Case History: Testata idraulica per pompe ad alta pressione

Testata idraulica in ghisa sferoidale isotermica IDI per pompe a pistoni ad alta pressione

Il componente descritto in questo case history deriva dalla testata esistente per alte portate ma si differenzia da questa per la tipologia dei gruppi valvole di aspirazione e mandata, ora ottimizzati per l’alta pressione, ed è stato pensato per poter raggiungere i 400 bar di pressione a fronte dei 250 bar della versione attuale.

Il cliente aveva bisogno di introdurre sul mercato la nuova versione di testata idraulica nel minor tempo possibile. Per riuscire nell’intento, operando in co-design con il cliente e rispettando le esigenze di fonderia, sono state introdotte alcune modifiche geometriche, e, per raggiungere le maggiori prestazioni richieste, si è optato per il cambio di materiale.

L’incremento di prestazioni perseguito ha fatto sì che la ghisa sferoidale GJS600-3, materiale finora impiegato per le testate ad alta portata, non fosse più adeguato per i nuovi livelli di sollecitazione. La strada scelta è stata quindi l’upgrade del materiale, optando per una ghisa sferoidale avente un carico di snervamento attorno ai 500 Mpa.

Queste pompe a pistoni sono in grado di lavorare fino a pressioni di 1500 bar con potenze assorbite fino a 150 HP; la scelta di materiali performanti e di alta qualità per la realizzazione della testata, ovvero il componente chiave che permette di raggiungere tali livelli di prestazioni, è di fondamentale importanza. La ghisa sferoidale isotermica IDI800-6 è risultata essere il materiale vincente per le versioni fino a 400 bar di pressione.

Materiale di partenza per alte portate (pressione 250 bar)

La nuova soluzione valutata per raggiungere l’obiettivo alta pressione (400 bar)

Prova di trazione e di fatica eseguito su provini ricavati da provette colate a parte Ø25 mm. Il limite di fatica sul liscio  (R-1) è stato ottenuto testando provini lisci lavorati Ø6,5 mm con il metodo dello Short Stair Case (run out a 5ML di cicli). Nella realtà il pezzo ha un spessore variabile.

La ghisa sferoidale isotermica IDI800-6 assicura prestazioni a fatica e caratteristiche meccaniche superiori a quelle di una ghisa sferoidale GJS600-3 e data l’assenza di leganti e quindi di segregazioni nella matrice metallica, queste sono conservate in modo omogeneo su tutti gli spessori dopo il trattamento termico; inoltre, le durezze risultano anch’esse più uniformi al variare dello spessore, pertanto il range di durezze risulta più ristretto e posizionato poco al di sopra di quello della GJS600-3, assicurando un buon compromesso di lavorabilità. L’assenza di leganti ha un impatto positivo anche a livello di costo, il quale è leggermente superiore a quello della ghisa sferoidale di partenza per la sola aggiunta del solo trattamento termico.

I requisiti di esercizio richiesti dal cliente e validati al banco sono stati:

• Pressione di lavoro a 400 bar
• Omogeneità della microstruttura tra superficie e cuore e tra gli spessori
• Integrità interna e superficiale
• Buona lavorabilità
• Rispetto delle tempistiche per il lancio sul mercato
• Contenuto aumento dei costi rispetto alla soluzione in GJS600-3
• 1500 ore di esercizio al banco (pari a 5·10⁷ cicli di funzionamento)
• Su banco prova al regime di rotazione di 550 giri/min (potenza max assorbita 150cv)
• Assenza di “cavitation pitting”

La IDI800-6 ha rappresentando in questo caso il miglior materiale compromesso tecnologico-economico per la realizzazione della testata idraulica. In fase di validazione è stata introdotta anche la nichelatura come alternativa ad altri trattamenti di protezione alla corrosione.

L’attività di co-design, gestita internamente dallo staff di Zanardi Fonderie, ha giocato un ruolo chiave per la realizzazione di una testata idraulica in IDI per il settore industriale, che ha permesso di aumentare del 60% la pressione di esercizio.

Fin dagli stadi preliminari del progetto, è stato importante avviare un confronto tra l’ufficio tecnico del cliente e quello di Zanardi Fonderie. Questo ha consentito ai progettisti di confrontarsi e condividere, da una parte, i requisiti di resistenza alle sollecitazioni e, dall’altra, i requisiti di industrializzazione per la fonderia. L’obiettivo, raggiunto, è stato arrivare alla campionatura del prodotto nel minor tempo possibile (rispettando i requisiti dimensionali e di integrità richiesti dal cliente), minimizzando il rischio di dover ricorrere a modifiche radicali del progetto per raggiungere l’obiettivo.

Dal punto di vista meccanico, sono stati esaminati in modo approfondito lo stato tensionale del componente, fenomeni di EAE (Environmentally Assisted Embrittlement) indotti dal contatto con fluidi, fenomeni di fatica di contatto, l’effetto dei trattamenti superficiali, e, infine, i requisiti di integrità interna e superficiale.

Tabella di confronto tra le due soluzioni