Proiectare Chiuloasa

Gievorgnge beim Kokillenguss von Al-Legierungen

Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktoringenieur

(Dr.-Ing.)

von Dipl.-Ing. Marko Grzincic

geb. am 24.7.1971 in Liberec

genehmigt durch die Fakultt fr Maschinenbau

der Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg

Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. mult. Eberhard Ambos

Prof. Dr.-Ing. habil. Jaroslav Exner

Promotionskolloquium am 3. 2. 2003

Schriftliche Erklrung

Ich erklre hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit ohne unzulssige Hilfe Dritter und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe; die aus fremden Quel-len direkt oder indirekt bernommenen Gedanken sind als solche kenntlich gemacht.

Insbesondere habe ich nicht die Hilfe einer kommerziellen Promotionsberatung in Anspruch genommen. Dritte haben von mir weder unmittelbar noch mittelbar geldwerte Leistungen fr Arbeiten erhalten, die im Zusammenhang mit dem Inhalt der vorgelegten Dissertation stehen.

Die Arbeit wurde bisher weder im Inland noch im Ausland in gleicher oder hnlicher Form als Dissertation eingereicht und ist als Ganzes auch noch nicht verffentlicht.

Magdeburg, 4.11.2002

Marko Grzincic

Motto der Arbeit:

Wer Groes tun will, muss die Einzelheiten grndlich durchdenken.

(Paul Valry) Diese Arbeit widme ich meinen Eltern, Jaroslava und Jan Grzincic, die mich whrend meiner Ttigkeit als Doktorand an der Technischen Universitt in Liberec und nachfolgend an der Otto-von-Guericke-Universitt in Magdeburg liebevoll und tatkrftig untersttzt haben.

Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand whrend meiner Ttigkeit am Lehrstuhl fr Urformtechnik des

Institutes fr Fertigungstechnik und Qualittssicherung an der Otto-von-Guericke-Univer-sitt

in Magdeburg.

Die Forschung wurde vom Kultusministerium des Landes Sachsen-Anhalt finanziert und ich

mchte mich sehr fr diese Untersttzung bedanken.

Mein besonderer Dank gebhrt Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.h.c. mult. Eberhard Ambos fr die

Betreuung und die hilfreichen Anregungen whrend der gesamten Zeit dieser Arbeit.

Weiterhin danke ich Hon.-Prof. Dr.-Ing. habil. Rdiger Bhr fr seine wertvolle Untersttzung

und konstruktive Kritik beim Fortgang der Arbeit, fr das schon am Anfang meines Aufenthal-

tes in Deutschland entgegengebrachte Vertrauen und fr die Mglichkeit unsere Ergebnisse

einem breiten Fachpublikum auf vielen Tagungen bekannt zu geben.

Des weiteren gilt mein Dank Prof. Dr.-Ing. habil. Jaroslav Exner, bei dem ich die theoreti-

schen Grundlagen des Gieereiwesens und aufschlussreiche Erkenntnisse fr die Verarbei-

tung von Forschungsvorhaben im Rahmen des Doktorstudiums an der Technischen Universi-

tt in Liberec gewonnen habe.

Ich bin sehr stolz, dass der Industriepartner die Fa. Rautenbach-Guss GmbH Wernigerode

war. Mein besonderer Dank gilt Herrn Krebs, der mir stndig die notwendigen Freirume bei

der Realisierung neuer Ideen gegeben hat und sie mit wertvollen Betriebserfahrungen unter-

mauerte.

Schlielich bedanke ich mich an dieser Stelle bei allen Mitarbeitern der Abteilung Urform-

technik des IFQ, die mir stets kameradschaftlich mit Rat und Tat zu Seite standen.

Magdeburg, im November 2002 Marko Grzincic

Inhaltsverzeichnis Seite

1 Einleitung Problemdarstellung und Ziele der Arbeit; Trends im Automobilbau .........

1

2

Der Zylinderkopf ein sehr kompliziertes und beanspruchtes Gussteil ...

6

2.1 Funktion des Zylinderkopfes im Motor ..................................................... 7

2.2 Anforderungen an Zylinderkpfe .............................................................. 9

2.3 Werkstoffe fr Zylinderkpfe .................................................................... 12

2.4 Allgemeine Bemerkung zum Zylinderkopf ................................................ 13 3

Qualittsbetrachtungen bei der Fertigung von Zylinderkpfen .................

14

3.1 Prozessparameter .................................................................................... 18

3.2 Gussfehler ................................................................................................ 20

3.2.1 Porositt ................................................................................................... 20

3.2.2 Einschlsse .............................................................................................. 23

3.3 Wirkung und Auswertung der Inhomogenitten in der Struktur ................ 24

3.3.1 Wirkung der Inhomogenitten .................................................................. 25

3.3.2 Auswertung der Inhomogenitten ............................................................ 27

3.3.2.1 Computeruntersttzte Bildverarbeitung .................................................... 30

3.3.2.2 Dichteprfung ........................................................................................... 32

3.4 Undichte Zylinderkpfe ............................................................................. 34

3.5 Ableitung von Schlussfolgerungen zu Qualittsfragen ............................. 36 4

Gieverfahren zur Herstellung von Zylinderkpfen und ihre Bewertung ..

36

5

Metalltransport ..........................................................................................

41

5.1 Gietechnik in Gieereien ........................................................................ 43

5.2 Kritische Bewertung des Metalltransports ................................................ 47 6

Giesysteme beim Schwerkraftkokillenguss ............................................

47

6.1 Bodenguss ............................................................................................... 53

6.2 Seitenguss mit senkrechtem Schlitzanschnitt .......................................... 55

6.3 Etagenanschnitt ........................................................................................ 56

6.4 Kopfguss .................................................................................................. 56

6.4.1 Einguss-Filterspeiser-Verfahren ............................................................... 57

6.4.2 Geometrische Charakteristik von einzelnen Komponenten des Kopf-gussgiesystems ...................................................................................... 58

6.4.2.1 Einguss ..................................................................................................... 58

6.4.2.2 Querlauf .................................................................................................... 59

6.4.2.3 Anschnitt ................................................................................................... 60

6.5 Bewertung von Kopfguss und Bodenguss ............................................... 60

7

Formfllung ..............................................................................................

61

7.1 Visualisierung der Strmung .................................................................... 66

7.2 Modellierung mit Wasser als Modellflssigkeit ......................................... 67

8

Berechnung von Giesystemen ...............................................................

69

8.1 Berechnung .............................................................................................. 70

8.2 Simulation ................................................................................................. 72

9

Durchgefhrte Experimente und Ergebnisse ...........................................

77

9.1 Untersuchungen am Lffel ....................................................................... 77

9.2 Abgieen .................................................................................................. 79

9.2.1 Giekurve ................................................................................................. 79

9.2.2 Giestrahlcharakter, Auftreffbereich und Fallhhe ................................... 81

9.2.3 Untersuchungen mit dem Ziel der Gestaltung einer neuen Tmpelgeometrie .....................................................................................

85 9.3 Formfllung .............................................................................................. 92

10

Zusammenfassung und Ausblick .............................................................

97

11

Literatur ....................................................................................................

101

12

Anlage ......................................................................................................

110

Lebenslauf ................................................................................................

119

Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Abkrzungen

Zeichen Einheit Bezeichnung Kapitel

P kW Motorleistung

VH cm3 Hubraum

pm bar Mitteldruck (motorspezifischer Wert/Effektivitt eines Motors)

n min-1 Drehzahl

2.2

r Probendichte bei 20C

rW Dichte des Wassers

rmax absolute Dichte einer Legierung

rL

g cm-3

Dichte der Luft

m Probengewicht in Luft

m1 Probengewicht in Wasser

m2

g

Gewicht des Wassers

VP % Porositt

3.3.2

Re Reynoldszahl

n m2 s-1 kinematische Viskositt; im Temperaturintervall 740 bis 760C benutzt man ?n = 6,1 . 10-7 R m Hydraulischer Durchmesser

vmax m s -1 maximale Geschwindigkeit

s N m-1 Oberflchenspannung

r mm Tropfen-Abmessung

r g cm-3 Dichte der Schmelze

h mm kapillare Steighhe

g m s -2 Fallbeschleunigung an der Erdoberflche

Q Randwinkel

AE Querschnittsflche des Einlaufes

AL Querschnittsflche des Laufes

AA

mm2

Querschnittsflche des Anschnitts

6

vn Geschwindigkeit des vorletzten Elements der Fllungsfront

vn+1 Geschwindigkeit des letzten Elements der Fllungsfront

p Druck im letzten Element an der Fllungsfront

patm. atmosphrischer Druck v Geschwindigkeitsvektor

8

x mm2 Mittelwert

xD mm2 Streubreite des Mittelwertes 9

CAD Computer Aided Design 8

S&A Gieeinrichtung der Fa. Schmitz und Appelt (Typ A)

GRT Gierundtisch 5; 9

DAS mm sekundrer Dendritenarmabstand

Verzeichnis der Bilder

Bild-Nr. Beschreibung Seite 1 Gussstcke sind im Automobil sehr zahlreich vertreten 2

2 Potenziale und Forschungsschwerpunkte bei der Zylinderkopfherstellung aus Aluminium 2

3 Mittel und Methoden der Prozessanalyse zur Lsung der formulierten Ziele 4

4 F1 Ferrari Motor V10 (a) und Porsche/TAG-Heur Zylinderkopf mit Kopf-haube des Turbomotors fr McLaren (b) 5

5 Entwicklungsschwerpunkte der zuknftigen Motoren 6 6 Bezeichnung der Ansichten eines Zylinderkopfes 7 7 Funktion des Zylinderkopfes 8

8 Virtuelle Aggregatentwicklung die Ladungsbewegung im Brennraum be-einflusst durch Kanalgeometrie a) und Strmungssimulation im Wasser-mantel b)

8

9 Verfeinerung der Anforderungen 9

10

Art und Lokalisierung der mechanischen und thermischen Beanspruchung des 4-Ventil-Zylinderkopfes mit Rollenschlepphebel fr einen 6-Zylindermotor TDI und des 2-Ventil-Zylinderkopfes Pumpe-Dse fr einen 4-Zylindermotor

10

11 Temperaturbelastung im Brennraumbereich eines 2-Ventil Zylinderkopfes (a) und Spannungszustand am 4-Ventil Zylinderkopf Pumpe-Dse (b) 11

12 Vorgehensweise bei der Ursachenforschung von Gussfehlern 14

13 Null-Fehler-Produktion in Prozessketten mittels Qualittsplanung und -lenkung 15

14 Beherrschte Schmelzequalitt ist eine erforderliche Grundbasis fr den erfolgreichen Weg zu gewnschten Gussstckeigenschaften 16

15 Schnitt eines Zylinderkopfes aus AlSi6Cu4 mit Strukturbeispielen, Dendri-tenarmabstand, Hrte und mechanischen Eigenschaften ber der Bauteil-hhe

17

16 Ishikawa-Diagramm der Gieanlage: Haupteinflsse Ursachen und Wir-kungen auf die Zielgre Gussstckqualitt 18

17 Detaillierung eines Ishikawa-Diagramms fr den Gasgehalt von Al-Schmelzen 19

18 Einflsse auf die Gefgeausbildung und die Eigenschaften von Gussst-cken 19

19 Abhngigkeit der Wasserstofflslichkeit von der Temperatur fr verschie-dene AlSi-Legierungen bei einem Wasserstoffdruck von 1 bar 21

20 nderung der Wasserstoffgehalte durch die Umfllprozesse fr unbehan-delte und veredelte Schmelzen der Legierungen AlSi7Mg und AlSi9Mg 22

21 Zusammenhang zwischen dem Porosittsanteil, der Porengre und der Temperaturwechselbestndigkeit bei AlSi6Cu4 25

22

REM-Aufnahmen vom Gefge a) Bruchoberflchenstruktur in der Nhe von einem Defekt, Vergre-

rung 36x b) Struktur einer heterogenen Erstarrung der Silumin innerhalb und au-

er Oxidhaut, Vergrerung 150x

28

23 Struktur von AlSi7Mg0,3 mit groem Anteil an Oxidhuten (a) und groen Poren (b), Vergrerung 150x 29

24

Gussfehler beobachtet mit REM a) Bruchoberflche bei Anwesenheit von freigelegten Dendriten der a-

Phase / Vergrerung 200x b) Lunker / Vergrerung 100x c) Kombinierter Fehler / Vergrerung 170x

29

25 Gussfehler beobachtet mit REM 30

a) endogene Gaspore / Vergrerung 170x b) Detail vom Porenboden mit dem Skelettgebilde von intermetallischen

Phasen und Si-Kristallen/hell / Vergrerung 700x c) exogene Gaspore / Vergrerung 17x d) Detail der mit Oxiden belegten Wand einer Gaspore / Vergrerung

170x

26 Ablauf der metallographischen Probenauswertung unter Verwendung ei-nes computergesttzten Bildverarbeitungssystems 31

27 Bezugsflchen fr die Porosittsbestimmung 32

28 Zur Dichteprfung notwendige Analysenwaage (Typ BP 221S von Sartori-us AG) und Pyknometer 33

29 Bruchflche im undichten Bereich des Zylinderkopfes 34

30 Beispiele von kompakten Oxidhuten in der Struktur des Werkstoffes Al-Si10Mg (Vergrerung 50x) 35

31 Unterbrochener Abguss und Beispiel eines Defektes 35 32 Oxidhaut als Ursache eines undichten Zylinderkopfes 35 33 Gieverfahren fr Aluminium-Zylinderkpfe 38 34 Mglichkeiten der Gielagen-Orientierung 39

35 Bewertungskriterien der Form-/Gielage und Giesystemtechnik bei Zylin-derkpfen 39

36 Verkettung der Prozessstufen in einer Al-Gieerei mit dem Schwerpunkt Schmelzetransport 41

37 Ausbildung des Giestrahles whrend des ersten Umfllprozesses nach einer Giezeit von 10s fr eine kurze (a) und lange (b) erste Umfllzeit und Mechanismus der Lufteintragung in die Schmelze

42

38 Schematische Darstellung des Metalltransportes beim Zylinderkopfguss 43

39 Vier unterschiedliche Anordnungen von Schmelz-, Behandlungs- und Gieaggregaten zum Kokillenschwerkraftgieen 44

40 Giekarussell mit sechs Kokillenmaschinen, manuellem Kerneinlegen und einem Gieroboter mit zwei Gielffeln 45

41 Metalltransportanalyse beim Schmelzen von Aluminium im Erdgas-schachtofen und Gieen auf einem Giekarussell 45

42 Illustrative Veranschaulichung des Effektes von steigender Fallhhe beim Schwerkraftguss von Aluminium 46

43 Umfllvorgang soll bei minimalen Fallhhen verlaufen 46 44 Geschwindigkeitsprofil beim Gieen mit einer Pfanne 47

45 Typische Giesysteme zum Gieen von Eisenlegierungen a und b, und zum Gieen von Al-Legierungen c bis e 49

46 Krftegleichgewicht auf der Grenzflche; die Trgheitskrfte infolge der Geschwindigkeit haben einen Hang zum Oberflchendurchbruch, aber die Oberflchenspannung leistet Widerstand

51

47

a) Einsatz von einem Siebkern oder einem Gewebefilter b) geteilter Einlaufquerschnitt c) Einsatz von einem Schaumfilter d) Schlangenlauf e) Z-frmiger Eingiekanal

52

48 Bodengussprinzip fr Zylinderkpfe 53

49

a) Zylinderkopf mit Keramikfilter im Giesystem (Volvo) b) Zylinderkopf mit Giesystem, Brennraumseite oben (Skoda) c) Zylinderkopf mit Giesystem (GM) d) Kokille zur Zylinderkopfherstellung nach dem Bodengussprinzip

54

50 Von der Seite, im Kettenkasten, angeschnittenen Zylinderkopf mit Speiser 55

51 Drei Typen von Etagenanschnitten und Schema eines Giesystems nach Typ A 56

52 Schematische Darstellung der Kokille 56

53 Rumliches Schema der Kokille mit Hauptbestandteilen 57

54 Zylinderkopf GM gegossen durch Speiser (DYPUR-Eingieverfahren) und schematisch dargestelltes Speisungssystem 57

55 Untersuchungen zur Formfllung ber Speiser 58

56 Charakteristische Abmessungen des Gietmpels fr Kopfguss und Dar-stellung des Giestrahles beim Gieen 59

57 Gietmpel des Kopfgussgiesystems an Kokillen fr Zylinderkpfe 59 58 Anordnung und Ausfhrung eines Anschnittes 60 59 Konventionelles Giesystem und Variante mit geknickten Anschnitten 60 60 Strmungsformen im senkrechten und waagerechten Rohr 62 61 Geometrie von zwei Giesystemen zum Gieen von Zylinderkpfen 63 62 Bewegung der Flssigkeit entlang einer geneigten Wand 63 63 Beispiele geschnittener Zylinderkpfe 64 64 Zylinderkopf VW 1,0 l mit Giesystem und Speisern 64 65 Schematische Darstellung der mglichen Formfllungsunterbrechung 65

66 Positionierung des Schaumfilters im Kopfgussgiesystem (a) und andere Ausfhrung des Giesystems (b) 65

67 Versuchsdosiereinrichtung mit der glsernen Kokille 68 68 Effekt der Strmungsteilung beim Abguss 68

69 Beispiel der Simulation mit freier Oberflche, Software Fluent und STAR-CD 72

70 Arbeitsschritte bei der Simulation von Strmungsvorgngen 73

71 Bahnlinien von flieenden Teilchen; die Farbskala informiert ber die Str-mungsgeschwindigkeit 74

72 Geschwindigkeitsprofil im Kopfguss-Giesystem 75 73 Geschwindigkeitsprofil in den Anschnitten 75 74 Analyse der Richtung und Gre von Geschwindigkeitsvektoren 75

75 Turbulenz und statischer Druck am gietechnologisch ungnstigen gestal-teten Gielauf 76

76 Druckentwicklung im Gielauf bei nichtstationrer Simulation 76

77

Drei Phasen der automatischen Lffelfllung a) Phase 1: Schmelze fllt vom Siphoneinlass zum Lffelboden b) Phase 2: Groflchiger Atmosphrenkontakt bei der Lffelfllung c) Phase 3: Intensive Verwirbelung an der Lffelkontur

78

78 Oxidhautreste nach dem Abguss von AlSi6Cu4 im Bereich der Gie-schnauze mit den Gesamtabmessungen ( a ) und der Dicke ( b ) /Angaben in mm/

78

79 Verlauf der Gieleistung in Abhngigkeit von der Masse und der Zeit 79 80 Schematische Darstellung der Versuchsdosiereinrichtung 80

81 Steuerung des Kippens des Lffels nach Rautenbach [162] und gemesse-ne Gieleistung 80

82 Neue Steuerung des Kippens des Lffels und gemessene Gieleistung 80

83 Videotechnik fr Strmungsaufnahmen an der Versuchsgieeinrichtung zur Strmungsmodellierung mit Wasser 81

84 Einfluss der Gieschnauze auf den Querschnitt des Giestrahles (Str-mungsquerschnitt im definierten Abstand vom Behlter) 81

85 Phasen der Tmpelfllung bei der Modellierung mit Wasser; aufgenommen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera durch Plexiglas 82

86 Hochgeschwindigkeitsaufnahmen an realen Kokillen; Gieroboter mit Gielffel in Gieposition 82

87 Wanderung des Giestrahls beim Abguss bedingt durch unstabile Schnauzenpositionierung (a) und vernderliche Gieleistung (b) 83

88 Querschnitte des Giestrahls beim Handguss (links) und Roboterabguss (rechts) 83

89 Strahlcharakter beim Gieen von Aluminium und pulsierende Strmung bei technologisch nicht beherrschtem Abguss 84

90 Gielffel mit eckiger Gieschnauze und durch die Oxidhaut und den O-xidschlauch vor weiteren Oxidation geschtzte Schmelze 85

91 Vorschlag einer neuen Gietmpelgeometrie und das erzeugte Glasmo-dell 86

92 Lffelposition am Gietmpel a) indirekt- Gieeinrichtung Typ A (siehe auch Bild 5.1.1A) b) direkt - Giekarussell

86

93 Strmungsuntersuchungen an der glsernen Kokille mit direktem und indi-rektem Abguss 87

94 Phasen der Fllung der glsernen Kokille mit gefrbtem Wasser 87 95 Darstellung des Messschriebs der Temperaturaufnahmen an den Kokillen 88

96 Zeitregime am Gierundtisch und der Giezelle mit der Gieeinrichtung vom Typ A 88

97 Mittels Dichteprfung ausgewertete Porositt im Nockenwellenbereich des Zylinderkopfes 90

98 Gemessene Porositt im Brennraum und Wasserraumkernbereich beim direkten und undirekten Abguss 90

99 Optimierter Gietmpel fr Kopfguss 91

100 Gnstiger (a) und ungnstiger (b) bergang des Gietmpels in den Gie-lauf 92

101 Wassermodellierung am transparenten Giesystem in drei Fllungsphasen 92

102 Giesystem mit Quarzglasscheibe und Querlauf nach unterbrochenem Abguss erstarrende Schmelze unter den Anschnitten 93

103 Wanderung des Giestrahls durch die vernderliche Duckenergie in nach-einander folgenden Fllungsetappen der Gielauffllung 94

104 Phasen der Formfllung, aufgenommen durch die Hochgeschwindigkeits-kamera 95

105 Gusstcke nach dem unterbrochenen Abguss, drei Stufen 96 106 Entlftung des Gielaufes ber dem ersten Anschnitt und an seinem Ende 97

Anlage

1 Abhngigkeit des Dendritenarmabstandes von der Erstarrungsgeschwin-digkeit, Werkstoff AlSi9Cu3 110

2 Vergleich mit verschiedenen Gieverfahren erzielten Festigkeitseigen-schaften; Verdeutlichung der Unterschiede bei den erzielten Streubreiten 110

3 DAS-Verlufe in Abhngigkeit vom Herstellungsverfahren 110

4 Qualittsindex fr mit konventioneller Technologie gegossene Zylinderkp-fe und fr Rotacast-Zylinderkpfe 111

5 Dauerschwingfestigkeit (R=0,05; T=150C; 50 Hz) an Werkstoffproben aus Realgussteilen, gegossenen durch unterschiedliche Gieverfahren 111

6 Einteilung von Gieverfahren nach VAW 112

7 Break-even-point-Bestimmung beim Kostenvergleich zwischen Kokillen-gie-(KGV), und Kernpaketverfahren 112

8 Kostenvergleich zwischen dem Kokillenschwerkraftgieen- (KGV), dem Grnsand- (GSFV) und dem Kernpaket- (Cosworth) Verfahren auf der Ba-sis einer Jahresproduktion von 130.000 Aluminiummotorblcken

112

9 Kostenvergleich Lost Foam und Niederdruckguss beim Gieen von Zylinderkpfen 113

10 Verbindung des Etagengiesystems mit getrennter Formhohlraumfllung und nachfolgender Speiserfllung 113

11 Punktueller Kopfguss zum Gieen von Zylinderkpfen entwickelt von Fo-seco 113

Tabellenverzeichnis Tabelle-Nr. Beschreibung Seite

1 Spitzendrcke und temperaturen an PkW Otto- und Dieselmo-toren 11

2 Entstehungsursachen von Porositt in Gussstcken und ihre Beeinflussung durch die Fertigungsbedingungen 21

3 Zulssige Werte der Reynoldszahl und der Trgheitskrfte fr die Elemente des Giesystems 50

4 Legende zum Bild 6.1.2 55

5 Werte von hnlichkeitskriterien fr das Wassermodell mit der Anwendung bei Stahl-Systemen 71

6 Ergebnisse der Zeitlupe fr die Hochgeschwindigkeitsaufnahme der Gielauffllung 96

Anlage

1 Mechanische Eigenschaften der Al-Gusslegierungen fr die Zylinderkpfe 114

2 Bewertung der Gieverfahren hinsichtlich der wichtigsten Merkmale 115

3 Bewertung verschiedener Anschnittsysteme 116

4 Anforderungen an die Werkzeuge bei unterschiedlichen Gie-systemen 117

5 Bewertungsmatrix Kopf- und Bodenguss 117 6 bersicht von gieereitechnischen Simulationsprogrammen 118

1

1 Einleitung. Problemdarstellung und Ziele der Arbeit Die Automobilproduktion nimmt weltweit eine fhrende Stellung in der Gesamtwirtschaft ein. So werden in Europa mehr als 20 Mio. Pkw produziert [1]. Die Automobilindustrie wird auch perspektivisch ein strategischer Gussabnehmer bleiben (Bild 1), daher ist es notwendig die Entwicklungstrends in dieser Branche zu verfolgen [2].

Die Automobilhersteller sind aufgefordert, den Kunden Produkte mit immer hherem Komfort, grerer Funktionalitt und Sicherheit, bei extrem hoher Zuverlssigkeit, anzubieten. Die Au-tomobilzulieferindustrie steht auerdem unter einem starken Kostendruck, welchem sie vor-dergrndig durch die Umsetzung von Innovationen entgegenwirkt. Im Automobilbau steht die Forderung nach Leichtbaukonzepten unter Nutzung von Aluminium als eine wichtige Aufgabe an. Z.B. werden in den USA bereits 70% aller Al-Gussteile fr die Automobilindustrie herge-stellt. Der berwiegende Teil von gegossenen Motorkomponenten aus Aluminium wird heute in metallischen Dauerformen hergestellt. Aus den Ansprchen an das Gesamtfahrzeug folgen die hohen Anforderungen an einzelne Komponenten und sogar an einzelne Baugruppen von Komponenten.

Der Zylinderkopf ist eines der komplexesten Gussstcke und im Automobilmotor neben dem Zylinderkurbelgehuse das geometrisch komplizierteste. Zylinderkpfe fr Personenkraftwa-gen werden heute ausschlielich aus Aluminium erzeugt. Die Motorforschung und neue Ent-wicklungen des Motors wirken sich direkt auf den Zylinderkopf aus. Die gegossenen Zylinder-kpfe werden stndig komplizierter, wobei sie den hheren Anforderungen in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften gerecht werden mssen. Um die steigenden Anforderungen an gegossene Zylinderkpfe erfllen zu knnen, sind sowohl die Konstrukteure als auch die Gieer aufgefordert stndig neue, innovative Lsungen zu suchen. Als Ergebnis der vielge-staltigen Bemhungen zur effektiven Fertigung hochleistungsfhiger Gussteile fr die Auto-mobile wurden verschiedene Fertigungsvarianten entwickelt. Eine breite Palette von Gie-verfahren und der Gussstckpositionierung in der Form (Kap. 4), verschiedene Gieaggre-gate, incl. ihrer Anordnung in Giezellen (Kapitel 5), der Art des Giesystems (Kap. 6) und letztendlich eine objektive Bewertung der Gussstckqualitt (Kap. 3.3.2) sind charakteristi-sche Schwerpunkte der Produktion eines Zylinderkopfes. Auch die, in den letzten Jahren in-tensiv genutzte Simulation des Gieprozesses ist hinsichtlich ihrer Aussagekraft zur Form-fllung des Schwerkraftkokillengusses verbesserungsbedrftig und kann nur begrenzt fr eine praktische Optimierung des Giesystems genutzt werden (Kap. 8).

Welche Potenziale bieten sich dem Gieer bei der Erfllung von solchen Aufgaben berhaupt an? Die Ergebnisse von berlegungen hierzu sind im Bild 1.2 mit Beispielen fr Aufgabenfel-der und Lsungsanstze in Themenbereichen dargestellt. Die Potentiale sind systematisch gegliedert, d. h. von Manahmen im Rahmen der Technologieplanung, ber die Schmelze-behandlung und Verfahrensoptimierung bis zur Behandlung von fertigen Gussteilen.

Neben der Entwicklung neuer Form- und Gieverfahren ist die Verbesserung konventionel-ler und in der Praxis bewhrter Verfahren von besonderem Interesse. Die Themenstellung der vorliegenden Arbeit lautet deshalb:

Gievorgnge beim Kokillenguss von Al -Legierungen.

2

Mit der Optimierung des Gievorganges fr die Fertigung von Zylinderkpfen werden fol-gende Ziele verfolgt:

Kritische Analyse von Kopfguss-Giesystemen zum Gieen von Zylinderkpfen im Vergleich zu anderen Giesystemen; Herausarbeitung von Schwachstellen und Ab-leitung von Optimierungspotentialen,

Erprobung und Einsatz der optimierten Gietechnologie in der Praxis, bezogen auf den Metalltransport der Schmelze vom Warmhalteofen zum Formhohlraum mit dem Ziel der Null-Fehler Produktion und der Steigerung der mechanischen Eigenschaften der Zylinderkpfe.

Radtrger

Querlenker

Hinterachsgehuse

Differentialgehuse

Trapezlenker

Lngslenker

Seitenteil

KurbelgehuseZylinderkopf

Auspuffkrmmer

KurbelwellePleuel

Kolben

Ketten-/Rderkasten

LagerdeckelMotorabdeckung

lwanne

AnsaugkrmmerKopfhaube

Armaturenbrett FuhebelGetriebegehuse SchwungscheibeLenkrad-Skelett LenkgehuseSpiegeltrger Turbogehuse

BremssattelBremsscheiben/-trommelFelgen

SitzskelettKarosserieteile/

-Knoten

Schwenklager

Querlenker Achstrger

Radtrger

Querlenker

Hinterachsgehuse

Differentialgehuse

Trapezlenker

Lngslenker

Seitenteil

KurbelgehuseZylinderkopf

Auspuffkrmmer

KurbelwellePleuel

Kolben

Ketten-/Rderkasten

LagerdeckelMotorabdeckung

lwanne

AnsaugkrmmerKopfhaube

Armaturenbrett FuhebelGetriebegehuse SchwungscheibeLenkrad-Skelett LenkgehuseSpiegeltrger Turbogehuse

BremssattelBremsscheiben/-trommelFelgen

SitzskelettKarosserieteile/

-Knoten

Schwenklager

Querlenker Achstrger

Bild 1 Gussstcke sind im Automobil sehr zahlreich vertreten

Die in Bild 2 gekennzeichneten Themen Schmelzetransport und Giesystem tragen ei-nerseits zur Leistungssteigerung von gegossenen Zylinderkpfen und anderseits auch zur Ausschussminimierung bei. Das betrifft nicht nur den Schmelzetransport im Giesystem und Formhohlraum, sondern auch den Transport der metallurgisch vorbereiteten Schmelze zum Aufnahmeelement des Giesystems.

Verwendung anderer Standardwerkstoffen (auch Verbundwerkstoffe)

Reinigung Nachlegieren Kornfeinung Veredelung Entgasung

Schmelzetransport Filtration

Schutzatmosphre Wrmehaushalt und Abkhlung Entlftung

Kippguss Gradientenguss

Optimierung fr Legierungen Optimierung des Einsatzes fr typisch im Rahmen der DIN-Zusammensetzung warmaushrtbare Legierungen

Ultraschallbehandlung Erstarrung unter Druck Hei-/Kaltisostatisches Pressen

Werkstoffauswahl

Schmelzebehandlung

Optimierung der Gieereitechnologie

Nutzung physikalischer Wirkeffekte

Sonderverfahren

Wrmebehandlung

Oberflchenbehandlung

Neue Werkstoffe Standardwerkstoffe (auch Verbundwerkstoffe)


Schmelzetransport Giesystem und Speisungssystem Filtration


Mitteldruckguss


Hei-/Kaltisostatisches Pressen

WerkstoffauswahlWerkstoffauswahl

SchmelzebehandlungSchmelzebehandlung

Optimierung der GieereitechnologieOptimierung der Gieereitechnologie

Nutzung physikalischer WirkeffekteNutzung physikalischer Wirkeffekte

SonderverfahrenSonderverfahren

WrmebehandlungWrmebehandlung

OberflchenbehandlungOberflchenbehandlung

Modifikation von

Imprgnierung Beschichtung (z.B. PVD) Konzentrierte Energiezugabe

Verwendung anderer Standardwerkstoffen (auch Verbundwerkstoffe)


Schmelzetransport Filtration


Kippguss Gradientenguss


Ultraschallbehandlung Erstarrung unter Druck Hei-/Kaltisostatisches Pressen








Neue Werkstoffe Standardwerkstoffe (auch Verbundwerkstoffe)


Schmelzetransport Giesystem und Speisungssystem Filtration


Mitteldruckguss


Hei-/Kaltisostatisches Pressen








Modifikation von

Imprgnierung Beschichtung (z.B. PVD) Konzentrierte Energiezugabe

Bild 2 Potenziale und Forschungsschwerpunkte bei der Zylinderkopfherstellung aus Aluminium

3

Ein Schwerpunkt dieser Arbeit ist der Metalltransport unter der Voraussetzung, dass die Schmelze einen guten metallurgischen Qualittsstandard im Warmhalteofen aufweist. Dabei werden bei einer entsprechenden Gestaltung Voraussetzungen fr hochwertige Gussteile geschaffen. Im Vordergrund aller Optimierungsvorhaben stehen die erreichte Gussstckqua-litt und der Ausschussanteil. Die Qualittskriterien und die Qualittsbewertung von Guss-stcken werden im Kapitel 3 diskutiert. Durch die aus Untersuchungen resultierenden tech-nologischen Manahmen soll in erster Linie der undichte Guss vermieden werden. Die tech-nologischen Manahmen beziehen sich auf die Umfllprozesse beim Schmelzetransport und auf die Giesystem-/Formfllung. Der einzelne Abguss steht im Mittelpunkt. Dies haben drei Aspekte hervorgerufen:

1. In der Fachliteratur wird stets darauf orientiert, die Schmelze auch beim Schwerkraftguss ruhig zu transportieren. Der Kopfguss wird dabei nur selten als Beispiel aufgefhrt (An-schnittsystem und Gietechnologie). In diesem Zusammenhang ist die Frage zu disku-tieren, ob beim Fllen des Gietmpels ungnstige dynamische Strmungsverhltnisse entstehen (siehe Bild 37). Das Ziel wurde dabei so formuliert: Festlegung einer zweckmigen Art des Abgie-ens.

2. Der zweite Grund ist der Aspekt, dass fr den Start des Seriengieens nach der von Hand gegossenen Vorserie eine erhhte Ausschussrate typisch ist. Vermutlich hat also die Fhrung des Giestrahls und der Charakter der Giesystemfllung einen bedeuten-den Einfluss. Es wurde folgendes Ziel formuliert: Herausarbeitung der Unterschiede beim Abgie-en durch einen Gieautomat gegenber einem erfahrenen Gieer und Applika-tion der Erkenntnisse auf die Robotersteuerung.

3. Der dritte Grund war der Einsatz einer breiten Palette von Gietmpeln in zwei repr-sentativen Kokillengieereien, Bild 57. Die konstruktive Mannigfaltigkeit charakterisieren unterschiedliche Verhltnisse der Masse des Tmpels zu den Massen des ganzen Giesystems, die sich zwischen 15 und 40% bewegen. Dabei war nicht klar, welche Geometrie welche Wirkung auf die Qualitt des Gussteiles besitzt. Es wurde ein Ziel formuliert: Einsatz eines universellen Gietmpels in allen Ko-killen, die zur Herstellung von hochkomplizierten Teilen, wie z. B. durch Kopfguss erzeugte Zylinderkpfe, verwendet werden.

Nach umfangreichen Untersuchungen wurden zwei Methoden ausgewhlt und ihre Aussa-gekraft definiert, mit denen in den gegossenen Zylinderkpfen aus Aluminium die Porositt ausgewertet wurde (Kapitel 3.5). Dieser Parameter wurde als ein Kriterium der Homogenitt des Werkstoffes definiert, d. h. er ist ein Qualittskriterium und beeinflusst die dynamischen Eigenschaften bei hheren Temperaturen.

Die Kopfgussgiesysteme werden in der Fachliteratur aus theoretischer aber auch aus prak-tischer Sicht sehr selten diskutiert. Daher widmet sich Kapitel 6 diesem Gegenstand. Die mglichen Richtungen der Strategie zur Prozessanalyse, orientiert auf die Strmungsprob-lematik, stellt das Bild 3 dar. Basis dafr ist die Visualisierung des realen Prozesses mit Hilfe von Videotechnik. Die an der zusammengebauten Kokille nicht sichtbaren Strmungsvor-gnge wurden mit Hilfe von warmfesten Glasscheiben aufgedeckt (Kapitel 7.1 und 9). Es wurde eine glserne Kokille aus Kunstharz gefertigt, Strmungsuntersuchungen mit Was-

4

ser durchgefhrt (Kapitel 7.2 und 9) und eine Computersimulation eingesetzt (Kapitel 8.2). Es wurde die Nutzung der hnlichkeitstheorie und einer theoretisch-physikalischen Basis der Computersimulation beschrieben (Kapitel 8).

Analyse des Prozesses am realen Giewerkzeug

Strmungsuntersuchungenam durchsichtigen Modell

Nutzung der Computersimulation

physikalisches Modell

phys. Eigenschaften

Anfangsbedingungen

glsernen Gieform:

Kunstharz

feuerfeste Werkstoffe

(z. B. Aerogel)

1. Videoaufnahmen - klassische Videotechnik - Hochgeschw.-Kamera

2. Kontaktmethode

3. Thermographie

4. Radiographie

Vernetzungswerkzeuge

mathematische Methode

a)

b)

)

Einsatz derhnlichkeitstheorie

Analogie mit

a) Wassermodell

b) Elektromagnet.

Videoaufnahmen an der

Grundlage

Beispiele Modell:8

Analyse des Prozesses am realen Giewerkzeug

Strmungsuntersuchungenam durchsichtigen Modell

Nutzung der Computersimulation

physikalisches Modell

phys. Eigenschaften

Anfangsbedingungen

glsernen Gieform:

Kunstharz

feuerfeste Werkstoffe

(z. B. Aerogel)

1. Videoaufnahmen - klassische Videotechnik - Hochgeschw.-Kamera

2. Kontaktmethode

3. Thermographie

4. Radiographie

Vernetzungswerkzeuge

mathematische Methode

a)

b)

)

Einsatz derhnlichkeitstheorie

Analogie mit

a) Wassermodell

b) Elektromagnet.

Videoaufnahmen an der

Grundlage

Beispiele Modell:8

Bild 3 Mittel und Methoden der Prozessanalyse zur Lsung der formulierten Ziele

Es sind nicht nur die konjunktur- oder jahresbedingten Marktschwankungen, welche den Au-tomobilproduzenten Sorgen bereiten. Ein zunehmendes Problem stellt der sinkende Gewinn als Ergebnis des Konkurrenzkampfes dar, der die Automobilwerke zwingt, stndig hhere Qualitt fr niedrigere Preise anzubieten [3]. Daraus folgt, auch in der Zulieferindustrie ent-steht ein gesteigertes Konkurrenzverhalten. Die Prognose der Weltbank, dass im Bereich der Automobilindustrie in den nchsten 30 Jahre die Produktion in Osteuropa um 200% und in Asien sogar um 3000 bis 9000% steigen soll, gibt etwas Hoffnung.

In den letzten Jahren hat sich die Erkenntnis deutlich vertieft, dass insbesondere unser Fachwissen ein ganz wichtiger Produktionsfaktor ist, der mit fortschreitender Zeit zunehmend auch noch an Wichtigkeit gewinnen wird. Wie kann angesichts dieser Entwicklung der str-mische Informationsfluss fr neue Ideen und Techniken sinnvoll und umfassend ermittelt und bewertet werden? Lassen sich Perspektiven fr die Zukunft, zum Beispiel der Verbren-nungsmotoren, durch zusammengetragenes Wissen berhaupt erkennen?

Offenkundig ist, dass der Erwerb von Know-how und Wissensweiterentwicklung zum Thema Motorentechnik einem hochdynamischen Prozess unterworfen ist. Er erschwert Zukunftsori-entierung und bleibt ohne gezielte Konzepte und weiterfhrende Methoden sicher auch ohne durchgreifende Wirkung im Management. Wissensgesttzte Unternehmensfhrung garantiert aber bei den meisten internen Prozessen und Entscheidungen jene Basis fr Handlungssi-cherheit, die notwendig ist, um sehr konsequent im Sinne von erkannten Zukunftsperspekti-ven zu entscheiden. Tendenzen frh zu erkennen ist wichtig, um ebenso frhzeitig entspre-chende Weichen fr die eigenen Aktivitten zu stellen. Mit Entwicklungstendenzen im Auto-mobilbau beschftigen sich zahlreiche Fachleute [4-16]. Bis 2010 soll z. B. das Gewicht um 17% oder durchschnittlich 250 kg je Fahrzeug abnehmen [17].

Bei genauerer Betrachtung des Umfeldes, in dem sich Automobilhersteller heute bewegen, lsst sich unschwer erkennen, dass sich ein Spannungsfeld aufgebaut hat, das wegen seiner Komplexitt neue Produktdefinitionen zunehmend erschwert. Argumentationen kreisen um die Kernthemen Kraftstoffverbrauch, Emissionen, Gerusch und Fahrspa auf der einen Sei-te und schaffen Diskurse zu den Forderungen bezglich Kosten, Produktivitt und Markt auf der anderen Seite. Stichworte wie Sicherheit, First-to-Market und viele andere Aspekte ver-schrfen die Situation. Die Motorenentwickler sind bemht, im Sinne der Weiterentwicklung,

5

hohe Leistungsdichte mit immer niedrigeren Kraftstoffverbruchen und noch geringeren Emission in immer leichtere und wartungsrmere Motoren zu installieren. Dabei stehen die Motorenfachleute unter dem Zwang, die Entwicklungszeiten zu verkrzen, den Kostenan-stieg zu bremsen und die zunehmende Komplexitt zu meistern.

Die Flugzeuge und die Rennmotoren waren immer die ersten Trger von neuen Werkstoffen, Konstruktionen und Herstellungstechnologien. Im Bild 4 sind Beispiele fr sehr dnnwandige Gussstcke Zylinderkpfe fr Rennmotoren (sehr leichte Konstruktion) mit extrem hohen mechanischen Belastungen (durch sehr effektive Turbotechnik), bei hohen Temperaturen (sehr hohe Drehzahl) dargestellt. Sehr oft dauerte es auch Jahrzehnte, bis sich die neuen Gedanken und Verfahren in die Serienproduktion bertragen lieen. Das gilt hauptschlich fr Mehrventil- und aufgeladene Motoren, die heute zum Standard in Serienautos gehren.

a ba b

Bild 4 F1 Ferrari Motor V10 (a) und Porsche/TAG-Heur Zylinderkopf mit Kopfhaube des Turbomotors fr McLaren (b)

Im Bild 5 sind die Entwicklungsschwerpunkte der zuknftigen Motoren dargestellt. Sowohl der thermische als auch der mechanische Wirkungsgrad der Aggregate steigt weiter. Dafr sorgen hhere Znddrcke, mehr Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen, Gewichtseinspa-rungen durch Leichtbau und die Reduzierung der Reibungsverluste [18]. Unmittelbare Be-gleiterscheinungen sind verringerte Baugren bei den Komponenten, deren strkere me-chanische und thermische Verformung und eine insgesamt steigende Leistungsdichte mit wachsenden Belastungen. In vielen Bereichen stoen bisher gebruchliche Werkstoffe an ihre Leistungsgrenzen und mssen entweder abgelst oder optimiert werden. Teilweise las-sen sich auch bisher nicht genutzte Potenziale einzelner Werkstoffe ausschpfen.

Eine groe Zahl dieser Zielsetzungen der modernen Motorenentwicklung ist bereits durch das Leistungspotenzial konventioneller, bekannter Werkstoffe erfllbar, wenn die Mglich-keiten konstruktiver Gestaltung, moderner Herstellungs-, Bearbeitungs- und Behandlungs-technologie konsequent genutzt werden. Die groe Teilevielfalt mit unterschiedlichen und komplexen Beanspruchungsmechanismen sowie neue Anforderungen des Motorenbaues sind jedoch nach wie vor fr die Nachfragen nach werkstofftechnischen Innovationen be-stimmend.

6

niedrigerKraftstoff -verbrauch

minimaleEmissionen

(Schadstoffe,Gerusche -akustischer

Komfort)

hoherWirkungsgrad

hoheLebensdauer

geringeWartungs -aufwand

Direkteinspri-tzung fr Otto-

Form desDachbrenn -

raumes

Selbststn-dige Pumpen-elementefr

jedenZylinder

Steuerung2xOHC

variableVentilsteuerung

Zahl derVentile

komp. Ge-staltungder ZK(Nockenwellennher zueinan-

der gela-gert, ...)

speziell in derBeziehung zumZylinderkopf

De-Nox-Katalysatoren

Kanal -abschaltung Zylinder -

abschaltungbei grererZylinderzahl(12-Zylinder)

HybridAntrieb

(Elektromotor +Verbrennungs

motor)

Werkstoff -neuheiten(Keramik,

Composite,Kunststoffe)

optimierteMuldenform

Partikelfilter

Entwicklungs-schwerpunkte


minimaleEmissionen


Komfort)

hoherWirkungsgrad

hoheLebensdauer


allgemein

-tzung

und Diesel-Motor

-

Selbststndige Pumpenelementefr

jedenZylinder

2xOHC


der gela -gert , ...)

Strmungs -Optimierung

imEinlasskanal

speziell in der

Zylinderkopf


Kanal -abschaltung

Zylinder -abschaltungbei grererZylinderzahl

Hybrid-Antrieb


motor)




Partikelfilter


Verbrauchs- undEmissionsreduktion

Elektromecha-nischer

Ventiltrieb

VariableVerdichtung

Verbrennungvon H2

(12-Zylinder)

Impuls-aufladung

GekhlteAbgas-

rckfhrung

Angepasste Kraftstoff-

qualitt

Elektrisch untersttzte Aufladung

(hherer Ladedruck)


minimaleEmissionen


Komfort)

hoherWirkungsgrad

hoheLebensdauer


Direkteinspri-tzung fr Otto-

Form desDachbrenn -

raumes

Selbststn-dige Pumpen-elementefr

jedenZylinder

Steuerung2xOHC

variableVentilsteuerung

Zahl derVentile


der gela-gert, ...)

speziell in derBeziehung zumZylinderkopf


Kanal -abschaltung Zylinder -

abschaltungbei grererZylinderzahl(12-Zylinder)

HybridAntrieb


motor)




Partikelfilter



minimaleEmissionen


Komfort)

hoherWirkungsgrad

hoheLebensdauer


allgemein

-tzung

und Diesel-Motor

-

Selbststndige Pumpenelementefr

jedenZylinder

2xOHC


der gela -gert , ...)

Strmungs -Optimierung

imEinlasskanal

speziell in der

Zylinderkopf


Kanal -abschaltung

Zylinder -abschaltungbei grererZylinderzahl

Hybrid-Antrieb


motor)




Partikelfilter


Verbrauchs- undEmissionsreduktion

Elektromecha-nischer

Ventiltrieb

VariableVerdichtung

Verbrennungvon H2

(12-Zylinder)

Impuls-aufladung

GekhlteAbgas-

rckfhrung

Angepasste Kraftstoff-

qualitt

Elektrisch untersttzte Aufladung

(hherer Ladedruck)

Bild 5 Entwicklungsschwerpunkte der zuknftigen Motoren 2 Der Zylinderkopf ein sehr kompliziertes und hoch beanspruchtes Guss-

teil

Bei der Realisierung von Forschungsarbeiten ist sehr oft eine Zusammenarbeit zwischen Universitt und Industriepartnern erforderlich. Wnschenswert ist es, wenn die Aufgabenstel-lung von dem Industriepartner initiiert wird, so dass eine praxisnahe und zielfhrende For-schung von ihm untersttzt und gefrdert wird. Gleichzeitig erleichtert dies die Umsetzung der Forschungsergebnisse in die betriebliche Praxis.

Ein Zylinderkopf in der blichen Form ist wirtschaftlich nur durch Gieen herstellbar, weil nur damit der Wasserraumkhlbereich formbar ist. Zur Herstellung des Wasserraumkhlberei-ches, der eine sehr komplizierte und filigrane Form hat, werden Sandkerne eingesetzt, die nach dem Abguss einer thermischen Degradation unterliegen und relativ einfach aus dem Gussstck entfernbar sind. In der letzten Zeit werden in Zylinderkpfen Drall-Einlasskanle eingesetzt, die ebenfalls nur mit Sandkernen herstellbar sind. Der Zylinderkopf ist ein repr-sentatives Bauteil fr das Kokillengieen allein im Fachbuch Kokillen fr Leichtmetallguss von Schneider [19] ist er elfmal als ein Beispiel dargestellt. Im Bild 6 ist ein Zylinderkopf mit den Abbildungen aller sechs Seitenansichten, sowie den fr die jeweilige Seite blichen Bezeichnung, dargestellt. Die Ventile dieses Zylinderkopfes wer-den durch Rollenschlepphebel angetrieben. Die Einlasskanle haben immer einen greren Durchmesser als die Auslasskanle, um eine mglichst schnelle Fllung mit Brenngas zu gewhrleisten. Die Untersuchungen in der vorgelegten Arbeit waren auf diesen Zylinderkopf und seine Fertigung gerichtet.

7

Nockenwellenseite/Haubenseite

Brennraumseite/Kompressionsseite

Stirnseite/Steuerseite/ Thermostatgehuseseite

Einlasskanalseite

Auslasskanalseite

VerschlussdeckelseiteWasserraumseite/

Nockenwellenseite/Haubenseite

Brennraumseite/Kompressionsseite

Stirnseite/Steuerseite/ Thermostatgehuseseite

Einlasskanalseite

Auslasskanalseite

VerschlussdeckelseiteWasserraumseite/

Bild 6 Bezeichnung der Ansichten eines Zylinderkopfes 2.1 Funktion des Zylinderkopfes im Motor

Die Berechnung, Auslegung und Gestaltung des Zylinderkopfes ist bei der Motorenentwick-lung von groer Bedeutung. Der Zylinderkopf bestimmt, wie sonst kaum eine andere Bau-gruppe, mageblich die Eigenschaften eines Motors im Hinblick auf das Betriebsverhalten. Der einteilige Leichtmetall-Zylinderkopf ist einer der komplexesten und gleichzeitig hchst beanspruchten Bauteile eines Verbrennungsmotors. Je nach Auslegungsphilosophie eines Motors werden deshalb auch unterschiedliche Konstruktionskonzepte angewandt. Zylinder-kpfe dienen zum Verschlieen der Arbeitszylinder von Brennkraftmaschinen und sind pro Zylinder mit jeweils mindestens einem Einlasskanal und einem Auslasskanal zum Einlass bzw. zum Auslass eines Gasstroms in einem im Zylinder begrenzten Brennraum versehen. Die Zusammenfassung der Funktionen des Zylinderkopfes stellt das Bild 7 vor.

Die Kompliziertheit von neuen Motoren beeinflusst direkt die Konstruktion von Zylinderkpfen und damit ihrer Herstellung. Neuentwicklungen fhren zu einer starken Erhhung der geo-metrischen Komplexitt der Bauteile und stellen damit hohe Anforderungen an den zum Ein-satz kommenden Werkstoff und die dazugehrigen Herstellverfahren. Ein reprsentatives Beispiel ist ein kompakter 5-Zylinder Zylinderkopf mit V-frmiger Anordnung der Zylinder.

Vierventil- und Fnfventiltechnologie pro Zylinder, optimierte Geometrie und Anordnung von Einlass- und Auslasskanlen, vollvariable Ventilsteuerung und direkte Einspritzung bei Die-sel- und Benzinmotoren sind schon normale Fachbegriffe fr die Motorentechnik von in Groserien hergestellten PKW [20-25].

8

die Elemente von Steuerung, Znd- und

Einspritzsystem

die Khlungbei Ketten - und

Zahnradsteuerung bildetder ZK einen Teil des zumSchutz dieser Elemente

erforderlichen Gehuses

beinhaltet

gewhrleistet

Funktion des Zylinderkopfes

die Elemente der variablen Steuerzeiten

von Ventilen und Steuerungen

die Elemente von elektronischen Regelsystemen

die Fllung und Splung des

Zylinders den Transport des ls an alle vorgesehenen Punkte und den guten Ablauf in

das Kurbelgehuse

formt Teil des Verbrennungsraumes

den Transport des Kraftstoffes (Pumpe-Dse Zylinderkopf)

die Elemente von Steuerung, Znd- und

Einspritzsystem

die Khlungbei Ketten - und

Zahnradsteuerung bildetder ZK einen Teil des zumSchutz dieser Elemente


bei Ketten - undZahnradsteuerung bildetder ZK einen Teil des zumSchutz dieser Elemente


beinhaltet

gewhrleistet

Funktion des Zylinderkopfes

die Elemente der variablen Steuerzeiten

von Ventilen und Steuerungen

die Elemente von elektronischen Regelsystemen

die Fllung und Splung des

Zylinders den Transport des ls an alle vorgesehenen Punkte und den guten Ablauf in

das Kurbelgehuse

formt Teil des Verbrennungsraumes

den Transport des Kraftstoffes (Pumpe-Dse Zylinderkopf)

Bild 7 Funktion des Zylinderkopfes

Bei der Produktentwicklung werden weiterhin betrachtet:

- max. Ventilhub und -durchmesser, ffnungswinkel, Ventilwerkstoff, Ventilsitzwerk-stoff,

- die Kanalgeometrie {Drall/Tumble} (Bild 8a), - Wassermantelausfhrung (Bild 8b),, - Brennraumaufteilung, - Akustik, Schwingungen, - lkreislauf, - Fertigbarkeit.

1,5

1

Einstrmung Strmungsrippen

Strmungsgeschwindigkeit m s-1

1,5

1

Einstrmung Strmungsrippen

Strmungsgeschwindigkeit m s-1

(a) (b)

Bild 8 Virtuelle Aggregatentwicklung die Ladungsbewegung im Brennraum beein-flusst durch Kanalgeometrie a) und Strmungssimulation im Wassermantel b) [26,27]

9

2.2 Anforderungen an Zylinderkpfe

Als selbstverstndlich wird heute angesehen, dass Metallguss-Motorteile ber die Dauer des vorbestimmten Motorlebens nicht durch eine Materialermdung ausfallen, die sich durch Risse uert. Diese Hauptfunktion ist durch gute Werkstoffkenntnisse und Tests immer bes-ser zu erfllen. Damit haben sich im Laufe der Zeit die Schwerpunkte in der Entwicklung er-weitert, nmlich von der Dauerfestigkeit in den Werkstoffquerschnitten bis zu den Anforde-rungen an abzudichtende Oberflchen, Bild 9. Diese Anforderung ist besonders beim Zy-linderkopf von hchster Bedeutung.

statischeFestigkeit

Temperatur-wechselbestndigkeit

dynamischeFestigkeit

Leckagefreiheit

innerhalb desWerkstoffes

an Oberflchenzu Dichtungen

Grenzflchenbetrachtungen

====== Zeitachse und Verfeinerungsrichtung =========================

F1 F1,F2 T1,T22

Betrachtungen an Werkstoffquerschnitten >>>>>>>>>>>>>>>>>>

statischeFestigkeit

Temperatur-wechselbestndigkeit

dynamischeFestigkeit

Leckagefreiheit

innerhalb desWerkstoffes

an Oberflchenzu Dichtungen

Grenzflchenbetrachtungen

====== Zeitachse und Verfeinerungsrichtung =========================

F1 F1,F2 T1,T22

Betrachtungen an Werkstoffquerschnitten >>>>>>>>>>>>>>>>>>

Bild 9 Verfeinerung der Anforderungen

Durch die effektive Wasserkhlung des Zylinderkopfes soll ein sicherer Betrieb auch bei ho-hen Belastungen ermglicht werden. Daher werden die Wasserraumkerne mit Hilfe von strmungstechnischen Simulationen stndig weiter optimiert, Bild 8b. Durch die Querdurch-strmung werden in dem kritischen Bereich im Steg der Auslassventile die Temperatur um zirka 30C gegenber einem lngsdurchstrmten Zylinderkopf reduziert, die Temperatur-unterschiede der Zylinder abgebaut und insbesondere der Druckwiderstand des Gesamtmo-tors um etwa 60% reduziert. Die effektive Wrmeabfuhr ist bei dnnwandiger Konstruktion gesichert, gleichzeitig stellt sie aber hohe Anforderungen an die Gietechnologie, da Un-dichtheiten zu 100% ausgeschlossen werden mssen. Die Dichtheit wird auch in bearbeite-ten Kanlen geprft. Im Zylinderkopf Pumpe-Dse wird der Kraftstoff durch die Kanle direkt im Bauteil transportiert. Diese Kanle werden ebenfalls mit einem berdruck von 0,2 MPa auf die Dichtheit geprft.

An die gegossenen Zylinderkpfe werden folgende Anforderungen gestellt:

niedrige Masse, Dichtheit im Wasserraum- und lraum (100% Kontrolle Lecktest; 0,2 MPa Testdruck), gewnschte Form (Konturen, z. B. zwischen Wasserraum und Einlasskanal Wanddicke

bis 2,5 mm) Werkstoffwiderstandsfhigkeit gegenber hohen mechanischen Belastungen durch:

- die Vorspannkrfte der Zylinderkopfschrauben, Bild 10, - die puls. Gaskrfte im Brennraumbereich und in den Auslasskanlen, Bild 10, - die thermischen Spannungen (Temperaturgradienten im ganzen Kopf einschlielich

wechselnde thermische Belastung), Bild 11, - Restspannungen aus dem Herstellungsprozess,

Oberflchenqualitt in den Einlass- und Auslasskanlen (durch die Oberflchenrauheit der Kanalkerne gegeben, Anforderung fr Einlasskanal RZ =70100mm; Tendenz 50mm),

bearbeitete Flchen ohne Ungnzen gesicherte Dichtheit nach der Bearbeitung in Wanddicken bis zu 2 mm.

10

Im Bild 10 sind die beanspruchten Bereiche eines Zylinderkopfes dargestellt. Eine der schrfsten Beanspruchungen des Werkstoffes fr Zylinderkpfe stellen die durch Tempera-turwechsel und Temperaturdifferenzen im Ventilsteg verursachten Spannungen dar. Wh-rend des Betriebes des Motors treten im Ventilsteg, im Verhltnis zu den anderen Teilen des Verbrennungsraumes sehr hohe Temperaturen auf. Der Ventilsteg mchte sich ausdehnen, wird aber vom wassergekhlten Zylinderboden daran gehindert. Der erfolgreiche Einsatz von Al-Gusswerkstoffen beim Auftreten von Temperaturwechseln, wie bei Zylinderkpfen, hngt daher von der Fhigkeit des Werkstoffs ab, wiederholte Temperaturwechsel zwischen Raum-temperatur und etwa 290C zu berstehen. Die Fhigkeit des Werkstoffs, Temperaturwech-selbeanspruchung zu ertragen, ist eine Funktion der Festigkeit bei Raumtemperatur und bei erhhten Temperaturen, der Kriechfestigkeit sowie der Zeitfestigkeit.

Die Motorentwickler stellen stndig hhere Anforderungen nicht nur im Brennraumbereich, sondern auch im Nockenwellenlagerbereich. Speziell der Schraubenauslauf im Aluminium-gewinde (Bild 10 grne Punktwolke) ist stark ermdungsbruchgefhrdet und oftmals Aus-gangspunkt fr in die umgebende Aluminiumstruktur verlaufende Schwingungsbrche. Die High-Cycle-Fatigue-Sicherheitsanalyse [13] dient zur Ermittlung der lokalen Sicherheit gegen Ermdungsbruch. Eine Verbesserung der Materialeigenschaften im Nockenwellenbereich ist bei der Positionierung direkt unter den Speisern sehr problematisch.

Einlass

Auslass

pGas=0,11 MPaTGas=50C

pVerbrennung=17 MPaTGas/mittlere=1700C


WeiterentwicklungFAntrieb, Ventile, PDE

pVerbr.=19 MPa

pEinspritzt=210 MPa

Tmax=300C

Einlass

Auslass


pVerbrennung=17 MPaTGas/mittlere=1700C


WeiterentwicklungFAntrieb, Ventile, PDE

pVerbr.=19 MPa

pEinspritzt=210 MPa

Tmax=300C

Bild 10 Art und Lokalisierung der mechanischen und thermischen Beanspruchung des 4-Ventil-Zylinderkopfes mit Rollenschlepphebel fr einen 6-Zylindermotor TDI und des 2-Ventil-Zylinderkopfes Pumpe-Dse fr einen 4-Zylindermotor [27,28]

Matoleranzen an den Zylinderkpfen werden durch den Automobilproduzenten vorge-schrieben. Beispielhaft sind die Matoleranzen fr einzelne Bereiche eines in Groserie her-gestellten Zylinderkopfes:

Einlasskanalffnung 0,4 mm, Brennraumhhe 0,15 mm,

bei Wandstrke 3,5 mm +0,5 / -1 mm.

Die allgemeine Toleranz fr Kokille und fr Kerne richtet sich nach DIN.

Tabelle 1 stellt die erreichbaren Drcke und Temperaturen beim Motorbetrieb dar. Mit neuen Technologien, hauptschlich bei Dieselmotoren, wie Common-Rail und Pumpe-Dse, wer-den diese Werte extrem gesteigert. Wie aus Gleichung ( 1 ) fr die Leistung eines Motors ersichtlich ist, spielt neben der Drehzahl auch der mittlere effektive Druck eine groe Rolle.

11

1200npV

P mH= ( 1 )

Somit sind die Bemhungen von Motorentwicklern klar.

Um so den Druck zu erhhen, ist es notwendig, den Wirkungsgrad des Verbrennungspro-zesses und selbstverstndlich den Einspritzdruck zu erhhen. Der Zylinderkopf wird nicht nur durch die greren Verbrennungsdrcke im Brennraumbereich belastet, sondern er bildet einen Trger der Einspritzelemente. Diese feinmechanischen Baugruppen widerstehen den hohen Drcken nur wegen ihres Einbaus in den Zylinderkopf. Tabelle 1 Spitzendrcke und temperaturen an PkW Otto- und Dieselmotoren [28]

Parameter Ottomotor Dieselmotor

Verbrennungsdruck [MPa] bis 6 bis 19

Effektiver Mitteldruck [MPa] bis 1,74 bis 2 Temperatur (an Wnden vom ZK bei der Abkhlung) [C] bis 300 bis 280

Abgastemperatur [C] bis 1000 bis 800 Erfahrungsgem sind kritische Zonen bezglich des Werkstoffverhaltens und der Bauteilbe-lastung bekannt, die die maximale Beanspruchung des Bauteils darstellen, Bild 11. Auch die Simulationen zeigen, dass die hchsten Belastungen im heien Bereich der Brennraummitte auftreten. Die hohen Materialtemperaturen fhren dort zu Spannungswerten, welche die Fliegrenze des im heien Zustand weniger festen Materials lokal berschreiten. Infolge der hohen thermischen Druckspannungen, insbesondere am Austritt der Glhstiftbohrung, kommt es zu deutlichen plastischen Dehnungen. Nach der Abkhlung finden sich in der heigestauchten Zone erwartungsgem auch die hchsten Zugspannungswerte. Diese Zugspannungen sind hier so hoch, dass die Streckgrenze des Werkstoffes wiederum erreicht wird und ein erneutes Plastifizieren auftritt. Die Folge ist eine im Motorbetrieb zyklisch wie-derkehrende plastische Dehnungsamplitude, welche die Voraussetzung fr den Low-Cycle-Versagensmechanismus darstellt.

Tem

pera

tur

100

140

220

180

260

300

Zugs

pann

ung

[MP

a]10

12

0

Tem

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140

220

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260

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Zugs

pann

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[MP

a]10

12

0

a) b) Bild 11 Temperaturbelastung im Brennraumbereich eines 2-Ventil Zylinderkopfes (a)

und Spannungszustand am 4-Ventil Zylinderkopf Pumpe-Dse (b) [29]

12

Bei bestimmten Varianten der direkten Benzineinspritzung ist die Situation noch kritischer, weil gerade die Einspritz- oder Zndungselemente sehr nahe positioniert sind. Aus diesen Grnden werden an das Gussstck im Brennraumbereich sehr hohe Anforderungen gestellt. Formen zur Herstellung von solchen Teilen mssen im Bereich des Brennraumes bei der Erstarrung intensiv gekhlt werden, um das Gefge so zu beeinflussen, dass diesen hohen Anforderungen entsprochen werden kann. Durch die intensive Khlung bildet sich eine feine Struktur, die durch einen niedrigen Dendritenarmabstand charakterisiert wird und gute Fes-tigkeitseigenschaften erwarten lsst.

Eine feine Struktur ist auch durch den Eintrag einer Energie mit hoher Dichte erreichbar. So ist nach dem Patent [30] mit Laserenergie der Bereich zwischen Einlass- und Auslassffnung behandelbar. Nach dem schnellen Wiederaufschmelzen erstarrt der geschmolzene Abschnitt in einer Richtung von der Matrix zur Oberflche. 2.3 Werkstoffe fr Zylinderkpfe

Durch Substitution des Werkstoffes Eisen durch Aluminium werden bei einem Zylinderkopf und einem Motorblock eines Mittelklassewagens ca. 30-35 kg Gewicht eingespart [6,31,32].

In den achtziger Jahren hat sich Aluminium als ein Werkstoff zur Groserienherstellung von Zylinderkpfen fr PKW durchgesetzt. Zurzeit liegt der durchschnittliche Anteil an Alumini-umguss im PKW um 90 kg [4]. Der Gesamtverband der Deutschen Automobilindustrie rech-net mit einer Verdoppelung dieses Anteils bis 2008 [1]. In den Lndern der EU werden ca. 90% aller Zylinderkpfe bzw. ca. 50% aller Verbrennungsmotoren aus Aluminium hergestellt. In den USA werden immer noch 50% der ZK aus Eisenlegierungen gegossen. Das kann man leicht erklren - die Eisengieereien haben eine starke Lobby in den Automobilkonzer-nen und der Anteil an grovolumigen Motoren ist deutlich grer als in Europa. Man muss aber nebenbei konstatieren, dass die amerikanischen Eisengieereien sehr modern ausge-rstet sind und den Kunden qualitative Gussstcke fr sehr gnstige Preise liefern, was sie gegenber der Konkurrenz mit Aluminiumgussstcken sehr attraktiv macht. Die Konstrukteu-re optimieren in Zusammenarbeit mit den Technologen die Konstruktion so, dass das Ge-wicht von Gusstcken drastisch sinkt. So ist z. B. aus dem Werkstoff EN-GJL-250 in Groserie das Zylinderkurbelgehuse fr den niedrigvolumigen Motor Ecotec von Opel gegossen worden. In [33] ist erwhnt, dass die Aluminiumausfhrung um 80 bis 120% teurer wird. Das heit, dass auf dem Gebiet der Zylinderkurbelgehuseherstellung die Aluminium-gieereien immer noch die Konkurrenz der Eisengieereien erwarten knnen. Die Zylinder-kopfproduzenten haben sehr oft im Herstellungsprogramm auch die Motorblcke, daher ist diese Situation hier angefhrt.

Die Hauptvorteile gegossener Bauteile aus Aluminiumlegierungen gegenber Eisenlegierun-gen sind: niedrige Dichte der Al-Legierungen, erheblich niedrigere Gietemperatur (somit ist das Gieen in metallischen Dauerformen

mglich) mit niedrigen Schmelzkosten, ausgezeichnete metallische Bearbeitbarkeit, ausgezeichnete Wrmeleitfhigkeit.

Hhere Drehzahlen bei Benzinmotoren erfordern eine bessere Wrmeabfuhr aus dem Brennraum. Die hohe Wrmebertragung des Aluminiums macht diese Leichtmetallausfh-

13

rung zur idealen Basis heutiger und knftiger Motorgussteile. Dazu trgt die stndig optimier-te Konstruktion des Wasserraumbereiches im Zylinderkopf bei. Es treten aber auch Nachtei-le auf:

niedrigere mechanische Eigenschaften, schlechtere Dmpfungseigenschaften, hohe Neigung zur Oxidation beim Schmelzen.

Es sind eine ganze Reihe von Al-Legierungen bekannt (Tabelle 1 der Anlage). Zur Auswahl stehen auch Legierungen mit hheren mechanischen Eigenschaften. Diese Legierungen sind aber meist schlecht giebar, was fr dnnwandige Gussstcke, wie Zylinderkpfe, sehr ungnstig ist. Zum Gieen von dnnwandigen Teilen ist ein sehr hohes Formfllungsverm-gen erforderlich. Bei den Legierungen mit breitem Erstarrungsintervall und mit grerem An-teil von intermetallischen Phasen verschlechtern sich die gietechnologischen Eigenschaf-ten. Die mechanischen Eigenschaften in Tabelle 1 der Anlage sind zwar den Herstellungs-verfahren zugeordnet, was aber nur einen groben Orientierungswert angibt. Diese DIN-Werte wurden an gegossenen Zugproben gewonnen. Die letztendlichen Eigenschaften des Gussstckes sind nicht nur von lokal unterschiedlichen Abkhlungsbedingungen abhngig, sondern auch von weiteren Faktoren des Gieprozesses; hauptschlich von der Reinheit der dem Hohlraum der Gieform zugefhrten Schmelze und dem resultierenden Porosittsgrad des Gussstckes.

Die Automobilkonzerne und die Automobilindustriezulieferer entwickeln neue Werkstoffe und optimieren dazu die Wrmebehandlung mit dem Ziel der Gewinnung von hheren mechani-schen Eigenschaften [34]. So benutzte z. B. FIAT fr seine Dieselmotoren die interne Legie-rung ASi9Cu1Mg0,4Fe0,25Zn0,1 [35] oder VAW die patentierte Zylinderkopflegierung Al-Si7Ni0,5Fe0,4Mg0,4Cu0,35Mn0,3Zn0,1Ti0,1 [36]. Die fr die Herstellung von Zylinderkpfen relativ exotische Legierungen AlMg5Si mit Zugabe von Cu und AlMgSi1Mn erwhnen [37] in ihrem Beitrag. Fr die luftgekhlten Zylinderkpfe ist es notwendig warmfeste Legierungen einzusetzen, wie z. B. AlCu5NiCoMnSbZrTi. Die Literaturstelle [38] beschreibt die Anforde-rungen an die Struktur, die hohen mechanischen Eigenschaften auch bei hheren Tem-peraturen aufweisen soll. Hauptschlich sind es feine, hoch dispersive und in gnstiger Mor-phologie erfolgte Abscheidungen von intermetallischen Phasen. Die Phasen, die sich wh-rend der knstlichen Aushrtung bilden, sollen bei hheren Temperaturen sehr schwer ko-agulieren. Bedeutend fr die Eigenschaften sind geringe Abmessung und eine groe Menge von Teilchen der festen Lsung und die Zusammensetzung, die Eigenschaften und die Art der Abscheidung von Phasen, die das Eutektikum bilden. 2.4 Allgemeine Bemerkung zum Zylinderkopf

Die Entwicklung im Motorenbau ist dynamisch. Sie fordert eine starke Flexibilitt der Giee-reien und stellt an die Gietechnologie hohe Anforderungen. Der Lebenszyklus einer Varian-te ist durch die effektive virtuelle Entwicklung von neuen Teilen bedeutend krzer.

Der Zylinderkopf ist ein reprsentatives Bauteil fr das Kokillengieen von Aluminiumlegie-rungen und einer der kompliziertesten und vielseitig beanspruchten Teile im Motor. Die dnnwandige Konstruktion des Zylinderkopfes ist zyklischen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Er soll in seinen Kanlen und bearbeiteten Flchen dicht sein. Die

14

mechanische Belastung steigt bei neuen Motoren auch im Nockenwellenbereich, was wie-derum hhere Anforderungen an die Gietechnologie stellt.

Es steht eine ganze Palette von konventionellen Werkstoffen zur Verfgung, aber auch neu entwickelte, welche sich durch hhere Kosten oder schlechtere Giebarkeit nicht durchset-zen knnen. Um Werkstoffeigenschaften im oberen Normbereich zu erreichen, ist eine stn-dige Optimierung der Gietechnologie erforderlich. 3 Qualittsbetrachtungen bei der Fertigung von Zylinderkpfen

Ambos u.a. [39] schreiben ber die strenge Bewertung von Lieferanten, bei der neben den Anforderungen an eine gleichmige hohe Qualitt auch Forderungen hinsichtlich einer gan-zen Reihe von Kriterien formuliert werden. So werden z. B. genannt:

- Reaktion auf Probleme (Korrekturmanahmen) und Effektivitt der Fehler-Ursachenanalyse,

- Vorschlge fr Produkt- und Prozessverbesserungen.

Z. B. ist die sogenannte VW-Liga ein Werkzeug zur Bewertung von Lieferanten des Kon-zerns, mit dem Ziel, den gegenseitigen Wettbewerb zu untersttzen, indem erreichte Quali-ttsergebnisse offen prsentiert werden.

Die Ursachenanalyse und die Prozessverbesserung sind heute Grundlage fr den wirtschaft-lichen Erfolg einer Gieerei. Sie erfordern Anwendung und Verknpfung multidisziplinrer Wissenschaftsgebiete . Das traditionelle Modell (Bild 12) zur Vorgehensweise bei der Ursa-chenforschung von Gussfehlern reicht oftmals nicht mehr aus. Die Ermittlung von Einfluss-gren ist ein wesentlicher Bestandteil, der sehr umfangreiche und grndliche Untersuchun-gen erfordert. Die Ursachenforschung ist damit gleichzeitig Basis fr die Prozessbeherr-schung. Nur mit der grndlichen Untersuchung des Ablaufs aller einzelner Prozessschritte ist es mglich die Einflussgren zu erkennen und zu definieren, d. h. jedoch noch nicht, dass damit fr die einzelnen Prozessablufe die optimalen Werte der einzelnen Parametern fest-gestellt sind. Sehr oft ist sogar das Endprodukt schlecht durch einzelne Eigenschaften, be-wertbar. So ist z. B. die Porositt fr die Bewertung der Qualitt von Gussteilen von groer Bedeutung. Bis heute gibt es aber keine allgemeingltige Definition des Porosittsgrades, die auf komplizierte Groserienteile wie Zylinderkpfe angewendet werden kann. Ebenso sind Ursachen und Einflussgren auf die Porositt ungengend erforscht.

Gieprozess

Einflussgren

Regler Sollvorgaben

Endprodukt

Ist

Eingangsgren

Prozessparameterx

wx - w

Gieprozess

Einflussgren

Regler Sollvorgaben

Endprodukt

Ist

Eingangsgren

Prozessparameterx

wx - w

Bild 12 Vorgehensweise bei der Ursachenforschung von Gussfehlern [39]

Das Ziel eines erfolgreichen Unternehmens ist die Null-Fehler-Produktion, die die Erprobung und Umsetzung einer Vielzahl von Detaillsungen erfordert. Der Erfolg dieser Manahmen

15

ist bestimmt von der Innovationskraft und der Lernfhigkeit eines Unternehmens. Diese Cha-rakteristika lassen sich umfassend durch eine systematische Qualittsplanung und -lenkung beeinflussen [40], Bild 13. Prozessketten zur Null-Fehler-Produktion verfgen hierzu ber:

- eine kurzfristige, dezentrale und - eine langfristige prozesskettenorientierte Qualittsplanung und lenkung [41].

Aufgabe der Prozessketten-Qualittslenkung ist die Analyse von Abweichungsursachen in der Prozesskette.

Prozessketten Qualittsplanung

Prozessketten Qualittslenkung

Identifikation berwachung Prfung

I

P

Anforderungen

Prozess-Qualittsplanung

Prozess-Qualittslenkung

PI

SchmelzenII

Soll

fehlerfreiesMaterial

Anforderungen



PI

KernschieenII

fehlerfreiesMaterial

Soll

Abweichungen



PI

GieenII



PI

Entkernen/Bearbeiten

II

Abweichungen

Abweichungen

Abweichungen

fehl

erfr

eies

P

rodu

kt

fehl

erfr

eies

P

rodu

kt

fehl

erfr

eies

P

rodu

kt

Soll Soll

Abweichungen

Abweichungen

Bild 13 Null-Fehler-Produktion in Prozessketten mittels Qualittsplanung und -lenkung

Ein anforderungsgerechtes Gussteil wird nur dann erreicht, wenn das eingesetzte Vormate-rial und die Schmelz- und Giebedingungen gewhrleisten, dass Einflussfaktoren wie Aus-scheidungsphasen, Oxideinschlsse und der Wasserstoffgehalt kontrollierbar sind [42,43]. Beim Kokillengieen von hochbelasteten, dnnwandigen und dichten Teilen ist in jedem Fall zu empfehlen, alle schdlichen Effekte zu vermeiden oder mindestens zu minimieren. Damit ist gemeint:

Rcklauf mit Spnen und Schmierl streng separat umschmelzen, Rcklaufmaterial aus abgetrennten Giesystemen muss unter besonderen Rah-

menbedingungen umgeschmolzen werden, weil der Gietmpel ein hohes Volumen von Oxiden im Verhltnis zum Gusstck beinhaltet,

Metallreste von Putzarbeiten sollten nicht in den Kreislauf kommen, der Tiegel vom Warmhalteofen sollte vor jedem Umfllen gereinigt werden, das Bad sollte vor der Freigabe zum Gieen immer przis abgekrtzt (Krtze ist ein

Gemisch von Metall, Oxid und Luft) werden [44].

Weitere Fehlerquellen nach [45] sind: zu langsames Einschmelzen, Nachsetzen von kaltem Metall, Berhrung der Flamme mit dnnwandigem Kreislaufmaterial, hohe Schmelzetemperatur, nicht geeignete Ofenauskleidung,

16

schlechte Ofenwartung, Tiegelreaktion, berveredelung.

Das Bild 14 zeigt schematisch die Eigenschaften und Parameter der Schmelze und die da-durch beeinflussten Qualittskennwerte des Gussstckes. Den gewnschten Eigenschaften des Gussstckes mssen aber nicht nur die Parameter der Schmelze angepasst werden, sondern auch die Prozessparameter des Gieens, Erstarrens und Nachbehandelns. Unter Praxisbedingungen sind viele Prozessparameter schwer quantifizierbar. Nur der Prozesspa-rameter Temperatur ist einfach messbar. In der Praxis ist es verbreitet den Wasserstoffge-halt der Schmelze zu berwachen. Diese Prfungen sind wie in [46] beschrieben problem-behaftet. Die Ergebnisse sind jedoch zum Zweck der Betriebsqualittskontrolle genug aus-sagekrftig. Eine wirksame Entgasung garantiert aber noch nicht die Herstellung porenarmer Gussstcke, da die Schmelzen meist whrend des Abstehens oder durch Gie- und Umfll-prozesse verbunden mit einer Oxidanreichung wieder Wasserstoff aufnehmen knnen.

chemische Zusammen -

setzung Spektrometer

Gasinhalt Vakuumtest

Metallurgie

thermische Analyse

Temperatur (auch manuell durch Gieer)

spezifische Abmessungen

und Form

mechanische Eigenschaften

und Gefge

Druckdichtheit

Oberflchen -qualitt

Meth. 1 Blase

Schmelze Gussstck




Metallurgie

thermische Analyse


Abmessungen und Form


und Gefge (DAS,Porositt)

Oberflchen -qualitt

Meth. 1. Blase

Schmelze GussstckGieprozess




Metallurgie

thermische Analyse


spezifische Abmessungen

und Form


und Gefge

Druckdichtheit

Oberflchen -qualitt

Meth. 1 Blase

Schmelze Gussstck




Metallurgie

thermische Analyse


Abmessungen und Form


und Gefge (DAS,Porositt)

Oberflchen -qualitt

Meth. 1. Blase

Schmelze GussstckGieprozess

Bild 14 Beherrschte Schmelzequalitt ist eine erforderliche Basis fr den erfolgreichen Weg zu gewnschten Gussstckeigenschaften

Die Kerne und Formhohlrume sind nicht selten so ausgebildet, dass an bestimmten Stellen, so an Vorsprngen, Kernspitzen, Querschnittsbergngen, Hinterschneidungen u.s.w. durch die Abkhlung und Erstarrung im Gussstck Bedingungen auftreten, die Spannungsspitzen, Verformungen und Instabilittserscheinungen hervorrufen, whrend unmittelbar daneben wesentlich gnstigere Verhltnisse vorliegen. Bei Zylinderkpfen ist somit oft der Werkstoff-zustand an eng begrenzten Partien (z. B. Ventilsteg) fr die Haltbarkeit des Bauteils bestim-mend [47]. Das Gussstck hat in Abhngigkeit von lokal unterschiedlichen Abkhlbedingun-gen auch unterschiedliche Eigenschaften, Bild 15. Neben den Abkhlungsbedingungen wer-den die Eigenschaften u. a. auch durch die Formfllungsart, die Gleichmigkeiten der Formhohlraumfllung, die Prparierung der Kokille und die Entlftung beeinflusst.

Die Gefgeausbildung ist durch den DAS relativ einfach charakterisierbar. Zur Feststellung des DAS ist es notwendig, Proben aus dem Gussteil zu entnehmen und metallographisch zu prparieren. Zwischen DAS und mechanischen Eigenschaften ist ein direkter Zusammen-hang feststellbar. Einfacher ist die Hrte an gegossen Bauteilen bestimmbar, welche eben-falls in direktem Zusammenhang zu den mechanischen Eigenschaften steht. Daher sind die Werte von DAS und Hrte Qualittskriterien fr die Abnahme von Gussteilen durch den Kun-den.

17

R2 = 0,8588

0 1 0 20 30 4 0 50 60 7 0

2

4

6

8

10

12

14

Hh

e [c

m]

R2 = 0,8588R2 = 0,8588

0 1 0 20 30 4 0 50 60 7 0

0

2

4

6

8

10

12

14

Bre

nnra

um

050100150200250300

Noc

kenw

elle

nber

eichDehnung [%]

Festigkeit [MPa]

Hh

e [c

m]

Mit Wrmebehandlung

Ohne Wrmebehandlung

Zugfestigkeit

0,2%-Dehngrenze

Bruchdehnung

Zugfestigkeit

0,2%-Dehngrenze

Bruchdehnung

3 2 1 0

80859095100

Brinellhrte HB

403020100 706050

DAS [m]

8

6

4

2

0

14

12

10

Bre

nnra

umbe

reic

h Was

serr

aum

kern

bere

ich

Der

obe

re B

erei

ch

unte

r dem

Spe

iser

DAS = 20 mm

DAS = 30 mm

DAS = 60 mm

DAS = 42 mm

Beispiel eines pseudohexagonalenAlMnFeSi-Kristalls auf der Struktur des Nockenwellenbereiches am Zylinderkopf

Brennraum

Noc

kenw

elle

nber

eich

R2 = 0,8588R2 = 0,8588

0 1 0 20 30 4 0 50 60 7 0

2

4

6

8

10

12

14

Hh

e [c

m]

R2 = 0,8588R2 = 0,8588

0 1 0 20 30 4 0 50 60 7 0

0

2

4

6

8

10

12

14

Bre

nnra

um

050100150200250300

Noc

kenw

elle

nber

eichDehnung [%]

Festigkeit [MPa]

Hh

e [c

m]

Mit Wrmebehandlung

Ohne Wrmebehandlung

Zugfestigkeit

0,2%-Dehngrenze

Bruchdehnung

Zugfestigkeit

0,2%-Dehngrenze

Bruchdehnung

3 2 1 0

80859095100

Brinellhrte HB

403020100 706050

DAS [m]

8

6

4

2

0

14

12

10

Bre

nnra

umbe

reic

h Was

serr

aum

kern

bere

ich

Der

obe

re B

erei

ch

unte

r dem

Spe

iser

DAS = 20 mm

DAS = 30 mm

DAS = 60 mm

DAS = 42 mm

Beispiel eines pseudohexagonalenAlMnFeSi-Kristalls auf der Struktur des Nockenwellenbereiches am Zylinderkopf

Brennraum

Noc

kenw

elle

nber

eich

Bild 15 Schnitt eines Zylinderkopfes aus AlSi6Cu4 mit Strukturbeispielen, Dendritenarmabstand, Hrte und mechanischen Eigenschaften ber der Bauteilhhe

18

Im Bild 15 sind die Verlufe von DAS und Hrte ber der Bauteilhhe und die entsprechen-den mechanischen Eigenschaften im Brennraum und im Nockenwellenraum dargestellt. Die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften aus dem Zugversuch ist bei Zylinderkpfen, bedingt durch die komplizierte und sehr dnnwandige Geometrie des Bauteils, nicht berall mglich. Fr die notwendigen Zugproben mit in Normen festgelegten Abmessungen, reichen oftmals verfgbaren Querschnitte z. B. im Wasser- und lraumbereich nicht aus. Auch das ist ein Grund dafr, dass die mechanischen Eigenschaften durch DAS, Hrte und Porositt charakterisiert werden. Die Gefgeaufnahmen im Bild 15 zeigen, dass die Defekte, z. B. Po-ren und Einschlsse, ber die Hhe des Bauteilquerschnitts nicht gleichmig verteilt sind. Gre und Anzahl der Defekte nehmen vom Brennraum in Richtung zum Speiser zu. Im Brennraumbereich wird eine sehr kleine Erstarrungszeit erreicht, was einen Porosittsgrad nahe Null zur Folge hat. Der im Bild 15 dargestellte Defekt im Brennraumbereich kann je-doch, befindet er sich in einem Ventilsteg, bereits Qualittsprobleme verursachen. Im Was-serraumkernbereich sind Lunker zu beobachten. Kompakte Oxidhute sind Ursache von Undichtheiten und treten hauptschlich im Bereich des Wasserraumkerns auf (siehe Kap. 3.4). 3.1 Prozessparameter

Der Prozess Gieen wird von einer groen Menge Faktoren beeinflusst. Im Ishikawa-Diagramm sind Einflussgren dargestellt, die die Situation veranschaulichen, Bild 16.

Ursachen Wirkung

Gu

ssst

ck

qu

alit

t

Umwelt

Material

Mensch

Verfahren

Wartung

Know -howWartungsplan

Qualittsbewusstsein

Arbeitsorganisation

Zeit

Fhrungsebene

Messergebnis

Dosierung

Einstellung

Ablesung

Messgert

Luftfeuchte

Jahreszeit

ungnstiger Standort

Khlungsmedium

Primrlegierung

Sekundrlegierung

Vorlegierung

Impf -, Reinigungs- und Veredelungsmittel

Kerne

Schlichte

Transport

Gieform

Schmelze

Oxidbildungchemische

Zusammensetzung

Temperatur

VeredelungKornfeinung

nachlegieren

RegelungDauerDauer

Einfahr-geschwindigkeit

Gieleistung

Behlter -Temperierung

ReinigungPositionierung

Temperierung Khlung

Reinigung

Zeitregime

Entlftung

Beschichtung

Konzentration

Eigenschaften

phys. Eigenschaften

Giesystem-Gestaltung

Eigenschaft en.

Know-how

Verunrei -nigungen

Verunrei-nigungen

Hersteller Toleranz

Lagerung

Eigenschaften.Nachfllen falschen Legierung

Gasaufnahme

Type

Nachfllen falschen Legierung

Verunrei-nigungen

Lagerung

Druckluftaufbereitung

Wassergehalt

lgehalt

AnforderungenKaufkriterien

Vorgaben

Wareneingangs-kontrolle

Qualittsprobleme Hersteller

Lagerung

Handling

Zeit Ort

Umwelt

Verwechslung

Verwechslung

Absaugung

Kernform -maschine

Know -how

Know-howKnow-

how

Kondensat

Schmelzrest

Kernrest

Technologie Formsand

Druckluftbehlter, Schiekammer

Schiezylinder, Schiekopf Kernkasten

Schiezeit

chem. Eigenschaften

phys. Eigenschaften

granulom. Eigenschaften

Gestaltung

Verfestigung

Aufbereitung Verdichtung

GeometrieAbdichtung

Entlftung

Temperatur

Platzierung,Dicke

Temperierung der Oberflche

Verunreinigungen

Beheizung

Ursachen Wirkung

Gu

ssst

ck

qu

alit

t

Umwelt

Material

Mensch

Verfahren

Wartung

Know -howWartungsplan

Qualittsbewusstsein

Arbeitsorganisation

Zeit

Fhrungsebene

Messergebnis

Dosierung

Einstellung

Ablesung

Messgert

Luftfeuchte

Jahreszeit

ungnstiger Standort

Khlungsmedium

Primrlegierung

Sekundrlegierung

Vorlegierung

Impf -, Reinigungs- und Veredelungsmittel

Kerne

Schlichte

Transport

Gieform

Schmelze

Oxidbildungchemische

Zusammensetzung

Temperatur

VeredelungKornfeinung

nachlegieren

RegelungDauerDauer

Einfahr-geschwindigkeit

Gieleistung

Behlter -Temperierung

ReinigungPositionierung

Temperierung Khlung

Reinigung

Zeitregime

Entlftung

Beschichtung

Konzentration

Eigenschaften

phys. Eigenschaften

Giesystem-Gestaltung

Eigenschaft en.

Know-how

Verunrei -nigungen

Verunrei-nigungen

Hersteller Toleranz

Lagerung

Eigenschaften.Nachfllen falschen Legierung

Gasaufnahme

Type

Nachfllen falschen Legierung

Verunrei-nigungen

Lagerung

Druckluftaufbereitung

Wassergehalt

lgehalt

AnforderungenKaufkriterien

Vorgaben

Wareneingangs-kontrolle

Qualittsprobleme Hersteller

Lagerung

Handling

Zeit Ort

Umwelt

Verwechslung

Verwechslung

Absaugung

Kernform -maschine

Know -how

Know-howKnow-

how

Kondensat

Schmelzrest

Kernrest

Technologie Formsand

Druckluftbehlter, Schiekammer

Schiezylinder, Schiekopf Kernkasten

Schiezeit

chem. Eigenschaften

phys. Eigenschaften

granulom. Eigenschaften

Gestaltung

Verfestigung

Aufbereitung Verdichtung

GeometrieAbdichtung

Entlftung

Temperatur

Platzierung,Dicke

Temperierung der Oberflche

Verunreinigungen

Beheizung

Bild 16 Ishikawa-Diagramm der Gieanlage: Haupteinflsse Ursachen und Wirkun-gen auf die Zielgre Gussstckqualitt

Bei der Konzentration auf einzelne Themen werden die Einflsse weiter detailliert, Bild 17. Es gibt unzureichende Ergebnisse ber die Wichtung der einzelnen Faktoren. Die Qualitt ist

19

nur bei Einhaltung aller optimaler Parametergren und gleichzeitiger Vermeidung von st-renden Einflssen erreichbar.

Einzelne Parameter knnen voneinander abhngen. Einflussgren knnen sich in ihrer Wirkung verstrken oder aufheben. Fr die Optimierung des Prozesses ist es notwendig, Schritt fr Schritt die einzelnen Phasen des Prozesses zu untersuchen und die gewonnenen Ergebnisse auszuwerten.

Impellern

Dauer

Gasgehalt

chemischerProzess

Messgert defekt

Feuchtigkeit

Handling

Wirksamkeit

Umwelt

Probeentnahme

metallurgischeMittel

techn. Konstruktion

Gas-Parameter Dauer

Messfehler

Prfintervall

LuftWerkzeuge

techn

Impellern

Dauer

Gasgehalt

chemischerProzess

Messgert defekt

Feuchtigkeit

Handling

Wirksamkeit

Umwelt

Probeentnahme

metallurgischeMittel

techn. Konstruktion

Gas-Parameter Dauer

Messfehler

Prfintervall

LuftWerkzeuge

techn

Bild 17 Detaillierung eines Ishikawa-Diagramms fr den Gasgehalt von Al-Schmelzen

Im Bild 18 sind die Einflsse auf die Gefgeausbildung und die Eigenschaften von Gussst-cken dargestellt. Das Bild zeigt im Gegensatz zum Ishikawa-Diagramm teilweise die Wir-kungsrichtung und interne Zusammenhnge von einzelnen Einflssen.

Gussstck Mahaltigkeit Oberflche Mechanische und technologische Eigenschaften

Formstoff

Abkhlungsbedingungen

Giezeit

Formverfahren

Gietemperatur

Gestalt und Wanddicke des

Gussstckes ( Erstarrungsmodul )

Keimzustand der Schmelze

Chemische Zusammensetzung

Gefge

Metallischer Einsatz

Schmelzfhrung, Schmelzbehandlung

Gehalt an Spurenelementen

Gehalt an Legierungselementen bliche chemische Zusammensetzung

Gussfehler

Zustzliche Khlung

Gussstck

Metallischer Einsatz

Schmelzfhrung, Schmelzbehandlung

Gussstck Mahaltigkeit Oberflche

Abkhlungsbed

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