stosowane w budowie pojazdów samochodowych

Ogromny postęp w motoryzacji, zarówno w budowie nadwozi, podwozi, jak i jednostek napędowych, to także nowe materiały wprowadzane do budowy pojazdów, które mają bezpośredni wpływ na masę, osiągi oraz zużycie paliwa. Właśnie technologia materiałowa w technice motoryzacyjnej rozwija się najszybciej. Stosowane są lekkie materiały o dużej wytrzymałości, odporne na korozję.

Oprócz metali stosowane są włókna węglowe, szklane (karbon, kevlar), tworzywa sztuczne, materiały ceramiczne, guma, szkło oraz elementy kompozytowe, tj. konstrukcje mieszane, np. stalowo-aluminiowe wzmacniane włóknem węglowym. W publikacji tej zostaną przedstawione tylko materiały metalowe stosowane w budowie elementów pojazdów samochodowych.

Stopy aluminium
Mają największe znaczenie w budowie pojazdów samochodowych. Są znacznie lżejsze od stali i żeliwa, występują jako stopy z dodatkowymi, takimi jak: krzem, miedź, magnez, mangan, nikiel.
Stopy aluminiowe posiadają następujące zalety:
- mały ciężar właściwy,
- dużą wytrzymałość mechaniczną,
- dobre przewodnictwo cieplne,
- niską rozszerzalność cieplną,
- niski współczynnik tarcia,
- dużą odporność na zużycie korozyjne i eksploatacyjne.

Stosowane są na poniższe elementy pojazdów samochodowych:
- nadwozia pojazdów (np. Audi ok. 40 proc., lżejsze od tradycyjnych);
- kadłuby silników;
- głowice, miski olejowe, kolektory dolotowe i wylotowe, dźwigienki zaworów;
- tuleje cylindrowe, chłodnice i wymienniki ciepła;
- elementy klimatyzacji;
- obudowy wspomagania układu kierowniczego;
- półosie, wały napędowe, wahacze;
- obudowy skrzyni biegów, ramy zawieszeń;
- błotniki, dach, pokrywy silnika, drzwi;
- szkielety i podstawy foteli;
- kielichowe mocowania kolumny McPhersona;
- zaciski hamulcowe, tłoki silników;
- elementy przyczep i naczep;
- felgi, obręcze kół.

Ważniejsze stopy odlewnicze aluminium
- AlSi13Mg1CuNi (o zawartości 13 proc. krzemu) - stosowane na tłoki silników (ZI)
- AlSi21CuNi(o zawartości 21 proc. krzemu) - stosowane na tłoki silników (ZS)
- AlMg10 i ALMg5Si1 (o zawartości 10 i 5 proc. magnezu) - stosowane na odlewy odporne na korozję
- AlSi11 i ALSi7 (o zawartości 11 i 7 proc. krzemu) - stosowane na felgi aluminiowe. Dodatkowo do stopu dodawane są: magnez, żelazo, tytan lub stront w celu nadania im odpowiednich właściwości mechanicznych.

Stopy magnezu
Magnez jest metalem o 75 proc. lżejszym od stali. W praktyce są stosowane stopy magnezu z dodatkiem manganu, aluminium, cynkiem i cyrkonem.
Zaletą magnezu jest także możliwość odlewania części o dużych powierzchniach i bardzo cienkich ściankach, np. drzwi pojazdu przy dużej dokładności wymiarów odlewu i stabilności kształtu.

Zastosowanie stopów magnezu
- szkielety koła kierownicy i foteli,
- obudowy wału kierownicy,
- obręcze kół jezdnych,
- kolektory dolotowe,
- pokrywy głowic i mechanizmu rozrządu,
- skrzynie korbowe,
- wsporniki tablic przyrządów,
- kadłuby silników,
- obudowy skrzyni biegów,
- miski olejowe.
Ponadto z elektronu (stopu magnezu z cynkiem i aluminium) odlewa się bębny hamulcowe.

Mosiądze
Stopy miedzi i cynku (Cu-Zn) zawierające do 40 proc. cynku. Własności mechaniczne mosiądzów zależą od zawartości cynku, używane w motoryzacji do wyrobu części odpornych na korozję, są ciągliwe i łatwe do obróbki plastycznej.

Zastosowanie:
- do 4 proc. Zn - rurki chłodnic,
- do 37 proc. Zn - rurki skraplaczy i chłodnic,
- złącza elektryczne,
- przewody w układach zasilania.

Ołów
Głównie stosowane w przemyśle samochodowym na elektrody akumulatorów, mimo różnych prób jego wyeliminowania z powodu toksyczności.
Ponadto ołów jest bardzo ważnym składnikiem stopów łożyskowych.
Także do niedawna ołów był głównym materiałem stosowanym na ciężarki wyrównoważące kół samochodowych, lecz obecnie jest zastępowany ciężarkami cynkowymi.

Ołów i inne metale stosowane w budowie akumulatorów
- akumulatory ołowiowo-selenowe, płyty ze stopu (PbSe) z dodatkiem antymonu;
- akumulatory ołowiowo-wapniowe, płyty ze stopu PbCa – ich zalety to zmniejszenie zużycia wody oraz mniejsze szczątkowe prądy ładowania;
- akumulatory hybrydowe-technologia hybrydowa polega na zastosowaniu w akumulatorze dwóch rodzajów płyt. O stopniu skomplikowania ww. akumulatorów świadczy duża ilość składników stopowych do płyt wapniowych: Al, Sn, Ca, Ni, Ag, Cd, Zn, Au, Re oraz Pb;
- akumulator Bosch Silver - zastosowano w nim drobnokrystaliczny stop srebra, co powoduje, że opór wewnętrzny ww. akumulatorze jest mniejszy niż w tradycyjnych, ponadto okres użytkowania ich wydłuża się o 20 proc.;
- akumulator litowo-jonowy. Lit jest miękkim srebrzystobiałym metalem, najlżejszym ze wszystkich pierwiastków występujących w stanie stałym. Ww. akumulatory charakteryzują się krótkim czasem ładowania i długowiecznością w eksploatacji.

Miedź
Jest głównym składnikiem stopów zwanych mosiądzami i brązami. Z uwagi na dobrą przewodność i dobre własności mechaniczne miedź jest głównym materiałem przewodowym w technice motoryzacyjnej. Uzwojenia alternatorów, rozruszników, cewek zapłonowych, elektrycznych pomp paliwa itp. to głównie miedź. Ponadto na przewody elektryczne, którym stawia się wyższe wymagania wytrzymałościowe stosuje się stopy miedzi ze srebrem, miedzi z kadmem i miedzi z manganem.

Brązy
Stopy miedzi z cyną i innymi metalami, w których zawartość miedzi zawiera się w granicach 80-90 proc. (wagowo).
Brązy są stosowane do budowy łożysk ślizgowych, prowadnic i gniazd zaworowych, przekładni zębatych i ślimakowych. Łożyska ślizgowe wałów korbowych wykonuje się ze stopów łożyskowych złożonych głównie z miedzi, cyny i ołowiu. Od materiałów łożyskowych wymagana jest duża wytrzymałość mechaniczna, odporność na zatarcie, korozję i dobra obrabialność.

Przykłady brązów na łożyska ślizgowe:
- B1010 brąz cynowo-ołowiowy (CuSn10Pb10n 9-11 proc. Sn, Pb)
- B555 brąz cynowo-cynkowy-ołowiowy (CuSn5Zn5Pb5 n 4-6 proc. Sn, Zn, Pb)
- B444 brąz cynowy(CuSn4Zn4Pb4 - 3-5 proc. Sn, Zn, Pb) stosowany na tulejki korbowodów

Inne materiały na łożyska ślizgowe
- stopy cynowe zwane babitami o składzie 89 proc. Sn, 8 proc. Sb i 3 proc. Cu
- krajowy stop Ł83 – 83 proc. Sn, 11 proc. Sb i 6 proc. Cu
- Ł16 – 16 proc. Sb, 2 proc. Cu,16 proc. Sn, reszta Pb
- PbSb10Sn6 - stop łożyskowy cyny i ołowiu stosowany na panwie łożysk samochodowych pracujących przy dużym natężeniu pracy. Ponadto na gniazda zaworów i sprężyn amortyzatorów są stosowane brązy berylowe (1,6-2,1 proc. berylu) o oznaczeniu BB2 (CuBe2Ni)

Materiały stosowane na elementy silników spalinowych
Tłoki silników - najczęściej stosowane są siluminy, tj. stopy glinu z dodatkiem krzemu oraz i składnikami, takimi jak miedź, magnez, mangan i nikiel, odporny na korozję o dobrej lejności
AK12 i AK20 (12 i 20 proc. krzemu) - to siluminy, najbardziej popularne.
Głowice silników spalinowych - to stopy o oznaczeniu AK51 i AK52 (o zawartości 4-6 proc. Si)
Wkładki kompensacyjne tłoków - stosuje się inwar, tj.stop żelaza (64 proc.) i niklu (36 proc.) z niewielkim dodatkiem węgla i chromu
Pierścienie tłokowe - żeliwo szare lub stopowe z niewielką ilością chromu, niklu molibdenu oraz żeliwo sferoidalne (3,6-4,1 proc. C i 2,6 proc. Si)
Sworznie tłokowe - stale stopowe konstrukcyjne do nawęglania np.15HN(0,15 proc. C,1,0 proc. Cr,1,5 proc. Ni) oraz 16HG (0,16 proc. C, 1,0 proc. Cr, 1,2 proc. Mn)
Korbowody - stale węglowe wyższej jakość 35,40 i 45 oraz stale stopowe konstrukcyjne do ulepszania cieplnego 40H (0,40 proc. C i 1,0 proc. Cr) oraz 45G2 (0,45 proc. i 1,6 proc. Mn)
Wały korbowe - odkuwa się w matrycach ze stali lub odlewa się ze specjalnych żeliw lub staliw
- stali węglowe wyższej jakości 40 lub 45
- niskostopowe stale chromowe 40H (0,40 proc. C i 1,0 proc. Cr)
- niskostopowe stale chromowo-molibdenowe 40HM (0,40 proc. C, 1,0 proc. Cr i 0,25 proc. Mo)
- żeliwa stopowe do odlewania (2,6 proc. C, 1,2 proc. Ni,1,8 proc. Mn, 2,2 proc. Si)
Kadłuby silników spalinowych ze wstawiany tulejami - stosuje się żeliwo żl250 z dodatkiem chromu i niklu. Ponadto coraz częściej stosuje się stopy lekkie, tj. AK9 stop aluminium z krzemem (8,5-10,5 proc. Si) oraz stopy magnezu.
Dźwignie zaworowe - odkuwa się ze stali 45 i 55 lub odlewa się z żeliwa sferoidalnego.
Zawory:
a) zawory ssące - stal konstrukcyjna niskostopowa np.36HNM (Cr,Ni-1,0 proc., Mo-0,2 proc.) H10S2M (10 proc. Cr, 2,2 proc. Si, 0,8 Mo)
W celu zwiększenia trwałości przylgni zaworów wylotowych stosuje się napawane warstwy stellitu o grubości 1,5 mm. Stellit to stop kobaltu, chromu i wolframu.

Materiały stosowane w budowie dopalaczy katalitycznych (katalizator spalin) i sond lambda
Do pokrycia monolitów ceramicznych lub metalowych w dopalaczach katalitycznych stosuje się metale szlachetne: platynę, rod, pallad w stosunku 5; 1:2 (rod - jest najdroższy, stąd taki stosunek) oraz rzadziej ruten.
Platyna - w postaci czystej jest to
srebrzystobiały metal, kowalny i łatwo ciągliwy.
Rod - jest srebrzystoszarym, lśniącym metalem, jest bardzo drogi.
Pallad - srebrzystoszary, lśniący metal kowalny i ciągliwy.
Ruten - srebrzystobiały, bardzo rzadki metal - występuje w rudzie platyny.
Cyrkon - srebrzystobiały metal, charakteryzuje się dużą wytrzymałością mechaniczną
ZrO2 - dwutlenek cyrkonu stosuje się do sporządzania szlachetnej ceramiki żaroodpornej sond lambda.
Cer - metaliczny cer wydziela się elektrolitycznie z chlorku CeCl3, jest stalowoszarym, kowalnym, miękkim i ciągliwym metalem. Używany do produkcji siatek żarowych katalizatorów oraz jako składnik filtra cząstek stałych w dopalaczu katalitycznym silnika Diesla.
Tytan - jest metalem o bardzo dużej wytrzymałości, małej gęstości i dużej odporności na korozję. Jest stosowany w budowie tytanowych sond lambda.

Metale stosowane w budowie świec zapłonowych
i żarowych
Świece zapłonowe pojazdów samochodowych pracują w bardzo ciężkich warunkach (temperatura pracy 500-800OC), ciśnienie podczas sprężania mieszanki wynosi ok. 80 barów, napięcie zapłonu osiąga 30 tysięcy woltów, ich elektrody muszą zatem być odporne na wysokie temperatury, ciśnienia, zużycia erozyjne i korozyjne.
- Świece zapłonowe Bosch (typ Super Plus), elektroda środkowa ww. świec jest wykonana ze stopu z dodatkiem itru. Itr - to metal o srebrzystej barwie i temperaturze topnienia 1500OC).
- Świece zapłonowe firmy NGK dla samochodów VW Polo i Lupo. Dla uzyskania przeskoku iskry przy niższym napięciu oraz ochrony elektrod przed korozją i erozją zostały one pokryte płytkami z platyny. Mają one trwałość do 100 tys. km przebiegu pojazdu.
- Innym rodzajem świecy zapłonowej firmy NGK są świece z elektrodą środkową z irydu. Iryd jest pierwiastkiem chemicznym, metalem bardzo twardym odpornym na korozję.
Na świece żarowe silników z zapłonem samoczynnym stosowany jest “duratem”-opatentowaty stop kobaltowo-żelazny. Dzięki nowoczesnej technice żarzenia świece żarowe “duratem” osiągają 850OC) w 4 sekundy.

W wyniku rozwoju i potrzeb współczesnych technologii udoskonalamy i otrzymujemy wciąż nowe materiały.
W przemyśle motoryzacyjnym coraz szersze zastosowanie znalazły kompozyty np.: miedź-wolfram lub aluminium-bor oraz nanomateriały, tj.materiały o zmniejszonych wymiarach ziaren, dzięki którym można uzyskać znacznie lepsze własności fizyczne, mechaniczne, elektryczne-między innymi wzrost twardości i wytrzymałości.
Także intermetale będące połączeniem tytanu i aluminium w prawie jednakowych udziałach doskonale znajdują zastosowanie do wytwarzanie łopatek turbin, zaworów itp.

mgr inż. Edward Rymaszewski
Zespół Szkół Samochodowych
w Bydgoszczy