Növelt fajlagos teljesítményű motorhengerfej öntvények fejlesztésének metallurgiai vonatkozásai

Átírás

1 Növelt fajlagos teljesítményű motorhengerfej öntvények fejlesztésének metallurgiai vonatkozásai Dr. Fegyverneki György Termék- és Folyamatmérnökség vezető, Nemak Győr Kft 2015/11/26

2 Nemak gyártóegységek világszerte Slovakia Poland Canada United States Mexico Brazil Spain Germany Austria India China Argentina Czech Republic Hungary 14 országban több, mint munkatárs

3 A név kötelez... Nemesis > maja eredetű Jelentése: lélek Makinos > görög eredetű Jelentése: gép/motor

4 Nemak Győr Kft. 4

5 Nemak Our Plant Győr in Győr (2010) 5

6 Mit gyártunk?

7 Termékeink: BMW N20 Renault K9 Step 3 Renault H5Ft Audi V10 FSI Audi V6 FSI Opel Fam0 Gen3 Opel Fam1 1,6l

8 A About Nemak our Győr company Alapítva: Mexikói tulajdon, multikulturális és többnyelvű vállalat Termékek: hengerfejek alumínium ötvözetből benzines és dízelmotorokhoz, 3 hengerestől V10-ig 2 öntőcsarnok, 2 öntési technológia Jelentős hozzáadott érték forgácsoló megmunkálással Alkalmazottak száma jelenleg: augusztusban telephely és gyártócsarnok vásárlás a győri Ipari parkban forgácsoló megmunkálásra és termékellenőrzésre 8

9 Olvasztás Tisztítás Öntés Megmunkálás Magkészítés Átvétel

10 Növelt fajlagos teljesítményű motor-hengerfej öntvények fejlesztésének metallurgiai vonatkozásai 10

11 Szigorú CO2 kibocsátási és üzemanyag-gazdaságossági szabványok hajtják a járműfejlesztéseket Üzemanyag-gazdaságosság Az Európai Szabványokra normalizálva (g CO2 per km) Átlagos motor térfogat eltolódás (Liter) Értékek g/km: US 2025:107 EU 2020: 95 Japan 2020: 105 Kína 2020: US EU Japan Kína Észak-Amerika Európa Source: Ducker Worldwide 11

12 Öt különböző út az üzemanyag kibocsátási szabályzások teljesítéséhez Motor technológia Súly Hajtóművek Aerodinamika Hajtásszabályozás Aluminum castings Kisebb motorok Energiaveszteség csökkentése Turbó motorok Porlasztás és égés optimalizálás Start-stop rendszer Könnyű anyagok felhasználása Új gyártási technológiák Tartalom optimalizálás Dupla kuplung Sebességek számának növelése Fokozatmentes sebességváltó Optimalizált kivitel (légellenállás tényező) és elülső rész) Optimalizált gumik Váltás a mechanikusról az elektromos alkatrészekre Az elektromos alkatrészek fogyasztásának optimalizálása 2020 max potenciális % CO 2 csökkentés ~40% ~8 12% ~5 10% ~5% ~3 5% Source: European Aluminum Association, BCG analysis, Nemak research 12

13 Trendek az alumínium hengerfejek gyártásában A károsanyag kibocsátás csökkentésének következményei: Downsizing a motorok tekintetében V8 V6 I4 I3 I2 Súlycsökkentési igények merülnek fel a hengerfejek esetében is A káros anyagok kibocsájtásának csökkentése a gyártási folyamatban is követelmény, úgymint a - A fajlagos energiafelhasználás csökkentése - Környezetbarát technológiák alkalmazása mint pl. Szervetlen kötőanyagok alkalmazása a homokmag gyártásban 13

14 A hengerfejek komplexitásának növekedése 1. Integrált szívó és kipufogócső 2. Megnövekedő homokmag szám 3. Bonyolult és vékony homokmagok 4. Integrált szelepvezérlés 5. Integrált turbóház

15 1. Ötvözet összetétel fejlesztés és optimalizálás 15

16 1. Ötvözet összetétel fejlesztés és optimalizálás Az alumíniumnak számos ötvözete ismert és használt. A járműipar fejlődésével azonban újabb kihívásnak megfelelő ötvözetek fejlesztése szükséges. Cél: olyan alumínium ötvözet fejlesztése mely a növelt fajlagos teljesítményű gravitációsan öntött, motor hengerfejek alapanyaga lehet. Az ötvözetcsaláddal szembeni elvárás a mai ötvözetekhez képest a nagyobb statikus és dinamikus szilárdság, növelt hőfáradási határ és kisebb repedésérzékenység. Erőforrásigény: kísérleti öntések végrehajtására alkalmas berendezés próbatest és alkatrész méretekben, a technológia teljes szimulációjával (gáztalanítás, beoltás, öntés stb). A mechanikai, mikroszerkezeti és fáradási tulajdonságok vizsgálatára alkalmas eszközök (keménységmérő, szakítógép, fénymikroszkóp, átvilágításos és pásztázó elektronmikroszkóp, röntgen diffraktométer, fárasztó berendezés emelt hőmérsékleten is) Kompetencia: az öntési feltételek a Nemak Győr gyártósorán állnak egyenlőre rendelkezésre, terv a kísérleti öntőmű telepítés, a felsorolt vizsgálati eszközök és a hozzájuk tartozó szakértelem a Miskolci Egyetem különböző intézeteiben állnak rendelkezésre. Hasznosíthatóság: az eredmények az energia hatékony járműfejlesztésben közvetlenül hasznosulhatnak. 16

17 Stress amplitude (MPa) 1. Ötvözet összetétel fejlesztés és optimalizálás Az anyag (alumínium ötvözet) követelményeinek változása A kifáradási határra való méretezés és tesztelés előtérbe kerül A hőkezelési idő növekszik és a hőkezeléssel bevitt feszültségeket minimalizálni kell Local material strength Stress condition 170bar Stress condition (170bar + 50 Mpa res. Stress) Stress condition 160bar Unsafe Safe Mean stress (MPa) 17

18 1. Ötvözet összetétel fejlesztés és optimalizálás Az anyag (alumínium ötvözet) követelményeinek változása A nagyobb mechanikai terhelés miatt az elvárt statikus és dinamikus mechanikai tulajdonságok növekednek Szekunder ötvözeteket felváltják a primer ötvözetek A hengerfej súlya nő az integráció valamint a terhelések miatt A hőkezelési folyamatok szerepe megnő és valamennyi hengerfej hőkezelt lesz A maradó öntési feszültségeket csökkenteni kell (repedés veszély) A nagyobb hőterhelés miatt az anyag meleg szilárdságának fontossága növekszik Energia diszperzív mikroszondás elemzések szerint Al-ot, Mn-t, Fe-t és Si-ot tartalmazó kiválás, az elemek arányai alapján: -AlFeMnSi intermetallikus vegyület 18

19 1. Ötvözet összetétel fejlesztés és optimalizálás Az anyag (alumínium ötvözet) követelményeinek változása EU5 EU6 EU3 EU4 GSPM és primer ötvözet Rotacast és félprimer ötvözet Renault Diesel hengerfejek szilárdsági előírásai Rp0.2 [MPa] Rm [MPa] A5 [%]

20 1. Ötvözet összetétel fejlesztés és optimalizálás Az anyag (alumínium ötvözet) követelményeinek változása Benzinmotorok teljesítménye 20

21 Az anyag (alumínium ötvözet) követelményeinek változása Jelenleg futó nagyszériás hengerfej család Új hengerfej család SOP 2015 Ötvözet: AlSi8Cu3 (Fe~0.55%, Mn~0.3%, Cu~2.5%, Mg~0.3%, Zn~0.6%) Hőkezelés: Természetes öregítés Tömeg: kb 10 kg Szilárdsági GM Family 0 3.gen követelmények szilárdsági előírások Keménység (HB) Rp0.2 [Mpa] 100 (min) Rm [Mpa] 160 (min) A [%] 0.5 (min) Ötvözet: AlSi7MgCu (Fe~0.1%, Mn~0.05%, Cu~0.15%, Mg~0.4%, Zn~0.02%) Hőkezelés: Oldó izzítás, edzés, mesterséges öregítés (túlöregítés) Tömeg : kb 15 kg Szilárdsági GM SGE SIDI Turbo / Szívó követelmények Keménység (HB) Rp0.2 [Mpa] Rm [Mpa] A [%] 80 (min) 200 (min) 250 (min) 1 (min) 21

22 1. Ötvözet összetétel fejlesztés és optimalizálás Hőfárasztás teszt: teszt ciklus RT C - RT 1,5 percen belül vizsgálat: 4, 7, 10, 15, 20 h után

23 1. Ötvözet összetétel fejlesztés és optimalizálás Tesztciklusok görbéi: 300 Zyl_1 Zyl_3 Zyl_4 300 Zyl_1 Zyl_2 Zyl_3 Zyl_ Temperatur [ C] Zeit [s] Zeit [s] Képek a hengerfej égésteréből 20 órás tesztet követően: 23

24 2. Tulajdonság módosító eljárások kutatása 24

25 2. Tulajdonság javító eljárások kutatása Főbb kutatási irányok o olvadékkezelés hatása szilárd szilárd fázisreakciók szilárd olvadék fázisreakciók olvadék gáz szilárd fázisreakciók o hőkezelés hatástényezői és megoldásai o alternatív hűtési technikák hatása 25

26 2. Tulajdonság javító eljárások kutatása Az alumínium ötvözetek tulajdonságai olvadék és szilárd állapotú kezeléssel nagymértékben változtathatók. Cél: a könnyűfém-öntészeti olvadékkezelési (szemcsefinomítás, gáztalanítás, módosítás) folyamatok során alkalmazott módszerek metallurgiai alapokon történő leírása és a kitűzött fejlesztési cél érdekében történő optimalizálása. Például a szekunder ötvözetekben található és a kezelés során alkalmazott módosító adalékok kereszteffektusainak (olvadék-szilárd fázisreakciók) kimutatása, módosító adalékok és szennyező fázisok viselkedésének a leírása (szilárd- gáz fázisreakciók) a gáztalanítás (oldott hidrogén tartalom csökkentése) során. További cél a fejlesztett ötvözet esetében a hőkezelési folyamatok során végbemenő változások leírása, az ideális hűtési paraméterek beállítása alternatív hűtési technológiák alkalmazhatóságának vizsgálata. Erőforrásigény: öntések végrehajtása kísérleti olvadékkezeléssel a technológia teljes szimulációjával (gáztalanítás, beoltás, öntés, stb.). Labor és ipari hőkezelő kemencék. Keménységvizsgálat, szakítóvizsgálat, finomszerkezet vizsgálat, (fénymikroszkóp, átvilágításos és pásztázó elektronmikroszkóp, röntgen diffraktométer). Kompetencia: A kísérleti öntések különböző olvadékkezelési módszerekkel a NEMAK Győr gyártósorán állnak egyenlőre rendelkezésre, terv a kísérleti öntőmű telepítése. A kísérleti hőkezelési lehetőségek a Miskolci Egyetem laboratóriumaiban, a termékkezelési lehetőség szintén a Nemak Győr gyártósorán áll rendelkezésre. A mechanikai és anyagvizsgálati eszközök az első pontban leírtaknak megfelelően állnak rendelkezésre. 26

27 2. Tulajdonság javító eljárások kutatása Olvadékkezelés hatásának kutatása szilárd szilárd fázisreakciók szilárd olvadék fázisreakciók olvadék gáz szilárd fázisreakciók 27

28 2. Tulajdonság javító eljárások kutatása Az öntvények dermedési karakterisztikájának jelentősége nő, olyan kényszerhűtési megoldások kellenek melyek minden öntvény azonos lehűlési görbéjét bármely üzemállapot mellett biztosítják, a növelt statikus és dinamikus tulajdonságok elérése érdekében. 28

29 2. Tulajdonság javító eljárások kutatása Az öntvények dermedési karakterisztikájának jelentősége nő, olyan kényszerhűtési megoldások kellenek melyek minden öntvény azonos lehűlési görbéjét bármely üzemállapot mellett biztosítják, a növelt statikus és dinamikus tulajdonságok elérése érdekében. 29

30 3. Határfelületi jelenségek kutatása 30

31 3. Határfelületi jelenségek kutatása Főbb kutatási irányok o forma-fémolvadék határfelületi jelenségek kutatása fémolvadék - homokforma fémolvadék kokilla o fémolvadék 1. - fémolvadék 2. 31

32 3. Határfelületi jelenségek kutatása A technológiai folyamatok során számos esetben a határfelületi reakciók határozzák meg a tömbi anyagok viselkedését is. A metallurgiának ez a területe speciális vizsgálati módszereket és ismereteket igényel. Cél: a hengerfej előállítása során fellépő határfelületi reakciók metallurgiai alapokon történő leírása és értelmezése. A különböző anyagú, kötőanyagú forma és a fémolvadék határfelületén végbemenő folyamatoknak a tapadási viselkedések szempontjából történő megértése. Innovatív, duális fémolvadékot alkalmazó öntési módok során fellépő olvadék1-olvadék2 határfelületi reakciók szerepének a kutatása az ideális szerszámkitöltés érdekében. Erőforrásigény: Kísérleti, különböző anyagú formagyártás, kísérleti öntések, nagyfelbontású finomszerkezet vizsgáló módszerek. Határfelületi jelenségek metallurgiai ismeretei. Kompetencia: a formagyártás és a kísérleti öntések a Nemak Győr gyártósorán állnak rendelkezésre, terv a kísérleti öntőmű és maghomok labor fejlesztése. A Miskolci Egyetem laboratóriumaiban lehetőség van kísérleti összetételű maghomok gyártására és a tapadási kísérletek elvégzésére. A nagyfelbontású szerkezetvizsgáló technika szintén rendelkezésre áll. Kimagaslóan erős kutatási potenciál a határfelületi reakciók leírása terén. Hasznosíthatóság: az eredmények egy része az energia hatékony járműfejlesztésben közvetlenül és azonnal hasznosulhatnak. Más részük az innovatív technológiafejlesztéshez adhatnak hasznosítható eredményeket. 32

33 3. Határfelületi jelenségek kutatása Forma-fémolvadék határfelületi jelenségek kutatása fémolvadék - homokforma fémolvadék kokilla 33

34 Rotacast technology Formatöltés kezdete Forgástengely Folyékony fém az öntőkádban Formatöltés 90 Dermedés kezdete Tápfej feltöltve ideális hőmérsékleti gradiens a megfelelő tápláláshoz

35 Temperature [ C] Temperature [ C] 3. Határfelületi jelenségek kutatása 605 AlSi9Cu3Fe 605 AlSi9Cu TLmin TLmax TEmin TEmax TLmin TLmax TEmin TEmax Distance from the wall [mm] Distance from the wall [mm] 35

36 A szimuláció jelentősége nő 4. Mesterséges intelligencia módszerek alkalmazása korrelációs és prediktív célokkal 36

37 Kihívás

38 Az igazi kihívás 2025 után kezdődik amikor az elektromos hajtású autók korszaka indul Már ma is a BMW elektromos hajtású autók a Nemak által öntött villanymotorházzal készülnek 38

39 Köszönöm a megtisztelő figyelmet!