Suchen

Werkstoffe Gezündet

| Redakteur: Josef-Martin Kraus

Hochlegierte Stähle erhöhen die Leistungsfähigkeit von Motoren und Abgassystemen im Fahrzeugbau.

Firmen zum Thema

( Archiv: Vogel Business Media )

Schwerpunkt der Motorenentwicklung für Automobile ist einerseits die Verbesserung der Treibstoffverbrennung, zum Beispiel mittels Direkteinspritzung. Andererseits will man höhere Antriebsleistungen mit kleineren und leichteren Motoren erreichen. Beides bewirkt, dass sich die Abgastemperatur in der Spitze von 900 auf weit über 1000 °C Grad erhöht und die Motordrehzahl im Maximum sich von derzeit rund 6000 in Richtung 8000 min-1 bewegt. Diese Entwicklung stellt an die in Motoren und Abgassystemen verwendeten Werkstoffe erhöhte Anforderungen hinsichtlich der Warmfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Der Werkstoffspezialist Thyssen-Krupp VDM, Werdohl, hat daher die Palette an hochlegierten Stählen verbreitert.So wird für Abgassysteme eine stark steigende Nachfrage nach hochwarmfesten und korrosionsbeständigen Stählen registriert. Das ist insbesondere für Anwendungen in der Automobil-Oberklasse der Fall. Dort stellt man bei Krümmern und Faltenbälgen aufgrund der höheren Abgastemperaturen einen Rückgang bei korrosions-, säure und hitzebeständigen Edelstählen fest, aus denen noch üblicherweise die Teile bestehen. Ein Beispiel dafür ist die extrem dünne Katalysatorfolie aus der Eisen-Chrom-Aluminiumlegierung Aluchrom YHF von Thyssen-Krupp VDM. Die Folie hat sich – so heißt es – zur Standardlösung in allen Automobilklassen entwickelt, weil sie die Aufwärmzeit von Metallkatalysatoren verkürzt und somit den Wirkungsgrad erhöht. Auch für Rußpartikelfilter in Dieselfahrzeugen liefert der Werkstoffspezialist eine Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung (Aluchrom HF). Diese Filter sind vor kurzem im Nutzfahrzeugbau in Serie gegangen. Als Metallvlies mit außenliegender gelochter Folie bildet die Legierung den so genannten PM-Katalysator, der laut Thyssen-Krupp VDM 60% der Rußpartikel beseitigt, ohne den Treibstoffverbrauch zu erhöhen. Die Löcher in der Folie verwirbeln den Abgasstrom und lenken diesen so durch das Metallvlies, dass auf dessen großer Oberfläche die Rußpartikel hängen bleiben. Die chemische Zusammensetzung der Legierung ist für die Zersetzung der Partikel in Kohlendioxid und Stickstoff verantwortlich. Die jüngste Entwicklung aus hochlegierten Stählen des Spezialisten basiert auf Metallbändern aus der Nickelbasislegierung Nicrofer 6023 H. Daraus werden Hohlventile mit Innenkühlung hergestellt. In diesem Jahr sollen sie in Serienfertigung gehen und in der Anwendung bislang geschmierte Ventile ersetzen. Bei einer Motordrehzahl von 3500 min-1 öffnen und schließen die Ventile 30mal in der Sekunde und halten dabei Abgastemperaturen von über 1000 °C stand. Die Innenkühlung wird über einen mit Kühlmedium gefüllten Hohlraum im Ventilschaft erzeugt. Das Kühlmedium – Erdalkalimetalle – oszilliert in der Bohrung zwischen Ventilteller und Schaftende. Ein Vorteil der aus Metallband hergestellten Ventile wird darin gesehen, dass die Kühlflüssigkeit besser in den flachen Teller eindringen kann als bei einem Massivteil mit konventioneller Tieflochbohrung. Diese Hohlventile haben eine um 30 bis 50% kleinere Masse, als wenn sie konventionell geschmiedet sind. Sie lassen sich daher schneller bewegen. Diese Eigenschaft gewinnt an Bedeutung, weil sie die Entwicklung leichterer Motoren mit größerer Drehzahl und somit höherer Leistung ermöglicht. Laut Thyssen- Krupp VDM ist absehbar, dass der Trend zu höheren Drehzahlen den klassischen Schaltmechanismus mit Nockenwelle und Federn auf Dauer überfordern wird. Schnellere, elektromagnetische Ventilschaltungen seien daher erforderlich. Diese Schaltungen müssen leichte Ventile haben. Ein weiterer Vorteil dieser Ventile: Sie vermindern die im Zylinderkopf wirkenden Kräfte und damit den Verschleiß aller bewegten Teile. Thyssen-Krupp VDM wurde für diese Entwicklung mit dem Stahl-Innovationspreis ausgezeichnet. Zur Ventilherstellung liefert man unter anderem den Werkstoff Nicrofer 6023 H. Diese Nickelbasislegierung hat hohe Chrom- und Aluminiumanteile. Dadurch erhalten die Ventile die nötige Korrosionsbeständigkeit gegen aggressive Oxide und Kohlenwasserstoffe. Außerdem erhöhen sie die Temperaturbeständigkeit bis auf 1050 °C. Die Nickelbasislegierung habe die für einen mehrstufigen Umformprozess erforderliche Tiefziehfähigkeit, heißt es.Diese Ventilentwicklung wird laut Thyssen-Krupp VDM unmittelbare Auswirkungen auf die Motorleistung haben. Denselben Effekt verspricht sich der Werkstoffspezialist von Einspritzsystemen, für die er die Eisen-Nickel-Legierung Pernifer 36 zur Verfügung stellt. Das Besondere an der Legierung ist deren Wärmeausdehnung, die der von Piezokeramik angepasst wurde. So ermöglicht diese Werkstoffkombination eine gut steuerbare Einspritzöffnung in einem großen Temperaturbereich. Die Legierung, die dazu auch mit Mangan- und Kohlenstoffanteilen „angereichert“ wurde, hat den Angaben zufolge einen extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von -250 bis +250 °C. Die Neuerung dieser Einspritzsysteme besteht darin, dass während des Verbrennungsvorgangs mehrfach zusätzlich Treibstoff in den Zylinder gelangt. Weil das in Sekundenbruchteilen geschieht, ist eine besonders schnelle Schaltung erforderlich. Die mit Abstand kürzesten Schaltzeiten ermöglichen heutzutage Bauelemente aus Piezokeramik.