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03.09.2018

Laserbearbeitete Kolbenringe von Federal-Mogul Powertrain für reduzierte Reibung und längere Wartungsintervalle von 2- und 4-Takt Großmotoren

Hamburg/Friedberg, 3. September 2018 – Federal-Mogul Powertrain entwickelt laserbasierte Oberflächenverfahren, um die Verschleißfestigkeit von Kolbenringen für Großmotoren (Large Bore Engines – LBE) künftig noch weiter zu erhöhen. Diese Technologien stellen eine umweltfreundliche, langfristige Alternative zu galvanischen Beschichtungen dar. Sie sind für Federal-Mogul Powertrain der jüngste Schritt in der Erforschung und Entwicklung innovativer Oberflächenbehandlungen zur Erfüllung der Herausforderungen künftiger Motor- und Kraftstoffentwicklungen im Marine- und Industriebereich. Das Unternehmen stellt sein Portfolio an Kolbenringen und weiteren Produkten für den LBE-Markt auf der diesjährigen SMM aus, der Weltleitmesse der maritimen Wirtschaft in Hamburg (4. - 7. September, Halle A3, Stand 205).

Industrietrends wie die Reduzierung von Emissionen und Betriebskosten treiben die Entwicklung moderner Großmotoren sowohl im 2- als auch im 4-Takt-Bereich voran. Dies führt dazu, dass Kolbenringe immer größeren mechanischen Beanspruchungen sowie höheren Temperaturen ausgesetzt sind. Motorenbetreiber fordern deshalb eine reduzierte Reibung, einen geringeren Kraftstoff- und Ölverbrauch sowie verlängerte Wartungsintervalle mit Ringlebensdauern von mehr als 24.000 Stunden. Die weltweite Einführung von schwefelarmen Kraftstoffen ab 2020 und der gestiegene Marktanteil von Gas- und Dual-Fuel-Motoren sorgt für weitere tribologische Belastungen für Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen. Um diese zu bewältigen, werden Ringmaterialien mit einer höheren Formstabilität und Beschichtungen mit niedrigen Reibungskoeffizienten, einer hohen Brandspurfestigkeit und geringen Verschleißraten für Kolbenringe und Zylinder benötigt.

„Wir entwickeln kontinuierlich fortschrittliche Technologien, um den aufkommenden Trends in der globalen Marine-Industrie stets einen Schritt voraus zu sein“, erklärt Peter Arndt, Director and General Manager for Large Bore Engine Rings, Federal-Mogul Powertrain. „Laserbasierte Verfahren eröffnen exzellente Möglichkeiten Oberflächen zu optimieren, um aktuellen und künftigen Anforderungen Rechnung zu tragen. Sie eignen sich für viele verschiedene Materialien, darunter auch Grauguss und Sphäroguss.“

 Federal-Mogul Powertrain arbeitet intensiv an der Entwicklung verschiedener Laserprozesse. Dazu zählen Verfahren wie Laserstrukturieren, Laserumschmelzen, Laserlegieren und Laserauftragschweißen. Letzteres ist bereits weit verbreitet als Beschichtungsverfahren mit Ni- und Co-basierten Legierungen sowie dispers eingebrachten Hartstoffen, um Hartchromschichten zu ersetzen. Um zukünftige Anforderungen erfüllen zu können, werden jedoch noch weitere innovative Beschichtungsmaterialien für Kolbenringe benötigt. Besonders vielversprechend sind Fe- und Ni-basierte Werkstoffe, die mit Hartphasen und karbidbildenden Elementen legiert sind.

Die Oberflächeneigenschaften von Graugusswerkstoffen lassen sich durch Laserumschmelzen grundlegend modifizieren, um so die abrasive Verschleißfestigkeit deutlich zu verbessern. Ein hochenergetischer Laser schmilzt das Graugussmaterial auf. Durch eine Vorschubbewegung des Laser-Brennflecks wird die Schmelze spontan abgeschreckt und eingefroren. Es entsteht ein weißerstarrtes, ledeburitisches Gussgefüge mit Fe3C und einer Härte von circa 800 HV. Größe und Verteilung der Fe3C-Hartstoffphasen lassen sich durch den Laserenergieeintrag flexibel einstellen. Sowohl das Laserumschmelzen als auch das Laserauftragschweißen sorgen für eine metallurgische Verbindung von Grundwerkstoff und funktionalem Beschichtungsmaterial.

Umfangreiche Erfahrung auf dem Gebiet der Oberflächenbehandlung

Federal-Mogul Powertrain hat bereits eine Reihe innovativer wie erfolgreicher Oberflächenbehandlungen für Kolbenringe von Großmotoren entwickelt und setzt nun an, sein Technologie-Portfolio in diesem Bereich um laserbasierte Prozesse zu erweitern.

Galvanische Hartchrombeschichtungen wie Chrom-Keramik-Schichten (CKS®) haben einen Volumenanteil der eingelagerten, 2-5 µm großen Aluminiumoxid-Partikel von bis zu 10 Prozent. Sie verbessern die Verschleiß- und Brandspurfestigkeit auf den Kolbenringlaufflächen und -flanken deutlich. Noch höhere Hartstoffgehalte von bis zu 60 Volumenprozent können mit thermischen Spritztechniken erzielt werden.

Eine noch größere Verschleißfestigkeit als CKS bieten diamantbewehrte Hartchrombeschichtungen (Goetze Diamond Coating – GDC®). Die neuen Beschichtungen GDC60 von Federal-Mogul Powertrain weisen unter motorischen Bedingungen sehr niedrige Reibungskoeffizienten bei stark reduziertem Laufflächenverschleiß und deutlich geringerem Zylinderverschleiß auf.

PVD-Hartschichten (Physical Vapor Deposition – PVD) aus CrN oder CrON besitzen eine hohe Verschleißfestigkeit und eine sehr hohe Brandspurfestigkeit unter hoher thermischer Belastung. Die Schichtdicke ist verfahrensbedingt auf weniger als 50 µm begrenzt, mit der neuen Laserumschmelzmethode jedoch lässt sich eine Dicke von 1 mm für verlängerte Lebensdauer erzielen.

„Erste motorische Erprobungen von LBE-Ringen mit laserumgeschmolzenen Flanken zeigen äußerst positive Ergebnisse“, sagt Peter Arndt. „Diese Lösung zur Oberflächenbewehrung der Flanken ist als ein- oder beidseitige Variante möglich und lässt sich mit allen gängigen Laufflächenbeschichtungen kombinieren, um hohe Belastbarkeit und eine lange Lebensdauer zu erzielen.”

Die Vorserienfertigung mit Laserumschmelzen von Kolbenringflanken ist ab Ende 2018 vorgesehen. Für das Laserauftragsschweißen auf der Kolbenringlauffläche läuft aktuell die Schichtmaterialentwicklung, die ersten motorischen Erprobungen sind hier Anfang 2019 zu erwarten.

 

Download Bildmaterial: https://www.dropbox.com/sh/f6y261633a5zfxd/AAAtaZzuOiz-dufTZ12nGHkka?dl=0


Federal-Mogul Powertrain entwickelt laserbasierte Oberflächenverfahren, um die Verschleißfestigkeit von Kolbenringen für Großmotoren (LBE) zukünftig noch weiter zu erhöhen. Als einer der führenden Hersteller von LBE-Kolbenringen arbeitet das Unternehmen kontinuierlich an der Optimierung der funktionalen Oberflächen dieser Komponenten.