Fachartikel

Neues Prüfverfahren für Eisen- und Stahlguss im Heißgaswechselbetrieb
von Frank Scherrer, Kirchheimbolanden

Bei Abgaskrümmern und Turboladergehäusen werden derzeit die Gussteile im Abgasbereich bei Dieselmotoren mit bis zu 860 °C und bei Ottomotoren mit bis zu
1050 °C heißen Abgasen belastet. In einem Pkw werden diese hohen Temperaturen im Gegensatz zu einer Flugzeugturbine aber einerseits nur selten erreicht und andererseits nicht lange gehalten. Genau hierin besteht die Schwierigkeit. Die Lebensdauer solcher Abgas führenden Bauteile hängt sehr stark von der Häufigkeit und natürlich der Stärke der Temperaturwechsel ab.

CAD-Darstellung der Prüfkammer und Lage der Prüfkörper
Bild: CAD-Darstellung der Prüfkammer und Lage der Prüfkörper (Bild: BorgWarner)

Aus diesem Grund werden solche Bauteile in Thermoschockversuchen geprüft. Risse und Verzüge der Bauteile sind nach dem Test zu beurteilen. Lösen sich im Betrieb zu große Teile der Zunderschicht, können die Turbinenradschaufeln beschädigt werden. Wächst die Zunderschicht zu stark an, kann es zur Berührung der Turbinenschaufel mit dem Gehäuse kommen. Beide Effekte versucht man zu vermeiden und somit ist die Zunderschichtdicke und deren Stabilität neben Rissbildung und Deformation ein Kriterium des Thermoschocktests. Ein solcher Test läuft bei der BorgWarner Turbo Systems Engineering GmbH, Kirchheimboladen, über 300 Stunden und verursacht Kosten von ca. 40 000 Euro.

Um neue Werkstoffe für Abgaskrümmer, Turbinengehäuse oder andere Heißgas führende Baugruppen bewerten zu können, müssten mehrere solcher Tests durchgeführt werden. Das Testergebnis ist auch vom ausgeführten Design des Bauteils abhängig und beschreibt daher nicht nur die Eigenschaften des Werkstoffs. Das Design des Bauteils hat sogar den größeren Einfluss als der Werkstoff selbst. Dies lässt sich auf der Basis der bisherigen Erfahrungen von BorgWarner Turbo Systems sagen. Ein designunabhängiges Ergebnis erhält man daher nur, wenn geometrisch identische Teile getestet werden.

Bei BorgWarner Turbo Systems wurde daher ein Heißgasprüfverfahren entwickelt, welches auf einem standardisierten Prüfkörper ohne Hohlräume beruht. Dieses Verfahren erlaubt es, verschiedene Legierungen unter gleichen Bedingungen zu testen und damit verschiedene Werkstoffe direkt zu vergleichen. Durch die Vereinfachung des Prüfkörpers unter Beibehaltung der bauteilspezifischen Probleme werden auch die Kosten der Werkstoffprüfung deutlich gesenkt.

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Frank Scherrer, Programm Manager Abt. EPM, BorgWarner Turbo Systems Engineering GmbH, Kirchheimbolanden

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