Massenreduzierungspotential bei Werkstoffsubstitution

Präsentation zum Thema: "Massenreduzierungspotential bei Werkstoffsubstitution"—  Präsentation transkript:

1 Massenreduzierungspotential bei Werkstoffsubstitution
4. AL-ZKG und Laufflächen 4-Zylinder 6-Zylinder 8-Zylinder 12-Zylinder Werkstoff GGL GGV Al Mg Dichte r [g/cm³] 7,25 7,0...7,7 2,7 1,8 Massenred.- potential [%] theor. real 0 10 Member of the Kolbenschmidt Pierburg Group

2 ZKG-Konzept Konzeptbausteine
4. AL-ZKG und Laufflächen AlSi-Legierungen untereutektisch (Si < 12%) eutektisch (Si = 12%) übereutektisch (Si > 12%) Konzept - Kriterien Kompatibilität Motorfunktion Hauptabmessungen Motorkenngrößen Weiterentwicklungspotential Umweltaspekte Recycling Stückzahl p.a. / Kosten Al-Gießverfahren Bauart/konstruktive Merkmale von Al-ZKG Open-deck Closed-deck Deep Skirt Block + Bedplate „Hochintegration“ Ausformbarkeit in Stahl Hinterschnitt-Konturen Gießform Sand SPM Stahl Gießverf. Schwer- X X X kraftguß Nieder- X X X druckguß Druck X guß Squeeze X Casting Zylinderlauffläche Monolithisches ZKG Buchsen Beschichtung MMC lokal Member of the Kolbenschmidt Pierburg Group

3 Zylinderlaufflächen-Technologien
4. AL-ZKG und Laufflächen Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse monolithisch heterogen quasi-monolithisch übereutektische Al-Si-Legierung (ALUSIL®) beschichtete Zylinderbohrungen Buchsen nass trocken einge- gossen schrumpft slip-fit galvanisch Ni-SiC Dispersion PVD-Dünnschicht TiAlN, TiN thermisches Spritzen lokales Werkstoff- Engineering Laserlegieren mit Silizium AL-Matrix- Verbundwerkstoff (LOKASIL®) ALUSIL AlSi/PM Grauguss Ni-SiC- Dispersion Rauguss beschichtet Member of the Kolbenschmidt Pierburg Group

4 Im Druckguß eingegossene GG-Buchsen
4. AL-ZKG und Laufflächen Eingegossene Graugußbuchse (Standard-Ausführung) Verklammerung Raugußbuchse mit Aluminium-Umguß Member of the Kolbenschmidt Pierburg Group

5 LOKASIL®-Konzept Schnitt durch Lokasillauffläche
4. AL-ZKG und Laufflächen Schnitt durch Lokasillauffläche Gefügebild einer Lokasillauffläche Member of the Kolbenschmidt Pierburg Group

6 Zylinderbohrung mit Plasma-Beschichtung
4. AL-ZKG und Laufflächen Laufschicht Eisenbasis Mischhärte 500 HV % Porosität Grundwerkstoff AlSi9Cu3 porenarm (ND-Guss) Member of the Kolbenschmidt Pierburg Group

7 ALUSIL®-Konzept (Legierung AlSi17Cu4Mg)
4. AL-ZKG und Laufflächen Gefüge mit ca vol% primär ausgeschiedenem Silizium (Korngröße (70) µm) Member of the Kolbenschmidt Pierburg Group

8 ALUSIL®-Gefüge (unterschiedliche Vergrößerung)
4. AL-ZKG und Laufflächen Member of the Kolbenschmidt Pierburg Group

9 Niederdruck-Kokillenguß
4. AL-ZKG und Laufflächen Keine Legierungs-Einschränkungen Vollständig wärmebehandelbare ZKG ALUSIL® nach Stand der Technik an Nieder- druck-Kokillenguß gebunden Einsatz von Sandkernen möglich (Closed- deck) Member of the Kolbenschmidt Pierburg Group

10 Bewertung Aluminium-Gießverfahren
4. AL-ZKG und Laufflächen Druckguß (0/-) kostengünstiges Massenfer- tigungsverfahren (R3-/R4-Mot.) dünnwandig, Versteifung durch aufwendige Rippenstrukturen sehr schnelle Erstarrung („Skin“-Effekt) aber Beschränkung auf Open-deck- Bauweise1) prinzipbedingte Gasporosität: bedingt stabilisierbar keine Festigkeitssteigerung größerer Langzeit-Zylinder- verzug 1) Einsatz druckgußfester Kerne absolute Ausnahme Sandguß (+) weitgehende Konstruktions- freiheit einfachere Integration zusätz- licher Funktionsmerkmale Vermeidung von Materialan- häufungen aber viele komplex gestaltete Sandkerne: Toleranzproblematik Kosten / Investitionen begrenzte Möglichkeiten der Beeinflussung der Erstarrung Feinkörnigkeit (kleinerer DAS) erfordert eingeformte Kühleisen Umwälzung großer Sand- mengen (Recycling) Kokillenguß (+) wirtschaftlich bei Minimum an Sandkernen (idealerweise nur WaMa/Closed-deck) aktive Beeinflussung der Er- starrung: gezielte Kühlung Niederdruck-Kokillenguß gerichtete Erstarrung geringe Porosität (beschich- tungsfähig) aber längere Erstarrungszeit weniger Rippen, gröber, mas- siver, diagonal/vertikal keine optimalen DAS-Werte bei Anschnitt im Lagerstuhl- bereich (Alternative: „Seiten- anschnitt“) Member of the Kolbenschmidt Pierburg Group

11 Vor- und Nachteile des ALUSIL®-Konzepts
4. AL-ZKG und Laufflächen Bauteil aus einem Guß Zylinderlaufflächen inklusive Geringeres Gewicht, keine schweren GG-Buchsen Kompaktes Design minimale Stegbreite zwischen den Zylindern  min. Zylinderabstand (Motorbaulänge) Bessere Wärmeleitung / thermische Entlastung Keine Spaltbildung zwischen Buchse und Umguß Hohe spezifische Leistung / geringer Motorkühlungsaufwand Schnellere Motorerwärmung (günstiger auf Kaltstartemissionen) Geringerer Zylinderverzug (thermischer u. Langzeitverzug) Keine lokale Spaltbildung Geringe Eigenspannungsproblematik Kein Bimetall-Effekt Keine Wanddickentoleranzprobleme (Buchsen) Günstige Auswirkung auf Ölverbrauch / Blow-by Member of the Kolbenschmidt Pierburg Group

12 Vor- und Nachteile des ALUSIL®-Konzepts
4. AL-ZKG und Laufflächen Optimale Zylinderlauffläche Keine zusätzliche Zylinderbewehrung (Grauguß) Äquivalente Verschleißfestigkeit Hohe Freßsicherheit, geringe Reibung Optimiertes Zylinderlaufflächen-Finish Reduzierter Kolbenringverschleiß Günstige Auswirkung auf Ölverbrauch und Blow-by (HC-Emission) Günstige akustische Eigenschaften Höherer Elastizitäts-Modul (höhere Steifigkeit) Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich wie beim Kolben reduziertes Kolbenspiel, kleiner als bei Standard-Legierung kleineres Hauptlagerspiel Problemloses Recycling Kein Qualitätsverlust durch Eisen-Aufnahme der Schmelze (Legierung) Member of the Kolbenschmidt Pierburg Group

13 Vor- und Nachteile des ALUSIL®-Konzepts
4. AL-ZKG und Laufflächen Nachteile gegenüber Standard-Legierung / eingegossene Buchsen Bestimmte Legierungseigenschaften: Spröder Werkstoff (Grauguß ebenso) Schwieriger zu vergießen (Know-how) Etwas höhere Legierungskosten als Basis-Legierung AlSi9Cu3 (Sekundärlegierung 226) Etwas höhere Bearbeitungskosten (PKD-Schneidwerkstoffe, beschichtete Gewindebohrer) Kolbenschaftbeschichtung erforderlich Gesamtbewertung des ALUSIL® Konzepts: Hervorragende technische Performance Gewichtsersparnis Funktionstechnische Vorteile hohe Integrationsdichte Wettbewerbsfähiges Konzept ab V6-ZKG Member of the Kolbenschmidt Pierburg Group