La divisione Powertrain di Federal-Mogul Corporation ha sviluppato un innovativo processo di fusione per i segmenti, decisamente ottimizzato, in grado di garantire ai costruttori di motori segmenti più robusti, di più elevata qualità e più resistenti all’usura. A tale proposito Federal-Mogul utilizza un processo di stampaggio verticale ad elevata automazione che migliora l’integrità del materiale e permette di controllare maggiormente il processo produttivo. Federal-Mogul ha inoltre sviluppato un nuovo processo di simulazione della fusione che fornisce dati più precisi in modo da ottimizzare il flusso del materiale, la pressione e il riempimento degli stampi di fusione per il segmento.
“Poiché i costruttori di motori stanno perseguendo il downsizing e strategie più avanzate di iniezione per ridurre consumi ed emissioni di CO2, stanno aumentando le esigenze termiche, meccaniche e tribologiche sui componenti intorno alla camera di combustione, in particolare sui segmenti. Mentre gli attriti possono essere ridotti grazie all’uso di segmenti più sottili, è necessario che il materiale del segmento sia più robusto affinché possa continuare ad assicurare la stessa resistenza alle deformazioni” spiega Steffen Hoppe, director of technology, Rings and Liners, Federal-Mogul Powertrain. “Per ottenere tutto ciò, abbiamo sviluppato nuovi materiali e nuovi processi di fusione e di simulazione".
Nuovo processo di fusione
La grande conoscenza di Federal-Mogul nei processi di fusione a piastre sovrapposte, acquisita in oltre 80 anni di attività, ha consentito alla società di ottenere un’elevata e costante qualità nel processo, nei limiti imposti da processi di fusione manuali o semiautomatici. Con la fusione a piastre sovrapposte, però, le file orizzontali di stampi multipli vengono impilate l’una sull’altra in strati e ciò compromette la progettazione del sistema di scorrimento poiché la velocità e la pressione del flusso del metallo fuso variano a seconda dei differenti strati. Gli stampi in monopezzo utilizzati nella fusione a piastre sovrapposte limitano inoltre la scelta delle differenti geometrie che si possono ottenere per i segmenti.
Per riuscire a superare queste limitazioni, il nuovo processo di fusione verticale sviluppato da Federal-Mogul utilizza una geometria speciale per lo stampo che consente di ottimizzare maggiormente il design degli spazi da riempire e dei sistemi di colata, migliorando il controllo sul flusso di materiale. Il nuovo stampo per la colata consente l’alimentazione intorno all’intera circonferenza, migliorando in modo significativo l’uniformità della formazione grafitica della ghisa grigia. Uno stampaggio e una fusione completamente automatizzati, con monitoraggio costante e rilievo dei principali parametri durante l’intero processo, assicurano velocità più riproducibili del flusso di materiale fuso e un riempimento più accurato dello stampo, che comportano una maggiore costanza della qualità del segmento.
Nuova simulazione della fusione
Per perfezionare il processo di fusione verticale, Federal-Mogul ha sviluppato un metodo di simulazione della fusione totalmente nuovo che utilizza una tecnologia a telecamera ad alta velocità che supera le limitazioni della simulazione convenzionale a elementi finiti (FE). “La simulazione FE ha un inconveniente fondamentale,” spiega Hoppe. “Indipendentemente da quanto fine sia la griglia selezionata, il “macro processo” viene comunque simulato. E’ chiaro che la simulazione è tanto più vicina alla realtà quanto meglio sono stati scelti e fissati i parametri.”
Denominata Slow-Motion Casting Simulation (SMCS), la nuova tecnica sviluppata da Federal- Mogul fornisce un’analisi più dettagliata del modo in cui vengono riempiti gli stampi, consentendo più precisione dei sistemi complessi preposti all’alimentazione del metallo fuso e controllandone il flusso. Utilizzando l’SMCS, il flusso della colata a differenti temperature e la velocità di fusione possono essere tracciate in maniera più efficace, in modo da capire e controllare meglio le fluttuazioni di pressione, come pure le reazioni esplosive dei gas generati dalla fusione.
Nuovo Materiale di fusione
Il processo di fusione ottimizzato ha dato l’opportunità ai tecnici Federal-Mogul di sviluppare parallelamente un migliore acciaio di fusione. Tradizionalmente si dovrebbe utilizzare per i segmenti dei motori diesel una ghisa grigia martensitica a elevata resistenza meccanica contenente grafite nodulare, caratterizzata da buona duttilità e da una resistenza meccanica fino a circa 1200MPa. Il nuovo materiale in acciaio sviluppato da Federal-Mogul, il GOE70, è caratterizzato da una struttura a matrice martensitica all’interno della quale sono inglobati dei carburi di cromo e presenta una resistenza meccanica di almeno 1800MPa. Questo risultato può essere ulteriormente migliorato tramite nitrurazione per conferire una resistenza all’usura estremamente elevata, fornendo una durezza superficiale fino a 1300 HV.
I segmenti realizzati con il GOE70 sono stati sottoposti a un elevato numero di test di durata su motori diesel heavy duty e hanno mostrato un’usura estremamente bassa della superficie laterale e un’elevata robustezza, riducendo i trafilamenti di gas e abbassando il consumo d’olio. La produzione di serie di segmenti realizzati con il GOE70 è iniziata nel 2012 e la prima applicazione è stata su un motore heavy duty ad elevato carico che soddisfaceva gli standard EU6.
“Grazie allo sviluppo di tecnologie innovative di fusione, stampaggio e simulazione che permettono di controllare maggiormente i parametri chiave del processo, siamo riusciti ad ottenere un prodotto qualitativamente superiore e ad aumentare la resistenza meccanica e all’usura” afferma Hoppe. “Riteniamo che la tecnologia sviluppata per il processo produttivo di questo nuovo segmento rafforzerà ulteriormente la posizione di leadership di Federal-Mogul nel mercato dei segmenti per vetture e veicoli commerciali.”
