Kompozyty z siarczkowymi 9. Podsumowanie i wnioski Praca po wi cona jest opracowaniu nowego kompozytu, szczególnie na bazie materia u porowatego, z siarczkowymi. Podstaw do niniejszego opracowania by o zapotrzebowanie przemys u sektora wytwórczego na innowacyjne materia y charakteryzuj ce si unikalnymi w a ciwo ciami, które nie s mo liwe do uzyskania w przypadku zastosowania materia ów konwencjonalnych. St d te in ynieria materia owa to jedna z najszybciej rozwijaj cych si interdyscyplinarnych dziedzin nauki. Szczególne zainteresowanie z punktu widzenia zastosowania technologicznego w nowoczesnych ga ziach gospodarki wzbudzaj nanomateria y in ynierskie. Obecnie najwi ksze nadzieje na radykaln popraw w a ciwo ci materia ów wi e si z kszta towaniem ich mikrostruktury w skali nanometrycznej, a w szczególno ci kszta towanie struktury warstwy powierzchniowej, zbli onej do kompozytowej. Istotn rol w tych badaniach odgrywa metalurgia proszków, gdzie nowe kompozycje materia owe znajduj coraz szersze zastosowanie w przemy le samochodowym i lotniczym (por. rozdzia 3). Metalurgia proszków w znaczny sposób przewy sza inne metody wytwarzania, umo liwiaj c wykorzystanie w 95% materia u przeznaczonego na wykonanie elementu. W klasycznej metodzie obróbki skrawaniem poziom zu ycia materia u wynosi zaledwie od 40-50%. Na podstawie przeprowadzonych porówna, technologi wytwarzania elementów za pomoc metalurgii proszków mo emy nazwa bezodpadow. Wa nym czynnikiem wp ywaj cym na zainteresowanie t technologi jest niski stopie zu ycia energii (por. rozdzia 4). Przedstawiona praca dotycz ca opracowania nowego kompozytu, w szczególno ci na bazie materia u porowatego, do zastosowa w przemy le samochodowym i lotniczym ma charakter wielow tkowy. Oprócz zada badawczych i poznawczych, ukierunkowanych na poznanie mechanizmów dzia ania struktury nowego kompozytu, wzmocnionego siarczkowymi nanocz stkami o strukturze grafenopodobnej, na jego w asno ci fizykochemiczne ze szczególnym uwzgl dnieniem w asno ci tribologicznych zak ada przeniesienie opracowanych wysoko zaawansowanych technologii do praktyki przemys owej. Oryginalnym podej ciem jest koncepcja optymalizacji w a ciwo ci materia ów wsadowych (por. rozdzia 6), które dotychczas wykorzystywano w stanie dostawy, bez optymalizacji tego stanu w kontek cie parametrów stereologicznych mikrostruktury i w a ciwo ci materia u proszkowego, a tak e siarczkowych nanocz stek grafenopodobnych (por. rozdzia 7). Niezwykle 9. Podsumowanie i wnioski 169
Open Access Library Volume 9 (15) 2012 wa nym aspektem jest opracowanie metod przeróbki plastycznej oraz technik modyfikacji bazowych materia ów proszkowych (por. rozdzia y 6 i 7). Istotnym elementem pracy s badania nad tarciem i zu yciem nowego kompozytu (por. rozdzia 8). Najskuteczniejszym sposobem zapobiegania zu yciu jest smarowanie powierzchni, poprzez wytworzenie pow ok smaruj cych (por. rozdzia 3). Na podstawie bada literaturowych wykazano, e modyfikacja warstwy wierzchniej nieorganicznymi grafenopodobnymi nanocz stkami cz ci stosowanych na elementy maszyn pracuj cych w trudnych warunkach eksploatacyjnych [101] w temperaturze do 900 C, osi gaj c wspó czynnik tarcia poni ej <0,1 i uzyskuj c 2-3-krotne zwi kszenie trwa o ci elementów wspó pracuj cych jako para tr ca w porównaniu do elementów wykonanych z dotychczas stosowanych stopów i pow ok (por. rozdzia 3). Kompleksy molibdenu i wolframu stosowane jako dodatki smarne rozpuszczalne w oleju obni aj zu ycie cierne, zmniejszaj tarcie oraz s znakomitymi antyutleniaczami [82-85, 156]. Zatem mo na uzna, e s modyfikatorami tarcia obni aj c oraz stabilizuj c wspó czynnik tarcia, wykazuj c równie dzia anie przeciwpittingowe [230]. Dzia anie tribologiczne i przeciwutleniaj ce kompleksów molibdenu by o badane równie w pracy [231]. Zastosowanie oleju bez dodatków skutkowa o du ym zu yciem adhezyjnym wyst puj cym przy wspó pracy aluminium ze stal. Natomiast w wyniku zastosowania kompleksów molibdenu uzyskano zmniejszenie zu ycia adhezyjnego przez tworzenie filmu powierzchniowego przy du ych pr dko ciach lizgania. Ni szy wspó czynnik tarcia wyst puje w tarciu o du ym udziale lizgania ani eli toczenia [232]. W praktyce istotne jest aby dodatek modyfikuj cy tarcie dzia a przez ca y okres pracy. Dlatego te obecnie wiele wiatowych o rodków naukowych prowadzi prace nad wieloma zwi zkami nieorganicznymi takimi jak MoS 2, MoSe 2, WS 2, posiadaj cymi budow podobn do fullerenów, nanorurek i grafenów. Zachowanie tych cz stek podczas procesów tarcia jest przedmiotem wielu bada [233-237]. Jak przedstawiono w rozdziale 8, wyniki bada tribologicznych mieszaniny z syntetyzowanymi nanocz stkami IF-WS 2, oraz mieszaniny z cz stkami mielonymi WS 2 pokaza y bardzo niskie wspó czynniki tarcia ( = 0,03) i zu ycia (Z = 2,9 10-12 mm 3 /Nm) przy smarowaniu granicznym. Wykazano równie, e niski wspó czynnik tarcia i ma e zu ycie spowodowane jest obecno ci skupisk podobnych do grafenów i rozwarstwieniem nanocz stek. Wywo ana cinaniem reorientacja nanocz stek podobnych do grafenów przy wzro cie napr e stykowych zapewnia niski wspó czynnik tarcia w porównaniu do smarowania olejem. Zdolno dostosowania si struktury 170 H.M. Wi niewska-weinert
Kompozyty z siarczkowymi po czenia jako funkcji parananocz stek podobnych do grafenów jest unikalna i umo liwia otrzymanie niskiego wspó czynnika tarcia i ma ego zu ycia elementów lizgowych. Za bardzo wa ne nale y uzna rozwój i optymalizacj metod mechanicznego rozwarstwiania materia ów do wytwarzania siarczkowych nanocz stek grafenopodobnych i ich mieszanin (por. rozdzia 7). G ównym wnioskiem z badania SPM jest to, e metoda rozwarstwiania obrotowego jest mo liwa do wytwarzania na du skal, p ytek nano i mikrocz stek kompleksów molibdenu i wolframu. Rysunek 63 przedstawia obecno cienkich p atków o wielko ci 200-500 nm. Niektóre z nich maj grubo p ytek poni ej 15 nm. Wi kszo otrzymanych t metod nanocz stek (zgodnie z rysunkiem 64) to nanocz stki MoS 2 o wymiarze oko o 60-100 nm. Oznacza to, e siarczkowe nanocz stki grafenopodobne wykazuj znacznie lepsze zdolno ci penetracji w po czeniu z p ynami no nymi ciek ych rodków smarowych takich jak np. olej. Dane do wiadczalne przedstawione na rysunku 73 ukazuj szerokie mo liwo ci kontrolowania procesu impregnacji, a w szczególno ci grubo ci i porowato ci uzyskiwanej warstwy filmu smaruj cego nowego kompozytu na bazie materia u porowatego. Wykonuj c liczne interdyscyplinarne badania z zakresu in ynierii materia owej, fizyki cia a sta ego i mechaniki udowodniono, e w celu zmniejszenia wspó czynnika tarcia i zu ycia elementu pracuj cego w ekstremalnych warunkach, gdzie podawanie smarowania podczas pracy jest niemo liwe, gromadzenie si siarczkowych grafenopodobnych nanocz stek w specjalnie ukszta towanych w materiale litym mikrokanalikach, umo liwia ich powolne uwalnianie na powierzchni tarcia. Si y tarcia i reakcje zachodz ce na powierzchni s wykorzystywane do wydzielania warstwy smaru przy styku tarciowym, tzn. mikrokanaliki w strukturze pow oki pe ni rol rezerwuarów dostarczaj cych nanocz stki smaruj ce na powierzchni styku, gdzie w wyniku tworzenia si filmu smarnego o wymaganym sk adzie chemicznym i strukturze nast puje zmniejszenie tarcia. Taki sposób wprowadzania nanocz stek siarczków grafenopodobnych do twardej, odpornej na wysokie temperatury i utlenianie osnowy, zapewnia ich d ugotrwa e dzia anie równie w wysokich temperaturach (por. rozdzia 8). Przy czym zastosowanie pow oki wielowarstwowej wydaje si bardziej efektywne, ni zastosowanie mikrokanalików dla zu ycia zm czeniowego, natomiast zastosowanie mikrokanalików wype nionych nanocz stkami smarów sta ych wydaje si bardziej efektywne w przypadku zu ycia ciernego i adhezyjnego [77-80, 237]. W pracy wykazano, e siarczkowe nanocz stki grafenopodobne stosowane jako dodatki do ciek ych rodków smarnych zmniejszaj wspó czynnik tarcia i intensywno zu ycia w tempe- 9. Podsumowanie i wnioski 171
Open Access Library Volume 9 (15) 2012 raturze otoczenia. Natomiast przy podwy szonych i wysokich temperaturach nie mo na zastosowa oleju ani smaru (por. rozdzia 3), dlatego perspektywicznym kierunkiem prac rozwojowych jest podawanie w stref pracy pary tr cej suchych siarczkowych nanocz stek grafenopodobnych [234-237]. Na podstawie przeprowadzonych bada laboratoryjnych i przemys owych udowodniono tez pracy i sformu owano wnioski ko cowe: 1. W celu zwi kszenia w a ciwo ci przeciwciernych, antykorozyjnych i mechanicznych o ysk lizgowych przeznaczonych do pracy w ekstremalnych warunkach, zasadne jest zastosowanie nowego kompozytu na bazie proszków stali nierdzewnych modyfikowanych siarczkowymi (MoS 2 i WS 2 ). Okre lono optymalny sk ad bazowej mieszanki proszkowej. Jak wykazuj badania przemys owe elementy wykonane z nowego kompozytu z powodzeniem mog zast pi wytwarzane dot d elementy z materia u litego. 2. Du zalet bazowych materia ów proszkowych jest ich porowato, która mo e pe ni funkcj swoistego zbiornika rodka smaruj cego (oleju). Wprowadzanie siarczkowych nanocz stek grafenopodobnych do sieci porów uwa a si za obiecuj cy sposób uzyskiwania trwa ych w a ciwo ci przeciwciernych o ysk. Bardzo wa ne jest ustalenie rzeczywistych warunków obci enia wspó pracuj cych elementów. 3. W a ciwo ci cierne podczas pracy w warunkach ograniczonego smarowania zale w du ej mierze od przepuszczalno ci bazowego materia u porowatego Wy sza przepuszczalno daje du o lepsze w a ciwo ci cierne ni materia o ni szej przepuszczalno ci. Oznacza to, e pory w materiale przepuszczalnym mog dzia a jako zbiorniki rodka smaruj cego i dzi ki temu obszar styku mo e wytrzyma d u sze czasy lizgania w warunkach ograniczonego smarowania, zanim powierzchnia zostanie uszkodzona i w a ciwo ci cierne ulegn zmianie. Przepuszczalno materia u o yska porowatego nie ma natomiast du ego wp ywu na wspó czynnik tarcia, gdy uk ad jest ca kowicie wype niony rodkiem smarowym. 4. Uszczelnienie kraw dzi przy powierzchni styku powoduje d u szy czas pracy uk adu w warunkach ograniczonego smarowania zapobiegaj c wyp ywaniu rodka smaruj cego z materia u. 5. Badania przemys owe wykaza y, e prototypy tulei o yskowych wykonane z nowego kompozytu w badanym uk adzie tribologicznym pracowa y dobrze zapewniaj c równomierne zu ycie w wyniku uwalniania podczas pracy w obszar kontaktu siarczkowych nanocz stek grafenopodobnych. W a ciwy dobór no nika (np. oleju) siarczkowych nano- 172 H.M. Wi niewska-weinert
Kompozyty z siarczkowymi cz stek gafenopodobnych pe ni istotn rol zarówno podczas procesu impregnacji porowatej osnowy kompozytu jak te pó niejszej pracy uk adu tribologicznego. 6. Nanometryczne rozmiary cz stek grafenopodobnych pozwalaj wnika w pory (naturalnie lub specjalnie wytworzone, jak mikrokanaliki w materiale litym z pow ok tward lub bez niej) i lokalne zag bienia osnowy. Korzystny efekt dzia ania siarczkowych struktur grafenopodobnych uzyskuje si poprzez gromadzenie nanocz stek w mikrorezerwuarach na powierzchni kontaktu. 7. Warstwowa budowa siarczkowych nanocz stek grafenopodobnych zmniejsza ilo defektów powierzchniowych, podnosz c stabilno tribologiczn ca ej nanocz stki, co mo e stanowi o samoregenerujacym si (okre lon ilo razy) efekcie dzia ania rodka smaruj cego. W a ciwo ci tribologiczne mog by modyfikowane poprzez wprowadzenie innych pierwiastków do zsyntezowanych nanocz stek grafenopodobnych. 8. Nowy kompozyt z siarczkowymi charakteryzuje si niskim wspó czynnikiem tarcia, dobr wytrzyma o ci na wysokie obci enia i du stabilno ci mechaniczn i chemiczn. 9. Siarczkowe nanocz stki grafenopodobne mo na wprowadzi w obj to materia u litego poprzez specjalne, wykonane laserowo mikrokanaliki, które umo liwiaj ich powolne uwalnianie na powierzchni styku. Podsumowanie Optymalizacja parametrów procesu impregnacji siarczkowymi pozwoli a na uzyskanie stosunkowo niskiego wspó czynnika tarcia dla próbek tulei o yskowych. W Instytucie Obróbki Plastycznej opracowano pod kierunkiem Autorki, technologi wytwarzania wyrobów metalurgi proszków w po czeniu z obróbk plastyczn, obróbk ciepln i cieplno-chemiczn. Innowacyjna technologia pozwala na uzyskanie nowego kompozytu na bazie proszków stali nierdzewnej, o podwy szonych w asno ciach mechanicznych i tribologicznych i otwiera nowy kierunek wykorzystania materia ów proszkowych. Przeróbka plastyczna materia ów spiekanych z proszków metali i ich stopów oraz kompozytów na ich osnowie daje mo liwo ci wytwarzania nowoczesnych wyrobów o okre lonej strukturze i w asno ciach mechanicznych oraz u ytkowych. Innym zastosowaniem siarczkowych nanocz stek grafenopodobnych jest wprowadzenie ich w obj to materia u litego poprzez 9. Podsumowanie i wnioski 173
Open Access Library Volume 9 (15) 2012 specjalne, wykonane laserowo mikrokanaliki, które umo liwiaj ich powolne uwalnianie na powierzchni styku. Opracowana technologia otrzymywania siarczkowych nanostruktur grafenopodobnych zosta a rozwini ta w projekcie EUROSTARS. Na rysunku 130 przedstawione s elementy wytwarzane z nowych kompozytów, których technologia zosta a opracowana w Instytucie Obróbki Plastycznej pod kierunkiem Autorki. Kompozyt z siarczkowymi i ciek ym rodkiem smarowym stosowany do pracy w temperaturze otoczenia Kompozyt z siarczkowymi stosowany do pracy w podwy szonych i wysokich temperaturach Porowate o yska lizgowe (Strakonice, Czechy) Sworze klinowy, TKZ Polna, Czechy Uk ady odpowietrzaj ce porowatych o ysk lizgowych uk adów wentylacyjnych samolotów (LTS, Tuluza, Francja) Porowate o yska lizgowe do pieców ta mowych Podk adka i pier cie o yska kulkowego ZKO, Praga, Czechy Uk ady odpowietrzaj ce o ysk kulkowych H/T (LTS, Tuluza, Francja) Narz dzie do kucia na zimno Narz dzie do kucia na gor co technologia wdro ona, faza przedwdro eniowa, opracowana technologia Rysunek 130. Zastosowanie nowych kompozytów z siarczkowymi nanocz stkami grafenopodobnymi 174 H.M. Wi niewska-weinert