Leicht und langlebig

Technik Werkstoffe

Aluminium – Leichtbau ist Trumpf. Das gilt für den Maschinenbau genauso wie für den Automobilbau. Für Kolben und Zylinderblöcke von Dieselmotoren hat Federal-Mogul Powertrain jetzt eine neue leichte und sehr beständige Aluminiumlegierung entwickelt.

17. September 2015

Ein perfekt angepasster Werkstoff ist im Maschinenbau vielerorts ein probates und sehr geeignetes Mittel, die Anforderungen in einer bestimmten Applikation zu erfüllen. Manchmal zeigt aber auch ein Ausflug in andere Bereiche, welches Entwicklungspotenzial in der richtigen Werkstoffauswahl liegt und wie viel eine gezielte Forschung und Entwicklung bringen kann. In einem konkreten Beispiel brachte die richtige Werkstoffwahl wertvolle Vorteile nicht in einem elektrischen Antrieb, sondern im Motorblock eines Diesel-Verbrennungsmotors.

Die Fahrzeugtechnik ist generell ein dankbares, aber anspruchsvolles Feld für Konstrukteure. Das finden auch die Mitarbeiter von Federal-Mogul Powertrain, einem Geschäftsbereich der Federal-Mogul Holdings Corporation. Das Unternehmen entwickelt und fertigt Erstausrüsterkomponenten für den Antriebsstrang sowie Systemsicherheitsprodukte für Automobil-, Nutzfahrzeug-, Industrie- und Transportanwendungen.

Im vorliegenden Fall ging es darum, Kolben kompakter und Zylinderblöcke leichter und bauraumreduziert zu gestalten und auf diese Weise geringere CO2-Emissionen zu erreichen. Der Schlüssel dazu ist eine neue hochbelastbare Aluminiumlegierung, die Federal-Mogul Powertrain speziell für Dieselkolben entwickelt hat.

Der Werkstoff namens DuraForm-G91 weist im Vergleich zu etablierten Gusswerkstoffen, die bisher in modernen, hochbelasteten Dieselmotoren eingesetzt werden, eine drei- bis fünfmal höhere Lebensdauer auf. Die verbesserte Werkstofffestigkeit soll die gestiegenen mechanischen Belastungen unterstützen und Motoren den Betrieb bei höherer spezifischer Leistung und mit mehr Effizienz ermöglichen.

Weniger Emissionen

Die verbesserten Legierungseigenschaften des DuraForm-G91 erleichtern Kolbenkonstruktionen mit niedriger Kompressionshöhe und reduzierter Masse. Die daraus resultierende geringere Kolbenmasse und kleinere, leichtere Zylinderblöcke tragen dazu bei, die CO2-Emissionen des jeweiligen Fahrzeugs zu minimieren. »DuraForm-G91 ist ein Beispiel zukunftsweisender Technologien, die unseren Kunden hilft, neue Motorengenerationen kompakter und leichter zu gestalten und damit die CO2-Bilanz zu verbessern«, sagt Gian Maria Olivetti, Chief Technology Officer bei Federal-Mogul Powertrain. »Mit unseren Werkstoffwissenschaftlern entwickeln wir neue Designkonzepte für Aluminium- und Stahlkolben, die maßgeschneiderte Lösungen für die verschiedenen Anforderungen unserer Kunden sind.«

Die Zusammensetzung von DuraForm-G91 gewährleistet eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit speziell bei hohen Temperaturen, die gerade bei hochbelasteten Dieselkolben auftreten können. »Dank der verbesserten Morphologie der Siliziumausscheidungen und der intermetallischen Phasen entsteht eine Mikrostruktur mit einem erhöhten Widerstand gegenüber komplexen thermomechanischen Belastungen«, erklärt Dr. Frank T.H. Dörnenburg, Director of Technology, Global Pistons, Federal-Mogul Powertrain. »Dabei bleiben jedoch die erforderlichen thermophysikalischen Eigenschaften wie Ausdehnung, Dichte und Wärmeleitfähigkeit erhalten.«

Schnell zur Serienreife

DuraForm-G91 wurde mit Hilfe modernster Prüftechnik entwickelt, die die Validierungszeit bis zur Serienreife deutlich verkürzt. »Wir haben spezielle Motorläufe, die eine Lebensdauerbestimmung nach kurzen Laufzeiten ermöglichen, in Kombination mit motornahen Werkstoffcharakterisierungsmethoden eingesetzt«, erläutert Roman Morgenstern, Specialist Material Development and Characterization, Global Pistons, Federal-Mogul Powertrain.

»Die motornahe Werkstoffprüfung ermöglicht die Überlagerung von thermomechanischer Ermüdung (TMF) und mechanischen Amplituden (HCMF), die die ermüdungsrelevanten Lastbedingungen von Dieselkolben im Motor widerspiegeln.«

Langsamere Ermüdung

Sowohl im Motortest als auch in der TMF-HCMF-Prüfung zeigt DuraForm-G91 eine drei- bis fünfmal höhere Ermüdungsfestigkeit im Vergleich zu aktuellen Gusslegierungen. Mit Hilfe isothermischer HCMF-Tests bei Temperaturen oberhalb von 350 Grad Celsius konnten die Experten sogar eine Verbesserung der Werkstoffermüdung um das Achtfache nachweisen.

Weitere Motorläufe lieferten Verschleißraten, die denjenigen des gegenwärtig besten Kolbenwerkstoffes auf Aluminium-Silizium-Basis entsprechen. Umfangreiche Gussversuche lieferten eine gleichbleibend hohe Materialintegrität und trugen zur Optimierung der Gießparameter bei. Neben den nahezu abgeschlossenen Versuchen zur innermotorischen Entwicklung wurden die ersten Musterkolben zur Bewertung an Kunden freigegeben.

»Die Entwicklungszentren von Federal-Mogul Powertrain haben erstklassige Verfahren zur Charakterisierung von Produktion, Motor- und Werkstoff entwickelt, in der Fachsprache überlagerte TMF-HCMF genannt«, freut sich Roman Morgenstern. »Diese Anlagen helfen uns, neue Erkenntnisse zu gewinnen, unser Know-how zu vertiefen und damit letztlich die Entwicklung neuer Legierungen voranzutreiben.«

Die Technologie lässt sich bei Dieselkolben für PKW und Nutzfahrzeuge einsetzen. Bleibt abzuwarten, ob sich die günstigen Eigenschaften der Aluminiumlegierung bald nicht auch im klassischen Maschinenbau wiederfinden, denn dort nimmt Leichtbau ebenfalls einen sehr großen Raum ein, und die Tendenz dazu wird die Entwickler noch lange umtreiben. mk

Erschienen in Ausgabe: 07/2015