6(vi)c(2)

ISSN 0035-9696 Cena 16,00 zł (w tym „O" VAT) Nakład do 500 egz.

rudy i metal

nieżelazne R-50 2005 SIGMA-NOT

Sp. z o.o.

'.•///•^^

SIGMA-NOT SP

'. Z

R.50 2005

0.0.

rudy

i metale nieżelazne

6

CZASOPISMO NAUKOWO-TECHNICZNE STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW l TECHNIKÓW PRZEMYSŁU HUTNICZEGO W POLSCE

M

I

Indeks 37495

SPIS TREŚCI:

E

S

I

Ę

C

Z

N

Skrót tytułu (dla bibliografii)

I

K

Rudy Metale

Strona Projektowanie materiałowe jako podstawowy cel inżynierii materiałowej Fizyczny wpływ cząstek na wybrane właściwości odlewanych kompozytów z osnową Al-Si Analiza mechanizmów kruchości międzykrystalicznej brązów-a w temperaturze podwyższonej. Cz. I Nanomateriały i nanotechnologie. Początki przełomu w inżynierii materiałowej

DobrzańskiL. A.: Cholewa M.:

296 312

Ozgowicz W.:

320

Stobrawa J., Rdzawski Z..'

328

PRZETWÓRSTWO ALUMINIUM LeśniakD., Libura W., Zasadziński J.:

336

Analiza numeryczna procesu wyciskania trudno odkształcalnych stopów aluminium w zakresie małych współczynników wydłużenia

METALURGIA PROSZKÓW Stolarz S., CzepelakM.:

341

Właściwości elektryczne materiałów kompozytowych srebro-wolfram-grafit i srebro-węglik wolframu-grafit o różnej zawartości grafitu

BIULETYN INSTYTUTU METALI NIEŻELAZNYCH WochM.:

352

Biuletyn Instytutu Metali Nieżelaznych

ŚWIATOWY RYNEK METALI NIEŻELAZNYCH Butra J.:

359

Światowy rynek metali nieżelaznych

PRACE DOKTORSKIE I HABILITACYJNE

364

NORMALIZACJA KRONIKA

365 367

ISSN 0035-9696 Czasopismo Rudy i Metale Nieżelazne w 2005 r. jest dofinansowane przez Ministerstwo Nauki i Informatyzacji Redakcja czasopisma: red. naczelny: prof. zw. dr hab. inż. Zbigniew Misiołek, z-ca red. naczelnego: doc. dr inż. Józef Czernecki, red. działowi: dr hab. inż. Jan Butra, dr hab. inż. Wojciech Libura, prof. nzw., prof. zw. dr hab. inż. Andrzej Paulo. Sekretarz Redakcji: mgr Bożena Szklarska-Nowak. Adres Redakcji: 40-019 Katowice, ul. Krasińskiego 13. Skr. poczt. 221. Tel./fax (0-prefix-32) 256-17-77. Korekta: Marzena Rudnicka. Rada Programowa czasopisma Rudy i Metale Nieżelazne. Przewodniczący: prof. zw. dr hab. inż. Józef Zasadziński. Zastępca Przewodniczącego prof. dr hab. inż. Jan Botor. Sekretarz dr inż. Józef Z. Szymański. Członkowie: prof. dr hab. inż. Andrzej Jasiriski, prof. dr hab. inż. Andrzej Korbel. Wszystkie artykuły o charakterze naukowym są opiniowane. Redakcja nie odpowiada za treść reklam i ogłoszeń. Wydawca: Wydawnictwo Czasopism i Książek Technicznych SIGMA-NOT Sp. z o.o., ul. Ratuszowa 11, 00-950 Warszawa, skr. poczt. 1004, tel.: (0-prefix-22) 818-09-18,818-98-32, fax: 619-21-87, internet: http://[email protected] Internet: http://www.sigma-npt.pl. Prenumerata e-mail: [email protected]. Informacje e-mail: [email protected]. Dział Rekalmy i Marketingu, ul. Mazowiecka 12, 00-950 Waszawa, skr. 1004, tel./faks: (O 22) 827-43-66, 826-80-16, e-mail: [email protected]. Format A4. Objętość 9,75 ark. druk. Papier ilustracyjny kl. ffl 61x 88/80. Drak ukończono w czerwcu 2005 r. Rudy Metale: R 50, nr 6,8.295*368, czerwiec 2005 r. Druk: Przedsiębiorstwo Miernictwa Górniczego Spółka z o.o., Katowice ul. Mikolowska l OOa

LESZEK ADAM DOBRZANSKI

Rudy Metale R 50 2005 nr 6 UKD 620.22.001:62.001:539.2:66.017.001

PROJEKTOWANIE MATERIAŁOWE JAKO PODSTAWOWY CEL INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Artykuł dotyczy roli projektowania materiałowego w projektowaniu inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania. Przedstawiono znaczenie rozwoju materiałów inżynierskich dla postępu cywilizacyjnego na przestrzeni dziejów oraz światowe tendencje rozwojowe nauki o materiałach i inżynierii materiałowej w pierwszych dziesięcioleciach XXI wieku. Szczególną uwagą zwrócono na interdyscyplinarny charakter omawianej dyscypliny nauki oraz przedstawiono zakres jej zainteresowań. Podstawowym celem nauki o materiałach i inżynierii materiałowej jest dobór materiałów zapewniających wymagane funkcje i własności użytkowe wytwarzanych z nich produktów. Wyznaczono zadania tej dyscypliny nauki w priorytetowych sferach rozwoju światowego, do których zaliczono poprawą warunków życia, system ochrony zdrowia, komunikacje, i przesył informacji, rozwój dobór konsumpcyjnych oraz transport. Wśród kierunków działań nauki o materiałach i inżynierii materiałowej, zapewniających osiągniecie celów strategicznych rozwoju społeczeństw wymieniono projektowanie materiałowe, komputerową nauką o materiałach, rozwinięte techniki analityczne, wytwarzanie i przetwórstwo, nanomateriały oraz materiały inteligentne i biomimetyczne. Porównano również podstawowe własności różnych grup materiałów inżynierskich z materiałami metalowymi, jak również przeanalizowano koszty materiałów i wytwarzanych z nich produktów. W podsumowaniu wskazano na znaczenie nauki o materiałach i inżynierii materiałowej oraz projektowania materiałowego w osiąganiu nowoczesnego postępu technologicznego i zapewnieniu dobrobytu społeczeństw w przyszłości. Słowa kluczowe: nauka o materiałach, inżynieria materiałowa, projektowanie inżynierskie, projektowanie materiałowe, komputerowa nauka o materiałach, metalowe materiały inżynierskie, metale nieżelazne

MATERIALS DESIGN AS A FUNDAMENTAL AIM OF MATERIALS ENGINEERING The paper deals with the role ofmaterials selectionfor engineering design ofproducts and their manufacturing processes. The significance of engineering materials developmentfor the civilization progress during centuries and world developmental tendencies ofmaterials science and engineering in thefirst decades of the 21 st century are presented. The special attention is taken to the interdisciplinary character of science and its area of interest are described. The fundamental aim ofmaterials science and engineering is materials selection ensuring reauired functions and application properties ofproducts which are manufactured out of them. The tasks of that field of science in priority spheres of the world development including the improvement of life conditions, health protection system, communication and Information delivery, the development of consumer goods and transport are determined. Among the directions ofactivities ofmaterials science and engineering ensuring the achievements of strategie aims of the developments of societies, materials design, computational materials science, advanced analytical methods, manufacturing and processing, nano-, smart and biomimetic materials have been pointed out. Moreover, the fundamental properties ofvarious engineering materials have been compared with metal materials, and also costs ofmaterials and products madę of them have been analysed. In conclusions the significance ofmaterials science and engineering and materials design in the achievement of modern technological development and assurance of society prosperity in the future have been pointed out. Keywords: materials science, engineering materials, engineering design, materials design, computational materials science, metal engineering materials, non-ferrous materials Wprowadzenie Przed środowiskiem inżynierów stoi misja głęboko humanistyczna, gdyż ich zadaniem jest udostępnianie ludziom produktów i dóbr użytkowych, bezpośrednio decyduj ących o poziomie i j akości życia, wymianie informacji, poziomie edukacji, jakości i możliwościach opieki zdrowotnej oraz innych aspektach środowiska, w którym żyjemy. Z pewnością zagadnienia materiałowe odgrywają ważną rolę w realizacji tych zadań środowiska inżynierskiego. Materiał jest bowiem tworzywem, z którego wytwarza się produkty interesujące klientów. Stąd najistotniejszejest projektowanie materiałów, tak by kształtować ich strukturę i własności spełniające wymagania w warunkach pracy. Nie wystarczy zatem jedynie skatalogowanie materiałów, ze zwróceniem uwagi na różnorodność dostępnych sub-

stancji i sposoby ich wytwarzania. Materiał jest tworzywem w rękach projektanta, który musi zwrócić uwagę zarówno na kształt i postać produktu lub jego elementu, ale równocześnie zadecydować, z czego ten produkt będzie wykonany, przesądzając w ten sposób o jego własnościach użytkowych i eksploatacyjnych, oraz jaki będzie proces technologiczny tego produktu w celu zapewnienia jego kształtu, jak i wymaganych własności. Projektowanie inżynierskie, w którym można wyróżnić projektowanie systemu wytwarzania oraz projektowanie produktów nie jest wyizolowanym działaniem (rys. 1), gdyż wpływa na wszystkie pozostałe fazy wprowadzania na rynek danego produktu, od których równocześnie jest zależne. Projektowanie inżynierskie produktu łączy w sobie trzy równie ważne i nierozdzielne elementy (rys. 2):

Dr h.c. prof. zw. dr hab. inż. Leszek A. Dobrzański — Politechnika Śląska. Wydział Mechaniczny Technologiczny. Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych. Zakład Procesów Materiałowych i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie, Gliwice. Artykuł oparty na referacie wygłoszonym na zebraniu wyborczym Komisji Nauki o Materiałach Oddziału PAN w Katowicach, której Autor jest Przewodniczącym, a opracowano go na podstawie książki: L. A. Dobrzański,Metalowe materiały inżynierskie" WNT, Warszawa. 2004, s. 904.

296

Rys. 1. Schemat współzależności czynników związanych z wprowadzeniem produktu na rynek Fig. l. Diagram of relationships between factors connected with introducing a product to market

KONSTRUKCYJNE warunki eksploatacyjne

:&•"••" .-i: • UJ • Ę !•• Ii Ul •'."'" l

-•-••<'••' ".>'••••

'

;

tego produktu. Projektowanie inżynierskie jest zatem procesem zespołowym, wymagającym zaangażowania specjalistów co najmniej z tych trzech branż, przy czym trudno ustalić, czy którakolwiek z nich odgrywa rolę wiodącą. Fałszywe zatem jest (panujące w niektórych, nawet inżynierskich kręgach) wyobrażenie, że zagadnienie to sprowadza się wyłącznie do projektowania konstrukcyjnego, którego celem jest nadanie kształtu i postaci konstrukcyjnej produktu lub jego elementu, najwyżej ze zwróceniem uwagi na tzw. racje technologiczne lub materiałowe produktu. Z drugiej strony, proces wytwarzania materiału (jak np. proces metalurgiczny i przetwórstwa) schodzi na plan dalszy i z tego punktu widzenia jest interesujący jedynie ze względu na to, że historia technologiczna materiału i dziedziczenie niektórych elementów struktury może mieć wpływ na finalne własności produktu. Narzuca to sposób podejścia do bardzo obszernej wiedzy dotyczącej materiałów inżynierskich. W 15 krajach Unii Europejskiej całkowita wartość produkcji sięga 4 • 10 euro, a wartość dodana wynosi 32 %. Zapewnia to pracę bezpośrednio ok. 40 min ludzi oraz 80 min następnych w obsłudze serwisowej wytworzonych produktów. Około 25 % tej produkcji dotyczy produktów mechanicznych dając bezpośrednie zajęcie 5-^6 min ludzi. Wśród głównych segmentów tej produkcji (rys. 3) można wymienić przemysł samochodowy (39 %) zatrudniający 1,8 min ludzi, przemysł lotniczy (11%) zatrudniający 1,6 m.in ludzi i, kolejno, wytwarzanie matryc i form (11 %), obrabiarek i maszyn technologicznych (9 %) oraz mikroelementów i części miniaturowych (8 %). Pozostałe elementy i urządzenia mechaniczne obejmują ok. 22 %. Wytwarzanie w skali globalnej obejmuje zatem wiele technologii i dotyczy bardzo wielkiej gamy produktów. Dotyczy to zarówno tradycyjnych produktów mechanicznych, dóbr konsumpcyjnych, w tym ze skóry, drewna, tekstyliów i materiałów polimerowych, jak również żywności, farmaceutyków i produktów elektronicznych i techniki informatycznej. Wytwarzanie polega na przetwarzaniu surowców materiałowych w produkty w różnych procesach, przy użyciu różnych maszyn i w operacjach zorganizowanych zgodnie z dobrze opracowanym planem. Proces wytwarzania polega zatem na właściwym wykorzystaniu zasobów: materiałów, energii, kapitału i ludzi. Celem wytwarzania jest każdorazowo zaspokajanie potrzeb rynkowych klientów. Współcześnie wytwarza-

Rys. 2. Schemat współzależności między elementami projektowania inżynierskiego produktu, tj. projektowaniem konstrukcyjnym, projektowaniem materiałowym oraz projektowaniem technologicznym (opracowano według rysunku G. E. Dietera) Fig. 2. Diagram of relationships between elements of engineering design i.e., structural design, materiał design and technological design (prepared according to G. E. Dieter) — projektowanie konstrukcyjne, którego celem jest opracowywanie kształtu i cech geometrycznych produktów zaspokajających ludzkie potrzeby, — projektowanie materiałowe w celu zagwarantowania wymaganej trwałości produktu lub jego elementów wytworzonych z materiałów inżynierskich o wymaganych własnościach fizykochemicznych i technologicznych, — projektowanie technologiczne procesu umożliwiającego nadanie wymaganych cech geometrycznych i własności poszczególnym elementom produktu, a także ich prawidłowe współdziałanie po zmontowaniu, przy uwzględnieniu wielkości produkcji, poziomu automatyzacji i komputerowego wspomagania, jak również przy zapewnieniu najmniejszych możliwych kosztów

mikroelementy i części miniaturowe 9% obrabiarki i maszyny technologiczne 9%

Rys. 3. Udział kosztowy różnych technologii i produktów w globalnym przemyśle wytwórczym (opracowano według R. Wertheima i J. Harpaza) Fig. 3. Cost share of yarious technologies and products in the global manufacturing industry (adapted from R. Wertheim, J. Harpaz)

297

nie jest kompleksowym działaniem, łączącym ludzi, którzy wykonują różne zawody i zajęcia, przy użyciu różnych maszyn, wyposażenia i narzędzi, w różnym stopniu zautomatyzowanym, włączając komputery i roboty. Skala finansowa przedsięwzięcia tylko w 15 krajach Unii Europejskiej świadczy, że zagadnienie wytwarzania i związanego z tym projektowania materiałowego, determinujące powodzenie rynkowe wymienionych produktów, należy do istotnych problemów rozwojowych współczesnych społeczeństw i wymagających zdecydowanych działań nie tylko ze strony środowisk przemysłowych, lecz również ze strony polityków, administracji gospo-

KOMP'

półprzewodniki nadprzewodniki

grafit

Rys. 6. Podstawowe grupy materiałów inżynierskich Fig. 6. Fundamental engineering materials groups

Tablica l Ogólne porównanie własności materiałów metalowych, ceramicznych i polimerowych Table l General comparison of properties of metals, ceramic materials and polymers Rys. 4. Czynniki uwzględniane podczas projektowania inżynierskiego produktu (opracowano według informacji C. Neweya i G. Weavera oraz pomysłu M. F. Ashby'ego i K. Johnson) Fig. 4. Factors taken into consideration in product engineering design (prepared according to C. Newey, G. Weaver, M. F. Ashby and K. Johnson)

Własności Gęstość, g/cm3 Temperatura topnienia

Materiały metalowe

Materiały ceramiczne

Materiały jolimerowe

2*22 (średnio ~8)

2+1 9 (średnio ~4)

1+2

niska

(Ga = 29,78 °C) do wysokiej (W = 3410 °C)

(<4000 °C)

wysoka

. niska

Twardość

średnia

wysoka

niska

Skrawalność

dobra

słaba

dobra

Wytrzymałość na rozciąganie, MPa

<2500

<400

<140

Wytrzymałość na ściskanie, MPa

<2500

<5000

<350

Moduł sprężystości wzdłużnej, GPa

15+400

150+450

0,001+10

Żaro wytrzymałość

mała do średniej

bardzo dobra

—

średnia do wysokiej

niska do średniej

bardzo wysoka

średnia do wysokiej

średnia, ale często zmniejsza się gwałtownie wraz z temperaturą

bardzo niska

dobra

ogólnie mała

—

Własności elektryczne

przewodniki

izolatory

izolatory

Odporność chemiczna

niska do średniej

bardzo dobra

dobra

ogólnie mała

tlenki - bardzo dobra SiCiSi 3 N 4 -dobra

—

Rozszerzalność cieplna Przewodność

cieplna

Odporność na zmęczenie cieplne

Rys. 5. Układ zadań uwzględnianych podczas projektowania inżynierskiego i ich wzajemne powiązanie (opracowano według M. Skarbińskiego) Fig. 5. Arrangement of tasks taken into consideration during engineering design and their mutual relationships (prepared according to M. Skarbiński)

298

Odporność na utlenianie

Tablica 2 Typowe zastosowania przemysłowe różnych grup materiałów Table 2 -Common industrial applications of several materiał groups 1

Materiał

• Stale i• inne stopy żelaza Metale nieżelazne Aluminium Nikiel Tytan Miedź Cynk Ołów Cyna Stopy żarowytrzymałe i nadstopy Materiały ceramiczne i szkła Beton Materiały kompozytowe Materiały kompozytowe z osnową polimerową Związki nieorganiczne Materiały polimerowe Półprzewodniki Biomateriały Drewno

Budownictwo

Transport

Wy- Łącztwaność twa- Ochro- Opa- rzanie eleInne rzanie na kowa- dóbr ktrote- dziaty mate- zdrokon- chnika przenia riałów sum- rekre- mysłu wia mupcyj- acja nych nikacja

PrzeTech- Prze- Obron- Prze- Wydo- Gospo- mysł Gospo- Ener- nika mysł bycie mysł ność dareledarka getyka kosmi- zbroje- i lot- chemi- ropy stwo tronic morska czna niowy nictwo czny nafto- domozny we : teleki wej

• • • •

• • •

•

•

• • •

•

Wy-

•

•

•

•

• • • • •

«

©

e

• •

•

41

• •

Z punktu widzenia projektowania produktów równoprawne są wszystkie materiały inżynierskie (rys. 6). W tablicy l porównano wybrane własności głównych grup materiałów inżynierskich. Materiały kompozytowe, tworzące czwartą główną grupę materiałów inżynierskich, mogą łączyć różne własności w zestawach niemożliwych do uzyskania przez pozostałe grupy materiałów inżynierskich. Odpowiednio dobrane materiały inżynierskie mogą zapewnić wymagane własności produktów, a wielokryterialna optymalizacja jest podstawą selekcji tworzywa o najlepszych własnościach użytkowych i technologicznych oraz najniższych możliwych kosztach wytwarzania, przetwórstwa i eksploatacji materiału i produktu. Konieczne jest zatem każdorazowe rozwiązanie problemu: „z czego może być wytworzony produkt interesujący nabywcę". Nie może być natomiast akceptowane podejście, które często stosowano dotychczas: „co może być wytworzone z materiału, który jest dostępny producentowi". W tablicy 2 zestawiono główne zastosowania przemysłowe nie-

••

•

•

•

•

•

Podstawowe przesłanki doboru materiałów inżynierskich na wytwarzane produkty

•

•

•

••

darczej i rządowej, a także ze strony środowisk naukowych i akademickich. Projektowanie inżynierskie jest złożonym działaniem wymagającym uwzględnienia wielu różnorodnych elementów (rys. 4). Wzaj emne relacj e między koniecznymi do uwzględnienia zadaniami przedstawiono schematycznie na rysunku 5. Celem niniej szego artykułu jest prezentacj a projektowania materiałowego jako podstawowego zadania, stawianego przed nauką o materiałach i inżynierią materiałową oraz wskazanie aktualnych tendencji rozwojowych tej dyscypliny naukowej, umożliwiających sprostanie wymaganiom jej stawianym w pierwszych dziesięcioleciach XXI wieku.

•

•

• • • ••

•

•

•

•

•

•

•

Załoga pokładowa Materiały Opłaty 8o/0 4o/o lotniskowe Utrzymanie samolotu

Wytwarzanie 14%

Silniki Projektowanie!

6% Obsługa' naziemna 5% Utrzymanie siników

Eksploatacja i paliwo 31%

14%

Rys. 7. Struktura kosztów związanych z zakupieniem, eksploatacją i utrzymaniem samolotu pasażerskiego Fig. 7. Structure of costs connected with purchase, exploitation and maintenance of a passenger airplane których grup materiałów inżynierskich. Wśród wielu kryteriów doboru materiałów inżynierskich na różne produkty, coraz większego znaczenia, oprócz wymagań konstrukcyjnych, technologicznych i eksploatacyjnych, nabierają także względy ekonomiczne oraz ekologiczne. Ważne jest przy tym spo-

299

pozorna oszczędność na materiałach. Wręcz przeciwnie, w przypadku wytwarzania tych kosztownych produktów spośród wszystkich dostępnych należy wykorzystać materiały o najlepszych własnościach i największej niezawodności. Koszt zazwyczaj stanowi jedno z podstawowych kryteriów w procesie projektowania inżynierskiego, względem których ocenia się zalety produktu. W każdym przypadku, gdy tylko jest wybór między różnymi materiałami, cechami konstrukcyjnymi czy procesami wytwarzania, to wybiera się rozwiązanie o najniższych kosztach, przy założeniu, że spełnione są podstawowe założenia funkcjonalne stawiane produktowi. Czasem możliwość znaczącego obniżenia kosztu może uzasadnić ponowne określenie podstawowych możliwości funkcjonalnych produktu. Modyfikacje funkcji produktu i stawianych mu wymagań jakościowych mogą jednak ujemnie wpłynąć na jego podatność na wymogi rynku. Koszt jest najistotniejszym pojedynczym czynnikiem, wpływającym na cechy konstrukcyjne i proces wytwarzania produktu spełniającego podstawowe wymagania określone dla niego. Koszt produktu musi być konkurencyjny w stosunku do porównywalnych produktów znajdujących się na rynku. Na całkowity koszt produktu składają się jednak nie tylko koszty materiału, elementów i robocizny związane z wytwarzaniem (z odpowiednimi narzutami, kosztami sprzedaży i zyskiem), lecz także koszty użytkownika, w tym energii koniecznej do eksploatacji tego produktu, koszty jego konserwacji i przeglądów, amortyzacji i pozbycia się produktu po eksploatacji, j ak również koszty ponoszone przez całe społeczeństwo, w tym zużycia surowców i energii oraz wpływu tego produktu na środowisko. Przykładowo, samochód jest źródłem znaczących kosztów nie tylko dla użytkownika, lecz i dla społeczeństwa, gdy koszty społeczne pojedynczej małej śruby są tak małe, że mogą być nawet pominięte. W miarę opracowywania i wdrażania nowoczesnych materiałów stają się one także zamiennikami tych, które stosowano dotychczas. Przykładowo, materiały wynalezione i wprowadzone z myślą o technice kosmicznej lub lotniczej bardzo często są wykorzystywane w innych dziedzinach. Wśród wielu powodów takiego działania wymienić można uproszczenie cech konstrukcyjnych, zwiększenie trwałości i niezawodności, ułatwienie montażu i technologii, a także zmniejszenie kosztów materiałowych, wytwarzania i eksploatacji produktów. Dobór właściwego materiału inżynierskiego wraz z odpowiednim procesem technologicznym ma kluczowe znaczenie, zapewniając największą trwałość produktu przy najniższych kosztach, zważywszy, że trzeba go dokonać z ponad 100 000 możliwych i dostępnych na rynku i znanych na świecie materiałów inżynierskich,

strzeżenie, że nie zawsze najniższy koszt materiałów zapewnia ich poprawny dobór. Koszty materiałów mogą bowiem stanowić nie więcej niż np. 4 % ogólnych kosztów ponoszonych przez inwestora w związku z zakupem i eksploatacją produktów, jak to ma miejsce w przypadku dużego samolotu pasażerskiego. Oczywiste jest, że przy tak nie wielkim udziale kosztów materiałów w kosztach ogólnych (rys. 7), warto dobrać materiały najlepsze z możliwych, zwiększając wprawdzie koszty materiałowe, lecz stosunkowo nieznacznie, zapewniając jednak możliwie największą jakość i niezawodność samolotu oraz maksymalne bezpieczeństwo pasażerów. Rachunek ekonomiczny musi być jednak każdorazowo ważną przesłanką doboru materiałów w zestawieniu z innymi wymogami. Orientacyjne wartości właściwych kosztów różnych produktów (odniesionych do l kg produktu) podane na rysunku 8, przydatne są raczej do spostrzeżeń, niż do poważnych analiz. Warto jednak zauważyć, że tak pojmowany koszt l kg różnych produktów może być zróżnicowany około milionkrotnie, tj. o 6 rzędów wielkości. Najniższy wskaźnik występuje w budownictwie, wyższy w opakowaniach, a jeszcze wyższy w przypadku produktów przemysłu stoczniowego, chociaż z pewnością szokuje, że koszt l kg folii aluminiowej jest porównywalny z analogicznym kosztem promu morskiego lub samochodu małolitrażowego, które są ponad 10-krotnie większe od właściwych kosztów ekskluzywnego nawet domu jednorodzinnego. Znacznie większe są koszty właściwe samochodów i artykułów gospodarstwa domowego, chociaż musi zaskakiwać, że koszt właściwy ekskluzywnego samochodu firmy „Rolls-Royce", suszarki do włosów czy minutnika do jajek i obuwia sportowego może być taki sam. Jeszcze bardziej zastanawia, że koszty właściwe rakiety tenisowej, sprzętu wędkarskiego, samolotu pasażerskiego, np. Boeing 747 (tzw. Jumbo Jet) oraz implantów biomedycznych osiągają te same wartości, zresztą ponad 100-krotnie większe od kosztu właściwego samochodu małolitrażowego. Koszty właściwe sprzętu sportowego, sprzętu lotniczego i kosmicznego oraz materiałów biomedycznych są porównywalne ze sobą, lecz są zwykle 100- do 1000-krotnie większe od kosztów właściwych samochodu małolitrażowego. Najwyższe koszty właściwe, ok. 10-krotnie większe od takich kosztów określanych dla statków kosmicznych, osiągają soczewki kontaktowe i sztuczne zastawki serca. Przedstawione rozważania wskazują na możliwości uzyskania efektów ekonomicznych przy wytwarzaniu produktów wysoko przetworzonych o najwyższym możliwym poziomie technicznym, a także na to, że w takich przypadkach koszt właściwy materiału może być nawet 100 000 razy mniejszy od właściwego kosztu całego produktu. W takich przypadkach, niewątpliwie nieuzasadniona jest

;

|jf

1 1:, ffi |1! "

^

B i;

i ;

n j 1' • j

11

,

, '

'

!

!

* ii i ~ = 1 i

1

l METALOWA

ffl

.

AYS? C "

Ę

u!iaiBÓWA

SZKŁA TWORZYWA SZTUCZNE

l

^wfósSw10

°

I^-n^MEMaMramJi

-

•

--

11

Ę

1 LHKURGSE|]

S
t

INŻYNIERSKIE

g

SZKŁA

> g

MATERIAŁY BUDOWLANE

£

PALIWA

SVNIERSK E

l lii

—-1

—

|lE,V S=-

S & 2

Rodzaje produktów

300

_g> ^

;

lf '

=

1 TANKOWIEC B 11 UOST J

MAGAZYN

'

1 G"

1 1 WIERTARKA 1 >; 1 „JSS-Pi, 1 DENTYSTY- 1 , Ol 1 (BOBNG7471 I U ^n ^

||SPORTOW|J'

PZINNY

-2

S^OLOT l PROTEZA DEN- l] 1 WOJSKOWY 1

NOWA RAKIETA TENISOWA

pl'^1^ 1 PR M

:

: •_-*: \ s"=*

^

JAJEK

POLMERÓW

i SUPERNOWO- k CZESNY BUDYNEK

o

RAKIETA

1 II i i& 1 M

^| i

',0 - ; • '' •,,;... g

' . " - • '

i

| | | •SK^f

1

•' '

::

i H ^ i 1 lf '., jj| j •p| \ -_~^— 'S JA°°

io 1 l|[

-

;

':.. "

! H pi III

.:

* lii |

3

10

^ 1 H • '- ^105

&8 g^ °W

10" -g

:

^ :"^>w '»1= w • -o $

^0 03 -

>• '^; O

1

CD .9> ~

-1 10

O

2

' ••" V;•.'';;= i°-

Rys. 8. Orientacyjne koszty różnych grup materiałów odniesione do l kg (opracowano według danych M. F. Ashby'ego) Fig. 8. Estimated costs of yarious materiał s groups with reference to l kg (prepared according to datę of M. F. Ashby)

pomimo że przeciętnie doświadczony inżynier projektant dysponuje szczegółową wiedzą o zastosowaniach praktycznych 50 do 100 materiałów inżynierskich, które dokładnie poznał w trakcie kariery zawodowej. Niestety, jeszcze zbyt często zdarza się tak, że on właśnie decyduje o zastosowaniu w konkretnym przypadku jednego ze znanych sobie materiałów, nierzadko bez sięgania po specjalistyczną literaturę lub pomoc specjalisty. Szansa na właściwy dobór materiału jest wówczas niemal zerowa, a ostre warunki konkurencji przesądzają o niepowodzeniu rynkowym tak zaprojektowanego i wytworzonego produktu. Każdy, kto uczestniczy w procesie przygotowania produktu do obecności na rynku, musi mieć świadomość mnogości możliwych rozwiązań, a specjaliści winni szczegółowo znać metodologię postępowania, związaną z selekcją i dokładną charakterystyką bardzo wielu materiałów inżynierskich obecnie dostępnych, jak również tendencje umożliwiające w razie potrzeby indywidualne zaprojektowanie materiału o zestawie własności najbardziej odpowiadającym rzeczywistym wymaganiom. Niejednokrotnie zdarza się, że decyzja o prawidłowym doborze materiału inżynierskiego wymusza zmianę technologii, a nawet postaci konstrukcyjnej produktu lub jego elementu. Nierzadko bywa również odwrotnie. Każda z wersji kształtu produktu narzuca wymagania dotyczące materiału, do których można zaliczyć zależności między naprężeniami związanymi z kształtem produktu i jego obciążeniem a wytrzymałością materiału. Zmiana procesu technologicznego może zmienić własności materiału, a niektóre kombinacje kształtu produktu i materiału mogą być nie do zrealizowania przy wykorzystaniu niektórych procesów technologicznych. Przeciętny samochód małolitrażowy składa się z 15 tyś. elementów, natomiast duży samolot pasażerski z ok. 4,5 min elementów. Oznacza to, że uruchomienie produkcji tak złożonego produktu wymaga takiej samej liczby poprawnie podjętych decyzji, dotyczących doboru materiałów inżynierskich na każdy z elementów. Błąd, choćby w jednym przypadku, może kosztować życie wielu ludzi. Analogiczna sytuacja dotyczy każdego produktu, choć skutki błędnej decyzji nie muszą być aż tak dramatyczne; mogą być związane z niepotrzebnymi wydatkami, dużą awaryjnością sprzętów, maszyn i urządzeń, dyskomfortem lub po prostu zdenerwowaniem użytkowników, a nade wszystko z niepowodzeniem rynkowym produktu i w konsekwencji brakiem sukcesu wytwórcy. Decyzja w żadnym przypadku nie jest natomiast prosta. Nowoczesne produkty nie mogłyby być częstokroć zaprojektowane i wytworzone bez użycia wielu materiałów, jak również nie mogłyby bez nich działać w warunkach eksploatacji przewidzianych dla nich oraz przy wymaganym bardzo wysokim poziomie niezawodności. Bardzo obszerna liczba dostępnych obecnie gatunków materiałów stwarza nowe możliwości innowacyjne we wdrażaniu produktów. Do dzisiaj bardzo ważnym czynnikiem decydującym o doborze materiałów do konkretnych zastosowań jest doświadczenie i intuicja projektanta, a nawet jego przyzwyczajenia. Istotną determinantą rozwoju procesów wytwórczych, z uwzględnieniem uwarunkowań ekonomicznych i ekologicznych, na początku XXI wieku jest integracja w zakresie zaawansowanych procesów projektowania i wytwarzania nowych rozwiniętych produktów i dóbr użytkowych decydujących o poprawie jakości życia i dobrobytu społeczeństw, która obejmuje rozwój metodologii projektowania konstrukcyjnego i związane z tym tworzone coraz to nowsze rozwiązania konstrukcyjne przy użyciu metod komputerowego wspomagania projektowania C AD (computer alded desigri), rozwój nowych technologii i procesów wytwarzania, metodologii projektowania technologicznego, nowoczesnej organizacji produkcji, zarządzania operacyjnego i zarządzania przez jakość wraz z komputerowym wspomaganiem wytwarzania CAM (computer aided manufacturing), a także rozwój metodologii projektowania materiałowego, opracowanie całkowicie nowych materiałów inżynierskich o żądanych coraz to lepszych własnościach użytkowych, o walorach proekologicznych i zminimalizowanej energochłonności wraz z rozwojem komputerowej (obliczeniowej) nauki o materiałach CMS (computational material science) i metodologii komputerowego wspomagania projektowania materiałowego CAMD (computer aided materials desigri). Systemy komputerowego wspo-

magania doboru materiałów CAMS (computer aided materials selectiori) i komputerowego wspomagani a projektowania materiałowego CAMD współcześnie znajdują należne miejsce w ramach systemów komputerowego wspomagania projektowania CAD i wytwarzania CAM. W coraz większym stopniu eliminowane są w ten sposób czynniki, a nawet błędy subiektywne, a dobrane materiały mają najkorzystniejsze własności użytkowe i technologiczne, przy odpowiedniej gęstości oraz najniższych możliwych kosztach materiałów i wytwarzanych z nich produktów. Wykorzystanie metod komputerowego wspomagania w doborze materiałów wymaga opracowania obszernych baz danych, zawierających informacje o różnych materiałach i ich własnościach. Intensywne prace nad tym zagadnieniem są prowadzone w wielu ośrodkach. Dynamicznie rozwija się nowa specjalność inżynierska zwana komputerową nauką o materiałach. U jej podstaw stoi właściwy dobór materiału do danego zastosowania w oparciu o wielokryterialną optymalizację związaną zarówno ze składem chemicznym, warunkami wytwarzania, warunkami eksploatacji oraz sposobem usuwania odpadów materiałowych w fazie poużytkowej, jak również uwarunkowania cenowe związane z pozyskaniem materiału, jego przetworzeniem w produkt, samym produktem, a także kosztami usuwania odpadów poprodukcyjnych i poeksploatacyjnych, jak również modelowanie wszystkich procesów i własności związanych z materiałami. Rozwojowi komputerowej nauki o materiałach towarzyszy rozwój komputerowego wspomagania w inżynierii materiałowej, umożliwiający opracowywanie nowych materiałów inżynierskich przy znaczącym ograniczeniu lub nawet wyeliminowaniu badań eksperymentalnych. Wśród licznych metod komputerowej nauki o materiałach, służących predykcji własności nowo opracowanych materiałów inżynierskich szczególną rolę odgrywają metody sztucznej inteligencji, w tym sieci neuronowe. Rosnąca popularność sieci neuronowych wynika z możliwości budowania relacji między badanymi wielkościami bez konieczności znajomości fizycznego modelu opisywanych zjawisk. Wyniki dostarczone przez sieć neuronową bardzo często wykazują większą zgodność z danymi doświadczalnymi od wyników uzyskanych dzięki zależnościom empirycznym lub matematycznym modelom analizowanych procesów. Narzędzia sztucznej inteligencji coraz częściej są wykorzystywane do projektowania materiałowego oraz komputerowego wspomagania doboru materiałów CAMS i komputerowego wspomagania projektowania materiałowego CAMD. Zakres nauki o materiałach i inżynierii materiałowej Własności użytkowe produktu są uzyskiwane tylko wtedy, gdy zostanie użyty właściwy materiał wytworzony w odpowiednio dobranym procesie technologicznym, nadającym zarówno wymagany kształt i inne cechy geometryczne, w tym tolerancje wymiarowe poszczególnych elementów umożliwiające końcowy montaż produktu, jak również kształtującym wymaganą strukturę materiału, zapewniającą oczekiwane własności mechaniczne, fizyczne i chemiczne produktów, co jest gwarantem zapewnienia założonej funkcji użytkowej produktu (rys. 9). Stanowi to podstawowy paradygmat nauki o materiałach i inżynierii materiałowej. Ustalanie zależności między strukturą, procesem technologicznym i własnościami użytkowymi, jak również dobór materiałów i procesów technologicznych kształtujących ich strukturę i własności w celu stosowania w złożonych systemach produkcyjnych, stanowią przedmiot głównych zainteresowań inżynierii materiałowej (rys. 10). Nauka o materiałach i inżynieria materiałowa, oprócz nauk informatycznych oraz awangardowych nauk biologicznych i medycznych, należą do najintensywniej rozwijających się obszarów nauki, decydujących obecnie o postępie cywilizacyjnym ludzkości. Nauka o materiałach może być najogólniej określona jako „poznawanie substancji, z których jest lub może być wytworzone coś innego, oraz ich syntezy, własności i zastosowań"1'. Należy zwrócić ' Ruhle M., Dosch H., Mittemeijer E. J., Van de Yoorde M. H. w „European White Book on Fundamental Research in Materials Science" 2002 r.

301

Rys. 9. Schemat wzajemnych zależności między doborem materiału, kształtem i cechami geometrycznymi produktu, jego procesem technologicznym, strukturą i własnościami materiału oraz funkcjami użytkowymi produktu Fig. 9. Diagram of mutual relationships among materials selection, shape and geometrical features, its technological processes, structure and materiał properties and product application factors Struktura

Warunki eksploatacyjne

wiązania atomowe struktura krystaliczna wady struktury mikrostruktura ." . •' - •.

nauka o

-_.-„...,-,..

' ;•""•-•'•' H K• ' •.

:

-- f •

^ .:•

materiałach | | | | j | | | | ^

inżynieria materiałowa

'*"'••••'"- .'?;.., ;:':::;;: 1 1 Bj 'i 1 ':' ";

:;

pi p |H

makrostruktura

Rys. 10. Schemat relacji między strukturą, własnościami materiałów inżynierskich oraz warunkami eksploatacyjnymi wytworzonych z nich produktów (opracowano według G. E. Dietera) Fig. 10. Diagram of mutual relationships among structure, properties of engineering materials and exploitation conditions of manufactured products (prepared according to G.E. Dieter) przy tym uwagę, że synteza jest rozumiana jako „sztuczna produkcja substancji przez procesy chemiczne"2'. Podane sformułowanie zadań nauki o materiałach, obejmuje materiały zarówno naturalne, jak i inżynierskie (syntetyczne) konwencjonalne, jak i rozwinięte (advanced). Wydaje się, że warto również zastanowić się nad pojęciem „materiał". W języku angielskim „materiał" znaczy po prostu „tworzywo" i jest definiowany jako „substancja lub rzecz, z której coś jest lub może być zrobione". W Polsce obiegowo przyzwyczajono się do znaczenia słowa „materiał" jako „substancji" albo „produktu mającego praktyczne zastosowanie lub przeznaczonego do użytku" albo „tego, z czego się składają przedmioty"3'. W powszechnym odczuciu rozumienie tego słowa rozminęło się zatem z podstawowym jego znaczeniem stojącym u podstaw nauki o materiałach, tzn. „tego, z czego wytwarzane są (...) przedmioty; tworzywa; surowca..."3'. Z pewnością takie właśnie wyczucie językowe w okresie ostatnich dziesięcioleci, kiedy to w świecie rozwinęła się nauka o materiałach i inżynieria materiałowa (material sdence and engineering), zadecydowało o pojmowaniu zakresu tej dyscypliny naukowej w Polsce. Bardzo często jej przedmiot sprowadzano do zainteresowania produkcją oraz oceną struktury i podstawowych własności różnych substancji, nierzadko w oderwaniu od sfery apli-

302

kacyjnej, co w istocie przeczy celom i założeniom tych działań. Z kolei projektanci i wytwórcy różnych produktów rutynowo stosowali tworzywa wybrane przypadkowo i bardzo często przed wieloma laty, nie odczuwając potrzeby śledzenia zmian i postępu wprowadzanego stale przez naukę o tworzywach (materiałach), ich własnościach i praktycznej przydatności. Często w środowiskach inżynierskich, a nawet naukowych, ignorowano nawet ten obszar wiedzy, traktując go jako egzotyczny lub wręcz zbyteczny, co w konsekwencji oddalało skutecznie te środowiska od światowego poziomu w tym zakresie i wielokrotnie przesądzało o niepowodzeniach i braku sukcesów krajowych produktów na rynku międzynarodowym, a nawet krajowym, gdyż nie wytrzymywały one warunków konkurencji i jakości, narzucanych przez czołowych wytwórców światowych. Sytuacji nie poprawia również w pełni fakt, że są w Polsce wykształceni specjaliści z zakresu inżynierii materiałowej, których prace i działania wielokrotnie nie są zsynchronizowane z działaniami w branżach projektowych i wytwórczych produktów finalnych, a nierzadko sprowadzają się jedynie do wyprodukowania lub nawet tylko przedstawienia propozycji półproduktu materiałowego, jako potencjalnej oferty dla wytwórców produktów finalnych. Odczuwa się nadal zbyt częsty brak świadomości tego, że badanie i produkcja materiałów ma sens jedynie wówczas, gdy będą one tworzywami o optymalnie dobranych własnościach, ze względu na eksploatacyjne wymagania produktów. Z drugiej strony projektowanie i wytwarzanie produktu, który może znaleźć zainteresowanie na rynku jest możliwe jedynie wówczas, gdy do jego produkcji użyte zostaną najbardziej odpowiednie tworzywa (materiały). Pomimo że sprawa wydaje się oczywista, nadal nie jest właściwie postrzegana i rozumiana przez wiele osób, które z jednej strony decydują o asortymencie i zakresie produkcji, a z drugiej strony 0 kształceniu kadr. Po tych rozważaniach, zważywszy ponadto, że ogólnie „inżynieria jest zastosowaniem nauki dla bezpośrednio użytecznych celów, takich jak budowa, napęd, komunikacja i przesył informacji lub wytwarzanie"4' można zdefiniować zarówno naukę o materiałach jak i inżynierię materiałową (tabl. 3). W świetle przedstawionych rozważań należy stwierdzić, że konieczne jest nauczanie inżynierii materiałowej wśród studentów 1 kadry wszystkich specjalności inżynierskich, gdyż niemal w każdym przypadku, chociaż nie wyłącznie, tworzywo (czyli materiał) i jego własności decydują o możliwości wytworzenia produktu i o jego walorach użytkowych. Z kolei postęp w inżynierii materiałowej (tworzyw) jest tak wielki, że w najbardziej rozwiniętych i awangarTablica 3 Definicje nauki o materiałach i inżynierii materiałowej Table 3 Definitions of materials science and materials engineering Dyscyplina nauki łub inżynierii

Definicja

Nauka o materiałach

nauka o materiałach jest dziedziną nauki, dotyczącą struktury i własności materiałów (tworzyw), zwłaszcza z uwzględnieniem możliwości ich zastosowania

Inżynieria materiałowa

inżynieria materiałowa jest dziedziną inżynierii, obejmującą zastosowanie nauki o materiałach (tworzywach) dla bezpośrednio użytecznych celów związanych z projektowaniem, wytwarzaniem i użytkowaniem różnych produktów i dóbr powszechnego użytku

Hawkins J. M. (ed.) w „The Oxford Reference Dictionary", 1992 r. "Szymczak M. (red.) „Słownik języka polskiego PWN" 1979 r. *'Sinkel D. (prod.) w „Oxford talking dictionary", 1998 r.

dowych obszarach okres półdezaktualizacji wiedzy szczegółowej nie przekracza 2-5-3 lat. O dynamice rozwoju inżynierii materiałowej mogą świadczyć Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki i chemii uzyskane w ostatnich dziesięcioleciach za wybitne osiągnięcia, które w zastosowaniach inżynierskich znacząco zmieniły rzeczywistość techniczną w świecie. Wystarczy tylko wspomnieć tranzystory, układy scalone, fullereny, materiały nadprzewodzące, polimery przewodzące prąd elektryczny i półprzewodnikowe oraz inne. Ktoś, kto na bieżąco nie śledzi tego postępu, po pewnym czasie dysponuje jedynie wiedzą przestarzałą i bez ponownych gruntownych studiów nie jest w stanie podjąć sensownych działań inżynierskich. Wymaga to zatem od środowiska aktywnych zawodowo inżynierów stałego doskonalenia się, kształcenia ustawicznego, podejmowania studiów podyplomowych, a nade wszystko bieżącego śledzenia aktualnej literatury naukowej i technicznej oraz czytelnictwa prasy inżynierskiej i naukowej. Ponieważ okres półdezaktualizacji wiedzy szczegółowej w najbardziej rozwiniętych i awangardowych obszarach nauki o materiałach, inżynierii materiałowej i technologii procesów materiałowych jest krótki, wymaga to także systematycznych i dynamicznych studiów oraz działań naukowo-badawczych oraz skoordynowanych, ciągłych i systematycznych działań nad podnoszeniem ogólnego poziomu wiedzy wśród kadry inżynierskiej różnych specjalności, w celu szybkiego transferu tej wiedzy do praktyki projektowania inżynierskiego produktów oraz sfery ich wytwarzania i eksploatacji. Udostępnianie ludziom produktów i dóbr użytkowych, bezpośrednio decydujące o poziomie i jakości życia, a zagadnienia materiałowe odgrywają w tym procesie istotną rolę i w ten sposób bezpośrednio decydują o możliwościach rozwoju społeczeństw. Współczesne zainteresowania nauki o materiałach i inżynierii materiałowej, uwzględniające liczne interdyscyplinarne czynniki, można sprowadzić do zagadnień podanych w tablicy 4. Znajomość Tablica 4 Zakres zainteresowań nauki o materiałach oraz inżynierii materiałowej (opracowano na podstawie materiałów M. Riihlego, H. Doscha, E. Mitteimeijera i M. H. Van de Voorde)

Szklą metaliczne ) Stopy AI-Li Stale dwufazowe v Powolny Stale mikrostopowe f rozwój Nowe nadstopy

J • v-v.- : Włókna SKiJSf"

-a* '

10000 5000

O 1000

Ul '•• III

1800

1900

19401960 19801990

2000 20102020

Data Rys. 11. Schemat znaczenia różnych grup materiałów w różnych okresach rozwoju cywilizacji ludzkiej z zaznaczeniem okresów wprowadzania nowych materiałów — orientacyjną datę oznacza początek opisu (opracowano według M. F. Ashby'ego); skróty oznaczeń objaśniono w tablicy 11 Fig. 11. Diagram presenting the significance of various materials groups in various periods of the human civilisation development, with dates of introduction of new materials — the beginning of the description indicates the estimated datę (prepared according to M.F. Ashby) Abbreviations of explanations are given in w table 11

i dalsze poznawanie licznych zjawisk, m.in. elektrycznych, magnetycznych, optycznych, mechanicznych, cieplnych, przy uwzględnieniu wzajemnych oddziaływań między czynnikami zewnętrznymi, Table 4 strukturą materiałów oraz teorii dotyczącej podstaw tych zjawisk, po Area of interest of materials science and materials engineering wykorzystaniu współczesnych metod modelowania matematyczne(prepared according to M. Riihlego, H. Doscha, go, a także z wykorzystaniem narzędzi sztucznej inteligencji i inE. Mitteimeijera i M. H. Van de Yoorde) nych metod komputerowego wspomagania oraz rozwiniętych technik analitycznych i metod badawczych wyjaśniających zachowania Zakres tematyczny Cele do osiągnięcia i metody działania materiałów, zwłaszcza w skali nanometrycznej i atomowej oraz w wyjątkowo krótkim czasie femtosekund (1CT15 s), umożliwiają Synteza (wytwarzanuie) ułożenie atomów i składników o większej i przetwórstwo mateskali w materiałach w systemy o wymaanej dostosowanie własności materiałów, w tym także nanomateriałów, riałów (tworzyw) konfiguracji biomateriałów i materiałów biomimetycznych (bionaśladowczych), do wymagań stawianych przez ich zastosowania praktyczne. Skład chemiczny ocena wpływu składu chemicznego i mikroCzłowiek od zarania dziejów wykorzystywał, a z czasem przestruktury na zachowanie się materiałów i mikrostruktura matetwarzał, materiały potrzebne do zdobycia pożywienia, zwiększenia riałów (tworzyw) swego bezpieczeństwa i zapewnienia sobie odpowiedniego poziomu Zjawiska i własności badanie mechanizmów przebiegających życia. Śledząc dzieje cywilizacji ludzkiej można dojść do przekonamateriałów (tworzyw) w materiałach (tworzywach) w trakcie nia, że o jej rozwoju decyduje w dużej mierze rozwój materiałów procesów technologicznych i eksploatacji i towarzyszący temu rozwój sił wytwórczych. Świadczy o tym niew celu wyjaśnienia zjawisk i ich wpływu na własności materiałów wątpliwie, między innymi, nazwanie różnych okresów w dziejach ludzkości od materiałów decydujących wówczas o warunkach życia, Zachowane materiałów ocena przydatności materiałów do różnych np. epoki: kamienia, brązu, żelaza (rys. 11). Również wdrożenie (tworzyw) w warunkach zastosowań różnych wynalazków stało się możliwe dopiero po udostępnieniu eksploatacji odpowiednich materiałów. Przykładowo, już w notatkach Leonardo Projektowanie przewidywanie składu chemicznego, da Vinci z piętnastego wieku znaleziono szkic helikoptera, lecz materiałów (tworzyw) wlasnos'ci oraz trwałości materiałów śmigłowiec wyprodukowano dopiero w latach czterdziestych dwuoraz przewidywanie ich w warunkach eksploatacyjnych metodami dziestego wieku. Statki kosmiczne dawno opisano w literaturze, trwałości i/lub teoretycznymi oraz przy wspomaganiu niezbędnych obliczeń dokonano już w pierwszym dziesięcioleciu żywotności komputerowym z włączeniem metod dwudziestego wieku, natomiast pierwszy sztuczny satelita Ziemi sztucznej inteligencji wystartował z sukcesem dopiero pod koniec lat pięćdziesiątych, a pierwszy prom kosmiczny w latach siedemdziesiątych XX wieku. Okres półdezaktualizacji wiedzy szczegółowej (pojęcie wprowadzone Dotychczas, od początku kreowania się najpierw metaloznawprzez analogię do okresu półrozpadu promieniotwórczego) oznacza, że po danym okresie ok. 50 % szczegółowych informacji w danym obszarze zosta- stwa a potem materiałoznawstwa jako dyscypliny inżynierskiej, podstawową metodą nauki o materiałach i inżynierii materiałowej nie zastąpione przez nowe, aktualne, wprowadzone w związku z nowymi odkryciami technicznymi i naukowymi. było wprowadzanie nowych materiałów, głównie na podstawie ba-

303

dań empirycznych realizowanych metodą prób i błędów. Podejście to uległo zmianie w miarę poznawania podstaw procesów decydujących 0 własnościach i zachowaniu się materiałów w trakcie wytwarzania 1 eksploatacji i wprowadzono początkowo dobór materiałów, a obecnie projektowanie materiałowe, w celu udostępnienia materiału o najkorzystniejszym zestawie własności użytkowych zapewnianych przez odpowiedni skład chemiczny i proces technologiczny materiału. Na rysunku 12 schematycznie przedstawiono czynniki konieczne do uwzględnienia przy wprowadzaniu nowych materiałów inżynierskich, z uwzględnieniem ich rozwoju, bezpieczeństwa i uwarunkowań ekologicznych. Proces wprowadzania nowych materiałów jest związany z doskonaleniem istniejących materiałów, albo przez uwzględnianie nowych osiągnięć związanych z opracowywaniem nowych związków, struktury oraz zapewnianiem nowych własności (rys. 13). Podstawową możliwością jest projektowanie nowych materiałów bardzo często z uwzględnieniem małej skali, do nanometrycznej włącznie, optymalizacja ich zastosowań, a także optymalizacja produkcji z uwzględnieniem modelowania własności i procesów. Materiały są produkowane z surowców pobieranych ze środowiska naturalnego, w celu kreowania rozwoju zapewniającego stworzenie bardziej komfortowych warunków życia. Aktywność ta jest częścią systemu cywilizacyjnego, który stanowi fragment ekosfery tworzonej przez geosystem i biosystem. Tradycyjny rozwój materiałów realizowany był niemal wyłącznie w ramach systemu cywilizacyjnego, z ignorowaniem oddziaływań z ekosferą. Dopiero od stosunkowo niedługiego czasu, jako ważną determinantę w projektowaniu, wytwarzaniu i eksploatacji materiałów wprowadzono konieczność współdziałania z pozostałymi wymienionymi systemami, a wraz z nią pojęcie ekomateriałów, uwzględniających holistyczne (całościowe) podejście do ekosfery. Podejście to uwzględnia zarówno konieczność rozwoju nowych technologii, związaną z kreatywnością rozwojową, jak i harmoniczną koegzystencją z ekosferą i minimalizację degradacji środowiska naturalnego, jak również optymalizację technologii i infrastruktury w celu zapewnienia zdrowego życia w zgodzie z naturą. Nowoczesne spojrzenie na ochronę środowiska dotyczy zarządzania całym technicznym cyklem życia produktu, obejmującym wszystkie fazy związane z powstawaniem produktu, jego sprzedażą, użytkowaniem i fazą pokonsumpcyjną. System zarządzania środowiskowego umożliwia uwzględnienie wymienioStruktura Projektowanie

Przetwórstwo

Własności

Synteza

Zastosowanie Rys. 12. Podstawowe czynniki uwzględniane w konwencjonalnych badaniach nowo wprowadzanych materiałów inżynierskich (opracowano według rysunku D. Raabego) Fig. 12. Fundamental factors taken into consideration in conventional researches of newly introduced engineering materials (prepared according to the picture of D. Raabe)

304

Materiały współczesne

Optym mai •"• '. - •

: ': ii" ~ - '••'•"• sil i --' : ' '^j"-'' .—•'.". s jm

; jlajj

; : :

:; j

' III:

-:, " ~:-'(.' \ l lii

l•

i j iB i i [j| 1 I l

/. :

.l

• •

'

:

' •

l

Rys. 13. Schemat ogólnej strategii wprowadzania nowych materiałów inżynierskich (opracowano według H. Doscha i M. H. Van de Yoorde) Fig. 13. Diagram of generał strategy of the introduction of new engineering materials (prepared according to H. Dosch and M. H. Van de Yoorde) nych aspektów i zmierza do poprawy relacji między efektami działalności człowieka, zwłaszcza produkcyjnej, a środowiskiem. Uwzględniając obecne wymagania gospodarcze i powszechną tendencję do zwiększenia konkurencyjności produktów oraz zważając na prognozy dotyczące przyszłego rozwoju cywilizacyjnego i związanego z tym rosnącego zapotrzebowania na materiały inżynierskie, w trakcie projektowania inżynierskiego oraz następujących po nim procesów wytwarzania i eksploatacji produktów, należy ponadto konsekwentnie i w skoordynowany sposób działać dla zaoszczędzenia surowców materiałowych przez: — projektowanie inżynierskie z oszczędnym wykorzystaniem materiałów inżynierskich, zwłaszcza trudno dostępnych i wyczerpujących się, przy minimalizacji ich energochłonności, — stosowanie w miejsce materiałów inżynierskich trudno dostępnych i wyczerpujących się, nowych — o mniejszej energochłonności oraz łatwiej dostępnych i cechujących się dużą rezerwą czasu połowicznego wyczerpania się zasobów surowcowych, — pełne wykorzystanie energooszczędnego recyklingu, w celu ponownego wykorzystania i pełnego odzysku materiałów inżynierskich, we wszystkich możliwych i ekonomicznie uzasadnionych przypadkach. Koniec XX wieku wskazał, że osiągnięcia inżynierii materiałowej są zwykle wynikiem daleko posuniętej integracji między różnymi dyscyplinami nauki, co w konsekwencji doprowadziło do tego, że nauka o materiałach w XXI wieku jest interdyscyplinarnym obszarem utworzonym na styku i na przecięciu różnych podstawowych dyscyplin, głównie fizyki ciała stałego, chemii, matematyki i inżynierii procesowej, ale także mechaniki i budowy maszyn, ekologii, ekonomii, zarządzania i informatyki stosowanej, a nawet biologii i medycyny, wykorzystując osiągnięcia tych dyscyplin naukowych w celu zaproponowania tworzyw o najkorzystniejszym zestawie własności i najlepiej odpowiadających coraz to wyższym wymaganiom stawianym produktom i dobrom wykorzystywanym przez ludzi, w warunkach ostrej konkurencji rynkowej i przy wysokich wymaganiach odnośnie do jakości, niezawodności, trwałości i ceny. W świetle przedstawionych rozważań należy również stwierdzić, że klasyczne założenia podziału nauki na dyscypliny wprowadzone w wieku XVIII przez francuskiego filozofa i socjologa, głów-

nego przedstawiciela francuskiego pozytywizmu i twórcy pojęcia socjologii, Auguste Comte stały się nieaktualne, ze względu na interdyscyplinarność lub wielodyscyplinarność większości podejmowanych problemów naukowych. Metody naukowe są uniwersalne i bezpodstawne są próby przyporządkowania sobie którejkolwiek z nich przez którąkolwiek z dyscyplin naukowych, bowiem wszystkie z nich wykorzystują już specyficzne metody naukowe. Kreowanie w przyszłości nowych osiągnięć nauki o materiałach i sprostanie nowym wyzwaniom przy pełnej oczekiwanej innowacyjności wymaga zatem nie tylko technicznego podejścia do nauki, lecz również podej ścia kulturowego zapewniaj ącego dociekliwość, refleksyjność i skłonność do nieraz odległych skojarzeń. Nauka o materiałach i inżynieria materiałowa odgrywają obecnie kluczową rolę w ustaleniu i poprawie warunków ekonomicznych i jakości życia, zwłaszcza w sferach wytypowanych jako priorytetowe w rozwoju światowym na najbliższe dziesięciolecia, do których zalicza, się: — poprawę warunków życia, — system ochrony zdrowia, — komunikację i przesył informacji, — rozwój dóbr konsumpcyjnych, — transport. Można się pokusić o wizję przyszłości i ocenić tendencje rozwojowe zastosowań różnych materiałów inżynierskich. Związane są one oczywiście z przewidywaniami dotyczącymi rozwoju różnych dziedzin życia i procesów wytwórczych, opartymi na wizjach opracowanych przez poważne gremia uczonych i futurologów. Nawet, jeśli nie wszystkie przewidywania dotyczące tendencji rozwojowych różnych dziedzin życia i procesów wytwórczych sprawdzą się lub opóźnią się w czasie, należy się liczyć z tym, że niemal wszystkie z prognozowanych przedsięwzięć wymagają użycia odpowiednich technologii wytwórczych, a nade wszystko odpowiednich materiałów. Część z tych materiałów jest już dostępna, natomiast sporo należy opracować w najbliższej przyszłości, stosownie do stawianych wymagań. Warto zdać sobie sprawę, że wiele śmiałych projektów stanie się możliwych do realizacji jedynie wówczas, jeśli wyprodukowane zostanąnowe, odpowiednie materiały inżynierskie. Stąd zasadniczym jest znaczenie, jakie odgrywa rozwój materiałów inżynierskich w osiąganiu głównych celów współczesnych społeczeństw. Szczególna jest zatem rola projektowania materiałowego w powiązaniu z projektowaniem technologicznym w zaspokajaniu potrzeb rynkowych rozwijających się społeczeństw, wobec czego rozwój nauki o materiałach i inżynierii materiałowej stanowi istotną determinantę rozwoju społeczeństw w pierwszych dziesięcioleciach XXI wieku. W projektowaniu materiałowym należy wyróżnić przy tym dwa zasadnicze cele. Jednym z nich, przed którym staje każdy projektant jakiegokolwiek produktu, jest dobór właściwego materiału inżynierskiego do konkretnego zastosowania na dany produkt spośród już istniejących materiałów, tak aby spełniał zbiór wymaganych własności użytkowych. Drugim zaś celem, przed którym staje środowisko naukowe, jest opracowanie nowych materiałów inżynierskich, lepiej niż dotychczas spełniających wymagania użytkowe lub przewidzianych do nowych, dotychczas nieznanych zastosowań. Ważne jest, aby w tym celu nie dochodzić do najlepszego rozwiązania metodą prób i błędów, jak to czyniono od dziesięcioleci, a w przypadku stali i stopów miedzi nawet od tysięcy lat, lecz metodami modelowania matematycznego, fizycznego lub przy wspomaganiu komputerowym dokonać odpowiednich obliczeń, wytypować optymalne rozwiązanie i w ten sposób znaleźć i wykonać oczekiwany materiał inżynierski bez bardzo kosztownych i długotrwałych prób eksperymentalnych. Możliwość takiego podejścia do rozwiązywania problemów materiałowych stwarza rozwijająca się ostatnio komputerowa nauka o materiałach. Komputerowa nauka o materiałach, jako nieodzowne narzędzie predykcji własności tworzyw oraz oddziałujących na nie procesów technologicznych i projektowanie materiałowe związane z dostosowaniem materiałów, począwszy od składu chemicznego, faz składowych i mikrostruktury do zespołu własności wymaganych dla zastosowania w gotowych produktach, zapewniają optymalizację własności użytkowych materiałów, które

Tablica 5 Główne kierunki działań w zakresie nauki o materiałach i inżynierii materiałowej dla osiągnięcia celów strategicznych rozwoju społeczeństw (opracowano na podstawie informacji M. Riihlego, H. Doscha, E. Mitteimeijera i M. H. Van de Yoorde)

Table 5 Main directions of activities in materials science and engineering for achieving the strategie aims of the development of societies (based on information in M. Riihlego, H. Doscha, E. Mitteimeijera i M. H. Van de Yoorde)

Główne kierunki działań

Przewidywane zamierzenia

Projektowanie materiałowe

Przewidywania teoretyczne i symulacja komputerowa wraz z oceną własności materiałów w wirtualnym środowisku umożliwia polepszenie własności materiałów inżynierskich, a ponadto ich przewidywanie nawet przed wyprodulowaniem materia- łów, przy znaczącym zmniejszeniu nakładów i czasu niezbędnych dla ich badania i wdrożenia

Komputerowan nauka o materiałach

Modelowanie komputerowe staje się nieodzownym narzędziem w nauce o materiałach i inżynierii materiałowej zapewniając chemiczny i fizyczny opis materiałów w szerokiej szkali zarówno długości, jak i czasu

Rozwinięte techniki analityczne

Rozwój nowych materiałów inżynierskich oraz odkrywanie nowych zjawisk decydujących o ich własnościach wymagają rozwoju, wprowadzenia i upowszechnienia nowych i wydajniejszych technik badawczych umożliwiających badanie materiałów do skali atomowej włącznie

Wytwarzanie (synteza) i przetwórstwo

Celem przyszłościowych technik wytwarzania i przetwórstwa jest konstruowanie materiałów inżynierskich ze złożonych układów atomów i cząstek, z taką samą dokładnością i kontrolą jaką obecnie stosuje się w odniesieniu do materiałów półprzewodnikowych

Nanomateriały

Zdolność kontroli, wytwarzania i projektowania materiałów w skali nanometrycznej (10+9 m) jest jednym z głównych kierunków postępu w celu wykorzystania tych materiałów dla opracowywania nowych zastosowań, minimalizacji odpadów i zanieczyszczeń oraz optymalizacji własnos'ci we wszystkich podstawowych grupach materiałów inżynierskich

Materiały inteligentne

Materiały inteligentne, w odróżnieniu od pozostałych (obojętnych) materiałów, są projektowane tak, aby reagowały na zewnętrzną stymulację i adaptując się do warunków środowiskowych polepszały swe własności, zwiększając trwałość, oszczędzając energię lub dostosowując warunki dla poprawy komfortu ludzi, a także samoistnie się powielając lub uszkadzając w miarę potrzeby, zmniejszając odpady i zwiększając efektywność

Materiały buomimetyczne (bionaśladowcze)

Dzięki lepszemu zrozumieniu mechanizmów wytwarzania materiałów i kompozytów przez organizmy żywe, szybko rozwijającym się zakresem inżynierii materiałowej stają się materiały biomimetyczne, które kopiują lub naśladują procesy i materiały biologiczne, zarówno organiczne jak i nierorganiczne i są wytwarzane coraz bardziej precycyjnie i efektywnie, łącząc samoorganizację ze zdolnością do formowania hierarchicznie zbudowanych materiałów

305

znajdują zastosowanie w produktach i dobrach użytkowych, służących poprawie jakości życia społeczeństw i decydują o głównych kierunkach rozwoju nauki o materiałach i inżynierii materiałowej w najbliższych dziesięcioleciach XXI wieku. Zwiększa to znakomicie szansę na wprowadzenie innowacyjnych produktów i dóbr użytkowych w przyszłości, zapewniających oczekiwaną poprawę jakości życia i dobrobytu społeczeństw, oraz stwarza warunki dla minimalizacji czasu pomiędzy dokonaniem odkryć naukowych i ich praktycznymi zastosowaniami. Wprowadzenie nowych generacji materiałów i upowszechnienie produktów o oczekiwanych własnościach, które mogą być wytworzone z tych materiałów, wymaga poznania zachowania się materiałów jako tworzyw do wyprodukowania nowych produktów, od skali atomowej/nanostrukturalnej przez mikrostrukturę do skali makroskopowej przy użyciu rozwiniętych technik badawczych i komputerowej nauki o materiałach (modelowania komputerowego). Ta strategia wymaga zastosowania zarówno do polepszeniakonwencjonalnych materiałów produkowanych i stosowanych masowo, takich jak stal lub stopy metali nieżelaznych, jak i do nowoczesnych materiałów funkcjonalnych stosowanych w coraz to mniejszych „inteligentnych" urządzeniach. Stosując podstawowe zasady fizyki i chemii dotyczące stanu i własności skondensowanej materii, teoria materiałów jest wykorzystywana do modelowania struktury i własności funkcjonalnych rzeczywistych materiałów oraz projektowania i przewidywania nowych materiałów i urządzeń o zwiększonej praktycznej przydatności. Nowoczesna teoria nauki o materiałach i modelowanie są stosowane do rozwoju nowych materiałów. Projektowanie materiałowe jest związane z dostosowaniem materiałów, począwszy od składu chemicznego, faz składowych i mikrostruktury do zespołu własności wymaganych dla zastosowania w gotowych produktach, a komputerowa nauka o materiałach stanowi nieodzowne narzędzie predykcji własności tworzyw oraz oddziałujących na nie procesów technologicznych (tabl. 5). Ogólna charakterystyka metali w porównaniu z innymi grupami materiałów inżynierskich Mnogość dostępnych obecnie materiałów stwarza konieczność ich poprawnego doboru na elementy konstrukcyjne lub funkcjonalTablica 6 Własności materiałów stosowane jako kryteria ich doboru Table 6 Materials properties used as a criteria of their selection Klasy kryteriów Ogólne Mechaniczne

Cieplne

Własności względny koszt gęstość moduł sprężystości wytrzymałość odporność na pękanie wskaźnik zmęczeniowy przewodność cieplna dyfuzyjność pojemność cieplna temperatura topnienia temperatura zeszklenia współczynnik rozszerzalności cieplnej odporność na udary cieplne odporność na pełzanie

Zużycie

wskaźnik zużycia

Korozja

wskaźnik korozyjny

306

Tablica 7 Porównanie wytrzymałości właściwej oraz relatywnych kosztów jednostki masy wybranych metali nieżelaznych ze stalą niestopową (opracowano na podstawie danych D. R. Askelanda i P. P. Phulego) Table 7 Comparison of specific strength and relative costs of mass unit of chosen non-ferrous metals including non-alloyed steel (prepared on the data of D. R. Askelanda and P. P. Phulego) Orientacyjna relatywna gęstość"

Metal

Orientacyjna wytrzymałość właściwa

%

34,31 23,51 90,6

Aluminium Beryl Cynk

km

%

21,85

3/

Miedź Nikiel Ołów Tytan Wolfram

22,11 113,47 113,09 144,35 57,31 244,6

7,37 22,1 11,94 14,22 0,51 24,9 5,59

122,89 213,72 41,45 124,3 67,15 79,98 2,87 140,04 31,44

Stal niestopowa

100

17,78

100

Magnez

1S*' 3o

Orientacyjny relatywny koszt4'

%

600 350 000

400

1500

700

4100

450

4000 4000

100

Za podstawę przyjęto, że gęstość stali niestopowej wynosi 100 % Wytrzymałość na rozciąganie odniesiona do gęstości Za podstawę przyjęto, że wytrzymałość właściwa stali niestopowej wynosił 100% 4/ Za podstawę przyjęto, że koszt jesnostki masy stali niestopowej wynosi 100 % przy średnim poziomie cen światowych z lat 1998*2002 S/ W stanie wyciskanym na gorąco 3/

Tablica 8 Ranking pierwiastków metalowych według wzrastającej gęstości Table 8 Ranking of metal elements accordind to increasing density Lp.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Li K Na Rb

17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Ge Sn Ga La V Te

16

Ca

Mg Be Cs Sr Al Sc Ba Y Ti Ra EU

Zr Ce Sb Pr

0,5334 0,855 0,9674 1,532 1,55 1,738 1,848 1,892

2,6

2,6989 2,989

3,5

4,469 4,507

5

5,244 5,323

7,168

5,907 6,146

6,16

6,237 6,505 6,689 6,697 6,773

Pierwiastek

PierGęstość wiag/cm stek

PierGęstość wiag/cm stek

27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

39

40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52

Yb

Nd

Zn Cr Pm In Mn Sm Fe Gd Tb Dy Nb Cd Fm Ho Co Ei Ni Cu Er Tm Po Bi Lu Ac

6,903 7,088 7,133 7,19 7,264

7,3

7,43 7,52 7,87 7,901 8,23 8,551 8,57 8,642

8,8

8,795 8,832 8,84 8,902 8,93 9,066 9,321 9,32 9,808 9,841 10,1

53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78

Mo Ag Pb Te Th Tl Pd Rh Ru Hf Cm Am Hg Bk

Cf

Pa Ta U W Au Pu Np Re Pt Os Ir

Gęstość g/cm3

10,22 10,49 11,3 11,5 11,72 11,872 12,02 12,41 12,45 13,09 13,53

13,61

14,193(<-39°C)

14,78 15,1 15,43 16,6 19,05 19,25 19,32 19,86 20,48 21,04 21,45 22,61 22,65

ne, narzędzia i ewentualnie inne produkty lub ich elementy. Doboru tego należy dokonywać na podstawie wielokryterialnej optymalizacji, w tym także opierając się na własnościach podanych w tablicy 6. Ze względu na zespół wymaganych własności, w dalszym ciągu niejednokrotnie bezkonkurencyjne są materiały metalowe. Zważy-

wszy na statystyki światowe trzeba stwierdzić, że największe i jednakowe jest zużycie masowe stali (bardzo liczne gatunki) oraz betonu (stosunkowo niewiele gatunków). Zużycie pozostałych materiałów jest co najmniej o 1+2 rzędy wielkości mniejsze. Ze względu na bardzo różne własności użytkowe, szerokie jest jednak zastosowanie metali nieżelaznych i ich stopów, niejednokrotnie konkurencyjnych w stosunku do stopów żelaza, a bardzo często komplementarnych w stosunku do nich, lub wręcz bezkonkurencyjnych. Przykładowo, w tablicy 7 porównano ze stalą własności mechaniczne, gęstość i koszty kilku wybranych metali nieżelaznych. W tablicy 8 dokonano generalnej klasyfikacji metali ze względu na 3 gęstość. Tych trzynaście, które mają gęstość < 4,5 g/cm , uważanych Tablica 9 Ranking pierwiastków metalowych według malejącego udziału masowego w skorupie ziemskiej (opracowano według danych J. Ciby, J. Trojanowskiego i M. Zołotajkin) Table 9 Ranking of metal elements according to mass fraction in litosphere (worked out according to the data of J. Ciby, J. Trojanowskiego i M. Zołotajkin) Lp. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11

12

13

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Pierwiastek

Al Fe Ca Na K Mg Ti Mn

Ba

Sr Sn Rb Cr Zr

Nb

V Cu Ni Zn Ce Li Nd Y

Co

Gęstość g/cm3

7,45

5,6

3,63

2,6 2,4

2,09 0,42 8,5-1 0"2 5-10'2 4-1 0'2 4.1 0"2 2.8-10'2 2-1 0"2 2-10'2 2-1 0'2 1,35-10~2 MG'2 7,5-1 0"3 7-10"3 6-1 0"3 5-l(T3 2,8-10"3 2,8-1 0"3 3 2,5-1 0"

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

35 36

37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48

Pierwiastek

Gęstość g/cm

Sc Cd Ga Th B Pr Ge Be Sm Gd As Hf U W Cs Dy Yb Tl Er Ta Pb Mo EU Ho

2,2-10"3 2-1 0"3 2-10"3 1,15-lG"3 MO"3 8,2-1 0"4 7-10'4 6-10"4 6-10-4 5,4-10-4 5-10'4 4.5-10'4 4-10~4 3,6- 10'4 3.2-10"4 3-10'4 3-10'4 3-10'4 2.8-10'4 2-10'4 2-10'4 2,5-1 0"4 1,2-1 (T4 4 1,2-1 0"

Pierwiastek

49 50 51 52 53 54

55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66

67 68 69 70

71

72

Tb Lu Tm Sb Bi In Hg Se Os Ag Pd Pt Ru Au Rh

Te Re Ir

Ac Pa Ra Dr Np Pu

Gęstość, g/cm3 Gęstość g/cm 9-10'5

5-10"5

4,8- 10^5 2-10 1,7-1 0"5

MO

8-10"6 5-10"6 5-10~6(rzadki) 4-1 Obrządki) M0~6(rzadki) 5-10"7(rzadki) 5-10"7(rzadki) 4'10"7(rzadki)

1-10 (rzadki)

H0"7(rzadki) l-10"7(rzadki) l-10"7(rzadki) 6-10"10(rzadki)

M0"l°(rzadki)

7-10"12(rzadki) ślady

ślady ślady

T a b l i c a 10 Orientacyjne roczne zużycie wybranych metali nieżelaznych (opracowano według danych Natural Resources Kanada oszacowanych w roku 2002) T a b l e 10 Estimated annual consmption of chosen non-ferrous metals (prepared according to the data of Natural Resources Canada estimated in 2002) Metal

Al Cu Zn Pb Ni Mg Au

Światowe roczne zużycie Mt

22 14,2 8,3 5,5 1,1 0,37 0,0035

Rys. 14. Porównanie wytrzymałości i gęstości materiałów metalowych i innych (opracowano według danych M. F. Ashby'ego) Fig. 14. Comparison of strength and density of metal materials and others (according to M. F. Ashby) T a b l i c a 11 Oznaczenia niektórych materiałów stosowane na rysunkach 11 i 14 do 20 T a b l e 11 Names of a f ew materials used In figs. 11 and 14+20 Oznaczenie

PP PE-LD PE-HD PS PF EP PC PUR PVC PMMA PTFE CFRC AFRC GFRC

Rodzaj materiału polipropylen polietylen o małej gęstości polietylen o dużej gęstości polistyren żywica fenolowo-formaldehydowa żywica epoksydowa poliwęglan poliuretan polichlorek winylu polimetakrylan metylu (szkło organiczne) politetrafluoroetylen (teflon) polimery z włóknami węglowymi polimery z włóknami aramidowymi polimery z włóknami szklanymi

jest za lekkie, natomiast pozostałe, o gęstości większej, należą do metali ciężkich. Tytan, o gęstości 4,507 g/cm3, ze względów praktycznych również często jest zaliczany do metali lekkich. Metale występują w skorupie ziemskiej w różnym udziale (tabl. 9). Między innymi od powszechności występowania danego pierwiastka w skorupie ziemskiej, ale również od ceny oraz możliwych do uzyskania własności, zależy całkowite roczne zużycie metali w świecie (tabl. 10). Oczywiście zużycie metali nieżelaznych jest relatywnie małe. Zużycie roczne stali wynosi bowiem 10 Mt, a zatem jest ok. 50-krotnie większe, niż kolejnego w rankingu aluminium, blisko 80-kromie większe od kolejnej w rankingach miedzi i niemal 120-krotnie większe od czwartego z kolei cynku. Jednym z ważnych kryteriów zastosowania poszczególnych metali jest ich toksyczność, kancerogenność lub radioaktywność. Ze

307

względów ekologicznych w ostatnich dziesięcioleciach, a zwłaszcza w ostatnich latach, odchodzi się od użytkowania niektórych metali i stopów, które były nawet dosyć powszechnie stosowane dotychczas. Stanowi to bezwzględny nakaz, gdy szkodliwe są metale lub ich stopy i związki, które dotychczas znajdowały zastosowania praktyczne, ale również bardzo często odstępuje się od zastosowań tych materiałów, których procesy technologiczne wytwarzania lub przetwórstwa obarczone są zbyt dużym ryzykiem ekologicznym. Szczególnie toksyczne są metale łatwo przyswajalne przez organizm człowieka, między innymi w postaci par i łatwo rozpuszczalnych soli. Wiele pierwiastków metalowych jest niebezpiecznych ze względu na ich radioaktywność. To oczywiście ogranicza ich zastosowania niemal wyłącznie do celów specjalnych, w których to zastosowaniach są jak dotychczas bezkonkurencyjne. Na rysunku 14 porównano gęstość i wytrzymałość stopów metali i innych materiałów inżynierskich, natomiast w tablicy 11 zestawiono niektóre oznaczenia stosowane na rysunkach 11 oraz 14 do 3 20. Gęstość materiałów zawarta jest między 0,1 g/cm dla pianek 3 polimerowych i korka do 22,65 g/cm dla irydu. Ze względu na sposób obliczeń inżynierskich, wytrzymałość w przypadku metali i materiałów polimerowych przyjęto jako granicę plastyczności, w przypadku materiałów ceramicznych — jako wytrzymałość na ściskanie, dla elastomerów —jako wytrzymałość na rozdarcie, a dla materiałów kompozytowych —jako wytrzymałość na rozciąganie. Tak rozumiana wytrzymałość materiałów inżynierskich zawarta jest 4 w zakresie od 0,1 MPa dla pianek polimerowych ,do 10 MPa w przypadku diamentu. Najbardziej wytrzymałe są materiały ceramiczne, od których 10- do 100-krotnie mniejszą wytrzymałość mają stopy metali i materiały kompozytowe. Porównywalną ze sobą, lecz 10-krotnie mniejszą od metali, wytrzymałość wykazują polimery oraz drewno i produkty z niego. Ceramika porowata ma wytrzymałość zbliżoną do stopów metali. Porównanie wytrzymałości różnych grup materiałów oraz ich odporności na kruche pękanie K[c (rys. 15), będącej miarą ciągliwości tych materiałów, wyraźnie wskazuje, że można wyróżnić 2 „osie": materiałów ciągliwych, do których należą pianki polimerowe, polimery, drewno, materiały kompozytowe i stopy metali, oraz materia-

co

Q_

Q.

O

•o

O O.

•o •l/l

l 200

300

400

600

800

1000

1200

1600

Temperatura, °C Rys. 16. Porównanie wytrzymałości materiałów metalowych i innych w podwyższonej lub obniżonej temperaturze (opracowano według danych M. F. Ashby'ego) Fig. 16. Comparison of strength of metal materials and others at raised and reduced temperaturę (according to M. F. Ashby)

ro

D.

•O -(/)

l >»

fc!

Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej, 10"6-K"1 Rys. 17. Porównanie współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej i przewodności cieplnej materiałów metalowych i innych (opracowano według danych M. F. Ashby'ego) Fig. 17. Comparison of crack resistance and resistance of metal materials and others (according to M. F. Ashby) 100C

Współczynnik intensywności naprężeń, Kjc, MPa-m1/2 Rys. 15. Porównanie odporności na pękanie i wytrzymałości materiałów metalowych i innych (opracowano według danych M. F. Ashby'ego) Fig. 15. Comparison of crack resistance and strength of metal materials and others (according to M. F. Ashby)

308

łów kruchych z ceramiką porowatą, szkłami i ceramiką inżynierską. Najkorzystniejsze połączenie największej odporności na pękanie z bardzo dużą wytrzymałością wykazują stopy metali, czemu zawdzięczają powszechne zastosowanie. Nie ustępują im kompozyty. Największą wytrzymałość w najwyższej temperaturze sięgającej do ok. 1600°Cwykazujeceramikainżynierska(rys. 16). Wytrzymałość ceramiki porowatej i inżynierskich stopów metali w temperaturze

ceramicznych, mniejszy metali i ich stopów oraz materiałów kompozytowych, następnie polimerów, elastomerów i pianek polimerowych. Koszty drewna, jak również produktów z drewna, są mniejsze od tak określonej prawidłowości, a jeszcze mniejsze są koszty cera-

podwyższonej do ok. 1000 °C nie ustępuje wytrzymałości ceramiki inżynierskiej. Pozostałe materiały, tzn. polimery inżynierskie i kompozyty inżynierskie, mogą być stosowane tylko do ok. 300 °C, chociaż kompozyty, podobnie jak w temperaturze pokojowej, wykazują wytrzymałość ok. 10-krotnie większą. Analiza przewodności cieplnej i współczynnika rozszerzalności cieplnej potwierdza, że diament jest materiałem najlepiej przewodzącym ciepło, przy współczynniku rozszerzalności cieplnej porównywalnym ze szkłami i ceramiką szklaną, ceramiką porowatą oraz drewnem (rys. 17). Stopy metali należą przy tym do najlepiej przewodzących ciepło, podobnie jak ceramika inżynierska. Odporność różnych metali na oddziaływanie środowisk korozyjnych szczegółowo porównano w tablicy 12. Zakresy kosztów podstawowych grup materiałów technicznych w odniesieniu do l kg (określonych jako koszty właściwe) przedstawiono orientacyjnie na rysunku 18. Widoczne jest, że koszty różnych materiałów mogą się różnić od siebie nawet o 6 rzędów wielkości, tzn. milionkrotnie. Najtańsze są paliwa i materiały budowlane, chociaż ceny tych ostatnich mogą być zróżnicowane między sobą ponad 10-krotnie. Znacznie większe koszty, lecz porównywalne między sobą i zróżnicowane w każdej z grup nawet 100-krotnie, wykazują stopy metali, polimery, materiały ceramiczne i szkło oraz materiały kompozytowe. Materiały specjalne, w tym cermetale narzędziowe, metale szlachetne i diament, mogą osiągać koszt l kg materiałów od 10 do 10 razy większy niż półprodukty hutnicze ze stali niestopowej lub niskostopowej. Zależność wytrzymałości i energochłonności właściwej materiałów (określanej jako iloraz energii na wytworzenie materiału, odniesionej do l kg materiału oraz jego gęstości) ilustruje rysunek 19. Wskaźnik ten ujmuje pośrednio oddziaływanie procesów wytwórczych materiału na degradację środowiska naturalnego. Największą energochłonność wykazują stopy metali oraz ceramika inżynierska. Na rysunku 20 porównano orientacyjne względne koszty jednostki objętości materiałów (określane jako stosunek kosztu l kg danego materiału do kosztu l kg pręta ze stali średniowęglowej, pomnożony przez gęstość danego materiału) w zależności od wytrzymałości. Daje się zauważyć w przybliżeniu liniową zależność między wytrzymałością a tak określonym kosztem materiałowym. Przy największej wytrzymałości, najwyższy jest koszt materiałów

T a b l i c a 12 Odporność metali i ich stopów na oddziaływanie środowiska T a b l e 12 Resistance of metals and their alloys to the emironment impact Środowisko korozyjne Metale ich stoDY Metale szlachetne

Kwasy nieorgani-

Kwasy

o/a o a a

a

Tytan Nikiel i jego stopy Stale odporne na korozje yiiedz i jej stopy

a/C

a/e

Cyna

Kwasy utlenia-

Zasady

o/a

o/a a

o/a

a/e

Os

a e/®

Woda morska i obojętne roztwory chlorkowe

O

O

o/a a* a* a/o a

o/a* a a

O

a

Stale nisstoDowe i żelazo Aluminium jego stopy

a/e a a/e

Cynk Odporność:

- bardzo dobra

a

- szczególnie kwas siarkowy i kwas solny

b

- szczególnie kwas octowy

c

- obejmuje kwas azotowy i kwasy beztlenowe zawierające tlen i cytrynian sodowy

d

Woda słodka i opady atmosferyczn/

- obejmuje sód i wodorotlenki potasowe oraz amoniak - woda morska zawierająca -3,4%

NaCl, pH -

pH<4: udz al chlorków zmienia się od kilku ppm do 100 ppm g h

- nieodporny na amoniak - korozja wżerowa lub szczelinowa - miedzionikiel jest odporny na kwasy - zadowalająca odporność na wodorotlenki potasu i sodu, lecz szybko poddaje się korozji

k . '

- postępująca korozja przy natężeniu >1 m/s - na ołów oddziałują kwasy azotowy i so ny, ale jest odporny na kwasy siarkowy, chromowy, fluorowodorowy i fosforowy

m

- ołowiane rury powoli korodują w wodzie morskiej

TU

CD

DiAMEffT

5 10

"N >< CO

?

i.c-c

4

^^

103

""'S5

T3

'w

10

1 UJ

55 £o ^5 S§ 5-"

1\i 10

c

1

•^7

1

g g

_i g

i l

'

>---

2.'-'

W UJ

O^

-

P^

KCA

!

~

^'

Ó^Cj^

Sf

S2K_;^

1

~?3CZ™i"3:iEsaB

-1

.2 in

WĘGiEL

H i

CEGŁA

io

! 3 1 UJ

i 3>> 3 D

z i s E i

CD

lU

"^ 1

S

~

-

_-

u-SjiJil 10

d

0

110

°-

"5

>>

p

^r<0STOP Y W STOPY Ti STOPY Ni

—

C

co _§

'

-'S3

k

>y P2 6^ -

10

E In 0

10

jlffs 1 l. ,

S

'

"

Rodzaje materiałów

'

-

*J Ź

cc in b < 5

' ' - . " " •

~

10

co co E Ul

o T3 -CU, CO C

Rys. 18. Orientacyjne koszty różnych grup j<; materiałów odniesione >s do l kg materiału (według danych M. F. Ashby'ego) l o Fig. 18. Estimated costs of various materiał s groups with reference to l kg (prepared according to M. F. Ashby)

309

go i wysokorozdzielczego, co sprawiło, że wiele z nich zostało poznanych najdokładniej, jak to było dotychczas możliwe. Powszechność zastosowań, jak również wyjątkowa podatność na kształtowanie ich własności przez użytkownika, wytwarzającego z nich gotowy produkt, wymaga zatem, aby ogólny stan wiedzy o materiałach metalowych był wysoki, co uzasadnia celowość stałych rozważań i badań oraz dydaktyki związanych z tą grupą materiałów, jak również stoi u podstaw niniejszego opracowania. Podsumowanie

Energochłonność właściwa, GJ/m3 Rys. 19. Porównanie wytrzymałości i energochłonności właściwej materiałów (opracowano według danych M. F. Ashby'ego) Fig. 19. Comparison of strength and specific energy consumption of materials (prepared according to M. F. Ashby)

03 CL

O

ro

Względny koszt na jednostkę objętości Rys. 20. Porównanie wytrzymałości i względnego kosztu na jednostkę objętości materiałów metalowych i innych (opracowano według danych M. F. Ashby'ego) Fig. 20. Comparion of strength and relative cost for a unit volume for metal materiałs and others (prepared according to M. F. Ashby)

miki porowatej. Materiały metalowe są absolutnie dominującą, pod względem zużycia masowego, grupą materiałów inżynierskich. Stale i inne materiały metalowe są poznawane od wielu stuleci, a nawet tysiącleci, lecz metodycznie są badane od ok. 150 lat, a w ostatnich dziesięcioleciach XX wieku także techniką cienkich folii, przy użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowego, także wysokonapięciowe-

310

Wraz z oczekiwaniami społecznymi dotyczącymi polepszenia jakości życia, zintensyfikowania wymiany informacji i polepszenia poziomu edukacji, poprawy skuteczności, jakości i możliwości technicznych opieki zdrowotnej, zwiększenia przydatności, jakości, niezawodności i trwałości dóbr konsumpcyjnych oraz poprawy warunków, komfortu, zasięgu i szybkości transportu rosną wymagania odnośnie do materiałów inżynierskich, z których wytwarzane są lub będą produkty czyniące zadość rosnącym wymaganiom. Rozwój materiałów inżynierskich, tak jak to bywa od zarania dziejów cywilizacji ludzkiej, stanowi ważną determinantę dalszego postępu. Postęp w zakresie materiałów inżynierskich jest i będzie realizowany dwoma drogami —- przez doskonalenie już istniejących materiałów inżynierskich, w tym zakresie uważanych za konwencjonalne materiałów metalowych ze stalami i stopami metali nieżelaznych włącznie, jak również opracowywanie i wdrażanie zupełnie nowych rozwiązań w tym zakresie. Równocześnie ważnym jest, aby te osiągnięcia jak najszybciej trafiły do praktyki projektowej i sfery wytwarzania i eksploatacji produktów. Ma to znaczenie szczególnie duże w najbardziej awangardowych sferach wytwarzania, gdyż okres półdezaktualizacji wiedzy w najbardziej zaawansowanych działach inżynierii materiałowej jest bardzo krótki i nie przekracza 2n-3 lat. Stąd nie ma czasu na kosztowne i pracochłonne badania eksploatacyjne, w wyniku których, zwykle metodą prób i błędów, wytypowuje się nowe materiały inżynierskie w wystarczającym stopniu spełniające stawiane wymagania, dotyczące ich własności użytkowych. Z drugiej strony z brakiem akceptacji na rynku, a w konsekwencji z niepowodzeniem gospodarczym, spotykają się produkty błędnie lub nieoptymalnie zaprojektowane materiałowo. W tej sytuacji chemiczny i fizyczny opis materiałów inżynierskich najpełniej zapewnia strategia komputerowa. Tworzone są narzędzia komputerowe, które umożliwiają predykcję składu chemicznego i fazowego, procesów technologicznych, struktury i własności nowo opracowanych materiałów inżynierskich w środowisku wirtualnym, jeszcze przed ich wyprodukowaniem, co umożliwia znaczące obniżenie nakładów finansowych oraz skrócenie czasu niezbędnego dla badania i wdrażania tych osiągnięć. Tradycyjne metody empiryczne wprowadzania nowych materiałów inżynierskich są zatem uzupełniane lub wręcz zastępowane przez przewidywania teoretyczne. Metody symulacji komputerowej oraz predykcji własności materiałów inżynierskich rozwijają się dynamicznie, a wśród nich szczególną rolę odgrywają metody komputerowego wspomagania projektowania materiałowego CAMD oraz komputerowego wspomagania doboru materiałów CAMS, jak również metody sztucznej inteligencji, w tym sieci neuronowe, stosowane do predykcji własności użytkowych materiałów inżynierskich, a także po sformułowaniu modeli odwrotnych do badań naukowych metodami symulacji, umożliwianymi przez opracowane programy użytkowe. Modelowanie komputerowe staje się nieodzownym narzędziem w nauce o materiałach i inżynierii materiałowej, z czym wiąże się dynamiczny rozwój komputerowej nauki o materiałach jako nowej specjalności w tym obszarze nauki i technologii. Nowo opracowane metody komputerowego wspomagania projektowaniamateriałowego umożliwiają szybki transfer osiągnięć w zakresie wytwarzania nowych materiałów do praktyki projektowania inżynierskiego i wytwarzania nowych produktów oczekiwanych na rynku. Szerokie stosowanie takich systemów komputerowych zapobiega również grubym błędom projektowym w zakresie doboru materiałów inżynierskich do zastosowań technicznych, a przez to wpływa bezpośrednio na podwyższenie ogólnego średnie-

go poziomu jakości produkcji, a przez to pośrednio na polepszenie jakości życia, analogicznie jak wdrożenie nowych materiałów inżynierskich i produktów. Projektowanie materiałów inżynierskich i produktów z wykorzystaniem metod komputerowej nauki o materiałach, stanowi obecnie jeden z głównych i najintensywniej rozwijających się kierunków nauki o materiałach i inżynierii materiałowej. Informacja dodatkowa Praca została częściowo wykonana w związku z projektem S YNERGIA CAM2D — Computer Aided Materiał Machines Design nagrodzonego superpracownią komputerową przez Prezydenta Rzeczpospolitej Polskiej p. Aleksandra Kwaśniewskiego w konkursie „Internet w Szkołach".

Literatura 1. Dobrzański L A.: Metalowe materiały inżynierskie. WNT, Warszawa 2004. 2. Dobrzański L. A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo Materiały inżynierskie z podstawami projektowania materiałowego. WNT, Warszawa 2002, s. 1+1524. 3. Dobrzański L. A. i in.: Leksykon materiałoznawstwa. Wydaw. 11 Yerlag Dashofer, Warszawa 2004, vol. 1*2, s. 1+690. 4. Ashby M. F.: Materials Selection in Mechanical Design. Pergamon Press. Oxford—New York—Seoul—Tokyo 1992. 5. Askeland D. R., Phul 'e P. P.: The Science and Engineering of Materials, 4 edition, Brooks/Cole — Thomson Learning Inc., Pacific Grove—Singapore —Southbank, Yictoria—Toronto—London—Colonia Polanco—Madrid 2003. 6. dba J., Trojanowska J., Zolotajkin M.: Nowa encyklopedia pierwiastków. WNT, Warszawa 1996. 7. Dieter G. E.: ASM Handbook — Materials Selection and Design. ASM International, 1997, vol. 20, Metals Park. 8. Riihle M., Dosch H., Mittemeijer E. J., Van de Yoorde M. H. (eds.): European White Book on Fundamenta! Research in Materials Science. MaxPlanck-mstitute fur Metallforschung, Stuttgart, 2001. 9. Van de Yoorde M. H.: Conteraporary research and development trends in materials engineering area — inyited lecture. AMME'98 International Scientific Conference, Gliwice—Zakopane 1998. 10. Waterman N. A., Ashby M. F.: The Materials Selector. 1997, vol. I+1II, Chapman & Hali, London—Weinheim—New York—Tokyo—Melbourne —Madras, 1997. 1l. Wertheim R., Harpaz J-: Collaboration and globalization of R&D in manufacturing engineering. Proceedings of 4* International Conference on Industrial Tools ICIT'2003, Bled-Celje, 2003, s. 3*14. 12. Dobrzański L. A.: Significance of materials science for the future development of societies. Journal of Materials Processing Technology, 2005 [w druku]. 13. Dobrzański L. A.: Komputerowa nauka o materiałach jako metoda projektowania materiałowego. Materiały X Seminarium „Programy badań i kształcenia w inżynierii materiałowej", Wydaw. Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów-Myczkowce, 2004, s. 12+46. 14. Dobrzański L A.: Significance of materials science for the future development of societies. Proceedings of the 8* Cairo University International Conference on Mechanical Design and Production, MDP-8, Cairo, Egipt, 2004. 15. Dobrzański L. A.: Współczesne tendencje rozwoju nauki o materiałach i inżynierii materiałowej. Inżynieria Materiałowa, 2003, nr 6 (137), s.271*278. 16. Dobrzański L. A.: Significance of materials science and engineering for advances in design and manufacturing processes. Computer Integrated Manufacturing. Advanced Design and Management, eds. B. Skołud & D. Krenczyk, WNT, Warszawa, 2003, s. 128*139. 17. Dobrzański L. A.: Znaczenie rozwoju nauki o materiałach i inżynierii

materiałowej dla poprawy jakości życia współczesnych społeczeństw. Wisnyk Technologicznoho Uniwersytetu Podilla, Chmielnickij, Ukraina, 2003, vol. l, nr 6, s. 34*47. 18. Dobrzański L. A.: Materials design as an important element of advanced products' engineering design and manufacturing. Proceedings of the 17* International Congress of Mechanical Engineering, COBEM'2003, Sao Paulo, Brazil, 2003 (CD-ROM). 19. Dobrzański L. A.: Znaczenie projektowania materiałowego oraz technologicznego w projektowaniu inżynierskim i wytwarzaniu produktów. Materiały VI Międzynarodowego Sympozjum Obróbki Cieplnej Metali, Szklarska Poręba, 2002, s. 1+33. 20. Dobrzański L. A.: The role of materials design in Engineering design procesess of product and their elements, Proceedings of the 16* Brazilian Congress of Mechanical Engineering, COBEM'01, Sao Paolo, Brazil, 2001, (CD-ROM). 21. Dobrzański L. A.: Heat Treatment as fundamenta! technological process of formation of structure and properties of metals. Proceedings of 8th Seminar of IFHTSE'2001, Dubrovnik, Croatia, 2001, s. 1*13. 22. Dobrzański L. A.: Materials Design as an important element of engineering design of machinę and their parts. Proceedings of the 12 International Conference on Design Tools and Methods in Industrial Engineering, ADM 2001, Rimini, Italy, 2001 (CD-ROM). 23. Dobrzański L. A.: Znaczenie materiałów we współczesnym projektowaniu inżynierskim maszyn i ich elementów. Materiały Konferencyjne Posiedzenia Zespołu Integrującego w regionie śląskim badania z obszaru nauki o materiałach, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Politechniki Śląskiej, PAN, Oddział w Katowicach, Gliwice, 2001, s. 5*38. 24. Dobrzański L. A.: Znaczenie materiałów we współczesnym projektowaniu inżynierskim maszyn i ich elementów. Materiały I Kongresu Maszyny XX! wieku, Inżynieria Maszyn, Wrocław, 2001. 25. Dobrzański L. A.: Computer aided materials selection system as the engineering tool for machinę part design, Proceedings of 11 * ADM International Conference on Design Tools and Methods in Industrial Engineering, Sesion B, Palermo, 1999, s. 279*288. 26. Dobrzański L. A.: The role of materials selection in the design and manufacturing processes of contemporary products and their elements. Proceedings of the Workshops EUINTEGRATION, Gliwice—Leganes—Dublin—Guimaraes—Manchester—Orbassano, 1999, vol. 2, s. 1+80. 27. Dobrzański L. A.: The influence of chemical composition of highspeed steels on the wear during cutting and erosion test, Procedings of 15n Brasilian Congress of Mechanicał EngineeringCOBEM' 99, (CD-ROM), Sao Paulo, Brasil, 1999. 28. Dobrzański L. A.: Materiał sełection principles for machinę design. Proceedings of the International Seminar on Principles and Methods of Engineering Design, Naples, Italy, 1997, vol. l, s. 267+293. 29. Dobrzański L. A.: Technical and economical issues of materials selection. Proceedings of the Workshop on Development, Testing, and Processing of Contemporary Functional, Constructional, and Tooł Materials, Gliwice, Rousse, Miskolc, Bratislava, Ljubljana, 1997, vol. l,s. 1+30. 30. Dobrzański L. A.: The expert systems for computer aided materials selection. Yołume 149° Congresso Internacional de Tecnologia Metaliirgica e de Materiais, AssoĆao Brasileira de Metalurgia e Materiais, Sao Paulo, Brazil, 1995, vol. 2, s. 91*103. 31. Dobrzański L. A.: The expert systems for computer aided materials selection. Proceedings of the International Congress on Metallurgy and Materials Technology, The Brasilian Metallurgy and Materials SocietyABM, Sao Paulo, Brazil, 1994, s. 104*117. Autor składa serdeczne podziękowania p. dr inż. Mirostawowi Bankowi za pomoc przy opracowaniu edytorskim niniejszego artykułu.

311

MIROSŁAW CHOLEWA

Rudy Metale R 50 2005 nr 6 UKD539.2:669.018:669-14:669.715'782

FIZYCZNY WPŁYW CZĄSTEK NA WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI ODLEWANYCH KOMPOZYTÓW Z OSNOWĄ Al-Si Podjęto próbę oceny wpływu geometrycznych i termofizycznych właściwości cząstek zbrojenia na podstawowe czynniki technologiczne krzepnięcia odlewu kompozytowego oraz na jego podstawowe cechy użytkowe. W osnowie siluminowej umieszczano kolejno cząstki kwarcowe, korundowe i karborundowe. Morfologię cząstek opisano za pomocą modułu M = F/V — stosunku objętości i pola powierzchni w sensie statystycznym. Jako reprezentatywną wielkość cieplną przyjęto akumulację ciepła b, wiążącą gęstość masy, ciepło właściwe i przewodność cieplną. Tablica 2 zawiera plan eksperymentu Hartley'a. Zamieszczono równania regresji wraz z ich parametrami statystycznymi. Na rysunkach 2 i 3 zilustrowano uzyskane zależności. Potwierdzono istotność związku temperatury tworzenia kompozytu w stanie ciekłym TM, modułu morfologicznego M, pojemności cieplnej b i ilości zbrojenia l z zakresami czasu i temperatury krzepnięcia A? i AT oraz odpornością na zużycie Rf wytrzymałością na ściskanie RC, i twardością Brinella HB. Uzyskane wyniki stanowią przesłankę do optymalizacji struktury osnowy kompozytu przez sterowanie parametrami krzepnięcia poprzez morfologiczne i termofizyczne właściwości zbrojenia. Słowa kluczowe: odlewanie, kompozyt, krzepnięcie, własności

PHYSICAL INFLUENCE OF REINFORCING PARTICLES ON AlSi MATRIX CAST COMPOSITES PROPERTIES Article shows evaluation of thermo-physical properties and geometry ofreinforcingparticles influence on basie technologicalfactors ofcomposite solidification and its pritnaryproperties. In silumin matrixfollowing particles wereplaced— ąuarz, corundum and carborundum. Particles morphology was describe with use of modulus M = F/V— volume to area ratio in statistical sense. As a representative thermal ąuantity the heat accurnulation b was assumed, ąuantity which bonds mass density, specific heat and thermal conductivity. Table 2 contains experimental plan with Hartley model. The regression eąuations are presented with all statisticalparameters. Infigures 2 and 3 obtained relationships are shown. Significance ofrelations between temperaturę for composite creation in liąuid state TM, morphology modulus, heat accurnulation b, reinforcement ąuantity and solidification rangę Ar and interval A? wear resistance Rf compression strength RC and hardness HB has been confirmed. Obtained results show ways of optimizing the composite matrix structure through solidification parameters steering by changing the thermo-physical properties and geometry of reinforcing particles. Keywords: casting, composite, solidification, properties Wprowadzenie Prezentowane badania doświadczalne mają na celu potwierdzęnie korelacji między cieplno-geometrycznymi właściwościami zbrojenia a wybranymi właściwościami technologicznymi i użytkowymi w kompozytach z cząstkami dyspersyjnymi. Istnienie takich korelacji w podstawowych wielkościach technologicznych i użytkowych może wskazywać na istnienie korelacji w innych bardziej wyszukanych właściwościach kompozytów odlewanych. Dalszym celemjest określenie charakteru zmian przyjętych czynników stanowiąc jednocześnierozwinięciewcześniejszychbadań[1-^3]. Spośródwłaściwości eksploatacyjnych, badano tylko bezpośrednio związane z procesem krzepnięcia—jako sterującymi w procesie. Natomiast spośród właściwości eksploatacyjnych badano wielkości związane z tribologicznymi cechami kompozytu. Przyjęte modelowe, tzn. duże wymiary cząstek, mogą mieć praktyczne znaczenie tylko w skojarzeniach ciernych. Poniżej przedstawiono przyj etą procedurę badań: 1 — wykonanie kompozytów w stanie ciekłym, 2 — wykonanie odlewów próbnych wraz z przeprowadzeniem założonych pomiarów wielkości technologicznych, tj. zakresów czasu i temperatur krzepnięcia, 3 — wykonanie pomiarów własności użytkowych: wytrzymałości na ściskanie, twardości Brinella oraz zużycia ciernego, 4 — przeprowadzenie analizy wyników i wnioskowanie wraz z ocena istotności poszczególnych wejściowych czynników zmiennych.

W badaniach doświadczalnych procesu krzepnięcia wykorzystano metody ATD i ARD (lub AED) stosowane w diagnostyce stopów, a oparte na podobnych zjawiskach fizycznych: przewodnictwa cieplnego i elektrycznego [4+6]. W przypadku kompozytów stosowanajest metoda ATD [7]. Elektryczne oddziaływanie zbrojeniajest podobne do oddziaływań cieplnych zbrojenia. Cząstki stanowią lokalny opór. Jeśli uwzględnić ich wpływ na całkowitą rezystancję elektryczną w funkcji temperatury, to metodyka badawcza może być wzbogacona przez połączenie obu metod. Z uwagi na istotne różnice w stopniu uporządkowania ruchu elektronów pod wpływem różnicy potencjałów elektrycznych i cieplnych, szczególnie w zakresie przemian fazowych, wyniki należy interpretować uwzględniając różnice między zjawiskami — traktując metodę ATD jako wiodącą, W metodzie ATD istotna wielkość jest mierzona bezpośrednio, Pomiar obarczony jest nieuniknionym błędem bezwładności termopar — inercji pomiaru względem badanego zjawiska. W metodzie ARD wnioskowanie o cieplnych właściwościach obiektu dokonywane jest praktycznie bezinercyjnie —jednak na podstawie pośredniego pomiaru wielkości nie cieplnej a elektrycznej. W przypadku kompozytów połączenie obu metod daje korzyści w postaci czterech efektów: l •— ułatwia identyfikację czynników nieuwzględnionych w eksperymencie, a wpływających na proces, 2 — istotna różnica w wynikach rozumiana jako błąd gruby ułatwia znalezienie przyczyn lub eliminację eksperymentu cząstkowego,

Dr inż- Mirosław Cholewa — Politechnika Śląska. Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych. Zakład Odlewnictwa. Gliwice.

312

3 — niewielka różnica w wynikach ułatwia analizę przyczyn, co poprawia jakość końcowej oceny badanego zjawiska, 4 — w przypadku uzyskania zbliżonych wyników daje praktyczną weryfikację eksperymentu. W badaniach doświadczalnych z uwagi na bezwładność zaznaczającą się we wszystkich rzeczywistych cieplnych procesach pomiarowych, intensywność ruchu ciepła ograniczono do absolutnie możliwego fizycznego minimum. Wszystkie termopary posiadają bezwładność, której eliminacja jest niemożliwa, a jej minimalizacja ograniczona. Stąd, jako materiał form przeznaczonych do badania cech odlewanych kompozytów, zastosowano specjalnie przygotowaną termoizolacyjną masę korundową. Stosowanie form na bazie materiałów termoizolacyjnych daje następujące korzyści badawcze: 1 — wydłuża czasy pomiarowe analizowanych wielkości, co przy ustalonym (często ekstremalnym czasie) daje zmniejszenie wpływu błędów pomiarowych, 2 — stanowiąc jeden ze skrajnych stanów fizycznego zakresu wytwarzania kompozytów odlewanych, stwarza możliwości maksymalnego wykorzystania tradycyjnych technik odlewania kompozytów przy dowolnie większych prędkościach stygnięcia, 3 — ponadto weryfikuje technologię wytwarzania wykazując pomijalną segregację grawitacyjną. Wybór takich czynników został podyktowany m.in. brakiem informacji, co do ogólnych zasad projektowania układów zasilania dla odlewów kompozytowych. Poza koniecznością zbadania reologicznych właściwości ciekłych kompozytów, które z pewnością także powinny zależeć od przyjętych czynników wejściowych, obecnie określono podstawowe wielkości cieplne związane z krzepnięciem. Z uwagi na szczególną specyfikę każdej z metod badań tribologicznych, opis przyjętej metody jest dokładniejszy od pozostałych. Metodyka doświadczalnych badań procesu krzepnięcia

Zgodnie z założeniami przyjętymi w badaniach opis cech morfologicznych zbrojenia dotyczy typowych materiałów zbrojących 0 wyraźnie zróżnicowanym kształcie. Ograniczenia związane z wyborem danych wejściowych do planu eksperymentu dającego obraz statystycznego zachowania grupy badanych materiałów wymaga kompromisu między skrajnymi skojarzeniami materiałowymi, amożliwościami interpretacji oczekiwanych wyników. Współczynnik przewodnictwa cieplnego materiałów zbrój ący ch wśród właściwości cieplnych zdecydowanie najsilniej zmienia się w funkcji temperatury oraz w przestrzeni podziału na izolatory cieplne, półprzewodniki j przewodniki. Tradycyjna nomenklatura odnosi się do pojęć: termoizolator, metaloid, metal. Różnice między współczynnikiem przewodnictwa cieplnego tych materiałów mieszczą się w wielkościach rzędów, podczas gdy pozostałe właściwości fizyczne: Ciepło właściwe, gęstość masy różnią się między sobą w obszarach tego samego rzędu. Tak istotne różnice wartości w analizowanych wielkościach implikują trudności instrumentalne w ocenie. Ogranicza to m.in. wykorzystanie ułamkowych statystycznych planów eksperymentu. W badaniach przyjęto jako zbrojenie: kwarc, karborand 1 korund. Umieszczona w planie eksperymentu (tabl. 2) pojemność Tablica l Zestawienie uśrednionych termofizycznych właściwości komponentów Table l Average thermo-physical properties of reinforcement and matrix

Komponent

Gęstość masy

P

C

P

6

Badano zależność odporności na zużycie cierne, twardości Brinella, wytrzymałości na ściskanie, przedziału czasu krzepnięcia i zakresu temperatur krzepnięcia w funkcji parametrów kompozytu: ilości, modułu morfologicznego, temperatury tworzenia kompozytu oraz współczynnika akumulacji ciepła

Ar, AT", Rt, Rc, HB =/( /, M, TM, b)

SiO2 A1203

SiC

AlSill*'

Ciepło właściwe

Ciepło krystalizacji L

AkumuDyfuPrzewozyjność lacja dność cieplna K cieplna a cieplna b

10

g/m3

kJ/kgK. J/gK

kJ/kg

W/mK

2,3 3,9 2,9 2,5

1,04 1,07 1.03 1,19

— — —

1,6 3,7

J/g

16,5

389

130,0

ID'6,

m"/s

0,67 0,89 5,52 0,53

103, Ws°'5/ /(m2K)

1,96

3,93

7,02 178,87

dane dla stopu wyznaczono jako średnie wartości występujących na granicach zakresu temperatur krzepnięcia stopu okołoeutektycznego przyjmując zakres temperatur AT= 4K [9]

Tablica 2 Macierz planu eksperymentu wraz z wynikami przeprowadzonych badań Table 2 Experiment plan matrix with obtained results

Lp. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Komponent zbrojący

SiC SiC SiO2 Si02 A120, A1203 SiC SiO2 A1203 A1203 A1203

b 103, Wsas/ /(m2K)

7,02 7,02 1,96 1,96 3,93 3,93 7,02 1,96 3,93 3,93 3,93

M

/

Tm

Ar

Ar

R,

H

RC

1/um

%

°c

°c

s

l/mm3

HB

MPa

0,028 0,028 0,021 0,021 0,033 0,033 0,028 0,021 0,033 0,033 0,033

1 3 1 3 1 3 2 2 2 2 2

720 680 720 700 700 700 700 700 680 700 720

10,120 10,145 9,028 11,165 4,970 5,634 13,569 6,590 4,277 4,698 6,364

155,610 180,284 146,251 146,363 97,234 121,530 266,092 121,812 139,915 200,730 113,530

17,460 4,240 1,800 4,391 1,608 31,910 5,290 2,421 2,419 2,116 17,220

42,4 47,6 46,8 49,3 49,3 43,4 47,2 51,1 46,9 49,7 41,1

256,44 319,78 221,34 290,95 225,13 268,23 279,24 231,97 304,49 297,15 221,92

— — —

680 700 720

1,156 2,916 2,699

151,102 95,132 131,654

0,467 0,457 0,467

48,0 46,8 46,7

236,20 235,03 194,55

Porównawczo osnowa

12 13 14

AlSill AlSill AlSill

178,87 178,87 178,87

_

313

cieplna b w założeniu powinna być odpowiednikiem podstawowych właściwości cieplnych cząstek ceramiki tworzących kompozyt. Spośród cieplnych właściwości najsilniej na ruch ciepła wpływa przewodnictwo cieplne. Biorąc pod uwagę konieczność powiązania relacji morfologicznych i termofizycznych zbrojenia w badaniach, wytypowano właśnie akumulację ciepła jako wielkość reprezentatywną dla pozostałych podstawowych wielkości termofizycznych związanych prostymi zależnościami matematycznymi. W tablicy l zestawiono uśrednione w funkcji temperatury podstawowe, współzależne ze współczynnikiem przewodnictwa cieplnego, właściwości termofizyczne komponentów użytych do wykonania kompozytów. Uwzględniając także ich zmienność w funkcji temperatury w zakresie temperatur krzepnięcia tworzonych kompozytów [8, 9]. Dyfuzyjność cieplna oraz współczynnik akumulacji ciepła są obliczane przy uwzględnieniu: ciepła właściwego i gęstości masy. Analizowano wąski, ale za to czuły zakres temperatur, tj. — zakres temperatur krzepnięcia stopu okołoeutektycznego — prawie wszystkie właściwości fizyczne osnowy — także cieplne, wskutek przemiany fazowej, zmieniają się skokowo. Na wartość współczynnika akumulacji ciepła osnowy wpływa głównie ciepło krystalizacji zgodnie z zależnością

"AKU

(D

w pozostałych przypadkach współczynnik akumulacji ciepła określano z zależności b = VXp^

(2)

Dyfuzyjność cieplną wyznaczono w analogiczny sposób. Podane zależności odnoszą się odpowiednio do osnowy i zbrojenia

A,

a

AKl l ~'

pc

_L

"Ar

(3)

m 2,/s

(4)

Przeprowadzenie badań zasadniczych wymaga analizy geometrycznych cech stosowanego zbrojenia. Poniżej zamieszczono zsyntetyzowane wyniki ilościowej analizy zbrojenia wykonane metodą cyfrowej analizy obrazu. W kolejnych częściach tablicy l zestawiono cechy geometryczne zastosowanej ceramiki zbrojącej [l, 2]. Uzasadnienie zastosowania piasku kwarcowego jako zbrojenia wynika z naturalnego pochodzenia tego materiału. Cechą charakterystyczną tzw. piasku wzorcowego w nazewnictwie materiałów formierskich, jest prawie idealnie kulisty kształt ziaren. Inne materiały kwarcowe, krzemionkowe, kwarcytowe i im podobne na skutek mielenia posiadają przy zbliżonych właściwościach mechanicznych wielościenny kształt ziarn, który eliminuje je z zakresu badanych materiałów. W celu porównania cech geometrycznych typowych materiałów zbrojących i jednocześnie typowych kształtów poddano szczegółowym badaniom cząstki o zbliżonych wymiarach. Przez przesiewanie na znormalizowanym zestawie do analizy sitowej uzyskano frakcje poddane następnie analizie ilościowej. Do badań wytypowano materiały, których cząstki posiadają kształty możliwie najbardziej zbliżone do teoretycznych. Materiałem podstawowym, do którego dobrano pod względem wielkości pozostałe materiały zbrojące był wzorcowy piasek kwarcowy (SiO2). Ziarna piasku posiadają prawie idealnie kulisty kształt i pomimo znacznych rozmiarów rzędu 160 (im wykorzystano je do badań modelowych kompozytów. Analizie ilościowej poddano cząstki A12O3, SiC i SiO2. Wykorzystując komputerową analizę obrazu dokonano badań morfologii cząstek zbrojących. Dla porównania na rysunku l pokazano cząstki zbrojące otoczone siluminową osnową. W badaniach morfologicznych do oceny kształtu zbrój enia posłużono się powierzchniami rzutu cząstek na powierzchnię analizowanego obrazu. Natomiast na rysunku l pokazane są przekroje cząstek na powierzchni zgładów. Wartości średnich modułów wyznaczone są na podstawie rzutów prostopadłych cząstek a nie ich przekrojów na zagładach. Wyznaczono moduł cieplny cząstek • r

Rys. l. Mikrografie a — struktury stopu AK 11 bez dodatku zbrojącego, b — struktury kompozytu AK1 !+3%SiC, c — AK11+3%A12O3, d— AK1 !+3%SiO2 (pow. 300x) Fig. l. Micrographs of a — AK 11 alloy structure without reinforcing component, b — composite structure AK11+3%S1C, c — AK11+3%A12O3, d — AK1 !+3%SiO2 (mag. 300x).

314

(5)'

M tn - F/V

v

gdzie F, V — oznaczają stystyczme reprezentatywne pole powierzchni i objętość cząstek, — dla piasku Mm = 0,021 1/jim, — dla węglika krzemu Mm = 0,028 1/jim, — dla tlenku aluminium Mm = 0,033 l/p,m Uzasadnienie dla podjęcia próby opisu cech morfologicznych za pomocą modułu wynika ze znacznego zróżnicowania stopnia rozwinięcia powierzchni cząstek zbrojących w odniesieniu do ich wielkości Do badań, jako osnowy kompozytu użyto stopu AK-11 Jako aktywatora zjawisk powierzchniowych użyto substancji powierzchnio wo-czynnej w roztworze wodnym W derywacyjnej analizie termicznej i rezystancyjnej założono równoczesną rejestrację temperatur oraz spadków napięć w krzepnącym odlewie próbnym Dwudzielne formy wykonano z termoizolacyjnego lekkiego korundowego materiału formierskiego o współczynniku przewodności cieplnej X = = 0,13 - 0,17|r= 200 _600 °c W/mK Przyjęty materiał pozwala na zwolnienie zachodzących procesów cieplnych, co jest konieczne m in ze względu na wąski zakres temperatury krzepnięcia okołoeutektycznej osnowy kompozytu Dla sprawdzenia poprawności pomiarów kompozyt wlewano jednocześnie do dwóch form Po zalaniu, niezależnie na dwóch komputerach, rejestrowano temperaturę, i napięcie (proporcjonalne do rezystancji) w funkcji czasu — zgodnie z zasadami metod ATD i ARD Na podstawie zarejestrowanych zależności temperatury i rezystancji oraz ich pochodnych wyznaczono podstawowe wielkości współrzędne temperatury i czasu początku i końca krystalizacji Pominięto całkowicie analizę innych efektów cieplnych Charakterystyczne mikrostruktury uzyskanych kompozytów pokazano na rysunku l Na kolejnych mikrografiach widoczne są cząstki karborundu, korundu i krzemionki (rys \b, c, d) otoczone osnową roztworu a z pierwotnymi kryształami krzemu, które w porównaniu do osnowy bez cząstek zbrojących (rys Id) są znacznie mniejsze i równoosiowe Widoczne jest także charakterystyczne zróżnicowanie kształtu cząstek typowe dla użytych materiałów Wykonano badania wytrzymałości na ściskanie (PN-80/H-04320) i twardości (PN-78/H-04350) oraz zużycia ciernego (PN-67/M-04306) Oznaczenie wielkości zużycia ciernego zgodnie z metodą wirującej krążkowej przeciwpróbki, przy tarciu technicznie suchym, przeprowadzono na urządzeniu typu Skoda-Savme nr 10455 Warunki badań tnbologicznych 1 — czas ścierania r = 300 s, 2 — zadane obciążenie P = 150 N. Tablica 3 Zestawienie wartości odchyleń standardowych badanych właściwości kompozytów Table 3 Standard deviation values for investigated composite proprties

Lp. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Odch. st. AT

Odch. st. Ar

Odch. st.

Odch. st.

K,

Odch. st. HB

1,890 2,430 1,380 1,780 0,690 0,330 1,640 2,520 0,900 1,240 2,090

12,30 38,92 33,69 28,96 8,35 19,46 55,92 18,54 24,26 8,13 12,98

16,51 2,60 0,07 10,60 0,11 36,66 1,56 0,23 0,23 0,09 16,75

4,92 1,80 4,70 1,20 0,70 5,09 2,17 1,36 2,73 1,61 3,63

57,23 6,98 57,43 42,81 56,50 32,32 63,26 57,23 1,31 1,65 46,77

RC

3 — prędkość obrotowa krążka: v = 1000 • 271/60 l/s. Na podstawie trzech pomiarów oznaczono l — Wartość średnią głębokości wytartych obszarów h wg wzoru

hl+h2

h-

(6)

2 — Średnią długość wytarcia L wg wzoru

Lj + L2 + L3

L=

, |im

(7)

3 — Średnią wartość bezwzględnego objętościowego zużyciapróbki V wg wzoru V=

h

L

, 1/1000 mm

3

(8)

4 — Wskaźnik odporności na zużycie R, wg wzoru

o 1000 ,, 3 Rt = —— , l/mm

(9)

gdzie h — głębokość wytartych wgłębień, L — długość wytarcia, Vh — objętościowe zużycie próbki wyznaczone z długości wytartych wgłębień h, VL — objętościowe zużycie próbki wyznaczone z długości wytartych wgłębień L, V — bezwzględne objętościowe zużycie próbki, Rt — wskaźnik odporności na zużycie. Badania przeprowadzono zgodnie z ćwiartkowym planem eksperymentu Hartleya, opartym na hipersześcianie przy trzech poziomach czynników sterujących. Przyjęto następujące wejściowe czynniki sterujące: Parametry technologiczne: 1 — temperaturę tworzenia kompozytu, 2 — procentowy udział wagowy dodatku zbrojącego. Właściwości geometryczne i termofizyczne zbrojenia: 3 — moduł morfologiczny zbrojenia, 4 — akumulację ciepła. Macierz planowania eksperymentu wraz z zakresami zmienności czynników sterujących oraz z wynikami pomiarów zamieszczono w tablicy 2. Wartości odchyleń standartowych zestawiono w tablicy 3. Metodą regresji krokowej sporządzono równania funkcji opisujących właściwości technologiczne i eksploatacyjne w zależności od czynników sterujących przy wytwarzaniu badanych materiałów kompozytowych: odpowiednie wykresy zamieszczono na rysunkach 2 i 3. 1. Ar, AT, Rt, Rc, HB =J(M, I, Tm) Zakres czasów krzepnięcia osnowy kompozytu A;: Podsumowanie regresji zmiennej zależnej A? R = 0,63543713 R2 = 0,40378035 Popraw. R2 = 0,25472544 F(2,8) = 2,7089 p < 0,12636 Błąd std. estymacji: 41,138 Błąd st. BETA

W. wolny M LN(M)

BETA

Błąd st.

B

B

f(8)

poziom p

3301,195 1373,488 2.403511 0,042941 -3,1211 1,340979 -4E+08 1J1E+08 -2,32748 0,048352 3,063115 1,340979 798,7188 349.6653 2,284238 0,051728 * = 3301,19 - 3,98 • 108 • M4 + 798,72 • ln(M)

315

0,018

0.020

0.022

0.024

0.026

0,028

0.030

0,032

0.034

0,036

d)

c) Stop osnowy 0,47-0,48 [l/mm3]

[MPa]

:

l m, C

AT (DT), At (Dt) Rt, RC, H "C, s, 1. fj,m, MPa, HB

Tm

HB = f(M„„Tm,I)

I = const,I = l,I = 2,I = 3 R, t=» / t

Rys. 2. Związek użytkowych właściwości kompozytów z temperaturą ich tworzenia Tm, postacią geometryczną cząstek ceramicznych M i ich ilością / a — zakres czasu krzepnięcia A/ (Dr) =flTm, M,I),b —• zakres temperatury krzepnięcia AT (DT) =f(Tm, M,I),c — odporność na zużycie Rp =f(Tm, M, I), d — wytrzymałość na ściskanie Rc =/(Tm, M, T), e — twardości H =J(Tm, M, /),/— opis układu osi współrzędnych Fig. 2. Relation between composite properties and its creation temperaturę Tm, morphology modulus Mand reinforcement ąuantity / a — solidification interva! &t (Dt) =f(Tm, M, l), b — solidification rangę Ar (DT) =J(Tm, M, 1), c — wear resistance R, =f(Tm, M, /), d— compression strength R(. -f(Tm, M, T), e — hardness H =fiTm, M, /),/— co-ordinate system description

316

a)

b)

DT,.DT?,DT,

= Dt = f(b,Tm)

A7 = DT = /(/>, T„,J) 1 = const.I = \.I = 2,1 = 3 DT t=> / T d)

c)

"' i;rv

= const,I = l,f =

Rc=f(b.T„,.I) I = const.I = 11 = 2,1 =

/?, T=> / T e)

AT (DT), At (Dt)

°C,s,

R t, RC? H

l/mm 3 , MPa, HB

Stop osnowy 47^48 HB

3

5

2

10 Ws°' /(m K) = f(b,TJ Rys. 3. Związek użytkowych właściwości kompozytów z temperaturą ich tworzenia Tm, pojemnością cieplną cząstek ceramicznych b i ich ilością / a — zakres czasu krzepnięcia At (Dt) =f(Tm, b, I), b — zakres temperatury krzepnięcia AT(D7) =f(Tm, b, f), c — odporność na zużycie Rt =f(Tm, b, l), d — wytrzymałość na ściskanie Rc =fiTm, b, [),e — twardości H =f(Tm, b, /),/— opis ukladu osi współrzędnych

Fig. 3. Relation between composite properties and its creation temperaturę Tm, heat accumulation b and reinforcement ąuantity / a — solidification interval A« (Dt) =ATm, b, f), b — solidification rangę AT (DT) =ATm, b, !), c — wear resistance R, =f(Tm, b, I), d — compression strength Rc =flTm, b,l),e — hardness H -f(Tm, b, t), f— co-ordinate system description

317

Zakres temperatur krzepnięcia osnowy kompozytu AT": Podsumowanie regresji zmiennej zależnej A7°

R = 0,97524540 R2 = 0,951 10359 Popraw. R2 = 0,94023772 F(2,9) = 87,531 p < 0,00000 Błąd std. estymacji: 39,152

R = 0,97400247 R2 = 0,94868080 Popraw. R2 = 0,91660631

Błąd st.

F(5,8) = 29,577 p < 0,00006 Błąd std. estymacji: 0,21306 Błąd st.

B

B

f(8)

poziom p

9968,077 0,09469 5605957 2,297081 5600704

31,77219 -667,305 0,014211 -2475,04 -0,5034 0,002532

9,146147 171,052 0,004785 952,1934 0,100163 0,00097

3,473833 -3,90118 2,969979 -2,59931 -5,02575 2,608686

0,008395 0,004537 0,017872 0,031652 0,00102 0,031194

AT" = (31,77 - 667,3 • M + 0,014 • Tm - 2475,04 • M2 - ~ M

b 7.0,5 m

W. wolny -8,38828 4 M 0,484084 0,192993 1648266 4 l 0,52925 0,204561 0,024884 4 0,496991 0,201165 3J2E-11 Tm

R = 0,99773588 R2 = 0,99547688 Popraw. R2 = 0,99289225

2

b T„2

BETA

B

B

t(l)

poziom p

-1,79454 0,15152 1,299212 1,47661

0,349329 0,070059 0,226084 0,15604

-1,08546 0,199363 0,130934 8,4E-06

0,211298 0,092181 0,022785 8,88E-07

-5,1371 2,16274 5,746591 9,463001

0,001343 0,067335 0,000701 3.07E-05

AT = (-1,08546 • b + 0,199363 -7 + 0,130934 • b2 + 8,4 • 10~6Tm2)2

B

'(10)

poziom p

3,763535 657125,8 0,0093022 1.51E-11

-2,228830 2,508296 2,587247 2,470565

0,049941 0,031003 0,027078 0,033073

Wytrzymałość na ściskanie Rc: Podsumowanie regresji zmiennej zależnej Rc

Wskaźnik odporności na zużycie cierne Rt: ,0,5 Podsumowanie regresji zmiennej zależnej R = 0,96004739 R2 = 0,92169100 Popraw. R2 = 0.87694299 F(4,7) = 20,597 p < 0,00057 Błąd std. estymacji: 1,0083

Tj

F(2,8) = 6,5697 p < 0,02051 Błąd std. estymacji: 24,795

BETA

B

BETA

BETA

-3,07081 -2,1067 0,480489 5,421244

1,200958 0,675984 0,17653 1,693467

f(8)

poziom p

W. wolny 528,0571 118,7252 4,447724 0,002146 f 0,288472 0,250296 0,986108 0,855608 1,152523 0,28238 -0,60472 0,250296 -1.1E-09 4,66E-10 -2,41602 0,042111 Ta4

F(3,10) = 1 1,849 p < 0,00125 Błąd std. estymacji: 20,167

W. wolny

£ 2

R = 0,926488109 R2 = 0,85836721 Popraw. R2 = 0,76394535

I

F(4,6) = 9,0908 p < 0,01016 Błąd std. estymacji: 1,5640

W. wolny / -0,49697 -97,6466 -0,54293 M6'5 96,77208 T_l

B

t(6)

-15369,1 4801,7 -3,20076 0,189658 -2,06527 0,788166 -2,62035 29,85631 -22,431 6,858473 -3,27055 0,159142 -118,724 34,80013 -3,4116 29,83877 1177,104 362,9491 3,243165

poziom p

1. Ar, AT, Rt, Rc, HB =f(b, I, TJ

318

B

1032,763 -0,44511 0,157059 -1,15079 0,362415 0,154976 0,73333 0,447806 0,163772 5,019666

B

<(10)

poziom p

286,9447 0,406057 0,313585 1,835794

3,599173 -2,83406 2,338534 2,734329

0,004855 0,017728 0,041443 0,021037

0,018582 0,039568 0,017022 0,014291 0,017617

Twardość Brinella HB: Podsumowanie regresji zmiennej zależnej HB R = 0,88343255 R2 = 0,78045307 Popraw. R2 = 0,0,71458899 F(3,10) = 1 1,849 p < 0,00125 Błąd std. estymacji: 20,167 Błąd st.

Błąd st. BETA

HB = -15369 -2,06 -7-22,43 • T„- 118,7-VM~+ 1177,1 •

Zakres czasów krzepnięcia osnowy kompozytu A?: Podsumowanie regresji zmiennej zależnej A/

BETA

Błąd st.

Rc = 1032,763 - 1,15079 • Tm + 0,73333 • b2 + 5,019666 • f

Błąd st.

B

poziom p

R - 0,88343255 R2 = 0,78045307 Popraw. R2 = 0,0,71458899

BETA

BETA

t(l)

-4,28873 1,677272 -2,55697 0,037718 -18,6022 5,968927 -3,1165 0,016926 0,091426 0,03359 2,721846 0,029686 4,5E-08 1.4E-08 3,20127 0,015039

Błąd st.

Twardość Brinella HB: Podsumowanie regresji zmiennej zależnej HB

BETA

B

Wytrzymałość na ściskanie Rc: Podsumowanie regresji zmiennej zależnej Rc

Rc = 528,05 + 0,98 • 7 - 1,1 • 10"'

Błąd st.

B

Rt = M.28874 • b0'5 - 18,6022 • b'1 + 0,091426 • f + 4,5 • 10~8 • Tm 3)2

Błąd st.

B

Błąd st.

Błąd st.

b0'5 b'1 f

R = 0,78839172 R2 = 0,62156151 Popraw. R2 = 0,52695189

BETA

Błąd st.

BETA

Rt = (-8,388 + 1648266 • M4 + 0,024844 • T4 + 3,72 • KT11 • Tm Y

Błąd st.

poziom p

Zakres temperatur krzepnięcia osnowy kompozytu AT": Podsumowanie regresji zmiennej zależnej AT0'

Błąd st.

B

f(9)

M = 0,003937 • bs + 5,039573 • /S,-5

b

F(3,10) = 5,9954 p < 0,01321 Błąd std. estymacji: 1,0262

BETA

B

Błąd st.

R = 0,80167337 R2 = 0,64268019 Popraw. R2 = 0,53548424

BETA

B

+ 0,003 • /5)2 F(4,7) = 385,15 p < 0,00000 Błąd std. estymacji: 0,23650

Wskaźnik odporności na zużycie cierne Rt: 0,5 Podsumowanie regresji zmiennej zależnej /?,'

Błąd st.

BETA

0,219415 0,089616 0,003937 0,001608 2,448389 0,036854 0,833605 0,089616 5,039573 0,541774 9,301975 6,51E-06

5

BETA

BETA W. wolny M -38887,3 0,281229 -1.5E+07 & l/M -11,5446 f 14610476

BETA

Błąd st.

Błąd st.

1"

r,:

BETA

B

B

f(8)

poziom p

1,691017 0,199639 0,112985 0,013339 8,470378 2.89E-05 0,085018 0,035571 12,24957 5,125133 2,390098 0,043849 -0,77298 0,202179 -2.1E-13 5,52E-ł4 -3,82323 0,005066 HB = 0,112985 • Tm + 12,24957 • ŹT1 -2,1 • 10~13 • T

Wnioski 1. Wielkość zakresu czasu krzepnięcia zależy od modułu krzepnięcia i pojemności cieplnej.Wpływ pozostałych czynników wytwarzania jest maloistotny. Obie wielkości (M i b) stwarzają warunki dla sterowania zakresem czasu krzepnięcia w makroskali odlewu kompozytowego jako całości. Ze względu na nieliniowość zmian zakresu czasu krzepnięcia w funkcji modułu i pojemności cieplnej jego wielkość należy każdorazowo traktować indywidualnie. 2. Wydłużenie zakresu temperatur krzepnięcia związane jest ze wzrostem ilości zbrojenia i temperatury tworzenia kompozytu, co może wskazywać na bezpośredni związek z sumaryczną powierzchnią kontaktu i właściwościami cieplnymi komponentów oraz z jakością zjawisk powierzchniowych. Wysokie temperatury sprzyjają wysokiej skuteczności zwilżania, ale zwiększają także chłonność gazów. Ponadto wpływ modułu morfologicznego (M) oraz pojemności cieplnej (b) jest przeciwny — w przybliżeniu tam, gdzie występuje maksimum wpływu modułu, występuje jednocześnie minimum wpływu pojemności cieplnej. W porównaniu do stopu osnowy zmienia się jakościowo zakres możliwości regulacji zakresem temperatur krzepnięcia. Z bardzo wąskiego obejmującego —- AT0 = 1*3 K do A7/Ł = 0-18K. 3. Istnieje związek zakresu czasu i temperatury krzepnięcia z własnościami morfologicznymi struktury i właściwościami użytkowymi kompozytu. Uzyskane związki mają charakter makroskopowy. Wyjaśnienie istoty zjawisk wymaga analizy zjawisk w skali mikro oddziaływań między pojedynczą cząstką a otaczającą ją osnową. 4. Wzrost odporności na zużycie związany z wzrastającym udziałem zbrojenia jest oczywisty, jednak dla maksymalizacji efektu należy zwiększać wartość modułu i optymalizować własności cieplne zbrojenia, a także maksymalizować zwilżanie przez zwiększanie temperatury tworzenia kompozytu. 5. Przy założonej ilości i wielkości cząstek brak związku wytrzymałości mechanicznej z modułem morfologicznym jest jedynie potwierdzeniem poprawności zwilżania, co jednocześnie potwierdza korzystny wpływ rosnącej ilości zbrojenia. Wzrost wytrzymałości, związany z obniżaniem temperatury tworzenia kompozytu, wiąże się ze wzrostem kinetyki krzepnięcia, tj. wyższymi wartościami pochodnych temperatury po czasie i po kierunku. 6. Obecność cząstek, zmieniając warunki krystalizacji, powoduje w badanym zakresie zmniejszenie twardości osnowy kompozytu, co może wiązać się relatywnym względem stopu osnowy rozdrob-

nieniem struktury. 7. Spadek twardości i wytrzymałości ze wzrostem temperatury tworzenia kompozytu przy jednoczesnym wzroście wywołanym rosnącym udziałem zbrojenia i rosnąca pojemnością cieplną wskazuje na istotny wpływ kinetyki ruchu ciepła na krystalizującą osnowę. 8. Istnieje rzeczy wista możliwość sterowania parametrami technologicznymi wytwarzania kompozytu dla regulowania kinetyką ruchu ciepła i poprzez modyfikowanie struktury osnowy kompozytu kształtowanie właściwości użytkowych kompozytu 9. Dobór geometrycznych i termofizycznych cech komponentów zbrojących należy traktować każdorazowo indywidualnie. 10. Podstawowe czynniki technologiczne wytwarzania, takie jak: temperatura tworzenia i odlewania kompozytu, udział i ziarnistość cząstek zbrojenia należy uzupełnić o optymalizowane termofizyczne i geometryczne własności zbrojenia w celu maksymalnego wykorzystania cech komponentów do sterowania struktura osnowy kompozytu Literatura 1. Cholewa M., Gawroński J., Ignaszak Z.: Technological Aspects of Particle Reinforced Composites. Mat. Konf. ICAM'97 Strasbourg, Francja, 1997, J. Gawroński, S. Jura, J. 2. Cholewa M., Gawroński J., Ignaszak Z: Particles properties in wear resistance aluminium composites. „Achievements in the Mechanical and Materiał Engineering". Materials Science Committee of the Polish Academy of Science, The faculty of Mechanical Engineering of the Silesian Technical University. Gliwice 1998. 3. Gawroński J, Cholewa M, Szajnar J.: Związki morfologii budowy wewnętrznej odlewu z jego właściwościami technologicznymi i użytkowymi. Acta Metalurgica Slovaca, 2001, vol. 7, t. l, s. 391+396. 4. Pietrowski S., Władysiak R., Pisarek B.: Recapitulation of silumins' crystallization assessrnent with use of the thermal-derivative analysis method. Krzep. Met. i St. v. l, nr 40 s. 49. 5. DudykM., Minkus K.: Opracowanie metody Analizy Elektryczno-Deriwacyjnej (AED) do badania krystalizacji siluminów. Krzep. Met. i St. v. 19, 1994 s. 111.

6. Dudyk M.: Jednoczesna analiza metodą ATDiAED procesu krystalizacji stopu AlSi9Mg (AK9). Krzep. Met. i St. 1995, v. 22, s. 154. 7. Braszczyński J., Cisowska M.: Próba oceny krzepnięcia kompozytów hybrydowych AlMg/SiC + Cgr. Krzep. Met. i St. 1999, nr 7, s. 40. 8. Pawłowski S., Serkowski S.: Materiały ogniotrwałe w metalurgii. Cz. I, skr. ucz. nr 1892, Gliwice 1995. 9. Program symulacyjny „CAStech"

UWAGA CZYTELNICY! Zakład Kolportażu w Warszawie, ul. Bartycka 20, tel. (022) 840-30-86, sprzedaje za gotówkę egzemplarze archiwalne wszystkich wydawanych przez nasze Wydawnictwo czasopism. Zachęcamy naszych Czytelników, którzy pragną uzupełnić brakujące egzemplarze do skorzystania z tej możliwości.

319

Rud

WOJCIECH OZGOWICZ

y Metale R 50 2005 nr 6 UKD669-97:669.35'6:539.377:539.42.001

ANALIZA MECHANIZMÓW KRUCHOŚCI MIĘDZYKRYSTALICZNEJ BRĄZÓW-cc W TEMPERATURZE PODWYŻSZONEJ Część ! W pracy analizowano główne czynniki i mechanizmy determinujące hipotetycznie zjawisko kruchości miądzykrystalicznej jednofazowych brązów cynowych podczas procesu odkształcenia w temperaturze podwyższonej. Weryfikowano doświadczalnie Synergiczny efekt takich mikromechanizmów pąkania, jak poślizg wzdłuż granic ziarn oraz kawitacji i segregacji miądzykrystalicznej, jak również oddziaływania mikrododatków Ce lub Zr na możliwość ograniczenia tej kruchości i polepszenia własności plastycznych stopów w temperaturze podwyższonej. Stwierdzono, że udział tych mechanizmów w procesie dekohezji jest funkcją złożoną zależną implicite od składu chemicznego stopów, a w szczególności — czystości granic ziarn i wielkości ziarn. Zaprezentowano w niej również metody modelowania i symulacji komputerowej procesów dyfuzyjnych segregacji miądzykrystalicznej na podstawie nowo opracowanego programu komputerowego DYFUZJA. Analiza spektrometryczna Augera oraz metoda symulacji komputerowej potwierdziły możliwość generowania segregacji atomów siarki i cyny na granicach ziarn struktury 2D badanych stopów modelowych. Słowa kluczowe: kruchość' między krystaliczna, brązy cynowe, mechanizmy pąkania, segregacja między krystaliczna, symulacja komputerowa, analiza spektrometryczna Augera

ANALYSIS OF THE MECHANISMS OF INTERGRANULAR BRITTLENESS OF cc-BRONZES AT ELEYATED TEMPERATURES Partl The mainfactors and mechanisms determining hypothetically the phenomenon of intergranular brittleness ofsingle-phase tin bronzes during their deformation at elevated temperaturę have been analysed in this paper. The synergetic effect of the micro-mechanisms ofcracking, like grain-boundary sliding, intercrystalline cavitation and segregation, as well as the effect of microadditions of Ce and Zr on the possibility oflimiting the intergranular brittleness and improvement of the plasticity of alloys at elevated temperaturę has been experimentally verified. It has beenfound that the share ofthese mechanisms in the process ofdecohesion is a complex function depending implicitly on the chemical composition of the alloys, particularly the purity at the grain boundaries and grain sizes. Methods ofcomputer modelling and the simulation ofdiffusive processes of intercrystalline segregation have beenpresented, too, basing on the newly developedcomputer program DIFFUSION. Auger's spectrometric analysis and the applied computer-simulation method have confirmed the possibility of generating the segregation of tin and sulphur atoms at the grain boundaries of the 2D structure of the investigated model alloys. Keywords: intergranular brittleness, tin-bronzes, fracture mechanisms, intercrystalline segregation, computer simulation, Auger's spectrometric analysis Wprowadzenie Stosowanie nowoczesnych technologii przetwórstwa miedzi i jej stopów, szczególnie z cyną i fosforem, jest w znacznym stopniu ograniczone możliwością swobodnego kształtowania wyrobów z tych materiałów w przemysłowych procesach obróbki plastycznej na gorąco [1], Niezadowalająca zdolność do odkształceń plastycznych w temperaturze podwyższonej wyrażana najczęściej zaniżęniem odkształcalności lub plastyczności na gorąco jest znamienna nie tylko dla stopów miedzi [2+4]. Stwierdzono ją też w innych metalach nieżelaznych i stopach, jak również w licznych gatunkach stali [5+7]. Istotny m powodem trudności technologicznych jest występowanie zjawiska kruchości międzykrystalicznej ZKM identyfikowanej zwykle alternatywnie jako kruchość na gorąco z towarzyszącym jej pękaniem o charakterze międzykrystalicznym. Kruchość ta determinuje mierzalny makroskopowo efekt minimalnej plastyczności stopów w określonym zakresie temperatury odkształcenia, tzw. temperatury minimalnej plastyczności TMP (ductility minimum temperature) lub temperatury pośredniej kruchości ITE (intermedia-

te temperaturę embrittlement). Z tego względu w przetwórstwie stopów miedzi stosuje się konwencjonalne procesy obróbki plastycznej na zimno z międzyoperacyjną obróbką cieplną, kompensując skutecznie istniejące problemy z kształtowaniem tych stopów w temperaturze podwyższonej. Tym niemniej — zastosowanie bezpośredniej obróbki plastycznej z procesu ciągłego odlewania pozwoliłoby na znaczną modernizację technologii i poprawę wskaźników techniczno-ekonomicznych. Efekt występowania TMP zarówno w stopach miedzi, szczególnie o małej energii błędu ułożenia EBU, jak i w brązach cynowych odkształcanych w zakresie temperatury ok. 0,4+0,6 temperatury topnienia T, lub temperatury homologicznej T/Tt z prędkością odkształcania E od ok. 10~5 s"1 do ok. 102 s"1 jest znany w technice i dobrze udokumentowany w literaturze od wielu lat, lecz niejednoznacznie wyjaśniony do chwili obecnej. Ponieważ efekt ten badany jest najczęściej w statycznych i dynamicznych próbach jednoosiowego rozciągania, więc ogólnie przyjętą miarą plastyczności stopów lub adekwatnie do rodzaju prób •—• ciągliwości w temperaturze podwyższonej są makroskopowe wskaźniki własności mechanicznych,

Dr inż. Wojciech Ozgowicz — Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Inżynierii Materiałów Konstrukcyjnych i Specjalnych, Gliwice.

320

takie jak przewężenie Z lub wydłużenie A próbki do zerwania. Analogiczne wskaźniki wyznacza się na podstawie prób: skręcania, ściskania, udarności lub walcowania na gorąco. Stopy odkształcane w zakresie TMP wykazują na ogół przełomy o charakterze międzykrystalicznym. Analiza mechanizmów warunkujących dekohezję międzykrystaliczną stopów wymaga opisu ZKM w skali makro- i mikroskopowej. Stanowi to a priori szczególną trudność z uwagi na skalę i zasięg występowania zjawisk dekohezyjnych w badanych materiałach oraz ze względu na dużą liczbę prawdopodobnych mechanizmów oddziałujących w sposób złożony na makroskopowy efekt ZKM. Liczne czynniki strukturalne i pozamateriałowe mające wpływ na przebieg tego zjawiska w stopach miedzi oraz jego aleatoryczny charakter, są nadal przyczyną wielu kontrowersji dotyczących istoty zjawiska, które nie zostało jeszcze w pełni i jednoznacznie wyjaśnione [8, 9]. Przyczyny ZKM stopów miedzi (rys. 1) analizowane najczęściej w aspekcie technologicznym pozwalają na ogólne stwierdzenie, że jest ono uwarunkowane oddziaływaniem wielu czynników fizykochemicznych, strukturalnych i mechanicznych związanych implicite zarówno ze składem chemicznym (ciekłe filmy i segregacje zanieczyszczeń na granicach ziarn, wtrącenia i wydzielenia) oraz strukturą stopów (wielkość ziarna, defekty krystalizacji, niejednorodne odkształcenie), jak również z warunkami odkształcenia (stan naprężeń i prędkość ich oddziaływania, temperatura odkształcenia, fizykochemiczny wpływ środowiska, stan powierzchni oraz kształt badanych próbek) [10]. Weryfikacje doświadczalne oddziaływania mikrostruktury w procesach inicjacji i rozwoju szczelin międzykrystalicznych pozwalają również na uogólnione stwierdzenie, że obserwowana kruchość miedzi i jej stopów w badanych warunkach odkształcenia jest na ogół wynikiem oddziaływania kawitacji międzykrystalicznej, indukowanej poślizgiem po granicach ziarn (PGZ) [11-^13]. Zjawiska te mogą być również determinowane występowaniem segregacji międzykrystalicznej atomów domieszkowych i zanieczyszczeń [14, 15]. Zjawisko PGZ występujące praktycznie w temperaturze odkształcenia powyżej 0,4 Tt uważane jest

Rys. 1. Mikromechanizmy kruchości międzykrystalicznej stopów miedzi w temperaturze podwyższonej ZKM — zjawisko kruchości międzykrystalicznej, MPG — mechanizm poślizgu po granicach ziarn, MKG — mechanizm kawitacji międzykrystalicznej, MSG — mechanizm segregacji międzykrystalicznej, MCF — mechanizm ciekłych filmów, MNO — mechanizm niejednorodnego odkształcenia, MWG — mechanizm wydzielania między krystalicznego

Fig. 1. Micromechanisms of the intergranular brittleness of copper alloys at elevated temperatures ZKM — intercrystalline brittleness phenomenon, MPG — mechanism of grain boundary slip, MKG — mechanism of intercrystalline cavitation, MSG — mechanism of intercrystalline segregation, MCF—mechanism of min films, MNO — mechanism of inhomogeneous deformation, MWG — mechanism of intercrystalline precipitation

TEMPERATURA, °C 200

400

A

FLECK et a! (1970) 320 >Jm. OFHC

O

HULL SRIMMER (1959): 4D firn. 99.8%

D

JENKINS e t a t (1950): 25 tlm. OFHC ITOVEC(1972). SotJm OFHC

T

RUKWED(ie72) 1000pm 99999%

O t

GREENWOOD e t a t (1954)- 60 (Jm, OFHC CARREKER s HI6BARD (1953): 30

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

TEMPERATURA HOMOLOGICZNA T/T,

Rys. 2. Mapa mechanizmów pękania dla Cu (OFHC) [25] Fig. 2. Map of the mechanisms of fracture concerning Cu type OFHC [25] zwykle za źródło koncentracji naprężeń na granicy ziarn, prowadzącej do zarodkowania i wzrostu mikroporów. Koncentracja naprężeń występuje tym łatwiej, im ich relaksacja poprzez odkształcenie plastyczne jest bardziej ograniczona, to znaczy w przypadku, kiedy EBU stopu jest mała. Jeśli podczas odkształcenia plastycznego na gorąco zachodzi proces rekrystalizacji dynamicznej na tyle aktywnie, aby hamować rozwój pęknięć na stabilnych granicach ziarn, to kruchość międzykrystaliczna jest ograniczona do minimum lub nie występuje i stopy wykazują dobrą plastyczność [16-^19]. Proces zdrowienia dynamicznego w stopach o niskiej EBU pozwala również ograniczyć ZKM w wyniku występowania łatwiejszego przebiegu relaksacji naprężeń w strefach międzykrystalicznych. W literaturze opisano wiele przypadków występowania efektu TMP w miedzi w jej stopach [1-M-]. Stosunkowo najmniej informacji dotyczy brązów cynowych i cynowo-fosforowych zawierających od 4-J-12 % Sn [l, 3, 20]. Zjawisko zaniżonej plastyczności tych stopów znacznie ogranicza lub eliminuje praktycznie ich przydatność w wielu technologiach obróbki plastycznej na gorąco, jak: walcowanie, tłoczenie lub wyciskanie. Interesującym przyczynkiem do wyjaśnienia tego zjawiska może być, opatentowany w Kanadzie i USA, sposób obróbki plastycznej na gorąco po uprzedniej modyfikacji składu chemicznego stopów pierwiastkami przejściowymi lub mikrododatkami metali ziem rzadkich (mischmetali) [21, 22], mimo że proponowana technologia nie znalazła jeszcze zastosowania w warunkach przemysłowych. Korzystne oddziaływanie modyfikacji składu chemicznego na strukturę i własności mechaniczne stopów miedzi stwierdzono również w innych pracach [23, 24]. Wprowadzone mikrododatki oddziałują korzystnie na: przebieg procesu krystalizacji, zjawiska dyfuzyjne, jak również ograniczenie kawitacji. Bardziej hipotetyczne zalety oddziaływania modyfikatorów na plastyczność stopów miedzi wynikają raczej z małej rozpuszczalności w roztworze stałym i dużej skłonności do wiązania atomów zanieczyszczeń, szczególnie łatwo tworzących segregacje lub ciekłe filmy na granicach ziarn. Analiza czynników warunkujących ZKM miedzi (rys. 2) i jej stopów w temperaturze podwyższonej pozwala obecnie na określenie podstawowych mechanizmów pękania międzykrystalicznego, działających głównie w procesie pełzania, jak również stwierdzenie, że są one przynajmniej jakościowo zgodne z wynikami badań doświadczalnych [25,26]. Aktualny stan zagadnienia pozostawia nadal otwartą kwestię możliwości jednoznacznej interpretacji istoty tego zjawiska, szczególnie w przypadku jednoczesnego oddziaływania

321

kilku mechanizmów pękania, zwłaszcza przy prędkościach odkształcenia wyższych od prędkości pełzania. Stosunkowo najmniej zbadanym mechanizmem pękania międzykrystalicznego stopów miedzi w zakresie TMP jest tworzenie się segregacji atomów domieszkowych i zanieczyszczeń na granicy ziarn. Postęp w badaniach tego mechanizmu uwarunkowany jest zarówno zaawansowaniem opracowań teoretycznych w dziedzinie modelowania segregacji, jak również szerszym zastosowaniem eksperymentalnych metod analizy powierzchni, a w szczególności — techniki elektronów Augera AES, która pozwala na ilościową weryfikację hipotezy o segregacyjnym mechanizmie pękania międzykrystalicznego [27]. Realizacja tej metody wymaga jednak specjalnego oprzyrządowania standardowej komory spektrometru Augera w urządzenia cieplno-mechaniczne do nagrzewania oraz zrywania lub łamania próbek w TMP przy wysokiej próżni UHV. Warunkuje to przeprowadzenie analizy Augera in situ z przełomu międzykrystalicznego próbek bezpośrednio po zerwaniu lub złamaniu. Jednym z alternatywnych sposobów przezwyciężenia bariery aparaturowej w badaniach eksperymentalnych zjawiska segregacji i uzyskania porównawczych wyników jest próba analizy tego zjawiska metodą modelowania i symulacji komputerowej w strukturach modelowych typu 2D [28-5-30]. Zastosowanie tej metody stwarza pewne możliwości symulacji złożonych efektów oddziaływania mechanizmu segregacji równowagowej i nierównowagowej w strefie granicy ziarn badanych stopów, najczęściej podczas obróbki cieplnej lub cieplno-plastycznej [31]. Metoda symulacyjna może dostarczyć istotnych danych porównawczych dla wyjaśnienia badanych eksperymentalnie i analizowanych teoretycznie mechanizmów pękania międzykrystalicznego. Modelowanie procesu pękania na granicy ziarn i jego symulacja komputerowa zapewniają możliwość prognozowania efektów strukturalnych w mikroobszarach stopów niedostępnych najczęściej dla eksperymentalnych technik badawczych [32, 33]. Metody te łączą zwykle algorytm dynamiki molekularnej z graficzną prezentacją procesu pękania. Publikacje z tej dziedziny są jeszcze nieliczne. Z analizy studialnej większości prac dotyczących przyczyn ZKM miedzi i jej stopów wynika, że mechanizmami o istotnym znaczeniu dla wywołania kruchości są: poślizg po granicach ziarn, kawitacjai segregacjamiędzykrystaliczna. Synergetyczne oddziaływanie tych mechanizmów na kruchość badanych brązów cynowych stanowi również podstawę przyjętej hipotezy niniejszej pracy. Nie eliminuje to innych mechanizmów pękania hipotetycznie odpowiedzialnych za proces dekohezji badanych stopów w temperaturze podwyższonej, ale w znacznym stopniu ogranicza ich udział w procesie pękania [34]. Analiza danych literaturowych dowodzi, że mimo licznych badań przyczyny ZKM nie zostały dotychczas jednoznacznie wyjaśnione i wymagają dalszych eksperymentów. Weryfikacji doświadczalnej wymagają również modele teoretyczne mechanizmów pękania. Cel i zakres badań Analiza literatury na temat ZKM miedzi i jej stopów, głównie jednofazowych brązów cynowych podczas odkształcenia plastycznego w zakresie TMP, pozwala stwierdzić, że jest ono determinowane czynnikami fizykochemicznymi, strukturalnymi i mechanicznymi, które oddziałują w różny sposób na siły wiązania metalicznego i wytrzymałość granic ziarn. Jeśli na granicach ziarn występują lokalne spiętrzenia naprężeń do wartości krytycznej oraz zerwanie wiązań metalicznych w skali atomowej, to prowadzi to do utworzenia mikroszczeliny i gwałtownego obniżenia wytrzymałości granic ziarn oraz dekohezji materiału na granicach w skali makroskopowej. Różnorodność prawdopodobnych mechanizmów zarodkowania i propagacji szczelin międzykrystalicznych (rys. 1) stanowi też główną trudność w wyjaśnieniu tego zjawiska oraz opracowaniu skutecznych sposobów jego ograniczenia. Stąd celem pracy jest wyjaśnienie zarówno mechanizmu ZKM badanych brązów cynowych odkształcanych plastycznie w temperaturze podwyższonej po-

322

przez określenie wpływu analizowanych czynników na przebieg tego zjawiska, jak również weryfikacja efektu oddziaływania mikrododatków Ce i Zr na ograniczenie tej kruchości. Osiągnięcie celu pracy wymaga przeprowadzenia niezbędnych badań oraz rozwiązania niektórych zagadnień metodycznych i eksperymentalnych w zakresie: — określenia temperaturowych charakterystyk plastyczności brązów w funkcji czynników materiałowych i założonych warunków odkształcenia plastycznego, — ustalenia cech fraktograficznych próbek zrywanych w zakresie TMP i skorelowania ich z mechanizmami pękania, — pomiarów PGZ i określenia jego udziału w odkształceniu próbek do zerwania, — określenia rodzaju i stężenia segregujących atomów na granicy ziarn badanych stopów in situ w temperaturze podwyższonej metodą AES, — ustalenia możliwości tworzenia się segregacji atomów substytucyjnych osnowy na granicy ziarn w skali atomowej struktury modelowej miedzi typu 2D metodą modelowania i symulacji komputerowej procesu dyfuzji sieciowej, — określenia oddziaływania mikrododatków Ce lub Zr na ZKM brązów cynowych i czystej miedzi podczas odkształcenia w temperaturze podwyższonej, — określenia cech morfologicznych i rozkładu ujawnionych metalograficznie wtrąceń, — identyfikacji składu fazowego brązów modyfikowanych mikrododatkami Ce lub Zr metodami dyfrakcji rentgenowskiej i elektronowej, — określenia oddziaływania wtrąceń na strukturę i mechanizm ZKM brązów w zakresie TMP. Badania własne Materiał do badań i operacje technologiczne Do badań użyto normatywnych brązów cynowych gatunku CuSnóP, pochodzących z wytopów przemysłowych firmy Trefimetaux (Francja), Huty Warszawa i Instytutu Metali Nieżelaznych w Gliwicach, w postaci prętów i blach odlewanych metodą ciągłą (proces Wertli) oraz sposobem konwencjonalnym. Badania porównawcze przeprowadzono na brązach modelowych z wytopów laboratoryjnych o wysokiej czystości oraz na różnych gatunkach czystej miedzi, jak również brązach cynowych modyfikowanych mikrododatkami Ce lub Zr w ilościach ok. 0,1 % wag. Skład chemiczny i oznaczenia badanych stopów zestawiono w tablicy l [35], Przygotowanie stopów modelowych Brązy modelowe wytwarzano w warunkach laboratoryjnych ENSMSE1' i IMN Gliwice na bazie czystych składników: — Cu 99,99 % (OFHC, jakość c. 10100 wg. ASTM) o zawartości zanieczyszczeń: Bi, Pb, O2, Se, Te — 10 ppm; S — 18 ppm; P — 3 ppm; Hg, Zn — l ppm, — Sn 99,999 % (Spectr. stand. Tin Rod, Johnson Matt Chem. Ltd) zawierająca max.: Pb—3 ppm, Bi — 2 ppm oraz Cd, Mg, Ag < l ppm, — P (Phosphor amorph.) o czystości technicznej; — Ce 99,9 % (CERAC Inc. Milwaukee, Cert. C-1055) o zawartości: Fe, La, Pr, Nd < 0,05 %; Al, Ca, Fe, Mg, Si, Y < 0,01 %, — Zr 99,8 % (Zirconium sponge Koch-Light Lab. Ltd Colnbrook) tylko do zastosowań laboratoryjnych. W wytopach laboratoryjnych IMN Gliwice do wytwarzania stopów modelowych stosowano porównawczo miedź beztlenową przetapianą próżniowo, w gatunku Cu 99,99 % (MOOB) o składzie chemicznym zgodnym z normą PN 77/H-82120 oraz cynę o czystości technicznej [36]. Do wytapiania stopów laboratoryjnych w IMN Gliwice stosowano piec indukcyjny próżniowy firmy BALZERS. Wsad topiono w tyglu grafitowym o pojemności 15 kg. Ecole Nationale Superieure des Mines de Saint-Etienne (Francja).

Tablica l Skład chemiczny badanych stopów

Table l Chemical composition of the investigated alloys

Materiał do badań rodzaj Brąz przemysłowy Brąz przemysłowy modyfikowany

oznaczenie CuSnćP CuSnó CuSn6(l)

Skład chemiczny, % pochodzenie Trefi metaux H. W-wa

IMN Gliwice 1

Sn

P

S

0,0250 0,0200

0,0026 0,0020 0,0024

6,75

0,0100 0,0150 —

—

6,70 7,12 7,44

0,25 0,20 0,15

0,21 — —

_ 0,05 0,23

reszta reszta reszta

0,0100 0,0100 0,0004

0,0100 0,0100 0,0150

0,0080 0,0080 —

0,0250 0,0250 —

0,0021 0,0026 0,0061

— —

_ — —

reszta reszta reszta

0,0010 0,0010 0,0004

0,0040 0,0040 0,0050

0,0002 0,0002 0,0002

0,0003 0,0003 0,0001

0,0020 0,0020 0,0024

0,17 0,13 — — — —

— 0,05 0,24 0,13 0,10

reszta reszta reszta reszta reszta reszta

0,0010 0,0010 0,0010 0.0005 0,0010 0,0001

0.0040 0,0040 0,0040 0,0050 0,0040 0,0003

0,0002 0,0002 0,0002 0,0002 0,0002 0,0002

0,0003 0,0003 0,0003 0,0001 0,0003 0,0001

0,0020 0,0020 0,0020 0,0010 0,0010 0,0008

reszta reszta reszta reszta

0,0010 0,0001 0,0001 0,0001

0,0010 0.0001 0,0001 0,0004

0,0002 0,0001 0,0001 0,0002

0,0003 0,0002 0,0002 0,0001

0,0018 0,0001 0,0002 0,0008

Brąz modelowy modyfikowany

CuSnóPCe(M) CuCe(M) CuSn6PZr(M) CuSnóZr(M) CuZr(M) CuZr(Ml)

ENSMSE"

IMN Gliwice

6,70 — 6,70 7,47 —

0,0006

0,0001

OFHC MARZ ASARCO MOOB

ENSMSE1'

0,0010 0,0004 0,0013 0,0001

0,0003 0,0001 0,0001 0,0001

IMN Gliwice

As

0,0800 0,0120 0,0070

6,70 6,67 5,44

ENSMSE" ENSMSE"

Sb

0,0100 0,0018 0,0004

ENSMSE" ENSMSE"

Czysta miedź

Pb

reszta reszta

CuSn6P(M) CuSnó(M) CuSnó(Ml)

ENSMSE"

Bi

— —

Brąz modelowy

1

zanieczyszczenia

Cu

— —

ENSMSE ' 1 ENSMSE ' IMN Gliwice

ENSMSE ' 1 ENSMSE ' IMN Gliwice

Zr

0,42 0,17 0,15

6,70 5,25

CuSnóPCe CuSnóPZr CuSnóZr

IMN Gliwice

Ce

0,33 —

0,0037 0,26

—

0,18

0,0001 —

— —

0,001 —

—

92,1

Ecóle Nationale Sperieure des Mines de Sant-Etienne (Francja. Przeróbka plastyczna i obróbka cieplna 1

Wlewki ze stopów modelowych ENSMSE ' poddano operacjom przeróbki plastycznej na zimno i obróbki cieplnej według następującego programu: — wyżarzanie ujednorodniające: temp. 720 °C/5 godz./atm. ochr. Ar/woda, — kucie na wymiar 0 ok. 17*18 mm, — wyżarzanie rekrystalizujące: temp. 500+720 °C/3+5 godz./atm. ochr. Ar, — walcowanie do wymiaru 0 ok. 11 mm lub kucie na pręt o wymiarze 11x11 mm, — wyżarzanie rekrystalizujące: temp. 500+720 °C/l+2 godz./atm. ochr. Ar, — kucie na kowarce do wymiaru (j> 10,6 x 1300 mm. Wlewki z wytopów IMN Gliwice wyżarzano ujednorodniająco w temperaturze 720 °C/5 godz. z chłodzeniem w wodzie. Następnie poddano je jednokierunkowemu walcowaniu na zimno w walcarce duo o 17 wykrojach, z wymiaru (j> ok. 30 mm na pręty kwadratowe o boku ok. 10,8 mm, po czym pręty przeciągano na ciągarce do 0 10,3 mm. Pręty walcowane wyżarzano rekrystalizująco w celu uzyskania maksymalnego rozdrobnienia struktury stopów i wielkości ziarn roztworu-a ok. l O jim. Wyżarzanie rekrystalizujące prowadzono w zakresie temperatury 100+750 °C, stosując czasy wyżarzania 0,5, l i 2 godziny. Z prętów obrobionych cieplnie wykonano próbki do badań plastyczności w temperaturze podwyższonej. Analizę plastyczności prowadzono dla różnych stanów dostarczenia oznaczonych następująco: FR — pręt po odlewaniu ciągłym i wyżarzaniu ujednorodniającym; P — blacha po odlewaniu ciągłym; PR — blacha po odlewaniu ciągłymi wyżarzaniu ujednorodniającym; PER—blacha odkształcana na zimno metodą rozciągania i wyżarzana rekrystalizująco; PLR — blacha po walcowaniu na zimno i wyżarzaniu rekrystalizującym. Metodyka badań Szczególną uwagę zwrócono w pracy na metodykę:

— przygotowania wytopów do badań własności plastycznych i struktury, — określenia plastyczności stopów w temperaturze podwyższonej, — analizy fraktografii elektronowej, — określenia przemieszczeń poślizgowych granic ziarn w próbkach rozciąganych w temperaturze podwyższonej, — określenia m situ stężenia atomów segregujących na granicach ziarn w temperaturze podwyższonej metodą AES, — roztwarzania elektrochemicznego brązów modyfikowanych mikrododatkiem Ce lub Zr w procesie otrzymywania izolatów, — identyfikacji fazowej wtrąceń metodami dyfrakcji rentgenowskiej i elektronowej, — modelowania i symulacji komputerowej zjawisk dyfuzyjnych segregacji atomów domieszkowych i zanieczyszczeń na granicy ziarn w strukturze typu 2D Próby mechaniczne w temperaturze podwyższonej Próby statycznego rozciągania w temperaturze podwyższonej wykonano z szybkością odkształcenia od 1,2 x 10~5 s do 1,2 x l O"1 s"1 na maszynie wytrzymałościowej INSTRON (4405) o maksymalnym obciążeniu 100 kN i zakresie prędkości rozciągania do 0,016 m/s Nagrzewanie próbek w zakresie temperatury rozciągania 20-850 °C przeprowadzono w piecu lampowym lub oporowym Próby rozciągania wykonano w atmosferze ochronnej 80 % Ar, 20 % H2 Do badań własności mechanicznych w temperaturze podwyższonej stosowano próbki okrągłe <j> 6 mm i /0 = 28 mm z główkami gwintowanymi (M 10) oraz próbki płaskie o grubości 3 mm i /0 = 20 mm W celu określenia plastyczności badanych stopów wyznaczano głownie przewężenie lub wydłużenie względne zgodnie z normą PN-EN10002-1+AC1 Określenie współczynników materiałowych funkcji umocnienia k i n przeprowadzono na podstawie wykresów rozciągania w temperaturze podwyższonej, wykorzystując zależność Ludwika [37]

orr — — k/c F" t

C\\ (i)

323

gdzie a — rzeczywiste naprężenie uplastyczniające, k — współczynnik umocnienia, e — wydłużenie rzeczywiste, n — wykładnik umocnienia. Stałe materiałowe k i n wyznaczano metodą analityczną. Określenie parametru m czułości naprężenia CT na szybkość odkształcenia £ przeprowadzono na podstawie wykresów rozciągania z zależności: m = d Ina/rf In e, stosując metodę skokowej zmiany prędkości rozciągania. W celu wyznaczenia parametru m stosowano zmiany vr od 0,02 mm/min, do 200 mm/min, co odpowiada zmianie e od 1 1 1 1,2 x lO^s" do l,2x l O" s' . Parametr m określano porównawczo z zależności opisanych w pracy [38]. Próby ciągłego skręcania w temperaturze podwyższonej prowadzono na plastometrze skrętnym konstrukcji IMŻ Gliwice. Do badań użyto próbek (j> 6 mm i /0 = 10 mm. Próby obejmowały: nagrzewanie do temperatury odkształcenia w zakresie 20+800°C w czasie 15 min, skręcanie próbek do zniszczenia z prędkościami odkształcenia 0,1; 5; 10 s oraz oziębianie w wodzie. Podczas próby skręcania rejestrowano moment skręcający, siłę osiową, temperaturę odkształcenia, czas skręcania oraz liczbę obrotów. Zarejestrowane wartości parametrów próby umożliwiają wyznaczenie krzywych umocnienia w układzie naprężenie płynięcia-odkształcenie rzeczywiste. Próby udarności w temperaturze podwyższonej przeprowadzono na młocie wahadłowym firmy Amsler o energii łamania w zakresie 1+5 kpm, stosując standardowe próbki typu Charpy V z karbem o głębokości nacięcia 2 mm i kącie 45°. Próby wykonano w zakresie

temperatury 20+850 °C po nagrzewaniu próbek w czasie 20 min, zgodnie z wymaganiami normy NFA03-156. Badania fraktograficzne Badania fraktograficzne próbek rozciąganych, skręcanych i łamanych w temperaturze podwyższonej, jak również badania przemieszczeń znaczników poślizgu po granicach ziarn na powierzchni zgładów metalograficznych oraz kompleksową analizę wtrąceń ujawnionych na przełomach badanych próbek prowadzono przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego SEM typu LeoBemini (1525), wyposażonego w mikroanalizator rentgenowski EDX o zdolności rozdzielczej ok. 3 nm przy napięciu przyspiesza3 jącym 30 kV, stosując powiększenie w zakresie do 50 • 10 x. Badania metalograficzne Badania metalograficzne na mikroskopie świetlnym przeprowadzono na zgładach wzdłużnych próbek rozciąganych w temperaturze podwyższonej. Do badań użyto mikroskopu GX711 firmy Olympus (Japonia) w zakresie powiększeń 500+1000x. Zgłady do obserwacji metalograficznych przygotowano metodą konwencjonalną. Wielkość ziarn badanych stopów określano metodą porównawczą wg PrPN-ENISO 2624:1995. W celu zbadania substraktury i określenia stanu fazowego wybranych brązów przeprowadzono obserwacje metalograficzne techniką transmisyjnej mikroskopii elektronowej TEM z zastosowaniem selektywnej dyfrakcji elektronów i spektroskopii energii rozproszo-

a-b

c-d Rys. 3. Rozmieszczenie znaczników poślizgu na próbce rozciąganej: a, b — znaczniki elektronowe, c, d — znaczniki mechaniczne Fig. 3. Distribution of the surface gauges of grain boundary sliding on a tensile specimen: a, b — electronic surface gauges, c, d— mechanical gauges

324

nej EDX. Do obserwacji użyto cienkich folii otrzymanych w procesie polerowania elektrolitycznego. Do polerowania stosowano różne odczynniki o składzie zależnym od składu chemicznego badanego stopu. Najczęściej używano odczynnika firmowego D2 lub odczynnika o składzie: 330 ml kwasu azotowego i 670 ml metanolu, stosując temperaturę procesu minus 30 °C. Napięcie anodowe dobierano z zakresu 10-^30 V, utrzymując prąd urządzenia natryskowego polerki elektrolitycznej w przedziale 0,15-^0,25 A. Badania struktury cienkich folii wykonano głównie w TEM typu JEM 2000FX firmy Jeol przy napięciu anodowym do 160 kV, stosując powiększenia w zakresie do 10 x. Mikroanalizę składu chemicznego wtrąceń przeprowadzono za pomocą przystawki EDX. Wybrane obserwacje substruktury stopów przeprowadzono w TEM wysokorozdzielczym JEM 3010 firmy Jeol, wyposażonym w detektor EDX i kamerę typu „slow-scan" przy napięciu przyspieszającym 300 kV. Do obserwacji stosowano cienkie folie wykonane metodą polerowania jonowego. Procedurę identyfikacji faz na podstawie dyfrakcji elektronowej wspomagano programem komputerowym ELDYE, umożliwiającym między innymi wskaźnikowanie i symulację elektronogramów, tworzenie tablic d (hkl) i /(a) oraz własnej bazy użytkownika, jak również korzystanie z baz danych strukturalnych typu: parametry sieci (ASTM), pozycje atomów (Pearson, Wyckoff) i tablic krystalograficznych. Badania poślizgu po granicach

ziarn

Badania poślizgu po granicach ziarn przeprowadzono na podstawie analizy przemieszczeń znaczników mechanicznych i elektronowych na powierzchni próbek rozciąganych w temperaturze podwyższonej (rys. 3). Siatkę rys mechanicznych wykonano na mikrotwardościomierzu typu Durimet (Francja) za pomocą penetratora diamentowego o specjalnym profilu ostrza oraz na profilografometrze, w którym czujnik pomiarowy zastąpiono igłą o ostrzu polerowanym do promienia ok. 5 fo,m. Rysy mechaniczne wykonano w strefie długości pomiarowej próbki na powierzchni ok. 4 x 20 mm. Szerokość rysy na powierzchni próbki wynosi ok. 4^-5 \im, natomiast odległość między rysami ok. 100^-250 |^m. Siatkę znaczników elektronowych utworzono na powierzchni zgładu za pomocą SEM, wykorzystując oddziaływanie skanującej wiązki z cienką warstwą < l ^im żywicy koloidalnej typu PMMA 2041, wiązanej roztworem na bazie C6H12O2 i nałożonej dynamicznie na powierzchnię zgładu. Oddziaływanie to umożliwia rozpuszczenie żywicy w miejscu skanowania wiązki, stosując rozpuszczalnik zawierający 25 % CH3COC2H5 i 75 % CH3CHOHCH3. Powierzchnię próbki napylano z kolei warstwą złota o grubości ok. 20 nm i rozpuszczano w chloroformie (CHC13) warstwę żywicy, na którą nie oddziaływała wiązka elektronów. Znacznikami elektronowymi są napylone złotem siatki o wymiarach równoległoboku ok. 35-^100 jam i szerokości linii ok. K2 |im. Szczegóły metodyki badawczej i jej adaptację do badania PGZ stopów miedzi podano w pracy [39]. Badania rentgenograficzne Badania rentgenograficzne prowadzono metodą dyfraktometryczną w zakresie rentgenowskiej analizy fazowej jakościowej RAFJ izolatów otrzymanych z roztwarzania elektrochemicznego badanych stopów, modyfikowanych mikrododatkami Ce lub Zr. Badania dyfraktometryczne izolatów poprzedzał etap określenia aktywnego potencjału roztwarzania badanych stopów w odpowiednio dobranych odczynnikach chemicznych oraz roztwarzania elektrochemicznego przy określonych wartościach potencjału [36]. Wyznaczenie krzywych polaryzacji anodowej badanych brązów przeprowadzono techniką potencjostaty czną, stosując potencjostat PGP 201. Badania rentgenograficzne izolatów przeprowadzono na wysokorozdzielczym dyfraktometrze Siemens D5000, stosując filtrowane Ni promieniowanie anody XCuKa przy napięciu lampy ok. 40 kV i natężeniu prądu anodowego ok. 30 mA. Izolaty naniesione na bibułę filtracyjną analizowano rejestrując intensywność linii dyfrakcyjnych w zakresie 3^-100° 26 metodą dyskretną przy wielkości kroku pomiarowego 0,02° 20 i stałym czasie zliczania impulsów do

ok. 20 s. Otrzymane dyfraktogramy poddano RAFJ, wykorzystując program komputerowy Diffract AT Search/Match Program oraz uwzględniając bazę danych ICPDS-ICDD. Dyfraktogramy wzorcowe symulowano teoretycznie przy użyciu programu komputerowego X'Pert Plus z oprogramowania aparatu rentgenowskiego X'Pert Philips (typ PW 3040/60), bazującego na metodzie analizy Rietvelda [40]. Badania spektrometryczne

Augera

Badania spektrometryczne metodą Augera (AES) przeprowadzono za pomocą spektrometru systemu Riber ASC 2000 (Francja). Analizę energii elektronów Augera prowadzono na losowo wybranych powierzchniach przełomu międzykrystalicznego próbek in situ po zerwaniu w komorze spektrometru. Rozciąganie próbek z e ok. 4 l O" s , w zakresie temperatury TMP, wykonano przy użyciu specjalnie skonstruowanej w tym celu mikrozrywarki wyposażonej w urządzenie do nagrzewania oporowego próbek. Kształt i wymiary próbki do badań spektrometrycznych podano na schemacie (rys. 4). Nagrzewanie próbek prowadzono w zakresie 8 temperatury 100-^600 °C przy zachowaniu próżni rzędu 2,66 • 10~ Pa. Temperaturę próbek rejestrowano termoelementem PtRh-Pt z dokładnością ±2 °C. Widmo elektronów Augera analizowano w postac\f(E)=N(E) lub pochodnej/(E) = dN(E)/dEprzy energii elektronów Ep = 5 keV. Średnica badanego mikroobszaru zależna od minimalnej średnicy wiązki elektronów (ok. 50 nm) wynosiła ok. 100 nm. Badane przełomy poddano jednocześnie szczegółowej analizie fraktograficznej. Pierwiastki skoncentrowane w warstwie wierzchniej przełomu międzykrystalicznego identyfikowano metodą porównawczą korzystając z bazy standardowych widm Augera, natomiast ich stężenia atomowe określano na podstawie analizy ilościowej zróżniczkowanych intensywności linii widmowych, skorygowanych względnymi czynnikami czułości ze wzoru [41]

C =

(2)

gdzie Ix—amplituda intensywności linii widmowej Augera analizowanego pierwiastka, Sx — wartość względna czynnika czułości dla pierwiastka*; a — liczba analizowanych pierwiastków, dx — współczynnik skali. Wybrane próbki brązów cynowych poddano również trawieniu jonowemu w celu usunięcia warstwy wierzchniej segregujących atomów oraz określenia gradientu składu chemicznego w funkcji głębokości trawienia od granicy ziarn. Bombardowanie jonami argonu (Ar+) prowadzono przeciętnie w czasie od 20 do 60 min.

rr

1 l

T"° i— «t -

1 1

V

1

H ^L

/"

7 V

,"/

Y

1,£

5.4

-e-

j

K

//

i LCM °_

CN i

20, 1

^

X

-&^

ł

Ą

4,3

k

Rys. 4. Próbka do badań spektrometrycznych metodą Augera Fig. 4. Sample for AES measurements

325

Symulacja komputerowa procesu segregacji między kry stalicznej W celu symulacji procesu dyfuzji atomów do granicy ziarn sieci 2D przyjęto w pracy model matematyczny zaproponowany przez Chapmana i Faulknera [42]. W modelu wykorzystano oddziaływania energetyczne na poziomie atomu między wakancjami, atomami domieszek lub zanieczyszczeń rozpuszczonych w osnowie oraz granicami ziarn dla przewidywania ruchu atomów i powstałej w ten sposób segregacji. W modelu zakłada się kulisty kształt atomu oraz sprężyste oddziaływanie otaczającej sieci krystalicznej przy zachowaniu stałej objętości. Wzajemne oddziaływania defektów punktowych dostarczają energetycznych sił napędowych koniecznych dla wystąpienia migracji atomów segregujących na granicy ziarn, jak również utworzenia kompleksów defektów, np. diwakancji VMVM lub typu wakancja VM—atom domieszkowy FM, czyli tzw. pary VMFM(rys.5). Zastosowany model matematyczny uwzględnia następujące rodzaje wzajemnych oddziaływań defektów i ich energie wiązania Eb: v b E b — między wakansem i granicą ziarn, E* — między atomem domieszki i granicą ziarn, v

E b — między wakansem i atomem domieszki, E™ — między dwoma wakancjami,

w danym kierunku ma wpływ jego energia kinetyczna, energia migracji E'm potrzebna do dyfuzji oraz energia wyzwalana lub pochłaniana przez zmianę energii wiązania A£^ w czasie skoku dyfuzyjnego. Energia ta jest określona następująco X

Energia wiązania defektu w danym położeniu jest sumą wszystkich energii wiązania z najbliższym otoczeniem i granicą ziarn. Wyzwolenie energii wiązania podczas skoku dyfuzyjnego redukuje barierę energii migracji dla dyfuzji (rys. 6). Energia kinetyczna Ek potrzebna do pokonania bariery energii migracji E'm i umożliwienia dyfuzji jest wyrażona za pomocą wzoru (4)

Zakładając dystrybucję energii kinetycznej wg Maxwella-Boltzmanna [43], można obliczyć prawdopodobieństwo skoku defektu. Jeżeli wysokość bariery energetycznej jest mniejsza lub porównywalna z Ek defektu, to wówczas prawdopodobieństwo przeskoku wzrasta

(-E, kT

ll

E b — między dwoma atomami domieszki (zanieczyszczenia). Każdy atom w sieci 2D ma określoną średnią energię kinetyczną Ek i może przemieszczać się w czterech określonych kierunkach. Kierunek przeskoku jest wybierany losowo. Na przeskok atomu Diwakans (V„ V„)

Atom domieszki (zanieczyszczenia) Fu Para (V„ F„) Wakans (Vu;

P= exd-

(5)

gdzie k — stała Boltzmanna, T— temperatura w Kelvinach. Częstotliwość wibracji atomów jest rzędu l O13 Hz. Oznacza to, że dla przeprowadzenia symulacji l s czasu rzeczywistego należy określić prawdopodobieństwo przeskoku każdego atomu 1013 razy, dlatego w celu skrócenia czasu przebiegu symulacji wprowadzono współczynnik przyspieszenia W = 10 .

(6) kT

Granica ziarna

Kompleks atomów (F„ F„)

Rys. 5. Schemat rozmieszczenia defektów sieciowych oraz możliwe kierunki dyfuzji symulowane komputerowo w strukturze 2D Fig. 5. Diagram showing the interaction of lattice defects and possible directions of diffusion jumps simulated by the computer model in a 2D structure

Stosowanie tej modyfikacji przyspieszenia wprowadza w przyjętym modelu pewien błąd do statystyki obliczeń, niemniej proces symulacji zostaje przyspieszony milion razy. W celu uzyskania symulacji l ms czasu rzeczywistego dyfuzji należy określić l O4 prawdopodobieństw przeskoków. Przyjęty model matematyczny zakłada odwrotnie proporcjonalną zależność potęgową między energiami wiązania a odległością defektów punktowych. Zgodnie z tym założeniem energię wiązania wakancji z atomem zanieczyszczenia Eb, oddalonym od wakancji o odległość d, określano następująco

El

(7)

gdzie E£ — energia wiązania między defektami w dużej odległości od

o

0,5

1,0

Przemieszczenie, średnica atomowa

granicy ziarn. Wszystkie odległości wyrażone są średnicami atomowymi, tak więc w przypadku, gdy d = l, powstaje kompleks wakancja-atom zanieczyszczenia (VMFM), którego Eb = Evb'. W aktualnej wersji modelu symulacji zależność (7) zmodyfikowano, uwzględniając dodatkowo odległość poszczególnych defektów od granicy ziarn

El'

Rys. 6. Wpływ zmiany energii wiązania A£6 na wielkość bariery energii migracji E'm podczas skoku dyfuzyjnego Fig. 6. Effect of the release of the binding energy kEb on the reduction of the migration energy barrier E'm during a diffusion jump

326

(8)

gdzie s iS

odległości analizowanych defektów od granicy ziarn.

Warunkiem koniecznym modelowania segregacji danego pierwiastka jest znajomość wartości liczbowych energii wiązania i migracji. Opracowany na podstawie przedstawionego wyżej modelu matematycznego algorytm procesu dyfuzji sieciowej został zaimplementowany do programu komputerowego DYFUZJA. Umożliwia on prowadzenie symulacji dyfuzji do granicy ziarn w metalach polikrystalicznych, zawierających do czterech różnych składników stopowych, domieszek lub zanieczyszczeń. Liczne dane wejściowe do obliczeń program pobiera z pliku tekstowego. Ze względu na fakt, że wykonywanie programu może być w dowolnej chwili przerwane dla późniejszego wznowienia obliczeń oraz że prezentowany na ekranie obraz ilustrujący aktualne rozmieszczenie wakancji i atomów segregujących może być zapamiętany w pliku.pcx, jak również, że zapisywane są wyniki symulacji po zadawanej liczbie cykli, przyjęto — dla wygody użytkownika programu i uniknięcia pomyłek — następujące rozwiązanie dotyczące lokalizacji plików dyskowych [44]: — dla każdej serii obliczeń z nowymi danymi zakłada się nowy katalog, w którym tworzy się plik danych DYFUZJA.DAŃ., — po uruchomieniu programu, zarówno przy obliczeniach prowadzonych od początku, jak i po wznowieniu uprzednio przerwanych, użytkownik wybiera tylko katalog danych i wyników z wyświetlonych na ekranie, przy czym pokazywane są tylko te katalogi, w których znajdują się odpowiednie dane dla programu DYFUZJA, — przygotowanie danych dla programu DYFUZJA umożliwia łatwą kontrolę wprowadzonych danych, nawet z zachowaniem w pliku dyskowym danych wcześniej używanych. Stąd koncepcja, że tworzenie nowego zestawu danych polega na modyfikacji już istniejącego dowolnego pliku z danymi DYFUZJA.DAŃ. Dane o energii wiązań mają postać czytelnej tabelki, a dodatkowo każda modyfikowana dana jest zaznaczona podkreśleniem. Dane obejmują: współczynnik przyspieszenia W , parametr sieci, rozmiar macierzy N (maksymalnie N = 400), oznaczenie próbki, temperaturę procesu oraz symbole: pierwiastków osnowy i domieszek lub zanieczyszczeń, wakancji i ich stężenie w % at., tabelkę energii wzajemnych oddziaływań między defektami sieciowymi i energie migracji defektów. Po uruchomieniu programu na ekranie monitora pojawia się komunikat informujący o dokonaniu wyboru, który pozwala na rozpoczęcie nowej symulacji lub kontynuowanie innej. Dokonując wyboru i zaznaczając odpowiedni plik danych, można podać liczbę określającą start generatora losowego, co umożliwia powtórzenie danej symulacji. Kolejne okna dialogowe wymagają wprowadzenia liczb określających, co ile cykli należy wyświetlić podgląd oraz zapisać wyniki symulacji. Po wprowadzeniu wszystkich niezbędnych parametrów następuje start symulacji procesu dyfuzji. Dynamiczne okno wynikowe pozwała na ciągłą obserwację procesu, ponieważ pokazuje bieżącą ilość wakancji oraz atomów składników domieszkowych lub zanieczyszczeń rozmieszczonych w odległości 9 średnic atomowych od granicy ziarn. Można również obserwować aktualną liczbę przeskoków danych defektów w określonych kierunkach oraz maksymalną wartość prawdopodobieństwa, która została obliczona w ciągu symulacji. Za pomocą klawisza można przejść do opcji wyświetlenia badanej tablicy, gdzie na bieżąco można śledzić przemieszczenia atomów segregujących, w odległości 50 średnic atomowych po obu stronach granicy. Wyniki symulacji zostają zapisane w pliku „dyfuzja.wyn" oraz w pliku graficznym o rozszerzeniu ,,.pcx", przedstawiającym rozmieszczenie atomów i wakansów po danej liczbie cykli. Program został napisany w języku Turbo Pascal (wersja 7.01), by mógł w pełni dysponować wszystkimi dostępnymi zasobami systemu komputerowego, jak również mógł być uruchamiany, np. dla demonstracji procesu symulacji, stosując komputery starszego typu na studenckich stanowiskach laboratoryjnych. Tworzona jest także inna wersja tego programu na bazie edukacyjnej licencji DELPHI 5.

Literatura 1. Joszt K., Ciura L., Baldy M., Misiolek Z.: Sprawozdanie IMN Gliwice,

1985, nr 402.

2. OrmanL: Inst. Przer. Piast i Metalozn., AGH Kraków, 1985 [pr. dokt.]. 3. KannoM., ShimodairaN.: Trans. Jap. Inst. Metals, 1987, t. 28, nr 9,

s. 742.

4. Fujiwara S., Abiko K..- Journal de Phys. IV, Coli. C7, C7-295,1995,

t. 5, nr 9.

5. Tacikowski M.: These de doct., Ecole Nat. Super, des Mines de Saint-Etienne, 1986. 6. Abiko K.: Journal de Phys. IV, Coli. C7, C7-775, 1995, t. 5, nr 9. 7. Nagasaki Ch., Kiham J.: ISIJ Inter., 1999, t. 39, nr l, s. 75. 8. ChenH., TakasugiT., Pope P.: Metali. Trans., 14A, 1983, nr 4, s. 571. 9. Nowosielski R.: Zesz. Nauk. Poi. ŚI., Mechanika, z. 135, Gliwice, 2000. 10. Sanchez-Medina M. i in.: Mcm. Etud Sci. Rev. Metali., 1981, nr 4, s. 101. l \.AfsharS.: These, Ecole Nat. Super, des Mines de Saint-Etienne, 1986. \2.BarkerG., WeertmanR.: Scripta Metali, et Mater., 1990, nr 24, s. 227. 13. Hę J. i in.: Mater. Sci. Technol., 1998, t. 14, nr 12, s. 1249. 14. LarereA., Saindrenan G.: Coli. de Phys. Cl.1.51. 1990, Cl-563. 15. Muthian C. i in.: Mater. Sci. Eng. A, 1997, nr 234+236, s. 1033. 16. GronostajskiJ., PulitE., ZiembaH.: Metal Sci., 1983, nr 17, s. 348. 17. SakaiT.,JonasJ.: Acta Met., 1984, t. 32,nr 2, s. 189. 18. BłażL.: Metali, i Odlew., Zesz. Nauk. AGH, Kraków, 1988, nr 114. 19. Wierzbiński S.: Rudy Metale, 1995, t. 40, nr 3, s. 81. 20. Ozgowicz W.: Mater. Konf. Miedź i stopy miedzi SITPH (PAN), Wisła, 5, 1983. 2\.Eic.helmanH., CheshireJ.: Canad. PatentN0 886501,23Nov., 1971. 22. ShapiroA. i in.: US Patent 3.930, 894, Jan. 6, 1976. 23. Romankiewicz F.: Monografia. WSI 20, Zielona Góra, 1983. 24. Romankiewicz F. i in.: Rudy Metale, 1997, t. 42, nr 10, s. 430. 25. Ashby M., Gandhi C., Taplin D.: Acta Metali., 1979, nr 27, s. 699. 26. Hę J., Hań G., Fukuyama S., Yokogawa K.: Mater. Sci. Technol., 1998, t. 14, nr 12, s. 1249.

27. Briggs D., Seah P.: Practical Surface Analysis, Ed. J. Wiley Chichester 1983, s. 247. 28. Nowicki T.: These, Ecole Nationale Superieure des Mines de SaintEtienne, 1989. 29. Faulkner G., Jiang H.: Mater. Sci. Technol., 1993, t. 9, nr 8, s. 665. 30. Lu H., Suzuki A., Ito A., Kohyama M., Yamamoto Y.: Mater. Trans., 2003, t. 44, nr 3, s. 337. 31. Faulkner G., Song H., Flewit J.: Mater. Sci. Technol., 1996, t. 12, nr 10, s. 818.

32. Grah M., Alzebdeh K. i in.: Acta Mater., 1996, t. 44, nr 10, s. 4003. 33. Crocker G. i in.: Mater. Sci. Forum, 1999, nr 294+296, s. 673. 34. Joseph B., Barbier F., Aucouturier M.: Europ. Phys. Journal, 1999, nr. 5,s.l9. 35. Ozgowicz W.: Zesz. Nauk. Poi. Śl., Mechanika nr 1632, Gliwice, 2004. 36. Ozgowicz W.: Raport KBN Nr 7T08A02517, Poi. Śl. Gliwice, 2002. 37. Erbel S. i in.: Obróbka plastyczna, PWN, Warszawa, 1992. 38. Nowikow /., Portnow K.: Swierchplasticznost spławów. Metali., Moskwa 1981, s. 18. 39. Ozgowicz W.: Rapp. C.I.E.S., Ecole Nat. Sup. des Mines de SaintEtienne, 1981. 40. Young R.: The Rietveld method, Oxford Univ. Press., 1993. 41. PalmbergP.: Handbook of AES, New York, 1984. 42. Chapman V., Faulkner G.: Acta Met., 1983, nr 31, s. 677. 43. Wyatt H,, Hughes D.: Metals Ceram. and Polym., Cambridge Univ. Press 1974,s.54. 44. Ozgowicz W., KosekE.: Arch. Nauki o Mater., 2004, t. 25, nr 2, s. 93. 45. KorbelA.: Metal, i Odlew. AGH, Kraków, 1974, nr 65. 46. Sivakesavam O. i in.: Mater. Sci. Technol., 1988, t. 4, nr 8, s. 578. 47. Ozgowicz W., BiscondiM.: Mcm. Etud. Sci. Rev. Metali. 1987, t. 84, nr 3, s. 129.

48. Ozgowicz W., Karolus M.: Proc. Int. Conf. Appl. Crystallography, Kraków, 2003. 49. Ozgowicz W., Biscondi M.: Journal de Phys. IV, 1995, t. 5, nr 9, C7-315.

327

JERZY STOBRAWA ZBIGNIEW RDZAWSKI

Rudy Metale R 50 2005 nr 6 UKD 539.2:620.1:620.22.001:66.017.001

NANOMATERIAŁY l NANOTECHNOLOGIE POCZĄTEK PRZEŁOMU W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Przedstawiono wybrane zagadnienia dotyczące nanotechnologii i nanomaterialów. Omówiono początki rozwoju tej dziedziny oraz opisano sposoby wytwarzania nanomaterialów, również w oparciu o własne prace. Krótko scharakteryzowano rynek nanomateriałów i nanotechnologii jak też dziedziny ich zastosowań. Wspomniano o zagrożeniach wynikających z rozwoju nanotechnologii i nanomaterialów. Słowa kluczowe: nanomateriały, nanotechnologie, rozdrabnianie, synteza, SPD, SPTS, ECAP, CWS, fullereny

NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES BEGINNING OF A BREAKTHROUGH IN MATERIALS ENGINEERING Selected topics related to nanotechnology and nanomaterials have been presented. The initial stages ofdeveloprnent ofthis new field of science are outlined, and the methods for nanomaterials fabrication are described together with authors' own achievements in this field. The market for nanomaterials and nanotechnologies as well as the areas of their application have been characterised. The threats resulting from rapid development of nanomaterials and nanotechnologies have been indicated. Keywords: nanomaterials, nanotechnologies, disintegration, synthesis, SPD, SPTS, ECAP, CWS, fullerenes

Wstęp W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia dotyczące nanotechnologii i nanomateriałów. Do opracowania tego zagadnienia skłoniły nas ostatnie wyniki badań statystycznych dotyczące stanu wiedzy społeczeństw na ten temat. Z badań tych, przeprowadzonych w Stanach Zjednoczonych i w Niemczech [1], wynika, że nanoświat mimo zaangażowania potężnych nakładów na rozpowszechnienie wiedzy na jego temat pozostał światem nieznanym, a pojęcia nanomateriał i nanotechnologia znane są jedynie zamkniętemu gronu naukowców i specjalistów. Bardzo obrazowo i trochę przewrotnie wyniki tych badań statystycznych skomentowali amerykańscy specjaliści. Stwierdzili, że na postawione dzisiaj 100 osobom pytanie, „co to jest nanonauka i nanotechnologia" dziewięćdziesiąt odpowie „nie mam pojęcia", a każda z pozostałych 10 odpowiedzi będzie się zdecydowanie różnić. Co to jest nanonauka i nanotechnologia? Większość naukowców skłania się do tego by nie rozdzielać pojęć związanych z nanonauka, nanomateriałami i nanotechnologia, zalecając równocześnie stosowanie definicji opisowej, np. w postaci: nanonauka i nanotechnologia jest obszarem koncentrującym się na: — Rozwoju syntetycznych metod i narzędzi analitycznych do budowy konstrukcji i materiałów w skali poniżej 100 nm, w co najmniej jednym kierunku. — Identyfikacji chemicznych i fizycznych właściwości będących konsekwencją tej miniaturyzacji. — Wykorzystaniu tych właściwości przy opracowywaniu nowych materiałów funkcjonalnych lub przyrządów. Początki rozwoju dziedziny nanotechnologii Nowe dziedziny nauki umożliwiające sterowanie budową mate-

rii na poziomie molekuł wyprorokował w 1959 r. w wykładzie pt.: „There's plenty of room at the bottom", słynny fizyk amerykański Richard Feynman. W wykładzie tym zapowiedział, że ludzkość będzie zdolna budować różne materiały i konstrukcje z pojedynczych atomów czy molekuł. Zapowiedź ery nanotechnologii spotkała się jednak z wielkim sceptycyzmem [2]. Według większości uczonych efektywną kontrolę struktury materii wykluczały prawa mechaniki kwantowej, a zwłaszcza zasada nieoznaczoności Heisenberga. Autorytet profesora Richarda Feynmana dopingował najwierniejszych zwolenników tej nauki. Badania laboratoryjne zaczęły przynosić wyniki i po 30 latach od jego wystąpienia zaczęły się rozwijać pomysły na poziomie atomowym. W 1990 roku w centrum badawczym IBM w San Jose (Kalifornia) w badaniach doświadczalnych ustawiono 35 pojedynczych atomów ksenonu na krysztale niklu tworząc z nich napis IBM (rys. 1). W ciągu kilku następnych miesięcy nie było już problemu z „napisaniem" innych wyrazów z molekuł, czy narysowanie wizerunku Einsteina w mieszaninie jonów. Przykładem może być napis NANO WORLD (NANO ŚWIAT) uzyskany w Instytucie Fizyki Eksperymentalnej i Teoretycznej Uniwersytetu w Kieł w Niemczech. Napis ten stał się wkrótce logo niejednej konferencji dotyczącej nanomateriałów i nanotechnologii. Po sukcesach z napisami naukowcy poszli jeszcze dalej. Powstawały pierwsze molekularne urządzenia elektroniczne. Były to [2, 5+7]: — atomowy przełącznik, w którym pojedynczy atom drgał tam i z powrotem pomiędzy dwoma położeniami, — pociąg molekularny wykonany z kilku tuzinów atomów (Stoddart, 1990) „podróżujący" wzdłuż torów molekularnych i zatrzymujący się na czterech molekularnych stacjach, — przekładnia obiegowa i selektywna pompa do neonu na poziomie atomowym (Drexler, Merem), — potrafimy też pisać literami nanometrycznymi (rys. 3) Najaktywniejszy na polu nanotechnologii był dr Eric Drexler.

D f lnż. Jerzy Stobrawa, doc. dr hab. inż- Zbigniew Rdzawski — Instytut Metali Nieżelaznych. Gliwice.

328

Rys. 1. Logo IBM (Donald Eigler i Erhard Schweizer) [3] Fig. 1. IBM's logo (Donald Eigler and Erhard Schweizer) [3]

Rys. 2. NANO WORLD (NANO ŚWIAT) [4] Fig. 2. NANO WORLD [4]

komisja senacką dnia 26 czerwca 1992 roku. Raport ten zrobił ogromne wrażenie na członkach komisji, a następnie członkach administracji prezydenta i ministerstwa obrony. Projekt rozwoju tej dziedziny szczególnie silnie wspierali Al Gore (późniejszy wiceprezydent Stanów Zjednoczonych) oraz zastępca dowódcy zjednoczonych armii admirał Jeremiach. Od tej pory nastąpił szybki przełom w tej dziedzinie nauki w Stanach Zjednoczonych. Zaczęła się też ona gwałtownie rozwijać w innych częściach świata, głównie na dalekim wschodzie (Japonia, Chiny, Tajlandia) i w Europie (Niemcy, Francja, Włochy). Rządy najbogatszych krajów zainwestowały biliony dolarów, zakładając instytucje i infrastrukturę dla umożliwieni a prowadzenia prac badawczych z tego niezwykle szerokiego i ciekawego obszaru badawczego. Opracowano dalekosiężne plany rozwoju dziedzin nanonauki i nanotechnologii, a co roku przeznacza się ogromne sumy najej rozwój.Wydatki poniesione przez Stany Zjednoczone, Japonię i Europę w ostatnich latach zaprezentowano w tablicy l. Rząd Stanów Zjednoczonych w ostatnim okresie zapowiedział inicjatywę dotyczącą nanotechnologii na 3,7 bilionów dolarów. Chiny, Japonia, Korea, Izrael i wiele krajów europejskich uruchomiło programy rządowe na budowę centrum i kształcenie ekspertów z tej dziedziny. W ponad 100 powstałych przedsiębiorstwach uruchomiono produkcję z tego obszaru. Także wiele gigantycznych korporacji inwestuje miliony dolarów we wdrożenie programów badawczych i rozwojowych związanych z nanotechnologią. Wspólnota interesów nauki, rządów i prywatnych inwestorów spowodowała wiele dobrego dla nauki i organizacji inżynierskich. Takiej silnej więzi we współpracy jednostek naukowych z przemysłem do tej pory nie obserwowano. Tablica l Nakłady poniesione w latach 2001-^2004 na rozwój nanotechnologii w przodujących krajach świata [8], min euro Table l The outlays incurred for nanotechnologydevelopment in the years 2001+2004 by the leading countries of the world [8]

Kraj

2001 r.

2002 r.

2003 r.

2004 r.

USA Japonia Europa (w tym Niemcy)

420 600 360 210

570 750 480 240

770 800 700 250

850 800 740 290 __

Rys. 3. „There's plenty of room at the bottom": Po około 40 latach od czasu wygłoszenia przez Richard Feynmana tego referatu specjaliści zapisali jego treść techniką nanolitograficzną Fig. 3. "There's plenty of room at the bottom": Over 40 years after presentation of this paper by Richard Feynman his paper has been written down using nanolithography techniąue Jego wizje wynikające z zastosowania nanotechnologii to nie tylko świat bez biedy, bez chorób i procesów starzenia się, ale też z nowymi zagrożeniami dla ludzkości. Mimo że nie znalazły one uznania naukowców, a wizje te w najkorzystniejszych przypadkach klasyfikowano za fantastykę naukową, nie mogły one zostać całkowicie obojętne dla interesów Stanów Zjednoczonych. Rządzących najbardziej zaniepokoiły opinie sugerujące, że w przyszłości ten będzie rządził światem, kto opanuje nanotechnoiogie. Do niego też zwrócono się z prośbą o wydanie opinii na temat przyszłości nanotechnologii i jej wpływu na losy ludzkości. Raport na wymieniony temat, pt.: „Oświadczenie dr. Erica Drexlera dotyczące nanotechnologii molekularnej" złożony został przed

Rys. 4. Zastosowanie nanotechnologii w podstawowych dziedzinach nauki [9] Fig. 4. Application of nanotechnology in the basie domains of science [9]

329

Odwzorowanie rozmieszczeń ia atomów na powierzchni materiału

Spektroskop tunelowy oddziaływanie układów elektronowych

Badania krystalografii przemian fazowych

Badanie atomów zaabsorbowanych na powierzchni materiału

Określenie jednorodności rozmieszczenia atomów domieszkowych

Badania struktury spinowej

Badania subtelnej struktury magnetycznej

Badania trybologiczne w skali nanometrycznej

Manipulacje w skali atomowej

Rys. 5. Przykładowe zastosowania skaningowych mikroskopów polowych oraz sił atomowych Fig. 5. Exemplary applications of the field emission scanning microscope and atomie force microscope

330

Nanomaterialy i nanotechnologie są to dyscypliny naukowe, których nie da się ująć znanym schematem Venta. Obejmują swym zasięgiem szeroko pojętą fizykę, biologię jak i chemię, W ostatnich latach zaczęła zanikać różnica w skali analizowanych zjawisk. We wszystkich tych dyscyplinach stosuje się obecnie podobną aparaturę naukowo-badawczą. Przewiduje się, że już niedługo wykorzystywane będą zintegrowane zasady biologii, prawa fizyki i chemiczne właściwości (rys. 4). Aktualnie jesteśmy na początku drogi rozwoju tych dyscyplin naukowych. Prezentowane na konferencjach wyniki najnowszych badań dotyczą głównie rozwoju metod i narzędzi analitycznych do wytwarzania materiałów w skali nanometrycznej oraz badania ich właściwości chemicznych i fizycznych. Budowa konstrukcji Erica Drexłera, takich jak molekularna przekładnia różnicowa czy selektywna pompa do neonu pozostaje jeszcze poza zasięgiem uczonych i konstruktorów. Postęp w dziedzinach nanomateriałów i nanotechnologii był możliwy dzięki równolegle zachodzącemu postępowi w dziedzinie nanoanalityki: — rozwijała się wszechstronnie i intensywnie dziedzina transmisyjnej mikroskopii elektronowej, — w 1950 r. powstał mikroskop elektronowy polowy (Wilhelm Mulle), — w 1981 r. powstał skaningowy mikroskop polowy (Gerd Binnig, Heinrich Rohrer, Nagroda Nobla w 1986 r.), — w 1986 r. powstał mikroskop sił atomowych. Skaningowe mikroskopy polowe oraz sił atomowych pracując w różnych modach pozwalają na bardzo subtelne badania strukturalnych efektów powierzchniowych, magnetycznych, elektrycznych i mechanicznych, a także na manipulację w skali atomowej (rys. 5). Wytwarzanie nanomateriałów Nanocząstki są szkieletem nanotechnologii. Przy tego rzędu wielkości ich własności są zależne nie tylko od składu chemicznego, lecz również od wielkości i kształtu. Właściwości optyczne, elektryczne i magnetyczne, jak też mechaniczne czy punkt topnienia różnią się od właściwości materiałów makro- czy mikroskopowych. Przedstawione podsumowanie obrazuje przegląd zjawisk obserwowanych wraz ze zmniejszaniem się wielkości cząstek. Im mniejsza wielkość cząstek (ziaren) tym: — wyższa aktywność katalityczna (np. Pt/Al2O3), — wyższe umocnienie mechaniczne (np. węgiel w gumie), — wyższa przewodność elektryczna ceramiki (np. CeO2), — lepsza jakość cieczy magnetycznych, — niższa przewodność elektryczna metali (np. Cu, Ni, Fe, Co, stopy Cu), — wzrost a następnie spadek koercji magnetycznej, prowadzący w efekcie do własności superparamagnetycznych (Fe2O3), — wyższa twardość i wytrzymałość metali i stopów (dla polikrystalicznych, metalicznych materiałów nanokrystalicznych przy określonej wielkości ziarna stwierdza się odstępstwo od znanej liniowej zależności Halla-Petcha pomiędzy wielkością ziarna (d~ ) a granicą plastyczności), — wyższa plastyczność, twardość i odkształcalność materiałów ceramicznych; niższa temperatura spiekania i nadplastycznego odkształcania materiałów ceramicznych (np. TiO2), — wyższaluminescencjapółprzewodników (Si, GaAs, ZnS;Mn2+). Często przedstawianym przykładem są zmiany zabarwienia z wielkością cząstek. W przypadku tellurku kadmu zmiana wielkości cząstek od 2 do 5 nm wywołuje zmianę zabarwienia od zielonego do czerwonego (rys. 6). Materiały nanokrystaliczne wytwarza się dwoma podstawowymi technikami. Pierwsza zwana w literaturze angielskojęzycznej metodą TOP-DOWN polega na rozdrabnianiu mikrostruktury. Realizować to można poprzez: — Rozdrabnianie (ewentualnie syntezę i rozdrabnianie) materiałów proszkowych w kulowych młynach planetarnych i ich ewentualne dalsze zagęszczanie i spiekanie. W młynie kulowym można rozdrabniać mikrostrukturę materiałów do nanostruktury oraz moż-

Rys. 6. Zmiany koloru tellurku kadmu od zielonego do czerwonego ze zmianą wielkości cząstek od 2 do 5 nm [11] Fig. 6. Change of a colour of cadmium telluride from green to red with the particle size increase from 2 to 5 nm [11]

Rys. 7. Schemat syntezy mechanicznej materiałów nanokrystalicznych w młynku planetarnym z wykorzystaniem reakcji chemicznej [12] Fig. 7. Diagram of mechanical synthesis of nanocrystalline materials in a planetary mili with the use of chemical reaction [12]

na przeprowadzać syntezę mechaniczną materiałów nanokrystalicznych i nanokompozytów, w tym również w wyniku reakcji chemicznych (rys. 7). — Rozdrabnianie mikrostruktury materiałów litych na drodze wielkich i złożonych odkształceń plastycznych realizowanych w różnych systemach. Spośród metod intensywnej deformacji plastycznej zwanych w literaturze metodami SPD (Severe Plastic Deformation) najczęściej stosowane są: a — Metoda SPTS (Severe Plastic Torsion Straining). W tym przypadku próbka w kształcie dysku jest poddawana wielokrotnemu ściskaniu ze skręcaniem. b — Metoda ECAP (Eąual Channel Angular Pressing). W metodzie tej bloczek jest wielokrotnie przeciskany poprzez kątową, dwukanałową matrycę, (kąt 9CH-1200). c — Metoda cyklicznego wyciskania ściskającego (CWS). d — Złożony proces obróbki cieplno-plastycznej z wykorzystaniem wielokrotnego walcowania lub kucia na zimno i niskotemperaturowego wyżarzania. Tymi zagadnieniami objęty jest projekt badawczy-zamawiany PBZ-095/T08/2003 pt.: „Technologie wytwarzania metali i stopów 0 strukturze manometrycznej" koordynowany przez Politechnikę Warszawską. Z tego też projektu zaczerpnięty został przykład z naszych prac pokazujący kolejne etapy wytwarzania materiału o strukturze manometrycznej techniką metalurgii proszków (rys. 8). Druga technika zwana metodą B OTTOM-UP polega nabudo wie struktury nanokrtystalicznej z atomów czy molekuł poprzez odparowanie stałego prekursora w próżni, techniką plazmową lub laserową 1 osadzeniu go na określonym podłożu lub poddaniu krystalizacji w określonej przestrzeni. Wytwarzane też mogą być z przesyconych ciekłych roztworów oraz technikami rozpylania zawiesin lub cieczy.

331

EHT = 15.00 kV

Signsl A = JnLens

WD *

Photo No. = 2756

6 inni

Datę :22 Oct 2004 l

CuNiSAl

.

,

. 10

20

30

40

50

60

70

Średnia średnica, \im

Rys. 8. i, b — wyjściowe proszki miedzi i fazy Ni 3 Al, c, d— wyniki mielenia proszków w młynie planetarnym, e, f— mikrostruktura spieku Cu-Ni 3 A1 [ 13]

Fig. 8. a, b — initial powders of copper and Ni 3 Al phase, c, d — results of powder milling in a planetary mili, e, f— microstructure of a Cu-Ni3 Al sinter [ 13]

Przykład wytwarzania materiału nanokrystalicznego z fazy gazowej przedstawiono na rysunku 9. Materiał stały o określonej strukturze i składzie chemicznym zostaj e odparowany odpowiednim źródłem energii cieplnej w próżni lub atmosferze gazu reaktywnego. W wyniku powstają lotne cząstki odparowanej substancji lub substancji nowej, które w środowisku o obniżonej temperaturze rosną i kondensują w środowisku gazo-

332

wym w postaci nanocząstek o równowagowej lub nierównowagowej strukturze lub krystalizują na określonym podłożu. Tymi technikami oraz techniką mielenia w młynach planetarnych z następnym wyżarzaniem uzyskuje się między innymi tak obiecujące nanomateriały, jak znane już powszechnie tzw. fullereny węgla o kształcie przestrzennym zbliżonym do kulistego oraz tzw. nanowłókna czy nanorurki węglowe będące jednowymiarowym fullerenem o kształ-

cię cylindrycznym. Są to najtwardsze ze znanych struktur przewyższające twardość stali o 10+100x. Prowadzi się również badania nad fulleropodobnymi materiałami z tlenku glinu, borku azotu i inne w tym ze związków organicznych. Wytwarza się je jako proste, pokrywane od wewnątrz czy z zewnątrz lub wypełniane. Przykłady takich wyrobów przedstawiono na rysunkach 10-5-12. Fullereny węgla można wytworzyć w reaktorze łukowym z anodą grafitową w postaci pręta wypełnioną mieszaniną grafitu i metalicznego proszku niklu lub i trą jako katalizatorów. Produkty spalania

zawierają fullereny i amorficzny węgiel, który usuwa się przez utlenianie lub mokrymi metodami chemicznymi. Można również je wytwarzać techniką mielenia w młynie planetarnym i następnego wyżarzania. Pewną odmianą techniki BOTTOM-UP jest technika otrzymywania materiałów nanokrystalicznych z cieczy poprzez odlewanie cienkich taśm na wirującym bębnie lub z materiałów amorficznych wytworzonych tą techniką, z zastosowaniem dodatkowo kontrolowanej obróbki cieplnej. Wytworzone nanomateriały mogą być wykorzystane bezpośrednio lub przetworzone do skali makro (rys. 13), najczęściej do postaci kompozytów o strukturze nanokrystalicznej. Rodzinę nanokrystalicznych materiałów kompozytowych w zależności od składu chemicznego i kształtu krystalitów oraz ich dyspersji i przestrzennego rozłożenia zdefiniował prof. H. Gleiter (rys. 14). Rynek nanomateriałów i nanotechnologii

Rys. 9. Wytwarzanie materiału nanokrystalicznego z fazy gazowej [14] Fig. 9. Preparation of ananocrystalline materiał from a gaseous phase [14]

Analitycy rynku śledzą z zainteresowaniem zmiany zachodzące na rynku nanomateriałów i nanotechnologii. Na rysunku 15 przedstawiono światowy rynek nanomateriałów i nanotechnologii w 2003 r., z podziałem na poszczególne działy gospodarki. Udziały wyrobów przemysłu chemicznego, przemysłu motoryzacyjnego oraz łącznych elektroniki i informatyki kształtowały się na poziomie powyżej 1000 mld euro. Wkład wyrobów przemysłu maszynowego i elektrycznego mieścił się pomiędzy 500 i 1000 mld. Przemysł szklarski z ceramicznym, metalurgiczny z przetwórczym, energetyczny oraz polimerów dał na rynek wyroby wartości 250-^500 min

Rys. 10. Fullereny węgla oraz fulereno-podobne tlenku glinu (Al2O3)n Fig. 10. Carbon fullerene and fullerene-like materiał from aluminium oxide (Al2O3)n

Rys. 11. Nanorurki węglowe i azotku boru otrzymane techniką mielenia i wyżarzania [15] Fig. 11. Carbon nanotubes and boron nitride nanotubes obtained by milling and annealing techniąues [15]

333

Rys. 14. Nanokrystaliczne materiały kompozytowe [18] Fig. 14. Nanocrystalline composite materials [18]

Rys. 12. Wielowarstwowe nanorurki z tworzywa organicznego otrzymane techniką spinningową [16]

Mifi»
Fig. 12. Multi-layer nanotubes from organie materiał obtained by spinning techniąue [16]

na no-o (n ano-elementy)

Rys. 13. Przetwórstwo materiałów nanokrystalicznych [17] Fig. 13. Processing of nanocrystalline materials [17] każdy. Najmniejszą podaż stwierdzono w przemyśle związanym z techniką medyczną i optyką (na poziomie poniżej 250 min euro). Zastosowanie nanomateriałów Trudno przewidzieć skutki działań długoterminowych w dziedzinie nanomateriałów. Przewiduje się jednak, że w ciągu najbliższych lat nastąpi znaczny postęp w podstawowych dziedzinach te-

334

Rys. 15. Światowy rynek nanomaterialów i nanotechnologii w 2003 r. [19] Fig. 15. The world market for nanomaterials and nanotechnologies in 2003 [19] chniki. Takie prognozy są zawarte w projektach UE dotyczące tych zagadnień. Postęp ten ma nastąpić: — W chemii poprzez: — podwyższenie reaktywności substancji, — poprawę efektywności katalizatorów, — projektowanie i kształtowanie molekuł. — W biologii i medycynie dzięki: — lepszej przyswajalności implantów przez tkanki organiczne, — rozwoju powierzchni antyseptycznych, — opracowaniu nowych form badań i terapii, — ciągłemu monitorowaniu stanu zdrowia (czulsze, minibiosensory z nanodrutów), — transportowi leków poprzez skórę, — eliminacji groźnych chorób (zakrzepy krwi w mózgu, HIV, Alzheimer), — W mechanice pod wpływem: — nowych materiałów metalicznych i kompozytów o szczególnych właściwościach, — nowych materiałów ceramicznych (na narzędzia, części narażone na ścieranie, wymienniki ciepła, części silników), — wysokowytrzymałych włókien, — wysoko i równomiernie utwardzonych powierzchni, — łożysk suchych, — doskonalszych smarów, — nanoporowatych, ceramicznych materiałów filtracyjnych. — W elektrotechnice dzięki: — przewodzącym ceramikom, — pojemniejszym bateriom,

— piezoelektrycznym ceramikom, — metalom o podwyższonej oporności elektrycznej. — W energetyce i ochronie środowiska poprzez: — lepsze katalizatory, — nanoporowate filtry, — czulsze czujniki gazów, — przyjazne dla środowiska materiały, — szersze stosowanie energii słonecznej, — rozwój komórek paliwowych, — pojemniejsze baterie, — tańsze baterie słoneczne, — wydajniejsze, kompaktowe magazyny energii. — W elektronice wskutek: — nowych i doskonalszych elementom, — czulszym sensorom, — supergęstych zapisów informacji, — wykorzystania elektroniki molekularnej. — W optyce zaś dzięki: — nowym źródłom światła, — nowym typom filtrów optycznych, — nowym szkłom o regulowanej przejrzystości. Są to przykłady bardzo ogólne. Szczegółowe można by wyliczać w nieskończoność. Konkretne nowe lub doskonalsze zastosowania przedstawione zostaną na przykładzie przemysłu motoryzacyjnego. W przemyśle tym przewiduje się zastosowanie: — immobilaizerów opartych na bardzo czułych sensorach (czułych również na alkohol), — wielofunkcyjnych sensorów (przyspieszenia, ciśnienia powietrza, stanu opon, temperatury, gazów), — lakierów odporniejszych na zarysowanie, — wielofunkcyjnych pokryć (podkreślających wygląd, odbijających ciepło, łatwych do mycia), — lekkich części i elementów konstrukcyjnych, — nisko tarciowych łożysk elementów ruchomych, — systemów komórek paliwowych (membrany, magazyny energii), — energooszczędnych i niezawodnych źródeł światła. Zagrożenia wynikające z rozwoju nanomateriałów i nanotechnologii Oprócz niezbitych zalet, jakie wynikają z rozwoju nanomateriałów i nanotechnologii, naukowcy zwracają uwagę na zagrożenia, jakie będą się wyłaniać wraz z jej rozwojem. Pomijając zagrożenia wynikające z manipulacji z materią ludzką, czy też problematyką militarną, które mogłyby doprowadzić do katastroficznych sytuacji najczęściej wymienia następujące. Są to: Zagrożenia typu technicznego mogące wywołać: — podwyższoną szkodliwość dla zdrowia wynikająca z wielkości i kształtu cząstek (substancje groźniejsze od azbestu), — zagrożenie dla zdrowia wynikające z nowych właściwości nanomateriałów (np. zwiększenie aktywności substancji rakotwórczych). Zagrożenia gospodarcze: — ryzyko finansowe inwestycji, — przeobrażanie się rynku, — zachwianie rynku pracy, — odpowiedzialność wynikająca z wprowadzania w obieg nowych materiałów i technologii. Zagrożenia społeczne: — zakłócenie porządku prawnego, — rozwój monopolu państwowego, — rozwój monopolu przemysłowego,

— ryzyko etyczne, — brak zapewnienia ochrony danych. Inne zagrożenia: — niekontrolowane rozprzestrzenianie się epidemii, — przeobrażanie się warunków życia, — elementy nieprzyjazne dla rozwoju umysłu i inteligencji. W podsumowaniu artykułu chcemy podkreślić fakt, że codziennie jesteśmy zalewani informacjami z tych dyscyplin nauki. Seminaria, sympozja, konferencje, kongresy, coraz więcej czasopism, plany rozwoju, centra doskonałości, programy badawcze UE, priorytety. Wszędzie: nanonauka, nanomateriały, nanotechnologie. W Internecie pojawiają się dyskusje z „nanohorrorem" w tle. Czy jest to początek przewrotu w inżynierii materiałowej, czy nanohorror? W naszej ocenie odpowiedź może być tylko jedna. Jest to „mała" technologiczna rewolucja z wielką przyszłością. Może stać się ona jednak dla nas, pracowników naukowo-badawczych, horrorem. Ale tylko wtedy, gdy będziemy na siłę starać się włączyć w priorytety programowe bez odpowiedniego zabezpieczenia tematycznego oraz zaplecza naukowego, aparaturowego i materiałowego. Podejmowanie przedmiotowych badań, tak w sferze badań podstawowych, jak i stosowanych powinno być poprzedzone wystarczającym rozeznaniem możliwości ich praktycznego wykorzystania Literatura 1. Eine Reprasentativ-studie der komm.passion GmbH, Berlin, Hamburg, Dusseldorf, Frankfurt, MUnchen, November 2004. 2. Ed Regis: Nanotechnologia (tytuł oryginału: Nano. The Emerging Science of Nanotechnology: Remaking the World-Molecule by Molecule), Prószyński i S-ka, Warszawa, 2001. 3. Nanotechnologie. Aufbrach in neue Welten, Kompetenzzentrum Nanoanalytik, (2003), Universitat Hamburg. 4. Rieke V., Bachmann G.: BMBF, GmBh, Referat 521, Druckhaus Locher GmBh, Koln, Bonn, Berlin 2004. 5. Peterson Ch.: Molecular Nanotechnology: the Next industrial Revolution, IEEE Computer, January 2000. 6. www.imm.org/ 7. www.imm.org/ 8. Boening N., Góthans K.: Technology Review, Mai 2004. 9. KauttM.: Nano- und Mikrotechnik, Tagungsband, IHK, Baden-Wittemberg, 2003,8.31. 10. Materiały informacyjne „Nano Fair" Karlsruhe 2005. 11. Luther W.: Future Technologies, No 54, August 2004 Dusseldorf. 12. www.apt-powders.co 13. Stobrawa J., Rdzawski Z.: PBZ-095/T08/2003, Zadanie IV/5 [niepublik.]. 14. www.nanophase.com 15. Chen Y. etal: Materials Science Forum. 1999, t. 312+314. 16. Zhu Z., Su D., Weinberg G., JentoftR. E., SchloglR.: Wet-Chemical Assembly of Carbon Tube-in-Tube Nanostructures. SMALL 2005, nr l, s. 30*46. 17. www.met.kth.se 18. Gleiter H.: Nanostructured Materials: Basic Concepts and Microstructure. Acta Materialia 2000, nr 48, s. 1+29. 19. Framework Programme: Materials Innovations for Industry and Society — WINT. Federal Ministry of Education and Research. Germany 2004. W artykule wykorzystano niektóre wyniki osiągnięte w trakcie realizacji projektu badawczego PBZ-095/T08/2003 oraz projektu badawczego nr 3 TOS B 016 27 finansowanych przez KBN

335

AMIMI ALUMINIUM PROCESSING Redaktor o d p o w i e d z i a l n y : dr hab. inż. W O J C I E C H L I B U R A , prof. nzw. DARIUSZ LEŚNI AK WOJCIECH LIBURA JÓZEF ZAŚ ADZIŃSKI

Rudy Metale R 50 2005 nr 6 UKD 539.382:539.388.24:518.12:669/126:669.716:669.715

ANALIZA NUMERYCZNA PROCESU WYCISKANIA TRUDNO ODKSZTAŁCALNYCH STOPÓW ALUMINIUM W ZAKRESIE MAŁYCH WSPÓŁCZYNNIKÓW WYDŁUŻENIA Przeprowadzono obliczenia numeryczne MES procesu osiowo-symetrycznego wyciskania trudno odkształcalnych stopów aluminium AlCuMg (2014), w zakresie małych wartości współczynnika wydłużenia. Celem pracy było zbadanie sposobu płynięcia materiału podczas wyciskania oraz analiza pola odkształcenia i rozkładów temperatury w przekroju poprzecznym wyrobu. Wyniki obliczeń umożliwią uzyskanie danych dotyczących prognozowania jednorodności struktury i własności mechanicznych wyciskanych wyrobów z trudno odkształcalnych stopów AlCuMg, szczególnie o stosunkowo dużych przekrojach poprzecznych. Słowa kluczowe: modelowanie numeryczne, wyciskanie dla małych współczynników wydłużenia, trudno odkształcaine stopy Al, jednorodność struktury i własności mechanicznych

NUMERICAL ANALYSIS OF THE EXTRUSION PROCESS OF HARD DEFORMABLE ALUMINIUM ALLOYS IN THE RANGĘ OF SMALL EXTRUSION RATIOS FEM numerical calculations ofthe axisymmetrical extrusion ofhard deformable aluminium alloys AlCuMg (2014) in the rangę of smali extrusion ratios were carried out. The aim ofthe paper was to investigate the materialflow during extrusion and analyse the strain field and temperaturę distributions on the extrudates cross-section. Numerical analysis allowed to forecast the level of uniformity of the material structure and mechanical properties while extruding profiles from hard deformable A ICuMg alloys ofrelatively large cross-sections. As a result of numerical calculations, it wasfound that the highest strain and temperaturę gradients appear while extrusion with a relatively Iow extrusion ratio. In addition, the very Iow values ofthe effective strain were noticed, especially in central regions ofboth deformed billet and extrudate. The lowest value of material temperaturę is also expected in the corn ofthe extrudate. Keywords: numerical modelling, extrusion with Iow extrusion ratios, hard deformable aluminium alloys, uniformity of structure and mechanical properties Dr inż. Dariusz Leśniak, dr hab. inż. Wojciech Libura, prof. nzw., prof. dr hab. inż. Józef Zasadziński — Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Metali Nieżelaznych, Katedra Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych, Kraków.

336

Wprowadzenie Głównym problemem wyciskania na gorąco kształtowników 0 dużych przekrojach z trudno odkształcalnych stopów AlCuMg jest niejednorodność struktury materiału w przekroju poprzecznym, objawiająca się zróżnicowaniem wielkości ziarna, nierównomierną dystrybucją występujących faz i obszarami z pierwotną (nieprzerobioną) strukturą odlewniczą. Niejednorodność struktury rzutuje z kolei na nierównomierny rozkład finalnych własności mechanicznych w przekroju poprzecznym wyrobu (po przeróbce plastycznej 1 obróbce cieplnej) [l, 4-5-6]. Może prowadzić także do powstawania wewnętrznych pęknięć w wyrobie, w wyniku naprężeń rozciągających w obszarach nieprzerobionej struktury odlewniczej (rys. 1). Odpowiedzialnym za trudności w tym względzie jest stosunkowo mały współczynnik wydłużenia, uzyskiwany w procesie wyciskania kształtowników o dużych przekrojach, przy obecnych możliwościach technicznych pras do wyciskania. Maksymalne średnice pojemników pras do wyciskania w zakładach produkcyjnych w Polsce osiągają wartość ok. 300 mm, co przy wyciskaniu kształtowników o średnicy koła opisanego ok. 100+150 mm, pozwala na uzyskanie niewielkich współczynników wydłużenia (X < 10). Współczynnik wydłużenia zdefiniowano jako stosunek przekroju porzecznego wlewka (pojemnika) do przekroju poprzecznego wyrobu wyciskanego. Praktyka wyciskania stopów Al pokazuje natomiast, że graniczny stopień przerobu materiału (tzw. minimalny współczynnik wydłużenia A,^), gwarantujący odpowiedni poziom jednorodności własności struktury wyrobów kształtuje się na poziomie 15+30. Zarówno w Polsce, jak i na świecie, problem niejednorodności struktury i własności mechanicznych w przekroju poprzecznym wyrobów o dużych przekrojach ze stopów AlCuMg, stosowanych głównie w przemyśle motoryzacyjnym i budownictwie, a także problem wewnętrznych rozwarstwień i pęknięć, jest dotychczas słabo rozpoznany. Niezależnie od tego materiały te wykazuj ą znaczną skłonność do powstawania pęknięć zewnętrznych na wyrobach wyciskanych, co ogranicza bardzo poważnie dopuszczalną prędkość wypływu z otworu matrycy, a tym samym wydajność procesu. Celem pracy było zbadanie sposobu płynięcia materiału podczas wyciskania oraz analiza pola odkształcenia i rozkładów temperatury

Strefa niewielkich odkształceń (nieprzerobiona struktura pierwotna)

Strefa martwa (bez odkształceń plastycznych)

Tablica l Warunki modelowania procesu wyciskania Table l Modelling conditions of extrusion process Średnica wlewka, D0 Długość wlewka, L0 Średnica wyrobu, D, Współczynnik wydłużenia, Prędkość stempla, VQ Temperatura wlewka, Tw Temperatura narzędzi, Tn Czynnik tarcia, m

300 mm 600 mm 100, 150, 200 mm 9, 4, 2,25 4, 9, 16 mm/s 450 °C 400 °C l

Rys. 2. Deformacja siatki dla wyciskania w zakresie małych współczynników wydłużenia a — \ = 2,25, b = 4, c — A. = 9 Fig. 2. Deformed grid during extrusion with Iow extrusion ratios a — A. = 2.25, b — X = 4, c — K = 9

— w kontekście możliwości prognozowania jednorodności struktury i własności mechanicznych w przekroju poprzecznym wyrobów z trudno odkształcalnych stopów AlCuMg o stosunkowo dużych przekrojach. Modelowanie numeryczne

Pęknięcia wewnętrzne Strefa głównych odkształceń plastycznych

Rys l. Możliwy schemat powstawania wewnętrznych pęknięć w wyciskanych wyrobach o dużych przekrojach z trudno odkształcalnych stopów Al [2]

Fig. l. Possible scheme of generation of inner cracks in extruded profiles of large cross-sections from hard deformable aluminium alloys [2]

Modelowanie numeryczne procesu osiowo-symetrycznego wyciskania w zakresie małych wartości współczynnika wydłużenia przeprowadzono w oparciu o metodę elementów skończonych, przy użyciu programu komercyjnego DEFORM2D v.8.l [3], Doobliczeń przyjęto lepko-plastyczny model odkształcanego ciała. Dane charakteryzujące materiał zaczerpnięto z wewnętrznej bazy danych programu. Zastosowano matryce płaskie o 3 różnych, stosunkowo dużych średnicach otworu (Dj = 100, 150 i 200 mm), co przy średnicy pojemnika D0 = 300 mm pozwoliło na uzyskanie niewielkich wartości współczynnika wydłużenia (A, = 2,25+9). Prędkość stempla dobierano w ten sposób, aby uzyskać jednakową dla wszystkich przypadków prędkość wypływu materiału z matrycy, równą ok. 2 m/min. Jest to typowa dla tego materiału prędkość wypływu, stosowana w praktyce, zapewniająca dobrą jakość powierzchni wyrobu. Warunki modelowania procesu wyciskania zestawiono w tablicy 1. Czynnik tarcia m przyjęto jako maksymalny, z uwagi na skłonność tego materiału do przywierania do powierzchni narzędzi.

337

Wyniki i ich analiza Analiza zdeformowanej siatki, uzyskanej dla różnych współczynników wydłużenia (rys. 2), dostarcza informacji na temat różnic w sposobie płynięcia materiału podczas wyciskania. Układ linii wyraża relatywną prędkość przemieszczania się poszczególnych pun-

3.00 6.00 900 12.0 15.0 18.0 21.0 24.0 270

któw siatki. Wygięcie linii poziomych sugeruje, ze najbardziej równomierne płynięcie ma miejsce w przypadku wyciskania z najmniejszym współczynnikiem wydłużenia (A, = 2,25). Widoczne to jest szczególnie w centralnej warstwie wyrobu. W miarę jak współczynnik wydłużenia rośnie, zwiększa się stopień nierównomierności płynięcia materiału. Jednocześnie, w przypadku najmniejszego

300 6 00 9.00 12.0 15.0 180 21.0 24 O 27.0

A=

ń

0.000

A

0.000

D

344

D

35.6

A= B= C= D= ^ F= G= H=

R —

c= D= E= F= G= H=

3 00 600 9.00 120 15.0 18.0 21.0 24.0 27.0

Rys. 3. Rozkłady składowej osiowej prędkości Vz we wlewku dla wyciskania w zakresie małych współczynników wydłużenia a — ?i = 2,25, b — A = 4, c — K = 9

Fig. 3. Distributions of axial yelocity K, within the billet for extrusion with Iow extrusion ratios a — A = 2.25, b — X = 4, c — A = 9

i

b

A= B= C= D=

G= H= l=

0.0849 0412 0.739 1 07 1.39 1.72 205 2.37 2.70

0.0849 3.03

Rys. 4. Rozkłady intensywności odkształcenia dla wyciskania w zakresie małych współczynników wydłużenia a — A = 2,25, b — A = 4, c — X = 9

Fig. 4. Distributions of effective strain in extrusion with Iow extrusion ratios a —A = 2.25, b — A = 4, c — A = 9

338

Rys. 5. Rozkłady temperatury we wlewku dla wyciskania w zakresie małych współczynników wydłużenia a — A = 2,25, b — A = 4, c — A = 9

Fig. 5. Temperaturę distributions within the billet for Iow extrusion ratios a — A = 2.25, b — A = 4, c — A = 9 współczynnika wydłużenia (K = 2,25), występuje niewielkie przemieszczenie materiału w centralnych partiach wlewka (małe odległości między liniami siatki). Te obserwacje nie przesądzają jednak o rzeczywistym rozkładzie odkształceń w materiale wyciskanym. Na podstawie rozkładów prędkości cząstek metalu Vz w kierunku wyciskania (rys. 3) można stwierdzić, że im mniejszy współczynnik wydłużenia, tym strefa odkształcenia głównego sięga bardziej w głąb wlewka. Wynika z tego, że dla współczynników wydłużenia X = 2,25 i A. = 4 materiał płynie praktycznie w całej objętości wlewka, podczas gdy dla X = 9 strefa odkształcenia głównego koncentruje się w pobliżu otworu matrycy. Rozkłady intensywności i prędkości odkształcenia oraz temperatury materiału podczas wyciskania pozwalają wnioskować o ewentualnym zróżnicowaniu struktury i własności mechanicznych wyrobu. Na rysunku 4 przedstawiono pole intensywności odkształcenia materiału dla wyciskania w zakresie małych współczynników wydłużenia. Można zauważyć, że dla najmniejszego współczynnika wydłużenia (X = 2,25) wartości intensywności odkształcenia są najmniejsze i silnie zróżnicowane na przekroju wyrobu. Daje się zauważyć znaczny gradient odkształcenia w warstwie zewnętrznej wyrobu. Widać tu także bardzo małe wartości odkształcenia w centralnych partiach, zarówno wlewka jak i wyrobu. Ze wzrostem współczynnika wydłużenia rosną wartości intensywności odkształcenia oraz maleje ich zróżnicowanie na przekroju wyrobu. Podobne wnioski można wysnuć z rozkładów temperatury wyciskanego materiału (rys. 5). O ile maksymalne wartości temperatury odkształcanego materiału są na tym samym poziomie i zawsze występują przy powierzchni wyrobu, to jednak w przypadku najmniejszego współczynnika wydłużenia (A, = 2,25) zaznacza się silne zróżnicowanie temperatury w otworze matrycy na przekroju wyrobu. W przypadku większych współczynników (A, = 4 i K = 9) rozkład temperatury na promieniu wyrobu jest już dość równomierny. Wielkość zróżnicowania intensywności odkształcenia oraz temperatury materiału na przekroju wyrobu, wzdłuż jego promienia, pokazano na rysunkach 6 i 7. Wielkość zróżnicowania temperatury i intensywności odkształcenia materiału na przekroju wyciskanego wyrobu w funkcji współczynnika wydłużenia przedstawiono na rysunku 8.

O

20

40

60

80

Promień wyrobu, mm

Rys. 6. Rozkład intensywności odkształcenia na przekroju wyrobu dla wyciskania w zakresie niewielkich współczynników wydłużenia Fig. 6. Distribution of effectiye strain on the extrudate cross-section for Iow extrusion ratios

40

60

80

100

Promień wyrobu, mm Rys. 7. Rozkład temperatury na przekroju wyrobu dla wyciskania w zakresie niewielkich współczynników wydłużenia Fig. 7. Temperaturę distribution on the extrudate cross-section for Iow extrusion ratios

339

25 AICuMg(2014)

20

AT, °C

15

AEI

3

4

5

6

7

10

Współczynnik wydłużenia

Rys. 8. Wielkość zróżnicowania temperatury i intensywności odkształcenia materiału na przekroju wyciskanego wyrobu w funkcji współczynnika wydłużenia Fig. 8. Change in temperaturę and effective strain on the extrudate cross-section for different extrusion ratio

Wnioski Wyciskanie trudno odksztaicalnych stopów aluminium (AlCuMg) w zakresie małych wartości współczynnika wydłużenia wiąże się z dużym gradientem intensywności odkształcenia oraz temperatury w przekroju poprzecznym wyrobów, mogącym w konsekwencji doprowadzić do niejednorodności struktury i własności mechanicznych naprzekroju wyciskanego wyrobu. Szczególnie niskie wartości intensywności odkształcenia dają się zaobserwować w centralnych partiach wlewka. Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że nie moż-

na w przypadku tych materiałów stosować zbyt niskich wartości współczynników wydłużenia, mniejszych niż 5, z uwagi na niebezpieczeństwo zbyt dużego zróżnicowania finalnej struktury i własności wyrobu. Poprzez odpowiedni dobór parametrów procesu lub geometrii matrycy można będzie skutecznie ingerować w mechanikę odkształcenia i warunki odnowy struktury materiału w strefie odkształcenia, a tym samym decydować o wielkości i dystrybucji ziarna oraz rozkładzie własności mechanicznych w przekroju poprzecznym wyrobu. Jednocześnie należy spodziewać się wyeliminowania wewnętrznych rozwarstwień i pęknięć w wyrobie wskutek intensyfikacji odkształcenia i pełnego przerobu struktury odlewniczej w wewnętrznych obszarach wyciskanego wlewka. Literatura 1. Laue K., StengerH.: Extrusion, American Society for Metals, 1981. 2. Avitzur, B.: Analysis of Center Bursting Defects in Drawing and Extrusion. J. of Eng. for Ind., Trans. ASME, Series B, Vol. 90, No. l, Feb. 1968, pp. 79*91. 3. Deform™, Scientific Forming Technologies Corporation (SFTC), Columbus, Ohio, USA. 4. Libura W., ZasadzińskiJ.: The influence of strain gradient on materiał structure during extrusion of the AlCu4Mg alloy. J. Mat. Proc. Technol., 1992, nr 34, s. 517-524. 5. Libura W.: Analiza pola odkształceń i struktury materiału podczas wyciskania stopów aluminium. AGH, Rozprawy i monografie, 1994, nr 17. 6. RichertJ.: Prognozowanie mikrostruktury stopów aluminium w procesach przeróbki plastycznej na gorąco. Rudy Metale 2001, r. 46, nr 3. Badania sfinansowano z projektu KBN, projekt nr 3 T08B 05626.

ZAPRASZAMY DO REKLAMOWANIA SWOICH WYROBÓW NA NASZYCH ŁAMACH Redakcja RUDY I METALE NIEŻELAZNE przyjmuje odpłatnie wszelkie ogłoszenia i informacje na temat górniczo-hutniczego przemysłu metali nieżelaznych oraz innych podmiotów gospodarki zainteresowanych produkcją i handlem wyrobami z metali nieżelaznych, a także o organizowaniu narad, sympozjów i zjazdów. Podajemy nasz adres: Redakcja czasopisma Rudy i Metale Nieżelazne 40-019 Katowice ul. Krasińskiego 13, skr. poczt. 221 tel./fax (0-prefix-32) 256-17-77

340

f

CIA POWDER METALLURGY

Redaktor o d p o w i e d z i a l n y : prof. zw. dr inż, S T A N I S Ł A W S T O L A R Z Rudy Metale R 50 2005 m 6 621.762:669.018.9:669-19:669.018.5:669.22'27'784:66I.666.2

STANISŁAW STOLARZ MARIAN CZEPELAK

UKD

WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNE MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH SREBRO-WOLFRAM-GRAFIT l SREBRO-WĘGLIK

WOLFRAMU-GRAFIT

O RÓŻNEJ ZAWARTOŚCI GRAFITU Podano optymalne parametry wytwarzania materiałów kompozytowych srebro-wolfram-grafit i srebro-wąglik wolframu-grafit zawierających 2 i 6 % grafitu metodami metalurgii proszków. Zbadano wlaściwości proszków oraz uzyskanych materiałów spiekanych. Dokonano oceny wlaściwości użytkowych badanych materiałów stykowych. Siowa kluczowe: materiały kompozytowe, własności elektryczne, metalurgia proszków

ELECTRIC PROPERTIES OF THE SILVER-TUNGSTEN-GRAPHITE AND SILYER-TUNGSTEN CARBIDE-GRAPHITE COMPOSITE MATERIALS WITH DIFFERENTGRAPHiTE CONTENTS Optimal parameters of fabrication of the silver-tungsten-graphite and silver-tungsten carbide-graphite type composite materials containing 2 and 6 % of graphite by powder metallurgy methods are given. Properties ofthe powders and ofthe obtained sintered materials have been examined. Applicational properties of the investigated contact materials have been assessed. Keywords: powder metallurgy, composite materials, electric properties

Wstęp Jednym z najważniejszych i najczęściej stosowanych materiałów używanych do wytwarzania styków elektrycznych jest srebro w postaci czystej lub jako główny składnik różnorakich kompozycji. Na powszechność zastosowania srebra wpłynęły jego następujące zalety: najwyższa przewodność elektryczna i cieplna, wysoka trwałość w różnych atmosferach, znaczna odporność na utlenianie oraz łatwość jego kształtowania. Do wad srebra należy zaliczyć średnią temperaturę topnienia, małą odporność na działanie łuku elektrycznego i stosunkowo dużą skłonność do zespawywania i sczepiania styków. Jednym z podstawowych problemów w inżynierii materiałowej

jest projektowanie materiałów o odpowiedniej strukturze, która zapewnia wysoką odporność na zużycie, mniejszą skłonność do sczePiania ' zespawywania styków oraz mniejszą oporność stykową, z tego też powodu badania, które były prowadzone zmierzały do opracowania techniki wytwarzania, metodami metalurgii proszków, złożonych materiałów kompozytowych na osnowie srebra, dotychczas w kraju nie wytwarzanych, zawierających dodatki wolframu, węglika wolframu i grafitu, które są odporne na działanie erozji łukowej, a zastosowana osnowa znacznie zmniejsza oporność styków [1-^9]. Zaproponowana technologia metalurgii proszków pozwala na otrzymywanie na gotowo styków elektrycznych o różnym kształcie i wielkości oraz o cechach nie osiągalnych innymi technologiami

Prof. zw. dr inż. Stanisław Stolarz, mgr inż. Marian Czepelak — Instytut Metali Nieżelaznych, Gliwice.

341

wytwarzania. Materiały na osnowie srebra, w skład których jako jeden ze składników wchodzi grafit, są materiałami dwuwarstwowymi. Dodatkowo wytwarza się w tych materiałach cienką warstwę czystego srebra umożliwiającą zamocowanie nakładek stykowych do odpowiednich podkładek przez lutowanie lub zgrzewanie. Materiały te znajdą zastosowanie na styki elektryczne w różnych aparatach i przyrządach średniego napięcia, między innymi na styki łączników średniej i wysokiej mocy, od których wymagana jest mała oporność przejścia oraz duża odporność na zużycie. Z uwagi na zastosowanie tych materiałów na styki elektryczne, główną uwagę skupiono na badaniach właściwości użytkowych, tj. odporności na erozję łukową, rezystancji zestykowej w czasie pracy łączeniowej, sczepianiu statycznym styków oraz badaniach powierzchni po próbach elektroerozyjnych. Opis badań Materiały wyjściowe Do badań stosowano proszki: srebra, wolframu, węglika wolframu i grafitu o wielkości cząstek poniżej 63 |^m. Wyniki badań ich właściwości, tj.: gęstości za pomocą piknometru AccuPyc 1330, wielopunktowej powierzchni właściwej BET na aparacie Gemini 2360 oraz pomiary rozkładu wielkości cząstek z wyznaczeniem średniej średnicy cząstek w postaci średniej medianowej i modalnej na aparacie SediGraph 5100 zamieszczono w tablicy 1. Wykonanie próbek Materiały stykowe srebro-wołfram i srebro-węglik wolframu z różną zawartością grafitu wytwarzano dwoma metodami metalurTablica l Właściwości proszków zastosowanych do badań Table l Properties of the powders investigated

Rodzaj proszku

Powierzchnia właściwa m2/g

Srebro Wolfram Węglik wolframu Grafit

0,2173 0,2431 0,1800 10,25

Średnia wielkość średnicy zastępczej Hm średnia medianowa

średnia modalna

24,05 6,20 7,43 —

26,30 6,30 4,70 —

Objaśnienia: średnica zastępcza jest to średnica kuli o masie równej masie danej cząstki

Tablica 2 Oznaczenie i skład chemiczny badanych materiałów Table 2 Designation and chemical composition of the materials examined Skład chemiczny, % wagowy

Oznaczenie

próbek

2 3 8 10

P

342

W

wc

Ag

C

20 20 — — —

— 20 20 20

78 74 78 74 74

2 6 2 6 6

gii proszków. I — prasowanie na zimno mieszanek wymienionych proszków, spiekanie w atmosferze wodorowej i powtórne prasowanie (kalibrowanie) spieków, II — prasowanie na zimno mieszanek wymienionych proszków, spiekanie pod ciśnieniem w atmosferze powietrza w miejsce tradycyjnego spiekania wyprasek i powtórne prasowanie (kalibrowanie) spieków. Do badań wybrano próbki z materiałów Ag-W-C i Ag-WC-C o zawartości 2 i 6 % C wykonane według I metody oraz próbkę z materiału o składzie Ag-WC-C i zawartości 6 % C wykonaną według II metody wytwarzania, z zastosowaniem spiekania pod ciśnieniem oznaczoną przez P. Etap prasowania wykonanych mieszanek proszków, był wspólny dla obu metod wytwarzania oraz wszystkich próbek. Składy mieszanek i oznaczenia próbek podano w tablicy 2. Próbki w postaci pastylek o średnicy 10 mm prasowano jednostronnie ciśnieniem 400 MPa. Proces spiekania wyprasek przy zastosowaniu I metody wytwarzania prowadzono w atmosferze wodorowej w temperaturze 900 °C w czasie jednej godziny. Wypraski były lekko przesypywane tlenkiem aluminium celem uniknięcia wzajemnego spieczenia i przypiekania do łódek spiekalniczych. Przy wytwarzaniu próbek II metodą, wypraski spiekano w matrycach grafitowych, naprasopiecu firmy Fritsch, przy zastosowaniu ciśnienia ok. 20 MPa w atmosferze powietrza, temperatura mierzona na powierzchni matrycy wynosiła 700 °C, a czas spiekania 3 minuty. Kolejnym etapem technologicznym wspólnym dla obu metod wytwarzania oraz wszystkich próbek było powtórne prasowanie. Próbki prasowano jednostronnie w tej samej matrycy co pierwsze prasowanie, ale znacznie wyższym ciśnieniem wynoszącym 800 MPa. Następnie próbki czyszczono z powstałych wypływek materiału i poddano badaniom ich właściwości. Zakres badań Otrzymane próbki poddano badaniom właściwości użytkowych (elektrycznych) oraz badaniom mikrostruktury i składu chemicznego na powierzchni materiałów stykowych po przeprowadzonych próbach elektroerozyjnych. Celem badań właściwości użytkowych było dokonanie oceny odporności styków na erozję łukową i zmiany rezystancji zestykowej w czasie pracy łączeniowej oraz oceny odporności na sczepianie statyczne styków przy obciążeniu zestyku prądem. Z uwagi na ograniczoną objętość artykułu zamieszczono jedynie wybrane wyniki tych badań. Badania odporności styków na erozją łukową i zmiany rezystancji zestykowej Wymiary próbek: średnica 10 mm, wysokość 4 mm z warstwą lutowia srebrnego 0,5 mm. Próbki te zostały nalutowane na podstawy probiercze metodą nagrzewania indukcyjnego przy wykorzystaniu lutowia na próbce. Podstawą do oceny były badania wykonane w warunkach modelowych. Parametry probiercze zostały dobrane do wymiarów próbek stykowych i ich przewidywanych zastosowań. Metodyka badań Badania erozji łukowej przeprowadzono w systemie probierczym, sterowanym komputerem w warunkach modelowych. Urządzenie probiercze stanowił model wyłącznika jednobiegunowego, w którym testowane styki usytuowane są symetryczne pionowo. Stykiem ruchomym jest styk dolny. Zapewniona jest regulacja parametrów mechanicznych zestyku. System probierczy pracował pod nadzorem programu Erozja 2.l [5]. W badaniach zastosowano następujące parametry probiercze — parametry mechaniczne: przerwa zestykowa — 9 mm, docisk zestykowy — 50 N, siła zwrotna — 50 N, — parametry elektryczne: prąd probierczy (amplituda) — 4 k A, napięcie probiercze — 160 V, kąt fazowy otwarcia styków—ok. 45°, czas łukowy — ok. 7,5 ms, całka

.

-a .16 -e. M

-e.zi -«.» -fl.ZB

Rys. 1. Charakterystyki erozyjne styków z materiału nr 2 (Ag78W20C2) Fig. 1. Erosion characteristics of the contacts from materiał No 2 (Ag78W20C2)

1.5 1.4 1.3

1.2 1.1 1.1

a. 5 ».* • .3

e. z s. i

Rys. 2. Charakterystyki erozyjne styków z materiału nr 4 (Ag74W20C6) Fig. 2. Erosion characteristics of the contacts from materiał No 4 (Ag74W20C6)

Materiał nr

Materiał nr

Rys. 3. Zestawienie porównawcze ubytku masy styków badanych materiałów Fig. 3. Comparative data on the mass łoss for the contacts from inyestigated materials

343

10

Materiał nr

Materiał nr

Rys. 4. Zestawienie porównawcze ubytku wysokości i łącznie spadku przechyłu styków badanych materiałów Fig. 4. Comparative data on the height loss and overall tilt of the contacts from investigated materials b «-i

Rys. 5. Rezystancja zestykowa w funkcji liczby łączeń dla styków: a — nr 2 (Ag78W20C2), b — nr (Ag74W20C6) Fig. 5. Contact resistance as a function of a number of switching cycles Tablica 3 Charakterystyczne wartości rezystancji zestykowej pomierzone dla badanych materiałów

Jidt — 20 As, biegunowość styków: styk górny — anoda (+), styk dolny •— katoda (-), indukcj a pola magnetycznego poprzecznego — O, liczba łączeń — 50. Wyniki pomiarów erozji łukowej dla materiału Ag78W20C2 i Ag74W20C6 zostały przedstawione na rysunkach 1+4. Rezystancja

zestykowa

Na rysunku 5 przedstawiono wyniki pomiarów rezystancji zestykowej dla materiału Ag78W20C2 i Ag74W20C6 wykonane w czasie badań erozji łukowej. W tablicy 3 zestawiono charakterystyczne wartości rezystancji zestykowej: Rzflocz — rezystancja początkowa (styki nowe), /?2m,-„ —rezystancja najmniejsza, Rzmax — rezystancja największa, R^r — rezystancja średnia (arytmetyczna z 50 pomiarów). Badania odporności na sczepianie Metodyka badań Badania zostały wykonane w skomputeryzowanym stanowisku probierczym przeznaczonym do badań w warunkach modelowych sczepiania styków w stanie zamkniętym przy obciążeniu dużym prądem (tzw. sczepianie statyczne) [6].

344

Table 3 Characteristic values of the contact resistance for the examłned materials Oznaczenie próbki

2 4 8 10

P

R

zpocz

/?

z min

n

z max

mQ

mO.

mQ

0,054 0,054 0,022 0,080 0,062

0,024 0,054 0,020 0,070 0,062

0,192 0,254 1,71 0,276 0,278

N

50 50 50 50 40

R

zśr

mQ 0,107 0,123 0,248 0,130 0,172

System pracuje w programowanym, automatycznym cyklu pomiarowym, złożonym z powtarzającym się cyklicznie obciążeniem zestyku (przepływem prądu) oraz rozdzielaniem styków i pomiarem siły sczepienia. W czasie pomiarów rejestrowany jest przebieg prądu, napięcia na zestyku, siły działającej na zestyk oraz siły rozdzie-

lania styków. Jednocześnie wyznaczane są charakterystyczne wielkości: amplituda prądu, maksymalne napięcie zestykowe, docisk zestykowy, siła sczepienia. Zarówno przebiegi jak i wartości charakterystyczne sąrejestrowane naekranie monitora oraz zapamiętywane w komputerze. Podstawowe znaczenie dla oceny odporności na sczepianie materiału stykowego ma znajomość siły sczepienia. Jest ona zależna od prądu, docisku zestykowego, kształtu i stanu powierzchni styków

(chropowatości, istnienia lub braku tlenków oraz zanieczyszczeń). Ponieważ wyniki pomiaru sczepiania charakteryzują się dużym rozrzutem, więc należy wykonać badania statystyczne. Przedstawione stanowisko probiercze pozwala wykonywać takie pomiary. Przyjęto następującą procedurę badań: Dla każdego materiału wykonano po 10 serii pomiarowych złożonych z 20 prób wykonanych automatycznie. Łącznie 200 prób (pomiarów). Przed każdą serią pomiarów styki były oczyszczane

Rys. 6. Wyniki pomiaru charakterystyk pasmowych dla materiału 2 (Ag78W20C2) a — siły sczepienia w funkcji kolejnego numeru próby, b— wartości maksymalnej napięcia na zestyku w funkcji kolejnego numeru próby Fig. 6. Results of measurements of the band characteristics for the materiał No 2 (Ag78 W20C2) a — tacking force in a function of test number, b — maximum yoltage on a pair of contacts in a function of test number

Tablica 5

Tablica 4 Charakterystyczne wartości siły sczepienia badanych materiałów Table 4 Characteristic values of the tacking force for the examined materials Matriał 2 4 8 10

P

F

N

(1)

60,3 24,5 65,6 25,1 39,6

F

N

(N)

62,0 24,5 65,6 25,1 39,6

N

3 1 1 1 1

F

N 11,53 1,76 12,5

2,5 3,8

Charakterystyczne wartości maksymalnego napięcia na zestyku Table 5 Characteristic values of the maximum yoltage on a contact

Matriał

2 4 8 10 P

U

N

(1)

496,2 800,0 490,1 820,0 2820

U

N

(N)

996,7 1010 718,4 1190 2820

N

v

3 3 2 2 1

1024

N

362,5 511,0 323,0 1024

Materiał nr Rys. 7. Zestawienie porównawcze siły sczepienia i maksymalnego napięcia zestykowego badanych materiałów Fig. 7. Comparatiye summary of the tacking force and maximum contact voltage for the investigated materials

345

i polerowane drobnym papierem ściernym o ziarnie początkowo 250 później 600. Zastosowane parametry probiercze: — parametry mechaniczne: średnica styków — 10 mm, promień krzywizny powierzchni — > 50 mm, docisk zestykowy —• 50 N, — parametry elektryczne: prąd probierczy (amplituda) — 7 k A, napięcie probiercze — 48 V, czas trwania prądu — 10 ms. Wyniki badań dla. materiału Ag78W20C2 przedstawiono na rysunku 6 w postaci charakterystyk pasmowych: siły sczepienia w funkcji kolejnego numeru próby i wartości maksymalnej napięcia na zestyku w funkcji kolejnego numeru próby. W tablicach 4 i 5 zamieszczono charakterystyczne wartości wyznaczone z pomiarów: charakterystyczne wartości siły sczepiania oraz wartości maksymalnego napięcia na zestyku w funkcji kolejnego numeru próby „N" badanych materiałów, wyznaczone z pomiarów. Zestawienie porównawcze siły sczepiania i maksymalnego napięcia zestykowego badanych materiałów przedstawiono na rysunku 7. Badania mikrostruktury i składu chemicznego powierzchni styków Obserwacje mikroskopowe badanych materiałów stykowych przeprowadzono za pomocą mikroanalizatora rentgenowskiego JCXA733 wyposażonego w spektrometry energo- i falowodyspersyjne, obejmowały one analizę morfologii powierzchni oraz analizę składu chemicznego faz w części centralnej i na obrzeżach wszystkich próbek. Morfologię powierzchni roboczej styków analizowano w elektronach wtórnych przy powiększeniach 40 i 400x. Analizy ilościowe wykonano metodą bezwzorcową. Powierzchnię wszystkich próbek analizowano w jej geometrycznym środku oraz na obrzeżu, celem uchwycenia ewentualnych różnic w morfologii i skła-

Anoda

>

:

dzie chemicznym. W artykule zamieszczono jedynie przykładowe zdjęcia mikrostruktury powierzchni z obszaru środkowego styków oraz zdjęcia rozkładu powierzchniowego węgla, wolframu i srebra dla materiału Ag78W20C2 i Ag74W20C6 (rys 8-11). Styki Ag78W20C2 (rys. 8 i 9). Centralną część styku anody stanowią obszary o wysokiej zawartości węgla (ok. 66 + 88 % C) będące mieszaniną cząstek węgla, cząstek (kropel) wolframu i niestechiometrycznej fazy W-C o średnicach do ok. 100 |im. Srebro występuje zazwyczaj w postaci selektywnych nacieków zawierających do ok. 96 % Ag o wielkości dochodzącej do ok. 2 mm. Cechą charakterystyczną strefy brzegowej styku sąlokalne zróżnicowania, zarówno morfologii powierzchni jak i składu fazowego. W odległości ok. 1,5-3 mm od krawędzi, na całym obwodzie styku widoczne jest wielofazowe pasmo, będące mieszaniną drobnych cząstek i kropel Ag, W i C, stanowiącej podłoże w którym występują duże (do ok. 50 |im) krople zawierające do ok. 96 % W. Krawędź styku tworzy pasmo o szerokości do ok. 1,5 mm będące naciekiem czystego srebra. Zarówno w części środkowej, jak również w strefie brzegowej, widocznajest siatka spękań na powierzchni stykowej. Centralną część katody cechuje znaczny stopień wyerodowania powierzchni, z widocznymi cząstkami i kroplami Ag, W i C (rys. 8) i dochodzącymi do ok. 300 urn naciekami srebra. Podobną strukturę posiada również strefa brzegowa. Bezpośrednio na krawędzi (podobnie jak w anodzie) występuje pas srebra o szerokości ok. 1,5 mm, który poza krawędzią styku tworzy liczne nawisy. W odległości ok. 1,5-3 mm od krawędzi, na całym obwodzie styku widoczne jest wielofazowe pasmo będące mieszaniną drobnych

'

Katoda

Rys. 8. Styk nr 2 (Ag78W20C2). Morfologia powierzchni w środkowej części styku przy powiększeniu 40 i 400x. El. wt. Fig. 8. Contact No 2 (Ag78W20C2). Surface morphology in a middle portion of a contact at the magniflcations of 40 and 400x Second. El.

346

Anoda •l

Katoda

i Rys. 9. Styk nr 2 (Ag78W20C2). Rozkład powierzchniowy węgla, wolframu i srebra w środkowej części styku. El. wt. 40x Fig. 9. Contact No 2 (Ag78W20C2). Surface distribution of carbon, tungsten and silver in a middle portion of a contact at the magnification of 40x Second. El.

347

cząstek i kropel Ag, W i C, stanowiącej podłoże, w którym występują duże (do ok. 50 ^m) krople zawierające do ok. 96 % W. Krawędź styku tworzy pasmo o szerokości do ok. 1,5 mm będące naciekiem czystego srebra. Zarówno w części środkowej, jak również w strefie brzegowej, widoczna jest siatka spękań na powierzchni stykowej. Styki Ag74W20C6 (rys. 10 i 11) Mikrostrukturę centralnej części anody cechuje równomierny rozkład obszarów o wielkości do ok. l ,5 mm, złożonych z nacieków i cząstek srebra osadzanych w podłożu o wysokiej zawartości węgla (rys. 10). Warstwa podłoża (rys. ll)jestmieszaninązłożonągłównie z cząstek o wysokiej zawartości węgla (do ok. 94,5 %) oraz cząstek fazy o zmiennym stosunku W do C. Podobną strukturę posiada również strefa brzegowa anody. Centralną część powierzchni styku katodowego, w porównaniu z anodą, cechuje większa jednorodność zarówno składu fazowego jak i chemicznego. Uwidocznia się to szczególnie wyraźnie przy porównaniu rozkładów powierzchniowych C, W i Ag na obydwu elementach (rys. 11). Również składy chemiczne poszczególnych faz są zbliżone. Jednorodność składu fazowego widoczna jest również w strefie brzegowej. W środkowej części styku (rys. 10), a częściowo również na brzegu, występuje siatka spękań. Badania rozmieszczenia powierzchniowego pierwiastków stosuje się w przypadku próbek o niejednorodnym składzie chemicznym, a do takich należą badane materiały Ag-W-C i Ag-WC-C. Uzyskane obrazy rozmieszczenia pierwiastków pozwalaj ą na bezpośrednie uchwycenie różnic w jakościowym składzie chemicznym poszczególnych faz, występujących w danym mikroobszarze próbki. Celem uchwycenia ewentualnych zmian składu chemicznego

Anoda

i g .• •

" "

•

•.."'' .:. IJ

w wyniku elektroerozji, wykonano również pomiary średnich zawartości Ag, W i C na powierzchniach stykowych wszystkich nakładek. Analizy wykonano w środku i na obrzeżach powierzchni stykowych, 2 poprzez skanowanie obszarów o powierzchni ok. 4 mm . Wyniki, jako średnią z czterech pomiarów, przedstawiono w tablicy 6. Analiza wyników i wnioski Erozja łukowa Na rysunku 3 zestawiono końcowe wyniki badań porównawczych erozji łukowej badanych wariantów kompozytowych materiałów stykowych, wyrażonej ubytkiem masy styków, oddzielnie anody Am^ i katody tmK oraz ubytkiem łącznym anody i katody zatem ubytkiem zestyku &mA + K, wyznaczone dla jednakowej liczby łączeń, równej 40. Dobrze widać, że najbardziej odpornym na erozje jest wariant materiałowy nr 2, zaś najmniej odpornym wariant nr 4. Różnica w ubytku masy zestyku (anody + katody) jest 2,9-krotna. Stosunkowo odpornym na działanie erozyjne łuku elektrycznego jest również wariant materiałowy nr 8 (1,6-krotnie w stosunku do wariantu nr 4). Oba materiały są wyraźnie lepsze również od materiału P (odpowiednio 2,6- i l ,6-krotnie). Podobne jakościowe różnice pomiędzy badanymi wariantami materiałów stykowych są widoczne, jeżeli przyjąć jako kryterium oceny odporności na erozję łukową spadek wysokości nakładki, łącznie spadek przechyłu styków (rys. 4). Przy tym kryterium porównawczym uszeregowanie materiałów od najlepszego do najgorszego nie ulega zmianie, nieco inne są wartości i niniejsza różnica pomiędzy materiałem nr 2 i 8.

!

l ił ;>iń-,, , , , , , • . ;:;:. . - , - . • • • • •l

Ml l lii !

"

.

. (•<••

•

•

m

•;,' "

,.-.. :

Rys. 10. Styk nr 4 (Ag74W20C6). Morfologia powierzchni w środkowej części styku przy powiększeniu. 40 i 400x. El. wt. Fig.

348

10. Contact No 4 (Ag74W20C6). Surface morphology in a middle portion of a contact at the magniflcations of 40 and 400x Second. El.

Anoda

Ag

Katoda

'•' *''&$&&-. -&$8*PH^

• •'•'-&& r-i--—~4>#f~-«™ ?-f--^i

-;»,

•„<*.. .j»*J-»

Rys. 11. Styk nr 4 (Ag74W20C6). Rozkład powierzchniowy węgla, wolframu i srebra w środkowej części styku. El. wt. 40x Fig. 11. Contact No 4 (Ag74W20C6). Surface distribution of carbon, tungsten and silver in a middle portion of a contact at the magnification of 40x Second. El.

Należy przypomnieć, że ww. wyniki zostały uzyskane dla prądu o amplitudzie 4 kA i całce jidt (ładunku elektrycznym) 20 As. Interesującym jest porównanie energii łuku pomierzonej w poszczególnych badaniach. Energia łuku E zależy od wartos'ci amplitudy prądu, czasu łukowego i napięcia łuku, które zależy z kolei od właściwości

fizycznych materiału styków. Przy utrzymaniu w czasie badań prawie stałej wartości amplitudy prądu i czasu łukowego, najmniejszą energię łuku pomierzono dla materiału nr 8 i wartość średnia energii wynosiła 307 Ws, wartość największa zaś dla materiału P — 385 Ws. Oznacza to, że badane kompozyty materiałów stykowych wpły-

349

Tablica 6 Wyniki pomiaru średniego składu chemicznego powierzchni stykowych Table 6 Results of measurements if an average chemical composition on the contact surface Zawartość % wag.

Materiał A - anoda K - katoda

2A 2K 4A 4K 8A 8K 10A 10K PA PK

środek styku

C

Ag

28,3 ±1,1 17,5 ±0,2 55,3+1,3 36,1 ±1,3 38,3 ±105 60,6 ±0,7 55,8 ±1,1 30,4 ±0,3 50,4 +0,2 22,2 ±0,3

40,0 ±1,5 60,2 ±0,3 25,3+1,4 54,2 ±1,6 40,6 ±15,6 11, 9 ±0,8 28,4 ±1,2 60,2 ±0,7 34,4 +0,2 71,1 ±0,1

brzeg styku

W

C

Ag

W

3 1,6 ±0,3 21, 2 ±7,3 47,9 +102 30,7 ±2,3 24,4 ±0,4 19,3+0,4 9,4 ±0,2 21,1 ±4,5 27,2 ±0,2 15,4 ±0,3 8,8 ±0,4 15,1 +0,3 6,0+0,1

13,6 52,5 36,8 23,3 45,6 55,7 28,6 49,5 26,1

±5,5 ±6,1 ±5,4 ±03 ±3,3 ±1,5 ±0,4 +2,7 +3,7

68,1 ±10,6 28,8 ±7,4 52,4 ±7,2 61,5+0,6 33,9 ±4,8 28,7 ±3,2 63,1 ±2,1 36,4 +3,7 66,2 +4,7

18,2 ±5,5 18,6 ±1,8 11, 2 ±2,0 15,0 ±0,5 20,3 ±2,2 15,4 ±0,2 8,3 ±0,7 14,0+0,5 7,6 ±1,1

wają na napięcie łuku, niekorzystnie w przypadku materiału P, podnosząc napięcie łuku i tym samym energię cieplną wydzielaną w łuku i stwarzając większe narażenie erozyjne łuku na styki, korzystnie w przypadku kompozytu nr 8 i 2 (E = 334 Ws). Stan powierzchni styków oraz pomierzony spadek wysokości nakładek stykowych po próbach wskazuje, że trwałość łączeniowa badanych nakładek stykowych (średnica 10 mm, wysokość 3,5 mm), w przyjętych warunkach probierczych, jest większa od 50 łączeń, przy czym największa dla kompozytu nr 2 i 8. Rezystancja zestykowa Pomiary rezystancji zestykowej wykonane w czasie badań erozji łukowej wykazały znaczny wzrost wartości rezystancji dla wszystkich badanych wariantów materiałowych, od ok. 0,03 do l ,71 m£l dla materiału nr 8, od 0,054 do 0,192 mO. dla materiału nr 2 (tabl. 3). Najlepszym materiałem, jeżeli chodzi o stabilność i najmniejszy wzrost rezystancji zestykowej w czasie pracy łączeniowej, okazał się kompozyt nr 2 (najmniejsza wartość średnia rezystancji), najgorszym kompozyt nr 8. Sczepianie Mimo dużego rozrzutu punktów pomiarowych (szerokie pasmo charakterystyk) zmiany wartości średnich (z 200 pomiarów), siły sczepienia w funkcji numeru kolejnego próby wykazują pewną regularność. Wartości siły zmniejszają się wraz z liczbą prób. Największa wartość siły sczepienia występuje prawie zawsze (materiał P — wyjątek) przy pierwszym przepływie prądu przez zestyk (N= 1). Materiałami bardzo odpornymi na sczepianie okazały się dwa warianty kompozytów: wariant nr 4 i 10. Maksymalna siła sczepienia dla tych przypadków wynosiła ok. 25 N, zaś wartość średnia była nieco większa dla wariantu materiałowego nr 4 (tabl. 4, rys. 7). Jednak w obu przypadkach siły sczepienia były niewielkie zważywszy, że pomiary były wykonywane przy docisku zestyku 50 N. Mniej odporne na sczepianie statyczne okazały się materiały: P, nr 2 i 4, dla których maksymalna siła sczepienia Fs max. < 65 N. Dla porównania można podać, że siły sczepienia dla materiałów kompozytowych typu Ag-W są rzędu 300 N. Maksymalne napięcie na zestyku, które zazwyczaj jest dobrze skorelowane z maksymalną temperaturą w obszarze styczności, zależy od amplitudy prądu, docisku zestykowego i własności fizycznych i mechanicznych materiału styków. Daje ono dobrą informację o zjawiskach cieplnych w zestyku i ich skutkach (sczepieniu styków). Na ogół jest tak, że dla materiałów kompozytowych o zbliżonym składzie chemicznym, większym napięciom na zestyku odpowiadaj ą

350

większe siły sczepienia. Tego tutaj nie daje się zauważyć. Najmniejsze wartości maksymalnego napięcia na zestyku wystąpiły dla kompozytu nr 8 (tabl. 5, rys. 7), ale pomierzone siły sczepienia były największe. Natomiast kompozyty nr 4 i 10, które są bardzo odporne na sczepienie, miały duże wartości napięcia na zestyku, większe od 500 mV. Największe napięcie na zestyku (wartość średnią i maksymalną) pomierzono dla styków oznaczonych literą P. Należy również podać, że w czasie badań tego kompozytu zaobserwowano kilkakrotnie zjawisko eksplozyjnego wyrzutu stopionego materiału styków z obszaru styczności, powodujące zniszczenie powierzchni styków. Z tego powodu próbę zakończono po 7 seriach złożonych z 20 prób każda. Tablica 7 zawiera końcową ocenę badanych właściwości użytkowych badanych stykowych materiałów kompozytowych srebro, wolfram, węglik wolframu, grafit o różnym składzie chemicznym. Jako kryterium oceny materiału przyjęto skalę czterostopniową: mała, średnia, duża i bardzo duża odporność, przy czym uwzględniono znajomość właściwości użytkowych innych materiałów stykowych, stosowanych obecnie w łącznikach niskonapięciowych, m.in. popularnych kompozytów typu srebro-wolfram wykonanych przez nasycanie srebrem siatki wolframowej [7] oraz kompozytów typu srebro-węglik wolframu wykonanych podobną techniką [8, 9]. Powierzchnia styków po przeprowadzonych próbach elektroerozyjnych Dla materiałów po przeprowadzonych próbach elektroerozyjnych wykonano badania mikrostruktury powierzchni stykowych, a w tym analizę morfologii powierzchni, pomiary składu chemicznego faz, analizę powierzchniowych rozmieszczeń Ag, W i C oraz analizy średniego składu chemicznego w środku i na obrzeżach nakładek stykowych. Mikrostruktura powierzchni stykowych analizowanych próbek składa się z podłoża o wysokiej zawartości węgla, cząstek, kropel i nacieków srebra, oraz cząstek, w skład których wchodzi wolfram. Ze względu na znaczne rozproszenie węgla na całej powierzchni stykowej jest on składnikiem wszystkich analiz prezentowanych w niniejszej pracy. Z powyższych względów jednoznaczna identyfikacja fazy 100 % W i węglika WC była metodą mikroanalizy rentgenowskiej niemożliwa. Występujące w poszczególnych analizach obszary zawierające wolfram i węgiel nazwano umownie faząniestechiometrycznąW-C. Jednak rentgenowska analiza fazowa próbki 4K (reprezentująca próbki z serii Ag-W-C) wykazała jednoznacznie obecność wolframu, natomiast w próbce 10A (reprezentującej próbki z serii Ag-WC-C) stwierdzono obecność znacznych ilości fazy W-C o niestechiometrycznym składzie chemicznym. Analiza morfologii powierzchni stykowych wykazała istnienie różnic w powierzchniowym rozmieszczeniu faz dla poszczególnych próbek. Równomierny rozkład na powierzchni stykowej stwierdzono w próbkach 4A, 4K, 10A, 10K i PA. Natomiast nierównomierne rozmieszczenia faz, wraz ze znaczną erozją powierzchni, widoczne są głównie w próbkach 8A, 8K, a w mniejszym stopniu również 2A, 2K i PA. Tablica 7 Ocena końcowa badanych materiałów Tabłe 7 Finał assessment of the investigated materials Materiał

2 4 8 10

P

Odporność na erozję łukową

Rezystancja zestykowa

Odporność na sczepianie

duża średnia duża średnia średnia

mała mała mała średnia mała

duża bardzo duża duża bardzo duża duża

Jak wynika z przeprowadzonych obserwacji i analiz składu chemicznego, stan powierzchni wszystkich styków po elektroerozji warunkowany jest głównie przez srebro. Dekompozycja składu chemicznego, niejednorodności składu fazowego i erozja powierzchni wynikają głównie z migracji srebra ku obrzeżom i na powierzchnię katody. Mikrostruktura powierzchni stykowych analizowanych próbek składa się z podłoża o wysokiej zawartości węgla, cząstek (kropel) i nacieków srebra oraz cząstek wolframu i niestechiometrycznej fazy W-C. Na podstawie uśrednionych analiz wykonanych z powierzchni stykowych próbek stwierdzono, że: — zawartość srebra jest większa w strefie brzegowej w porównania ze środkiem styku (wyjątek stanowią próbki 4K i PK); we wszystkich próbkach zawartość srebra jest znacznie większa na powierzchniach styków katodowych i to zarówno w części centralnej jak i na obrzeżach; — średni skład chemiczny powierzchni stykowych nie pokrywa się ze składem nominalnym analizowanych styków. Próbki 4A, 4K, 10A, l OK i PA cechuje równomierny rozkład faz na całej powierzchni stykowej. Największe niejednorodności składu fazowego stwierdzono na powierzchniach stykowych próbek 8A i 8K — w mniejszym stopniu dotyczy to również próbek 2A, 2K i PK. Czynnikiem stabilizującym powierzchnię stykową w froncie elektroerozji może być obecność grafitu w składzie wszystkich nakładek — najlepsze rezultaty eksploatacyjne osiągnięte zostały dla próbek zawierających nominalnie najwięcej węgla. Z przeprowadzonych badań właściwości użytkowych i obserwacji powierzchni styków po przeprowadzonych próbach elektroerozyjnych można wysnuć następujące wnioski: — najkorzystniejszą metodą wytwarzania materiałów kompozytowych srebro-wolfram-grafit i srebro-węglik wolframu-grafit okazała się metoda prasowania na zimno mieszanek proszków, swobodnego spiekania i powtórnego prasowania, — odpowiednie parametry technologiczne tej metody są następujące: ciśnienie prasowania 400 MPa, temperatura spiekania 900 °C, ciśnienie powtórnego prasowania 800 MPa, — przeprowadzona analiza otrzymanych wyników pozwoliła wykazać, że sterowanie składem procentowym grafitu oraz parame-

trami prasowania, spiekania i powtórnego prasowania pozwoliło uzyskać materiały o wysokich właściwościach użytkowych, — najkorzystniejsze właściwości z przebadanych materiałów posiadają styki srebro-wolfram-grafit i srebro-węglik wolfrarnu-grafit zawierające 2 % grafitu. Literatura 1. Stolarz S.: Materiały na styki elektryczne. Wydaw. Nauk.-Techn. Warszawa 1968, s. 260. 2. Stolarz S., Wojtasik K.: Materiały złożone srebro-tlenki metali i srebro-węgliki metali wysokotopliwych. Metalurgia Proszków, 1996, t. 29, nr 3-4, s. 23+30. 3. Wojtasik K., Stolarz S.: The Structure and properties of the Contact Materials Tungsten-Silver with Earth Metal Oxide Additions. 14* International Plansee Seminar, Reutte (Austria), 1997, t. l, s. 393*400. 4. Stolarz S., Wojtasik K.: Materiały złożone srebro-tlenki metali i srebro-węgliki metali wysokotopliwych. Cz. II. Materiały srebro-tlenek miedzi (AgCuO). Rudy Metale 1998, t. 43, nr l, s. 33+41. 5. BorkowskiP., WalczukE., Wysocki T.: Komputerowy program zautomatyzowanego stanowiska pomiarowego do badań erozji i rezystancji styków. II Konf. Nauk.-Techn. „Zastosowania Komputerów w Elektrotechnice", Poznań, 1998, s. 217+222. 6. Boczkowski D., Walczuk E.: Skomputeryzowane stanowisko pomiarowe do badań sczepiania styków elektrycznych. V Konf. Nauk.-Techn. „Zastosowanie Komputerów w Elektrotechnice", Poznań, 2000, s. 678+682. 7. Walczuk E., Borkowski P., Kaliszuk K., Frydman K.: Effect of composition and microstructure on the are erosion and contact resistance for tungsten-silver composite materials at high currents. Proc. of 201' International Conference on Electrical Contacts. Stokholm 2000, s. 259+266. 8. WalczukE., Kaliszuk K., BorkowskiP. Frydman K., Wojcik-Grzybek D., Bucholc W.: Are erosion and contact resistance of WC-Ag high-current contacts. Proc. of 21stInternational Conference on Electrical Contacts. Zurich 2002, s. 479+485. 9. WalczukE., Kaliszuk K., BorkowskiP., Frydman K., Wojcik-Grzybek D., Bucholc W.: Erozja łukowa i rezystancja zestykowa silnoprądowych styków z kompozytów WC-Ag. Materiały Elektroniczne ITME, 2002, IV, s. 5+21.

Szanowni Czytelnicy Zapraszamy do zaprenumerowania naszego czasopisma, w którym znajdziecie Państwo informację o aktualnych nowościach z dziedziny przemysłu metali nieżelaznych. Warunki prenumeraty na 2005 r. znajdują się na III stronie okładki. Redakcja

351

BULLETIN OF THE INSTITUTE OF NON-FERROUS METALS Redaktor o d p o w i e d z i a l n y : dr M I E C Z Y S Ł A W W O C H Rudy Metale R 50 2005 nr 6 UKD 061.6(082):669.2.8(100)

PRACE BADAWCZO-ROZWOJOWE IMN W DZIEDZINIE HYDROMETALURGII ZAKOŃCZONE W 2004 ROKU ANYSZKIEWICZ K.: BADANIA MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA METOD SORPCYJNYCH DO ODZYSKU RENU Z PYŁÓW WTÓRNYCH POWSTAJĄCYCH PRZY PRODUKCJI OŁOWIU W HM GŁOGÓW. GLIWICE 6157/04, s. 29, SYGN. 15992/N/01, póz. 77080 — AW Przeprowadzono badania laboratoryjne wykorzystania wymiany jonowej, z zastosowaniem anionitu A 170, do odzysku renu z roztworów, uzyskanych z ługowania pyłów wtórnych, powstających przy produkcji ołowiu w HM GŁOGÓW. Ustalono warunki ługowania pyłów i oczyszczania uzyskanych roztworów, umożliwiające sorpcję renu na amonicie i jego elucję z wysokimi uzyskami. Zaproponowano schemat technologiczny procesu hydrometalurgicznego przerobu pyłów wtórnych, uwzględniający możliwość zawrotu uzdatnionych pyłów do procesu produkcji ołowiu, uzyskania akceptowalnego jakościowo produktu cynkowego, do recyklingu w przemyśle cynkowym oraz otrzymywania nadrenianu amonu z roztworów oczyszczonych od szkodliwych dla procesu wymiany jonowej pierwiastków — As i Zn. BARANEK W.: INYESTIGATIONINTO APPLICATION OF A VITONE A ADDITION TO THE ELECTROLYTE IN THE PROCESS OF STARTING SHEETS FABRICATION BY AŃ ELECTROLYTIC METHOD. PARTII. GLIWICE 6094/04, s. 20, SYGN. 15932/N/01, póz. 75476 — AW Przeprowadzono testy laboratoryjne otrzymywania blach podkładkowych, mające określić możliwość i celowość zastosowania Avitonu A w zestawie dodatków wprowadzonych do elektrolitu w celu poprawy własności blach podkładkowych otrzymywanych metodą elektrolityczną. Wykazano, że obecność Avitonu A wpływa na podwyższenie plastyczności oraz poprawę gładkości powierzchni, otrzymywanych na matrycach miedzianych, blach podkładkowych. Ustalone w warunkach badań laboratoryjnych dawki nowego zestawu są następujące: klej — 220 g/t Cu, Aviton A — 20+50 g/t Cu. Przyczepność otrzymanych blach była zbliżona lub nieco niższa, aniżeli blach otrzymywanych z zastosowaniem wyłącznie kleju jako dodatku do elektrolitu. BARANEK W.: PROJEKT CELOWY NR 6 TOS 2004 C/06367 PT. ZAPEWNIENIE WYMAGANEGO POZIOMU PRODUKCJI KATOD NAJWYŻSZEJ JAKOŚCI W WARUNKACH INTENSYFIKACJI PROCESU ELEKTRORAFINACJI MIEDZI W HM GŁOGÓW I. GLIWICE 6 TOS 2004 C/06367, s. 45, SYGN. 16023/N/01, póz. 77117 — AW

352

Wyniki badań wykonanych na doświadczalnych grupach produkcyj nych w warunkach technologicznych HM GŁOGÓW I, przy natężeniu prądu w obwodzie wanien ok. 13 kA, wykazały, że optymalny zakres natężenia przepływu elektrolitu przez wanny elektrolityczne wynosi 20+22 dm3/min dla cyklu katodowego, 18+20 dm3/min dla cyklu katodowego. Powyższe zakresy natężenia przepływu elektrolitu przez wanny zostały określone przy stosowanej w pracy metodyce pomiarowej parametru. BARANEK W.: PROJEKT CELOWY NR 6 TOS 2004 C/06367 PT. ZAPEWNIENIE WYMAGANEGO POZIOMU PRODUKCJI KATOD NAJWYŻSZEJ JAKOŚCI W WARUNKACH INTENSYFIKACJI PROCESU ELEKTRORAFINACJI MIEDZI W HM GŁOGÓW I. RAPORT Z WYKONANIA ZADANIA NR 5. DOBÓR WYMIARÓW ELEKTROD ORAZ ICH WZAJEMNEGO USYTUOWANIA W CELU ZAPEWNIENIA WYSOKIEJ JAKOŚCI POWIERZCHNI I OBRZEŻY PRODUKOWANYCH KATOD. GLIWICE 6 TOS 2004 C/06367, s. 24, SYGN. 16019/N/01, póz. 77109 — AW W wyniku przeprowadzonych badań na przemysłowych grupach doświadczalnych opracowano system zmian poziomów elektrolitu w czasie cyklu katodowego, pozwalający na poprawę jakości obrzeża górnego katod produkowanych w HM GŁOGÓW I. BENKE G.: PROJEKT CELOWY NR 6 TOS 2002 C/05925 PT. WDROŻENIE NOWEJ TECHNOLOGII ODZYSKU RENU Z KWASÓW PŁUCZĄCYCH GAZY PIECA ZAWIESINOWEGO HM GŁOGÓW. RAPORT Z ZADANIA 17. OPRACOWANIE ZAŁOŻEŃ TECHNICZNO-TECHNOLOGICZNYCH PRZEMYSŁOWEGO PROCESU OTRZYMYWANIA HANDLOWYCH PRODUKTÓW RENOWYCH. GLIWICE 6 T08 2002 C/05925, s. 24, SYGN. 16021/N/01, póz. 77111 — AW Opracowano założenia techniczno-technologiczne przemysłowego procesu otrzymywania handlowych produktów renowych. BENKE G.: PROJEKT CELOWY NR 6 T09 0029 2002 C/05774 PT. ZAGOSPODAROWANIE CYNKONOŚNYCH ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH DO WYTWARZANIA UŻYTECZNYCH SOLI CYNKU. RAPORT Z WYKONANIA ZADANIA 7. OPRACOWANIE KOMPLEKSOWEGO SCHEMATU TECHNOLOGICZNEGO I ZAŁOŻEŃ DO BUDOWY INSTALACJI PRZEMYSŁOWEJ PRODUKUJĄCEJ UŻYTECZNE SOLE CYNKU Z ODPADOWYCH MATERIAŁÓW CYNKONOŚNYCH. GLIWICE 6 T09 0029 2002 C/05774, s. 24, SYGN. 16022/N/01, póz. 77112 — AW

Opracowano kompleksowy schemat technologiczny i założenia do budowy instalacji przemysłowej produkującej użyteczne sole cynku z odpadowych materiałów cynkonośnych. GOTFRYD L.: SPRAWOZDANIE W SKALI PILOTOWEJ KONCEPCJI TECHNOLOGII OCZYSZCZANIA SUROWEGO SIARCZANU NIKLU. ETAP II. ZBADANIE MOŻLIWOŚCI ZAGOSPODAROWANIA PRODUKTÓW UBOCZNYCH TECHNOLOGII. OPRACOWANIE PROPOZYCJI TECHNOLOGICZNEJ. GLIWICE 6096/11/04, s. 52, SYGN. 15951/N/01, póz. 77038 —AW Na poprzednich etapach pracy [l, 2] opracowano schematy technologiczne oczyszczania surowego siarczanu niklu (II) (SSN), metodami wykorzystującymi zarówno klasyczną chemię, jak i ekstrakcję rozpuszczalnikową metali oraz sprawdzono je w znacznym zakresie w skali pilotowej. W niniejszej II części pracy (6096/11/04) przebadano w warunkach laboratoryjnych nowe elementy technologii, m.in. — odzysk niklu (II) z ługów pokrystalicznych w postaci zasadowego węglanu niklu (II), — wykorzystanie zasadowego węglanu niklu (II) do oczyszczania hydrolitycznego roztworu SSN, — metody zagospodarowania ubocznych produktów głównego procesu, w tym zwłaszcza metody oczyszczania i separacji kobaltu (II) z jego koncentratu (reekstraktu), uzyskanego w trakcie ekstrakcyjnego przygotowania roztworu SSN: elektrolityczne usuwanie miedzi (II), precypitację siarczków miedzi (II) i cynku (II), cementacje miedzi oraz ekstrakcyjne usuwanie cynku (II) i ekstrakcyjne wzbogacanie oczyszczające kobaltu (II). Zaproponowano kompleksowy schemat technologiczny produkcjikrystalicznego siarczanu niklu (II) 6-hydratu z surowego siarczanu niklu (II), który łączy najlepsze elementy wszystkich przebadanych procesów jednostkowych, szczegóły w głównym tekście. GOTFRYD L.: EKSTRAKCJA CHLORKU CYNKU II Z ROZTWORÓW KWASU SOLNEGO EKSTRAHENTAMI NEUTRALNYMI. GLIWICE 6157/04, s. 36, SYGN. 15990/N/01, póz. 77078 — AW Przeprowadzono pełny zakres prac badawczych ustalających parametry systemu ekstrakcyjnego, opartego na czystym fosforanie tributylu, w odniesieniu do roztworów chlorkowych, zawierających chlorek cynku (II), kwas solny i znaczne ilości, inertnego ekstrakcyjnie, chlorku żelaza (II): — sprawdzono szybkość przebiegu reakcji ekstrakcji i reekstrakcji cynku (II) i żelaza (III) z roztworów chlorkowych. — zbadano wpływ poziomu stężenia kwasu solnego na ekstrakcję chlorku cynku (II) i chlorku żelaza (III), — sporządzono izotermy ekstrakcji chlorku cynku (II) oraz chlorku żelaza (III) z roztworów nie zawierających innych składników oprócz kwasu solnego, — sporządzono izotermy ekstrakcji chlorku cynku (II) oraz naturalne ilości (pochodzące z utlenienia powietrzem) chlorku żelaza (III), — sporządzono izotermy reekstrakcji chlorku cynku (II) z nasyconego nim fosforanu tributylu, -— dokonano wnikliwej analizy izoterm ekstrakcji i reekstracji metodami graficznymi i na tej podstawie zaprojektowano system przeciwprądowy ekstrakcji chlorku cynku (II), potencjalnie przydatny do obróbki roztworów potrawiennych, pochodzących z galwanizerni ogniowych, pokrywających cynkiem blachy stalowe, — wykonano w skali laboratoryjnej cykliczną próbę ekstrakcji chlorku cynku (II) z roztworu imitującego roztwór potrawienny galwanizerni cynkowej, uzyskując znakomite wyniki separacji cynku (II) od żelaza (II). KUROWSKI R.: ODZYSK CYNKU Z ROZTWORÓW ODPADOWYCH. GLIWICE 6144/04, s. 54, SYGN. 15986/N/01, póz. 77074 — AW Przeprowadzono badania laboratoryjne w celu określenia możliwości wydzielenia i odzysku cynku z roztworów odpadowych, dla procesów opartych na wymianie jonowej. Materiał bazowy do badań stanowiły kwaśne ścieki przemysłowe z ZGH BOLESŁAW w Bukownie. Spośród szerokiej gamy żywic jonowymiennych, do badań wytypowano masy chelatujące firmy Purolite: S-930, S-940 i S-950. Badania przeprowadzono w laboratoryjnym modelu kolumny jonitowej dla sodowej i wodorowej formy jonowej żywicy. Kryteria oceny efektywności procesu wymiany jonowej stanowiły: stężenia Zn, Ca i Mg oraz ładunek Zn w roztworze wydzielonym, odniesione do roztworu bazowego. Dla procesu uznanego za najkorzystniejszy,

określono orientacyjnie podstawowe wskaźniki eksploatacyjne prowadzenia procesu wymiany jonowej w warunkach przemysłowych. KWARCIŃSKI M.: INYESTIGATION INTO THE POSSIBILITY OF USING AYITONE A IN THE PROCESS OF LEAD ELECTROREFINING. PART I. GLIWICE 6094/04, s. 25, SYGN. 1593l/N/Ol, póz. 75475 — AW Przeprowadzono próby testowe elektrorafinacji ołowiu, opierając się na technologii opracowanej przez Bettsa, z zastosowaniem w zestawie dodatków organicznych do elektrolitu, oprócz dotychczas stosowanych kleju kostnego i ługu posulfitowego także dodatku Avitonu A. Aviton A jest substancją anionowo-czynną, zawierającą głównie sulfoniany sodowe węglowodorów, stosowanąj ako dodatek organiczny do elektrolitów w procesie elektrorafinacji miedzi. Badania prowadzono z użyciem ołowiu anodowego antymonowego i ołowiu surowego pochodzącego z bazy miedziowej oraz elektrolitu przemysłowego. Przedstawiono fotografie otrzymanych osadów katodowych oraz parametry przeprowadzonych testów i ich wyniki. Na podstawie przeprowadzonych prób stwierdzono, że obecność Avitonu A nie miała wpływu na wygląd i strukturę ołowiu katodowego. KWARCIŃSKI M.: SPRAWDZENIE W SKALI PILOTOWEJ KONCEPCJI TECHNOLOGII OCZYSZCZANIA SUROWEGO SIARCZANU NIKLU (II). GLIWICE 6096/1/04, s. 54, SYGN. 15956/N/01, póz. 77043 — AW Na poprzednim etapie pracy (I) opracowano schematy technologiczne oczyszczania surowego siarczanu niklu (II) (SSN), metodami wykorzystującymi zarówno klasyczną chemię, jak i ekstrakcję rozpuszczalnikową metali. W niniejszej pracy sprawdzono, zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i w skali technicznej pilotowej, technologię, która łączy najlepsze elementy obu tych technik. Wykonano w skali pilotowej próby, obejmujące: — roztwarzanie (uwodnienie i rozpuszczenia) SSN, — wstępne usuwanie hydrolityczne niektórych zanieczyszczeń (Fe, Mn, As itp., częściowo Cu, Zn), dwoma równoległymi sposobami, tzn. z zastosowaniem kredy lub węglanu sodu jako czynnika neutralizującego, — rozdział faz (wirowanie i filtracja), — głębokie usuwanie pozostałych zanieczyszczeń (Zn, Cu, Co) metodą ekstrakcji jonowymiennej także w dwu wariantach: l — bezpośrednio, ekstrahentem kondycjonowalnym sodem (I) lub 2 — pośrednio, ekstrahentem nasyconym wstępnie niklem (II), — bezpośrednie odparowanie i krystalizację siarczanu niklu (II) 7-hydrantu lub, alternatywnie, wytrącenie zasadowego węglanu niklu (II), rozpuszczenie, po przemyciu, w kwasie siarkowym i wykrystalizowanie uwodnionej soli. Próby potwierdziły, również w skali pilotowej, możliwości pozyskiwania z SSN kwalifikowanych produktów niklowych. Wskazano, które z wariantów są najkorzystniejsze do technicznej realizacji. KWARCIŃSKI M.: BADANIA MOŻLIWOŚCI WYŁUGOWANIA MIEDZI Z ŻUŻLA KONWERTOROWEGO I ZAWIESINOWEGO HM GŁOGÓW II. GLIWICE 6117/04, s. 36, SYGN. 15968/N/01, póz. 77055 — AW W pracy przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań laboratoryjnych hydrometalurgicznego odmiedziowania żużli konwertorowych oraz zawiesinowych, powstających w HM GŁOGÓW II, w roztworach amoniakalnych oraz roztworach kwaśnych. Zaproponowano odmiedziowanie żużli konwertorowych w roztworze amoniakalnym, zawierającym (NH4)9SO4 i NH3 , które zapewniają uzysk ługowania miedzi na poziomie 92,29 do 93,38 %. Pozostałość po ługowaniu — koncentrat ołowiu, zawierający (%): Pb 32,0-4-46,31; Cu 1,27-^3,09, oraz praktycznie całą ilość zawartych w żużlu krzemu, arsenu i żelaza proponuje się wykorzystać w mieszance wsadowej do produkcji ołowiu surowego w piecach wahadłowo-obrotowych. Otrzymane amoniakalne roztwory miedziowe proponuje się przerabiać na handlowej czystości miedź katodową lub tlenek miedzi (II). Efektywność procesów odmiedziowania żużli zawiesinowych w środowiskach amoniakalnych oraz odmiedziowania żużli w środowiskach kwaśnych, została uznana za niewystarczającą, i uwzględniając inne niedogodności tych metod zostały one uznane za nieperspektywiczne.

353

KWARCINSKI M.: OPTYMALIZACJA PROCESU ELEKTRORAFINACJI MIEDZI Z ZASTOSOWANIEM AYITONU I INNYCH DODATKÓW ORGANICZNYCH DO ELEKTROLITU DLA POPRAWY JAKOŚCI KATOD. GLIWICE 6178/04, s. 39, SYGN. 1601 O/N/O l, póz. 77098 — AW W pracy przedstawiono wyniki badań przemysłowych nad zastosowaniem nowego zestawu dodatków organicznych z udziałem Avitonu A w procesie elektrorafinacji miedzi. Próby przeprowadzono w skali obiegu doświadczalnego oraz obiegu produkcyjnego. Badania wykazały, że zastosowanie nowego zestawu dodatków organicznych o składzie, klej — 100 g/t Cu, tiomocznik — 60 g/t Cu oraz Aviton — 20 g/t Cu pozwala na otrzymanie katod przemysłowych wysokiej jakości z wysoką średnią wydajnością prądową. LESZCZYŃSKA-SEJDA K : OPTYMALIZACJA SYNTEZ PRODUKTÓW RENO WYCH. GLIWICE 6159/04, s. 87, SYGN. 15994/N/01, póz. 77082 —AW W ramach referowanej pracy zoptymalizowano syntezę wysokiej czystości metylotrioksorenu (VII) czynnego katalitycznie w reakcji epoksydajcji dienów. Opracowano otrzymywanie kwasu renowego (VII) dwiema metodami: sorpcji amonu na kationie C160H firmy Purolite i ekstrakcji tributylofosfomanem, z wodnych roztworów renianu (VII) amonu z pominięciem etapu wydzielania renu metalicznego. Z uzyskanego kwasu renowego (VII) otrzymano reniany (VII) różnych metali, takie jak: wapnia, sodu, potasu i cynku. Zoptymalizowano otrzymywanie renianu (VII) srebra i wytypowano go jako najlepszy reagent do syntezy metylotrioksorenu (VII).

SZOŁOMICKI Z.: PRÓBY PŁOTOWE ODSIARCZANIA PASTY AKUMULATOROWEJ I UTYLIZACJI SIARKI W POSTAĆ GIPSU HANDLOWEGO POPRZEZ ZASTOSOWANIE TRZECIORZĘDOWEJ AMINY. GLIWICE 6158/04, s. 61, SYGN. 15993/N/01, póz. 77081 —AW Zgodnie z harmonogramem pracy przeprowadzono próby pilotowe i uzupełniające badania laboratoryjne odsiarczania pasty i utylizacji siarki w postać gipsu handlowego. Wyprodukowano reprezentatywną partię odsiarczonej pasty z przeznaczeniem do badań nad optymalizacją przetopu. Opracowano schemat technologiczny przerobu pasty obejmujący: rugowanie wraz z saturacją pasty siarczanowej, kwaszenie i regenerację aminy. Określono wielkości ługowników — reaktorów w etapie ługowania — saturacji i regeneracji aminy. Wyznaczono wielkość urządzeń do filtracji szlamu Pb/PbCO3 i gipsu z płukaniem na filtrze. SZOŁOMICKI Z.: WIELKOLABORATORYJNE TESTY ŁUGOWANIA TLENKOWYCH MATERIAŁÓW OŁOWIONOŚNYCH W ASPEKCIE UTYLIZACJI POWSTAJĄCYCH PRODUKTÓW. GLIWICE 6119/04, s. 45, SYGN. 15967/N/01, póz. 77054 — AW Zgodnie z harmonogramem pracy na podstawie badań laboratoryjnych i wielkolaboratoryjnych przeprowadzono próby ługowania mieszanki pyłów w warunkach lekko kwaśnych oraz wytrącenia produktu cynkowego. Wyznaczono podstawowe parametry charakteryzujące proces wraz z bilansem materiałowym i doborem urządzeń przemysłowych.

NOWOŚCI TECHNOLOGICZNE ODZYSK METALI Z POLIMETALICZNYCH KONCENTRATÓW SIARCZKOWYCH (CuFeS2-PbS-ZnS): POŁĄCZENIE PROCESU TERMICZNEGO I ŁUGOWANIA CIŚNIENIOWEGO AKCIL A. CIFTCI H.: METALS RECOYERY FROM MULTIMETAL SULPHIDE CONCENTRATES (CuFeS2-PbS-ZnS): COMBINATION OF THERMAL PROCESS AND PRESSURE LEACHING. INT. J. MINER. PROC. 2003, t. 71, nr 1+4, s. 233+246, AG. Przedstawiono badania prowadzone na koncentratach siarczkowych z Turcji Cu-Pb-Zn, otrzymanych z rudy zawierającej średnio 0,64 % Cu, 2,48 % Pb i 2,47 % Zn. Głównymi minerałami obecnymi w koncentracie były chalkopiryt CuFeS2, piryt FeS2, galena PbS, sfalerytZnS, kwarc SiO2 i inne minerały zawierające Sb, Ag, Au itd. Koncentrat produkowany był w zakładzie flotacji Harsit (Turcja). Próbki reprezentatywne były używane w całej pracy eksperymentalnej. Wszystkie stosowane związki chemiczne posiadały klasę odczynników, a wszystkie roztwory sporządzone były z wody zdejonizowanej. Koncentraty zostały poddane ługowaniu ciśnieniowemu i prażeniu w piecu muflowym. Badania ługowania i prażenia prowadzone w skali laboratoryjnej wykazały, że istnieje możliwość zastosowania połączonych procesów obróbki termicznej (prażenie) i ługowania ciśnieniowego do uzyskania metali podstawowych ze złożonych koncentratów siarczkowych. Jednakże istnieją pewne obszary badań, wymagające dalszego zgłębienia, w celu określenia względnej wydajności tych procesów w porównaniu z istniejącymi lub proponowanymi. Proces cieplny przez prażenie z niedostatkiem tlenu pozwala na rugowanie koncentratu w warunkach atmosferycznych w rozcieńczonym kwasie do otrzymania wysokich uzysków metalu. W tych warunkach następuje selektywna ekstrakcja poprzez różnicowanie temperatury prażenia. Maksymalną selektywność uzyskuje się poprzez prażenie dwustopniowe. Wymagane są jednak długie czasy ługowania. Dodatek siarczanu żelazowego do ługu podnosi kinetykę i selektywność ługowania. Ługowanie prażonego koncentratu w autoklawie pozwala na wyższe uzyski miedzi i cynku przy wielce obniżonych czasach reakcji. Dzięki zbadaniu procesu laboratoryjnego można oczekiwać jego szczegółowego rozwoju. Badania powinny być prowadzone w kierunku: badania wpływu składu minerałów; właściwości, prędkości i ilości dodawanych od-

354

czynników, np. siarczanu żelazowego, wpływu procesu współrozpuszczania żelaza i jego stanu utlenienia (żelazawy-żelazowy). ODPORNOŚĆ NA UTLENIANIE STOPÓW MIEDŹ-ALUMINIUM W TEMPERATURACH DO 1000 °C PLASCENCIA G. UTIGARD T. MARIN T.: THE OXIDATION RESISTANCE OF COPPER-ALUMINUM ALLOYS AT TEMPERATURES UP TO 1000 °C. JOURNALS OF THE MINERALS, METALS AND MATERIALS SOCIETY 2005, t. 57, nr l, s. 80+84, AG. Do ochrony i chłodzenia reaktorów metalurgicznych pracujących w wysokich temperaturach stosowane były różne urządzenia do chłodzenia miedzi. Głównym celem urządzeń chłodzących jest uzyskanie dostatecznej ilości ciepła ze ścian, które urządzenia te chronią tak, że na powierzchni wewnętrznej tworzy się skorupa zamrożonego żużla lub innych zamrożonych materiałów. Tworzenie się tak zamrożonych warstw powinno zatrzymać lub zminimalizować reakcje i erozję ścian, poszerzając żywotność i niezawodność reaktorów. Jednakże takie urządzenia chłodzące stwarzają problemy. Jednym z nich jest utlenianie gorącej powierzchni czołowej urządzenia do chłodzenia miedzi, prowadzące do zmniejszenia niezawodności i potencjalnych uszkodzeń. Przedmiotem prowadzonych badań było określenie, czy odporność miedzi na utlenianie w wysokich temperaturach może być polepszona przez stopowanie małym dodatkiem aluminium. W tym celu w piecu elektrycznym zostały przygotowane stopy Cu-Al (l % do 4 % mas.). Miedź i aluminium o wysokiej czystości topiono w tyglu grafitowym w atmosferze obojętnej. Zaraz po topieniu, stopy odlewano we wlewki, które przerabiano na małe cylindry. Dla uzyskania czystej powierzchni każdy cylinder trawiono w roztworze kwasowym o składzie: 5 % H2O2, 10 % H2SO4, 2 % HNO3 oraz H2O, płukano, płukano ponownie i suszono. Następnie próbki mierzono i ważono oddzielnie, po czym umieszczano w tyglu, uprzednio wysuszonym i zważonym. Tygle kolejno wprowadzano albo do pieca muflowego albo do urządzenia do termicznej analizy grawimetrycznej, do utlenienia w powietrzu w temperaturach do 1000 °C. Po chłodzeniu próbki znowu ważono i poddawano analizie metalograficznej. Wszystkie próbki były szlifowane papierem ściernym i wybłyszczane. W wy-

niku badań stwierdzono, że w większości warunków stopy Cu-Al utleniają się zgodnie z prawem prędkości parabolicznej. Przy nagrzewaniu w powietrzu, miedź zaczyna dostrzegalnie się utleniać w temperaturze powyżej 400 °C. Gdy temperatura wzrasta, wymagana jest większa ilość aluminium do ochrony miedzi. Stopowanie 4 % mas. Al prowadzi do nadzwyczajnego polepszenia odporności na utlenianie. Atmosfera użyta do nagrzewania próbek do wymaganych temperatur posiada zauważalny wpływ na później sze prędkości utleniania. Gdy zastosowano nagrzewanie w argonie przed utlenianiem, stopy miedzi o zawartości 3 % mas. i 4 % mas. aluminium wykazały doskonałą odporność na utlenianie z prędkością 1000 razy mniejszą niż czysta miedź w temperaturze 1000 °C. Gdy stopy te były nagrzewane w powietrzu, były o wiele mniej efektywne w uzyskaniu wysokiej odporności na utlenianie. URZĄDZENIA DO ODLEWANIA MIEDZI BEZTLENOWEJ CASTING MACHINES FOR OXYGEN-FREE COPPER. METALL 2005, t. 59, nr l +2, s. 22*23, AG

Firma Sarcheshmeh Copper Inyestment Co., spółka-córka firmy National Irania Copper Industries Co., zakupiła ostatnio z firmy Rautomead urządzenie typu RS 3000/6 do odlewania prętów z miedzi. Model ten obejmuje automatyczne zasilanie katody i zabezpiecza wysoki poziom monitorowania kluczowych parametrów produkcji. Urządzenie jest skonfigurowane do produkcji na poziomie 5000 t/r. prętów z miedzi beztlenowej o wymiarach 8 i 10 mm. Firma Sarcheshmeh wybrała technologię pieca grafitowego Rautomead dla uproszczenia projektowania i dostarczania prętów z miedzi beztlenowej o najwyższej jakości do ciągnienia do niższych rozmiarów. Urządzenie będzie wkrótce oddane do użytku w zakładach górnictwa i rafinacji miedzi w Kerman. Poza tym firma Rautomead dostarczy pierwsze urządzenie do odlewania prętów z miedzi do RPA. Odbiorcą urządzenia RS od ciągłego odlewania prętów z miedzi beztlenowej jest również firma Aberdare Power Cables, największy producent drutów i kabli w Południowej Afryce. Urządzenie zainstalowano w zakładzie pod koniec 2004 r. W urządzeniu będą produkowane pręty o średnicy 12,7 mm dla linii ciągłego wyciskania, która wymaga materiału beztlenowego dla sekcji produkcji taśm z miedzi o wysokiej jakości. Stąd będzie też dostarczany drut o średnicy 8 mm na pręty do zastosowania przy produkcji specjalnych drutów w grupie Aberdare. DURACON — WYSOKA WYTRZYMAŁOŚĆ I DOBRA PRZEWODNOŚĆ DURACON — HIGH STRENGTH AND GOOD CONDUCTIYITY. METALL 2005, t. 59, nr U2, s. 23, AG

Duracon jest nowągrupą stopów FeNiCo posiadających wysoką wytrzymałość i dobrą przewodność, zdecydowanie umocnionym podczas obróbki na zimno. W trakcie umocnienia wzrasta jego przewodność. Stop jest dostępny w stanie obróbki na zimno i może konkurować z gatunkami utwardzonymi przez walcowanie, lub może być utwardzany wydzieleniowo przez nabywcę po procesie kształtowania. Dwa stopy Duracon 17A i Duracon 45A charaktery żuj ą się całkowicie porównywalnymi własnościami mechanicznymi, ale posiadają różną przewodność. Duracon jest szczególnie polecany do produkcji przełączników, przekaźników i łączników. Dzięki temu, że Duracon nie zawiera berylu jest on przyjaznym dla środowiska materiałem zastępczym dla stopu CuBe2. Inną jego zaletą są małe promienie zginania wraz z wysoką wytrzymałością (w porównaniu ze stopem CuBe2 utwardzonym przez walcowanie), co sprawia, że stanowi on nową szansę i możliwości dla miniaturyzacji. W stanie utwardzania wydzieleniowego jego maksymalna temperatura stosowania jest ok. 60 °C wyższa niż CuBe2. Wytrzymałość jest znacznie większa. Własności przetwórcze stopu Duracon są porównywalne z własnościami utwardzonego przez walcowanie stopu CuBe2. NOWY PIROMETR DO POMIARU TEMPERATURY ALUMINIUM NEW PYROMETER FOR TEMPERATURĘ MEASUREMENT ON ALUMINIUM. ALUMINIUM 2005, t. 81, nr 1/2, s. 89-90, AG

Ze względu na własności fizyczne materiałów pomiar temperatury pirometrami na podczerwień był zawsze problematyczny

w przemyśle aluminiowym. Wysiłki w przezwyciężaniu tych trudności, które wynikają z własności materiałów, czasami prowadzą do szczególnych rozwiązań, założenia których następnie ucieleśniają się w bardzo skomplikowanych i bardzo drogich urządzeniach. W międzyczasie, wypróbowywane i badane są wartościowe instrumenty, które również pojawiają się na rynku. Firma Impac Infrared GmbH z Frankfurtu nad Menem opracowała nowy pirometr specjalnie zaprojektowany do pomiarów temperatury aluminium. Jest on oparty na Pirometrze Impac Serii 10, już z sukcesem wprowadzonym na rynek. IS 10 — Al pracuje w zakresie długości fali, w którym emisyjność materiału jest zarówno stabilna jak i względnie wysoka (30 do 43 %). To czyni go dogodnym w przemyśle półwyrobów, w takich procesach jak wyciskanie, walcowanie, nagrzewanie itd. Za pomocą IS 10 — Al mogą być mierzone temperatury od 350 °C. Różne systemy optyczne zabezpieczają wielkość pola pomiarów od 2,2 mm i bardzo krótkie czasy pomiaru — ok. 8 ms. Optymalny wybór obiektu mierzonego następuje przez wizjer lub plamkę światła laserowego. Pirometr jest pełni cyfrowy i zgodnie z informacją producentów gwarantuje wysoką dokładność i powtarzalność. Parametryzacja może być przeprowadzana przez użytkownika w prosty i szybki sposób, bezpośrednio w przyrządzie lub za pomocą komputera PC przy pomocy oprogramowania InfraWin, dostarczanego razem z urządzeniem. POSTĘPY W ZAKRESIE PIANEK ALUMINIOWYCH ADY ANCES IN ALUMINIUM FOAMS. ALUMINIUM 2005, t. 81, nr l +2, s. 90*91, AG

Kompozyty z pianki aluminiowej obiecują olbrzymi potencjał innowacyjny dla różnego rodzaju zastosowań. Aby produkować pianki aluminiowe bardziej ekonomicznie i oszczędnie, naukowcy — materiałoznawcy z RWTH w Aachen opracowali nowy proces. Chęć produkowania lekkich konstrukcji tanio, wywołuje ciągły wzrost zainteresowania przemysłu piankami z aluminium, szczególnie, że udoskonalone techniki procesu redukują koszty produkcji. Jednak z jednej strony, obecne metody nie są wystarczająco wydajne, a z drugiej osiągalna jakość pianek nie spełnia wymagań przemysłowych. Obecnie nowa klasa pianek metalowych z właściwie wysokim potencjałem zastosowań jest jeszcze produktem niszowym. Powierzchnia pianki metalowej o zamkniętych porach, nie posiada ani technicznie przydatnej odporności na zużycie, ani odpowiednich własności ciernych. Poza tym, w wielu planowanych i w pewnym stopniu realizowanych przykładów istnieje potrzeba udoskonalenia wyglądu. Dlatego też podejmowane są wysiłki przezwyciężenia tych wad, poprzez rozwój składników warstwowych. Cienkie blachy adhezyjnie połączone z powierzchnią pianki zapewniają ochronę i umożliwiają optyczne wykończenie powierzchni. Niestety, takie procesy nie są szczególnie sprawne. Najbardziej ekonomiczną metodą produkcji kompozytów jest jeszcze natryskiwanie termiczne. Nowy proces produkcyjny umożliwia efektywną pod względem kosztów produkcję natryskiwanych kompozytów warstwowych 0 odtwarzalnych własnościach mechanicznych z pianek metalowych. Proces obejmuje cztery podstawowe etapy: produkcję formującego piankę materiału wyjściowego metodą metalurgii proszków; kształtowanie półwyrobu formującego piankę w postać bliską kształtowi końcowemu; powlekanie powierzchni metodą natryskiwania termicznego; formowanie pianki (obrotowe/statyczne) poprzez indukcję. Procedura eliminuje poprzednie problemy i daje dobre wyniki. Ogólnie, proces „easyFoam process" jest metodą innowacyjną, która pozwala na efektywną pod względem kosztów 1 powtarzalną produkcję pianek metalowych o znakomitej jakości. Jest ona przydatna do przemysłowej produkcji nowej klasy materiałów. Pierwsze prototypy zostały wyprodukowane dla celów przemysłu drukarskiego i papierniczego. Złożono wnioski o międzynarodową ochronę patentową procesu. OBRÓBKA KĄPIELI ALUMINIUM — DROGI DO WYSOKICH OSIĄGÓW METALU FRIEDRICH B. KRONE K. KRAUTLEIN C.: MELT TREATMENT OF ALUMINIUM — WAYS TO A HIGH PERFORMANCE METAL. METALL 2005, t. 59, nr 1*2, s. 30+36, AG

355

Wymagania co do jakości aluminium stale wzrastają. Wysoka jakość konieczna przy produkcji cienkich folii i blach z aluminium na płyty offsetowe, puszki i części do produkcji CD może być osiągnięta za pomocą wy soko rozwiniętej technologii obróbki kąpieli. Ilość wad spowodowanych przez wtrącenia i pory gazowe musi być drastycznie obniżona. Ponad 60 % produkcji walcowni aluminium wykorzystywana jest do produkcji opakowań. Grubość blach na puszki wynosi obecnie poniżej 300 ixm. Tak, że wtrącenia o wielkości powyżej 10 jJ,m prowadzą do powstania dziur w folii i powodują powstanie gorszych produktów. Blachy litograficzne do offsetu powinny posiadać doskonalą powierzchnię. W dyskach komputerowych aluminium jest stosowane jako materiał odbijający wiązkę laserową. Powinien on mieć stałe własności refleksyjne tak, aby informacja gromadzona na dysku mogła być prawidłowo odczytywana. Miejsce, gdzie laser odczytuje informację ma szerokość ok. 0,5 [i.m tak, że wielkość defektów powierzchniowych powinna być tak mała, zaś ich ilość tak niska, jak to tylko jest możliwe. Zanieczyszczenia kąpieli aluminiowej dzielą się na „wtrącenia stałe" i „zanieczyszczenia rozpuszczone". Wtrącenia stałe są egzogeniczne i endogeniczne. Egzogeniczne — to głównie proste tlenki takie jak A12O3 i MgO, a także krzemiany K-, Ca- i A1-, gliniany Na-, Ca-, Mg-, spinele takie jak A12O3 • MgO lub klustery TiB2 pochodzące z rozdrobnienia ziarn. Wtrącenia endogeniczne, które tworzą się w kąpieli podczas produkcji, to np. A14C3, A1N, A1B2. W zależności od produkowanego materiału najczęściej obecne są A12O3, MgO i A14C3. Zanieczyszczenia rozpuszczone to obce metale i rozpuszczone gazy. Kąpiele stopowanego aluminium dostarczane do odlewni powinny zawierać nie więcej niż l ppm wtrąceń, zaś kąpiele czystego aluminium — do 100 ppb. W zanieczyszczeniach rozpuszczonych zawartość związków alkalicznych powinna być obniżona do paru ppm, a zawartość wodoru poniżej 50 ppb (0,05 ppm). Przedstawiono obecne technologie, skupiając sięnadwunajważniejszych stopniach oczyszczania kąpieli: odgazowaniu i filtracji. Obecnie odgazowanie kąpieli aluminium odbywa się w skrzyniach do odgazowania typu SNIF-box lub HY/HYCAST-box. Technologia obrotowego wtryskiwania gazu (RGI) polega na tym, że strumień gazu wprowadza się do kąpieli poprzez wirnik. Inną technologią jest obrotowe wtryskiwanie topnika (RFI), w której sole, zastępujące chlor w metalurgii, są dodawane do obojętnego gazu usuwanego i są wtryskiwane poprzez rotor do kąpieli aluminiowej. Dalszy rozwój technologii RGI polega na zastosowaniu rynien spustowych, wykorzystujących również systemy wirnikowe, np. ALCAN Compact Degasser lub HYCAST Ir-60 SIR. Ta zwarta technologia odgazowania posiada następujące zalety: pozwala na obniżenie kosztów produkcji, wzrost czystości kąpieli i obniżenie emisji chloru. Dalszy rozwój nakierowany będzie na takie cele, jak: wzrost efektywności usuwania wodoru i wtrąceń, dalsze obniżenie kosztów produkcji, obniżenie emisji chloru do zera. Zazwyczaj stosowanym sposobem filtracji kąpieli aluminiowej jest filtracja w złożu. Oddzielenie wtrąceń jest w tym przypadku złożone. Materiałem filtracyjnym jest generalnie materiał ogniotrwały najlepiej A12O3. Rozróżnia się filtry warstwowe (BF), filtry z pianki ceramicznej (CFF) i filtry ze sztywnym medium (RMF). Najczęściej używane są filtry CFF, do specjalnych zastosowań — RMF. RMF szczególnie nadają się do usuwania bardzo drobnych cząstek. Dalsze cele dla rozwoju filtrów to filtry, które będą mogły usuwać nawet najdrobniejsze cząstki o większej sprawności przy uzasadnionym spadku ciśnienia i z minimalnymi stratami metalu.

WYKRYWACZE LASEROWE DOSKONALĄ MONITORING HF W HUTACH PIERWOTNEGO ALUMINIUM ADAM H.: LASERDETECTORSIMPROYEHFMONITORING IN PRIMARY ALUMINIUM SMELTERS. ALUMINIUM 2005, t. 81, nr 1+2, s. 39+41, AG

W hutach pierwotnego aluminium powstają duże ilości gazowego fluorku wodoru — HF. Rosnące zainteresowanie bezpieczeństwem pracy i jakością powietrza atmosferycznego wymagają monitorowania ilości HF w różnych miejscach huty. Obecnie stosowane laserowe wykrywacze fluorku wodoru (HF) zastępują tradycyjne metody, pozwalając na dość dokładny pomiar poziomu HF. Firma Boreal Laser (USA) opracowała systemy wykrywania HF za pomocą przyrządu Boreal Laser HF GasFinder, sprzedanych i działających w 30 krajach świata. Laserowe wykrywanie gazu posiada wiele zalet. O to niektóre z nich: — Jest to technika optyczna, wykorzystująca zjawisko absorpcji światła podczerwonego przez HF. Umożliwia bezpośredni pomiar HF in situ, eliminując niedokładności i błędy systemowe przy próbobraniu. — Laserowe wykrywanie jest wolne od zakłóceń — stosowana szerokość wiązki światła laserowego wynosi około 1/10 szerokości pojedynczej wykrytej linii absorpcji HF, wybranej tak, aby była dobrze wyodrębniona od linii absorpcji innych gazów atmosferycznych. W związku z tym ww. metoda nie pozwala na absorpcję interferencji, szczególnie przy obecności gazów, takich jak H2O i CO2, stwarzających problemy przy stosowaniu wykrywaczy standardowych. Wykrywacze laserowe mogą dokonywać pomiarów wzdłuż długich torów, do l km, przy użyciu niskoenergetycznych laserów, całkowicie bezpiecznych dla oczu. — Mmonitoring dotyczący HF prowadzony jest w czasie rzeczywistym — typowy czas odpowiedzi wynosi l sęk. Oznacza to, że poziomy HF mogąbyć korelowane z pracą procesów w praktyce, umożliwiając optymalizację procesów do zredukowania emisji HF. — Lasery z diodami (TDLs) stosowane w handlowych laserowych wykrywaczach gazu są stabilnymi urządzeniami działającymi w temperaturze pokojowej, o dużej niezawodności. Właściwie rzeczy nie wymagają one konserwacji. Światło laserowe z TDLs może być łatwo rozszczepione lub rozdzielone, umożliwiając pomiary wielopunktowe pojedynczym laserowym analizatorem gazu. Prowadzi to do obniżenia kosztów. — Analizatory Boreal Laser HF GasFinder charakteryzuje wiele zalet, m.in. łatwość montażu bez konieczności prowadzenia dodatkowych ekspertyz w systemie, wyposażenie urządzenia Gaś Finder w wbudowaną na stale komorę wzorcową dla fluorku wodoru (HF), która ułatwia pomiar. — Po fabrycznym kalibrowaniu urządzenia GasFinder nie ma konieczności jego kalibracji przez użytkowania. Firma Boreal Laser produkuje obecnie trzy typy urządzeń, w tym m.in.: — GasFinderFC, przenośny — do pomiarów z odległości od l mm do 1000 m, zasilany bateryjnie o masie poniżej 5 kg, umożliwiający montaż i pomiar HF w ciągu 5 minut. — GasFinderMC, który jest wersją wielokanałową i może wykonywać do 8 pomiarów jednocześnie. Wykrywacze GasFinder stosowane są do monitorowania ilości HF w halach elektrolizerów, na wlocie do skruberów, usuwających HF, oraz wylotach kominów zakładu, umożliwiając spełnienie wymogów ochrony środowiska. Niektóre huty twierdzą, że w wyniku zastosowania przenośnych analizatorów GasFinder zredukowano emisje HF nawet 50 %.

WIADOMOŚCI GOSPODARCZE WEDŁUG JOHNSON MATTLHEY — POPYT NA PALLAD WZRASTA — CENY PLATYNY USPOKAJAJĄ SIĘ MASON J.. BRESNICK J.: PALLADIUM DEMAND TO CLIMB AS PLATINUM PRICES EASE-JM. MET. BULL. 2005 nr 8881, s. 14, BŁ

356

Według opinii ekspertów z Johnsona Matthey cena platyny, głównie stosowanej na katalizatory samochodowe i w jubilerstwie, po ostatnich nagłych zwyżkach uspokoi się i utrzyma przez najbliższe sześć miesięcy na poziomie 760-^880 $, w związku z nadwyżką

na rynku, która pojawiła się po raz pierwszy od sześciu lat. Z kolei przyszłość rynku palladu jest zróżnicowana. Prognozuje się, że popyt na pallad do produkcji biżuterii, w tym roku w Chinach, może przekroczyć 600 000 uncji, w porównaniu do przewidywanego wcześniej poziomu 510 000 uncji. Import palladu do Hong Kongu wynosił średnio 51 000 uncji miesięcznie i prawie w całości przeznaczony był do produkcji biżuterii. Wzrost ten łączony jest z ogólnym wzrostem gospodarczym w Chinach i bardzo wysokimi cenami platyny, a także wzrostem zapotrzebowania na drogocenną biżuterię. Wzrasta również zainteresowanie palladem w związku jego stosowaniem w przemyśle samochodowym, zarówno w katalizatorach silników benzynowych, jak i diesla. Pierwsze samochody z silnikami diesla wykorzystującymi katalizatory zawierające pallad zamiast platyny pojawią się na rynku w połowie bieżącego roku. Jednakże tego rodzaju katalizatory w 2005 r. będą jeszcze miały bardzo mały udział w rynku katalizatorów samochodowych. TURBULENCJE NA EUROPEJSKIM RYNKU PUSZEK DO NAPOJÓW TURBULENCE IN EUROPE'S BEYERAGE CAN MARKETS. ALUMINIUM 2005, t. 81, nr 1+2, s. 16, BŁ

W 2003 r. zaobserwowano największe w całej historii turbulencje na rynku puszek do napojów. European Aluminium Associaton przedstawiła obecną sytuację na tym rynku. Nagłe zmiany, do których rynek puszek do napojów w Niemczech nie był przygotowany, doprowadziły w styczniu 2003 r. do blisko 50 % spadku, który uderzył zarówno w przemysł produkcji puszek aluminiowych, jak i stalowych. Na powyższą sytuację nałożyła się również przerwa w produkcji w Hiszpanii, związana z przebudową niektórych linii produkcyjnych. Całkowity spadek na zachodnim europejskim wspólnym rynku wyniósł 2,4 bln puszek, a na poszerzonym — 15 krajów Unii Europejskiej oraz Norwegii, Szwajcarii, Turcji, Europy Centralnej i Wschodniej — powyższy deficyt wyniósł tylko 2 bln, głównie dzięki dużemu rozwojowi w krajach Europy Centralnej i Wschodniej. Zaobserwowano wzrost na rynku w Wielkiej Brytanii, Francji i Turcji, który nałożył się na wzrost w Europie Centralnej i Wschodniej. W konsekwencji na rynku Europy Zachodniej udział aluminium wzrósł w bardzo wyraźny sposób z 49,8 do 52 %. W tym samym czasie na obszarze „powiększonego rynku europejskiego" udział aluminium wzrósł do poziomu 62 %, a w krajach Europy Centralnej i Wschodniej nawet do 100 %. Wyniki uzyskane dla recyklingu wciąż bardzo różnią się w poszczególnych krajach. Recykling w krajach Europy Zachodniej osiąga średni poziom 48 %, zbliżając się tzw. punktu przełomowego wynoszącego 50 % w USA, gdzie konsumpcja puszek aluminiowych na głowę jest znacznie wyższa niż w Europie. Wzrost wskaźnika recyklingu osiągnięto głównie poprzez rozszerzenie sieci punktów zbierania złomu oraz zwiększenia ich wydajności. Obecnie trudno jest o dokładne aktualne dane dla Europy Centralnej i krajów Europy Wschodniej. Jednak posiadane doświadczenie pozwala na ocenę poziomu recyklingu w tych krajach między „wysokim", a „bardzo wysokim". Zużyte puszki aluminiowe są systematycznie zbierane z ulic w ciągu paru godzin przez ludzi o niskich dochodach. Nie ma w tym żadnej niespodzianki, gdyż puszki aluminiowe perfekcyjnie wpisują się w model o dużej wartości dodanej. Optymalizacj a procesów recyklingu to kluczowe zadanie, na którym koncentruje się europejski przemysł aluminiowy oraz program „Aluminium dla Przyszłych Pokoleń". W praktyce oznacza to zwiększone nakłady inwestycyjne na technologie związane z odzyskiem i ich rozpowszechnianiem w Europie. PRZEGLĄD RYNKU CYNKU PINKHAM M.: ZINC OUTLOOK LIGHTENS. MET. BULL. MON. 2005 FEBR., s. 36+37, BŁ

Na amerykańskim rynku cynku panuje optymizm oraz przekonanie, że 2005 r. będzie jeszcze lepszy. Popyt na cynk zwiększa się i wszystko wskazuje na to, że będzie on coraz większy. Ostatnie parę lat, gdy ceny cynku były niskie, producenci obniżyli wydobycie, co w rezultacie spowodowało zmniejszanie dopływu materiału na rynek, kurczenie się zapasów i wzrost cen.

Chociaż ceny cynku nie rosły tak gwałtownie jak ceny innych metali, a producenci wciąż liżą rany po krachu ekonomicznym sprzed paru lat nie ma wątpliwości, że kopalnie cynku zostaną powtórnie uruchomione lub przywrócone do pełnych mocy produkcyjnych. Według American Zinc Association konsumpcja cynku wzrosła o 11 % w 2003 r., głównie na skutek generalnego ożywienia gospodarczego, zarówno w budownictwie, przemyśle samochodowym, produkcji różnych dóbr konsumpcyjnych i mosiądzów oraz przede wszystkim w przemyśle stalowym, będącym głównym konsumentem cynku. Analitycy uważają, że w 2004 r. popyt ze strony przemysłu był dobry. Rok ten zapoczątkował dobrą koniunkturę i odnowę rynku cynku, która według nich potrwa z pewnością także w 2005 r. I tak na przykład szacuje się, że rynek konstrukcji dla budownictwa do końca 2005 r. powinien odnotować co najmniej 7 % wzrost w porównaniu z 2004 r. Bardziej pesymistycznie oceniona jest sytuacja na rynku samochodowym, w związku z ogłoszeniem przez firmy Ford Motor i General Motors redukcji produkcji o ok. 7 %. Zużycie w przemyśle samochodowym stali powlekanej cynkiem galwanicznym szacowane jest na ok. 29 %, a na elementy konstrukcyjne — na 19 %. Dużym odbiorcą cynku jest przemysł produkcji łożysk. Według analityków popyt na łożyska w 2004 r. wzrósł o 10 %, osiągając najwyższy poziom od 2000 r., a w 2005 r. spodziewany jest 7 % wzrost. Obecnie w Stanach Zjednoczony pozostało tylko kilka firm rywalizujących na rynku łożysk. W przeciągu ostatnich trzech lat na ww. rynku zakończyło działalność ok. 25 firm, większość dlatego, że nie była w stanie konkurować z Chińczykami. Chińscy producenci łożysk, w większości przypadków, są w stanie produkować po kosztach o połowę niższych niż firmy amerykańskie. Trend ten będzie się utrzymywał. Główną cechą dostaw z Chin jest ich sporadyczność, którą jednak większość klientów w Stanach Zjednoczonych, głównie w branży motoryzacyjnej, jest w stanie to zaakceptować. Istnieje pewna nadzieja na zwiększenie zużycia cynku w rynku łożysk ściernych poprzez wprowadzenie nowych modeli z użyciem nowych stopów. Cynkowe łożyska ścierne nie zachowują się najlepiej w warunkach wysokiej temperatury. Łożyska ze stopów cynkowych zachowują się w ww. warunkach wyraźnie gorzej niż ich odpowiedniki wykonane z aluminium. W związku z powyższym, od trzech lat podjęto prace nad udoskonaleniem technologii stopów cynkowych charakteryzujących się znacznie lepszymi właściwościami w podwyższonych temperaturach, w tym m.in. odpornością na ścieranie i płynięcie. Prowadzone prace są w końcowej fazie testów, tak że nowe modele łożysk wkrótce będą mogły zostać wprowadzone na rynek nowych wyrobów, co nastąpi być może jeszcze w tym roku. Analitycy zwracają uwagę na to, że podczas gdy popyt na cynk zwiększa się, dostawy koncentratów cynkowych kurczą się. Stany Zjednoczone są importerem netto cynku z Kanady, Meksyku i innych krajów. W związku z odnową popytu na rynku cynku w Stanach Zjednoczonych, producenci w Ameryce Północnej starają się zintensyfikować wydobycie i ilość dostarczanego na rynek koncentratu. Kurczące się możliwości zdobycia koncentratów cynkowych, powodują w Ameryce Północnej stopniowe zwiększanie się wydobycia pierwotnego surowca. W 2001 roku wydobycie cynku było na wysokim poziomie. Jednak gdy ceny zaczęły spadać (osiągając minimalny poziom 34 centów za funt w 2003 r.) producenci gwałtownie obniżyli poziom produkcji. Proces ten dotyczył takich firm jak Pasminco Zinc (obecnie Zinfex Ltd), która zamknęła kilka kopalń, a także Doe Run, która zachowała się podobnie i również zamknęła kopalnie. Wielu analityków uważa, że obecnie nawet przy poziomie cen powyżej 50 centów za funt żadna z zamkniętych kopalń nie zostanie w najbliższej przyszłości ponownie otwarta. Ceny cynku wzrosły, ale nie w takim stopniu, jak w przypadku innych metali. Powodem takiej sytuacji jest, jak twierdząhandlowcy, magazynowanie dużych ilości materiału, który obecnie jest systematycznie zużywany. Stwierdzono, że od 2003 r. do października 2004 r. na giełdzie LME pojawiły się dostawy z „ukrytych" zapa-

357

sów. Jednak ostatnio przy dobrym popycie, utrzymującym się na wysokim poziomie, zapasy te są w szybkim tempie zużywane. Całkowicie wyprzedano zapasy cynku z LME w Nowym Orleanie i prognozuje się, że w ciągu najbliższych 8 miesięcy pozostaną wyprzedane pozostałe zapasy, co najprawdopodobniej w przyszłości wywinduje ceny. Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe dane prognozuje się, że nadchodzący rok 2005 powinien być dobry dla północnoamerykańskiego rynku cynku. Prognozuje się popyt podobny jak w 2004 r., gdy utrzymywał się na dobrym poziomie. Handlowcy cynkiem uważają, że pozycja ta zostanie nawet wzmocniona, a biorąc pod uwagę wyczerpujące się zapasy, 2005 r. może być o wiele lepszy niż poprzedni. W STANACH ZJEDNOCZONYCH OŁÓW TONIE... HARGREAYES B.: LEAD SINKS IN THE USA. MET. BULL. MON. 2005 FEBR., s. 38*39, BŁ

Wydobycie, produkcja i konsumpcja ołowiu pierwotnego w Ameryce Północnej spada na rzecz rywali zza oceanu, tak samo jak spada produkcja akumulatorów. Z kolei jednak, według raportu Bena Hargreaves'a, produkcja ołowiu wtórnego przeżywa boom, i teraz posiada lwią część rynku produkcji metalu. Wszystkie sygnały dla rynku ołowiu w Ameryce Północnej mówią 0 trendzie do upadku rynku i dużych trudnościach jego odtworzenia. Dane zebrane przez ILZSG pokazują wyraźnie, że konsumpcja ołowiu w USA spadała o 2,8 % z roku na rok, osiągając w okresie od stycznia do września 2004 r. poziom 1,224 min t. Według ILZSG konsumpcja ołowiu w USA spadała systematycznie od początku nowego tysiąclecia i wynosiła w 2000 roku — 1,791 min ton, w 2001 roku spadła do poziomu — l,695 min t, a w 2002 r. do 1,536 min t i 1,508 min t w 2003 r. ILZSG potwierdza, że główną przyczyną spadku jest migracja produkcji akumulatorów kwasowo-ołowiowych w inne regiony świata, na przy kład do Chin i Meksyku, w których zarówno konsumpcja, jak 1 produkcja ołowiu systematycznie wzrasta. Z kolei według danych Metal Bulletin Research całkowita amerykańska produkcja ołowiu spadła w 2004 roku o 6,1 % i w okresie od stycznia do września 2004 r. wynosiła 1,059 min t. Spada również produkcja rafinowanego ołowiu. Jej poziom w 2000 roku wynosił l ,457 min t, a w 2003 r. spadł do l ,365 min t. W USA zaobserwowano również trend spadkowy w produkcji górniczej, która spadła o 10,4 % i w okresie od stycznia do września 2004 r. osiągnęła poziom 344 tyś. t ołowiu. Według danych ILZSG, całkowi ta produkcja koncentratu ołowiowego w USA wynosiła w 2001 r. 449 tyś. t i wzrosła w 2003 r. do poziomu 454 tyś. t. Już od pewnego czasu odnotowuje się fakt spadku produkcji ołowiu w świecie zachodnim. Wylicza się fakty

mające duży wpływ na obniżenie produkcji ołowiu w USA, w tym m.in. zamknięcie przez firmę Doe Run w ostatnim czasie kilku kopalni. Niskie ceny ołowiu spowodowały, że wydobycie stało się nieopłacalne oraz wpłynęły na racjonalizację produkcji. Na rynku w USA zaistniała zmiana profilu produkcji. Większość ołowiu jest teraz produkowana ze źródeł wtórnych. W okresie od stycznia do września 2004 r. wyprodukowano l ,059 min ton rafinowanego ołowiu, w tym 943 tyś. t pochodziło z drugorzędnej produkcji. Porównanie wielkości produkcji z materiałów wtórnych z całkowitą produkcją rafinowanego materiału w 2004 r. wskazuje na duże ograniczenie produkcji pierwotnej. Produkcja ołowiu wtórnego w USA zwiększa się z roku na rok, np. w 2002 r. jej poziom wzrósł o 1,5 %, w 2003 r. o 1,6 %, a w okresie od stycznia do września 2004 r. o 3,2 %. Metal Bulletin Research prognozuje, że produkcja wtórnego ołowiu w USA osiągnie poziom 1,131 min t. Firma Doe Run rozważa zwiększenie możliwości produkcyjnych w kopalni Boss, która mogłaby zwiększyć swoją produkcję z poziomu 130 do 180 tyś. t. Producent akumulatorów firma East Penn Manufacturing także rozważa uruchomienie projektu, mającego na celu zwiększenie wydajności swoich zakładów w Lyon Stadion z 75 ty s. t do poziomu 150 tyś. t. Analitycy uważają, że przyszła ekspansja zależy od możliwości pozyskania złomu i jeśli ceny złomu ołowiowego będą bardzo wysokie, to projekt nie zostanie uruchomiony. Obserwuje się istnienie głodu nowych zastosowań ołowiu, które mogłyby dostarczyć przemysłowi w USA i w innych krajach bodźca do wzrostu. Według The Lead Devełopment Association 76,7 % produkcji ołowiu jest przeznaczona do produkcji akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Według International Lead Zinc Research Organisation (ILZRO) udział ten jest nawet większy i wynosi 80 %. Powodzenie branży w dużej mierze zależy od koniunktury w przemyśle motoryzacyjnym i branżach pokrewnych. Ważną rzeczą jest fakt, że w tych zastosowaniach nie ma zagrożenia wyparcia inną technologią akumulatorową, szczególnie dla branży samochodowej. Analitycy twierdzą, że rozwój systemów samochodowych z napięciem 36+42 V może doprowadzić do prawdziwego boomu w branży. Szacunki wskazują, że systemy oparte na akumulatorach 42 V mogą napędzić popyt ze strony ich producentów do poziomu 200 tyś. t/r. Dla przykładu akumulator 36 V o średniej pojemności potrzebuje ok. 4 razy więcej ołowiu niż standardowy 12 V akumulator samochodowy. W przyszłości akumulatory kwasowo-ołowiowe będą musiały zmierzyć się z konkurencyjnymi technologiami w samochodach o wyższym napięciu zasilającym, gdy produkcja przesunie się w stronę napędu hybrydowego lub całkowicie elektrycznego. Przy tych zastosowaniach należy wziąć pod uwagę akumulatory niklowo-metalowe, litowo-jonowe.

WYBRANE KONFERENCJE szkolenia, seminaria, wystawy, targi światowe i krajowe związane z metalami nieżelaznymi w latach 2005-2006 7+9 czerwca 2005, Nicea, Francja ECCC 2005, 5* European Continuous Casting Conference Źródło: Materials Science and Technology 2004, t. 20, nr 4, s. 552 fax: +33 l 41255858 13+15 czerwca 2005, Falmouth, Wielka Brytania Processing & Disposal of Minerals Industry Waste 05 Źródło: International Journal of Minerał Processing, 2004, t. 74, nr 1+4, s. 386 e-mal:[email protected] fax:+44 (0)1326318352 4+8 września 2005 Lizbona, Portugalia Eurocor 2005

Źródło: Materials Science and Technology 2004, t. 20, nr 4, s. 552 e-mail: [email protected] 5+8 września, 2005, Praga, Czechy Euromat-2005 Źródło: Light Metal Agę, 2004, t. 62, nr 8, s. 72 e-mail: [email protected] w w w. euromet2005. fems. org 7+19 października 2005, Kyoto, Japonia International Lead-Zinc Processing Symposium Źródło: Minerals Engineering. 2003, t. 16, nr 9, s. 888 e-mail: [email protected]

Materiały informacyjne opracowuje zespół pracowników Działu Informacji i Marketingu Instytutu Metali Nieżelaznych w składzie: mgr inż. Jadwiga Kapryan JK, mgr inż. Beata Łaszewska BŁ, mgr inż. Anna Gorol AG, Alicja Wójcik AW

358

mG a i &

ii.

Światowy rynek metali nieżelaznych

^fe^-,4; tf

UPRUM

GLOBAL NON-FERROUS METALS MARKET R e d a k t o r o d p o w i e d z i a l n y : dr hab. inż. JAN BUTRA Rudy Metale R 50 2005 nr 6 UKD669.2/.8(100):338.5(100).335.4(100)

WYDARZENIA GOSPODARCZE SPADEK PRODUKCJI SPCC SPCC Output Drop. Mining Journal, 4 February 2005, p. 4 Wskutek niskiej zawartości metalu w rudzie Southern Peru Copper Corp. spodziewa się 8 % spadku produkcji miedzi w 2005 r. do poziomu 356 400 Mg. Dla porównania w 2004 r. przedsiębiorstwo wyprodukowało 388 170 Mg miedzi. Zawartość miedzi w rudzie spadła z 0,73 do 0,64 %. DANE ICSG ICSG Data. Mining Journal, 4 February 2005, p. 5 Według danych zebranych przez International Copper Study Group (ICSG) całkowity wzrost wydajności kopalń miedzi na świecie będzie większy aniżeli wzrost zdolności produkcyjnych hut i rafinerii w przeciągu kolejnych trzech lat. ICSG prognozuje, że wydajność kopalń wzrośnie o 3,2 min Mg miedzi do poziomu 18,8 min Mg rocznie w skali świata i przypadnie na lata 2004-^2008. Natomiast wydajność rafinerii miedzi wzrośnie o 2,8 min Mg/r. do poziomu 22,1 min Mg/r. PLANY EKSPANSJI KOPALNI KANSANSHI KANSANSHI EXPANSION PLANNED. Mining Journal, 11 February 2005, p. 7 First Quantum Minerałs Ltd planuje powiększenie, budowanej w Zambii, kopalni miedzi Kansanshi. Według wstępnego projektu kopalnia ma przerabiać rocznie 4 min Mg rudy tlenkowej i 2 min Mg rady siarczkowej. Łączna średnia produkcja miedzi katodowej i koncentratów miedzi prognozowana jest na 100 tyś. Mg/r. Przedsiębiorstwo zamierza wydać dodatkowe fundusze na zwiększenie wydajności zakładu przeróbczego siarczków do 4 min Mg/r., a na dalszym etapie do poziomu 8 min Mg/r. Dzięki temu średnia produkcj a miedzi w okresie od 2005 do 2009 r. wzrośnie do 145 tyś. Mg/r. Uruchomienie produkcji zaplanowano na marzec 2005 r. NORSEMONT PODPISAŁ UMOWĘ Z RIO TINTO GROUP NORSEMONT SIGNS DEAL WITH RIO TINTO GROUP. Mining Journal, 18 February 2005, p. 10 Norsemont Mining Inc. podpisał list intencyjny z Rio Tinto Group odnośnie do praw do nabycia udziałów w projekcie miedzi, złota i molibdenu w Peru. Zgodnie z warunkami porozumienia Norsemont może nabyć do 70 % udziałów w Constancia. Wstępnie przedsiębiorstwo otrzyma 51 % udziałów w zamian za wydanie 7,8 min $ na prace na projekcie i wyemitowanie do 31 października 2009 r. ok. 1,25 min akcji w Norsemont. UMOWA Z HEREWARD HEREWARD DEAL. Mining Journal, 25 February 2005, p. 13

Ivanhoe Mines Ltd zawarł dwie umowy j v z Hereward Yentures Ltd dotyczące aktywów w Bułgarii i Serbii. Firma Hereward posiada w Bułgarii grunty o powierzchni 920 km , które obejmują koncesję Rosino, Dikanyite i Gornoseltsi. Zgodnie z warunkami porozumienia Ivanhoe może nabyć 51 % udziałów w koncesjach w zamian za wydanie 2 min $ w przeciągu dwóch lat, a kolejne 29 % udziałów za dodatkowe 2 min $. W Serbii Firma Hereward posiada koncesje na grunty o powierzchni 212 km zlokalizowane w obszarach miedzi i złota Timok oraz Lecę. PRZESTOJE PRODUKCYJNE HUTY PRZYCZYNĄ ZWIĘKSZENIA KOSZTÓW PRZERÓBKI I RAFINACJI MIEDZI SMELTER SHUTDOWNS BOOST COPPER TREATMENT AND REFINING CHARGES. Metal Bulletin, 7 February 2005, p. 10 Wciąż rosną koszty przeróbki i rafinacji miedzi (TC/RCs), co spowodowane jest częstymi przestojami produkcyjnymi huty Thai Copper Industries i świętowaniem Nowego Roku w Chinach. Największy europejski producent miedzi Norddeutsche Affinerie (NA) ustalił opłaty TC/RCs dla miedzi na ponad 140 $/Mg i 14 c/lb (stan na l luty 2005 r.) w porównaniu do 120 $/Mg i 12 c/lb w drugiej połowie 2004 r. Tymczasem jedyna huta miedzi w Tajlandii, Thai Copper Industries (TCI), zostanie zamknięta na okres jednego miesiąca, ale w 2005 r. TCI planuje produkcję na poziomie 130 tyś. Mg miedzi. MOPANI WZNAWIA PRODUKCJĘ W KOPALNI MUFULIRA MOPANI RESTORES OPERATIONS AT MUFULIRA. Metal Bulletin, 7 February 2005, p. 10 Mopani Copper Mines (MCM) wznowiło produkcję w kopalni Mufulira w Zambii po tym, jak wstrzymano prace z powodu awarii rury drenażowej. Produkcja na 2005 r. prognozowana jest na 180 tyś. Mg miedzi, podczas gdy w 2004 r. szacowano ją na 160 tyś. Mg. MCM jest spółką, w której Glencore ma 73,1 % udziałów, Canada's First Quantum Minerałs 16,9 % udziałów, a Zambian Consolidated Copper Mines limited 10 % udziałów. AUSTRALIJSKI DYREKTOR FINANSOWY ZATWIERDZA KUPNO AKCJI WMC PRZEZ XSTRATA AUSTRALIAN TREASURER APPROYES XSTRATA'S WMC BID. Metal Bulletin, 14 February 2005, p. 8. W dniu 11 lutego 2005 r. australijski dyrektor finansowy Peter Costello udzielił zarządowi Xstrata zgody na proponowane przejęcie kopalni miedzi i niklu WMC Resources poprzez zakup akcji. W ubiegłym miesiącu Xstrata zwiększyła swoją kontrolę nad WMC oferując cenę 7,20 $A/akcję (poprzednia oferta wynosiła 6,35 $A). Wyższa cena oferowana przez Xstratę jest ceną ostateczną i wymaga

359

akceptacji ze strony udziałowców WMC. Zarząd WMC odmówił udzielenia poparcia dla wyższej oferty Xstrata i zaprosił innych licytantów do przetargu.

zawartości 9,95 g/Mg Au, a zasoby wnioskowane na 5,61 min Mg 0 średniej zawartości 6,50 g/Mg Au. Zawartość złota w poszczególnych interwałach waha się od 20,3 do 35,8 g/Mg.

FIRST QUANTUM ZWIĘKSZA PRODUKCJĘ W ZAMBII FIRST QUANTUM INCREASES PRODUCTION TARGETS IN ZAMBIA. Metal Bulletin, 14 February 2005, p. 11 First Quantum Minerals zwiększyło prognozy produkcyjne dla kopalni Kansanshi Minę w Zambii. Kopalnia, która ma rozpocząć pracę w marcu 2005 r., powinna wyprodukować do końca roku 91 tyś. Mg miedzi, w tym 48 155 Mg koncentratu i 42 845 Mg katod. Na 2007 r. produkcja prognozowana jest na 163 357 Mg miedzi, a na 2009 r. w wysokości 675 534 Mg. Ponadto przedsiębiorstwo oczekuje, że w przeciągu następnych pięciu lat kopalnia Kansanshi wyprodukuje 232 425 oz złota.

KOPLANIA SOUTH DEEP OTWIERA BLIŹNIACZY SZYB SOUTH DEEP' S TWIN-SHAFT EXPANSION OPENS. Mining Journal, 11 February 2005, p. 3 W dniu 4 lutego 2005 r. Placer Dome Inc. i jego partner jv Western Are as Ltd dokonali oficjalnego otwarciabliźniaczego szybu w kopalni złota South Deep zlokalizowanej w południowoafrykańskiej prowincji Gauteng. W ten sposób kopalnia uzyskała dostęp do zasobów pewnych i prawdopodobnych o wielkości 55,6 min oz, które wystarczą na 60 lat działalności. Według prognozy produkcja w 2005 r. wyniesie 490 tyś. oz, a w 2006 r. wzrośnie do poziomu 560 tyś. oz. Jeśli zatwierdzony zostanie plan zwiększenia zdolności wydobywczych kopalni z obecnych 220 do 330 tyś. Mg/mies. to kopalnia będzie w stanie wyprodukować 800 tyś. oz złota rocznie przy koszcie inwestycyjnym mniejszym niż l mld R.

POWRÓT CHIN PRZYCZYNĄ NAPIĘĆ NA RYNKU MIEDZI COPPER MARKET TO TIGHTEN AS CHINA RETURNS. Metal Bulletin, 21 February 2005, p. 12 Na europejski rynek miedzi, po obchodach Nowego Roku, powracają kupcy z Chin, co wiąże się z napięciami i wzrostem popytu europejskich konsumentów. Europejskie premie za katody jakości A wzrosły do 65*85 $/Mg, gdy handlowcy zanotowali zwiększoną aktywność na rynku. Trzymiesięczne ceny miedzi w deporcie giełdowym spadły w dniu 17 lutego 2005 r. z 200 $ do 110/120 $. Tego samego dnia oficjalna trzymiesięczna cena miedzi plasowała się na poziomie 3135 $/Mg. UMICORE WYDZIELA BIZNES MIEDZIOWY I ZMNIEJSZA PRODUKCJĘ CYNKU UMICORE TO SPIN OFF COPPER OPS AND SLASH ZINC OUTPUT. Metal Bulletin, 28 February 2005, p. 12*13; UMICORE TO DEMERGE COPPER BUSINESS. Mining Journal, 25 February 2005, p. l Belgijska grupa Umicore planuje wydzielenie działań w sektorze miedziowym poprzez utworzenie odrębnej spółki oraz drastyczne zmniejszenie produkcji cynku w Europie w pierwszym kwartale 2005 r. W ten sposób przedsiębiorstwo zamierza skupić swoją działalność na materiałach specjalnych. Według informacji spółka zanotowała za 2004 r. trzykrotny wzrost zysku netto do poziomu 168,3 min euro (222 min $) w porównaniu z 60,1 min euro w 2003 r. Nowa spółka o nazwie Cumerio będzie zaangażowana w procesy hutnicze, rafinację oraz recykling. Zdolności produkcyjne nowej firmy osiągną poziom ponad 600 tyś. Mg/r. W dniu 13 kwietnia 2005 r. akcjonariusze przeprowadzą głosowanie nad tym, aby każdy udziałowiec otrzymał jedną akcję Cumerio za każdą posiadaną akcję Umicore. Spółka zapowiedziała ograniczenie sprzedaży cynku towarowego, wykorzystywanego w przemyśle stalowym, poprzez zmniejszenie jego produkcji z 500 do 130 tyś. Mg/r. Ponadto zamknięte zostaną dwie huty Całais i Auby, a przedsiębiorstwo skoncentruje się na produkcji i sprzedaży specjalistycznych produktów cynku. W przeciągu następnych czterech lat spółka zamierza zainwestować 60 min euro (79 min $) w zakład przeróbczy cynku we Francji, celem podniesienia standardu infrastruktury produkcyjnej i rozwoju produkcji pomocniczej. W 2004 r. grupa Umicore zanotowała wzrost obrotów do 7,1 mld euro, w porównaniu z 4,7 mld euro w 2003 r. i planuje wypłacić dywidendy w wysokości 1,65 euro/akcję. AURIZON MINES OTRZYMAŁ POZYTYWNE FEASIBILITY STUDY DLA PROJEKTU CASA BERARDI AURIZON MINES RECEIYES POSITIYE STUDY OF CASA BERARDI. Mining Journal, 4 February 2005, p. 9 Met-Chem Canada Inc. przygotował feasibility study dla projektu Casa Berardi, którego właścicielem jest Aurizon Mines Ltd. Opracowanie przewiduje 5,5 letnią działalność przy eksploatacji zasobów występujących powyżej 700 m w obrębie dawnej kopalni. Wartość inwestycji oszacowano na 84,1 min $C. Średnia roczna produkcja w początkowym okresie działalności przewidywana jest na poziomie 150 tyś. oz złota. Zasoby prawdopodobne wynoszą 4,95 min Mg i zawierają średnio 5,96 g/Mg Au przy zawartości brzeżnej 4 g/Mg Au i cenie złota 400 $/oz. Natomiast zasoby wskazane zlokalizowane poniżej 700 m obliczone zostały na 1,62 min Mg o średniej

360

HIGH RIYER GOLD NABYŁ KONCESJĘ NA REGION AŁTAJSKI HIGH RIYER GOLD'S BID WINS LICENCE IN RUSSIA'S ALTAY. Mining Journal, 11 February 2005, p. 8 High Rłver Gold Mines Ltd poinformował, że firma OJSC Buryatzoloto, w której ma 85 % udziałów, nabyła na aukcji 25-letnią koncesję na poszukiwania i eksploatację złota w regionie Ałtaju w Rosji. Koncesja o wartości 5,1 min $ obejmuje obszar o powierzchni 53,1 km , gdzie występuje ok. 20 stref mineralizacji złota 1 srebra. GALANTAS PLANUJE URUCHOMIENIE PRODUKCJI ZŁOTA GALANTAS PLANS IRISH GOLD. Mining Journal, 11 February 2005. p. 9 Galantas Gold Corp. planuje uruchomienie produkcji na projekcie złota Omagh, o powierzchni 189 km , zlokalizowanym w hrabstwie Tyrone na zachód od Omagh. Według stanu na lipiec 2003 r. zasoby pewne i prawdopodobne w strefie Kearney wynoszą 3 67 316 Mg i zawierają średnio 7,52 g/Mg Au, a zasoby wskazane stanowią 1,18 min Mg i zawierają średnio 7,02 g/Mg Au. Ostatnio przeprowadzone badania wykazały, że średnia zawartość złota wzrosła do 12,4 g/Mg. Stąd zasoby zmierzone występujące na głębokości do 20 m oszacowano na 56 414 Mg o średniej zawartości 11,03 g/Mg Au, a zasoby wskazane do głębokości 37 m obliczono na 58 363 Mg o średniej zawartości 11,03 g/Mg Au. Przedsiębiorstwo planuje uruchomienie zakładu przeróbczego o wydajności 150 Mg/dobę i wykorzystanie wyprodukowanego złota w swojej działalności jubilerskiej. POLYUS INWESTUJE 1,6 MLD $ POLYUS TO INYEST US$ 1.6 BILLION. Mining Journal, 18 February 2005, p. 7 ZAO Polyus, filia MMC Norilsk Nickel, zamierza zainwestować około l ,6 mld $ w zwiększenie zdolności produkcyjnych do poziomu l ,9 min oz w 2008 r. i 3,3 min oz w 2010 r. Produkcja na 2005 r. prognozowana jest na 1,09 min oz. Większość złota pochodzi z kopalni Olypiadinskoye, położonej 80 km na południe od Severo-Yeniseiska w Kraju Krasnojarskim, w związku z czym przedsiębiorstwo rozważa udostępnienie pobliskiego złoża Blagodatnoe. CREW KUPUJE UDZIAŁY W KOPALNI NA FILIPINACH CREW BUYS STAKE IN PHILIPPINES MINĘ. Mining Journal, 18 February 2005, p. 7 Crew Gold Corp. zgodził się na zakup 72,5% udziałów w Apex Mining Co. za sumę 7 min $ w gotówce. Głównym aktywem firmy Apex jest kopalnia złota Masara na wyspie Mindanao (Filipiny), której zasoby złota oszacowano na 500*600 tyś. Mg o średniej zawartości 9*10 g/Mg, a zasoby wnioskowane na 1,7*1,9 min oz o podobnej zawartości metalu. Kopalnia zawiesiła produkcję pięć lat temu i Crew planuje ponowne uruchomienie zakładu przeróbczego o wydajności 1200 Mg/dobę. FEASIBILITY STUDY DLA PROJEKTU TALDY BULAK CENTRAL ASIA COMPLETES TALDY BULAK FEASIBILITY. Mining Journal, 18 February 2005, p. 9

Central Asia Gold Ltd (CAG) opracowała feasibility study dla projektu złota Taldy Bulak w Kirgistanie. Według oceny zasoby zmierzone wynoszą 2,7 min Mg i zawierają średnio 8,15 g/Mg Au, zasoby wskazane stanowią ok. 7,23 g/Mg Au, a zasoby wnioskowane ok. 570 tyś. Mg o średniej zawartości 6,42 g/Mg Au. Na projekcie ma funkcjonować kopalnia podziemna o wydobyciu 600 tyś. Mg/r. WEDŁUG HARMONY PRZEJĘCIE GOLD FIELDS „MOŻE TRWAĆ LATA" GOLD FIELDS BID „COULD LAST YEARS" — HARMONY CEO. Metal Bulletin, 7 February 2005, p. 11 Harmony Gold przyznało w ubiegłym tygodniu, że wrogie przejęcie spółki przez Gold Fields może ciągnąć się latami. Pod koniec stycznia 2005 r. akcje firm Harmony Gold i Gold Fields osiągnęły najniższą cenę od 18 października 2004 r., kiedy to Harmony zaskoczył rynek swoją ofertą przejęcia. Cena za akcje Gold Fields spadła w dniu 27 stycznia 2005 r. do 65,83 R, a za akcje Harmony do 48 R. Wyniki Gold Fields opublikowane 31 stycznia 2005 r. ujawniły finansowy wpływ strategii obronnej spółki przed posunięciami Harmony. W czwartym kwartale 2004 r. dochody netto spółki spadły prawie o 22 %, a w trzecim kwartale na obronę przed Harmony spółka wydała 83 min R (14 min $). DRG GOLD SPODZIEWA SIĘ ZMNIEJSZENIA PRODUKCJI O 1/3 DRG GOLD EXPECTS TO CUT SA OUTPUT BY ANOTHER THIRD. Metal Bulletin, 14 February 2005, p. 18 Południowo-afrykański producent złota DRG Gold spodziewa się zmniejszenia produkcji o 1/3 i zaniknięcia nierentownych kopalń w przeciągu kolejnych sześciu miesięcy. Roczna produkcja w Afryce Południowej zmniejszy się z obecnych 650 do 400 tyś. oz. DRG Gold zamierza podzielić majątek firmy na południowo-afrykański i obcy, aby złagodzić wpływ umacniania się lokalnej waluty randa. ZAMKNIĘCIE KOMPLEKSU PORTO YESME ZAGRAŻA KOPALNI MCARTHUR RIYER PORTO YESME CLOSURE THREATENS MCARTHUR RIYER YIABILITY. Mining Journal, 4 February 2005, p. 7 Glencore International AG podjął decyzję o zamknięciu zakładu Imperiał Smelter Process (ISP) w kompleksie hutniczo-rafineryjnym cynku i ołowiu Porto Yesme na Sardynii. Jak podaje rzecznik pan Lotti Grenchera zakład jest nierentowny i zostanie zamknięty do połowy lutego 2005 r. Według konsultanta z CRU International aktualne ceny koksu generują zbyt wysokie koszty operacyjne, gdyż zakład zużywa około 1000 kg koksu do produkcji 1000 kg cynku czy 500 kg ołowiu. Zamknięcie zakładu zagraża kopalni McArthur River w Northern Territory (Australii), która dostarcza do ISP koncentraty cynku i ołowiu. Jednak w 2003 r. Xstrata, właściciel kopalni, opracowała feasibility study dla długookresowej działalności przy malejącej liczbie hut przerabiających koncentraty z McArthur River. SPADEK PRODUKCJI CYNKU W ROSJI RUSSIAN ZINC CUT. Mining Journal. 4 February 2005, p. 7 Wąski rynek dla koncentratów cynku przyczynił się do spadku produkcji największej rosyjskiej huty Chelyabinsk Zinc. W 2004 r. huta wyprodukowała 151 974 Mg koncentratów cynku, tj. o 17 % mniej w stosunku do 2003 r. FEASIBILITY STUDY DLA PROJEKTU DAIRI HERALD'S DAIRI FEASIBILITY. Mining Journal, 11 February 2005, p. 7 Herald Resources Ltd otrzymał od grupy niezależnych konsultantów feasibility study dla projektu cynku i ołowiu Dairi w Indonezji, w którym ma 80 % udziałów. Opracowanie przewiduje działalność kopalni o wydajności l min Mg/r., która przez ok. 6,5 roku będzie eksploatowała zasoby złoża Anjing Hitam o wielkości 6,64 min Mg i średniej zawartości 14,6 % Zn, 8,8 % Pb i 11 g/Mg Ag. Zasoby zmierzone i wskazane wynoszą 7,7 min Mg i zawierają średnio 16 % Zn, 9,8 % Pb i 12 g/Mg Ag. Testy metalurgiczne wykazały, że odzysk metali z rudy wynosi 85 % dla cynku i 75 % dla ołowiu, a koncentraty powinny zawierać ok. 55 % cynku i 64 % ołowiu. Koszt inwestycyjny oszacowano na 136,5 min $.

GLENCORE KUPUJE COMSUR ZA 220 MLN $ GLENCORE BUYS BOLIVIA'S COMSUR IN $220M DEAL. Metal Bulletin, 14 February 2005, p. 16 Glencore International nabył firmę górniczą Compania Minera del Sur (Comsur) za surnę 220 min $. Comsur zajmuje się eksploatacją cyny, cynku, srebra, złota i ołowiu w Boliwii oraz Argentynie. Glencore zamierza zainwestować 20 min $ w projekt odzyskiwania metalu z odpadów składowanych przez kopalnię cyny i cynku Colquiri (prowincja La Paź). Inny projekt, o wartości 18 min $, dotyczy rozbudowy podziemnej kopalni cynku i ołowiu Poopó, która przerabia 700 Mg rudy na dobę (prowincja Oruro). Dzięki tym inwestycjom Comsur przewiduje zwiększenie produkcji o 5+10 % w 2005 r. POROZUMIENIE DOTYCZĄCE KOSZTÓW PRZERÓBKI CYNKU NA 2005 R. ZINC TREATMENT CHARGE ACCORD COULD SET EARLY 2005 BENCHMARK. Metal Bulletin, 14 February 2005, p. 16 Porozumienie pomiędzy Korea Zinc Co. Ltd i Teck Cominto pozwoliło ustalić koszty przeróbki cynku na 125+130 $/Mg przy cenie cynku 1000 $/Mg metalu. Nie ustalono jednak opłat dla ołowiu i reagentów (escalators and de-escalators). W 2003 r. reagenty kosztowały odpowiednio 16 i 14 centów, ale Teck Cominco lobbuje za ich zmianami. Tak wczesne ustalenia kosztów przeróbki mogły wywołać burzliwe negocjacje pomiędzy kopalniami i hutami, które w konsekwencji ustaliły koszty przeróbki na 141*143 $/Mg. NOWA POLITYKA BELGIJSKIEJ SPÓŁKI PRZYNIESIE ZWIĘKSZENIE PREMII ZA CYNK NEW FOCUS OF BELGIAN COMPANY WILL PUSH PREMIUMS HIGHER. Metal Bulletin, 28 February 2005, p. 12+13 Decyzja Umicore o kwartalnym zmniejszeniu skali produkcji cynku w Europie i zaprzestaniu jego sprzedaży dla przemysłu cynkowego do końca 2005 r. spowoduje wzrost premii spot za ten metal. Przewiduje się, że premie spot w Europie mogą wzrosnąć do 10+15 $ w drugiej połowie roku. Premie zwyżkują od początku roku, osiągając nawet 100 $/Mg w ostatnich tygodniach. W 2004 r. tylko 689 tyś. Mg rudy cynku zostało wydobytych w Europie, tj. znacznie poniżej zdolności przerobowej hut. Europejska konsumpcja cynku w 2003 r. wyniosła 2,34 min Mg, podczas gdy produkcja osiągnęła poziom 2,09 min Mg metalu. Szacuje się, że w dłuższej perspektywie europejski popyt na koncentrat spadnie i może to spowodować wzrost kosztów. Zapasy cynku w magazynach LME pod koniec listopada 2004 r. wynosiły ponad 680 tyś. Mg, a do 24 lutego 2005 r. spadły do poziomu 606 450 Mg.

ZHUZHOU WZNAWIA PRODUKCJĘ CYNKU

ZHUZHOU RESTARTS ZINC PRODUCTION LINĘ. Metal Bulletin, 28 February 2005, p. 17 Wiodący chiński producent cynku, Zhuzhou Smelter, ponownie uruchomił linię produkcyjną na poziomie 100 tyś. Mg cynku/r., po tym, jak została ona zamknięta na miesiąc z powodu przerw w dostawie energii w południowej części prowincji Hunan. Podczas przerwy pracę kontynuowałaliniaprodukująca rocznie 150+170 tyś. Mg cynku. LIONORE NABYWA 50 % UDZIAŁÓW W KOPALNI NKOMATI LIONORE ACQUIRES 50 % STAKE IN NKOMATI. Mining Journal, 4 February 2005, p. 5; LIONORE TAKES 50 % STAKE IN ARM'S NKOMATI NICKEL MINĘ. Metal Bulletin, 7 February 2005, p. 14 LionOre Mining International Ltd nabył od African Rainbow Minerals Ltd (ARM) 50 % udziałów w kopalni niklu i polimetali Nkomati położonej w prowincji Mpumalanga w Afryce Pd. Wartość transakcji obliczono na 48,5 min $. Zgodnie z warunkami umowy LionOre stanie się właścicielem 50 % udziałów w kopalni i 50 % udziałów w złożu, które zawiera zasoby o wielkości 139 min Mg i średniej zawartości 0,49 % Ni. Złoże jest obecnie eksploatowane i geologicznie podobne do kopalni Phoenix w Botswanie. Kopalnia podziemna produkuje rocznie ok. 4500+5000 Mg niklu, 2800 Mg miedzi, 22 tyś. oz palladu i 7 tyś. oz platyny przy średnim koszcie operacyjnym 1,02 $/lb. JINCHUAN URUCHAMIA HUTĘ I RAFINERIĘ MIEDZI

361

JINCHUAN START-UP, Mining Journal. 4 February 2005, p. 5 Chiński producent Jinchuan Group Ltd dokonał otwarcia nowej huty i rafinerii miedzi o zdolnościach produkcyjnych na poziomie 80 tyś. Mg/r. Budowa trwała prawie dwa lata, a całkowity koszt inwestycyjny wyniósł 19 min $. Przedsiębiorstwo jest piątym co do wielkości producentem miedzi w Chinach i w 2005 r. zamierza wyprodukować 127 tyś. Mg metalu. Obecnie Jinchuan jest w trakcie zwiększania produkcji kobaltu do poziomu 4 tyś. Mg/r. WZROST ZAPASÓW UK PODWYŻSZA EUROPEJSKIE PREMIE ZA NIKIEL UK STOCK BUILD-UP PUSHES EUROPEAN NICKEL PREMIUMS

HIGHER. Metal Bulletin, 7 February 2005, p. 14 Wzrost zapasów niklu w magazynach LME w Liverpoolu na koniec 2004 r. spowodował wzrost premii za nikiel, które według handlowców są wyższe w stosunku do poziomu z połowy stycznia 2005 r. Premie LME za brykiety w głównym magazynie w Rotterdamie ustalono na 200-^-250 S/Mg w porównaniu do ok. 200 $ z połowy stycznia, a premie za katody na 225-^250 $/Mg. Całkowite zapasy niklu w magazynach LME w dniu 6 stycznia 2005 r. wyniosły 20 922 Mg, a 3 lutego spadły do poziomu 16 110 Mg (l l 982 Mg w Liverpoolu i 1710 Mg w Rotterdamie).

INFORMACJE GIEŁDOWE ENAMI OFERUJE UDZIAŁY ENAMI OFFERS STAKE. Mining Journal, 4 February 2005, p. l Chilijskie przedsiębiorstwo hutniczo-rafineryjne miedzi Empresa Nacional de Mineria zaoferował sprzedaż 10 % udziałów w kopalni miedzi (SX-EW) Quebrada Blanca zlokalizowanej blisko granicy z Boliwią. Kopalnia produkuje rocznie ok. 80 tyś. Mg miedzi katodowej. Większościowym właścicielem kopalni j est Aur Resources Inc., który posiada 76,5 % udziałów, pozostałe 23,5 % znajduje się w rękach Sociedad Minera Pudahuel Ltd.

OBLIGACJE FIRMY IMPERIAŁ IMPERIAŁ DEBENTURES. Mining Journal, 25 January 2005, p. 17 Imperiał Metals Corp. wynegocjował z konsorcjum ubezpieczeniowym prowadzonym przez Haywood Securities emisję obligacji zamiennych o wartości 10 min $C. Każda obligacja o wartości 8,65 $C i 6 % oprocentowaniu będzie wymieniana na jedną akcje zwykłą w Imperiał Metals w przeciągu najbliższych pięciu lat. Dochód netto przedsiębiorstwo przeznaczy na wznowienie produkcji w kopalni miedzi i złota Mount Polley w Kolumbii Brytyjskiej.

OXUS KUPUJE AKCJE EUROGOLD OXUS INTO EUROGOLD. Mining Journal, 25 February 2005, p. 14

APAC PODPISAŁ UMOWĘ Z CHIŃSKIM PRZEDSIĘBIORSTWEM APAC CHINESE DEAL. Mining Journal, 25 February 2005, p. 17 APAC Minerals Inc. wszedł w ostateczne i wiążące porozumienie z firmą Golden China Inc., która inwestuje w chiński sektor metali szlachetnych. Powiększone przedsiębiorstwo otrzyma nazwę Golden China Resources Inc., a jej kapitał początkowy obejmuje 16 min $C w gotówce i 4 min $C w papierach wartościowych.

Oxus Gold plc zgodził się nabyć od funduszu inwestycyjnego RAB Capital 30 min akcji w australijskim Eurogold Ltd za sumę 2,7 min £. Akcje stanowią około 17,2 % kapitału emisyjnego firmy Eurogold, która posiada projekty złota w Rumunii i na Ukrainie. Głównym aktywem firmy Oxus jest kopalnia złota Amantaytau w Uzbekistanie.

WYNIKI FINANSOWE REKORDOWY ROK DLA NORANDY

NORANDA STILL ON THE BŁOCK DESPITE RECORD YEAR. Mining Journal, 11 February 2005, p. 13 Kanadyj ska grupa górnicza Noranda Inc. zanotowała trzykrotny wzrost dochodu netto za czwarty kwartał 2004 r. do poziomu 158 min $C. Dochód za cały rok wyniósł 551 min $C. Według dyrektora naczelnego, Dereka Panella, jest to wynik zwiększenia zdolności produkcyjnych w kopalniach, korzystnych warunków na rynku i wyższych cen metali. Największy dochód przedsiębiorstwo uzyskało z produkcji miedzi, która osiągnęła poziom 430 391 Mg. Średnia zrealizowana cena była o 59 % wyższa i wyniosła 1,30 $/lb. Tymczasem całkowity koszt operacyjny wzrósł o 7 % nie tylko na skutek wyższej wydajności, ale i wyższych kosztów energii oraz silnej waluty kanadyjskiej ($). GWAŁTOWNY WZROST ZYSKU FIRMY BOLIDEN BOLIDEN SOARS. Mining Journal, 11 February 2005, p. 13 Producent metali Boliden AB zanotował zysk netto za 2004 r. w wysokości 1,06 mld SK, co stanowi 80-krotny wzrost w stosunku do 2003 r. Jest to wynik wyższej produkcji i wyższych cen poszczególnych metali (dla miedzi o 60 %, dla ołowiu o 74 % i dla cynku o 74 %). Dochód ze sprzedaży wzrósł dwukrotnie do poziomu 17,93 mld SK. POPYT ZWIĘKSZA REKORDOWE ZYSKI BHP BILLITON DEMAND BOOSTS BHP BILLITON TO RECORD PROFITS. Mining Journal, 11 February 2005, p. l; BHP BŁLITON'S RESULTS SOAR $400M ABOYE EXPECTATIONS, Metal Bulletin, 21 February 2005, p. 12 W drugiej połowie 2004 r. BHP Billiton osiągnął rekordowy zysk w wysokości 2,81 mld $. Obroty przedsiębiorstwa wzrosły 0 42 % do poziomu 15,52 mld $. Jest to rezultat wyższych cen metali (średnia zrealizowana ceny miedzi wzrosła o 50 % do 1,46 $/lb) 1 rekordowego poziomu produkcji w niektórych oddziałach BHP Billiton. Największy dochód pochodzi z produkcji miedzi i stali. Według dyrektora naczelnego, Chipa Goodyeara, tempo wzrostu

362

gospodarczego w 2005 r. będzie prawdopodobnie wolniejsze, lecz popyt na różne produkty będzie się umacniał. WYŻSZE KOSZTY WYRÓWNUJE WYŻSZA CENA ZŁOTA COST PRESSURES OFFSET STRONO PRICES IN GOLD. Mining Journal, 25 February 2005, p. 17 Newmont Mining Corp. zanotował dochód netto za czwarty kwartał 2004 r. w wysokości 181,6 min $, co stanowi 19 % wzrost w stosunku do odpowiadającego okresu w 2003 r. Sprzedaż złota była w tym okresie wyższa o 4,8 % i wyniosła 1,80 min oz. Średnia otrzymana cena wzrosła o 11 % do 436 $/oz. Jednak pomimo wyższej produkcji jednostkowy koszt operacyjny wzrósł o 15 % do 226 $/oz. Z kolei 6 % wzrost średniej otrzymanej ceny złota pomógł firmie Baniek Gold Corp. podwoić dochód netto za czwarty kwartał 2004 r. do poziomu 156 min $. Produkcja złota spadła w tym czasie o 10 % do l, 17 min oz na skutek przeróbki rudy o niskiej zawartości metalu, co podniosło koszt operacyjny o 11 % do 221 $/oz. Na 2005 r. przedsiębiorstwo przewiduje wzrost produkcji o 10 % do 5,5 min oz, jak tylko uruchomione zostaną nowe kopalnie w Peru, Argentynie i Tanzanii. Tymczasem Placer Dome Inc. zanotował 52 % spadek dochodu netto za czwarty kwartał 2004 r. do 39 min $. Produkcja złota spadła wówczas o 11 % do 927 tyś. oz, a koszt operacyjny wzrosło 15 %. INCO PRZEWIDUJE CZTEROKROTNY WZROST ZYSKÓW JEŚLI CENY NIKLU POZOSTANĄ NA WYSOKIM POZIOMIE INCO PREDICTS NICKEL PRICES WILL STAY HIGH AS PROFIT QUADRUPLES. Metal Bulletin, 21 February 2005, p. 16 Dzięki wysokim cenom niklu Inco zanotował w 2004 r. zysk netto w wysokości 612 min $, czyli czterokrotnie większy niż w 2003 r., kiedy to wyniósł 153 min $. Kanadyjska spółka przewiduje, że silny popyt i ograniczona podaż utrzymają wysokie ceny niklu także w 2005 r. Produkcja w 2005 r. przewidywana jest na poziomie 490-^500 min Ib niklu, a w 2006 r. na 540 min Ib.

CENY METALI OSŁABIENIE DOLARA POWODUJE WZROST CENY ZŁOTA DOLLAR WEAKNESS PUSHES GOLD TO SEYEN-WEEK HIGH, Mining Joumal, 25 February 2005, p. 3 W dniu 24 lutego 2005 r. cena złota osiągnęła najwyższy od siedmiu tygodni poziom 436,50 $/oz. Do wzrostu przyczynił się spadek wartości $ względem innych walut. Tymczasem według danych World Gold Council (WGC) światowy popyt na złoto w 2004 r. wzrósł o 7 % do poziomu 3018 Mg. W Indiach zapotrzebowanie na złoto w czwartym kwartale 2004 r. wzrosło o 49 %, a w przeciągu całego roku o 17 %. Z kolei w Chinach popyt wzrósł o 13 %, a w Japonii o 5 % w czwartym kwartale 2004 r. i o 7 % w przeciągu całego roku. CENY METALI W LUTYM MINOR METALS IN FEBRUARY. Mining Journal, 25 February 2005, p. 4 W lutym 2005 r. ceny kobaltu wysokiej jakości spadły do poziomu 18,50 $/lb, a ceny kobaltu niskiej jakości spadły poniżej 18,00 $/lb. WMC Resources Ltd na swoich stronach internetowych obniżył cenę z 19,50 do 18,70 $/lb. Według Defense National Stockpile Center sprzedaż kobaltu w styczniu wyniosła jedynie 200 tyś. Ib przy średniej cenie 17,50 $/lb. W połowie lutego DNSC oferował 250 tyś. Ib metalu. CENY NIKLU NA LME PRZEKRACZAJĄ 16 TYŚ. $/MG LME NICKEL PRICE BREACHES $16,000 PER TONNE ON STOCK EXODUS. Metal Bulletin, 28 February 2005, p. 16 Wciąż spadają zapasy niklu w magazynach LME, choć w słabszym tempie niż napoczątku roku, ale wystarczająco szybko, by cena niklu uzyskała poziom najwyższy od października 2004 r. Zapasy niklu od 31 stycznia 2005 r. spadły o 6624 Mg i 23 lutego wyniosły 10410 Mg. Ceny niklu na LME, które od początku 2005 r. utrzymywały się w granicach 14-5-15 tyś. $/Mg, na początku lutego przekroczyły granicę 15 tyś. $, a 23 lutego 16 tyś. $. Premie za nikiel wyniosły ostatnio 100+200 $/Mg dla katod „uncut", 225+250 $/Mg dla katod „4x4" i 200+250 $/Mg dla brykietów.

Średnie miesięczne ceny metali

Metal

Styczeń-Luty 2005 r.

Styczeń 2005 r.

cena cena najniższa najwyższa

cena średnia

Miedź Grade A ($/Mg) transakcje natychmiastowe transakcje trzymiesięczne-sprzedaż

3071,00 2945,00

3402,50 3254,50

3252,79 3113,83

Ołów ($/Mg) transakcje natychmiastowe transakcje trzymiesięczne—sprzedaż

911,00 870,00

1011,50 986,00

977,03 935,10

Cynk($/Mg) transakcje natychmiastowe transakcje trzymiesięczne-sprzedaż

1197,25 1193,50

1394,50 1410,00

1325,81 1335,03

Nikiel ($/Mg) 14032,50 16 372,50 transakcje natychmiastowe transakcje trzymiesięczne-sprzedaż 14050,00 16 150,00

15 344,63 15 288,00

cena cena miesięczna miesięczna najniższa najwyższa grudzień 2004 grudzień 2004

Kobalt ($/Mg)

18,031 17,481

min. 99,8 % min. 99,3%

18,575

18,031

Złoto ($/oz) poranna popołudniowa

423,43000 423,35000

Srebro (c/oz) Spot

703,00000

February Ayerages, Metal Bulletin, 7 March 2005, No. 8883, p. 26

ZAPASY MIEDZI

ZAPASY OŁOWIU

5874?

41689

44191

31026

29635

"g

20364

15078

522 06/01/07

Oi/03/04

06/D2/03

05/04/05

-961 05/01/07

ZAPASY CYNKU 21620

497239

18233

321257

14946

145274

11859

•30708

Data sesji

05/03ffl4

ZAPASY NIKLU

6732221

05/02/03

D6/02/D3

Data sesji

Data sesji

05*3/04

8372. 06/01/07

V05/02*3

05/03/D4

05/D4/D5

Data sesji

Materiały informacyjne opracowuje Zespół Studiów i Projektów Inwestycyjnych CBPM Cuprum Sp. z o.o. Ośrodek Badawczo-Rozwojowy we Wrocławiu w składzie: Jan Kudełko, Aneta Barańska-Buslik, Wojciech Korzekwa.

363

i DOCTORS' AND ASSISTANT PROFESSORS' THESES W dniu 9 listopada 2004 r. odbyło się kolokwium habilitacyjne dr inż. Krzysztofa Pięły — adiunkta Wydziału Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie — pod tytułem: Mechanizmy odkształcenia kryształów cynku w temperaturach podwy-

ższonych. Praca została zatwierdzona przez Centralną Komisję ds. Tytułu Naukowego i Stopni Naukowych w dniu 28 lutego 2005 r.

L.K.

***

Dr hab. WOJCIECH OZGOWICZ Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Gliwice Tytuł rozprawy habilitacyjnej:

Fizykochemiczne, strukturalne i mechaniczne czynniki kruchości międzykrystalicznej brązów-a w temperaturze podwyższonej Opiniodawcy: Prof. dr hab. inż. Zygmunt Nitkiewicz — Politechnika Częstochowska, Częstochowa Prof. dr hab. inż. Jerzy Nowacki — Politechnika Szczecińska, Szczecin Recenzenci: Prof. dr hab. inż. Jerzy Gronostaj ski — Politechnika Wrocławska, Wrocław Prof. dr hab. inż. Jan Sieniawski — Politechnika Rzeszowska, Rzeszów Prof. dr hab. inż. Jan Adamczyk — Politechnika Śląska, Gliwice W dniu 27 października 2004 r. na Wydziale Mechanicznym Technologicznym Politechniki Śląskiej odbyła się rozprawa habilitacyjna dr. Wojciecha Ozgowicza. Centralna Komisja do Spraw Stopni i Tytułów dnia 21 marca 2005 r. poinformowała o nadaniu stopnia naukowego doktora habilitowanego nauk technicznych w zakresie inżynierii materiałowej — metaloznawstwa i obróbki cieplnej dr. Wojciechowi Ozgowiczowi. W pracy przedstawiono wyniki badań czynników fizykochemicznych, strukturalnych i mechanicznych determinujących zjawisko kruchości mi ędzykrystalicznej (ZKM) jednofazowych brązów cynowych oraz główne mechanizmy odpowiedzialne hipotetycznie za przebieg procesu pękania podczas odkształcenia w temperaturze podwyższonej. Część literaturowa dotyczy analizy atomistycznych mechanizmów kruchości międzykrystalicznej nisko- i wysokotemperaturowej w aspekcie oddziaływania segregacji atomów domieszkowych i zanieczyszczeń na granicach ziarn w stopach polikrystalicznych. Zaprezentowano w niej również metody modelowania i symulacji komputerowej procesów dyfuzyjnych segregacji międzykrystalicznej. W części badawczej weryfikowano głównie tezy pracy przyjmujące Synergiczny efekt takich mikromechanizmów pękania, jak poślizgu granic ziarn oraz kawitacji i segregacji międzykrystalicznej. Stwierdzono, że udział tych mechanizmów w procesie dekohezji jest funkcją złożoną, zależną implicite od składu chemicznego stopów, a w szczególności — czystości granic ziarn i wielkości ziarn. Weryfikacji doświadczalnej poddano również oddziały waniamikrododat-

364

ków Ce lub Zr na możliwość ograniczenia kruchości międzykrystalicznej i uzyskania istotnej poprawy własności plastycznych stopów w temperaturze podwyższonej. Analiza plastyczności przeprowadzona na podstawie prób mechanicznych w temperaturze podwyższonej, jak również obserwacje struktury i przełomów wykazały ścisłą zależność efektu temperatury minimalnej plastyczności (TMP) od pękania międzykrystalicznego — kruchego badanych brązów. Udział przełomu międzykrystalicznego zależy od rodzaju stopu, a w szczególności — wielkości ziarn roztworu-a. Wyjaśniono, że kruchość międzykrystalicznabadanych brązów, jak również analizowanych porównawczo gatunków czystej miedzi, odkształcanych plastycznie w zakresie TMP (ok. 300*400 °C) z prędkością odkształcenia e > 10 s~ , wywołana jest głównie przez poślizg granic ziarn oddziałujący synergicznie z zarodkowaniem i koalescencją mikropustek na granicach ziarn lub segregacją atomów zanieczyszczeń. Prowadzi to do mikroszczelin na skutek osłabienia wiązań metalicznych i zaniżenia wytrzymałości granic ziarn. Modyfikacja brązów cynowych mikrododatkiem Ce lub Zr powoduje istotne rozdrobnienie struktury stopów i znaczne ograniczenie kruchości międzykrystalicznej w temperaturze podwyższonej. Modyfikowane stopy miedzi CuCe(M) i CuZr(M) nie wykazują w ogóle ZKM w zakresie temperatury odkształcenia od 20 do 800 °C. Opisano skład fazowy i strukturę wtrąceń brązów modyfikowanych, stosując metody dyfrakcji rentgenowskiej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej.

Analiza spektrometryczna Augera oraz metoda modelowania i symulacji komputerowej segregacji między krystalicznej na podstawie nowo opracowanego programu komputerowego DYFUZJA potwierdziły realną możliwość generowania segregacji atomów cyny i siarki na granicach ziarn struktury (2D) badanych stopów modelo-

wych. Uwzględniając uniwersalny charakter proponowanego modelu zjawiska oraz możliwość badania jego podstawowych czynników, metoda symulacji komputerowej może być przydatna w analizie ZKM innych metali i stopów.

Physico-chemical, structural and mechanical factors of intergranular brittieness of a-bronzes at elevated temperaturę The paper deals with the results of inyestigations of physico-chemical, structural and mechanical factors determining the phenomenon of intergranular brittieness of single-phase tin bronzes and the main mechanisms hypothetically responsible for cracking at elevated deformation temperaturę. The literaturę part concerns the anałysis of the atomistic mechanisms of intergranular embrittlement at Iow and high temperatures from the viewpoint of the effect of intercrystalline segregation of admixtured elements and impurities in polycrystalline alloys. Methods of computer modeling and the simulation of diffusive processes of intercrystalline segregation have been presented. The experimental part deals with the verification of theses assuming a synergetic effect of the micro-mechanisms of cracking, like grain-boundary sliding, intercrystalline cavitation and segregation. The share of these mechanisms in the process of decohesion is a complex function depending implicitly on the chemical composition of the alloys, particularly, however, on the purity at the grain boundaries and grain sizes. The effect of microadditions of cerium and zirconium on the possibility of limiting the intergranular brittieness and the improvement of the plasticity of alloys has been experimentally verified. The anałysis of plasticity carried out basing on the results of mechanical tests at elevated temperatures and obseryations of the structure and fractography displayed a strict dependence of the minimum plasticity on the brittle fracture. The share of this fracture depends on the kind of the alloy, particularly on its grain-size.

RE

It has been shown that the intergranular brittieness of tin bronzes and comparatively analysed types of pure copper, plastically deformed within the DMP rangę (about 300+400 °C) at a strain ratę of e > 10 s is brought about mainly by grain-boundary sliding, affecting synergetically the nucleation and coalescence of microvoids at the grain boundary and cooperating with the intercrystalline segregation of impurities. This leads to microcracking due to the weaking of metallic bonds and the decreased strength of the grain boundaries. The modification of bronzes with microadditiyes of Ce and Zr leads to a refmement of the structure of the alloys and a considerable restriction of intergranular embrittlement at elevated temperaturę, whereas modified alloys type Cu-Ce and Cu-Zr do not display any brittieness at 20+800 °C at all. The phase composition and structure of inclusions in modified bronzes have been described by means of X-ray diffraction methods and transmission electron microscopy. Auger's spectrometric anałysis and the applied computer-simulation method of intercrystalline segregation, basing on the newly developed computer program DIFFUSION, have confirmed the actual possibility of segregating tin and sulphur atoms at the grain boundaries of the structure (2D) of the investigated model alloys. Taking into account the generał character of the suggested model of this phenomenon and the possibility of investigating its fundamental factors, this method may prove to be useful in the anałysis of the intercrystalline brittłeness of other metals and alloys, too.

W.O.

vi

REVIEW Dr hab. inż. E. Hadasik, prof. V. Schindler: Plastyczność materiałów metalicznych (Monografia Plasticity of metallic materials, wydana przez Politechnikę Śląską, Gliwice 2004, s. 243, 202 rys., 25 tabl.). Monografia została przygotowana w języku angielskim przez znanych wybitnych specjalistów, pracowników naukowo-dydaktycznych Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Śląskiej, Wydziału

Metalurgii i Inżynierii Materiałowej AGH, Wydziału Mechaniczno Technologicznego Politechniki Wrocławskiej, Uniwersytetu Technicznego w Ostrawie (Czechy) oraz Instytutu Metalurgii Żelaza w Gliwicach. Autorzy przedstawiają interesujące i wartościowe dane z badań przeprowadzonych w latach 1950+2003. Pomysł opublikowania monografii w języku angielskim jest konsekwencją polsko-czeskiego autorstwa, wynikającego z wieloletniej, owocnej współpracy ośrodków

365

naukowo-dydaktycznych i badawczych i fakt ten uznać należy za słuszny i uzasadniony, gdyż może się przyczynić do rozszerzenia znajomości tego języka, a przede wszystkim terminologii w zakresie metalurgii i inżynierii materiałowej potrzebnej w pracy zawodowej wśród inżynierów już pracujących jak i tych przyszłych, jeszcze studentów. W starannie przygotowanym tekście przedstawiono charakterystyki technologicznej plastyczności materiałów oraz metody ich wyznaczania w badaniach plastometrycznych, wpływ odkształcenia małocyklowego na strukturę i własności odkształconego materiału, historię i teraźniejszość projektowania i optymalizacji procesów technologicznych za pomocą symulatora cieplno-mechanicznego Gleeble 3800, badania plastyczności, odkształcalności i rozwoju struktury materiałów metalicznych w labora-

toryjnych próbach walcowania, strukturę i właściwości wysoko stopowych stali odkształcanych na gorąco oraz modelowania odkształcenia plastycznego stali w zakresie temperatur przemian fazowych. Tak zestawione dane doświadczalne polskich i czeskich hutniczych ośrodków naukowo-badawczych, stanowią bardzo ciekawy i wartościowy materiał do wykorzystania w badaniach nad szeroko pojętą plastycznością metali oraz w opracowaniach z zakresu transferu technologicznego do produkcji. Monografia wypełnia dotychczasową lukę w krajowym piśmiennictwie z tego interesującego zakresu, przy czym należy podkreślić, że przedstawione badania oraz ich wyniki mogą być wykorzystywane zarówno w badaniach podstawowych, jak i stosowanych.

Z.M.

STANDARDIZAT1ON Informacje dotyczące normalizacji z zakresu metali nieżelaznych. W związku z przeglądem norm własnych Komitet Techniczny nr 219 ds. Ciężkich Metali Nieżelaznych informuje o zamiarze wycofania bez zastąpienia norm z zakresu cynku i stopów cynku. Polskie Normy przewidziane do wycofania: — PN-72/H-92908, Cynk i cynk ołowiowy — Blachy, pasy i taśmy do wyrobu ogniw baterii suchych — PN-72/H-92908/Az3:1999, Cynk i cynk ołowiowy — Blachy, pasy i taśmy do wyrobu ogniw baterii suchych (Zmiana Az3) — PN-73/H-92903 Stopy cynku — Blachy i taśmy — PN-75/H-92906, Cynk stopowy — Blacha offsetowa — PN-76/H-15715.06, Surowce wtórne metali nieżelaznych — Złom cynku i stopów cynku — PN-76/H-15716.06, Surowce wtórne metali nieżelaznych — Odpady metalurgiczne cynku i stopów cynku — PN-77/H-93915,Cynk —Drut — PN-77/H-93915/Azl:1999, Cynk — Drut (Zmiana Azl) — PN-80/H-87101, Stopy cynku do przeróbki plastycznej — Gatunki — PN-81/H-92900, Cynk — Blachy — PN-81/H-92900/Azl: 1999, Cynk —Blachy (Zmiana Azl) — PN-8 l/H-92901, Cynk — Taśmy — PN-8 l/H-92901/Azl: 1999, Cynk — Taśmy — (Zmiana Azl) — PN-8 l/H-94800, Cynk stopowy — Kubki do baterii galwanicznych suchych — PN-82/H-92905, Cynk stopowy—Blachy (płyty) chemigraficzne do trawienia — PN-87/H-15715.09, Surowce wtórne metali nieżelaznych — Złom kadmu Nowe Polskie Normy: — PN-EN 13957:2005 Aluminiumi stopy aluminium—Rury okrągłe wyciskane w kręgach ogólnego stosowania — Specyfikacja Zastępuje: PN-EN 13957:2004 (U) — PN-EN 13958:2005 Aluminium i stopy aluminium —• Rury okrągłe ciągnione w kręgach ogólnego stosowania — Specyfikacja

366

Zastępuje: PN-EN 13958:2004 (U) — PN-EN 13981-1:2005 Aluminiumi stopy aluminium — Wyroby stosowane w konstrukcjach kolejowych — Warunki techniczne kontroli i dostawy — Część l: Wyroby wyciskane Zastępuje: PN-EN 13981-1:2004 (U) Polskie Normy wprowadzające normy europejskie metodą uznania: — PN-EN 573-1:2005 (U) Aluminium i stopy aluminium— Skład chemiczny i rodzaje wyrobów przerobionych plastycznie — Część l: System oznaczeń numerycznych — PN-EN 2486:2005 (U) Lotnictwo i kosmonautyka — Stop aluminium P2618A — Materiał wyjściowy do kucia — PN-EN 4287:2005 (U) Lotnictwo i kosmonautyka — Stop aluminium AL-P7010 — Materiał wyjściowy do kucia Informacja o projektach norm europejskich — prPN-prEN 570 rev Aluminium and aluminium alloy s — Impact extrusion slugs obtained from wrought products — Specification — Aluminium i stopy aluminium — Półwyroby do wyciskania udarowego z wyrobów przerobionych plastycznie — Specyfikacja PN sprzeczna: PN-EN 570:2000 — prPN-prEN 573-5 Aluminium and aluminium alloys — Chemical composition and form of wrought products — Part 5: Codification of standardized wrought products — Aluminium i stopy aluminium — Skład chemiczny i rodzaje wyrobów przerobionych plastycznie — Część 5: Kodyfikacja znormalizowanych wyrobów przerobionych plastycznie Z uwagi na obowiązek implementacji do PN wszystkich norm europejskich, ankietę projektu EN należy traktować jednocześnie jako ankietę projektu przyszłej PN-EN. PKN informuje, że po zatwierdzeniu norm europejskich będą one wprowadzane do zbioru PN metodą uznania. Uznanie normy europejskiej będzie skutkowało wycofaniem krajowych norm sprzecznych. Uwagi dotyczące treści merytorycznej projektu EN należy zgłaszać w języku angielskim na formularzu CEN commenting form. Pozostałe uwagi, dotyczące tłumaczenia tytułu projektu normy eu-

ropejskiej, wykazu PN sprzecznych, zgodności z przepisami prawnymi, a także deklarację finansowania i uczestnictwa we wprowadzaniu norm europejskich metodą tłumaczenia, należy zgłaszać w języku polskim na formularzu Uwagi do części polskiej. Formularze oraz Karty Krajowe zawierające: tytuł angielski, tytuł polski, abstrakt w języku polskim oraz wykaz norm sprzecznych są dostępne na stronie internetowej PKN www.pkn.pl, podstrona Działalność, zakładka Ankieta powszechna prPN-prEN). Na stronie tej, w zakładce Przegląd ankiety powszechnej prPN-prEN znajdują się aktualne informacje dotyczące ankietowania projektów norm europejskich. Projektami z zakresu metali nieżelaznych zajmują się: KT nr 219 ds. Ciężkich Metali Nieżelaznych i KT nr 225 ds. Lekkich Metali Nieżelaznych. Tekst projektu normy europejskiej można uzyskać zgłaszając zapotrzebowanie pod adresem: [email protected]! lub [email protected]ł. Projekt zostanie przesłany na wskazany adres elektroniczny. Opinie prosimy przesłać na adres naszego Zespołu. W związku z przeglądem norm własnych Komitet Techniczny nr 225 ds. Lekkich Metali Nieżelaznych informuje o zamiarze wycofa-

nia bez zastąpienia norm z zakresu aluminium i stopów aluminium oraz magnezu i stopów magnezu. Polskie Normy przewidziane do wycofania: — PN-66/H-04731, Metoda sprawdzania obecności saletry na wyrobach z aluminium i stopów aluminium — PN-76/H-15715.05, Surowce wtórne metali nieżelaznych — Złom magnezu i stopów magnezu — PN-76/H-15716.05, Surowce wtórne metali nieżelaznych — Odpady metalurgiczne magnezu i stopów magnezu — PN-79/H-82161, Magnez — PN-80/H-01707, Aluminium i stopy aluminium — Cechy barwne. Uwagi dotyczące wycofania PN prosimy przesłać na adres naszego Zespołu: Polski Komitet Normalizacyjny Zespół Hutnictwa i Górnictwa ul. Dąbrowskiego 22 40-032 Katowice tel/fax: (032) 256 33 73 e-mail: [email protected]

CHRONICLE

Izba Gospodarcza Metali Nieżelaznych 2004-2005 r. 25 kwietnia 2005 r. obradowało w Ustroniu XI Walne Zgromadzenie Członków Izby Gospodarczej Metali Nieżelaznych. Obecni na tym Zgromadzeniu Członkowie Izby dokonali oceny pracy statutowych organów zarządzających, tj. Rady i Zarządu oraz przyjęli i zatwierdzili sprawozdania z działalności merytorycznej i finansowej Izby w 2004 r. Zarówno Rada jak i Zarząd V kadencji uzyskali za pierwszy rok działalności pozytywne oceny oraz skwitowanie za pracę w okresie sprawozdawczym 2004 r. W drugim bloku spraw, przewidzianych porządkiem obrad, Zgromadzenie przyjęło i zatwierdziło przedłożone przez Zarząd oraz pozytywnie rekomendowane przez Radę dokumenty planu działalności merytorycznej i finansowej Izby w 2005 roku. Walne Zgromadzenie uzupełniło skład rady Izby, powołując na wakujące miejsce Pana Romana Utrackiego — Prezesa Zarządu Huty Cynku MIASTECZKO ŚLĄSKIE S.A. Merytoryczna działalność Izby w 2004 r. koncentrowała się wokół następujących grup tematycznych, wynikających z zakresu

obowiązków statutowych oraz bieżących problemów życia gospodarczego jednostek organizacyjnych funkcjonujących aktualnie na mocno konkurencyjnym rynku. Najważniejsze z nich dotyczyły: — opiniowania prawa gospodarczego dostosowywanego, konkretnymi zapisami, do rozwiązań obowiązujących w Unii Europejskiej, — organizowania i prowadzenie szkoleń z zakresu zmiennego prawa gospodarczego, — rozszerzania wewnętrznej i zewnętrznej — również medialnej — informacji o sytuacji w gospodarce oraz przemyśle metali nieżelaznych i jego bieżących problemach, — wewnętrznej integracji przemysłu poprzez formy grupowych spotkań i konferencji, — reprezentowania interesów Członków Izby poprzez prezentowanie stanowisk oraz tematyczne wystąpienia do Władz Centralnych, przedstawiające skutki ekonomiczne i społeczne przyjętych rozwiązań prawnych z zakresu polityki podatkowe, celnej, ekologicznej, monetarnej i społecznej. Plan działalności Izby na 2005 r. zakłada kontynuację działań

367

dotychczasowych oraz przewiduje dodatkowe zadania związane z koniecznością integrowania gospodarki ze strukturami Unii Europejskiej. Dodatkowe zadania szczegółowe, o kompleksowym wymiarze, dotyczą spraw następujących: — oddziaływań na konieczność zmian w prawie regulującym swobodny obrót odpadami (głownie złomami metali), kupowanymi poza granicami kraju, — gospodarki energią z kierunkiem oddziaływań demonopolizacyjnych i przeciwdziałających podnoszeniu cen,

— oddziaływań, uzasadniających konieczność zmian w przepisach prawa ekologicznego, w kierunku obniżenia opłat za korzystanie ze środowiska — głownie dotyczących składowania odpadów przemysłowych, — przekonania o celowości i zasadności członkostwa Izby w Europejskim Stowarzyszeniu Metali „Eurometaux". Prezentując powyższą informację Zarząd Izby dziękuje wszystkim Członkom za współpracę w 2004 r. licząc na jej kontynuację w roku 2005. ROLAND STASIAK Prezes Zarządu IGMN

Wskazówki dla Autorów 1. Rudy i Metale Nieżelazne zamieszczają artykuły naukowo-techniczne z dziedziny geologii złóż oraz górnictwa metali nieżelaznych, wzbogacania mechanicznego i ogniowego, hutnictwa i przetwórstwa metali nieżelaznych, organizacji, ekonomii, chemii analitycznej, ochrony środowiska i przemysłu metali nieżelaznych, które dzielą się na: artykuły oryginalne kompletne, artykuły oryginalne niekompletne (komunikaty i doniesienia tymczasowe lub wstępne), artykuły przeglądowe (omówienia informacji już opublikowanych, relacje o osiągnięciach, opisy aktualnego stanu nauki, techniki i organizacji, sprawozdania ze zjazdów, kongresów), artykuły dyskusyjne (krytyka, polemika, sprostowania, odpowiedzi wyjaśniające). 2. Treść artykułów powinna odpowiadać następującym wymaganiom: a. używać jednoznacznego słownictwa naukowo-technicznego, a wprowadzając nowe określenia podać dla nich ścisłe definicje. Nie stosować skrótów bez ich wyjaśniania; b. wzory matematyczne pisać w oddzielnych wierszach tekstu. Zaznaczyć ołówkiem na marginesie, czy chodzi o cyfrę czy literę. Litery greckie powtórzyć ołówkiem na marginesie z podaniem brzmienia fonetycznego np. a = alfa; c. należy stosować obowiązujące jednostki miar w układzie międzynarodowym SI. 3. Materiały do czasopisma Rudy i Metale Nieżelazne prosimy nadsyłać w postaci maszynopisu (wydruku) i pliku sporządzonego w jednym z edytorów: Word 6.0, 97, 2000 lub XP. Dyskietkę lub dysk CD trzeba zaopatrzyć w etykietę z nazwą pliku i nazwiskiem autora. 4. Z maszynopisu należy wyodrębnić wykresy i fotografie i tylko zaznaczyć ołówkiem na marginesie ich miejsca w treści. Wszelkie ilustracje, wykresy i fotografie noszą umownie nazwę rysunków. Rysunki (czarno-białe) powinny się mieścić na jednej szpalcie (8,5 cm) lub kolumnie (17,5 cm), powinny być wyraźne i kontrastowe. Podpisy pod rysunkami należy zamieścić na osobnej stronie w języku polskim i angielskim. 5. Tablice należy zestawić na osobnych stronach wpisując numery (cyfry arabskie) tablic. Tytuł tablicy należy podać również w języku angielskim.

368

6. Należy przestrzegać następującej konstrukcji opracowania: a. na początku z lewej strony u góry maszynopisu podać pełny tytuł naukowy, pełne imię (lub imiona), nazwisko autora (autorów) artykułu, tytuły naukowe, nazwę miejsca pracy; b. tytuł artykułu, który powinien być jak najzwięźlejszy podany w języku polskim i języku angielskim; c. pod tytułem zamieścić krótkie streszczenie artykułu w języku polskim, w którym należy podać najważniejsze tezy i wnioski. Streszczenie artykułu w języku angielskim powinno być obszerniejsze do l strony maszynopisu. d. na początku artykułu pożądane jest krótkie wprowadzenie a na końcu wnioski; e. należy przestrzegać honorowania opublikowanych prac na dany temat i przepisów o własności autorskiej (powoływanie się w bibliografii); f. spis literatury podaje się przy końcu artykułu i powinien być ograniczony tylko do pozycji najniezbędniejszych. W tekście powołanie na pozycję literatury zaznacza się w nawiasach kwadratowych np.: [10]. Sposób podania pozycji literatury: dla czasopisma — Nowak E.: Bizmut w srebrze i surowcach srebronośnych. Rudy Metale 1991, t. 36, nr 3, s. 97-^99, dla pozycji książkowej — Nowak M.: Geologia kopalniana. Warszawa 1990, Wydaw. Geolog, s. 504. 7. Redakcja zastrzega sobie możność poprawek terminologicznych, stylistycznych oraz formalnego skracania artykułów. Natomiast ewentualne zmiany merytoryczne będą uzgadniane z autorem. 8. Na odrębnej kartce należy podać tytuł artykułu, ilość stron maszynopisu, tablic, rysunków w tym fotografii oraz imię i nazwisko autora (autorów), dokładny adres zamieszkania i pracy z podaniem kodów pocztowych i nr telefonów, fax i e-mail. 9. Materiały do publikacji prosimy przesyłać na adres redakcji: Wydawnictwo NOT-SIGMA, 40-019 Katowice, ul. Krasińskiego 13, skr. poczt. 221, tel. (0-prefix-32) 256-1777. Nadsyłanych materiałów redakcjanie zwraca. We wszystkich innych sprawach nie objętych niniejszymi wskazówkami prosimy się bezpośrednio porozumieć z redakcją czasopisma.

Redakcja

WARUNKI PRENUMERATY CZASOPISM kolportowanych przez Wydawnictwo SIGMA-NOT Spółka z o.o. w 2005 r. Zamówienia na prenumeratę czasopism wydawanych przez wydawnictwo SIGMA-NOT można składać w dowolnym terminie. Mogą one obejmować dowolny okres, tzn. dotyczyć dowolnej liczby kolejnych zeszytów każdego czasopisma. Zamawiający może otrzymywać zaprenumerowany przez siebie tytuł począwszy od następnego miesiąca po dokonaniu wpłaty. Zamówienia na zeszyty sprzed daty otrzymania wpłaty będą realizowane w miarę możliwości — z posiadanych zapasów magazynowych. Warunkiem przyjęcia i realizacji zamówienia jest otrzymanie z banku potwierdzenia dokonania wpłaty przez prenumeratora. Dokument wpłaty jest równoznaczny ze złożeniem zamówienia. * Wpłat na prenumeratę można dokonywać na ogólnie dostępnych blankietach w Urzędach Pocztowych (przekazy pieniężne) lub Bankach (polecenie przelewu), przekazując środki na adres:

Wydawnictwo SIGMA-NOT Spółka z o.o. 00-950 Warszawa, ul. Ratuszowa 11 BPH PBK S.A. O/Warszawa Pl. Gen. Hallera 6 Nr 53 1060 0076 0000 4282 1000 0012

Uwaga Prenumeratorzy: od 1999 roku prenumeratę przyjmuje wyłącznie Zakład Kolportażu Wydawnictwa SIGMA-NOT Spółka z o.o. * Na blankiecie wpłaty należy czytelnie podać nazwę zamawianego czasopisma, liczbę zamawianych egzemplarzy, okres prenumeraty oraz własny adres. Na życzenie prenumeratora, zgłoszone np. telefonicznie, Zakład Kolportażu ul. Bartycka 20, 00-716 Warszawa, tel. (022) 840-30-86, fax: (022) 891-13-74, tel./fax (022) 840-35-89, 840-59-49 wysyła specjalne blankiety zamówień wraz z aktualną listą tytułów i cennikiem czasopism. Przyjmujemy zamówienia również przez Internet: http://www.sigma-not.pl. Prenumerata e-mail: [email protected]. Informacje e-mail: [email protected]. Sekretariat e-mail: [email protected]. Dział Reklamy i Marketingu e-mail: [email protected].

Odbiorcy zagraniczni mogą otrzymywać czasopisma poprzez prenumeratę dewizową (wpłata dokonywana poza granicami Polski w dewizach, wg cennika dewizowego z cenami podanymi w dolarach amerykańskich) lub poprzez zamówioną w kraju prenumeratę ze zleceniem wysyłki za granicę (zamawiający podaje dokładny adres odbiorcy za granicą, dokonując równocześnie wpłaty w wysokości dwukrotnie wyższej niż cena normalnej prenumeraty krajowej). * Ogłoszenia przyjmuje: Dział Reklamy i Marketingu, 00-950 Warszawa, skr. 1004, ul. Mazowiecka 12, pok. 6, tel./fax (022) 827-43-66, 826-80-16, e-mail: [email protected] * Egzemplarze archiwalne (sprzedaż przelewowa lub za zaliczeniem pocztowym) można zamawiać pisemnie, kierując zamówienia na adres: Wydawnictwo SIGMA-NOT, Spółka z o.o. Zakład Kolportażu, 00-716 Warszawa, ul. Bartycka 20 tel. (022) 840-30-86, fax. (022) 891-13-74, tel./fax (022) 840-35-89, 840-59-49 natomiast za gotówkę można je nabyć w Klubie Prasy Technicznej w Warszawie ul. Mazowiecka 12, tel. (022) 826-80-17.

* W przypadku zmiany cen w okresie objętym prenumeratą Wydawnictwo zastrzega sobie prawo do wystąpienia o dopłatę różnicy cen oraz prawo do realizowania prenumeraty tylko w pełni opłaconej. * Istnieje możliwość zaprenumerowania l egz. czasopisma po cenie ulgowej przez indywidualnych członków stowarzyszeń naukowo-technicznych zrzeszonych w FSNT oraz przez uczniów szkół zawodowych i studentów szkół wyższych. Blankiet wpłaty na prenumeratę ulgową musi być opatrzony na wszystkich odcinkach pieczęcią koła SNT lub szkoły.

CENA PRENUMERATY W 2005 ROKU w przypadku zmiany cen w okresie objętym prenumeratą, prenumeratorzy zobowiązani są do dopłaty różnicy cen kwartalna

półroczna

roczna

normalna

ulgowa

normalna

ulgowa

normalna

ulgowa

48,00 zi

24,00 zł

96,00 zł

48,00 zł

192,00 zł

96,00 zł

Pełna informacja na stronie

www.metaI.targiWeIce.pl i pi

28-3O.O9.2OO5, Kielce i :

m & m, f i m B. i f

| X i Technologii dla 1

l T -II- i«

patronatem CAEF- Europejskiego

Odlewniczego

• 290firmz 23 krajów • 2.800 m2 wystawienniczej • ponad 100 maszyn i urządzeń dla odlewnictwa eksponowanych na stoiskach

W Konferencje - 27-28.09.05 r."Transport pneumatyczny w odlewnictwie* - 28.09.05 r. "Ocena stanu polskiego odlewnictwa na tle rynku globalnego" - 29.09.05 r. „Nowe technologie w

metali nieżelaznych"

- 29.09.05 r. „EUROPA SZERZEJ - Rosja, Turcja, Ukraina, Słowenia" oraz - wystawa odlewów przemysłowych l artystycznych „ODLEWNICTWO DLA WSZYSTKICH" - grupowe wystąpienie firm odlewniczych z Wielkiej Brytanii, Niemiec, Słowenii i Włoch - delegacje dyrektorów firm odlewniczych z Rosji i Ukrainy NONFERMET - WSPÓŁPRACA

;r;ctftL - WSPÓŁPRACA

frretytut rtefeii Nieżelaznych Stowarzyszenie Techniczne Odtewr. kd ',--• F -Jskich

•WRawiiCE

Odlewnicza Izba Gospodarcza

Instytut Mlewreciwa

Menadżer Targów: Piotr Pawelec, e-mail: pawelec.pfttargikielce.pl ul. Zakładowa 1, 25-872 KIELCE, tel, 41 36S 12 20, fax 41 365 13 13