Neue Werkstoffe für Ventilsitzringe

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Neue Werkstoffe
für Ventilsitzringe
NEW MATERIALS FOR VALVE SEAT INSERTS
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© Federal-Mogul Powertrain
Impressum: Sonderausgabe 2016 in Kooperation mit Federal-Mogul Burscheid
GmbH, Bürgermeister-Schmidt-Straße 17, 51399 Burscheid; Springer Vieweg |
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Postfach 1546, 65173 Wiesbaden,
Amtsgericht Wiesbaden, HRB 9754, USt-ldNr. DE81148419
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Geschäftsführer: Joachim Krieger, Dr. Niels Peter Thomas
Verkaufsleitung (verantwortlich für den Anzeigenteil): Volker Hesedenz
Gesamtleitung Magazine: Stefanie Burgmaier
Chefredakteur: Dr. Alexander Heintzel
Projektmanagement: Melanie Malsch-Kranz, Martin Westerhoff
Druck: PRINT PRODUKTION-SERVICE, W. Hiese GmbH,
Tilsiter Weg 9, 61273 Wehrheim
Titelbild: © Federal-Mogul Powertrain
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EDITORIAL
Expertise in pulvermetallurgischen Verfahren
Liebe Leserin, lieber Leser,
als tetraethylbleihaltiges Benzin großflächig von Tankstellen verbannt wurde,
lenkte ein neuralgischer Punkt des
Verbrennungsmotors sogar die Aufmerksamkeit der Endkunden auf sich: die
Ventilsitze von Pkw-Ottomotoren.
Schützte das Blei den Zylinderkopf bis
dato zuverlässig vor einem Einschlagen
des Ventils, gewannen die bis dahin vor
allem von Groß- und Gasmotoren bekannten Ventilsitzringlegierungen als
technische Lösung für das fehlende
Additiv schnell an Bedeutung. Aluminium statt Grauguss als Werkstoff für
Zylinderköpfe sorgte zudem dafür, dass
Ventilsitzringe in vielen Märkten zur
Standardlösung wurden.
Die heutigen Motorgenerationen stellen
jedoch immer höhere Anforderungen
hinsichtlich Verschleißfestigkeit und
thermischer Beanspruchung. Das gilt
sowohl für Otto- wie auch Dieselmotoren. Schließlich müssen Ventilsitzringe
ihren Beitrag dazu leisten, zusammen
mit dem Ventil den Brennraum auch
dann abzudichten, wenn Einflüsse der
Verbrennung lokal die Sitzringverschleißfestigkeit herausfordern. Gesinterte Werkstoffe und deren Zusammensetzung sind der Schlüssel, um diesen
Ansprüchen gerecht zu werden.
Die Ergebnisse waren deutlich besser,
als es die Motorenhersteller in ihren derzeitigen Anforderungen beschreiben.
Damit erlaubt der renommierte Zulieferer
bei den nächsten Motorgenerationen
noch größere Freiheitsgrade, um die
Leistungsdichte weiter zu steigern und
dabei uneingeschränkte Zuverlässigkeit
sicherzustellen.
Das Know-how von Federal-Mogul
Powertrain trägt somit nicht nur zu höheren Effizienzgraden, sondern auch
zu geringeren Schadstoffemissionen von
Verbrennungsmotoren bei. Wir freuen
uns, Ihnen im Folgenden einen umfassenden Einblick in die Entwicklung dieser neuen Werkstoffe für Ventilsitzringe
geben zu dürfen.
Herzliche Grüße,
Ihr
Martin Westerhoff
Stv. Chefredakteur der MTZ
Federal-Mogul Powertrain hat mit seinen
tiefgreifenden Kenntnissen dieses pulvermetallurgischen Verfahrens neue
Legierungen entwickelt, mit denen sich
verschleißfeste Sitzringe für Ein- und
Auslassventile zu tragfähigen Kosten
darstellen lassen. Ein umfangreiches
Prüfprogramm mit unterschiedlichen
Kraftstoffen und Motorkonfigurationen
zeigte sehr geringe Verschleißniveaus.
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Neue Werkstoffe
für Ventilsitzringe
© Federal-Mogul Powertrain
AUTOREN
Federal-Mogul hat neue Werkstoffe für Ventilsitzringe entwickelt,
die auf einer innovativen Pulvermetallurgie basieren. Durch ihre
Legierung bieten sie bei Sitzringen für die Ein- und Auslassventile
von Diesel- und Ottomotoren ein sehr gutes Verschleißverhalten
zu tragfähigen Kosten.
Denis Christopherson
ist Director Research and
Development Valve Seats
and Guides bei FederalMogul in Waupun (USA).
Frank Zwein
ist Director Application Engineering
Valve Seats and Guides bei FederalMogul in Burscheid.
HÖHERE THERMISCHE UND
MECHANISCHE BELASTUNGEN
Durch neue Entwicklungen bei Ottomotoren werden Ventilsitzringe höheren thermischen und mechanischen Belastungen
ausgesetzt. So steigt beispielsweise beim
Downsizing mit der damit verbundenen
hochgradigen Turboaufladung und bei
reduzierter Volllastanreicherung die
Abgastemperatur am Ventilsitzring.
Gleichzeitig verursachen die resultierenden Verbrennungsdrücke höheren Bauteil-
verzug. Zudem führen sowohl Kraftstoffdirekteinspritzung (inklusive alternativer
Kraftstoffe wie E25) als auch Downspeeding zu spezifischen tribologischen Randbedingungen. Bei Pkw-Dieselmotoren
sind, getrieben durch Emissions- und Effizienzanforderungen, die Abgasrückführung und die Verringerung der Rußkonzentration – zusätzlich zu den steigenden
Abgastemperaturen – weitere Ursachen
für Verschleiß an den Ventilsitzringen.
Neben der Performance des Sitzrings im
Motor spielen niedrige Rohstoffkosten und
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die effiziente Bearbeitbarkeit im Fertigungsprozess eine wichtige Rolle für den
Einsatz des Ventilsitzringwerkstoffs in der
Serienproduktion.
Der Bereich Powertrain von FederalMogul hat vor diesem Hintergrund zwei
neue Werkstoffe für Ventilsitzringe auf
Basis der Pulvermetallurgie-Technologie
(PM) konzipiert. PM ist bekannt als
wettbewerbsfähige, nachhaltige Technologie [1], insbesondere wegen des hochgradig automatisierten Near-NetshapeProduktionsprozesses und der technisch
ausgereiften, erschwinglichen Inhaltsstoffe. Die zwei PM-Legierungen mit der
Bezeichnung FM-S14A und FM-S17D folgen dem generellen Entwicklungstrend,
Ventilsitzringwerkstoffe aus einer moderat legierten Matrix und speziell entwickelten Hartpartikeln (HP) zusammenzusetzen. Während einige HP-Optionen
im Markt weit verbreitet sind, wurden
die beiden spezifischen HP-Legierungen explizit auf die Anforderungen für
Ventilsitzringe hin konzipiert, von der
Pulververdüsung bis zum Sintern, auch
unter Berücksichtigung der Rohstoffkosten und der Herstellbarkeit.
HARTPARTIKELTECHNOLOGIE
FÜR NEUE WERKSTOFFE
Die bei der PM-Legierung FM-S14A verwendete, von Federal-Mogul patentierte
HP-Technologie namens Lean Tool Steel
(LTS) ist seit circa zwei Jahren in der
Produktion. Die Entwicklung wurde
getrieben durch die Forderung nach
einer höheren spezifischen Verschleißbeständigkeit gegenüber konventionellen Werkzeugstahlpulvern. Das Ergebnis
ist ein intern entwickelter und produzierter druckwasserverdüster Hybridstahl, der hoch kohlenstoffhaltig und
in seinem Aufbau einzigartig ist.
Die Entwicklung des HP startet mit der
Schmelze, BILD 1, in der ersten Phase des
Zerstäubungsprozesses. Dabei macht
BILD 1 Abguss einer Schmelze in die Druckwasserverdüsungsanlage (© Federal-Mogul Powertrain)
man sich den hohen Kohlenstoffgehalt
von mehr als 3 % zunutze. Dies reduziert die Löslichkeit von Sauerstoff in der
Schmelze. Damit bleibt der Sauerstoffgehalt unterhalb des Niveaus, das die
Oxidation der Karbidbildner bei der Zerstäubung bewirken würde [2]. Die Legie-
rungsbestandteile sind somit nicht als
Oxide gebunden und bleiben für die
schnelle und vollständige Ausbildung
von Karbiden während des Sinterprozesses verfügbar.
Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop, BILD 2, illustrieren den Volu-
BILD 2 Aufnahmen der Karbiddichte von gesintertem Werkzeugstahl (links) und LTS-Partikeln (rechts)
in zwei Vergrößerungen mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) (© Federal-Mogul Powertrain)
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ENT WICKLUNG WERKSTOFFE
menanteil von Karbid in Werkzeugstahl
und in den LTS-Partikeln nach dem Sintern. Das Karbidvolumen von LTS liegt
ungefähr bei 50 %, im Vergleich zu 15 %
bei konventionellen Werkzeugstahllegierungen. Durch die Mischung mit einer
niedriglegierten Matrix ist es möglich,
den hohen Karbidanteil des martensitischen HP-Gefüges mit bainitisch-perlitischen Matrixstrukturen zu koppeln und
so „werkzeugstahlähnliche“ Haltbarkeit
bei gleichzeitig hoher Bearbeitbarkeit und
Robustheit in der Herstellung zu erzielen.
Der überschüssige Kohlenstoff steht
zudem für die Diffusion in eine oder
mehrere beigemischte Pulver des
Gemischs zur Verfügung. Er agiert
somit als potenzielles Kohlenstoffreservoir während des Sinterns, was einen
weiteren Vorteil bietet: Der Bedarf, in
großem Maße Kohlenstoff beizumischen, wird limitiert. Eine zu hohe Kohlenstoffbeimischung kann mitunter zu
einer schadhaften Segregation oder
einer vergrößerten Werkstoffporosität
führen. Die Legierung basiert auf einer
komplett anderen Chemie als die LTSTechnologie, obwohl bei beiden Hartpartikel druckwasserverdüst werden
(WAPH, water atomized hard particle).
WAHP ist die zweite von Federal-Mogul
entwickelte und patentierte Hartphase.
Das erste Konzept der Legierung
führte zur Herstellung von Ein- und
Auslass-Ventilsitzringen, die in mehreren Motorversuchen positive Ergebnisse
zeigten. Das Konzept lieferte damit einen
guten Ausgangspunkt für eine zweite
Iteration mit dem Ziel, die Bearbeitbarkeitseigenschaften weiter zu optimieren.
Dazu wurde das Paket aus HP, Matrix
und Inhaltstoffen vor der Markteinführung nochmals überarbeitet. Wenn sie
über die richtigen Eigenschaften verfügen, ermöglicht das Legieren und die
Verdüsung von HP-Pulvern eine robuste
und wirtschaftliche Produktion von
Ventilsitzringen. Zudem lassen sich
die gewünschten Parameter für mechanische Festigkeit, Verschleißwiderstand
sowie die abschließende Bearbeitbarkeit erreichen – also die Schlüsselkriterien für eine erfolgreiche Entwicklung von PM-Verbundwerkstoffen für
Ventilsitzringe.
Das gewünschte HP-Konzept machte
einen hochlegierten, verschleißresistenten Inhaltsstoff als Fraktion innerhalb
der PM-Verbundstruktur erforderlich. Es
vereint daher ein hohes Chrom- und
BILD 3 Materialmikrostruktur von FM-S17D VSR mit druckwasserverdüsten Hartpartikeln
(© Federal-Mogul Powertrain)
BILD 4 Standard- (links) und Komponententest-Verschleißergebnisse (rechts) von FM-S17D
im Vergleich zur Werkzeugstahlreferenz (© Federal-Mogul Powertrain)
Wolfram-Niveau (zwischen 20 und
30 %), einen moderaten Kobalt- und
Nickel-Gehalt (zwischen 3 und 7 %) und
einen Kohlenstoffanteil von etwa 2 %.
Molybdän wurde wegen seiner historischen Preisinstabilität aus der Betrachtung ausgeschlossen und hat sich final
auch als nicht notwendig für die geforderte Haltbarkeit herausgestellt.
Durch die Einbettung von HP wie
LTS und WAHP in eine niedriglegierte
Matrix, die richtige Wärmebehandlung
sowie das Beimischen anderer leistungssteigernder Inhaltsstoffe zur Verbesserung der Tribologie und Bearbeitbarkeit
lassen sich PM-Legierungen erzeugen,
die Bauteilen wie Ventilsitzringen die
gewünschten Charakteristika und das
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erforderliche Leistungsvermögen geben.
Die Matrix, BILD 3, ist der essenzielle
Bestandteil des Werkstoffverbunds, der
gewissermaßen die Gesamtkomposition
im gesinterten Produkt zusammenhält.
ÜBERPRÜFUNG DER
KUNDENANFORDERUNGEN
Nachdem eine PM-Legierung alle Tests
in Bezug auf Werkstoff- und Fertigungseigenschaften bestanden hat, ist die
Überprüfung hinsichtlich der Kundenanforderungen einer der nächsten
wichtigen Schritte vor der Freigabe des
Werkstoffs. Initiale Modellverschleißversuche, BILD 4, werden dabei auf standardisierten Tribometern [3] durchgeführt und resultieren in einer gefilterten
Anzahl von potenziellen Kandidaten
für den Komponententest. Dieser wird
unter simulierten, motornahen Bedingungen durchgeführt, mit einbezogen
wird dabei der Kontakt mit einem rea-
len Ventil. Am Ende liefern Motorversuche in verschiedenen Aufbauten mit
unterschiedlichen Ventiltechnologien
den Nachweis, dass sich der Werkstoff
im Vergleich zu internen und Wettbewerbs-Benchmarkprodukten bewährt
hat. So kann die bestmögliche Einschätzung bezüglich der zu erwartenden
Performance bei Kundenprojekten gegeben werden.
Im Falle der Legierung FM-S14A
wurden die Tests in zwei internen Technologiezentren mit zwei unterschiedlichen Ottomotor-Konfigurationen (Saugrohreinspritzung und Turbo-Direkteinspritzung) und drei unterschiedlichen
Erprobungsprogrammen (Nennleistung,
Wechsellast und Stadtfahrt), zum Teil
mit E25-Kraftstoff, gegen induktiv gehärtete, eisengepanzerte und nitrierte Ventile durchgeführt. In den meisten Tests
war FM-S14A auf der Ein- und Auslassseite verbaut. Vor und nach den Tests
wurden Ventilsitzring- und -kontaktflächenprofile erstellt, um den kombi-
nierten Verschleiß in Ventilachsrichtung
erfassen zu können.
Die Ergebnisse zeigen ein geringes
Verschleißniveau mit geringer Streuung,
BILD 5. In diesem Fall hat der Werkstoff
die aktuelle Referenz übertroffen und
kann sich mit Werkzeugstahl messen
lassen, der einen geringen Verschleiß
hat. Die Abbildung wurde mit zusätzlichen Ergebnissen aus weiteren Motoranwendungen vervollständigt.
Dieser Erprobungsmethodik folgend liefen bereits Versuche mit der
Legierung FM-S17D auf der Einlassund Auslassseite, verbaut in Zylinderköpfen eines Dieselmotors in Euro-6Konfigu ration und mit einer spezifischen Leistung von 70 kW/l. Die Ergebnisse des Nennleistungstests zeigen ein
vergleichbares Verschleißverhalten im
Vergleich zum höher legierten aktuellen
Serienwerkstoff.
Ein hoher Anteil an Legierungselementen oder die Verwendung von HP
kann zu katastrophalem vorzeitigen
BILD 5 Verschleißergebnisse für Ventilsitzringe bei verschiedenen Motorkonfigurationen und Prüfprogrammen (© Federal-Mogul Powertrain)
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BILD 6 Werkzeugverschleiß als Ergebnis der Hauptbearbeitungsparameter (FM-S14A gegenüber der Referenz) (© Federal-Mogul Powertrain)
Versagen der Bearbeitungswerkzeuge
durch Kerbwirkung, Abplatzungen oder
Bruch [4] führen. Dabei stellen die Partikel aus mikroskopischer Sicht einen
unterbrochenen Schnitt dar. Gute Werkstoffkonstruktion und richtiges Vorgehen bei der Bearbeitung können die
Lösung für diese Probleme darstellen
und müssen in der frühen Entwicklung
und im Validierungsprozess berücksichtigt werden.
Die Bearbeitbarkeit von neuen Werkstoffen untersucht bei Federal-Mogul
ein Expertenteam in dafür vorgesehenen firmeninternen Entwicklungslaboren an automatisierten Bearbeitungsund Auswerteeinrichtungen in Kooperation mit Werkzeugherstellern. Zum
Beispiel wurde FM-S14A im Labor in
einem großen Vorschub- und Schnittgeschwindigkeitsbereich erprobt, BILD 6.
Am Ende wurde eine aussagefähige
Anzahl von Ventilsitzringen mit dem
Produktionswerkzeug und den Schnittparametern der Kundenserienfertigung
im Entwicklungszentrum des Werkzeugherstellers unter seriennahen Einspannbedingungen bearbeitet. Die Tests zeigen, dass der Werkstoff robust auf eine
große Spanne von Prozessvariationen
reagiert. Damit erweitert er den Bereich
akzeptabler Bearbeitungsparameter
gegenüber Werkstoffen mit vergleichbarer Verschleißbeständigkeit. Er ist
bereits in Produktion und wird dort mit
Minimalmengenschmierung bearbeitet
[5]. Dabei hat er im Vergleich zu konventionellen PM-Technologien für Ventilsitzringe eine überragende Werkzeuglebensdauer gezeigt. Damit leistet er
einen Beitrag zu reduzierten Bearbeitungskosten und umweltfreundlichen
Bearbeitungskonzepten.
ZUSAMMENFASSUNG
UND SCHLUSSFOLGERUNG
Das Verschleißverhalten gegenüber Ventilen verschiedener Technologien, Kraftstoffkompatibilität, Robustheit bei der
Bearbeitung und geringe Gesamtkosten
sind die Hauptanforderungen bei der
Entwicklung einer PM-Legierung für
Ventilsitzringe. Die beschriebene PMTechnologie hat die Beschränkung aufgehoben, die sich bei der Entwicklung
neuer leistungsfähiger Werkstoffe durch
die verfügbaren HP ergeben haben. Die
dafür erforderlichen Legierungs- und
Pulverproduktionskonzepte wurden
eigens für diese Anwendungen erarbeitet. Die ersten zwei Werkstoffe, FM-S14A
und FM-S17D, sind ausgereift und erfüllen die Anforderungen, belegt durch
Motorversuche und produktionsnahe
Bearbeitungsversuche.
tionsbeständigkeit der Werkstoffe im
Vordergrund stehen.
LITERATURHINWEISE
[1] Metal Powder Industries Federation:
Powder Metallurgy - Intrinsically Sustainable.
Internetveröffentlichung, abgerufen am 27.6.2015
[2] Beaulieu, P.: Development of new tool steel
powders for high wear resistance and high temperature applications. Dissertation, École Polytechnique
de Montréal, Canada, 2012
[3] Earle, J.; Kuiry, S.: Application Note #1002:
Automotive Applications for Tribometers.
Billerica/MA, USA, 2012
[4] Christopherson, D.: Characterization of PM
Machinability: Practical Approach and Analysis.
In: International Journal of Powder Metallurgy 44
(2008), Nr. 2, S. 15-20
[5] Orset, M.: Den Energiebedarf um 40 Prozent
reduziert. In: WB Werkstatt + Betrieb 2014, Nr. 3
AUSBLICK
Die neuen HP-Werkstoffe LTS und WAHP
werden bei weiteren Materialentwicklungen in unterschiedlichen Formulierungen
und Kombinationen, inklusive einer
Kupferinfiltration, ihren Einsatz finden.
Damit werden sie an neuen Werkstofflösungen für Ventilsitzringe Anteil haben.
Weitere zukünftige Einsätze könnten
Turboladerkomponenten einschließen,
bei denen die Verschleiß- und die Oxida-
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EDITORIAL
Expertise in Powder Metallurgy Processes
Dear Reader,
When petrol containing tetraethyl lead
was withdrawn from sale at almost all
filling stations, even ordinary motorists
became aware of the critical importance of
valve seats in petrol internal combustion
engines. Where previously lead had reliably protected the cylinder head against
valve seat damage, valve seat insert alloys
most commonly used in heavy-duty and
gas engines rapidly gained importance as
a technical solution to compensate for the
lack of an additive. The proliferation of
aluminium instead of cast iron as a cylinder head material also ensured that valve
seat inserts became established as the
standard solution in many markets.
However, modern generations of both
petrol and diesel engines are subject to
increasingly high levels of thermal stress
and require greater wear resistance. Ultimately, valve seat inserts and the valve
itself must help to seal the combustion
chamber even when influences from the
combustion process locally challenge the
wear resistance of the insert. Sintered
materials are the key to addressing these
challenges.
ments currently specified by engine manufacturers. With these results, FederalMogul Powertrain is ensuring that designers of the next engine generations have an
even greater degree of freedom to further
increase power density while maintaining
the highest standards of reliability.
The expertise of this renowned global supplier contributes both to increased levels
of efficiency and the continued reduction
of pollutant emissions from internal combustion engines. In the following report,
we are pleased to give a comprehensive
insight into the development of new materials for valve seat inserts.
Best regards,
Martin Westerhoff
Vice Editor-in-Chief MTZ
Federal-Mogul Powertrain has applied its
comprehensive knowledge of the Powder
Metallurgy (PM) process to develop new
alloys that enable wear-resistant valve
seat inserts for inlet and exhaust applications to be produced at a viable cost. An
extensive test programme undertaken
with different fuels and engine configurations revealed very low levels of wear that
were significantly better than the require-
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DE VELO PMENT MATERIAL S
New Materials for
Valve Seat Inserts
© Federal-Mogul Powertrain
AUTHORS
Federal-Mogul has developed new valve seat insert materials.
They are based on innovative powder metallurgy technologies
that deliver very good wear performance at a sustainable cost
level for both intake and exhaust valve seat insert applications
in diesel and gasoline engines.
Denis Christopherson
is Director Research and
Development Valve Seats and
Guides at Federal-Mogul
Powertrain in Waupun (USA).
Frank Zwein
is Director Application Engineering
Valve Seats and Guides at
Federal-Mogul Powertrain
in Burscheid (Germany).
HIGHER THERMAL AND
MECHANICAL LOADS
Latest gasoline engine developments
are challenging valve seats inserts
mainly through higher thermal and
mechanical loads. For example, exhaust
gas temperature at the valve seat insert
(VSI) is driven by downsizing, related
high-degree turbocharging and reduced
peak power fuel enrichment. At the same
time, the resulting combustion peak pressure causes higher deflection, while
direct injection of fuels (including alter-
native fuel blends such as E25) and
downspeeding are creating specific tribological boundary conditions. In passenger car diesel engines, the emissions and
efficiency requirements that drive the
utilisation of exhaust gas recirculation
and reduction in soot concentration are –
alongside exhaust gas temperatures –
another root cause of valve seat wear.
Besides the performance of the VSI in
the engine, competitive material prices
and an efficient machinability of the
VSI material in the manufacturing pro-
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cess are important requirements when
considering it for series production.
Against this background, Federal-Mogul Powertrain developed two new materials for VSI based on powder metallurgy
(PM) technology. PM is recognised as
a competitive “Green Technology” [1],
because of its highly automated near
net shape production process including
engineered, affordable ingredients.
The two new PM alloys, called
FM-S14A and FM-S17D, share a trend
in the development of new VSI materials,
consisting as they do of a moderately
alloyed matrix and a specially developed
hard particle. While certain hard particle options are common in the marketplace and used for a variety of components and applications, two specific
hard particle alloys were designed for
the VSI application. The considerations
in selecting the alloys were powder atomisation through component sintering,
raw material costs and manufacturability and final component performance in
engine service.
HARD PARTICLE TECHNOLOGY
FOR NEW MATERIALS
In case of FM-S14A, the patent-applied
so-called Lean Tool Steel (LTS) hard particle technology has been in production
for approximately two years. Its development was driven by the need for higher
specific wear resistance compared to
conventional tool steel powders. The
outcome is a high carbon, water-atomised, unique hybrid steel.
The development of this material
starts with the melt, FIGURE 1, at the
beginning stage of the atomisation process and uses a carbon content in excess
of 3 %, reducing the solubility of oxygen
in the melt and lowering the oxygen
content to a level that prevents the carbide-forming elements from oxidising
during atomisation [2]. As a result, the
FIGURE 1 Pouring of a melt into a water atomising unit (© Federal-Mogul Powertrain)
alloy elements are not tied up as oxides
and are available to rapidly and readily
form carbides in the subsequent component sintering process.
Scanning Electron Microscopy (SEM)
images, FIGURE 2, respectively illustrate the relative carbide precipitate
volume of post-sinter tool steel and LTS
particles. The carbide volume of LTS is
approximately 50 % compared to 15 %
for conventional tool steel alloys. By mixing with a moderately alloyed matrix, it
is possible to couple the high carbide content martensitic hard particles with bainitic and pearlitic matrix structures to
obtain “tool steel-type” durability while
achieving a high machinability performance and manufacturing robustness.
FIGURE 2 Scanning Electron Microscopy (SEM) images illustrating post-sinter tool steel (left) and LTS particle (right)
carbide density at two magnifications (© Federal-Mogul Powertrain)
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DE VELO PMENT MATERIAL S
The carbon present in excess is also
available for diffusing into one or more
other admixed powders of the composite,
thus acting as a potential carbon reservoir during component sintering. This
in turn offers a secondary advantage
of limiting the need for high admixed
graphite in the mix, which can lead
to harmful segregation or oversized
porosity in the material.
In the case of the Water Atomized
Hard Particle (WAHP) development, the
alloy FM-S17D was designed for superior
wear resistance in corrosive fuel environments and uses a completely different
chemistry to the LTS innovation. WAHP
is the second in-house-developed hard
phase patented and exclusively used in
new valve seat insert solutions.
The alloying and atomisation of hard
particle powders with the right characteristics allow robust and cost effective production, and achieve the desired mechanical strength and wear resistance that are
the key criteria of a successful VSI powder
metal composite development.
The first (AHP) concept led to several
positive engine tests of a highly competitive intake and exhaust valve seat insert
solution and provided an excellent starting point for a second iteration with the
target of optimising the machining properties. Before allowing wider market
availability the hard particle, matrix and
constituent package were re-engineered
to address machining performance.
The need for a high alloy wear resistant ingredient as a fraction within a PM
composite structure lead to the desired
hard particle concept containing high
levels of chrome and tungsten (between
20 and 30 %), moderate levels of cobalt
and nickel (between 3 and 7 %), and a
carbon content of approximately 2 %.
Molybdenum was eliminated from consideration because of historic price instability and in the end, proved unnecessary for the desired durability.
Embedding such hard particles as
LTS and WAHP into a lower alloy matrix,
together with the right thermal treatment as well as mixing in other performance-enhancing constituents for
improved tribology and machinability,
provides the PM component (in this case,
VSI) with the desired characteristics and
performance. The matrix, FIGURE 3, is
essentially that majority portion of the
composite that effectively binds the overall composition together in the sintered
FIGURE 3 FM-S17D VSI material microstructure with water atomised hard particles
(© Federal-Mogul Powertrain)
FIGURE 4 FM-S17D ball-on-block (left) and component bench (right) test wear
results in comparison to the tool steel baseline (© Federal-Mogul Powertrain)
product. The hard phase is evenly distributed throughout the structure, providing
the desired wear resistance behaviour.
VALIDATION OF CUSTOMER
REQUIREMENTS
After the PM alloy has passed all tests
with regard to material characteristics
and production requirements, testing
and validation of the desired key features
is one of the next important steps prior to
approving a material to meet customer
requirements. Initial rig testing, FIGURE 4,
is performed on tribometers [3] leading to
a filtered amount of potential candidates
for next-stage applied component testing
that incorporates contact with a real valve
under simulated closer-to-engine operation conditions. Finally, engine testing in
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FIGURE 5 VSI wear results of various engine configurations and test programmes (© Federal-Mogul Powertrain)
various configurations, together with
different valve technologies, offers proof
of success of the material compared to
in-house and competitor benchmarks.
This gives the highest possible confidence
that pre-validated VSI material solutions
will perform as expected in customer
development programmes.
In the case of FM-S14A, the engine
test study was performed at two different in-house test sites, in two different
engine test configurations (multi point
gasoline injection and turbo gasoline
direct injection) and three different test
programmes (peak power, alternating
load and city mode) partly with E25 fuel
and against induction hardened, ferrousseat faced and nitrided valves. In most
of the tests, FM-S14A was mounted on
intake and exhaust positions. VSI and
valve head seat bevel profiles were taken
pre- and post-test in order to determine
the combined wear in the valve axis
direction.
The results, FIGURE 5, show a moderate
wear level and low scatter. In this case,
the material has outperformed the current incumbent material and challenges
the benchmark, low wearing, tool steel
baseline. The figure has been extended
by additional results of challenging
engine applications.
Using this testing methodology,
FM-S17D has already been tested on
intake and exhaust in the cylinder
head of a diesel engine with a specific
output of 70 kW/l and in Euro 6 application. The results of the rated power testing show a similar wear performance
compared to the higher alloyed current
production materials.
Higher alloying and the use of hard
particles can result in catastrophic failure
of the cutting tool by notching, chipping
or fracture [4], as the particles present an
interrupted cut on a microscopic scale.
Correct material design and machining
practice can provide solutions to these
paradigms and should be considered early
in the development and validation process.
Machinability of new materials is validated by a team of machining experts
working in cooperation with tool makers
and using state-of-the-art in-house development laboratories. As an example,
FM-S14A has been laboratory-tested
under a wide range of speeds and feeds,
FIGURE 6. The final stage in the process
is to machine a significant number of
clamped VSI simulating the manufacturing tool and cutting parameters used at
the customer’s engine plant. The material
exhibits a robust response to a wide range
of machining parameters, broadening the
acceptable manufacturing factors beyond
materials of comparable durability. It is
already in production with minimum
quantity lubrication [5] machining, and
has delivered outstanding tool life compared to conventional PM VSI, contributing to reduced machining cost and environmentally friendly machining concepts.
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DE VELO PMENT MATERIAL S
FIGURE 6 Tool wear as a result of the key machining parameters (FM-S14A versus the reference) (© Federal-Mogul Powertrain)
SUMMARY AND CONCLUSION
OUTLOOK
In-service wear performance of the VSI,
valve and fuel compatibility, machinability robustness and total costs are the
leading requirements in VSI PM alloy
development. The described PM technology overcame limitations of available
hard particles by developing specifically
required alloying and powder production
concepts to achieve a new series of effective materials. The first two materials
FM-S14A and FM-S17D are developed and
meet the requirements proven by engine
tests and production machinability trials.
The new hard particles LTS and WAHP
will be utilised in further new PM developments in different formulations and
combinations including copper infiltration, to deliver new VSI material solutions. Further options for future use
may include turbocharger components,
where wear and oxidation resistance
are primary considerations.
REFERENCES
[1] Metal Powder Industries Federation: Powder
Metallurgy – Intrinsically Sustainable, internet publication, retrieved 2015-06-27
[2] Beaulieu, P.: Development of new tool steel
powders for high wear resistance and high temperature applications. Dissertation, École Polytechnique
de Montréal, Canada, 2012
[3] Earle, J.; Kuiry, S.: Application Note #1002:
Automotive Applications for Tribometers. Billerica/
MA, USA, 2012
[4] Christopherson, D.: Characterization of PM
Machinability: Practical Approach and Analysis. In:
International Journal of Powder Metallurgy 44
(2008), No. 2, pp. 15-20
[5] Orset, M.: Den Energiebedarf um 40 Prozent
reduziert. In: WB Werkstatt + Betrieb 2014, No. 3
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Produktion von Ventilsitzringen im britischen Werk Coventry von
Federal-Mogul Powertrain – automatisierte Brennofen-Beladung
Production of valve seat inserts at Federal-Mogul Powertrain´s
Coventry plant in the UK – automated furnace loading
(© Federal-Mogul Powertrain)
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The Heartbeat of Powertrains, Big and Small.
Life has never been tougher for the internal combustion engine. Higher temperatures, increased
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