Einfluss der Wärmebehandlung auf die Betriebsfestigkeit ... - belte ag
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<strong>Einfluss</strong> <strong>der</strong> <strong>Wärmebehandlung</strong> <strong>auf</strong> <strong>die</strong> <strong>Betriebsfestigkeit</strong> von Zylin<strong>der</strong>köpfen<br />
Gießtechnik im Motorenbau<br />
6./7. Februar 2007<br />
M<strong>ag</strong>deburg
Unternehmen<br />
Gründung: 1998<br />
Mitarbeiter: <strong>der</strong>zeit ca. 200<br />
Umsatz: 17,6 Mio. € (2006)<br />
25,3 Mio. € (geplant 2007)<br />
Standorte: Produktion: Delbrück, Altheim, Volkenschwand<br />
Vertrieb: München, Zaberfeld, Malibu (USA/CA)<br />
Leistung: Schwerpunkt <strong>Wärmebehandlung</strong> von Aluminiumbauteilen<br />
2 06.09.2007
Philosophie<br />
Entwicklung zukunftsorientierter, innovativer Technologien<br />
Hohe Kundenorientierung<br />
Konsequentes Qualitätsman<strong>ag</strong>ement<br />
Höchstmögliche Flexibilität<br />
Impulse durch Innovationen<br />
3 06.09.2007
Historie<br />
Start<br />
<strong>Wärmebehandlung</strong><br />
1998<br />
1999<br />
ALUTEC-BELTE AG<br />
Aluminiumtechnolgie<br />
2000<br />
Mech. Bearbeitung<br />
2001<br />
DELTA Logistik GmbH<br />
2002<br />
2005<br />
Werk Altheim,<br />
Werk Volkenschwand<br />
INTRA Automotive GmbH<br />
Ausweitung um<br />
Maschinen-/Anl<strong>ag</strong>enbau,<br />
Flow-Forming-Technologie<br />
Patent HISAQ ® ,<br />
Schmiedesterne<br />
2003<br />
2004<br />
HISAQ ®<br />
Competition GmbH,<br />
Vertriebsnie<strong>der</strong>lassung<br />
USA (Malibu, CA)<br />
Umfirmierung in BELTE AG<br />
2006<br />
2007<br />
Umsatz<br />
2010<br />
4 06.09.2007
BELTE GROUP<br />
Werk<br />
Delbrück<br />
Vertriebsnie<strong>der</strong>lassung<br />
München<br />
INTRA<br />
Automotive<br />
GmbH<br />
BELTE AG<br />
Werk<br />
Altheim<br />
DELTA<br />
Logistik<br />
GmbH<br />
Werk<br />
Volkenschwand<br />
Vertriebsnie<strong>der</strong>lassung<br />
Zaberfeld<br />
HISAQ ®<br />
Competition<br />
GmbH<br />
BELTE International<br />
Trading GmbH<br />
München<br />
BELTE International<br />
Corp.<br />
Malibu/USA<br />
5 06.09.2007
Standorte<br />
BELTE AG (Hauptsitz)<br />
INTRA Automotive GmbH<br />
DELTA Logistik GmbH<br />
HISAQ ® Competition GmbH<br />
BELTE AG (Vertrieb)<br />
BELTE AG<br />
(Werk Volkenschwand)<br />
BELTE AG (Werk Altheim)<br />
BELTE AG (Vertrieb)<br />
BELTE International Trading GmbH<br />
6 06.09.2007
Forschung & Entwicklung<br />
7 06.09.2007
Leistungsspektrum<br />
Entwicklung innovativer <strong>Wärmebehandlung</strong>s- und Abschrecktechnologien<br />
Serienwärmebehandlung verschiedenster Aluminiumbauteile<br />
Putzen, Entgraten, Strahlen von Aluminiumbauteilen<br />
Mechanische Bearbeitung inkl. Mont<strong>ag</strong>e und Oberflächenbehandlung<br />
→ Einb<strong>auf</strong>ertige Systemkomponenten<br />
Advanced-Flow-Forming<br />
Anl<strong>ag</strong>en-, Gestell- und Vorrichtungsbau für <strong>die</strong> <strong>Wärmebehandlung</strong><br />
Leichtmetallschmie<strong>der</strong>ä<strong>der</strong><br />
Logistikkonzepte<br />
8 06.09.2007
<strong>Wärmebehandlung</strong><br />
Serienwärmebehandlung verschiedenster Aluminiumbauteile<br />
(Motorenkomponenten, Rä<strong>der</strong>, Strukturbauteile etc.)<br />
Optimales Verhältnis mechanischer Eigenschaften (Streckgrenze,<br />
Bruchdehnung, Zugfestigkeit)<br />
Optimierung <strong>der</strong> Eigenspannungen<br />
Gewichtsreduzierung durch Optimierung <strong>der</strong> mechanischen Eigenschaften<br />
9 06.09.2007
<strong>Wärmebehandlung</strong> – Leistungsspektrum<br />
Rä<strong>der</strong>technologien Motorenkomponenten<br />
<strong>Wärmebehandlung</strong><br />
Abschreckung mittels:<br />
- Luft (HISAQ ® )<br />
- Wasser<br />
- Polymer (ALUQUENCH ® )<br />
Mech. Bearbeitung<br />
Advanced-Flow-Forming<br />
Designfräsung zur Herstellung<br />
von Radsternen<br />
als Dienstleistung<br />
Dreiteilige Leichtmetallschmie<strong>der</strong>rä<strong>der</strong><br />
Entwicklung<br />
(Prozessparameter)<br />
<strong>Wärmebehandlung</strong><br />
Abschreckung mittels:<br />
- Luft (HISAQ ® )<br />
- Wasser<br />
- Polymer (ALUQUENCH ® )<br />
Putzen, Entgraten,<br />
Strahlen<br />
Strukturbauteile Sonstiges<br />
Entwicklung<br />
(Prozessparameter)<br />
<strong>Wärmebehandlung</strong><br />
Putzen, Entgraten,<br />
Strahlen<br />
Mech. Bearbeitung<br />
Mont<strong>ag</strong>e<br />
Waschen, Beizen,<br />
Konservieren<br />
Lieferung einb<strong>auf</strong>ertiger<br />
Systemkomponenten<br />
"Just in Time“<br />
Entwicklung<br />
(Prozessparameter)<br />
<strong>Wärmebehandlung</strong> von:<br />
- Aluminiumbauteilen für<br />
<strong>die</strong> Luft- und Raumfahrt<br />
- Schrauben<br />
- Folien<br />
- Barren<br />
- Drahtcoils<br />
- Aluminiumbauteile für <strong>die</strong><br />
Reha-Technologie<br />
10 06.09.2007
<strong>Wärmebehandlung</strong> – klassisch<br />
11 06.09.2007
<strong>Wärmebehandlung</strong> – innovativ<br />
12 06.09.2007
Innovative <strong>Wärmebehandlung</strong>sverfahren (1/3)<br />
Pendelglühprozesse (Lösungsglühen)<br />
Ziel: Verkürzung <strong>der</strong> Prozesszeiten<br />
Pendeln ( 20 K) um <strong>die</strong> optimale Lösungsglühtemperatur:<br />
Anwendungsbeispiele: Dünnwandige Strukturbauteile, Fahrwerksteile<br />
13 06.09.2007
Innovative <strong>Wärmebehandlung</strong>sverfahren (2/3)<br />
Partielle <strong>Wärmebehandlung</strong><br />
Ziel: Lokale Erhöhung <strong>der</strong> Festigkeit<br />
Erwärmung<br />
von Segmenten<br />
(induktiv)<br />
Anwendungsbeispiele:<br />
Komplette <strong>Wärmebehandlung</strong> (T7) des gesamten Bauteils<br />
Abschrecken<br />
Gezieltes Warmausl<strong>ag</strong>ern <strong>der</strong> Segmente<br />
= Einbringung von Spannungen in das Bauteil<br />
Warmausl<strong>ag</strong>ern des gesamten Bauteils<br />
= geringe Spannungen im Bauteil<br />
Kurbelgehäuse → Erhöhung <strong>der</strong> Festigkeit im L<strong>ag</strong>erstuhlbereich<br />
Leichtmetallrä<strong>der</strong> → Erhöhung <strong>der</strong> Festigkeit im Hinterhorn<br />
14 06.09.2007
Innovative <strong>Wärmebehandlung</strong>sverfahren (3/3)<br />
HISAQ ® SG (Stress generation)<br />
Ziel: Gezieltes Erzeugen von Spannungen im Bauteil<br />
Lösungsglühen<br />
(komplettes Bauteil)<br />
Anwendungsbeispiele:<br />
HISAQ ® SG<br />
gezieltes Abschrecken von<br />
Bereichen/Zonen mittels<br />
High Speed Air Quenching<br />
Zylin<strong>der</strong>köpfe (Motorsport) → Erhöhung <strong>der</strong> <strong>Betriebsfestigkeit</strong><br />
Kurbelgehäuse (Motorsport) → Erhöhung <strong>der</strong> <strong>Betriebsfestigkeit</strong>/<br />
Spezielle Schwingungsdämpfung<br />
Warmausl<strong>ag</strong>ern<br />
(komplettes Bauteil)<br />
15 06.09.2007
<strong>Wärmebehandlung</strong> – Abschrecktechnologien<br />
Wasser<br />
Polymer (ALUQUENCH ® )<br />
Luft (HISAQ ® )<br />
16 06.09.2007
Abschrecktechnologien<br />
17 06.09.2007
ALUQUENCH ® - Polymerabschreckung<br />
Abschreckung mittels Polymerlösung (ALUQUENCH ® )<br />
Ermöglicht gleichmäßige Abkühlung → Verzugsminimierung<br />
Einstellung <strong>der</strong> Abkühleigenschaften über <strong>die</strong> Konzentration,<br />
Badtemperatur und Umwälzung<br />
Optimierung mechanischer Kennwerte<br />
Reduzierung von Eigenspannungen<br />
18 06.09.2007
ALUQUENCH ® - Polymerabschreckung<br />
19 06.09.2007
HISAQ ® – High Speed Air Quenching<br />
Innovative Abschrecktechnologie mittels Hochgeschwindigkeits-<br />
Luftabschreckung<br />
Ermöglicht gleichmäßige Abkühlung → Verzugsminimierung<br />
Steuerung <strong>der</strong> Abkühleigenschaften über Volumenstrom,<br />
Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur<br />
Optimierung mechanischer Kennwerte<br />
Effektive Minimierung von Eigenspannungen<br />
20 06.09.2007
HISAQ ® – High Speed Air Quenching<br />
21 06.09.2007
<strong>Einfluss</strong> <strong>der</strong> Abschrecktechnologien <strong>auf</strong> mech. Kennwerte<br />
Bauteile: 4-Zylin<strong>der</strong> R4 Diesel AlSi7Mg<br />
4-Zylin<strong>der</strong> V8 Benziner AlSi7MgCu 0,5<br />
5-Zylin<strong>der</strong> V10 Benziner AlSi7MgCu 0,5 (Simulation MAGMA)<br />
<strong>Wärmebehandlung</strong>: DIN T6<br />
Anl<strong>ag</strong>entechnik: BELTE AG (Versuchs- und Serienanl<strong>ag</strong>en)<br />
Abschreckme<strong>die</strong>n: Wasser (20, 40, 60, 80 °C)<br />
ALUQUENCH ® ALC 8, 12, 16 % - 50 °C<br />
HISAQ ®<br />
Auswertungen: Temperaturmessungen im Bauteil (Gesamtprozess)<br />
Brinellhärtemessungen<br />
Zugproben<br />
Gefügeuntersuchungen<br />
Ermittlung <strong>der</strong> Eigenspannungen nach <strong>der</strong> Bohrlochmethode<br />
22 06.09.2007
Abkühlkurven<br />
Wasser<br />
HISAQ ®<br />
23 06.09.2007
Gefüge<strong>auf</strong>nahmen (V = 200:1)<br />
Wasser<br />
80°C<br />
Rp0,2 MPa<br />
230<br />
Rm 270<br />
A5 3-5 %<br />
ALUQUENCH ®<br />
12 % / 50°C<br />
Rp0,2 MPa<br />
240<br />
Rm 285<br />
A5 6-7 %<br />
HISAQ ®<br />
Rp0,2 MPa<br />
220<br />
Rm 275<br />
A5 5-6 %<br />
24 06.09.2007
Eigenspannung nach <strong>der</strong> <strong>Wärmebehandlung</strong> DIN T6<br />
25 06.09.2007
Biegeuml<strong>auf</strong>test/Lastwechseltest<br />
Referenzrad: 7 x 17 Zoll<br />
Legierung: AlSi 7 Mg<br />
0,7<br />
130<br />
1,0<br />
105<br />
1,7<br />
75<br />
Rp0,2 190-200<br />
Rm 230-245<br />
A5 2-3 %<br />
4,8<br />
35<br />
Speiche<br />
26 06.09.2007
Simulation/Berechnung von Eigenspannung<br />
Beispiel BMW Zylin<strong>der</strong>kopf V10-Benzin<br />
BELTE AG: Versuchsdurchführung<br />
<strong>Wärmebehandlung</strong> nach DIN T6<br />
Abschreckme<strong>die</strong>n: Polymer ALUQUENCH ® ALC<br />
HISAQ ®<br />
Temperatur<strong>auf</strong>zeichnung im Bauteil<br />
Eigenspannungsmessung (Bohrlochmethode)<br />
MAGMA GmbH: Berechnung/Simulation<br />
Korrelation Simulation/Messungen<br />
27 06.09.2007
Bauteil: V10-Zylin<strong>der</strong>kopf von BMW – Simulation<br />
Bil<strong>der</strong> mit freundlicher Genehmigung <strong>der</strong> BMW AG<br />
28 06.09.2007
Abschreckverfahren<br />
ALUQUENCH ®<br />
Polymerabschreckung<br />
HISAQ ®<br />
Luftabschreckung<br />
29 06.09.2007
Eigenspannungen in x-Richtung – Polymerabschreckung<br />
Mit freundlicher Genehmigung <strong>der</strong> MAGMA Gießereitechnologie GmbH<br />
30 06.09.2007
Eigenspannungen in y-Richtung – Polymerabschreckung<br />
Mit freundlicher Genehmigung <strong>der</strong> MAGMA Gießereitechnologie GmbH<br />
31 06.09.2007
Max. Hauptspannung oberhalb des Brennraums nach dem Ausl<strong>ag</strong>ern<br />
Mit freundlicher Genehmigung <strong>der</strong> MAGMA Gießereitechnologie GmbH<br />
32 06.09.2007
Korrelation Simulation/Messungen – Polymerabschreckung<br />
Hauptpannungen[MPa]<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
-50<br />
-100<br />
-150<br />
-200<br />
1<br />
2<br />
1 2 3 4<br />
Messpunkte<br />
MAGMA Smax MAGMA Smin Messung Smax Messung Smin<br />
Mit freundlicher Genehmigung <strong>der</strong> MAGMA Gießereitechnologie GmbH<br />
3<br />
4<br />
33 06.09.2007
Eigenspannungen in x-Richtung – HISAQ ®<br />
Mit freundlicher Genehmigung <strong>der</strong> MAGMA Gießereitechnologie GmbH<br />
34 06.09.2007
Eigenspannungen in y-Richtung – HISAQ ®<br />
Mit freundlicher Genehmigung <strong>der</strong> MAGMA Gießereitechnologie GmbH<br />
35 06.09.2007
Max. Hauptspannung oberhalb des Brennraums nach dem Ausl<strong>ag</strong>ern<br />
Mit freundlicher Genehmigung <strong>der</strong> MAGMA Gießereitechnologie GmbH<br />
36 06.09.2007
Korrelation Simulation/Messungen – HISAQ ®<br />
Hauptpannungen[MPa]<br />
70<br />
50<br />
30<br />
10<br />
-10<br />
-30<br />
-50<br />
-70<br />
1<br />
2<br />
0 1 2 3 4 5<br />
Messpunkte<br />
MAGMA Smax MAGMA Smin Messung Smax Messung Smin<br />
Mit freundlicher Genehmigung <strong>der</strong> MAGMA Gießereitechnologie GmbH<br />
3<br />
4<br />
37 06.09.2007
<strong>Einfluss</strong> Abschreckverfahren <strong>auf</strong> Eigenspannungen nach dem Ausl<strong>ag</strong>ern<br />
Eigenspannung am Messpunkt 2 in MPa<br />
0<br />
-10<br />
-20<br />
-30<br />
-40<br />
-50<br />
-60<br />
-70<br />
-80<br />
-90<br />
HISAQ ®<br />
2<br />
Polymerabschreckung<br />
Mit freundlicher Genehmigung <strong>der</strong> MAGMA Gießereitechnologie GmbH<br />
Wasserabschreckung<br />
38 06.09.2007
Zusammenfassung<br />
Die <strong>Wärmebehandlung</strong> – das Abschrecken - hat einen deutlichen <strong>Einfluss</strong> <strong>auf</strong><br />
<strong>die</strong> Eigenspannungen in Zylin<strong>der</strong>köpfen.<br />
Hohe Eigenspannungen begrenzen <strong>die</strong> Höhe <strong>der</strong> ertr<strong>ag</strong>baren<br />
Betriebsspannungen.<br />
Durch <strong>die</strong> Wahl eines geeigneten <strong>Wärmebehandlung</strong>sverfahrens können <strong>die</strong><br />
Eigenspannungen deutlich reduziert werden.<br />
Der <strong>Einfluss</strong> des Abschreckens <strong>auf</strong> <strong>die</strong> mechanischen Eigenschaften ist<br />
deutlich geringer als <strong>auf</strong> <strong>die</strong> Eigenspannungen.<br />
Die Berechnung von Eigenspannungen ist bereits in <strong>der</strong> frühen Entwicklungsund<br />
Konstruktionsphase möglich (MAGMASOFT ® ).<br />
Die Abschrecktechnologie hat einen sehr deutlichen <strong>Einfluss</strong> <strong>auf</strong> <strong>die</strong><br />
<strong>Betriebsfestigkeit</strong>/Leistungsfähigkeit von Zylin<strong>der</strong>köpfen.<br />
39 06.09.2007
Wir danken folgenden Partnern für ihre Unterstützung:<br />
BMW AG (Gießerei Landshut)<br />
Rautenbach AG / NEMAK<br />
Daimler Chrysler AG<br />
Porsche AG<br />
Ford-Werke GmbH<br />
für <strong>die</strong> Zurverfügungstellung <strong>der</strong> Bauteile<br />
MAGMA Gießereitechnologie GmbH<br />
Stahlschmidt & Maiworm Technics GmbH<br />
Fachhochschule Esslingen<br />
Universität Kassel<br />
für <strong>die</strong> Auswertungen und Analysen<br />
40 06.09.2007
Vielen Dank für <strong>die</strong> Aufmerksamkeit!
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