Возможно, наиболее важными частями автомобиля с точки зрения нагрузки, температуры и усталости, а также химической активности, являются двигатель и выхлопные системы. Такие детали, как свеча зажигания, поршень, цилиндр, распредвалы, детали клапанов, уплотнительные материалы и каталитический нейтрализатор, играют важную роль в работе двигателя.
Для этих деталей были разработаны уникальные решения с использованием керамики, удовлетворяющие различным критериям, не последними из которых являются стоимость материалов, а также затраты на производство, что создает серьезные инженерные проблемы.
Стекло по-прежнему доминирует на рынке ветровых стекол, в первую очередь благодаря низкой стоимости и уникальной прозрачности. Тем не менее его вес может быть снижен на 50% за счет использования ударопрочных полимерных ламинатов.
Современные керамические материалы обладают рядом превосходных технических свойств, таких как высокая прочность, хорошая устойчивость к тепловому удару, низкие коэффициенты расширения, а также хорошие термическая и химическая стойкость. Однако они обладают небольшой вязкостью к разрушению для движущихся деталей двигателя. Несмотря на некоторые интересные технические разработки в области керамики, она имеет высокую стоимость изготовления. Таким образом, помимо хорошо зарекомендовавших себя изоляторов из оксида алюминия, которые не являются основными движущимися частями, керамика в настоящее время имеет ограниченное применение в качестве компонентов двигателя, за исключением прокладок толкателей и крыльчатки вентиляторов турбонаддува. Они состоят из нитрида кремния, что обеспечивает хорошие характеристики по износу, трению и шуму.
Однако есть решения где керамика в качестве покрытий на стойких к разрушению и тугоплавких металлах, а также в композитных материалах с металлами и полимерами максимизировала свои потенциальные преимущества и минимизировала свои ограничения.
Анализ полимерных композитов
Преимущество полимерных композитов перед сталью заключается в том, что они легкие, поэтому с 1930-х годов они активно используются для изготовления автомобильных облицовочных панелей на основе фенола, например, в автомобилях Ford motor. До этого полимерные композиты уже были разработаны и использовались для изготовления корпусов аккумуляторных батарей, крышек трамблера и других электрических компонентов. И только в 1950-х годах поведение композитов стало более понятным.
1970-е годы ознаменовались разработкой новых армирующих материалов, а также появлением новых инновационных методов производства. Детали кузова с использованием армированных волокном полимеров используются большинством производителей транспортных средств для изготовления дверей, задних дверей, задних спойлеров и крыш. Формовочные смеси DMC, и предварительно сформированные листовые формовочные смеси SMC, могут быть изготовлены с использованием недорогой оснастки и используются в мелкосерийном производстве.
Значительным достижением в этой области является цельная крыша для фургона Ford Transit, использующая 50-килограммовую формовку с цветной полиэфирной или полиуретановой оболочкой. Она изготавливается за 20 минут по сравнению с процессом ручной выкладки, который ранее занимал 3 часа.
К деталям корпуса из композитных материалов предъявляются определенные требования. Безопасность и ударопрочность остаются под вопросом, как и ситуация с утилизацией термореактивных смол. Последняя проблема решается за счет использования термопластов, армированных длинными волокнами. Кроме того, по-прежнему остается общая проблема окраски и финишной отделки. Европейские производства традиционно работают при температуре 200 °C, поэтому только сталь и алюминий могут использоваться здесь без повреждений. Новый процесс Ford устраняет эту проблему покраски, используя предварительно окрашенную смолу.
Среди других несущих деталей из полимерных композитов были рессоры на фургоне Rover Sherpa, которые с тех пор были заменены гидравлической подвеской на всех четырех колесах. Аналогичным образом, приводные валы, изготовленные из стекловолоконных композитов с намоткой нитей в нейлоновых оболочках, были заменены на переднеприводные автомобили, что является еще одним примером конкуренции и развития технологий.
Фрикционные материалы, используемые в качестве дисков сцепления, тормозных колодок и башмаков, также являются композитами на основе волокон. Первоначально использовались асбестовые волокна в фенольной-эластомерной матрице, однако сейчас асбест по соображениям экологии заменен другими минеральными волокнами, такими как каменная вата и вермикулит, а также арамидными полимерными волокнами, такими как кевлар. Такие изменения состава существенно повлияли на характеристики фрикционных материалов. Также на их эксплуатационные характеристики повлиял переход от чугуна к композитным материалам с металлической матрицей в тормозных дисках, используемых в гоночных и спортивных автомобилях.
Композиты с металлической матрицей
Мы уже говорили о том, что керамические материалы и компоненты обладают слишком низкой вязкостью разрушения для большинства автомобильных компонентов. Однако они находят гораздо более широкое применение в качестве покрытий, особенно при упрочнении более пластичными металлами, в композитах с металлической структурой MMCs. Здесь важнейшим элементом применения является поршень двигателя, особенно головка поршня в дизельных двигателях. Поршень работает при температуре не менее 350 °C и частоте вращения 6000 оборотов в минуту.
Для изготовления корпуса поршня используются алюминиево-кремниевые сплавы, материалы эвтектического состава, облегчающие гравитационное литье. Для применения при высоких температурах в алюминиево-кремниевый сплав добавляется 5% меди. Такие сплавы обладают высокой прочностью при рабочих температурах и низким коэффициентом расширения. В процессе эволюции вес поршня уменьшился, хотя в основном это произошло благодаря усовершенствованным конструкциям, а не материалам. На днище поршня и седло клапана нанесено плазменное покрытие MMC, состоящее из алюминиевого сплава, усиленного нитевидными волокнами оксида алюминия/кремнезема. Эти покрытия не используются в бензиновых двигателях из-за проблем с предварительным воспламенением и детонацией, поэтому находят широкое применение только в дизельных двигателях, которые теперь могут работать при более высоких температурах.
Поршневые кольца выполняют функцию упругих уплотнений, предотвращая утечку газа между камерой сгорания и картером двигателя, в котором находится масло. Газообразные продукты сгорания не должны выходить вниз, а масло не должно попадать в камеру сгорания, где оно сгорает не полностью, что создает дополнительные проблемы с выбросами. Кольца должны быть износостойкими, но не должны изнашивать гильзу цилиндра. Они покрыты MMC, таким как твердое хромированное покрытие, усиленное ультратонкими частицами оксида алюминия, расположенными в микротрещинах хрома.
Аналогичным образом, в подшипниках двигателя, таких как коленчатый вал и подшипники большого диаметра, используются покрытия MMC, обычно на основе оксида алюминия, которые значительно улучшают износостойкость.
Использование материалов MMC для замены чугуна в тормозных дисках упоминалось в предыдущей статье в связи с Lotus Elise. Эти диски используются на автомобилях Формулы-1 и мотоциклах Grand Prix. Хочу только добавить, что все европейские производители автомобилей рассматривают MMC для производства тормозных дисков и барабанов, которые будут использоваться в их новых моделях автомобилей.
Существует два основных типа MMC — на основе порошка или волокна, но только материалы на основе порошка PMMC, в настоящее время являются экономически выгодными. Смешивание расплавленного металла является самым дешевым способом, доступным в настоящее время для PMMC. При этом изготавливается слиток, как правило, на основе алюминия или магния, с использованием стандартных литейных технологий, где контроль температуры необходим для предотвращения химической реакции между матрицей и частицами. Затем слиток может быть обработан прокаткой, экструзией, ковкой или вытяжкой. Сплавы Al–Si, содержащие более 7% кремния, могут содержать до 30% карбида кремния, усиливающего частицы, которые должны быть равномерно распределены.
Также следует помнить, что новые и совместимые материалы для тормозных колодок должны разрабатываться параллельно с дисками MMC. Интересным фактом является то, что в настоящее время PMMC наиболее широко используется в Европе в качестве шипов для шин, заменяя карбид вольфрама с целью снижения веса.
Каталитические нейтрализаторы играют жизненно важную роль в современных автомобилях. Они работают в экстремальных условиях с химическими, термическими и скоростными ограничениями, а также требуют значительные механические свойства. С экологической точки зрения на качество воздуха влияют продукты фотохимических реакций между выбросами углеводородов и оксидов азота из выхлопных газов и атмосферным кислородом при воздействии солнечного света. Проблема стала особенно острой в Лос-Анджелесе в США, где необычные атмосферные условия привели к тому, что продукты фотохимических реакций оставались на уровне земли. К 1975 году законодательство привело к тому, что почти все транспортные средства в США были оснащены катализаторами, а неэтилированный бензин стал не доступным, поскольку свинец загрязняет металлы катализаторов, делая их неэффективными. В настоящее время во всем мире действует аналогичное законодательство, целью которого является нулевой уровень выбросов от автотранспорта.
При проектировании и производстве каталитических нейтрализаторов возникают некоторые интересные проблемы с материалами. Бензин при сгорании не превращается полностью в углекислый газ и воду, хотя двигатели работают на обедненной смеси. Углеводороды, монооксид углерода и оксиды азота остаются в выхлопных газах, и даже если бы они были полностью преобразованы, углекислый газ все равно бы выделялся, усиливая так называемый «парниковый эффект».
Катализатор преобразует около 90% выбросов выхлопных газов в воду, углекислый газ и азот, используя редкоземельные металлы, платину, палладий и родий, стабилизированные никелем, барием, лантаном и/или цирконием для предотвращения спекания частиц, которые могли бы привести к потере активности катализатора. Катализаторы из этой дорогостоящей группы редкоземельных металлов должны работать как при низких начальных температурах, так и при температуре 1000 °C.
Катализаторы имеют покрытие на основе оксида алюминия, которое является эффективным и стабильным. Этот комплекс используется для покрытия экструдированной керамической монолитно-сотовой структуры, изготовленной из минерала кордиерита. Эта структура состоит из ряда внутренних каналов или трубок, примерно 400 на квадратный дюйм, что обеспечивает большую площадь поверхности, необходимую для очень быстрых химических реакций. Площадь реакционной поверхности увеличивается за счет системы покрытия из оксида алюминия, а частицы редкоземельного металла-катализатора имеют средний диаметр 10 нанометров. Подсчитано, что конечная площадь реакционной поверхности эквивалентна площади трех футбольных полей. Монолит сотового материала помещается в корпус из нержавеющей стали с промежуточным слоем из вспучивающегося керамического мата или сетки из нержавеющей стали. Это обеспечивает дифференциальное тепловое расширение и защищает от механических вибраций. Наконец, преобразователь интегрируется с остальной частью выхлопной системы автомобиля.
Каталитические нейтрализаторы для дизельных двигателей еще не созданы, поскольку они должны работать с дополнительными компонентами выхлопных газов в виде твердых частиц углерода или сажи и сопутствующей смазки соединения нефти и серы, которые отравляют не только людей, но и редкоземельные металлы-катализаторы, снижая их эффективность.
В заключение следует сказать, что в основе инженерного проектирования лежит разработка современных материалов. Чтобы наилучшим образом использовать множество доступных материалов, конструктор транспортного средства должен обладать фундаментальным пониманием сложных взаимосвязей между конструкциями и составами материалов, а также их свойствами и поведением в процессе эксплуатации, понимая, как обработка и изготовление влияют на такие взаимоотношения.
