Kolbenring-Fertigung

Federal-Mogul entwickelt effizienten Gießprozess für Gusskolbenringe

Mit einem neuen Gießprozess hat Federal-Mogul Ende letzten Jahres eine neue Etappe der Kolbenring-Fertigung gestartet. Die seriennahe Umsetzung wurde durch die Entwicklung eines neuen Gießsimulationsverfahren unterstützt, mit dem sich noch präzisere Daten über das Flüssigeisen-Füllvermögen zur Optimierung der Gussqualität darstellen lassen.

Schont das Material und ermöglicht eine bessere Kontrolle der Fertigung: Der automatisierte vertikale Gießprozess im Federal-Mogul Werk Burscheid.

Die Motorenhersteller unternehmen immer intensivere Anstrengungen, um mit Downsizing und modernen Einspritztechnologien den Kraftstoffverbrauch sowie den CO2-Ausstoß von Fahrzeugen zu reduzieren. Dadurch steigen sowohl die thermischen als auch die mechanischen als auch die tribologischen Anforderungen an fast alle Motorkomponenten - insbesondere an die 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. Um diese Anforderungen zu erfüllen, haben wir neue Materialien sowie Gieß- und Simulationsverfahren entwickelt", berichtet Dr.Steffen Hoppe, Director of Technology, Rings & Liners bei Federal-Mogul Powertrain.

Dank seiner langjährigen 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 neue, hochautomatisierte, vertikale Gießprozess des Unternehmens nutzt nun 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 verbessert entscheidend die Gleichmäßigkeit der Graphitausbildung im Gusseisen.

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Darüber hinaus gestattet ein vollautomatisches Form- und Gießverfahren mit einer umfassenden Überwachung und Dokumentation aller relevanten Prozessparameter eine weiter verbesserte Reproduzierbarkeit. Das Ergebnis ist eine konstant hohe Ringqualität.

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 (FEM). „Die FE-Simulation hat einen wesentlichen Nachteil“, erklärt Hoppe. „Der Makro-Prozess muss immer simuliert werden. Wie genau die Simulation jedoch der Realität entspricht, ist von der Genauigkeit der Eingabeparameter abhängig.“

Die neue, 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. Damit 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.

Die Einführung dieses Gießprozesses bildete die Voraussetzung für die Entwicklung eines neuen Stahlgussmaterials für hochfeste 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 1.200 MPa auszeichnet. Das neue Stahlgussmaterial GOE70 des Unternehmens verfügt über eine martensitische Matrixstruktur mit eingelagerten Chromkarbiden und eine Festigkeit von mindestens 1.800 MPa. Das patentierte Material kann durch Anwendung eines Nitrierprozesses weiter in der Verschleißbeständigkeit für höchste Anforderungen verbessert werden. Die Oberflächenhärte kann dadurch bis zu 1.300 HV betragen.

Kolbenringe aus diesem Stahlguss 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 Hoppe. „Mit dieser neuen Prozesstechnologie bauen wir unsere führende Marktposition bei Kolbenringen für Pkw und Nutzfahrzeuge weiter aus.“ ms

Global in Aktion

Federal-Mogul wurde 1899 in Detroit gegründet. Heute beschäftigt das Unternehmen in 35 Ländern rund 44.500 Mitarbeiter. Es gehört zu den führenden globalen Zulieferer von Antriebs- und Sicherheitstechnologien für die Kfz/Nfz-Industrie, Marine, Aerospace, Energieerzeugung, industrielle Märkte und das Ersatzteilgeschäft.

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