Cel naukowy pracy i osiągnięte wyniki wraz z omówieniem ich ewentualnego

Wkład pracy habilitacyjnej do nauki w obszarze Odlewnictwo, dotyczy opracowania nowych odlewniczych, autorskich stopów o podwyższonej odporności na zużycie. Wytworzenie w procesie metalurgicznym węglików pierwotnych, które są równomiernie rozmieszczone w osnowie stopu znacznie

Od 2010

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Odlewnictwa,

adiunkt

6

poprawia odporność na zużycie ścierne – nawet kilkukrotnie. Umożliwia to produkcję wytrzymałych, odpornych na zużycie elementów konstrukcyjnych, które do tej pory wytwarzane były z tradycyjnych stopów.

Nowością w pracy jest wykazanie, że możliwe jest uzyskanie w procesie odlewania stopów, o dużym udziale twardych węglików w osnowie, których twardość po obróbce cieplnej wynosi powyżej 900HV. Takie właściwości przedstawionych stopów, pozwolą na zastosowanie ich na elementy przeznaczone do szczególnych zastosowań np. w przemyśle wydobywczym czy przeróbki materiałów.

Od początku pracy naukowej zajmuję się tematyką stopów odpornych na zużycie, przede wszystkim staliwem Hadfielda oraz martenzytycznym staliwem narzędziowym stosowanym na elementy młynów kulowych. Znajomość warunków pracy i właściwości powszechnie stosowanych stopów odpornych na zużycie, skłoniły mnie do zaproponowania sposobu obniżenia ich zużycia.

Rozwój takich gałęzi przemysłu jak przemysł energetyczny, wydobywczy czy przeróbki kruszyw sprawia, że rośnie zapotrzebowanie na elementy maszyn i urządzeń wykonanych ze stopów odpornych na zużycie. Powszechnie stosowane martenzytyczne staliwo stopowe na bieżnie i kule młynów do mielenia węgla kamiennego, staliwo Hadfielda na zęby koparek czy elementy kruszarek, staliwo odporne na korozję, na elementy pomp do usuwania szlamu i solanki w kopalniach, nie zawsze spełniają w 100% stawiane im wymagania. Ich podstawowy skład chemiczny nie zawsze pozwala uzyskać wystarczającą i zadowalającą odporność na zażycie, zwłaszcza kiedy podczas ich pracy występują złożone procesy zużycia np. obciążenia dynamiczne i proces ścierania. Modyfikacja składu chemicznego stosowanych obecnie staliw, poprzez dodanie pierwiastków węglikotwórczych wpływa korzystnie zarówno na twardość stopów jak i ich odporność na zużycie ścierne. Przedstawione opracowanie dotyczy innowacyjnych stopów odpornych na zużycie o strukturze składającej się z pierwotnych węglików równomiernie rozmieszczonych w osnowie odlewów. Wytworzone w procesie metalurgicznym pierwotne węgliki nadają takim materiałom bardzo dużą odporność na zużycie ścierne. Wytwarzanie narzędzi z przedstawionych stopów metodą odlewania precyzyjnego może być alternatywą dla narzędzi wytwarzanych przez

7

przeróbkę plastyczną. Po pierwsze stopy o najwyższej twardości i o dużym udziale węglików nie są kowalne a po drugie ich obróbka mechaniczna stwarza duże trudności.

Dane literaturowe wskazują na tendencję wprowadzania do osnowy stopów powszechnie stosowanych, cząstek ceramicznych takich jak: VC, TiC, WC, TiN, TiB2, Al2O3

i innych. Mankamentem, podczas wprowadzania różnych cząstek do ciekłej stali, jest jednak różnica gęstości węglików (np. TiC – 4,25g/cm3 czy WC – 15,6g/cm3) w stosunku do gęstości staliwa (7,8g/cm3).

W innych opracowaniach, dotyczących przede wszystkim staliwa narzędziowego chromowego, spotyka się dodatki Ti do 4,8%, a innych pierwiastków przejściowych w ilości dziesiątych procenta. Dodatki pierwiastków silnie węglikotwórczych, nie tylko w staliwie narzędziowym ale również w wysokomanganowym czy chromowo-niklowym, wynika z procesu technologicznego (np. 0,2%Ti jest modyfikatorem) lub dodawane są w celu poprawy właściwości takich jak spawalność czy odporność na korozję.

Nie spotyka się w literaturze opracowań, dotyczących odlewania stopów, z dodatkami pierwiastków węglikotwórczych w ilości proponowanej przez autora, a jedynym ograniczeniem w zastosowaniu takich stopów może być obniżenie ich lejności.

Na podstawie wyznaczonego celu pracy oraz rozpoznania tematyki sformułowałem następujące tezy pracy:

1. Wprowadzenie do stopu podstawowego pierwiastków takich jak.

2. Ti, Nb, V, W, powoduje wytworzenie w osnowie stopu węglików pierwotnych, które są w niej równomiernie rozmieszczone.

3. Przy odpowiednio dobranym składzie chemicznym możliwe jest uzyskanie przyrostu twardości stopu podczas ulepszania cieplnego.

4. Dodatek pierwiastków węglikotwórczych powoduje wzrost twardości stopu.

5. Odporność na zużycie ścierne stopów rośnie wraz z ilością dodatku pierwiastków węglikotwórczych (udziałem wytworzonych węglików).

6. Możliwe jest wykonanie metodą odlewania stopów, których twardość po obróbce cieplnej wynosi powyżej 900HV.

Ponieważ podstawowym celem pracy była ocena wpływu dodatku wybranych pierwiastków węglikotwórczych na mikrostrukturę innowacyjnych

8

stopów oraz porównanie ich odporności na zużycie ścierne w odniesieniu do powszechnie stosowanego staliwa: wysokomanganowego, martenzytycznego oraz chromowo-niklowego, praca obejmuje takie elementy poznawcze otrzymanych stopów jak:

1. Wpływ dodatku pierwiastków węglikotwórczych na mikrostrukturę.

2. Wpływ dodatku pierwiastków węglikotwórczych na twardość stopów.

3. Wpływ parametrów obróbki cieplnej na uzyskiwaną twardość.

4. Porównanie ich odporności na ścieranie.

Materiał do badań stanowiły odlewy próbne wybranych stopów, których skład chemiczny zmieniłem tak, aby powstała możliwość wytworzenia w procesie metalurgicznym pierwotnych węglików. Zwiększając zawartość węgla w stopie i wprowadzając odpowiedni udział pierwiastka węglikotwórczego uzyskałem odlewy próbne o strukturze, w których osnowę stanowi struktura stopu referencyjnego, a fazą wzmacniającą są węgliki pierwotne pierwiastków węglikotwórczych. Wytopy doświadczalne przeprowadziłem w laboratoryjnym piecu indukcyjnym Balzers, o pojemności około 1 kg, a ciekłą stal wylewałem do form ceramicznych. W ten sposób wykonałem odlewy próbne typu „Y”, o założonym składzie chemicznym, grubości ścianki 25mm, długości 70mm i masie około 0,9 kg. Na przygotowanych próbkach wykonałem analizy składu chemicznego, pomiary twardości w stanie lanym oraz po obróbce cieplnej. Z materiału po obróbce cieplnej przygotowałem próbki przeznaczone do badań ścieralności, które wykonałem w próbie Millera. Służy ona do porównania odporności na ścieranie różnych materiałów konstrukcyjnych. Na podstawie otrzymanych ubytków masy, sporządziłem krzywe zużycia badanych próbek, a wartości zużycia badanych stopów porównałem ze zużyciem próbek referencyjnych wykonanych ze Hadfielda o zawartości: 1,2% C, 13% Mn, i 0,8% Si, austenitycznego staliwa odpornego na korozję o zawartości 0,1% C, 18,4% Cr, 8,3% Ni i 0,4% Mo oraz martenzytycznego staliwa stopowego o zawartości 0,7% C, 1,0% Mn, 0,5% Si, 1,8% Cr, 0,6% Ni i 0,4% Mo. Stopy takie są powszechnie stosowane na elementy maszyn pracujących w warunkach ścierania np.: płyty, bijaki, elementy młynów, elementy pomp.

W skali makroskopowej porównałem również powierzchnię próbek po ścieraniu.

9

W prowadzonych badaniach nad poprawą odporności na zużycie, wytworzyłem stopy z dodatkiem wanadu do 18%, tytanu do 10%, niobu do 15% oraz stopy o złożonym składzie z dodatkiem wanadu, wolframu i molibdenu. W procesie krystalizacji wytworzyłem węgliki tych pierwiastków, które rozmieszczone są równomiernie w osnowie stopu. Węgliki wanadu (do zawartości wanadu 5%) mają charakter ścianowy, natomiast przy jego większej zawartości występują w postaci węglików eutektycznych. W przypadku węglików tytanu i niobu są to w przeważającej części wydzielenia o charakterze ścianowym. Na szczególną uwagę zasługują stopy martenzytyczne z V, dla których uzyskałem w dużej części wydzielenia o charakterze owalnym oraz stopy z V+W, w których występują również duże płytkowe węgliki (V,W)xCy.

W pracy przedstawiłem cztery grupy materiałów.

Pierwsza grupa to stopy na bazie staliwa Hadfielda, w którym podniosłem zawartość węgla i wprowadziłem pierwiastki węglikotwórcze takie jak wanad, tytan lub niob.

W stopach tych uzyskałem wzrost twardości austenitycznej osnowy stopu nawet do 600HV, a odporność na zużycie ścierne wzrosła przynajmniej trzykrotnie.

Druga grupa stopów, to staliwa o austenitycznej osnowie Cr-Ni, w których podniosłem zawartość węgla i wprowadziłem pierwiastki węglikotwórcze takie jak tytan lub niob.

Stopy te, o niewielkiej twardości osnowy (330÷350HV) cechują się jednak najmniejszym zużyciem ze wszystkich badanych stopów, które jest ponad 2,5 razy mniejsze w porównaniu do stopu referencyjnego.

Trzecia grupa stopów, to odlewy o martenzytycznej osnowie, w której wytworzyłem pierwotne węgliki tytanu lub niobu. Twardości jakie uzyskałem po obróbce cieplnej w tych odlewach są bardzo duże i wynoszą nawet 900HV, a zużycie ścierne jest blisko czterokrotnie mniejsze niż referencyjnego staliwa odpornego na ścieranie.

Czwarta grupa stopów zasługuje na szczególną uwagę. Są to stopy o osnowie martenzytycznej, do których jednocześnie dodałem wanad, wanad z wolframem lub wanad z wolframem i molibdenem. W odlewach tych, po obróbce cieplnej, uzyskałem największe twardości – powyżej 900HV i równie zadowalającą odporność na zużycie.

Wybrane stopy przedstawione w monografii poddałem modyfikacji borem.

W odlewach tych, zaobserwowałem jego korzystny wpływ przede wszystkim na hartowność badanych stopów oraz na morfologię wytworzonych węglików.

10

We wszystkich grupach badanych stopów, uzyskałem wyraźną poprawę jednorodności zużycia powierzchni próbek, co wiążę z uzyskaną jednorodną, wielofazową mikrostrukturą.

Z nowoopracowanych stopów przygotowałem odlewy testowe: płyty do kruszarki z wysokomanganowego staliwa z niobem, lemiesze do mieszarki z martenzytycznego stopu z niobem oraz ostrza do narzędzi górniczych z martenzytycznego stopu z wanadem, wolframem i molibdenem.

Przeprowadzone badania pozwoliły mi na sformułowanie następujących wniosków:

1. Pierwotne węgliki równomiernie rozmieszczone w osnowie stopu nawet kilkukrotnie obniżają zużycie ścierne badanych stopów.

2. Możliwe jest, wytworzenie w procesie odlewania stopów, których twardość po obróbce cieplnej wynosi co najmniej 900HV.

3. Modyfikacja borem korzystnie wpływa na hartowność badanych stopów.

4. Niejednorodność twardości wynika z obecności w mikrostrukturze austenitu szczątkowego. należy stosować ośrodki o większej intensywności chłodzenia (wodne roztwory polimerów), w stosunku do powszechnie stosowanego oleju.

8. Stopy o najwyższej twardości skłonne są do powstawania pęknięć hartowniczych, dlatego bezpośrednio po hartowaniu należy poddać je wyżarzaniu odprężającemu.

9. Dodatek molibdenu i wolframu można wykorzystać do utwardzenia stopów podczas odpuszczania.

10. Najmniejszym zużyciem charakteryzują się stopy o strukturze austenitycznej – chromowo niklowej, o niższej twardości i przy mniejszym udziale pierwiastka węglikotwórczego.

11

11. Uzyskane struktury o cechach kompozytu powodują, że zwiększa się jednorodność zużycia powierzchni próbek. Najbardziej jednorodne jest dla stopów z wanadem, wolframem i molibdenem.

Przedstawione w monografii rozważania, poparte wynikami badań, wskazują na słuszność postawionych tez i możliwość zastosowania proponowanych stopów na elementy przeznaczone do szczególnych zastosowań np. w przemyśle wydobywczym czy przeróbki materiałów.

Dalszymi badaniami nad stopami przedstawionymi w pracy zainteresowana jest firma IHC MTI B.V. z Holandii, która zajmuje się produkcją m.in. elementów pomp pracujących w warunkach ścierania, oraz głowic tnących, które stosowane są np. do pogłębiania dna morskiego czy ujść rzek. Na początku roku 2019, Wydział Odlewnictwa AGH, podpisał umowę o współpracy z tą Firmą, której jestem koordynatorem.