Białystok, r. Dr hab. inż. Zbigniew Oksiuta, prof. PB Wydział Mechaniczny Politechnika Białostocka ul. Wiejska 45c Białystok

Transkrypt

1 Białystok, r. Dr hab. inż. Zbigniew Oksiuta, prof. PB Wydział Mechaniczny Politechnika Białostocka ul. Wiejska 45c Białystok RECENZJA rozprawy doktorskiej mgr inż. Elżbiety Bączek pt. Kształtowanie struktury i własności użytkowych spieków Fe-Mn-Cu-Sn-C otrzymanych z proszków mielonych, promotor pracy dr hab. inż. Andrzej Romański wykonana na zlecenie Dziekana Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, Akademii Górniczo-Hutniczej, Prof. dr hab. inż. Tadeusza Tulejko, na podstawie otrzymanego egzemplarza rozprawy doktorskiej. Podstawa prawna oceny: Pismo Dziekana Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Akademii Górniczo Hutniczej prof. dr hab. inż. Tadeusza Tulejko z dnia r. 1. Tematyka rozprawy Praca doktorska mgr inż. Elżbiety Bączek dotyczy kształtowania mikrostruktury i własności użytkowych spiekanych materiałów na bazie żelaza z dodatkiem manganu, miedzi, cyny i węgla, z możliwością ich aplikacji jako osnowy do produkcji narzędzi metaliczno-diamentowych. Zagadnienia doboru materiałów na narzędzia do obróbki kamienia i innych tego typu materiałów są ciągle aktualne i ważne nie tylko z naukowego, ale i utylitarnego punktu widzenia. Spośród wielu stopów stosowanych na materiał osnowy stopy na bazie kobaltu znalazły powszechne uznanie i zastosowanie do produkcji przemysłowych narzędzi metaliczno-diamentowych. Wadą tego materiału jest niestabilna i wysoka cena kobaltu, stąd też ciągłe poszukiwania tańszych i równie funkcjonalnych zamienników. Ponieważ metaliczna osnowa jest ważnym czynnikiem wpływającym na trwałość i koszt produkcji narzędzi do cięcia i obróbki kamieni, Autorka podjęła się zadania doboru i zastąpienia stopu kobaltu innym materiałem na bazie żelaza. Przy tym, poczyniła dwa istotne założenia: że spiekany materiał osnowy będzie pozbawiony drogiego i toksycznego kobaltu i niklu oraz do badań użyje tańszych i ogólnie dostępnych proszków żelazowomanganowych. Ponadto w ramach rozprawy, Autorka podjęła próbę opisu mechanizmu umocnienia osnowy stopu w wyniku odkształcenia plastycznego, zachodzącego podczas standardowych warunków pracy narzędzia. Rozprawa doktorska ma charakter doświadczalny, a problematykę związaną z otrzymywaniem materiałów na narzędzia należy zaliczyć do bardzo istotnych i trudnych. Podczas projektowania materiałów osnowy należy przewidzieć jej własności mechaniczne (twardość, wytrzymałość, udarność), fizyczne (rozszerzalność cieplna), retencyjne oraz tribologiczne, jak i zmienne warunki obróbki, w tym: wymagana wydajność cięcia, prędkość obwodowa narzędzia, a także morfologia i koncentracja diamentu. Spełnienie tych wszystkich 1

2 wymagań jednocześnie jest trudnym wyzwaniem inżynierskim, którego podjęła się Doktorantka. Stąd też, uwzględniając poznawczy i praktyczny charakter pracy, należy ją uznać za aktualną oraz generującą wiedzę, która dostarcza istotne wskazówki w kierunku zastąpienia drogiego kobaltu tańszymi materiałami. Dlatego też wybór tematyki rozprawy jest celowy i szczególnie cenny nie tylko z naukowego, ale i aplikacyjnego punktu widzenia. Realizacja ambitnego programu badawczego wymagała zastosowania nowoczesnych narzędzi badawczych oraz pogłębienia wiedzy z obszaru inżynierii materiałowej, metalurgii proszków i tribologii. Wymagała też wnikliwej analizy otrzymanych wyników oraz merytorycznego wnioskowania o ilościowych i jakościowych zmianach zachodzących podczas procesu otrzymywania spieków. W tym kontekście tematyka rozprawy wpisuje się w aktualne trendy badań nowoczesnych materiałów spiekanych, wnosząc wymierne korzyści poznawcze i utylitarne. 2. Ocena merytoryczna rozprawy Praca doktorska stanowi obszerne studium problemu, udokumentowane na 99 stronach rękopisu. Zawiera 68 rysunków, 16 tablic oraz wykaz literatury. Układ rozprawy jest typowy i składa się z siedmiu głównych rozdziałów przedstawionych w następującej kolejności: Wprowadzenie; Zagadnienia narzędziowe w procesie obróbki kamieni naturalnych; Poprawa trwałości eksploatacyjnej narzędzi metaliczno-diamentowych; Cel i teza pracy; Materiały do badań; Omówienie wyników, Wnioski. Wstęp do rozprawy poprzedzony jest podziękowaniem oraz streszczeniem w języku polskim i angielskim. Na końcu rozprawy znajduje się bibliografia, 98 pozycji literaturowych (w tym dwie z udziałem Autorki), które zostały starannie dobrane do proponowanej tematyki rozprawy. Układ pracy jest przejrzysty i stanowi logiczną całość, a właściwie zaplanowany program badawczy został w pełni zrealizowany. Na podkreślenie zasługuje zwarty układ pracy, z zachowaną proporcją pomiędzy analizą literaturową zagadnienia, a wynikami badań. Ponadto, przedstawiona do oceny praca zawiera oryginalne wyniki badań eksperymentalnych, skorelowane z analizą statystyczną, z użyciem modelu regresji wielorakiej. Tytuł rozprawy: Kształtowanie struktury i własności użytkowych spieków Fe-Mn-Cu- Sn-C otrzymanych z proszków mielonych został sformułowany poprawnie, chociaż uściślając, można by dodać krótki opis dotyczący zastosowania materiału, np.: jako osnowa na diamentowe narzędzia ścierne. W Rozdziale 2 Autorka klasyfikuje rodzaje narzędzi metaliczno-diamentowych stosowanych w procesach obróbki kamieni naturalnych oraz omawia ich specyficzne warunki 2

3 pracy. Obszerną część tego rozdziału stanowi opis cząstek diamentu, ścierniwa istotnie wpływającego na trwałość segmentów roboczych narzędzi. Informacje te w dalszej części rozprawy, pozwoliły na dobór optymalnego udziału objętościowego cząstek diamentu w wytwarzanych w pracy metalicznych segmentach. Następnie Autorka wskazuje na istotę rozprawy, czyli mechanizm zużycia narzędzi metalowo-diamentowych. W przypadku materiału osnowy, stosuje przy tym typowy podział na zużycie ścierne (w obecności 2 lub 3 ciał), zmęczeniowe i erozyjne. Z analizy literaturowej wynika, że jeżeli zwiększenie wymiarów i udziału objętościowego diamentu nie pozwala na uzyskanie odpowiedniej trwałości narzędzi tnących, to zachodzi konieczność modyfikacji metalicznej osnowy, która pozwoli na poprawę trwałości segmentów metaliczno-diamentowych. Drobnym niedopatrzeniem tej części pracy jest brak opisu dotyczącego zużycia zmęczeniowego materiału osnowy. Informacja ta została przedstawiona w następnym rozdziale. Rozdział 3 zawiera wytyczne, jakie powinien spełniać właściwie zaprojektowany materiał osnowy, w celu zapewnienia wysokiej trwałości eksploatacyjnej narzędzi metaliczno-diamentowych. Są to niestety wytyczne jakościowe i według mojej oceny w pracy brakuje opisu ilościowego takich parametrów jak: twardość (jak wysoka?), granica plastyczności, udarność, odporność na działanie karbu czy współczynnik rozszerzalności cieplnej. Autorka analizuje też inne pożądane cechy osnowy, takie jak: cena, dostępność proszków, formowalność materiałów sypkich na zimno i gorąco i inne. Z tej części pracy wynika interesująca hipoteza badawcza postulująca, że poprzez odpowiedni dobór składników stopowych osnowy, możliwe jest uzyskanie takich jej własności, które w wyniku odkształcenia plastycznego będą mogły indukować przemianę martenzytyczną, a jej efektem będzie zwiększona odporność na zużycie ścierne materiału i retencja cząstek diamentu. Stąd też, logicznym następstwem dalszej części pracy jest analiza wpływu przemiany martenzytycznej indukowanej odkształceniem plastycznym, na własności wieloskładnikowych stopów na bazie żelaza z dodatkiem manganu. Interesującym wątkiem tych rozważań jest oceny wpływu składników stali (Mn i C) na energię błędu ułożenia (EBU), zdolność dyslokacji do wspinania i poślizgu poprzecznego oraz do indukowania przemian fazowych. Podsumowaniem tego rozdziału jest wskazanie i wybór składu chemicznego stali z dodatkiem manganu, miedzi, cyny i węgla, jako materiału osnowy, bazującym na tanich komponenty proszkowych. Rozdział 4: Cel i teza pracy. Utylitarnym celem pracy było otrzymanie nowego, zaawansowanego strukturalnie materiału na bazie żelaza z dodatkiem Mn, Cu, Sn i C, spełniającego funkcję osnowy segmentów metaliczno-diamentowych. Celem naukowym rozprawy była analiza mechanizmów kontrolujących proces umocnienia warstwy wierzchniej osnowy, w symulowanych warunkach pracy spiekanych segmentów metalicznodiamentowych. Pewne kontrowersje może budzić sformułowanie, że Nowatorską koncepcją badań było zastosowanie mangan jako składnika osnowy, który jest praktycznie niewykorzystywany na skalę przemysłową w stalach otrzymywanych metodą metalurgii proszków, ze względu na skłonność do tworzenia stabilnych tlenków, nie ulegających redukcji 3

4 podczas spiekania. Zdanie to sugeruje, że materiał ten był już badany i jego wpływ na własności narzędzi ściernych jest znany oraz wskazuje na ważny aspekt wpływu zawartości tlenu na własności spieków Fe-Mn, który to wątek nie był szerzej omawiany w dalszej części rozprawy. Teza pracy oraz przyjęte założenia badawcze zostały sformułowane poprawnie i nie budzą zastrzeżeń. Autorka założyła, że proces homogenizacji i konsolidacja proszków pozwoli na otrzymanie drobnoziarnistej mikrostruktury spieków, analogicznej do stopu Co- 20%WC, co wpłynie na umocnienie warstwy wierzchniej osnowy oraz poprawi własności tribologiczne i retencyjne tak otrzymanych spieków. Do realizacji celu pracy i udowodnienia tezy został zaproponowany spójny program badawczy, obejmujący szeroką gamę typowych metod pomiarowych. Rozdział 5: Materiały do badań, stanowi najbardziej obszerną część pracy doktorskiej. Dzieli się na 3 podrozdziały, w których omówiono użyte do badań proszki wyjściowe, mieszanki proszków po mieleniu w młynie kulowym oraz materiał po konsolidacji. Na wyróżnienie tej części rozprawy zasługuje staranność wykonywanych badań oraz zaprezentowane wyniki badań morfologii i mikrostruktury proszków i spieków, w funkcji czasu mielenia przez 8, 30 i 120 godzin. Cennym dopełnieniem jest rozdział poświęcony ocenie odporności segmentów metaliczno-diamentowych na zużycie ścierne oraz badania interakcji pomiędzy cząstkami diamentu a metaliczną osnową podczas spiekania. Po przedstawieniu ogólnej charakterystyki proszków wyjściowych, Autorka opisuje własności fizyczne i technologiczne otrzymanych proszków po procesie mielenia w młynie kulowym, w różnych odstępach czasu. Są to badania mające na celu optymalizuję procesu mechanicznego mielenia proszków. Do uwag krytycznych tej części pracy zaliczam brak chociaż krótkiego komentarza, dotyczącego uzyskanych wyników badań. Ponadto w pracy nie znalazłem uzasadnienia, dlaczego do badań użyto tylko jednej mieszaniny proszków osnowy o składzie chemicznym Fe-12%Mn-8%CuSn-0,6%C, a czas mielenia przerwano po 120 godzinach. Jak wynika z badań XRD (str. 53) i obserwacji z użyciem mikroskopu skaningowego (str. 60), mikrostruktura spieków po 120 godz. mielenia nie jest w pełni homogeniczna. Dalsza część pracy stanowi obszerny opis badań materiałów prasowanych na gorąco w grafitowej matrycy. Optymalizację parametrów procesu spiekania proszków przeprowadzono na podstawie wykresów fazowych Fe-Mn-C, przy stałej 13% zawartości manganu oraz wykresu CTPi opracowanego dla staliwa Hadfielda. Do oceny otrzymanych spieków Autorka zastosowała szereg metod badawczych: metodę dyfrakcji rentgenowskiej (XRD), analizę chemiczną na zawartość tlenu i węgla oraz przeprowadziła obserwacje mikrostruktur z użyciem mikroskopii optycznej i skaningowej mikroskopii elektronowe (SEM-EDS). Przedstawiła również wyniki badań mechanicznych (próba wytrzymałości na zginanie) oraz tribologicznych (badania odporności na ścieranie w obecności 2 i 3 ciał). Znamiennym jest fakt, że po prasowaniu na gorąco uzyskano 97% i wyższą gęstość względną próbek, pomimo, iż zawartości tlenu w spieku po 120 godz. mielenia, w stosunku do stanu wyjściowego, 4

5 wzrosła prawie 3 krotnie, do wartości 1,3%. Tak silne utlenienie proszków wpłynęło na własności mechaniczne badanych próbek, w szczególności na ich plastyczność, obniżając znacząco ten parametr w funkcji czasu mielenia z 2,2% do 0,45%, odpowiednio po 8 i 120 godzinach mielenia. Ogólnie przyjmuje się, że zawartość tlenu w spieku nie powinna przekraczać 0,2%. W związku z powyższym nasuwa się pytanie, czy proces mielenia nie należało przeprowadzić w atmosferze ochronnej np. argonu? Badania odporność na zużycie ścierane wnoszą szereg cennych informacji o własnościach tribologicznych metalicznej osnowy i w sposób istotny poszerzają wiedzę o testowanym materiale. Analizując uzyskane wyniki badań Autorka stwierdza, że w porównaniu do stopu Co-20%WC, wszystkie badane spieki charakteryzują się znacznie wyższą odpornością na zużycie ścierne w obecności 3 ciał, natomiast brak jest komentarza odnoszącego się do badań zużycia ściernego w obecności 2 ciał. W tym przypadku stop Co- 20%WC posiada korzystnie najmniejsze wartości zużycia ściernego, w porównaniu do metalicznej osnowy Fe-Mn, co zostało krótko skomentowane w rozdziale 6 rozprawy, Omówienie wyników. W dalszej części pracy Doktorantka przedstawia wyniki badań ilościowej analizy fazowej przeprowadzonej z wykorzystaniem dyfraktometrii rentgenowskiej, w geometrii Bragga- Brentano (BB) oraz Stałego Kąta Padania (SKP), co stanowi nie tylko cenne jakościowe dopełnienie wyników analizy fazowej względnego udziału martenzytu i austenitu w próbkach, ale i dostarcza istotnych informacji o stopniu odkształcenia w warstwie wierzchniej materiału osnowy po procesie tarcia. Badania te pozwoliły na sformułowanie oryginalnego wniosku, iż odkształcenie plastyczne spieków w warunkach symulowanego tarcia, w niewielkim stopniu inicjuje przemianę fazową austenitu w martenzyt, a jej progresja jest związana z wielkością ziarna materiału osnowy. Kolejnym interesującym zagadnieniem badawczym jest analiza interakcji metalicznej osnowy stopu Fe-Mn-Cu-Sn-C i cząstkami diamentu, wykonana po prasowaniu na gorąco. Zdjęcia przełomów otrzymanych spieków oraz kształt diamentu po ekstrakcji są wartościowym uzupełnieniem przedstawionych wyników badań. Podsumowując, należy stwierdzić, że Autorka umiejętnie wykorzystała zastosowane techniki badawcze, które posłużyły do oceny materiałów spiekanych zarówno z diamentem, jak i samej osnowy. W rozdziale 6 Autorka omawia uzyskane wyniki badań doświadczalnych. Opis ten jest merytorycznie poprawny i zawiera właściwą chronologię, potwierdzając tym samym nabytą umiejętność analizy i interpretacji uzyskanych wyników badań. Autorka zwraca uwagę na szereg interesujących zagadnień, łącząc je w spójną całość, prowadzącą do końcowego wniosku, że materiał osnowy po 8 godzinach mielenia posiada najkorzystniejsze własności. Natomiast stwierdzenie, że Czas wygrzewania w temperaturze 900C był niedostatecznie długi do ujednorodnienia składu chemicznego w mikroobszarach spieku skłania do refleksji, dlaczego nie została przeprowadzona optymalizacja parametrów procesu spiekania proszków? W rozdziale 7, przedstawione wnioski ogólne tworzą zwięzłe podsumowanie uzyskanych wyników badań i stanowią dopełnienie informacji przedstawionych w rozdziale 5

6 6, w zakresie materiałów na segmenty metalowo-diamentowe z możliwością ich aplikacji w branży kamieniarskiej. Z przedstawionej merytorycznej oceny rozprawy wynika, że jej zakres badawczy jest obszerny, a różnorodność i złożoność przeprowadzonych badań i analiz dobrze świadczą o wysokim poziomie naukowym Doktorantki. Do oryginalny osiągnięć pracy zaliczam: podjęcie bardzo ambitnej tematyki związanej z doborem materiału na osnowę spiekanych segmentów metaliczno-diamentowych spełniających założone w pracy wymagania, analizę zjawisk zachodzących w materiale w różnych etapach procesu technologicznego jego otrzymywania, koncepcję użycia do produkcji osnowy tanich i ogólnodostępnych proszków elementarnych i stopowych oraz propozycję zastąpienia drogich i toksycznych pierwiastków stopowych stali (Co i Ni) manganem, statystyczną analizę wyników badań z użyciem modelu regresji wielorakiej, ocena stopnia bezdyfuzyjnej przemiany fazowej na powierzchni materiału osnowy z użyciem dyfrakcji rentgenowskiej, z wykorzystaniem stałego kąta padania, badania porównawcze zużycia ściernego otrzymanych segmentów metalicznodiamentowych Fe-Mn-Cu-Sn-C i stopu Co-20%WC z dodatkiem diamentu. Do mankamentów występujących w pracy oraz uwag o charakterze dyskusyjnym zaliczam: brak uzasadnienia ilościowego wyboru składu chemicznego osnowy i niepełna optymalizacja parametrów procesu mielenia i konsolidacji proszków, brak wyników badań porównawczych proszków po mieleniu w osłonie np. argonu, zbyt skromna lub pominięta w istotnych dla pracy zagadnieniach analiza i dyskusja uzyskanych wyników badań i brak porównania z danymi literaturowymi; np.: brak wyjaśnienia przyczyn obniżenia odporności na zużycie ścierne spieków wraz z wydłużeniem czasu mielenia; zbyt optymistyczne i przedstawione bez analizy porównawczej stwierdzenie, że mieszanki proszków w wyniku krótkotrwałego mielenia (po 8 godz.), mogą być z powodzeniem wykorzystywane do produkcji spiekanych segmentów metaliczno-diamentowych. 3. Uwagi szczegółowe i błędy edytorskie Rozprawa doktorska mgr inż. Elżbiety Bączek zawiera obszerny materiał badawczy i jest napisana z dużą starannością edytorską, językową i dbałością o szczegóły. Mimo to posiada również pewne nieścisłości oraz błędy redakcyjne, które przedstawiam poniżej: Str. 6. główne prace badawcze skupiły się na, to kolokwializm; Str. 9. dobrą zgęszczalnością (brak litery a); Str. 11. Tytuł rozdziału 2 Zagadnienia narzędziowe w procesach obróbki kamieni naturalnych, proponuję zapis: Zagadnienia doboru narzędzi do obróbki kamieni naturalnych; 6

7 Str. 22. Na skrawność narzędzia, czy na skrawalność narzędzia? Str. 29. wykruszenie osnowy w takcie eksploatacji, powinno być w trakcie; Str. 30. Zdanie: Niskotopliwe proszki brązów cynowych powodują pojawienie się fazy ciekłej, to kolokwializm; Str. 35., a co za tym idzie zmiany struktury stali. To również kolokwializm; Str. 39. Dane zaczerpnięto z certyfikatów analizy dostarczonych wraz z proszkami. Wyraz zaczerpnięto można zastąpić wyrazem pozyskano; Str. 52. W tablicy 5, dla gęstość pozornej należałoby policzyć gęstość względną spieków, a uzyskane wartości porównać z twardością i zawartością tlenu w próbkach; Str. 52. Tytuł podrozdziału 5.3.2: Pomiary zawartości tlenu i węgla; Str. 62. wydłużenie czasu mielenia sprzyja rozdrobnieniu mikrostruktury, to kolokwializm, nie sprzyja a wpływa na rozdrobnienie mikrostruktury; Str. 78. Rys. 61. Błąd w legendzie. Zamiast s0 powinno być s10; Str. 84. Na zdjęciach 62a-65a (LM), brakuje paska skali (powiększenia); Str. 89. Zmniejszył się udział procentowy ferrytu (Fe), a nie austenitu; Str. 91. Zdanie Oznacza to, że w przypadku gruboziarnistej mikrostruktury przemiana martenzytyczna inicjowana odkształceniem plastycznym zachodzi w wierzchniej warstwie na głębokość porównywalną z wielkością ziarna. W pracy nie znalazłem informacji na temat wielkość ziarna materiału spiekanego, poza dość ogólnym jakościowym opisem tego parametru. Str. 92. Przedstawiona w pracy technologia wytwarzania segmentów z tanich proszków jest uzasadniona ekonomicznie, zdanie to nie jest poparte analizą porównawczą kosztów wytwarzania spieków z użyciem różnych proszków. Chciałbym podkreślić, że przedstawione uwagi czy błędy redakcyjne nie wpływają zasadniczo na wysoki poziom rozprawy doktorskiej mgr inż. Elżbiety Bączek. Stwierdzam ponadto, że treści zawarte w rozprawie, sposób ich prezentacji oraz przedstawione wyniki badań skalą złożoności problemu, przekazem zaproponowanych rozwiązań, jak i celowością ich zastosowania, poszerzają wiedzę w zakresie otrzymywania spiekanych materiałów na narzędzia metaliczno-diamentowe. Tematyka rozprawa wpisuje się tym samym w nowoczesne kierunki badań, w takich obszarach jak: inżynieria materiałowa, metalurgii proszków i tribologia. Należy przy tym podkreślić, iż zakres przeprowadzonych badań jest obszerny, a prezentacja wyników przejrzysta, wspomagana wysokiej jakości materiałem graficzny i ilustracyjny. Mierzalne efekty w postaci przedstawionych wyników, analiz i konstatacji dowodzą, że Autorka posiada umiejętność samodzielnego planowania i realizacji eksperymentu naukowego. 4. Wniosek końcowy Przedłożona do recenzji rozprawa doktorska mgr inż. Elżbiety Bączek jest interesującą pracą doświadczalną, obejmującą swym zakresem szeroki obszar badań, od procesu otrzymywania segmentów metodą metalurgii proszków, po analizę ich wybranych własności. 7

8 Podjęta tematyka jest ważna i aktualna, a wyniki badań są dobrze udokumentowane i poprawnie analizowane. Sposób planowania eksperymentu, prowadzenia badań, prezentacja wyników jak i ich analiza świadczą o dużej dojrzałości naukowej Doktorantki. Pomimo przedstawionych uwag głównie o charakterze dyskusyjnym, pozytywnie oceniam dokonania autorki w zakresie realizacji założonego programu badawczego. Należy przy tym podkreślić, że oprócz walorów poznawczych, rozprawa ma również utylitarny charakter, a jej wyniki mogą być wykorzystane w branży kamieniarskiej, do produkcji segmentów metaliczno-diamentowych. Dlatego stwierdzam, że rozprawa doktorska pt. Kształtowanie struktury i własności użytkowych spieków Fe-Mn-Cu-Sn-C otrzymanych z proszków mielonych spełnia stawiane przez ustawę wymagania, zawartą w art. 13 ustawy z dnia 14 marca 2003 r., o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. z 2003 r. Nr 65 poz. 595 ze zm. Dz. U. z 2005 r. Nr 165 poz. 1365), co upoważnia mnie do przedłożenia Radzie Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej AGH wniosku o dopuszczenie mgr inż. Elżbiety Bączek do publicznej obrony. 8