Bei einem von Federal-Mogul neu entwickelten Kolbenring-Gießprozess kommt ein automatisiertes vertikales Formverfahren zum Einsatz, welches eine verbesserte Kontrolle der Fertigungsprozesse gewährleistet. Die seriennahe Umsetzung wurde durch die Entwicklung eines neuartigen Gießsimulationsverfahrens unterstützt.
Die Autorin: Ursula Hellstern, Director Corporate Communications EMEA bei der Federal-Mogul Holding Deutschland GmbH, Wiesbaden
„Motorenhersteller unternehmen verstärkte Anstrengungen, um mit Downsizing und modernen Einspritztechnologien den Kraftstoffverbrauch sowie den CO2- Ausstoß zu reduzieren. Dadurch steigen die thermischen, mechanischen und tribologischen Anforderungen an motorische Komponenten – insbesondere an Kolbenringe. Ein geeignetes Designmerkmal zur Reduzierung der Motorreibung ist durch den Einsatz axial niedrigerer Kolbenringe gegeben, allerdings ist eine höhere Festigkeit des Ringwerkstoffes nötig, um die erforderliche Biege- und Dauerfestigkeit zu erhalten“, erklärt Dr. Steffen Hoppe, Director of Technology, Rings & Liners, Federal-Mogul Powertrain. „Um diese Anforderungen zu erfüllen, haben wir neue Materialien sowie Gieß- und Simulationsverfahren entwickelt.“ Dank umfassender und langjähriger Erfahrungen auf dem Gebiet der Gießtechnologie von Kolbenringen ist Federal-Mogul in der Lage, in einem effizienten Gießprozess hochqualitative Gusskolbenringe herzustellen. Durch Verwendung von horizontal angeordneten, einteiligen Formen, die im sogenannten Stapelgussprozess genutzt werden, sind jedoch die Möglichkeiten zur Designoptimierung des Laufsystems für das in die Form eingegossene Flüssigeisen eingeschränkt.
Der hochautomatisierte, vertikale Gießprozess nutzt ein spezielles Formendesign, aus dem sich Optimierungsmöglichkeiten für Rohlinge und Gießsysteme ergeben, wodurch sich wiederum der Flüssigeisenfluss besser steuern lässt. Die neue Gussform erlaubt das Zuführen des Materials während des kompletten Gießvorgangs. Dies wiederum verbessert entscheidend die Gleichmäßigkeit der Graphitausbildung im Gusseisen.
Ein vollautomatisches Form- und Gießverfahren mit einer umfassenden Überwachung und Dokumentation aller relevanten Prozessparameter gestattet eine weiter verbesserte Reproduzierbarkeit. Das Ergebnis ist eine konstant hohe Ringqualität.
Neue Gießsimulation
Um den vertikalen Gießprozess zu perfektionieren, hat Federal-Mogul außerdem eine neuartige Methode zur Gießsimulation entwickelt. Die hierbei eingesetzte Hochgeschwindigkeits-Kameratechnologie erweitert die Grenzen der konventionellen Finite-Elemente-Modellierung (FE-Modellierung). „Die FE-Simulation hat einen wesentlichen Nachteil“, erklärt Dr. Hoppe. „Der Makro-Prozess muss immer simuliert werden. Wie genau die Simulation jedoch der Realität entspricht, ist von der Genauigkeit der Eingabeparameter abhängig.“
Die von Federal-Mogul entwickelte Technik mit der Bezeichnung Slow-Motion Casting Simulation (SMCS) erlaubt eine wesentlich detailliertere Analyse der Formfüllung und dadurch eine präzisere Optimierung des komplexen Gießsystems. Mit SMCS lassen sich das Fließverhalten der Schmelze bei unterschiedlichen Temperaturen sowie die Gießgeschwindigkeiten effektiver verfolgen. Druckschwankungen und explosive Reaktionen der Gießgase sind dadurch besser nachvollziehbar und kontrollierbar.
Neues Gussmaterial
Die Einführung dieses Gießprozesses bildete die Voraussetzung für die Entwicklung eines neuartigen Stahlgussmaterials für höchstfeste Kolbenringe. In der Regel wird insbesondere für Dieselmotoren ein hochfester martensitischer Grauguss mit Kugelgraphit verwendet, der sich durch gute Dehnbarkeit und eine hohe Festigkeit von bis zu 1200 MPa auszeichnet. Das neue Stahlgussmaterial GOE70 von Federal-Mogul verfügt über eine martensitische Matrixstruktur mit eingelagerten Chromkarbiden und eine Festigkeit von mindestens 1800 MPa. Das patentierte Stahlgussmaterial GOE70 kann durch Anwendung eines Nitrierprozesses weiter in der Verschleißbeständigkeit für höchste Anforderungen verbessert werden. Die Oberflächenhärte kann dadurch bis zu 1300 HV betragen.
Kolbenringe aus Stahlguss GOE70 wurden umfangreich in hochbelasteten Lkw-Dieselmotoren erprobt. Dabei zeigten sie einen extrem niedrigen Verschleiß an der Kolbenringflanke und erwiesen sich als äußerst robust. Der erste Serienanlauf für moderne Lkw-Dieselmotoren nach neuer Abgasnorm Euro 6 erfolgte bereits 2012.
„Unsere neu entwickelten Gieß-, Form- und Simulationstechnologien lassen eine erweiterte Kontrolle wichtiger Prozessparameter zu. Auf diese Weise können wir die Produktqualität weiter verbessern und eine höhere Material- und Verschleißfestigkeit für Kolbenringe erreichen“, sagt Dr. Hoppe. „Mit dieser neuen Prozesstechnologie bauen wir unsere führende Marktposition bei Kolbenringen für Pkw und Nutzfahrzeuge weiter aus.“ I
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