Projekti / Programi
Selektivna plazemska oksidacija zlitin FeCrAl za podaljšanje obratovalne dobe žarilnih svečk za dizelske motorje
Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
2.09.05 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
Vakuumistika |
Koda |
Veda |
Področje |
T155 |
Tehnološke vede |
Prevleke in površinska obdelava |
Koda |
Veda |
Področje |
2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
plazma, žarilne svečke, obdelava površin
Raziskovalci (24)
št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
1. |
06073 |
dr. Milan Bizjak |
Materiali |
Raziskovalec |
2017 - 2020 |
465 |
2. |
37467 |
dr. Tilen Brecelj |
Proizvodne tehnologije in sistemi |
Raziskovalec |
2019 - 2020 |
29 |
3. |
50986 |
Alen Bučar |
|
Tehnični sodelavec |
2018 |
0 |
4. |
18635 |
Tatjana Filipič |
|
Tehnični sodelavec |
2017 - 2020 |
24 |
5. |
20288 |
Alojz Gašperčič |
Konstruiranje |
Raziskovalec |
2017 - 2020 |
0 |
6. |
24489 |
dr. Blaž Karpe |
Materiali |
Raziskovalec |
2017 - 2020 |
221 |
7. |
20441 |
dr. Damjan Klobčar |
Konstruiranje |
Raziskovalec |
2017 - 2020 |
572 |
8. |
18566 |
dr. Matjaž Knap |
Materiali |
Raziskovalec |
2017 - 2020 |
143 |
9. |
52526 |
Peter Kolar |
|
Tehnični sodelavec |
2018 - 2020 |
6 |
10. |
11624 |
dr. Borut Kosec |
Materiali |
Raziskovalec |
2017 - 2020 |
980 |
11. |
15703 |
dr. Janez Kovač |
Elektronske komponente in tehnologije |
Vodja |
2017 - 2020 |
693 |
12. |
33216 |
dr. Romana Krištof |
Javno zdravstvo (varstvo pri delu) |
Raziskovalec |
2019 - 2020 |
49 |
13. |
38392 |
Ana Lipušček |
Konstruiranje |
Raziskovalec |
2017 |
0 |
14. |
52315 |
Andraž Logar |
Električne naprave |
Raziskovalec |
2018 - 2020 |
5 |
15. |
51401 |
Monika Manfreda |
Kemija |
Raziskovalec |
2018 - 2020 |
0 |
16. |
10429 |
dr. Miran Mozetič |
Elektronske komponente in tehnologije |
Raziskovalec |
2017 - 2020 |
1.368 |
17. |
24381 |
dr. Aleš Nagode |
Materiali |
Raziskovalec |
2017 - 2020 |
409 |
18. |
03066 |
dr. Vincenc Nemanič |
Elektronske komponente in tehnologije |
Raziskovalec |
2017 - 2020 |
248 |
19. |
28609 |
dr. Matej Pleterski |
Materiali |
Raziskovalec |
2018 |
70 |
20. |
38499 |
Samo Smolej |
|
Tehnični sodelavec |
2017 - 2020 |
0 |
21. |
02045 |
dr. Janez Tušek |
Konstruiranje |
Upokojeni raziskovalec |
2017 - 2020 |
1.119 |
22. |
20048 |
dr. Alenka Vesel |
Elektronske komponente in tehnologije |
Raziskovalec |
2017 - 2020 |
706 |
23. |
31618 |
dr. Rok Zaplotnik |
Elektronske komponente in tehnologije |
Raziskovalec |
2017 - 2020 |
322 |
24. |
03366 |
Marko Žumer |
Elektronske komponente in tehnologije |
Tehnični sodelavec |
2017 - 2020 |
112 |
Organizacije (4)
Povzetek
Uporaba žarilne svečke v dizelskem motorju je omejena z življenjsko dobo grelnega upora, ki je izdelan iz žice, ki je iz visokotemperaturno obstojne Fe-Cr-Al zlitine, ki je med delovanjem segreta na temperaturo 1200°C. Pri visokih temperaturah se na površini žice tvori zaščitna plast -Al2O3, ki zaradi zapornih lastnosti preprečuje difuzijo atomov v okolico in iz nje. Zaradi mehanskih napetosti, termičnih šokov in različnih raztezkov oksidne plasti ter kovinske podlage nastanejo razpoke in pore v zaščitni Al2O3 plasti, ki začne odstopati, material žice začne zato propadati, kar vodi do okvare svečke. V praksi so uporabljeni različni načini, kako zmanjšati takšne poškodbe Al-oksidne plasti in njihove posledice, ki pa ne odpravijo tega problema.
Naš predlog za rešitev problema poškodb Al-oksidne plasti pri visoki temperaturi in podaljšanje dobe obratovanja grelne žice je izvedba nanokompozitne homogene Al-oksidne zaščitne plasti na Fe-Cr-Al zlitini s postopkom selektivne nizkotlačne plazemske oksidacije. Po našem vedenju takšna rešitev opisanega problema še ni bila predlagana. Oksidna plast pripravljena s plazemsko oksidacijo bi zaradi svoje mikrostrukture in homogene debeline imela bistveno boljše adhezijske lastnosti. Naša skupina (partner: Institut Jožef Stefan) ima na tem področju dolgoletne izkušnje in pozitivne rezultate. Mi predlagamo uporabo kombinacije reduktivne in oksidativne plazemske obdelave z H2 in O2 plini v dvofaznem procesu, ki bi zagotavlja selektivno nizkotlačno plazemsko oksidacijo in rast homogene, kompaktne oksidne plasti z debelino v področju od 20 do 500 nm z dobro adhezijo. Preliminarni testi izvedeni na grelnih žicah v našem laboratoriju, ki smo jih selektivno oksidirali v nizkotlačni plazmi, in so bili izpostavljeni trajnostnemu testu pri industrijskem parterju tega projekta (Hidria AET) kažejo obetavne rezultate. V projektu bomo podrobno preučili dvofazno plazemsko obdelavo žarilnih žic z redukcijsko in nato z oksidativno plazmo, optimizirali trajanje posamezne faze, odvisnost hitrosti oksidacije od gostote nabitih in nevtralnih delcev v plazmi, stopnje disociacije, plazemskega režima in vrste razelektritve. Industrijski partner (Hidria AET) bo izvedel trajnostne teste in ovrednotili uspešnost plazemske obdelave grelnih žic. Za izdelavo modificiranih zlitin na osnovi Fe-Cr-Al-X (X=Ti, Zr, RE) in zlitin s povišano vsebnostjo aluminija, ki jih bo pripravil tretji projektni partner (NTF, Uni-Lj), bomo uporabili metodo hitrega strjevanja »melt spinning«. Na ta način bomo lahko spremljali vpliv legirnih elementov na kinetiko oksidacije. Zaradi spremenjenih površin žarilnih žic in uporov bo potrebno prilagoditi tudi metodo spajanja le-teh z drugimi materiali v grelnem elementu. To bo izvedel četrti projektni partner (Fakulteta za strojništvo, Uni-Lj).
Inovativno tehnologijo bomo zaščitili z mednarodnim patentom, po tem pa bomo rezultate objavili v znanstvenih revijah. Pričakujemo, da bo izboljšana izvedba žarilne žice, kot jo predlagamo v tem projektu, omogočila podaljšanje obratovalne dobe žarilne svečke v dizelskem motorju za 10 – 20 %. Na ta način bo industrijski partner Hidria AET pridobil konkurenčno prednost, povečal tržni delež na tem segmentu in povečal dodano vrednost tega izdelka. Poleg tega bo podjetje z razvojem nove generacije žarilnih svečk lahko zadostilo zahtevam ekoloških standardov EURO VI in EURO VII, ki znatno znižujeta emisije dušikovih oksidov (NOx) in trdnih delcev, ki neposredno vplivajo na okolje, zdravje ljudi ter splošno kvaliteto življenja. Pričakujemo, da se bo število zaposlenih pri partnerju Hidria-AET povečalo tako v raziskovalno razvojni dejavnosti kot v proizvodnem procesu zaradi uvedbe novega produkta.
Pomen za razvoj znanosti
Pridobljena bodo nova znanja o uporabi nizkotlačne plazme za oksidacijo kovinskih materialov, in sicer posebej zlitin Fe-Cr-Al. Določili bomo hitrost in način rasti oksidnih plasti v odvisnosti od plazemskih parametrov, kot so gostota reaktivnih delcev v plazmi, plazemski režim, moč, tlak, vrsta plina. Te relacije do sedaj še niso bile določene za visokotemperaturno obstojne zlitine, kot so Fe-Cr-Al zlitine. Pričakujemo, da bomo z uporabo najnovejših analiznih metod kot so ToF-SIMS, visokoločljiva analiza XPS, AES, FEG-SEM, Tem in XRD določili tudi procese na atomski skali, kot so vrsta, morfologija in kinetika rasti Al2O3 plasti, Cr2O3 in Fe-oksidnih plasti pri različnih pogojih.
Inovativno tehnologijo bomo zaščitili z mednarodnim patentom, po tem pa bomo znanstvene rezultate objavili v vrhunskih revijah, specializiranih za področje površin in tankih plasti ali plazemskih obdelav.
Pomen za razvoj Slovenije
1- Žarilne svečke so glavni proizvod podjetja Hidria AET, zato je njihov cilj stalno izboljševanje kvalitete žarilnih svečk. Pri razvoju nove generacije žarilnih svečk v zadnjih desetih letih je glavni cilj povišati temperaturo delovanja svečke, doseči boljše zgorevanje, zmanjšanje emisije škodljivih plinov, čim krajši čas vžiga, nizko porabo električne energije, izboljšati odpornosti grelca na visoke temperature in agresivne pline, odpornost na vibracije in ostale mehanske vplive ter kot končni rezultat podaljšanje obratovalne dobe svečke. Pričakujemo, da bo izboljšana izvedba žarilne žice, kot jo predlagamo v tem projektu, omogočila podaljšanje obratovalne dobe žarilne svečke v dizelskem motorju za 10 – 20 %. Na ta način bo industrijski partner Hidria AET pridobil konkurenčno prednost, povečal tržni delež na tem segmentu in povečal dodano vrednost tega izdelka. Hidria AET namreč načrtuje povečanje tržnega deleža žarilnih svečk iz 16% svetovnega trga, kar je bilo doseženo v letu 2013 na 24% v letu 2017 in na nadaljnjih 35% v letu 2020. Cilj Hidrie AET je, da postane vodilni proizvajalec žarilnih svečk v svetu, kar bo dosegljivo samo z intenzivno raziskovalno razvojno dejavnostjo, katere del predstavlja predlagani projekt, ker združuje sofisticirano in drago raziskovalno opremo dostopno na Institutu Jožef Stefan in pri akademskih partnerjih.
2- Pričakujemo, da se bo število zaposlenih pri partnerju Hidria-AET povečalo tako v raziskovalno razvojni dejavnosti kot v proizvodnem procesu zaradi novega produkta.
3- Donosnost poslovanja podjetja se bo zvišala zaradi višje dodane vrednosti izdelka, ki ga bomo razvijali v okviru projekta. Pričakujemo, da bi dosegla primerljivo vrednost, kot jo imajo konkurenčna podjetja.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo