3. Zakres i teza pracy

Transkrypt

1 Open Access Library Volume 2 (8) Zakres i teza pracy 3.1. Ustalenie zakresu pracy metodami bada materia oznawczoheurystycznych We wst pnym etapie planowania zakresu badawczego niniejszej rozprawy, w kontek cie konieczno ci wyboru szczegó owej tematyki badawczej z bardzo obszernego zakresu, pos u ono si nowatorsk analiz wyboru technologii wykorzystuj c do z o onej oceny macierze dendrologiczne [2-4, ]. Ponadto w celu potwierdzenia s uszno ci wyboru materia u badawczego (pod o a) opisywanego w niniejszej pracy, jakim by y odlewnicze stopy magnezu Mg-Al-Zn, wykonano analiz wyboru materia u pod o a stosuj c macierz dendrologiczn, rozpatruj c jedynie trzy grupy najcz ciej stosowanych materia ów konstrukcyjnych, mianowicie stal, stopy aluminium i opisywane stopy magnezu. Z uwagi na ograniczenia zarówno sprz towe jak i czasowe, nierealne jest obj cie szczegó owymi badaniami, zw aszcza eksperymentalnymi, wszystkich mo liwych rozwi za, dlatego tak wa nym aspektem na etapie planowania eksperymentu wydaje si by wykorzystanie istniej cych metod zarz dczych w tym równie, koncepcji metodologicznej zintegrowanego komputerowo prognozowania rozwoju (wg. A.D. Dobrza skiej-danikiewicz), w celu dokonania wyboru w pe ni zobiektywizowanego. O celowo ci zastosowanej techniki mo e wiadczy fakt, e z powodzeniem zosta a ona zaimplementowana w ró nych obszarach in ynierii materia owej, w tym równie in ynierii powierzchni, tj. do analizy: grup protez stomatologicznych, w tym protez konwencjonalnych klasycznych i pod cielanych mi kkim materia em, protez utrzymywanych na jednym lub dwóch implantach ró ni cych si ponadto typem z czy [139]; porównawczej postaci geometrycznych wewn trzustrojowych protez prze yku [140]; perspektyw zwi zanych z wytwarzaniem, charakterystyk oraz modelowaniem struktury, w asno ci i technologii wytwarzania nowej generacji wysoko innowacyjnych rozwini tych porowatych i kompozytowych funkcjonalnych materia ów nanostrukturalnych z nanow óknami [141]; obróbki laserowej stopowych stali narz dziowych do pracy na gor co; fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD) pow ok na stopach miedzi z cynkiem; wybranych technologii obróbki cieplno-chemicznej stali; nak adania pow ok PVD/CVD na spiekane materia y narz dziowe; teksturowania krzemu polikrystalicznego do celów fotowoltaiki; wytwarzania spiekanych materia ów gradientowych klasyczn metod metalurgii proszków; wybranych technologii modyfikacji polimerowych warstw wierzchnich [85]. 34 T. Ta ski

2 Kszta towanie struktury i w asno ci powierzchni stopów Mg-Al-Zn W pierwszym kroku podj tych bada materia oznawczo-heurystycznych nale y wyodr bni spo ród wszystkich dost pnych materia ów konstrukcyjnych oraz w nast pnym etapie technologii ich obróbki kilka jednorodnych grup, aby podda je planowanym badaniom o charakterze eksperymentalno-porównawczym. Do okre lenia zobiektywizowanych warto ci przypisanych poszczególnym wyodr bnionym materia om oraz technologiom ich obróbki, wykorzystano dendrologiczn macierz warto ci technologii. Podstaw wykorzystanej metodologii zintegrowanego komputerowo prognozowania rozwoju w prezentowanych macierzach by a powszechnie znana wiedza dotycz ca nauk o zarz dzaniu metodami tzw. portfelowymi (oferowanymi klientowi przez przedsi biorstwo), pozwalaj ca w graficzny sposób prezentowa wyniki analiz porównawczych. W prowadzonych badaniach heurystycznych do oceny poszczególnych obszarów tematycznych, pod k tem ich warto ci i si y oddzia ywania na otoczenie, zastosowano uniwersaln skal stanów wzgl dnych b d c jednobiegunow skal dodatni bez zera, gdzie 1 to ocena minimalna, a 10 wybitnie wysoka [2-4, ]. Dendrologiczna macierz warto ci pozwala w stosunkowo prosty sposób zobrazowa wyniki oceny poszczególnych grup materia ów i w dalszym etapie technologii ich obróbki pod k tem potencja u, stanowi cego rzeczywist obiektywn warto analizowanego obszaru, tzw. twarde, wymierne cechy i atrakcyjno ci, odzwierciedlaj cej subiektywne postrzeganie danego zakresu w ród jej potencjalnych u ytkowników, tzw. mi kkie w asno ci [2-4, ]. Potencja danej grupy prezentowany na osi poziomej jest wynikiem analizy wielokryterialnej dokonanej na podstawie oceny eksperckiej oraz szeroko zakrojonej wiedzy literaturowej, uwzgl dniaj cej w odpowiednich proporcjach potencja : kreacyjny, aplikacyjny, jako ciowy, rozwojowy i techniczny. Na osi pionowej przedstawiono znaczenie atrakcyjno ci danej grupy, b d ce redni wa on oceny eksperckiej oraz danych literaturowych z zakresu badawczego dokonanych na podstawie kryteriów szczegó owych odpowiadaj cych atrakcyjno ci gospodarczej, ekonomicznej, humanistycznej, przyrodniczej i systemowej. W zale no ci od oceny poziomu potencja u i atrakcyjno ci, które okre lono w ramach oceny eksperckiej i literaturowej, zarówno ka dy z analizowanych materia ów konstrukcyjnych, jak i poszczególne technologie in ynierii powierzchni, umieszczono w jednej z wiartek macierzy dendrologicznej. W macierzy dendrologicznej do oceny przydatno ci materia u i technologii wyró niono cztery wiartki, tj.: pierwsza wiartka wyró nia si ograniczonym potencja em i du atrakcyjno ci ; druga wiartka opisuje najlepsz mo liw sytuacj, gwarantuj c przysz y sukces, w której badana dziedzina charakteryzuje si zarówno du ym potencja em, jak i du 3. Zakres i teza pracy 35

3 Open Access Library Volume 2 (8) 2012 atrakcyjno ci ; trzecia wiartka charakteryzuje przedzia o ograniczonym potencjale i atrakcyjno ci, w którym przysz y sukces jest ma o prawdopodobny lub niemo liwy; czwarta wiartka to pole o ograniczonej atrakcyjno ci i du ym potencjale pozwalaj ce przy zastosowaniu odpowiedniej strategii uzyska siln pozycj. Badania technologii obróbki zastosowanych stopów zaw ono jedynie do obszaru in ynierii powierzchni, poniewa szeroki wachlarz dost pnych rodzajów pow ok oraz metod kszta towania struktury i w asno ci warstwy powierzchniowej materia ów in ynierskich, w tym równie stopów magnezu pozwala w precyzyjny i kompleksowy sposób zaprojektowa najkorzystniej zestawione w asno ci rdzenia i warstwy wierzchniej wytworzonego elementu. Do okre lenia warto ci poszczególnych grup materia ów oraz w drugim etapie technologii ich obróbki powierzchniowej, zastosowano metod punktacji wa onej w celu oceny porównawczej, zmierzaj cej do kwalifikacji przydatno ci poszczególnych grup materia ów i technologii w kontek cie relacji mi dzy nimi [2-4, ]. Szczegó owe kryteria oceny atrakcyjno ci i potencja u rozpatrywanych obszarów prezentowanych w rozprawie przedstawiono w tablicach 1 i 3. Zestawionym kryteriom przypisano okre lone wagi, a nast pnie Tablica 1. Szczegó owe kryteria oceny potencja u i atrakcyjno ci grup materia ów poddanych badaniom materia oznawczo-heurystycznym Lp. Potencja Waga Ma a g sto materia u 0,4 Zdolno materia u do t umienia drga 0,1 Dobre w asno ci odlewnicze 0,1 Wysokie w asno ci mechaniczne i dobra spawalno Wysoka odporno korozyjna Lp. Atrakcyjno Waga Dost pno pó produktu (surowca, pierwiastka) 0,4 Podatno materia u do ponownego przetwarzania-recykling 0,1 Niskie koszty produkcyjne oraz cena finalna wytworzonego materia u Ma y stopie skomplikowania technologii produkcji 0,1 Ró norodno stosowanych technologii wytwarzania elementów i pó produktów z danego materia u oraz mnogo mo liwych do zaimplementowania technologii obróbki (cieplna, plastyczna, powierzchniowa) 36 T. Ta ski

4 Kszta towanie struktury i w asno ci powierzchni stopów Mg-Al-Zn obliczono warto ci wa one i ich sum, b d ce podstaw analizy porównawczej, co przedstawiono w tablicach 2 i 4. Nast pnie wieloaspektowe wyniki zwizualizowano przy pomocy dendrologicznych macierzy warto ci badanego obszaru (rys. 13, 14). Wykonana analiza preferencji jednoznacznie wskazuje, e najwy sz ocen wa on, wzi wszy pod uwag przyj te kryteria w grupie materia ów, otrzymuj stopy magnezu, które w szerokim zakresie spe niaj wymagania i oczekiwania wobec nowoczesnych materia ów in ynierskich, narzucone przez wci zmieniaj ce si otoczenie, oznaczone na rysunku 13 jako M 1. Badania potwierdzaj równie, e stopy aluminium charakteryzuj si wysokim poziomem atrakcyjno ci. Natomiast w grupie technologii najwy sze noty (druga wiartka) otrzymuj technologie laserowe oraz metody PVD i CVD, oznaczone na rysunku 14 jako T 1, T 2 i T 3, wytypowane jako najbardziej predysponowane technologie obróbki powierzchniowej stopów magnezu, znacznie przewy szaj ce ocenami pozosta e analizowane metody pokrywania. Pozosta e techniki oceniono na poziomie wiartki trzeciej lub pierwszej co mo e wiadczy, w przypadku technologii z obszaru trzeciej wiartki o powolnym wypieraniu tych metod przez nowsze bardziej ekologiczne i uniwersalne techniki. Natomiast w przypadku technologii, które zlokalizowano w obszarze pierwszym nale y s dzi, e wymagaj one dalszych bada i nak adów umo liwiaj cych im potencjalny rozwój. Jedynym odst pstwem od za o e mog by technologie nak adania warstw malarskich, które z regu y mieszcz si w kwadracie czwartym, czyli w odniesieniu do malowania, technologia jest nieatrakcyjna, ale powszechnie stosowana z uwagi na jej nieskomplikowany mechanizm nak adania warstw i niski koszt aplikacyjny. Niemniej jednak wed ug postawionych kryteriów potencja u i atrakcyjno ci, w odniesieniu do przysz ych zastosowa aplikacyjnych, charakterystycznych dla u ytych materia ów pod o a (stopów magnezu), techniki pokry malarskich zakwalifikowano do wiartki trzeciej. Wst pnie dokonana analiza wskazuje na celowo badania technologii obróbki laserowej (T 3 ) oraz nanoszenia pow ok w procesach fizycznego osadzania z fazy gazowej PVD (T 1 ) oraz chemicznego osadzania z fazy gazowej CVD (T 2 ) na pod o u z odlewniczych stopów magnezu (wybrano stopy Mg-Al-Zn) jako jednych z najbardziej rozwojowych obszarów in ynierii powierzchni stopów metali lekkich (rys. 14). Z tych powodów wyselekcjonowano zakres materia ów i technologii stanowi cych zakres niniejszego opracowania. Wytypowane technologie T 1, T 2, T 3 szczegó owo scharakteryzowano w kolejnych podrozdzia ach niniejszej rozprawy. 3. Zakres i teza pracy 37

5 Open Access Library Volume 2 (8) 2012 Tablica 2. Wyniki analizy wielokryterialnej grup materia ów poddanych badaniom materia oznawczo-heurystycznym Potencja Atrakcyjno Symbol Grupa materia ów rednia wa ona rednia wa ona M 1 M 2 Stopy magnezu Stopy aluminium 4 0,8 0,8 0,6 6,4 4 0,9 1,2 0,4 1,6 8,1 2,8 0,5 0,7 0,8 1,2 6 2,8 0,7 1,2 0,8 1,6 7,1 M 3 Stale 1,6 0,4 0,5 1,8 1,8 6,1 2 0,4 1,6 0,8 1,6 6,4 Tablica 3. Szczegó owe kryteria oceny potencja u i atrakcyjno ci grup technologii poddanych badaniom materia oznawczo-heurystycznym Lp. Potencja Waga Mo liwo otrzymania z o onych w asno ci i struktury powierzchni (wielosk adnikowe, wielowarstwowe, wielofazowe, gradientowe, kompozytowe, metastabilne, nanokrystaliczne) Du e mo liwo ci wyboru materia u powierzchni, a wi c szeroka rozpi to w asno ci powierzchni Mo liwo uzyskania twardych warstw powierzchniowych o specjalnych w asno ciach ochronnych (antykorozyjne, trybologiczne) Uzyskanie warstw powierzchniowych o dobrej przyczepno ci do materia u pod o a Mo liwo otrzymania w jednym procesie technologicznym powierzchniowych warstw gradientowych o dowolnym sk adzie chemicznym i strukturze Lp. Atrakcyjno Waga Ekologiczna czysto procesu obróbki powierzchniowej (brak szkodliwych produktów reakcji chemicznych i konieczno ci ich utylizacji) Mo liwo wytworzenia warstw powierzchniowych o w asno ciach niemo liwych do otrzymania innymi metodami 0,3 Szerokie mo liwo ci dalszego rozwoju technologii Mo liwo pe nej automatyzacji i robotyzacji procesu obróbki powierzchniowej Konieczno zastosowania du ej precyzji prowadzenia procesów obróbki powierzchniowej 0,3 0,1 0,1 38 T. Ta ski

6 Kszta towanie struktury i w asno ci powierzchni stopów Mg-Al-Zn Tablica 4. Wyniki analizy wielokryterialnej grup technologii poddanych badaniom materia oznawczo-heurystycznym Potencja Atrakcyjno Symbol Grupa technologii rednia wa ona rednia wa ona T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T 8 T 9 T 10 T 11 Techniki PVD, w tym równie Cathodic Arc Deposition Techniki CVD, w tym równie Plasma Assisted CVD Techniki laserowe przetapiania/ stopowania/ wtapiania Natryskiwanie cieplne Procesy anodowania Technologie galwaniczne Ablacja laserowa-pld Nak adanie pow ok malarskich Implantacja jonów Azotowanie jarzeniowe Technologie hybrydowe (multipleksowe) 2,7 1,6 1,8 1,2 0,9 8,2 1,8 2,7 1,6 0, ,7 1,6 1,8 1,2 0,8 8,1 1,4 2,7 1,6 0,9 1 7,6 2,7 1 1,8 2 0,5 8 1,8 2, ,5 1,5 1 1,4 0,6 0,5 5 1,2 1,8 0,6 0,9 1,4 5,9 0,6 1,2 1,2 0,3 3,5 1,2 1,5 0,4 1 4,3 0,9 1 1,2 1,4 4,7 0,4 0,9 0,9 0,4 2,8 1, ,4 0,5 5,4 1,6 1,2 1,2 0,6 1,2 5,8 0,3 0,8 1 1,4 0,1 3,6 0,6 0,6 0,9 0,8 3,1 1, ,2 0,5 5,2 1,4 1,8 1,2 0, ,6 0,4 1,2 1,2 0,3 3,7 0,8 1,8 0,6 0,8 0,8 4,8 1,5 1 1,2 1,2 0,5 5,4 1 2,7 1,2 0,5 0,8 6,2 3. Zakres i teza pracy 39

7 Open Access Library Volume 2 (8) 2012 Rysunek 13. Dendrologiczna macierz warto ci prezentuj ca pozycjonowanie typowanych grup materia ów poddanych badaniom zintegrowanego komputerowo prognozowania rozwoju Rysunek 14. Dendrologiczna macierz warto ci prezentuj ca pozycjonowanie typowanych grup technologii poddanych badaniom zintegrowanego komputerowo prognozowania rozwoju 40 T. Ta ski

8 Kszta towanie struktury i w asno ci powierzchni stopów Mg-Al-Zn 3.2. Teza i g ówne cele pracy Wykonane badania w asne oraz szerokie studium literaturowe z tego zakresu wskazuj na fakt, e nadanie nowych cech eksploatacyjnych i u ytkowych powszechnie stosowanym materia om, w tym równie analizowanym stopom Mg-Al-Zn bardzo cz sto uzyskuje si poprzez obróbk ciepln, tj. umocnienie wydzieleniowe i/lub obróbk powierzchniow wskutek nanoszenia lub wytworzenia na powierzchni obrabianych materia ów pow ok lub warstw w procesach in ynierii powierzchni predysponowanych do danej grupy materia ów. W asno ci mechaniczne oraz odporno na zu ycie cierne i korozyjne odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn, mo na kszta towa przez umocnienie roztworowe atomami obcych pierwiastków rozpuszczonych w osnowie oraz poprawnie zastosowanym utwardzaniem wydzieleniowym (przesycanie i starzenie) b d ce gwarantem wyst pienia w ca ej obj to ci wewn trz strukturalnych przemian fazowych i procesów wydzieleniowych, polegaj cych na wytworzeniu w stopie dyspersyjnych wydziele, blokuj cych przemieszczanie si dyslokacji. Pierwszy etap przesycania polega na nagrzaniu stopu i szybkim ch odzenie zatrzymuj cym nadmiar sk adnika stopowego w roztworze, dzi ki czemu uzyskuje si przesycony roztwór sta y. Stop posiadaj cy du nadwy k energii swobodnej, d y do jej zmniejszenia co mo e dokona si jedynie w drodze wydzielenia nadmiaru sk adnika przesycaj cego. Starzenie w temperaturze podwy szonej pozwala na precyzyjne sterowanie procesem wydzielenia za pomoc czasu i temperatury starzenia, dzi ki czemu mo na uzyska struktur z drobnymi wydzieleniami, równomiernie roz o onymi w ca ej obj to ci ziarna. Ponadto zwi kszenie twardo ci oraz odporno ci g ównie korozyjnej, odporno ci na cieranie i zm czenie cieplne mo liwe jest do osi gni cia dzi ki wytworzeniu jednorodnej chemicznie, drobnokrystalicznej warstwy wierzchniej bez zmiany sk adu chemicznego materia u przy u yciu lasera du ej mocy lub wskutek zastosowania prostych jednowarstwowych lub jednosk adnikowych pow ok wytworzonych metodami odpowiednio fizycznego i chemicznego osadzania z fazy gazowej PVD lub CVD. Jeszcze korzystniejsze efekty w postaci zwi kszenia wspomnianych w asno ci u ytkowych i eksploatacyjnych mo na uzyska w wyniku wtapiania cz stek twardych faz w glików i tlenków w uprzednio obrobion cieplnie warstw wierzchni materia u, w celu wytworzenia drobnokrystalicznej, quasi- kompozytowej warstwy wierzchniej oraz wskutek wyst puj cego w trakcie wtapiania laserowego mechanizmu szybkiej mikroi/lub nanokrystalizacji RSP (ang. Rapid Solidification Processing). Mo liwe jest równie wytworzenie na powierzchni uprzednio obrobionego cieplnie materia u, hybrydowych warstw 3. Zakres i teza pracy 41

9 Open Access Library Volume 2 (8) 2012 PVD i CVD o z o onym sk adzie chemicznym, z o onych z gradientowej warstwy przej ciowej oraz wielosk adnikowej warstwy zewn trznej, uzyskanych dzi ki odpowiedniej optymalizacji warunków procesu ich nanoszenia, wp ywaj cych na struktur i w asno ci pow ok, tj. warunków napi ciowo-pr dowych, temperatury nanoszenia oraz ci nienia roboczego gazów. Potwierdzenie i charakterystyka wspomnianych mechanizmów i zale no ci ma nie tylko znaczenie poznawcze, ale równie pozwala okre li szersze perspektywy metodologiczne i aplikacyjne prezentowanych odlewniczych stopów magnezu nazywanych cz sto metalem przysz o ci, co ma szczególne znaczenie w czasie, gdy wyra nie mówi si o konieczno ci dostarczania materia ów in ynierskich na danie. Powy sze przes anki pozwoli y na sformu owanie nast puj cej tezy pracy: Zastosowanie obróbki powierzchniowej, w tym fizycznego i chemicznego osadzania z fazy gazowej PVD i CVD oraz obróbki laserowej przy wykorzystaniu technologii wtapiania w powierzchni stopów Mg-Al-Zn twardych cz stek ceramicznych powoduje popraw twardo ci oraz odporno ci na zu ycie cierne i korozyjne badanych stopów. Natomiast g ównym celem wykonanych bada jest opracowanie metodologii badawczej oraz technologii obróbki odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn z wykorzystaniem nowoczesnych technik in ynierii powierzchni oraz wskazanie ró nic w mechanizmach decyduj cych o kszta towaniu w asno ci tych stopów zarówno w rdzeniu, jak i w warstwie powierzchniowej. W ramach niniejszej rozprawy przeprowadzono badania i analizy, obejmuj ce nast puj ce zagadnienia: Charakterystyk przemian fazowych i procesów wydzieleniowych zachodz cych podczas obróbki cieplnej w badanych odlewniczych stopach Mg-Al-Zn o zró nicowanym st eniu sk adników stopowych, zapewniaj cych uzyskanie po danej struktury oraz ich wp ywu na struktur, w asno ci wytrzyma o ciowe, jak równie odporno na korozj tych materia ów; Porównanie wp ywu obróbki powierzchniowej na struktur i w asno ci stopów Mg-Al-Zn, wykonanej z wykorzystaniem metod PVD w procesie katodowego odparowania ukiem elektrycznym, CVD w procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej ze wspomaganiem plazmowym oraz w procesie laserowego wtapiania twardych cz stek ceramicznych przy u yciu lasera diodowego du ej mocy (HPDL) w powierzchni obrabianych materia ów w odniesieniu do stanu wyj ciowego stopów umocnionych wydzieleniowo; Ustalenie korelacji pomi dzy wyst puj cymi mechanizmami strukturalnymi, a w asno- ciami mechanicznymi i u ytkowymi badanych stopów Mg-Al-Zn; 42 T. Ta ski

10 Kszta towanie struktury i w asno ci powierzchni stopów Mg-Al-Zn Wykonanie analiz komputerowych, przy wykorzystaniu sieci neuronowych umo liwiaj cych wyznaczenie i/lub predykcj struktury i w asno ci mechanicznych stopów Mg-Al-Zn na podstawie temperatury przemian fazowych, optymalizacj warunków obróbki cieplnej, wyznaczenie zakresu chropowato ci i modelowanie w asno ci mechanicznych powierzchni stopów magnezu obrobionych przy u yciu wtapiania laserowego oraz okre lenie odporno ci na cieranie, twardo ci i chropowato ci wytworzonych pow ok PVD i CVD. 3. Zakres i teza pracy 43