Fallbeispiel: Hydraulikkopf für Hochdruck-Kolbenpumpen

Hydraulikkopf aus perferritischem Gusseisen (IDI) für Hochdruck-Kolbenpumpen

Die in diesem Fallbeispiel beschriebene Komponente leitet sich von der bestehenden Förderhöhe für hohe Durchflussmengen ab, unterscheidet sich jedoch von dieser durch die Art der Saug- und Druckventilgruppe, die nun für Hochdruck optimiert wurde und auf 400 bar Druck ausgelegt ist, im Gegensatz zu den 250 bar der aktuellen Version.

Der Kunde musste die neue Version des Hydraulikkopfes in kürzester Zeit auf den Markt bringen. Um das Ziel zu erreichen wurden in Zusammenarbeit mit dem Kunden und unter Berücksichtigung der Bedürfnisse der Gießerei einige geometrische Änderungen vorgenommen. Zur Erhöhung der Leistung wurde hingegen eine Materialänderung ausgewählt.

Die angestrebte Leistungssteigerung führte dazu, dass das bisher für Hochleistungsköpfe verwendete Gusseisen mit Kugelgraphit GJS600-3 den neuen Belastungen nicht mehr gewachsen war. Somit war eine qualitative Aufwertung des Materials notwendig. Die Wahl fiel auf Gusseisen mit Kugelgraphit mit einer Streckgrenze von rund 500 MPa.

Diese Kolbenpumpen können bis zu einem Druck von 1500 bar mit einer aufgenommenen Leistung von bis zu 150 PS arbeiten; die Auswahl von leistungsstarken und hochwertigen Materialien für den Bau des Kopfes, also die Schlüsselkomponente, die es ermöglicht, diese Leistungsniveaus zu erreichen, ist von grundlegender Bedeutung. Das perferritische Gusseisen IDI800-6 ist das optimale Material für Versionen mit einem Druck bis 400 bar.

Ausgangsmaterial für hohe Durchflussmengen (Druck 250 bar)

Die neue Lösung, die bewertet wurde, um das Hochdruckziel (400 bar) zu erreichen

Zug- und Ermüdungsprüfung an Proben aus separat gegossenen Probekörpern mit Ø25 mm. Die Ermüdungsgrenze auf glatten Oberflächen (R-1) wurde durch Testen glatter Proben, die mit einem Durchmesser von 6,5 mm mit der Short Stair Case-Methode bearbeitet wurden (Auslauf bei 5 ml Zyklen), erhalten. In Wirklichkeit hat das Stück eine variable Dicke.

Das perferritische Gusseisen IDI800-6 gewährleistet ein Ermüdungsverhalten und mechanische Eigenschaften, die denen eines Gusseisens mit Kugelgraphit GJS600-3 überlegen sind und da es keine Bindemittel und damit Entmischungen in der Metallmatrix gibt, bleiben diese nach der Wärmebehandlung auf allen Dicken homogen erhalten; Darüber hinaus sind die Härten auch mit variierender Dicke gleichmäßiger, daher ist der Härtebereich enger und liegt knapp über dem des GJS600-3, was einen guten Kompromiss bei der Bearbeitbarkeit gewährleistet. Der Verzicht auf Bindemittel wirkt sich auch positiv auf die Kosten aus, die etwas höher sind als beim anfänglichen aufgrund der zusätzlichen Wärmebehandlung.

Die vom Kunden geforderten und im Zuge des Projekts validierten Betriebsvoraussetzungen waren:

• Arbeitsdruck bei 400 bar
• Homogenität der Mikrostruktur zwischen Oberfläche und Kern und zwischen Dicken
• Interne und oberflächliche Integrität
• Gute Bearbeitbarkeit
• Einhaltung des Zeitpunkts für die Markteinführung
• Geringe Kostensteigerung im Vergleich zur Lösung aus GJS600-3
• 1500 Stunden am Prüfstand (entspricht 5·10⁷ Arbeitszyklen)
• Auf dem Prüfstand bei einer Drehzahl von 550 U/min (max. aufgenommene Leistung 150 PS)
• Keine „Erosion durch Kavitation“

IDI800-6 stellt in diesem Fall das beste Material zur Realisierung des Hydraulikkopfes dar, um sowohl die technischen als auch wirtschaftlichen Anforderungen zu erfüllen. Als Alternative zu anderen Korrosionsschutzbehandlungen wurde im Zuge der Entwicklungsphase auch die Vernickelung eingeführt.

Die Co-Design-Tätigkeit, die intern von den Mitarbeitern von Zanardi Fonderie geleitet wurde, spielte eine Schlüsselrolle beim Bau eines IDI-Hydraulikkopfs für den Industriesektor. Auf diese Weise konnte der Betriebsdruck um 60 % erhöht werden.

Bereits im Vorfeld des Projekts war es wichtig, eine Gesprächsbasis zwischen dem technischen Büro des Kunden und dem von Zanardi Fonderie aufzubauen. Dies ermöglichte es den Planern, einerseits die Anforderungen an die Beständigkeit gegen Beanspruchungen und andererseits die Anforderungen an die Industrialisierung der Gießerei zu vergleichen und zu teilen. Das Ziel, das letztendlich auch erreicht wurde, bestand darin, Muster des Produkts in kürzester Zeit (unter Berücksichtigung der vom Kunden geforderten Größe und Integritätsanforderungen) herzustellen, um das Risiko zu vermindern, radikale Änderungen am Projekt zur Erreichung des Ziels vornehmen zu müssen.

Aus mechanischer Sicht wurden der Spannungszustand des Bauteils, EAE-Phänomene (Environmentally Assisted Embrittlement) durch den Kontakt mit Flüssigkeiten, Kontaktermüdungsphänomene, die Wirkung von Oberflächenbehandlungen und schließlich die Auswirkungen von Oberflächenbehandlungen eingehend untersucht – Anforderungen an die innere und oberflächliche Integrität.

Vergleichstabelle für beide Lösungen