ANTRIEB Heißer Kandidat
ANTRIEB Heißer Kandidat Werkstoff für abgasnormkonforme Antriebs- und Motorenkonzepte bis 900 °C Zapp liefert unter anderem Präzisionsbänder, -folien und Bimetall Bild: Zapp Immer neue Abgasnormen stellen erhöhte Anforderungen an die Werkstoffe für Abgassystem und Turbo lader. Der aus der Luftfahrt - industrie kommende Werkstoff Haynes 282 alloy eignet sich im Automotive-Bereich aufgrund seiner besonderen Eigenschaften – etwa hinsichtlich der Kriechbeständigkeit – vor allem für Übergänge, Ringe, Düsen, Gehäuse und Ringdichtungen. Die Autorin: Hedieh Barkemeyer, Technical Customer Service, High Temperature Alloys, Energy and Transportation, Specialty Materials, Zapp, Ratingen Die ab dem 1. September 2015 für alle Fahrzeuge verbindliche Euro-6-Norm stellt die Fahrzeughersteller vor hohe Anforderungen: Es gilt, die Emissionen erheblich zu reduzieren und dabei Verbrauch und Leistung der Motoren zu verbessern. Der konstruktive Aufwand, um abgasnormkonforme Motoren und Antriebe zu entwerfen und zu bauen, ist immens. Die neuen Vorgaben erfordern den Einsatz von Partikelfilter, SCR-Katalysator, Ad- Blue-Tank sowie diverse Heizelemente, Sensoren, Turbinen und Verdichter, die im Fahrzeug ihren Platz finden müssen. Das stellt die Fahrzeugkonstrukteure vor große Herausforderungen: Je größer die Ansammlung von „Aggregaten“, umso größer werden auch Gewicht und Abgasgegendruck. Lösungsansätze sind beispielsweise eine bessere Entkoppelung von Motor und Abgas - anlage sowie eine optimierte Aufhängung, die Bewegungen und Verspannungen reduziert. Damit lassen sich einerseits Wanddicke und Gewicht verringern und andererseits der Durchmesser vergrößern, so dass der Gegendruck sinkt. Dieses Konzept macht den Einsatz von hochtemperaturfesten und gewichtssparenden Werkstoffen erforderlich, die Abgastemperaturen von bis zu 900 °C widerstehen können. Auf diese Weise lässt sich das durch die baulichen Maßnahmen steigende Mehrgewicht der Abgasanlagen im Vergleich zu den für die Euro-5-Norm optimierten Anlagen in Höhe von 10 % bis 15 % zumindest teilweise ausgleichen. Vorbild Luftfahrtindustrie Derart belastbare Werkstoffe wurden und werden bereits für die Luftfahrtindustrie entwickelt und eingesetzt. Aufgrund der gestiegenen Anforderungen finden sie nunmehr auch ein Anwendungsfeld in der Automobil - industrie. Ein solcher Werkstoff, der seiner Historie nach eigentlich aus dem Luftfahrt-Bereich kommt und sich als „heißer“ Kandidat 36 AutomobilKonstruktion 1/2016
für neue Motorenkonzepte anbietet, wird von Haynes International Inc. hergestellt und von der Zapp Materials Engineering GmbH in Ratingen vertrieben: Haynes 282 alloy. Dabei handelt es sich um eine ausscheidungshärtbare Nickelbasislegierung mit exzellenter Kriechbeständigkeit zwischen 816 und 930 °C für unterschiedliche Hoch - temperaturanwendungen sowohl im Luftfahrt- Bereich als auch im Automotive- und Gas - turbinen-bereich. Speziell im Automotive- Bereich bewährt sich der Werkstoff aufgrund seiner besonderen Eigenschaften vor allem bei Übergängen, Ringen, Düsen, Gehäusen und Ringdichtungen im Abgasstrang und Turbolader. Belastbarkeit und Formbarkeit Der Aushärtemechanismus, der dem Werkstoff seine besonderen Eigenschaften verleiht, basiert neben der Mischkristallverfestigung auf der Ausscheidung der γ-Phase durch Wärmebehandlung. Die γ-Phase besteht zum großen Teil aus feinen, homogenen Ni 3 (Ti, Al)- Ausscheidungen, die sich entlang der Korngrenzen bilden. Ähnlich wie in der Grund - matrix besitzt die γ-Phase eine kubischflächenzentrierte Kristallstruktur und weist daher eine niedrige Grenzflächenspannung auf, die sich in einer guten Langzeitstabilität bei hohen Temperaturen bemerkbar macht – Eigenschaften, die auch im Automobilbau sehr geschätzt werden. festigkeit (siehe Tabelle 1) und ebenso zu einer beträchtlichen Kriechfestigkeit. Ist der Anteil der γ-Phase allerdings zu groß, kann das zu Problemen bei der Verarbeitung führen, etwa zu einer spannungs- und alterungsinduzierter Rissbildung. Diese Effekte sind weder seitens der Luftfahrt- noch der Automotive-Industrie erwünscht. Niedrigere γ-Anteile wiederum ermöglichen eine verbesserte Verarbeitbarkeit. Aus diesem Grund wurde der Gesamtphasenanteil von γ-Phase in Haynes 282 alloy sorgfältig eingestellt. Der gut ausbalancierte Anteil an γ-Phase erlaubt es 282 alloy die außerordentlich gute Verarbeitbarkeit bei gleichzeitiger exzellenter Festigkeit. Damit wird die Herstellung von dünnen Blechen und sogar Band möglich. Der stärkste Faktor bei der Kontrolle dieser Phase ist der Anteil von Aluminium und Titan, wie in Tabelle 1 für verschiedene Legierungen aufgezeigt. Der gesamte Anteil an den Legierungsbestandteilen Aluminium und Titan für Haynes 282 alloy ist mengenmäßig zwischen Haynes 263 alloy (zwar gut zu verarbeiten, aber von geringerer Festigkeit) und Waspaloy und R-41 (größere Festigkeit als 263 alloy, aber wesentlich aufwändiger zu verarbeiten) angesiedelt. Haynes 282 alloy vereint in sich also eine optimale Hochtemperatur-Beständigkeit und gute Formungseigenschaften und weist damit ein wichtiges Alleinstellungsmerkmal auf. AIR BLEED Effektives Entlüften durch Kleinstblenden von Lee… Bild: Zapp …in vielen Varianten für den Einbau in Metall oder Kunststoff. Siebgeschützt. Tabelle 1: Der berechnete Gesamtphasenanteil für Al+Ti in 282 alloy lag bei 19 %, was zwischen 263 alloy mit 12 % und den Legierungen Waspaloy und R-41 mit 24 % respektive 27 % liegt Ein weiterer entscheidender Punkt für den Einsatz von Hochleistungslegierungen in Verbrennungsanlagen und anderen automobilen Anwendungsbereichen ist die Verarbeitbarkeit, also sowohl die Schweißbarkeit als auch die Umformbarkeit. Um diese Eigenschaft zu erreichen, ist das sorgfältige Ausbalancieren des Anteils der γ-Phase sehr wichtig. Ein höherer γ-Anteil führt zu positiven und folglich gewünschten Effekten wie einer hohen Zug- Zur Zusammensetzung Haynes 282 alloy besteht aus Chrom, Kobalt, Molybdän, Aluminium und Titan. Diese Legierungsbestandteile sind fein aufeinander abgestimmt, um jene Eigenschaften einzustellen, die vor allem auch die Automobilindustrie mehr und mehr zu schätzen weiß. Ein Chromgehalt von 19 bis 20 Gew.% ist wichtig für die Oxidations- und Hitzebeständigkeit der Legierung. Kobalt ist ein weiterer LEE Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH Am Limespark 2 · 65843 Sulzbach Telefon 06196 / 773 69-0 E-Mail info@lee.de www.lee.de 1/2016 AutomobilKonstruktion 37
