gf automotive hochtemperatureinsatz von...
TRANSCRIPT
Hochtemperatureinsatz von Eisengusswerkstoffen
GF Automotive
Dr. Konrad Papis / HannoverMesse / 08.04.2014
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Inhaltsverzeichnis
GF Automotive WE/VE
Werkstoffpalette für HT-Komponenten
SiMo1000® ein HT-Werkstoff
Stellschrauben für HT-Festigkeit
Stellschrauben für Heißgasresistenz
2
GF Automotive WE/VE
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis 3
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
GF Automotive
In Kürze
Eine von drei starken Divisionen des Georg
Fischer Konzerns
Börsennotiert und seit über 200 Jahren
unabhängig
Entwicklung und Fertigung gegossener
Komponenten aus Eisen, Aluminium und
Magnesium als Rohteil oder einbaufertig
1,22 Milliarden Euro Jahresumsatz
4 947 Mitarbeiter weltweit (14 066 im Konzern)
2 Gießverfahren
• Sandguss
• Druckguss
Weltweite Produktion:
9 Produktionsstandorte in Deutschland,
Österreich und China. Fertigungspartnerschaft
für NAFTA (Fe), Japan (Fe) und Indonesien (Fe)
2 Standorte für Forschung und Entwicklung in
der Schweiz und in China
4
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
GF Automotive
Standorte weltweit
Zentrale und F&E
Schaffhausen
Von GF Automotive
belieferte Länder
Druckguss
Werdohl
Altenmarkt
Herzogenburg
Eisenguss
Mettmann
Singen
Herzogenburg
Leipzig
Produktionsstandort /
Zentrale
Druckguss
Suzhou
Eisenguss
Kunshan
Kooperation
Grede
Kooperation
Riken
Verkaufsbüro
Verkaufsbüro
Yokohama
Seoul
Kooperation
5
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
GF Automotive
Märkte & Produkte
Leichtmetall 38% Eisen: 62%
64% 29%
~ 3000 Produkte ≙ 100 000 000 Teile
6%
6
Produkte von GF Automotive
sind dank innovativer
Materialien und bionischen
Prinzipien kleine, leichte
Kraftpakete und sorgen so
für weniger CO2-Ausstoß
GF Automotive
Leicht und nachhaltig für Umwelt und Klima
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Produkte von GF Automotive
werden aus recycelten
Rohstoffen hergestellt und
sind vollständig wieder-
verwertbar
7
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
GF Automotive
Fertigungstiefe: Alles aus einem Guss endet nicht beim Gießen
Fügetechnik
Bearbeitung Wärmebehandlung Gießen
Beschichtung Montage
8
GF Automotive
Entwicklungskompetenz
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Material Desig
n
Prozess V
alid
ieru
ng
Wegweisende Prozesse:
Von der Konzeptionsphase bis
zur Serienproduktion
Virtuelle Entwicklung:
Die gesamte Bauteil-
entwicklung von der
Wahl des Materials bis
zum Gießverfahren
wird simuliert, validiert
und kontinuierlich
verbessert
9
Werkstoffpalette für HT-Komponenten
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis 10
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Ashby Plot: Festigkeit - Temperatur
Quelle: M. Ashby, CES Selector software, grantadesign.com
Eisenwerkstoffe
(Stähle)
Gusseisen
Spezialwerkstoffe
11
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Anwendungsgebiete
Werkstoffe für den Einsatz im motornahen Abgasstrang
Moto
rtypen
W
erk
sto
ffe
700 750 800 850 900 950 1000 1050
Abga
ste
mpera
tur
in °
C
GJS-400-15
GJS SiMo
Hochlegierter Stahl (Guss oder Blech)
Austenitisches Gusseisen
SiMo1000®
NFZ
PKW Diesel Turbomotor
Otto Saugmotor
Otto Turbomotor
Downsizing-Turbo
GJS SiMoNi
GJS SiMoNi SR/EV2
GJV SiMo
Eisenguss Stahl
SiMo1000®
12
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
SiMo1000® – Hitzebeständiger Eisengusswerkstoff EP 1 386 976 B1, in Serie seit 2008
Turboladergehäuse
Hitzebeständig bis 900°C
Kostengünstiger als Stahl-
und Schweißkonstruktionen
Abgaskrümmer
… und…?
13
SiMo1000® ein HT-Werkstoff
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis 14
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Gusseisen: Ferrit vs. Austenit
Ziel: Entwicklung eines ferritischen Materials und dessen
Produktionsprozess um (teures) austenitisches Material zu ersetzen.
Ferritisches Gusseisen
niedriger CTE a
hohe Wärmeleitfähigkeit l
niedriger Preis
Austenitisches Gusseisen
niedriger E-Modul
gute HT-Festigkeit Rm, Rp0.2
gute Kriecheigenschaften
keine Phasenumwandlung
TEthermisch **a
Quelle: R. Bürgel, H. Maier, T. Niendorf. «Handbuch HT-Werkstofftechnik» 4. Auflage, Vieweg+Teubner (2011)
15
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Stellschrauben für a-Gusseisen
Standardlegierungen GJS SiMo(Ni,Cr): 4-5% Si, 0.5-1% Mo, 0-1% Ni, 0-1% Cr
Sonderlegierung GJS SiMo1000: 3% Si, 1% Mo, 1% Ni, 3% Al
Wohin geht es? +0.5% V, 5% Al, …
Al, Si, Cr, Mo, V
16
Stellschrauben für HT-Festigkeit
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis 17
800
825
850
875
900
925
950
975
1000
800 825 850 875 900 925 950 975 1000
Messung
Re
ch
nu
ng
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Aufwendige Experimente (150kg-Ofen)
Optimierung der Zusammensetzung auf Basis dieser
Legierungselemente Ziel: hohe Umwandlungstemperatur (Ac3)
Bisherige Berechnung der UT (Regressionsgerade aus Experimenten):
• Si sehr wirksam, aber stark versprödend • Al sehr wirksam, führt aber zu Giessfehlern • Mo sehr wirksam, aber sehr teuer • Ni kontraproduktiv, senkt aber die RT-Sprödigkeit
1. Variante des SiMo1000
• Si 5,0
• Mo 0,85
• Al 0,60
• Ni 0,85
18
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
HT-Festigkeit SiMo1000
Temp. Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A [%]
RT - 634 0.11
400°C 487 641 3.6
500°C 460 514 6.8
600°C 231 237 27
700°C 84 88 45
800°C 35 40 62
850°C 23 27 84
900°C 14 17 >90
950°C 11 15 >100
19
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
HT-Festigkeit SiMo1000
SiMo1000 Al5
500°C 600°C: Änderung des plastischen Verformungsmechanismus
Verfestigung keine Verfestigung
20
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Mikrostruktur
Graphit wird sowohl in Kugelform als auch vermicular bzw. in
kleinen Partikeln gebildet
Temperaturstabile Mo-(V-)Karbide an Korngrenzen
Perlitartige Matrix
Entlang vieler Korngrenzen sind feine Fe/Al-Karbide perlschnurartig
ausgebildet
21
Unterstützung der SiMo1000-Entwicklung mit JMatPro®
C Si Mo Ni Al V UT (JMatPro)
% % % % % % °C
3.39 3.00 0.81 0.93 5.29 0.27 1002
3.02 3.99 0.80 0.89 3.43 0.45 985
Seigerungstendenzen
Vorhersage der Bildung von Karbiden
Berechnung der Ferrit-Austenit Umwandlungstemperatur
+0.5% V Verdopplung Temperaturstabiler Karbide Ohne V: Mo-Karbide für Warmfestigkeit
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Dehnung in %
Sp
an
nu
ng
in
N/m
m2
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
T-stabile Karbide: Mo6C, VC +0.5% V Verdopplung Temperaturstabiler Karbide Ohne V: Mo-Karbide für Warmfestigkeit
Mo6C
VC
Zugversuch bei 800°C
23
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Letzte Entwicklungsschritte
Verglichen zum Patent von 2003: mehr Si, Al, Cr, V, Ti, Cu, sowie Co und N
Si Al Co Ac3 calc. Ac3 meas. JMatPro
Schmelze 1 5.17 0.69 1.8 931 935 947
Schmelze 2 5.17 0.42 4.0 921 945 941
Schmelze 3 5.29 1.96 1.8 988 1005 1017
Schmelze 4 5.52 2.91 1.7 1040 1058 1056
Schmelze 1 935 °C
720 °C
Schmelze 2 945 °C Schmelze 4
1058 °C
Schmelze 3 1005 °C
24
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Letzte Entwicklungsschritte
Zugversuche bei 800 °C
Dehnrate 0.2 mm/min Schmelze 4
Schmelzen 1, 2
25
Stellschrauben für Heißgasresistenz
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis 26
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Einfluss des Al-Gehalts auf die Verzunderung bei 800°C
0% Al
0.1% Al
0.15% Al
3% Al
5% Al
27
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Vergleich 700°C und 800°C
d
t
Diffusion
Reaktion
dc
0% Al
0.1% Al
0.15% Al
28
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Vergleich Al-Gehalt in SiMo1000
29
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Verzunderung SiMo-Gusseisen
SiMoNi 0.0 SiMoNi SR 0.1 SiMoNi SR 0.15 SiMo 1000 Al5 SiMo 1000
700°C
Nach über 300 Stunden im Ofen
800°C
900°C
1 cm
Stabile Oxidhaut durch Al2O3
Al ist neben Si die wichtigste Stellschraube für Oxidationsbeständigkeit
30
Anwendungsgebiete
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis 31
Automotive
Non-Automotive
• Maschinen- und
Anlagenbau
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Anwendungsbeispiele
Energie & Antrieb
Offroad
Antrieb
32
GF Automotive Halle 6 / Stand D44
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis 33
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis
Georg Fischer Automotive AG Halle 6 / Stand D44
34
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis, [email protected] 35