Инновационная технология литья от корпорации Federal-Mogul

Специалисты подразделения Federal-Mogul Powertrain разработали инновационный высокоэффективный процесс литья, который позволяет изготавливать более качественные, более прочные и износостойкие поршневые кольца. В этом процессе используются высокоавтоматизированные операции вертикального литья, которые позволяют получить большую однородность материала и более точный контроль технологического процесса. Также, Federal-Mogul разработала новый процесс моделирования литья, который обеспечивает более точные данные для оптимизации потоков материала, давления и заполнения литейных форм для поршневых колец.

«По мере того, как производители продолжают уменьшать размеры двигателей и используют оптимизированные алгоритмы впрыска для сокращения расхода топлива и выбросов CO2, повышаются требования к тепловым, механическим и трибологическим характеристикам компонентов, расположенных рядом с камерой сгорания, в частности к поршневым кольцам. Так как трение в двигателе можно снизить за счет использования более тонких поршневых колец, требуется изготавливать кольца из более прочных материалов, которые обеспечивают необходимое сопротивление изгибу, — объясняет доктор Стеффен Хопп (Steffen Hoppe), руководитель технологического подразделения по кольцам и гильзам в компании Federal-Mogul Powertrain. — Для соответствия этим требованиям, мы разработали новые материалы, процессы литья и моделирования».

Новый процесс литья

Federal-Mogul имеет более 80 лет опыта работы со стопочной заливкой форм. Это помогло компании добиться стабильного высокого качества изделий с учетом ограничений, которые накладывает ручной и полуавтоматический процесс литья. Однако при стопочной заливке несколько литейных форм располагаются горизонтально одна над другой. Это усложняет конструкцию литниковой системы, так как давление скорость движения расплава различаются на разных уровнях стопки. Также использование неразъемных литейных форм для стопочной заливки накладывает ограничения на количество вариантов исполнения поршневых колец.

Для преодоления этих ограничений, Federal-Mogul разработала новый высокоавтоматизированный процесс вертикального литья, в котором используются специальные литейные формы, позволяющие оптимизировать конструкцию отливок и литниковых систем и улучшить контроль за потоком расплава. Новые литейные формы позволяют выполнять подачу расплава по всей окружности отливки, что значительно повышает однородность образования графита в структуре серого чугуна. Полностью автоматические операции литья и работы с формами с расширенным контролем и встроенным документированием всех необходимых параметров позволяют получить воспроизводимые скорости движения расплава, улучшенное заполнение формы и, как результат, более высокое качество поршневых колец.

Новая технология моделирования литья

Для усовершенствования процесса вертикального литья, Federal-Mogul также разработала абсолютно новый метод моделирования литейных процессов, в котором используется технология высокоскоростной камеры, позволяющая преодолеть ограничения традиционного метода конечных элементов. «Моделирование методом конечных элементов имеет один большой недостаток, — объясняет Хопп. — Независимо от того, насколько мал размер выбранной сетки элементов, макропроцесс по-прежнему моделируется. Степень приближения полученной модели к реальной ситуации всегда зависит от точности и полноты выбора и задания параметров моделирования».

Новый метод получил название «моделирования литья методом замедленной съемки» (SMCS). С его помощью Federal-Mogul выполняет более точный анализ заполнения литейных форм, а также оптимизацию сложных литниковых систем и систем подачи расплава за счет контроля его движения. Метод SMCS обеспечивает эффективное отслеживание поведения расплава при разных температурах и скоростях заливки. Это позволяет лучше понять и контролировать перепады давления и негативные последствия выхода литейных газов.

Новые литейные материалы

В ходе оптимизации процесса литья были выявлены возможности для создания литейной стали более высокого качества. Обычно для изготовления поршневых колец дизельных двигателей используется высокопрочный мартенситный серый чугун с шаровидным графитом. Такой материал обладает хорошей пластичностью и пределом прочности около 1200 МПа. Новая литейная сталь GOE70, разработанная Federal-Mogul, имеет предел прочности не менее 1800 МПа и мартенситную основу с включениями карбида хрома. Если этот материал подвергнуть дополнительному азотированию, то он приобретает высокую износостойкость и твердость поверхности до 1300 HV.

Поршневые кольца, изготовленные из GOE70, прошли многочисленные испытания на выносливость в тяжелонагруженных дизельных двигателях и показали исключительно низкий износ боковой поверхности и высокую долговечность наряду с меньшим прорывом картерных газов и пониженным расходом масла.

Серийное производство поршневых колец, изготовленных из GOE70, началось в 2012 году с применения в высоконагруженных двигателях, отвечающих требованиям стандарта токсичности отработавших газов Евро 6. «Благодаря внедрению инновационного процесса формовки и литья, а также моделированию литейных процессов, что обеспечивает более строгий контроль за параметрами ключевых процессов, мы получили более высокие качество, прочность и износостойкость продукции», – заявил Хопп. – Мы считаем, что новый процесс изготовления поршневых колец усилит лидирующие позиции Federal-Mogul на рынке поршневых колец для легковых и коммерческих транспортных средств».