ALUMINIUM TECHNOLOGIE Member of the Kolbenschmidt Pierburg Group 1 Massenreduzierungspotential bei...

Member of the Kolbenschmidt Pierburg Group

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ALUMINIUMTECHNOLOGIE

Massenreduzierungspotential bei Werkstoffsubstitution

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5 6 7Hubraum [l]

ZK

G-M

asse

[kg

]

GG-Zylinderkurbelgehäuse

Al-Zylinderkurbelgehäuse

4-Zylinder6-Zylinder

8-Zylinder 12-Zylinder

Werkstoff

GGL

GGV

Al

Mg

Dichte [g/cm³]

7,25

7,0...7,7

2,7

1,8

Massenred.-potential [%]theor. real0 10

0 20...30

62 40...55

75 55...65

4. AL-ZKG und Laufflächen


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Konzept - Kriterien• Kompatibilität• Motorfunktion• Hauptabmessungen• Motorkenngrößen• Weiterentwicklungspotential• Umweltaspekte• Recycling• Stückzahl p.a. / Kosten

ZKG-Konzept Konzeptbausteine

AlSi-Legierungen• untereutektisch (Si < 12%)• eutektisch (Si = 12%)• übereutektisch (Si > 12%)

Zylinderlauffläche• Monolithisches ZKG• Buchsen• Beschichtung• MMC lokal

Bauart/konstruktiveMerkmale von Al-ZKG• Open-deck• Closed-deck

• Deep Skirt• Block + Bedplate

• „Hochintegration“

• Ausformbarkeit in Stahl• Hinterschnitt-Konturen

Al-GießverfahrenGießform Sand SPM Stahl

Gießverf.

Schwer- X X Xkraftguß

Nieder- X X Xdruckguß

Druck- Xguß

Squeeze- XCasting



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Zylinderlaufflächen-Technologien

Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse

monolithisch heterogenquasi-monolithisch

übereutektische Al-Si-Legierung

(ALUSIL®)

beschichtete Zylinderbohrungen

Buchsen

nasstrocken

einge-gossen

einge-schrumpft

slip-fit

galvanisch Ni-SiCDispersion

PVD-DünnschichtTiAlN, TiN

thermischesSpritzen

lokales Werkstoff-Engineering

Laserlegieren mit Silizium

AL-Matrix-Verbundwerkstoff

(LOKASIL®)

ALUSILAlSi/PM

Grauguss

Ni-SiC-Dispersion

Rauguss

Graugussbeschichtet



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Im Druckguß eingegosseneGG-Buchsen

Eingegossene Graugußbuchse (Standard-Ausführung)

Verklammerung Raugußbuchse mit Aluminium-Umguß



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ALUMINIUMTECHNOLOGIE LOKASIL®-Konzept

Schnitt durch Lokasillauffläche Gefügebild einer Lokasillauffläche

Silizium -Preform



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Zylinderbohrung mitPlasma-Beschichtung

Laufschicht• Eisenbasis• Mischhärte 500 HV• 7 - 10 % Porosität

Grundwerkstoff AlSi9Cu3• porenarm (ND-Guss)



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ALUSIL®-Konzept (Legierung AlSi17Cu4Mg)

Gefüge mit ca. 8-10 vol% primär ausgeschiedenem Silizium (Korngröße 20 - 60 (70) µm)

Schmelze

Schmelze + Si

Schmelze +

Si

900

800

700660

600

500

400

1,65 %

12,5 %577 °C

0 5 10 15 20 25 30

Tem

per

atur

in °

C

Siliziumanteil in % der Masse

16...18 % Si



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ALUSIL®-Gefüge (unterschiedliche Vergrößerung)



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ALUMINIUMTECHNOLOGIE Niederdruck-Kokillenguß

• Keine Legierungs-Einschränkungen

• Vollständig wärmebehandelbare ZKG

• ALUSIL® nach Stand der Technik an Nieder- druck-Kokillenguß gebunden

• Einsatz von Sandkernen möglich (Closed- deck)



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Bewertung Aluminium-Gießverfahren

Druckguß (0/-)

kostengünstiges Massenfer-tigungsverfahren (R3-/R4-Mot.)

dünnwandig, Versteifung durchaufwendige Rippenstrukturen

sehr schnelle Erstarrung(„Skin“-Effekt)

aber

Beschränkung auf Open-deck-Bauweise1)

prinzipbedingte Gasporosität:• bedingt stabilisierbar• keine Festigkeitssteigerung

größerer Langzeit-Zylinder-verzug

1) Einsatz druckgußfester Kerne absolute Ausnahme

Sandguß (+)

weitgehende Konstruktions-freiheit

einfachere Integration zusätz-licher Funktionsmerkmale

Vermeidung von Materialan-häufungen

aber

viele komplex gestalteteSandkerne:• Toleranzproblematik• Kosten / Investitionen

begrenzte Möglichkeiten derBeeinflussung der Erstarrung

Feinkörnigkeit (kleinerer DAS)erfordert eingeformte Kühleisen

Umwälzung großer Sand-mengen (Recycling)

Kokillenguß (+)

wirtschaftlich bei Minimuman Sandkernen (idealerweisenur WaMa/Closed-deck)

aktive Beeinflussung der Er-starrung: gezielte Kühlung

Niederdruck-Kokillenguß

gerichtete Erstarrung

geringe Porosität (beschich-tungsfähig)

aber

längere Erstarrungszeit

weniger Rippen, gröber, mas-siver, diagonal/vertikal

keine optimalen DAS-Wertebei Anschnitt im Lagerstuhl-bereich (Alternative: „Seiten-anschnitt“)



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Vor- und Nachteile des ALUSIL®-Konzepts

Bauteil aus einem Guß Zylinderlaufflächen inklusive Geringeres Gewicht, keine schweren GG-Buchsen

Kompaktes Design minimale Stegbreite zwischen den Zylindern min. Zylinderabstand (Motorbaulänge)

Bessere Wärmeleitung / thermische Entlastung Keine Spaltbildung zwischen Buchse und Umguß Hohe spezifische Leistung / geringer Motorkühlungsaufwand Schnellere Motorerwärmung (günstiger auf Kaltstartemissionen)

Geringerer Zylinderverzug (thermischer u. Langzeitverzug) Keine lokale Spaltbildung Geringe Eigenspannungsproblematik Kein Bimetall-Effekt Keine Wanddickentoleranzprobleme (Buchsen) Günstige Auswirkung auf Ölverbrauch / Blow-by



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Optimale Zylinderlauffläche Keine zusätzliche Zylinderbewehrung (Grauguß) Äquivalente Verschleißfestigkeit Hohe Freßsicherheit, geringe Reibung

Optimiertes Zylinderlaufflächen-Finish Reduzierter Kolbenringverschleiß Günstige Auswirkung auf Ölverbrauch und Blow-by (HC-Emission)

Günstige akustische Eigenschaften Höherer Elastizitäts-Modul (höhere Steifigkeit) Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich wie beim Kolben

• reduziertes Kolbenspiel, kleiner als bei Standard-Legierung • kleineres Hauptlagerspiel

Problemloses Recycling Kein Qualitätsverlust durch Eisen-Aufnahme der Schmelze (Legierung)



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Nachteile gegenüber Standard-Legierung / eingegossene Buchsen

Bestimmte Legierungseigenschaften: Spröder Werkstoff (Grauguß ebenso) Schwieriger zu vergießen (Know-how) Etwas höhere Legierungskosten als Basis-Legierung AlSi9Cu3 (Sekundärlegierung 226) Etwas höhere Bearbeitungskosten (PKD-Schneidwerkstoffe, beschichtete Gewindebohrer)

Kolbenschaftbeschichtung erforderlich

Gesamtbewertung des ALUSIL® Konzepts:

• Hervorragende technische Performance• Gewichtsersparnis• Funktionstechnische Vorteile• hohe Integrationsdichte

• Wettbewerbsfähiges Konzept ab V6-ZKG


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