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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
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ALUMINIUMTECHNOLOGIE
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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ALUMINIUMTECHNOLOGIE
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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ALUMINIUMTECHNOLOGIE
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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ALUMINIUMTECHNOLOGIE
Zylinderbohrung mitPlasma-Beschichtung
Laufschicht• Eisenbasis• Mischhärte 500 HV• 7 - 10 % Porosität
Grundwerkstoff AlSi9Cu3• porenarm (ND-Guss)
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ALUMINIUMTECHNOLOGIE
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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ALUMINIUMTECHNOLOGIE
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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ALUMINIUMTECHNOLOGIE
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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ALUMINIUMTECHNOLOGIE
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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ALUMINIUMTECHNOLOGIE
Vor- und Nachteile des ALUSIL®-Konzepts
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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ALUMINIUMTECHNOLOGIE
Vor- und Nachteile des ALUSIL®-Konzepts
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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