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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

GF Automotive WE/VE

HT-Einsatz von Eisenguss | HannoverMesse | 08.04.2014 | K. Papis 3

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

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

Verkaufsbüro

Yokohama

Kooperation

GF Automotive

Märkte & Produkte

Leichtmetall 38% Eisen: 62%

64% 29%

~ 3000 Produkte ≙ 100 000 000 Teile

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

Produkte von GF Automotive

werden aus recycelten

Rohstoffen hergestellt und

sind vollständig wieder-

verwertbar

GF Automotive

Fertigungstiefe: Alles aus einem Guss endet nicht beim Gießen

Fügetechnik

Bearbeitung Wärmebehandlung Gießen

Beschichtung Montage

GF Automotive

Entwicklungskompetenz

Material Desig

Prozess V

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

Werkstoffpalette für HT-Komponenten

Ashby Plot: Festigkeit - Temperatur

Quelle: M. Ashby, CES Selector software, grantadesign.com

Eisenwerkstoffe

(Stähle)

Gusseisen

Spezialwerkstoffe

Anwendungsgebiete

Werkstoffe für den Einsatz im motornahen Abgasstrang

rtypen

700 750 800 850 900 950 1000 1050

GJS-400-15

GJS SiMo

Hochlegierter Stahl (Guss oder Blech)

Austenitisches Gusseisen

SiMo1000®

PKW Diesel Turbomotor

Otto Saugmotor

Otto Turbomotor

Downsizing-Turbo

GJS SiMoNi

GJS SiMoNi SR/EV2

GJV SiMo

Eisenguss Stahl

SiMo1000®

SiMo1000® – Hitzebeständiger Eisengusswerkstoff EP 1 386 976 B1, in Serie seit 2008

Turboladergehäuse

Hitzebeständig bis 900°C

Kostengünstiger als Stahl-

und Schweißkonstruktionen

Abgaskrümmer

… und…?

SiMo1000® ein HT-Werkstoff

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)

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

Stellschrauben für HT-Festigkeit

800 825 850 875 900 925 950 975 1000

Messung

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

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

HT-Festigkeit SiMo1000

SiMo1000 Al5

500°C 600°C: Änderung des plastischen Verformungsmechanismus

Verfestigung keine Verfestigung

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

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

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Dehnung in %

T-stabile Karbide: Mo6C, VC +0.5% V Verdopplung Temperaturstabiler Karbide Ohne V: Mo-Karbide für Warmfestigkeit

Zugversuch bei 800°C

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

Letzte Entwicklungsschritte

Zugversuche bei 800 °C

Dehnrate 0.2 mm/min Schmelze 4

Schmelzen 1, 2

Stellschrauben für Heißgasresistenz

Einfluss des Al-Gehalts auf die Verzunderung bei 800°C

0.1% Al

0.15% Al

Vergleich 700°C und 800°C

Diffusion

Reaktion

0.1% Al

0.15% Al

Vergleich Al-Gehalt in SiMo1000

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

Stabile Oxidhaut durch Al2O3

Al ist neben Si die wichtigste Stellschraube für Oxidationsbeständigkeit

Anwendungsgebiete

Automotive

Non-Automotive

• Maschinen- und

Anlagenbau

Anwendungsbeispiele

Energie & Antrieb

Offroad

Antrieb

GF Automotive Halle 6 / Stand D44

Georg Fischer Automotive AG Halle 6 / Stand D44

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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