Nowe materiały i technologie dla motoryzacji
w projekcie strategicznym - ZAMAT
dr inż. Barbara Juszczyk
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 WSÓA
FINANSOWANY PRZEZ UNI
EUROPEJSK

Z EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONALNEGO
Obszary Tematyczne
I. Nanomateriały
II. Zaawansowane technologie wytwarzania proszków
i spieków
III. Nowe materiały ze stopów lekkich
IV. Stopy ekologiczne
V. Materiały funkcjonalne o osnowie metalowej
VI. Materiały dla fotoniki i z
ródeł energii
VII. Recykling i utylizacja materiałów
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 urzÄ…dzeniach produkcyjnych,
" Aspekty związane z ochroną środowiska.
Stopy aluminium
Al
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
 Opracowanie technologii wytwarzania spiekanych elementów
ze stopowych proszków aluminium dla instalacji
klimatyzacyjnej w samochodzie osobowym
Politechnika Krakowska
Prof. dr inż. Jan Kazior
Wytwarzanie elementów konstrukcyjnych
w procesach metalurgii proszków
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),
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
Zależność siły wypychania od przemieszczenia dla proszków
Alumix 431 przy zastosowaniu różnych środków poślizgowych
431D (Bez środka poślizgowego)
60
431D+1.5% Kenolube
431D+1.5% Acrawax
50
431D+1.5% Stearynian cynku
Smarowanie ścianek matrycy gliceryną
40
30
20
10
0
0 10 20 30 40
Przemieszczenie, mm
Siła wypychania
, kN
Skład chemiczny mieszanek proszkowych
Skład chemiczny % mas.
Gatunek
Stop
proszku
Cu Mg Si Zn Acrawax Al
Alumix
AlCuSiMg 4,5 0,5 0,7 - 1,5 reszta
123
Alumix AlSiCuMg
2,5 0,5 14,0 - 1,5 reszta
231
Alumix AlMgSiCu
0,2 1,0 0,5 - 1,5 reszta
321
Alumix AlZnMgCu
1,5 2,5 - 5,5 1,2 reszta
431
Zmiany długości wyprasek podczas spiekania proszków Alumix 431
z udziałem środków poślizgowych
Spiekanie izotermiczne 620°C, 2h, Azot
700
600
10°C/min. 20°C/min.
500
400
300
400°C
200
10 min.
100
0
2.0
Smarowanie ścianek
matrycy glicerynÄ…
0.0
-2.0
Acrawax
-4.0
Stearynian Zn
Bez środka poślizgowego
-6.0
Kenolube
-8.0
0 50 100 150 200
Czas, min.
Temperatura, °C
Zmiana długości, %
 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
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
KAl/Kst = 8,22
Gdzie: K=E/Á3
K  współczynnik sztywności zginania
E  moduł Younga
Á  gÄ™stość materiaÅ‚u
Dlaczego stopy aluminium z wanadem?
Opracowywana jest nowa grupa stopów aluminium do przeróbki plastycznej
zawierajÄ…cych wanad w zakresie 0,05  0,5% charakteryzujÄ…ca siÄ™:
" 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 temperaturÄ™ rekrystalizacji,
" przyspiesza kinetykÄ™ wydzielania faz ² i ²  ,
" podwyższa wytrzymałość i granicę plastyczności
materiału
Mikrostruktura stopów aluminium z dodatkiem wanadu
Al +5%V AlMgSi +0,4%V AlMnCu +0,4%V
Identyfikacja met. EBSD faz wanadowych na skaningowym mikroskopie elektronowym
Phase Al18Mg3V2
Cubic [0h][m3m]
a=14.61A=b=c; Ä…=²=Å‚=90°
ICCD PDF  No. Aluminium
Magnezium Vanadium_040115
Przeróbka plastyczna stopów aluminium z wanadem
Profil kwadratowy z otworem kwadratowym
Rp0,2 Rm A ERp0,2 ERm Epęk
Próbka
[MPa] [MPa] [%] [J] [J] [J]
0,2%V (proces wyciskania prowadzony
93 209 23,2 0,4 58 61
bez fali wodnej)
0,2%V (proces wyciskania prowadzony
97 198 19,8 0,4 50 50
z falÄ… wodnÄ…)
Wyciskanie bez fali wodnej
Wyciskanie z zastosowaniem fali wodnej - F.
HB 49,6 HB 52,7
Przeróbka plastyczna stopów aluminium z wanadem
Przeróbka plastyczna
Odkuwka z pręta Odkuwka z wlewka
HB 74 HB 97
HB 81 HB 74
Zawartość wanadu 0,2%wag.
Zawartość wanadu 0,1%wag.
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 ).
 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
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
Technologia wytwarzania  technika melt spinning
Stanowisko melt spinning do odlewania aluminium, magnezu i ich stopów
" grubość taÅ›my: 130 µm Ä… 35 µm
" szerokość taÅ›my: 2500 µm Ä… 270
µm
Technologia wytwarzania
Technologia wytwarzania  proces wyciskania metodÄ… Conform
 Odlewanie grawitacyjne nowoczesnych stopów magnezu
z dodatkiem metali ziem alkalicznych
Politechnika ÅšlÄ…ska
dr inż. Tomasz Rzychoń
 Ultralekkie kształtowniki wyciskane z nowych stopów
magnezowo-litowych
AGH Kraków
prof. dr hab. inż. Wojciech Libura
Stopy magnezu
Mg
Dlaczego stopy magnezu?
" Niski ciężar właściwy,
" Dobre właściwości mechaniczne (Rm = 250 MPa) i zmęczeniowe,
" Odporność na korozję,
" Możliwość otrzymywania elementów cienkościennych o skomplikowanych
kształtach,
" Dobra obrabialność i możliwość stosowania innych obróbek.
Skład chemiczny i właściwości stopów magnezu
1 Mg-9Al 4 Mg-6Al-2Sr 6 Mg-5Al-Sr-Ca
2 Mg-2Al-Si 5 Mg-4Al-2RE 7 Mg-5Al-2Ca-Sr
3 Mg-6Al-Sr 8 Mg-5Al-2Sr-2Ca
9 Mg-4Al-4RE
8
7
6
175°
150°
C
C
2
5
4
3
1
120°
C
Lejność
Odporność na pełzanie
Zastosowanie stopów magnezu
Zastosowanie odlewniczych stopów magnezu:
" ramy siedzeń,
" obudowy skrzyni biegów,
" przewody dolotowe,
" miski olejowe,
" bloki silnika,
" panele,
" kierownice,
" felgi,
" kolumny kierownicy.
Zastosowanie stopów magnezu
Przewody wlotowe
100 125 150 175
Temperatura eksploatacji, °C
Prowadzone kierunki badań
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.
Model wyciskania przyjęty Rozkład intensywności odkształceń dla współczynnika
w obliczeniach wydłużenia  = 25
 Opracowanie podstaw technologii wytwarzania odlewanych
elementów specjalnego przeznaczenia ze stopów tytanu
Instytut Odlewnictwa
dr inż. Aleksander Karwiński
Stopy tytanu
Ti
Dlaczego stopy tytanu?
" Niski ciężar wÅ‚aÅ›ciwy (Á = 4,5÷4,7 g/cm3),
" Dobre wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci mechaniczne (Rm = 500÷1200 MPa, A = 10÷40 %),
" Odporność na korozję,
" Wysoka żaroodporność,
" Możliwość pracy w podwyższonej temperaturze.
Prowadzone kierunki badań
Opracowanie parametrów procesu topienia i odlewania elementów
tytanowych,
w szczególności:
" korbowodów,
" wirników turbosprężarek,
" elementów układów wydechowych,
" zaworów silników motocyklowych.
Prowadzone kierunki badań
 Ekologiczne materiały lite oraz proszkowe o właściwościach
przeciwciernych przeznaczone na łożyska ślizgowe
Instytut Metali Nieżelaznych
dr inż. Barbara Juszczyk
Stosowane obecnie stopy łożyskowe na osnowie miedzi (wg EN 1982)
CuSn5Pb20
CuSn7Pb15
CuSn10Pb10
CuSn5Pb9
CuSnPb CuSnPbZn
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.
Kierunki rozwoju
Pb Bi
Stopy: Al-Cu-Ni-Si, Al-Sn
Związki międzymetaliczne: Ti-Al
Kompozyty: metal (brąz) + faza niemetaliczna (cząstki miękkie)
Kompozyty hybrydowe: metal (brąz) + faza niemetaliczna (cząstki miękkie
+ twarde)
36
Sposoby wytwarzania
WYTWARZANIE KOMPOZYTÓW
 Klasyczna metalurgia
Metalurgia proszków
compocasting, stir casting
Z całkowitym udziałem Z częściowym udziałem
fazy ciekłej fazy ciekłej
MIELENIE + MIESZANIE
TOPIENIE
Wprowadzenie podgrzanych czÄ…stek do
Prasowanie Spiekanie pod
kÄ…pieli metalowej i mieszanie
ciśnieniem
Spiekanie
ODLEWANIE
Kalibrowanie
Obróbka końcowa
Odśrodkowe Do form
(struktura (struktura
gradientowa) jednorodna)
Umocniony odlew
Obróbka końcowa
Skład chemiczny materiałów łożyskowych
Stopy i kompozyty odlewane:
" CuSn5Zn7Bi5,
" CuSn10Zn7PTi+grafit
" CuSn10P+grafit/węgiel szklisty
Kompozyty proszkowe:
" CuSn10P+grafit,
" CuSn10P+węgiel szklisty,
" CuSn10P+WS2,
" CuSn10P+MoS2,
" CuSn10P+BN
Kompozyty CuSn10Zn7PTi+grafit
CuSn10Zn7PTi1 CuSn10Zn7PTi4
Odlewanie odśrodkowe stopu CuSn5Zn7Bi5
Mikrostruktura i właściwości stopu CuSn5Zn7Bi5
Stop Rc0,2 [MPa] Rc [MPa] Ac [%] HV10
146 929 35,3
CuSn5Zn5Pb5 79,2
144 880 34,6
139 798 34,0
CuSn5Zn7Bi5 85,2
153 868 33,1
Kompozyty CuSn10P/C otrzymywane w procesie metalurgii proszku
CuSn10P+3C CuSn10P+10C
r-r Ä…
czÄ…stki grafitu
 Nowe wieloskładnikowe materiały metaliczne i kompozytowe
przeznaczone do zastosowań w napędach elektrycznych
Instytut Metali Nieżelaznych  CLAiO Poznań
dr inż. Agnieszka Sierczyńska
Cel badań
Celem zadania jest zaprojektowanie i zoptymalizowanie składu
chemicznego wieloskładnikowych stopów odwracalnie absorbujących
wodór oraz kompozytów wytworzonych na bazie tych materiałów pod
kÄ…tem zastosowania ich w ogniwach niklowo-wodorkowych
przeznaczonych do napędów elektrycznych pojazdów.
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 siÄ™ je za jedno
z lepszych z
ródeł energii elektrycznej dla pojazdów
z napędem hybrydowym (HEVs  hybrid electric vehicles)
oraz za alternatywne z
ródło 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
i redukcję kosztów.
" W pojazdach z napędem hybrydowym (połączenie silnika
spalinowego i elektrycznego) nie ma potrzeby
doładowywania baterii ze z
ródła zewnętrznego
w przeciwieństwie do pojazdów elektrycznych (silnik
Bateria ogniw niklowo-wodorkowych
elektryczny).
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 metodykÄ™ ich wytwarzania;
" Opracowano założenia do wytworzenia
modelowego ogniwa typu nikiel-wodorek metalu
(Ni-MH).
Prowadzone kierunki badań
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.
1,5
1,4
1,3
1,2
Rel E Re
ia
1,1
1,0
Ua
200 400 600
0 800 1000 1200
Czas [s]
teoretycznie
Energetyczny model matematyczny baterii
praktycznie
elektrochemicznej opracowano na podstawie
układu zastępczego
Charakterystyka napięciowa akumulatora typu nikiel/wodorek
metalu podczas symulacji cyklu miejskiego
Napięcie [V]
 Recykling materiałów z akumulatorów stosowanych w pojazdach
o napędzie hybrydowym
Instytut Metali Nieżelaznych
dr inż. Jerzy Kozłowski
Kierunki rozwoju
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.
Plazmowe oczyszczanie gazów
technologicznych
Granulacja stopu
Ogniwa
Stop metaliczny
NiMH / Li-Ion
Ni, Co, Fe
Przetop
Rafinacja
Żużel
stopu
Odzysk Li & metali ziem rzadkich
Recyklingiem akumulatorów i ogniw NiMH zajmują się między innymi koncerny: Toxco, Inmetco,
Societe Nouvelle d Affinage des Metaux (S.N.A.M.), Umicore, XtrataNickel
Kierunki rozwoju
Podział procentowy w rynku ze względu na zastosowanie ogniw Ni-MH
Inne
11%
Do użytku
domowego
22%
Pojazdy
hybrydowe
Telefony 57%
bezprzewodowe
10%
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
(poczÄ…tek kryzysu).
Prowadzone kierunki badań
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.
Ogniwo Ni-MH
Ogniwa Ni-MH
Rowerowe
Skutera Vectrix
Toyota Prius
akumulatory Ni-MH
Prowadzone kierunki badań
frakcja magnetyczna
9
8
7
4
LN2
LN2
10
3
11
2
6
5 13
1
2
12
frakcja magnetyczna
2
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.).