NUEVAS ALEACIONES PARA RESPONDER A LAS EXIGENCIAS DE LOS MOTORES MÁS MODERNOS

► En años recientes, las cilindradas se han acortado, la potencia se ha elevado y conseguir el máximo par de giro posible pone a prueba la resistencia de las válvulas

Stefan Kellermann, ingeniero de Federal.Mogul Powertrain,
durante la presentación de los avances más recientes de su
compañía en materia de aleaciones para válvulas

AUGSBURGO (ALEMANIA) ─ La evolución reciente de los motores para camiones pesados, es decir, de 16 toneladas en adelante, ha planteado a los ingenieros multitud de desafíos y no sólo en uno o dos frentes, sino en muchos más. Por ejemplo, en el de las válvulas, sometidas a esfuerzos muchísimo mayores que hace, por ejemplo, una década. En una reciente jornada técnica celebrada en Friburgo y Augsburgo para debatir éste y otros temas, hemos podido saber cómo viene afrontando esos desafíos un proveedor global de equipos y componentes para el automóvil y, más concretamente, su división Federal-Mogul Powertrain.

A nadie se le oculta los importantes cambios que en la última década se han introducido en los motores de camión. La generalización de las cuatro válvulas por cilindro, los turbocompresores gemelos o de dos etapas, la recirculación de los gases del escape (EGR) para reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx), los nuevos sistemas de inyección (inyectores bomba independientes o bombas de carril común), el uso de combustibles alternativos como el alcohol, el gas natural comprimido o licuado, la necesidad de abaratar los costes de explotación de los vehículos aumentando el kilometraje anual hasta conseguir superar los 1,3 millones de kilómetros a lo largo de la vida útil de aquéllos, el continuo aumento de presión en la combustión para obtener más potencia del motor, etc.

Todo ello ha puesto a prueba la resistencia de una parte tan comprometida como las válvulas del motor, sometidas a un desgaste cada vez mayor y necesitadas de más resistencia a la corrosión generada por la humedad y también a la generada por el calor... o por la combinación de ambos factores. Además, parece innecesario recordar que las válvulas, por ser las encargadas de cerrar los conductos de admisión y de escape se han convertido en elementos de gran precisión para que no se produzcan pérdidas por esa como decíamos cada vez más alta presión en el interior de la cámara de combustión. Esto último nos lleva al siempre delicado tema de los costes. Encontrar soluciones casi siempre es posible, pero ¿a qué precio?.

Una importante característica de toda la problemática descrita es que no se trata de cuestiones para las que baste con encontrar una solución y resuelto el problema. Se trata de asuntos que marcan tendencias y esas tendencias inciden en que las exigencias solucionadas hoy sigan evolucionando para convertirse en problemas por solucionar mañana.

Las antiguas generaciones de motores Diesel de 16 litros han sido remplazadas por unidades de 12 y 13 litros, llegando ahora incluso a motores de 10 u 11 litros con una potencia de 500 caballos. Esto ha provocado una demanda de válvulas con mayor resistencia a las altas temperaturas que puedan soportar presiones de combustión de 220 bares y más, mientras que paralelamente las estrategias de reducción de emisiones incrementan los niveles de recirculación de gases de escape (EGR) exponiendo las válvulas a un mayor riesgo de corrosión húmeda, comentaba el ingeniero Stefan Kellermann de Federal-Mogul Powertrain en Alemania.

La válvula se ha convertido en un elemento de
precisión que debe ser estudiado con mucho
cuidado en todas sus partes, el vástago, la cara
de la válvula, el asiento de la misma, etc.

Como decíamos, la válvula se ha convertido en un elemento de precisión que debe ser estudiado con mucho cuidado en todas sus partes, el vástago, la cara de la válvula, el asiento de la misma, etc., para luego experimentar con distintas aleaciones buscando la que ofrezca un resultado equilibrado para elevar la resistencia en todas las partes de la válvula y... no lo olvidemos, con un coste asumible.

Diferentes alternativas de aleación

Para aplicaciones exigentes, la respuesta convencional es un material superior como el ECMS-Ni80A desarrollado por Federal-Mogul Powertrain, pero con un contenido de níquel por encima del 70 por ciento no suele ser una solución económica, resaltó Kellermann. Por eso, se ha experimentado con aleaciones alternativas con una resistencia al calor equivalente a la de la mencionada ECMS-Ni80A pero con un menor contenido de níquel.

Ese es el caso de la aleación ECMS2512NbN, que es un desarrollo de un acero austenítico con otros porcentajes de níquel, cromo y manganeso. ¿Y qué es un acero austenítico?, se preguntará el lector. Pues no hay necesidad de que busque un tratado de metalurgia para saberlo, ya que nosotros le adelantamos que se consideran aceros austeníticos los que tienen o bien más de un 12 por ciento de material equivalente al níquel y hasta un 17 por ciento de material equivalente al cromo; o bien, más de un 12 por ciento de material equivalente al níquel, pero sin material equivalente al plomo; o, finalmente, hasta un 30 por ciento de material equivalente al níquel pero con menos de un 30 por ciento de material equivalente al cromo. Hemos comprobado que al aumentar el contenido de níquel del habitual 3 por ciento a cerca del 12 por ciento y ajustar la combinación de otros elementos en la aleación mejoran significativamente la resistencia al calor y a la corrosión, explicaba el ingeniero Kellermann.

Para aplicaciones de mayor temperatura, en Federal-Mogul Powertrain piensan que la aleación de acero austenítico de alto rendimiento ECMS-Ni36 ofrece una mayor resistencia a la oxidación en caliente que su equivalente industrial estándar ECMS-3015D (acero austenítico con 15 por ciento de cromo y 31 por ciento de níquel). Además, a pesar de tener solo un 36 por ciento de contenido de níquel, presenta una resistencia a la tracción similar a la de la superaleación ECMS-Ni80A, que contiene más del 70 por ciento de níquel, subrayó Kellermann.

Para afrontar las crecientes exigencias al tren de válvulas,
Federal-Mogul ha puesto a punto nuevas aleaciones

Un proceso muy largo

El desarrollo y proceso de validación de un nuevo material para válvulas puede llevar hasta 10 años e incluye la identificación de materiales apropiados y de los límites de la proporción en que cada uno de ellos puede integrase en el material final, así como el subsecuente efecto en la estructura granular. A esto le sigue una validación interna exhaustiva para demostrar su idoneidad frente a desafíos futuros del mercado.

¿Y cómo se consigue esto?. Pues tras el diseño de las piezas, viene una fase en que, mediante el análisis por elementos finitos se simulan distintas condiciones de temperatura, tensión y fatiga para estimar su efecto a lo largo de la vida de aquéllas. Asimismo, en la fase de diseño previa se estudian los resultados que pueden conseguirse con cambios en la longitud del vástago de la válvula o, por ejemplo, en el ángulo de asiento de ésta. Estamos convencidos, por ejemplo, de que un ángulo de asiento de entre 30 y 45 grados contribuye a reducir el desgaste, indicó Kellermann.

Federal-Mogul ya ha iniciado la producción en serie de las válvulas fabricadas con las aleaciones ECMS-2512NbN y ECMS-3015D, mientras que las válvulas ECMS-Ni36 se encuentran en fase de pruebas con clientes con vistas a su posterior entrada en producción. Las aleaciones ECMS-2512NbN y ECMS-Ni36 se anuncian como igualmente aplicables a aplicaciones de carretera, fuera de carretera e incluso en motores navales de uso recreativo en la categoría de 10 a 16 litros de cilindrada. En las aplicaciones de vehículo industrial en las que los requisitos superan incluso las capacidades de las válvulas ECMS-Ni80A, como algunos motores marinos y de gas natural comprimido de alta potencia, Federal-Mogul suministra válvulas de vástago hueco que, según asegura el proveedor, han mejorado el rendimiento en la disipación del calor.