Növelt fajlagos teljesítményű motorhengerfej öntvények fejlesztésének metallurgiai vonatkozásai Dr. Fegyverneki György Termék- és Folyamatmérnökség vezető, Nemak Győr Kft
2015/11/26
Nemak gyártóegységek világszerte
Poland Slovakia Canada Spain
United States
China
Mexico
Germany Austria Brazil Argentina
India Czech Republic Hungary
14 országban több, mint 30.000 munkatárs
A név kötelez...
„Nemesis” > maja eredetű Jelentése: lélek
„Makinos” > görög eredetű Jelentése: gép/motor
Nemak Győr Kft.
4
Nemak Győr Our Plant in Győr (2010)
5
Mit gyártunk?
Termékeink:
BMW N20
Audi V10 FSI
Opel Fam0 Gen3
Renault K9 Step 3
Renault H5Ft
Audi V6 FSI
Opel Fam1 1,6l
A Nemak … About ourGyőr company • Alapítva: 1993. • 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: 1200
• 2014. augusztusban telephely és gyártócsarnok vásárlás a győri Ipari parkban forgácsoló megmunkálásra és termékellenőrzésre
8
Olvasztás
Tisztítás
Öntés
Megmunkálás
Magkészítés
Átvétel
Növelt fajlagos teljesítményű motor-hengerfej öntvények fejlesztésének metallurgiai vonatkozásai
10
Szigorú CO2 kibocsátási és üzemanyag-gazdaságossági szabványok hajtják a járműfejlesztéseket Üzemanyag-gazdaságosság – Az Európai Szabványokra normalizálva
Átlagos motor térfogat eltolódás (Liter)
(g CO2 per km)
270 Értékek g/km: • US 2025:107 • EU 2020: 95 • Japan 2020: 105 • Kína 2020: 117
240 210
4.0
3.86 3.53
3.5
3.43
3.36
3.33
3.22
3.0 2.5
180
3.72
2.13 2.12
2.10
2.10
2.09
2.07
2.06
2014
2015
2016
2017
2018
2.0 1.5
150
1.0 120 90 2000
0.5
2005
2010
2015
US
EU
Japan
Source: Ducker Worldwide
2020 Kína
2025
0.0 2012
2013
Észak-Amerika
Európa
11
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
2020 max potenciális % CO2 csökkentés
~40%
Könnyű anyagok felhasználása Új gyártási technológiák Tartalom optimalizálás
~8 – 12%
Source: European Aluminum Association, BCG analysis, Nemak research
Dupla kuplung Sebességek számának növelése Fokozatmentes sebességváltó
~5 – 10%
Optimalizált kivitel (légellenállás tényező) és elülső rész) Optimalizált gumik
~5%
Váltás a mechanikusról az elektromos alkatrészekre Az elektromos alkatrészek fogyasztásának optimalizálása
~3 – 5%
12
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
A hengerfejek komplexitásának növekedése 1.
Integrált szívó és kipufogócső
2.
Megnövekedő homokmag szám
3.
Bonyolult és vékony homokmagok
4.
Integrált szelepvezérlés
5.
Integrált turbóház
1. Ötvözet összetétel fejlesztés és optimalizálás
15
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
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
70 Local material strength Stress condition 170bar Stress condition (170bar + 50 Mpa res. Stress)
60
Stress amplitude (MPa)
Stress condition 160bar 50
40
Unsafe
30
20
Safe
10
0 0
50
100
150
200
250
300
Mean stress (MPa)
17
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
1. Ötvözet összetétel fejlesztés és optimalizálás Az anyag (alumínium ötvözet) követelményeinek változása
EU6
EU5 EU4 EU3
GSPM és primer ötvözet
Rotacast és „félprimer” ötvözet
Renault Diesel hengerfejek szilárdsági előírásai
2001
2009
2016
Rp0.2 [MPa]
165
175
190
Rm [MPa]
210
210
220
A5 [%]
1
1
2 19
1. Ötvözet összetétel fejlesztés és optimalizálás Az anyag (alumínium ötvözet) követelményeinek változása Benzinmotorok teljesítménye
20
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%)
Ötvözet: AlSi7MgCu (Fe~0.1%, Mn~0.05%, Cu~0.15%, Mg~0.4%, Zn~0.02%)
Hőkezelés: Természetes öregítés
Hőkezelés: Oldó izzítás, edzés, mesterséges öregítés (túlöregítés) Tömeg : kb 15 kg
Tömeg: kb 10 kg GM Family 0 3.gen Szilárdsági követelmények szilárdsági előírások
GM SGE SIDI Turbo / Szívó
Keménység (HB) 80 - 110 Rp0.2 [Mpa] 100 (min) Rm [Mpa] 160 (min) A [%] 0.5 (min)
Keménység (HB) 80 (min) Rp0.2 [Mpa] 200 (min) Rm [Mpa] 250 (min) A [%] 1 (min)
Szilárdsági követelmények
21
1. Ötvözet összetétel fejlesztés és optimalizálás Hőfárasztás teszt:
teszt ciklus RT - 300°C - RT 1,5 percen belül vizsgálat: 4, 7, 10, 15, 20 h után
1. Ötvözet összetétel fejlesztés és optimalizálás Tesztciklusok görbéi: Zyl_1
Zyl_3
Zyl_4
Zyl_1
300
250
250
Temperatur [°C]
300
200
150
Zyl_2
Zyl_3
Zyl_4
200
150
100
100 50
50 0 0
100
200
300
400
500
600
700
800
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800
Zeit [s]
0 280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
380
Zeit [s]
Képek a hengerfej égésteréből 20 órás tesztet követően:
23
2. Tulajdonság módosító eljárások kutatása
24
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
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
2. Tulajdonság javító eljárások kutatása Olvadékkezelés hatásának kutatása szilárd – szilárd fázisreakciók
szilárd – olvadék fázisreakciók olvadék – gáz – szilárd fázisreakciók
27
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
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
3. Határfelületi jelenségek kutatása
30
3. Határfelületi jelenségek kutatása Főbb kutatási irányok
o forma-fémolvadék határfelületi jelenségek kutatása fémolvadék - homokforma fémolvadék – kokilla o fémolvadék 1. - fémolvadék 2.
31
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
3. Határfelületi jelenségek kutatása Forma-fémolvadék határfelületi jelenségek kutatása fémolvadék - homokforma
fémolvadék – kokilla
33
Rotacast® technology Formatöltés kezdete
Forgástengely Folyékony fém az öntőkádban
Formatöltés
90 °
Dermedés kezdete
Tápfej feltöltve – ideális hőmérsékleti gradiens a megfelelő tápláláshoz
3. Határfelületi jelenségek kutatása
AlSi9Cu3Fe
600
600
595
595
590
590
585 580 TLmin
575
TLmax
AlSi9Cu1
605
Temperature [°C]
Temperature [°C]
605
TEmin
TEmax
570
585 580 TLmax
TEmin
10
15
TEmax
570
565
565
560
560
555
555
550
TLmin
575
550 0
5
10
15
20
Distance from the wall [mm]
25
0
5
20
25
Distance from the wall [mm] 35
4. Mesterséges intelligencia módszerek alkalmazása korrelációs és A szimuláció jelentősége nő prediktív célokkal
36
Kihívás 2025
37
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
Köszönöm a megtisztelő figyelmet!
