Новые износостойкие спеченные материалы снизят зависимость производителей двигателей от поставок кобальта

Новый материал будет применяться для изготовления компонентов двигателя, подверженных воздействию высоких температур, в которых с целью обеспечения надлежащей износостойкости, как правило, используется кобальт. Речь идет о таких элементах, как втулки перепускного клапана турбонагнетателя, клапаны EGR и седла клапанов высокофорсированных двигателей. Испытания деталей, изготовленных из спеченной стали нового состава, показали, что содержание кобальта в материалах компании Tenneco может быть значительно снижено без ущерба для противоизносных свойств.

«Потенциально низкие объемы сырья и неоднозначная ситуация в сфере добычи кобальта в сочетании с экстремальной волатильностью его цены заставляют нас снижать зависимость от поставок данного металла, — сказал Джан Мария Оливетти (Gian Maria Olivetti), вице-президент Tenneco Powertrain по международному проектированию. — Кобальт остается материалом, наиболее эффективно противостоящим износу седел клапанов в условиях сухого трения, а также износу других компонентов, подверженных воздействию высоких температур. Тем не менее мы использовали свой богатый опыт в области порошковой металлургии для разработки спеченного сплава с низким содержанием кобальта, который обладает противоизносными свойствами, сопоставимыми с таковыми у лучших из существующих в настоящее время материалов».

Рабочая температура для втулок клапанов EGR, перепускного клапана турбонагнетателя и выпускных клапанов может колебаться в диапазоне от минусовых значений до 1000 °C. По словам Дженса Уэлмана (Jens Wellmann), менеджера по продукту Tenneco Powertrain, ответственного за направление компонентов турбонагнетателя, столь широкий диапазон температур ставит перед конструкторами серьезные трибологические задачи. «В частности, в нижнем диапазоне температурных значений, до 400 °C, материалы с высоким содержанием кобальта могут превосходить по эффективности типичные аналоги, в составе которых кобальт отсутствует. Первый вопрос, на который мы должны ответить: чем объясняется высокая износостойкость материалов с высоким содержанием кобальта? Второй вопрос: каким должно быть содержание кобальта для получения такого эффекта?».

Исследования компании Tenneco начались с изучения двух хорошо зарекомендовавших себя спеченных сплавов: FM-8100, на основе железа и без содержания кобальта, и FM-T95A, на основе кобальта (содержание кобальта 54 % по массе), сопоставимого по характеристикам с литыми материалами, которые используются для изготовления деталей, подверженных фрикционному износу. Помимо двух данных материалов с радикально отличающимися свойствами при различных рабочих температурах была изучена износостойкость пяти составов с различным содержанием кобальта. Анализ изношенных образцов показал, что спеченные содержащие кобальт материалы Tenneco формировали снижающий износ фрикционный слой, эффективный при более низких температурах по сравнению с материалами, не содержащими кобальт. Это раннее образование стабильного фрикционного слоя дает ответ на первый вопрос.

Такой же эффект был отмечен при сравнении образцов с содержанием кобальта от 17 до 35 %. Это ответ на второй вопрос. С учетом полученных результатов был разработан новый материал — FM-T88A. Это спеченная сталь с содержанием кобальта 17 %, которая соответствует технологическим требованиям и стандартам качества, подходит для массового производства с использованием технологии порошковой металлургии и процесса спекания, а также для последующей машинной обработки. Кроме того, материал способен обеспечить высокий уровень качества конечного изделия.

Для подтверждения результатов предварительных исследований были проведены совместные испытания с участием ведущего мирового автопроизводителя, в ходе которых сравнивалась износостойкость материала FM-T88A и аналогов, применяемых в серийном производстве. Для этого использовался испытательный стенд, моделирующий нагружение втулки перепускного клапана турбонагнетателя при температурах до 800 °C.

«Результаты показали, что при 200 °C материал FM-T88A демонстрирует значительное уменьшение глубины износа по сравнению с материалом, не содержащим кобальт. Кроме того, его износостойкость сравнима с показателями материала, отличающегося высоким содержанием кобальта, — сказал Уэлман. — При всех прочих температурах рабочие характеристики нового материала близки к свойствам материалов с высоким содержанием кобальта».

«С учетом того, что 50 % добываемого в мире кобальта сейчас используется в производстве аккумуляторных батарей для электрических автомобилей, спрос на этот металл с каждым годом возрастает, — сказал Оливетти. — Снизив до минимума потребность в кобальте при изготовлении наших износостойких спеченных материалов, мы можем помочь нашим заказчикам смягчить последствия ограниченной доступности кобальта и волатильности цен на него, при этом по-прежнему предлагая надежные продукты».

О новой Tenneco — будущей компании направления Powertrain Technology

После разделения бизнеса и формирования двух независимых компаний — с фокусом на сегменте послепродажного обслуживания автомобилей у одной (DRiV™) и на производстве компонентов и решений для силовых агрегатов в сегменте оригинального оборудования у другой — новая Tenneco станет одним из крупнейших мировых производителей компонентов для бензиновых, дизельных и электрифицированных силовых агрегатов, а также поставщиком технических решений, помогающих автопроизводителям повышать мощность и топливную экономичность транспортных средств и соответствовать регуляторным требованиям, касающимся выбросов вредных веществ. Примерная выручка новой Tenneco за 2019 год составила 11,45 млрд долларов США и была сгенерирована продуктами и решениями для легкого коммерческого транспорта, грузового транспорта, внедорожных автомобилей и промышленного сегмента.