KONSTRUKCYJNE MATERIAŁY KOMPOZYTOWE PRZEZNACZONE DO WYSOKOOBCIĄŻONYCH

WĘZŁÓW TARCIA

II Konferencja: „Motoryzacja-Przemysł-Nauka”; Ministerstwo Gospodarki, dn. 26 listopada 2014

Dr hab. inż. Jerzy Myalski (Jerzy.Myalski@polsl.pl) Politechnika Śląska Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii

Wyniki realizacji projektu NCBiR „SiNACERDI” (MATERA/HPE-2217)

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.

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

osnowa + 5% grafitu osnowa + 15% grafitu

osnowa + 5% SiC osnowa + 15% SiC

Test1 100N 7,23m/s

Test2 100N 14,45m/s

Test3 300N 7,23m/s

Test4 300N 14,45m/s

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE W MOTORYZACJI Charakterystyki tribologiczne kompozytów na osnowie aluminiowej zawierających różne rodzaje

cząstek zbrojących

NOWA KONCEPCJA MATERIAŁÓW NA KLOCKI

WYKONANE BADANIA

INNOWACYJNOŚĆ

Materiały kompozytowe na osnowie stopów aluminium umacniane reaktywnymi submikro-cząstkami ceramicznymi oraz dodatkami węglowymi do zastosowań w wysokoobciążonych

węzłach tarcia stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym.

Określenie warunków wytwarzania kompozytów zawierających drobnodyspersyjne umocnienie heterofazowe (Si3N4 + C) metodami metalurgii proszków oraz charakterystyka

tribologiczna i eksploatacyjna kompozytowych klocków hamulcowych.

Zastosowanie nanodyspersyjnych cząstek ceramicznych Si3N4 oraz węgla o strukturze amorficznej

Wybór składu fazowego materiałów

Mielenie planetarne

Prasowanie i spiekanie

Analiza strukturalna i fazowa

Testy tribologiczne

I etap: Wytwarzanie

II etap: Analiza struktury i testy laboratoryjne

PROBLEMATYKA BADAWCZA

Ocena właściwości tribologicznych materiałów kompozytowych III etap: Testy eksploatacyjne

zgłoszenie patentowe P.402725

MIELENIE PLANETARNE

Specyfikacja procesu mielenia: - 12 cykli: 5 min. mielenie/30 min. przerwa - 1000 rmp - atmosfera: argon

Planetary Micro Mill PULVERISETTE 7 premium line

SKŁAD CHEMICZNY

stop Al-Si (AK12) 78%

węgiel szklisty 5%

Si3N4 15%

kwas stearynowy 2%

Mikrostruktua proszku kompozytowego

PRASOWANIE I SPIEKANIE

OZNACZENIE ATMOSFERA CIŚNIENIE PRASOWANIA [MPa]

ZAWARTOŚĆ PLASTYFIKATORA [%]

N2-350_2 azot 350 2

N2-250/350_2 azot 250 / 350 2

Ar-300_0 argon 300 0

Ar-300_2 argon 300 2

Ar-300_4 argon 300 4

O2-300_4 powietrze 300 4

Mikrostruktura materiału kompozytowego

Temperatura spiekania 680oC

TARCZA

KLOCEK 1

KLOCEK 2

Prędkość poślizgu: 14,45 m/s (6000 rpm)

Obciążenie: 100 N (160 MPa – Hertz)

TESTY TRIBOLOGICZNE

Wygląd stanowiska do badań

Schemat układu hamulcowego

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

Badania stanowiskowe współczynnika tarcia i zużycia Konstrukcja autorska: Mitjan KALIN (University of Ljubljana, Słowenia)

0

100

200

300

400

500

600

700

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

sila trenja [N]

pritisna sila [N]

Ktr

T1 [°C]

T2 [°C]

OCENA WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNYCH

WARUNKI PRÓBY TRIBOLOGICZNEJ

PRZEBIEG TESTU

Temperatura Liczba cykli hamowania

250 oC 60

300 oC 10

350 oC 10

400 oC 10

450 oC 10

500 oC 10

550 oC 10

600 oC 10

650 oC 10

PARY CIERNE

KLOCEK TARCZA

N2-350_2

DMC 01/12 (wyższy profil chropowatości)

DMC 02/12 (niższy profil chropowatości)

N2-250/350_2

Ar-300_0

Ar-300_2

Ar-300_4

O2-300_4

WYNIK TESTU OKREŚLA: - droga tarcia - ubytek masy klocka - ubytek masy tarczy - współczynnik tarcia (COF)

DMC 01/12 (duża chropowatość Ra=5,2 mm) DMC 02/12 (mała chropowatość Ra=1,9 mm)

Kompozyt N2-350_2 zapewnia największą stabilność współczynnika tarcia

Wyższy COF (powyżej 0,5) Niższy COF (powyżej 0,35)

Kompozyt O2-300_4 zapewnia największą stabilność współczynnika tarcia

Wzrost COF w podwyższonej temperaturze (np. dla N2-250/350_2)

WSPÓŁCZYNNIK TARCIA w

spó

łczy

nn

ik t

arci

a, µ

wsp

ółc

zyn

nik

tar

cia,

µ

temperatura, oC temperatura, oC

Wyższe wartości współczynnika tarcia dla dysku DMC 01/12 (o wyższym profilu chropowatości)

DMC 01/12 DMC 02/12

N2-350_2

Ar-300_2

N2-250/350_2

Ar-300_0

N2-250/350_2

Ar-300_0

N2-350_2

Ar-300_2 Ar-300_4

O2-300_4

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: N2-250/350_2

Najniższe zużycie tarczy: N2-250/350_2

Najniższe zużycie klocka: N2-350_2

Najniższe zużycie tarczy: Ar-300_2

ZUŻYCIE TRIBOLOGICZNE

Wyższe wartości ubytków masowych dla dysku DMC 01/12 (o wyższym profilu chropowatości)

zno

rmal

izo

wan

y u

byt

ek m

asy,

g/m

zno

rmal

izo

wan

y u

byt

ek m

asy,

g/m

Materiał tarczy :kompozyt węgiel-węgiel (DMC 01/12 oraz DMC 02/12) o różnych profilach chropowatości

PORÓWNANIE ZUŻYCIA W ODNIESIENIU DO INNYCH MATERIAŁÓW zn

orm

aliz

ow

any

ub

ytek

mas

y, g

/m

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 Si3N4 i dodatkami węglowymi

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 Si3N4 i dodatkami węglowymi

zno

rmal

izo

wan

y u

byt

ek m

asy,

g/m

żeliwo

żeliwo

Sintered 108 SICOM Al-Si+Si3N4/C

Al-Si+Si3N4/C Sintered 108 SICOM

Warunki testu wg procedury AK Test - Skuteczność hamowania przy prędkości 50 km/godz.

- Droga hamowania 10 km

TEST EKSPLOATACYJNY

droga [m]

wsp

ółc

zyn

nik

tar

cia

µ

0,8 0,6 0,3

AK test SMC test Fading test

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 ceramicznymi charakteryzującymi się dużym rozdrobnieniem

• Uzyskanie zadowalających właściwości tribologiczych materiałów kompozytowych

• Podwyższenie dopuszczalnej temperatury pracy w układach hamulcowych (nawet powyżej 650oC)

• Stabilizacja wartości współczynnika tarcia i zużycia, wydłużenie czasu bezpiecznej pracy klocków hamulcowych (motocyklowych)

Dopuszczalna temp. pracy [oC] Akumulacja energii [J]

Materiały stosowane w układach ciernych

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

W imieniu wykonawców projektu dziękuję za uwagę