GF Automotive Hochtemperatureinsatz von Eisengusswerkstoffen. Dr. Konrad Papis / HannoverMesse /

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1 GF Automotive Hochtemperatureinsatz von Eisengusswerkstoffen Dr. Konrad Papis / HannoverMesse /

2 Inhaltsverzeichnis GF Automotive WE/VE Werkstoffpalette für HT-Komponenten SiMo1000 ein HT-Werkstoff Stellschrauben für HT-Festigkeit Stellschrauben für Heißgasresistenz 2

3 GF Automotive WE/VE 3

4 GF Automotive In Kürze Eine von drei starken Divisionen des Georg Fischer Konzerns Börsennotiert und seit über 200 Jahren unabhängig Entwicklung und Fertigung gegossener Komponenten aus Eisen, Aluminium und Magnesium als Rohteil oder einbaufertig 1,22 Milliarden Euro Jahresumsatz Mitarbeiter weltweit ( im Konzern) 2 Gießverfahren Sandguss Druckguss Weltweite Produktion: 9 Produktionsstandorte in Deutschland, Österreich und China. Fertigungspartnerschaft für NAFTA (Fe), Japan (Fe) und Indonesien (Fe) 2 Standorte für Forschung und Entwicklung in der Schweiz und in China 4

5 GF Automotive Standorte weltweit Kooperation Grede Eisenguss Mettmann Singen Herzogenburg Leipzig Druckguss Werdohl Altenmarkt Herzogenburg Eisenguss Kunshan Druckguss Suzhou Kooperation Riken Zentrale und F&E Schaffhausen Von GF Automotive belieferte Länder Verkaufsbüro Yokohama Seoul Produktionsstandort / Zentrale Verkaufsbüro Kooperation 5

6 GF Automotive Märkte & Produkte 64% 29% ~ 3000 Produkte Teile 6% Eisen: 62% Leichtmetall 38% 6

7 GF Automotive Leicht und nachhaltig für Umwelt und Klima Produkte von GF Automotive werden aus recycelten Rohstoffen hergestellt und sind vollständig wiederverwertbar Produkte von GF Automotive sind dank innovativer Materialien und bionischen Prinzipien kleine, leichte Kraftpakete und sorgen so für weniger CO 2 -Ausstoß 7

8 GF Automotive Fertigungstiefe: Alles aus einem Guss endet nicht beim Gießen Gießen Bearbeitung Wärmebehandlung Beschichtung Fügetechnik Montage 8

9 Validierung Design GF Automotive Entwicklungskompetenz Wegweisende Prozesse: Von der Konzeptionsphase bis zur Serienproduktion Material Virtuelle Entwicklung: Die gesamte Bauteilentwicklung von der Wahl des Materials bis zum Gießverfahren wird simuliert, validiert und kontinuierlich verbessert Prozess 9

10 Werkstoffpalette für HT-Komponenten 10

11 Ashby Plot: Festigkeit - Temperatur Eisenwerkstoffe (Stähle) Gusseisen Spezialwerkstoffe Quelle: M. Ashby, CES Selector software, grantadesign.com 11

12 Werkstoffe Abgastemperatur in C Motortypen Anwendungsgebiete Werkstoffe für den Einsatz im motornahen Abgasstrang Downsizing-Turbo Otto Turbomotor Otto Saugmotor PKW Diesel Turbomotor NFZ Eisenguss Stahl GJS GJS SiMo GJV SiMo GJS SiMoNi GJS SiMoNi SR/EV2 SiMo1000 Austenitisches Gusseisen Hochlegierter Stahl (Guss oder Blech) 12

13 SiMo1000 Hitzebeständiger Eisengusswerkstoff EP B1, in Serie seit 2008 Turboladergehäuse Abgaskrümmer und? Hitzebeständig bis 900 C Kostengünstiger als Stahlund Schweißkonstruktionen 13

14 SiMo1000 ein HT-Werkstoff 14

15 Gusseisen: Ferrit vs. Austenit Ferritisches Gusseisen niedriger CTE a hohe Wärmeleitfähigkeit l niedriger Preis Austenitisches Gusseisen niedriger E-Modul gute HT-Festigkeit R m, R p0.2 gute Kriecheigenschaften keine Phasenumwandlung Ziel: Entwicklung eines ferritischen Materials und dessen Produktionsprozess um (teures) austenitisches Material zu ersetzen. thermisch a * E* T Quelle: R. Bürgel, H. Maier, T. Niendorf. «Handbuch HT-Werkstofftechnik» 4. Auflage, Vieweg+Teubner (2011) 15

16 Stellschrauben für a-gusseisen Al, Si, Cr, Mo, V Standardlegierungen GJS SiMo(Ni,Cr): 4-5% Si, 0.5-1% Mo, 0-1% Ni, 0-1% Cr Sonderlegierung GJS SiMo1000: 3% Si, 1% Mo, 1% Ni, 3% Al Wohin geht es? +0.5% V, 5% Al, 16

17 Stellschrauben für HT-Festigkeit 17

18 Rechnung Aufwendige Experimente (150kg-Ofen) Optimierung der Zusammensetzung auf Basis dieser Legierungselemente Ziel: hohe Umwandlungstemperatur (Ac3) Bisherige Berechnung der UT (Regressionsgerade aus Experimenten): Si sehr wirksam, 1000 aber stark versprödend Al sehr wirksam, 975 führt aber zu Giessfehlern Mo sehr wirksam, 950 aber sehr teuer Ni kontraproduktiv, senkt aber die RT-Sprödigkeit Variante des SiMo Si 5,0 850 Mo 0, Al 0, Ni 0, Messung 18

19 HT-Festigkeit SiMo1000 Temp. R p0,2 [MPa] Rm [MPa] A [%] RT C C C C C C C > C >100 19

20 HT-Festigkeit SiMo1000 SiMo1000 Al5 500 C 600 C: Änderung des plastischen Verformungsmechanismus Verfestigung keine Verfestigung 20

21 Mikrostruktur Graphit wird sowohl in Kugelform als auch vermicular bzw. in kleinen Partikeln gebildet Temperaturstabile Mo-(V-)Karbide an Korngrenzen Perlitartige Matrix Entlang vieler Korngrenzen sind feine Fe/Al-Karbide perlschnurartig ausgebildet 21

22 Unterstützung der SiMo1000- Entwicklung mit JMatPro Seigerungstendenzen Vorhersage der Bildung von Karbiden Ohne V: Mo-Karbide für Warmfestigkeit +0.5% V Verdopplung Temperaturstabiler Karbide Berechnung der Ferrit-Austenit Umwandlungstemperatur C Si Mo Ni Al V UT (JMatPro) % % % % % % C

23 T-stabile Karbide: Mo6C, VC Ohne V: Mo-Karbide für Warmfestigkeit +0.5% V Verdopplung Temperaturstabiler Karbide Zugversuch bei 800 C VC Spannung in N/mm Mo 6 C Dehnung in % 23

24 Letzte Entwicklungsschritte Verglichen zum Patent von 2003: mehr Si, Al, Cr, V, Ti, Cu, sowie Co und N Si Al Co Ac3 calc. Ac3 meas. JMatPro Schmelze Schmelze Schmelze Schmelze C 935 C Schmelze Schmelze C 1005 C Schmelze 4 Schmelze C 24

25 Letzte Entwicklungsschritte Zugversuche bei 800 C Dehnrate 0.2 mm/min Schmelze 4 Schmelzen 1, 2 25

26 Stellschrauben für Heißgasresistenz 26

27 Einfluss des Al-Gehalts auf die Verzunderung bei 800 C 0% Al 0.1% Al 0.15% Al 3% Al 5% Al 27

28 Vergleich 700 C und 800 C 0% Al 0.1% Al 0.15% Al d Reaktion d c Diffusion t 28

29 Vergleich Al-Gehalt in SiMo

30 Verzunderung SiMo-Gusseisen Nach über 300 Stunden im Ofen SiMo 1000 SiMo 1000 Al5 SiMoNi SR 0.15 SiMoNi SR 0.1 SiMoNi C 800 C 900 C 1 cm Stabile Oxidhaut durch Al 2 O 3 Al ist neben Si die wichtigste Stellschraube für Oxidationsbeständigkeit 30

31 Anwendungsgebiete 31

32 Anwendungsbeispiele Energie & Antrieb Antrieb Automotive Offroad Non-Automotive Maschinen- und Anlagenbau 32

33 GF Automotive Halle 6 / Stand D44 33

34 Georg Fischer Automotive AG Halle 6 / Stand D44 34

35 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 35,