Fallbeispiel: Hydraulikkopf für Hochdruck-Kolbenpumpen

Hydraulikkopf aus perferritischem Gusseisen (IDI) für Hochdruck-Kolbenpumpen

Anwendungsbereiche und Vorteile eines IDI-Hydraulikkopfes von Zanardi Fonderie

Mit diesem Fallbeispiel erläutern wir die Entwicklung und den Bau eines Hydraulikkopfes aus perferritischem Gusseisen IDI800-6 für Hochdruck-Kolbenpumpen, die mit Wasser arbeiten. Diese werden im Allgemeinen für industrielle Anwendungen wie Reinigung von Oberflächen, Schiffen, Rohren verschiedener Art, Wasseraufbereitung, aber auch zum Entgraten, Trennen und Entfernen von Beton, Asphalt und Farbe von Stein-, Beton- oder Metalloberflächen und zum Schneiden von festen Materialien verwendet.

Anwendungsbereiche eines Hydraulikkopfes aus perferritischem Gusseisen (IDI)

Dieser kommt vor allem in der Industrie zum Einsatz: insbesondere im Stahl-, Chemie- und Petrochemie-, Bau- und Wasseraufbereitungssektor.

Vorteile von perferritischem Gusseisen (IDI) im Vergleich zu Gusseisen GJS600-3

+60 % Betriebsdruck

Erhöhung des maximalen Betriebsdrucks von 250 bar auf 400 bar.

Minimaler Einfluss auf die Bearbeitbarkeit

Perferritisches Gusseisen IDI800-6 hat eine etwas höhere Härte als EN-GJS-600-3, ist aber bei unterschiedlicher Dicke gleichmäßiger und verfügt über einen viel engeren Bereich. Dies bedeutete, dass die Lösung aus IDI800-6 kein Problem hinsichtlich der Bearbeitbarkeit darstellte.

Projektzeitplan

Dank der Zusammenarbeit mit der technischen Abteilung von Zanardi Fonderie ermöglichte die Lösung aus IDI800-6 dem Kunden, die kurze Zeit für die Markteinführung der neuen Version des Kopfes zu respektieren.

Gleiche Geometrie und Gewicht

Dank der Lösung aus IDI800-6 war es möglich, das Gewicht und die Masse der bestehenden Version nicht zu erhöhen.

Minimale Auswirkung auf Kosten

All dies war möglich, wobei lediglich die Kosten für die Wärmebehandlung hinzukamen. Der Betriebsdruck konnte um 60 % erhöht werden, ohne dass ein neues Bauteil entwickelt werden musste, wodurch die Gesamtkosten des Projekts begrenzt und gleichzeitig die Austauschbarkeit gewährleistet wurde.

Lösung der Probleme dank eines Hydraulikkopfes aus perferritischem Gusseisen (IDI)

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.

Die Vorteile, die durch die Verwendung eines Hydraulikkopfes aus perferritischem Gusseisen (IDI) erzielt werden

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)

Material
EN-GJS-600-3
Rp0,2
370 MPa
Rm
600 MPa
A5
3%
HB
190-270
Ermüdungsgrenze
σAG; PS50%
420 MPa

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

Material
IDI800-6
(Zanardi-Patent)
Rp0,2
480 MPa
Rm
800 MPa
A5
6%
HB
250-300
Ermüdungsgrenze
σAG; PS50%
390 MPa

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.

Warum hat das perferritische Gusseisen IDI800-6 die Bedürfnisse des Kunden erfüllt?

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.

Gusseisen mit Kugelgraphit im Vergleich: Konstruktionsmethoden und -techniken eines Hydraulikkopfes aus perferritischem Gusseisen (IDI)

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

Material
Technologie
Endgültiges Gewicht der Komponente
Maximaler Betriebsdruck
Vorherige Lösung
EN-GJS-600-3
Einzelne Verschmelzung
60 kg
250 bar
Lösung mit IDI
IDI800-6
Einzelne Verschmelzung
60 kg
400 bar
Vorteile
-
-
Unverändert
+60%

Fallbeispiel

Wahre Fälle, die von der Realisierung der Kundenprojekte erzählen