsmengen unterstellt). Fortwährende Prozessoptimierung versetzt die KS Aluminium-Technologie heute in die Lage, trotz verfahrensbedingt spürbar längerer Erstarrungszeit, den Niederdruckgießprozess für V-Motoren wettbewerbsfähig mit dem Druckguss zu gestalten (Abb. 1). 3. Niederdruckguss 3.1 Gießprozess Die Bezeichnung Niederdruckguss hier Niederdruck-Kokillenguss bezieht sich auf die Bedingungen während der Formfüllung und Erstarrung (Abb. 2). Die Kokille wird langsam in vertikaler Richtung und daher turbulenzarm mit geringem Überdruck, der während der Erstarrung aufrechterhalten werden muss, gefüllt. Unter einer Kokille befindet sich ein Ofen, der über ein vertikales Steigrohr mit dieser verbunden ist. Wird der Ofen druckbeaufschlagt, steigt der Metallspiegel über das Steigrohr in die Kokille. Die Erstarrungsfront läuft umgekehrt vom höchsten bzw. entferntes- Abb. 1: Niederdruckguss-Zylinderkurbelgehäuse und Bedplate des Porsche V8 aus der ALUSIL -Legierung 2

3 ten Punkt des Gussteils zum beheizten Anguss. Bei korrekter Prozessführung, die durch entsprechende, zeitlich richtig gesteuerte Formkühlung (hier Stahlkokille unterstellt) zu gewährleisten ist, kommt man dem Ideal der gerichteten Erstarrung prinzipbedingt recht nahe. Für das Gussteil insgesamt betrachtet, bedeutet dies tendenziell ein Plus in puncto Qualität gegenüber dem Schwerkraftguss. Pinolenjoch mit beweglicher Formhälfte hydraulische Zylinderpinolenzüge 3.2 Optimierte Kokille: Gelungene Synthese Bauteilkonstruktion Gießtechnik Niederdruckguss eignet sich grundsätzlich für verlorene Formen (Sandformen) und Dauerformen (Stahlkokillen) sowie Kombinationen (Stahl-/Sand-Halbkokillen bzw. Stahlkokillen mit Sandkernen) (Abb. 3). Dauerformen ermöglichen Zehntausende von Abgüssen bis zum Erreichen der Verschleißgrenze. Reine Stahlkokillen unterliegen allerdings streng der Bedingung der uneingeschränkten Ausformbarkeit. Größte konstruktive Freiheit gewähren dagegen Sandformen. Sie schließen allerdings den Einsatz von Formkühlungen und damit eine größere Einflussnahme auf die Temperaturführung aus. Vorbildliche Konstruktionen bestechen meist auch durch ihre gestalterische Klarheit und in gewisser Hinsicht auch Einfachheit. So hat sich beim im Niederdruckguss hergestellten ZKG die Stahlkokille bei Reduzierung der Anzahl der Sandkerne auf den Wassermantel zur Darstellung der Closed-deck-Bauweise überaus bewährt. geöffnete Kokille feste Formhälfte Gießofen mit Schmelze Zylinderpinolen Gussteil Hubtisch mit ca. 2 m Hub Abb. 2: Niederdruckguss-Gießzelle hydraulische Seitenschiebezüge Steigrohr 4. Wissenswertes über Aluminium- Gusslegierungen Gusslegierungen für Aluminium-ZKG sind Aluminium-Silizium-Legierungen, wobei Sekundärlegierungen dominieren. Nach dem Silizium-Anteil (weniger oder mehr als 12 Gew. % = Eutektikum, d. h. Silizium-Anteil gemäß dem niedrigsten Schmelzpunkt der Legierung) werden sie als unter- bzw. übereutektisch bezeichnet. Typische Vertreter sind AlSi8Cu3 bzw. AlSi17Cu4Mg/ALUSIL. Daneben wird zwischen kalt und warmaushärtenden Legierungen unterschieden. Erstere haben nennenswerte Kupfer(Cu)-, letztere, weitgehend kupferfrei, geringe Magnesium(Mg)-Anteile. Warmaushärtung bedeutet Lösungsglühen, Abschrecken und anschließende Warmauslagerung, die zur Erreichung der spezifizierten hohen Festigkeit und Härte dieser Legierungsgruppe unbedingt erforderlich ist. Kaltaushärtende Legierungen erreichen dagegen auch bei Raumtemperatur nach ca. 48 Stunden gebrauchsfähige Eigenschaften. Abb. 3: Moderne Niederdruck-Gießzelle mit Roboterunterstützung 3

4 Eine Wärmebehandlung ist bei thermisch beanspruchten Bauteilen wie dem ZKG jedoch generell zu empfehlen, um die Volumenstabilität herbeizuführen. Das sogenannte Wachstum nicht wärmebehandelter ZKG ist gleichbedeutend mit einer unkontrollierten, irreversiblen Ausdehnung (z. B. bleibendem Zylinderverzug) unter Temperatureinwirkung im Motorbetrieb. Konventionell druckgegossene Bauteile sind dagegen nicht voll wärmebehandelbar, da verfahrensbedingt eingeschlossene Gasporen unter Hochtemperatureinwirkung zur Bauteilzerstörung führen. Warmaushärtende Legierungen sind, sofern ihr Einsatz für notwendig erachtet wird, nur im Schwerkraft- bzw. Niederdruckguss sinnvoll einsetzbar. Ähnliches gilt für die Schweißbarkeit. Abb. 4: Freigelegtes Silizium einer ALUSIL -Zylinderoberfläche 5. Zylinderkurbelgehäuse-Konzepte Im Gegensatz zum bisher weitgehend in einem einheitlichen Konzept hergestellten ZKG aus Grauguss, das bei perlitischer Gefügeausbildung die Zylinderlaufflächen bereits enthält, eröffnen sich bei Aluminium sehr unterschiedliche Möglichkeiten. Diese betreffen die Konzeptbausteine Bauart (Konstruktion), Legierung, Gießverfahren und Zylinderlauffläche, wobei mannigfaltige Unverträglichkeiten zu beachten sind. Der übergeordnete Aspekt ist daher die Kompatibilität der Konzeptbausteine. Selbst wenn die übrigen Konzeptbausteine unter einen Hut zu bringen sind, fehlt im allgemeinen noch eine funktionsfähige Zylinderlauffläche. Die Verwendung von Zylinderlaufbuchsen zur Lösung dieses Problems ist daher nahe liegend. Diese schaffen andererseits heterogene Verhältnisse mit hinsichtlich Motorfunktion potenziell nachteiligen Eigenschaften. 6. Monolithische und quasi-monolithische Zylinderkurbelgehäuse Monolithische bzw. quasi-monolithische Verhältnisse vermeiden diese Nachteile weitgehend. Nur mit übereutektischen Legierungen (ALUSIL ) werden Gehäuse aus einem Guss erzeugt, die keiner zusätzlichen Bewehrung in den Zylinderbohrungen bedürfen. Die tribologische Eignung beruht auf der Ausscheidung sogenannten primären Siliziums, das in Form von kleinen, an der Oberfläche freizulegenden Körnern (Traggerüst für Laufpartner Kolben und Kolbenringe) vorliegt (Abb. 4). ALUSIL ist nach Stand der Technik weitgehend an den Niederdruckguss gebunden. Die KS Aluminium- Technologie nimmt in diesem Bereich eine dominante Position im europäischen Markt ein. 6.1 Beschichtete Zylinderbohrungen Quasimonolithisch ist gleichbedeutend mit in Bezug auf das Gehäuse rückwirkungsfreier Bewehrung in den Zylinderbohrungen. Beim Niederdruckguss-ZKG aus einer Standard-Legierung sind dies dünne Schichten aus einem tribolgisch geeigneten Beschichtungswerkstoff. Neben den bei Mehrzylinder-Serienmotoren nur noch selten angewandten galvanisch abgeschiedenen Nickel-Siliziumkarbid(Ni-SiC)- Dispersionsschichten sind heute die Plasma- bzw. verschiedene andere thermische Spritzschichten zu nennen. Diese befinden sich bei den Automobilherstellern im Aufwind und sind heute bereits in einzelnen Motoren im Serieneinsatz Tendenz stark steigend. Die Laufflächenbeschichtungen stellen hohe Anforderungen an die Oberflächengüte (Stichwort: Poren), die am Besten von Niederdruck-Kokillengussteilen erfüllt werden. Mit der heutigen Druckgusstechnologie wird allerdings mittlerweile ebenfalls eine für die Beschichtung in Großserie notwendige Oberflächenqualität prozesssicher eingestellt. 4

5 7. Das KS Aluminium-Technologie-Motto: Konzeptdefinition von innen nach außen Beim Wettbewerb der Konzepte steht die Motorfunktion (geringer Zylinderverzug, minimaler Ölverbrauch, geringer Zylinderverschleiß usw.) neben niedrigen Herstellkosten im Vordergrund. Eigene technische Lösungsansätze der KS Aluminium-Technologie grenzen sich gegenüber vielen Wettbewerbslösungen dadurch entscheidend ab, dass sie sich eng an der Motorfunktion orientieren. Dies resultiert aus dem Anspruch, dem Kunden nicht nur mit breit angelegter gießtechnischer Erfahrung zur Verfügung zu stehen, sondern ganzheitliche Problemlösungen anzubieten und dabei die motorische Kompetenz einzubringen. Der neuralgische Punkt für die Motorfunktion ist und bleibt die Zylinderlauffläche. Die KS Aluminium-Technologie definiert daher Motorblock-Konzepte von innen nach außen und nicht umgekehrt. Für eine optimale Motorfunktion ist eine möglichst homogene Lösung grundsätzlich von Vorteil. Dies impliziert Aluminium-Zylinderlaufflächen, idealerweise auf der Basis eines monolithischen Gehäuses (Abb. 5). Monolithische bzw. quasi-monolithische ZKG zeichnen sich im Vergleich mit heterogenen, z. B. mit eingegossenen Buchsen aus Grauguss, wie folgt aus: Geringerer thermischer Zylinderverzug Die hervorragenden Wärmeleiteigenschaften verringern die thermische Unrundheit (Temperaturunterschiede = unterschiedliche thermische Ausdehnung entlang des Zylinderumfangs). Geringerer (Langzeit-)Zylinderverzug Es gibt: keine Spalte zwischen Buchse und Umguss mit örtlich differierendem Wärmefluss. keine den Zylinderverzug zwangsläufig begünstigenden Effekte, verursacht durch Unrundheit bzw. ungenaue Positionierung eingegossener Buchsen (Toleranzprobleme): Durch Schwindung/Aufschrumpfen des Aluminium-Umgusses verformte, exzentrische gebohrte Buchsen im mechanischen Verbund mit einem anderen Werkstoff (mit größerem Elastizitäts-Modul und kleinerem Wärmeausdehnungskoeffizienten). keine schwierig beherrschbaren Eigenspannungssituationen (Zielkonflikt zwischen Volumenstabilisierung, Wärmebehandlung und Buchsenfestsitz bei Motorbetriebstemperatur; Abbau von Eigenspannungen durch Wärmebehandlung usw.). Geringere Masse Bei einem V8-ZKG in üblicher Baugröße macht dies z. B. immerhin einen Unterschied von 3,5 bis 4,5 kg aus. Kompakteste Auslegung Es lassen sich schmale Stege zwischen den Zylindern mit Minimalabmessungen darstellen (bis zu min. 4 mm). Hervorragende Wärmeleiteigenschaften von Aluminium sind voll nutzbar Dies bedeutet eine thermische Entlastung bzw. Reduzierung der Wassermanteltiefe (des Kühlmittelvolumens im ZKG) und der Kühlmittelfördermenge (reduzierte Kühlungsmaßnahmen erwärmen den Motor rascher und erhöhen die Zylinderwandtemperatur in der Aufwärmphase). So lässt sich eine insgesamt positive Auswirkung auf die HC-Kaltstart Emission erzielen. Abb.5: Unbewehrte ALUSIL -Zylinderlaufläche 5

6 Ein ALUSIL -ZKG bietet darüber hinaus weitere Vorteile: Höhere, insbesondere dynamische Werkstoff-Festigkeit mit deutlich geringerer Kriechneigung: Sicherere Verschraubung (kleinere Setzbeträge) und um ca. 12 % höheren Elastizitäts-Modul im Vergleich mit Standard-Legierungen: Etwas geringere Bauteilverformung, tendenziell günstigeres Geräuschverhalten ( NVH ) infolge höherer Bauteilsteifigkeit. Kleinere Spiele Kolbeneinbau/Kolbenlaufspiel (ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf der Kolben- und Zylinderseite): geringeres Kolbengeräusch. Kurbelwellenwarmspiel (um ca. 15 % kleinerer Wärmeausdehnungskoeffizient im Vergleich mit Standard- Legierungen): Geringere Geräuschanregung, geringere Hauptlagerspaltverluste. Äquivalent verschleißfeste, sehr wenig fressempfindliche und mit allen bekannten Kraftstoffen kompatible Zylinderlauffläche mit vergleichsweise geringer Rauheit: Feine Ölfilmverteilung (optimiert für niedrigen Ölverbrauch und günstige HC-Emission), reduzierte Reibung und weniger Kolbenringverschleiß. Keinerlei Recyclingprobleme mangels eingegossener Fremdkörper, die den Eisengehalt der Schmelze erhöhen und die Metallqualität verschlechtern. In der Technik gehen bekanntlich auch gute Lösungen stets mit Kompromissen einher. Bei ALUSIL verhält es sich nicht anders. Da ist zunächst die Notwendigkeit einer Beschichtung des Kolbenschafts zu nennen nach Stand der Technik eine dünne Eisenschicht, neuerdings auch alternative Schichten auf Kunststoffbasis mit Einlagerungsstoffen. Dann werden gelegentlich immer wieder alte Vorurteile strapaziert, wie die Gefahr mangelhafter Siliziumverteilung durch Vorausscheidung, die schlechtere Bearbeitbarkeit der übereutektischen Legierung sowie die nasschemische Freilegung (Ätzen) der Siliziumkörner nach dem Honen. Diese sind heute kaum mehr stichhaltig. Nach Jahrzehnten Produktionserfahrung kann der Gießprozess in sehr engen Grenzen gefahren werden, und die mechanische Bearbeitung wird zufriedenstellend beherrscht (Taktzeit, Werkzeugverschleiß). Abb. 6: Niederdruckguss-Zylinderkurbelgehäuse und Bedplate des Audi V6 aus der ALUSIL -Legierung 6

7 Vorausgesetzt, die richtigen Schneidmittel (z. B. PKD) in Verbindung mit angepassten Bearbeitungsparametern kommen zur Anwendung. Hinzu kommt, dass die Chemie längst durch einen mechanischen Bearbeitungsschritt (3. Honstufe) ersetzt werden kann. Insgesamt zählen letztlich bei gegebener technologischer Funktionalität nur die Systemkosten. Hier schneidet ALUSIL auf jeden Fall sehr günstig ab. 8. Ausgeführte Beispiele Das ALUSIL -Konzept in Verbindung mit den qualitativen Vorteilen des Niederdruck-Kokillengießverfahrens nimmt daher auch weiterhin eine Spitzenstellung ein. Dies belegen die Produkte namhafter Hersteller, die dieses Konzept in der laufenden Serie anwenden und/oder für ihre zukünftigen Produkte eine entsprechende Entscheidung getroffen haben (Abb. 6 und 7). Der Niederdruck Kokillenguss in Verbindung mit Standard- Legierungen ist darüber hinaus eine sichere Basis für die Beschichtung von Zylinderbohrungen. Hersteller, die entsprechende Technologien favorisieren, seien es herkömmliche oder zukünftige, schätzen die qualitativen Vorzüge dieses Gießverfahrens. In jüngerer Zeit gewinnt das Niederdruckgießverfahren wegen seiner Möglichkeit, das Festigkeitspotenzial des Werkstoffs durch eine Warmaushärtung voll auszureizen, bei der Entwicklung immer höher beanspruchter Pkw-Dieselmotoren weiter an Bedeutung. Hierbei werden durch das Eingießen von Sandkernen weitere Funktionen in das Bauteil integriert (wie z. B. das häufig gewünschte steife Closed-deck) sowie durch die Darstellung von Hinterschnitten ein zusätzliches Leichtbaupotenzial generiert. Die KS Aluminium-Technologie fertigt heute folgende im Niederdruck-Kokillenguss gegossene ZKG in Serie: Audi V6, ALUSIL (verschiedene Varianten) Audi V8, ALUSIL (verschiedene Varianten) Audi V10, ALUSIL BMW / Rolls Royce V12, ALUSIL Lamborghini V10, ALUSIL Aston Martin V8, untereutektische Sekundärlegierung mit eingeschrumpfter Graugussbuchse Porsche Boxer 6, ALUSIL (verschiedene Varianten) Porsche V6, ALUSIL Porsche V8, ALUSIL VW / Audi / Bentley W12, ALUSIL. Abb. 7: Niederdruckguss-Zylinderkurbelgehäuse des BMW-V12 aus der ALUSIL -Legierung 7

8 KS Aluminium-Technologie GmbH Hafenstraße Neckarsulm Tel Fax Änderungen vorbehalten. Gedruckt in Deutschland. A IX k