Emissionen und Kraftstoffverbrauch gesenkt
Spezialstähle für den Verbrennungsmotor
Der klassische Verbrennungsmotor ist noch lange nicht wegzudenken. Um die Grenzwerte einzuhalten, ist das Downsizing ein Entwicklungsziel der Automobilindustrie: Hubraum und Zylinder von Diesel- und Ottomotoren werden insgesamt kleiner, sollen aber ebenso leistungsfähig bleiben. Bei Drücken bis zu 3.000 bar und Temperaturen von teils über 1.000 Grad Celsius sind moderne Stahlwerkstoffe gefragt, die besonders druck- und hitzebeständig, formtreu sowie schwingfest sind. Ein Hersteller für innovative Langstahllösungen ist die Schmolz + Bickenbach-Gruppe.
In der Diskussion zur Steigerung der Fahrzeugeffizienz, zum Beispiel durch Leichtbau, stehen Flachstahlprodukte häufig im Fokus. Doch auch hoch- und höherfeste Langstahlprodukte sind zur Reduktion von Kraft- und Schadstoffen erforderlich: Ohne die Spezialstähle wären Hochleistungssysteme wie Direkteinspritzung und Turboaufladung nicht denkbar. Sie machen das Downsizing des Verbrennungsmotors und damit eine nachhaltige Mobilität erst möglich.
Die Direkteinspritzung hat sich durch die exakte Dosierbarkeit des Kraftstoffs sowohl in Otto- als auch in Dieselmotoren durchgesetzt. Bedingt durch den Kraftstofftyp variieren die Anforderungen an die hier eingesetzten Werkstoffe jedoch stark. Im Benzinmotor müssen hochbelastete Bauteile wie Hochdruckpumpe, Kraftstoffspeicher, feinste Ventile und Verbindungsteile besonders korrosionsbeständig sein. „Benzin wirkt sehr aggressiv.
Für das Gehäuse der Hochdruckpumpe wurde daher der Schwefelgehalt im Stahl auf ein Minimum reduziert. Damit wird die Korrosionsbeständigkeit erhöht und einer Rissbildung an den Schweißnähten vorgebeugt“, erklärt Manfred Maslow, Vertriebsleiter Automotive Rostfrei der Deutschen Edelstahlwerke GmbH, eines Unternehmens der SCHMOLZ + BICKENBACH Gruppe. Mittels spezieller Schmelz- und Walzverfahren sowie durch gezielte Wärmebehandlung werden zusätzlich der Reinheitsgrad und die Feinkörnigkeit des Gefüges erhöht.
Dadurch wird das Gehäuse druck- und kraftstoffundurchlässig. Besonders geeignet sind die Stähle Acidur 4057, Acidur 4418 und Acidur 4301. Den Acidur 4057 hat die Deutsche Edelstahlwerke GmbH fürs Schweißen und, wie die anderen beiden Stähle auch, für die steigenden Anforderungen optimiert.
Auf die magnetischen Eigenschaften kommt es beim Steuerventil in der Einspritzdüse an. Um die effiziente Dosierung des Benzins per Öffnen und Schließen regulieren zu können, muss der Werkstoff für das Ventil elektromagnetisch ansteuerbar sein. Nur wenige Stahlhersteller bringen das Knowhow mit, die erforderlichen magnetischen Eigenschaften präzise einzustellen. Das Geheimnis liegt in der gezielten Wärmebehandlung.
Außerdem spielt die fachgerechte Weiterverarbeitung des Stahls eine große Rolle, da die magnetischen Werte sensibel auf mechanische Eingriffe reagieren. Mit UGIPERM12FM hat Ugitech, ebenfalls eine Konzerntochter von SCHMOLZ + BICKENBACH, einen geeigneten Werkstoff auf den Markt gebracht: Der Stahl verbindet optimierte magnetische Eigenschaften mit einer guten Zerspanbarkeit. Letztere begünstigt die Anarbeitung und ermöglicht in der Folge kürzere Durchlaufzeiten beim Kunden.
Bei Verbindungsstücken im Einspritzsystem liegt die Herausforderung in der Dichtheit bzw. Reinheit sowie der Festigkeit der Werkstoffe. Ein Beispiel sind Verbindungsteile am Rohr des Hochdruck-Rails, des Kraftstoffspeichers zwischen Hochdruckpumpe und Einspritzdüse. Um dem aggressiven Benzin standzuhalten und Leckagen zu vermeiden, sind reine, korrosionsbeständige und mechanisch feste Stähle gefragt.
„Für diese Anforderungen empfehlen wir Duplexstähle aus unserer UGIPLEX-Reihe“, so Raphael Craen, Automotive Sales Director bei Ugitech. „Sie bringen im Vergleich zu gewöhnlichen Stählen eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit bei hohen mechanischen Eigenschaften mit. Weniger legiert, sind diese Stähle auch preislich nicht unattraktiv.“
Hoher Reinheitsgrad für den Dieselmotor
Die Beanspruchungen der Bauteile in Dieselmotoren sind aufgrund der höheren Zündtemperatur extremer als in Benzinmotoren. Während das Einspritzsystem im Benziner Drücken bis 300 bar ausgesetzt ist, geht die Entwicklung beim Diesel langfristig in Richtung 3.000 bar. Damit steigen die Anforderungen im Zuge des Downsizings deutlich. Das erfordert den Einsatz von Stabstählen mit höheren statischen und dynamischen Festigkeiten sowie einem höheren Reinheitsgrad.
Selbst kleinste Materialeinschlüsse könnten bei den hohen, teils wechselnden Belastungen zum Versagen des Bauteils führen. Je reiner der Stahl ist, desto höheren Kräften kann er auch bei geringen Bauteildurchmessern standhalten. Ein hochbelastetes Bauteil ist die Einspritzdüse, die den Kraftstoff direkt in den Brennraum führt. Die hier eingesetzten Stähle müssen enormen Temperaturen standhalten. „Hier bietet sich unser Carbodur 5920 (18CrNi8) an.
Er bringt eine hohe Hitze- und Druckbeständigkeit mit“, so Ralf Schneider, Vertriebsleiter Edelbaustahl und Automobil bei der Deutsche Edelstahlwerke GmbH. Einen besonders hohen Reinheitsgrad erhält der Werkstoff per Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren (ESU). Bei diesem Verfahren wird der feste Stahl in flüssige Schlacke getaucht und durch das Zuführen elektrischer Energie erneut geschmolzen. Beim Durchgang durch die Schlacke erfährt der Stahl eine Veredelung: Verunreinigungen und Oxide werden in der Schlacke gebunden. Der Umschmelzprozess findet in einer wassergekühlten Kokille statt, so dass der Block gleichmäßig erstarrt.
Für hochbelastete dünnwandige Bauteile bietet die SCHMOLZ + BICKENBACH Gruppe in ihren Stahlwerken das ESU-Verfahren unter Schutzgas an. So wird ein noch höherer Reinheitsgrad erreicht. Das ist unter anderem bei dem filigranen Körper der Düse notwendig. Hier empfiehlt sich der Firmodur 7228 (50CrMo4) der Deutschen Edelstahlwerke, ein für die steigenden Belastungen modifizierter Vergütungsstahl.
Für das Hochdruck-Rail im Dieselmotor haben die Deutschen Edelstahlwerke den standardmäßig eingesetzten Edelbaustahl Microdur 5231 (38MnSiVS6+NB) durch die Zugabe von Niob optimiert und damit die Feinkornbeständigkeit erhöht. Anwender profitieren von einer höheren Festigkeit und Druckdichtigkeit sowie verkürzten Härte- und Nacharbeitszeiten. Die Bearbeitbarkeit des Schmiedeteils wird durch die hohe Festigkeit nicht beeinträchtigt, da der Härteprozess erst während des Schmiedevorgangs beim Kunden stattfindet.
Hoch- und höherfeste Stähle für das Common-Rail-System
Hochbeansprucht sind auch die Bauteile in der Common-Rail-Technologie, die heute Standard beim Dieselmotor ist. Bauteile wie Düsen- und Magnetspannmuttern halten das System bei Drücken über 2.000 bar zusammen. Hoch- und höherfeste Werkstoffe sind erforderlich, damit die Bauteile auch Wechselbelastungen standhalten. Neben hohen dynamischen Festigkeiten muss der Stahl zur Anfertigung der Spannmuttern auch eine gute Zerspanbarkeit mitbringen.
„Den Spagat schaffen wir zum Beispiel mit dem ETG 100 und HSX 110“, erklärt Dirk Ochmann, Vertriebsleiter bei der Steeltec AG, einem Unternehmen der SCHMOLZ + BICKENBACH Gruppe. „Die Spezialstähle werden warmgezogen und vereinen im Gegensatz zu Vergütungsstählen die scheinbar widersprüchlichen Eigenschaften bereits im Lieferzustand.“ Das spart zusätzliche Bearbeitungsschritte und damit Zeit und Kosten.
Auch für magnetische Anwendungen, wie das Hochdruckmagnetventil, hat Steeltec eine Alternative parat. Der ETG 25 ist im Gegensatz zu den konventionell eingesetzten weichmagnetischen Werkstoffen sehr gut schweißbar und zerspanbar – wichtige Kriterien für die effiziente Bearbeitung des Drehteils. Der Spezialstahl ermöglicht die im Downsizing üblichen kompakten Konstruktionen. Zudem können Bauteile mit Blick auf die gesamte Prozesskette kostengünstiger hergestellt werden.
Hoher Ladedruck im Turbolader
Die Dynamik des Motors hängt unmittelbar mit dem Ladedruck zusammen, den der Turbolader erzeugt. Als wichtiger Bestandteil des Downsizing-Ansatzes nutzt die Turbine die Energie des Abgases, um die Ansaugluft zu verdichten und dem Brennraum unter Hochdruck zuzuführen. Dabei entstehen Temperaturen bis zu 1.000 Grad Celsius.
Hitzebeständige Stähle sind gefragt, wie zum Beispiel der UGI 4845 und UGI 4828 von Ugitech. Daraus werden zum Beispiel Hülsen sowie Befestigungselemente gefertigt, die die Turbinenkonstruktion zusammenhalten. Die Anwendung im Blick stellt der Stahlproduzent eine hohe Geradheit und Maßgenauigkeit des Vormaterials sicher. Damit werden eine präzise, verzugsfreie Bauteilfertigung und ein sicheres Funktionieren des Bauteils gewährleistet.
Hohe Schwingungen wirken auf die dünnwandige Dichtbuchse im Kompressor. Sie dichtet das Lagergehäuse gegen heiße Abgase aus der Turbine und gegen Ölverlust ab. Langstahlprodukte mit geringer Eigenspannung sind erforderlich, um formstabile Bauteile auch bei unterschiedlichen Belastungen zu ermöglichen. Da der Zerspanungsanteil in der Fertigung der Dichtbuchse hoch ist, empfiehlt der Stahlspezialist den zerspanungsoptimierten ETG 100. Damit die Festigkeit des Werkstoffs bei Systemtemperaturen bis 200 °C nicht nachlässt, prägt Steeltec den Werkstoff bereits bei der Herstellung vor.
Automobilhersteller setzen beim Downsizing Nockenwellenversteller ein, um die Effizienz beim Ladungswechsel zu steigern. Sie steuern das Öffnen und Schließen der Ventile. Die besonderen Anforderungen an das Bauteil liegen hier in den Querbelastungen durch Seiten- und Schubspannung. Nockenwellenversteller werden im Mikrometerbereich in den Motor eingepasst, daher müssen die Fluchtmaße und filigranen Bohrungen exakt sein. Ein verzugsarmer Werkstoff mit niedriger Eigenspannung ist gefragt. Durch sein homogenes Gefüge eignet sich der HSX Z12 für eine gleichmäßige Bauteilauslegung. Mit seinen mechanischen Kennwerten hält der Spezialstahl der Steeltec AG dynamischen Belastungen besser stand als die sonst verwendeten Vergütungsstähle.
