ZAŁĄCZNIK 2 AUTOREFERAT przedstawiający opis dorobku i osiągnięć naukowych, w szczególności określonych w art. 16 ust. 2 ustawy w formie papierowej w języku polskim dr inż. Henryk KANIA Politechnika Śląska Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Instytut Inżynierii Materiałowej Zakład Inżynierii Powierzchni i Przeróbki Plastycznej Katowice, grudzień 2018
SPIS TREŚCI Wyszczególnienie Strona 1. Imię i Nazwisko 3 2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe 3 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych 4 4. Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art. 16 ust. 2. Ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz.U. nr 65, poz. 595 z późn. zm.) 5 5. Pozostałe osiągnięcia naukowo-badawcze 20 5.1. Działalność prowadzona przed doktoratem 20 5.2. Działalność prowadzona po doktoracie 22 6. Działalność dydaktyczna 30 7. Działalność organizacyjna 32 8. Sumaryczne zestawienie kryteriów osiągnięć po uzyskaniu stopnia naukowego doktora 34 2
1. Imię i nazwisko Henryk KANIA 2. Posiadane dyplomy i stopnie naukowe 1. Uzyskany tytuł: Technik mechanik o specjalności aparatura kontrolnopomiarowa i mechaniczna automatyka przemysłowa Rok uzyskania: 1991 Szkoła średnia: Śląskie Techniczne Zakłady Naukowe w Katowicach 2. Uzyskany tytuł: Magister inżynier Rok uzyskania: 1997 Szkoła wyższa: Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział Inżynierii Materiałowej, Metalurgii i Transportu w Katowicach Kierunek: Inżynieria Materiałowa Specjalność: Inżynieria Powierzchni Temat pracy magisterskiej: Określenie odporności korozyjnej nowych stopów miedzi w zależności od rodzaju obróbki cieplnej. Promotor: prof. dr hab. inż. Piotr LIBERSKI, Politechnika Śląska 3. Uzyskany tytuł: Doktor nauk technicznych Rok uzyskania: 2002 Obrona rozprawy doktorskiej przed Radą Wydziału Inżynierii Materiałowej, Metalurgii i Transportu Politechniki Śląskiej w dniu 14 maja 2002 Dyscyplina naukowa: Inżynieria Materiałowa Specjalność: Inżynieria Powierzchni Temat rozprawy doktorskiej: Podstawy technologii wytwarzania powłok na stopach żelaza w procesie wysokotemperaturowego cynkowania zanurzeniowego. Promotor: prof. zw. dr hab. inż. Adam GIEREK, Politechnika Śląska Recenzenci: prof. dr hab. inż. Ryszard CIACH, Polska Akademia Nauk w Krakowie prof. dr hab. inż. Adam HERNAS, Politechnika Śląska Praca doktorska wyróżniona uchwałą Rady Wydziału Inżynierii Materiałowej, Metalurgii i Transportu Politechniki Śląskiej 3
3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych Od 1 grudnia 1997 doktorant na Wydziale Inżynierii Materiałowej, Metalurgii i Transportu w Katedrze Technologii Stopów Metali i Kompozytów Politechniki Śląskiej w Gliwicach; Od 1 czerwca 2002 na stanowisku adiunkta w Katedrze Technologii Stopów Metali i Kompozytów na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Metalurgii i Transportu w Katowicach Politechniki Śląskiej w Gliwicach; Od 1 września 2009 na stanowisku adiunkta w Katedrze Technologii Materiałów na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Metalurgii w Katowicach Politechniki Śląskiej w Gliwicach; Od 1 września 2013 na stanowisku adiunkta w Instytucie Nauki o Materiałach w Zakładzie Obróbki Cieplnej i Powierzchniowej na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Metalurgii w Katowicach Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Od 1 września 2017 na stanowisku adiunkta w Instytucie Inżynierii Materiałowej w Zakładzie Inżynierii Powierzchni i Przeróbki Plastycznej na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Metalurgii w Katowicach Politechniki Śląskiej w Gliwicach. 4
4. Wskazanie osiągnięcia naukowego stanowiącego dzieło opublikowane w całości Moim osiągnięciem naukowym, uzyskanym po otrzymaniu stopnia doktora, stanowiącym znaczny wkład w rozwój dyscypliny naukowej Metalurgia określonym w art. 16. ust. 2 Ustawy, będącym dziełem opublikowanym w całości, jest autorska monografia habilitacyjna: pt.: Henryk Kania KSZTAŁTOWANIE STRUKTURY ORAZ ODPORNOŚĆ KOROZYJNA POWŁOK Zn-Al OTRZYMANYCH METODĄ METALIZACJI ZANURZENIOWEJ wydana drukiem przez Wydawnictwo Politechniki Śląskiej Gliwice 2017 ISBN 978-83-7880-479-6 Monografia ta stanowi syntetyczne podsumowanie przeprowadzonych przeze mnie badań nad opracowaniem technologii wytwarzania powłok cynkowo-aluminiowych metodą metalizacji zanurzeniowej, realizowanych po uzyskaniu stopnia doktora. Istotnym wkładem pracy habilitacyjnej do nauki w obszarze Metalurgia jest opracowanie podstaw technologii wytwarzania innowacyjnych powłok w kąpielach stopów Zn-Al metodą metalizacji zanurzeniowej na pojedynczych wyrobach ze stopów żelaza. Przeprowadzone badania pozwalają na poznanie i wyjaśnienie zjawisk kształtowania struktury powłok Zn-Al o wysokiej odporności korozyjnej otrzymanych metodą dwustopniowego zanurzania na wstępnie uformowanej powłoce cynkowej, a w szczególności transformacji faz układu Fe-Zn w fazy układu Fe-Al w tym uzyskanie syntetycznych wyników analizy struktury na różnych poziomach szczegółowości. Uzyskane wyniki charakteryzują proces kształtowania struktury zanurzeniowych powłok Zn-Al otrzymanych na stalach w szerokim zakresie stężenia Si, co jest szczególnie istotne dla ograniczenia rozpuszczania żelaza w kąpieli, a tym samym zapewnienia jej odpowiednich właściwości technologicznych. Zarówno koncepcja technologiczna wytwarzania powłok Zn-Al na wstępnie uformowanej powłoce cynkowej na pojedynczych wyrobach, wykonane badania struktury, przeprowadzone doświadczenia eksperymentalne, interpretacja zjawisk towarzyszących przebudowie 5
faz Fe-Zn w fazy Fe-Al oraz badania odporności korozyjnej można zaliczyć do znaczącego, autorskiego wkładu do wiedzy o procesach konstytuowania sie powłok zanurzeniowych na stopach żelaza. Wiedza ta bowiem daje podstawę do racjonalnego projektowania procesu technologicznego i doboru jego parametrów w warunkach przemysłowych. Za osiągnięcie o charakterze utylitarnym można uważać opracowanie podstaw technologii pozwalającej na jej wdrożenie i powtarzalne wytwarzanie powłok o wysokiej odporności korozyjnej przy obniżeniu kosztów materiałowych na wyrobach dotychczas zabezpieczanych wyłącznie powłoką cynkową. Aluminium dodawane do kąpieli cynkowej radykalnie podnosi odporność korozyjną otrzymanych w niej powłok. Pozwala to na wytwarzanie powłok o mniejszej grubości przy zachowaniu niezmienionych właściwości ochronnych. Jednocześnie wiadomo, że dodatek aluminium poprawia wygląd powłoki oraz redukuje zużycie cynku między innymi poprzez zmniejszenie utleniania powierzchni kąpieli. Od kilkudziesięciu lat powłoki cynkowo-aluminiowe wytwarzane są na blachach metodą ciągłą wg technologii opracowanej przez Tadeusza Sendzimira. Wieloletnie badania korozyjne w naturalnym środowisku atmosferycznym jak i w innych warunkach eksploatacyjnych pozwalają twierdzić, że odporność powłok typu Galfan (Zn-5Al) i Galvalume (Zn-55Al-1,6Si) jest 2 4 krotnie lepsza od tradycyjnych powłok cynkowych [1,2]. Należy podkreślić, że pomimo intensywnych prac badawczych powłoki cynkowoaluminiowe wytwarzane są wyłącznie metodą ciągłą na blachach. W metodzie tej powierzchnia blachy jest przygotowywana na drodze obróbki w atmosferach regulowanych poprzez redukcję zanieczyszczeń powierzchni w atmosferze wodoru w wysokiej temperaturze. Następnie gorąca blacha, bez kontaktu z atmosferą utleniającą, wprowadzana jest do kąpieli cynkowo-aluminiowej. Czas zanurzenia nie przekracza kilku sekund. W takich warunkach możliwe jest uzyskanie ciągłego pokrycia bez wad powierzchniowych. Pomimo wielu zalet, powłoki cynkowo-aluminiowe nie są wytwarzane metodą jednostkową polegającą na zanurzaniu pojedynczych wsadów, głównie ze względu na intensywny przebieg reakcji pomiędzy żelazem i kąpielą Zn-Al, konieczność stosowania specjalnych topników oraz długi czas zanurzenia (od kilku do nawet kilkunastu minut). Dobre właściwości użytkowe powłok cynkowo-aluminiowych otrzymywanych metodą ciągłą wzbudzają duże zainteresowanie możliwością wykorzystania stopów Zn-Al do wytwarzania powłok metodą jednostkową. Dyskusje i publikacje na ten temat, a także prezentowane referaty na największym światowym forum wymiany wiedzy i doświadczeń z zakresu jednostkowego cynkowania zanurzeniowego INTERGALVA [3-10] świadczą o aktualności problemu i skłoniły mnie do podjęcia badań mających na celu określenie możliwości wytwarzania powłok cynkowo-aluminiowych na wyrobach o kształcie zwartym. Podjęte przeze mnie badania wstępne wytwarzania powłok na podłożu stopów żelaza poprzez tradycyjne przygotowanie ich powierzchni i zanurzenie w kąpieli o składzie eutektycznym wykazały brak możliwości powtarzalnego otrzymywania ciągłych powłok 6
poniżej temperatury 520 o C. Poniżej 520 C w strukturze powłoki, powstające fazy międzymetaliczne nie tworzą ciągłej warstwy. Powstają tylko jej fragmenty rozmieszczone na podłożu w sposób bardzo przypadkowy. Prowadzone badania na żelazie Armco wykazały, że w procesie bezpośredniego zanurzania w kąpieli Zn-5Al z wykorzystaniem topnika na bazie mieszaniny ZnCl 2 i NH 4 Cl można uzyskać ciągłą powłokę dopiero po podniesieniu temperatury do 520 o C [zał.4, pkt II.E) II.d. 95]. Na tym etapie badań stwierdziłem również, że utrzymanie podwyższonej temperatury kąpieli Zn-5Al pozwala na powtarzalne otrzymywanie ciągłych powłok na technicznych stopach żelaza w tym na żeliwie ciągliwym i szarym [zał.4, pkt II.E) II.d. 94]. Przeprowadzone badania korozyjne wykazały bardzo dobrą odporność korozyjną powłok cynkowo-aluminiowych, wyższą od powłok cynkowych [zał.4, pkt II.E) II.d. 96]. Wśród badających omawiane zagadnienia, powszechnie uważa się, że przeszkodą do uzyskania powłok cynkowo-aluminiowych bez wad jest brak odpowiedniego topnika. Udowodniono, że przy podwyższonej zawartość aluminium w kąpieli cynkowej, podczas cynkowania zanurzeniowego, reaguje ono ze składnikami stosowanych dotychczas topników na bazie mieszaniny chlorku cynku i chlorku amonu. Prowadzi to do powstawania nieciągłości powłoki. Wobec tego prace badawcze dotyczące wytwarzania powłok cynkowoaluminiowych na stopach żelaza koncentrują się głównie na opracowaniu odpowiedniego dla takich kąpieli składu topnika. W dostępnej literaturze, w badaniach nad opracowaniem technologii wytwarzania powłok cynkowych w kąpielach zawierających wyższe dodatki aluminium, całkowicie pomija się problem rozpuszczania żelaza w kąpieli w czasie kontaktu ciało stałe/ciecz podczas zanurzenia w kąpieli. Należy zauważyć, że procesy produkcyjne metalizacji zanurzeniowej przebiegają na granicy nasycenia kąpieli powłokotwórczych żelazem. Po przekroczeniu granicznej rozpuszczalności żelaza, wydziela się ono w postaci tzw. twardego cynku lub twardego aluminium. Dodatek Al do kąpieli cynkowej znacznie podnosi intensywność rozpuszczania żelaza. Żelazo przechodzące do kąpieli reaguje selektywnie z Al jeżeli jego stężenie przekracza 0,133 % mas. [11]. W wyniku tej reakcji powstają drobne cząstki fazy Fe-Al w podobny sposób jak tworzy się twardy cynk [12]. Powstające fazy Fe-Al posiadają znacznie mniejszy ciężar właściwy niż kąpiel Zn-Al niezależnie od zawartości w niej Al. W takich warunkach cząstki twardego aluminium wypływają na powierzchnię kąpieli, a jednocześnie ich powstawanie, wyczerpuje Al z kąpieli oraz powoduje wzrost lepkości kąpieli w warstwie graniczącej z powierzchnią. Prowadzi to do utraty właściwości technologicznych kąpieli. W metodzie ciągłej problem rozpuszczania żelaza nie stanowi ograniczenia technologicznego. Gorąca blacha jest wprowadzana do kąpieli Zn-Al w atmosferze ochronnej po przygotowaniu jej powierzchni w atmosferach regulowanych. W takich warunkach nie jest wymagany czas na nagrzanie blachy do temperatury kąpieli. Blacha jest zanurzana w kąpieli na bardzo krótki czas, rzędu kilku sekund, dzięki czemu ilość żelaza, które przechodzi do kąpieli jest niewielka. Praktycznie całe rozpuszczone żelazo biorące udział w reakcji jest konsumowane na tworzenie cienkiej warstwy dyfuzyjnej lub pozostaje w strefie kąpieli, która jest wyciągana wraz z blachą, jako warstwa zewnętrzna powłoki. 7
Do dalszych badań nad technologią wytwarzania powłok metodą jednostkową przyjąłem założenie, że do zachowania technologiczności procesu i powtarzalności otrzymanych powłok oprócz zapewnienia odpowiedniego przygotowania powierzchni powlekanego wyrobu konieczne jest również ograniczenie rozpuszczalności żelaza w kąpieli cynkowo-aluminiowej. Na ilość rozpuszczonego żelaza wpływa przede wszystkim temperatura i czas zanurzenia. Jak wykazały przeprowadzone przeze mnie badania wstępne podniesienie temperatury, pozwala na otrzymanie ciągłych powłok Zn-Al [zał.4, pkt II.E) II.d. 95,96] jednak zwiększa to również rozpuszczalność żelaza i po krótkim czasie eksploatacji kąpieli Zn-Al (w warunkach przemysłowych) nie zapewni jej odpowiedniej lepkości oraz poprawności uzyskanych powłok. Również dłuższy czas zanurzenia w metodzie jednostkowej spowoduje przechodzenie większej ilości żelaza do kąpieli i podobny jak wskazano powyżej skutek. Jak już wspomniano w literaturze dominuje pogląd, że główną przeszkodą do wytwarzania powłok Zn-Al metodą jednostkową jest brak odpowiedniego topnika gwarantującego poprawne zwilżanie podłoża stalowego przez ciekły stop Zn-Al. Pomimo opracowania wielu składów topników rekomendowanych do wytwarzania powłok Zn-Al nie są one jak dotąd wykorzystywane do prowadzenia procesu przemysłowego. Należy zwrócić uwagę, że w wielu pracach badawczych otrzymywano opisywane powłoki w skali laboratoryjnej, często stosując bardzo wysoką temperaturę. Wykorzystując topniki rekomendowane do wytwarzania powłok Zn-Al [13,14] autorzy [15] wytwarzali powłoki w kąpieli Zn-Al o składzie eutektoidalnym (23 % mas. Al) w zakresie temperatury 530 600 o C. Badania własne [zał.4, pkt II.E) II.d. 94,95] wykazały, że istnieje możliwość otrzymania ciągłych powłok w kąpieli Zn-Al już w temperaturze 520-540 o C przy zastosowaniu tradycyjnego topnika do cynkowania. Ponadto prowadząc proces metalizacji w skali laboratoryjnej na ograniczonej liczbie próbek nawet przy podwyższeniu temperatury kąpieli nie obserwuje się wzrostu lepkości warstwy powierzchniowej kąpieli w wyniku tworzenia się twardego aluminium. Reasumując, brak odpowiedniego topnika nie jest zatem jedyną przyczyną ograniczenia rozwoju produkcji powłok Zn-Al metodą jednostkową. Nawet opracowanie doskonałego składu topnika nie pozwoli na skrócenie czasu zanurzenia i ograniczenie ilości rozpuszczonego żelaza w kąpieli. Dotychczasowe moje doświadczenia pozwalają twierdzić, że opracowanie technologii wytwarzania powłok cynkowo-aluminiowych wymaga zapewnienia warunków pozwalających na przebieg reakcji na granicy podłoże/kąpiel i wzrostu warstwy dyfuzyjnej przy jednoczesnym ograniczeniu ilości żelaza przechodzącego do kąpieli. Wymaga to przede wszystkim ograniczenia czasu zanurzenia wyrobu w kąpieli Zn-Al oraz utrzymywania jej temperatury na możliwie niskim poziomie. Takie możliwości daje metoda dwustopniowego zanurzania polegająca na wytwarzaniu powłoki cynkowo-aluminiowej bezpośrednio na wstępnie uformowanej powłoce cynkowej. Po wynurzeniu z kąpieli cynkowej wyrób jest nagrzany do temperatury kąpieli cynkowej (ok.450 o C) i jest wprowadzany do kąpieli Zn-Al o zbliżonej temperaturze. W takich warunkach możliwe jest skrócenie czasu zanurzenia w kąpieli Zn-Al. Na tym etapie przeprowadzone przeze mnie badania wstępne potwierdziły możliwość wytworzenia ciągłych powłok w kąpielach cynkowo-aluminiowych o składzie eutektycznym 8
metodą dwustopniowego zanurzania zarówno na podłożu żelaza Armco [zał.4, pkt II.E) II.e.43,48, pkt II.J) II 5] jak i technicznych stopach żelaza z węglem w tym na stali [zał.4, pkt II.J) II 5, pkt II.E) II.e. 37], na żeliwie ciągliwym, szarym i sferoidalnym [zał.4, pkt II.E) II.d. 77,85], a otrzymane powłoki cynkowo-aluminiowe wykazały bardzo dobrą odporność korozyjną, wyższą od powłok cynkowych [zał.4, pkt II.E) II.d. 79,90]. Jednocześnie zaobserwowano, że podczas zanurzenia w kąpieli Zn-Al następuje całkowita przebudowa faz międzymetalicznych Fe-Zn powłoki cynkowej w fazy układu Fe-Al. Potwierdzeniem uzyskanych wyników i poprawności przyjętych założeń była również przeprowadzona próba technologiczna w warunkach przemysłowych w Zakładzie Produkcyjnym w Sosnowcu należącym do CZG Stal z Katowic, w której brałem udział w opracowaniu koncepcji, i wytworzeniu pilotażowej partii drutu z powłoką Zn-5Al metodą dwustopniowego zanurzania. Przeprowadzona próba technologiczna potwierdziła możliwość uzyskania ciągłej powłoki cynkowo-aluminiowej, o prawidłowej budowie w warunkach przemysłowych na gotowym wyrobie. Wyniki badań otrzymane w wyniku przeprowadzonej próby technologicznej w warunkach przemysłowych zostały przedstawione w publikacji [zał.4, pkt II.E) II.d. 80]. Prowadziłem również badania na zlecenie firmy Fasing S.A. z Katowic w ramach pracy naukowo-badawczej NB-279/RM6/2005, w której między innymi została określona możliwość wytworzenia powłok Zn-Al na gatunkach stali stopowych (18G2AA, 23MnNiCrMo 5-2, 27MnSi5, St44-2) przeznaczonych do wytwarzania wysokowytrzymałych łańcuchów ogniwowych [zał. 4, pkt III.M) 29]. W tym przypadku wyniki badań również potwierdziły możliwość wytwarzania powłok Zn-Al metodą dwustopniowego zanurzania. Zainteresowanie ze strony przemysłu i pozytywne wyniki wstępnych badań własnych dały mi podstawę do kontynuowania badań nad opracowaniem racjonalnej metody wytwarzania powłok cynkowoaluminiowych. Na podstawie dotychczasowych badań założyłem, że przy zastosowaniu metody dwustopniowego zanurzania w bardzo krótkim czasie przebiegać będzie jedynie przebudowa warstwy przejściowej faz Fe-Zn w warstwę faz Fe-Al, na której powstanie warstwa zewnętrzna powłoki Zn-Al, a nie nastąpi proces rozpuszczania żelaza w kąpieli Zn-Al, natomiast wprowadzenie do kąpieli Zn-Al nagrzanego już w kąpieli cynkowej wyrobu pozwoli na znaczne skrócenie czasu zanurzenia w kąpieli Zn-Al. Opierając się na tych przesłankach sformułowałem następującą tezę: Otrzymanie zanurzeniowych powłok cynkowo-aluminiowych o wysokiej odporności korozyjnej metodą jednostkową jest możliwe wówczas, gdy wytworzy się na powierzchni stopu żelaza warstwę przejściową z faz międzymetalicznych Fe-Zn, umożliwiającą dyfuzję składników na granicy warstwa Fe-Zn/kąpiel Zn-Al oraz ograniczającą ilość żelaza przechodzącego do kąpieli w wyniku rozpuszczania podłoża. Celem naukowym prowadzonych w dalszym etapie prac badawczych było poznanie i wyjaśnienie zjawisk kształtowania struktury powłok Zn-Al otrzymanych metodą dwustopniowego zanurzania na wstępnie uformowanej powłoce cynkowej, a w szczególności analiza etapów przebudowy faz układu Fe-Zn w fazy Fe-Al. 9
Celem utylitarnym, natomiast było opracowanie podstaw technologii wytwarzania powłok cynkowo-aluminiowych o wysokiej odporności korozyjnej przy zachowaniu racjonalnych parametrów prowadzenia procesu oraz powtarzalnej jakości otrzymanych powłok. Realizacja założonych celów oraz weryfikacja postawionej tezy wymagała przeprowadzenia kompleksowych badań eksperymentalnych w zakresie określenia wpływu składu chemicznego (głównie zawartości Si) stali oraz wpływu zawartości Al w kąpieli na strukturę i kinetykę wzrostu powłok, określenia mechanizmu transformacji faz Fe-Zn wstępnej powłoki cynkowej w fazy Fe-Al, określenia odporności korozyjnej powłok, a także zweryfikowania uzyskanych efektów poprzez wytworzenie powłoki Zn-Al metodą dwustopniowego zanurzania w skali półtechnicznej na gotowym wyrobie. Zakres zrealizowanych badań własnych obejmował zarówno prace koncepcyjne, technologiczne oraz badawcze, które umożliwiły poznanie zależności pomiędzy strukturą, odpornością korozyjną i parametrami technologicznymi procesu wytwarzania powłok cynkowo-aluminiowych metodą dwustopniowego zanurzania. W pracach eksperymentalnych do wytworzenia powłok wykorzystano uniwersalne stanowisko do metalizacji zanurzeniowej wyposażone w dwa piece z tyglami ceramicznymi z regulacją temperatury do 1000 o C. Umożliwiło to kształtowanie struktury powłok w bardzo szerokim zakresie parametrów procesu w kąpielach o różnym składzie. Do opisu mikrostruktury wytworzonych powłok zastosowano szereg technik badawczych, takich jak: mikroskopia świetlna, skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM), mikroanaliza rentgenowska (EDS), rentgenowska analiza fazowa (XRD). Przeprowadzono również analizę termiczną badanych stopów Zn-Al oraz określono odporność korozyjną powłok w standardowych testach korozyjnych w obojętnej mgle solnej (wg normy PN-EN ISO 9227) oraz w wilgotnej atmosferze zawierającej SO 2 (wg normy PN-EN ISO 6988). Skład chemiczny stali ma istotny wpływ na kształtowanie powłok otrzymywanych metodą zanurzeniową. Krzem jest pierwiastkiem, którego obecność w stali bardzo intensywnie wpływa na grubość i strukturę powłok cynkowych. Cynkowanie stali o niekorzystnej zawartości Si prowadzi do powstawania powłok o nadmiernej grubości, szarym i matowym wyglądzie oraz skłonnych do odwarstwień. Dotychczas nie został określony wpływu zawartości krzemu zawartego w stali na tworzenie się powłok w kąpielach cynkowo-aluminiowych. W metodzie ciągłej, aby uniknąć niekorzystnego wpływu dodatków stopowych powleka się stale o specjalnie dobranym składzie chemicznym. Ponadto przy bardzo krótkim czasie zanurzenia w metodzie ciągłej, problem oddziaływania krzemu w stali jest praktycznie pomijany. Przy zastosowaniu dłuższego czasu zanurzenia w metodzie jednostkowej oddziaływanie krzemu stanowi bardzo istotny problem. Dlatego podjąłem badania mające na celu określenie wpływu Si w stali na kształtowanie powłok cynkowoaluminiowych w bardzo szerokim zakresie stężenia Si od żelaza Armco jako materiału modelowego bez krzemu poprzez stale o charakterystycznym zakresie zawartości Si uwzględniając jego oddziaływanie na kształtowanie powłok cynkowych. Były to stale niskokrzemowe (0,001Si, 0,01Si, 0,02Si), stale z zakresu Sandelina (0,035Si, 0,05Si), stal z zakresu Sebisty ego (0,18Si) oraz stale wysokokrzemowe (0,27Si, 0,32Si). Przeprowadzone 10
badania grubości powłok przy różnych parametrach procesu umożliwiły określenie kinetyki wzrostu powłok natomiast badania metalograficzne, pozwoliły na ujawnienie struktury powłok. Ten etap badań pozwolił na sformułowanie bardzo istotnych wniosków o charakterze utylitarnym jak i naukowym. Wpływ krzemu w stali na grubość powłok otrzymanych w kąpieli Zn-5Al jest znacznie mniej intensywny niż w przypadku powłok cynkowych. Ponadto intensywność oddziaływania tego pierwiastka jest przesunięta do innych zakresów jego stężenia w stali. Najgrubsze powłoki tworzą się na stali o zawartości 0,02 % Si, która jest zaliczana do stali niskokrzemowych. Maksymalna grubość powłoki na stali zawierającej 0,02 % Si wynosiła 143 µm. Natomiast nie obserwuje się intensyfikującego przebieg reakcji wpływu krzemu na stalach wysokokrzemowych. Znajomość zachowania sie stali w szerokim zakresie stężenia Si pozwala na dobór parametrów procesu dla określonych stali ponadto obserwowany znacznie mniejszy wpływ tego pierwiastka na przebieg reakcji świadczy o tym, że proces wytwarzania powłok Zn-Al w tym aspekcie będzie łatwiejszy do kontrolowania w porównaniu z tradycyjnym procesem cynkowania. Pod względem poznawczym przeprowadzone badania na stalach o różnej zawartości Si pozwoliły zaobserwować kolejne etapy tworzenia powłoki w kąpieli Zn-Al. W szczególności opisywany etap badań pozwolił stwierdzić, że warstwa faz Fe-Zn powłoki cynkowej ulega przebudowie tworząc warstwę o niejednorodnej budowie określaną dalej jako pierwotna warstwa dyfuzyjna (pwd). Przy dłuższym czasie metalizacji pierwotna warstwa dyfuzyjna pęka i ulega odwarstwieniu od podłoża, na którym rozpoczyna się wzrost nowej warstwy o zwartej budowie określanej dalej, jako wtórna warstwa dyfuzyjna (wwd). Otrzymane wyniki badań były bardzo pomocne przy wyjaśnieniu mechanizmu kształtowania powłoki wytwarzanej metodą dwustopniowego zanurzania. Przesłanki literaturowe pozwalają twierdzić, że powłoki otrzymane w kąpieli Zn o podwyższonej lub wysokiej zawartości Al posiadają znacznie lepszą odporność korozyjną od tradycyjnych powłok cynkowych. Stwierdza się, że to zwiększona zawartość Al w kąpieli wpływa na odporność korozyjną powłok poprzez zmianę ich struktury i grubości. Najkorzystniejszym z punktu widzenia metalizacji będzie około eutektyczny dodatek Al w kąpieli cynkowej. Oczekiwano, że dalsze podwyższanie zawartości Al w kąpieli powinno poprawić odporność korozyjną uzyskiwanych w nich powłok. Stop eutektoidalny Zn-Al o zawartości 23 % mas. Al wykazuje strukturę drobnokrystalicznej dwufazowej mieszaniny (α+β). Dalsze moje badania koncentrowały się na określeniu wpływu jeszcze wyższych niż zbadane zawartości Al na kształtowanie struktury powłok otrzymanych metoda dwustopniową. Przeprowadzone badania grubości powłok otrzymanych w kąpielach o rożnej zawartości Al umożliwiły określenie wpływu dodatku Al na kinetykę wzrostu powłok natomiast badania metalograficzne uzupełnione badaniami składu chemicznego w mikroobszarach (EDS) oraz badaniami składu fazowego (XRD) pozwoliły na określenie struktury powłok. Przeprowadzone badania pozwoliły stwierdzić, że zawartość Al w stopie Zn-Al wpływa intensywnie na przebieg reakcji pomiędzy żelazem i składnikami kąpieli. Uzyskanie ciągłych powłok o prawidłowej budowie i odpowiedniej grubości możliwe jest w dwuskładnikowych stopach Zn-Al o zawartości 5 % mas. i 15 % mas. Al. Zwiększenie zawartości Al do 23 % mas. i 31 % mas. powoduje powstawanie powłok o bardzo dużej grubości. Powłoki 11
otrzymane w kąpieli Zn-23Al są ciągłe i posiadają zwartą budowę natomiast powłoki otrzymane w kąpieli Zn-31Al są porowate i miejscowo odwarstwiają sie od podłoża. Zwiększona zawartość Al stwarza konieczność podniesienia temperatury procesu, co intensyfikuje szybkość reakcji pomiędzy Fe i Al. Badania prowadzono jednak przy zachowaniu możliwej najniższej temperatury kąpieli Zn-Al. Wykazano, że przy wyższych zawartościach Al w metodzie dwustopniowego zanurzania istnieje konieczność wprowadzenia do kąpieli trzeciego składnika, jakim jest Si. Wprowadzenie 1 % mas. Si do kąpieli Zn-Al o zawartości 23 i 31% mas. Al pozwala na uzyskanie powłok o prawidłowej grubości. Zwiększenie zawartości krzemu w kąpieli do 2 % mas. nie wpływa znacząco na grubość i strukturę powłoki. Wydaje się zatem, że zwiększanie zawartości krzemu powyżej 1 % mas. w kąpielach Zn-23%Al i Zn-31%Al nie jest uzasadnione. Badania, które przeprowadziłem w kąpielach wysokoaluminiowych wykazały, że obecność Si w stali również powoduje nieznaczne spowolnienie reakcji pomiędzy żelazem i aluminium. Szczególną wartość naukową prezentują uzyskane wyniki badań nad mechanizmem wzrostu powłok ZnAl pozwalające na obserwację etapów przebudowy składników strukturalnych wstępnie uformowanej powłoki cynkowej w fazy układu Fe-Al. Zaplanowałem eksperyment, w którym powłokę cynkową o znacznej grubości 100-140 µm zanurzano na bardzo krótki czas od 10 do 120 s. w kąpieli Zn-5%Al obserwując zmiany zachodzące w strukturze powłoki cynkowej. Już po 10 s zauważono, że następuje przebudowa fazy ζ powłoki cynkowej. W miarę wydłużania czasu zanurzenia w kąpieli Zn-5Al przebudowa powłoki cynkowej postępuje przez warstwę fazy ζ, a następnie warstwę fazy δ 1. Jednocześnie przebudowane warstwy posiadają podobną morfologię i grubość w odniesieniu do pierwotnych warstw fazy odpowiednio ζ i δ 1. Po wydłużeniu czasu kontaktu z kąpielą Zn-5%Al zanika morfologia charakterystyczna dla warstw ζ i δ 1 i tworzy się warstwa o niejednorodnej budowie określana jako pwd pierwotna warstwa dyfuzyjna. Przy dalszym wydłużaniu czasu zanurzenia następuje pękanie i odrywanie przebudowanej warstwy od podłoża. W wyniku bezpośredniego kontaktu podłoża z kąpielą Zn-Al następuje wzrost nowej warstwy określanej jako wwd wtórna warstwa dyfuzyjna o zwartej budowie i morfologii charakterystycznej dla faz Fe-Al. Przy przebudowie stref faz Fe-Zn nie następuje wyraźnie zauważalna zmiana grubości warstw. Można zatem sądzić, że przez pewien czas po zanurzeniu wstępnie uformowanej powłoki cynkowej następują procesy przebudowy faz Fe-Zn w fazy Fe-Al, a następnie dalsze procesy przebudowy w utworzonej warstwie fazy Fe-Al powodując zmianę jej morfologii. Badania strukturalne wykazały w strefie pierwotnej warstwy dyfuzyjnej (pwd) powstającej w wyniku przebudowy zarówno fazy ζ jaki δ 1 występowanie faz z układu Fe-Al, prawdopodobnie fazy FeAl 3 (Zn). Na podstawie badań (EDS) nie można też wykluczyć występowania w warstwie (pwd) fazy Fe 2 Al 5 (Zn). Nie stwierdzono w tej strefie występowania faz układu Fe-Zn co świadczy o całkowitej przebudowie powłoki cynkowej. Stwierdzone na podstawie dotychczasowych badań pękanie i odwarstwianie pierwotnej warstwy dyfuzyjnej (pwd) powoduje wnikanie pod tę warstwę ciekłego stopu Zn-Al na skutek czego nie następuje utrata ciągłości powłoki. Oderwane cząstki pierwotnej warstwy dyfuzyjnej (pwd) unoszą się w kąpieli Zn-Al, a ich przemieszczanie się jest niekontrolowane 12
szczególnie biorąc pod uwagę, że następuje ruch pokrywanego wyrobu w kąpieli oraz ruchy konwekcyjne samej kąpieli. W takich warunkach oderwane cząstki pierwotnej warstwy dyfuzyjnej (pwd) mogą pozostawać w kąpieli. W celu wyeliminowania wpływu ruchu pokrywanego wyrobu na przemieszczanie się oderwanych cząstek pierwotnej warstwy dyfuzyjnej pwd zaplanowałem eksperyment, w którym zamrażano kąpiel Zn-5%Al na powierzchni próbki. Natomiast, aby zminimalizować wpływ ruchów konwekcyjnych w ciekłym stopie Zn-Al zaprojektowałem eksperyment z wykorzystaniem pary dyfuzyjnej powłoka cynkowa/stop Zn-5%Al gdzie próbkę w postaci układu tuleja wałek o wymiarach ϕ 7x10 mm wygrzewano na stanowisku Vacuterm zapewniającym małą bezwładność pieca oraz dużą precyzję warunków termicznych. Przeprowadzone eksperymenty w warunkach stacjonarnych potwierdziły sekwencyjną przebudowę faz Fe-Zn wstępnie wytworzonej powłoki cynkowej w fazy układu Fe-Al tworząc pierwotna warstwę dyfuzyjną. Zarówno warstwa fazy ζ jak i warstwa fazy δ 1 po przebudowaniu w fazy Fe-Al ulegają odwarstwieniu, a następnie oderwane cząstki rozpływają się w kąpieli Zn-Al. Eksperymenty prowadzone w warunkach stacjonarnych pokazują, że pomimo wyeliminowania całkowicie ruchu podłoża oraz zminimalizowania ruchów kąpieli, odwarstwione warstwy fazy Fe-Al ulegają znacznemu przemieszczeniu w głąb kąpieli Zn-5%Al. Przeprowadzone badania dały podstawę do opracowania hipotetycznego mechanizmu tworzenia powłoki ZnAl. Zakłada on, że wstępnie wytworzona warstwa faz międzymetalicznych Fe-Zn ulega przebudowie w fazy układu Fe-Al (najprawdopodobniej jest to faza FeAl 3 (Zn) ale nie można też wykluczyć występowania fazy Fe 2 Al 5 (Zn)) tworząc pierwotną warstwę dyfuzyjną (pwd.). Pierwotna warstwa dyfuzyjna (pwd) jest trwała przez pewien okres czasu. Następnie pęka i odwarstwia się od podłoża. Umożliwia to kontakt podłoża stopu Fe-C z kąpielą Zn-Al w wyniku czego następuje wzrost wtórnej warstwy dyfuzyjnej (wwd) faz Fe-Al. Pierwotna warstwa dyfuzyjna (pwd) po odwarstwieniu od podłoża może być wyciągana wraz z wyrobem w warstwie zewnętrznej lub pozostawać w kąpieli. W przedstawionym hipotetycznym mechanizmie wzrostu powłoki założono, że w reakcji tworzenia faz Fe-Al w pierwotnej warstwie dyfuzyjnej (pwd) uczestniczą głównie atomy Fe pochodzące z przebudowywanej warstwy faz Fe-Zn. Bezpośredni kontakt fazy Fe-Zn z kąpielą umożliwia jej rozpuszczanie na granicy faza Fe-Zn/strefa przebudowana, a więc dyfuzję żelaza do strefy przebudowy, które jest niezbędne do tworzenia warstwy dyfuzyjnej powłoki cynkowo-aluminiowej. Ilość żelaza, która rozpuści się z dowolnej fazy Fe-Zn do strefy przebudowanej będzie mniejsza niż ilość żelaza, która może być związana przez aluminium do tworzenia jakiejkolwiek fazy międzymetalicznej układu Fe-Al. Przeprowadzone badania pozwoliły zaobserwować, że obszar przebudowy od pierwotnej granicy rozdziału z kąpielą przesuwa się głównie w głąb warstw faz międzymetalicznych Fe-Zn. W tym obszarze na granicy faza Fe-Zn/strefa przebudowana, rozpuszczające się żelazo z fazy Fe-Zn, w wyniku uprzywilejowanej reakcji z Al i wtórnej krystalizacji będzie zużywane na utworzenie nowych cząstek fazy Fe-Al. Jednocześnie żelazo dyfundując przez strefę już przebudowaną będzie dalej reagować z Al i wtórnie krystalizować w miejscach 13
uprzywilejowanych. Najprawdopodobniej są to uprzywilejowane płaszczyzny krystalograficzne istniejących już cząstek fazy Fe-Al w strefie przebudowanej. Wzrost cząstek fazy Fe-Al będzie prowadził do ich koagulacji aż do utworzenia ciągłej warstwy fazy Fe-Al określanej jako pierwotna warstwa dyfuzyjna (pwd). Do momentu całkowitego rozpuszczenia warstw faz międzymetalicznych Fe-Zn, tworzenie nowych cząstek fazy Fe-Al będzie zużywało przeważającą część żelaza rozpuszczającego się z faz Fe-Zn. Natomiast do momentu utworzenia ciągłej warstwy (pwd) istniejąca strefa przebudowy będzie oddziaływała jak filtr dla dyfuzji żelaza do kąpieli. W tej strefie przeważająca część żelaza, w tym również żelaza rozpuszczającego się z podłoża po rozpuszczeniu faz Fe-Zn, będzie zużywana na dobudowywanie nowych płaszczyzn krystalograficznych istniejących już cząstek fazy Fe-Al. Zatem w okresie wzrostu pierwotnej warstwy dyfuzyjnej (pwd) rozpuszczające się żelazo będzie konsumowane na jej tworzenie i jego przechodzenie do kąpieli cynkowo-aluminiowej będzie znacznie ograniczone. Strukturę powłoki, w której nastąpiło przebudowanie faz międzymetalicznych Fe-Zn wstępnej powłoki cynkowej w fazy układu Fe-Al prowadzące do utworzenia pierwotnej warstwy dyfuzyjnej (pwd) należy uznać za prawidłową. Odwarstwienie pierwotnej warstwy dyfuzyjnej (pwd) jest niekorzystne gdyż cząstki tej warstwy mogą przedostawać się do kąpieli. Uzyskanie powłoki o prawidłowej budowie jest możliwe przy odpowiednim doborze czasu zanurzenia w kąpieli cynkowej i cynkowo-aluminiowej. Biorąc pod uwagę uwarunkowania strukturalne powłok cynkowo-aluminiowych zweryfikowano ich odporność korozyjną. Powłoki cynkowo-aluminiowe wytworzono w kąpieli Zn-5Al przy tak dobranych parametrach procesu, aby uzyskać strukturę, uznaną na podstawie wcześniejszych badań, jako prawidłową. Przeprowadzono dwa standardowe testy korozyjne w obojętnej mgle solnej (wg normy PN-EN ISO 9227) oraz w wilgotnej atmosferze zawierającej SO 2 (wg normy PN-EN ISO 6988). Na podstawie otrzymanych wyników badań stwierdzono że powłoki Zn-Al przy spełnieniu założeń strukturalnych posiadają lepszą odporność korozyjną od tradycyjnych powłok cynkowych. W badaniach w komorze solnej powłoki Zn-5Al wykazywały ok. 2,5 3 razy mniejszą jednostkową zmianę masy w porównaniu z powłokami cynkowymi. Natomiast w badaniach w komorze Koesternicha ubytki korozyjne powłok Zn-5Al były ok. 1,7 2 razy mniejsze od powłok cynkowych. Uzyskanie powłoki o strukturze dwuwarstwowej zawierającej pierwotną warstwę dyfuzyjną (pwd) pokrytą warstwą zewnętrzną (wz) stopu tworzącego kąpiel cynkowoaluminiową gwarantuje wysoką odporność korozyjną. Obecność wstępnej powłoki cynkowej na powierzchni wyrobu zapewnia warunki do dyfuzji składników pozwalającej na utworzenie powłoki o strukturze gwarantującej wysoką odporność korozyjna. Jednocześnie tworzenie się strefy przebudowy pozwala na ograniczenie przechodzenia żelaza do kąpieli. Potwierdza to słuszność przyjętej tezy. Istotnym elementem zrealizowanych prac była weryfikacja opracowanych założeń wytwarzania powłok cynkowo-aluminiowych w skali półtechnicznej na gotowym wyrobie. W ramach projektu badawczego N R15 0108 10 [zał. 4, pkt II.J) II.3], w którym byłem głównym wykonawcą, opracowałem koncepcję technologiczną wytwarzania powłok metodą dwustopniowego zanurzania na wysokowytrzymałych łańcuchach ogniwowych. Brałem 14
czynny udział w bieżącej konsultacji na etapie projektu technicznego stanowiska oraz weryfikacji i zmian konstrukcyjnych na etapie prowadzenia prób technologicznych. Półtechniczne stanowisko do metalizacji wyposażone było w dwa piece z tyglem ceramicznym o pojemności ok. 1 tony kąpieli metalizującej każdy oraz układ transportowy łańcucha. Stanowisko wyposażono w mechanizm zapobiegający łączeniu się ogniw po wynurzeniu z kąpieli, chłodzenie oraz pneumatyczne usuwanie nadmiaru cynku z powierzchni ogniw. W ramach projektu badawczego opracowałem pełne charakterystyki strukturalne powłok cynkowo-aluminiowych otrzymywanych na wysokowytrzymałych łańcuchach ogniwowych dla różnych parametrów (czas, temperatura) prowadzenia procesu dwustopniowego zanurzania. Badaniom poddano wysokowytrzymałe łańcuchy rybackie i górnicze o klasie wytrzymałości 8, 9, C i PW9 wykonane ze stali stopowych 27MnSi5, 23GHNMA, 23GHNMA+V oraz 23MnNiCrMo5-2. Ze względu na utylitarny charakter uzyskane wyniki badań nie były w całości publikowane. Badania nad wytwarzaniem powłok Zn-Al w skali półtechnicznej prowadzono na gotowym wyrobie w postaci łańcucha ogniwowego klasy C o wymiarach 18 x 64 mm. wykonanego ze stali 23GHNMA. W procesie produkcji był on poddawany standardowej obróbce cieplnej. Do badań wykorzystano łańcuch o długości 20 m. Proces cynkowania łańcucha realizowano w dwóch etapach. Pierwszym z nich był proces chemicznego przygotowania powierzchni, a następnym proces zanurzania w kąpieli metalizującej. W wyniku przeprowadzenie próby technologicznej na stanowisku półtechnicznym otrzymano ciągłą powłokę Zn-Al o jasnym i błyszczącym wyglądzie. Widok 20 metrowego odcinka łańcucha z powłoką cynkowo-aluminiową przedstawiono na rys.1. Rys.1. Widok łańcucha klasy C o wymiarach 18 x 64 mm z powłoką cynkowo-aluminiową, długość 20 m. Otrzymane w skali półtechnicznej powłoki charakteryzują się poprawnym wyglądem a przeprowadzone badania strukturalne wykazały, że wstępnie uformowana powłoka cynkowa uległa przebudowie w fazy układu Fe-Al. Jednocześnie nie nastąpiło odwarstwianie pierwotnej warstwy dyfuzyjnej (pwd) faz Fe-Al od podłoża i tworzenie się wtórnej warstwy dyfuzyjnej (wwd). W takich warunkach można założyć, że proces wytwarzania powłoki przebiegał prawidłowo i do kąpieli Zn-Al nie będzie przechodziła nadmierna ilość żelaza. 15
Otrzymane w skali połtechnicznej powłoki cynkowo-aluminiowe na wysokowytrzymałym łańcuchu ogniwowym wykazały znacznie lepszą odporność korozyjną od powłok cynkowych. Po 1000 godz. ekspozycji w komorze solnej powłoka Zn-Al nie uległa przebiciu do podłoża pomimo, że jej grubość była 3 krotnie mniejsza od powłoki cynkowej (rys.2). a) powłoka Zn-Al, grubość 27,87 µm. b) powłoka Zn, grubość 83,93 µm. Rys.2. Wygląd powierzchni powłoki Zn-Al oraz Zn po 1000 godz. ekspozycji w komorze solnej. Przedstawiony zakres prac badawczych opisany w monografii wskazanej, jako podstawa postępowania habilitacyjnego, pozwolił osiągnąć przyjęty cel naukowy oraz utylitarny. Na podstawie analizy wyników badań eksperymentalnych przedstawionych w niniejszej monografii sformułowano następujące wnioski ogólne: 1. Metoda dwustopniowego zanurzania polegająca na zanurzaniu wyrobu kolejno w kąpieli Zn, a następnie Zn-Al jest racjonalną metodą wytwarzania powłok cynkowo-aluminiowych na stopach żelaza, pozwalającą na wytworzenie ciągłych powłok o wysokiej odporności korozyjnej. 2. Powłoka cynkowo-aluminiowa otrzymana w kąpieli o składzie eutektycznym (Zn-5%Al) wytworzona metodą dwustopniowego zanurzania na podłożu żelaza i jego stopach zbudowana jest z pierwotnej warstwy dyfuzyjnej (pwd), którą pokrywa warstwa zewnętrzna stopu kąpieli. 3. Pierwotna warstwa dyfuzyjna (pwd) jest zbudowana z fazy Fe-Al, najprawdopodobniej jej głównym składnikiem strukturalnym jest faza FeAl 3 (Zn). Warstwa ta tworzy się w wyniku przebudowy faz międzymetalicznych Fe-Zn powłoki cynkowej. Tworzenie się pierwotnej warstwy dyfuzyjnej (pwd) pochłania większe ilości żelaza, niż jest dostarczane do strefy przebudowy z rozpuszczania faz Fe-Zn, co ogranicza przechodzenie żelaza do kąpieli cynkowo-aluminiowej. Pierwotna 16
warstwa dyfuzyjna (pwd) jest trwała na powierzchni wyrobu przez określony czas, po którym ulega pękaniu i odwarstwieniu. Stwarza to warunki do wzrostu nowej wtórnej warstwy dyfuzyjnej (wwd) zbudowanej prawdopodobnie z faz Fe-Al. 4. Warstwa zewnętrzna powłoki zbudowana jest z obszarów roztworu stałego Al w Zn (α) na tle eutektyki (α+β). 5. Powłoki otrzymane metodą dwustopniowego zanurzania w kąpieli o składzie eutektycznym (Zn-5%Al), zbudowane z pierwotnej warstwy dyfuzyjnej (pwd) oraz warstwy zewnętrznej (wz) wykazują bardzo wysoką odporność korozyjną, wyższą od powłok cynkowych. 6. Zwiększanie zawartości Al w kąpieli (od 15 do 31% mas.) powoduje podniesienie temperatury krzepnięcia stopu Zn-Al. Stwarza to konieczność prowadzenia procesu w wyższej temperaturze. Powłoki otrzymane metodą dwustopniowego zanurzania w dwuskładnikowych kąpielach Zn-Al o wysokiej zawartości Al (od 15 do 31% mas.) wykazują nadmierną grubość, porowatość oraz odwarstwienia w warstwie dyfuzyjnej powłoki. 7. Dodatek Si do wysokoaluminiowych kąpieli Zn-Al skutecznie ogranicza nadmierny rozrost powłoki otrzymanej metodą dwustopniowego zanurzania. 8. Metoda dwustopniowego zanurzania pozwala na otrzymanie ciągłych powłok cynkowo-aluminiowych na stalach w szerokim zakresie stężenia Si. Nie obserwuje się oddziaływania Si na grubość powłoki na stalach o niskiej zawartości Si (0,001Si, 0,01Si). Niewielki przyrost grubości powłoki występuje na stalach o krytycznej zawartości krzemu (0,02Si, 0,035Si, 0,05Si), a zmniejszenie grubości na stalach o wysokiej zawartości krzemu (0,18Si, 0,27Si, 0,32Si). 9. Próby technologiczne otrzymywania powłok metodą dwustopniową w kąpieli Zn-5%Al w skali półtechnicznej potwierdzają możliwość wytworzenia powłoki cynkowo-aluminiowej o wysokiej odporności korozyjnej na gotowym wyrobie. Przedstawione osiągnięcie naukowe poszerza dotychczasową wiedzę w zakresie wytwarzania i kształtowania struktury powłok otrzymywanych metodą zanurzeniową. Analiza uzyskanych wyników badań pozwoli na opracowanie rozwiązań technologicznych umożliwiających racjonalne wytwarzanie powłok cynkowo-aluminiowych przy zachowaniu technologiczności procesu. Wymiernym efektem zrealizowanych prac koncepcyjnych, eksperymentalnych i badawczych są powłoki cynkowo-aluminiowe o wysokiej odporności korozyjnej otrzymane na wysokowytrzymałych łańcuchach ogniwowych. Opracowana technologia pozwala na wytwarzanie powłok cynkowoaluminiowych na pojedynczych wyrobach pokrywanych metoda jednostkową dotychczas wyłącznie w kąpielach cynkowych. Wymiernym efektem opracowanej technologii jest również zmniejszenie kosztów materiałowych. Wprowadzenie do kąpieli Al o mniejszym ciężarze właściwym w porównaniu z cynkiem, zmniejsza masę kąpieli jak i samej powłoki przy zachowaniu takiej samej objętości. Wysoka odporność korozyjna powłok cynkowoaluminiowych wydłuży czas eksploatacji wyrobów w silnie agresywnych środowiskach korozyjnych natomiast w środowiskach średnio agresywnych i mało agresywnych pozwoli na zmniejszenie grubości powłoki. 17
Uzyskane wyniki badań potwierdziły poprawność przyjętych założeń technologicznych i mogą być podstawą do dalszych prac nad wdrożeniem do produkcji powłok cynkowoaluminiowych wytwarzanych metodą zanurzania pojedynczych wsadów. Obecnie, uczestniczę w intensywnych pracach nad wdrożeniem badanej technologii do praktyki przemysłowej i dalszego upowszechniania opracowanej metody. W 2018 roku nawiązałem współpracę w firmą STALEX S.C z Myszkowa, której celem jest opracowanie i wdrożenie innowacyjnej technologii wytwarzania powłok cynkowo-aluminiowych metodą dwustopniowego zanurzania na walcówce przeznaczonej do ciągnienia z dużymi szybkościami. Efektem dotychczasowej współpracy jest uzyskanie w październiku 2018 roku przez firmę STALEX S.C finansowania projektu badawczo-rozwojowego współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014-2020 POIG - Działanie 1.1. Projekty B+R przedsiębiorstw (Konkurs 1/1.1.1/2018 Szybka ścieżka dla MŚP, Numer wniosku o dofinansowanie: POIR.01.01.01-00-0401/18). W ramach projektu będę kierownikiem zespołu badawczego Politechniki Śląskiej, jako podwykonawcy badań przemysłowych w obszarze opracowania składu kąpieli cynkowo-aluminiowej dodatkowo wzbogaconej magnezem oraz parametrów prowadzenia procesu metodą dwustopniowego zanurzania, a także weryfikacji uzyskanych efektów w dalszych badaniach rozwojowych prowadzonych na demonstracyjnej linii do wytwarzania powłok ZnAlMg metodą dwustopniowego zanurzania na walcówce. Literatura [1] Kwiecień J., Kwiatkowski L.: Zanurzeniowe powłoki stopowe Al-Zn, Materiały pokonferencyjne Sympozjum Cynkowników Polskich, Jachranka, 5-7 września 1996, s.45-56. [2] O Donell P.: Blachy powlekane stopem 55 % Al-Zn. Hutnik - Wiadomości Hutnicze, Nr 6 (1986) 189-201. [3] Astorre A., Memmi M., Cecchini M., Goodwin F.: New Batch Zn-5%Al Hot-Dip Coating Process for Fabricated Steel Parts. Paper in Proceedings of 20th International Galvanizing Conference Intergalva 2003, Amsterdam, Netherlands 2003. [4] van Alsenoy V., Warichet D.: MICROZINQ D4 Performance Tests on Ultra Thin Batch Hot-Dip Galvanizing. Paper in Proceedings of 20th International Galvanizing Conference Intergalva 2003, Amsterdam, Netherlands 2003. [5] van Ooij W. J., Ranjan M., Joshi A., Verstappen J., Zervoudis J., Poag G.: Update on the Status of the Development of a High-Al Alloy for General Galvanizing. Paper in Proceedings of 21st International Galvanizing Conference Intergalva 2006, Naples, Italy 2006. [6] Memmi M., Cecchini M., Colibri C., Goodwin: New Batch Zinc-5% Aluminium Hot Dip Coatings Process for Fabricated Steel Parts (Part II process Simplification). Paper in Proceedings of 21st International Galvanizing Conference Intergalva 2006, Naples Italy 2006. [7] Tang N-Y., Liu Y. H., Poag G. W., van Ooij W. J.: Further Development of High Aluminium Alloys for General Galvanizing. Paper in Proceedings of 22th International Galvanizing Conference Intergalva 2009, Madrid, Spain 2009. [8] Biffi F., Deglavs J.: Higher Aluminium Galvanizing Technology Field Results. Paper in Proceedings of 23th International Galvanizing Conference Intergalva 2012, Paris, France 2012. [9] Shibayama H.: Comparative Performance of galvanizing with Continuously Applied Zinc-Aluminium- Magnesium Coatings. Paper in Proceedings of 24th International Galvanizing Conference Intergalva 2015, Liverpool, UK 2015. [10] Morooka T.: Application of Hot Dip Zn-Al-Mg Alloy Coatings to steel structures. Paper in Proceedings of 24th International Galvanizing Conference Intergalva 2015, Liverpool UK 2015. [11] Tang N-Y, Adams G.R, Kolisnyk P.S; On determining effective Al in continuous galvanizing baths; GALVATECH 95, Chicago, IL; Iron and Steel Society (1995) 777. 18
[12] Liberski P., i in.: Określenie ilości i składu faz międzymetalicznych powstających podczas procesu aluminiowania stopów żelaza w kąpielach z dodatkiem cynku oraz opracowanie wytycznych ich utylizacji. Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Śląskiej, Katowice 1987r, praca niepublikowana [13] Van Ooij W.J., Prasanna V.: High-Aluminium Galvanized steel. US Patent 6,372,296, 2002. [14] Van Ooij W.J., Prasanna V.: Fluxing Process for Galvanization of Steel. US Patent 6,200,636, 2001. [15] Ranjan M., Tewari R., van Ooij W. J., Vasudevan V. K.: Effect of ternary additions on the structure and properties of coatings produced by a high aluminum galvanizing bath. Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 35 (2004) 3707-3720. 19
5. Pozostałe osiągnięcia naukowo badawcze 5.1. Działalność prowadzona przed doktoratem W roku 1991 ukończyłem Śląskie Techniczne Zakłady Naukowe (Śl.T.Z.N) w Katowicach uzyskując dyplom technika mechanika o specjalności aparatura kontrolopomiarowa i mechaniczna automatyka przemysłowa. W czasie nauki w szkole średniej odbyłem dwie miesięczne praktyki w Centralnych Zakładach Automatyzacji Hutnictwa CZAH z Katowic oraz w Przedsiębiorstwie Montażu Aparatury Pomiarowej i Automatyki ENERGOAPARATURA z Katowic. W czasie praktyk poznałem kompleksowo proces wytwarzania mechanicznej i elektronicznej aparatury kontrolno-pomiarowej, kontroli jej jakości i warunków dopuszczeń oraz projektowania i wytwarzania przemysłowych układów regulacji. W czasie nauki w technikum, praktyka uczniowska w Warsztatach Szkolnych Śl.T.Z.N. umożliwiła mi praktyczne poznanie procesów obróbki skrawaniem na wydziałach tokarskim, frezarskim, szlifierskim, a także procesów spawania, montażu, kontroli jakości oraz obiegu dokumentacji technologicznej. W latach 1992-1997 kontynuowałem naukę na studiach wyższych na Wydziale Inżynierii Materiałowej, Metalurgii i Transportu Politechniki Śląskiej w Gliwicach początkowo na kierunku Metalurgia, a następnie na kierunku Inżynieria Materiałowa. W trakcie studiów po sprecyzowaniu swoich zainteresowań wybrałem zakres dyplomowania na specjalności Inżynieria Powierzchni prowadzonej w Katedrze Technologii Stopów Metali i Kompozytów. Studia wyższe ukończyłem przedstawiając pracę dyplomową magisterską nt. Określenie odporności korozyjnej nowych stopów miedzi w zależności od rodzaju obróbki cieplnej wykonaną pod kierunkiem promotora prof. dr hab. inż. Piotra Liberskiego. Zarówno praca dyplomowa jak i egzamin dyplomowy zostały ocenione na ocenę bardzo dobrą. W czasie studiów odbyłem dwa staże zagraniczne w Przedsiębiorstwie Eksportu Budownictwa INSTALEXPORT S.A. z Warszawy w ramach realizacji budowy eksportowej w Niemczech jako podwykonawca firmy G+H Montage GmbH (1 miesiąc w 1995 r.; 2,5 miesiąca w 1996 r.). W czasie stażu zatrudniony byłem na stanowisku montera konstrukcji stalowych. Odbycie stażu pozwoliło mi na poznanie nowoczesnych i zaawansowanych metod montażu wielkogabarytowych, stalowych konstrukcji budowlanych, poznanie stosowanych w budownictwie konstrukcji stalowych rozwiązań technicznych i materiałowych, a także zapoznanie się obowiązującymi w Niemczech standardami zabezpieczeń antykorozyjnych konstrukcji stalowych. W roku 1997 rozpocząłem studia doktoranckie prowadzone na Wydziale Inżynierii Materiałowej, Metalurgii i Transportu Politechniki Śląskiej. W ramach realizowanych zajęć rozwijałem swoje zainteresowania naukowe w zakresie inżynierii materiałowej pogłębiając wiedzę w zakresie nauki o materiałach, technologii wytwarzania oraz metod i technik badań struktury i właściwości materiałów. Jednocześnie, jako doktorant zostałem włączony do działalności naukowo-badawczej oraz dydaktycznej Katedry Technologii Stopów Metali i Kompozytów kierowanej przez prof. zw. dr hab. inż. Adama Gierka. Moje pierwsze zespołowe prace naukowo-badawcze, prowadzone w ramach działalności statutowej Katedry dotyczyły określenia odporności korozyjnej powłok 20