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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Aluminiumgusslegierungen für Hochleistungskolben

Die Automobilindustrie entwickelt im Zuge des „Downsizing“ immer effizientere Motoren mit immer höheren Leistungsdichten. Zwangsläufig steigen damit auch die Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe.

Separat abgegossene Aluminiumdruckgussprobe im TMF/HCF-PrüfstandSeparat abgegossene Aluminiumdruckgussprobe im TMF/HCF-Prüfstand

Die in modernen Dieselmotoren eingesetzten Aluminiumkolben werden zurzeit bei maximalen Verbrennungsdrücken von 180bar und maximalen Temperaturen von 400°C betrieben. Das ist mit 0,9 bereits die höchste technisch eingesetzte homologe Temperatur (Thomolog= 0,9 ≡90% Ts) überhaupt.

Im Rahmen eines BMBF geförderten WING Projekts werden neue Aluminiumguss-Kolbenlegierungen für zwei in diesem Anwendungsbereich neue Gießverfahren entwickelt. Der Niederdruck-Kokillenguss bzw. der Druckguss bieten mit einem gleichmäßigeren Schmelzfluss bzw. einer wesentlich höheren Erstarrungsgeschwindigkeit jeweils Vorteile gegenüber dem heutzutage in der Serienfertigung eingesetzten Schwerkraft-Kokillenguss, die zusammen mit einer gezielten Legierungsentwicklung eine weitere Steigerung der möglichen Betriebsparameter auf Verbrennungsdrücke von 200bar Temperaturen bis 440°C (Thomolog= 0,95) erwarten lassen.

Temperatur- (rot) und Dehnungsverlauf (blau) im TMF/HCF-VersuchTemperatur- (rot) und Dehnungsverlauf (blau) im TMF/HCF-Versuch

Gießfehler als Rissausgangspunkt  bei einem TMF/HCF-VersuchGießfehler als Rissausgangspunkt bei einem TMF/HCF-Versuch

Die Forschungsarbeiten der Abteilung Werkstoffmechanik des IEK-2 umfassen die Charakterisierung der Gefüge mittels LM, REM und TEM sowie Versuche zur thermomechanischen Ermüdung (TMF) mit und ohne überlagerte hochfrequente Ermüdungsbelastung (HCF). In den Ermüdungsversuchen wurden wegen der unterschiedlichen Herstellungsverfahren zwei verschiedene Probengeometrien eingesetzt. Die dünneren Proben haben mit nur 4,5 mm einen sehr kleinen Querschnitt in der Messlänge. Um ein Biegen oder Knicken der Proben zu vermeiden, wurde eine spezielle Glashalterung entwickelt, welche den Anpressdruck des Dehnungsmessaufnehmers minimiert. Die TMF-Basisversuche werden mit einer Minimaltemperatur von Tmin=200°C und einer Maximaltemperatur von Tmax=440°C mit einer Haltezeit bei Tmax von th=60s gefahren. Die Dehnungsbehinderung liegt bei 50% der thermischen Dehnung (εa,t me = 50% Δεtherm). Die überlagerte HCF-Beanspruchung mit unterschiedlichen Amplituden (εa,t HCF= 0.03-0.05% εmech) wird mit einer Frequenz von fHCF=10Hz beaufschlagt. Durch dieses Testverfahren werden die thermisch induzierten Belastungen auf der Brennraumseite des Kolbens im Start-Stopp Betrieb des Motors und gleichzeitig die überlagerten Ermüdungsbeanspruchungen durch Zünddruck und Massenkräfte nachgestellt. Aus der Lebensdauer, der Wechselverformungskurve, dem Schadensbild der Bruchfläche und metallographischen Schliffen können Rückschlüsse über die Versagensmechanismen gezogen und damit wesentliche Beiträge zur Legierungs- und Prozessentwicklung geleistet werden.


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