Hohe Temperaturen in Automotoren: ThyssenKrupp VDM liefert Werkstoffe für neueTurbolader

Dadurch steigen auch die Ansprüche an die verwendeten Materialien. Da in den neuen Motorengenerationen immer höhere Abgastemperaturen von teilweise über 1.000 Grad Celsius auftreten, kommen in diesem Bereich zunehmend aus Nickellegierungen der ThyssenKrupp VDM gefertigte Teile zum Einsatz.

„Insbesondere Turbolader sind für uns ein viel versprechender Wachstumsmarkt“, betont Holger Lüking, Leiter der Vertriebs-Abteilung Automotive der ThyssenKrupp VDM. Für diesen Bereich bietet ThyssenKrupp VDM bereits einige Hochtemperatur-Werkstoffe an, die verstärkt in sogenannten „Downsizing Motoren“ (leistungsstarke Motoren mit kleinem Hubraum) verwendet werden. Für Turbolader-Dichtungen hat das Werdohler Unternehmen jetzt eine Hightech-Lösung entwickelt. Durch höhere Warmfestigkeitseigenschaften, insbesondere Langzeitfestigkeiten des Werkstoffes Nicrofer 5120 CoTi erhöht sich die Langlebigkeit und Verlässlichkeit des hoch beanspruchten Motorenteils.

Turbolader werden immer dann eingesetzt, wenn es darum geht, Leistung und Umweltfreundlichkeit eines Autos in Einklang zu bringen, denn sie machen einen Motor bei gleichem Kraftstoffverbrauch wesentlich leistungsfähiger. Durch das sogenannte „Downsizing“ – also die Hubraumverkleinerung bei gleich bleibenden Werten bezüglich des Fahrverhaltens – erhöht sich die Abgastemperatur auf über 1.000 Grad Celsius. „Die Standard-Hochtemperatur- Edelstähle werden diesen Anforderungen nicht mehr gerecht. An dieser Stelle können hochlegierte austenitische Stähle und Nickellegierungen der ThyssenKrupp VDM oberhalb von 550 bis etwa 1.200 Grad Celsius eingesetzt werden“, erklärt Lüking.

Insgesamt sind die Superlegierungen der ThyssenKrupp VDM an bis zu sieben Stellen des komplexen Turbolader-Systems im Einsatz. Entscheidend ist es, den Werkstoff zu finden, der alle Anforderungen in seinem Einsatzbereich exakt bedient und das Verhältnis von Leistungsfähigkeit und Kosten optimiert.

Turbolader von der Stange gibt es nicht. Jedes Auto-Modell fordert eine individuelle Lösung. „Wir suchen daher immer den direkten Austausch mit unseren Kunden und entwickeln mit ihm gemeinsam eine maßgeschneiderte Lösung“, beschreibt Frank Scheide, Account Manager Automotive der ThyssenKrupp VDM. Die serienmäßige Produktpalette der ThyssenKrupp VDM umfasst 15 unterschiedliche Hochtemperaturwerkstoffe als Band und als Draht. Am gefragtesten für die neuen Turbolader sind derzeit der ausscheidungshärtende Werkstoff Nicrofer 5120 CoTi, Alloy C263, sowie der mischkristall- und karbidaushärtenden Werkstoff Nicrofer 6025 HT, Alloy 602CA. Der Nicrofer 6025 HT wird beispielsweise im Porsche VTG eingesetzt und beweist dort seine Top-Eigenschaften bei Höchsttemperaturen in Ottomotoren. „Insbesondere bei den heißeren Benzinern gibt es noch Spielraum, der durch die Hochleistungswerkstoffe der ThyssenKrupp VDM erschlossen werden kann“, weiß Lüking. Die Autobauer sind angesichts hoher Benzinpreise und strengerer Abgasvorschriften zunehmend dazu gezwungen, kleinere Motoren zu produzieren, die zum Beispiel durch einen Turbolader verstärkt sind. Kleine Vierzylinder können so Leistungen und Drehmomente großer Sechszylinder bringen. Die Zukunft wird effizienter, aber auch heißer.

Dafür, dass die Kunden stets auf die neusten Erkenntnisse der Werkstoffkunde zurückgreifen können, sorgt die hauseigene Forschungs- und Entwicklungs-Abteilung der ThyssenKrupp VDM. Teilweise werden hier neue Legierungen erschmolzen, teilweise für bereits etablierte Werkstoffe neue Einsatzgebiete erschlossen. Innerhalb des Konzernverbunds kann die ThyssenKrupp VDM zudem auf die Werkstoffkompetenz der Kollegen in den Sparten Titan oder nichtrostendem Edelstahl zurückgreifen. Bis ins Detail müssen die einzelnen Komponenten eines Motors auf die extremen Temperatureinflüsse abgestimmt werden.

Einer der aktuellen Forschungserfolge der ThyssenKrupp VDM ist eine maßgeschneiderte Hightech-Lösung für die Herstellung von Turbolader-Dichtungen. Der Werkstoff Nicrofer 5120 CoTi wurde auf den Automotive Bereich abgestimmt und wird in Kürze auch in Bandform verfügbar sein. Das Besondere des Nicrofer 5120 CoTi liegt in seiner festen und gleichzeitig flexiblen Molekülstruktur. Um diese zu erreichen, härtet der Werkstoff insgesamt 16 Stunden bei verschiedenen Temperaturen, die vorher fest definiert werden, im Ofen aus.

„In die Matrix des Werkstoffes werden dabei sogenannte intermetallische Phasen eingebaut, welche sich als erwünschte ‚Störelemente’ in die Struktur einlagern“, so Scheide. „So wird das ungehinderte Hin- und Hergleiten der Ebenen gestoppt und der Legierung mehr Stabilität bei gleichzeitiger Elastizität verliehen.“

Abdichtungssysteme für Turbolader werden zunehmend aus aushärtbaren Werkstoffen hergestellt. Der bekannte Werkstoff Nicrofer 5219 Nb (Alloy 718) wird bereits als Standard- Dichtungswerkstoff für besonders belastete Einsätze verwendet. Aufgrund der steigenden Abgastemperaturen stößt aber auch dieser Werkstoff an Grenzen. Hier bietet ThyssenKrupp VDM den Nicrofer 5120 CoTi als Ergänzung an. Dieser gewährleistet unter den kritischen Rahmenbedingungen einer direkten Turboladeranbindung eine gesteigerte Langlebigkeit und Verlässlichkeit. Eine spezielle Dichtungsform unterstreicht dabei zusätzlich seine Qualitäten. „Unsere Kunden verarbeiten Nicrofer 5120 CoTi beispielsweise zu sogenannten C-Dichtungen weiter.

Dies sind statische Dichtelemente für Maschinen und Anlagen mit hohen Anforderungen, die bei den hohen Temperaturen erheblich elastischer sind als andere Metalldichtungen“, so Frank Scheide. „Der Produktionsprozess der Dichtungen ist komplexer geworden. Für diese gesteigerten Anforderungen haben wir die passende Lösung, das haben erste Tests mit etablierten Motoren-Herstellern bewiesen.“