Nowatorskie i ekonomiczne materiały mogą zastąpić stal nierdzewną
Nowatorskie materiały międzymetaliczne mogą zastąpić stal nierdzewną w produkcji wielu ważnych produktów przemysłowych, w szczególności na potrzeby zastosowań w ekstremalnych warunkach, wymagających wysokiej odporności na zużycie i korozję. Istniejące materiały oparte na glinkach żelaza łączą w sobie właściwości metali i materiałów ceramicznych, jednak są niezwykle trudne do przekształcenia w rzeczywiste produkty końcowe – dzieje się tak ze względu na fakt, że nie są tak ciągliwe jak stal nierdzewna, a ich możliwości obróbki oraz spawania są zdecydowanie ograniczone w porównaniu z innymi metalami. „Chcemy, aby nowo opracowane materiały charakteryzowały się właściwościami tradycyjnych materiałów międzymetalicznych – wysoką twardością, stosunkowo niską gęstością oraz dużą odpornością na korozję i erozję; jednocześnie chcemy nadać im pewne nowe właściwości”, wyjaśnia koordynator projektu Costas Charitidis, profesor inżynierii chemicznej Narodowego Uniwersytetu Technicznego w Atenach. „Jeśli udałoby nam się zmniejszyć ich kruchość, a jednocześnie umożliwić przynajmniej częściową możliwość ich spawania, mogłyby z powodzeniem zastąpić stal nierdzewną o wysokiej ciągliwości jako lepszy materiał, w szczególności zważywszy na większą twardość oraz lekkość nowych materiałów”, twierdzi Charitidis. Nowe materiały zostały opracowane w ramach projektu EQUINOX. Zespół skupiony wokół przedsięwzięcia zbudował przypominającą gąbkę porowatą preformę, do której wprowadzono następnie ciekłe aluminium oraz stopy aluminium i żelaza. Metale te zostały wykorzystane ze względu na ich częste występowanie oraz niską cenę, która jest znacznie niższa od ceny chromu – krytycznego i strategicznego surowca w Europie, wykorzystywanego do wytwarzania stali nierdzewnej. „Kolejnym przełomem jest to, że opracowane nowe materiały międzymetaliczne poddają się obróbce. Możemy również produkować formy, dzięki którym jesteśmy w stanie wytwarzać żelazne preformy, przypominające kształtem element docelowy”, wyjaśnia Panagiotis Kavouras, starszy pracownik naukowy Narodowego Uniwersytetu Technicznego w Atenach. „Dzięki temu procesowi udało nam się skutecznie stworzyć materiały o niezwykle złożonych kształtach, nie tylko pręty czy cylindry”.
Prototypy
W ramach projektu powstały dwa zróżnicowane prototypy, dostosowane do dwóch różnych zastosowań. Pierwszym z nich była niewielka tarcza hamulcowa przeznaczona do zastosowania w samochodzie, natomiast drugim był element wykorzystany w silniku rakietowym zasilanym paliwem ciekłym. „Opracowane prototypy stanowią przykłady realnych zastosowań nowych materiałów międzymetalicznych opracowanych w ramach naszych prac”, wyjaśnia Charitidis. Zbudowana tarcza hamulcowa została przetestowana w symulowanym środowisku, przeszła także testy we mgle solnej – rozpylonej solance, w ramach których została zweryfikowana jej odporność na korozję. Element silnika rakietowego na paliwo ciekłe został przetestowany i zbadany pod kątem erozji. Uczestnicy projektu złożyli już wnioski patentowe dotyczące dwóch nowych procesów, obejmujących system produkcji tarcz hamulcowych do samochodów oraz element silnika rakietowego na paliwo ciekłe. „Uzyskane wyniki pokazują, że osiągnięcia projektu EQUINOX charakteryzują się dużym potencjałem i mogą zostać realnie wykorzystane na potrzeby produkcji rzeczywistych produktów przemysłowych”, dodaje Kavouras. „Pomimo tego, że projekt rozpoczął się od etapu podstawowych badań naukowych, zespołowi udało się przeprowadzić nie tylko badania laboratoryjne, lecz również badania w laboratorium przemysłowym”, twierdzi Kavouras. „Nie udało nam się jeszcze osiągnąć skali przemysłowej, ale nie brakuje nam wiele do skali badań pilotażowych, co będzie stanowiło ogromny krok naprzód”.
Kluczowe wyzwanie
„W ciągu ostatnich kilku miesięcy realizacji projektu udało nam się skutecznie wyprodukować materiał międzymetaliczny charakteryzujący się wysoką ciągliwością, co pokazuje nam jasno, że proces opracowany w ramach projektu EQUINOX może doprowadzić do prawdziwego przełomu”, dodaje. Jednym z największych wyzwań, jakim musieli stawić czoła naukowcy na wczesnych etapach badań, była konieczność przebadania zróżnicowanych rodzajów porowatych preform i stopów w różnych temperaturach. Dzięki zaawansowanym technikom modelowania oraz symulacjom udało im się ograniczyć przeszło 2 000 kombinacji różnych parametrów do zaledwie kilkudziesięciu opcji, które zostały następnie sprawdzone i zweryfikowane metodą prób i błędów. „Modelowanie i symulacja były absolutnie nieodzownymi czynnikami, które przyczyniły się do sukcesu tego projektu. W praktyce symulacje pozwoliły nam uniknąć wielu lat żmudnych eksperymentów”, twierdzi Kavouras.
Słowa kluczowe
EQUINOX, chrom, stal nierdzewna, międzymetaliczne, żelazo, aluminium, hamulec samochodowy, materiały
