Stale nierdzewne i elektromobilność

19-03-2018

40 mld dolarów [1] – to kwota, jaką największe globalne koncerny motoryzacyjne już zainwestowały lub niebawem to zrobią w technologię produkcji aut elektrycznych. Samochody tego typu znajdują się w ofercie wszystkim poważnych producentów z branży. Elektromobilność to już nie tylko niszowe zjawisko, ale trend, który będzie zyskiwał na znaczeniu – pisze Zbigniew Brytan z Politechniki Śląskiej, ekspert SSN.

Konkurencja w sektorze elektromobilności będzie prowadzić do opracowania i wdrożenia tanich aut elektrycznych, które staną się konkurencyjne dla klasycznie napędzanych jednostek. Dotyczy to szczególnie samochodów miejskich, które przejeżdżają niewielki dystans i mogą być ładowane przez dłuższy czas. Duże miasta to także transport publiczny, który już teraz szybko dostosowuje się do nowej technologii.

Polskie przygotowania

Wsparciem dla polskiego przemysłu związanego z szeroko rozumianym transportem opartym o napęd elektryczny ma być ustawa o elektromobilności i paliwach alternatywnych, której wprowadzenie zapowiada się na 2018 rok. Spółka ElectroMobility Poland, odpowiadająca za realizację projektu polskiego samochodu elektrycznego, rozstrzygnęła już konkurs na wizualizację jego nadwozia. Teraz planuje wesprzeć podmioty zdolne do wyprodukowania prototypu oraz te, które wykonają wybrane w pierwszym konkursie wizualizacje.

Kolejnym krokiem będzie połączenie procesu budowy prototypów z ich wdrażaniem w życie. W październiku 2018 r. ElectroMobility ma ogłosić konkurs na prototyp auta elektrycznego, skierowany do firm z branży motoryzacyjnej. Konkurs zostanie przeprowadzony we współpracy z Narodowym Centrum Badań i Rozwoju (NCBR). Proces wyłonienia najlepszych konstrukcji potrwa do końca 2018 r. [2].

Wspomniane NCBR oraz Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (NFOŚiGW) podpisały w 2017 r. umowę umożliwiającą finansowanie zakupu autobusów nowej generacji dla polskich miast uczestniczących w programie „Bezemisyjny transport publiczny”. Celem programu jest wdrożenie nowoczesnych rozwiązań w zakresie transportu bezemisyjnego. Publiczne wsparcie na opracowanie innowacyjnego autobusu ma równocześnie doprowadzić do innowacyjnych rozwiązań technicznych, które pozwolą na minimalizację kosztów aplikacyjnych i eksploatacyjnych infrastruktury transportu miejskiego [3].

Nowy rodzaj napędu pociąga za sobą konieczność dostosowania infrastruktury transportu prywatnego i zbiorowego w środowisku miejskim. Kolejne lata z pewnością będą przełomowe pod tym względem, aby w pełni móc wykorzystać rosnącą liczbę pojazdów z napędem elektrycznym i hybrydowym. Dotyczy to również rozwoju samych technologii bezemisyjnych oraz rozwiązań materiałowych i projektowych, które będą musiały dostosować się do nowych wymagań.

W Polsce powstaje gigantyczna fabryka baterii do samochodów elektrycznych. Spodziewając się szybkiego wzrostu rynku elektromobilności w Europie, spółka LG Chem wybrała Polskę jako najbardziej konkurencyjną lokalizację produkcji na potrzeby koncernów samochodowych w Europie i na świecie. Budowany w Kobierzycach koło Wrocławia zakład będzie produkować najnowocześniejsze baterie litowo-jonowe do samochodów elektrycznych i systemów magazynowania energii. Budowa ma zostać ukończona w 2018 r.

W Polsce jest co najmniej dwóch dużych producentów autobusów elektrycznych. Potrzebują oni baterii, więc LG Chem może być nich potencjalnym dostawcą [4]. Rozwój branży baterii elektrycznych doprowadzić musi także do inwestycji związanych w recyklingiem baterii do samochodów elektrycznych, w tym odzyskiwania z nich kosztownych metali rzadkich.

Szansa dla branży stali nierdzewnych

Opracowanie taniego elektrycznego pojazdu wymaga zastosowania najnowszych trendów projektowania obowiązujących w sektorze motoryzacyjnym. Strategia redukcji masy w konstrukcjach samochodowych obecnie opiera się na: zwiększeniu udziału stali wysokowytrzymałych – Advanced HSS (o granicy plastyczności przekraczającej 550MPa i więcej), zastosowaniu stali umacnianych w etapie tłoczenia na gorąco – Press Hardened Steels (PHS), optymalizacji projektu przez zastosowanie cieńszych ścianek elementów, szczegółowej analizie rozkładu i przebiegu sił w całej konstrukcji pojazdu [4]. Takie podejście do projektowania konstrukcji samochodowych powinno być także zastosowane dla samochodów z napędzanych elektrycznie.

Efektywną redukcję masy pojazdu można osiągnąć przez zmniejszenie wagi komponentów stalowych. Można to uzyskać przez zastosowanie wysokowytrzymałych stali nierdzewnych. Ich producenci w ostatnich latach dynamicznie rozwijają gatunki spełniające takie wymagania przeznaczone dla sektora motoryzacyjnego.

Jedną z takich propozycji są wysokowytrzymałe Cr-Mn austenityczne stale nierdzewne, które uzyskują wysokie własności wytrzymałościowe w etapie obróbki plastycznej na zimno. Stale Cr-Mn należą do grupy stopów austenitycznych o charakterystycznych własnościach dla tej grupy materiałów (możliwość umocnienia do wysokiej wytrzymałości przez odkształcenie plastyczne).

Stale austenityczne Cr-Mn w stanie umocnionym przez zgniot są dostępne w kilku wariantach umocnienia, tj. finalnej wytrzymałości projektowej ocenianej na bazie umownej granicy plastyczności. Jeden z producentów stali nierdzewnych, firma Outokumpu, wprowadziła gatunek stali nierdzewnej pod nazwą handlową Forta H (1.4678 wg EN), w którym oferuje materiały o trzech poziomach wytrzymałości (granicy plastyczności) 500, 800 i 1000MPa (tab. 1)

Tablica 1. Stale serii Forta H frimy Outokumpu [7]

Nazwa	Umowna granica plastyczności Rp0,2% MPa	Wytrzymałość na rozciąganie, Rm MPa	Wydłużenie, A80 %
Forta H500	530	900	51
Forta H800	800	1000	31
Forta H1000	1000	1200	13

Podobnie wysokie własności mechaniczne można uzyskać dla dostępnych już na rynku gatunków stali austenitycznych Cr-Ni 1.4310, 1.4318, 1.4301 w stanie umocnienia zgniotem (tab. 2), jednak cena tych gatunków jest wyższa niż stali Cr-Mn. W stalach Cr-Mn ograniczono dodatek drogiego niklu na rzecz stopowania manganem, co efektywnie obniża ich cenę i zwiększa zainteresowanie przemysłu motoryzacyjnego.

Tablica 2. Własności przykładowych gatunków stali Cr-Ni, wg Aperam [10]

Nazwa handlowa / EN	Stan dostawy	Umowna granica plastyczności Rp0,2% MPa	Wytrzymałość na rozciąganie, Rm MPa	Wydłużenie, A80 %
301M / 1.4310	C1000	1000	740	30
301L / 1.4318	2B	760	350	52
304D / 1.4301	C850	850	500	40

Za kolejną innowację materiałową dla przemysłu motoryzacyjnego należy uznać opracowane przez Aperam stale nierdzewne o strukturze martenzytycznej przeznaczone do hartowania w procesie tłoczenia na gorąco (PHS – press hardening steel), przeznaczone na elementy karoserii samochodowych. Gatunek o nazwie handlowej MaX to odmiana klasycznej stali martenzytycznej 1.4006 o udziale chromu 11-13% i kontrolowanym stężeniem 0,05-0,15% dodatku niobu i węgla. Gatunek jest dostępny w kilku odmianach, które pojawią się na rynku w 2018 r. Stal ta wykazuje pierwotnie strukturę ferrytyczną, która ulega przemianie w martenzyt po gorącym tłoczeniu.

Jedną z zalet gatunku jest brak konieczności szybkiego chłodzenia z temperatury austenityzacji, gatunek hartuje się w powietrzu w trakcie chłodzenia z etapu tłoczenia na gorąco. Dodatkowym atutem jest możliwość łatwego dostawiania do obecnie stosowanych procesów technologicznych i większa elastyczność gatunku w stosowanych metodach przetwarzania. Możliwe jest wyeliminowanie etapu laserowego okrawania brzegów tłoczonych elementów, co zmniejsza koszty wytwarzania. Nowoczesna technologia tłoczenia na gorąco umożliwia wytwarzanie z tej stali elementów konstrukcyjnych karoserii o wysokiej wytrzymałości i stref kontrolowanego zgniotu [9]. Finalnie sprawia to, że elementy karoserii ze stali nierdzewnych stają się realnie konkurencyjne dla innych stosowanych do tej pory niskostopowych stali o wysokiej wytrzymałości.

Tablica 3. Własności mechaniczne stali MaX w stanie dostawy i po hartowaniu, wg Aperam [11][10]

Stan dostawy / obróbki	Umowna granica plastyczności Rp0,2% MPa	Wytrzymałość na rozciąganie, Rm MPa	Wydłużenie, A80 %
Stan dostawy 2B	300-350	500-550	27
Normalne grzanie (10°C/s) 950°C – 5 min lub	800-850	1100-1200	8
Szybkie grzanie (100°C/s) 1020°C – 0 sek	800-850	1100-1150	9

Stale nierdzewne znalazły już praktyczne zastosowanie w konstrukcjach samochodowych, np. na hydroformowaną osłonę tablicy rozdzielczej, Porsche (rys. 2a), wzmocnienia konstrukcji nadwozia o skomplikowanym kształceni, Porsche (rys. 2b), poprzecznicę przednią, Audi (rys. 2c), elementy foteli samochodowych (rys. 2d) oraz wiele elementów karoserii mających związek ze zwiększeniem bezpieczeństwa w trakcie kolizji, w tym zderzaki, kontrolowane strefy zgniotu, słupki pionowe, wzmocnienia drzwi i wiele innych (rys. 2e). Światowy trend do zmniejszania wagi pojazdów, bez względu na rodzaj napędu odbywa się głównie przez zastąpienie stali konstrukcyjnych stalami o wysokiej wytrzymałości, w tym także nierdzewnymi stalami z grupy martenzytycznych hartowanych w procesie tłoczenia na gorąco oraz austenitycznymi Cr-Mn. Generalnie, proces zmniejszania wagi pojazdów odbywa się przez zmniejszenie grubości ścianki elementów stalowych. Na tym polu grupa wysokowytrzymałych stali nierdzewnych sanowi konkrecję dla niskostopowych stali konstrukcyjnych o wysokiej wytrzymałości.

Rys. 2. (od lewej u góry: 2a, 2b, 2c, 2d, 2e) Przykłady zastosowań stali Cr-Mn na elementy samochodów osobowych [7],[8]

Zaproponowano także opracowanie całej konstrukcji ramy nośnej, jako demonstrator możliwości stosowania wysokowytrzymałych stali austenitycznych (Forta H100) na lekkie pojazdy elektryczne (rys. 3).

Rys. 3. Przykład realizacji lekkiej ramy konstrukcyjnej z wysokowytrzymałej stali Cr-Mn [14]

Nowe materiały i technologie projektowania dotarły także do sektora pojazdów ciężarowych i autobusów. W konstrukcjach nadwozi autobusów producenci od kilku lat z powodzeniem zastępują stale czarne stalami nierdzewnymi. Do tej pory zmiana ta polegała na stosowaniu tanich ferrytycznych stali nierdzewnych, które przy tych samych własnościach mechanicznych dają dłuższy czas eksploatacji w porównaniu ze stalami konstrukcyjnymi. Kolejnym etapem powinno być pełne wykorzystanie zalet stali nierdzewnych jakie dają stopy austenityczne Cr-Mn umocnione na zimno zgniotem, które umożliwią efektywne zmniejszenie wagi konstrukcji z zachowaniem jej stabilności. Wykonanie konstrukcji nadwozi autobusów z zastosowaniem odchudzonych przekrojów profili konstrukcyjnych o wyższej wytrzymałości efektywnie zmniejszy wagę całości pojazdu i tym samym jego spalanie i związaną z nim emisję zanieczyszczeń.

Na uwagę zasługuje również rozwój lekkich paneli wielowarstwowych typu Sandwich, gdzie rdzeń wewnętrzny ma strukturę plastra miodu lub inny prostszy kształt (rys. 4). Struktury wielowarstwowe mają duży potencjał w zmniejszaniu wagi konstrukcji i absorbcji energii uderzenia, tym bardziej jeżeli wykonane są ze stali nierdzewnych, np. 1.4310, 1.4301, 1.4401, 1.4404, 1.4541. Panele standardowo występują jako płaskie, ale jest też możliwość ich formowania do zakrzywionych kształtów. Tego typu panele znajdują zastosowanie w konstrukcjach wagonów koleinowych, statkach i ciężarówkach na przykład na okładziny ścian i drzwi. W ostatnich latach ich produkcja dynamicznie się rozwija, producenci wprowadzają nowy asortyment wyrobów, gotowy do aplikacji przez projektantów, co stwarza nowe możliwości ich aplikacji.

Rys. 4. Przykłady rdzeni paneli wielowarstwowych i możliwość ich formowania do zakrzywionych kształtów

Dlaczego stale nierdzewne

Główny trend zastosowania stali nierdzewnych w przemyśle samochodów elektrycznych będzie ukierunkowany na wykorzystanie szczególnych zalet tego materiału, w tym:

możliwość zmniejszenia wagi pojazdu przez projektowanie lekkich i wytrzymałych konstrukcji z formowanych na zimno profili o różnym kształcie, całych elementów wytwarzanych metodą formowania na zimno (tłoczenia lub hydroformowania), a także prasowanych na gorąco gotowych elementów konstrukcyjnych nadwozi,
możliwość projektowanie skomplikowanych geometrycznie kształtów wynikająca z wysokiej plastyczności materiału, co daje możliwość łatwego dostosowania technologii wytwarzania do obecnie stosowanych elementów z innych stali,
łatwość przetwarzania w popularnych operacjach formowania: tłoczenia, spawania, zgrzewania, klejenia, malowania,
wzrost bezpieczeństwa w trakcie kolizji wynikający ze zdolności stali nierdzewnych do pochłaniania energii uderzenia, znacznie większej niż klasycznych stali konstrukcyjnych,
optymalny zestaw własności (mechanicznych i odporności korozyjnej) w przypadku stosowania na elementy ogniw paliwowych.
W efekcie użycie stali nierdzewnych zapewnia ograniczenie emisji spalin pojazdów, niższy wpływ na środowisko naturalne z uwzględnieniem całego cyklu życia produktu.

Kolejny możliwość zwiększenia zastosowania stali nierdzewnych wynika z rozwoju nowych alternatywnych napędów stosowanych np. w autobusach miejskich. Jednym z nowoczesnych i wprowadzonych już do eksploatacji rozwiązań jest napęd elektryczno-wodorowy, gdzie prąd produkowany jest w ogniwach wodorowych. Przykładem takiej realizacji jest elektryczno-wodorowy trolejbus firmy Solaris.

W konstrukcji ogniw wodorowych stosuje się płytki bipolarne, które mogą być wykonane z różnych materiałów, w tym stali nierdzewnej (rys. 5).

Stal nierdzewna okazuje się być najbardziej optymalnym rozwiązaniem ze względu na niski koszt materiału i wysoką odporność korozyjną [12]. Na płytki bipolarne w ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów (PEMFC) stosuje się różne gatunki stali zarówno austenityczne AISi316L (1.4404, 1.4435) jak i ferrytyczne UNS S44600 (1.4762 / 1.4763), które pokrywa się dodatkowymi powłokami zwiększającymi ich skuteczność.

Producenci stali nierdzewnych dostrzegli również możliwości na tym polu do opracowania nowych produktów spełniających wymogi produkcji wielkoseryjnej. Na przykład firma Sandvik opracowała nową gamę produktów dla przemysłu ogniw paliwowych, w tym taśmy ze stali nierdzewnej pokrywane w sposób ciągły dwustronnie powłoką węglową typu GLC (Graphite-like carbon) ze stali austenitycznej 1.4404, na płytki bipolerne do ogniwo paliwowych z membraną do wymiany protonów (PEM). Wyrób ten charakteryzuje się niską rezystancją zestyku podłoże/powłoka, dobrą odpornością korozyjną, podatnością do formowania, wysoką przyczepnością powłoki oraz kosztem materiału akceptowalnym przez produkcję wielkoseryjną. Opracowano również pokrywane Ce-Co taśmy ze stali ferrytycznej 1.4509 do wzajemnych połączeń w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC), których temperatura pracy wynosi ok. 600-800°C . Wyroby zapewniają ograniczenie odparowania Cr i zwiększenie odporności korozyjnej (odporności na utlenianie) [13].

Rys. 5. Pokrywane płytka bipolarne ze stali nierdzewnej [13]

Kolejne pole aplikacji stali nierdzewnych jest związane z opracowaniem lekkich i wytrzymałych konstrukcji obudów dla elementów napędu elektrycznego. Jednym z takich rozwiązań jest specjalnie zaprojektowana lekka obudowa modułu samochodowych baterii elektrycznych (rys. 6). W takim rozwiązaniu elementy konstrukcji nośnej modułu baterii wykonane są z wysokowytrzymałej austenitycznej Cr-Mn stali nierdzewnej typu Forta H1000. Konstrukcja z umocnionej zgniotem stali nierdzewnej zapewnia lekką wagę i dużą sztywność przy niskiej grubości ścianek elementów oraz wysokie bezpieczeństwo podczas kolizji, związane z podatnością do pochłaniania energii uderzenia przez austenityczna stal nierdzewną.

Rys. 6. Moduł baterii elektrycznych z obudową ze stali nierdzewnej [6].

Stal nierdzewna jest stosowana na elementy małej architektury miejskiej, w tym kontekście równie dobrze sprawdza się na konstrukcje stacji ładowania samochodów elektrycznych (rys. 7). Rozwój alternatywnych napędów samochodów będzie wymagać stworzenia nowej infrastruktury stacji ładowania. Stale nierdzewne potwierdziły już swoje zalety w zastosowaniach architektonicznych, więc w naturalny sposób mogą stać się preferencyjnym materiałem na takie konstrukcje. Dodatkowo szeroka gama możliwości w kreowaniu nowoczesnego wyglądu powierzchni mogą jedynie sprzyjać stosowaniu stali nierdzewnych. W przestrzeni miejskiej zaletą jest także wysoka trwałość i odporność na akty wandalizmu i łatwość w konserwacji, ponownym przetworzeniu.

Rys. 7. Mała architektura miejsca dedykowana do ładowania samochodów i skuterów z napędem elektrycznym

Zrównoważony rozwój

Wzrost świadomości ekologicznej oraz przyjęcie zasad projektowania zgodnych z zasadami zrównoważonego rozwoju wymaga analizy stosowanych materiałów pod względem ich wpływu na środowisko naturalne. W tym podejściu analizuje się wypływ wszystkich czynników związanych z wydobyciem, przetwarzaniem, użytkowanie i ponownym recyklingiem danego materiału. W takim ujęciu stale nierdzewne są szczególnie atrakcyjne. Wynika to między innymi z niskiego zapotrzebowania na energię pierwotną podczas wytwarzania stali a zwłaszcza niską emisję CO₂ samego procesu wytwarzania w porównaniu z konkurencyjnymi stopami aluminium. Aluminium i jego stopy pomimo większych możliwości do zmniejszania wagi konstrukcji wykazują zdecydowanie większy negatywny wpływ na środowisku naturalne na początkowym etapie pozyskiwania aluminium i jego przetwarzania do postaci materiału inżynierskiego. Emisja CO₂ etapu wytwarzania aluminium jest dwa razy większa niż w przypadku stali, w tym stali nierdzewnych. W porównaniu do klasycznych stali konstrukcyjnych w trakcie użytkowania stale nierdzewne nie wymagają dodatkowych zabezpieczeń antykorozyjnych. W efekcie czego w trakcie eksploatacji nie generują dodatkowej emisji CO₂ związanej z wytwarzanie materiałów powłokowych i zabezpieczaniem antykorozyjnym konstrukcji.

W najbliższej przyszłości można się spodziewać równoległego rozwoju wielu różnych alternatywnych napędów samochodów osobowych i autobusów. Zarówno w pełni elektryczne pojazdy jak i hybrydowe, w tym z napędem elektryczno-wodorowym będą stosować stale nierdzewne na różne podzespoły. W każdy przypadku wzrost zużycia stali nierdzewnych będzie wymagać ich optymalizacji pod względem kosztu materiałowego jak i oferowanych własności mechanicznych

Szansa dla stali nierdzewnej w sektorze elektromobilności wynika z kilku aspektów:

zastąpienie stali konstrukcyjnych stalą nierdzewną o wysokiej wytrzymałości – wymaga nowego podejścia do projektowania elementów, ale umożliwia bardzo efektywne zmniejszenie wagi pojazdu, z stąd też możliwość zwiększenia jej zużycia w pojazdach elektrycznych,
uwzględniając możliwość ponownego recyklingu materiału, stale nierdzewne przewyższają tworzywa sztuczne, których ponowne wykorzystanie jest dość trudne,
przyjmując zasady zrównoważonego rozwoju i pełną analizę materiału od wydobycia składników pierwotnych, wytworzenia materiału i jego ponownego użycia stale nierdzewne przewyższają konkurencyjne stopy aluminium,
stal nierdzewna daje możliwość użycia w bateriach paliwowych, gdzie stanowią optymalne rozwiązanie materiałowe lub zastosowania jako materiał konstrukcyjny do tworzenia wytrzymałych elementów chroniących zestawy baterii elektrycznych,
posiadają ugruntowaną pozycje w aplikacjach dla małej architektury, dlatego w naturalny sposób może być podstawowym materiałem konstrukcyjnym dla miejskiej infrastruktury pojazdów bezemisyjnych.

Literatura

Miliardy na elektryfikację aut, Rzeczpospolita, 5.02.2018
Strona własna ElectroMobility Poland, Milion elektrycznych samochodów w Polsce, http://emobilitypoland.pl/pl/index.html
NCBR, Program Operacyjny Inteligentny Rozwój, Bezemisyjny transport publiczny, http://www.ncbr.gov.pl/fundusze-europejskie/poir/emobility/
Koło Wrocławia powstanie fabryka baterii do aut elektrycznych. LG Chem zainwestuje w Polsce 4,5 miliarda złotych, 13.10.2017, PORTAL POLSKIEGO RADIA SA
German, J. 2015. “Innovation, the NRC 2015 CAFE Report, and the MidTerm Review.” Paper presented at the Asilomar Conference, Pacific Grove, CA
Outokumpu and Fraunhofer ILT work together on lightweight solutions for electric vehicles, 2016, http://www.outokumpu.com/en/stainless-news/product-views/outokumpu-and-fraunhofer-ilt-work-together-on-lightweight-solutions-for-electric-vehicles/Pages/default.aspx
Broszura formy Outokumpu: Ultimate lightweight solutions Outokumpu Forta H-Series, Automotive & Transportation, 1586EN-GB:1. February, 2016
Claire Heidecker, Outokumpu EMEA GmbH, Forta H-Series New MnCr materials for lightweight seating construction, 11th International Conference Innovative Seating, February 16th, 2016
Jesse Wili Paegle Filho, Global Technical Business Development Automotive, APERAM, Evolution of materials in car body design: new concepts, SSWAM - December 2017, www.ssw-americas.com
Broszura firmy Aperam, Our stainless steel automotive structural components offer, 2013, Aperam Stainless Europe
Broszura firmy Aperam, MaX: Martensitic Stainless Steel for Hot Stamping, 2015, Aperam Stainless Europe
Colleen Spiegel, Considerations for Stainless Steel Bipolar Plate Manufacturing, Added in Fuel Cell Materials, The Fuel Cell Store, Posted on 02.06.2018, http://www.fuelcellstore.com
Sandvik Surface Technology - Commercializing bipolar plate production, Hanna Bramfeldt, Sandvik, IEA BPP workshop, Vienna 2015
New Application Awards 2017, ISSF: International Stainless Steel Forum, http://www.worldstainless.org