(openPR) SOUTHFIELD, Michigan, USA, 04. März 2020 – Die Powertrain Unternehmenssparte von Tenneco Inc. (NYSE: TEN) hat einen innovativen Sinterwerkstoff entwickelt, der hohe Verschleißfestigkeit bei stark reduziertem Kobaltgehalt bietet. Das neue Material soll Motorenherstellern helfen, der begrenzten Verfügbarkeit und Preisvolatilität von Kobalt zu begegnen. Gedacht ist der neue Werkstoff insbesondere für anspruchsvolle Hochtemperatur-Applikationen, die klassischerweise auf Kobalt angewiesen sind, um die Verschleißfestigkeit in hohen Temperaturbereichen zu gewährleisten – etwa hochbelastete Turbolader-Wastegate-Buchsen, AGR-/Abgas-Ventil-Lager oder Hochleistungsventilsitze. Untersuchungen mit einer alternativen Rezeptur von Sinterstahl haben gezeigt, dass der Kobaltgehalt in den Sinterwerkstoffen von Tenneco deutlich reduziert werden kann, ohne die Verschleißfestigkeit zu beeinträchtigen.
„Potenzielle Materialknappheit, Kontroversen um den Kobaltabbau sowie extreme Preisschwankungen legen nahe, dass wir unsere Abhängigkeit von Kobalt reduzieren müssen“, sagte Gian Maria Olivetti, Vice President Global Engineering, Tenneco Powertrain. „Kobalt ist nach wie vor der effektivste Werkstoff zur Verschleißminimierung bei trockenlaufenden Ventilsitzanwendungen und anderen Komponenten, die hohen Temperaturbandbreiten ausgesetzt sind. Nun haben wir unsere langjährige Erfahrung in der Pulvermetallurgie genutzt, um ein kobaltarmes Sintermaterial zu entwickeln, das ein vergleichbar gutes Niveau der Verschleißfestigkeit wie die besten, aktuell im Markt verfügbaren Werkstoffe aufweist.“
Die Anwendungstemperaturen für Buchsen in AGR-Ventilen, Wastegate-Wellen oder Abgasventilen können einen Bereich von unter 0°C bis zu 1000°C umfassen. Diese große Spannbreite macht die Tribologie anspruchsvoll, wie Jens Wellmann, Product Manager Turbocharger Components bei Tenneco Powertrain, erläutert. „Insbesondere im unteren Temperaturbereich bis ~400°C können Materialien mit hohem Kobaltgehalt die herkömmlichen kobaltfreien Werkstoffe übertreffen. Wir haben uns also die Frage gestellt, wieso kobaltreiches Material niedrige Verschleißraten aufweist. Die zweite Frage, die wir beantworten mussten, war, wie viel Kobalt letztendlich notwendig ist, um diesen Effekt zu erzielen.“
Weniger Kobalt, gleiches Niveau an Verschleißfestigkeit
Tenneco startete seine Untersuchung mit zwei bewährten Sinterprodukten: FM-8100, ein Eisenbasiswerkstoff ohne Kobalt, und FM-T95A, mit etwa 54 Prozent Massenanteil Kobalt ein typischer Vertreter der Kobaltbasiswerkstoffe. Diese enthalten auch als Gusswerkstoffe vergleichbare Anteile an Kobalt und haben sich als Materialien für tribologische Anwendungen bewährt. Zwischen diesen beiden Extremen wurden insgesamt fünf Materialien mit unterschiedlichem Kobaltgehalt hinsichtlich ihrer Verschleißleistung über einen bestimmten Temperaturbereich bewertet. Die Untersuchung der Verschleißproben zeigte, dass die kobalthaltigen Sinterwerkstoffe von Tenneco im Gegensatz zur kobaltfreien Variante bereits bei niedrigeren Temperaturen einen verschleißmindernden Tribolayer bildeten. Diese frühe Bildung eines stabilen Tribolayers beantwortete die erste Frage der Entwickler.
Beim Vergleich der Proben wurde der gleiche Effekt bei 17 bis 35 Prozent Kobaltanteil gemessen – die Antwort auf die zweite Frage. Auf Grundlage dieser Ergebnisse konnte die Entwicklung eines neuen Werkstoffs, FM-T88A begonnen werden, der neben angepasstem Kobaltgehalt auch den Produktions- und Qualitätsanforderungen gerecht wird – darunter Herstell- und Mischbarkeit des Metallpulvers, der Sinterprozess, die Zerspanbarkeit und die Qualitätssicherung.
Zur Überprüfung der Ergebnisse aus den Grundlageversuchen konnte in Kooperation mit einem großen, globalen Automobilhersteller die Verschleißfestigkeit von FM-T88A im realitätsnahen Aufbau in Relation zu Serienwerkstoffen gesetzt werden. Dies wurde in einem Welle-in-Buchse-Prüfstand durchgeführt. Der Prüfstand bildet die Einbausituation und Belastung der Wastegate-Buchse im Turbolader nach und lässt sich mit einer Temperatur von bis zu 800°C betreiben.
„Die Ergebnisse zeigten, dass FM-T88A bei 200°C im Vergleich zu einem kobaltfreien Material eine deutlich geringere Verschleißtiefe und eine vergleichbare Verschleißfestigkeit wie das kobaltreiche Material aufweist“, sagte Wellmann. „Bei zunehmenden Temperaturen gleichen sich die Verschleißwerte auf ähnlich niedrigem Niveau an.“
„Da inzwischen 50 Prozent des weltweit produzierten Kobalts in Batterien für den Antrieb von Elektrofahrzeugen Einsatz findet, wächst die Nachfrage nach dem Material Jahr für Jahr“, fasste Gian Maria Olivetti zusammen. „Durch die Reduzierung des Kobaltgehalts in unseren verschleißfesten Hochtemperatur-Sinterwerkstoffen können wir unseren Kunden helfen, der limitierten Verfügbarkeit und Preisvolatilität von Kobalt zu begegnen, und dennoch weiterhin robuste Produkte liefern.“
