background image

dr inż. Barbara Juszczyk 

Nowe materiały i technologie dla motoryzacji 

w projekcie strategicznym - ZAMAT  

background image

Program Operacyjny 

Innowacyjna Gospodarka, 2007-2013 

Pod. 1.1.2 

 

„Zaawansowane materiały i technologie ich 

wytwarzania” 

 

POIG.01.01.02-00-015/09  

Okres realizacji: 2010÷2013 

PROJEKT WSÓŁFINANSOWANY PRZEZ UNIĘ EUROPEJSKĄ 

 Z EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONALNEGO 

background image

Obszary Tematyczne 

I. 

Nanomateriały 

II. Zaawansowane technologie wytwarzania 

proszków  

spieków 

III. Nowe 

materiały ze stopów lekkich 

IV. Stopy ekologiczne 

V. 

Materiały funkcjonalne o osnowie metalowej 

VI. 

Materiały dla fotoniki i źródeł energii 

VII. Recykling i utylizacja 

materiałów 

background image

Problemy przemysłu motoryzacyjnego 

Wymagania: 
• Ograniczenie stopnia zużycia paliwa, 
• Ograniczenie  masy  samochodów  przez  zwiększanie 

materiałów ze stopów lekkich (Al, Mg, Ti), 

• Wzrost bezpieczeństwa, 
• Niskie  koszty  produkcji  poprzez  zmniejszenie  zużycia 

energii w 

urządzeniach produkcyjnych, 

• Aspekty związane z ochroną środowiska. 

background image

Al 

Stopy aluminium 

Dlaczego stopy aluminium? 

Niski ciężar właściwy, 
Odporność na korozję, 
Dobre właściwości mechaniczne i zmęczeniowe, 
Wysokie przewodnictwo elektryczne i cieplne, 
Odporność na ścieranie, 
Odporność termiczna, 
Dobra obrabialność i możliwość stosowania innych obróbek, 
Cena surowca i koszty produkcji 

background image

„Opracowanie technologii wytwarzania spiekanych elementów 

ze stopowych proszków aluminium dla instalacji 

klimatyzacyjnej w samochodzie osobowym” 

Politechnika Krakowska 
Prof. dr inż. Jan Kazior 

background image

Zalety: 

możliwość  stosowania  niskich  ciśnień  prasowania  z  uwagi  na  dobrą 

prasowalność proszków ze stopów aluminium, 

wysoka wytrzymałość wyprasek, 
minimalny udział wad, 
małe  zużycie  energii  elektrycznej  dzięki  możliwości  stosowania  niskiej 

temperatury spiekania (540÷630°C), 

Wytwarzanie elementów konstrukcyjnych  

w procesach metalurgii proszków  

Potencjalne problemy technologiczne: 

konieczność stosowania bardzo czystej atmosfery ochronnej, 
konieczność  dokładnej  kontroli  temperatury  dla  zachowania  stabilności 

wymiarowej, 

małe  różnice  gęstości  po  prasowaniu  w  celu  otrzymania  jednolitego 

skurczu w 

całej objętości, 

konieczność stosowania kalibrowania 

background image

Zależność siły wypychania od przemieszczenia dla proszków  

Alumix 431 przy zastosowaniu różnych środków poślizgowych 

0

10

20

30

40

50

60

0

10

20

30

40

Przemieszczenie, mm

Si

ła 

wyp

ych

an

ia

kN

431D (

Bez środka poślizgowego)

431D+1.5% Kenolube

431D+1.5% Acrawax

431D+1.5% Stearynian cynku
Smarowanie ścianek matrycy gliceryną

background image

Skład chemiczny mieszanek proszkowych 

Gatunek 

proszku 

Stop 

Skład chemiczny % mas. 

Cu 

Mg 

Si 

Zn 

Acrawax 

Al 

Alumix 

123 

AlCuSiMg 

4,5 

0,5 

0,7 

1,5 

reszta 

Alumix 

231 

AlSiCuMg 

 

2,5 

0,5 

14,0 

1,5 

reszta 

Alumix 

321 

AlMgSiCu 

 

0,2 

1,0 

0,5 

1,5 

reszta 

Alumix 

431 

AlZnMgCu 

 

1,5 

2,5 

5,5 

1,2 

reszta 

background image

Zmiany długości wyprasek podczas spiekania proszków Alumix 431  

z udziałem środków poślizgowych  

0

100

200

300

400

500

600

700

T

emp

er

atu

ra,

  

°C

Spiekanie izotermiczne 620°C, 2h, Azot

 10°C/min.

20°C/min.

400°C

10 min.

-8.0

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

0

50

100

150

200

Czas, min.

Z

mi

an

d

łu

g

o

ści

 %

Kenolube

Bez środka poślizgowego

Acrawax

Smarowanie ścianek 
matrycy gliceryną

Stearynian Zn 

background image

„ Nowe stopy aluminium z dodatkiem wanadu o dużej 

zdolności pochłaniania energii dla przemysłu 

motoryzacyjnego” 

Instytut Metali Nieżelaznych o. Skawina 
dr inż. Marzena Lech-Grega prof. IMN 

background image

Założenia materiałowe  

Dobór materiału na elementy występujące w strefach wpływu zgniotu 
podczas 

wypadków  powinien  uwzględniać  nie  tylko  właściwości 

wytrzymałościowe stopu, ale też zdolność do absorpcji energii. 

Porównując stosunki współczynników sztywności zginania dla aluminium  

i stali, przy identycznej wadze materiałów, dla  aluminium jest on 

ośmiokrotnie wyższy 

 

K

Al

/K

st

 = 8,22 

 

Gdzie: 

K=E/

ρ

– współczynnik sztywności zginania 

– moduł Younga 

ρ – gęstość materiału 

 

background image

Dlaczego stopy aluminium z wanadem? 

Opracowywana  jest  nowa  grupa 

stopów  aluminium  do  przeróbki  plastycznej 

zawierających wanad w zakresie 0,05 – 0,5%   charakteryzująca się: 
•wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi, 
•dużą ciągliwością, 
•stabilnością właściwości w podwyższonych temperaturach, 
•zdolnością absorpcji energii. 

Rola wanadu w stopach aluminium: 
• wpływa na rozdrobnienie ziarna, 
• obniża przewodność, 
• podnosi temperaturę rekrystalizacji, 
• przyspiesza kinetykę wydzielania faz β’ i β’’, 
• podwyższa  wytrzymałość  i  granicę  plastyczności 

materiału  

background image

Mikrostruktura stopów aluminium z dodatkiem wanadu 

Al +5%V 

AlMgSi +0,4%V

 

Phase  Al

18

Mg

3

V

 

Cubic [0h][m3m] 

a=14.61A=b=c; α=β=γ=90° 

ICCD PDF 

– No. Aluminium 

Magnezium Vanadium_040115 

AlMnCu +0,4%V  

Identyfikacja met. EBSD faz wanadowych na skaningowym mikroskopie elektronowym 

background image

Przeróbka plastyczna stopów aluminium z wanadem 

Profil kwadratowy z otworem kwadratowym 

Próbka 

R

p0,2

 

[MPa] 

R

m

 

[MPa] 

A 

[%] 

E

Rp0,2

 

[J] 

E

Rm

 

[J] 

E

pęk

 

[J] 

0,2%V 

(proces wyciskania prowadzony  

bez fali wodnej) 

93 

209 

23,2 

0,4 

58 

61 

0,2%V 

(proces wyciskania prowadzony  

falą wodną) 

97 

198 

19,8 

0,4 

50 

50 

Wyciskanie z zastosowaniem fali wodnej - F.  

Wyciskanie bez fali wodnej

 

 HB 49,6

 

 

HB 52,7

 

 

background image

Przeróbka plastyczna stopów aluminium z wanadem 

background image

Przeróbka plastyczna  

 

Odkuwka z pręta 

Odkuwka z wlewka 

Z

awa

rt

ć 

wa

na

du

   

0,

1%wa

g.

   

 

HB 74 

 

HB 97 

Z

awa

rt

ć 

wa

na

du

 0

,2

%wa

g.

   

 

HB 81 

 

HB 74  

 

background image

Uwaga 

Właściwości otrzymanych profili wyciskanych 

charakteryzują się porównywalnymi parametrami 

wytrzymałościowymi jak profile z podobnych stopów serii 

6xxx bez dodatku wanadu, ale mają dużo większe 

wydłużenie, świadczące  

o możliwościach absorbcji energii podczas odkształcenia 

(np. w „crash testach”). 

background image

„Technologia wytwarzania wyrobów ze stopów lekkich 

przeznaczonych do pracy w warunkach ekstremalnych  

w środkach transportu lądowego, morskiego i powietrznego” 

Instytut Metali Nieżelaznych o. Skawina 
dr inż. Tomasz Stuczyński 

background image

Skład chemiczny 

AlZn6 Cu5 Mg1.6 - 

zamienniki stopów Ti 

AlCu7 Sc0.4 - 

zamienniki stopów Ti 

AlSi>30% - 

stopy przeznaczone na tłoki 

Mg-Al-Zn-Ca-Mn - 

zamienniki stopów Al 

Mg-Ni-Mn + pierwiastki ziem rzadkich 

– stopy o 

zdolnościach przechowywania wodoru 

background image

Technologia wytwarzania 

– technika melt spinning 

Stanowisko melt spinning do odlewania aluminium, magnezu i ich 

stopów 

•  grubość taśmy: 130 µm ± 35 µm  
•  szerokość  taśmy:  2500  µm  ±  270 

µm  

background image

Technologia wytwarzania 

background image

Technologia wytwarzania 

– proces wyciskania metodą Conform 

background image

„Odlewanie grawitacyjne nowoczesnych stopów magnezu  

z dodatkiem metali ziem alkalicznych” 

Politechnika Śląska 
dr inż. Tomasz Rzychoń 

„Ultralekkie kształtowniki wyciskane z nowych stopów 

magnezowo-

litowych” 

AGH Kraków 
prof. dr hab. inż. Wojciech Libura 

background image

Stopy magnezu  

Dlaczego stopy magnezu? 

Niski ciężar właściwy, 
Dobre właściwości mechaniczne (R

m

 = 250 MPa) i 

zmęczeniowe, 

Odporność na korozję, 
Możliwość  otrzymywania  elementów  cienkościennych  o  skomplikowanych 

kształtach, 

Dobra obrabialność i możliwość stosowania innych obróbek. 

Mg 

background image

Skład chemiczny i właściwości stopów magnezu 

7  8 

120°

150°

175°

Lejność 

Odporność na 

peł

zani

e

 

1 Mg-9Al 

2 Mg-2Al-Si 

3 Mg-6Al-Sr 

4 Mg-6Al-2Sr 

5 Mg-4Al-2RE 

6 Mg-5Al-Sr-Ca 

7 Mg-5Al-2Ca-Sr 

8 Mg-5Al-2Sr-2Ca 

9 Mg-4Al-4RE 

background image

Zastosowanie stopów magnezu 

Zastosowanie odlewniczych stopów magnezu: 
ramy siedzeń, 
 obudowy skrzyni biegów, 
 przewody dolotowe, 
 miski olejowe, 
 bloki silnika, 
 panele, 
 kierownice, 
 felgi, 
 kolumny kierownicy. 

background image

Zastosowanie stopów magnezu 

Temperatura eksploatacji, °

100 

125 

150 

175 

Przewody wlotowe 

background image

1. 

Dobór parametrów odlewania ciśnieniowego stopów Mg-Al.-X, gdzie X = 

Ca, Sr, RE  

(metale ziem rzadkich) o wysokim poziomie właściwości 

mechanicznych i dobrej  

odporności korozyjnej, 

2. 

Dobór parametrów odlewania grawitacyjnego oraz parametrów obróbki 

cieplnej  

stopów magnezu z itrem, neodymem, gadolinem i cyrkonem, 

3. 

Dobór składu chemicznego stopów magnezu pod kątem określonego ich

  zastosowania  

w motoryzacji, 

4.

Wyznaczanie właściwości mechanicznych stopów Mg-Li12%, stanowiących 

  wytyczne do stworzenia modelu numerycznego procesu wyciskania, 
5.

Opracowanie założeń do procesu wyciskania kształtowników magnezowo-

litowych   w oparciu o   wykonane modelowanie numeryczne. 

Prowadzone kierunki badań 

Model wyciskania przyjęty  

w obliczeniach 

Rozkład intensywności odkształceń dla współczynnika  

wydłużenia λ = 25 

background image

„Opracowanie podstaw technologii wytwarzania odlewanych 

elementów specjalnego przeznaczenia ze stopów tytanu” 

Instytut Odlewnictwa 
dr inż. Aleksander Karwiński 

background image

Stopy tytanu 

Dlaczego stopy tytanu? 

Niski ciężar właściwy (ρ = 4,5÷4,7 g/cm

3

), 

Dobre właściwości mechaniczne (R

m

 = 500÷1200 MPa, A = 10÷40 %), 

Odporność na korozję, 
Wysoka żaroodporność, 
Możliwość pracy w podwyższonej temperaturze. 

Ti 

background image

Prowadzone kierunki badań 

Opracowanie parametrów procesu topienia i odlewania elementów 
tytanowych,  
w szczególności: 
korbowodów, 
wirników turbosprężarek, 
elementów układów wydechowych, 
zaworów silników motocyklowych. 

background image

Prowadzone kierunki badań 

background image

„Ekologiczne materiały lite oraz proszkowe o właściwościach 

przeciwciernych przeznaczone na łożyska ślizgowe” 

Instytut Metali Nieżelaznych 
dr inż. Barbara Juszczyk 

background image

CuSnPb 

CuSnPbZn 

CuSn5Pb20 
CuSn7Pb15 

CuSn10Pb10 

CuSn5Pb9 

CuSn7Zn4Pb7 
CuSn5Zn5Pb5 
CuSn3Zn8Pb5 

Wymagania stawiane materiałom łożyskowym: 
• mały współczynnik tarcia, 
• dobra odporność na ścieranie, 
• wytrzymałość mechaniczna na obciążenia statyczne i dynamiczne,  
• wysoka odporność na korozję chemiczną kwasowych produktów rozkładu smaru,  
• dobra plastyczność (pozwala na dopasowanie się czopa do panwi), 
• wysoka twardość (zabezpiecza przed zużyciem i niszczeniem przez kawitacje), 
• dobre przewodnictwo cieplne, 
• dobre właściwości ślizgowe (zwłaszcza przy wysoko obciążonych łożyskach); 
• dobra właściwości odlewnicze, 
• niska cena. 

Stosowane obecnie stopy łożyskowe na osnowie miedzi (wg EN 1982) 

background image

36 

Stopy: Al-Cu-Ni-Si, Al-Sn

  

Pb 

Bi 

Związki międzymetaliczne: Ti-Al 

Kompozyty: metal (brąz) + faza niemetaliczna (cząstki miękkie) 

Kompozyty hybrydowe: metal (brąz) + faza niemetaliczna (cząstki miękkie 
+ twarde)  

Kierunki rozwoju 

background image

Sposoby wytwarzania 

WYTWARZANIE KOMPOZYTÓW 

„Klasyczna metalurgia” 

compocasting, stir casting  

Z całkowitym udziałem  

fazy ciekłej 

Metalurgia proszków 

Z częściowym udziałem  

fazy ciekłej 

TOPIENIE 

Wprowadzenie podgrzanych cząstek do 

kąpieli metalowej i mieszanie 

ODLEWANIE 

Odśrodkowe 

(

struktura 

gradientowa) 

Do form 

(

struktura  

jednorodna) 

Umocniony odlew 

MIELENIE + MIESZANIE 

Prasowanie 

Spiekanie pod 

ciśnieniem 

Spiekanie 

Kalibrowanie 

Obróbka końcowa 

Obróbka końcowa 

background image

Skład chemiczny materiałów łożyskowych 

Stopy i kompozyty odlewane: 
• CuSn5Zn7Bi5, 
• CuSn10Zn7P

Ti+grafit 

• CuSn10P

+grafit/węgiel

 

szklisty 

Kompozyty proszkowe: 
• CuSn10P+grafit, 
• CuSn10P+węgiel szklisty, 
• CuSn10P+WS

2

• CuSn10P+MoS

2

• CuSn10P+BN 

background image

Kompozyty CuSn10Zn7PTi+grafit 

CuSn10Zn7PTi1 

CuSn10Zn7PTi4 

background image

Odlewanie odśrodkowe stopu CuSn5Zn7Bi5 

background image

Mikrostruktura i właściwości stopu CuSn5Zn7Bi5 

Stop 

R

c0,2

 [MPa] 

R

c

 [MPa] 

A

c

 [%] 

HV10 

CuSn5Zn5Pb5 

146 

929 

35,3 

79,2 

144 

880 

34,6 

CuSn5Zn7Bi5 

139 

798 

34,0 

85,2 

153 

868 

33,1 

background image

Kompozyty CuSn10P/C otrzymywane w procesie metalurgii proszku  

CuSn10P+3C 

CuSn10P+10C 

r-r 

α 

cząstki grafitu 

background image

„Nowe wieloskładnikowe materiały metaliczne i kompozytowe 

przeznaczone do zastosowań w napędach elektrycznych” 

Instytut Metali Nieżelaznych – CLAiO Poznań 
dr inż. Agnieszka Sierczyńska 

background image

Cel badań 

Celem zadania jest zaprojektowanie i zoptymalizowanie składu 

chemicznego wieloskładnikowych stopów odwracalnie absorbujących 

wodór oraz kompozytów wytworzonych na bazie tych materiałów pod 

kątem zastosowania ich w ogniwach niklowo-wodorkowych 

przeznaczonych do napędów elektrycznych pojazdów. 

background image

Kierunki rozwoju 

• Związki  międzymetaliczne  oraz  kompozyty  wytworzone  na 

bazie 

tych 

związków 

znajdują 

obecnie 

szerokie 

zastosowanie  jako 

materiały  anodowe  dla  odwracalnych 

ogniw niklowo-wodorkowych (Ni-MH). Uznaje 

się je za jedno 

z  lepszych 

źródeł  energii  elektrycznej  dla  pojazdów  

napędem  hybrydowym  (HEVs  –  hybrid  electric  vehicles

oraz 

za 

alternatywne 

źródło  mocy  dla  pojazdów 

elektrycznych  (EVs 

–  electric  vehicles).  Zaletą  układów 

hybrydowych jest  zmniejszanie 

zużycia paliwa, emisji spalin 

oraz 

hałasu.  

 

• Rozwój  akumulatorów  Ni-MH  jest  ukierunkowany  na 

polepszanie  mocy 

właściwej  zarówno  w  normalnych,  jak  

i  niskich  temperaturach. 

Unowocześnianie  materiałów 

stosowanych  w  ogniwach  Ni-MH  pozwala  na  uzyskanie 
wzrostu 

wydajności,  wyższej  energii  i  mocy  właściwej, 

wyższej  trwałości  oraz  znaczną  redukcję  wagi  ogniw  

redukcję kosztów.  

 

• W  pojazdach  z  napędem  hybrydowym  (połączenie  silnika 

spalinowego 

elektrycznego) 

nie 

ma 

potrzeby 

doładowywania 

baterii 

ze 

źródła 

zewnętrznego  

przeciwieństwie  do  pojazdów  elektrycznych  (silnik 

elektryczny). 

Bateria ogniw niklowo-wodorkowych 

background image

Prowadzone kierunki badań 

Zaprojektowano  i  wytworzono  7 

wieloskładnikowych 

stopów metali o zróżnicowanym składzie chemicznym  
i stechiometrycznym; 

Na  bazie  wytworzonych 

materiałów  stopowych 

otrzymano szereg 

kompozytów typu metal-węgiel; 

Depozyt 

węglowy  wytwarzano  bezpośrednio  na 

powierzchni ziaren stopu z zastosowaniem 

różnych 

prekursorów  węgla,  polimerów  przewodzących, 
takich  jak:  polianilina  (PANI),  polipirol  (PPy), 
poli(3,4-etylenodioksytiofen  (PEDOT),  a 

także 

alkoholu  furfurylowego  oraz  poprzez  chemiczne 
osadzanie 

węgla z fazy gazowej (metoda CVD); 

Zoptymalizowano 

skład  elektrod  akumulatora  

Ni-MH i opracowano 

metodykę ich wytwarzania; 

Opracowano 

założenia 

do 

wytworzenia 

modelowego  ogniwa  typu  nikiel-wodorek  metalu 
(Ni-MH). 

background image

Prowadzone kierunki badań 

1,0 

1,1 

1,2 

1,3 

1,4 

1,5 

200 

400 

600 

800 

1000 

1200 

Czas [s] 

N

ap

ięci

[V]

 

teoretycznie 

praktycznie 

Charakterystyka napięciowa akumulatora typu nikiel/wodorek 
metalu podczas symulacji cyklu miejskiego  

 

R

e

 

R

el

 

i

a

 

U

a

 

Energetyczny model matematyczny baterii 
elektrochemicznej opracowano na podstawie 
układu zastępczego  

Badanie eksperymentalne modelu akumulatora Ni-

MH wg opracowanego algorytmu obciążeń SOC/SOD 

(state of charge/state of discharge) wykazały wysoką zgodność osiągniętych rezultatów praktycznych z 
teoretycznie wykreowanym modelem pracy w HEVs.  

background image

„Recykling materiałów z akumulatorów stosowanych w pojazdach  

o napędzie hybrydowym” 

Instytut Metali Nieżelaznych 
dr inż. Jerzy Kozłowski 

background image

Kierunki rozwoju 

Recyklingiem akumulatorów i ogniw NiMH zajmują się między innymi koncerny: Toxco, Inmetco, 
Societe Nouvelle 

d’Affinage des Metaux  (S.N.A.M.), Umicore, XtrataNickel 

Przykładowy schemat procesu recyklingu w firmie Umicore  proces umożliwia przerób zarówno 

ogniw Ni-MH, jak i Li-

Ion w jednym procesie nastawiony jest głównie na odzysk Ni, Co i Fe.     

Ogniwa 

 NiMH / Li-Ion   

Przetop 

Stop metaliczny 

 Ni, Co, Fe    

Rafinacja 

stopu  

Żużel 

 

Granulacja stopu 

Plazmowe oczyszczanie gazów 

technologicznych 

Odzysk Li & metali ziem rzadkich 

background image

Kierunki rozwoju 

Wartość światowego rynku ogniw Ni-MH w 2009 roku to 1300mln $. 

Udział pojazdów hybrydowych w rynku ogniw Ni-MH wynosił w 2004 roku ~ 20%, 
przy czym wartość  rynku w roku 2004 to niespełna 900 
$ mln.  
Od tego roku rynek wzrastał w tempie ok. 10%/rok za wyjątkiem roku 2008 
(początek kryzysu). 

 

Pojazdy  

hybrydowe  

57% 

Telefony  

bezprzewodowe 

10% 

 

Do  użytku  

domowego  

22% 

Inne  

  11% 

Podział  procentowy w rynku ze względu na zastosowanie ogniw Ni-MH 

background image

1.

Określenie wielkości i wartości rynku akumulatorów i ogniw Ni-MH.  

2.

Efektywne sposoby wstępnego rozdrabniania ogniw w temperaturach kriogenicznych. 

3.

Wydzielanie mechaniczne produktów  recyklingu. 

4.

Analiza chemiczna produktów.   

5.

Proces pirolizy mas elektrodowych i obudów. 

6.

Określenie termograwimetrycznego  ubytku mas elektrodowych w funkcji czasu w klasie ziarnowej 
<3mm. 

7.

Określenie przydatności obudów ogniw Ni-MH jako paliwo formowalne. 

8.

Opracowanie schematu technologicznego przerobu akumulatorów i ogniw Ni-MH. 

Prowadzone kierunki badań 

Rowerowe  

akumulatory Ni-MH

  

Ogniwa Ni-MH 

Toyota Prius

  

Ogniwo Ni-MH 

Skutera Vectrix 

background image

Schemat przerobu akumulatorów i ogniw Ni-MH pojazdów hybrydowych 

  

1) sortownie 2) wymiarowy podział ogniw  przed zamrażaniem 3) strefa zamrażania 4) wstępne 
rozdrabnianie - 

rozdrabniacz dwuwalcowy 5) separacja magnetyczna 6) rozdrabniacz młotkowy 

(średnie rozdrabnianie) 7) magnetyczny separator nadtaśmowy 8) piroliza niskotemperaturowa 
9) strefa prażenia materiału  10) młyn kulowy ( mielenie)  11) separacja końcowa ( sita 
wibracyjne) 12)  frakcja < 3mm do procesu   hydrometalurgicznego 13) frakcja > 3 mm ( siatki, 
elementy obudów itp.). 

Prowadzone kierunki badań 

LN

LN

10 

11 

12 

13 

frakcja magnetyczna  

frakcja magnetyczna  

background image