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SchmiedeJOURNAL Maerz 2015

Fachbeiträge SchmiedeJOURNAL März 2015 45 Bild 3: CAD-Modell: Werkstoffverbund-Anfangsform (links), Schmiederohteil (Mitte), Fertigteil - mechanisch bearbeitet (rechts). Um diese Ziele zu erreichen, sind innermotorische Maßnahmen notwendig, um durch höhere Brennraumtemperaturen eine sauberere Verbrennung zu erreichen und folglich auch die Abgastemperaturen anzuheben. Ein nachfolgender Katalyseprozess kann somit bezüglich der NOx-Reduktion wirksamer arbeiten. Die aktuell verwendeten Werkstoffe unterliegen bei Temperaturen von über 500 °C einem starken Verschleiß durch Heißgaskorrosion und ihre Warmfestigkeit sinkt bei längerer Betriebsdauer stark ab. Nickelbasislegierungen wurden speziell für Hochtemperaturanwendungen, wie zum Beispiel im Turbinen und Triebwerksbau, entwickelt. Diesbezüglich ist davon auszugehen, dass sie für die Anwendungen in schwerölbetriebenen Großmotoren geeignet sind. Bei bisherigen Ansätzen für Kraftfahrzeugmotoren wurden Kolben und Ventile mit dünnen Zusatzschichten (im μm-Bereich mit PVD-Verfahren) aus oben genannten Werkstoffen versehen. Bei dem angestrebten Lösungsansatz wird die Anfangsform zum Gesenkschmieden mit einem Sonderwerkstoff thermisch gefügt und zu einem endkonturnahen Bauteil umgeformt. Höchste thermische Belastbarkeit Das Projekt „INKOV“ wurde ins Leben gerufen, um mechanisch und thermisch hoch belastbare Motorkomponenten für maritime Großmotoren, wie zum Beispiel Kolben und Ventile zu entwickeln. Diese sollen aus hybriden Werkstoffverbunden umformtechnisch möglichst endkonturnah hergestellt werden. Im Fokus stehen stoffschlüssige Verbunde aus verschleißfesten Hochtemperaturlegierungen und klassischen gut umformbaren Kolben- beziehungsweise Ventil-Stahlwerkstoffen als Trägermaterialien. Beide Metalle werden durch eine thermische Fügeoperation miteinander verbunden. Aufgrund ihrer ausgezeichneten Warmfestigkeit sowie ihrer Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit sind diese Werkstoffverbunde für Einsatztemperaturbereiche von über 500 °C bis zirka 650 °C einsatzfähig. In Vorbereitung des Projekts zur Umformung von Werkstoffverbunden wurde das Umformverhalten verschiedener Verbunde untersucht und beurteilt. Als Testbauteil wurde ein Ventilfederteller im Maßstab 2:1 verwendet. Die ausgewählte Testgeometrie eines Ventilfedertellers besitzt typische Geometrieelemente, die in Werkzeugen der Warmmassivumformung sehr häufig vorkommen. Als Beispiel seien Dorne und Bereiche genannt, in denen das umzuformende Material pilzförmig gebreitet wird. Im Bild  2 sind die Querschnitte der Anfangsform und das Schmiederohteil als Werkstoffverbund dargestellt. Die Schichtdicke des Sonderwerkstoffs beträgt zirka 5 mm. Die Umformversuche wurden auf einer Spindelpresse vom Typ  SPKA  2000 durchgeführt. Dabei wurde ermittelt, ob durch die unterschiedlichen Materialkennwerte (speziell dem Fließverhalten bei Umformtemperatur) die gefügten Werkstoffverbunde fließen und ob diese nach der Umformung eine ausreichende Haftfestigkeit besitzen und wie sich die Gravurfüllung, einschließlich der Gratbildung, zeigt. Die Umformtemperaturen waren mit zirka 1.100 °C jeweils an den Sonderwerkstoff angepasst. Hybride Werkstoffverbunde in der Massivumformung In einer Potenzialstudie zum Hybridschmieden aus dem Jahr 2013 wurde untersucht, ob und für welche Bauteilklassen ein „Hybrid-/ Verbundschmieden“ von gleichen und ungleichen Werkstoffen technologisch relevant ist 2. Für Fahrwerksteile und Antriebselemente als typische Bauteilklassen aus dem Kfz-Bereich konnte nur ein geringes technologisches Potenzial für Verbundkombinationen „Stahl-Leichtbauwerkstoffe“ ermittelt werden. Die Masse ausgewählter Fahrwerksbauteile könnte durch die Kombination artfremder Werkstoffe wie zum Beispiel Stahl-Aluminium erheblich reduziert werden. Aus wirtschaftlicher Sicht, bedingt durch den erhöhten produktionstechnischen Aufwand, erscheint das „Hybridschmieden“ für eine Stahl/Stahl- oder Stahl/Leichtbauwerkstoff Kombination nur für eine sehr begrenzte Anzahl von Bauteilklassen relevant. Bild 2: CAD-Modell (links) – Ventilfederteller Anfangsform Schmiederohteil (Mitte) – Testmuster geschmiedet (rechts).


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