Tenneco: nuovi materiali con ridotto contenuto di cobalto

Un innovativo e nuovo materiale con contenuto di cobalto drasticamente ridotto, sviluppato dalla Divisione Powertrain di Tenneco (NYSE: TEN), assicura prestazioni in termini di resistenza all’usura, aiutando così i costruttori di motori a mitigare la disponibilità limitata e la volatilità nei prezzi del cobalto. Le severe applicazioni in presenza di temperature elevate che normalmente dipendono dal cobalto per garantire la resistenza all’usura, quali ad esempio le boccole della valvola wastegate nei turbocompressori di applicazioni heavy-duty, le valvole EGR e le sedi valvola nei motori ad alte prestazioni, potranno beneficiare dei nuovi materiali. Utilizzando una formulazione alternativa con acciaio sinterizzato, le prove hanno dimostrato che il contenuto di cobalto nei materiali sinterizzati di Tenneco può essere ridotto in modo significativo, senza compromessi in termini di resistenza all’usura.

“Potenziali carenze di materiale e polemiche sulle miniere di cobalto, unite all’estrema volatilità del prezzo, ci impongono di ridurre la nostra dipendenza dal cobalto,” afferma Gian Maria Olivetti, Vice President Global Engineering, Tenneco Powertrain. “Pur rimanendo il materiale più efficace per combattere l’usura nelle applicazioni con sedi a secco della valvola e in altri componenti sottoposti a temperature molto elevate, abbiamo utilizzato la nostra vasta esperienza nella metallurgia delle polveri per sviluppare una formulazione alternativa, sinterizzata e a basso contenuto di cobalto, che assicura proprietà di usura simili a quelle dei migliori materiali attualmente in uso.”
Le temperature a cui sono sottoposte le boccole delle valvole EGR, dei sistemi wastegate del turbocompressore o delle valvole di scarico, possono variare da – 0°C a + 1.000°C ed è questa ampia variazione a rendere ardua la tribologia, come spiega Jens Wellmann, Tenneco Powertrain product manager per i componenti del turbocompressore: “Specialmente nell’intervallo più basso di temperature, fino a circa +400°C, i materiali a elevato contenuto di cobalto superano in termini di prestazioni quelli tipici a basso contenuto. La prima domanda alla quale dovevamo rispondere era la seguente: “Cosa spiega i bassi tassi di usura del materiale a elevato contenuto di cobalto?” La seconda: “Quanto cobalto è effettivamente necessario per produrre quell’effetto?”

La ricerca di Tenneco è partita da due prodotti sinterizzati già esistenti e comprovati: FM-8100, materiale sinterizzato a base di ferro e senza cobalto e FM-T95A, un materiale sinterizzato a base di cobalto (54% in peso di cobalto) paragonabile ai materiali ottenuti da fusione impiegati in applicazioni tribologiche. Tra questi due estremi, è stato analizzato un totale di cinque materiali con contenuto variabile di cobalto, valutandone in un intervallo di temperature le prestazioni in termini di usura. Indagini sul campione usurato hanno dimostrato che i materiali sinterizzati di Tenneco contenenti cobalto formavano uno stato tribologico che riduceva l’usura a temperature inferiori rispetto a quanto accadeva in quello senza cobalto. La formazione precoce di questo strato tribologico stabile ha dato risposta alla prima domanda.

Paragonando i campioni, lo stesso effetto è stato esaminato nei materiali con percentuali di cobalto comprese tra il 17 e il 35%, fornendo risposta alla seconda domanda. In base a questi risultati, è stato sviluppato un nuovo materiale, denominato FM-T88A, un acciaio sinterizzato con contenuto di cobalto pari al 17%, che ha soddisfatto sia i requisiti produttivi sia qualitativi, inclusi la producibilità, la miscibilità delle polveri di metallo, il processo di sinterizzazione, la lavorabilità e la garanzia di qualità.

Per verificare i risultati dei test iniziali, sono state condotte sperimentazioni congiunte con un importante costruttore di veicoli paragonando la resistenza all’usura di FM-T88A rispetto a quella dei materiali impiegati nella produzione di serie. Ciò è stato realizzato con un apparecchio di prova che simulava la collocazione e il carico di una boccola della valvola wastegate di un turbocompressore che funzionava a temperature fino a + 800°C.

“I risultati hanno dimostrato che a +200°C FM-T88A mostra un’intensità di usura significativamente ridotta se paragonato al materiale senza cobalto ed è a livelli comparabili con il materiale ad alto contenuto di cobalto,” prosegue Wellmann. “A tutte le altre temperature le prestazioni del nuovo materiale rispecchiano da vicino quelle dei materiali ad alto contenuto di cobalto.”

“Con il 50% di cobalto estratto globalmente e ora impiegato nelle batterie per i powertrain dei veicoli elettrificati, la domanda di questo materiale cresce di anno in anno,” conclude Gian Maria Olivetti. “Minimizzando i livelli di cobalto utilizzati nei nostri materiali sinterizzati resistenti all’usura alle alte temperature, possiamo aiutare i nostri clienti a mitigare la disponibilità limitata e la volatilità nel prezzo del cobalto, continuando al contempo ad offrire prodotti robusti.”