Seriál o materiálech v automobilech (dnes nejen těch závodních), by mohl být extrémně dlouhý. Jde totiž o to, že zrovna materiálové inženýrství jde neskutečně rychle kupředu. Musí. A tak dnes jen zíráme, co všechno je možné.
Supermateriály pro závodní motory
Články na téma závodní motory:
- Závodní motory: výlet do historie
- Proč chceme u závodních motorů co nejvyšší otáčky?
- Nejlepší mezi závodními motory: Cosworth DFV
- Proč závodní motory tak řvou? (1. díl)
- Proč závodní motory tak řvou? (2. díl)
- Proč závodní motory tak řvou? Mají vůbec výfuk? (3. díl)
- Supermateriály, které najdete v závodních motorech: Titan
- Supermateriály, které najdete v závodních motorech: Keramika
- Supermateriály, které najdete v závodních motorech: Hliník
- Supermateriály, které najdete v závodních motorech: Inconel, Electron a další - právě čtete
Měli jsme tady hliník a od něj odvozené verze, povídali jsme si i o titanu. Tenhle kov dříve používaný výhradně v letectví a kosmonautice se dostal do automobilového sportu celkem rychle a uvelebil se tam, kde jiné materiály selhávají. A pak jsme měli keramiku. Světe div se! Křehkou keramiku, kterou by nikdo asi v autě nečekal. A přesto…
Svět materiálového inženýrství frčí kupředu jako máloco jiného. Je to tak rychlé, že během pár hodin jsme se dostali dál, než za posledních několik století. Vážně, bez keců. Jde o umělou inteligenci, konkrétně projekt GNoME. To je je nový rozsáhlý model grafové neuronové sítě od Deepmind, navržený pro hledání nových struktur krystalických materiálů. Díky němu se počet známých potenciálně stabilních materiálů zvýšil přibližně desetinásobně během jednoho týdne! Objev 2,2 milionu materiálů se rovná zhruba 800 letům znalostí. Z nich by mohlo být asi 380 000 vyrobitelných. Takže pokud se někdo vrhne na těch pár set tisíc a bude je v laboratoři bouchat jak Baťa cvičky pro technologické zkoušky, letíme na Mars s raketou Bugatti na konci roku 2025 (jasně, žertuji).
Inconel 625
Pojďme se vrátit k tomu, kvůli čemu tady jsme, a to je Inconel 625. Inconel je skupina superslitin na bázi niklu a chromu, která se používá ve výfukových systémech pro svou schopnost zachovat si pevnost v širokém rozsahu teplot. Tento materiál má zásadní význam pro řízení horkých plynů vypouštěných z motoru, zejména u motorů s turbodmychadlem.
To, co skutečně odlišuje Inconel, je jeho jedinečná kombinace vlastností. Není to jen jeho odolnost vůči oxidaci a korozi, která ho činí cenným v nehostinném prostředí závodních motorů, ale také jeho schopnost zachovat si mechanické vlastnosti v širokém teplotním spektru. Tato vlastnost je zásadní při závodění, kde komponenty během závodu zažívají rychlé a extrémní výkyvy teplot.
Výhody Inconelu v závodních aplikacích ovšem přesahují jeho tepelnou odolnost. Navzdory své robustnosti je Inconel ve srovnání s jinými kovy s podobnými vlastnostmi relativně lehký. Ve světě závodů, kde se každý gram počítá k výkonu, je tato je tak hmotnost významnou výhodou. Přispívá k celkové účinnosti a rychlosti vozu a zajišťuje, že se výkon motoru promítne do maximálního výkonu na trati.
Pojďme na tenhle materiál podívat poněkud podrobněji. Slitina Inconel 625, která je primárně slitinou niklu a chromu, je doplněna významným množstvím molybdenu a niobu. Tato kombinace jí propůjčuje výjimečnou pevnost a odolnost vůči extrémním teplotám a korozivnímu prostředí - vlastnosti, které jsou v náročných podmínkách závodů neocenitelné. Materiál má opravdu působivou pevnost s pevností v tahu přibližně 690 MPa a mezí kluzu přibližně 275 až 345 MPa. Vykazuje také vynikající odolnost proti korozi, zejména proti oxidaci a nauhličování, takže je ideální pro dlouhodobé vystavení vysokoteplotnímu prostředí. Pro výfukové potrubí je ovšem důležité to, že jeho tepelná stabilita výrazně překračuje hodnoty 1000 °C!
Ačkoli jeho nejvýznamnější použití je ve výfukových systémech, potenciální aplikace Inconelu v závodních motorech se neomezují pouze na tuto oblast. Díky vysokému poměru pevnosti a hmotnosti je lákavou volbou i pro další součásti motoru, které vyžadují odolnost v podmínkách vysokého namáhání. Například u zavěšení. Díly vyrobené z Inconelu lépe odolávají únavovým lomům při velmi nízké hmotnosti, tedy neodpružené hmotě. Navíc lze Inconel 625 snadno svařovat a tvářet. Prostě dokonalý materiál!
Elektron
Kdo by neznal Elektron? To je prostě legenda a elektronová kola jsou vlastně takovým synonymem pro odlehčená kola, jako je třeba Lux pro vysavače apod. Jenže Elektronů je víc a my si popovídáme o tom, který má přídomek 21.
Magnesium Elektron 21, označený také jako UNS M12310, je hořčíková slitina vyráběná britskou společností Magnesium Elektron Limited. Je známá především a hlavně svou vynikající odolností vůči korozi, odlitelností a jemnozrnnou mikrostrukturou. Tato slitina se snadno obrábí a používá se v motorsportu a leteckém průmyslu díky své vysoké pevnosti, nízké hmotnosti a vynikajícím vlastnostem tlumení vibrací. Složení Elektronu 21 je primárně hořčík (96 %), pak se tu setkáme s neodymem (3 %) a gadoliniem (1 %). Také se tu objevuje zirkonium nebo stříbro. Záleží na potřebných vlastnostech.
V laboratoři vykazuje Magnesium Elektron 21 řadu působivých vlastností. Má pevnost v tahu přibližně 280 MPa a mez kluzu přibližně 160 MPa, což svědčí o jeho schopnosti snášet značné mechanické namáhání, aniž by podlehl deformaci. S hustotou přibližně 1,8 g/cm³ je výrazně lehčí než tradiční materiály, jako je hliník a ocel, což z něj činí hlavního kandidáta pro aplikace, kde je snížení hmotnosti prvořadé. Kromě toho se tato slitina pyšní vynikající odolností proti korozi a schopností pracovat za vysokých teplot, což jsou kritické faktory v náročných provozních podmínkách závodních motorů.
Také čtěte
Je důležité poznamenat, že Elektron 21 dosáhl specifikace materiálu pro letectví a kosmonautiku (AMS 4429) a je první a jedinou hořčíkovou slitinou, která byla zařazena do příručky MMPDS s plným základem A a B pro schválení konstrukce v tomto odvětví.
Praktické využití slitiny Magnesium Elektron 21 v závodním průmyslu je řekněme multidimenzionální. Je prakticky všude. Často se využívá při výrobě bloků motorů, krytů převodovek a skříní diferenciálů. Dokonce i při extrémním tepelném namáhání při závodění si Elektron 21 zachovává svou strukturální integritu.
Kromě toho hrají příznivé vlastnosti slitiny při tlumení vibrací zásadní roli při zdokonalování chodu motoru. Výsledkem je lepší dynamika vozidla, která řidičům nabízí lepší kontrolu a stabilitu, zejména při vysokých rychlostech nebo v náročných závodních podmínkách.
Ovšem nejen v motorech a autech ho najdeme. V automobilovém průmyslu se používá pro díly, jako jsou volanty a sloupky řízení či rámy sedadel, používá se ale také také v ručním nářadí, noteboocích, zavazadlech, žebřících a dalších komerčních aplikacích.
Nitrid křemíku
Tady zabrousíme zase zpátky ke keramice. Nitrid křemíku (Si3N4) totiž patří do keramických materiálů. My se na něj zaměříme jako na typický příklad extrémního technologického inženýrství. Asi jeho nejčastější použití ke ve vysoce výkonných ložiskách a zdvihátkách ventilů, kde se vyznačuje vynikající tvrdostí, nízkou hustotou a odolností vůči tepelným šokům. Díky tomu je ideální pro díly, které jsou vystaveny značnému namáhání a kolísání teplot.
V oblasti vysoce výkonného automobilového inženýrství se nitrid křemíku stává vzorem materiálové inovace. Tato keramická sloučenina vznikla spojením atomů křemíku a dusíku v krystalické mřížce. Molekulární architektura nitridu křemíku mu propůjčuje mimořádnou tvrdost, která se vyrovná tvrdosti diamantů. S hodnotami tvrdosti podle Vickerse, které se pohybují mezi 1500 a 2000 HV, přináší tento materiál součástem motoru bezkonkurenční odolnost proti opotřebení. To má zásadní význam v závodní oblasti, kde jsou díly, jako jsou zdvihátka ventilů a vahadla, vystaveny neustálému mechanickému namáhání a tření. Kromě tvrdosti se mechanická odolnost nitridu křemíku projevuje v jeho působivém modulu pružnosti, který se obvykle pohybuje v rozmezí 284 až 450 GPa. V neposlední řadě je tu extrémně nízký koeficient tepelné roztažnosti 3,4 x 10-6/K při teplotě 300 K.
Kdo se trochu vyzná v materiálech, tomu tahle čísla vyráží dech. Je to opravdu fantastická ukázka toho, kam materiálové inženýrství pokročilo. Přitom byly objeveny několikeré cesty k jeho výrobě, včetně nitridování, slinování nebo reakční vazby pomocí nitridace povrchu kompaktního prášku křemíku.
Na závěr – pokud obrábíte, Si3N4 vám jistě není neznámý. Je to základní prvek na kvalitních obráběcích nožích a břitech, takže automobily jsou jen okrajovou částí pro využití.
Těch materiálů, které bychom mohli představit, je opravdu spousta. Už s tím skončíme. Ale přece jen – příště si představíme ještě jeden. Hodně netradiční. O to zábavnější bude.
Zdroj info: Luxfer Magtech, imetra Moderní materiály, kolektiv autorů, TUL, 2014 Progresivní materiály, Monika Losertová, VŠB TU Ostrava, 2012 Engineering Fundamentals of Internal Combustion Engine, Brody.
Zdroj médií: Akrapovič, Pexels, Avant Garde Wheels.
Zdroj médií: Akrapovič, Pexels, Avant Garde Wheels.
