Heißer Kandidat - AutomobilKONSTRUKTION

Antrieb

Heißer Kandidat

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Immer neue Abgasnormen stellen erhöhte Anforderungen an die Werkstoffe für Abgassystem und Turbolader. Der aus der Luftfahrtindustrie 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

Werkstoff für abgasnormkonforme Antriebs- und Motorenkonzepte bis 900 °C
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, AdBlue-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 Abgasanlage 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 Automobilindustrie. Ein solcher Werkstoff, der seiner Historie nach eigentlich aus dem Luftfahrt-Bereich kommt und sich als „heißer“ Kandidat 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 Hochtemperaturanwendungen sowohl im Luftfahrt-Bereich als auch im Automotive- und Gasturbinen-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 Ni3(Ti, Al)-Ausscheidungen, die sich entlang der Korngrenzen bilden. Ähnlich wie in der Grundmatrix besitzt die γ-Phase eine kubisch-flächenzentrierte 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.
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 Zugfestigkeit (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.
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 Bestandteil und relativ teuer – daher ist die Menge an Kobalt präzise eingestellt und in Haynes 282 alloy mit ca. 10% am unteren Ende der üblichen Spanne für diese Legierungsklasse angesiedelt.
Molybdän wiederum ist ein wichtiges Element zur Erreichung der Kriechfestigkeit von γ-gehärteten Legierungen und in diesen üblicherweise mit 4,3 bis 10 Gew.% enthalten. Dabei handelt es sich um ein relativ großes und unbewegliches Atom, das so eine signifikante Mischkristallverfestigung bietet; aus diesem Grund wurde bei Haynes 282 alloy ein Molybdängehalt von ca. 8,5 % gewählt.
Die Elemente Aluminium und Titan sind die ausscheidungsbildenden Elemente. Nur kleine Änderungen in der Menge dieser beiden Legierungszusätze haben starke Auswirkungen auf die Eigenschaften und die Verarbeitbarkeit der Legierung. Aus diesem Grund wurden die Gehalte Aluminium und Titan in 282 alloy sorgfältig ausgewählt und abgestimmt, um die beste Kombination dieser Eigenschaften zu erreichen. (siehe Tabelle 2)
Wärmebehandlung: Die Aushärtung
Nach dem Lösungsglühen wird 282 alloy einer zweistufigen Wärmebehandlung bei1010 °C für zwei Stunden und bei 788 °C für die Dauer von acht Stunden mit anschließender Luftkühlung unterzogen (Tabelle 3). Eine einstufige Aushärtung ist ebenfalls möglich, je nachdem welche Festigkeiten für die jeweiligen Anwendungen benötigt werden.
Umformbarkeit und Zwischenglühung
Haynes 282 alloy verfügt über ausgezeichnete Umformeigenschaften. Bei Temperaturen im Bereich von 955 bis 1177 °C kann der Werkstoff nach einer ausreichenden Aufwärmphase dann warm umgeformt werden. In Tabelle 4 lässt sich der Vergleich der zu erwartenden Härte bei einer bis zu 50 % abgeschlossenen Kaltumformung nachvollziehen. Alle warm- oder kaltumgeformten Teile sollten in der Regel vor dem Aushärten geglüht werden.
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Verarbeitung, der stark von der γ-Ausscheidungen beeinflusst ist, ist die Zwischenglühbehandlung. Denn nach 30 bis 40 % der Umformung des Querschnitts wird eine Zwischenglühung vom Hersteller empfohlen. Diese Wärmebehandlungen werden im Allgemeinen angewendet, um das Material in den besser formbaren Zustand zurückzuversetzen, denn dieser Zustand ist wichtig bei der weiteren Verarbeitung bzw. Umformung. Für einige γ-gehärtete Legierungen allerdings ist es selbst nach dem Lösungsglühen schwierig, diesen Zustand zu erreichen. Das liegt an der Ausscheidung der γ-Phase während der Abkühlphase nach dem Glühen, die wiederum eine zunehmende Steifheit und reduzierte Formbarkeit bewirkt. Aus diesem Grund wird diese Legierungsklasse nach dem Glühprozess – wie weiter oben bereits beschrieben – oftmals schnell gekühlt oder mit Wasser abgeschreckt.
Thermische Stabilität
Die Stabilität der Mikrostrukturen über eine langdauernde thermale Belastung hinweg kann für Hochtemperaturwerkstoffe wichtige Effekte auf die Materialeigenschaften haben. In vielen Legierungen können solche thermalen Belastungen zur Ausbildung von schädlichen Phasen wie σ- und μ-Phasen führen. Diese Phasen können dann zu signifikanten Verlust der Duktilität bei Raumtemperatur führen. In γ-gehärteten Legierungen kann die Vergröberung oder Überalterung der γ-Ausscheidungen ein zweiter unerwünschter Effekt der thermalen Beanspruchung sein. Eine solche Vergröberung kann zu einem Verlust der Festigkeit führen, sowohl hinsichtlich der Zug- als auch der Kriechfestigkeit. Haynes 282 alloy wurde entworfen, um widerstandsfähig gegenüber beiden Formen der thermischen Instabilität zu sein und erfüllt diesen Anspruch auch zuverlässig. So wird er zum Werkstoff der Wahl für Hochtemperaturumgebungen wie Abgasstränge oder Turbolader und leistet für die Motorenbauer einen wertvollen Beitrag zur Umsetzung der neuen Abgasnormen.
Zapp Materials Engineering GmbH, Ratingen, hedieh.barkemeyer@zapp.com, wwww.zapp.com
Dieser Artikel beruht in weiten Teilen auf der Übersetzung von „Development of a fabricable Gamma-Prime strengthened Superalloy” von L. M. Pike, Haynes International Inc.
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