Właściwy materiał do każdego zastosowania

Wiedza

Właściwy materiał do każdego zastosowania

Przed podjęciem pracy w firmie Timken pięć lat temu, Lee Rothleutner kojarzył ją jedynie z ranczem w Nebrasce, na którym dorastał. Czarno-pomarańczowe pudełko leżało często na stole warsztatowym, gdy razem z ojcem wymieniali łożyska ciągnika.

Po podjęciu pracy w dziale badań i rozwoju Timken perspektywa Rothleutnera zmieniła się dość radykalnie. „Zdałem sobie sprawę, jaki ogrom prac wykonuje Timken” — mówi. „Jestem metalurgiem z tytułem doktora i nie ma dla mnie nic bardziej ekscytującego niż dostęp do laboratorium, w którym mogę wykonać prawie każdy proces obróbki cieplnej metalu, który zechcę”.

Dziś, jako kierownik ds. badań i rozwoju materiałów, Lee Rothleutner wnosi ten entuzjazm do swojego zespołu. „Zdejmuję z półki ogromną książkę, Podręcznik ASM, tom czwarty” – mówi. ASM International to 108-letnie ogólnoświatowe stowarzyszenie inżynierów, znane z gromadzenia i rozpowszechniania wiedzy o materiałach. Tom czwarty nosi tytuł: „Obróbka cieplna”.

„Mówię im, że chcę, abyśmy poznali każdy proces obróbki cieplnej, o którym mowa w tej książce. Sprawdzili, czy możemy go wykorzystać, czy nie, i dlaczego. Jeśli proces się sprawdzi, chcę, abyśmy mieli możliwość i środki jego wdrożenia”.

Markowe składniki

Lee Rothleutner znalazł początkowo zatrudnienie przy opracowywanym przez spółkę Timken własnym procesie hartowania indukcyjnego, w przypadku którego nie pozostawia się tzw. „wrażliwych stref”. Jest on stosowany na łożyskach wału głównego turbiny wiatrowej o bardzo dużej średnicy. Odniósł przy tej okazji ogromny sukces i został awansowany, by kierować grupą ds. konwersji materiałowej, jeszcze przed objęciem obecnego stanowiska.

Ponieważ Rothleutner pracował w dziedzinie energetyki wiatrowej, spędził dużo czasu w Rumunii, współpracując z pracownikami Centrum Doskonałości Inżynierii Ploeszti . Dziś on i jego zespół mają też swój udział w zaawansowanych procesach i technologiach hartowania na wskroś, stosowanych w pobliskim zakładzie w okręgu Prahova . „Używamy tam procesu zwanego „hartowaniem izotermicznym”, który wytwarza stal bainityczną” – mówi.

W ciągu ostatnich kilku lat zespół poczynił również postępy w zakresie technologii powlekania, podwajając w 2020 roku swoją zdolność produkcyjną. „Obecnie jest na to ogromne zapotrzebowanie, a Vikram Bedekar, lider naszej grupy w tej dziedzinie, ma w tym zakresie imponujące osiągnięcia” – mówi Rothleutner.

Zespół ds. materiałów zajmuje się również optymalizacją procesów nawęglania powierzchniowego, tj. technologią, która wywodzi się z oryginalnego patentu firmy Timken z 1897 roku. „Znamy tę technologię bardzo dobrze, więc wiemy, w których przypadkach należy ją stosować, a gdzie lepiej sprawdzą się inne procesy” – mówi Rothleutner.

Właściwy składnik do właściwego zastosowania

Rozwiązania inżynieryjne firmy Timken obejmują u podstaw identyfikację właściwych składników i odpowiedniej receptury dla poszczególnych zastosowań. „Klienci przychodzą do nas z konkretnym zestawem właściwości, na których im zależy” – informuje Rothleutner. „A my zestawiamy skład chemiczny ze strukturą”.

Podstawą powodzenia jest wysiłek zespołowy, w którym liderami są inżynierowie ds. zastosowań. Dział badawczo-rozwojowy zostaje włączony dopiero wtedy, gdy rozwiązanie wymaga składu chemicznego i struktury wykraczającej poza standardowe procesy Timken, a wybór materiałów najczęściej zależy od warunków zastosowania. Zastosowania, w których występują najcięższe obciążenia udarowe i zanieczyszczenia, takie jak linie do ciągłego odlewania w stalowniach wymagają użycia stali nawęglonej powierzchniowo – najtwardszej z twardych. W zastosowaniach z dobrym smarowaniem i mniej ekstremalnym środowiskiem stal bainityczna może się sprawdzić równie dobrze.

Teraz, na przykład, jeden z producentów sprzętu górniczego i budowlanego wymienia w swoich ładowarkach kołowych łożyska różnicowe Timken ze stali nawęglanej powierzchniowo na łożyska ze stali hartowanej na wskroś. Przekładnie do maszyn rolniczych są również coraz częściej wyposażone w łożyska ze stali hartowanej wskrośnie.

„Wykorzystujemy nasze stuletnie doświadczenie w zakresie nawęglania powierzchniowego, dzięki czemu rozumiemy ograniczenia różnych procesów” – mówi Rothleutner. „Przeprowadzamy testy, mamy dane, więc dokładnie wiemy, w których zastosowaniach inne procesy mogą zapewnić równie wysoką wydajność przy mniejszych zasobach”.

W przypadku łożysk wału głównego turbiny wiatrowej cykle nawęglania powierzchniowego wydłużyłyby proces produkcyjny o 100 godzin lub więcej, podczas gdy stosując bezszwowe hartowanie indukcyjne ten sam efekt osiąga się w około dwie godziny. „Mówimy tu o skróceniu czasu produkcji łożyska o 50%, więc klienci coraz częściej wpisują to w swoje specyfikacje” – twierdzi.

„Jestem bardzo dumny z mojej pracy w sektorze energii odnawialnej i wiem, że była ona motywacją dla wielu zatrudnionych przeze mnie osób. Znajomi z najbardziej znanych na świecie firm zajmujących się odnawialnymi źródłami energii są zdumieni pracą, jaką tutaj wykonujemy przy turbinach wiatrowych i absurdalnie dużych łożyskach. Wiedzą, z jakimi wyzwaniami się mierzymy”. Lee Rothleutner
kierownik ds. badań i rozwoju materiałów

Zaawansowane modelowanie, szybsze rozwiązania

Zespół bada również możliwości w zakresie produkcji przyrostowej drukowania przestrzennego w metalu, wykorzystując drukarki 3D do tworzenia prototypów, elementów demonstracyjnych i niestandardowych komponentów oprzyrządowania. „Druk 3D to gorący temat w branży i oceniamy, gdzie dokładnie możemy go wykorzystać” – mówi Rothleutner.

Na razie największe efekty widzimy w staraniach zespołu w zakresie rozwoju procesów i modelowania elementów skończonych. „Gromadzenie danych o naszych procesach obróbki cieplnej pomaga nam być bardziej przewidywalnymi — modelować rozwiązanie, zanim wykonamy twardy prototyp i przewidzieć, jak produkt będzie się zachowywał w przyszłości” – mówi.

Zaawansowane modelowanie pomaga nam również w bardziej bezpośredniej komunikacji z klientami, dzięki czemu możemy lepiej rozumieć niuanse ich zastosowań i szybciej znajdować rozwiązania.

Społeczność metalurgiczna

Badania materiałowe są złożone, ale są również bardzo satysfakcjonujące dla grupy ludzi, która lubi patrzeć na efekty połączenia składu chemicznego, struktury i właściwości w laboratorium, gdzie każdy przeciętny dzień może się zakończyć przełomowym odkryciem dla metalurgii.

„W tej chwili pracujemy nad optymalizacją nowych procesów nawęglania i azotowania plazmowego oraz nad innymi ciekawymi projektami dla różnych segmentów działalności” – informuje Rothleutner. „Przyglądamy się skrzyniom biegów turbin wiatrowych, niektórym stopom metali stosowanym w przemyśle lotniczym i rozwiązaniom terenowym do ekstremalnych warunków”.

Ciągle ewoluujące strumienie pracy i poczucie uczestnictwa w projektach, które zwiększają wydajność i przyśpieszają postęp, sprawiają, że pracownicy są zaangażowani i chętnie wracają co dzień do laboratorium.


Dział badawczo-rozwojowy firmy Timken współpracował bezpośrednio z klientami nad opracowaniem odpornych na zużycie powłok ES302. Przeczytaj, jak wyniki radykalnie wydłużają żywotność zastosowań w energetyce wiatrowej, rolnictwie, lotnictwie i innych branżach.