Obróbka powierzchni materiałów inżynierskich

(1)

Published since 1998 as Studies of the Institute of Engineering Materials and Biomaterials

SOWA

Volume 5, 2011 Scientiic International Journal of the World Academy

of Materials and Manufacturing Engineering

publishing scientiic monographs in Polish or in English only

LIBRARY

Obróbka powierzchni materiałów inżynierskich

Leszek A. Dobrzański

Anna D. Dobrzańska-Danikiewicz

(2)

Patronage

Abstracting services

Journal Registration

Publisher

Journal is cited by Abstracting Services such as:

The Directory of Open Access Journals

The Journal is registered by the Civil Department of the District Court in Gliwice, Poland Institute of Engineering Materials and Biomaterials of the Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

Association of Computational Materials Science and Surface Engineering World Academy of Materials and Manufacturing Engineering

This journal is a part of Reading Direct, the free of charge alerting service which sends tables of contents by e-mail for this journal and in the promotion period also the full texts of monographs. You can register to Reading Direct at

International OCSCO World Press

Gliwice 44-100, Poland, ul. S. Konarskiego 18a/366 e-mail: info@openaccesslibrary.com

www.openaccesslibrary.com

Bank account: Stowarzyszenie Komputerowej Nauki o Materiałach i Inżynierii Powierzchni Bank name: ING Bank Śląski

Bank addres: ul. Zwycięstwa 28, 44-100 Gliwice Poland Account number/ IBAN CODE: PL 76105012981000002300809767 Swift code: INGBPLPW

Gliwice

Reading Direct

Prof. Rudolf Kawalla – Germany Prof. Stanisław Mitura – Poland Prof. Jerzy Nowacki – Poland Prof. Ryszard Nowosielski – Poland Prof. Jerzy Pacyna – Poland

Prof. Maria Richert – Poland Prof. Maria Helena Robert – Brazil Prof. Mario Rosso – Italy Prof. Bozo Smoljan – Croatia Prof. Mirko Sokovic – Slovenia Prof. Leszek Wojnar – Poland

®

(3)

Obróbka powierzchni

materiałów inżynierskich

(4)

Prof. dr hab. inż. Zbigniew Rdzawski (Politechnika Śląska – Gliwice)

Prof. zw. dr hab. inż. Marian Żenkiewicz (Uniwersytet Kazimierza Wielkiego – Bydgoszcz)

ŹRÓDŁO FINANSOWANIA:

Druk książki sinansowano ze środków projektu POKL.04.01.01-00-003/09-00 INFONANO

pt. „Otwarcie i rozwój studiów inżynierskich i doktoranckich w zakresie nanotechnologii i nauki o materiałach”,

współinansowanego przez

Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego

ISSN 2083-5191 ISBN 83-89728-93-1 EAN 9788389728937 REDAKCJA TECHNICZNA:

Dr inż. Eugeniusz Hajduczek (Politechnika Śląska – Gliwice)

(5)

Streszczenie ... 7

Abstract ... 9

Słowo wstępne...11

1. Ogólna charakterystyka tendencji rozwojowych... ...¹⁵

inżynierii materiałowej i metod kształtowania struktury i własności powierzchni materiałów inżynierskich 1.1. Znaczenie rozwoju inżynierii materiałowej ...¹⁵

dla gospodarki opartej na wiedzy i innowacyjności 1.2. Badania foresightowe dotyczące metod kształtowania ...20

struktury i własności powierzchni materiałów inżynierskich 1.3. Współczesne znaczenie technologii kształtowania ...33

struktury i własności powierzchni materiałów inżynierskich 1.4. Ogólna klasyikacja warstw powierzchniowych ...39

i metod kształtowania struktury i własności powierzchni materiałów inżynierskich 2. Technologie kształtowania struktury i własności ...47

powierzchni materiałów inżynierskich w wyniku chemicznego oddziaływania ośrodka w podwyższonej temperaturze 2.1. Ogólna charakterystyka obróbki cieplno-chemicznej ...47

stali i innych stopów żelaza 2.2. Perspektywy rozwojowe obróbki cieplno-chemicznej ...55

stali i innych stopów żelaza 2.3. Nawęglanie ...57

2.4. Azotowanie ...62

2.5. Kompleksowe nasycanie azotem i innymi niemetalami ...68

2.6. Pasywacja ...73

2.7. Dyfuzyjne nasycanie innymi niemetalami ...78

2.8. Metalizowanie dyfuzyjne ...81

2.9. Atmosfery ochronne i obróbka cieplna w próżni ...86

(6)

3.1. Ogólna charakterystyka procesów nanoszenia powłok ...89

i ich rozwoju 3.2. Fizyczne osadzanie powłok z fazy gazowej PVD ...97

3.3. Chemiczne osadzanie powłok z fazy gazowej CVD ...117

3.4. Funkcjonalne powłoki gradientowe ...124

3.5. Technologie hybrydowe obróbki powierzchniowej ...125

3.6. Implantacja jonów ...127

3.7. Diamentopodobne powłoki węglowe ...132

4. Technologie kształtowania struktury i własności ...137

powierzchni materiałów inżynierskich przez osadzanie powłok z fazy ciekłej i stałej 4.1. Ogólna klasyikacja procesów osadzania powłok z fazy ...137

ciekłej i stałej 4.2. Osadzanie powłok zanurzeniowych ogniowych ...139

4.3. Osadzanie galwaniczne powłok...149

4.4. Osadzanie powłok zol-żel z fazy ciekłej ...158

4.5. Osadzanie powłok organicznych z fazy ciekłej ...170

4.6. Osadzanie elektroforetyczne powłok z fazy ciekłej...176

4.7. Nakładanie powłok organicznych proszkowych z fazy stałej ...179

5. Technologie kształtowania struktury i własności ...181

powierzchni materiałów inżynierskich z wykorzystaniem promieniowania laserowego i innych technologii spawalniczych 5.1. Ogólna klasyikacja technologii nanoszenia powłok ...181

metodami spawalniczymi 5.2. Warstwy powierzchniowe kształtowane...183

z wykorzystaniem technologii laserowych 5.3. Technologie napawania kształtujące strukturę ...204

i własności warstw powierzchniowych elementów maszyn 5.4. Technologie natryskiwania cieplnego ...212

warstw powierzchniowych 5.5. Technologie detonacyjnego nanoszenia powłok ...222

(7)

6. Struktura i własności powierzchni wybranych ... 226 nanostrukturalnych i innych materiałów inżynierskich

6.1. Struktura i własności twardych powłok na spiekanych ...226 materiałach narzędziowych

6.2. Struktura i własności powłok PVD i CVD na stopach miedzi ....237 6.3. Struktura i własności narzędziowych materiałów ...245 gradientowych wytwarzanych metodami metalurgii proszków 6.4. Struktura i własności powierzchni stali narzędziowych ...254 stopowych do pracy na gorąco obrobionych laserowo

6.5. Struktura i własności powierzchni stopów magnezu ...259 obrobionych laserowo

6.6. Powierzchniowe warstwy stopowe odlewnicze ...266 i iniltracyjne

6.7. Powierzchniowe warstwy formowane metodami ...269 metalurgii proszków

6.8. Powierzchniowe warstwy ceramiczne ...271 6.9. Struktura i własności wybranych nanostrukturalnych ...272

pokryć i warstw wierzchnich

6.10. Struktura powierzchni materiałów elektronicznych ...290 obrobionych metodami litograicznymi i nanolitograicznymi 6.11. Struktura i własności powierzchni materiałów ...301

fotowoltaicznych

6.12. Struktura i własności powierzchni implantów ...324 i biomateriałów stosowanych w medycynie oraz

w inżynierii stomatologicznej

7. Struktura i własności materiałów polimerowych ...342 obrabianych powierzchniowo oraz pokryć polimerowych

7.1. Ogólna charakterystyka obróbki powierzchniowej ...342 materiałów polimerowych i pokryć polimerowych

7.2. Technologie mechanicznej, chemicznej i płomieniowej...346 obróbki powierzchni materiałów polimerowych

7.3. Obróbka powierzchni materiałów polimerowych ...350 z wykorzystaniem różnych rodzajów promieniowania

7.4. Ogólna charakterystyka obróbki powierzchni ...353 materiałów polimerowych związanej z oddziaływaniem plazmy niskotemperaturowej

(8)

7.6. Obróbka powierzchni materiałów polimerowych ...362

związana z nanoszeniem innych materiałów 7.7. Pokrycia polimerowe na innych materiałach technicznych ...364

8. Zmiany struktury i własności powierzchni ...368

materiałów inżynierskich w wyniku eksploatacji 8.1. Ogólna klasyikacja zmian struktury i własności ...368

powierzchni materiałów inżynierskich w wyniku eksploatacji 8.2. Zużycie trybologiczne ...374

8.3. Korozja metali i stopów ...382

8.4. Inne mechanizmy zużycia nietrybologicznego ...402

8.5. Zużycie i niszczenie narzędzi ...405

Uwagi końcowe ...417

Zdjęcia materiałograiczne ...424

Literatura ...434

(9)

Obróbka powierzchni materia łów in ynierskich

Leszek A. Dobrza ski, Anna D. Dobrza ska-Danikiewicz Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika l ska, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice, Polska

Adres korespondencyjny e-mail:

leszek.dobrzanski@polsl.pl; anna.dobrzanska-danikiewicz@polsl.pl

Streszczenie

Cel: Celem niniejszej ksi zki, która jest monografi naukow , jest prezentacja analizy stanu wiedzy, obejmuj cego ogólne trendy rozwojowe i najbardziej perspektywiczne obszary współczesnych tech- nologii obróbki, decyduj cych o kształtowaniu struktury i własno ci warstw powierzchniowych materiałów in ynierskich, a w ród nich tak e wykazuj cych struktur nanometryczn , w oparciu o pełen przegl d krajowego i wiatowego pi miennictwa dotycz cego tematu oraz wyniki obszernych prac własnych. W ksi ce zaprezentowano tak e ogólny pogl d dotycz cy obecnego stanu tych e technologii oraz metodyk bada własnych wykonanych w ramach e-foresightu technologicznego in ynierii powierzchni materiałów, podj tych w celu prognozowania trendów jej rozwoju. W ksi ce przedstawiono awangardowe i supernowoczesne, specjalistyczne technologie obróbki powierzchni obecnie wdra ane do praktyki przemysłowej, lub nawet b d ce w fazie bada laboratoryjnych albo w fazie aplikacji w skali półtechnicznej wraz z tradycyjnymi metodami in ynierii powierzchni.

Szeroko opisano tak e wybrane technologie krytyczne in ynierii powierzchni materiałów, rozumiane jako priorytetowe technologie o najlepszych perspektywach rozwojowych i/lub kluczowym znacze- niu w przemy le w zało onym horyzoncie czasowym najbli szych 20 lat.

Projekt/metodologia/podejWcie: U podstaw podej cia do wyboru tematyki tej ksi zki stoi prze wiad- czenie, e poprawa własno ci u ytkowych wielu produktów zwi zana jest bardzo cz sto z odpowie- dnim ukształtowaniem struktury i własno ci warstw powierzchniowych materiałów in ynierskich i biomedycznych, wobec czego zaprezentowano wył cznie technologie obróbki powierzchni słu ce temu celowi. Ma to szczególne znaczenie w czasie, gdy s wyra ne oczekiwania dostarczania materiałów in ynierskich na danie, w których nie masa, ani cena, s głównymi deskryptorami materiałów, lecz ich struktura i wynikaj ce z niej wysokie własno ci w warunkach eksploatacji wytworzonych z nich produktów. Bardzo cz sto, to wła nie powierzchnia, warstwy wierzchnie lub powłoki, s no nikami tych danych własno ci materiałów in ynierskich, a te wła nie własno ci decyduj o ich warto ci handlowej.

Osi>gniCcia: Osi gni cia niniejszej ksi ki dotycz działa stanowi cych podstaw prac własnych dotycz cych metodologii zintegrowanego komputerowo wspomaganego prognozowania rozwoju in ynierii powierzchni. W ksi ce opisano priorytetowe technologie kształtowania struktury i włas- no ci warstw powierzchniowych produktów i ich elementów wytworzonych z materiałów in ynier- skich o najlepszych perspektywach rozwojowych i/lub kluczowym znaczeniu w przemy le, które uprzednio poddano badaniom własnym w celu oceny ich warto ci według zobiektywizowanych kry- teriów na tle mikro- i makrootoczenia oraz utworzenia kilku alternatywnych mo liwych scenariuszy ich rozwoju, słu cych polepszeniu własno ci u ytkowych, trwało ci i niezawodno ci produktów

(10)

prognozowania rozwoju technologicznego i aplikacji opracowanych rozwi za technologicznych w praktyce przemysłowej. Ksi ka jest przeznaczona zarówno dla studentów, jak i dla pracowników naukowych, ale tak e dla in ynierów i menad erów pracuj cych w przemy le, gdzie w najbli szym czasie do pracy trafi obecni studenci. Ksi k bezpłatnie udost pniono w Internecie, w czasopi mie typu „Open Access”, aby zaprezentowana w niej wiedza mogła stać si przydatna w rednich i małych przedsi biorstwach, w celu rozwoju gospodarki opartej na wiedzy i innowacji. Dla roz- szerzenia celów e-foresightu na sfer aplikacji i implementacji wiedzy o wyselekcjonowanych tech- nologiach kształtowania struktury i własno ci powierzchni materiałów in ynierskich i generalnie technologii procesów materiałowych oraz przetwórstwa materiałów in ynierskich opracowano ponadto i zaprezentowano w ksi ce koncepcj centrum e-transferu technologii.

Oryginalno ć/warto ć: Oryginalno ć niniejszej ksi ki polega na prezentacji bardzo obszernej wiedzy na temat technologii obróbki powierzchni materiałów in ynierskich i biomedycznych, zawieraj cej równie wyniki bardzo wielu bada własnych wykonanych w tym zakresie w ostatnich latach, co stanowi solidny fundament dla podj cia bada e-foresightowych i kreowanych innowa- cyjnych działa w zakresie e-transferu najnowocze niejszych i najbardziej perspektywicznych tech- nologii obróbki powierzchni. Synergiczne oddziaływanie obu koncepcji e-foresightu oraz wywo- dz cej si z tej koncepcji metody e-transferu technologii i wiedzy umo liwiaj cej praktyczn implementacj wykonanych bada materiałoznawczo-heurystycznych, tworzy pełny i zintegrowany system predykcji rozwoju technologii kształtowania struktury i własno ci powierzchni oraz aplikacji wyników tych bada w szerokim rodowisku menad erów i in ynierów zatrudnionych w jednostkach przemysłowych.

Słowa kluczowe: Materiałoznawstwo; In ynieria powierzchni; Warstwy wierzchnie; Powłoki;

Obróbka cieplno-chemiczna; Nanoszenie powłok z fazy gazowej; Osadzanie powłok z fazy ciekłej i stałej; Laserowa obróbka powierzchni; Metody spawalnicze obróbki powierzchni; Warstwy odlew- nicze i infiltracyjne; Warstwy formowane metodami metalurgii proszków; Warstwy ceramiczne;

Nanostrukturalne pokrycia i warstwy wierzchnie; Metody litograficzne i nanolitograficzne;

Obróbka powierzchni materiałów fotowoltaicznych; Obróbka powierzchni implantów i bioma- teriałów; Obróbka powierzchni materiałów stomatologicznych; Materiały polimerowe obrabiane powierzchniowo; Pokrycia polimerowe; Zu ycie trybologiczne; Korozja metali i stopów; Mechani- zmy zu ycia nietrybologicznego; Zu ycie i niszczenie narz dzi; E-foresight; E-transfer technologii;

Cytowania tej monografii powinny być podane w nast puj cy sposób:

L.A. Dobrza ski, A.D. Dobrza ska-Danikiewicz, Obróbka powierzchni materiałów in ynierskich, Open Access Library, Volume 5, 2011, str. 1-480.

(11)

Engineering materials surface treatment

Leszek A. Dobrza ski, Anna D. Dobrza ska-Danikiewicz

Mechanical Engineering Faculty, Silesian University of Technology, Konarskiego St. 18a, 44-100 Gliwice, Poland

Corresponding e-mail address:

leszek.dobrzanski@polsl.pl; anna.dobrzanska-danikiewicz@polsl.pl

Abstract

Purpose: The purpose of this book, being a scientific monograph, is to present an analysis of the state of the art encompassing the general development trends and the most prospective areas of the contemporary treatment technologies crucial for engineering materials surface layers structure and properties formation, including such exhibiting a nanometric structure, based on the full review of the domestic and global literature devoted to this area as well as the results of extensive own works.

The book also presents a general view concerning the current state of the art of such technologies and a methodology of the own research undertaken as part of technology e-foresight of materials surface engineering pursued in order to anticipate its development trends. The book presents avant-garde and ultramodern, specialist surface treatment technologies being currently imple- mented in the industrial practise or even those in the phase of laboratory research or in the phase of application at a semi-technical scale together with the traditional surface engineering methods.

The selected critical technologies of materials surface engineering understood as the priority technologies with the best development prospects and/or of key significance for industry over the assumed time horizon of the nearest 20 years are also extensively discussed.

Project/methodology/approach: A belief that the improvement of functional properties of many products is very often related to the appropriate formation of engineering and biomedical materials surface layers structure and properties has been fundamental for choosing the subject matter of this book. For this reason, the surface treatment technologies serving this purpose are discussed only. It is especially important in the times when clear expectations exist for delivering engineering materials on demand with not their mass or price being the key determinants of such materials but their structure and the resulting high properties in operating conditions of the products produced of them. In many cases the surface, surface layers or coatings are the carriers of the demanded properties of engineering materials, and such properties are decisive for their market value.

Findings: The achievements of this book concern the actions representing a basis of own work relating to the methodology of integrated computer aided prediction of surface engineering deve- lopment. The book describes the priority technologies for the formation of surface layers structure and properties of products and their parts produced of engineering materials with the best deve- lopment prospects and/or of key significance for industry. The materials, in prior, were subjected to own research to evaluate their properties according to objectivised criteria against the micro- and macroenvironment and to create several alternative, feasible development scenarios. The purpose of such scenarios is to improve the functional properties, durability and reliability of products and

(12)

as the methodology of the technological development prediction and application of the established technological solutions in the industrial practise. The book is intended for students as well as for scientific workers, but also engineers and managers working in industry where the current students will soon work. The book is available for free in the web in an Open Access-type journal so that the knowledge presented in the book can become useful for small- and medium-sized enterprises to develop a knowledge- and innovation-based economy. A concept of the technology e-transfer centre was also elaborated and presented in the book in order to broaden the objectives of e-foresight to include the domain of application and implementation of knowledge on the selected technologies of engineering materials surface layers structure and properties and in general materials processes technologies and engineering materials processing.

Originality/value: The originality of the book consists in the fact that it provides very comprehen- sive knowledge on engineering and biomedical materials surface treatment technologies, including also the outcomes of extensive own research in this field in the recent years. This lays a solid groundwork for undertaking e-foresight research and innovative actions related to the e-transfer of the most modern and most prospective surface treatment technologies. The synergic influence of the both concepts of e-foresight and of the method of e-transfer of technology and knowledge deriving from the concept enabling the practical implementation of the materials science and heuristic research performed, sets up a comprehensive and integrated system of prediction of surface structure and properties formation technologies and of applying the results of such research in a wide environment of managers and engineers employed in industrial entities.

Keywords: Materials science; Surface engineering; Surface layers; Coatings; Thermochemical treatment; Physical Vapour Deposition (PVD); Coatings deposition from the liquid and solid phase;

Laser surface treatment; Welding surface treatment methods; Cast and infiltration layers; Layers formed with powder metallurgy methods; Ceramic layers; Nanostructural surface coatings and layers; Lithography and nanolithography methods; Surface treatment of photovoltaic materials;

Surface treatment of implants and biomaterials; Surface treatment of dental materials; Surface treated polymer materials; Polymer coatings; Tribological wear; Corrosion of metals and alloys;

Mechanisms of non-tribological wear; Wear and destruction of tools; E-foresight; Technology e-transfer;

Reference to this paper should be given in the following way:

L.A. DobrzaMski, A.D. DobrzaMska-Danikiewicz, Engineering materials surface treatment, Open Access Library, Volume 5, 2011, pp. 1-480 (in Polish).

(13)

„Czytanie jest dla umys łu tym, czym ćwiczenie dla ciała”

Sir Richard Steele (1672-1729)

S łowo wst pne

Od kilku lat jest realizowany przez Zespół Pracowników Instytutu Materiałów In ynierskich i Biomedycznych Politechniki l skiej w Gliwicach Projekt INFONANO pt. „Otwarcie i rozwój studiów in ynierskich i doktoranckich w zakresie nanotechnologii i nauki o materiałach”

w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki. Celem ogólnym tego Projektu jest wzmocnienie roli Politechniki l skiej w rozwoju konkurencyjnej gospodarki opartej na wiedzy i innowacjach oraz rozszerzenie jej oferty edukacyjnej i podnoszenie jako ci kształ- cenia na unikatowych studiach technicznych oraz doktoranckich, w celu lepszej adaptacji jej absolwentów do potrzeb rynku pracy oraz konkurencyjnych i innowacyjnych przedsi biorstw.

Jedn z form realizacji tego celu jest przygotowywanie pomocy dydaktycznych, w tym ksi ek naukowych i podr czników. Mottem niniejszej pracy stały si słowa autora pomysłu regu- larnego publikowania dobrze napisanych artykułów, w miejsce dotychczas przekazywanych naj wie szych informacji, Sir Richarda Steele’a, opublikowane w 1710 roku w „Tatlerze”, który był poprzednikiem zało onego równie przez niego i do dzi wydawanego „Guardiana”.

Niniejsz ksi k przygotowano z my l o studentach i pracownikach naukowych.

U podstaw wyboru tematyki tej ksi zki stoi prze wiadczenie, e poprawa własno ci u ytkowych wielu produktów zwi zana jest bardzo cz sto z odpowiednim kształtowaniem struktury i własno ci warstw powierzchniowych materiałów in ynierskich i biomedycznych.

Zaprezentowano wiele współczesnych metod obróbki powierzchni, które ograniczono wył - cznie do tych, które decyduj o kształtowaniu struktury i własno ci warstw powierzchniowych materiałów in ynierskich, a w ród nich tak e tych które wykazuj struktur nanometryczn . Wykorzystano wielokrotnie wyniki prac własnych wykonanych w Zakładzie Technologii Procesów Materiałowych, Zarz dzania i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie Instytutu Materiałów In ynierskich i Biomedycznych Politechniki l skiej w Gliwicach.

(14)

lub powłoki, s no nikami tych danych własno ci materiałów in ynierskich, za które klienci s gotowi zapłacić spore pieni dze. Trzeba zatem umieć spełnić takie dania. St d prze-

wiadczenie, e ta ksi ka jest potrzebna, zarówno studentom, jak i pracownikom naukowym, ale tak e in ynierom i menad erom pracuj cym w przemy le, bo przecie za moment, tam wła nie trafi nasi absolwenci. Im bardziej ta wiedza stanie si przydatna w rednich, a nawet małych przedsi biorstwach, im wi cej osób tam pracuj cych b dzie jej poszukiwało, tym lepiej b dzie to wiadczyło o gospodarce Kraju, opartej na wiedzy i innowacjach. Dlatego te zadecydowali my t ksi k opracować bez honorarium autorskiego i bezpłatnie udost pnić j w Internecie, w czasopi mie typu „Open Access”.

Za inspiracj do zainteresowania si przez nas niektórymi wybranymi zagadnieniami in ynierii powierzchni oraz współprac przy wspólnej realizacji licznych bada naukowych, których wyniki choćby w cz ci zacytowano w niniejszej ksi ce, szczególne podzi kowania składamy doktorom: Barbarze Doł a skiej, Justynie Domagale-Dubiel, Aleksandrze Drygale, Ewie Jondzie, Annie Kloc-Ptasznej, Małgorzacie Musztyfadze, Mirosławie Pawlycie, Magda- lenie Polok-Rubiniec, Ludwinie ukowskiej, Krzysztofowi Adamaszkowi, Mirosławowi Bonkowi, Klaudiuszowi Gołombkowi, Eugeniuszowi Hajduczkowi, Krzysztofowi Labiszowi, Krzysztofowi Lukaszkowiczowi, Grzegorzowi Matuli, Januszowi Mazurkiewiczowi, Szymo- nowi Malarze, Jarosławowi Mikule, Danielowi Pakule, Markowi Piecowi, Adamowi Polokowi, Marianowi Przybyłowi, Marcinowi Staszukowi, Tomaszowi Ta skiemu, Jackowi Trzasce i Bogusławowi Zi bowiczowi oraz magistrom Adamowi Jagielle, Dariuszowi Łukowcowi i Markowi Szindlerowi. Za pomoc w wykre leniu rysunków dzi kujemy serdecznie doktorowi Jarosławowi Koniecznemu oraz doktorantom: Iwonie Czaji, Marzenie Giedroć, Justynie Hajduczek, Magdalenie Kału nej, Magdalenie Macek, Agnieszce Mucha, Barbarze Nieradce,

(15)

Małgorzacie Ondruli, Magdalenie Szindler, Magdalenie Tkaczyk, Weronice Wolany, Marci- nowi Basi skiemu, Dawidowi Cichockiemu, Tomaszowi Gawłowi, Andrzejowi Hudeckiemu, Arkadiuszowi Jabło skiemu, Łukaszowi Krzemi skiemu, Dariuszowi Łukowcowi, Pawłowi Nuckowskiemu, Wojciechowi Pakiele i Markowi Szindlerowi. Szczególne podzi kowania kierujemy do doktora Eugeniusza Hajduczka za pieczołowit , bezinteresown i nieocenion pomoc w dokonaniu redakcji całej ksi ki. Profesorom Jerzemu Nowackiemu, Zbigniewowi Rdzawskiemu oraz Marianowi enkiewiczowi dzi kujemy serdecznie za cenne uwagi, wsparcie i akceptacj ksi ki do druku. Ponadto serdecznie dzi kujemy wszystkim Współpracownikom, którzy przyczynili si do wydania tej ksi ki, gdy Ich pomoc i wsparcie miały du e znaczenie dla przygotowania jej w prezentowanej formie.

Autorzy

Gliwice w pa dzierniku 2011 roku

(16)

(17)

1. Ogólna charakterystyka tendencji rozwojowych in ynierii materia łowej i metod kształtowania struktury i własno ci powierzchni materia łów in ynierskich

1.1. Znaczenie rozwoju in ynierii materia łowej dla gospodarki opartej na wiedzy i innowacyjno ci

Jednym z zada wynikaj cych z wytycznych polityki naukowej, naukowo-technicznej i innowacyjnej Polski do 2020 roku jest gospodarka oparta na wiedzy (GOW), która zasadza si na tworzeniu traktowanym jako produkcja oraz na dystrybucji i praktycznym wykorzystaniu wiedzy i informacji. Podstaw rozwoju gospodarczego s zatem produkcja, dystrybucja i wdro enie, a wiedza b d ca produktem stanowi główny przyczynek do zrównowa onego rozwoju. Bardziej efektywna, konkurencyjna i niskoemisyjna gospodarka oparta na wiedzy i innowacyjno ci (GOWI) obejmuje kompleksowe działania podejmowane w Unii Europej- skiej do 2020 roku, zapewniaj ce wysoki poziom zatrudnienia oraz spójnoć społeczn i terytorialn w ramach 5 celów dotycz cych wzrostu poziomu zatrudnienia, wzrostu poziomu inwestycji na badania i rozwój oraz innowacje, ograniczenia negatywnych skutków zmian klimatu i lepszego wykorzystania ródeł energii, w tym odnawialnych, wzrostu poziomu edu- kacji oraz redukcji ubóstwa i wykluczenia społecznego. Innowacje rozumiane jako cenne, nowatorskie pomysły stanowi istot projektu Unia Innowacji (j. ang.: Innovation Union) Komisji Europejskiej, dotycz cego koncentracji na innowacjach, jako metodzie rozwi zania najwa - niejszych wyzwa strategii Europa 2020. Z tego wzgl du poziom inwestycji na badania i rozwój oraz innowacje do 2020 roku powinien osi gn ć 3% PKB UE ł cznie ze rodków publicznych i prywatnych, a strumie inwestycji powinien być skierowany na dziedziny nauki i gał zie przemysłu przynosz ce najwi ksz warto ć dodan . Dotyczy to w głównej mierze małych i rednich przedsi biorstw obejmuj cych w Polsce 99,8% wszystkich przedsi biorstw wytwarzaj cych 68% PKB. Polityka Spójno ci Unii Europejskiej promuje wi c przedsi - biorstwa, zwłaszcza małe i rednie, jako systemy innowacyjne, edukacyjne i informacyjno- komunikacyjne, wiadomie zarz dzaj ce wiedz , jako zasobem strategicznym z uwzgl d- nieniem oddziaływania otoczenia. W strategii Europa 2020 Unia Europejska okre liła [1-3], e rozwój kontynentu b dzie inteligentny, sprzyjaj cy wł czeniu społecznemu i zrównowa ony (rys. 1), pomimo obecnej trudnej sytuacji gospodarczej i towarzysz cymi jej problemami dotycz cymi zmian klimatu, wzrostu zu ycia i wyczerpywania si tradycyjnych ródeł energii, bezpiecze stwa ywno ci, słu by zdrowia i post puj cego starzenia si społecze stwa.

(18)

Rysunek 1. Schematyczna prezentacja priorytetów i celów Strategii „Europa 2020” Unii Europejskiej [4]

W ród podstawowych programów i inicjatyw Unii Europejskiej realizowanych w ramach współpracy mi dzynarodowej dla osi gni cia wymienionego stanu jest 7. Program Ramowy Wspólnoty Europejskiej na lata 2007-2013 (7. PR) w zakresie bada , rozwoju technologicz- nego i wdro e , a tak e przygotowywany ju 8. Program Ramowy Wspólnoty Europejskiej na kolejne lata pocz>wszy od roku 2014 (FP8 [5]). W 8. Programie Ramowym Wspólnoty Europejskiej na kolejne lata, pocz wszy od roku 2014, przewiduje si 4 główne zadania.

GLOBAL CHALLENGES (Wyzwania globalne), takie jak energia, zmiany klimatu, zape- wnienie ywno ci i kilka innych, wymagaj nowego, strategicznego podej cia do współpracy mi dzynarodowej oraz wł czenia innych krajów i regionów w ramach umów bilateralnych i wielonarodowych. INNOVATION (Innowacje) jako kontynuowany priorytet wywiera zna- cz cy wpływ poprzez projekty obejmuj ce współprac mi dzy przedsi biorstwami, instytutami badawczymi oraz Uniwersytetami. FRONTIER RESEARCH AND MOBILITY (Granice poznania i mobilno ć) ma sprzyjać dalszemu umacnianiu pozycji rodowiska naukowo- badawczego i efektywno ci bada naukowych i prac innowacyjnych przez wymian osobow , sta e naukowe i wspieranie rozwoju karier naukowych, ze szczególnym zwróceniem uwagi na równe szanse kobiet i m czyzn. SUPPORT (Wspieranie) to priorytet słu cy rozwojowi

(19)

Europejskiej Przestrzeni Badawczej poprzez transfer wiedzy, wspieranie karier badawczych i współprac mi dzynarodow dla wspierania odpowiednio innowacji, mobilno ci kadrowej i sprostania wyzwaniom globalnym. Program Ramowy PR8 wymaga skupienia uwagi na kluczowych priorytetach zarówno globalnych, jak i europejskich i nale y si spodziewać, e znajd si w ród nich zmiany klimatu, bezpiecze stwo energetyczne, odnawialne ródła energii, bezpiecze stwo ywno ciowe, bioekonomia bazuj ca na naukach o yciu, gospodarka morska, nauki społeczne, wspieranie polityki spójno ci i ochrony zdrowia i ycia ludzkiego.

W ramach ci gle aktualnego 7. Programu Ramowego Wspólnoty Europejskiej na lata 2007- 2013, wzmacnianie potencjału badawczego Europy, tworzenie regionów wiedzy, budowanie infrastruktury badawczej, a tak e spójny rozwój polityk badawczych oraz działania w zakresie współpracy mi dzynarodowej wyznaczaj zakres programu szczegółowego CAPACITIES (Mo liwo ci) 7. PR o zasadniczym znaczeniu dla konkurencyjno ci i utrzymania potencjału wytwórczego Unii Europejskiej, niezb dnego wzmocnienia bada przemysłowych, oraz wpro- wadzania nowych rozwi za dla doskonaleniu istniej cego potencjału wytwórczego. Program szczegółowy IDEAS (Pomysły) 7. PR zakłada wspieranie najbardziej twórczych, interdyscyplinarnych bada naukowych na granicy wiedzy (j.ang.: frontier research). Do sił nap do- wych (j. ang.: drivers) rozwoju nowych technologii, okre lonych przez Komisj Europejsk nale y presja na rozwój nowych technologii, intensyfikacja popytu na nowe materiały i procesy produkcyjne oraz spełnianie zasad zrównowa onego rozwoju. Szanse sukcesu maj głównie zespoły i laboratoria interdyscyplinarne, w skład których wchodz specjali ci wielu dziedzin. Efekty innowacyjne i zwi zana z tym konkurencyjno ć wytwórców produktów na rynkach mi dzynarodowych zale ne s oczywi cie od przyj tej strategii rozwojowej technologii. Brak mo liwo ci konkurowania przez Uni Europejsk z krajami rozwijaj cymi si o relatywnie taniej sile roboczej, wymusza wybór strategii integracji ró nych zaawansowanych dziedzin nauki i technologii oraz osi gania efektów synergicznych w opracowywaniu nowych technologii, w tym materiałowych i dotycz cych kształtowania struktury i własno ci powierzchni materiałów in ynierskich, czego skutkiem z pewno ci b dzie generowanie nowych miejsc pracy dla wysoko wykwalifikowanych kadr. Obszar merytoryczny bada okre lonych w 7. PR dotycz cy głównej linii rozwojowej in ynierii materiałowej i metod wytwarzania obj ty jest tematem „Nanonauki, nanotechnologie, materiały i nowe technologie produkcyjne” pro- gramu szczegółowego COOPERATION (Współpraca) 7. PR i dobrze wpisuje si w polityk europejsk budowania konkurencyjnej Europy.

(20)

teriałowych jest oczekiwanie na wytwarzanie materiałów o własno ciach zamówionych przez u ytkowników produktów. Zasadniczo zmienia to metodologi projektowania materiało- wego w ogólno ci oraz projektowania materiałowego produktów, gdy na danie wytwórców nale y dostarczać materiały o odpowiednio ukształtowanej strukturze gwarantuj cej wyma- gany zespół własno ci fizykochemicznych, a nie jak poprzednio z dostarczonych materiałów o oferowanych strukturze i własno ciach wytwórcy mogli dokonywać wyboru materiału najbardziej zbli onego do oczekiwa . Prognozy europejskie wymuszaj zatem klasyfikacj mate- riałów in ynierskich ze wzgl du na charakterystyki funkcjonalne. Wobec tego mniej istotny jest rodzaj u ytego materiału, a wa niejsza jest jego funkcjonalno ć. W raportach projektu FutMan ujawniono zmian w ocenie roli materiałów in ynierskich, które nie mog być nadal postrzegane jako towary same w sobie, o poszukiwanych dla nich zastosowaniach, a rynek nowych materiałów in ynierskich nie mo e pozostawać w dalszym ci gu rynkiem producenta.

Nowe materiały in ynierskie i procesy wytwarzania s bowiem podporz dkowane potrzebom klienta i funkcjom u ytkowym produktów. Wytwarzanie materiałów spełniaj cych potrzeby wytwórców produktów rynkowych w odpowiednim czasie i miejscu (j. ang.: materials on demand) stanowi priorytet nowych technologii materiałowych i procesów wytwarzania. Z tak zmienion metodologi projektowania materiałowego wi si liczne działania okre lone w tym Foresighcie europejskim, zwi zane z modelowaniem i symulacj procesów wytwarzania oraz predykcj własno ci eksploatacyjnych materiałów, opracowaniem bezpiecznych technologii materiałów i produktów zło onych z elementów nanostrukturalnych, normalizacj bada własno ci materiałów zwłaszcza nanostrukturalnych, opracowaniem metodyki predykcji zachowa nowych materiałów podczas eksploatacji.

Wymienione zagadnienia stanowi istot nauki o materiałach i in ynierii materiałowej.

Nauka o materiałach jest dziedzin nauki, dotycz c struktury i własno ci materiałów

(21)

(tworzyw), zwłaszcza z uwzgl dnieniem mo liwo ci ich zastosowania. In ynieria materiałowa jest z kolei dziedzin in ynierii, obejmuj c zastosowanie nauki o materiałach (tworzywach) dla bezpo rednio u ytecznych celów zwi zanych z projektowaniem, wytwarzaniem i u ytko- waniem ró nych produktów i dóbr powszechnego u ytku. Liczne aspekty nauki o materiałach i in ynierii materiałowej oraz projektowania in ynierskiego produktów, obejmuj cego projektowanie konstrukcyjne, projektowanie materiałowe i projektowanie technologiczne, w szerokim zakresie obejmuj ce m.in. technologie obróbki powierzchni materiałów in ynierskich, opisano w licznych poprzednich pracach własnych [8-17].

Rysunek 2. Schemat wzajemnych zale no ci mi dzy doborem materiału, kształtem i cechami geometrycznymi produktu, jego procesem technologicznym, struktur i własno ciami

materiału oraz funkcjami u ytkowymi produktu [14]

Wła ciwy dobór materiału (rys. 2) do danego zastosowania w oparciu o wielokryterialn optymalizacj zwi zan zarówno ze składem chemicznym, warunkami wytwarzania, warunkami eksploatacji oraz sposobem usuwania odpadów materiałowych w fazie pou ytkowej, jak równie uwarunkowania cenowe zwi zane z pozyskaniem materiału, jego przetworzeniem w produkt, samym produktem, a tak e kosztami usuwania odpadów poprodukcyjnych i po- eksploatacyjnych, jak równie modelowanie wszystkich procesów i własno ci zwi zanych

(22)

bazowe (doskonalenie istniej cych rozwi za ), alternatywne (wykorzystuj ce synergi ró nych rozwi za ) i oryginalne (opracowywanie nowych rozwi za ). Do głównych zada w tym zakresie zaliczono aplikacje osi gni ć nanonauki i nanotechnologii jako technologii przyszło-

ciowych (j. ang.: emerging technologies), ze wzgl du na przewidywane mo liwo ci opraco- wywania nowych materiałów in ynierskich dla oczekiwanych zastosowa , jak równie upro- szczenie procesów przetwórstwa materiałów in ynierskich. W projekcie FutMan przewidziano alternatywne mo liwo ci rozwoju nowych procesów wytwarzania w odniesieniu do nowych materiałów in ynierskich przez specjalizacj (doskonalenie istniej cych technologii materia- łowych przez osi gni cie jednej z podstawowych ich funkcji), konwergencj (uzyskanie zało onych cech u ytkowych przez powi zanie ze sob ró nych typów materiałów in ynier- skich) oraz integracj (wytwarzanie materiałów wielofunkcyjnych przy wykorzystaniu wiedzy z wielu dziedzin nauki i technologii dla spełnienia wymaga u ytkowników i przetwórców materiałów).

1.2. Badania foresightowe dotycz ce metod kszta łtowania struktury i własno ci powierzchni materiałów in ynierskich

Poszukiwaniu innowacyjnych obszarów zasługuj cych na wsparcie finansowe słu wyko- nywane w ostatnim dziesi cioleciu i nadal kontynuowane na szerok skal za granic [6,18,19]

i w Polsce [4,17,20-26] badania foresightowe, realizowane z udziałem wysokiej klasy ekspertów o mi dzynarodowym znaczeniu, jako wa ne ródła diagnoz kluczowych problemów naukowych, technologicznych, gospodarczych i ekologicznych oraz instrumenty prognozowania i podejmowania decyzji przez władze krajowe zarz dzaj ce nauk , rodowiska biznesowe oraz instytucje administracji publicznej. Badania foresightowe odniesione do in ynierii materia- łowej umo liwiaj m.in. identyfikacj priorytetowych innowacyjnych technologii in ynierii

(23)

powierzchni materiałów i okre lenie kierunków ich rozwoju strategicznego, których rozpo- wszechnianie i towarzysz ca temu debata publiczna i wzrost wiadomo ci przedsi biorców w analizowanym zakresie w realny sposób przekładaj si na statystyczny wzrost jako ci technologii implementowanych w przemy le, zrównowa ony rozwój oraz wzmocnienie gospodarki opartej na wiedzy i innowacji. W niniejszej publikacji, która jest kolejnym wydaniem opracowania, od którego rozpocz to uprzednio wykonane badania [22] foresightowe i mate- riałoznawczo-foresightowe, przedstawiono ogólny pogl d dotycz cy stanu technologii kształ- towania struktury i własno ci warstw powierzchniowych materiałów in ynierskich, w tym biomedycznych na podstawie analizy podstawowych danych literaturowych i uprzednio wykonanych bada własnych [4,17,20,21]. Analiza informacji publicznych dotycz cych finansowania bada ze rodków publicznych, wskazuje e tematyka in ynierii powierzchni stanowi zauwa aln cz ć finansowanych projektów badawczych. Finansowano równie powa niejsze projekty o zbli onej tematyce, mi dzy innymi projekt zamawiany dotycz cy materiałów gradientowych oraz projekt FOREMAT [24], którego głównym celem było opracowanie scenariuszy rozwoju technologii materiałów metalowych, ceramicznych i kompozytowych w Polsce, przy zastosowaniu najnowszych osi gni ć metodologii foresight, a tak e projekt ROTMED [27] dotycz cy monitorowania i scenariuszy rozwoju technologii medycznych w Polsce. Projekty badawcze z natury rzeczy dotyczyły szczegółowych aspektów zwi zanych ze zjawiskami i mechanizmami zachodz cymi w ró nych materiałach w wyniku lub w trakcie obróbki powierzchniowej.

W projekcie FORSURF [22], wskazano na kierunki rozwoju najkorzystniejszych rozwi za technologicznych dotycz cych kształtowania struktury i własno ci warstw powierzchniowych produktów i ich elementów wytworzonych z materiałów in ynierskich i biomedycznych, uznanych jako krytyczne technologie in ynierii powierzchni materiałów, wraz ze wskazaniem ich aktualnej pozycji strategicznej i z okre leniem ich perspektyw rozwojowych w ci gu najbli szych 20 lat, z uwzgl dnieniem oddziaływania warunków otoczenia. Technologie krytyczne in ynierii powierzchni materiałów s to priorytetowe technologie w tym zakresie, o najlepszych perspektywach rozwojowych i/lub kluczowym znaczeniu w przemy le w zało onym horyzoncie czasowym. uszeregowane w dwóch obszarach tematycznych Manufacturing (M) i Product (P), z których ka dy jest podzielony na 7 zakresów tematycznych. Obszar Manufac- turing (M) odzwierciedla punkt widzenia producenta i obejmuje procesy wytwarzania zdeter- minowane stanem wiedzy i mo liwo ciami produkcyjnymi parku maszynowego. W ramach

(24)

rzchni materiałów konstrukcyjnych niemetalowych, in ynieria powierzchni materiałów narz - dziowych, in ynieria powierzchni stali dla przemysłu motoryzacyjnego, in ynieria powierzchni szkła, elementów mikro- i optoelektronicznych oraz fotowoltaicznych, in ynieria powierzchni materiałów polimerowych. Wyniki projektu FORSURF [22] s u yteczne dla szerokiego grona beneficjentów – przedstawicieli wiata nauki, gospodarki, administracji publicznej i studentów.

Przyj ta w projekcie metodyka i narzCdzia badawcze e-foresightu [4,17,28] (rys. 3) s innowacyjne, nowatorskie i eksperymentalne oraz polegaj na wykorzystaniu Internetu oraz technologii informacyjnych obejmuj cych organizacj wirtualn , platform internetow i sieci neuronowe, w nowatorski i eksperymentalny sposób wykorzystane do przeprowadzenia analizy wpływów krzy owych pokazuj cych zwi zki pomi dzy analizowanymi trendami i wydarze- niami mog cymi si w przyszło ci wydarzyć w rozwa anym przedziale czasowym [29], oraz innych metod badawczych zwykle stosowanych w tego rodzaju pracach [30]. Na ró nych etapach projektu FORSURF zastosowano nast puj ce metody pracy, organizacji i zarz dzania:

przegl d literatury, analiz danych ródłowych, definiowanie kluczowych technologii, skano- wanie rodowiska, mapowanie technologii, mapowanie beneficjentów, ekstrapolacj trendów, analiz SWOT, analiz STEEP, panele eksperckie, burze mózgów, warsztaty, szkice, bench- marking, analizy wielokryterialne, symulacje i modelowanie komputerowe, analizy ekonome- tryczne, metody statystyczne oraz wykorzystano sieci neuronowe. Badania e-foresightowe [4,21] metod> delfick> obejmuj trzy iteracje ankiet wypełnionych przez wysokiej klasy ekspertów o mi dzynarodowym znaczeniu oraz metod> scenariuszow> słu c utworzeniu trzech scenariuszy zdarzeM: optymistycznego, neutralnego i pesymistycznego, co umo liwia wła ciwe sterowanie procesem kierunkowania rozwoju badanych zakresów, a tak e skuteczne dostosowanie jednostek sfery badawczo-rozwojowej oraz przedsi biorstw do szybko zmienia- j cych si wymaga otoczenia globalnego.

(25)

Rysunek 3. Schematyczna prezentacja procesu e-foresightu [4,21])

W pocz tkowej fazie bada przeprowadzono analiz perspektyw rozwojowych ok. 500 grup technologii szczegółowych obejmuj c ocen stanu zagadnienia, przegl d technologiczny i analiz strategiczn metodami zintegrowanymi [28]. W wyniku przeprowadzonych prac wyłoniono w ramach 14 zakresów tematycznych po 10 technologii krytycznych, b d cych priorytetowymi technologiami in ynierii powierzchni materiałów o najlepszych perspektywach rozwojowych i/lub kluczowym znaczeniu w przemy le w ci gu najbli szych 20 lat. Zbiór 140 technologii krytycznych poddano szczegółowej analizie w ramach trzech iteracji metody delfickiej zrealizowanej zgodnie z metodologi e-foresightu [28] (rys. 4).

(26)

Rysunek 4. Schemat wzajemnych oddziaływa mi dzy metodami oraz wynikami e-foresightu [4,21]

Oceny poszczególnych technologii szczegółowych dokonano natomiast na podstawie opinii ekspertów kluczowych z wykorzystaniem metodologii bada e-foresightowych podanej w pracy [44,28]. W prowadzonych badaniach zastosowano uniwersaln skal stanów wzgl dnych b d c jednobiegunow skal dodatni bez zera, gdzie 1 to ocena minimalna, a 10 wybitnie wysoka.

W pierwszej kolejno ci spo ród analizowanych technologii wyodr bniono homogeniczne grupy, które poddano ocenie pod k tem potencjału stanowi cego rzeczywist obiektywn warto ć danej grupy technologii i atrakcyjno ci odzwierciedlaj cej subiektywne postrzeganie danej technologii przez jej potencjalnych u ytkowników. Wizualizacji zobiektywizowanych warto ci potencjału i atrakcyjno ci poszczególnych wyodr bnionych grup technologii słu dendrologiczne macierze warto ci technologii [31] (rys. 5), zło one z ćwiartek, na które odpowiednio nanoszone s wyniki dokonanej oceny. Według przyj tych zało e , najlepiej rokuj c ćwiartk gwarantuj c przyszły sukces jest tzw. rozło ysty d b, gdy tzw. strzelisty cyprys i ukorzeniona kosodrzewina mog te zapewnić sukces, lecz przy odpowiednim post powaniu, co jest jednak mało prawdopodobne lub niemo liwe w przypadku tzw. dr cej osiki.

(27)

Rysunek 5. Dendrologiczna macierz wartoWci technologii sporz>dzona dla stali narzCdziowych stopowych do pracy na gor>co stopowanych laserowo proszkami wCglików, odpowiednio:

(A) NbC, (B) TaC, (C) TiC, (D) VC, (E) WC [44,,2211,,32])

Kolejna meteorologiczna macierz oddziaływania otoczenia [33] (rys. 6) przedstawia graficznie wyniki oceny oddziaływania zewn trznych czynników pozytywnych (sposobno ci) i negatywnych (trudno ci) na analizowane technologie. Ka da z ocenionych przez ekspertów grup technologii jest umieszczana w odpowiedniej ćwiartce macierzy. Przyszły sukces odpowiadaj cy najkorzystniejszej sytuacji zewn trznej gwarantuje tzw. słoneczna wiosna, natomiast sukces technologii jest obarczony ryzykiem, lecz jest mo liwy w ćwiartkach

(28)

" " " " " " " " "

Rysunek 6. Meteorologiczna macierz oddziaływania otoczenia sporz dzona dla odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn poddanych obróbce laserowej z u yciem proszków w glików

odpowiednio: (A) TiC, (B) WC, (C) VC, (D) SiC i tlenku (E) Al2O3 [44,,21,33])

odpowiadaj cych tzw. deszczowej jesieni daj cej szans na spokojny progres przy otoczeniu neutralnym oraz tzw. gor cemu latu przy otoczeniu burzliwym. Rozwój technologii jest natomiast trudny b d niemo liwy do osi gni cia przy tzw. mro nej zimie. Opracowana w kolejnym etapie szesnastopolowa macierz strategii dla technologii [34] (rys. 7), przedstawiaj ca graficznie miejsce ka dej grupy technologii z uwzgl dnieniem jej warto ci i intensywno ci oddziaływania otoczenia i wskazuj ca rekomendowan strategi post powania,

(29)

Rysunek 7. Macierz strategii dla technologii sporz>dzona dla obszaru tematycznego

„Technologie PVD”, gdzie: (A) CAD, (B) RMS, (C) PPM, (D) IBAD, (E) HHCD, (F) EB-PVD, (G) BARE, (H) ICB, (I) TAE, (J) PLD [44,,21,34]

utworzono wykorzystuj c opracowany program komputerowy bazuj cy na sformułowanych zale no ciach matematycznych [31] na podstawie wyników bada eksperckich uprzednio uj tych w macierzach: dendrologicznej i meteorologicznej. Strategiczne perspektywy rozwojowe danej grupy technologii wyra ono liczbami umieszczonymi w kółkach (rys. 7), natomiast strzałkami zaznaczono cie ki rozwoju strategicznego odzwierciedlaj ce prognozowan sytuacj danej technologii w przypadku zaj cia pozytywnych, neutralnych lub negatywnych zjawisk zewn trznych (rys. 8). Opracowana prognoza przedstawia kilkuwariantow wizj przyszłych wydarze i dotyczy przedziałów czasowych do roku 2015, 2020, 2025 i 2030.

(30)

Rysunek 8. Vciecki rozwoju strategicznego wyznaczone dla technologii laserowego teksturyzowania krzemu polikrystalicznego [44,,21,35]

Podstaw wielu formułowanych ocen i wniosków w ramach projektu FORSURF s badania materiałoznawczo-forseightowe, jako autorskie podej cie w wielu pracach zrealizowanych

(31)

Rysunek 9. Metodologia interdyscyplinarnych bada foresightowo-materiałoznawczych [44,,21,37,41]

w zwi zku z tym foresightem [44,,29,32,33,35-38]. Synergiczne oddziaływanie metod bada materiałoznawczych i foresightowych o interdyscyplinarnym charakterze przeprowadzonych z u yciem metodologii bada dotycz cej w głównej mierze foresightu technologicznego [39,40] b d cego elementem dziedziny wiedzy zwanej organizacj i zarz dzaniem oraz in y- nierii powierzchni wchodz cej w skład szerzej rozumianej in ynierii materiałowej, jest gwa- rantem trafno ci i adekwatno ci ocen dokonywanych według opracowanej metodologii [44,,21,31].

Na niektórych etapach przeprowadzonych bada wykorzystano równie metody wywodz ce si ze sztucznej inteligencji, statystyki, technologii informacyjnej, budowy i eksploatacji maszyn, zarz dzania strategicznego i operacyjnego. Główne zało enia metodologiczne prowadzonych bada zostały przedstawione graficznie na rysunku 9.

Wyniki wykonanych eksperymentalno-porównawczych bada stanowi dane ródłowe słu ce utworzeniu map drogowych technologii. Opracowane według autorskiej koncepcji

(32)

drogowych technologii przedstawiono za pomoc strzałek, reprezentuj cych odpowiednio zwi zki przyczynowo-skutkowe, powi zania kapitałowe, korelacje czasowe i dwukierunkowe przepływy danych i/lub zasobów. W górnych warstwach map drogowych technologii zawarte s informacje najbardziej ogólne okre laj ce przesłanki ogólnospołeczne i ekonomiczne,

Rysunek 10. Przykładowa mapa drogowa technologii sporz dzona dla naw glania i w gloazotowania [44,,21,37]

(33)

przyczyny i powody realizowanych działa , w rodkowych – charakteryzuj ce produkt i technologie jego wytwarzania, natomiast w warstwach dolnych sprecyzowane s szczegóły orga- nizacyjno-techniczne, dotycz ce miejsca, wykonawcy i kosztów. Warstwy rodkowe mapy drogowej technologii s poddane dwóm typom oddziaływania – pchaniu ze strony warstw dolnych i ssaniu ze strony warstw górnych. Niezaprzeczaln zalet map drogowych technologii jest elastyczno ć, wobec czego mapy mog być uzupełniane i dostosowywane do specyfiki bran y, wielko ci firmy lub oczekiwa przedsi biorcy.

Opis procesu technologicznego i charakterystyk zjawisk fizykochemicznych towarzysz cych procesom technologicznym, zalety i wady danej technologii, najbardziej perspektywiczne technologie szczegółowe oraz technologie zast pcze / alternatywne, jako informacje techniczne stanowi ce istotn pomoc podczas wdra ania danej technologii w praktyce przemysłowej, w szczególno ci w małych i rednich przedsi biorstwach nie dysponuj cych mo liwo ciami wykonywania bada we własnym zakresie, zawieraj karty informacyjne technologii (rys. 11) opracowane w pracach [29,32,33,35-38,41]. W kartach informacyjnych technologii okre lone s ponadto rodzaje mo liwych do naniesienia powłok, warstw wierzchnich lub procesów zachodz cych na powierzchni podło a, a tak e szczególne własno ci powłok / warstw wierzchnich / powierzchni podło a wytworzonych w wyniku procesów technologicznych. Podano tak e ogólne fizykochemiczne warunki realizacji procesu technologicznego, metody przygotowania materiału podło a, rodzaje urz dze badawczych i specyficzne oprzyrz dowanie. Wpływ zastosowanej technologii na własno ci materiału, sku- teczno ć przeciwdziałania skutkom zu ycia przez zastosowanie technologii, sektor przemy- słowy o najwy szej aplikacyjno ci technologii, mo liwe do zastosowania metody modelowania i sterowania komputerowego oraz perspektywy rozwojowe poszczególnych analizowanych technologii zamieszczono w opracowanych kartach technologii na podstawie danych pozys- kanych z bada eksperckich, wyznaczonych z wykorzystaniem uniwersalnej skali stanów wzgl dnych: Dodatkowo ka da karta informacyjna technologii zawiera ogólny lub przykła- dowy schemat rozpatrywanego procesu produkcyjnego oraz trójelementowy wykaz rekomen- dowanych ródeł literaturowych [44,,37]).

Wyniki projektu FORSURF [22] s mocliwie do wdrocenia i praktycznego wykorzystania w gospodarce. Projekt słu y równie animacji debaty publicznej, obejmuj cej krajowych i zagranicznych przedstawicieli wiata nauki, gospodarki i administracji publicznej, w celu upowszechnienia wyników projektu w rodowiskach zainteresowanych podj t tematyk .

(34)

b)

Rysunek 11. Przykładowa karta drogowa technologii sporz dzona dla natrysku hydrodynamicznego w obszarze tematycznym technologii polimerowych warstw wierzchnich

(opracowana przez A.D. Dobrza sk -Danikiewicz, M. Szymiczek i G. Wróbla)

(35)

Debata publiczna przyczynia si do dalszego zacie niania współpracy pomi dzy sfer badawczo-rozwojow a gospodark i aktywizacji przepływu kadr mi dzy tymi grupami, co jest równie utylitarn konsekwencj działa realizowanych w ramach projektu, skutkuj c polepszeniem sytuacji konkurencyjnej gospodarki i nauki polskiej na tle innych pa stw Europy i wiata. Stworzona w ramach projektu platforma internetowa umo liwia ogółowi społe- cze stwa, a w szczególno ci rodowiskom przemysłowym, o rodkom naukowym, organiza- cjom społecznym pozyskiwanie w dowolnym momencie szczegółowych informacji dotycz cych celów, zało e i wykonawców projektu, ledzenie wyników wykonanych prac oraz wyra anie własnych opinii na jego temat w ramach konsultacji społecznych on-line, co zapewnia wyst powanie p tli sprz enia zwrotnego. Promocja wyników projektu oraz szerokie wykorzystanie elektronicznych narz dzi, takich jak strona internetowa, bazy danych o technologiach kształtowania własno ci powierzchni materiałów in ynierskich i biomedycznych oraz produktach do których mog być zastosowane, konferencje, warsztaty i seminaria zapewniaj dost p do wyników projektu bardzo szerokiemu gronu u ytkowników jego rezultatów.

1.3. Wspó łczesne znaczenie technologii kształtowania struktury i własno ci powierzchni materiałów in ynierskich

Poprawa własno ci u ytkowych produktów wymagana przez nowe strategie rozwoju materiałów in ynierskich, w tym biomedycznych oraz technologii procesów materiałowych zwi zana jest bardzo cz sto z odpowiednim kształtowaniem struktury i własno ci warstw powierzchniowych materiałów in ynierskich i biomedycznych. Własno ci u ytkowe wielu produktów i ich elementów zale bowiem nie tylko od mo liwo ci przeniesienia obci e mechanicznych przez cały czynny przekrój elementu z zastosowanego materiału lub od jego własno ci fizykochemicznych, lecz bardzo cz sto tak e lub głównie od struktury i własno ci warstw powierzchniowych [4,8,10,13,16,17,20,21,42]. W wyniku odpowiedniego doboru materiału elementu wraz z procesami kształtuj cymi jego struktur i własno ci oraz rodzaju i technologii warstwy powierzchniowej, zapewniaj cych wymagane własno ci u ytkowe, mo liwe jest najkorzystniejsze zestawienie własno ci rdzenia i warstwy powierzchniowej wy- tworzonego elementu. W tym obszarze Zakład Technologii Procesów Materiałowych, Zarz - dzania i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie Instytutu Materiałów In ynierskich

(36)

stanowi warunek opracowania własnych strategii rozwojowych przez wiele małych i rednich przedsi biorstw i poprawy ich konkurencyjno ci w skali krajowej i globalnej, w wyniku aplikacji i rozwoju zaawansowanych technologii kształtowania struktury i własno ci powierzchni, jako istotnego fragmentu technologii wytwarzania produktów oraz warunkuje bardziej elastyczn adaptacj produkcji do aktualnych potrzeb rynkowych. Technologie kształtowania struktury i własno ci powierzchni materiałów in ynierskich i biomedycznych s coraz bardziej powszechnie stosowane w wielu sektorach produkcyjnych przemysłu, w tym w przemy le budowy maszyn i narz dzi, samochodowym, lotniczym, metalurgicznym, elektrotechnicznym, elektronicznym, tworzyw sztucznych, wyposa enia medycznego, urz dze sanitarnych, budownictwie, elektrotechnice, elektronice, jubilerstwie. Bran a obróbki powierzchniowej i pokrywania powierzchni to jeden z najbardziej dynamicznie rozwijaj cych si sektorów gospodarki, np. w Niemczech z kilkunastoprocentow dynamik w porównaniu ze rednim około 2,7% wzrostem gospodarczym w tym kraju, co zaprezentowano m.in. na targach „ WIAT POKRYĆ POWIERZCHNI” Centralnego Zwi zku Technik Obróbki Powierzchniowej ZVO w Stuttgarcie w Niemczech w 2008 roku. Analizy niemieckie wskazuj , e wzrost gospodarczy firm aktywnych w obszarze in ynierii powierzchni jest zatem ponad 4-krotnie wi kszy ni rednia krajowa, a kształtowanie struktury i własno ci warstw powierzchniowych produktów i ich elementów wytworzonych z materiałów in ynierskich i biomedycznych zapewnia polepszenie własno ci u ytkowych, trwało ci i niezawodno ci produkcji. Z nieproporcjonalnie wysok , kilkunastoprocentow dynamik rozwijał si sektor pokryć galwanicznych i obróbki powierzchni, obejmuj cy wył cznie przedsi biorstwa małe i rednie, zatrudniaj ce od 5 do 400 pracowników. Podstawowe zainteresowanie t problematyk przejawiaj przedstawiciele przemysłu (77%) oraz słu b serwisowych (16%). Równocze nie obecne zainteresowania zawodowe w Niemczech dotycz usług w zakresie obróbki powierzchniowej (44%), urz dze

(37)

czyszcz cych i przygotowuj cych do obróbki powierzchni (22%), technologii elektrolitycz- nych (21%), specjalnych systemów obróbki powierzchniowej (17%), materiałów lakierniczych i surowców do obróbki powierzchniowej (9%), systemów lakierniczych, emalierskich i pokrywania materiałami polimerowymi (9%), systemów kontroli zanieczyszcze powodowanych przez obróbk powierzchniow (9%), systemów kontrolno-pomiarowych stosowanych do obróbki powierzchniowej (6%), systemów obróbki laserowej oraz plazmowej (2%) i systemów kształtowania struktury powierzchni (1%). W ród zagadnie najbardziej interesuj cych wymieniane s technologie elektrolityczne (38%), urz dzenia czyszcz ce i przygotowuj ce do obróbki powierzchni (30%), usługi w zakresie obróbki powierzchniowej (28%), systemy kontrolno-pomiarowe stosowane do obróbki powierzchniowej (24%), specjalne systemy obróbki powierzchniowej (23%), materiały lakiernicze i surowce do obróbki powierzchniowej (21%), systemy lakiernicze, emalierskie i pokrywania materiałami polimerowymi (20%), systemy kontroli zanieczyszcze powodowanych przez obróbk powierzchniow (14%), systemy obróbki laserowej oraz plazmowej (11%) i systemy kształtowania struktury powierzchni (5%).

Pomi dzy tymi dwoma zestawieniami wyst puj znacz ce ró nice. Niezale nie od oceny tego, na ile adekwatny jest podział na wskazane zakresy zainteresowa oraz od oceny reprezen- tatywno ci wykonanych ankiet nale y bezsprzecznie stwierdzić, e obserwuje si znacz ce zainteresowanie post pem w wymienionej bran y przemysłowej [17,20]. Przewidywanie intensywnego rozwoju tej bran y równie w Polsce, uzasadnia zainteresowanie wymienion problematyk . Bran a ta oprócz wielkich wytwórców, np. samochodów, samolotów lub urz - dze energetycznych, obejmuje wiele przedsi biorstw małych i rednich, w tym równie cz sto kooperuj cych z wielkimi wytwórcami produktów gotowych. Wdra anie nowo ci technologicznych w tym zakresie w jednostkach przemysłowych, a zwłaszcza w małych i rednich przedsi biorstwach, z pewno ci nie jest zadowalaj ce. Nale y zauwa yć, e problem nie dotyczy wył cznie awangardowych technologii realizowanych przez wzorcowe przedsi - biorstwa, lecz równie bezwzgl dnej potrzeby podwy szenia redniego poziomu realizacji tych technologii przez statystyczn wi kszo ć producentów, w tym zwłaszcza drobnych, co ma bardzo istotne znaczenie dla jako ci i trwało ci, statystycznej wi kszo ci produktów trafiaj cych na rynek oraz istotnie decyduje o konkurencyjnoWci krajowej gospodarki.

Problem ma zatem wa ne znaczenie gospodarcze. W długim horyzoncie czasowym polskie przedsi biorstwa, powinny kła ć bowiem nacisk na ci gły rozwój zaawansowanych technologii wytwarzania i poszukiwanie innowacyjnych rozwi za , w celu realizacji produkcji elastycznie

(38)

Bevera i współpracowników [204,205], lecz rozwini ta dopiero po 15 latach w ramach projektu badawczego podj tego w Japonii, kiedy to opracowano liczne metody wytwarzania takich materiałów [206-210], i szczegółowo przebadana w ostatnim dziesi cioleciu w ramach priorytetowego programu w Niemczech [211], a w latach 2005-2007 tak e w Polsce, w ramach których metodycznie przeanalizowano wiele nowoczesnych technologii wytwarzania mate- riałów tej kategorii. Gradientowe własno ci materiałów uzyskuje si dzi ki zmieniaj cym si z poło eniem składem chemicznym, składem fazowym i struktur lub uporz dkowaniem atomów. W ród procesów wytwarzania funkcjonalnych materiałów gradientowych mo na wyró nić metody metalurgii proszków zwi zane ze zró nicowaniem wielko ci ziarn na prze- kroju [212-216] jak równie z gradientem temperatury w czasie spiekania [217], udziałem fazy ciekłej [218], wspomagania laserowego i wyładowania plazmowego [219,220]. W ród współ- czesnych metod mo na wyró nić zwi zane z gradientem udziału obj to ciowego faz i zró nicowaniem wielko ci ziarn w materiałach dwu lub wielowarstwowych [211,221], w tym tak e przez zalewanie g stwy. Metoda ta została równie zbadana w Austrii [222] w odniesieniu do w glików spiekanych i cermetali [223] jak równie w Hiszpanii [224] w odniesieniu do stali szybkotn cych. W Izraelu opracowano metod wtapiania NbC w osnow stali szybkotn cej z u yciem lasera [225]. Gradientowe warstwy stopowane wytworzono z u yciem lasera w Chinach [226-228] na podło ach z ró nych metali. Warstwy gradientowe s równie wytwa- rzane metodami PVD na podło u ze spiekanych materiałów narz dziowych [229-234]. Mo na uzyskiwać warstwy gradientowe przez spiekanie w reaktywnej atmosferze [222], jak równie w obecno ci par metali, np. Cr [235]. We wszystkich wymienionych zakresach istotny jest równie wkład własnych prac Zakładu Technologii Procesów Materiałowych, Zarz dzania i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie Instytutu Materiałów In ynierskich i Bio- medycznych Politechniki l skiej w Gliwicach [236-241].

(39)

Ustawicznym d eniem projektantów jest wola opracowania i wytworzenia idealnego materiału, np. narz dziowego, który wykazywałby równocze nie maksymalnie mo liw odporno ć na zu ycie w warunkach pracy oraz wysok ci gliwo ć. Z natury rzeczy takie poł czenie własno ci jest niemo liwe do uzyskania. Podejmowano wobec tego ró ne próby choćby cz ciowego rozwi zania problemu przez stworzenie struktur warstwowych, m.in.

metodami obróbki cieplno-chemicznej, przez wytworzenie materiałów kompozytowych oraz pokrywanie jednowarstwowe metodami CVD i PVD, a tak e napawanie lub natryskiwanie twardych warstw metod metalizowania natryskowego. Ka da z tych metod wykazuje jednak ograniczenia, zwi zane m.in. z nieodpowiedni grubo ci warstwy wierzchniej, a zwłaszcza z problemami zwi zanymi z nieodpowiedni przyczepno ci wytworzonej warstwy lub ze zbyt du ymi napr eniami mi dzy warstw wierzchni a podło em, co cz sto jest przyczyn przy- spieszonego złuszczania lub odpryskiwania warstwy, zwłaszcza w warunkach superpozycji wewn trznych napr e strukturalnych i napr e zewn trznych wynikaj cych z obci e w warunkach pracy. Hybrydowe technologie zawieraj ce mi dzy innymi procesy obróbki cieplno-chemicznej, stopowania, przetapiania lub wtapiania laserowego, formowania wtrysko- wego proszku, a tak e fizycznego osadzania z fazy gazowej zapewniaj pełne i kompleksowe rozwi zanie problemu projektowania materiałów do odpowiednich zastosowa . Jest to nowo- czesny kierunek technologiczny i atrakcyjny badawczo. W tym wietle ponownie atrakcyjne stały si klasyczne technologie, w tym obróbki cieplno-chemicznej. Obecnie koncepcja funkcjonalnych materiałów gradientowych, w tym narz dziowych materiałów gradientowych, nale y bowiem do jednej z najpowszechniej badanych w wiecie, jako jedna z mo liwo ci dostosowywania (j. ang.: tailoring) własno ci ró nych elementów i narz dzi do wymogów eks- ploatacyjnych. We wszystkich wymienionych zakresach istotny jest równie wkład własnych prac Zakładu Technologii Procesów Materiałowych, Zarz dzania i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie Instytutu Materiałów In ynierskich i Biomedycznych Politechniki l skiej w Gliwicach [242-267].

Koncepcja gradientu struktury i własno ci materiałów obecnie najcz ciej dotyczy warstw powierzchniowych ró nych grup materiałów in ynierskich, w tym konstrukcyjnych, narz - dziowych, funkcjonalnych oraz biomedycznych. Powoduje to coraz wi ksze zainteresowanie o rodków naukowych w całym wiecie t problematyk , a nawet swoisty nawrót do technologii, których jak si wydawało znaczenie poprzednio nawet zmalało. Ten nawrót zainteresowa wynika głównie z przesłanek ekonomicznych, ale równie ekologicznych, a tak e

(40)

towanie struktury i powierzchni ponownie ukształtowanych elementów konstrukcyjnych, stano- wić mo e obecnie podstaw re-manufacturingu. Przykładowo w Chinach, kraju o gospodarce najintensywniej rozwijaj cej si w wiecie, wybudowano całkowicie nowe fabryki wyposa one w najnowsze dost pne na wiecie urz dzenia do obróbki powierzchniowej, z wykorzystaniem technologii laserowych, plazmowych, PVD i CVD, w których całkowitej renowacji poddawane s zu yte całkowicie samochody, z których odzyskuje si niezu yte elementy, a pozostałe poddaje si re-manufacturingowi. Koszty ponownego wyprodukowania pojazdu stanowi jedynie cz ć kosztów produkcji pojazdu nowego, przy ponownym zapewnieniu 100% trwa- ło ci. Ma to równie ogromne znaczenie dla wtórnego obrotu surowcami i ich recyklingu i niew tpliwie stanowi oryginalny wkład do idei zrównowa onego rozwoju i popierania technologii proekologicznych.

O ile rozeznanie nowoczesnych technologii kształtowania struktury i własno ci powierzchni poszczególnych grup materiałów in ynierskich i biomedycznych przez rodowisko naukowe mo na uznać za dobre, o tyle wdra anie nowo ci technologicznych w tym zakresie w jednostkach przemysłowych, a zwłaszcza w małych i rednich przedsi biorstwach, z pewno-

ci nie jest zadowalaj ce. Nale y przy tym zauwa yć, e problem nie dotyczy wył cznie awangardowych technologii realizowanych przez wzorcowe przedsi biorstwa, lecz równie bezwzgl dnej potrzeby podwy szenia redniego poziomu realizacji tych technologii przez statystyczn wi kszo ć producentów, co ma bardzo istotne znaczenie dla jako ci i trwało ci, statystycznej wi kszo ci produktów trafiaj cych na rynek oraz istotnie decyduje o konkurencyjno ci krajowej gospodarki. W wietle tych uwag problem ma wa ne znaczenie gospodarcze.

Technologie obróbki powierzchniowej wymagaj upowszechnienia oraz wdro enia we wszel- kich uzasadnionych przypadkach, zwłaszcza w małych i rednich przedsi biorstwach, które