Entwicklung Werkstoff und Einführung in den Serienprozess

GIESSEREI RUNDSCHAU 60 (2013) HEFT 11/12
P ≈ V.n.p (1)
In Verbindung mit einer Wirkungsgraderhöhung steigt die
maximale Abgastemperatur auf bis zu 1050 °C an. Dadurch
werden besondere werkstofftechnische Anforderungen
hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit an das
Turbinengehäuse gestellt [1].
Ein Teil der im Abgasstrom enthaltenen Energie wird
über die Turbine des Abgasturboladers in mechanische
Energie gewandelt, die zur Ansaugung und Verdichtung
von Umgebungsluft im Verdichtergehäuse genutzt wird.
Die gekühlte Luft wird wiederum dem Brennraum zugeführt.
Der Ladedruck wird mittels Wastegate gesteuert.
Dieser Bypass verhindert ein Überdrehen des Laders bei
Höchstlast durch Öffnen der Wastegate-Klappe (Abb. 1).
Beim Mercedes-Benz Vierzylinder-Ottomotor M271evo
(150 kW Leistung, 310 Nm Drehmoment bei einer Drehzahl
von 2000 1/min) wird serienmäßig das Turbinengehäuse
des Turboladers als Stahlgussteil gefertigt. Es ist
über einen luftspaltisolierten Blechkrümmer mit dem
Motor verbunden [2] (Abb. 2).
Abb. 2: Turbolader-Turbinengehäuse am Ottomotor M271evo.
Als Werkstoff für dieses Gehäuse dient die im Einsatz
erprobte, hitzebeständige und hochlegierte Stahlgusslegierung
DIN1.4849 (GX40NiCrSiNb38-19). Deren Nickelgehalt
liegt zwischen 36 und 38 %**). Dies gewährleistet
ein im gesamten Temperaturbereich vollaustenitisches
Grundgefüge.
Nickelpreis in Euro/t
50 000
40 000
30 000
20 000
10 000
0
März 2007
März 2009
Abb. 4: Volatilität der Nickelkosten, nach [3].
März 2011 März 2013
Abb. 3 stellt das Korngefüge und den dendritischen
Aufbau mit den zwischendendritischen Chrom- und
Niob-Mischkarbiden dar, sowohl unter dem Lichtmikroskop
(Abb. 3a), unter dem Rasterelektronenmikroskop
(REM) (Abb. 3b) und durch energiedispersive Röntgenspektroskopie
(EDX) (Abb. 3c). Die Elementanalyse zeigt
Tabelle 1.
Insbesondere die Verteilung der Chrom- und Niobkarbide
bestimmt das Verhalten des Werkstoffes.
Aufgrund des hohen Einkaufspreises und der starken
Volatilität von Nickel (zwischen ca. 7und 40 Euro/kg Ni
seit 2007, Abb. 4) entstand die Aufgabe, einen alternativen
Werkstoff mit deutlich reduziertem Nickelgehalt zu
entwickeln und hinsichtlich eines möglichen Serieneinsatzes
zu erproben. Dabei stehen die grundlegenden
Werkstoffkennwerte, die Gieß- und Bearbeitbarkeit der
Bauteile und deren Einsatz-Performance im Fokus. Als
direkter Bezug dazu gilt jeweils das Verhalten des Serienwerkstoffes
DIN1.4849.
Während die Entwicklungsarbeit hauptsächlich das
Turbinengehäuse des M271evo betrifft, werden auch Turbinengehäuse
weiterer Baureihen hinsichtlich deren Eignung
betrachtet.
Überblick
Bezüglich des Serienwerkstoffes ist einerseits die Untersuchung
der für das Einsatzgebiet notwendigen Eigenschaften,
andererseits sind die einzelnen Schritte des Serien-Herstellungsprozesses
von Interesse. Der Serien-Herstellungsprozessgliedert
sichinden Schmelzprozess, die
Herstellung der Kernpakete, den Gießprozess, die Bear-
a
b
c
Abb. 3: Werkstoff DIN1.4849: a) Lichtmikroskopaufnahme, b) REM-Aufnahme, c) EDX-Aufnahme.
**) Sofern nicht anders erwähnt, handelt essich bei den prozentualen Angaben zur Zusammensetzung um Massenanteile.
336