Fachartikel

SiMo1000 - Ein aluminiumlegiertes Gusseisen für Hochtemperatur-Anwendungen
von Simon Kleiner, Schaffhausen, Schweiz, und Kurt Track, Herzogenburg, Österreich

Die allgegenwärtige, öffentliche Diskussion über die Klimaerwärmung und die notwendige, drastische Reduzierung des CO2-Ausstoßes zwingt die Automobilhersteller dazu, möglichst rasch verbrauchsgünstigere und emissionsärmere Fahrzeuge auf den Markt zu bringen. Bevor die derzeit viel gepriesenen alternativen Antriebskonzepte wie Elektro- oder Brennstoffzellenantrieb in Großserie und zu vertretbaren Kosten verfügbar sind, kann relativ kurzfristig über eine Optimierung der konventionellen Verbrennungsmotoren schon eine deutliche Verbrauchssenkung erzielt werden. Das Downsizing in Verbindung mit Turboaufladung bietet hierzu ein großes Potential, und dieser Weg wird denn auch zurzeit von fast allen namhaften Automobilherstellern verfolgt.

Mikrostruktur von SiMo1000
Bild: Eine typische Mikrostruktur von SiMo1000, Foto: GF Automotive

Die Steigerung der spezifischen Leistung und des Mitteldruckniveaus bei Downsizing-Motoren sowie der weitgehende Verzicht auf eine Gemischanreicherung gehen einher mit einer Erhöhung der Abgastemperatur. Bei den Pkw-Dieselmotoren bewegen sich die maximalen Abgastemperaturen in Richtung 850 oder gar 900 °C, während bei hoch aufgeladenen Ottomotoren häufig der Wert von 1050 °C genannt wird. Zusätzlich führt das Downsizingkonzept auch dazu, dass, bezogen auf das Zylindervolumen, steigende Energiemengen umgesetzt werden. In der Summe bedeuteten diese aktuellen Entwicklungen im Motorenbau eine markant zunehmende, thermische Beanspruchung der abgasführenden Motorkomponenten wie Abgaskrümmer und Turbolader. Dadurch stoßen bislang eingesetzte Werkstoffe vermehrt an ihre Belastungsgrenze, und es müssen höherwertige Werkstofflösungen gefunden werden. Im Normalfall bleiben die maximalen Bauteiltemperaturen der abgasführenden Bauteile zwar etwa 50 bis 80 °C unterhalb der Abgastemperatur, an besonders exponierten Stellen – z. B. in dünnen, mehrseitig von Abgas umströmten Bereichen –  kann die Werkstofftemperatur jedoch nahezu die Abgastemperatur erreichen.

Je nach Temperaturbereich finden verschiedene Werkstoffe Anwendung im Heißgasbereich. Bei Abgaskrümmern konkurrieren geschweißte Blechkonstruktionen (gebaute Krümmer) mit Gussteilen, während für Turboladergehäuse fast ausschließlich gegossene Komponenten gesetzt werden. Ferritische SiMo-Gusseisen mit 4 bis 5 % Silicium und 0,5 bis 1 % Molybdän, sowohl als Varianten mit Vermiculargraphit (GIV) als auch mit Kugelgraphit (GJS), finden ihren Anwendungsbereich bei Bauteiltemperaturen von bis zu rund 820 °C. Neben den Standardvarianten sind auch Werkstoffe mit zusätzlichem Chrom- oder Nickelanteil von 0,5 bis 1,0 % auf dem Markt (SiMoCr respektive SiMoNi), welche eine etwas erhöhte Zunderbeständigkeit aufweisen sollen. Bei höheren Temperaturen bis maximal       930 bis 950 °C werden entweder austenitische Gusseisen wie GJSA-XNiSiCr35-5-2, auch bekannt als Ni-Resist D5S, oder hoch chromhaltige, ferritische Stähle eingesetzt. Im Bereich bis 1000 °C und leicht darüber erfüllen nur noch hoch legierte, austenitische Stähle die Anforderungen, und bei noch höheren Temperaturen muss schließlich auf Nickelbasislegierungen zurückgegriffen werden. Im Artikel wird der neu entwickelte, aluminiumhaltige Gusseisenwerkstoff SiMo1000 vorgestellt, welcher aufgrund seines gegenüber den klassischen SiMo-Gusseisen deutlich verbesserten Eigenschaftsprofils - einer markant verbesserten Zunderbeständigkeit, einer erhöhten Warmfestigkeit und einer höheren Umwandlungstemperatur - den Einsatzbereich der ferritischen Gusseisen zu höheren Temperaturen erweitert und fallweise auch den teureren, austenitischen Werkstoff GlSA-XNiSiCr35-5-2 sehr gut substituieren kann.

Autoren: Simon Kleiner, Georg FischerAutomotive AG, Schaffhausen, Schweiz, Kurt Track, Georg Fischer Eisenguss GmbH, Herzogenburg, Österreich

 

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