Werkstoffe Luftdusche

HISAQ-Abschreckung nach Warmbehandlung minimiert Eigenspannung und Verzug von Aluminiumteilen. Werkstofflicher Leichtbau mit Aluminium trägt bei modernen Automobilen dazu bei, Kraftstoffverbrauch...

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Werkstofflicher Leichtbau mit Aluminium trägt bei modernen Automobilen dazu bei, Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu senken. Gleichzeitig verbessert ein möglichst geringes Gewicht die Agilität und mithin den Fahrkomfort. Doch Aluminium ist nicht gleich Aluminium. Bereits während den üblichen Verarbeitungsprozessen Schmelzen, Gießen, Walzen oder Strangpressen wird tief in das Werkstoffgefüge eingegriffen. Eine anschließende Warmbehandlung der Bauteile sowie ein nachgeschaltetes Abschrecken ermöglichen gezielt auf die mechanischen Kenn- und Festigkeitswerte einzuwirken. Zu den Spezialisten für Warmbehandlung und mechanische Nachbearbeitung von Aluminiumwerkstücken zählt die Alutec-Belte AG, Delbrück, die 1998 gegründet wurde und heute ein wichtiger Entwicklungspartner der Automobilindustrie ist. Ergebnis der Luftabschreckung ist gleichmäßige AbkühlungAuch andere Branchen setzen auf das Know-how des Unternehmens. Sie fertigen zum Beispiel Teile für den Turbinenbau und Verbindungselemente für Gebäudeisolierungen. In der Regel steht dabei die Substitution des Werkstoffs Stahl durch das Leichtmetall Aluminium im Vordergrund ] und somit die Wärmebehandlung der Serienteile. Das erfordert eine kontinuierliche Weiterentwicklung von Warmbehandlungs- und Abschreckprozessen. So wurde von Alutec-Belte 2003 ein Patent für eine innovative Hochgeschwindigkeits-Luftabschreckung (High Speed Air Quenching, HISAQ) angemeldet, das derzeit vor allem im Motorenbau für Aufsehen sorgt. Grund: Anders als beim Abschrecken der Bauteile nach dem Lösungsglühen mit Wasser kommt es bei der Luftabschreckung zu einer sehr gleichmäßigen Abkühlung und einem nur minimalen Verzug der Bauteile. Gleichzeitig werden auch die Eigenspannungen in den Werkstücken deutlich reduziert. Das kommt den aktuellen Trends im Motorenbau entgegen. So hat Aluminium bei Motorblöcken inzwischen einen Marktanteil von rund 50%. Selbst hoch aufgeladene Dieselmotoren können durch Werkstoff- und Verfahrensinnovationen heute aus Aluminium gefertigt werden. Doch der Teufel steckt ] wie immer ] im Detail. Denn mit ihren stetig steigenden Zünd- und Einspritzdrücken stellen moderne Otto- und Dieselmotoren hohe Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe.So stieg allein bei Ottomotoren innerhalb der letzten zehn Jahre die mechanische Belastung der Pleuelbuchsen um gut die Hälfte und die der Kurbelwellenlager um ein Viertel. Bei Dieselmotoren betrug der Belastungsanstieg im gleichen Zeitraum bei den Kurbelwellen ein Drittel und bei den Pleuelbuchsen annähernd 60%. Gleichzeitig erhöhten sich die Anforderungen an die Zugfestigkeit, die Bruchdehnung und die Streckgrenze der gegossenen Kurbelwellengehäuse und Zylinderköpfe. Um diese Parameter an die gestiegenen Lasten anzupassen, kommt bei ersten Motorenkomponenten bereits das HISAQ-Verfahren zur Anwendung. Dazu ein Beispiel: Dieselmotoren aus Aluminium und mit 2 l Hubraum konnten vor wenigen Jahren - nach einer entsprechenden Wärmebehandlung und Wasserabschreckung - bis zu einer maximalen Leistung von 100 PS (74 kW) ausgelegt werden. Durch Substitution des Abschreckmediums Wasser mit einer HISAQ-Luftdusche wurde die Eigenspannung des Zylinderkopfs so stark verringert, dass heute die Leistungswerte des Motors im Serieneinsatz bis zu 163 PS (121 kW) beträgt, ohne wesentliche konstruktive Veränderungen. Auf Prüfständen erreichten wärmebehandelte und mit HISAQ abgeschreckte 2-l-Dieselmotoren aus Aluminium sogar schon 280 PS (208 kW). Wird das HISQ-Verfahren nicht zur Steigerung der Motorleistung genutzt, kann es zum „Downgrading“ der Motorenkomponenten beitragen. Das heißt: Um eine Leistung von 160 PS (121 kW) zu erzielen, ist nach der Warmbehandlung und HISAQ-Abschreckung nur noch ein Hubraum von 1,4 l erforderlich. Dies wiederum senkt das Motorengewicht, den Kraftstoffverbrauch und überdies die Steuerlast für die Endverbraucher.Außer für Motoren kommt das HISAQ-Verfahren bei Alutec-Belte auch für Strukturbauteile von Aluminiumkarosserien zur Anwendung. Aufgrund des Verfahrens lassen sich die Wandstärken reduzieren und die Crash-Eigenschaften der Bauteile definiert „einstellen“. Eine weitere Verfahrensanwendung gibt es bei Leichtmetallrädern, die aufgrund der Hochgeschwindigkeits-Luftabschreckung deutlich filigraner ausgeführt werden können als bei herkömmlichen Abschreckverfahren. So lassen sich zum Beispiel bei Fahrzeugrädern mit 17/18-Zoll Größe bis zu einem Drittel der Masse einsparen. Das reduziert die Werkstoffkosten, ermöglicht neue Designvarianten und verringert ] nicht zuletzt ] die ungefederte Masse des Fahrzeugs.Die bei Alutec-Belte für das HISAQ-Verfahren konstruierte und gebaute Luftdusche besteht aus einem 1 m × 1,5 m großen, nach oben offenen Raum, dessen Boden und Seitenwände zahlreiche Ausströmdüsen mit verschiedenen Radien enthalten. Die Luftdusche selbst ist in vier einzeln steuerbare Zonen aufgeteilt. Vier Hochleistungsgebläse erlauben eine nach Menge, Bewegung und Abkühlzeit geregelte Luftzuführung. In Abhängigkeit von der Geometrie und dem Volumen der Werkstücke sowie der eingesetzten Aluminiumlegierung ist es möglich, pro Zone 1000 bis 40 000 m3 Luft in der Stunde einzublasen. Bruchdehnung profitiert vom flachen TemperaturverlaufAuch die Strömungsrichtung der Kühlluft lässt sich variieren. So kommen beispielsweise bei Zylinderköpfen die unteren und seitlichen Ausströmdüsen zum Einsatz. Strukturbauteile hingegen werden überwiegend durch seitliche Luftströme abgeschreckt. Weil Luft im Vergleich zu Wasser eine deutlich niedrigere Abschreckwirkung hat, liegt das eigentliche Erfolgsgeheimnis des HISAQ-Verfahrens darin, mit sehr hohen Luftmengen und Strömungsgeschwindigkeiten zu arbeiten, die bis zu 70 m/s betragen. Das entspricht 252 km/h.Der Vorteil von HISAQ liegt darin, dass der Temperaturverlauf in den Werkstücken deutlich flacher und mithin schonender ausfällt als beim Abschrecken mit Wasser oder Polymerlösungen. Ein Vergleich der mechanischen Kennwerte zeigt, dass davon vor allem die Bruchdehnung profitiert. Deutliche Verbesserungen ergeben sich aber auch bei Verzug und Ebenheit der Bauteile. So hatten im Kokillenguss gefertigte Prüfkörper aus der Legierung AlSi10Mg bei Vermessungen vor der Wärmebehandlung eine Abweichung der Ebenheit von gleichsam rund 0,7 mm. Nach der Warmbehandlung und Abschreckung unterschieden sich die auf einer Koordinatenmessmaschine ermittelten Abweichungen je nach Abschreckmedium deutlich: Bei der Wasserabschreckung ergab sich eine Abweichung in der Ebenheit von mehr als 3,5 mm. Auch bei der Polymerabschreckung lag sie mit 1,8 mm mehr als doppelt so hoch als vor der Wärmebehandlung. Anders sind die Werte beim Einsatz des HISAQ-Verfahrens: Aufgrund der werkstoffschonenden Luftdusche lag der Verzug sogar um 0,01 mm niedriger als vor der Wärmebehandlung.Die bei Alutec-Belte entwickelten Kombinationen aus Wärmebehandlung und bauteilspezifischen Abschreckverfahren haben zwischenzeitlich zu zahlreichen Aufträgen aus der Automobilindustrie geführt. Noch werden die Aufträge am Stammsitz in Delbrück abgearbeitet. Doch der Großauftrag eines süddeutschen Automobilherstellers macht bereits Erweiterungen erforderlich. Voraussichtlich Anfang des nächsten Jahres wird es deshalb zur Gründung eines ersten Zweigwerks kommen.