Zahlreiche filigrane Langstahlprodukte halten den Turbolader zusammen, um eine effiziente Luftzufuhr

Zahlreiche filigrane Langstahlprodukte halten den Turbolader zusammen, um eine effiziente Luftzufuhr in den Brennraum zu ermöglichen. Bild: Foltolia.com/Alterfalter

Spritspartechniken wie Turbolader und Direkteinspritzung sorgen für mehr Effizienz im Motor, allerdings entstehen dadurch Drücke bis 3000 bar und Temperaturen von mehr als 1000 °C. Komponenten aus Spezialstahl halten diesen Bedingungen stand, wenn der Hersteller den richtigen Werkstoff wählt.

Die Europäische Kommission zieht die Schrauben an: Bis 2020 sollen die durchschnittlichen CO2-Emissionen von Pkws von 130 Gramm auf 95 Gramm je Kilometer sinken. Hybrid- und Elektroautos sind ein Weg, diese Auflagen einzuhalten. Aber auch der klassische Verbrennungsmotor hat noch seinen Platz im Fuhrpark: Um die Grenzwerte einzuhalten, übt sich die Autoindustrie im Downsizing: Hubraum und Zylinder von Diesel- und Ottomotoren werden kleiner, sollen aber keine Leistung einbüßen.

Der Schlüssel zu sparsamen Motoren sind höhere Wirkungsgrade. Für mehr Effizienz sorgen unter anderem Direkteinspritzung und Turbolader, die dem Brennraum unter Hochdruck die geeignete Menge an Luft und Kraftstoff zuführen. Bei Drücken bis zu 3000 bar und Temperaturen von teils mehr als 1000 °C sind allerdings moderne Stahlwerkstoffe gefragt, die besonders druck- und hitzebeständig, formtreu sowie schwingfest sind.

Blankstahlzieherei

Blankstahlzieherei: Spezialstähle, wie beispielsweise der ETG 100 und HSX 110 von Steeltec, erhalten während des Warmziehens ihre hohen Festigkeiten. Bild: Schmolz + Bickenbach

Zur Diskussion um die Fahrzeugeffizienz gehört unter anderem das Thema Leichtbau. Dabei stehen häufig Flachstahlprodukte im Fokus. Doch auch hoch- und höherfeste Langstahlprodukte helfen mit, Kraftstoffverbrauch und Schadstoff-Ausstoß zu reduzieren, denn ohne die Spezialstähle wären Hochleistungssysteme wie Direkteinspritzung und Turboaufladung nicht denkbar. Sie machen das Downsizing des Verbrennungsmotors und damit die Einhaltung der EU-Grenzwerte 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 eingesetzten Werkstoffe stark, wie die folgenden Beispiele zeigen.

Kraftstoff verursacht Korrosion

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. Er ist Vertriebsleiter Automotive Rostfrei bei der Firma Deutsche Edelstahlwerke, die zur Schmolz + Bickenbach Gruppe gehört.

Mittels spezieller Schmelz- und Walzverfahren sowie durch gezielte Wärmebehandlung erhöht das Unternehmen den Reinheitsgrad und die Feinkörnigkeit des Gefüges. Dadurch wird das Gehäuse druck- und kraftstoffundurchlässig. Aus dem Portfolio der Firma sind dafür beispielsweise die Stähle Acidur 4057 und Acidur 4418 geeignet, wobei Acidur 4057 fürs Schweißen entwickelt wurde.

Dosis und Düse

Andere Anforderungen spielen beim Steuerventil in der Einspritzdüse eine Rolle. Damit sich dieses zur rechten Zeit öffnet und schließt und so den Kraftstoff dosiert, muss der Werkstoff des Ventils elektromagnetisch ansteuerbar sein. Das Geheimnis liegt dabei in der gezielten Wärmebehandlung. Außerdem spielt die Weiterverarbeitung des Stahls eine große Rolle, da die magnetischen Werte sensibel auf mechanische Eingriffe reagieren.

Ein Beispiel für einen geeigneten Werkstoff ist Ugiperm12fm von der Firma Ugitech. Der Stahl verbindet magnetische Eigenschaften mit einer guten Zerspanbarkeit. Letztere begünstigt die Anarbeitung und ermöglicht in der Folge kürzere Durchlaufzeiten beim Anwender.

Verbindungsteile brauchen festen Stahl

Bei Verbindungsstücken im Einspritzsystem liegt die Herausforderung in der Dichtheit beziehungsweise Reinheit der Werkstoffe sowie deren Festigkeit. Zu dieser Gruppe zählen beispielsweise Verbindungsteile am Rohr des Hochdruck-Rails, des Kraftstoffspeichers zwischen Hochdruckpumpe und Einspritzdüse. Um dem aggressiven Benzin standzuhalten und Leckagen zu vermeiden, müssen die Komponenten aus reinen, korrosionsbeständigen und mechanisch festen Stählen gefertigt werden. „Für diese Anforderungen empfehlen wir Duplexstähle aus unserer Ugiplex-Reihe“, sagt 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.“

Werkstoff für Verbindungsteile

Als Werkstoff für Verbindungsteile am Hochdruck-Rail eignen sich reine, korrosionsbeständige und mechanisch feste Stähle. Bild: Schmolz + Bickenbach

Höherer Druck im 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 3000 bar.

Damit steigen die Anforderungen im Zuge des Downsizings: Es erfordert den Einsatz von Stabstählen mit höheren statischen und dynamischen Festigkeiten sowie einem höheren Reinheitsgrad. Selbst sehr kleine Materialeinschlüsse können 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. Das gilt besonders bei der Einspritzdüse, die den Kraftstoff direkt in den Brennraum führt. Die hier eingesetzten Stähle müssen enormen Temperaturen standhalten. „Hier bietet sich unser Carbodur 5920 an. Er bringt eine hohe Hitze- und Druckbeständigkeit mit“, so Ralf Schneider, Vertriebsleiter Edelbaustahl und Automobil bei den Deutschen Edelstahlwerken.

Seinen hohen Reinheitsgrad erhält der Werkstoff im 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 kann das ESU-Verfahren unter Schutzgas Sinn haben. So wird ein noch höherer Reinheitsgrad erreicht, wie er beispielsweise beim filigranen Körper der Düse notwendig ist. Ein geeigneter Werkstoff ist der Vergütungsstahl Firmodur 7228.

Für das Hochdruck-Rail im Dieselmotor haben die Deutschen Edelstahlwerke den Edelbaustahl Microdur 5231 durch die Zugabe von Niob optimiert und damit die Feinkornbeständigkeit erhöht. Das führt zu einer höheren Festigkeit und Druckdichtigkeit sowie verkürzten Härte- und Nacharbeitszeiten. Der Härteprozess findet erst während des Schmiedevorgangs beim Anwender statt, sodass die hohe Festigkeit kein Problem für die Bearbeitung darstellt.

Stähle für das Common-Rail-System

Hochbeansprucht sind die Bauteile in der Common-Rail-Technologie. Bauteile wie Düsen- und Magnetspannmuttern halten das System bei Drücken über 2000 bar zusammen. Hoch- und höherfeste Werkstoffe sind erforderlich, damit die Bauteile Wechselbelastungen standhalten.

Neben hohen dynamischen Festigkeiten muss der Stahl zur Anfertigung der Spannmuttern eine gute Zerspanbarkeit mitbringen. „Diesen Spagat schaffen wir zum Beispiel mit dem ETG 100“, erklärt Dirk Ochmann, Vertriebsleiter bei der Firma Steeltec, die ebenfalls zum Konzern gehört. „Die Spezialstähle werden warmgezogen und vereinen im Gegensatz zu Vergütungsstählen diese scheinbar widersprüchlichen Eigenschaften bereits im Lieferzustand.“

Auch für magnetische Anwendungen, wie das Hochdruckmagnetventil, hat das Unternehmen ein Produkt im Angebot: Der ETG 25 ist im Gegensatz zu weichmagnetischen Werkstoffen gut schweiß- und zerspanbar, was wichtige Kriterien für die effiziente Bearbeitung des Drehteils sind. Der Spezialstahl ermöglicht die im Downsizing üblichen kompakten Konstruktionen.

Umschmelzen

Beim Umschmelzen werden Schwefel und nichtmetallische Einschlüsse aus dem Stahl herausgefiltert. Dadurch erhält er einen hohen Reinheitsgrad. Bild: Schmolz + Bickenbach

Temperaturen bis 1000 °C mit 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 1000 °C, denen die Komponenten im Brennraum widerstehen müssen. Ugitech bietet für solcherlei Anwendungen die Stähle UGI 4845 und UGI 4828 an. Aus diesen Werkstoffen werden zum Beispiel Hülsen sowie Befestigungselemente gefertigt, welche die Turbinenkonstruktion zusammenhalten. Damit der Hersteller das Bauteil in der benötigten Präzision und Verzugsfreiheit fertigen kann, muss der Stahlproduzent die Geradheit und Maßgenauigkeit des Werkstoffes sicherstellen.

Von Dichtbuchse bis Direkteinspritzung

Damit kein Öl verloren geht und die heißen Abgase aus der Turbine nicht in das Lagergehäuse eindringen, gibt es die Dichtbuchse. Auf das dünnwandige Bauteil wirken hohe Schwingungen. Langstahlprodukte mit geringer Eigenspannung sind erforderlich, um diese Art formstabiler Bauteile bei unterschiedlichen Belastungen herzustellen. Da der Zerspanungsanteil in der Fertigung der Dichtbuchse hoch ist, empfiehlt der Anbieter 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 dieses Bauteil liegen in den Querbelastungen durch Seiten- und Schubspannung. Nockenwellenversteller werden im Mikrometerbereich in den Motor eingepasst, daher müssen die Fluchtmaße und filigranen Bohrungen exakt sein. Dabei hilft ein verzugsarmer Werkstoff mit niedriger Eigenspannung. Wegen seines homogenen Gefüges eignet sich beispielsweise der HSX Z12 für eine gleichmäßige Bauteilauslegung. Mit seinen mechanischen Kennwerten hält der Spezialstahl dynamischen Belastungen besser stand als Vergütungsstähle.

Das Direkteinspritzsystem und die Turboaufladung sind wichtige Bestandteile des Downsizing-Ansatzes der Automobilindustrie, um den Ausstoß von Schadstoffen und den Verbrauch von Kraftstoff zu senken. Die Bauteile werden filigraner, müssen aber höheren Kräften und Temperaturen standhalten. Dafür sind Langstähle nötig sowie moderne Verfahrens- und Prüftechnologien. do

Von Hanna Maurer
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Hanna Maurer
Fachjournalistin im Auftrag von
Schmolz + Bickenbach