Ceramic-carbon composites designed for piston group of combustion engines

• Autorzy: Posmyk A. , Wistuba H. , Falkowski P.

Warianty tytułu

PL

Kompozyty ceramiczno-węglowe przeznaczone na elementy grupy tłokowej silników spalinowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the production technology of ceramic-carbon composites designed for cylinder inserts of piston devices. Porous oxide ceramics with an assumpted porosity (20, 30 and 35%) obtained by the method of sintering grains of ceramic powder was used as a composite matrix. In the method, the sintering process is carried out in such a way that the ceramic powder particles form durable bonds (they sinter) in a properly prepared shaped sample but at the same time they do not form a dense polycrystalline material. The composite was obtained by introducing a glassy carbon precursor into the open pores of the ceramic and was then subjected to pyrolysis in the atmosphere of argon. As a result of the conducted technological tests, diverse contents of glassy carbon in the ceramic matrix were obtained. The influence of the open porosity of an oxide ceramic matrix upon the tribological properties of the fabricated composite sliding against a cast iron piston ring in the conditions of friction in air was examined. The material is destined for cylinder inserts in machines and piston devices e.g. combustion engines, air compressors and pneumatic servo-motors. The material was obtained in three consecutive stages i.e. ceramic samples with a given porosity were obtained by the gel casting method, saturation of the porous samples with a carbon precursor, and finally pyrolysis of carbon precursor introduced into the pores of oxide ceramics. The obtained ceramic-glassy carbon composite (CGC) features low thermal conductivity close to conductivity of oxide ceramics (λ = 20 W/mK), a high wear resistance and friction coefficient which allows sliding in the conditions of limited lubrication. The fabricated material was subjected to tribological tests on a pin-on-disc stand sliding against a cast iron pin in the conditions of friction in air. The friction coefficient of the examined contact largely depends upon the ceramic matrix porosity. The lowest value (μ ≈ 0.3, at p = 0.8 MPa, v = 2.5 m/s, s = 5000 m) was obtained in the contact with 30% matrix porosity. The results are the basis for further investigations on optimal chemical composition and manufacturing processes in order to reach the required utility properties. Composites manufactured upon an oxide ceramic matrix with a 30% porosity feature the best tribological properties. Such properties are achieved due to a sufficient amount of glassy carbon present in the oxide ceramics pores. Glassy carbon is marked by low shear resistance and high ceramic matrix hardness therefore low values of friction forces are possible to be reached.

PL

Opisano technologię wytwarzania kompozytów ceramiczno-węglowych przeznaczonych na tuleje cylindrowe maszyn tłokowych. Jako osnowę kompozytu zastosowano porowatą ceramikę tlenkową o założonej porowatości (20, 30 i 35%) wytworzoną metodą spiekających się ziaren proszku ceramicznego. W metodzie tej proces spiekania prowadzi się w taki sposób, aby ziarna proszku ceramicznego w odpowiednio przygotowanej kształtce utworzyły trwałe połączenia między sobą (spiekły się), nie tworząc jednocześnie gęstego polikrystalicznego spieku. Kompozyt wytworzono, wprowadzając w pory otwarte ceramiki prekursor węgla szklistego i poddając go pirolizie w atmosferze argonu. W wyniku przeprowadzonych badań technologicznych uzyskano różne zawartości węgla szklistego w ceramicznej osnowie. Przebadano wpływ porowatości otwartej ceramicznej osnowy tlenkowej na właściwości tribologiczne wytworzonego kompozytu we współpracy z żeliwnym pierścieniem tłokowych w warunkach tarcia technicznie suchego. Materiał ten jest przeznaczony na wkładki do tulei cylindrowych maszyn i urządzeń tłokowych, np. silników spalinowych, sprężarek powietrza, siłowników pneumatycznych. Materiał ten został wytworzony w trzech etapach, tj.: wytwarzanie metodą gel casting kształtek ceramicznych o zadanej porowatości, nasączanie porowatych kształtek prekursorem węgla, karbonizacja prekursora wprowadzonego w pory ceramiki tlenkowej. Wytworzony kompozyt ceramika-węgiel szklisty (CWS) charakteryzuje się małą przewodnością cieplną zbliżoną do przewodności ceramik tlenkowych (λ = 20 W/mK), odpornością na zużycie tribologiczne i współczynnikiem tarcia pozwalającym na współpracę w warunkach ograniczonego smarowania. Wytworzony materiał poddano badaniom tribologicznym na stanowisku "trzpień-tarcza" w warunkach tarcia technicznie suchego we współpracy z trzpieniem żeliwnym. Współczynnik tarcia badanych skojarzeń zależy od porowatości osnowy ceramicznej. Najniższą jego wartość (μ ≈ 0,3, przy p = 0,8 MPa, v = 2,5 m/s, s = 5000 m) uzyskano w skojarzeniu z osnową o porowatości 30%. Uzyskane wyniki są podstawą do prowadzenia badań optymalizacji składu chemicznego i procesów wytwarzania w celu uzyskania wymaganych właściwości użytkowych. Najlepsze właściwości tribologiczne wykazują kompozyty wytworzone na osnowie ceramiki tlenkowej o porowatości 30%. Przyczyną takich właściwości jest wystarczająca ilość węgla szklistego umieszczonego w porach ceramiki tlenkowej. Dzięki małej wytrzymałości na ścinanie węgla szklistego i dużej twardości osnowy ceramicznej jest możliwe uzyskanie mniejszych wartości sił tarcia.

Słowa kluczowe

EN

porous ceramic; composite; glassy carbon; sliding; cylinder liner

PL

ceramika porowata; kompozyt; węgiel szklisty; tarcie ślizgowe; tuleje cylindrowe

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 11, nr 2
• Strony: 97--101
• Opis fizyczny: Bibliogr. 4 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Posmyk A.

autor

Wistuba H.

autor

Falkowski P.

• Politechnika Śląska, Wydział Transportu, ul. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, Poland,

Bibliografia

• [1] Suzuki S., Kawamura H., Realization of ceramic adiabatic engine and engine components having many functions. Key Engine Materials 2000, 175-176, 11-22.
• [2] Szafran M., Makroskopowe i mikroskopowe aspekty projektowania ceramicznych tworzyw porowatych, Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, Chemia, z. 63, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.
• [3] Posmyk A., Wistuba H., Ceramiczne powłoki kompozytowe z nanowęglem szklistym, Kompozyty (Composites) 2008, 1(8), 31-35.
• [4] Ernst H., Merchant M.E., Surface friction of clean metals, A basic factor in the metal cutting process. Proc. Special Summer Conf. Friction and Surface Finish, MIT Press, Cambridge 1940, 76-101.