KONSTRUKCYJNE MATERIAŁY KOMPOZYTOWE PRZEZNACZONE DO WYSOKOOBCIĄŻONYCH
WĘZŁÓW TARCIA
II Konferencja: „Motoryzacja-Przemysł-Nauka”; Ministerstwo Gospodarki, dn. 26 listopada 2014
Dr hab. inż. Jerzy Myalski ([email protected]) 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
Top Related