KONSTRUKCYJNE MATERIAŁY KOMPOZYTOWE PRZEZNACZONE DO WYSOKOOBCIĄŻONYCH WĘZŁÓW TARCIA

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "KONSTRUKCYJNE MATERIAŁY KOMPOZYTOWE PRZEZNACZONE DO WYSOKOOBCIĄŻONYCH WĘZŁÓW TARCIA"

Maksymilian Czajka
8 lat temu
Przeglądów:

1 II Konferencja: Motoryzacja-Przemysł-Nauka ; Ministerstwo Gospodarki, dn. 26 listopada 2014 KONSTRUKCYJNE MATERIAŁY KOMPOZYTOWE PRZEZNACZONE DO WYSOKOOBCIĄŻONYCH WĘZŁÓW TARCIA Dr hab. inż. Jerzy Myalski (Jerzy.Myalski@polsl.pl) Politechnika Śląska Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Wyniki realizacji projektu NCBiR SiNACERDI (MATERA/HPE-2217)

WĘZŁÓW TARCIA Dr hab. inż. Jerzy Myalski (Jerzy.Myalski@polsl.

2 WYMAGANIA ODNOŚNIE MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH STOSOWANYCH W WĘZŁACH TARCIA W budowie pojazdów stosuje się coraz częściej tworzywa konstrukcyjne i materiały eksploatacyjne, których zadaniem jest zmniejszenie masy i wydłużenie trwałości oraz poprawa sprawności silnika. Zmniejszenie masy można osiągnąć m.in. stosując tworzywa o dużej wytrzymałości względnej (Rw - stosunek wytrzymałości Rm do gęstości ). Wydłużenie trwałości uzyskuje się stosując tworzywa konstrukcyjne odporne na zużywanie, a poprawę sprawności stosując tworzywa konstrukcyjne o określonym współczynniku tarcia we współpracy z partnerami tribologicznymi. Materiałami, które mogą równocześnie spełnić wszystkie trzy wyżej wymienione zadania są kompozyty hybrydowe zawierające ceramiczną fazę zbrojącą w różnej postaci. Użycie kompozytów z osnową ceramiczną do wytwarzania całych podzespołów silników zostało zarzucone ze względu na zbyt dużą ich kruchość i pękanie podczas eksploatacji. W praktyce sprawdziły się elementy silników pokryte częściowo ceramiką, dzięki czemu zwiększono sprawność silników spalinowych.

stosując tworzywa o dużej wytrzymałości względnej (Rw - stosunek wytrzymałości Rm do gęstości ).

3 WYMAGANIA MATERIAŁY NA KLOCKI HAMULCOWE MUSZĄ SPEŁNIAĆ NASTĘPUJĄCE WYMAGANIA: odporność na korozję mała masa (gęstość) stabilne zużywanie się materiału długi czas eksploatacji niski poziom hałasu podczas pracy względnie mały koszt wytworzenia brak wibracji względnie duży i stabilny współczynnik tarcia w szerokim zakresie warunków hamowania niezależnie od temperatury, wilgotności, czasu eksploatacji, stopnia zużycia, skorodowania, obecności zanieczyszczeń

mały koszt wytworzenia brak wibracji względnie duży i stabilny współczynnik tarcia w szerokim zakresie warunków

4 MATERIAŁY KOMPOZYTOWE W MOTORYZACJI Charakterystyki tribologiczne kompozytów na osnowie aluminiowej zawierających różne rodzaje cząstek zbrojących osnowa + 5% grafitu Test1 100N 7,23m/s Test2 100N 14,45m/s Test3 300N 7,23m/s Test4 300N 14,45m/s osnowa + 15% grafitu osnowa + 5% SiC osnowa + 15% SiC

zbrojących osnowa + 5% grafitu Test1 100N 7,23m/s Test2 100N 14,45m/s

NOWA KONCEPCJA MATERIAŁÓW NA KLOCKI Materiały kompozytowe na osnowie stopów aluminium umacniane reaktywnymi submikrocząstkami ceramicznymi oraz dodatkami węglowymi do zastosowań w wysokoobciążonych

5 NOWA KONCEPCJA MATERIAŁÓW NA KLOCKI Materiały kompozytowe na osnowie stopów aluminium umacniane reaktywnymi submikrocząstkami ceramicznymi oraz dodatkami węglowymi do zastosowań w wysokoobciążonych węzłach tarcia stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym. WYKONANE BADANIA Określenie warunków wytwarzania kompozytów zawierających drobnodyspersyjne umocnienie heterofazowe (Si 3 N 4 + C) metodami metalurgii proszków oraz charakterystyka tribologiczna i eksploatacyjna kompozytowych klocków hamulcowych. INNOWACYJNOŚĆ Zastosowanie nanodyspersyjnych cząstek ceramicznych Si 3 N 4 oraz węgla o strukturze amorficznej

WYKONANE BADANIA Określenie warunków wytwarzania kompozytów zawierających drobnodyspersyjne umocnienie heterofazowe (Si 3 N 4 + C) metodami metalurgii

testy laboratoryjne Analiza strukturalna i fazowa Prasowanie i spiekanie Mielenie

6 PROBLEMATYKA BADAWCZA Ocena właściwości tribologicznych materiałów kompozytowych III etap: Testy eksploatacyjne Testy tribologiczne II etap: Analiza struktury i testy laboratoryjne Analiza strukturalna i fazowa Prasowanie i spiekanie Mielenie planetarne Wybór składu fazowego materiałów I etap: Wytwarzanie zgłoszenie patentowe P

7 MIELENIE PLANETARNE SKŁAD CHEMICZNY stop Al-Si (AK12) 78% węgiel szklisty 5% Si 3 N 4 15% kwas stearynowy 2% Mikrostruktua proszku kompozytowego Planetary Micro Mill PULVERISETTE 7 premium line Specyfikacja procesu mielenia: - 12 cykli: 5 min. mielenie/30 min. przerwa rmp - atmosfera: argon

Planetary Micro Mill PULVERISETTE 7 premium line Specyfikacja procesu

8 PRASOWANIE I SPIEKANIE OZNACZENIE ATMOSFERA CIŚNIENIE PRASOWANIA [MPa] ZAWARTOŚĆ PLASTYFIKATORA [%] N 2-350_2 azot N 2-250/350_2 azot 250 / Ar-300_0 argon Ar-300_2 argon Ar-300_4 argon O 2-300_4 powietrze Temperatura spiekania 680 o C Mikrostruktura materiału kompozytowego

350 2 Ar-300_0 argon 300 0 Ar-300_2 argon 300 2 Ar-300_4 argon 300 4 O

testu Układ : tarcza-klocek Obciążenie: 100N Prędkość poślizgu: 14,45 m/s Temperatura: 250-650 o C

9 TESTY TRIBOLOGICZNE Badania stanowiskowe współczynnika tarcia i zużycia Konstrukcja autorska: Mitjan KALIN (University of Ljubljana, Słowenia) KLOCEK 1 Prędkość poślizgu: 14,45 m/s (6000 rpm) Warunki testu Układ : tarcza-klocek Obciążenie: 100N Prędkość poślizgu: 14,45 m/s Temperatura: o C KLOCEK 2 TARCZA Obciążenie: 100 N (160 MPa Hertz) Schemat układu hamulcowego Wygląd stanowiska do badań

10 OCENA WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNYCH Temperatura PRZEBIEG TESTU Liczba cykli hamowania 250 o C o C o C o C o C o C o C o C o C 10 WARUNKI PRÓBY TRIBOLOGICZNEJ KLOCEK N 2-350_2 N 2-250/350_2 Ar-300_0 Ar-300_2 Ar-300_4 O 2-300_4 PARY CIERNE TARCZA DMC 01/12 (wyższy profil chropowatości) DMC 02/12 (niższy profil chropowatości) WYNIK TESTU OKREŚLA: - droga tarcia - ubytek masy klocka - ubytek masy tarczy - współczynnik tarcia (COF) sila trenja [N] pritisna sila [N] Ktr T1 [ C] T2 [ C]

(wyższy profil chropowatości) DMC 02/12 (niższy profil chropowatości) WYNIK TESTU OKREŚLA: - droga tarcia - ubytek masy klocka - ubytek masy tarczy -

11 współczynnik tarcia, µ WSPÓŁCZYNNIK TARCIA współczynnik tarcia, µ Materiał tarczy: kompozyt węgiel-węgiel (DMC 01/12 oraz DMC 02/12) o różnych profilach chropowatości DMC 01/12 (duża chropowatość Ra=5,2 mm) DMC 02/12 (mała chropowatość Ra=1,9 mm) DMC 01/12 DMC 02/12 N 2-350_2 Ar-300_2 N 2-250/350_2 Ar-300_0 N 2-350_2 Ar-300_2 Ar-300_0 N 2-250/350_2 Ar-300_4 O 2-300_4 temperatura, o C temperatura, o C Wyższy COF (powyżej 0,5) Niższy COF (powyżej 0,35) Kompozyt N 2-350_2 zapewnia największą stabilność współczynnika tarcia Wzrost COF w podwyższonej temperaturze (np. dla N 2-250/350_2) Kompozyt O 2-300_4 zapewnia największą stabilność współczynnika tarcia Wyższe wartości współczynnika tarcia dla dysku DMC 01/12 (o wyższym profilu chropowatości)

temperatura, o C temperatura, o C Wyższy COF (powyżej 0,5) Niższy COF (powyżej 0,35) Kompozyt N 2-350_2 zapewnia największą stabilność współczynnika tarcia Wzrost COF w podwyższonej

znormalizowany ubytek masy, g/m ZUŻYCIE TRIBOLOGICZNE znormalizowany ubytek masy, g/m Materiał tarczy :kompozyt węgiel-węgiel (DMC 01/12 oraz DMC 02/12) o różnych profilach chropowatości DMC 01/12

12 znormalizowany ubytek masy, g/m ZUŻYCIE TRIBOLOGICZNE znormalizowany ubytek masy, g/m Materiał tarczy :kompozyt węgiel-węgiel (DMC 01/12 oraz DMC 02/12) o różnych profilach chropowatości DMC 01/12 (duża chropowatość Ra= 5,2 mm) DMC 02/12 (mała chropowatość Ra= 1,9 mm) Najniższe zużycie klocka: N 2-250/350_2 Najniższe zużycie tarczy: N 2-250/350_2 Najniższe zużycie klocka: N 2-350_2 Najniższe zużycie tarczy: Ar-300_2 Wyższe wartości ubytków masowych dla dysku DMC 01/12 (o wyższym profilu chropowatości)

chropowatość Ra= 1,9 mm) Najniższe zużycie klocka: N 2-250/350_2 Najniższe zużycie tarczy: N 2-250/350_2 Najniższe zużycie

13 znormalizowany ubytek masy, g/m znormalizowany ubytek masy, g/m PORÓWNANIE ZUŻYCIA W ODNIESIENIU DO INNYCH MATERIAŁÓW Zużycie klocków hamulcowych: - Kompozyty partnera projektu: SINTERED 108 i SICOM C-C (DMC) - Kompozyty na osnowie żeliwa z insertami grafitowymi - Kompozyty na osnowie siluminu umacniane cząstkami Si 3 N 4 i dodatkami węglowymi Sintered 108 SICOM żeliwo Al-Si+Si 3 N 4 /C Zużycie tarcz hamulcowych: - Kompozyty partnera projektu: SINTERED 108 i SICOM C-C (DMC) - Kompozyty na osnowie żeliwa z insertami grafitowymi - Kompozyty na osnowie siluminu umacniane cząstkami Si 3 N 4 i dodatkami węglowymi Sintered 108 SICOM żeliwo Al-Si+Si 3 N 4 /C

i dodatkami węglowymi Sintered 108 SICOM żeliwo Al-Si+Si 3 N 4 /C Zużycie tarcz hamulcowych: - Kompozyty i dodatkami węglowymi Sintered 108 SICOM żeliwo Al-Si+Si 3

14 współczynnik tarcia µ Warunki testu wg procedury AK Test TEST EKSPLOATACYJNY - Skuteczność hamowania przy prędkości 50 km/godz. - Droga hamowania 10 km AK test SMC test Fading test 0,8 0,6 0,3 droga [m]

15 TEST EKSPLOATACYJNY Warunki testu wg procedury AK Test - Ocena jakości stanu powierzchni materiałów tarczy i klocka

Podsumowanie Opracowanie parametrów technologii wytwarzania materiałów kompozytowych o osnowie Al umacnianych heterofazowymi cząstkami

Podwyższenie dopuszczalnej temperatury pracy w układach hamulcowych (nawet powyżej 650 o C) Stabilizacja wartości współczynnika tarcia i

16 Podsumowanie Opracowanie parametrów technologii wytwarzania materiałów kompozytowych o osnowie Al umacnianych heterofazowymi cząstkami ceramicznymi charakteryzującymi się dużym rozdrobnieniem Uzyskanie zadowalających właściwości tribologiczych materiałów kompozytowych Podwyższenie dopuszczalnej temperatury pracy w układach hamulcowych (nawet powyżej 650 o C) Stabilizacja wartości współczynnika tarcia i zużycia, wydłużenie czasu bezpiecznej pracy klocków hamulcowych (motocyklowych) Akumulacja energii [J] Dopuszczalna temp. pracy [ o C] Materiały stosowane w układach ciernych

17 STAN ZAAWANSOWANIA TECHNOLOGII Poziom gotowości technologii (TRL) POZIOM 1 - Podstawowe badania nad technologią POZIOM 2 - Koncepcja technologii i jej przyszłych zastosowań POZIOM 3 - Laboratoryjne potwierdzenie krytycznych elementów technologii POZIOM 4 - Potwierdzenie technologii w skali laboratoryjnej POZIOM 5 - Zweryfikowane podstawowe elementy technologii w warunkach zbliżonych do rzeczywistych POZIOM 6 - Demonstracja technologii / prototypu w warunkach zbliżonych do rzeczywistych POZIOM 7 - Zakończono badania i demonstracje ostatecznej wersji technologii POZIOM 8 - Potwierdzono skuteczność technologii w warunkach przemysłowych

POZIOM 5 - Zweryfikowane podstawowe elementy technologii w warunkach zbliżonych do rzeczywistych POZIOM 6 - Demonstracja technologii / prototypu w warunkach

18 W imieniu wykonawców projektu dziękuję za uwagę

Podobne dokumenty

III Konferencja: Motoryzacja-Przemysł-Nauka ; Ministerstwo Gospodarki, dn. 23 czerwiec 2014

III Konferencja: Motoryzacja-Przemysł-Nauka ; Ministerstwo Gospodarki, dn. 23 czerwiec 2014 Praca została realizowana w ramach programu Innowacyjna Gospodarka, finansowanego przez Europejski fundusz Rozwoju