Entwicklung hochwärmefester Bauteile durch Explosivplattieren für

FORSCHUNGS- und TRANSFERZENTRUM e. V.
an der Westsächsischen Hochschule Zwickau
Entwicklung hochwärmefester Bauteile durch Explosivplattieren für
Großmotoren in der Schifffahrt
Die Internationale Maritime Organisation „IMO“ entwickelt ihre internationalen
Übereinkommen mit Blick auf geringe Meeresverschmutzung durch Schiffe und
verbesserte Schiffssicherheit in der Seefahrt insgesamt stetig weiter.
Neben verbesserten Antriebssystemen und einer modernisierten Flotte trägt eine
ausgefeilte Logistik dazu bei, den Kohlendioxid-Ausstoß zu verringern und damit die
Umwelt zu schonen. Die dritte Stufe der IMO-Emissionsvorschriften „IMO Tier III“ wird
so streng sein, dass gänzlich neue Maßnahmen und technische Lösungen
erforderlich sind. „Tier III“ sieht eine weitere Senkung der NO x Emissionen in so
genannten Emission Controlled Areas (ECAs) (Bild 1) auf das Niveau von 80 % unter
„Tier I“ vor.
█ existing ECAs
routes
Bild 1:
█ planned ECAs
█ discussed ECAs most used trading
Emissions Controlled Areas (ECAs) weltweit [1]
Zielstellung
Ein Verbund aus Industrie und Wissenschaft /2/ setzt sich zum Ziel, neuartige
Lösungen für höchst belastete Großmotorenkomponenten im maritimen Einsatz zu
finden. Hybridbauteile mit örtlich maßgeschneiderten Werkstoffeigenschaften können
zukünftig neue Anforderungen erfüllen.
Forschungsziel des Teilprojektes ist die Entwicklung von mechanisch und thermisch
hoch belastbaren Bauteilkomponenten, z.B. Kolben und Ventile. Diese sollen durch
den Einsatz von speziellen Werkstoffverbunden aus Hochtemperaturlegierungen mit
klassischen Kolben- bzw. Ventil-Stahlwerkstoffen umformtechnisch herstellbar sein.
Bei Einsatztemperaturen größer 500°C bis ca. 650°C können diese
Werkstoffverbunde die geforderten thermomechanischen Eigenschaften sowie die
Anforderungen an die Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit garantieren.
Prof. Dr.-Ing. M. Kolbe
Forschungs- und Transferzentrum e. V. an der Westsächsischen Hochschule Zwickau
Dr.-Friedrichs-Ring 2 A / Postfach 20 10 37 / 08012 Zwickau / www.fh-zwickau.de/ftz / email: [email protected]
Bild 2: Werkstoffverbund – Demonstratorbauteile /2/
Der Focus der Untersuchungen ist auf die Bauteile Kolbenboden und Ventil gerichtet.
Eine Variante zum Herstellen solcher hochwarmefester Werkstoffverbünde ist das
Explosivplattieren.
Dabei wird die kinetische Energie beschleunigter Körper beim Zusammenstoß mit
dem Grundkörper zum Plattieren ausgenutzt. Das Auflageblech bzw. –rohr wird mit
Sprengstoff belegt und im kleinen Abstand zum Grundkörper positioniert. Nach dem
Einleiten der Initialzündung detoniert der Sprengstoff, eine Detonationsfront bewegt
sich längs über den Auflagekörper. Mit hoher Geschwindigkeit kollidiert der
Auflagekörper mit dem Grundkörper und bewirkt eine feste stoff- oder formschlüssige
Materialverbindung
auf
atomarer
Ebene.
Temperaturen
oberhalb
des
Schmelzpunktes der Metalle werden lokal und kurzzeitig erzeugt. In der
Berührungszone der Werkstoffe setzt ein kurzzeitiges Fließen ein, um dem
Detonationsdruck
auszuweichen.
Somit
kommt
es
prozessbedingt
in
Detonationsrichtung zu einem wechselseitigen Aufstauen und Ineinanderschieben
grenznaher Schichten, wobei idealerweise eine turbulente Bindezone mit
wellenförmigem Profil in der Bindungszone (Bild 3) entsteht /3/.
Bild 3:
Turbulente Ausbildung der Bindezone einer Explosionsplattierung [5]
Der Vorteil des Sprengplattierens gegenüber dem thermischen Fügen liegt darin, dass
die Bindung aufgrund der kinetischen Energie erfolgt und somit keine intermetallische
Phasen entstehen, welche ein zu meist unter Belastung sehr sprödes Verhalten
aufweisen. Es können nahezu alle Metallwerkstoffe miteinander gefügt werden. Die
einzige Voraussetzung ist eine ausreichende Duktilität des Auflagematerials bei der
Detonation (/3/, /4/, /5/.
Für die Herstellung von explosivplattierten, ventilförmigen Demonstratorbauteile
wurden zwei Herstellungsrouten verfolgt:
Prof. Dr.-Ing. M. Kolbe
Forschungs- und Transferzentrum e. V. an der Westsächsischen Hochschule Zwickau
Dr.-Friedrichs-Ring 2 A / Postfach 20 10 37 / 08012 Zwickau / www.fh-zwickau.de/ftz / email: [email protected]
Bild 4: Herstellungsroute 1: Explosivplattieren-Feinschmieden-Gesenkschmieden
Bild 5: Herstellungsroute 2: Explosivplattieren-Elektrostauchen-Gesenkschmieden
Die Explosivplattierung von Grundkörpern aus 42CrMo4 (1.7225) mit Auflagekörpern
aus X5CrNi18-10 (1.4301) erfolgte mit unterschiedlichen Versuchsparametern. Die
gewählten Parameter orientieren sich an den in /3/ ermittelten.
Für alle durchgeführten Versuche Explosivplattier-Versuche wurde der in
nachfolgender Abbildung (Bild 7) gezeigte Versuchsaufbau verwendet:
Bild 6: Prinzipdarstellung des Versuchsaufbaus zum Explosivplattieren /5/
Prof. Dr.-Ing. M. Kolbe
Forschungs- und Transferzentrum e. V. an der Westsächsischen Hochschule Zwickau
Dr.-Friedrichs-Ring 2 A / Postfach 20 10 37 / 08012 Zwickau / www.fh-zwickau.de/ftz / email: [email protected]
Literaturquellen
/1/ N.N.: Emissionsgesetzgebung Schifffahrt.
http://de.mandieselturbogreentechnology.com/0000540/UnsereMotivation/
VerbindlicheVorgaben/Schifffahrt.html
/2/ Kolbe, P. at all: Verbundprojekt „INKOV - Entwicklung innovativer Kolben- und
Ventillösungen mit Werkstoffverbunden in Schiffsmotoren“ in Trägerschaft des
Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Koodinator
Gesenkschmiede Schneider, Aalen, 2013-2016
/3/ Kolbe, M.: Untersuchungen zur Ermittlung optimaler Verfahrenskenngrößen beim
Explosivplattieren, Dissertation, Ingenieurhochschule Zwickau, 1986
/4/ Neubauer, A., Stroppe, H., Wolf, H.: Hochgeschwindigkeitstechnologie der
Metallbearbeitung. Berlin: VEB Verlag Technik, 1988
/5/ Kolbe, M., Peschel, M.: Weiterführung der Untersuchungen zur Herstellung von
Versuchsteilen durch Explosivplattieren, INKOV Sachbericht der WHZ, 2014
Prof. Dr.-Ing. M. Kolbe
Forschungs- und Transferzentrum e. V. an der Westsächsischen Hochschule Zwickau
Dr.-Friedrichs-Ring 2 A / Postfach 20 10 37 / 08012 Zwickau / www.fh-zwickau.de/ftz / email: [email protected]