Motorguss an der Grenze des Materials

Problemzonen sind die Zylinderlaufflächen und die Kurbelwellenlagerung; hier hilft Grauguss. Allerdings, wenn beim Lkw Zünddrücke von 200 bar aufgenommen werden müssen, versagt sogar bewährter Grauguss. Die Werkstoffkonstrukteure arbeiten an einer Lösung.

Während sich Aluminium bei Pkw-Zylinderköpfen inzwischen nahezu vollständig durchgesetzt hat, ist eine ähnlich weitgehende Substitution beim Motorblock nicht so bald zu erwarten. „Bei Kleinwagen und vor allem im Lkw-Bereich dürfte es noch mehr als 15 Jahre Motorblöcke aus Eisen geben“, weiß Dr.-Ing. Hans-Jürgen Schäfer von der VDI-Gesellschaft Werkstofftechnik in Düsseldorf. Ein Ausschuss beschäftigt sich dort mit Gießtechnik im Motorenbau, eine Tagung im Februar in Magdeburg fasste das Thema zusammen.
Als wichtigstes Problem wurden die enorm gestiegenen Belastungen des Materials erkannt: „Während der erste Wirbelkammerdiesel von VW im Jahre 1975 eine Literleistung von knapp 25 kW/l hatte, kommen unsere heutigen Hochdruck-Direkteinspritzmotoren auf 58 kW/l“, erläutert Dr.-Ing. Otto Koehler, Leiter der Dieselmotorenentwicklung bei VW in Wolfsburg. Die auf mehr als 180 bar ansteigenden Zünddrücke führten zu einer kritischen Belastung der Struktur insbesondere im Bereich der Kurbelwellen-Hauptlager.
Dipl.-Ing. Alexander Fischer von der VAW Aluminium AG in Bonn weiß: „Bei der Auslegung von hoch belasteten Dieselmotoren ist zu beachten, dass die Dauerschwingfestigkeit im Bereich der Kurbelwellen-Hauptlager bei einer Betriebstemperatur von 150 °C erhalten bleibt.“ VAW entwickelte daher einen n Gusswerkstoff, dessen Dauerschwingfestigkeit bei erhöhter Temperatur deutlich besser ist als bei der häufig verwendeten Legierung AlSi9Cu3.
Da herkömmliche Aluminium-Gusslegierungen sowohl vom Material als auch von der Struktur her nicht den Anforderungen an Zylinderlaufflächen entsprechen, wurden die ersten Motorengenerationen mit eingegossenen Zylinderlaufbuchsen aus Gusseisen ausgeführt. Untersuchungen von Porsche an Hochleistungsmotoren haben jedoch gezeigt, dass Ausführungen mit Graugussbuchsen gegenüber solchen mit lokaler Siliciumverstärkung Leistungseinbußen von bis zu 5 % aufwiesen. „Da moderne Motoren jedoch immer kompakter werden und deshalb die Stegabstände zwischen den Zylindern von früher 8 mm bis 10 mm auf künftig bis zu 4,5 mm schrumpfen, wird allein aufgrund der Geometrien das Eingießen von Graugusslinern nicht mehr lösbar sein“, sagt Dipl.-Ing. Alexander Fischer von VAW. Gewünscht werde ein hochbelastbarer Aluminiumsteg, der ausschließlich in den Randbereichen lauffähige Aluminiumstrukturen besitzt.
Eine ganze Reihe von Herstellern hat mittlerweile hierfür geeignete Lösungen entwickelt. Hierzu gehören das Eingießen pulvermetallurgisch erzeugter AlSi-Buchsen oder poröser Si-Formkörper ebenso wie das Aufschweißen von Si-Pulver mit Hilfe eines Laserverfahrens. Als weitere Alternative entwickelte Porsche eine Nickel-Siliziumkarbid-Schicht, die galvanisch aufgebracht wird.
Auch beim Lkw geht der Trend zu geringerem Fahrzeuggewicht. Beim Motorblock sowie beim Zylinderkopf sind Aluminiumlegierungen jedoch derzeit noch überfordert. Stand der Technik sind z.B. Getriebegehäuse und Getriebe-Innenteile sowie Motor-Anbauteile wie Ölwannen, Saugrohre und diverse Pumpen und Deckel aus Aluminium.
Um bei Nutzfahrzeugen die Abgasgrenzwerte nach Euro 4 und Euro 5 ohne Verschlechterung der Verbrauchswerte zu erreichen, werden Spitzenzünddrücke von 200 bar erforderlich sein, berichtet Dipl.-Ing. Hans Müller von MAN in Nürnberg. Dadurch stoße der Grauguss GG25 aufgrund seiner geringen Dauerfestigkeit an Grenzen. Als Alternative sieht er Gusseisen mit Vermiculargraphit, jedoch sollten aus Kostengründen auch höherfeste Varianten wie GG30 oder GG40 in Betracht gezogen werden. KLAUS VOLLRATH/KÄM
Gießtechnik im Motorenbau – Anforderungen der Automobilindustrie, VDI-Bericht 1564 zur Tagung in Magdeburg, 225 Seiten, 108 DM