Visokotemperaturna oksidacija zlitin za žarilne svečke s podaljšano dobo delovanjaVeskovič Bukudur, Stojana (Avtor) Klobčar, Damjan (Komentor) žarilne svečke dizelskih motorjevzlitine Fe-Cr-Alvisokotemperaturna oksidacijaaluminiziranjedifuzijsko aluminiziranje v trdnemmikrostrukturalasersko varjenjeZakonodaja predpisuje proizvajalcem avtomobilov vse strožje omejitve glede izpustov škodljivih emisij, zato je razvoj motorjev z notranjim zgorevanjem usmerjen predvsem v zmanjšanje porabe goriva pa tudi njegovega popolnega zgorevanja v vsakem trenutku delovanja motorja. Ena izmed danes splošno sprejetih tehnologij, ki omogoča do 10 % zmanjšanje porabe goriva, zlasti pri vožnji v urbanem okolju, je tehnologija start-stop. Sistem start-stop zmanjša porabo goriva s samodejnim izklopom motorja z notranjim zgorevanjem med čakanjem pred semaforjem ali v zastojih in s tem skrajša čas, ko motor deluje v prostem teku. Po drugi strani pa uporaba te tehnologije dodatno obremenjuje ostale elemente avtomobilskega zagonskega sistema, kot so akumulator, zaganjalnik in vžigalne ali grelne svečke itd., ker bistveno poveča število zagonov motorja. V raziskavi sem se usmerila v razvoj grelnih svečk dizelskih motorjev. Žarilne svečke služijo kot pomoč pri zagonu hladnega dizelskega motorja. Njihova naloga je, da predgrejejo zgorevalni prostor dizelskega motorja in s tem olajšajo njegov zagon. Poleg tega žarilne svečke segrevajo zgorevalni prostor tudi še nekaj časa po zagonu hladnega motorja in s tem prispevajo k popolnejšemu zgorevanju dizelskega goriva in k manjšim emisijam trdnih delcev (saj) in škodljivih izpušnih plinov. Ker mora biti dizelski motor pripravljen na zagon v relativno kratkem času in ne sme proizvajati škodljivih emisij v času hladnega delovanja, se mora žarilna svečka segreti na visoko temperaturo, podaljšal pa se je tudi čas njenega delovanja. Proizvajalci dizelskih motorjev zato zahtevajo vse višje temperature delovanja grelnih svečk ob njihovi hkratni podaljšani življenjski dobi. Najbolj občutljiv element grelnih svečk predstavlja grelni element, izdelan iz zlitin Fe-Cr-Al. Te zlitine so znane po svoji odlični oksidacijski odpornosti pri visokih temperaturah in se zelo pogosto uporabljajo kot grelni elementi. Njihova odpornost proti oksidaciji je povezana z nastankom termodinamično stabilne in za kisik neprepustne zaščitne plasti aluminijevega oksida (Al2O3) na površini zlitine, ki zavira njeno nadaljnjo oksidacijo. Kljub odličnim antioksidativnim lastnostim teh zlitin pa je njihova oksidacijska odpornost omejena, če so izpostavljene termičnemu cikliranju nad 1050 °C, kar se zgodi pri delovanju grelnih svečk med zagonom hladnega dizelskega motorja. Razlog za to je pokanje in luščenje zaščitne plasti aluminijevega oksida in poraba aluminija v podpovršinski plasti zlitine zaradi nenehnega ponovnega nastajanja plasti aluminijevega oksida. Ko se vsebnost aluminija v podpovršinski plasti zlitine zmanjša pod kritično koncentracijo (< 3 mas. %), zaščitna plast aluminijevega oksida ne more več nastati, kar vodi v oksidacijo železa in kroma ter nastanek kromovih in aluminijevih nitridov in posledično v njen propad. Da bi podaljšali življenjsko dobo grelnih svečk, smo žarilne elemente iz zlitine Fe-Cr-Al obogatili z aluminijem v površinski plasti in s tem povečali njegovo zalogo, ki je potrebna za tvorjenje in ohranjanje oksidne Al2O3 plasti. Uporabili smo različne postopke nanašanja aluminija: PVD, aluminiziranje s kasnejšo termično obdelavo in ALD-postopek. S postopkom fizikalnega nanašanja iz parne faze (Physical vapour deposition – PVD) smo na površino uporov nanesli 2 µm debelo plast čistega aluminija. Z aluminiziranjem v trdnem (aluminizing – powder pack) se je odvisno od sestave zasipa tvorila plast različnih aluminidov ali z aluminijem obogatena plast ?-(Fe, Cr, Al). S postopkom nanašanja atomskih plasti (atomic layer deposition – ALD) smo na površino nanesli tanko plast (nekaj nm) Al2O3, ki naj bi ščitil material pred nadaljnjo oksidacijo. Cilj raziskave je študija različnih fizikalno-kemijskih procesov, ki se odvijajo med delovanjem žarilne svečke. Narejene so bile obsežne mikrostrukturne raziskave prečnih in vzdolžnih prerezov grelnih svečk po trajnostnih testih na laboratorijskih napravah v podjetju Hidria d.o.o., kot tudi po delovanju v realnem motorju pri potencialnih kupcih. Z raziskavami temeljnih fizikalno-kemijskih pojavov pri visokotemperaturni oksidaciji je pojasnjen in ovrednoten vpliv izhodnih mikrostruktur različnih materialov na mehanizem in kinetiko njihove oksidacije pri različnih pogojih. V začetni fazi raziskave smo s termogravimetričnimi analizami primerjali oksidacijske lastnosti komercialnih materialov na osnovi zlitin Fe-Cr-Al, ki so trenutno na tržišču. Preiskovane zlitine so se razlikovale po postopku izdelave, količini in vrsti reaktivnih elementov, količini aluminija in kroma v zlitini ter mikrostrukturnih in mehanskih lastnostih. V naslednji fazi smo na žarilne upore s PVD-postopkom nanesli plast aluminija in z metodo merjenja električne upornosti ugotavljali vpliv temperature in časa na difuzijske procese v zlitini. Pridobljene rezultate smo nato uporabili pri izbiri tehnoloških parametrov aluminiziranja v trdnem, ki smo ga razvili, da bi povečali količino aluminija v površinski plasti in s tem zagotovili hitrejšo oksidacijo zlitine v začetni fazi segrevanja in povečali število možnih obnovitev zaščitne površinske plasti aluminijevega oksida. Zaradi spremenjene sestave grelnih elementov je bilo potrebno prilagoditi tudi metodo spajanja le-teh z drugimi materiali v grelnem elementu. Sprememba tehnoloških parametrov klasičnega obločnega varjenja, ki se je do sedaj uporabljalo v proizvodnji, ne omogoča uspešnega spajanja, saj povečana energija obloka negativno vpliva na ostale elemente žarilne svečke. Za uspešno spajanje teh elementov smo določili tehnološke parametre laserskega varjenja, ki omogočajo ustrezno kvaliteto spoja in s tem daljšo obratovalno dobo žarilne čepne svečke.20212021-06-11 09:00:02Doktorsko delo/naloga127518sl