seria wydawnicza:

PRACE

INSTYTUTU MATERIAŁÓW

INŻYNIERSKICH i BIOMEDYCZNYCH

PRACE IMIiB nr 6, 2019

ZESZYT ABSTRAKTÓW

MIĘDZYNARODOWEJ KONFERENCJI

MATERIAL TECHNOLOGIES IN SILESIA’2019

13-16 PAŹDZIERNIKA 2019, ZAWIERCIE

Redaktor naukowy:

dr hab. inż. Mirosław Bonek

Gliwice, 2019

iv Prace Instytutu Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zeszyt 6/2019

Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych

Wydział Mechaniczny Technologiczny

Politechnika Śląska

ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice

tel. +48 (32) 2371322

Redaktor naukowy serii wydawniczej: dr hab. inż. Mirosław Bonek

Redakcja techniczna i skład komputerowy

dr hab. inż. Mirosław Bonek

Materiały zostały opublikowane na podstawie oryginałów dostarczonych przez Autorów zaopiniowanych przez Zespół Recenzentów.

Wydano za zgodą Dyrektora

Instytutu Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych

Wydział Mechaniczny Technologiczny

Politechnika Śląska

Wydawca:

Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych

Wydział Mechaniczny Technologiczny

Politechnika Śląska

© Copyright by IMIiB

Gliwice, wrzesień 2019

Wszystkie opublikowane materiały stanowią utwór podlegający ochronie na mocy prawa autorskiego. Utwór ten w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych. Ponadto utwór ten nie może być umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych, bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich.

Seria wydawnicza:

Prace Instytutu Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Wydział Mechaniczny Technologiczny

Politechnika Śląska

ISBN 978-83-65138-24-8

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Spis treści

Wstęp, Patronat konferencji, Organizator konferencji ............................................................ xiii

Współorganizator konferencji, Komitet Naukowy, Komitet Programowy ............................. xiv

Komitet organizacyjny, Komitet techniczny, Zakres tematyczny ............................................ xv

Wydarzenie towarzyszące: Jubileusz 50-lecia pracy naukowo-dydaktycznej Pana

Profesora Stanisława Tkaczyka ............................................................................................... xvi

Sesja naukowa: Innovative and additive manufacturing technology – new technological solutions for 3D printing of metals and composite materials ................................................. xvii

Sesja naukowa: Integracja zaawansowanych metod badawczych, obliczeniowych oraz przetwarzania danych dla innowacji technologii spawania stali nierdzewnej typu duplex .. xviii

Sesja naukowa: Studenckich Kół Naukowych TalentDetector‘2019 ....................................... xx

Streszczenia artykułów

Effect of Fe addition on selected mechanical properties and corrosion resistance of Al-Y-Fe amorphous alloys

R. Babilas, M. Spilka, W. Łoński, A. Radoń, P. Sakiewicz ............................................. 1

Corrosion study of resorbable Ca-based bulk metallic glasses with gold and boron addition

R. Babilas, D. Szyba ......................................................................................................... 3

Projakościowe zarządzanie wyrobem z wykorzystaniem wybranych metod i narzędzi doskonalenia

R. Barcik, M. Jakubiec ...................................................................................................... 5

Micromagnetic simulations of nanofibers with stochastic orientations vehicles

T. Błachowicz, C. Döpke, A. Ehrmann............................................................................. 7

Ocena możliwości zastąpienia łuski ryżowej krajowymi odpadami zbożowymi w zastosowaniach stalowniczych

M. Borecki, M. Niesler, P. Różański, J. Stecko, W. Wittchen ......................................... 9

vi Spis treści

Integration of advanced experiments, computation and data for Duplex Stainless Steel joining innovation – the new UE project on Silesian University of Technology

Z. Brytan, M. Bonek, T. Tański ...................................................................................... 11

New technology solutions for 3D printing of metals and composite materials

Z. Brytan, T. Tański, M. Król, P. Snopiński, D. Łukowiec, Ł. Krzemiński, M. Bilewicz ..................................................................................................................... 13

Effect of hot isostatic pressing on porosity and properties of 316 L stainless steel prepared by selective laser melting method

T. Cegan, J. Hajnys, J. Jurica, M. Pagac, L. Horsak, K. Skotnicova .............................. 15

Wpływ modyfikacji chemicznej oraz wygrzewania na morfologię i własności

ochronne warstw fosforanowych wytworzonych na stopie AM60 K. Cesarz-Andraczke, D. Paczuła, M. Kolasińska, P. Nuckowski, R. Babilas .............. 17

Natryskiwanie plazmowe powłoki TiO2 z zawiesiny techniką SPS

K. Czechowska, M. Lis, A. Hryniszyn-Kula, K. Bilewska, A. Ślusarek ........................ 19

Ocena trwałości materiałów długo eksploatowanych elementów krytycznych bloków energetycznych

J. Dobrzański ................................................................................................................... 21

Fabrication and characterization of thin film used in dye-sensitized solar cells

A. Drygała ....................................................................................................................... 23

Monitorowanie jakości w przedsiębiorstwie produkcyjnym z zastosowaniem analitycznego wzorca poprawności procesów technologicznych

M. Dudek-Burlikowska .................................................................................................. 25

Analiza własności mechanicznych warstwy tytanowej uzyskanej metodą preparowania wnęki formy

A. Dulska, J. Szajnar, M. Król ....................................................................................... 27

Kontrola wejściowa jako zapewnienie jakości produkcji A. Gabryś, M. Spilka, S. Lesz ......................................................................................... 29

Wpływ różnego typu podpór na strukturę i gęstość stali maraging 18Ni300 wytwarzanej w procesie selektywnego topienia laserowego

T.G. Gaweł, B. Tomiczek ............................................................................................... 31

Elektrody nasadkowe do zgrzewania oporowego blach stalowych

W. Głuchowski, Z. Rdzawski, P. Kwaśniewski, T. Knych, J. Sobota, M. Maleta, J. Domagała-Dubiel, S. Boczkal ..................................................................................... 33

Mikrostruktura i właściwości mechaniczne złączy spawanych stali Thor 115

G. Golański, K. Klimaszewska, A. Merda, M. Urzynicok ............................................ 35

Konferencja MATERIAL TECHNOLOGIES IN SILESIA 2019 vii

Próby symulacji odkształceń spawanych złączy rur ze stali S355

J. Górka, B. Wyględacz, T. Kik ...................................................................................... 37

Thermodynamic analysis of phase transformations in medium-Mn steels

A. Grajcar, M. Morawiec ................................................................................................ 39

Mikrostruktura i właściwości stopów Mg-Bi-X (X = Ca, Mn, Zn) A. Gryc, M. Malczewska, B. Dybowski, A. Kiełbus ...................................................... 41

Analysis of plastic deformation instabilities in post-uniform elongation region of hot-rolled medium-Mn steel

B. Grzegorczyk, M. Morawiec, M. Staszuk, P. Nuckowski, A. Grajcar ........................ 43

Influence of scanning strategies on residual stress in SLM process according to bridge curvature method

J. Hajnys, M. Pagac, J. Mesicek, J. Petru ........................................................................ 45

Evaluation of 3D print specimen geometry suitable for axial-torsional testing

R. Halama, Z. Paška, J. Sedlák ....................................................................................... 47

Change of magnetic properties around fatigue crack in austenitic steel P. Hanusová, P. Palček, M. Uhríčik, M. Smetana, T. Oršulová ..................................... 49

Complex corrosion properties of AISI 316L steel prepared by 3D print technology J. Hlinka, M. Kraus, R. Bodlak, J. Hajnys, M. Pagac, P. Mohyla ................................. 51

Wpływ czasu mielenia na morfologię stopów na bazie magnezu

B. Hrapkowicz, S. Lesz .................................................................................................. 53

Próby otrzymywania tuszy dedykowanych do tworzenia elektroniki drukowanej A. Hryniszyn-Kula, K. Czechowska, J. Mazur, D. Kołacz, K. Kustra ........................... 55

Properties and microstructural analysis of DC01 ferritic steel processed by SPD method

M.B. Jabłońska, K. Kowalczyk, K. Rodak, I. Bednarczyk, M. Tkocz .......................... 57

Study of dye-sensitized solar cells photoelectrodes consisting of hybrid nanostructures

P. Jarka, T. Tański, M. Szindler, A. Drygała ................................................................. 59

Wpływ parametrów technologicznych na tworzenie wydzieleń węgla błyszczącego na odlewach z żeliwa sferoidalnego w technologii pełnej formy

J. Jezierski, M. Jureczko, R. Dojka ................................................................................. 61

Laser alloying of X40CrMoV5-1 hot work tool steel with B4C particles

E. Jonda, W. Pakieła ....................................................................................................... 63

Struktura i wybrane własności nanometrycznych warstw TiO2 na stopach magnezu

A. Kania, P. Nolbrzak, K. Matus, A. Niemiec-Cyganek, R. Babilas .............................. 65

viii Spis treści

Zintegrowane systemy zarządzania w procesach technologii materiałowych

T. Karkoszka ................................................................................................................... 67

Influence of laser surface texturing on tribological properties of thin films coated tool materials

M. Karoń, A. Woźniak, M. Adamiak ............................................................................. 69

Explanation of the PLC phenomenon in advanced high-strength medium-Mn steel A. Kozłowska, B. Grzegorczyk, A. Grajcar ................................................................... 71

Comparison of fatigue behavior of 316L stainless steel prepared by selective laser melting method: Effect of layer orientation

M. Kraus, V. Mares, A. Benda, J. Hajnys, M. Pagac ..................................................... 73

Design and selective laser melting manufacturing of TPE extrusion die

M. Król ............................................................................................................................ 75

Wpływ Ag na strukturę i własności stopów Cu-Ni-Si

B. Krupińska, Z. Rdzawski ............................................................................................. 77

Wpływ laserowej obróbki powierzchniowej miedzi na strukturę

M. Krupiński, P.E. Smolarczyk, W. Pakieła ................................................................... 79

Correlation of laboratory and real atmosphere corrosion for investigation of corrosion behavior of secondary aluminum casts

L. Kuchariková, T. Liptáková, E. Tillová, M. Bonek, I. Švecová .................................. 81

Alternatywne materiały powłokowe przeznaczone do natryskiwania termicznego powłok

K. Kustra, A. Wrona, M. Lis, K. Czechowska, M. Kamińska, M. Osadnik ................... 83

Symulacja numeryczna i fizyczna procesu ciągłego wyżarzania i galwanizowania zanurzeniowego blach cienkich z zastosowaniem powłok ze stopu Zn-Al-Mg

R. Kuziak, R. Molenda, H. Krztoń, K. Radwański, K. Oleś, K. Kwapisz ...................... 85

Aktualne kierunki rozwoju stali oraz technologii obróbki cieplnej szyn normalnotorowych charakteryzujących się podwyższoną odpornością na zużycie oraz inicjowanie i propagację wad kodataktowo-zmęczeniowych

R. Kuziak, K. Radwański, T. Zygmunt, M. Pietrzyk ...................................................... 87

Structure and properties of PVD coatings on oxide ceramic tool materials

W. Kwaśny, R. Dziwis, A. Śliwa, J. Mikuła, B. Ziębowicz ........................................... 89

Wpływ długości fali promieniowania laserowego na obróbkę warstwy wierzchniej kompozytu AlSi/SiC

J. Łabaj, A. Grabowski, M. Dyzia .................................................................................. 91

Konferencja MATERIAL TECHNOLOGIES IN SILESIA 2019 ix

Badanie własności korozyjnych stopu na bazie Mg wytworzonego przez stopowanie mechaniczne

S. Lesz, B. Hrapkowicz, J. Popis .................................................................................... 93

Tribological properties of composite CrN+WC/C and WC/C coatings intended for use in a cavitation environment

T. Linek, T. Tański, W. Borek, W. Pakieła..................................................................... 95

Analiza wpływu modyfikatorów pochodzących z spalania węgla brunatnego technologią fluidalną na wybrane właściwości materiałów kompozytowych o osnowie polietylenu niskiej gęstości

M. Lis, P. Sakiewicz, K. Piotrowski, K. Gołombek, S. Kalisz ....................................... 97

Regulowanie zawartości i morfologii składników fazowych w stali nanobainitycznej zawierającej 0,6%C w celu uzyskania wymaganych proporcji pomiędzy wytrzymałością a plastycznością

J. Marcisz, B. Garbarz, Z. Kania-Pifczyk, W. Zalecki ................................................... 99

Wpływ warunków formowania wtryskowego proszku i spiekania na strukturę oraz wybrane własności nasycanej miedzią stali szybkotnącej

G. Matula, P. Wiśniowski, B. Tomiczek....................................................................... 101

Wpływ temperatury kalcynacji na morfologię jednowymiarowych nanomateriałów opartych na tlenku cyny

W. Matysiak, T. Tański, W. Smok ................................................................................ 103

Innowacyjna metoda wytwarzania jednowymiarowych nanostruktur CeO2:Eu3+ W. Matysiak, T. Tański, M. Zaborowska ..................................................................... 105

Analysis of welded joint properties on a tube manufactured by SLM technology

P. Mohyla, K. Sternadelová, L. Krejčí, M. Pagáč ......................................................... 107

Dilatometric study of austenitization temperature impact on microstructure evolution and mechanical properties in 18Ni300 maraging steel

M. Morawiec, B. Tomiczek .......................................................................................... 109

Laser assisted copper oxidation

M. Musztyfaga-Staszuk, P. Panek, K. Gawlińska-Nęcek, D. Janicki ........................... 111

Impact resistance of modern high strength structural steels

F. Nový, O. Bokůvka, M. Petrů, R. Ulewicz ................................................................ 113

Thermoset matrix composites reinforced by natural materials and mylar A.J. Nowak, S. Tkocz.................................................................................................... 115

Structure analysis of AlCu4MgSi alloy continuous ingots processed by ECAP

P. M. Nuckowski, P. Snopiński, T. Wróbel .................................................................. 117

x Spis treści

Rola naprężeń cieplnych w elementach instalacji energetycznych w procesie uszkodzeń ich materiałów

J. Okrajni ....................................................................................................................... 119

Microstructure and strain hardening behavior of solution heat-treated low-C high-Mn steel with increased Ti microaddition

M. Opiela, G. Fojt-Dymara, W. Borek, A. Grajcar ...................................................... 121

Metody odtleniania proszków na bazie tytanu i jego stopów otrzymywanych po przerobie złomów w procesie sferoidyzacji

M. Osadnik, K. Kustra, M. Lis, M. Kamińska, J. Mazur ............................................. 123

Teksturowanie laserowe spiekanych materiałów narzędziowych

D. Pakuła, M. Staszuk, M. Dziekońska, P. Kožmín, A. Čermák .................................. 125

Transmission electron microscopy observation of strain and phase transformation in plastically deformed CoCr alloys

M. Pawlyta, B. Sobel, G. Matula, B. Tomiczek ........................................................... 127

Numerical prediction of charge welds and coring defects in extruded profiles

R. Pelaccia, B. Reggiani, L. Orazi, L. Donati ............................................................... 129

Wpływ prędkości skanowania lasera na strukturę i właściwości mechaniczne stali 316L w technologii selektywnej laserowej mikrometalurgii proszków

W. Pilarczyk, A. Radoń, W. Pakieła ............................................................................. 131

Własności kompozytu o osnowie z polipropylenu z napełniaczem w postaci węgla drzewnego

M. Polok-Rubinec, A. Włodarczyk-Fligier, B. Chmielnicki ........................................ 133

Wpływ procesów wydzieleniowych na utratę trwałości eksploatacyjnej stali o osnowie ferrytycznej

H. Purzyńska, A. Zieliński, J. Stroniewski ................................................................... 135

Mikrostruktura i właściwości mechaniczne powłok węglikowych modyfikowanych laserowo

N. Radek, I. Pliszka, M. Gądek-Moszczak, R. Dwornicka, A. Szczotok ..................... 137

Analiza strukturalna procesu wytwarzania blach ze stali typu Dual-Phase

K. Radwański, R. Kuziak .............................................................................................. 139

Multiwłókniste druty kompozytowe Cu - Bi

Z. Rdzawski, W. Głuchowski, M. Maleta, K. Marszowski .......................................... 141

Wymagania w zakresie zapewnienia jakości w procesach obróbki cieplnej M. Roszak ..................................................................................................................... 143

Konferencja MATERIAL TECHNOLOGIES IN SILESIA 2019 xi

Strip of Sheet Extrusion of DC01 Steel by DRECE Method

S. Rusz, O. Hilser, P. Szkandera, R. Zabystrzan, J. Svec, V. Mares, M. Klos, J. Petru ........................................................................................................................... 145

Ocena paramentów procesu spiekania umożliwiających zwiększenie powierzchni roboczej taśmy spiekalniczej na podstawie laboratoryjnych prób w misie spiekalniczej

R. Skowronek, M. Niesler, J. Stecko, H. Kania ............................................................ 147

Computer simulation of thermo-mechanical phenomena

in the process of laser alloying and remelting

A. Śliwa, M. Bonek ...................................................................................................... 149

Wpływ odkształcenia SPD na mikrostrukturę stopów odlewniczych Al-Cu

J. Sobota, K. Rodak, S. Boczkal, K. Marszowski, A. Brzezińska ................................ 151

Stress Corrosion Cracking in magnesium alloys

M. Sozańska, A. Mościcki, B. Chmiela ........................................................................ 153

Analiza procesów wydzieleniowych fazy ε_Cu zachodzących w mikrostrukturze stali Sanicro 25 po długotrwałym starzeniu

M. Sroka, A. Zieliński, M. Pawlyta .............................................................................. 155

Wpływ temperatury osadzania powłoki ALD typu ZnO na stali 316L na strukturę i własności fizykochemiczne

M. Staszuk, K. Bartczuk, Ł. Reimann, P. Nuckowski, R. Szklarek ............................. 157

Quantitative XRD analysis of Zn-Al based alloys

H. Suchánek, Z. Gabalcová, P. Gogola, M. Bonek, M. Kusý ....................................... 159

Utlenianie wysokotemperaturowe stopu γ-TiAl wytwarzanego metodą Additive Manufacturing

R. Swadzba, B. Mendala, L. Swadzba, K. Marugi, Ł. Pyclik ....................................... 161

Methodology of revealing of phases and microstructural constituents of CMSX-4

nickel-based superalloy implicating their computer-aided detection for image analysis

A. Szczotok, H. Reichel ................................................................................................ 163

The optical parameters of TiO2 antireflection coating prepared by ALD method for photovoltaic application

M. Szindler, M. M. Szindler, P. Boryło ........................................................................ 165

Wpływ podwyższonej zawartości węgla na mikrostrukturę i właściwości stopu Ti-6Al-4V

A. Szkliniarz, W. Szkliniarz .......................................................................................... 167

Mikrostruktura i właściwości stopów na osnowie TiAl wytapianych w tyglu grafitowym

W. Szkliniarz, A. Szkliniarz .......................................................................................... 169

xii Spis treści

Composite tool materials with improved thermal conductivity for plastic processing

B. Tomiczek .................................................................................................................. 171

Symulacja wpływu składu chemicznego stali na przemiany austenitu podczas chłodzenia

J. Trzaska ...................................................................................................................... 173

Wpływ entropii na własciwości dielektryczne i magnetyczne materiałów ferrytowych (Fe,Co,Ni,Mg,Cr)3O4

T. Warski, Ł. Hawałek, P. Włodarczyk, R. Babilas, A. Kolano-Burian, A. Radoń ..... 175

Trends of use composites materials for railway sleepers

Ł. Wierzbicki ................................................................................................................ 177

Materiały kompozytowe WPC o osnowie polipropylenu wzmacniane naturalnym napełniaczem

A. Włodarczyk-Fligier, M. Polok-Rubiniec, B. Chmielnicki ....................................... 179

Wytwarzanie i aktywność przeciwdrobnoustrojowa powłok Cu-Ti natryskiwanych plazmowo

A. Wrona, K. Bilewska, M. Lis, M. Kamińska, M. Jaśkiewicz, W. Kamysz, T. Olszewski, P. Pajzderski, G. Więcław ..................................................................... 181

Wpływ długotrwałego oddziaływania podwyższonej temperatury na właściwości użytkowe stopu HR6W

A. Zieliński, M. Kierat, H. Purzyńska, M. Szulc, J. Stroniewski, M. Sroka ................ 183

Analiza geometrii drutów ortodontycznych oraz badanie adhezji bakterii do ich powierzchni B. Ziębowicz, A. Woźniak ............................................................................................ 185

Zastosowanie mikroskopii sił atomowych AFM w badaniach powierzchni materiałów stosowanych w protetyce stomatologicznej

B. Ziębowicz, A. Ziębowicz ......................................................................................... 187

Porównanie struktury i własności wysokowytrzymałych, wielofazowych stali manganowych Fe-Mn-Al-C

L. Sozańska-Jędrasik, J. Mazurkiewicz, W. Borek, L.A. Dobrzański .......................... 189

Optimization of ferrite stainless steels mechanical properties prediction with use of genetic

algorithms

R. Honysz ...................................................................................................................... 191

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

KONFERENCJA MATERIAL TECHNOLOGIES IN SILESIA

13-16 PAŹDZIERNIKA 2019, ZAWIERCIE

Konferencja MATERIAL TECHNOLOGIES IN SILESIA’2019 ma na celu zintegrowanie

środowiska naukowego i przemysłowego jak również młodej kadry śląskich ośrodków

naukowych zajmujących się tematyką dotyczącą technologii materiałowych.

Konferencja daje możliwość wymiany doświadczeń, wiedzy, umiejętności oraz prezentacji

dotychczasowego dorobku naukowego, najnowszych rozwiązań technologii materiałowych,

projektów prowadzonych z przemysłem, projektów realizowanych w ramach Programów

Operacyjnych Inteligentny Rozwój i innych. Ważnym elementem konferencji jest dyskusja nad

zagadnieniem planowania jakości wyrobów i technologii wytwarzania, inżynierii jakości

procesów wytwórczych, technologicznych aspektów jakości w tym miedzy innymi: materiału,

konstrukcji, produktu, jakości badań laboratoryjnych, zarządzania jakością wyrobów

i procesów, w tym również w zakresie badań i rozwoju. Konferencja będzie inicjować dyskusję

na temat koordynacji badań i wdrożeń technologii materiałowych najbardziej istotnych

gospodarczo oraz systemu kształcenia dualnego i oczekiwań przemysłu w stosunku do

współczesnego absolwenta uczelni technicznych.

PATRONAT KONFERENCJI

Prof. dr hab. inż. Arkadiusz Mężyk

Rektor Politechniki Śląskiej

ORGANIZATOR KONFERENCJI

Stowarzyszenie Wychowanków Politechniki Śląskiej, Koło Inżynierii Materiałowej przy

Oddziale Wydziału Mechanicznego Technologicznego.

xiv MATERIAL TECHNOLOGIES IN SILESIA 2019

WSPÓŁORGANIZATOR

Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Wydział Mechaniczny Technologiczny

Politechnika Śląska, Gliwice

Instytut Inżynierii Materiałowej, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Politechnika

Śląska, Katowice

Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Metali Nieżelaznych, Gliwice

Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica, Gliwice

KOMITET NAUKOWY

prof. dr hab. inż. Arkadiusz Mężyk – Politechnika Śląska

dr hab. inż. Anna Timofiejczuk, prof. PŚ – Politechnika Śląska

dr hab. inż. Tomasz Tański, prof. PŚ – Politechnika Śląska

prof. dr hab. inż. Jan Szajnar – Politechnika Śląska

dr hab. inż. Jacek Górka, prof. PŚ – Politechnika Śląska

dr hab. inż. Dariusz Kuc, prof. PŚ – Politechnika Śląska

dr inż. Barbara Juszczyk – Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Metali Nieżelaznych

dr inż. Wojciech Głuchowski – Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Metali Nieżelaznych

dr hab. inż. Adam Zieliński, prof. IMŻ – Sieć Badawcza Łukasiewicz, Instytut Metalurgii

Żelaza

prof. dr hab. inż. Jerzy Wysłocki – Politechnika Częstochowska

dr hab. inż. Tomasz Goryczka prof. UŚ – Uniwersytet Śląski

prof. dr hab. Jarosław Janicki – Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej

KOMITET PROGRAMOWY

dr hab. inż. Mirosław Bonek – Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych

dr inż. Wojciech Głuchowski – Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Metali Nieżelaznych

dr hab. inż. Jarosław Marcisz – Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Metalurgii Żelaza

dr inż. Agnieszka Szczotok – Instytut Inżynierii Materiałowej

MATERIAL TECHNOLOGIES IN SILESIA 2019 xv

KOMITET ORGANIZACYJNY

dr hab. inż. Mirosław Bonek – Przewodniczący Komitetu

dr inż. Zbigniew Brytan - Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych

mgr inż. Ksenia Czardyban – Stowarzyszenie Wychowanków Politechniki Śląskiej

dr hab. inż. Marek Roszak, prof. PŚ - Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych

dr hab. Agata Śliwa, prof. PŚ – Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych

KOMITET TECHNICZNY

mgr Katarzyna Gołombek

dr inż. Rafał Honysz

mgr inż. Weronika Smok

dr inż. Marek Sroka

ZAKRES TEMATYCZNY KONFERENCJI

Materiały inżynierskie

• Stopy metali, materiały narzędziowe, kompozyty, ceramika i szkło, materiały amorficzne,

nanomateriały, biomateriały, polimery

Badania własności materiałów inżynierskich

• Własności mechaniczne, zmęczenie materiałów, odporność na pękanie, badania

korozyjne i erozyjne, własności trybologiczne

Metodologia badawcza

• Metalografia i analiza obrazu, mikroskopia elektronowa, rentgenowska analiza fazowa

Modelowanie własności materiałów

• Techniki numeryczne, metody statystyczne, CAD/CAM

Procesy wytwarzania

• Odlewanie, metalurgia proszków, spawanie, spiekanie, obróbka cieplna, obróbka

powierzchniowa, powłoki i cienkie warstwy, skrawanie, obróbka plastyczna

xvi MATERIAL TECHNOLOGIES IN SILESIA 2019

Jakość w inżynierii materiałowej

• Inżynieria jakości, jakość materiału, jakość procesów wytwórczych, technologiczność,

kontrola jakości, kontrola jakości badań laboratoryjnych, zarządzanie jakością wyrobów

i procesów

Współpraca z przemysłem w realizacji projektów badawczych

Wdrożenia przemysłowe.

WYDARZENIA TOWARZYSZĄCE

JUBILEUSZ 50-LECIA PRACY NAUKOWO-DYDAKTYCZNEJ PROFESORA STANISŁAWA TKACZYKA

Pan Profesor Stanisław Tkaczyk jest absolwentem Wydziału Metalurgicznego Akademii

Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Pracował i współpracował z wieloma instytutami, jak:

Instytutem Metalurgii Żelaza w Gliwicach, Instytutem Technologii Eksploatacji w Radomiu,

Instytutem Organizacji i Zarządzania w Przemyśle „ORGMASZ” w Warszawie, Instytutem

Badawczym Opakowań w Warszawie, Zakładem Badań i Atestacji „ZETOM” oraz

Politechniką Warszawską, Wyższą Szkołą Logistyki w Poznaniu, jednakże znaczną część

zawodowego życia związał z Politechnika Śląską w Gliwicach, w której pełnił wiele funkcji,

z których najważniejsza dotyczy wykreowania Śląskiej Szkoły Jakościowej osadzonej

w obszarze badań związanych z procesami technologicznymi i inżynierią materiałową. Pan

Profesor Stanisław Tkaczyk jest cenionym w kraju i za granicą specjalistą w zakresie

zarządzania, zwłaszcza jakością, inżynierii materiałowej w tym opakowalnictwa, jest autorem

ponad 500 publikacji naukowych zwartych i artykułów, patentów oraz prac o charakterze

naukowo-badawczym w wymienionych dziedzinach. Jest promotorem wielu doktoratów oraz

recenzentem szeregu prac doktorskich i habilitacyjnych, jak i w postępowaniach do stanowiska

i tytułu profesora. Pan Profesor współpracuje czynnie z przemysłem oraz uczestniczy

w pracach wielu instytucji, Rad Naukowych i Komisji PAN, placówek naukowo-badawczych,

organizacji rządowych, a także Rad Naukowych i Programowych Konferencji projakościowych

o zasięgu krajowym i międzynarodowym.

MATERIAL TECHNOLOGIES IN SILESIA 2019 xvii

Jubileuszowa sesja dedykowana Panu profesorowi Stanisławowi Tkaczykowi odbędzie się w

dniach 14 i 15 października 2019 roku w ramach konferencji MATERIAL TECHNOLOGIES

IN SILESIA’2019.

SESJA NAUKOWA: INNOVATIVE AND ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY – NEW

TECHNOLOGICAL SOLUTIONS FOR 3D PRINTING OF METALS AND

COMPOSITE MATERIALS

Celem projektu jest stworzenie unikalnej platformy badawczej w zakresie "Innowacyjnych

addytywnych technologii produkcji" zajmującej się zagadnieniami interdyscyplinarnymi, które

będą wspierać i wzmacniać długofalową współpracę międzysektorową. Główną ideą projektu

jest rozwój współpracy między jednostkami badawczymi i sektorem przemysłowym w ramach

wspólnej działalności badawczo-rozwojowej. Cel realizowanego projektu koncentruje się na

pracach badawczych w zakresie druku 3D z proszków metali za pomocą technologii

selektywnego stapiania wiązką lasera (SLM) i technologii osadzania topionego materiału

(FDM). Kluczowe działania w ramach projektu mają na celu zapewnienie dwustronnego

transferu unikalnej wiedzy, doświadczeń i know-how zaangażowanych podmiotów,

przygotowanie i rozwój długoterminowej strategii współpracy między jednostkami

badawczymi a sektorem przemysłowym, prowadzenie wspólnych prac badawczych,

wzmocnienie istniejącej współpracy i rozwój nowej współpracy z sektorem przemysłowym -

podmiotów z siedzibą w aglomeracji ITI Ostrava oraz utworzenie i rozwój wspólnego ośrodka

badawczego. Wartość dodana projektu polega na opracowaniu nowych rozwiązań

technologicznych (druk 3D metali i materiałów kompozytowych) oraz innowacyjnych

technologii z uwzględnieniem aktualnych wymagań technicznych i technologicznych w

przemyśle maszynowym. Projekt umożliwi stworzenie unikalnego zespołu badawczego

zdolnego do realizacji konkretnych zadań praktycznych i przeprowadzenie dwukierunkowego

transferu wiedzy, doświadczeń i wyników badań do sektora przemysłowego i aplikacji

końcowych.

W skład konsorcjum realizującego projekt wchodzą jednostki badawcze: VŠB–Technical

University of Ostrava (Czechy) – lider projektu, Klastr aditivní výroby, z. s. (Czechy),

Fraunhofer Institut für Werkzeaugmaschinen und Umformtechnik IWU (Niemcy), Politechnika

xviii MATERIAL TECHNOLOGIES IN SILESIA 2019

Śląska, University of Žilina (Słowacja) i partnerzy przemysłowi: V-NASS, a. s., Vítkovice –

výzkum a vývoj – technické aplikace a. s., BREBECK Composite s. r. o., dk metal prominent

s.r.o., Advanced Metal Powders, s. r. o. Projekt jest finansowanych ze środków Unii

Europejskiej Republiki Czeskiej w ramach Operational Programme Research, Development

and Education w latach 2018-2021.

SESJA NAUKOWA:

INTEGRACJA ZAAWANSOWANYCH METOD BADAWCZYCH, OBLICZENIOWYCH ORAZ PRZETWARZANIA DANYCH DLA INNOWACJI

TECHNOLOGII SPAWANIA STALI NIERDZEWNEJ TYPU DUPLEX

W ramach realizowanego projektu utworzono międzynarodowy zespół badawczy, posiadający

szeroki zakres wiedzy i doświadczeń praktycznych w dziedzinie spawania, charakterystyki

materiałów, komputerowego wspomagania prac inżynierskich, modelowania predykcyjnego

opartego na zjawiskach fizycznych/chemicznych oraz przetwarzania dużych zbiorów danych

(big data), aby sprostać nadchodzącym wyzwaniom, przed którymi staje obecnie zarówno

przemysł jak i świat nauki w zakresie badań naukowych i prac badawczo-rozwojowych,

dotyczących stali nierdzewnych typu duplex. Wymaga to specjalistycznej wiedzy i innowacji,

zaawansowanego sprzętu i metod oraz opłacalnych rozwiązań, które można rozwinąć dzięki

międzynarodowej współpracy. Prace naukowe prowadzone w ramach projektu obejmują

badania podstawowe w zakresie spawania stali nierdzewnych typu duplex w jedno- i

różnoimiennych konfiguracjach materiałowych, a także opracowanie nowych technologii i

rozwiązań materiałów z tym związanych. Projekt prowadzony jest w ramach akcji RISE przez

zespół 8 partnerów, w tym pięciu z krajów europejskich i trzech z krajów azjatyckich, przy

szeroko zakrojonej akcji wymiany naukowców (33 naukowców i 110 osobomiesięcy) przez

okres 4 lat, tak aby w pełni wydobyć komplementarną siłę i synergię działań w ramach

powstałego konsorcjum badawczego. Projekt obejmuje wspólne badania nad spawaniem stali

nierdzewnej typu duplex przy użyciu nowoczesnego systemu wymiany danych, wyników

eksperymentalnych i predykcyjnego modelowania fizycznego, w celu opracowania nowych

materiałów i procesów przetwarzania tych stali. W ramach projektu zostanie opracowany

uporządkowany system danych dla kluczowych składników strukturalnych/fazowych

powstających w trakcie spawania i korozji stali typu duplex. Kolejnym etapem realizacji

MATERIAL TECHNOLOGIES IN SILESIA 2019 xix

projektu będzie ustalanie optymalnych warunków spawania zapewniających wysokie własności

mechaniczne i odporność korozyjną przy pomocy hybrydowej metodyki komputerowego

wspomagania (CAD/CAM) i modelowania fizycznego materiałów. Uzyskane dane i

zaawansowane techniki badawcze zostaną wykorzystane do opracowania nowej technologii

wytwarzania zapewniającej kontrolę struktury, występujących faz wtórnych oraz wad

spawalniczych, w szczególności w strefie wpływu ciepła (SWC), która stanowi najbardziej

krytyczny/ograniczający czynnik w trakcie przetwarzania i stosowania stali nierdzewnych typu

duplex oraz innych materiałów metalowych. Prowadzone prace będą zorientowane na

zastosowaniu nowoczesnych technologii przetwarzania danych i modelowania predykcyjnego

w opracowaniu nowych/hybrydowych systemów materiałowych dla znaczącej redukcji ich

wagi oraz kosztów. Powstały w ten sposób zaawansowany system danych, nowych materiałów,

procesów spawania i hybrydowych lekkich materiałów przyczynią się do zwiększenia

potencjału badawczego i innowacyjnego w Europie i na świecie w zakresie stali nierdzewnych

typu duplex oraz związanych z nimi systemów o długoterminowym wpływie na aspekty

gospodarcze i społeczne. Opracowany w ramach projektu zaawansowany system danych

będzie służyć jako platforma bazowa dla przyszłych badań naukowych i innowacji

przemysłowych, przyspieszając cykl opracowania nowych materiałów, technologii lub

produktów, z zasadniczym wkładem w badania naukowe i przemysłowe prace badawczo-

rozwojowe. Zwiększy to również potencjał badawczy i innowacyjny w zakresie

interdyscyplinarnych i międzysektorowych działań partnerów projektu umożliwiając wspólne

opracowanie przełomowych rozwiązań technologicznych. Prowadzone prace będą łączyć

nowatorskie podejście w zakresie innowacji i prac badawczo-rozwojowych, co przyczyni się do

rozwoju nowoczesnego Przemysłu 4.0 w zakresie spawania i znacznie przyspieszy rozwój

umiejętności badawczych, wiedzy oraz kariery młodych naukowców w zakresie łańcuch

dostaw zorientowany na klienta (ECR) z trwałym wpływem w UE i poza nią.

W projekt są zaangażowane: Liverpool John Moores University (Wielka Brytania) jako

koordynator projektu, międzynarodowe jednostki naukowo-badawcze: Politechnika Śląska

(Polska), Hogskolan Vast (Szwecja), Electric Welding Institute of the National Academy of

Sciences of Ukraine (Ukraina), Yanshan University (Chiny), University of Malaya (Malezja)

oraz partner przemysłowy Ermetal Otomotiv Ve Esya Sanayi Tic. A.S. (Turcja).

xx MATERIAL TECHNOLOGIES IN SILESIA 2019

SESJA NAUKOWA:

STUDENCKICH KÓŁ NAUKOWYCH TALENTDETECTOR

Tempo zmian cywilizacyjnych wynikających, głównie z postępu technologicznego, sprawia, że

uczelnia i osoby przez nią kształcone muszą elastycznie reagować na pojawiające się zmiany

na rynku pracy i dostosowywać się do nowych wyzwań i wymagań. Studentów oraz

nauczycieli akademickich charakteryzuje ciekawość poznawcza i determinacja

w podejmowaniu działań w zakresie własnych zainteresowań i nie rzadko dla własnej

przyjemności, w oparciu o wiedzę oraz doświadczenie zawodowe oraz stopniowo uzyskiwane

dodatkowe umiejętności, które w efekcie pozwalają na osiągnięcie zamierzonego celu.

Wychodząc naprzeciw wyżej wspomnianym oczekiwaniom studentów proponuje się

dodatkową aktywność w ramach działalności studenckich kół naukowych. Zgodnie ze statutem

działalności studenckich kół naukowych mają one za zadanie promowanie wiedzy technicznej

oraz rozwój indywidualny studentów. Koła studenckie prowadzą swoją naukową działalność

poprzez wyznaczanie indywidualnych zadań problemowych związanych z nowoczesnymi

technologiami w inżynierii materiałowej. Zaangażowanie w prace koła daje studentom

możliwość pełniejszej i szerszej realizacji prac przejściowych i dyplomowych w zakresie

tematyki związanej z kierunkiem studiów. Ponadto charakter działalności koła stwarza

różnorodne możliwości organizacyjne członkom koła np. opracowywanie wyników badań i ich

prezentacji zarówno podczas spotkań członków koła, jak również w trakcie zjazdów

integracyjnych czy wizyt w przedsiębiorstwach wykorzystujących nowoczesne technologie

produkcyjne. Jedną z form działalności dydaktycznej nowoczesnych uczelni, rozszerzającą

możliwości pozyskiwania wiedzy, jest uczestnictwo w konferencjach studenckich, które w

ostatnich latach przeżywają swój renesans. Jedną z takich propozycji jest Konferencja

Studenckich Kół Naukowych TalentDetector mająca na celu zintegrowanie środowiska

studenckiego i naukowego oraz młodej kadry śląskich ośrodków naukowych zajmujących się

tematyką dotyczącą technologii materiałowych. Jest to miejsce dające możliwość wymiany

doświadczeń, wiedzy, umiejętności oraz prezentacji dotychczasowego dorobku naukowego

rozwijające i poszerzające zainteresowania studentów w zakresie inżynierii materiałowej,

inżynierii powierzchni, biomateriałów i inżynierii biomedycznej, nanotechnologii, technologii

proekologicznych oraz komputerowej nauki o materiałach.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Effect of Fe addition on selected mechanical properties and corrosion resistance of Al-Y-Fe amorphous alloys R. Babilas, M. Spilka, W. Łoński, A. Radoń, P. Sakiewicz Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Division of Nanocrystalline and Functional Materials and Sustainable Pro-ecological Technologies Konarskiego 18a St., 44-100 Gliwice, Poland email: monika.spilka@polsl.pl Abstract: In this work, the effect of 4-6 at.% addition of Fe on the selected properties of Al-Y-Fe alloy was investigated. The prepared samples in the form of ribbons and plates were subjected to structural tests. The mechanical and magnetic properties of the tested alloys as well as the corrosion resistance of the materials were also determined. We expect that Fe addition will improve the mechanical and magnetic properties of Al-Y-Fe alloys. Keywords: Al-based metallic glasses; X-ray diffraction; Mössbauer spectroscopy; electrochemical measurements; magnetic properties 1. INTRODUCTION

Amorphous Al-based alloys are interesting materials due to their good mechanical properties. Alloys containing > 80 at.% Al constitute a group of materials promising for structural applications. These materials combine of high strength, hardness, corrosion resistance, light weight, conductance of electricity and flexibility. Addition of alloying elements (Fe, Y) in Al-based amorphous alloys improve glass-forming ability, thermal stability, enhance strength, ductility, corrosion resistance, magnetic properties and biocompatibility [1-5].

The mechanical properties of these alloys clearly result from the local atomic as well as the long-range structural order. An initial structural transformation of the alloys with Al content > 87 at. % leads to precipitation of fcc-Al nanocrystals in an amorphous matrix and results in composite materials achieving tensile strength of 1560 MPa [6]. 2. MATERIALS AND METHODS

The master alloy was prepared by induction melting the mixtures of commercially pure elements in ceramic crucible in an argon atmosphere. The amorphous samples in the form of ribbon were prepared by melt spinning at a wheel speed of 30 m/s, while the plates were prepared by the pressure casting.

The structure of melt-spun and as cast samples of Al88Y8-xFe4+x (x = 0, 1, 2) alloy was examined by X-ray diffraction method (XRD) and Mössbauer spectroscopy (MS).

The electrochemical corrosion investigations were conducted in 3.5% NaCl solution at room temperature. The corrosion resistance of samples in melt-spun and as-cast state was examined by polarization tests and electrochemical impedance spectroscopy (EIS).

The surface morphology of samples after electrochemical tests was analyzed using a scanning electron microscopy (SEM).

2 R. Babilas, M. Spilka, W. Łoński, A. Radoń, P. Sakiewicz

Moreover, the mechanical properties of Al88Y8-xFe4+x (x = 0, 1, 2) alloys in the melt-spun state were determined by static tensile strength tests and microhardness measurements. Study of magnetic properties included coercive force and saturation magnetization, which were determined from hysteresis loops.

3. RESULTS

The structure of studied Al-based alloys in as-quenched state was evaluated by X-ray diffraction method (Fig. 1). The XRD patterns of Al88Y8Fe4 and Al88Y7Fe5 ribbons show the sharp diffraction peaks corresponding to crystalline phases. The following phases have been identified: fcc-Al, Al3Y and Al3FeY2. The reduction of yttrium addition in the investigated alloys results in a greater amorphization of samples, hence the Al88Y6Fe6 alloy exhibit partially amorphous structure.

Figure 1. XRD patterns of Al88Y6Fe6, Al88Y7Fe5 and Al88Y8Fe4 alloys in a form of ribbon in as-quenched state Acknowledgements

The work was supported by National Science Centre, Poland under research project no.: 2018/29/B/ST8/02264. REFERENCES 1. Y. Wang, Y. Liu, Y. Li, B. An, G. Cao, S. Jin, Y. Sun, W. Wan, Crystallization of Al-based amorphous

alloys in good conductivity solution, J. Mater. Sci. Technol., 30 (2015) 1262-1270. 2. Y. Shen, J.H. Perepezko, Al-based amorphous alloys: Glass-forming ability, crystallization behavior and

effects of minor alloying additions, J. All. Compd. 707 (2017) 3-11. 3. H.W. Yang, M.J. Tan, R.D. Li, J.Q. Wang, Effect of minor V addition on Al88Y7Fe5 amorphous alloys, Appl.

Mech. Mater. 302 (2013) 76-81. 4. S. Engin, U. Büyük, N. Maras, The effects of microstructure and growth rate on microhardness, tensile strength,

and electrical resistivity for directionally solidified Al-Ni-Fe alloys, J. All. Compd. 660 (2016) 23-31. 5. H. Yang, L. Luo, Y. Shen, C. Li, Glass forming ability and thermal stability of Al-Y-Fe amorphous alloys,

J. Sh. Univ. Techn. 36 (2014) 498-502. 6. K. Saksl, P. Jóvári, H. Franz, Atomic structure of Al88Y7Fe5 metallic glass, J. Appl. Phys 97, 113507 (2005) 1-8.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Corrosion study of resorbable Ca-based bulk metallic glasses with gold and boron addition R. Babilas, D. Szyba Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Division of Nanocrystalline and Functional Materials and Sustainable Pro-ecological Technologies Konarskiego 18a St., 44-100 Gliwice, Poland email: rafal.babilas@polsl.pl Abstract: Calcium-based bulk metallic glasses due to their dissolution character can be used as resorbable implants. Moreover, they generate non-toxic degradation products in simulated body fluids. In this study, the effect of B and Au addition in Ca-Mg-Zn-Yb alloy on the glass-forming ability, corrosion behavior and mechanical properties was discussed. The corrosion studies were conducted in Ringer’s solution at 37°C. Keywords: Ca-based bulk metallic glasses; Electrochemical study; Hydrogen evolution; X-ray photoelectron spectroscopy; Electrochemical measurements 1. INTRODUCTION

Bioresorbable alloys are usually metals and metalloids that degrade safely within the human body. Magnesium-based alloys with zinc and calcium are a primary metallic materials in this category. They are often used as bioresorbable stents. Moreover, Ca-Mg-Zn alloys with boron, ytterbium and gold are a new family of bioresorbable materials that are applied as potential orthopedic implants [1-8].

The highest corrosion rate of currently prepared Ca-based alloys limited them in use as medical implants. The corrosion activity may be controlled by introduction of alloying elements like boron and gold. Therefore, the aim of the research is to study the effect of B and Au addition on glass-forming ability and active behavior of Ca-Mg-Zn-Yb metallic glasses in Ringer’s solution. 2. MATERIALS AND METHODS

The studies were performed on Ca32Mg12Zn38Yb18-2xBxAux (x=1,2 at.%) as-cast alloys in the form of plates. The base alloys were produced by induction melting of elements with purity of 99.9%. The plates with a length and a width of 10 mm and a thickness of 1 mm were fabricated by copper mold casting.

The corrosion behavior of the alloys was studied by hydrogen evolution and elelctrochemical polarization tests in Baxter Ringer’s solution (8.6 g/dm3 NaCl, 0.3 g/dm3 KCl, 0.48 g/dm3 CaCl2 . 6H2O) at 37 °C.

The electrochemical measurements were conducted in Autolab 302N workstation using the three-electrode cell with a sample as working electrode, a saturated calomel electrode (SCE) as reference electrode and a platinum rod as counter electrode. The corrosion resistance was evaluated by recording of the open-circuit potential (EOCP) variation for 3600 s for each sample. The corrosion potential (Ecorr) and corrosion current density (jcorr) was also determined by the Tafel extrapolation method.

3. RESULTS

Figure 1 shows the potentiodynamic polarization curves of the samples examined in Ringer’s

4 R. Babilas, D. Szyba

solution at 37 °C. The corrosion potential shifts towards the positive values with the increase of Au and B addition. Moreover, the corrosion current density shows the lowest value for alloy with 2 at.% of B and Au. The jcorr value of Ca32Mg12Zn38Yb14B2Au2 is 0.2 μA/cm2. Obtained value of jcorr is much more better than value of corrosion current density (190 μA/cm2) determined for Ca32Mg12Zn38Yb18 without gold and boron addition [9].

Figure 1. Polarization plots for Ca32Mg12Zn38Yb18-2xBxAux (x=1,2) in Ringer’s solution at 37 °C

REFERENCES [1] J. Schroers, B. Lohwongwatana, W.L. Johnson, A. Peker, New Au-based bulk glassy alloys with ultralow

glass transition temperature, gold based bulk metallic glass, Applied Physics Letters 87 (2005) 061912. [2] W. Zhang, H. Guo, M.W. Chen, Y. Saotome, C.L. Qin, A. Inoue, New Au-based bulk glassy alloys with

ultralow glass transition temperature, Scripta Materialia 61 (2009) 744-747. [3] Y.R. Lee, M.K. Han, M.K. Kim, W.J. Moon, H.J. Song, Y.J. Park, Effect of gold addition on the

microstructure, mechanical properties and corrosion behavior of Ti alloys, Gold Bulletin 47 (2014) 153-160.

[4] T.P. Shareena Dasari, Y. Zhang, H. Yu, Antibacterial activity and cytotoxicity of gold (I) and (III) ions and gold nanoparticles, Biochemical Pharmacology 4 (2015) 199.

[5] V. Ravi, A. Schissler, W. Chantrjaroen, C. Beecher, A. Razzak, R. Urak, S. Alas, Corrosion behaviour and biocompatibility of boron containing titanium alloys in simulated physiological environments, The International Journal of Corrosion Processes and Corrosion Control 47 (2012) 383-387.

[6] J. Neustadt, S. Pieczenik, Osteoporosis: Beyond Bone Mineral Density, NBI, 2012. [7] F.H. Nielsen, B.J. Stoecker, Boron and fish oil have different beneficial effects on strength and trabecular

microarchitecture of bone, Journal of Trace Elements in Medicine and Biology 23 (2009) 195-203. [8] F.H. Nielsen, S.L. Meacham, Growing evidence for human health benefits of boron, Journal of Evidence-

Based Integrative Medicine 16 (2011) 169-180. [9] R. Babilas, A. Bajorek, P. Sakiewicz, A. Kania, D. Szyba, Corrosion resistance of resorbable Ca-Mg-Zn-Yb

metallic glasses in Ringer's solution, Journal of Non-Crystalline Solids 488 (2018) 69-78.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Projakościowe zarządzanie wyrobem z wykorzystaniem wybranych metod i narzędzi doskonalenia R. Barcika, M. Jakubiec a Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Wydział Zarządzania i Transportu, Katedra Zarządzania email: rbarcik@ath.bielsko.pl; m.jakubiec@ath.bielsko.pl Streszczenie: Opracowanie przedstawia charakterystykę oraz zastosowanie wybranych metod i narzędzi doskonalenia w procesie zarządzania jakością wyrobu, w przedsiębiorstwie branży motoryzacyjnej. Składa się z dwóch części: teoretycznej i poznawczej. W części teoretycznej opisano popularne metody i narzędzia doskonalenia jakości w procesach w przedsiębiorstwie. W części poznawczej zaprezentowano sposób wykorzystania wybranych metod i narzędzi do usprawnienia zarządzania jakością wyrobu. Abstract: A paper presents description and use of methods and tools of improvement in process of product’s quality management, in automotive company. It was divided into two parts: theoretical and practical. In the first part described popular methods and tools of quality improvement in processes in companies. In the practical part of the paper presented use of selected methods and tools to improve product’s quality management. Słowa kluczowe: zarządzanie, jakość, doskonalenie 1. WSTĘP

Doskonalenie jakości w przedsiębiorstwach ewoluowało na przestrzeni ostatnich lat. Stan obecny na pewno nie jest skończony i katalog instrumentów jakości będzie systematycznie powiększany. Instrumenty doskonalenia jakości to wszelkie sposoby i przejawy nieustannego usprawniania procesów i działań realizowanych w przedsiębiorstwach. Kategoryzacja tych instrumentów pozwala wskazać: koncepcje, systemy, metody, czy narzędzia zarządzania jakością.

W niniejszym opracowaniu, które ma charakter teorio-poznawczy, w części teoretycznej zaprezentowano w formie syntetycznej wybrane instrumenty doskonalenia jakości, włączając w to: TQM, Lean management, Kaizen, Six Sigma, system zarządzania jakością, FMEA, QFD, SPC oraz narzędzia doskonalenia jakości. Stanowi to zdaniem autorów wspomniany katalog instrumentów jakości, który może służyć zarządzającym np. w kreowaniu decyzji o charakterze operacyjnym. W części poznawczej, opierając się na metodzie analizy przypadku Case study, przedstawiono zastosowanie niektórych metod i narzędzi doskonalenia w wybranym przedsiębiorstwie branży motoryzacyjnej. 1.1. Doskonalenie procesów i wyrobów

Instrumentarium doskonalenia jakości jest obecnie bardzo szerokie. Zaliczyć do niego można: koncepcje doskonalenia (m. in. TQM, Lean management, Kaizen, 6 Sigma), zasady zarządzania jakością (Deminga, wg normy ISO 9001), metody zarządzania jakością (projektowania i kontroli, benchmarking, reengineering), systemy zarządzania (jakością, środowiskiem, inne), narzędzia zarządzania jakością (tradycyjne, nowe, branżowe) i inne techniki, które stanowią przejawy doskonalenia procesów i działań (m. in. 5S, Just in Time, 5Why) (rys. 1).

6 R. Barcik, M. Jakubiec

Otoczenie zewnętrzne społeczne, ekonomiczne, prawne, polityczne

Przedsiębiorstwo (system)

Instrumenty doskonalenia

Koncepcje

Metody

Systemy

Narzędzia

Zasady ZJ

Procesy

Podmioty otoczenia

Klienci

Kooperanci

Konkurenci

Organizacje publiczne

Inne zainteresowane

strony

Wzajemne oddziaływanie

Rysunek 1. Instrumentarium doskonalenia Figure 1. Instruments of improvement LITERATURA 1. J. Frąś: Kompleksowe zarządzanie jakością w logistyce. Wyd. Wyższej Szkoły Logistyki, Poznań, 2013. 2. M. Jakubiec: Projakościowe zarządzanie przedsiębiorstwem. Wydawnictwo Difin, Warszawa, 2017. 3. T. B. Kalinowski: Innowacyjność przedsiębiorstw a systemy zarządzania jakością. Wyd. Oficyna a Wolters

Kluwer business, Warszawa, 2010. 4. R. Kolman: Różne odmiany jakości i ich praktyczne wykorzystanie. Wydawnictwo Placet, Warszawa, 2013. 5. W. Kubiński, M. Niekurzak, E. Kubińska-Jabcoń: Badanie towarów spożywczych. Wydawnictwo Naukowe

PWN, Warszawa, 2018. 6. K. Lisiecka: Systemy zarzadzania jakością produktów. Metody analizy i oceny. Wyd. Akademii Ekonomicznej

w Katowicach, Katowice, 2009. 7. A. Olszewski: Zarządzanie jakością w przemyśle spożywczym: podstawowe zagadnienia. Wydawnictwo

WNT, Warszawa, 2014. 8. R. Wolniak, B. Skotnicka: Metody i narzędzia zarządzania jakością teoria i praktyka. Wydawnictwo

Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2011.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Micromagnetic simulations of nanofibers with stochastic orientations T. Błachowicza, C. Döpkeb, A. Ehrmannb

a Politechnika Śląska, Instytut Fizyki, Centrum Naukowo-Dydaktyczne, Gliwice, Polska b Bielefeld University of Applied Sciences, Faculty of Engineering and Mathematics, ITES, Bielefeld, Niemcy e-mail: tomasz.blachowicz@polsl.pl Abstract: Electrospinning can be used to create nanofibers with diameters of typically a few tens to a few hundred nanometers. While often pure polymers are electrospun, it is also possible to use polymer blends or to include nanoparticles. In this way, e.g., magnetic nanofiber networks can be created with a certain diameter distribution, random orientations and crossing positions. Here we present micromagnetic simulations of such stochastic nanofiber networks. Magnetization reversal mechanisms are investigated with respect to crossing point geometries; mutual influences of neighboring magnetic fibers due to dipolar interactions are depicted. This study serves as a base for the possible use of such stochastic nanofiber networks in the research area of neuromorphic computing. keywords: micromagnetic simulations, magnetic fibers networks, electrospinning. 1. INTRODUCTION

Magnetic nanofibers can be created, e.g., by electrospinning of polymers with included magnetic nanofibers [1,2]. Such nanofiber networks can be used in neuromorphic computing, but are also of high interest in basic research since they combine bent nanofibers with stochastic overlapping and crossing points [3].

Until now, however, no simulations of stochastically ordered nanofibers can be found in the scientific literature. Here we give a first overview of possible magnetization reversal processes and the influence of crossing point geometries as well as fiber cross-sections.

2. EKSPERIMENTAL

Micromagnetic simulations were based on OOMMF (Object Oriented MicroMagnetic Framework) [4]. Fe was chosen as magnetic material since former simulation revealed interesting magnetization reversal processes in Fe nanodots [5]; typical literature values were chosen as material parameters. Different geometries of stochastic fiber crossing points were adopted from SEM (scanning electron microscopy) images of real electrospun magnetic nanofiber mats and simulated for diverse magnetic field orientations.

Besides, the thicknesses of the nanofibers were varied between round and strongly elliptical cross-sections. The latter can be produced by pressing the electrospun nanofiber mats under different conditions. 3. RESULTS

Fig. 1 depicts a magnetization reversal process of an arbitrarily chosen part of a magnetic nanofiber mat. It is clearly visible that due to the shape anisotropy, magnetization reversal occurs firstly in the thicker “vertical” fiber, while stronger external magnetic fields are necessary to switch magnetization also in the thinner “horizontal” fibers.

8 T. Blachowicz, C. Döpke, A. Ehrmann

Figure 1. Magnetization reversal process for an external magnetic field along 45° from “lower left” to “upper right” orientation.

These separate magnetization reversal processes can also be recognized in the hysteresis loops, as depicted in Fig. 2. Here, the influence of the fiber thickness is also visible, underlining the possibility to influence the magnetic properties of such nanofiber networks by mechanical treatment after the electrospinning process.

Figure 2. The longitudinal (left panel) and the transverse hysteresis loops widths for the 45 ° orientation of the sample (comp. Fig. 1). Acknowledgment

This work was supported by Volkswagen Foundation grant “Adaptive Computing with Electrospun Nanofiber Networks” no. 93679. REFERENCES 1. K.-H. Na, W.-T. Kim, D.-C. Park, H. G. Shin, S. H. Lee, J. S. Park, T. H. Song, W. Y. Choi, Fabrication and

characterization of the magnetic ferrite nanofibers by electrospinning process, Thin Solid Films 660 (2018) 358-364.

2. C. Döpke, T. Grothe, P. Steblinski, M. Klöcker, L. Sabantina, D. Kosmalska, T. Blachowicz, A. Ehrmann, Magnetic Nanofiber Mats for Data Storage and Transfer, Nanomaterials 9 (2019) 92.

3. T. Blachowicz, A. Ehrmann, Magnetization reversal in bent nanofibers of different cross-sections, Journal of Applied Physics 124 (2018) 152112.

4. M.J. Donahue, D.G. Porter, OOMMF User’s Guide, Version 1.0, Interagency Report NISTIR 6376, National Institute of Standard and Technology, Gaithersburg, MD (1999).

5. A. Ehrmann, T. Blachowicz, Vortex and double-vortex nucleation during magnetization reversal in Fe nanodots of different dimensions, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 475 (2019) 727-733.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Ocena możliwości zastąpienia łuski ryżowej krajowymi odpadami zbożowymi w zastosowaniach stalowniczych M. Borecki a, M. Niesler a, P. Różański a, J. Stecko a, W. Wittchen a a Sieć Badawcza ŁUKASIEWICZ Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica, email: imz@imz.pl Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki wstępnych prac badawczych nad możliwością zastąpienia w materiałach izolacyjno-ocieplających łuski ryżowej krajowymi odpadami z przetwórstwa zbóż i innych odpadami z przemysłu spożywczego. Zbadano charakterystyki chemiczno-fizyczne wybranych odpadów w postaci otrąb i plew z wykorzystaniem między innymi dwuetapowej analizy termicznej (w atmosferze obojętnej i atmosferze utleniającej). Odpady zbożowe poddano pirolizie w temperaturze 800°C, a produkty tej operacji poddano różnorodnym badaniom. Zasypkę wykonaną z odpadów zbożowych poddanych pirolizie zastosowano przy odlewaniu wlewka stalowego w warunkach laboratoryjnych. Abstract: The paper presents the results of preliminary research works on the possibility of replacement in insulating and warming materials of the rice husk with domestic grain processing waste. Chemical and physical characteristics of the selected waste in form of bran and chaffs were examined by means of inter alia two-phase thermal analysis (in inert and oxidizing atmosphere). Grain waste was subject to pyrolysis at the temperature of 800°C, and products of the said operations were subject to various examinations. Powder made of grain waste subject to pyrolysis was used in casting of steel ingot in laboratory conditions. Słowa kluczowe: zasypka odlewnicza, łuska ryżowa, krajowe odpady zbożowe 1. WSTĘP We współczesnym stalownictwie zużywa się duże ilości odpowiednio przygotowanej łuski ryżowej. Wykorzystywana jest ona samodzielnie jako zasypka izolacyjna do izolacji cieplnej ciekłej stali w kadziach pośrednich w procesie ciągłego odlewania stali albo samodzielnie lub jako składnik zasypek stosowanych przy odlewaniu wlewków konwencjonalnych. Zasypka izolacyjna ma za zadanie maksymalnie zminimalizować straty ciepła w nadlewie wlewka i tym samym zmniejszyć obszar zalegania jamy usadowej, a w kadzi pośredniej, zminimalizować spadek temperatury odlewanej stali. W Sieci Badawczej ŁUKASIEWICZ Instytucie Metalurgii Żelaza wykonano kilka prac badawczych mających na celu określenie możliwości zastąpienia łuski ryżowej krajowymi odpadami biomasowymi. Podstawą ich wykonania było założenie, że po odpowiednim przygotowaniu, do tego celu będzie można wykorzystać odpady z przetwórstwa zbóż w postaci otrąb i plew. Jak dotąd część tych odpadów jest wykorzystywana do produkcji pasz lub jako paliwo, a część trafia na składowiska odpadów. 2. WYMAGANIA STAWIANE ZASYPKOM IZOLUJĄCO-OCIEPLAJĄCYM Wszystkie materiały stosowane w charakterze zasypek izolacyjnych, zarówno do odlewania stali na wlewki lub w kadzi pośredniej urządzeń do ciągłego odlewania stali, powinny charakteryzować się niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła. Zasypki w kontakcie z ciekłą stalą przyjmują budowę warstwową. Materiał bezpośrednio kontaktujący się z ciekłą stalą nadtapia się, tworząc warstwę żużla. Kolejna warstwa zasypki ma postać spieczoną, a na powierzchni zwykle występuje warstwa sypka. Grubości poszczególnych warstw zależą od składu chemicznego, granulometrycznego i mineralogicznego danej zasypki. Układ taki charakteryzuje się zmiennością współczynnika przewodzenia ciepła. Wartość współczynnika przewodzenia ciepła proszkowych zasypek, będącego funkcją temperatury, zmienia się od 0,05÷0,2 W/m K dla temperatury pokojowej, do 0,3÷2,0 W/m K w temperaturze 1000°C. Tworzący się po stopieniu zasypki ciekły żużel charakteryzuje się dwu- do czterokrotnie wyższym przewodnictwem cieplnym. Dlatego też w warstwie zasypki pokrywającej zwierciadło metalu dla izolacji cieplnej decydujące znaczenie ma warstwa proszkowa [1-3]. O jakości zasypki

10 M. Borecki, M. Niesler, P. Różański, J. Stecko, W. Wittchen

decyduje szereg nakładających się na siebie i zależnych od siebie parametrów fizykochemicznych [4]. Poddana pirolizie łuska ryżowa jest często stosowana jako zasypka izolacyjno-ocieplająca w procesach stalowniczych. Do tej pory nie ustalono jednoznacznych kryteriów oceny jakości zasypek. Podstawową trudność stanowią różnice pomiędzy warunkami działania zasypki w praktyce przemysłowej (nieustalone warunki przepływu energii), a warunkami badań laboratoryjnych (przy najczęściej ustalonym przepływie) [5]. 3. MATERIAŁ, ZAKRES I WYNIKI BADAŃ Do przeprowadzenia badań wytypowano materiały odpadowe z przetwórstwa zbóż w postaci otrąb (występujących także pod nazwą łusek) i plew. Otręby są produktem powstałym z przemiału zbóż, w skład których wchodzi w głównej mierze zewnętrzna warstwa ziarna. Plewy to liście przykwiatowe kłoska, otulające lub podpierające cały kłosek w kwiatostanie zbóż. Podstawowym składnikiem wpływającym na przydatność danego materiału jest krzemionka organiczna, która różni się od mineralnej obecnością jednego lub kilku atomów węgla w połączeniu z wodorem. Pozostałe to głównie węgiel i jego związki. Próby pirolizy wykonano ogrzewając dany odpad w atmosferze azotu do temperatury 800°C i wytrzymując w niej przez 20 minut. Wyniki analizy chemicznej wskazują, że po procesie pirolizy, zdecydowanie najwięcej krzemionki znajduje się w łusce prosa – ponad 27% (łuska ryżowa ok. 40%), a następnie pszenicy ok. 18%, a najwięcej węgla w łusce gryki – ok. 88%, ale niewiele ustępują im otręby owsiane 84%. Łuska prosa po pirolizie jest podobna do łuski ryżowe, ale nieco ziarna są nieco mniejsze rys. 1 [6].

a) b) Rysunek.1. Przykłady odpadów po procesie pirolizy: a) łuska ryżowa, b) łuska prosa. Figure. 1. Examples of waste following pyrolysis a) rice husk, b) millet husk

Ponadto stwierdzono, że otręby jęczmienne, pszeniczne, żytnie i kukurydziane po procesie pirolizy są bardzo podobne i w wyglądzie najbardziej przypominają łuskę ryżową. W wyniku przeprowadzonych analiz stwierdzono co prawda zróżnicowanie pod względem parametrów fizycznych i chemicznych produktów pirolizy poszczególnych odpadów zbożowych, ale nie stwierdzono cech, które dyskwalifikowałyby któryś z nich. Materiały nadają się do dalszych testów i badań, zarówno jako składniki podstawowe, jak i uzupełniające zasypek. Konieczne wydaje się indywidualne podejście do poszczególnych materiałów w zależności od ich charakterystyki. Podczas testu laboratoryjnego wykonanego podczas 25 kg wytopu staliwa w piecu indukcyjnym z zastosowanie zasypki skomponowanej z krajowych odpadów zbożowych i popiołu z elektrowni uyskany efekt (jama skurczowa) był porównywalny z wynikami uzyskanymi podczas stosowania łuski ryżowej. Dotychczasowe wyniki wskazują, że poszczególne odpady zbożowe można będzie mieszać ze sobą, jak i z innymi materiałami mineralnymi i paliwami, komponując zasypki o określonych parametrach (izolacji cieplnej, rozsypliwości czy egzotermiczności).

4. PODSUMOWNIE W ramach pracy wykonano wstępne badania pod kątem możliwości wykorzystania krajowych odpadów zbożowych w składzie zasypek odlewniczych, w miejsce powszechnie stosowanej palonej łuski ryżowej. Na podstawie wykonanych badań stwierdzono, że krajowe odpady zbożowe, takie jak otręby (łuski) pszenicy, żyta, jęczmienia, owsa kukurydzy, gryki, prosa i słonecznika nadają się do stosowania w roli wartościowej alternatywy dla łuski ryżowej w składzie zasypek odlewniczych. Odpady zbożowe i inne odpady roślinne przed wykorzystaniem w składzie zasypek odlewniczych muszą być poddane procesowi pirolizy, w czasie którego należy uzyskać pożądaną proporcję części mineralnych (stanowiących izolację ciepną) i węgla (będącego czynnikiem energetycznym).

LITERATURA 1. J. Pogorzałek, M. Borecki, A. Mazur: Sprawozdanie IMŻ nr S0-00294/BS (2000) 2. T. Kuźnik, E. Buła: Sprawozdanie IMŻ nr PC-00027/2/BS (1995) 3. K. Mamro, Sz. Chudoba, J. Iwanciw i inni: Sprawozdanie AGH nr 1.110,290, Kraków, (1995) 4. M. Bólski: Sprawozdanie z Pracy Rady Naukowo-technicznej Huty Katowice, s. 5, czerwiec (1985) 5. J. Starczewski, A. Michaliszyn: Hutnik – Wiadomości Hutnicze, nr 2, s. 42-45, (1994) 6. P. Knapik, W. Spiewok: Sprawozdanie IMŻ nr BW-0005/BC, Gliwice (2011)

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Integration of advanced experiments, computation and data for Duplex Stainless Steel joining innovation – the new UE project on Silesian University of Technology Z. Brytan, M. Bonek, T. Tański a Silesian University of Technology, Mechanical Engineering Faculty, The Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Division of Materials Processing Technologies, Management and Computer Techniques in Materials Science. email: zbigniew.brytan@polsl.pl Abstract: The paper briefly describes the aim and objectives of the international project: Integration of advanced experiments, computation and data for Duplex Stainless Steel joining innovation (i-Weld) that is currently running on Silesian University of Technology. The main scientific and general objectives of the project were described. The i-Weld project aims to collaboratively research on welding of duplex stainless steel (DSS) through modern data system/sharing, experiments and predictive physical modelling for developing new materials and processing regimes. The project will establish a systematic data system for the key physical structure/phases relative to the welding and corrosion of DSS. The project will establish the optimum welding regimes for enhanced mechanical and corrosion performance with the aids of hybrid computer aid design and manufacturing (CAD/CAM) and physical based material modelling. Key words: Welding, Duplex Stainless Steel, Big Data, Digital Welding Description of the i-Weld project

Integration of advanced experiments, computation and data for Duplex Stainless Steel joining innovation (i-Weld) is the title of currently running international project H2022, RISE action, were the Silesian University of Technology (SUT) is a partner.

The purpose of this exchange program is to bring together an EU and international team of researchers with a wide variety of expertise and research establishment in welding and joining, materials developments and characterisation, computer aided engineering, physical/chemistry based predictive modelling and data science to tackle the challenges faced by the industry and academics for R&I in duplex stainless steels. This requires specialist knowledge and innovation, advanced equipment and cost-effective solutions that will benefit from a collaborative approach. The proposed research covers the fundamental studies of welding of duplex stainless steels in similar and dissimilar material systems as well as developing new technologies and materials. The project involves 8 partners with an extensive exchange of researchers over 4 years to fully explore the complementary strength and synergies within the consortium.

The good combination of strength and corrosion resistance of duplex stainless steels (DSS) is through a combination of ferrite and austenite structure, balanced compositions and treatment. However, the structure and composition features, thus the beneficial properties, could not be maintained in the welding process, which is the main assembly method in duplex stainless steels structure fabrication. Welding process is a complex process in which the fusion zones and the adjacent heat affected zones undergoes a complex thermal and physical history resulting in a structure significantly different from the originally designed composition and structure of the base DSS. This often adversely affects the mechanical and the corrosion resistance. Many works also show that corrosion resistance and fracture toughness of DSS is affected by the welding conditions. These influencing material factors could be related to the welding machines/methods, welding control, pre or post-weld treatment, human operation or gas atmosphere. These complex issues reported have highlighted the urgent need for

12 Z. Brytan, M. Bonek, T. Tański

enhancing the fundamental understanding and improving welding process in many different welding processes and applications. The proposed project aims to systematically research/investigate on welding of duplex steels for a range of welding methods with modern technologies of data sharing, experiments, predictive modelling as well as develop new materials and processing methods/regimes.

Scientific Objectives of the i-Weld project

The main scientific objectives of the project include: 1. To investigate the structure and properties of DSS in different welding processes, integrating high quality large

scale data of composition, microstructure, phase ratio (ferrite/austenite) of the fusion zones and heat affected zones, with detailed welding conditions. The work will establish a comprehensive data system of structure and properties of different welding processes of DSS. The work will incorporate the data from joint works as well as developing new approaches to extract new in-depth data relevant to the welding and service of DSS for both research and industry applications.

2. To establish surface treatment and corrosion data of DSS welds and investigate the effect of composition and structure of the HAZ on the corrosion resistance in standard tests and special application specific conditions. The new data which is complimentary to conventional available industrial data, is key to establishing the critical corrosion limiting structural parameter (e.g. ratio between the ferrite/austenite, critical size of the secondary particle) supported by testing on special samples from controlled thermal histories.

3. To develop practical computer aided engineering (CAE) templates and advanced data of welding of duplex steels with detailed mechanical-thermal-physical data through advanced testing and inverse modelling for optimising the cooling process of the HAZ.

4. To establish the effect of element solutions on the fundamental physical and interface parameters of primary (Ferrite and Austenite) and the precipitation phases in the welding process through quantum mechanics modelling (First principle calculation) and the effect of secondary phase on the ferrite-austenite nucleation and corrosion.

5. Jointly develop methods to optimise the welding process of DSS systems of dissimilar/hybrid DSS systems for weight reduction supported by the data and modelling system developed.

6. Based on the data/outcomes from previous scientific objectives, develop a Digital Welding Knowledge system for DSS/dissimilar materials and integration with digital manufacturing. Establish industry research and innovation focused data system and performance-based design guidelines, recommendations and specifications for the welding and tests of duplex steels with various specific applications.

General Objectives of the i-Weld project

The exchange programme also has the following general objectives: I. Draw together the very best academic research teams from the EU and Asian countries with diverse multi-

disciplinary and inter-disciplinary skills and expertise in the fields of materials, manufacturing, chemistry, materials science, structures, civil engineering, materials modelling, big data and data sharing.

II. Build joint collaborative projects for developing a cost-effective welding procedure of duplex stainless steel and materials by using novel duplex steels and innovative processing systems.

III. Create a platform for research training and the transfer of knowledge activities, both within the network domain and towards the public domain, crossing inter-sector boundaries to ensure that there is a sufficient number of people trained in this essential field to meet the challenges ahead, and to ensure the EU’s leading position in the world.

IV. Disseminate knowledge to the larger international community to maximize the impact of this network and ensure the academic and industrial relevance of its research activities.

V. Provide researchers, young researchers in particular, an intensive training-through-research programmes as well as the training in complementary skills in order to become trainers of the future in a multi-disciplinary field of academic, industrial and societal importance; and as such improving the young researcher’s career perspectives.

VI. Establish collaborative mechanisms for long-term partnerships between EU and Asian researchers and institutes, on the research into duplex stainless steels to address the issues of further weight saving with balanced mechanical and corrosion resistance.

ACKNOWLEDGEMENTS This project has received support from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation

programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement “i-Weld” No 823786.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

New technology solutions for 3D printing of metals and composite materials Z. Brytan, T. Tański, M. Król, P. Snopiński, D. Łukowiec, Ł. Krzemiński, M. Bilewicz a Silesian university of Technology, Mechanical Engineering Faculty, The Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Division of Materials Processing Technologies, Management and Computer Techniques in Materials Science. email: zbigniew.brytan@polsl.pl Abstract: The paper describes the aim and selected results of the international project: Innovative and additive manufacturing technology – new technological solutions for 3D printing of metals and composite materials, that is currently running on Silesian University of Technology. The main scientific and research activities in the field of 3D printing from metallic powders by Selective Laser Melting technology and composite materials were presented. Several case studies of 3D printed parts were presented. Key words: 3D printing, 1. DESCRIPTION OF THE PROJECT

Innovative and additive manufacturing technology – new technological solutions for 3D printing of metals and composite materials is the title of currently running international project, were the Institute of Engineering Materials and Biomaterials of Silesian University of Technology (SUT) is a partner.

The aim of the project is to create a unique research platform in the field of "Innovative additive production technologies" dealing with interdisciplinary issues that will support and strengthen long-term intersectoral cooperation. The main idea of the project is to develop cooperation between research units and the industrial sector as part of joint research and development. The project focuses on research work in the field of 3D printing of metal powders by means of selective laser melting technology (SLM) and fused deposition modelling (FDM). Additive manufacturing is a multidisciplinary issue requiring joint solutions of designers, technologists, meteorologists, metallographers, surface engineers and other specialists with high technical education. Also related to 3D printing are other necessary processes, namely a new creative approach to designing (use of topological optimization and design of bionic structures), preparation of manufacturing and the manufacturing process, and post-processing (heat treatment, chip machining on CNC machine tools, surface treatment, 3D measuring and 3D scanning).

The key activities of the project are aimed at ensuring the bilateral transfer of unique knowledge, experience and know-how of the entities involved, preparation and development of a long-term strategy for cooperation between research units and the industrial sector, conducting joint research work, strengthening existing cooperation and developing new cooperation with the industrial sector - entities based in the ITI Ostrava agglomeration and the creation and development of a joint research centre. The added value of the project is to develop new technological solutions (3D printing of metals and composite materials) and innovative technologies, considering the current technical and technological requirements in the engineering industry. The project will enable the creation of a unique research team capable of implementing specific practical tasks and conducting a two-way transfer of knowledge, experience and research results to the industrial sector and final applications.

The project consortium consists of research units: VŠB-Technical University of Ostrava (Czech Republic) - project leader, Klast aditivní výroby, zs (Czech Republic), Fraunhofer Institut für Werkzeaugmaschinen und Umformtechnik IWU (Germany), Silesian University of Technology – SUT (Poland), University of Žilina (Slovakia) and industrial partners: V-NASS, as, Vítkovice - výzkum a vývoj - technické aplikace as, BREBECK Composite sro, dk metal prominent sro, Advanced Metal Powders, sro.

14 Z. Brytan, T. Tański, M. Król, P. Snopiński, D. Łukowiec, Ł. Krzemiński, B. Tomiczek

The project is funded by the European Union of the Czech Republic under the European Structural and Investment Funds, Operational Programme Research, Development and Education in 2018-2021.

1. EXAMPLE RESEARCH ACTIVITY

As part of the project, numerous works related to 3D printing technology are carried out in SUT, including,among others manufacturing of Maraging steel by the SLM method. Maraging steels have high strength and good ductility, and hence have been broadly used in aerospace and machining areas for many years. High-strength 18Ni-300 Maraging steel parts were produced by selective laser melting (SLM) additive manufacturing using an AM125 machine delivered by Renishaw equipped with an Ytterbium fibre laser. The variations in densification behaviour, microstructure and hardness using various process conditions while maintaining a constant level of linear energy density was studied. Th basic analyses were carried out to examine the influence of processing SLM parameters with constant linear energy and aging heat treatment on the structure, relative density, hardness and phase composition of SLM Maraging 18Ni-300 steel. The main conclusions are noted below: • A notable variation is determined in relative density as a result of the high intensity of pores and voids between scanning lines. The highest relative density approx. 99.3 % was found for component manufactured at 30 µm of layer thickness and 340 mm/s laser speed and 120 µm of hatch distance.• The structural and X-ray diffraction analysis showed that the chosen temperature and aging time does not cause the partial reversion of martensite into austenite.• using SLM process almost fully dens Maraging steel can be manufactured. The as-built SLM Maraging steel had a well-made cellular structure.• The strength of SLM Maraging steel was improved through the aging treatment. The high hardness of the SLM Maraging steel can be guarantee by optimal aging condition (480 ºC for 5 h in this work).

The next studies were focused on the phase transition of SLM Maraging 18Ni-300 steel. Heating and cooling cycles were conducted in the DIL805 A/D dilatometer. For these tests, heating was carried out under low vacuum, approximately 10-1 mbar with heating rates of 10, 15, 20, 30 and 60 °C/min. Changes in length (∆L) and temperature (T) were measured during heating for each heating rate. During the heating and cooling thermal cycling, three phase transformations in the Maraging steels may be observed: precipitation, martensite reversion and martensitic transformation. These activation energies were determined through the linear thermal expansion coefficient α. Microstructural changes were observed by various techniques, such as, optical microscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffraction.

The results have shown that the precipitation mechanism for the material in the studied range is by lattice diffusion. The lattice diffusion mechanism in the martensite reversion is influenced heating rate. For higher heating rates the shear mechanism prevails in Maraging steels. The martensite to austenite transformation in Maraging 300 steel shows a tendency to split into two steps as the heating rate is decreased. The first step of this transformation, enhanced by a slow heating rate, occurs through a diffusion process, while the second step, occurs through a shear process.

The presently running studied concerns evaluation of corrosion resistance of SLM Maraging 18Ni-300 steel by means of electrochemical measurements: potentiodynamic polarization tests and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in 1M NaCl solution.

Knowledge about the influence of SLM process parameters and subsequent heat treatment on mechanical properties and corrosion resistance of Maraging 18Ni-300 steel can encourage potential manufacturer to produce components of the highest quality and desired properties by means of 3D printing.

ACKNOWLEDGEMENTS Work has been done in under the project Innovative and additive manufacturing technology - new

technological solutions for 3D printing of metals and composite materials, reg. no. CZ.02.1.01/0.0/0.0/17_049/0008407 financed by Structural Founds of Europe Union.

REFERENCES

1. M. Król, P. Snopiński, D. Łukowiec, Ł. Krzemiński, B. Tomiczek, T. Tański, Selective laser melting of 18Ni-300 Maraging steel: structure and density, (in print).

2. M. Król, P. Snopiński, The phase transitions in selective laser melted 18Ni (300 grade) Maraging steel, (inprint).

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Effect of hot isostatic pressing on porosity and properties of 316 L stainless steel prepared by selective laser melting method T. Cegana, J. Hajnysb, J. Juricaa, M. Pagacb, L. Horsakc, K. Skotnicovaa

a VSB-Technical University of Ostrava, Faculty of Materials and Technology b VSB-Technical University of Ostrava, Faculty of Mechanical Engineering c VŠB-Technical University of Ostrava, Center of Advanced Innovation Technologies E-mail: tomas.cegan@vsb.cz Conclusions: 316 L stainless steel samples were prepared by selective laser melting method using different laser performance, scanning speed and layer creation strategy. The prepared samples contained different internal porosity levels varying from 0.1 to 2 vol. % depending on the preparation conditions. The hot isostatic pressing caused a significant decrease in porosity to 0.1 vol. % for all prepared samples and increase of its density. The decrease of porosity and influence of the applied pressure during hot isostatic pressing on the microstructure and tensile properties was determined and discussed. Abstract: The hot isostatic pressing is a technique of applying high pressures through a fluid medium at high temperatures to enclosed powders, castings and pre-sintered metal parts to eliminate the porosity. Due to uniform volumetric shrinkage expected from this process, it can be a useful post-processing technique for complex-geometry parts fabricated using Additive Manufacturing (AM) technique. The aim of this paper is to study the effect of hot isostatic pressing on porosity, microstructure and tensile properties of 316 L stainless steel prepared by selective laser melting method. Key words: 3D printing, SLM, AISI 316L, hot isostatic pressing, microstructure, tensile strength 1. Introduction New progressive technologies in the engineering industry are increasingly demanding the mechanical, geometric, internal structural and surface properties. A typical representative of such progressive technology is an additive manufacturing (AM), which works on the principle of layer-by-layer. Selective Laser Melting (SLM) is the most commonly used method for forming metal parts, where the starting material is in powder form. Thanks to this technology, it is possible to create variously complicated and lightweight components, which are very difficult to produce by conventional technologies. On the contrary, one of the shortcomings of SLM is the emergence of internal porosity, which is caused by insufficient or imperfect melting of particles, or due to gas entrapment by surface turbulence [1]. Imperfect melting of the particles is due to the small variance of the energy density of the laser across the surface of the layer, which can be partially corrected by changing the process parameters, in the case of turbulent capture the gas, where evaporation of the material or gas of the protective atmosphere leads to porosity can be very hard to correct. The present article is aware of this fact and one of the main objectives of this article is trying to reduce or remove the internal porosity of the printed parts with using a hot isostatic pressing (HIP) as a post-process technology. This technology, due to high pressure, temperature and sufficient time, allows the material to flow together in a solid state to form bonds at the atomic level, thus changing the microstructure and reducing porosity [2].

2. Materials, methods and devices

The six sets of samples were prepared to study the effect of different print parameters on the microstructure and porosity of the printed components. Sets of tensile test samples with identical print parameters were printed in parallel. The samples were made on Renishaw AM400 made of AISI 316L stainless steel atomized powder with

16 T. Cegan, J. Hajnys, J. Jurica, M. Pagac, L. Horsak, K. Skotnicova

average particle size 45 ± 15 μm under argon atmosphere (see Figure 1). The 3D printed samples were subsequently subjected to the hot isostatic pressing (using capsule-free wrapping) at 1125 °C under different levels of pressure for 4 h. The microstructure of 3D printed and HIPed samples was observed by light microscopy on the microscope Olympus GX51 equipped with digital camera Olympus DP12 (OM) and by scanning electron microscopy on microscope QUANTA FEG 450. The porosity was determined by different techniques including image analysis from digitalised micrographs using computer image analysis, and the combination of double weighing method based on Archimedes principle and the gas pycnometer method. Tensile tests was conducted on Instron 8802 testing machine. 3. Results A fine cellular-dendritic microstructure could be observed in the SLM-fabricated samples as shown in Figure 2. This is a common characteristic for metal materials fabricated by AM processes as a result of the rapid solidification rates in the locally melted areas (selectively laser-scanned regions) which were experienced because of short laser-material interaction time during the build process. All prepared samples showed the porosity and structural defects, the proportion of which was highly influenced by the used preparation parameters (see Figures 3, 4). Table 1 shows the measured values of porosity. As can be seen in the table, the prepared samples showed different values of internal (closed) and total porosity from 0.1 and 1.5 to 2 and 6.7 vol. % respectively. After HIP the internal porosity levels were decreased to 0.1 vol. % for all samples (Figure 5), while open porosity was not significantly eliminated, which is typical after HIP. A similar results were also obtained after measuring of porosity by the image analysis.

Fig. 1 SEM images of the stainless steel powder (BSE) Fig. 2 SEM image of the microstructure of sample 2 after 3D printing (SE)

Fig. 3 SEM image of the structural defect in the sample 4 (SE)

Table 1 measured pycnometric values of total porosity (P), closed porosity (Pcl) and open porosity (Pop) (all values in vol %)

LITERATURE 1. DEEV, A. A. Anisotropy of Mechanical Properties and its Correlation with the Structure of the Stainless

Steel 316L Produced by the SLM Method, Physics Procedia, Volume 83, 2016, Pages 789-796, ISSN 1875-3892.

2. LAVERY, N.P. Effects of hot isostatic pressing on the elastic modulus and tensile properties of 316L parts made by powder bed laser fusion. Materials Science and Engineering: A. 2017, 693, 186-213. DOI: 10.1016/j.msea.2017.03.100. ISSN 09215093.

Fig. 4 OM image of porosity in the sample 5 after 3D printing

Fig. 5 OM image of sample 5 after HIP

Sample After 3D print After HIP

Pcl Pop P Pcl Pop P

1 0.1 1.8 1.9 0.2 1.3 1.5

2 0.2 2.0 2.2 0.1 1.3 1.4

3 0.8 2.0 2.8 0.1 1.9 2.0

4 1.1 1.9 3.0 0.1 2.4 2.5

5 1.4 2.9 4.2 0.1 2.8 2.9

6 2.0 5.0 6.9 0.1 6.6 6.7

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ modyfikacji chemicznej oraz wygrzewania na morfologię i własności ochronne warstw fosforanowych wytworzonych na stopie AM60 K. Cesarz-Andraczke a,1, D. Paczułaa,2, M. Kolasińskaa,3, P. Nuckowskib,4 R. Babilasa,5

a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Materiałów Nanokrystalicznych i Funkcjonalnych oraz Zrównoważonych Technologii Proekologicznych b Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Technologii Procesów Materiałowych, Zarządzania i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie 1 katarzyna.cesarz@polsl.pl (corresponding author) 2 dariiap94@gmail.com 3 monakol@wp.pl 4 pawel.nuckowski@polsl.pl 5 rafal.babilas@polsl.pl Streszczenie: Celem pracy było określenie wpływu modyfikacji chemicznej i wygrzewania na morfologię warstw fosforanowych na stopie AM60. W praktyce celem wytwarzania warstw fosforanu wapnia na stopach magnezu jest zmniejszenie szybkości wydzielania wodoru podczas korozji w wodnym środowisku. Próbka stopu AM60 z warstwą wytworzoną w kąpieli bazowej oraz w kąpieli z dodatkiem KNO3 uwolniła najmniejszą ilość wodoru po 120 godzinach zanurzenia w roztworze Ringera w temperaturze 37 ° C. Abstract: The aim of work was to determine effect of chemical modification and annealing on the morphology and properties of phosphate layers on AM60 alloy. In practice, the aim of the calcium phosphate layers on magnesium alloy is reduction the hydrogen evolution rate. The sample of AM60 alloy z with a layer performed in the base bath and in a bath with the KNO3 addition released the smallest amount of hydrogen after 120h of immersion in a Ringer solution at 37˚C. Słowa kluczowe: stopy magnezu, warstwy fosforanowe, badania immersyjne, wydzielanie wodoru. 1. WSTĘP

Jednym z materiałów, które są rozpatrywane jako tworzywo na krótkookresowe resorbowalne implanty ortopedyczne są stopy magnezu. Główną barierą w stosowaniu stopów magnezu do krótkoterminowych implantów ortopedycznych jest uwalnianie gazowego wodoru w środowisku płynów ustrojowych. Tworzenie pęcherzyków gazu H2 wokół implantu może opóźnić gojenie się tkanki. Ewolucja wodoru zwiększa pH płynów ustrojowych, co z kolei powoduje alkalizację lokalnego środowiska implantacji [1].

Obecnie stosuje się różne rodzaje warstw ceramicznych w celu zwiększenia odporności na korozję stopu Mg, biokompatybilności i szybkości regeneracji tkanek. Powszechnie stosowanymi grupami materiałów na warstwy ochronne są fosforany wapnia (Ca-P). Są one naturalnie obecne w strukturach biologicznych, np. zęby i kości. Ze względu na swoją bioaktywność, biokompatybilność i osteokondukcję związki Ca-P jest stosowana jako substytut tkanek, wszędzie tam, gdzie konieczne jest odbudowanie uszkodzonej kości. Jego dodatkową zaletą jest to, że jego degradacja zachodzi poprzez uwalnianie Ca i P, co dodatkowo wspiera proces gojenia [2,3].

18 K. Cesarz-Andraczke, D. Paczuła, M. Kolasińska, P. Nuckowski, R. Babilas

1.1. Materiał do badań Stop AM60 pocięto na prostopadłościenne elementy na przecinarce Discotom -2 firmy Struers, a powierzchnię

szlifowano na papierze ściernym o ziarnistości 220 (SiC).Fosforanowe warstwy ochronne uzyskano przy użyciu metody chemicznej mokrej. Sporządzono cztery kąpiele fosforujące o następującym składzie chemicznym: kąpiel AI: Ca(NO3)2 • 4 H2O + NaH2PO4 • 2H2O + woda destylowana, kąpiel AII: Ca(NO3)2 • 4 H2O + NaH2PO4 • 2H2O + KNO3 + woda destylowana, kąpiel AIII: Ca(NO3)2 • 4H2O + NaH2PO4 • 2H2O + KCl + woda destylowana, kąpiel AIV: Ca(NO3)2 • 4H2O + NaH2PO4 • 2H2O + KNO3 + woda destylowana + wygrzewanie (150°C przez 3h). Obserwacje struktury oraz morfologii wytworzonych warstw na stopie AM60 przeprowadzono za pomocą wysokorozdzielczego skaningowego mikroskopu elektronowego SUPRA 35 firmy Carl Zeiss z detektorem SE2. Zastosowano napięcie przyspieszające o wartości 3kV. W celu wyznaczenia objętości wydzielonego wodoru w czasie zanurzenia próbek stopu AM60 oraz próbek stopu z wytworzonymi warstwami ochronnymi wykonano badanie immersyjne w roztworze Ringera w temperaturze 37°C. 1.2. Wyniki badań

Warstwy wytworzone na próbce AI (rys.1a) i na próbce AIV (dodatek KNO3, rys.1b) są bardzo podobne. Charakteryzują się płatkową morfologią. Dodanie KCl do kąpieli fosforującej spowodowało zmianę struktury płatkowej warstwy CaP (rys.1a) na dwa rodzaje struktur: chryzantemową i romboedryczną (rys.1c). Wygrzewanie powoduje zmianę budowy płatkowej (rys.1a) warstwy na łagodnie zakończone kryształy (rys.1d). Elementy tworzące tę warstwę są znacznie cieńsze i dłuższe niż dla warstwy wytworzonej w roztworze bez wygrzewania. Wykonano również badania korozyjne w roztworze Ringera próbek stopu z wytworzonymi warstwami. Struktura powierzchni wytworzonych warstw CaP mają wpływ na właściwości korozyjne w roztworze Ringera. Próbka stopu AM60 z warstwą wytworzoną w kąpieli bazowej oraz w kąpieli z dodatkiem KNO3 uwolniła najmniejszą ilość wodoru po 120 godzinach zanurzenia w roztworze Ringera w temperaturze 37°C.

Rysunek 1. Obrazy SEM morfologii powierzchni próbki z warstwą wytworzoną w kąpieli AI (a), AII (b), AIII (c), AIV (d) oraz wyniki badań immersyjnych (e). Figure 1. SEM images of the surface morphology samples with layer performed in bath AI (a), AII (b), AIII (c), AIV (d) and the results of immersion tests (e). 1.3. Podsumowanie

Związki potasu oraz wygrzewanie próbki powodują zmiany morfologii badanych warstw CaP. Zarówno struktura powierzchni jak i skład chemiczny wytworzonych warstw CaP mają wpływ na własności korozyjne w roztworze Ringera. Próbka stopu AM60 z warstwą wytworzoną w kąpieli AI oraz w kąpieli AIV (z dodatkiem KNO3) uwolniła najmniejszą ilość wodoru po 120 godzinach zanurzenia w roztworze Ringera. LITERATURA 1. G. Song, A. Atrens, Corrosion Mechanisms of Magnesium Alloys, Advanced Engineering Materials, 1(1) (2000), 11-33. 2. S. Shadanbaz, G.J. Dias, Calcium phosphate coatings on magnesium alloys for biomedical applications: A review, Acta Biomaterialia 8 (2012), 20-30. 3. N. Eliaz, N. Metoki, Calcium Phosphate Bioceramics: A Review of Their History, Structure, Properties, Coating Technologies and Biomedical Applications, Materials 10(4) (2017), 1-104.

a)

c) d)

b) e)

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Natryskiwanie plazmowe powłoki TiO2 z zawiesiny techniką SPS K. Czechowska a, M. Lis a, A. Hryniszyn-Kula a, K. Bilewska a, A. Ślusarek a a Sieć Badawcza Łukasiewicz- Instytut Metali Nieżelaznych, Zakład Materiałów Proszkowych i Kompozytowych email: kingac@imn.gliwice.pl Streszczenie: Niniejsza praca dotyczy próby natryskiwania powłoki z nanoproszku TiO2-P25 z zawiesiny, na metalowym podłożu, przy użyciu automatycznego podajnika zawiesiny, techniką suspension plasma spraying (SPS). W technice SPS ważną kwestią jest odpowiednia dyspersja proszku w cieczy, która jest środkiem transportującym proszek do strumienia plazmy. W celu uzyskania dobrej dyspersji cząstek nanoproszku TiO2-P25, wytworzano wodne dyspersje przy zastosowaniu wybranych środków dyspergujących. W pracy badano wpływ ilości środka dyspergującego na wielkość aglomeratów tlenku tytanu w środowisku wodnym. Na podstawie przeprowadzonych badań wybrano optymalny typ i ilość środka dyspergującego. Uzyskaną powłokę badano metodą XRD, celem określenia zawartości faz anatazu i rutylu oraz wielkości krystalitów tych faz po procesie rozpylania i porównano z danymi dla proszku. Abstract: This work concerns an attempt to spray coating from nanopowder TiO2-P25 via a suspension on a metallic support, using an automatic suspension feeder by the suspension plasma spraying technique (SPS). In the SPS technique, an important issue is the appropriate dispersion of the powder in the liquid, which is the transporting agent for powders into plasma jet. To obtain good dispersion of the TiO2-P25 nanopowder particles, an aqueous dispersions were prepared using selected dispersing agents. In the work, it was investigated the influence of the amount of dispersing agent on the size of titanium oxide agglomerates in the aqueous environment. The optimal type and amount of the dispersing agent was selected based on the tests carried out. The obtained coating was tested by XRD method to determine the content of anatase and rutile phases and to determine the size of crystallites of these phases after the spraying process and compared to data for the powder. Słowa kluczowe: suspension plasma spraying, SPS, natryskiwanie plazmowe z zawiesin, TiO2- P25 1. WSTĘP Technika natryskiwania plazmowego z zawiesin SPS służy do wytwarzania powłok o grubości pomiędzy 5 do 100 μm, z proszków submikronowych i nanoproszków. Technika ta jest stosowana do otrzymywania powłok tj. barier termicznych, komponentów stałych ogniw paliwowych, powłok odpornych na zużycie ścierne, warstw fotokatalitycznych, powłok do zastosowań medycznych, warstw antykorozyjnych. Technika ta wydaje być obiecująca w wytwarzaniu powłok gęstych albo powłok o kontrolowanej porowatości i powłok gradientowych. Niniejsza praca dotyczy próby natryskiwania powłoki z nanoproszku TiO2-P25 z zawiesiny, na metalowym podłożu, przy użyciu automatycznego podajnika zawiesiny, techniką suspension plasma spraying (SPS). 2. EKPERYMENT

2.1. Charakterystyka proszku TiO2(P25) Do badań sporządzania zawiesin przeznaczonych do natryskiwania powłok z wykorzystaniem plazmy

wykorzystano proszek TiO2 Areoxide P25 (≥99.50% TiO2, Evonik Industries), charakteryzujący się gęstością g=4,418g/cm3, powierzchnią właściwą BET= 51,62m2/g i średnią wielkością cząstek 26nm. Zbudowany z dwóch odmian krystalograficznych TiO2 tj. anatazu i rutylu.

2.2. Wykonanie wodnych zawiesin proszkowych na bazie proszku TiO2 (P25) Zawiesiny przygotowano techniką rozpraszania ultradźwiękowego, która pozwala na efektywne rozbicie

aglomeratów nanoproszku TiO2. Zastosowano do tego celu procesor ultradźwiękowy z automatycznym strojeniem VCX750 (Sonics, Labo Plus) o mocy 750W, częstotliwości 20KHz, z końcówką procesora o średnicy 13mm.

2.3 Dobór środków dyspergujących Celem sporządzenia stabilnych dobrze zdyspergowanych zawiesin wodnych przeznaczonych do natrysku powłok w plazmie przebadano następujące środki dyspergujące: Dolapix CA, Dolapix CE64, Dolapix PC21,

20 K. Czechowska, M. Lis, A. Hryniszyn-Kula, K. Bilewska, A. Ślusarek

Dolapix PC75, Dolapix A88, Darvan-C. Badano wpływ dodatków dyspergujących w ilościach od 2 do 10%wag. Sporządzano 5%-towe zawiesiny wodne TiO2, (pH=8.5). Przykładowe wyniki wpływu ilości środka dyspergującego na rozmiar aglomeratów proszku TiO2–P25 zawiesinie zaprezentowano na rysunku 1.

a). Dolapix CE64 b). Dolapix PC75 Rysunek 1. Wpływ ilości środka dyspergującego na średnią wielkość aglomeratów (d50) TiO2-P25 w zawiesinie wodnej Figure 1. The effect of the amount of dispersing agent on the median size of (d50) TiO2-P25 agglomerates in water suspension

2.4 . Natryskiwanie warstwy z zawiesiny techniką SPS Tablica 1. Parametry natryskiwania powłoki TiO2-P25 przy użyciu techniki SPS Table 1. Spraying parameters of TiO2-P25 coating using SPS technique

Nr powłoki

Ciśnienie podawania zawiesiny [bar]

Gaz H2 Przepływ [L/min]

Gaz Ar Przepływ [L/min]

Prąd Natężenie [A]

Typ końcówki

Odległość do podłoża [mm]

Powłoka 3 0,83 6 49 600 Lp3 100

Rysunek 2. Powłoka TiO2-P25 Figure 2. TiO2-P25 coating

2.5. Wyniki badań Tablica 2. Wyniki analizy fazowej–XRD Table 2. The results of phase analysis-XRD

Faza Skład fazowy [% wag.]

Wielkość krystalitów [nm]

Skład fazowy [% wag.]

Wielkość krystalitów [nm]

Aeroxide TiO2 P25 Powłoka TiO2-P25 (10% P25)

TiO2 Anataz 86,1 ± 0,4 32 ± 1 84,3 ± 0,5 32 ± 1

TiO2 Rutyl 13,9 ± 0,4 47 ± 2 15,7 ± 0,5 50 ± 3

LITERATURA 1. P.L. Fauchais, J.V.R. Heberlein, M.J. Boulos, Thermal Spray Fundamentals, From Powder to Part, ISBN

978-0-387-68991-31, Springer (2014) 2. K. Sato, J.G. Li, H. Kamiya, T. Ishigaki, Ultrasonic dispersion of TiO2 nanoparticles, Journal of the

American Ceramic Society, Vol.91, Issue 8 (2008), 2481-2487

Rysunek 3. Dyfraktogram XRD powłoki TiO2-P25 Figure 3. X-ray diffraction pattern of the TiO2 coating

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Ocena trwałości materiałów długo eksploatowanych elementów krytycznych bloków energetycznych J. Dobrzański a Sieć Badawcza Łukasiewicz, Instytut Metalurgii Żelaza im. St. Staszica w Gliwicach email: jdobrzanski@imz.pl

Streszczenie: Artykuł dotyczy problematyki diagnostyki technicznej elementów krytycznych części ciśnieniowej bloku energetycznego. W szczególności omówiono opracowaną w IMŻ i zweryfikowaną w praktyce przemysłowej metodologię sposobu oceny i wyznaczania czasu dalszej bezpiecznej pracy krytycznych elementów kotła eksploatowanych znacznie poza obliczeniowym czasem pracy. Została ona zaprezentowana w postaci odpowiednich algorytmów i omówiona na przykładach. Zaprezentowano sposób oceny stanu, wyznaczania stopnia wyczerpania i oceny przydatności do dalszej eksploatacji stali o osnowie ferrytycznej oraz stali austenitycznych pracujących w warunkach pełzania. Jest on wykonywany w oparciu o autorską klasyfikację własną IMŻ.

Abstract: The article concerns technical diagnostics of critical elements of the pressure part of a power block. The methodology for assessing and determining the time of further safe operation of critical boiler elements operated significantly outside the computational working time, which was discussed in detail, developed and verified in industrial practice at the Institute for Ferrous Metallurgy. It was presented in the form of appropriate algorithms and discussed on examples. A method of assessing the condition, determining the degree of exhaustion and assessing the suitability for further operation of ferritic and austenitic steels operating in creep conditions has been presented. It is made based on IMŻ's own classification. Słowa kluczowe: trwałość, pełzanie, stopień wyczerpania, elementy krytyczne, diagnostyka materiałowa, 1. WSTĘP

W dzisiejszym rynku mocy w Polsce w zakresie wytwarzania energii elektrycznej znaczący udział mają bloki energetyczne opalane węglem, których rzeczywisty czas pracy przekroczył ponad dwukrotnie przyjęty obliczeniowy wynoszący 100 tys. godzin. Dotyczy to 52 bloków o mocy nominalnej 200 MW, 16 bloków o mocy 360 MW i 2 bloków o mocy 500 MW. Wielkość zapotrzebowania na energię elektryczną nie pozwala zrezygnować, w chwili obecnej i według prognoz na następne kilkanaście lat, z wytwarzanej przez nie energii elektrycznej. Dlatego oczekuje się możliwości ich dalszej bezpiecznej eksploatacji przez kolejne 15-20 lat. Aby ten cel osiągnąć niezbędnym jest w pierwszej kolejności dokonanie rzetelnej i wiarygodnej oceny stanu technicznego części ciśnieniowej indywidualnie każdego z tych bloków oraz określenie ich przydatności do dalszej eksploatacji w dotychczasowych rzeczywistych warunkach pracy oraz w zdefiniowanych zmienionych warunkach dalszej pracy w układzie regulacyjnym. Jedynym sposobem dokonania oceny przydatności części ciśnieniowej tych bloków do dalszej pracy jest zaproponowanie i wykonanie diagnostyki szeregu jej elementów, głównie tzw. elementów krytycznych tzn. pracujących w najtrudniejszych warunkach temperaturowo-naprężeniowych. W diagnostyce tych elementów szczególne miejsce zajmuje diagnostyka materiałowa. Jej wyniki powinny umożliwić ocenę zdolności eksploatowanych materiałów do przenoszenia dotychczasowych i wymaganych nowych zdefiniowanych parametrów i warunków dalszej eksploatacji. 2. DIAGNOSTYKA MATERIAŁOWA ELEMENTÓW KRYTYCZNYCH BLOKU ENERGETYCZNEGO

Dokonanie prawidłowej i właściwej oceny wymaga zaproponowania i zastosowania zespołu nieniszczących, niszczących metod badawczych i pomiarów, których rodzaje i zestaw są dobierane każdorazowo w zależności od

22 J. Dobrzański

rodzaju, charakteru pracy, rzeczywistego czasu pracy i historii eksploatacji elementu. Metodą oceny jest zatem zespół zastosowanych metod diagnostycznych.

Elementy, które determinują przydatność bloku do dalszej pracy to wszystkie te, które pracują w warunkach pełzania, liczone na określony wymagany obliczeniowy czas pracy. Do nich należy zaliczyć: komory wlotowe i wylotowe, regulatory temperatury oraz wężownice wyższych stopni przegrzewu, główne i komunikacyjne rurociągi pary, części WP i SP wirnika oraz korpusy WP i SP turbiny. Do elementów krytycznych należy również zaliczyć walczak, pomimo że pracuje poniżej tzw. temperatury granicznej. W blokach 200 MW jest on wykonany z gatunków stali podlegających procesowi „przestarzenia”, którego skutkiem często są zmiany w mikrostrukturze powodujące obniżanie się właściwości użytkowych odpowiadających za zdolność materiału do przenoszenia wymaganych obciążeń eksploatacyjnych, nawet poniżej wymaganych wartości minimalnych. Pozostałe elementy części ciśnieniowej kotła muszą być również poddane analizie i ocenie, chociaż w ograniczonym zakresie. Wynika to z doświadczeń i wyników badań diagnostycznych tych elementów po długotrwałej pracy w instalacji ciśnieniowej znacznie poza obliczeniowym czasem pracy.

Instytut Metalurgii Żelaza tworzeniem i wprowadzaniem do praktyki przemysłowej diagnostycznych metod badań materiałowych i ich weryfikacji oraz budowaniem procedur w zakresie oceny stanu i prognozowania czasu dalszej bezpiecznej pracy instalacji ciśnieniowych pracujących w podwyższonej temperaturze i jej elementów zajmuje się od wielu lat. Wytyczne UDT nr 1/2015 pt. „Zasady diagnostyki i oceny trwałości eksploatacyjnej elementów kotłów i rurociągów pracujących w warunkach pełzania” zostały opracowane z udziałem IMŻ i w znacznej mierze na podstawie wyników badań, doświadczeń diagnostycznych, metod badań oraz procedur i zasad postępowania autorstwa Instytutu. 3. SPOSÓB OCENY I WYZNACZANIE CZASU DALSZEJ BEZPIECZNEJ PRACY KRYTYCZNYCH ELEMENTÓW KOTŁA

Opracowana autorska metodologia sposobu oceny i wyznaczania czasu dalszej bezpiecznej pracy krytycznych

elementów kotła eksploatowanych znacznie poza obliczeniowym czasem pracy została zaprezentowana w postaci odpowiednich algorytmów i omówiona na przykładach. Metodologia zawiera pomysły, rozwiązania oraz sposoby interpretacji wyników zaprezentowane we wcześniejszych publikacjach cytowanych w spisie literatury przytoczonej publikacji [1]. Elementami krytycznymi, dla których została opracowana i zweryfikowana w praktyce przemysłowej, są:

• komory i kolektory pracujące w warunkach pełzania, • wężownice przegrzewacza pary pracujące w warunkach pełzania, • głównych i komunikacyjne rurociągi pary pracujących w warunkach pełzania, • walczak pracujący poniżej temperatury granicznej.

4. SPOSÓB OCENY STANU, WYZNACZANIA STOPNIA WYCZERPANIA I PRZYDATNOŚCI DO DALSZEJ EKSPLOATACJI MATERIAŁÓW PRACUJĄCYCH W WARUNKACH PEŁZANIA

Sposób oceny stanu, wyznaczania stopnia wyczerpania i przydatności do dalszej eksploatacji materiałów pracujących w warunkach pełzania jest dokonywany w oparciu o autorską klasyfikację własną IMŻ stanu materiału dla stali o osnowie ferrytycznej [2, 3] oraz stali austenitycznych [1, 4].

Proponowana metodologia i opracowane charakterystyki przedmiotowych materiałów po długotrwałej eksploatacji o różnym stopniu „wyeksploatowania” zostały zaprezentowane w postaci odpowiednich algorytmów z omówieniem sposobu stosowania w praktyce przemysłowej [1-4]. LITERATURA 1. J. Dobrzański, Trwałość elementów ciśnieniowych bloków energetycznych, Wydawnictwo Instytut

Metalurgii Żelaza im. St. Staszica, ISBN 798-83-938130-3-2, ISSN 0137-9941, Gliwice 2019. 2. J. Dobrzański, Materiałoznawcza interpretacja trwałości stali dla energetyki. Open Access Library, 2011, t.3,

s. 1-228, ISBN 83-89728-90-7. 3. A. Zieliński, Trwałość eksploatacyjna żarowytrzymałych stali o osnowie ferrytycznej w warunkach

długotrwałego oddziaływania temperatury, Instytut Metalurgii Żelaza im. St. Staszica, ISBN: 978-83-938130-4-9, ISSN: 0137-9941, Gliwice, 2016.

4. Purzyńska H., Zieliński A., Dobrzański J., Hernas A.: Trwałość eksploatacyjna i rozporządzalna trwałość resztkowa stali T321H, Prace Instytutu Metalurgii Żelaza, 2015, t 67, nr 1, s.44-52.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Fabrication and characterization of thin film used in dye-sensitized solar cells A. Drygałaa a Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Silesian University of Technology, Konarskiego 18a Str., 44-100 Gliwice, Poland email: aleksandra.drygala@polsl.pl Streszczenie: Barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne (DSSC) są nową generacją ogniw słonecznych, które mogą stać się przyszłością fotowoltaiki. DSSCs są tanią alternatywą dla konwencjonalnych ogniw słonecznych, ich zaletami są między innymi łatwość produkcji i stosunkowo wysoka wydajność konwersji w porównaniu z innymi cienkowarstwowymi technologiami ogniw słonecznych. W niniejszym artykule przestawiono wytwarzanie i własności elektrody roboczej oraz przeciwelektrody z nanomateriałów osadzonych metodą sitodruku. Topografię powierzchni, absorpcję i właściwości transmisyjne fotoanody i przeciwelektrody badano stosując różne techniki analityczne, w tym SEM, EDS, spektrofotometr UV-Vis. Własności wytworzonego ogniwa słonecznego takie jak: sprawność, napięcie i prąd mierzono dla widma promieniowania słonecznego AM 1,5 i natężeniu promieniowania 1000 W/m2. Abstract: Dye-sensitized solar cells (DSSCs) is one of a new generation of solar cells technology, which has the potential to become the future of photovoltaics. The DSSCs play an important role because of low-cost alternative to conventional solar cells, ease of production and relatively high conversion efficiency as compared to other thin-film solar cell technologies. This paper describes the fabrication and characteristics of working and counter electrode produced from nanomaterials and deposited by screen printing. The topography of surface absorption and transmission characteristics of the photoanode and counter electrode were studied using various analytical techniques including SEM, EDS, UV-Vis spectrophotometer. The solar cell’s photovoltaic performance in terms of efficiency, voltage, and current was tested with a standard illumination of air-mass 1.5 global (AM 1.5 G) having an irradiance of 1000 W/m2. Słowa kluczowe: photovoltaics, dye-sensitized solar cell thin films, photoanode, counter electrode Keywords: fotowoltaika, barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne, cienkie warstwy, fotoanoda, przeciwelektroda 1. INTRODUCTION

Dye-sensitized solar cells (DSSCs) show great potential as an alternative to conventional p–n junction solar cells. Among the various types of 3rd generation solar cells, DSSCs are promising as they are cost-effective, relatively easy to fabricate, lightweight and elastic; they also offer transparency compared to the first two generations of solar cells [1].

Typically, standard DSSC made with a sandwich structure consisting of a working electrode, a counter electrode and an electrolyte. The working electrode is a thin layer of TiO2 deposited on the glass with transparent conductive oxide (TCO) that absorb the dye. Titanium dioxide is one of the attractive alternative for PV devices, due to its high chemical and optical stability, non -toxic, low cost, and corrosion resistance. While counter electrode consist a transparent conductive oxide coated with a thin layer platinum owing to its excellent electric conductivity and electrocatalytic activity [2].

24 A. Drygała

2. EXPERIMENTAL To prepare the working and counter electrodes, the fluorine-doped tin oxide (FTO) glass (2,3mm thick, surface

resistivity of 7Ω/sq) was first cleaned in a detergent solution using an ultrasonic bath for 15min. then rinsed with deionized water and ethanol, and blown dry. The layers of TiO2 (working electrode, photoanode) and platinum (counter electrode) paste were screen-printed onto the FTO glass substrate using 43 and 100 polyester mesh respectively. The samples were kept in a Petri dish for 10 minutes to reduce the irregularity of the TiO2 surface and then dried for 5 minutes at about 105°C. The screen-printing process with the TiO2 paste (deposition, storing and drying) was repeated 2 times to get a photoanode proper thickness. The working electrode is completed by sintering the deposited layer at 500°C for 30 min to remove organic compounds and to ensure interconnections between nanoparticles. The counter electrode was sintered at temperature of 450°C for 30 min.

Rysunek 1. Mikroskopowa i makroskopowa topografia warstw TiO2 i Pt naniesionych metodą sitodruku Figure 1. Microscopic and macroscopic topography of TiO2 and Pt screen-printed layers

3. CONCLUSIONS The presented technology allows the production of dye-sensitized solar cells with efficiency above 5%. The

thin layer of screen-printed TiO2 after sintering has good electrical contact between particles and adhesion to the FTO glass substrate. The cathode of dye-sensitized solar cells consists of a thin platinum layer deposited on a FTO glass and ensures a strong catalytic activity in electron transfer at the counter-electrode. REFERENCES 1. A. Reinders, P. Verlinden, W.van Sark, A. Freundlich, Photovoltaic Solar Energy: From Fundamentals to

Applications, Wiley Online Library, 2017 2. A. Drygała, L. A. Dobrzański, M. Szindler, M. Prokopiuk vel Prokopowicz, M. Pawlyta and

K. Lukaszkowicz, Archives of Metallurgy and Materials, Carbon nanotubes counter electrode for dye-sensitized solar cells application, 61 (2) (2016) 803–806

TiO2 Pt

TiO2 screen-printed after sintering after dyeing

Pt after sintering

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Monitorowanie jakości w przedsiębiorstwie produkcyjnym z zastosowaniem analitycznego wzorca poprawności procesów technologicznych M. Dudek-Burlikowska a a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych email: Marta.Dudek-Burlikowska@polsl.pl Streszczenie: W artykule opisano zagadnienia dotyczące aspektów funkcjonowania i doskonalenia organizacji produkcyjnej ukierunkowanej na sukces poprzez spełnianie wymagań klientów przy jednoczesnym osiąganiu zaplanowanej jakości wyrobu finalnego. Zaproponowano zastosowanie Analitycznego wzorca poprawności procesów technologicznych jako narzędzia oceny jakościowej działania procesów technologicznych. Przedstawiono także przykład wdrożenia wzorca w przedsiębiorstwie dla procesu produkcyjnego kształtowników walcowanych na gorąco 120x120x10 mm. Abstract: The article describes the issues concerning the aspects of functioning and improvement of the production organization focused on success by fulfilling customer requirements while achieving the planned quality of the final product. It was proposed to use the Analytical model of technological processes correctness as a method of quality assessment of technological processes operation. An example of implementation of the standard in a company for the production process of hot-rolled sections 120x120x10 mm was also presented. Słowa kluczowe: organizacja produkcyjna, jakość wyrobu, sterowanie jakością, analityczny wzorzec poprawności procesów technologicznych 1. WSTĘP

Współczesna organizacja produkcyjna funkcjonuje w rzeczywistości podlegającej wielu zmianom i przeobrażeniom przy równoczesnym dążeniu do osiągnięcia trwałego sukcesu, a tym samym uzyskaniu wysokiej pozycji na rynku. Jednocześnie przedsiębiorstwo produkcyjne stanowi inteligentną, kreatywną, samouczącą się organizację w dynamicznie zmieniającym się otoczeniu. Stąd też jest zobligowane do produkowania wyrobów o zdefiniowanej przez siebie jakości we właściwie zaprojektowanych, sterowanych i monitorowanych procesach produkcyjnych. Tym samym więc przedsiębiorstwo akcentuje ważność wybranej technologii mającej wpływ na zdolność produkcyjną, a w konsekwencji na jakość produktu finalnego [1].

Warto nadmienić, że organizacje produkcyjne mają świadomość, że chcąc spełnić wymagania klienta i być konkurencyjne, powinny właściwie definiować procesy całego cyklu życia wyrobu, wykraczając tym samym poza sferę produkcyjną [2]. Zastosowana technologia również w dużej mierze wpływa na rezultat realizowanych procesów w ujęciu technicznym, ich ocenę i doskonalenie [3].

Konkludując odpowiedni dobór strategii stałej poprawy procesów produkcyjnych, gdzie szczególny nacisk kładzie się na strategię zapobiegania, zastępującą strategię wykrywania, oznacza przesunięcie nacisku na funkcje i działania związane z usprawnianiem każdego elementu szeroko pojętego procesu zgodnie z cyklem PDCA i uwzględnieniem metod, narzędzi i technik jakości [1-3]. Doskonalenie przedsiębiorstwa jest więc działaniem, obejmującym realizację i monitoring wszystkich występujących procesów technologicznych i pomocniczych przy współudziale szeroko pojętej inżynierii jakości.

Na podkreślenie wg. R. Kolmana zasługuje fakt zastosowania w inżynierii jakości wielu własnych lub zdefiniowanych przez znawców metod analitycznych, zdecydowanie usprawniających postępowanie rozpoznawcze [4].

26 M. Dudek-Burlikowska

2. ANALITYCZNY WZORZEC POPRAWNOŚCI PROCESÓW TECHNOLOGICZNY W PRAKTYCE

W dobie XXI wieku sterowanie jakością polega na dążeniu do integracji wszelkich aktywności organizacji związanych z programowaniem i koordynowaniem działań w zakresie utrzymania i doskonalenia jakości w całym cyklu życia wyrobu począwszy od badani rynku, poprzez projektowanie, organizację procesu produkcyjnego, proces produkcyjny, a sprzedaży i utylizacji kończąc. Właściwe jest więc połączenie realizacji wszystkich faz życia wyrobu z odpowiednim doborem metod oceny jakości, tym samym wnoszą one ważny wkład w poprawę jakości produktu finalnego.

Każdy wyrób materialny uzyskuje się w rezultacie realizacji procesu produkcyjnego, będącego zespołem powiązanych ze sobą i uporządkowanych działań. Podstawową i najważniejszą jego częścią są procesy technologiczne, podczas których zmienia się kształt, postać, wymiar i własności fizykochemiczne materiałów, przekształcające się na elementy, pozwalające na otrzymanie wyrobu finalnego.

Uwzględniając fakt, że sterowanie procesami technologicznymi ma na celu zapobieganie powstawaniu niezgodności w trakcie realizacji tych procesów, było opracowanie Analitycznego wzorca poprawności procesów technologicznych. Wzorzec ten uwzględniając najistotniejsze czynniki jakościotwórcze procesu technologicznego, może być pomocny w podjęciu decyzji co do właściwego przygotowania produkcji, poprawnego prowadzenia procesu wytwórczego jak również jego stałego nadzorowania w celu ciągłego doskonalenia i poprawy jakości [5].

Zdefiniowany wzorzec składa się z sześciu najważniejszych grup kryteriów (rys. 1), a to: przygotowanie produkcji, proce wytwórczy, nadzorowanie, kadra, orientacja na klienta, bezpieczeństwo pracy. Każda grupa kryteriów uwzględnia czynników jakościotwórczych w ogólnej licznie 26, kolejno: dobór dostawców, dobór materiałów, jakość narzędzi, jakość nastawienia sprzętu wytwórczego, dokładność wykonania, magazynowanie wyrobów, sposób załadownia wyrobów, stopień automatyzacji procesów, technologiczność wyrobów, transport, liczność wad, określenie zdolności maszyny, określenie zdolność procesu, opracowywanie kart kontrolnych, ilość szkoleń, jakość kwalifikacji pracowników, stopień umiejętności wykorzystania sprzętu kontrolnego, umiejętność pracy w zespole, czas realizacji zamówienia, ilość reklamacji, optymalna cena wyrobu, terminowość realizacji dostaw, zgodność z zamówieniem, ergonomia stanowisk pracy, poziom hałasu, przejrzystość instrukcji stanowiskowych. Do oceny procesów technologicznych przyjęto punktową skalę oceny. Na potrzeby utylitarne opracowano arkusz analitycznego wzorca poprawności procesów technologicznego, określono, że maksymalna ocena jest równoważna 234 punktom.

Opracowany wzorzec został zastosowany w przedsiębiorstwie branży hutniczej dla procesu produkcyjnego kształtowników walcowanych na gorąco. W badaniu wzięło udział 16 pracowników wytypowanych z każdego szczebla kierowniczego organizacji, ich uśredniona ocena pozwoliła na estymację jakości anulowanego procesu, która wyniosła 56,83 %. Na podstawie uzyskanych wartości w organizacji przeanalizowano każdy czynnik jakościotwórczy, zaplanowano działania jakościowe w celach doskonalących poszczególne procesy, następnie został opracowany plan ich wdrażania i oktalny kolejny termin oceny procesy Przy wykorzystaniu zaproponowanego wzorca. 3. PODSUMOWANIE

Opracowany wzorzec to utylitarne narzędzie jakościowe do utrzymania zakładanych parametrów procesu, a co a tym idzie uzyskania oczekiwanych właściwości wyrobów. Analityczny wzorzec poprawności procesów technologicznych uwzględniając najistotniejsze czynniki jakościotwórcze, będzie możliwy do wykorzystania podczas podejmowania decyzji co do odpowiedniego przygotowania produkcji, poprawnego sterowania procesem wytwórczym i jego ciągłego doskonalenia.

LITERATURA 1. M. Dudek-Burlikowska, Ocena współczesnej organizacji produkcyjnej ukierunkowanej na jakość,

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2019. 2. M. Dudek-Burlikowska, Analytical model of technological process correctness and its usage in industrial

company. “Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering”, vol. 15, iss. 1-2, 2006. 3. S. Tkaczyk, Inżynieria jakości a inżynieria materiałowa. IOiZwP „ORGMASZ”, Warszawa, 2000. 4. R. Kolman, Kwalitologia, Wydawnictwo PLACET, Warszawa 2009. 5. M. Dudek-Burlikowska, Analityczny wzorzec poprawności procesów technologicznych nową koncepcją

sterowania jakością procesów w przedsiębiorstwie przemysłowym, Materiały i Technologie, Roczniki Naukowe Pomorskiego Oddziału Polskiego Towarzystwa Metaloznawczego, 2005, nr 3, s. 33-38.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Analiza własności mechanicznych warstwy tytanowej uzyskanej metodą preparowania wnęki formy A. Dulska a, J. Szajnar a, M. Król b a Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Foundry Engineering email: agnieszka.dulska@polsl.pl b Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Engineering Materials and Biomaterials Streszczenie: W artykule przedstawiono technologię odlewów warstwowych z wykorzystaniem druku 3D do wykonania wkładki szkieletowej. Wkładka wykonana została ze sproszkowanego stopu tytanu (TiAl6V4), a następnie zalana ciekłym żeliwem. W pracy przedstawiono wyniki badań obejmujące obserwację struktury oraz pomiary twardości jak również testy odporności na zużycie ścierne. Uzyskane wyniki wskazują na możliwość tworzenia lokalnego wzmocnienia z wykorzystaniem wkładki szkieletowej. Otrzymany odlew charakteryzuje się miejscowym wzrostem twardości, a ponadto wzrostem odporności na zużycie ścierne całej warstwy powierzchniowej. Jakość uzyskanego połączenia zależy silnie od modułu odlewu. Abstract: The article presents the technology of layered castings using 3D printing to manufacture scaffold insert. The insert was made of titanium alloy powder (TiAl6V4), then placed in mould cavity and poured with liquid cast iron. The article presents the results of studies including microstructure observation as well as hardness and wear resistance measurement. Analysis of the results shows that it is possible to create local reinforcement with use of scaffold insert. Obtained castings are characterized by local increase in hardness and in addition, increase in wear resistance of the entire surface layer. The quality of permanent joint between cast iron and titanium insert strongly depends on casting parameters. Słowa kluczowe: wkładka modułowa, warstwa tytanowe, żeliwo, SLM 1. WPROWADZENIE

W ciągu ostatnich dziesięcioleci obserwuje się intensywny rozwój dziedziny nauki dotyczącej warstwy wierzchniej stopów metali oraz technologii pozwalających kształtować mikrostrukturę i właściwości użytkowe tej warstwy. Poprzez zastosowanie technik modyfikujących warstwę wierzchnią można w znacznym stopniu podwyższyć właściwości eksploatacyjne materiałów konstrukcyjnych i rozszerzyć ich możliwości aplikacyjne. Istnieje duża różnorodność metod uzyskiwania warstwy wierzchniej metali. W pracy podjęto próbę opisu wybranych własności (m.in. twardości i odporności na zużycie ścierne) warstwy tytanowej uzyskanej metodą odlewniczą w odlewie żeliwnym. 2. BADANIA

Przedmiotem badań były odlewy wzmocnione lokalnie, o osnowie z żeliwa szarego (zawartość węgla ok 3%) oraz miejscowym zbrojeniu w postaci przestrzennej wkładki ze stopu tytanu (TiAl6V4). Wkładka wykonana została metodą druku 3D w procesie Selective Laser Melting (SLM). Kształt wkładek ma postać prostopadłościanu o wymiarach 50x15x15mm. Wkładka zbudowana została z prętów o okrągłym przekroju i średnicy równej 1,5 mm. Pręty te ułożone są pionowo i poziomo oraz łączą się w miejscach ich przecięcia. W badaniach uwzględniono pręty pełne (rys. 1a) oraz puste w środku a ich wewnętrzna średnica wynosiła 1 mm (rys. 1b). W ramach badań wykonano obserwację struktury przy użyciu mikroskopu optycznego oraz

28 A. Dulska, J. Szajnar, M. Król

skaningowego mikroskopu elektronowego z mikroanalizą składu chemicznego. Wykonano również pomiar mikrotwardości oraz testy odporności na zużycie ścierne. Uzyskane wyniki badań odporności na zużycie ścierne dla badanych odlewów warstwowych porównano z wynikami uzyskanymi dla innych materiałów metalowych, tj. żeliwa szarego perlitycznego z grafitem płatkowym klasy EN-GJL-HB250, żeliwa wysokochromowego EN-GJN-HV600(XCr18) [1] oraz żeliwa wysokokrzemowego ZlSi21 [2].

a)

b)

Rysunek 1. Widok przestrzennej wkładki drukowanej 3D wraz z wymiarami

3. WYNIKI BADAŃ

W pierwszym etapie badań stwierdzono, że wkładka została całkowicie wypełniona płynnym żeliwem i nastąpiło dobre wiązanie między dwiema częściami odlewu warstwowego dla obu zastosowanych rodzajów wkładki. Ponadto jak pokazuje rysunek 2 materiał przestrzennej wkładki szkieletowej został częściowo rozpuszczony w żeliwie. Stopień rozpuszczenie zależy najprawdopodobniej od temperatury zalewania żeliwa. W wyniku kontaktu wkładki z ciekłym żeliwem można zaobserwować wydzielenia węglików tytanu w mikrostrukturze wzmocnienia (rys. 3). Stężenie węglików zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości od wkładki. Uzyskane wyniki badań twardości wzmocnionej warstwy odlewu są zróżnicowane i zależą od stopnia zagęszczenia węglików tytanu. W związku z powyższym obszar wewnętrzny z mniejszą ilością węglików charakteryzuje się twardością ok. 700 µHV, natomiast obszar zewnętrzny z dużą zawartością węglików posiada twardość ok. 900 µHV. Uzyskany lokalny wzrost twardości zwiększa odporność na zużycie ścierne całej warstwy powierzchniowej odlewu (rys. 4). Uzyskana odporność na zużycie ścierne jest większa niż porównywanych materiałów.

a) b) c)

Rysunek 2. Przekrój odlewu z warstwą tytanową

Rysunek 3. Mikrostruktura warstwy tytanowej z analizą chemiczną EDS, mapy dla: a) Ti; b) Fe; c) C

Rysunek 4. Zestawienie średniego ubytku masy w badaniach odporności na zużycie ścierne z wykorzystaniem

urządzenia generującego ruch posuwisto-zwrotny próbki na powierzchni przeciwpróbki LITERATURA 1. Dojka M., Dojka R., Stawarz M., Studnicki A.: Influence of Ti and REE on Primary Crystallization and Wear

Resistance of Chromium Cast Iron. Journal of Materials Engineering and Performance, volume 28, Issue 7, pp 4002-4011

2. Stawarz M., Dojka M., Janerka K., 2016, High silicon cast iron wear resistance for metal - mineral system. 25th Anniversary International Conference on Metallurgy and Materials, Brno, Czech Republic, May 25th - 27th, 2016. Conference proceedings. pp. 229-233

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Kontrola wejściowa jako zapewnienie jakości produkcji A. Gabryśa, M. Spilkaa, S. Lesza a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Materiałów Nanokrystalicznych i Funkcjonalnych oraz Zrównoważonych Technologii Proekologicznych; email: adrian.krzysztof.gabrys@gmail.com Streszczenie: W artykule opisano istotę kontroli wejściowej komponentów oraz możliwości jej zastosowania w praktyce na przykładzie siedziska sprężyny (z ang. spring seat) amortyzatora. Odniesiono się do wymagań standardu IATF 16949:2016. Omówiono parametry kontroli i ich zmienność, jak również przedstawiono korzyści wynikające z prowadzenia kart kontrolnych. Abstract: The article describes the essence of component incoming inspection and the possibilities of its application in practice, for example, spring seat of shock absorber. Reference is made to the requirements of the IATF 16949: 2016 standard. Control parameters and their variability are discussed. Benefits resulting from keeping control cards are given. Słowa kluczowe: Kontrola wejściowa, zapewnienie jakości, (IATF), (APQP) 1. WSTĘP

Standard IATF 16949 wydany w 2016 roku przez organizację International Automotive Task Force dla przemysłu samochodowego narzuca monitorowanie współpracy z dostawcami. Jeden z wskaźników wymienionych w punkcie 8.4.2.4. normy nakazuje monitorowanie dostarczanego wyrobu zgodnie z wymaganiami Klienta [1]. Zaawansowane Planowanie Jakości Wyrobów (APQP - z ang. Advanced Product Quality Planning) jest wielofazowe. Pierwsza z faz to planowanie i określanie programu, druga - projektowanie i rozwój wyrobu. Na tym etapie definiowane są potrzeby Klienta oraz możliwość zrealizowania ich przez Dostawcę. By zrealizować projekt konieczne jest dokonanie krytycznej analizy wymagań technicznych oraz inżynieryjnych. Obie fazy APQP ostatecznie definiują wymagania stawiane produktowi, które określane są jako charakterystyki, w tym charakterystyki specjalne (krytyczna i znacząca). Do charakterystyki krytycznej można zaliczyć: dyrektywy Unii Europejskiej, lokalne prawo, normy materiałowe, natomiast do charakterystyk znaczących można zaliczyć szeroko pojętą geometrię produktu. Produkt, który nie spełnia chodź jednej z charakterystyk, uważany jest za niezgodny [2].

Zapewnienie jakości powinno gwarantować spełnienie w 100% wymagań Klienta. Wszystko co znajduje się poniżej tej wartości generuje reklamacje, których efektem są dodatkowe koszty poniesione przez firmę, związane m.in. z sortowaniem, naprawą, złomowaniem, dodatkowym czasem pracy operatora, zużyciem maszyn i narzędzi oraz utratą zaufania, a nawet zatrzymaniem przyszłych projektów. W celu zapewnienia jakości stosuje się różne kontrole np.: wejściową, międzyoperacyjną, końcową, ostateczną (przed wysyłką). 2. KONTROLA WEJŚCIOWA

Kontrola wejściowa (odbiorcza, materiałowa) jest pierwszą kontrolą komponentów przeprowadzoną w zakładzie produkcyjnym. Jej podstawowym zadaniem jest potwierdzenie jakości zakupionych komponentów na podstawie wcześniej ustalonych kryteriów zaakceptowanych przez Dostawcę podczas procesu zatwierdzania części do produkcji. Poza wymaganiami Klienta, do karty kontrolnej dodaje się charakterystyki związane z reklamacjami Dostawcy, które wystąpiły dla danego numeru części. Kontrola wykonywana jest na etapie

30 A. Gabryś , M. Spilka, S. Lesz

przedprodukcyjnym. Po przeprowadzonej inspekcji materiał oznaczony jest odpowiednią etykietą: zieloną – zaakceptowane, żółtą – warunkowo przyjęte lub czerwoną – odrzucone. Częstotliwość przeprowadzania kontroli wejściowej nie musi być identyczna dla wszystkich komponentów. Organizacja na podstawie reklamacji definiuje, które z nich są problematyczne. Dla komponentów, które nie są w ciągu roku reklamowane, wystarczająca jest weryfikacja raz na 3 miesiące, przy minimalnej próbie 5 sztuk. Wraz ze wzrostem liczby reklamacji, siatka kontroli powinna zostać zagęszczona. Powinna ujmować zarówno zwiększenie częstotliwości, jak i ilości prób przeprowadzonych na komponentach (rysunek 1).

Rysunek 1. Parametry sterowania kontrolą wejściową Figure 1. Incoming inspection parameters

Rysunek 2. Poreklamacyjna kontrola wejściowa Figure 2. Incoming inspection after complaint

Po każdej reklamacji danego numeru części powinno wprowadzić się tymczasową kontrolę wejściową (rysunek 2). Przez kolejne pięć dostaw z rzędu, materiał powinien być obowiązkowo weryfikowany pod względem zidentyfikowanego defektu oraz zgodnie z charakterystykami wynikającymi z planu kontroli. Próbę podlegającą kontroli należy zwiększyć do minimum 25 sztuk, ale maksymalnie może ona obejmować 10% dostawy. Wyjątkiem, który nakazuje utrzymanie ciągłej kontroli wejściowej jest sytuacja, w której Dostawca nie zaakceptował reklamacji lub gdy oczekuje się na wyniki testów z laboratorium zewnętrznego. W tej sytuacji należy wyjść z założenia, że do przedsiębiorstwa może trafić komponent poza specyfikacją. Dopiero po zaakceptowaniu reklamacji przez Dostawcę powinno wprowadzić się wyżej opisaną kontrolę poreklamacyjną. Dokładne prowadzenie kart kontrolnych pozwala na ciągłą obserwację dostarczanych komponentów. Wraz z pogarszającym się trendem danych charakterystyk, Inżynier Jakości może stosunkowo wcześnie zareagować i poinformować dostawcę alertem o powstaniu potencjalnego problemu. Dostawca powinien przeprowadzić audyt realizowanych procesów, wprowadzić działania korygujące i prewencyjne, w celu zabezpieczenia Klienta przed możliwością otrzymania niezgodnych ze specyfikacją komponentów. Dodatkową korzyścią kontroli wejściowej jest historia dostarczanych części. Prowadzenie rejestrów pomiarów pomaga w obserwacji niekorzystnych procesów zachodzących na linii produkcyjnej. Przy założeniu, że komponent dostarczany jest zgodnie ze specyfikacją, można zaobserwować zwiększone zużycie maszyn i narzędzi. Pozwala to na częstsze przeglądy parku maszynowego, skutkujące działaniami prewencyjnymi. Efektem tych działań jest oszczędność pieniędzy i zmniejszenie prawdopodobieństwa wystąpienia awarii.

3. PODSUMOWANIE

Umiejętne wykorzystywanie kontroli wejściowej pomaga w zapewnieniu ciągłości produkcji. Pozwala na

wykrycie dostaw lub części, które nie spełniają wymagań stawianych im w specyfikacjach, zabezpiecza przed wprowadzeniem komponentów niezgodnych do produkcji, czy też wyprodukowaniu produktów niezgodnych. Dzięki temu oszczędza się koszty związane z potencjalnym powstaniem reklamacji. Kontrola wejściowa pozwala także na budowę dobrych relacji biznesowych z Dostawcami oraz Klientami. LITERATURA 1. IATF16949:2016 Quality management system requirements for automotive production and relevant service

parts organizations. 1 Edition. 2016. 2. Advanced Product Quality Planning (APQP) and Control Plan. Reference Manual. 2nd Edition. AIAG 2008.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ różnego typu podpór na strukturę i gęstość stali maraging 18Ni300 wytwarzanej w procesie selektywnego topienia laserowego T.G. Gaweł, B. Tomiczeka a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych email: blazej.tomiczek@polsl.pl Streszczenie: W pracy określono wpływ różnego typu podpór na zagęszczenie wytwarzanych materiałów w procesie selektywnego topienia laserowego (SLM) z proszku stali maraging 18Ni300. W pierwszym etapie przy użyciu oprogramowania CAD zaprojektowano odpowiednie modele próbek, które następnie zostały wytworzone w procesie SLM. Otrzymane materiały zostały poddane obserwacjom topografii powierzchni oraz mikrostruktury, a także badaniom twardości oraz gęstości rzeczywistej. Abstract: The work described the influence of different types of supports on the density of manufactured materials in the selective laser melting (SLM) process from 18Ni300 maraging steel powder. In the first stage, appropriate sample models were designed using CAD software, which were then produced in the SLM process. The obtained materials were subjected to observations of surface topography and microstructure, as well as hardness and density tests. Słowa kluczowe: SLM, CAD, stal maraging. 1. WSTĘP

Wszystkie metody należące do wytwarzania przyrostowego łączą dwie cechy, którymi są: trwałe łączenie poszczególnych warstw materiału, z którego powstaje finalny element oraz specyficzne kilkuetapowe podejście, które składa się z kilku kroków [1,2]. Coraz częściej stosowaną techniką przyrostową jest selektywne topienie laserowe (zwane też selektywnym przetapianiem lub spiekaniem), które polega na wytwarzaniu wyrobów poprzez zestalanie materiałów dzięki oddziaływaniu wiązki laserowej na kolejne warstwy proszku. Ważnym aspektem tej techniki jest sposób połączenia wytwarzanego elementu z podłożem, co ma istotny wpływ na strukturę i własności otrzymywanego materiału. Popularność stosowania podpór słupkowych jest podyktowana łatwością usunięcia elementu z podłoża po zakończeniu procesu wytwarzania. W literaturze nie znaleziono dużej ilości publikacji poświęconych badaniom wpływu rodzaju stosowanych podpór i ich gęstości rozmieszczenia na wytwarzany materiał, w szczególności zastosowania podpór litych odpowiadających w całości wymiarom wytwarzanego modelu. Artykuły naukowe opisują optymalizację parametrów procesowych z pominięciem podpór, które mogą mieć duży wpływ na gęstość wytworzonego w procesie SLM materiału oraz na podporach w kontekście odkształceń związanych m.in. z odprowadzaniem ciepła w trakcie samego procesu [3-6]. 2. CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA 2.1. Komputerowe wspomaganie projektowania

W celu otrzymania wirtualnych modeli zastosowano komputerowo wspomagane projektowanie CAD, używając w tym celu oprogramowania typu AutoFab 3D Marcam Engineering. Oprogramowane te pozwoliło na opracowanie wirtualnych modeli z różnymi typami podpór oraz wirtualnych platform przeznaczonych do procesu selektywnego topienia laserowego.

32 T.G. Gaweł, B. Tomiczek

2.2. Selektywne topienie laserowe

Proces SLM był realizowany w urządzeniu AM 125 firmy Renishaw. Materiałem przeznaczonym do badań był proszek stali maraging firmy LPW M300 (18Ni300) o kształcie sferycznym i wielkości cząstek 15-45 µm. Prace rozpoczęto od doboru warunków procesowych, do której jako dane wejściowe wykorzystano parametry dostępne w literaturze. W kolejnym etapie rozpoczęto wytwarzanie materiałów przy zastosowaniu różnych podpór: słupkowych, liniowych oraz litych odpowiadających wymiarom geometrycznym modelu. Podpory słupkowe wytwarzano z różną gęstością rozmieszczenia (1, 2, 3 mm) oraz wysokością (2 i 10 mm). Część reprezentatywnych wirtualnych modeli przedstawiono na rysunku 1a-c. Na rysunku 1d przedstawiono wirtualny model platformy przeznaczony do wytworzenia w procesie selektywnego topienia laserowego.

Rysunek 1. Wirtualny model próbki: a) próbki z niskimi podporami rozmieszczonymi w odległości 3 mm, b) próbki z podporami liniowymi, c) próbki z podporą litą, d) całej platformy roboczej Figure 1. Virtual model: a) sample with low supports spaced by a distance of 3 mm, b) sample with linear supports, c) sample with solid support, d) working platform

2.3. Część badawcza W artykule przedstawiono wyniki badań mikrostruktury oraz topografii powierzchni, a także wyniki badań twardości i gęstości piknometrycznej. Zrealizowane badania mikroskopowe dowiodły, że materiały wytwarzane przez selektywne topienie laserowe z zastosowaniem podpór słupkowych charakteryzują się niższym stopniem zagęszczenia, a tym samym większą porowatością niż materiały wytworzone na podporach litych. 3. PODSUMOWANIE Na podstawie otrzymanych wyników badań, stwierdzono, że typ podpór i gęstość ich rozmieszczenia mają istotny wpływ na wytwarzane materiały w procesie SLM. Największą gęstością charakteryzowały się materiały wytworzone na podporze litej.

Praca została sfinansowana przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach projektu LIDER/49/0196/L-9/17/NCBR/2018 LITERATURA 1. L. Lu, J. Fuh, Y. Wong, Laser Induseed Materials and Processes for Rapid Prototyping, Kluwer Publishers,

Dordrecht, 2001 2. I. Gibson, D.W. Rosen, B. Stucker, Additive Manufacturing Technologies, Rapid Prototyping to Direct

Digital Manufacturing, Springer New York Heidelberg Dordrecht London, 2010. 3. Z.C. Oter, M. Coskun, Y. Akca, O. Surmen, M.S. Yilmaz, G. Ozer, G. Tarakci, H.M. Khan, E. Koc, Support

optimization for overhanging parts in direct metal laser sintering, Optik, 181 (2019) 575-581. 4. K. Zhang, G. Fu, P. Zhang, Z. Ma, Z. Mao, D.Z. Zhang, Study on the Geometric Design of Supports for

Overhanging Structures Fabricated by Selective Laser Melting, Materials, (Basel) 12/1:27 (2018) 1-16. 5. J.P. Järvinen, V. Matilainen, X. Li, H. Piili, A. Salminen, I. Mäkelä, O. Nyrhilä, Characterization of Effect of

Support Structures in Laser Additive Manufacturing of Stainless Steel, Physics Procedia, 56 (2014) 72-81. 6. P. Nils J. Lindecke, H. Blunk, J.P. Wenzl, M. Möller, C. Emmelmann, Optimization of support structures for

the laser additive manufacturing of TiAl6V4 parts, Procedia CIRP, 74 (2018) 53-58.

a) b) c) d)

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Elektrody nasadkowe do zgrzewania oporowego blach stalowych W. Głuchowski a, Z. Rdzawski a, P. Kwaśniewski b T. Knych b J. Sobota a, M. Maleta a, J. Domagała-Dubiel a, S. Boczkal a

a Sieć Badawcza Łukasiewicz-Instytut Metali Nieżelaznych, ul. Generała Józefa Sowińskiego 5, 44-121 Gliwice

b Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków ul. A.Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Autor do korespondencji:a Sieć Badawcza Łukasiewicz-Instytut Metali Nieżelaznych, ul. Generała Józefa Sowińskiego 5, 44-121 Gliwice email: wojciech.gluchowski@imn.gliwice.pl Streszczenie:

W pracy omówiono najistotniejsze elementy wywierające wpływ na trwałość eksploatacyjną elektrod nasadkowych stosowanych do zgrzewania ocynkowanych, karoseryjnych blach stalowych. Przedstawiono wyniki badań zmian mikrostruktury zgrzein łączonych blach stalowych ocynkowanych, jak też mikrostruktury elektrod nasadkowych przed i po zakończeniu eksploatacji. Abstract:

In this work the most important elements affecting the operational durability of the cap electrodes used for welding galvanized sheets were discussed. The results of investigations of changes in the weld microstructure in connected galvanized steel sheets as well as the microstructure of the cap electrodes before and after work were presented. Słowa kluczowe: elektroda nasadkowa, stopy miedzi, mikrostruktura, trwałość eksploatacyjna 1. WSTĘP

Na trwałość eksploatacyjną elektrod nasadkowych wpływa min. skład chemiczny elektrod, zdolność stopu do

umacniania odkształceniowego, dyspersyjnego, wydzieleniowego, mikrostruktura, wytrzymałość, granica plastyczności, wydłużenie, twardość, konduktywność elektryczna i cieplna, temperatura mięknięcia, odporność na pełzanie, odporność na utlenienie, stabilność własności dla zmiennych warunków obciążeń cieplnych, prądowych i naprężeniowych. Podobnie, duże znaczenie posiada skład chemiczny i własności mechaniczne zgrzewanych blach stalowych, ich grubość, jakość powierzchni ocynkowanej oraz grubość warstwy cynkowej. Jeśli na te cechy nałożone zostaną parametry zgrzewania jak gęstość prądu, obciążenie cieplne, dynamika ich zmian, warunki chłodzenia elektrod nasadkowych oraz zjawiska zachodzące na powierzchni i w objętości zarówno zgrzewanych blach jak też na powierzchni roboczej elektrody, to bardziej wyraźniej uwidacznia się złożoność zagadnienia niezawodności i trwałości eksploatacyjnej elektrod. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ

Materiał do badań stanowiły wycinki stalowych blach ocynkowanych ogniowo (DX54) o grubości 0,8 mm, na których wykonano od 100 do 2500 zgrzein testowych oraz kilka elektrod nasadkowych ze stopu CuCr0,65Zr0,05 w stanie A2/2 przed i po zakończeniu ich eksploatacji. Badanie makro i mikrostruktury prowadzono z wykorzystaniem mikroskopu optycznego Olimpus GX71 i elektronowego mikroskopu skaningowego ZEISS LEO GEMINI 1525. Badania EBSD wykonano przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego firmy PHILIPS XL30 wraz z przystawką EDS i EBSD.

34 W. Głuchowski i inni

3. WYNIKI I PODSUMOWANIE

Wykonane badania metaloznawcze mikrostruktury zgrzein oraz mikrostruktury elektrod nasadkowych pozakończeniu ich eksploatacji pozwalają stwierdzić, że w trakcie procesu zgrzewania ocynkowanych, stalowych blach karoseryjnych następuję stopniowe „wypłaszczanie” przekroju zgrzeiny oraz zmiana wymiarów „jądra” zgrzewania. Wycofane z eksploatacji elektrody nasadkowe charakteryzowały się znacznym zużyciem i zanieczyszczeniem części roboczej elektrody nasadkowej, jak też powierzchni bocznych. Na powierzchni roboczej wyeksploatowanej nasadki występowały strefy nadtopienia, cząstki tlenków składników stopowych elektrody oraz cynku. Średnia wielkość ziaren na elektrodach przed i po eksploatacji wzrosła z poziomu 0,3 µm, na 0,9 µm.

Rysunek 1. Mikrostruktura powierzchni roboczej elektrody nasadkowej ze stopu CuCrZr oraz średni skład chemiczny badanej powierzchni (EDS) w % mas. Cu = 54,32; Zn =36,48; Fe = 3,92; Cr = 0,26; O = 4,82; Zr=0,19 Figure 1. Microstructure of working area of the surface electrode cap made of CuCrZr alloy and the average chemical composition of the analyzed surface, (EDS) wt%: Cu = 54,32; Zn =36,48; Fe = 3,92;Cr = 0,26; O = 4,82; Zr=0,19

PODZIĘKOWANIE

Opracowanie wykonane zostało w ramach: Strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych: „Nowoczesne technologie materiałowe” TECHMATSTRATEG Nr. 1/347960/6/NCBR/2017.

LITERATURA

1. M. Kulczyk , B. Zysk, M.Lewandowska, J. K.Kurzydłowski, Grain refinement in CuCrZr by SPD. Phys. StatusSolidi A 207. No 5 (2010 )1136 - 1138

2. X.Chengdong, J.Yanlin, Z.Wan , Z.Ke, D.Qiyi, X.Genying, W.Mingpu, Study of deformation and agingbehaviours of a hot rolled-quenched CuCrZrMgSi alloy during thermomechanical treatments. Materials andDesign. 39 (2012) 404 - 409

3. X.Chengdong, Z.Wan, K.Zhanyuan, J.Yanlion, W.Yifeng, Z.Rui, X.Genying, W.Mingpu, High strength andhigh electrical conductivity Cu-Cr system alloys manufactured by hot rolling-quenching process andthermomechanical treatments. Materials Science and Engineering A. 538 (2012) 295 - 301

4. P.Yong, X.Chengdong, W.Mingpu, L.Zhou, X.Zhu, W.Haigen, S.Xsiaofei, J.Yanlin, CH.Chang, Effect of Zrand (Ni, Si) additions on properties and microstructure of Cu-Cr alloy. Journal of Alloys and Compounds.582 (2014) 786-792

5. S. Chenna Krishna, G. Sudarsana Rao, Abhay K. Jha, Bhanu Pant, P.V. Venkitakrishanan, Strengthening inhigh strength Cu-Cr-Zr-Ti alloy plates produced by hot rolling. Materials Science and Engineering A 674(2016) 164-170.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Mikrostruktura i właściwości mechaniczne złączy spawanych stali Thor 115 G. Golański a, K. Klimaszewska a, A. Merda a, M. Urzynicok b aInstitute of Material Engineering, Faculty of Production Engineering and Materials Technology, Czestochowa University of Technology, Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa, Poland email: grisza@wip.pcz.pl b Zakład Elementów Kotłowych Zelkot, Nowy Dwór 8, 42-286 Koszęcin Streszczenie: Celem przeprowadzonych badań była analiza mikrostruktury oraz właściwości mechanicznych złączy wykonanych na stali martenzytycznej Thor 115 dwoma materiałami dodatkowymi WCrMo91 i SNi6082. Zakres badań obejmował: badania nieniszczące - UT i RT oraz niszczące: badania mikrostrukturalne przeprowadzone za pomocą mikroskopii optycznej i skaningowej mikroskopii elektronowej, a także badania właściwości mechanicznych tj. pomiar twardości metodą Vickersa, statyczną próbę rozciągania oraz próbę udarności. Przeprowadzone badania potwierdziły wysoką jakość uzyskanych złączy. Abstract: The aim of the research was to analyze the microstructure and mechanical properties of welded joints of Thor 115 martensitic steel welded with two filler materials WCrMo91 and SNi6082. The scope of the research included: the non-destructive tests UT and RT, and the destructive tests: microstructure tests carried out on an optical and scanning electron microscope and mechanical properties tests, i.e. Vickers hardness test, static tensile test and impact strength test. The tests confirmed the required quality and high performance properties of the tested joints. Słowa kluczowe: stal Thor 115, złącza spawane, mikrostruktura, właściwości mechaniczne 1. WSTĘP Wymagania środowiskowe – ograniczenie emisji zanieczyszczeń do atmosfery, wymagają od przemysłu energetycznego wdrożenia nowoczesnych materiałów celem podwyższenia parametrów pary. Dotychczasowe doświadczeń wykazały, że stale o osnowie ferrytycznej mogą pracować maksymalnie do temperatury 610÷620˚C, natomiast stale austenityczne i stopy na bazie niklu przeznaczone są do pracy w temperaturach powyżej 650˚C. Ograniczenie temperaturowe stali martenzytycznych wynika w przypadku stali typu 9%Cr z niedostatecznej żaroodporności, natomiast stali typu 12%Cr z ograniczonej stabilności mikrostruktury. Z kolei wprowadzenie do energetyki stali austenitycznych wykazało, że posiadają one tyle samo zalet, co wad. Stąd w celu zapełnienia luki materiałowej dąży się do opracowania materiału o osnowie ferrytycznej zdolnego do pracy w zakresie temperatury 610(620)÷650˚C [1, 2]. Nowoczesnym materiałem mogącym spełnić tę lukę jest eksperymentalna stal zawierająca ok 11% Cr oznaczana, jako Thor 115 (T115). Stal ta została opracowana w wyniku modyfikacji składu chemicznego stali T/P91 poprzez podwyższenie zawartości chromu oraz ograniczenie i optymalizację zawartości molibdenu i niobu [3]. Wdrożenie nowych materiałów do energetyki wymaga nie tylko zdobycia wiedzy w zakresie stabilności mikrostruktury, ale wymaga opanowania technologii wykonywania elementów konstrukcyjnych szczególnie z wykorzystaniem technologii spawania. Celem przeprowadzonych badań była analiza mikrostruktury oraz właściwości mechanicznych złączy spawanych wykonanych na stali Thor 115 przy użyciu dwóch materiałów dodatkowych WCrMo91 i SNi6082. 2. Wyniki badań i ich analiza 2. 1. Materiał do badań Materiałem do badań była stal Thor 115 (T115) o składzie chemicznym przedstawionym w tablicy 1. Badany materiał w stanie dostawy charakteryzował się mikrostrukturą martenzytu odpuszczonego z licznymi wydzieleniami obserwowanymi na granicach ziaren byłego austenitu, granicach listew martenzytu oraz wewnątrz ziaren. Mikrostruktura badanej stali jest zbliżona do stali typu 9-12%Cr [3].

36 G. Golański, K. Klimaszewska, A. Merda, M. Urzynicok

Tablica 1. Skład chemiczny stali Thor 115, % masy Table 1. Chemical composition of Thor 115 steel, % mas.

C Mn Si Cr Mo Ni Cu V Nb N

0.09 0.47 0.15 11,30 0.52 0,16 0,08 0,24 0,04 0,002

2.2. Mikrostruktura strefy wpływu ciepła złączy Badaniu poddano złącza spawane wykonane na stali T115 przy użyciu dwóch materiałów dodatkowych WCrMo91 (złącze nr 1) i SNi6082 (złącze nr 2). Złącza po spawaniu poddane były obróbce cieplnej. W mikrostrukturze strefy wpływu ciepła (SWC) złącza nr 1 można wyróżnić dwa obszary (rys. 2a). W pobliżu linii wtopienia widoczny był obszar SWC o strukturze gruboziarnistej z licznymi o zróżnicowanej wielkości wydzieleniami. Wydzielenia obserwowano głównie na granicach ziaren byłego austenitu, na granicach listew oraz wewnątrz ziaren. Miejscami ilość wydzieleń na granicach ziaren byłego austenitu była tak duża, że tworzyły tzw. ciągłą siatkę. Drugim wyróżniającym się obszarem SWC stali T115 była drobnoziarnista strefa normalizacji, gdzie temperatura cyklu cieplnego osiągała wartość powyżej temperatury AC3. W strefie tej zaobserwowano znaczny stopień degradacji mikrostruktury. Widoczny był praktycznie zanik listwowej mikrostruktury martenzytu odpuszczonego na rzecz ferrytu z licznymi wydzieleniami. Znaczny stopień degradacji mikrostruktury tego obszaru związany był zarówno z oddziaływaniem spawalniczych cykli cieplnych oraz obróbki cieplnej po spawaniu.

Rysunek 2. Mikrostruktura SWC złączy spawanych materiałem dodatkowym: a) WCrMo91; b) SNi6082 Figure 2. Microstructure of HAZ of testes welded joints, filler material: a) WCrMo91; b) SNi6082 Mikrostruktura złącza nr 2 jest zbliżona do mikrostruktury złącza nr 1, różnice występują w pobliżu linii wtopienia. W złączu nr 2 bezpośrednio przy linii wtopienia obserwuje się występowanie charakterystycznych obszarów niewymieszanych miedzy spoiną a materiałem rodzimym, tak zwanych języków Nernsta (rys. 2b). 2. 3. Właściwości mechaniczne złączy Przeprowadzone badania nieniszczące oraz badania makroskopowe w danym przekroju analizowanych złączy nie wykazały żadnych niezgodności spawalniczych przekraczających poziom jakości „B”. Badania właściwości mechanicznych wykazały, że twardości na przekroju analizowanych złączy nie przekraczała maksymalnej wartości wynoszącej 350 HV. Badane złącza charakteryzowały się również nieznacznie wyższą wytrzymałością na rozciąganie w porównaniu do materiału rodzimego. Energia łamania badanych złączy określona zarówno w spoinie, jak i SWC była kilkukrotnie wyższa od wymaganej minimalnej wartości 27 J. LITERATURA 1. A. Hernas, A. Sutowicz, Problematyka materiałowa w kotłach na parametry ultra supernadkrytyczne (AUSC),

Energetyka Cieplna i Zawodowa, 10 (2014). 2. G. Golański, Żarowytrzymałe stale austenityczne, Wydawnictwo Wydziału Inżynierii Produkcji i Technologii

Materiałów, Częstochowa, 2017. 3. M. Ortolani, M. D’Incau, R. Ciancio, P. Scardi, Microstructural Evolution of Thor 115 Creep-Strength

Enhanced Ferritic Steel, Metallurgical and Materials Transactions A, Volume 48, (2017) 6111–6117.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Próby symulacji odkształceń spawanych złączy rur ze stali S355 J. Górka a, B. Wyględacz a, T. Kik a a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Katedra Spawalnictwa email: bernard.wygledacz@polsl.pl Streszczenie: W artykule opisano symulację wpływu zewnętrznego wymuszenia, w postaci ciśnienia na wewnętrznej powierzchni rury, na złącze spawane stali S355. Wynikiem symulacji był rozkład naprężeń i odkształceń przed, w czasie i po symulowanej próbie hydrostatycznej. Dla uzyskania wysokiej dokładności wyników zastosowano mechaniczną i termo-metalurgiczną nieliniową przejściową symulację 3D. Abstract: In this article effect of external stress, in form of pressure on inner pipe surface, application on laser welded S355 steel pipe joints were simulated. Simulations resulted in stresses and distortion fields distribution before, during and after hydrostatic test. For most accurate simulation results non-linear transient 3D mechanical and thermo-metallurgical simulation was used. Słowa kluczowe: Symulacje MES, Spawanie, Próba hydrostatyczna 1. WSTĘP

W złączach spawanych naprężenia wywołane procesem technologicznym lokalnie osiągają granicę plastyczności. Niemożliwe jest natomiast pewne obliczenie rozkładu naprężeń w złączu spawanym za pomocą metod analitycznych z powodu ilości czynników wpływających na te naprężenia np.: Przepływ ciepła w trakcie i po zakończeniu spawania, sztywność konstrukcji oraz zamocowanie w czasie spawania i stygnięcia, niejednorodność przemian metalurgicznych struktury, umocnienie oraz inne. [1-3].

W tym przypadku zastosowanie zaawansowanych programów przeznaczonych do analizy numerycznej opartych na metodzie elementów skończonych pozwala rozwiązać ten problem. Narzędzia do analizy numerycznej procesów spawalniczych pozwalają w sposób nowoczesny oraz efektywny wspomagać prace inżyniera. Jednak skomplikowanie zagadnień analizowanych w tym przypadku wymaga wiedzy z zakresu technologii, obliczeń numerycznych oraz zagadnień materiałowych. 2. BADANIA W artykule tym zasymulowano próby hydrostatyczne złączy rur o średnicy 70 mm i grubości ścianki 4 mm ze stali S355 spawanych laserowo. W tym celu wykonano niejednorodną, zagęszczoną w miejscu oddziaływania ciepła siatkę posiadającą 49433 elementów i 40605 węzłów odwzorowującą połowę spawanego złącza. W celu symulacji spawania laserowego użyto stożkowego źródła ciepła o rozkładzie normalnym mocy na przekroju. Warunki brzegowe użyte w symulacji to: wymiana ciepła ze swobodnym powietrzem o temperaturze 20 °C, umocowanie elastyczne na końcach rur, warunek symetrii na powierzchni złącza oraz wymuszenie ciśnieniem na wewnętrznej powierzchni rury według parametrów z tablicy 1. Ciśnienie symulowanej próby hydrostatycznej dla wariantu 1 dobrane zostało wg. Der Norske Veritas (DNV) Rules and Standards for Classification of Ships Part 4, w wariancie 2 próba została pominięta, natomiast w wariancie 3 i 4 ciśnienie wynosiło odpowiednio 1 oraz 1,05 ciśnienia odpowiadającego naprężeniom równym minimalnej granicy plastyczności stali S355 w stanie dostarczenia. Ciśnienie symulowanej pracy wynosiło 0,75 maksymalnego ciśnienia dopuszczalnego dla takiego rurociągu według norm DNV.

38 J. Górka, B. Wyględacz, T. Kik

3. WYNIKI

W tablicy 1 przedstawiono wartości minimalnych i maksymalnych naprężeń zredukowanych von Mises.Widoczna jest superpozycja naprężeń szczątkowych powstałych w wyniku spawania z naprężeniami wynikłymi z obciążenia konstrukcji. Zastosowanie próby ciśnieniowej nawet z ciśnieniem znacznie poniżej ciśnienia równoważnego osiągnięciu granicy plastyczności powoduje stałe odkształcenia w konstrukcji co potwierdza zmniejszenie naprężeń po próbie oraz w trakcie symulowanej pracy. Na rysunku 1 przedstawiono przebieg naprężeń dla węzła o najwyższych naprężenia po spawaniu w trakcie symulacji. Widoczna jest nieliniowa zależność naprężenia maksymalnego oraz redukcji naprężeń po próbie oraz w trakcie symulowanej pracy wynikająca z niejednorodności struktury oraz lokalnego przekroczenia granicy plastyczności w trakcie obciążania konstrukcji.

Tablica 1. Wartości minimalnych i maksymalnych naprężeń von Mises w ważnych etapach symulacji Table 1. Minimal and maximal von Mises stresses in important simulation states

Wariant Symulacji Po spawaniu W trakcie próby Po próbie Symulowana praca

1 Min. 0 MPa

Min. 137 MPa Min. 0 MPa Min. 40 MPa Maks. 813 MPa Maks. 629 MPa Maks. 712 MPa

2 ---- Min. 39 MPa

Maks. 780 MPa

3 Maks. 739 MPa

Min. 226 MPa Min. 0 MPa Min. 49 MPa Maks. 825 MPa Maks. 575 MPa Maks. 663 MPa

4 Min. 250 MPa Min. 0 MPa Min. 0 MPa

Maks. 826 MPa Maks. 559 MPa Maks. 648 MPa

Rysunek 1. Wykres przebiegu naprężeń zredukowanych von Mises dla punktu o najwyższych naprężeniach po spawaniu Figure 1. Time plot of von Mises combined stress for point of highest post weld residual stress

LITERATURA

1. Slováček, M., Kik, T., (2015) Wykorzystanie analiz numerycznych procesów spawania jako wsparciatechnicznego w przemyśle. Cz. 1, Wstęp do zagadnienia symulacji numerycznych procesów spawania,Biuletyn Instytutu Spawalnictwa R. 59 nr 4, s. 42-47

2. Moravec, J., Kik, T., Novakova, I., (2016) Application of numerical simulations on X10CrWMoVNb9-2steel multilayer welding, MM Science Journal, November, pp. 1190-1193 DOI:10.17973/MMSJ.2016_11_201628

3. Novakova, I., Moravec, J., (2016) Influence of the pressure tanks repeated enameling on the basic materialdegradation, MM Science Journal, September, pp. 977-980 DOI: 10.17973/MMSJ.2016_09_201646

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Thermodynamic analysis of phase transformations in medium-Mn steels A. Grajcar a, M. Morawiec a a Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Engineering Materials and Biomaterials email: adam.grajcar@polsl.pl Abstract: The work presents the results of phase transformation kinetics for 3% medium-Mn steel. The transformation kinetics was investigated using a dilatometric analysis. This allowed based on a linear thermal expansion and the corresponding change in sample length to assess critical temperatures of phase transitions. The steel was austenitized and then cooled continuously to room temperature at different cooling rates from 0.05°C/s to 30°C/s. In this way it was possible to determine the start and finish temperatures of different phase transformations occurring during cooling. Keywords: dilatometric analysis, medium-Mn steel, AHSS, phase transformation kinetics 1. INTRODUCTION

Development of new grades of materials for the autobody industry does not only need the analysis of changes of mechanical properties depending on a chemical composition and applied heat treatment, but needs a detailed knowledge on the microstructure evolution during thermomechanical processes or complex heat treatments. These processes strongly influence the morphology and phase composition, which have a high impact on final mechanical properties of steel. In case of medium manganese steels (a manganese content from 3 to 12%), they have a different phase transformation kinetics because of increased manganese contents. This untypical Mn concentrations have a high influence on the microstructure evolution during heat treatment [1-3]. That’s why it is important to determine how these factors influence the changes in a microstructure during each step of thermomechanical or heat treatments. In case of medium-Mn steels the manganese strongly influences the phase transformation kinetics. As an austenite forming element, manganese slows down the gamma to alpha transformation. Longer time is necessary for transformation to occur and this time increases together with manganese content [4]. 2. EXPERIMENTAL PROCEDURE The steel was heated to 1100°C with a rate of 3°C/s, held for 300 s to homogenize the temperature in the sample volume to ensure a fully austenitic microstructure in the whole sample. After this, the samples were cooled down to 900°C where they were held for 20 s before further cooling to room temperature with different cooling rates. The cooling rate was from 0.05°C/s to 30°C/s, so it was possible to determine the effect of cooling rate on a phase transformation kinetics. Then, the light and scanning electron microscopy investigations were carried out. The last step was the hardness analysis using Vickers method with the force of 9.81 N. 3. RESULTS The dilatometric results show that increasing cooling rate influences the transformation start and finish temperatures. The higher the cooling rate is the lower are the transformation start and finish temperatures. This is because of time necessary to cool the samples from 900°C to room temperature. For higher cooling rates, the time for diffusion is shorter, what is manifested by lower transformation temperatures due to diffusionless transitions (figure 1). Based on the dilatometry and microstructure studies it was determined that the lowest cooling rates lead to a microstructure composed of bainite and retained austenite. When cooling rates increase the martensitic-

40 A. Grajcar, M. Morawiec

austenitic islands are present in the microstructure. The highest cooling rates induce the martensitic microstructure with a very small amount of bainite. The hardness results show that with increasing cooling rate the hardness increases. This means that the amount of hard phases increases, together with cooling rates what is in accordance with the microstructure and dilatometric analysis.

Fig. 1. Dilatometric curves for cooling rates of: a) 0.18°C/s, b) 10°C/s

4. CONCLUSIONS It was shown that the cooling rate influences significantly the phase transformation kinetics of the investigated medium-Mn steel. The increase in cooling rate decreases the transformation start and finish temperatures of the undercooled austenite. The microstructure investigations and hardness measurements prove that for cooling rates applied the microstructure is composed of martensite and bainite phases. The steel shows a tendency to stabilize retained austenite for slower cooling rates. A further study is intended to develop a CCT diagram of the investigated steel. Acknowledgments: The financial support of the National Science Center, Poland, is gratefully acknowledged, grant no. 2017/27/B/ST8/02864. LITERATURE 1. X. Wan, G. Liu, R. Ding, N. Nakada, Y.W. Chai, Z. Yang, C. Zhang, H. Chen, Stabilizing austenite via a

core-shell structure in the medium Mn steels, Scripta Materialia 166, (2019) 68-72 2. Y.J. Li, D. Chen, J. Kang, X.L. Li, G. Yuan, R.D.K. Misra, G.D. Wang, Kinetics of carbon partitioning

during non-isothermal treatment and mechanical properties of the first industrial coils of hot rolled quenched and partitioned steel, Steel Research International, 2019, doi: 10.1002/srin.201900122

3. P.J. Du, D.P. Yang, M.K. Bai, X.C. Xiong, D. Wu, G.D. Wang, H.L. Yi, Austenite stabilization by two step partitioning of manganese and carbon in a Mn-TRIP steel, Materials Science and Technology, (2019), doi: 10.1080/02670836.2019.1572316

4. A. Gramlich, R. Emmrich, W. Blech, Austenite reversion tempering-annealing of 4 wt.% manganese steels for automotive forging application, Metals 575, (2019), doi: 10.3390/met9050575

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Mikrostruktura i właściwości stopów Mg-Bi-X (X = Ca, Mn, Zn) A. Gryc a, M. Malczewska a, B. Dybowski a, A. Kiełbus a a Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Badań i Mechaniki Materiałów email: Adam.Gryc@polsl.pl Streszczenie: W artykule opisano mikrostrukturę i wybrane właściwości mechaniczne stopów Mg-Bi oraz Mg-Bi-X (X = Ca, Mn, Zn) w stanie lanym i po obróbce cieplnej. Stopy Mg-Bi uznawane są za potencjalną alternatywę dla stosowanych obecnie stopów Mg-RE do pracy w podwyższonej temperaturze, ze względu na występowanie fazy międzymetalicznej Mg3Bi2, charakteryzującej się wysoką temperaturą topnienia na poziomie 821˚C oraz podatność tych stopów na utwardzanie wydzieleniowe, dzięki ograniczonej rozpuszczalności bizmutu w magnezie w stanie stałym. Dotychczas przeprowadzono jedynie podstawowe badania nad stopami z układu Mg-Bi, jednak obecna wiedza, dotycząca sekwencji wydzieleniowej oraz wpływu dodatków stopowych na ich mikrostrukturę i właściwości mechaniczne jest bardzo ograniczona. Stąd w ramach niniejszej pracy stopy z układu Mg-Bi zostały poddane obróbce cieplnej (przesycanie w temperaturze 500˚C lub 525˚C przez 2-24h i starzenie w temperaturze 160˚C lub 200˚C w czasie 1-168h), a następnie dokonano oceny ich mikrostruktury i właściwości mechanicznych (twardość, wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności, wydłużenie) w stanie lanym i po obróbce cieplnej. Mikrostruktura badanych stopów została zbadana z wykorzystaniem technik mikroskopii świetlnej, skaningowej mikroskopii elektronowej i rentgenowskiej analizy fazowej. Wytrzymałość na rozciągnie, granica plastyczności i wydłużenie zostały określone w statycznej próbie rozciągania, zaś twardość stopów zmierzono metodą Vickersa. Stwierdzono, że pierwiastki stopowe (Ca, Mn, Zn) poprawiają podatność na starzenie, wpływając również na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne badanych stopów oraz proces wydzieleniowy dyspersyjnych wydzieleń fazy Mg3Bi2. Abstract: In the present work microstructure and selected mechanical properties of Mg-Bi and Mg-Bi-X (X = Ca, Mn, Zn) alloys in as-cast and heat treated condition have been evaluated. Mg-Bi alloys are considered as potential alternative to high temperature Mg-RE alloys, due to the presence of Mg3Bi2 intermetallic phase, characterised by high melting point of 821˚C and possibility of age hardening, according to limited solid solubility of bismuth in magnesium. Some basic studies on Mg-Bi system have been carried out recently. However, the present knowledge about the precipitation sequence and the influence of alloying elements on their microstructure and mechanical properties is very limited. Therefore, the investigated alloys have been heat-treated (solution treatment of 2-24h at 500˚C and 525˚C, followed by ageing treatment of 1-168h at 160˚C and 200˚C) and their microstructure, as well as mechanical properties (hardness, tensile strength, yield strength and elongation) in as-cast and heat treated condition have been analysed. Microstructure of investigated alloys has been analysed by means of light microscopy, scanning electron microscopy and X-Ray diffraction. Tensile strength, yield strength and elongation were evaluated in static tensile test and Vickers hardness has been measured. It has been revealed that the alloying elements (Ca, Mn, Zn) increase the age-hardening response of investigated alloys, alter their microstructure and mechanical properties, due to the presence of disperse precipitates of Mg3Bi2 phase. Słowa kluczowe: stopy magnezu, stopy Mg-Bi, obróbka cieplna, utwardzanie wydzieleniowe, starzenie.

42 A. Gryc, M. Malczewska, B. Dybowski, A. Kiełbus

1. WSTĘP

Intensywny rozwój, jaki dokonuje się w ostatnich latach w obszarze stopów magnezu podyktowany jest trendami, wyznaczanymi głównie przez przemył motoryzacyjny i lotniczy, gdzie kluczowym czynnikiem jest redukcja masy wytwarzanych elementów, przy zachowaniu ich wysokich właściwości wytrzymałościowych. Najpowszechniej stosowanymi obecnie stopami magnezu są stopy zawierające aluminium. Ich zastosowanie jest jednak ograniczone z uwagi na występowanie fazy międzymetalicznej Mg17Al12 o stosunkowo niskiej temperaturze topnienia (450˚C) [1]. Podwyższenie dopuszczalnej temperatury eksploatacji osiągnięto poprzez zastąpienie aluminium pierwiastkami ziem rzadkich (RE) lub skandem. Stopy Mg-RE i Mg-Sc mogą być stosowane do 250˚C lub nawet 300˚C, ze względu na występowanie wysokotopliwych faz międzymetalicznych [2-3]. Jednak z uwagi na wysoką cenę i niską dostępność pierwiastków ziem rzadkich oraz skandu poszukuje się nowych stopów o zbliżonych właściwościach, w których drogie dodatki stopowe zostaną zastąpione tańszymi i łatwiej dostępnymi pierwiastkami.

2. CHARAKTERYSTYKA STOPÓW Mg-Bi

Stopy z układu Mg-Bi są obiecującymi kandydatami do zastosowań w podwyższonej temperaturze ze względu na występowanie fazy Mg3Bi2, o temperaturze topnienia 821˚C, zbliżonej do faz występujących w stopach Mg-RE. Ponadto rozpuszczalność bizmutu w magnezie spada od 1,12% at. w temperaturze przemiany eutektycznej (553˚C) do blisko 0% at. w temperaturze pokojowej, co wskazuje na podatność stopów Mg-Bi na utwardzanie wydzieleniowe [4].

Przeprowadzone badania wykazały między innymi wspomnianą podatność stopów Mg-Bi na utwardzanie wydzieleniowe oraz wpływ dodatków stopowych w postaci wapnia, manganu i cynku na procesy wydzieleniowe oraz morfologię dyspersyjnych wydzieleń fazy Mg3Bi2 (Rys. 1), a także właściwości mechaniczne stopów Mg-Bi.

Rysunek 1. Mikrostruktura stopów Mg-Bi z dyspersyjnymi wydzieleniami fazy Mg3Bi2: a) stop MgBi5, b) stop MgBi5Ca0,5, c) stop MgBi5Mn0,5 Figure 1. Microstructure of Mg-Bi alloys with disperse precipitates of Mg3Bi2 phase: a) MgBi5 alloy, b) MgBi5Ca0,5 alloy, c) MgBi5Mn0,5 alloy LITERATURA 1. T. Rzychoń, A. Kiełbus, J. Szala, Microstructure and fluidity of sand cast ZRE1 alloy, Journal of

Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, Vol. 26, Issue 2, 2008, s. 135-138. 2. V. Neubert, I. Stulíková, B. Smola, B. L. Mordike, M. Vlach, A. Bakkar, J. Pelcová, Thermal stability and

corrosion behaviour of Mg-Y-Nd and Mg-Tb-Nd alloys, Materials Science and Engineering: A, Vol. 462, Issues 1-2, 2007, s. 329-333.

3. M. Mezbahul-Islam, A. O. Mostafa, M. Medraj, Essential Magnesium Alloys Binary Phase Diagrams and Their Thermochemical Data, Journal of Materials, Vol. 2014, 2014, s. 1-33.

4. A. A. Nayeb-Hashemi, J. B. Clark, The Bi-Mg (Bismuth-Magnesium) system, Bulletin of Alloy Phase Diagrams, Vol. 6, Issue 6, 1985, s. 528-533

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Analysis of plastic deformation instabilities in post-uniform elongation region of hot-rolled medium-Mn steel B. Grzegorczyka, M. Morawieca, M. Staszuka, P. Nuckowskia, A. Grajcara a Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Engineering Materials and Biomaterials email: barbara.grzegorczyk@polsl.pl Abstract: This study investigated the microstructure and mechanical properties of hot-rolled advanced high-strength medium manganese steel. The curves obtained in static tensile tests at deformation temperatures of 20-200ºC showed the occurrence of the heterogeneous plastic deformation phenomenon, called the Portevin-Le Chatelier effect. The deformation temperature influenced a serration character. An analysis of the curves led to the assumption that in the investigated 5% Mn steel the PLC effect resulted from the dynamic strain ageing (DSA) related to the interaction of mobile dislocations and point defects. Keywords: medium-Mn steel, Portevin-Le Chatelier phenomenon, advanced high-strength steel 1. INTRODUCTION Current development trends of lightweight and low-emission in the automotive industry request for high-performance materials. Medium-Mn steels have attracted an extensive interest by materials scientists due to their excellent balance of mechanical properties and production cost. The medium-Mn steels establish an important class of novel alloys of the 3rd generation advanced high strength steels (AHSS). AHSS have both high strength and high ductility, and thus are promising in vehicle’s weight reduction to improve fuel economy and reduce CO2 emission. Medium-Mn steels have a manganese content between 3-12 wt.%. They contain some fraction of metastable retained austenite, which upon cold forming exhibits a transformation-induced plasticity (TRIP) effect [1]. In many metallic alloys there occurs the phenomenon of heterogenic plastic deformation in a form of so called “teeth” on stress-strain curves, generally known as the Portevin-Le Chatelier effect (PLC) [2]. In the Fe-Mn alloys the phenomenon of plastic instability has been explained on the basis of the DSA effect (dynamic strain aging). The DSA effect is the result of presence in the material atoms of dissolved substance, as is the case at a temperature conditioning a sufficient mobility of atoms dissolved in a solid solution permitting the formation of atmospheres on the dislocations [3]. 2. EXPERIMENTAL PROCEDURE The hot-rolled 4.5 mm sheet steel of the type 0.16C-4.7Mn-1.6Al-0.2Si-0.2Mo was investigated. A series of static tensile tests was performed in a temperature range from 20 to 200°C. The microstructure was characterized by scanning electron microscope (SEM). A surface topography of the investigated steel samples was characterized by using the atomic force microscope (XE-100 Park Systems). A volume fraction of retained austenite was measured by X-ray diffractometer (XRD). To determine a fraction of retained austenite the Rietveld method was applied. 3. RESULTS The tensile curves are presented in Figure 1. The tensile strength of the steel is from 1180 to 1300 MPa whereas the yield stress is ~ 900 MPa. An austenite amount at the initial state is equal to ~ 11% [1]. The total elongation is

44 B. Grzegorczyk, M. Morawiec, M. Staszuk, P. Nuckowski, A. Grajcar

limited to ~ 12%. At 60-140oC, the curves with characteristic serrations are obtained. At 100 and 140°C, the stress oscillations were observed at the post-uniform deformation range. At temperatures of 20 and 200°C, the curves have a smooth course. Some correlations between the TRIP and PLC effects were documented in the literature. In line with these assumptions, the plastic instabilities in Fe-Mn alloys depend on reoriented Mn-C pairs in dislocation cores [3]. The AFM maps in Figure 2 show the location of bainitic ferrite, residual austenite (RA) and martensite (M). The reduction in the height of the profile line in the retained austenite is characteristic for martensitic areas.

Figure 1. Tensile curves of the investigated steel registered in a temperature range from 20 to 200°C

Figure 2. The AFM maps of the steel in the initial state and corresponding height profiles.

4. CONCLUSIONS The amplitude of the stress serration in the investigated hot-rolled 5% Mn steel was the highest in a temperature range of 100-140°C. The serrations occurred in a post-uniform elongation range. They disappeared at 20 and 200°C. Some correlations between structural constituents and plastic instability behaviour were indicated. Acknowledgments: The financial support of the National Science Center, Poland, is gratefully acknowledged, grant no. 2017/27/B/ST8/02864. LITERATURE 1. B. Grzegorczyk, A. Kozłowska, M. Morawiec, R. Muszyński, A. Grajcar, Effect of deformation temperature

on the Portevin-Le Chatelier effect in medium-Mn steel, Metals 9 (2019) doi.org/10.3390/met9010002. 2. W. Ozgowicz, B. Grzegorczyk, A. Pawełek, W. Wajda, Z. Ranachowski, An analysis of the Portevin-Le

Chatelier effect and cracking of CuSn6P alloy at elevated temperature of deformation applying the acoustic emission method, Engineering Fracture Mechanics 167 (2016) 112-122.

3. M. Koyama, T. Sawaguchi, K. Tsuzaki, Overview of dynamic strain aging and associated phenomena in Fe-Mn-C austenitic steels, ISIJ International 104 (2018) 187-200.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Influence of scanning strategies on residual stress in SLM process according to bridge curvature method J. Hajnys a, M. Pagac a, J. Mesicek a, J. Petru a a VSB-Technical University of Ostrava, Faculty of Mechanical Engineering email: jiri.hajnys@vsb.cz Conclusions: The paper introduces a new method (BCM) for detecting stresses. The method uses a standardized technique to assess the curvature angle of a bridge structure made using SLM technology, which is cut off from the substrate for measuring thermal gradients. The results correspond to the simulation performed on the computer. Based on the results, we are able to determine how much deformation will occur in different scanning strategies. Abstract: The present paper deals with the investigation and comparison of the influence of scanning strategy on residual stress in the SLM process. For the purpose of the experiment, bridge geometry samples were printed on a 3D metal printer, which exhibited tension after cutting from the substrate, slightly bending the samples toward the laser melting direction. Samples were produced with the same parameters but with a change in scanning strategy that plays a major role in stress generation. It was evaluated using the Bridge Curvature Method and subsequent recalculation. At the end, a recommendation was made. Key Words: 316L, residual stress, SLM, scanning strategy, AlSi10MG 1. Introduction Additive Manufacturing (AM), namely Selective Laser Melting (SLM) technology, allows you to create complex components that can be customized in different ways (topological optimization, lightweight construction, medical prototypes, etc.) Technology SLM works on the basis of melting of the individual layers to each other, this creates thermal gradients that permeate the previously molten layer. The material expands and contracts, resulting in residual stress [1]. The residual stress is then triggered for various cracks, deformations and changes in strength. The present article aims to reduce the internal stress by changing the scanning strategy pattern, where the length of the scanning vector has a major effect on the magnitude of the thermal gradient. The method developed by Kruth et al. [2] called Bridge Curvature Method (BCM), see Fig. 1.

Fig. 1 Bridge Curvature Method [2]

2. Materials, methods and devices For experimental purposes, three main scan strategies were selected, which were subsequently modified. These are the strategies of "Meander", "Chessboard" and "Stripes" (see Fig. 2). For the measurement and detection of internal stresses and deformation, generally uses destructive methods (layer removal method, the crack compliance

46 J. Hajnys, M. Pagac, J. Mesicek, J. Petru

method, the contour method and the hole drilling method) or non-destructive methods (X-ray diffraction, neutron diffraction, ultrasonic and magnetic measuring methods) [3]. This paper uses a new BCM method for measurement, which can quickly and easily analyze individual scanning strategies. The bridge samples were printed in 4 sets (variation of wall thickness and width) to identify residual stresses. The testing included two materials, the first stainless steel material AISI 316L, where the samples were made on the Renishaw AM400 and the aluminum material AlSi10MG-A, where the samples were made on the Trumpf TruPrint 1000. Before printing, the print itself was simulated to detect theoretical deformations and thermal gradients .

Fig. 2 Used scanning strategies [4]

3. Results All tested samples showed residual stress after cutting from the substrate, where the bridges were bent in the laser melting direction. Reduction of residual stresses is possible by adjusting the length and direction of vectors in scanning strategies, when the use of the chessboard strategy appears most appropriate, it is also possible to reduce deformations by preheating. Further research will be testing individual strategies on the resulting mechanical properties. LITERATURE [1] WILLIAMS, Richard J., Catrin M. DAVIES a Paul A. HOOPER. A pragmatic part scale model for residual

stress and distortion prediction in powder bed fusion. Additive Manufacturing [online]. 2018, 22, 416-425 [cit. 2019-08-02]. DOI: 10.1016/j.addma.2018.05.038. ISSN 22148604

[2] KRUTH, Jean-Pierre, Jan DECKERS, Evren YASA a Ruben WAUTHLÉ. Assessing and comparing

influencing factors of residual stresses in selective laser melting using a novel analysis method. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture [online]. 2012, 226(6), 980-991

[3] Prime MB. Cross-sectional mapping of residual stresses by measuring the surface contour after cut. Journal

of Engineering Materials and Technology 2001; 123: 162-168. [4] RENISHAW, Magics training: Material profile editing. RENISHAW: apply innovation. United Kingdom:

Renishaw, 2016. Available from: https://www.renishaw.com Acknowledgement

This paper has been completed in connection with project Innovative and additive manufacturing technology – new technological solutions for 3D printing of metals and composite materials, reg. no. CZ.02.1.01/0.0/0.0/17_049/0008407 financed by Structural Funds of the European Union and project.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Evaluation of 3D print specimen geometry suitable for axial-torsional testing R. Halama a, Z. Paška a, J. Sedlák a a VSB-Technical University of Ostrava, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Applied Mechanics, 17.listopadu 2172/15, Ostrava-Poruba 70800, Czech Republic email: radim.halama@vsb.cz Streszczenie: Praca pokazuje interesujące wyniki symulacji wykonanych metodą elementów skończonych. Celem analizy naprężeń było znalezienie odpowiedniego projektu próbki zmęczeniowej, która może być stosowana wraz z pomiarami odkształceń opartymi na metodzie korelacji obrazu cyfrowego. Badanie pomaga optymalizacji parametrów procesu technologii SLM druku 3D w odniesieniu do cyklicznego zachowania materiałów. Abstract: This work shows some interesting results from simulations performed by Finite Element Method. The goal of stress analyses was to find out suitable design of fatigue specimen, which can be used together with Digital Image Correlation Method based measurements of strains. The study helps optimisation of process parameters of Selective Laser Melting 3D print technology with regards to enhanced cyclic stress-strain behaviour of materials. Key words: FEM, plasticity, fatigue, specimen, 3D print, metals. 1. INTRODUCTION

The phenomenological approach has been still the most efficient way of stress-strain behaviour description in Finite Element Analyses (FEA). There are many effects of cyclic plasticity, which play a crucial role for industrial applications [1]. The accuracy of stress-strain behaviour prediction has significant impact on the fatigue analysis. In the case of low-cycle fatigue domain, the accumulation of plastic deformation due to asymmetric cyclic loading, called ratcheting, can decrease fatigue life. Previous works of authors showed new possibilities of experimental research of ratcheting using Digital Image Correlation Method (DICM) [2-3], which can increase efficiency of stress-strain behaviour investigation. The developed experimental technique brings acceleration of research, especially in cyclic plasticity models calibration and evaluation [4-5]. Nowadays, additive technologies make possible creation of specimen geometry, which would be difficult to achieve with conventional manufacturing technologies.

This paper focuses on the design of specimen for fatigue testing under axial-torsional loading conditions. Results of stress analysis of classical round and hollow specimens show some difficulties for evaluation by means of standard procedures. There are presented two new possible specimen types with uniform axial stress distribution for tensile loading in this work. In consequence, the developed geometry enables to use analytical formulas for evaluation of stress-strain behaviour in the thicker part/parts of the specimen too. 2. FE ANALYSIS

All current standards for axial-torsional fatigue testing specify a thin-walled tubular (hollow) specimen, because the shear and axial stress in the testing part can be easily evaluated. The classical thin-walled specimen reveals non-uniform distribution of stresses in the cross-section in the curved part of specimen [3]. For instance in the case of pure torsion the shear plastic strain on the surface is decreasing with the cross-section diameter, see Fig. 1a. The performed simulation was done in ANSYS and more details can be found in [3] and [4].

48 R. Halama, Z. Paška, J. Sedlák

The first type of geometry, which can be used together with DICM, is a stepped specimen, e.g. with four sections. Preliminary simulations prove, that axial stress distribution could be more uniform, than in the area of the transition radius of the common specimen type. The distribution of the equivalent stress according to Von Mises in areas with cylindrical parts is stated in Fig. 1b. Individual cross-sections showed almost constant distribution of axial stress [4]. Stepped specimen would then bring other possibilities of low-cycle test evaluation, e.g. acquisition of cyclic hardening/softening, of a cyclic stress-strain curve, additional hardening investigation etc.

a) b)

Rysunek 1. Kontury odkształcenia plastycznego przy ścinaniu na powszechnie stosowanej geometrii (a) i konturach naprężeń równoważnych na proponowanej próbce (b) Figure 1. Contours of shear plastic strain on the commonly used geometry (a) and equivalent stress contours on the proposed specimen in MPa (b)

3. CONCLUSIONS

A parametric study has been done to design two new specimen geometries regarding requirement of uniform

stress distribution of stresses in the cross-section. The second type of geometry will be presented on the conference Material Technologies in Silesia 2019. Advanced FE simulations enabled to create a special curved transition part, which could be produced rather by additive technologies than by the conventional manufacturing. The main aim of the investigation is to propose an appropriate technique of cyclic plastic material behaviour evaluation with minimum number of specimens, which will lead to efficient way of 3D print process parameters optimisation. ACKNOWLEDGEMENTS

The paper has been done in connection with project CZ.02.1.01/0.0/17_049/0008407 financed by Structural Founds of Europe Union. This work was also supported by the Grant Agency of the Czech Republic (GACR) project No. 19-03282S, and was realized within the framework of the specific research SP2019/100 project, supported by the Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech Republic. LITERATURA 1. R. Halama, J. Sedlák, M. Šofer, Phenomenological Modelling of Cyclic Plasticity, Book chapter in:

Numerical Modelling, Peep Miidla (Ed.), InTech, p. 329-354, 2012. 2. R. Halama, M. Pagáč, Z. Paška, P. Pavlíček, X. Chen, Ratcheting Behaviour of 3D printed and

Conventionally Produced SS316L Material. In: Proceedings of the ASME 2019 Pressure Vessels & Piping Conference PVP2019 July 14-19, 2019, San Antonio, TX, USA, paper number PVP2019-933384.

3. R. Halama, P. Gál, Z. Paška, J. Sedlák, A New Accelerated Technique for Validation of Cyclic Plasticity Models. MATEC Web of Conferences 157, paper number 05008 (2018) 6 pages.

4. J. Sedlák, Cyclic Creep Phenomenon and its Prediction by FEM, Department of Applied Mechanics, Faculty of Mechanical Engineering, VŠB-TU Ostrava, 124 pages, 2017. (In Czech)

5. Halama, R., Fusek, M., Poruba, Z. Influence of Mean Stress and Stress Amplitude on Uniaxial and Biaxial Ratcheting of ST52 Steel and its Prediction by the AbdelKarim–Ohno Model. International Journal of Fatigue 91 (2016) 313-321.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Change of magnetic properties around fatigue crack in austenitic steel P. Hanusová a, P. Palček a, M. Uhríčik a, M. Smetana b , T. Oršulová a a University of Žilina, Faculty of Mechanical Engineering, Departement of Materials Engineering, Univerzitná 1, 010 26, Žilina, Slovakia email: patricia.hanusova@fstroj.uniza.sk b University of Žilina, Faculty of Electrical Engineering and Information Technology, Department of Electromagnetic and Biomedical Engineering, Univerzitná 1, 010 26, Žilina, Slovakia Abstract: In this paper, the parallel between the material electromagnetic properties and the plastic deformation is investigated for a 304, 3016L and 3016Ti austenitic stainless steel. The plastic deformation around the fatigue failure of the austenitic stainless steel is accompanied by a change in magnetic characteristics. It is indicated that the increase of plastic deformation leads to the material conductivity decrease which is considered to relate to the micro-defects including slip and twins, while the increasing of plastic deformation leads to the material magnetic property increase that has a close relationship with the martensitic transformation. Three types of steel were explored using a constructed magnetism sensor. During the three stages of fatigue crack propagation, changes in magnetism, microstructure, macrostructure, and microhardness were measured. Keywords: stainless steel, fatigue crack, magnetism, plastic deformation 1. INTRODUCTION

Plastic deformation and fatigue damage, as the typical micro-damage caused by longterm process of stress. It may seriously affect the material electromagnetic properties and shorten the structural lifespan. Moreover, the influence of fatigue damage on the material electromagnetic properties.[1] Austenitic stainless steel is widely used in a variety of hostile environments applications, where the combination of good corrosion resistance with high strength, stiffness, and toughness is required. Austenitic stainless-steel contain metastable austenitic phase, which is easily transformed into martensitic phase due to deformation and change of temperature. With the increase of martensitic transformation, the strength of material increases, while ductility and corrosion resistance decrease. Detecting the martensitic phase is one way to evaluate the degradation process of austenitic stainless steel.[2]

The mechanisms responsible for strain hardening are mostly related to the interaction of dislocations with strain fields and obstacles in the crystal structure, such as other dislocations, strain-induced phases or twin boundaries. These obstacles are introduced in the structure by the deformation process and decrease the dislocation mobility. [3]

2. MATERIALS AND METHODS

The experimental part of the paper is focused on three types of austenitic steel: AISI 304, AISI 316L and AISI 316Ti, which are supplied by the manufacturers in the form of bars of 10 x 10 mm square cross-section. Selected materials are commercially available.

AISI 304 is molybdenum-reduced chrome-nickel steel. It features many advantageous properties such as high ductility, acceptable formability, and machinability. Relatively well resists most oxidizing acids. In general, this steel is non-magnetic, but after cold forming, it becomes slightly magnetic due to the deformation-induced martensite. Furthermore, the presence of deformation-induced martensite increases the strength and reduces the ductility of the steel.

50 P. Hanusová, P. Palček, M. Uhríčik, M. Smetana, T. Oršulová

AISI 316L is a molybdenum-chrome-nickel non-stabilized low carbon steel. The molybdenum additive, together with the low carbon content, is a prerequisite for high corrosion resistance. This steel has positive formability, is polishable to mirror gloss and has high resistance to intercrystalline corrosion.

AISI 316Ti is titanium-stabilized chromium-nickel-molybdenum steel, with a titanium content of five times the carbon content. Above 800 ° C, the structure is stabilized by the titanium atoms, thereby preventing carbide precipitation at the grain boundaries. The steel is protected from intercrystalline corrosion. The addition of molybdenum increases acid resistance while increasing the yield strength and strength.

The experiment analyzed the chemical composition of all investigated materials, which was performed using a SPEKTROMAXx spark spectrometer. The chemical composition results of austenitic stainless steel are shown in Table 1.

Table 1. Chemical composition of experimental materials [wt. %]

Type of steel Concentration of elements

C Cr Ni Mn Mo Si S P Ti AISI 304 0.05 19.59 7.84 1.57 0.49 0.29 0.03 0.05 -

AISI 316L 0.03 17.41 9.91 1.34 2.38 0.51 0.03 0.07 -

AISI 316Ti 0.03 17.83 10.62 1.54 2.36 0.44 0.03 0.06 0.14

The given experimental material is the conductive stainless-steel specimens that are nondestructively

inspected. Three different austenitic steel grades were evaluated: AISI 304, 316L and 316Ti grade. The specimens had initially the brick shape, with initial dimensions: 50 mm x 10 mm x 10 mm. The all specimens were previously annealed at the defined temperature. The fatigue test was performed on Vibrophores Amsler 150 HFP 5100 Zwick/Roell under three-point bending load at room temperature with a frequency of 83 Hz. Static load was definite at -8kN and dynamic load at 5kN. The microstructures of the samples were investigated using TESCAN VEGA LMU2-emission scanning electron microscope. The microhardness was explored by Vickers on Zwick/Roell Hardness Tester HV 0.5. Magnetic induction was measured using an constructed EddyTec FLUX GATE GMR sensor and evaluated in the programming interface LabVIEW.

3. CONCLUTION

The combined effect of plastic deformation and fatigue damage was investigated through experiment. Besides, the difference of microstructures of three kinds of damage specimens is observed and analyzed. The differences between the types of steel were significant. The strongest output signals were steel AISI 304, which was correlated with the theoretical background, as the steel contains the highest number of ferromagnetic components of deformation-induced martensite. AISI 316L and AISI 316Ti steel measurements demonstrate that the residual magnetic field was considerably lower than that of AISI 304, although AISI 316L had an improved resolution between field components compared to AISI 316Ti.

4. ACKNOWLEDGMENTS

This research was supported by Visegrad Fund and KEGA Project n° 013ŽU-4/2019. REFERENCES 1. S. Xie, L. Wu, Z. Tong, et al., Influence of plastic deformation and fatigue damage on eletromagnetic

properties of 304 austenitic stainless steel, IEEE Transaction on magnetics 1-10 (2018) 54-8. 2. L. Zhang, S. Takahashi, Y. Kamada et al., Magnetic properties of SUS 304 austenitic stainless steel after

tensile deformation at elevated temperatures, Journal of Materials science 2709-2711 (2005) 40-9. 3. G. C. Soares, B. M. Gonzalez, L. Santos, Strain hardening behavior and microstructural evolution during

plastic deformation of dual phase, non-grain oriented electrical and AISI 304 steel, Materials Science & Engineering 577-585 (2017) 684.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Complex corrosion properties of AISI 316L steel prepared by 3D print technology J. Hlinka a, M. Kraus a, R. Bodlak a, J. Hajnys b, M. Pagac b, P. Mohyla b a VSB-Technical University of Ostrava, Faculty of Materials and Technology, Department of Materials Engineering b VSB-Technical University of Ostrava, Faculty of Mechanical Engineering email: josef.hlinka@vsb.cz Conclusions: There are corrosion properties of 3D printed AISI 316L steel described in this paper. It was proved that common heat treatment can even increase corrosion behaviour of this steel in environment simulating human body conditions. Wettability of tested surfaces determined by contact angle and the free surface energy were found using the sessile drop method. The results of these measurements can be used for evaluation of the tested material and assessment of its suitability for using in different field of medicinal practise, especially implantology. Abstract: This paper deals with investigation of complex corrosion properties of 3D printed AISI 316L steel and the influence of additional heat treatment on resulting corrosion parameters. There was isotonic solution used for simulation of human body and diluted sulphuric acid solution for study of intergranular corrosion damage of tested samples. There were significant changes of microstructure found for each type heat treatment, which resulted into different corrosion properties of tested samples. Regards to these results the most appropriate heat treatment can be applied for applications with intended use in medicine. Key words: additive manufacturing, implants, corrosion, wettability, biocompatibility 1. Introduction Additive manufacturing is effective way of customized medical instruments production. Even implants and other tools of complicated shapes a different size can be produced without need of any additional surface machining. The negative aspect of 3D printed applications is uneven heat distribution resulting into concentration of internal stresses in their microstructure [1]. This phenomenon can negatively affect mechanical and technological properties. Heat treatment is common way of residual stress elimination but can also cause microstructural phase changes and decreasing of corrosion properties which are critical for usage of the material in medicinal fields [2]. The main object of the research is to objectively validate and chose the best parameters of heat treatment which positively affects either mechanical or corrosion properties.

2. Materials, methods and devices

The samples were additively manufactured by Renishaw AM 400 using chess board scanning strategy. There was an AISI 316L atomized powder certified by Renishaw with average particle size 45 ± 15 μm used for 3D printing in argon atmosphere. All the corrosion measurements were done using Voltalab PGZ 100 with Voltamaster software instrument in potentiodynamic regime. All the corrosion measurements were performed in 3 electrodes corrosion cell with 0,5 cm2 bottom exposure hole filled with 20ml of isotonic physiological solution (0,9 wt. % NaCl in deionised water) The surface contact angle was found by SEE system and free surface energy was calculated by Advex Instrument software. The surface after corrosion tests was observed by SEM FEI 450 Quanta FEG equipped with EDX detector.

52 J. Hlinka, M. Kraus, R. Bodlak, J. Hajnys, M. Pagac, P. Mohyla

3. Results There were three types of samples tested in this research. The first was heat treated at 650°C (TZ1), the second at 1050°C (TZ2) [3]. Both samples were tempered for 20 minutes in vacuum and cooled in furnace. The third sample was reference (REF) one without any kind of treatment after 3D printing process. The corrosion parameters of the samples are presented in Table 1, where values for 1h and 169h immersion in solution are shown. The values of reference sample surface contact angle and surface free energy with comparison to traditional casted way produced AISI 316 steel are listed in Table 2. The typical surface after corrosion tests is shown at Figure. 1. The surface shows signs of selective corrosion [4]. This type of surface is suitable for additional hydroxyapatite coating [5] .

Table 1. Corrosion properties of tested samples

Taffel method Stern Method

Corrosion rate (nm.year-1)

Corrosion potential vs. SCE (mV)

Polarization resistance (kΩ.cm2)

Corrosion potential vs. SCE (mV)

Polarization resistance (kΩ.cm2)

1h 169h 1h 169h 1h 169h 1h 169h 1h 169h TZ1 675 790 -166 -181 110 52 -166 -179 115 42 TZ2 1967 1565 -255 -190 102 147 -254 -190 80 147 REF 1234 165 -206 -47 94 408 -210 -43 88 403

Table 2. Contact angle and surface energy

Sample Contact angle (°) Surface energy (mJ.m-2) REF (3D) 43,86 ± 7,26 57,23 ± 4,45

Casted 88,19 ± 4,99 30,37 ± 3,86

Figure 1. Surface after corrosion tests with micropores visible in microstructure

LITERATURE

1. M. Turski, A. H. Sherry, P. J. Bouchard, and P. J. Withers, “Residual stress driven creep cracking in type 316 stainless steel,” J. Neutron Res., 2004.

2. N. C. Verissimo, S. Chung, and T. J. Webster, “New nanoscale surface modifications of metallic biomaterials,” Surf. Coat. Modif. Met. Biomater., pp. 249–273, 2015.

3. J. A. Cherry, H. M. Davies, S. Mehmood, N. P. Lavery, S. G. R. Brown, and J. Sienz, “Investigation into the effect of process parameters on microstructural and physical properties of 316L stainless steel parts by selective laser melting,” Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2014.

4. J. Hlinka, S. Lasek, and N. Faisal, “Corrosion properties of anodized titanium,” Acta Metall. Slovaca, vol. 23, no. 3, pp. 270–275, 2017.

5. J. Hlinka, S. Lasek, R. Siostrzonek, and N. Faisal, “Characterization of hydroxyapatite layer on AISI 316L stainless steel,” in METAL 2017, Conference Proceedings, 2017.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ czasu mielenia na morfologię stopów na bazie magnezu B. Hrapkowicz a, S. Lesz a a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Materiałów Nanokrystalicznych i Funkcjonalnych oraz Zrównoważonych Technologii Proekologicznych email: bartlomiej.hrapkowicz@polsl.pl Streszczenie: Celem pracy było zbadanie wpływu wysokoenergetycznego mielenia na wielkość cząstek stopu Mg65Zn30Ca4Gd1, przeprowadzono 13 oraz 20 cykli mielenia. W celu zbadania morfologii proszków została wykonana analiza granulometryczna przy użycia urządzenia Fritsch Analysette 22 MicroTec+. Rozmiar cząstek zawierał się w przedziale od 10 do 100 μm ze średnią wartością 44,11 μm oraz 32,47 μm. Badania wykazały ich homogeniczność po 20 cyklach mielenia. Abstract: The aim of this paper was to investigate the effect of high energy milling on the particle size, 13 and 20 grinding cycles were carried out for the Mg65Zn30Ca4Gd1. alloy. A granulometric analysis was conducted using the Fritsch Analysette 22 MicroTec + in order to assess the powder particles morphology. The particle size ranged from 10 to 100 μm with an average value of 44.11 μm for 20 and 32.47 μm for 13 cycles. The tests showed their homogeneity after 20 cycles of the milling process. Słowa kluczowe: np.: magnez, mielenie, granulometria, gadolin, cynk

1. WSTĘP Rozwój materiałów biomedycznych znacząco przyczynił się do postępu medycyny i implantologii [1-2].

Związane jest to z rosnącymi wymaganiami dotyczącymi materiałów, które muszą spełniać określone kryteria pozwalające na ich użycie. Te wymagania są tym ważniejsze, im bardziej złożony jest implant. Obecnie duże zainteresowanie badawcze budzą materiały biodegradowalne [3-4]. Materiały na bazie magnezu mają obiecujące właściwości mechaniczne. W stopach magnezu, magnez dobrze wiąże się z cynkiem, co poprawia jego odporność na korozję i własności mechaniczne [5-6]. Dodatkowo na podwyższenie wytrzymałości mechanicznej stopu wpływa gadolin [7]. Wapń ma wpływ na mikrostrukturę, właściwości mechaniczne, zachowanie elektrochemiczne i kinetykę degradacji stopów na bazie magnezu. [8]

2. MATERIAŁ I METODYKA BADAWCZA

Stężenie pierwiastków wchodzących w skład chemiczny stopu zostało podane w tablicy 1.Materiał do badań został naważony w odpowiednich proporcjach (Tablica 1), Zastosowano mieszaninę proszków wysokiej czystości proszków (Mg – 99.8 wt%, Zn 99.9 wt%, Gd 99.9 wt% oraz Ca 99.5 wt%). Proces odbył się w atmosferze argonu, w celu uniknięcia utlenienia materiału. Następnie został on przeniesiony do stalowego pojemnika. Stosunek masy kul (φ10) do masy wsadu wynosił 10:1. Parametry procesy mielenia zostały dobrane na bazie wyników badań [9]. Na jeden cykl mielenia składała się 1 godzina mielenia oraz półgodzinna przerwa. Tablica 1. Skład chemiczny stopu Mg65Zn30Ca4Gd1 Table 1. Mg65Zn30Ca4Gd1 alloy composition

Pierwiastek Stężenie atomowe [at%] Masa [g] Magnez 65 4,094

Cynk 30 5,082 Wapń 4 0,415

Gadolin 1 0,409

54 B. Hrapkowicz, S. Lesz

Analiza granulometryczna została wykonana przy użyciu urządzenia Fritsch Analysette 22 MicroTec+ w zakresie analizy od 0,01 do 1000 μm. Przygotowane proszki zostały wsypane do ultradźwiękowej płuczki wypełnionej etanolem, a następnie zmierzone dwoma częstotliwościami lasera. Wyniki badania zostały przedstawione na Rysunku 1, wartość dQ3 oznacza względną częstość rozkładu wielkości ziarna. a)

b)

Rysunek 1 Wyniki analizy granulometrycznej cząstek stopu Mg65Zn30Ca4Gd1 przez a) 13h oraz b) 20h. Figure 1 The results of measuring the Mg65Zn30Ca4Gd1 alloy particles for a) 13h and b) 20h. Przeprowadzone badania wykazały dużą jednorodność cząstek proszku. Na wykresach przedstawiono wyniki badań 3 prób. Średnia wielkość cząstek proszku po 13 i 20 cyklach mielenia wynosi odpowiednio 32.47 i 44.11 μm. Proszki są bardziej homogeniczne po 20 cyklach niż po 13. Rozłożenie wielkości cząstek przypomina kształtem krzywą Gaussa, który jest osiągany w procesie ciągłego łączenia oraz rozkruszania podczas mielenia. Zmiany w rozmiarze cząstek są związane z uderzeniami cząstek proszku między kulami mielącymi oraz ścianami pojemnika.

3. PODSUMOWANIE Rozmiar cząstek zawiera się w przedziale od 10 do 100 μm, a średnia wielkość cząstek proszku po 13 i 20 cyklach mielenia wynosi 32.47 i 44.11 μm. Większy rozmiar cząsteczek uzyskany po 20 cyklach jest związany z częściową aglomeracją proszku. natomiast wykazują one większą homogeniczność niż te po 13.

4. PODZIĘKOWANIA Praca powstała w wyniku realizacji projektu badawczego o nr 2017/27/B/ST8/02927 finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki. LITERATURA 1. J. L. Dziki and S. F. Badylak, Immunomodulatory biomaterials, Curr. Opin. Biomed. Eng. 6 (2018) 51–57. 2. J. M. Anderson, Biocompatibility and Bioresponse to Biomaterials, Princ. Regen. Med., (2019) 675–694. 3. K. Yang et al., Bio-Functional Design, Application and Trends in Metallic Biomaterials., Int. J. Mol. Sci., 19, (2017) 4. A. R. Amini et al. Short-term and long-term effects of orthopedic biodegradable implants, J. Long. Term. Eff. Med.

Implants, 21, 2 (2011), 93–122. 5. G. Wang et al., Effects of Zn addition on the mechanical properties and texture of extruded Mg-Zn-Ca-Ce magnesium alloy

sheets, Mater. Sci. Eng. A, 705 (2017) 46–54. 6. M. Yuasa et al., Improved plastic anisotropy of Mg–Zn–Ca alloys exhibiting high-stretch formability: A first-principles

study, Acta Mater., 65 (2014) 207–214. 7. N. Hort et al., “Magnesium alloys as implant materials – Principles of property design for Mg–RE alloys,” Acta

Biomater.,6, 5, (2010) 1714–1725. 8. M. Salahshoor and Y. Guo, Biodegradable Orthopedic Magnesium-Calcium (MgCa) Alloys, Processing, and Corrosion

Performance., Mater. (Basel, Switzerland), 5, 1 (2012) 135–155. 9. S. Lesz et. al., Influence Of Milling Time On Amorphization Of Mg-Zn-Ca Powders Synthesized By Mechanical Alloying

Technique, Arch. Metall. Mater., 63 2 (2018) 845-851.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Próby otrzymywania tuszy dedykowanych do tworzenia elektroniki drukowanej A. Hryniszyn-Kula a, K. Czechowska a, J. Mazur a, D. Kołacz a, K. Kustra a

a Zakład Materiałów Proszkowych i Kompozytowych, Sieć Badawcza ŁUKASIEWICZ – Instytut Metali Nieżelaznych email: alicjah@imn.gliwice.pl Streszczenie: Artykuł dotyczy problematyki tuszy przeznaczonych do drukarek umożliwiających nanoszenie ultracienkich i transparentnych linii przewodzących prąd elektryczny, które mogą być wykorzystywane między innymi w produkcji warstw TCF (Transparent Conductive Films) stosowanych w branży producentów wyświetlaczy ekranów dotykowych oraz elastycznej elektroniki. W artykule przedstawiono metodykę otrzymywania proszków miedzi wytworzonych metodą redukcji chemicznej oraz proszków na bazie tellurku bizmutu otrzymanych w wyniku stopowania w młynku wysokoenergetycznym. Przedstawiony tekst obejmuje także opis metodyki przygotowania zawiesin wytworzonych proszków w różnych mediach, z uwzględnieniem różnych wariantów sonikacji oraz wyniki badań stabilności otrzymanych zawiesin. Abstract: The article is focused on inks dedicated to printers which enable deposition of ultrathin and transparent electrically conductive lines which might be used for Transparent Conductive Films which are applicable in touchscreens and flexible electronics. The methodology of copper and based on bismuth telluride powder preparation by chemical reduction and mechanical alloying respectively. The presented text include also description of suspension preparation from powders including different media, sonication parameters and results of suspension stability tests. Słowa kluczowe: elektronika drukowana, miedź, tellurek bizmutu, tusze, nanodruk 1. WSTĘP

Drukowanie z wykorzystaniem tuszy zawierających w swoim składzie cząstki metaliczne stanowi atrakcyjną metodę nanoszenia ścieżek metalicznych w układach elektronicznych, zapewniając ekonomiczny oraz przyjazny dla środowiska sposób produkcji [1]. Tusze przewodzące w ciągu ostatnich lat zostały obszernie przebadane ze względu na ich popularność w takich zastosowaniach jak elektronika drukowana oraz elastyczna [2]. Nanotusze składają się z nanometrycznych cząstek zawieszonych w dyspergatorze organicznym. Zaletą nanocząstek jest fakt, że w porównaniu do swoich konwencjonalnych odpowiedników ulegają spiekaniu w niższych temperaturach co jest spowodowane wysokim stosunkiem powierzchni właściwej do objętości oraz niewielkim promieniem krzywizny. Przykładowo temperatura topienia srebra wynosi 962°C natomiast dla nanosrebra wynosi 200°C. Ze względu na nadzwyczajnie niską temperaturę topienia oraz spiekania nanotusze mogę być używane jako ścieżki metaliczne, ponieważ charakteryzują się niską temperaturą spiekania ale wysoką temperaturę topienia po początkowym procesie spiekania. Niskie temperatury topienia umożliwiają nanoszenie ścieżek metalicznych przy niskich temperaturach co jest pożądane w przypadku elementów wrażliwych na wysoką temperaturę. Wysoka temperatura topienia umożliwia naniesienie kolejnych ścieżek w tej samej lub wyższej temperaturze w sytuacji wielokrotnych sekwencji ścieżek metalicznych lub naprawy. Rozwiązanie to jednak posiada wadę jaką jest tendencja do aglomeracji nanocząstek, w związku z czym należy opracować metodę rozproszenia nanocząstek tak

56 A. Hryniszyn-Kula, K. Czechowska, J. Mazur, D. Kołacz, K. Kustra

aby zapewnić stabilność zawiesiny [3]. Celem badania było wytworzenie proszków o odpowiednim uziarnieniu oraz otrzymanie stabilnych zawiesin proszków w medium (glikol-woda).

1.1. Otrzymywanie proszków przeznaczonych do wykonania zawiesin

W wyniku przeprowadzenia reakcji redukcji prekursora miedzi (bezwodny siarczan(VI) miedzi(II)) kwasem L(+) askorbinowym otrzymano proszek miedzi. Natomiast proszek na bazie tellurku bizmutu wytworzono w wyniku stopowania w młynku wysokoenergetycznym z proszków komercyjnych : Bi2Se3 i Bi2Te3 wymieszano aby były jednorodne i stopowano w młynie planetarnym. Proszki zostały przeanalizowane pod kątem gęstości, powierzchni właściwej, rozkładu wielkości uziarnienia a także morfologii za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego oraz dyfrakcji rentgenowskiej w celu określenia składu fazowego otrzymanych proszków.

Rysunek 1. Zdjęcia miedzi wytworzonej za pomocą metody redukcji chemicznej otrzymane za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego Figure 1. SEM image of copper obtained by chemical reduction method

1.2. Otrzymywanie stabilnych zawiesin

Podjęto także próby rozproszenia miedzi jak i kawazulitu ( Bi2Te2Se) w układzie glikol polietylenowy (o średniej masie cząsteczkowej 400 g) o różnych stężeniach-woda dla różnych wariantów pH oraz różnych czasów sonikacji. Następnie zbadano stabilność zawiesin za pomocą obserwacji szybkości sedymentacji w cylindrach miarowych oraz na podstawie pomiarów otrzymanych za pomocą urządzenia Analysette 22 Nanotec firmy Fritsch do pomiaru rozkładu wielkości uziarnienia metodą dyfrakcji promienia laserowego.

LITERATURA

1. K. Black, J. Singh, D. Mehta, S. Sung, C.J. Sutcliffe, P. R. Chalker, Silver Ink Formulations for Sinter-freePrinting of Conductive Films, Scientific Reports 1-7 (2016) 6.

2. K.R.R. Venkata ,A.K. Venkata, P. S. Karthik, P.S. Surya, Conductive silver inks and their applications inprinted and flexible electronics, RSC Advances 77760-77790 (2015) 5.

3. S.H. Ko, Y. Choi, P.C. Grigoropoulos, J. Chung, N.R. Bieri, T. Choi, C. Dockendorf, D. Poulikakos, Laserbased hybrid inkjet printing of nanoink for flexible electronics, Proceedings of SPIE - The InternationalSociety for Optical Engineering, April 2005.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Properties and microstructural analysis of DC01 ferritic steel processed by SPD method M.B. Jabłońska, K. Kowalczyk, K. Rodak, I. Bednarczyk, M. Tkocz a Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Inżynierii Powierzchni i Przeróbki Plastycznej email: magdalena.jablonska@polsl.pl Streszczenie: W ostatnim dziesięcioleciu z powodzeniem stosowane są techniki dużego odkształcenia plastycznego (Severe Plastic Deformation, SPD) do wytwarzania struktur ultradrobnoziarnistych w różnych materiałach metalicznych. SPD jest procesem kształtowania właściwości i struktury materiałów w temperaturach otoczenia, strukturalnie obejmującym generowanie i oddziaływanie dyslokacji i innych defektów, które w efekcie wpływają na kształtowanie struktur podziarnowych z granicami niskiego kąta, a dalej struktur ultradrobnoziarnistych. W artykule przedstawiono należącą do technik SPD metodę DRECE (Dual Rolls Equal Channel Extrusion), która wykorzystuje zasadę powtarzalnej obróbki plastycznej w celu fragmentacji struktury i poprawy właściwości mechanicznych taśmy metalowej. Proces opiera się na technologii wyciskania z zerową redukcją grubości blachy, przy jednoczesnym osiągnięciu bardzo dużego odkształcenia kształtowanego materiału [1]. Przeanalizowano wpływ liczby przejść na zmianę właściwości mechanicznych badanej stali, takich jak wytrzymałość na rozciąganie (UTS) i granica plastyczności (YS). Dla badanej stali DC01 wzrost właściwości wytrzymałościowych po procesie DRECE został potwierdzony w stosunku do stanu początkowego po pierwszym przejściu. Wyniki analizy mikrostruktury pokazują pozytywny wpływ procesu SPD metodą DRECE na rozdrobnienie struktury stali niskowęglowej. Zachodzą procesy generowania granic dyslokacyjnych, które w kolejnych etapach przekształcają się w ultradrobnoziarnistą strukturę. Nagromadzone dyslokacje tworzą układy poligonalne. W obrębie obszarów oddzielonych lamelami występują obszary o uporządkowanej strukturze dyslokacyjnej. Abstract: During the last decade severe plastic deformation (SPD) techniques have been successfully used for the fabrication of UFG in various bulk metallic materials. SPD is a continuation of ordinary straining at ambient temperatures comprising the origination and interaction of dislocations and other defects, which form low-angle substructures of cells and sub-grains. In the paper one of the SPD technique, the DRECE (Dual Rolls Equal Channel Extrusion) method was presented, which uses the principle of repetitive forming passes to fragment the structure and improve the mechanical properties of a metal strip. The process is based on extrusion technology with zero reduction in sheet thickness while achieving a very high strain in the material being formed [1]. The influence of the number of passes on the change of mechanical properties of the tested steel, such as the ultimate tensile strength (UTS) and the yield stress (YS), was analyzed. For the tested steel DC01, the increase of strength properties after the DRECE process was confirmed in relation to the initial state after the first pass. The microstructure analysis results show a positive effect of the SPD process by DRECE method on the microstructure refinement of the tested low carbon steel. Refinement of the microstructure occurs as a result of dislocation boundaries generation that in subsequent stages transform into an ultra-fine-grained structure. Sometimes accumulated dislocations create polygonal systems. Within areas separated by lamellar borders there are areas with an ordered dislocation structure. Słowa kluczowe: np.: severe plastic deformation, ultrafine microstructure, grain refinement.

58 M.B. Jabłońska, K. Kowalczyk, K. Rodak, I. Bednarczyk, M. Tkocz

1. INTRODUCTION

The most widespread methods of producing materials with nano-grained and ultra-fine-grained structure include, among others, methods using accumulation of severe plastic deformation (SPD processes) and special processes of thermo-mechanical treatment ATP (Advanced Thermo-Mechanical Processing). The accumulation of severe plastic deformation is necessary to refine the microstructure while maintaining cohesion of deformed material. The SPD processes are held at ambient temperature or under hot forming [2-6]. Despite the growing interest in the severe plastic deformation methods in recent years the efforts have been made to develop new unconventional SPD techniques. The DRECE method (Figure 1) was developed on the basis of DCAP and ECAP – CONFORM (Continuous Forming) methods and is intended to shape metal sheets or strips with maximal dimensions of 1000x60x2 mm. The material is introduced into the working area and then pressed with press rolls through an extrusion tool without changing its cross section. Multiple plastic deformation carried out this way impacts changes of the microstructure and the mechanical properties in relation to the initial material. The factor determining the increase of mechanical properties of a material after extrusion in the DRECE process is the selection of the optimal forming angle in the plastic area (123°, 118° or 108°) that is determined by the structural arrangement of the forming tool and the number of passes through the device [1].

Figure 1. Schematic representation of a DRECE device [1]

A particularly attractive research material for the development of new technologies for the production of ultra-fine materials are low-carbon and microalloyed steels [2,8]. The article presents the effect of severe plastic deformation by the DRECE method on the microstructure and properties of strips made of DC01 low carbon steel. LITERATURA 1. S. Rusz, M. Malanik, J. Dutkiewicz , L. Čizek, T. Donič, J. Kedron, S. Tylsar. New design of the forming

equipment DRECE for obtaining UFG structure in strip of sheet, Archives of Materials Science and Engineering, 2010, vol. 42, pp. 111-118.

2. S. Tamimi, M. Ketabchi, N.Parvin. Microstructural evolution and mechanical properties of accumulative roll bonded interstitial free steel, Materials and Design, 2009, vol. 30, pp. 2556-2562.

3. T.G. Langdon, The principles of grain refinement in equal-channel angular pressing, Materials Science and Engineering, 2007, vol. 462, pp. 3 -11

4. S. H. Lee, H. Utsunomiya., T. Sakai Microstructures and mechanical properties of ultra low carbon interstitial free steel severely deformed by a multi-stack Accumulative Roll Bonding Process, Materials Transactions, vol. 45, 2004, pp. 2177-2181.

5. M. Eddahbi, E.F. Rauch. Texture and microstructure of ultra lowcarbonsteelprocessed by equal channel angularextrusion, Materials Science Engineering 2009, vol. 502, pp. 13-24.

6. K Rodak. Kształtowanie struktury i właściwości mechanicznych Cu i Al metodą ściskania z oscylacyjnym skręcaniem, Gliwice 2012 Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Monografia.

7. K. J. Kurzydłowski., Microstructural refinement and properties of metals processed by severe plastic deformation, Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences, 2004, vol. 52, pp. 301-311..

8. K. Kowalczyk, M. Jabłońska, S. Rusz, G. Junak Influence of recrystallization on the properties and structure of low-carbon ferritic steel IF, Archives of Metallurgy and Materials, 2018, vol. 63 pp. 1955-1959.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Study of dye-sensitized solar cells photoelectrodes consisting of hybrid nanostructures P. Jarka, T. Tański, M. Szindler, A. Drygała Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Technologii Procesów Materiałowych, Zarządzania i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie email: pawel.jarka@polsl.pl Streszczenie: W artykule opisano ideę wytwarzania barwnikowych ogniw fotowoltaicznych (z ang. dye sensitized cells solar DSSC) opartych na hybrydowych fotoanodach. Fotoanody stanowią jedna z najważniejszych elementów ogniw barwnikowych, gdyż są odpowiedzialne separację nośników ładunku. Obecnie na dużą skalę produkowane są fotoanody z dwutlenku tytanu (IV) TiO2 ze względu na jednorodną strukturę postaci nanostrukturalnej, która zapewnia maksymalną powierzchnię właściwą, a zatem najwyższą adsorpcję barwnika. Jednakże wadami TiO2 są wysoka gęstość stanów powierzchniowych i niska ruchliwość elektronów powodująca zwiększenie rekombinacji ładunku. Rozwiazaniem tego problemu jest lączenie TiO3 z nanocząstkami zwiększającymi ruchliwość ładunków i ich transport. Stad idea hybrydowych fotoanod będących połączeniem struktur 3d (np.nanocząstki) z nanododatkami 1D oraz 2D. Artykuł skupia się na zbadaniu wpływu zastosowanych fotoanod na sprawności fotoogniw. Abstract: The article describes the idea of producing dye photovoltaic cells (DSSC) based on hybrid photoanodes. Photoanodes are one of the most important elements of dye cells because they are responsible for the separation of charge carriers. Currently, titanium dioxide (IV) TiO2 dioxide is produced on a large scale due to the homogeneous structure of the nanostructured form that ensures the maximum specific surface area and thus the highest dye adsorption. However, TiO2 deficiencies are high density of surface states and low mobility of electrons resulting in increased recombination load. The solution to this problem is the combination of TiO2 with nanoparticles increasing the mobility of loads and their transport. Thus, the idea of hybrid photoanodes being a combination of 3d structures (eg nanoparticles) with 1D and 2D nanoductors. The article focuses on the study of the effect of the photoanodes used on the photocell efficiency. Słowa kluczowe: barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne, fotoanody, rozwirowanie obrotowe (spin coating), nanocząstki, nanidruty, TiO2, ZnO, 1. INTRODUCTION

Nowadays the dye sensitized solar cells (DSSC) reveals one of the highest efficiencies with very promising utilities properties e.g. simplicity of production in fast no complicated and inexpensive processes, quite high efficiency, the possibility of obtaining of flexible devices [1]. Generally DSSC is consists of the layered structure and its operation is based on use of photoelectrochemical system with electrolyte contain a redox mediator. Thus it could be told that the most important element of the DSSC structure is photoelectrode [2]. The photoanodes for proper operation should obtain maximum surface area of with small interfacial electron recombination with fast electron transport [3,4]. The utilization of a proper anode material and its geometrical shape contributes to a significant increase in cell efficiency. Innovative materials in the form of a mesoporous layer of nanoparticles, nanotubes or its composites with a thickness between 5 and 20 μm are intensively developed [5]. Utylizing photoanodes with high porosity containing 1.56 μm long TiO2

nanorods in in combination with nanoparticles allows achieve the 2.45% of efficiency. Photoanodes containing nanoparticles and nanowires blends obtained of 3.8% of efficiency. Relatively high values of efficiency (4.65%) were also obtained for mesoporous layers consist of nanospherical schape of TiO2 layer and for layers containing TiO2 aggregates with size 90 nm (4.3%). Efficiency 4.7% was obtained for structures with anodes in form of TiO2 nanotubes layer on Ti foil couted on FTO glass [1,2,6].

60 P. Jarka, T. Tański, M. Szindler, A. Drygała

From the presented literature, it follows that one of the ways to increase the efficiency of DSSC is the use of hybrid photoanode structures. In principle, one material is responsible for obtaining a large surface area of the anode and the other for transportation facilitating the charge. Also combining 1D materials (e.g. nanowires) with 3D materials (e.g. agglomerates of nanoparticles) allows to avoid the limitation of both types of materials, i.e. relatively low absorption of dye by 1D materials and high density of surface states and low mobility of electrons that can occur in 3D materials (e.g. on the above TiO2 agglomerates). Considering the above, the Authors focus on producing DSSC in which the 3D structures of TiO2

nanoparticles traditionally used have been enriched with 1D materials (e.g. nanowires). The aim of such a solution was to use the advantages of 1D material and therefore the effective transport and collection of excited electrons through providing direct channels in in combination with the high dye-loading capacity characteristic of nanoparticles. As part of the work, comparative studies were carried out with DSSC. 2. MATERIALS AND METHODS The tests included the production with use screen printing method Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) with the structure: glass substrates with Fluorine doped Tin Oxide (FTO) / 3D TiO2 nanoparticle structures/1D nanostructures /Di-tetrabutylammonium cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato)ruthenium(II) - N-719 dye/ EL-HSE high stability electrolyte/platinium cathode. In order to determine the structure and surface morphology of deposition layers, the fol-lowing tests were carried out: structural tests using scanning electron microscope, surface morphology investigation using atomic force microscope (AFM),investigations of optical properties using the UV-Vis spectrophotometer, the I-V characteristics of dye sensitized solar cells were measured under Standard Test Conditions (AM 1.5, 100 W/m2). 3. Results and conclusions Analysis of the layer structure and topography confirmed that the layers have a homogeneous structure with visible agglomerates of nanoparticles and nanowires. The absorbance tests of the anodes layer confirm the absoptions only in the near ultraviolet. However, the broadening of the absorption spectrum in the case of layers with applied dye allows the conclusion that the dye has been appropriately absorbed by the layer, which confirms the proper selection of the material of the layer and its structure. The obtained efficiency results in Table 1 are comparable with the results obtained for structures received by other researchers. However analysis of the results allows the conclusion that it is possible to increase the efficiency results by additional photo-anode processing and optimization of the cell structure. Table 1. Photovoltaic parameters of the produced cells

Nanoparticle/nanowire based DSSC Isc: Voc: FF: Efficiency: 1 46.978 [mA] 612.878 [mV] 0.82 6.04 [%] 2 46.963 [mA] 610.761 [mV] 0.82 6.01 [%]

LITERATURE 1. Md. K. Nazeeruddin, E. Baranoff, M. Gra¨tzel, , Dye-sensitized solar cells: A brief overview, Solar Energy 85

(2011) 1172-1178. 2. J.H. Kim, K.P. Kim, D.H. Kim, D.K. Hwang, Electrospun ZnO nanofibers as a photoelectrode in dye-

sensitized solar cells. Journal of Nanoscience and Nanotechnogy, 15 (2015) 2346-2350. 3. C. Clement Raj, R. Prasanth, A critical review of recent developments in nanomaterials for photoe-lectrodes in

dye sensitized solar cells, Journal of Power Sources, 317 (2016) 120-132. 4. J. Weszka, P. Jarka, J. Jurusik, M. Domański, M. Szindler, Study of thin films for application in photovoltaic

cells, rchives of Materials Science and Engineering, 64/2 (2013) 182-191. 5. Z.M. Jarzębski, Solar energy. Photovoltaic conversion, PWN, 1990, Warsaw. 6. Y.G. Seo, K. Woo, J. Kim, H. Lee, W. Lee, Rapid Fabrication of an Inverse Opal TiO2 Photoelec-trode for

DSSC Using a Binary Mixture of TiO2 Nanoparticles and Polymer Microspheres, Advanced Functional Materials 21 (2011) 3094-3103.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ parametrów technologicznych na tworzenie wydzieleń węgla błyszczącego na odlewach z żeliwa sferoidalnego w technologii pełnej formy J. Jezierski a, M. Jureczko b, R. Dojka a,b

a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Katedra Odlewnictwa b Odlewnia Rafamet Sp. z o.o. email: jan.jezierski@polsl.pl, m.jureczko@odlewnia-rafamet.pl, r.dojka@odlewnia-rafamet.pl Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badań procesu tworzenia wydzieleń węgla błyszczącego na odlewach z żeliwa sferoidalnego, wytwarzanych w technologii Full Mould. Zaprojektowano geometrię odlewu próbnego, wykonano omodelowanie ze spienionego polistyrenu, przeprowadzono serię prób w warunkach przemysłowych. Na podstawie analizy wyników określono parametry technologiczne procesu, które mają największy wpływ na możliwość powstawania wspomnianej wady. Abstract: The article presents shortly the results of the experiments on the lustrous carbon formation on the ductile cast iron castings, manufactured with use of the Full Mould method. The defect is particularly severe in the case of the heavy castings manufacturing. The test casting geometry was designed, the expanded polystyrene pattern set created and the series of tests in the industrial conditions performed. On the base of the results analysis the technological parameters which have the biggest influence on the mentioned defect were defined. Słowa kluczowe: węgiel błyszczący, metoda pełnej formy, odlewy wielkogabarytowe, żeliwo sferoidalne 1. WSTĘP

Wady procesu odlewania często znacząco obniżają własności mechaniczne i trwałość zmęczeniową odlewów pod obciążeniem cyklicznym. Do takich wad zalicza się powstawanie wydzieleń tzw. węgla błyszczącego. Do produkcji odlewów z żeliwa przy użyciu wilgotnych mas bentonitowych jako dodatek przeciwdziałający przypaleniom stosuje się nośniki aktywnego węgla. W wyniku jego rozkładu w procesie pirolizy powstaje właśnie węgiel błyszczący. Proces pirolizy (a nie spalania) zachodzi, gdy we wnęce formy znajduje się niedostateczna ilość lub całkowity brak tlenu a na powierzchni formy obecne są składniki zawierające węgiel. W wyniku pirolizy mogą powstawać trzy formy stałego węgla, z której jedną jest węgiel błyszczący (ang. lustrous carbon LC). Kształtuje się z fazy gazowej na gorących powierzchniach w temperaturze 650-1000°C. Powstaje na przemieszczającym się froncie ciekłego metalu. Defekty węglowe zaczynają się tworzyć, gdy stopiony metal wlewany jest do wnęki formy, powodując degradację termiczną spoiwa lub modelu polistyrenowego, które wytwarzają gazy węglowodorowe. Opary bogate w węglowodory skraplają się jako złogi grafitu pirolitycznego w postaci filmów i warstw na powierzchni wnęki formy. Warstwy te mogą być zwijane do znacznej grubości, jeżeli nie zostaną rozpuszczone w metalu lub utlenione, co skutkuje charakterystycznym marszczeniem się powierzchni, co jest związane z powstawaniem węgla błyszczącego. Węgiel błyszczący wykazuje tendencje do tworzenia się wzdłuż brzegów pierwszych strumieni ciekłego metalu, który jest wlewany do formy odlewniczej.

2. BADANIA WŁASNE

Pierwszym etapem badań było zaprojektowanie modelu, odpowiadającego warunkom Odlewni Rafamet. Po analizie założeń i problemów technologicznych zakładu, zaprojektowano model jak na rys. 1.

62 J. Jezierski, M. Jureczko, R. Dojka

Rysunek 1. Model styropianowy użyty w badaniach Figure 1. Polystyrene pattern used in the experiments

Badania składały się z czterech wytopów, podczas których otrzymano 16 próbek. Na rys. 2 przedstawiono odlew próbny z jednego z wytopów. Podczas każdego wytopu analizowano zmienne parametry związane z założeniami technologicznymi, składem chemicznym, osnową masy formierskiej, temperaturą zalewania, pokryciem ogniotrwałym, które przypuszczalnie mają wpływ na powstawanie wydzielenia węgla błyszczącego.

Rysunek 2. Odlewy próbne z układem wlewowym (po lewej). Odlew z wydzieleniem węgla błyszczącego. Figure 1. Test castings with the gating system (on the left). Test casting with the lustrous carbon (on the right) 3. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Pełen zakres zmienności danych wejściowych do eksperymentów oraz zestaw wszystkich wyników badań zaprezentowano w [3]. Na ich podstawie wyciągnięto wnioski, które pozwoliły zmodyfikować technologię formy i zmniejszyć częstotliwość występowania wad. Wysoka temperatura zalewania formy zwiększa objętość i szybkość powstawania warstwy tlenkowo-żelazowej. Generalnie, czas zalewania zwiększa tendencję odlewów do powstawania wady węgla błyszczącego. Innym, decydującym parametrem okazała się temperatura, przy czym dla pojawienia się węgla błyszczącego nie musi to być temperatura najwyższa. W przeprowadzonych badaniach zastosowano cztery temperatury w zakresie 1236 - 1360°C. Dla najniższych wartości, czyli 1236°C i 1250°C zauważono wady węgla błyszczącego. Jest tak, ponieważ na ich powstanie wpływają inne czynniki jak: skład chemiczny stopu, skład masy formierskiej, pokrycie modelu polistyrenowego itd., na co wskazały badania. LITERATURA 1. T. Pacyniak, Metoda pełnej formy. Wybrane aspekty. Łódź 2013. 2. R. L. Naro, Formation and control of lustrous carbon surface defects in iron and steel castings. AFS 2002. 3. M. Jureczko, Wpływ czynników technologicznych na powstawanie węgla błyszczącego w odlewach z żeliwa

sferoidalnego w technologii Lost Foam, Praca dyplomowa magisterska, Pol. Śl., Gliwice 2018.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Laser alloying of X40CrMoV5-1 hot work tool steel with B4C particles E. Jonda a, W. Pakieła b a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Technologii Procesów Materiałowych, Zarządzania i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie email:ewa.jonda@polsl.pl b Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Inżynierii Materiałów Konstrukcyjnych i Specjalnych email: wojciech.pakiela@polsl.pl Streszczenie: W artykule opisano wpływ laserowego stopowania węglikiem boru B4C na mikrostrukturę i własności warstwy wierzchniej stali stopowej narzędziowej do pracy na gorąco X40CrMoV5-1 z zastosowaniem lasera włóknowego. Celem wykonanych badań było określenie wpływu parametrów stopowania, między innymi, takich jak ilość wprowadzanego do warstwy wierzchniej proszku węglika boru na mikrostrukturę i własności warstwy wierzchniej stali, a także określenie zależności wpływu mocy lasera użytej do stopowania laserowego na grubość strefy przetopionej (SP). W laserowo stopowanej warstwie wierzchniej badanej stali wyróżnić można strefę przetopienia (SP), strefę wpływu ciepła (SWC) oraz materiał rodzimy (MR). Pomiędzy strefami przetopienia i wpływu ciepła występuje tzw strefa pośrednia oraz granica (SP/SWC). Na podstawie badań metalograficznych stwierdzono, że otrzymana w wyniku stopowania węglikiem boru warstwa wierzchnia stali charakteryzuje się większą chropowatością, porowatością, a na brzegach lica przetopienia pojawiają się tzw „wypływki”. Wzrostowi twardości badanych warstw wierzchnich towarzyszy natomiast wzrost własności trybologicznych. Badania wykonane przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego z użyciem analizy EDX potwierdziły występowanie węglika boru w matrycy, który jest obecny głównie w postaci cząstek. Obserwowane występowanie nieroztopionych cząstek węglika boru w mikrostrukturze warstwy stopowanej oraz wzrost ich stężenia w porównaniu do materiału rodzimego związany jest z fluktuacją materiału w ciekłym jeziorku podczas stopowania. Abstract: The paper presents the influence of alloying with B4C powder by the use of fiber laser on microstructure and properties of the X40CrMoV5-1 hot work tool steel surface layer. The effect was determined of the main alloying parameter, like proportion of B4C powder administered, on structure and properties of the surface layer of the steel, and also the dependence of the remelted layer thickness on the laser power used for alloying. The surface layer obtained due to remelting of the investigated steel, in which one can differentiate the remelted zone (RZ), heat affected zone (HAZ) as well as the intermediate zone (IZ). Between the remelted- and the heat affected zones (RZ/HAZ) there is a boundary. The metallographic investigations on light microscope show that during alloying the X40CrMoV5-1 hot work tool steel with the B4C powder layer the obtained run face is characteristic of the high roughness, multiple pores, irregularity, and flashes at the borders. The changes of the surface layers hardness formed as a result of alloying with B4C powder are accompanied with the increased tribological properties. The metallographic investigations on the scanning microscope using the EDX analysis confirmed the occurrence of boron carbide B4C, which are present in the matrix mostly in the form of particles. Occurrences of the un-melted B4C carbide grains were observed in the structure and the increased boron content compared to the native material, whose variable concentration is connected with the molten metal fluctuation in the pool during alloying. Słowa kluczowe: stopowanie laserowe, węglik boru, stal stopowa narzędziowa do pracy na gorąco.

64 E. Jonda, W. Pakieła

1. WSTĘP

Często powierzchnie robocze narzędzi pracujących w różnych, zmiennych środowiskach ulegają zużyciu ściernemu lub adhezyjnemu, co wywołane jest specyficznymi warunkami występującymi w środowisku ich pracy. Odpowiedni sposób kształtowania warstwy wierzchniej części maszyn oraz urządzeń wykonanych z różnych materiałów pozwala wydłużyć czas ich eksploatacji poprzez regenerację zużytej powierzchni oraz uzupełnienie ubytków. Oprócz konwencjonalnej obróbki cieplnej, która jest podstawowym sposobem zwiększania odporności na ścieranie narzędzi wykonanych ze stali stopowych, wysoką pozycję zajmuje laserowa obróbka cieplna. Pozwala ona na wytworzenie warstwy wierzchniej o dużej twardości, wysokiej odporności na ścieranie oraz grubości rzędu od dziesiątych cześci milimetra do kilku milmetrów przy jedoczesnym zachowaniu wymaganej plastyczności podłoża [1-2]. Stopowanie laserowe [Laser Surface Alloying], jest to process polegający na wzbogacaniu warstw wierzchnich materiałów w dodatki stopowe oraz zmianie ich struktury. Istotny jest fakt, że w wyniku procesu laserowego stopowania z dodatkiem materiałów stopujących, otrzymana mikrostruktura warstwy wierzchniej, jej skład chemiczny jak również jej własności fizyczne różnią się znacznie zarówno od materiału rodzimego, jaki i stopującego. Wzbogacona w materiały stopujące warstwa wierzchnia zwykle odznacza się większą twardością, odpornością na zużycie ścierne, większą wytrzymałością zmęczeniową przy jednocześnie mniejszej gładkości niż materiał rodzimy (podłoże) [3-4]. 2. PRZEBIEG BADAŃ

Obróbkę powierzchni przeprowadzono na laserze YLS-4000 o długości fali l = 1070 nm. Maksymalna moc

wiązki laserowej wynosiła 4 kW. Głowica laserowa została zamontowana na 6-osiowym robocie REIS RV30-26 w połączeniu z obrotowym systemem pozycjonowania. Do badań wykorzystano stal stopową narzędziową do pracy na gorąco X40CrMoV5-1 o składzie chemicznym zgodnym z normą PN-EN ISO 4957. Jako materiału stopującego użyto proszku węglika boru B4C (Fig.1).

Rysunek 1. Proszek węglika boru B4C użyty do stopowania (SEM) Figure 1. The boron carbide used for alloying (SEM) LITERATURA 1. J. Mazumder, Laser-aided direct metal deposition of metals and alloys, Laser Additive Manufacturing

Materials, Design, Technologies, and Applications Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials (2017) 21-53.

2. L.A. Dobrzański, T. Tański, A.D. Dobrzańska - Danikiewicz, E. Jonda, M. Bonek, A. Drygała, Structures, properties and development trends of laser - surface - treatedhot - work steels, light metal alloys and pollycrystalline silicon, Book Series: Woodhead Publishing Series in Electrnic and Optical Materials Issue: 65 (2015) 3-32.

3. Sami I.J. Alrubaiey and Hussein S.A. Fakhar, Improvement Corrosion Resistance of Carbon Steel by Laser Surface Alloying within Nickel and Chromium Powders, Journal of Engineering and Applied Sciences 13 (2018) 734-738.

4. I. Hutchings P. Shipway, Surface Engineering Tribology ( Second Edition) Friction and Wear of Engineering Materials (2017) 237-281.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Struktura i wybrane własności nanometrycznych warstw TiO2 na stopach magnezu A. Kaniaa, P. Nolbrzakb, K. Matusc, A. Niemiec-Cyganekd, R. Babilasa a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Materiałów Nanokrystalicznych i Funkcjonalnych oraz Zrównoważonych Technologii Proekologicznych email: aneta.kania@polsl.pl email: rafal.babilas@polsl.pl b Politechnika Łódzka, Wydział Mechaniczny, Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Inżynierii Powłok i Materiałów Niemetalowych email: piotr.nolbrzak@p.lodz.pl c Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Przetwórstwa Materiałów Metalowych i Polimerowych email: krzysztof.matus@polsl.pl d Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii im. prof. Zbigniewa Religi, Pracownia Bioinżynierii email: a.niemiec-cyganek@frk.pl Streszczenie: W artykule przedstawiono wpływ cienkich warstw TiO2 na odporność korozyjną i cytotoksyczność stopów MgCa2Zn1 i MgCa2Zn1Gd3. Warstwy, o grubości 300 nm, naniesiono na stopy magnezu metodą rozpylania magnetronowego. Abstract: The article discusses an influence of TiO2 thin films deposited onto MgCa2Zn1 and MgCa2Zn1Gd3 alloys on their corrosion resistance and cytotoxicity. The layers with a thickness of about 300 nm were applied using magnetron sputtering method. Słowa kluczowe: stopy Mg, nanowarstwy TiO2, obserwacje morfologii powierzchni, badania elektrochemiczne i immersyjne, testy cytotoksyczności 1. WSTĘP

Stopy magnezu posiadają wiele zalet w porównaniu z innymi biomateriałami stosowanymi na implanty kości. Cechują się biodegradowalnością w warunkach in vivo, co czyni te materiały potencjalnymi kandydatami na krótkookresowe implanty ortopedyczne. Niestety, korozja magnezu i jego stopów przebiega zbyt szybko [1,2]. W związku z tym, aby spowolnić proces korozji wprowadza się dodatki stopowe lub nanosi odpowiednie powłoki/warstwy ochronne na powierzchnię stopów Mg [3,4].

Stop Mg-Zn-Ca składa się z pierwiastków powszechnie występujących w organizmie człowieka i biorących udział w wielu procesach życiowych. Dlatego też uwalnianie związków podczas korozji tego stopu nie zaburza homeostazy środowiska fizjologicznego. Dodatek gadolinu do stopów Mg nie tylko poprawia własności wytrzymałościowe, ale również wpływa na zwiększenie ich odporności korozyjnej [2,5].

Powłoki TiO2 stosowane jako kompozytowe pokrycia powierzchni implantów zyskują dużą uwagę ze względu na dobrą biokompatybilność, własności antybakteryjne oraz odporność korozyjną. Wyniki badań in vitro wskazują, że warstwy dwutlenku tytanu stymulują wzrost i adhezję osteoblastów – komórek kościotwórczych. Ponadto, hamują rozwój bakterii gram dodatnich i gram ujemnych oraz bakterii opornych na działanie antybiotyków [6].

66 A. Kania, P. Nolbrzak, K. Matus, A. Niemiec-Cyganek, R. Babilas

2. METODOLOGIA BADAŃ Pomiar grubości nanowarstw przeprowadzono metodą elipsometryczną. Morfologię powierzchni TiO2

obserwowano w skaningowym mikroskopie elektronowym (SEM). Analizę fazową przeprowadzono metodą dyfrakcji rentgenowskiej XRD. Obserwacje topografii powierzchni i pomiary chropowatości przeprowadzono za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM). Badania korozyjne elektrochemiczne i zanurzeniowe przeprowadzono w roztworze Ringera, w temperaturze 37 ºC. Cytotoksyczność nanowarstw TiO2 i materiałów podłoża oznaczono na podstawie żywotności komórek – fibroblastów. 3. DYSKUSJA WYNIKÓW BADAŃ

Na podstawie wyników obserwacji próbek metodą SEM stwierdzono, że morfologia powierzchni warstw TiO2 jest jednorodna, ziarna mają kształt sferyczny (o średnicach od 20 do 180 nm), z wyraźnie zaznaczonymi granicami (Rys. 1a). W wyniku analizy dyfraktogramów rentgenowskich wykazano, że cienkie warstwy mają strukturę anatazu. Strukturę granularną potwierdzają obserwacje topografii powierzchni nanowarstw za pomocą AFM (Rys. 1b). Wyniki pomiarów chropowatości wykazały, że średnia chropowatość (Ra) warstw TiO2 nie przekracza 4 nm (Ra dla stopu MgCa2Zn1 wynosi 6 nm, natomiast dla MgCa2Zn1Gd3 wynosi 5 nm). Wyniki badań elektrochemicznych wskazują, że warstwa tlenkowa naniesiona na stop MgCa2Zn1 charakteryzuje się zwiększoną odpornością korozyjną. Potencjał korozyjny (Ecorr) TiO2 na stopie MgCa2Zn1 jest przesunięty w kierunku wartości dodatnich i wynosi -1,41 V, natomiast Ecorr dla nanowarstwy na stopie z dodatkiem gadolinu wynosi -1,48 V. Jest to prawdopodobnie spowodowane zmniejszeniem wielkości ziaren warstwy TiO2 na stopie trójskładnikowym. Wyniki 24-godzinnych badań immersyjnych wykazują, że objętość uwolnionego wodoru dla nanowarstwy naniesionej na stop MgCa2Zn1Gd3 jest wyższa, i wynosi 17,6 ml·cm-2 w stosunku do objętości wodoru uwolnionego dla TiO2 na MgCa2Zn1, która wynosi 16,1 ml·cm-2. Na podstawie wyników testów cytotoksyczności stwierdzono większą żywotność fibroblastów na warstwie TiO2 osadzonej na stopie MgCa2Zn1Gd3.

Rysunek 1. Morfologia powierzchni (a) i odwzorowanie 3D topografii powierzchni (b) warstwy TiO2 na stopie MgCa2Zn1Gd3 Figure 1. Surface morphology image (a) and 3D rendering of the surface topography image (b) of TiO2 layer deposited onto MgCa2Zn1Gd3 LITERATURA 1. A. Srinivasan, C. Blawert, Y. Huang, C.L. Mendis, K.U. Kainer, N. Hort, Corrosion behavior of Mg-Gd-Zn

based alloys in aqueous NaCl solution, Journal of Magnesium and Alloys 2 (2014) 245-256. 2. A. Kania, R. Nowosielski, A. Gawlas-Mucha, R. Babilas, Mechanical and corrosion properties of Mg-based

alloys with Gd addition, Materials 12 1775 (2019) 1-16. 3. G. Song, A. Atrens, Understanding magnesium corrosion mechanism: a framework for improved alloy

performance, Advanced Engineering Materials 5 (2003) 837-858. 4. A. Kania, W. Pilarczyk, R. Babilas, Selected properties of ZnO coating on Mg-based alloy for biomedical

application, Acta Physica Polonica A 133/2 (2018) 222-224. 5. X. Zhang, J. Dai, H. Yang, S. Liu, X. He, Z. Wang, Influence of Gd and Ca on microstructure, mechanical

and corrosion properties of Mg-Gd-Zn(-Ca) alloys, Materials Technology 32/7 (2016) 399-408. 6. L. Liu, R. Bhatia, T.J. Webster, Atomic layer deposition of nano-TiO2 thin films with enhanced

biocompatibility and antimicrobial activity for orthopedic implants, International Journal of Nanomedicine 12 (2017) 8711-8723.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Zintegrowane systemy zarządzania w procesach technologii materiałowych T. Karkoszka a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Przetwórstwa Materiałów Metalowych i Polimerowych email: tatiana.karkoszka@polsl.pl Streszczenie: W pracy wskazano proces technologiczny jako element produkcji, który bezpośrednio wpływa na występowanie ryzyka w przedsiębiorstwie. Minimalizowanie ryzyka procesów wymaga od przedsiębiorstwa zarządzania ryzykiem w szerokim zintegrowanym zakresie. Naprzeciw takim rozwiązaniom wychodzi znormalizowane zarządzanie systemowe dając formalne podstawy integracji procesów. Opisano możliwości zarządzania ryzykiem w wybranych procesach technologii materiałowych. Abstract: In the paper one has presented the technological process as the element of the production having the direct influence on the risk occurrence. Minimization of the processes’ risk requires from the particular organisation risk management and not just in the aspect of quality but in the wide integrated scope. The normalised systemic management is facing the mentioned solutions giving the formal basis for the processes integration. The possibilities of risk management in the chosen processes of materials technologies have been described. Słowa kluczowe: zintegrowane systemy zarządzania, ryzyko, technologie procesów materiałowych 1. WSTĘP Wykorzystywane obecnie technologie materiałowe stanowią w większości zagrożenie nie tylko dla środowiska i pracowników ale także produktów, są bowiem odpowiedzialne za powstawanie nowych rodzajów ryzyka. Przedsiębiorstwa ukierunkowane na zapewnienie ciągłości działania procesów w sposób systemowy gwarantują powtarzalność działań poprzez wdrożenie i utrzymywanie systemu zarządzania, a więc również – systemowe zarządzanie ryzykiem. System zarządzania umożliwia jednolitą realizację założeń w wybranym przez przedsiębiorstwo zakresie [1].

Do najczęściej wdrażanych dziś należą systemy zarządzania: jakością, środowiskowego oraz bezpieczeństwem i higieną pracy, dla których formalne wymagania zostały opisane w normach: ISO 9001, ISO 14001 oraz ISO 45001. W zasadniczym zakresie regulują one sposób postępowania skutkujący spełnieniem oczekiwań klientów zewnętrznych, stron zainteresowanych oraz pracowników minimalizując tym samym ryzyko niespełnienia wymagań. Została w nich wykorzystana koncepcja doskonalenia realizowanych procesów, zapewnienia zgodności systemu zarządzania z wymaganiami norm oraz ciągłej poprawy efektywności systemu zarządzania procesami [2-4].

Cele jakości, środowiskowe oraz bezpieczeństwa pracy mogą być osiągane w ramach niezależnie funkcjonujących systemów zarządzania lub też w sposób zintegrowany. Zasadność pierwszego rozwiązania potwierdza przede wszystkim istnienie i konieczność stosowania znormalizowanych standardów oraz wymagań prawnych dotyczących określonych dziedzin zarządzania oraz koncentracja przedsiębiorstw na spełnianiu oczekiwań klientów będących odbiorcami ich produktów. Z drugiej strony „przedsiębiorstwa funkcjonujące w zmiennym otoczeniu poszukują sposobów, które umożliwiłyby im trwanie na konkurencyjnym rynku. Istotnym warunkiem funkcjonowania przedsiębiorstwa w zmiennym otoczeniu jest efektywność, skuteczność, elastyczność i podatność na zmiany. (…) Zintegrowany system zarządzania umożliwia kompleksowe podejście do całokształtu problemów organizacji [5]”.

68 T. Karkoszka

Struktura zintegrowanego systemu zarządzania powinna być zależna od charakteru organizacji oraz zakresu jej działalności, a wybór sposobu integracji systemów zarządzania uzależniony jest w dużej mierze od oczekiwanego przez organizację poziomu integracji. Niezależnie jednak od przyjętej przez organizację koncepcji integracji wdrożenie zintegrowanego systemu zarządzania ma na celu usprawnienie funkcjonowania i zapewnienie harmonijnego rozwoju organizacji poprzez uporządkowanie kompetencji i odpowiedzialności, uproszczenie dokumentacji, nadzór nad wszystkimi realizowanymi procesami oraz efektywne wykorzystanie zasobów ludzkich, finansowych i materialnych.

Brakuje ujednoliconych wymagań dla integracji systemów zarządzania. Dotychczas wytyczne ułatwiające integrację systemów zarządzania stanowiły krajowe specyfikacje: AS/NZS 4581, DS 8001, UNE 66 1777 i PAS 99. Obecnie uniwersalną podstawę integracji stanowi koncepcja modelu systemów zarządzania nazwana „High Level Structure”, zgodnie z którą wymagania wspólne dla różnych systemów zarządzania są sformułowane w jednakowy sposób, a kluczowe definicje i terminologia są zunifikowane. Największy jednak wpływ na efektywność integracji ma metodyka integracji odzwierciedlająca modele wykorzystywane w rzeczywistości w organizacjach [6-10].

Analiza literatury potwierdza brak jednolitego modelu integracji systemów zarządzania. Wskazuje tym samym na konieczność poszukiwania takich metod i narzędzi, które w sposób optymalny umożliwiłyby jednoczesne minimalizowanie ryzyka w zakresie odpowiedzialności za produkt, oddziaływania na środowisko oraz bezpieczeństwa pracy, w szczególności w procesach technologii materiałowych.

LITERATURA 1. T. Karkoszka, Sterowanie operacyjne z wykorzystaniem analizy ryzyka w zintegrowanym systemie

zarządzania procesem technologicznym, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2017. 2. PN-EN ISO 9001, Systemy zarządzania jakością. Wymagania, Wydawnictwo PKN, Warszawa 2015. 3. PN-EN ISO 14001, Systemy zarządzania środowiskowego, Wymagania i wytyczne stosowania,

Wydawnictwo PKN, Warszawa 2015. 4. PN ISO 45001, Systemy zarządzania bezpieczeństwem i higieną pracy, Wymagania i wytyczne stosowania,

Wydawnictwo PKN, Warszawa 2018. 5. E. Skrzypek, Metody i narzędzia doskonalenia zarządzania przedsiębiorstwem, Wydawnictwo Uniwersytetu

Marii Curie-Skłodowskiej, Lublin 2001. 6. AS/NZS 4581, Management system integration: Guidance to Business, Australian Standard, SAI Global,

Sydney 1999. 7. DS 8001, Ledelsessystemer – vejledning i opbygning af et integreret ledelsessystem, Dansk Standard,

Copenhagen 2005. 8. UNE 66177, Sistemas de gestión. Guia para la integración de los sistemas de gestión, Asociación Espanola de

Normalización y Certificación, Madrid 2005. 9. PAS 99, Specification of common management systems requirements as a framework for integration, British

Standards Institution, London 2006. 10. ISO/IEC Directives, Consolidated ISO Supplement. Procedures specific to ISO, Annex SL, International

Organization for Standardization, Geneva 2015.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Influence of laser surface texturing on tribological properties of thin films coated tool materials M. Karoń, A. Woźniak, M. Adamiaka a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych email: marcin.adamiak@polsl.pl Abstract: The paper presents possibilities of pulse laser affecting on ceramic surface. Modifications of surface was carried out by diode-pumped solid state picosecond laser with a 355nm operating wavelength. Parameters which can be controlled are: laser pulse repetition, laser power, level of attenuator. Surface microstructures in form of craters, and dimples on a surface of material were obtained. The investigations of craters includes measurement of its diameter and depths. In recent years laser processing are used as a machining tool in: cutting, drilling, welding, texturing for almost all groups of materials. Various laser types classification exist. The most common category is based on laser gain medium (state, liquid and gas), the gain results from the stimulated emission of electrons to a lower energy state from higher energy state from electrons which were previously excited by pumping source. Also classification can be done by defining laser wave working mode which are continues and pulsed. Wavelengths and pulse duration are strictly connected with gain medium. For laser ablation, micotexturing and generating structures size in range of 150nm two types of pulsed laser (excimer and solid state) are used in industrial production. Few years ago the shortest pulses time which were obtainable was 10 nanosecond, nowadays femtosecond lasers are applied. Generating pulses in active laser medium is corresponding to lifetimes of the atomic energy levels. Wide ranges modifications of pulse energy and pulse duration is possible by using different pulse generation techniques. A number of studies have investigated different surface modifications to extend lubricated area of working parts of devises. The main aim of laser surface micromachining is to develop surface area with changed properties applicable in a particular purpose. Researches in surface engineering field has reported that systematic patterning on investigated material surface changed its topography in order to improve tribological properties. Lasers used to this kind of treatment are constantly being improved and the time of laser pulses is shortened, which results in improved quality of micromachining. During process photomechanical and photochemical mechanism takes place. In results surface of material is removed (evaporated) and dimple (crater) left instead. Steel was chosen because of its applicability for forming of thinner work materials where occur possibility of both abrasive-adhesive and/or abrasive type of wear. The experiment was accomplished by A-355ps Laser Micromachining system based on 355nm wavelength diode-pumped solid-state picosecond laser. The maximum pulse energy for this laser is 0,2mJ with average power 100mW, the pulse duration is in range of 5-10 ps. Tool steel ASP 2023 grade was used as the reference material. To compare the interaction of the laser beam with uncoated material and with hard coatings one, PVD coatings were created. Different dimple diameters with the same distance between them were obtained as a result of LST (Laser Surface Texturing) process. Tool steel are the most common steel type used in many areas of technologies especially in manufacturing. This type of steel contain carbon concentration between 0,5% to 1,5% and the total chemical composition depends on the steel purpose. There are six groups of tool steel dedicated for different purposes which possess different properties and method of producing. Material used in this paper is in a group of high speed steel which is characterized by very high wear resistance and hardenability. Among the methods of tool life increase the surface treatments with laser source are getting more and more attention. Furthermore tool steel were coated by PVD hard coatings. Laser processing are well known in almost all area of technologies and is applied for every kind of material. The most popular are: welding, cutting, drilling, machining, texturing and

70 M. Karoń, A. Woźniak, M. Adamiak

general tooling. The main aim of laser surface micromachining is to develop surface area with changed properties applicable in a particular purpose. Lasers used to this kind of treatment are constantly being improved and the time of laser pulses is shortened, which results in improved quality of micromachining Different kind of micromachining were used. Microtrepan was carried out using by 2 different parameters: whole diameter 100µm, thickness 3µm, drill time 1,5s, and pulse separation 2. And for second set of samples diameter 60µm, thickness 3µm, drill time 0,7s, and pulse separation 2. The distance between each texture is 0,2µm. All craters are surrounded by thermal oxidation rings due to the localized heating in the laser processing what is showing the extend of the surface heating form the laser pulses. The rings were made by previously evaporated material and deposited directed toward fume extractor located in laser chamber. Microtextures are shown in figure 1.

Fig 1. Microscopic photographs of laser textured a) TiAlN surface single hole of depth ~3µm, CLSM, magnification 1000x and b) ASP2023 steel surface dimples after 40 passes of approximately 35 µm diameter, magnification 500x, SEM. Obtained very regular textures has been produced which can be observed by a light microscopy, scanning electron microscopy and confocal microscopy. The influence of changes of different laser parameters on the size and shape of craters produced by laser microtexturing and microdrilling have been observed. Microscopic observations showed that increasing the frequency of the laser beam and increasing the number of passes of the laser beam on the track increases the size and of microtextures, as same as length of microdrilling time affected on a craters diameter. Observed change of morphology in impact zone depended of time of drilling and number of pulses sending in the same place. It was proved that increase of number of passes of the laser beam and length of time increase the depth of microcraters[1-10]. LITERATURA

1. Erdemir; Review of engineered tribological interfaces for improved boundary lubrication; Tribology International; Volume 38, Issue 3, March 2005, p. 249–256

2. Etsion; Improving tribological performance of mechanical components by laser surface texturing; Tribology Letters; Vol. 17, No. 4, November 2004

3. A.A. Voevodin, J.S. Zabinski; Laser surface texturing for adaptive solid lubrication; Wear 261 (2006) 1285–1292

4. Avanish Kr. Dubey, Vinod Yadava; Journal of materials processing technology 195 (2008); p. 15–26 5. J. Meijer; Laser beam machining (LBM), state of the art and new opportunities; Journal of Materials

Processing Technology 149 (2004); p. 2–17 6. Polish standards PN-EN ISO 4957:2002U 7. P. Andersson, J. Koskinen, S. Varjus, Y. Gerbig, H. Haefke, S. Georgiou, B. Zhmudd, W. Buss;

Microlubrication effect by laser-textured steel surfaces; Wear 262 (2007); p. 369–379 8. Kr. Dubey, V. Yadava; Experimental study of Nd:YAG laser beam machining—An overview;

Journal of Materials Processing Technology 195 (2008); p. 15–26 9. BT. Zhang, HT. Huang, JF. Yang, JL. He, CH. Zuo, JL. Xu, XQ. Yang, S. Zhao; Generation of 7.8W

at 355 nm from an efficient and compact intracavity frequency-tripled Nd:YAG laser; Optics Communications 283 (2010); p. 2369–2372

10. S. Mishra, V. Yadava; Laser BeamMicroMachining(LBMM) – A review; Optics and Lasers in Engineering73(2015); p. 89–122

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Explanation of the PLC phenomenon in advanced high-strength medium-Mn steel A. Kozłowska a, B. Grzegorczyk a, A. Grajcar a a Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Engineering Materials and Biomaterials email: aleksandra.kozlowska@polsl.pl Abstract: Experimental investigations of the plastic instability phenomenon in an advanced high-strength medium manganese steel showing a TRIP effect were performed. Series of static tensile tests were carried out at temperatures: 20, 60, 100, 140 and 200°C to determine an influence of deformation temperature on the mechanical properties of the investigated steel and appearance of Portevin–Le Chatelier (PLC) effect. The plastic deformation instability has been registered at a temperature range between 100 and 140°C. No evidence of the PLC effect was observed in the specimens deformed at 20 and 200°C. The intensity and range of serrations observed on tensile curves were found to be temperature dependent. Keywords: medium-Mn steel, Portevin–Le Chatelier phenomenon, advanced high-strength steel. 1. INTRODUCTION

Medium manganese steels (3–12% wt.% Mn) showing a TRIP effect have attracted considerable attention in the automotive industry due to their advantageous strength-ductility balance. Mechanical properties of the steels are controlled by the multiphase microstructure which may consist of ferrite, bainitic ferrite or martensite matrix and some fraction of retained austenite (RA). The amount and mechanical stability of γ phase significantly affect the final properties of steel products. A stability of RA depends on several factors including those related to processing parameters as stress state, strain rate and temperature [1].

Industrial application of medium-Mn steels for complex body components depends on their formability. It was reported [2-4], that both medium- and high-Mn steels may show some technological problems during cold forming related to the plastic instability phenomenon called the Portevin-Le Chatelier (PLC) effect. This effect occurs in a form of characteristic serrations on a stress-strain curve. The PLC effect has been intensively studied in case of aluminium and copper based alloys. However for steels, especially medium manganese steels, the PLC effect was studied rarely [2, 3]. The explanation of the PLC mechanism in medium manganese steels showing the TRIP effect is a complex issue due to their multiphase microstructure and corresponding occurrence of the TRIP effect during plastic deformation. Therefore, the goal of the current study is to characterize the relationships between deformation temperature and plastic instability phenomenon in medium-Mn steel showing the TRIP effect. 2. EXPERIMENTAL PROCEDURE The hot-rolled steel of the type 0.16C-4.7Mn-1.6Al-0.2Si-0.2Mo was investigated. Detailed information on the processing parameters can be found in work [2]. Uniaxial tensile tests were performed at temperatures: 20, 60, 100, 140 and 200°C at a strain rate of 10-3 s-1 to determine an influence of the deformation temperature on the occurrence of PLC effect.

72 A. Kozłowska, B. Grzegorczyk, A. Grajcar

3. RESULTS Tensile curves are shown in Figure 1. Obtained results confirm that a deformation temperature affects mechanical properties of the investigated steel. The yield stress of the steel is from 840 to 950 MPa whereas the tensile strength is from 1180 to 1300 MPa. The elongation is relatively small – max. 12%. It is related to a small austenite amount at the initial state ~ 11% [2]. A sample deformed at 20°C shows no evidence of PLC effect (Figure 1a). Increasing the deformation temperature to 100°C and 140°C resulted in the appearance of serrated flow phenomenon (Figure 1b and 1c). Oscillations were observed at the final stage of deformation. A higher oscillations amplitude was detected for the specimen deformed at 140°C. It is interesting that a specimen deformed at 200°C showed no evidence of plastic instability (Figure 1d). The plastic instability phenomenon observed in Fe-Mn alloys by other authors [2-4] was explained based on a DSA (dynamic strain ageing) effect. In general, the DSA arises from the dynamic interactions between mobile dislocations and solute atoms. Some theories of DSA mechanism have been proposed, such as reorientation of Mn–C couples to dislocation core, short range carbon diffusion to trailing partials, and single jump of carbon to a site neighboring to Mn in a stacking fault.

(a) (b)

(c) (d)

Figure 1. Tensile curves of the investigated steel registered at: (a) 20°C, (b) 100°C, (c) 140°C, (d) 200°C 4. CONCLUSIONS A deformation temperature affects the appearance of the PLC effect. Characteristic serrations occurred at 100 and 140°C whereas the continuous yielding behavior without serrations occurred for the samples tested at 20 and 200°C. Typically, the serrations occur in a uniform deformation range. However, in the present study the plastic deformation instability effect is postponed to higher deformation and occurs in a post-uniform elongation range. Acknowledgement The work was supported by the scholarship fund of the Silesian University of Technology in 2019. LITERATURE 1. C. Liu, Q. Peng, Z. Xue, M. Deng, S. Wang, C. Yang, Microstructure-tensile properties relationship and

austenite stability of a Nb-Mo micro-alloyed medium-Mn TRIP steel, Metals 8 (2018) 1-15. 2. B. Grzegorczyk, A. Kozłowska, M. Morawiec, R. Muszyński, A. Grajcar, Effect of deformation temperature

on the Portevin-Le Chatelier effect in medium-Mn steel, Metals 9 (2019) doi.org/10.3390/met9010002. 3. M. Callahan, O, Hubert, F. Hild, A. Perlade, J.H. Schmitt, Coincidence of strain-induced TRIP and

propagative PLC bands in medium Mn steels, Materials Science and Engineering A 703 (2017) 391-400. 4. M. Koyama, T. Sawaguchi, K. Tsuzaki, Overview of dynamic strain aging and associated phenomena in Fe–

Mn–C austenitic steels, ISIJ International 104 (2018) 187-200.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Comparison of fatigue behavior of 316L stainless steel prepared by selective laser melting method: Effect of layer orientation M. Kraus a,b, V. Mares b, A. Benda a, J. Hajnys c, M. Pagac c a VSB-Technical University of Ostrava, Faculty of Materials and Technology, Department of Materials Engineering b Center of Advanced Innovation Technologies - VŠB-Technical University of Ostrava c VSB-Technical University of Ostrava, Faculty of Mechanical Engineering email: martin.kraus@vsb.cz Conclusions: The results of these studies constitute the basis for using of additive manufacturing technology of metals and his using as alternative for conventionally manufactured metals in real constructions. Due to the significant expansion of additive technology for metals, this research is needed. The tensile and fatigue characteristics of the tested material were determined. Investigation of fractures surfaces using electron microscopy allows to identify the process of fatigue damage growth. A fracture mechanism was observed for different building layers. Abstract: This paper deals with the effects of layer orientation on the mechanical properties and fatigue life of 316L stainless steel (SS) fabricated via laser selective method (SLM) additive manufacturing process were investigated. Uniaxial fatigue and Quasi-static tensile tests were conducted on specimens fabricated in vertical and horizontal directions. The results of tests were compared for orientation of manufacturing. Uniaxial cyclic tension tests were conducted by controlling the amplitude of stress. From fatigue testing results SN curves were compiled. For complete knowledge of material microstructure observing using light and SEM microscopy was carried out. Key words: 3D printing, SLM, AISI 316L, fatigue, microstructure, 1. Introduction At present time is increasingly applying 3D printing methods in the area of production of metallic materials also. Despite the popularity of materials produced by mentioned way, there is still insufficient information of fatigue phenomena. Of course, for these types of materials are important not only fatigue but also mechanical properties and knowledge of phases and microstructures. Additive manufacturing of metals has many degrees of freedom such as power of laser, melting time, layer orientation, texture heat or cooling dissipation and more. All these mentioned parameters influence more or less mechanical properties. Manufacturers are trying to achieve the same or better mechanical properties as steel produced the conventional way. [1-3]

2. Materials, methods and devices

The specimens for tensile test were additively manufactured by Renishaw AM 400 using chessboard scanning strategy. There was an AISI 316L atomized powder certified by producer with average particle size 45 ± 15 μm used for 3D printing in argon atmosphere. The microstructure and fracture surfaces was observed (except light microscopy) by SEM JEOL JSM-6490LV equipped with INCA x-act detector. To remove any effects of surface roughness after their build were specimens machined to dimensions matching ASTM standards. Tensile and fatigue tests was conducted on Instron 8802 servo-hydraulic fatigue testing machine. Asymmetry of loading was R = 0. Frequency was 15 Hz. Heat treatment at 1050°C for 30 minutes with cooling in water was applied.

74 M. Kraus, V. Mares, A. Benda, J. Hajnys, M. Pagac

3. ResultsThere were four groups of specimens tested. The first was printed in vertical position (V), the second in horizontal position (H). And both groups were heat threated (HT). Results of fatigue testing [4] are presented in Figure 1., where are results for all mentioned groups of specimens plotted together. Finally, material constants from the Basquin equation [5] were calculated and compared. It was found that the data obtained correlated well and the results achieved are acceptable. From the metallographic point of view, the microstructure can be adjusted by heat treatment, ie. the texture after 3D printing is removed (Figure 2). However, the mechanical and fatigue characteristics do not vary diametrically. The morphology of fracture surfaces also shows different characteristics related to the orientation of the material layers to the direction of applied stress.

Figure 1. Results of fatigue testing

Figure 2. Microstructure before (left) and after (right) heat treatment – transversal section

LITERATURE 1. L. E. Murr, W. L. Johnson, 3D metal droplet printing development and advanced materials additive

manufacturing, Journal of Materials Research and Technology, no. 6 , pp. 77-89, 2017.2. J. P. Kruth, L. Froyen, J. van Vaerenbergh, P. Mercelis and M. Rombouts, Selective laser melting of iron-

based powder, Journal of Materials Processing Technology. no. 149, pp. 616-622, 2004.3. A. A. Deev, P. A. Kuznetcov, S. N. Petrov, Anisotropy of mechanical properties and its correlation with

the structure of stainless steel 316L produced by SLM method, Physics Procedia, vol. 83, Elsevier, 2016.4. A. Riemer, S. Leuders, M. Thone, H.A. Richard, T. Troster, T. Niendorf, On the fatigue crack

growth behavior in 316L stainless steel manufactured by selective laser melting, Engineering Fracture Mechanics. no. 120, pp. 15-25, 2014.

5. F. Eliyn, Fatigue damage, crack growth and life prediction. Chapmann & Hall, 1997, ISBN 041259600.

Acknowledgement This paper has been completed in connection with project Innovative and additive manufacturing technology – new technological solutions for 3D printing of metals and composite materials, reg. no. CZ.02.1.01/0.0/0.0/17_049/0008407 financed by Structural Funds of the European Union and project.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Design and selective laser melting manufacturing of TPE extrusion die M. Król Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Technologii Procesów Materiałowych, Zarządzania i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie email: mariusz.krol@polsl.pl Abstract: In presented work, geometric forms of maraging steel extrusion die used in TPE processing was optimised by means of flow dynamics of the final part. Maraging steel Ni-18 (M300) die were produced by Selective Laser Melting (SLM) using AM125 machine provided by Renishaw. The developed and manufactured extrusion die has not been subjected to a finishing process, i.e. grinding, polishing or sandblasting. The tests were carried out at the TPE industrial extrusion plant. The presented results show that the SLM technique is a promising production method for extrusion dies with complex internal sections of high accuracy, high speed and low costs. The production of high quality extruded profiles was possible using SLM extrusion die directly from the production without the post-processing.

Keywords: SLM, extrusion die, simulations

1. INTRODUCTION

Plastics processing is a constantly growing industry. The extrusion process has a huge application in processing. Over 70% of plastics are formed using this method. The technological process of extrusion consists in continuous plasticising of the plastic and pressing it through the extrusion heads under generated pressure. After leaving the head, the product is cooled down and further processed to give final dimensions. Thanks to this technology, it is possible to manufacture various types of continuous profiles: rods, plates, pipes, etc. In the extrusion process, the TPE granules are placed in a hopper, heated and the heat is changed into a melt as a result of this heat and shear. The screw assembly transfers the molten plastic through the extrusion nozzle to form continuous sections of shapes with the same profile, which are then cooled with water or compressed air. TPE can easily be extruded in the form of single or complex components. The technological process of extrusion consists in continuous plasticising of the plastic and pressing it through the extrusion heads under generated pressure. After leaving the head, the product is cooled down and further processed to give final dimensions. Thanks to this technology, it is possible to manufacture various types of continuous profiles: rods, plates, pipes, etc. [1-3]. In the extrusion process, the TPE granules are placed in a hopper, heated and the heat is changed into a melt as a result of this heat and shear. The screw assembly transfers the molten plastic through the extrusion nozzle to form continuous sections of shapes with the same profile, which are then cooled with water or compressed air. TPE can easily be extruded in the form of single or complex components. This material can also be co-extruded with other materials like PVC to achieve both a robust and soft component. They show better profile flexibility [4-6].

2. METHODOLOGY

The main purpose of presented work was to analyse the manufacturability of the extrusion die and to determine the difficulties and necessary precautions for SLM. In the first stage of presented work, manufacturing of the extrusion die.

3. RESULTS Based on the obtained simulations results in Autodesk Moldflow (Fig. 2), it can be concluded that the gasket model is characterised by different wall thicknesses and the flow of polymer in thin-walled zones is difficult. The comparison of the filling analysis results (time and pressure), it was observed that the modified gasket model is

76 M. Król

characterised by a clearly shorter filling time and lower pressure as opposed to the original models. Minimising the results positively influences the extrusion process. a)

b)

Fig. 2. Visualisation of filling time in extrusion die: a) before and b) after modification

Following the SLM production, the inner surfaces of the extrusion die were cleaned to remove from the surface of parts adhered particles that are an indispensable adverse event for the additive manufacturing method. No finishing post-processes were fitted to the extrusion die. Figure 6 presenting an extrusion die fabricated by SLM method. No noticeable marks of bending of the product were noted. Furthermore, there were no outside signs such as scratches and cracks on the components.

Fig. 7. The extrusion die manufactured by SLM technique

CONCLUSIONS The results showed that a mathematically projected extrusion die can be applicate without further post-processing. The machining method in traditional die production makes additional involuntary errors, and a further allocation process is carried out to correct it. SLM technique allows eliminating these allocations (correction) operations. A major challenge in the SLM manufacturing of profile extrusion dies is to ensure a sufficient surface quality of the extruded plastics profiles. The presented investigations show that it is possible to achieve a sufficient profile surface quality with a SLM die by only polishing its die land. LITERATURE

1. E. Koc, y. Akca, Z.C. Oter, M. Coskun, Selective Laser Sintering of Aluminium Extrusion Dies, TECHNICAL NOTE ALUTEAM TN-2016/001,

2. M. Cortina, J.I. Arrizubieta, A. Calleja, E. Ukar, A. Alberdi, Case Study to Illustrate the Potential of Conformal Cooling Channels for Hot Stamping Dies Manufactured Using Hybrid Process of Laser Metal Deposition (LMD) and Milling, Metals 2018, 8, 102,

3. M.M. Kostic, L.G. Reifschneider, Design of Extrusion Dies, Encyclopedia of Chemical Processing, 2006 633-649,

4. N. Yesildag, Ch. Hopmann, Ch. Windeck, S. Bremen, K. Wissenbach, S. Merkt, Opportunities and challenges of profile extrusion dies produced by additive manufacturing processes, AIP Conference Proceedings 2017,

5. M. Król, T. Tański, Surface Quality Research for Selective Laser Melting of Ti-6Al-4V Alloy, Archives of Metallurgy and Materials, 61/3 (2016) 1291-1296. DOI: 10.1515/amm-2016-0213.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ Ag na strukturę i własności stopów Cu-Ni-Si B. Krupińskaa, Z. Rdzawskib

a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Przetwórstwa Materiałów Metalowych i Polimerowych email: beata.krupinska@polsl.pl b Instytut Metali Nieżelaznych, ul. Sowińskiego 5, 44-100 Gliwice email:zbigniew.rdzawski@imn.gliwice.pl Streszczenie: W pracy zbadano wpływ dodatku srebra na strukturę i własności stopów Cu2Ni1Si. Celem pracy była odpowiedź na pytanie, jak wpłynie dodatek srebra na mechanizmy umocnienia modyfikowanych srebrem przesycanych, odkształconych oraz starzonych stopów CuNiSi? Do badań zastosowano mikroskopię elektronową (SEM) oraz analizę składu chemicznego w mikroobszarach (EDS), mikroskopię świetlną, rentgenografię strukturalną oraz pomiar mikrotwardości oraz konduktywności badanych stopów. Abstract: In the work was investigated the influence of the mass concentration of Ag on the properties of the copper alloys. The study examined the effect of silver addition on the structure and properties of Cu2Ni1Si alloys. The aim was to answer the question how will the addition of silver affect the mechanisms of strengthening of silver-modified supersaturated, deformed and aged CuNiSi alloys? For research used electron microscopy (SEM) and micro-area analysis (EDS), light the optical microscopy, structural x-ray as well as measurement of microhardness and conductivity of the tested alloys were used. Słowa kluczowe: stopy miedzi, mikrostruktura, modyfikacja, utwardzanie wydzieleniowe 1. WSTĘP

Intensywny rozwój przemysłu wymusza rozwój inżynierii materiałowej i ciągłe doskonalenie istniejących materiałów oraz rozwój zupełnie nowych materiałów. Wymagania dotyczące otrzymanych materiałów są coraz wyższe i bardziej precyzyjne. [1-4]

Stopy miedzi są powszechnie stosowanymi metalowymi materiałami inżynierskimi. Jednak rosnący zakres zastosowań powoduje rozwinięcie dotychczasowych badań, dążąc do opracowania stopów o lepszych własnościach użytkowych, tj. o dużej twardości i odporności na ścieranie, a jednocześnie o zachowanej lub niewiele zmniejszonym bardzo dobrym przewodnictwie elektrycznym. Znaczną część tych właściwości spełniają stopy miedzi utwardzane wydzieleniowo, takie jak Cu-Fe, Cu-Cr, Cu-Co, Cu-Ni-Si i Cu-Ni-Si-Cr. [1-4]

Przedmiotem badań staje się coraz częściej stopy Cu-Ni-Si, których właściwości mechaniczne można kształtować poprzez obróbkę cieplną i plastyczną . W badaniach stopów CuNi2Si1 często wprowadza się Cr, a czasem Cr i Mg lub Cr i Ti. W otrzymanych stopach Cu-Ni-Si-Cr, Cu-Ni-Si-Cr-Mg lub Cu-Ni-Si-Cr-Ti wyniki badań wskazują na zmianę morfologii, a w rezultacie osiągnięcie korzystniejszych właściwości mechanicznych, a w niektórych przypadkach także zmiany przewodności [1-4] 1.1. Przesycanie, odkształcenie i starzenie stopów CuNi2Si1 z dodatkiem Ag

Badania dotyczyły stopów Cu-Ni-Si-Ag (tabela 1). Stopy poddano obróbce cieplnej oraz odkształceniu plastycznemu. Najpierw stopy były przesycane w temperaturze 770⁰C przez 1h w atmosferze ochronnej argonu, następnie chłodzono je wodą. Kolejnym krokiem było odkształcanie plastyczne - 50%. Stopy były starzone w temperaturze 500⁰C przez 1h również w atmosferze argonu.

78 B. Krupińska, Z. Rdzawski

Tabela 1. Skład chemiczny analizowanych stopów miedzi Table 1. Chemical composition of the copper alloys

Nr stopu Oznaczenie stopu Stężenie masowe pierwiastków stopowych w badanych stopach, % Ni Si Ag Cu

1 CuNiSiAg 2 1 0,8 reszta W ramach wykonywanych badań można wyróżnić m.in.: • Badania mikrostruktury i składu chemicznego wykonano za pomocą mikroanalizy EDS na skaningowego

mikroskopu elektronowego Zeiss Supra 25 i MEF4A optycznego mikroskopu Leica wraz zoprogramowaniem do analizy obrazu oraz skaningowego mikroskopu elektronowego przy użyciuurządzenia Zeiss Supra 25 w trybie wysokiej rozdzielczości (rysunek 1).

• Pomiar mikrotwardości został przeprowadzony na mikrotwardościomierzu Vickers Future-Tech (FM-ARS 9000) przy obciążeniu 1000gf przez 10s (rysunek 2).

a) b)

Rysunek.1. a) Mikrostruktura stopu CuNiSiAg alloy; b) analiza liniowa składu chemicznego stopu CuNiSiAg. Figure.1. a) Microstructure of the CuNiSiAg b) line analysis of the CuNiSiAg.

Rys.2. Wyniki pomiarów konduktywnościi stopów CuNiSi oraz CuNiSiAg Fig. 2. Average electrical conductivity of Cu-Ni-Si and Cu-Ni-Si-Ag alloy

LITERATURA

1. J. Stobrawa., Z. Rdzawski, W. Głuchowski, W. Malec.: Microstructure and properties of CuNi2Si1 alloy processed by continuous RCS method, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, Vol. 37, Issue 2, 2009.

2. Z. Rdzawski, J. Stobrawa, Thermomechanical processing of CuNiSiCrMg alloy. Mater. Sci. Technol., 9, 1993.3. Z. Rdzawski: Miedź stopowa. Wydaw. Polit. Śl., Gliwice 2009.4. B. Krupińska, Z. Rdzawski: Effect of Re addition of solidification and heat treatment on the Cu-Ni-Si alloy

structure, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 134, 2018.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ laserowej obróbki powierzchniowej miedzi na strukturę M. Krupiński a, P.E. Smolarczyk *a, W. Pakieła a a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Technologii Procesów Materiałowych, Zarządzania i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie *email: paulina.smolarczyk@polsl.pl Streszczenie: W artykule przedstawiono wpływ laserowej obróbki powierzchni odkształconej plastycznie miedzi proszkiem Ti na jej strukturę. Wstępnie materiał poddano badaniom mikroskopii świetlnej i skaningowej mikroskopii elektronowej, na podstawie których określono strefę przetopienia, dyfuzyjną, wpływu ciepła i rekrystalizacji. Abstract: The paper presents the influence of alloying plastically deformed copper on its structure with Ti powder. Initially, the material was subjected to light microscopy and scanning electron microscopy researches, on the basis of which the remelting zone, diffusion zone, heat affected zone (HAZ) and recrystallization zone were identified. Słowa kluczowe: stopowanie laserowe, modyfikacji powierzchni 1. WSTĘP

Miedź ze względu na wysoką przewodność elektryczną, a także cieplną stanowi materiał strategiczny w przemyśle. Do niepożądanych właściwości fizykochemicznych miedzi należy zaliczyć niską wytrzymałość na rozciąganie i bardzo dobre własności plastyczne, co powoduje, że bardzo często poddaje się ją umocnieniu w celu zwiększenia twardości i wytrzymałości [1,2,3]. 1.1. Laserowa obróbka powierzchniowa

Do zastosowań przemysłowych wykorzystuje się głównie cieplne efekty oddziaływania promieniowania na materiał, które prowadzą do nagrzewania, topnienia oraz parowania materiału. W przypadku modyfikacji powierzchni metodą laserową istotne jest dobranie odpowiednich parametrów [2,4]. Właściwości miedzi, takie jak wytrzymałość na rozciąganie (Rm), umowna granica plastyczności (R0,2), wydłużenie względne (A5) czy względne przewężenie (Z) są zależne od wielkości ziarna [4]. W tabeli 1 przedstawiono wpływ wielkości ziarna na właściwości mechaniczne miedzi.

Tabela 1. Właściwości mechaniczne miedzi w zależności od wielkości ziarna [4,5] Table 1. Mechanical properties of copper, according as size of grains

Średnica ziarna, mm

Rm, MPa A5, % R0,2, MPa Z, %

0,04 221 55 40 63 0,06 220 48 44 62 0,11 212 40 41 54 0,3 212 37 40 51 0,8 212 36 46 55

80 M. Krupiński, P.E. Smolarczyk, W. Pakieła

Na rysunku 1 przedstawiono oddziaływanie wiązki laserowej na badany materiał. W eksperymencie wykorzystano laser włóknowy typu Ytterbium Laser System YLS-4000 o długości fali λ=1070nm, podczas stopowania gazem osłonowym był hel. W tabeli 1 przedstawiono parametry procesu.

Tabela 2. Parametry procesu. Table 2. Proccess parameters

Moc, kW

Prędkość skanowania,

m/min.

Głębokość rowka, mm

Gaz, l/min. Proszek

1 3

0,1

0,2

Hel, 2 Tytan 2 4 0,2 3 4 0,1 4 4 0,05

LITERATURA 1. Skrzypek S. J, Przybyłowicz K. (red.), Inżynieria metali i ich stopów, Rozdział 11 – Z. Rdzawski, wyd. AGH,

Kraków, 2012. 2. B. Krupińska, Z. Rdzawski, Effect of Re addition on the crystallization, heat treatment and structure of the

Cu-Ni-Si-Cr alloy, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 134/1 p.173-179, (2018) DOI: 10.1007/s10973-018-7668-y

3. M. Krupiński, B. Krupińska, Z. Rdzawski, K. Labisz, T. Tański, Additives and thermal treatment influence on microstructure of nonferrous alloys, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 120/3 p. 1573-1583, (2015) DOI 10.1007/s10973-015-4497-0

4. J. Szajnar, J. Gawroński, J Roučka, J Šenberger, Modyfikacja czystej miedzi z zachowaniem przewodności elektrycznej, Archives of Foundry, Volume 3, No. 10, PAN,Katowice, 2003.

5. M. Tokarski, Metaloznawstwo metali i stopów nieżelaznych w zarysie, Wyd. Śląsk, 1985.

Rysunek 1. Działanie wiązki laserowej na badany materiał; #A – miedź odkształcona plastycznie (materiał badawczy), #B – strefa przetopienia. #C – strefa dyfuzyjna, #D – strefa wpływu ciepła, #E – strefa rekrystalizacji. Figure 1. The effect of the laser beam on the tested material; #A - copper, plastically deformed (research material), #B - remelting zone. #C - diffusion zone, #D - heat affected zone (HAZ), #E - recrystallization zone.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Correlation of laboratory and real atmosphere corrosion for investigation of corrosion behavior of secondary aluminum casts L. Kuchariková a, T. Liptáková a, E. Tillová a, M. Bonek b, I. Švecová a a University of Žilina, Department of Materials Engineerig, Univerzitná 8215/1, 010 26 Žilina, Slovakia email: lenka.kucharikova@fstroj.uniza.sk; tatiana.liptakova@fstroj.uniza.sk; eva.tillova@fstroj.uniza.sk b Silesian University of Technology, Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Konarskiego 18a, 44 100 Gliwice, Poland email: miroslaw.bonek@polsl.pl Abstract: Utilizing of aluminum alloys is recently very frequent in many branch of industry because of their good mechanical properties in ratio to their weight as well as corrosion stability. The experimental material is the hardened aluminum alloy AlSi7Mg0.3. To precisely study the iron effect on corrosion properties of the aluminum alloys produced from recycling Al the alloys AlSi7Mg0.3 with various iron content were prepared (0.123 wt. %, 0.454 wt. % and 0.655 wt. % Fe). Corrosion properties were searched by exposure test in 3.5 wt.% NaCl solution at 20 °C for three week, Audi test and by exposition in real atmosphere. Corrosion behavior of the tested materials was evaluated using stereo, optical and scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray analysis and weight losses too. Keywords: secondary aluminum alloys, corrosion behavior, exposure laboratory an real atmosphere tests, corrosion Audi test, higher Fe content 1. INTRODUCTION

The important is to achieving the request not only mechanical but corrosion properties of aluminum casts. They are depending on casting condition, solidification rate, as well as on chemical composition. The chemical composition determines formation of the microstructural features. From this point of view are important: α-matrix (dendrite cell size, dendrite arm spacing-SDAS, and grain size), eutectic silicon particles and intermetallic phases (size, morphology, and amount) and porosity [1-3]. From Fe-rich phases identified in Al–Si base alloys, the α-Al15FeMn3Si2 and β-Al5FeSi phases being the more important [4-6]. β-phases crystallizes as thin plates that look like needles in the cross section. Iron content determines the shape of these needles. This phase is very brittle and has relatively little coherence with the aluminum matrix so it can act as a stress raiser contributing to the brittleness of the material. From the electrochemical point of view, the β-Al5FeSi phase is nobler than the matrix in aqueous media, making the alloy system highly susceptible to localized corrosion [6].

The corrosion properties have a vital importance for the properties and life time of construction components. Therefore, the aim of this work is study of the corrosion behavior of the hardened aluminum alloy AlSi7Mg0.3 in various conditions.

2. EXPERIMENTAL MATERIAL AND RESULTS

The experimental alloy was the hypoeutectic AlSi7Mg0.3 cast alloy. However, the increase usage of recycling possibilities this material was produced with different the iron concentration (0.123 % Fe - alloy A, 0.454 % Fe - alloy B, 0.655 % Fe -alloy C). The chemical composition of the experimental alloys is in Table 1.

82 L. Kuchariková, T. Liptáková, E. Tillová, M. Bonek, I. Švecová

Table 1. The chemical composition measured on arc spark spectroscopy, wt. [%] Alloy Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Na Al Other

A 7.028 0.123 0.013 0.009 0.354 0.036 0.123 0.002 92.253 balance B 7.34 0.454 0.021 0.009 0.302 0.02 0.118 0.004 91.673 balance C 7.315 0.655 0.03 0.01 0.292 0.028 0.12 0.005 91.486 balance

Observation of basic microstructure of AlSi7Mg0.3 cast alloy showed that microstructure of each experimental

materials consist of dendrites α-phase, eutectic and Fe-rich intermetallic phases in needles form: Al5FeSi, and in form of skeleton-like or Chinese script: Al15(FeMg)2Si2 and Mg-rich intermetallic phases: Mg2Si (Figure 1). The increasing amount of Fe lead to formation larger Fe-needles intermetallic phases (Figure 1) and the amount of these phases increases too. The assessment of corrosion impact shows that materials with increasing content of Fe have the smallest resistance to corrosion during all experiments used for studying of corrosion behavior. The highest mechanical properties have materials with increasing amount of Fe.

(a) (b) (c) Figure 1. The corrosion impact of real atmosphere of AlSi7Mg0.3 cast alloys, magnification of 500x. (a) alloy A with 0.123 % Fe; (b) alloy B with 0.454 % Fe, (c) alloy C with 0.655 % Fe. Acknowledgement The Scientific Grant Agency of the Ministry of Education, Science and Sports of the Slovak Republic Academy of Science No 1/0398/19 and No 049ŽU-4/2017 has supported this work. REFERENCES 1. Osório, W. R.; Goulart, P. R.; Garcia, A. Effect of silicon content on microstructure and electrochemical

behavior of hypoeutectic Al–Si alloys. Materials Letters 62 (2008) 365–369 2. Osório, W. R.; Cheung, N.; Spinelli, J. E.; Goulart, P. R.; Garcia, A. The effects of a eutectic modifier on

microstructure and surface corrosion behavior of Al-Si hypoeutectic alloys. Journal Solid State Electrochem 11 (2007) 1421–1427

3. Cecchel, S. ; Cornacchia, G.; Gelfi, M. Corrosion behavior of primary and secondary AlSi high pressure die casting alloys. Materials and Corrosion 68 (2017) 961–969

4. Samuel, A. M.; Samuel, F. H.; Doty, H. W.; Valtierra, S. Beta Al5FeSi phase platelets-porosity formation relationship in A319.2 type alloys. International Journal of Metalcasting 12/1 (2018) 55-70

5. Khalifa, W. ; Samuel, F.H.; Gruzleski, J.E. Iron intermetallic phases in the Al corner of the Al–Si–Fe system. Metall. Mater. Trans. A 34 (2003) 807–825

6. Taylor, J.A.; Schaffer, G.B.; Stjohn, D.H. The Role of Iron in the formation of Porosity in Al-Si-Cu–Based Casting Alloys: Part II. A Phase-Diagram Approach. Metallurgical and materials transactions 30A (1999) 1651-1655

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Alternatywne materiały powłokowe przeznaczone do natryskiwania termicznego powłok. K. Kustraa, A. Wrona, M. Lis, K. Czechowska, M. Kamińska, M. Osadnik a Sieć Badawcza ŁUKASIEWICZ - Instytut Metali Nieżelaznych w Gliwicach, Zakład Materiałów Proszkowych i Kompozytowych email: katarzyna.kustra@imn.gliwice.pl Streszczenie: W artykule zaprezentowano wyniki z zakresu wytwarzania alternatywnych, niedostępnych obecnie na rynku materiałów powłokowych przeznaczonych do procesów natryskiwania cieplnego. Opisano sposób wytwarzania kompozytowych materiałów ceramicznych i cermetalicznych, obejmujący granulację oraz obróbkę termiczną, a także scharakteryzowano ich morfologię, skład chemiczny i fazowy oraz właściwości technologiczne niezbędne do procesów natryskiwania plazmowego. Przedstawiono również wyniki dotyczące zastosowania innowacyjnej technologii sferoidyzacji plazmowej do otrzymywania sferycznych proszków materiałów ceramicznych i cermetalicznych. Abstract: The paper presents the results concerning production of alternative, currently unavailable on the market, coating materials for thermal spraying processes. The producing method of ceramic and cermetal materials, including granulation and heat treatment, has been described, as well as their morphology, chemical, phase composition and technological properties necessary for plasma spraying processes. The results on the application of innovative plasma spheroidisation technology for the preparation of spherical powders of ceramic and cermetal materials are also presented. Słowa kluczowe: powłoki natryskiwane cieplnie, natryskiwanie plazmowe APS, granulacja, sferoidyzacja plazmowa, proszki ceramiczne, proszki kompozytowe 1. WSTĘP

Obecnie na rynku surowców proszkowych do procesów natryskiwania cieplnego dostępna jest ograniczona liczba gatunków materiałów posiadających odpowiednie właściwości technologiczne. Ponadto charakteryzują się one wysoką ceną, podwyższającą znacznie całkowite koszty procesu nanoszenia powłok. Według prognoz, rynek powłok natryskiwanych cieplnie osiągnie wartość 14,99 miliarda dolarów do roku 2025 ze skumulowanym rocznym wskaźnikiem wzrostu 6,7% (źródło: Grand View Research, Inc.). Ich główne zastosowanie to powłoki odporne na zużycie ścierne, erozję oraz oddziaływanie środowiska korozyjnego i podwyższonej temperatury. Dynamiczny rozwój rynku i jego dywersyfikacja między różne sektory przemysłu pociąga za sobą konieczność opracowywania nowych materiałów powłokowych o nowych właściwościach oraz konkurencyjnej cenie [1, 2].

Proszki stosowane w procesach natryskiwania cieplnego powinny charakteryzować się odpowiednią sypkością, uwarunkowaną, przede wszystkim morfologią ziarna proszku oraz jego wielkością. Ponadto od surowców wymagana jest stabilność w czasie przechowywania oraz w płomieniu plazmowym, a także zapewnienie otrzymania powłoki o założonym składzie chemicznym i fazowym. Istnieje wiele metod wytwarzania proszków do natrysku, takich jak np. granulacja, topienie i kruszenie, rozpylanie gazowe lub plazmowe. Innowacyjnym sposobem dogęszczania proszków, zapewniającą odpowiednią sypkość jest sferoidyzacja plazmowa proszków nieregularnych. Metoda ta może być stosowana do materiałów ceramicznych oraz cermetalicznych i pozwala wytworzyć innowacyjne kuliste proszki, mogące znaleźć zastosowanie zarówno w natrysku cieplnym, jak i w technologiach takich jak druk 3D [3, 4, 5].

84 K. Kustra, M. Lis, A. Wrona, K. Czechowska, M. Kamińska, M. Osadnik

Niniejszy artykuł opisuje sposób wytwarzania materiałów powłokowych z surowców pochodzących z przemysłu ceramicznego, budowlanego, metalurgii proszków oraz modyfikowanych proszków komercyjnych na drodze ich granulacji, obróbki cieplnej i sferoidyzacji plazmowej.

1.1. Przygotowanie proszków

Proces granulacji prowadzono przy wykorzystaniu metody mieszania wysokoenergetycznego na mieszalniku EL1 firmy Eirich. Przy zastosowaniu odpowiedniego lepiszcza oraz obróbki cieplnej, metoda ta pozwala wytworzyć stosunkowo zwarte i homogeniczne granule z proszków drobnoziarnistych [2]. Ponadto w celu zagęszczenia granulatów oraz otrzymania proszków sferycznych z nieregularnych zastosowano metodę sferoidyzacji plazmowej. Dzięki zastosowaniu strumienia plazmy o wysokiej temperaturze, metoda ta jest odpowiednia do przeróbki materiałów wysokotopliwych, np. ceramiki. 1.2. Charakterystyka proszków Dokonano charakterystyki morfologii, składu chemicznego, fazowego oraz właściwości fizycznych otrzymanych granulatów i proszków sferycznych. Szczególną uwagę zwrócono na sypkość surowców, która stanowi podstawowe kryterium do zastosowania w natryskiwaniu cieplnym. W artykule przedstawiono wybrane wyniki.

Rysunek 1. Obraz elektronowy, a) granulatu SiC wykonanego przy wykorzystaniu mieszalnika wysokoenergetycznego; b) proszku Al2O3 sferoidyzowanego plazmowo. Figure 1. SEM images, a) SiC granulate made using a high energy mixer; b) plasma spheroidized Al2O3 powder. 1.3. Nanoszenie powłok Z wybranych surowców naniesiono powłoki przy zastosowaniu systemu do natryskiwania plazmowego APS z palnikiem SG 100. Otrzymane powłoki badano pod kątem mikrostruktury, składu chemicznego i fazowego. LITERATURA 1. Grand View Research, Inc , https://www.grandviewresearch.com/press-release/global-thermal-spray-coating-

market, 2019 2. S. Saber-Samandari, Ch. C. Berndt, Thermal spray coatings - A technology review, International Heat

Treatment & Surface Engineering 4(1):7-13, 2011. 3. P. Nold, R. Lobe, M. Muller, Interceram Refractories Manual, 1-13, 2003. 4. Z. Károly J.Szépvölgyi, Plasma spheroidization of ceramic particles, Chemical Engineering and Processing:

Process Intensification, Volume 44, Issue 2, 221-224, 2005. 5. Y. Ouyang, L. Bai, Z. Sun F. Ding, F. Yuan, A new strategy for dense Al2O3 ceramics by spherical powders

prepared via thermal plasma, Ceramics International, Volume 45, Issue 2, Part A, 2012-2019, 2019.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Symulacja numeryczna i fizyczna procesu ciągłego wyżarzania i galwanizowania zanurzeniowego blach cienkich z zastosowaniem powłok ze stopu Zn-Al-Mg R. Kuziak a, R. Molenda a, H. Krztoń a, K. Radwański a, K. Oleś b, K. Kwapisz b a Instytut Metalurgii Żelaza Sieć Badawcza Łukasiewicz email: Roman.Kuziak@imz.pl b ArcelorMittal Polska Streszczenie: W artykule przedstawiono możliwości symulacji numerycznej procesu ciągłego wyżarzania i zanurzeniowego pokrywania powłokami ochronnymi z wykorzystaniem metod symulacji numerycznej i fizycznej. Najważniejszym celem badań było opracowanie powłoki na bazie stopu Zn-Al-Mg charakteryzującej się lepszą plastycznością w warunkach zaginania w porównaniu do tradycyjnie stosowanych powłok. Abstract: The paper presents results of the numerical and physical simulations of the continuous annealing and deep hot galvanizing. The aim of the investigation was the development of the new Zn-Al-Mg coating characterized by improved plasticity that can be used for the production of the corrugated profiles for roof construction.

Słowa kluczowe: powłoka Zn-Al-Mg, symulacja numeryczna, symulacja fizyczna.

1. WSTĘP

Artykuł prezentuje wyniki badań zrealizowanych w Instytucie Metalurgii Żelaza w ramach projektu „Opracowanie technologii pokrywania blach cienkich innowacyjnymi powłokami na bazie Zn-Mg-Al” realizowanego przez firmę ArcelorMittal Poland, Oddział Świętochłowice. Celem projektu jest opracowanie nowej powłoki na bazie Zn-Mg-Al nanoszonej na blachę stalową w ciągłym procesie cynkowania ogniowego. Skład chemiczny powłoki powinien być tak dobrany, aby zapewniał uzyskanie wszystkich właściwości i zalet blach pokrytych powłokami dla budownictwa. 2. METODYKA BADAŃ

W celu określenia warunków powlekania blach powłokami Zn-Al-Mg przeprowadzono obliczenia termodynamiczne. Jedną z metod stosowaną do badań układów równowag fazowych oraz obliczania wielkości termodynamicznych jest metoda CALPHAD opisana w pracach [1,2]. Symulacje numeryczne w ramach prowadzonych badań wykonano z wykorzystaniem bazy danych termodynamcznych SSUB4 (SGTE Substances Database v4.1) stosując program ThermoCalc.

Symulacje fizyczne procesu zanurzeniowego nanoszenia powłok na blachy wykonano za pomocą urządzenia zaprojektowanego i wykonanego w Instytucie Metalurgii Żelaza Sieć Badawcza Łukasiewicz. Urządzenie składa się z systemu nagrzewania próbki pobranej z blachy oraz tygla, w którym roztapia się stop przeznaczony na powłokę. Oba elementu znajdują się w odrębnych komorach połączonych śluzą. Komory wypełnione są mieszaniną gazów N2 + 5%H2. Po zrealizowaniu założonego cyklu nagrzewania, próbkę zanurza się za pomocą układu mechanicznego sterowanego komputerowo. Minimalny czas zanurzenia wynosi około 2 sekund. W trakcie doświadczenia ustalana jest temperatura ciekłego stopu i temperatura próbki. Wartość tych temperatur monitorowana jest za pomocą termopar.

86 R. Kuziak, R. Molenda, H. Krztoń, K. Radwański, K. Oleś, K. Kwapisz

3. WYNIKI BADAŃ

Poniżej przedstawiono wyniki badań uzyskane dla powłoki Zn-Al-Mg z dodatkiem Cu. Wyniki obliczeń numerycznych zmian faz w powłoce w funkcji temperatury, przeprowadzonych za pomocą programu ThermoCalc, przedstawiono na Rys.1. Z kolei przykład powłoki naniesionej na blachę stalową przedstawiono na Rys.2.

Rysunek 1. Wyniki obliczeń zmian udziału faz w funkcji temperatury w powłoce Zn-Al-Mg z dodatkiem Cu.

Figure 1. Results of the calculation of phases occurring in the Zn-Al-Mg coating containing Cu as function of temperature.

BSE

Al

Fe

Mg

Zn

CU

Rysunek 2. Mikrostruktura powłoki Zn-Al-Mg zawierającej dodatek Cu. Figure 2. Microstructure of the Zn-Al-Mg coating containing Cu.

Badania metodą rentgenowską pokazały, że w powłoce występuje Zn (HCP), Al(FCC) oraz faza Lavesa MgZn2. Faza ta tworzy eutektykę potrójną Zn/Al/ MgZn2.

4. PODSUMOWANIE

Wyniki prowadzonych badań pokazują bardzo dużą użyteczność metody symulacji numerycznej i fizycznej w badaniach rozwojowych mających na celu rozwój nowych powłok o podwyższonych właściwościach użytkowych. W szczególności, urządzenie skonstruowane w IMŻ Sieć Badawcza Łukasiewicz pozwala na precyzyjną kontrolę parametrów procesowych obejmujących temperaturę próbki, temperaturę powłoki, czas zanurzenia i szybkość chłodzenia po wynurzeniu próbki.

LITERATURA

1. T. Prosek, N. Larché, M. Vlot, F. Goodwin and D. Thierry” Corrosion performance of Zn–Al–Mg coatings in open and confined zones in conditions simulating automotive applications” Materials and Corrosion 61 (2010) 412-420.

2. The SGTE Casebook Thermodynamics at Work, ed. K. Hack, The Institute of Materials, 1996. Podziękowania: Badania zrealizowano w ramach projektu NCBR AMP/Umowa/3/POIR_2/1.2/2016_INNOSTAL.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Aktualne kierunki rozwoju stali oraz technologii obróbki cieplnej szyn normalnotorowych charakteryzujących się podwyższoną odpornością na zużycie oraz inicjowanie i propagację wad kodataktowo-zmęczeniowych

R. Kuziak a, K. Radwański a, T. Zygmunt b, M. Pietrzyk c

a Instytut Metalurgii Żelaza Sieć Badawcza Łukasiewicz email: roman.kuziak@imz.pl Streszczenie: W artykule podsumowano wyniki badań prowadzonych w Instytucie Metalurgii Żelaza Sieć Badawcza Łukasiewicz w ostatnich dwóch dekadach, w wyniku których opracowano nowe gatunki stali nadeutektoidalnej oraz wielofazowej do produkcji szyn, a także opracowano nowe metody obróbki cieplonej szyn o strukturze perlitycznej. Abstract: The paper summarizes the results of the research projects that have been conducted at Institute for Ferous Metallurgy Łukasiewicz Research Network over the last two decades concerning the development of the so called premium rails, characterized by enhanced resistance to wear and contact-fatigue damages development in service. These include multiphase and hypereutectoid steels as well as pearlitic rails subject to head heat treatment.

Słowa kluczowe: szyny, stale o podwyższonej odporności na procesy zużycia, obróbka cieplna szyn

1. WSTĘP

Procesy degradacji właściwości użytkowych szyn zależą od warunków eksploatacji oraz od geometrii toru i sztywności podkładu, a także od czynników środowiskowych oraz od zakresu serwisowania torów. Powtarzające się cykle obciążenia generują procesy zużycia i degradacji stali stosowanych do produkcji szyn, inicjowane początkowo w niewielkich obszarach warstwy tocznej, które w dalszych etapach rozwoju powodują występowanie wad kwalifikujących do wycofania szyny z eksploatacji.

W artykule przedstawiono dwie koncepcje podwyższenia trwałości eksploatacyjnej szyn obejmujące zastosowanie stali wielofazowej do ich wytwarzania oraz zastosowanie obróbki cieplnej szyn perlitycznych. W badaniach nad nowymi rozwiązaniami powodującymi wzrost trwałości eksploatacyjnej szyn.

2. WYNIKI BADAŃ 2.1 Stal wielofazowa

W projekcie HyPremRail opracowano stal wielofazową, zapewniającą uzyskanie założonych właściwości mechanicznych szyn w stanie po naturalnym chłodzeniu w chłodni [1]. Stal wielofazowa została opatentowana [2], zaś jej skład chemiczny zapewnia uzyskanie struktury szyn normalnotorowych zawierającej około 70% zdegenerowanego bainitu górnego, maksymalnie 15% ferrytu i martenzytu odpuszczonego oraz austenitu resztkowego. Technologię produkcji szyn zweryfikowano w warunkach przemysłowych AMP w Dąbrowie Górniczej. Uzyskane właściwości mechaniczne szyn 60E1 podano w tablicy 1, zaś strukturę warstwy tocznej przedstawiono na rysunku 1. Wyprodukowane szyny są obecnie testowane w warunkach transportu przemysłowego.

Tablica 1. Właściwości mechaniczne szyny 60E1 wyprodukowanej w AMP Oddział Dąbrowa Górnicza. Table 1. Mechanical properties of the 60E1 rail manufactured at AMP Branch Dąbrowa Górnicza.

Rp0.2, MPa Rp0.2, MPa Rm, MPa A5, % Z, % HB KIC, MPA m0.5

744 744 1282 15.0 24.9 410 59

88 R. Kuziak, K. Radwański, T. Zygmunt, M. Pietrzyk

Rysunek 1. Mikruktura bezpośrednio pod powierzchnią warstwy tocznej szyny 60E1. FEG_SEM. Figure 1. Microstructure of the 60E1 rail beneath the running surface. FEG_SEM. 2.2 Obróbka cieplna szyn

Instytut Metalurgii Żelaza Sieć Badawcza Łukasiewicz prowadzi intensywne badania nad nowymi metodami obróbki cieplnej szyn z wykorzystaniem linii półprzemysłowej. Urządzenia zainstalowane w linii pozwalają przeprowadzić obróbkę cieplną główki szyny za pomocą wodnego roztworu mieszanin polimerowych, a także mgłą wodno-powietrzną i sprężonym powietrzem [3]. Tytułem przykładu, na rysunku 2 przedstawiono rozkład twardości oraz mikrostrukturę perlityczną szyny po obróbce cieplnej z zastosowaniem wodnego roztworu mieszanin polimerowych. Zmierzona odległość między płytkami cementytu w perlicie pod powierzchnią toczną wynosiła 0.121 µm.

(a)

(b)

(c)

Rysunek 2. Przekrój poprzeczny szyny 60E1 z zaznaczonymi liniami, wzdłuż których przeprowadzono pomiar twardości – (a); zmierzone rozkłady twardości – (b); struktura perlityczna bezpośrednio pod powierzchnią toczną – (c). Figure 2. Cross section of the 60E1 rail with indicated HV10 measurement lines – (a); measured HV10 distributions – (b); pearlite microstructure below the running surface.

3. PODSUMOWANIE

Badania przeprowadzone dotycz as w Instytucie Metalurgii Żelaza Sieć Badawcza Łukasiewicz pokazały, że w dalszym ciągu istnieje możliwość poprawy właściwości mechanicznych i użytkowych szyn, zarówno poprzez rozwój nowych materiałów, jak również poprzez optymalizację procesu obróbki cieplnej konwencjonalnych szyn wytworzonych ze stali perlitycznych. LITERATURA

1. Projekt PBS3/B5/39/2015 pt. Hybrydowa technologia wytwarzania szyn normalnotorowych o podwyższonej trwałości eksploatacyjnej uwzględniająca przyszłościowe trendy w rozwoju transportu kolejowego.

2. Patent nr P.417742 “Stal wielofazowa zwłaszcza do produkcji szyn normalnotorowych” 3. R. Kuziak, R. Molenda; Wykonanie badań laboratoryjnych oraz prób półprzemysłowych dla wybranych

kompleksowych cykli przetwórstwa metali, Sprawozdanie IMŻ Nr B0-1373 , niepublikowane. Podziękowanie: Autorzy dziękują NCBR za współfinansowanie badań w ramach projektu PBS3/B5/39/2015

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Structure and properties of PVD coatings on oxide ceramic tool materials Kwaśny W., Dziwis R., Śliwa A., Mikuła J., Ziębowicz B. Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Division of Nanocrystalline and Functional Materials and Sustainable Pro-ecological Technologies Konarskiego 18a St., 44-100 Gliwice, Poland email: waldemar.kwasny@polsl.pl Abstract: It was presented and discussed the results of tests of X-ray structural analysis, measurements of stress, texture and thickness, adhesion, roughness and microhardness of TiN, Ti (Al, Si, N) and Ti (Al, N) of PVD coatings on oxide ceramic tool materials Al2O3+ZrO Keywords: Computational material science, PVD coatings, Residual stress, AFM, Adhesion, Texture coefficient, Hardness. 1. INTRODUCTION The basic and, at the same time, the most important functions that anti-wear coatings should have are adequate adhesion to the substrate, internal stress, hardness, density, thermal conductivity, tribological properties as well as appropriate structure, phase and chemical composition. These main factors affect the tool life, tests are carried out to determine the effect of working conditions and wear parameters on the reliability of tools and their tool life [1-5] 2. MATERIALS AND METHODS

A wide spectrum of research was performed on multi-edge sintered cutting inserts made of tool oxide ceramics based on Al2O3 + ZrO, created by PVD multi-layer and multi-component abrasion resistant coatings. Coatings were made by CEA (Cathodic Arc Evaporation) cathodic arc evaporation based on TiN, Ti (Al, Si, N), Ti (Al, N).

For X-ray examinations of the analyzed materials, the X'Pert X-ray apparatus from the Panalytical company was used, using radiation filtration using a copper anode lamp. Qualitative analysis of the texture of the tested coatings was carried out using the reflection method. Stress tests of the tested coatings were carried out using the sin2 Ψ technique based on the X'Pert Stress Plus program, which has in its database the data necessary for calculating material constants. Texture tests (qualitative analysis) were carried out using the reflection method using an Eurel wheel with a diameter of 187 mm, in the angle of inclination from 0 ° to 70 °. Thickness tests were performed using the calotest method, consisting of measuring characteristic pits in the form of craters. The adhesion of coatings to the substrate was tested using the scratch method using a CSEM Revetest device. The microhardness tests of the applied coatings were carried out on a Shimadzu DUH 202 ultrahardness tester using the Vickers technique. The roughness test of the applied coatings was carried out using a profilometer of Stronic3 + of company Taylor-Hobson 3. RESULTS Qualitative analysis of the texture of the tested coatings was carried out using the reflection method. The concentric distribution of the intensity of polar figures, changing along the radius of these figures, indicates the

90 W Kwaśny, R. Dziwis, A. Śliwa, J. Mikuła, B. Ziębowicz

presence of an axial component of the texture, which is very weak, and the density of pole projections ranges from 0.9 to 1.1 density corresponding to an equilibrium distribution (Fig. 1- 3).

Figure 1. Diffraction patterns of the (Ti,Al)N coating deposited on oxide ceramic tool materials substrate Al2O3+ZrO.

Figure 2. Change of a0 value in g-sin2ψ function for (Ti,Al)N coating deposited on oxide ceramic tool materials substrate Al2O3+ZrO.

Figure 3. Experimantal pole figures (200) of (Ti,Al)N coating (Ti,Al)N coating deposited on oxide ceramic tool materials substrate Al2O3+ZrO.

REFERENCES [1] A.D. Dobrzańska-Danikiewicz, K. Gołombek, D. Pakuła, J. Mikuła, M. Staszuk, L.W. Żukowska, Long-term

development directions of PVD/CVD coatings deposited onto sintered tool materials, Archives of Materials Science and Engineering 49/2 (2011) 69-96.

[2] L.A. Dobrzanski., M. Staszuk, K. Gołombek K, A. Sliwa, M. Pancielejko: Structure and properties PVD and CVD coatings deposited onto edges of sintered cutting tools, Archives of Metallurgy and Materials, (2010) 55 (1), pp. 187-193

[3] K.-D. Bouzakis, G. Skordaris, S. Gerardis, G. Katirtzoglou, S. Makrimallakis, M. Pappa, et. al., Ambient and elevated temperature properties of TiN, TiAlN and TiSiN PVD films and their impact on the cutting performance of coated carbide tools, Surface & Coatings Technology 204, Issue 6-7 (2009) 1061-1065

[4] W. Kwaśny, Predicting properties of PVD and CVD coatings based on fractal quantities describing their surface, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 37/2 (2009) 125-192

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ długości fali promieniowania laserowego na obróbkę warstwy wierzchniej kompozytu AlSi/SiC J. Łabaj a, A. Grabowski b, M. Dyzia c

a Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Katedra Metalurgii Ekstrakcyjnej i Ochrony Środowiska. b Politechnika Śląska, Instytut Fizyki-CND, Zakład Fizyki Ciała Stałego. c Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Instytut Inżynierii Materiałowej. email: jerzy.labaj@polsl.pl Streszczenie: W artykule przedstawiono wpływ długości fali promieniowania laserowego na obróbkę warstwy wierzchniej kompozytu metalowego z stopu aluminium AlSi7 zbrojonego cząstkami SiC (AlSi/SiC). Badania eksperymentalne przeprowadzono z zastosowaniem trzech laserów technologicznych, emitujących odpowiednio długość fali: 0.808µm, 1.06 µm oraz 10.6 µm. Dla każdego z laserów wyznaczono teoretycznie i doświadczalnie maksymalne wartości gęstości mocy wiązki laserowej których przekroczenie prowadzi do uszkodzenia powierzchni kompozytu AlSi/SiC. Dla wyznaczonych gęstości mocy określono zakres możliwych grubości przetopionej warstwy wierzchniej, zmiany w wartościach gradientu temperatury na granicy ciało stałe/ciecz, prędkości krystalizacji. Wyznaczono wpływ gęstości mocy wiązki laserowej na takie parametry warstwy przetopionej jak mikrostruktura, twardość i topografię powierzchni. Abstract: In this article the influence of laser wavelength’s radiation on the surface melting of the metal composite with aluminium alloy AlSi7 matrix reinforced with SiC particles (AlSi/SiC) was presented. The experimental research was carried out by using three commercially available lasers emitting following wavelengths of 0.808µm, 1.06 µm and 10.6 µm. For every type of laser two values of maximal power densities of the laser beam were selected , a theoretical and experimental – exceeding these values leads to destruction the surface of the AlSi/SiC. For the selected power densities series of parameters were defined including the range of possible thickness of the laser’s melted layer, the changes in the values of thermal gradients at the solid/liquid interface and the solidification speed. Further, the influence of the laser power densities for such parameters of the melted layer as microstructure, hardness as well surface topography were determined. Słowa kluczowe: kompozyty metalowo ceramiczne, laserowa obróbka warstwy wierzchniej, 1. WSTĘP Kompozyty o osnowie z stopów aluminium zbrojone cząstkami ceramicznymi są nowoczesnymi, ale trudnoobrabialnymi materiałami inżynierskim. Ich szersze zastosowania przemysłowe wymagają rozwoju efektywnych i tanich metod obróbki ubytkowej i obróbek związanych z kształtowaniem właściwości mechanicznych warstwy wierzchniej [1,2]. Technika laserowa jest jedną z metod którą można efektywnie zastosować do wprowadzania kontrolowanych zmian we właściwościach mechanicznych, stereometrycznych warstwy wierzchniej kompozytów metalowych zbrojonych cząstkami ceramicznymi. Ze względu na rozmiary wiązki laserowej jest to metoda którą można zmieniać właściwości mechaniczne elementu kompozytowego lokalnie (np.:krawędzie tłoka, wybrane elementy tulei cylindrowej) lub na dużej powierzchni [2,3].

Kompozyty metalowe zbrojone cząstkami ceramicznymi (AlSi/SiC) należą do materiałów wielofazowych, laserowa obróbka warstwy wierzchniej jest związana z pochłanianiem przez każdą z faz różnej ilości energii

92 J. Łabaj, A. Grabowski, M. Dyzia

wiązki laserowej, w zależności od długości fali zastosowanego promieniowania laserowego [3,4]. Przeprowadzono badania nad oddziaływaniem z powierzchnią kompozytu AlSi/SiC trzech różnych typów laserów przemysłowych. Lasera diodowego DL emitującego promieniowanie o długość fali 0,808µm, lasera Nd:YAG o długości 1,06 µm oraz lasera CO2 o długości fali 10,6 µm. Długości tych fal są zdecydowanie w różny sposób pochłaniane przez składnik kompozytu AlSi/SiC, umożliwia to uzyskanie efektu selektywnego przetapiania warstwy wierzchniej kompozytu. Oznacza to że, można wpływać na parametry przetopienia metalowej osnowy kompozytu bez uszkodzenia znajdującej się w niej cząstek fazy zbrojącej SiC.

W celu uzyskania efektu selektywnego przetapiania warstwy wierzchniej AlSi/SiC przeprowadzono badania optyczne nad wyznaczeniem współczynników pochłaniania promieniowania laserowego przez składniki kompozytu ALSi7 oraz SiC. Wyznaczono zależności współczynnika pochłaniania promieniowania laserowego AlSi7 od temperatury. W badaniach założono że, dla każdego z laserów zostanie wyznaczony zakres gęstości mocy którego wartości minimalne zapewniają topienie metalowej osnowy a maksymalne nie spowodują jej intensywnego parowania [5]. Intensywne parowanie metalowej osnowy kompozytu powoduje deformację padającej wiązki laserowej, obniża to możliwości kontroli ilości energii wprowadzanej do kompozytu, również prowadzi do pogorszenia jakości powierzchni obrabianego laserowo kompozytu. Podobną analizę przeprowadzono dla SiC.

W oparciu o wyznaczone zakresy gęstości mocy dla każdego z laserów przeprowadzono obróbki przetapiania warstwy wierzchniej kompozytu AlSi/SiC z różnymi prędkościami poruszania się wiązki względem powierzchni kompozytu. Badano wpływ gęstości mocy wiązki laserowej i czasu jej działania (prędkości poruszania) na się mikrostrukturę metalowej osnowy po jej przetopieniu, stan cząstek SiC znajdujących się w przetopionej warstwie, topografię powierzchni.

Stwierdzono że, dla zakresu gęstości mocy wiązki laserowej (3,9÷6,4)×108 W/m2 pochłoniętej przez powierzchnię kompozytu w trakcie przetapiania wiązką laserową poruszającą się z prędkością z zakresu (0,5÷3) m/min dochodzi do przetopienia warstwy wierzchniej na głębokość 0,25mm. Grubość warstwy przetopionej odpowiada pięciu wartością średnic cząstki SiC zastosowanych jako zbrojenie badanego kompozytu. Zapewnia to poprawę właściwości mechanicznych elementu kompozytowego [1]. Przetopiona warstwa charakteryzuje się drobnokrystaliczną strukturą stopu AlSi7 w porównaniu do materiału nieprzetopionego, cząstki zbrojące SiC nie zostały uszkodzone. Przeprowadzona analiza teoretyczna wskazuje że, dla wybranych parametrów przetapiania wiązką laserową zakres zmian gradientu temperatury na granicy ciało stałe/ciecz mieści się w zakresie (20÷95)×103 K/s, a prędkość krystalizacji (0,07÷0,19) m/s.

Badania rozkładu twardości w badanym materiale kompozytowym wskazują na wzrost twardości warstwy przetopionej średnio o 25µHV w stosunku do materiału nieprzetopionego. Natomiast badania mikroskopowe i badania topografii powierzchni wskazują że, nad powierzchnię przetopionego laserowo kompozytu w dalszym ciągu wystają w części cząstki SiC, a parametry chropowatości powierzchni przetopionej warstwy Ra i Rz wynoszą odpowiednio 0.32µm i 1.5µm.

Podsumowanie

Wykorzystując fakt że, różne składniki kompozytu AlSi/SiC pochłaniają różne ilości energii wiązki laserowej

można doprowadzić do selektywnego przetapiania warstwy wierzchniej kompozytu. Uzyskiwane gradienty temperatury i prędkości krystalizacji w przetapianej laserowo warstwie wskazują na szybką krystalizacje, w efekcie umożliwia to uzyskiwanie drobnokrystalicznej struktury metalowej osnowy kompozytu. Za pomocą obróbki laserowej można modyfikować właściwości mechaniczne warstwy wierzchniej elementu kompozytowego na wybranym fragmencie (lokalnie) jak i na dużej powierzchni. LITERATURA 1. M. Dyzia, Aluminum Matrix Composite (AlSi7Mg2Sr0.03/SiCp) Pistons Obtained by Mechanical Mixing

Method, Materials 11, 42 (2018) 1-14. 2. J. Wieczorek, J. Dyzia, A.J. Dolata, Machinability of aluminium matrix composites. Solid State Phenomena.

Trans Tech Publications, Vol.181 (2012). 75-80. 3. A. Grabowski, Oddziaływanie wiązki laserowej z kompozytami silumin-cząstki SiC, Gliwice, Wydawnictwo

Politechniki Śląskiej 2013. 4. A. Grabowski, M. Nowak J. Śleziona, Optical and conductive properties of AlSi alloy/SiCp composites:

application in modelling CO2 laser processing of composites, Optics and Lasers in Engineering Vol.43 (2005), 233–246.

5. L. Blacha, J. Łabaj, Factors determining the rate of the process of metal bath components evaporation. Metalurgija Vol.51(4), (2012), 529-533.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Badanie własności korozyjnych stopu na bazie Mg wytworzonego przez stopowanie mechaniczne S. Lesz a, B. Hrapkowicz a, J. Popis a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Materiałów Nanokrystalicznych i Funkcjonalnych oraz Zrównoważonych Technologii Proekologicznych email: sabina.lesz@polsl.pl Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badań własności korozyjnych stopu na bazie magnezu wytworzonego przez stopowanie mechaniczne i proces iskrowego spiekania plazmowego (SPS). Zmierzono także gęstość wytworzonych próbek. Abstract: In this paper results of corrosion properties of Mg-based alloy prepared by mechanical alloying and Spark Plasma Sintering (SPS) process was presented. The density of the prepared samples was also measured. Słowa kluczowe: inteligentne implanty, metalurgia proszków, stop na bazie magnezu

1. WSTĘP Obecnie inteligentne implanty na bazie magnezu, ulegające biodegradacji wzbudzają coraz większe

zainteresowanie badawcze i mogą wpłynąć na zmianę oblicza współczesnej implantologii. Wytwarzanie takich implantów technologią metalurgii proszków pozwala na uzyskanie właściwości materiału, takich jak sztywność, gęstość czy porowatość oraz nadanie dowolnej geometrii dostosowanej do indywidualnej anatomii pacjenta. Rozwiązanie to wpływa na zmniejszenie prawdopodobieństwa wystąpienia powikłań wynikające z wyeliminowania reoperacji, szczególnie niebezpiecznej dla osób w starszym wieku, gdzie każda ingerencja wiąże się z ryzykiem.

Implanty na bazie magnezu przeznaczone są do całkowitej degradacji z kontrolowaną szybkością, która zmniejsza uwalnianie się wodoru i pozwala na odbudowę kości [1,2]. Uwalnianie wodoru i późniejsze powstawanie pęcherzyków gazu po wszczepieniu stopu na bazie Mg może powodować wiele komplikacji.

Zanim inteligentne implanty przestaną być jedynie koncepcją konieczny jest szereg badań, które pozwolą na zebranie wiarygodnych danych na temat ich bezpieczeństwa oraz skuteczności. Szczególnie istotne są badania korozyjne, które stanowią temat niniejszego artykułu.

2. MATERIAŁ DO BADAŃ I METODYKA BADAWCZA

Skład chemiczny badanego materiału przedstawiono w tablicy 1. Proszki stopu przygotowano metodą mechanicznej syntezy, przy użyciu młynka wibracyjnego typu Shaker.

Proces mielenia składał się z 13 godzinnych cykli mielenia przerywanych półgodzinnymi przerwami i został dobrany na drodze optymalizacji, uzyskanej w wyniku wcześniej przeprowadzonych badań [3]. Szczegółowe parametry procesu mielenia również zamieszczono w pracy [3]. Tak przygotowane próbki poddano spiekaniu metodą konsolidacji stosowaną w metalurgii proszków – metodą iskrowego spiekania plazmowego SPS (Spark Plasma Sintering) na urządzeniu firmy FCT. Parametry tego procesu t.j. ciśnienie prasowania, temperatura spiekania, czas spiekania i ciśnienie wewnątrz komory roboczej pieca wynoszą odpowiednio: 38 MPa, 250°C, 600 s i <1hPa. Wytworzone próbki poddano badaniom gęstości oraz odporności korozyjnej. Gęstość bezwzględną spieków stopu Mg60Zn35Ca5 wyznaczono przy użyciu piknometru helowego Micromeritics AccuPyc II 1340. Do oceny odporności korozyjnej próbek wybrano badania elektrochemiczne z użyciem potencjostatu oraz dokonano pomiaru ilości wydzielonych produktów gazowych. Badania prowadzono w roztworze Ringera, w temperaturze

94 S. Lesz, B. Hrapkowicz, J. Popis

37˚C. Na bazie ekstrapolacji krzywych Tafela wyznaczono gęstość prądu korozyjnego oraz opór polaryzacyjny, natomiast wartości potencjału korozyjnego została określona w oparciu o krzywe OCP.

Tablica 1. Skład chemiczny stopu Mg-Zn-Ca podany w stężeniu atomowym i masowym Table 1. Chemical composition (atomic and weight %) of the Mg-Zn-Ca alloy

Pierwiastek Stężenie atomowe [%] Stężenie masowe [%] Ziarnistość proszków Magnez 60 36,944 -20 + 100 mesh

Cynk 35 57,980 -100 mesh Wapń 5 5,076 1cm (0,4 in) & down

3. WYNIKI BADAŃ

Gęstość bezwzględna próbek stopu Mg65Zn30Ca5 w postaci spieków wytworzonych metodą SPS wyznaczona metodą piknometryczną wynosi 3,213 g/cm3. Na Rysunku 1 a i b przedstawiono odpowiednio krzywą polaryzacyjną oraz wyniki pomiarów objętości wydzielonego wodoru w funkcji czasu zanurzenia reprezentatywnej próbki stopu Mg65Zn30Ca5 w roztworze Ringera. Parametry korozyjne, t.j. gęstość prądu korozyjnego, opór polaryzacyjny i wartość potencjału korozyjnego wynoszą odpowiednio: 11,123 μA/cm2, 2,73 kꭥ, -1,13 V (rys. 1a). Po 180 h zanurzenia próbki wykonanej ze stopu Mg60Zn35Ca5 skumulowana objętość wydzielonego wodoru wynosi 4,40 ml/cm2 (rys. 1b). Zatem wyniki badań immersyjnych wskazują, że wydzielenie wodoru po 24 h zanurzenia reprezentatywnej próbki wynosi 1,42 ml/cm2. a)

b)

Rysunek 1. a) Krzywa polaryzacyjna b) wyniki pomiarów objętości wydzielonego wodoru w funkcji czasu zanurzenia próbek stopu Mg65Zn30Ca5 w roztworze Ringera Figure 1. a) Polarization curve, b) results of measurements of the volume of hydrogen extracted as a function of the immersion time of sample of Mg60Zn35Ca5 alloy in Ringer’s solution

4. PODSUMOWANIE Otrzymana gęstość bezwzględna próbek stopu Mg65Zn30Ca5 w postaci spieków wytworzonych metodą SPS wyznaczona metodą piknometryczną wynosi 3,213 g/cm3 i mieści się w zakresie gęstości kości ludzkiej [4]. Wyniki badań immersyjnych wskazują, że wartość wydzielonego wodoru po 24 h zanurzenia reprezentatywnej próbki stopu Mg65Zn30Ca5 wynosząca 1,42 ml/cm2 stanowi dawkę, którą może zaabsorbować tkanka ludzkiego organizmu [5].

LITERATURA 1. M. Ramy et. al., Role of partially amorphous structure and alloying elements on the corrosion behavior of

Mg–Zn–Ca bulk metallic glass for biomedical applications, Mater. Des. 86 (2015) 829–835. 2. G.L. Song, Control of biodegradation of biocompatible magnesium alloys, Cor. Sci. 49 (2007) 1696-1701. 3. S. Lesz et. al., Influence of milling time on amorphization of Mg-Zn-Ca powders synthesized by mechanical

alloying technique, Arch. Metall. Mater. 63, 2 (2018) 839-845. 4. B. Zberg et. al. MgZnCa glasses without clinically observable hydrogen evolution for biodegradable

implants, Nature Mater. 8 (2009) 887-891. 5. F. Witte et. al. Degradable biomaterials based on magnesium corrosion, Current Opinion in Solid State and

Mater. Sci.12 (2008) 63-72.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Tribological properties of composite CrN+WC/C and WC/C coatings intended for use in a cavitation environment

T. Linek a,b, T. Tański b, W. Borek b, W. Pakieła b a, b ODLEWNIE POLSKIE S.A, ul. Inż. W. Rogowskiego 22, 27-200 Starachowice email: tomasz.linek@odlewniepolskie.pl

b Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, email: tomasz.tanski@polsl.pl , wojciech.borek@polsl.pl . wojciech.pakiela@polsl.pl Streszczenie: Wychodząc naprzeciw oczekiwaniom ogólnoświatowego przemysłu między innymi w obszarach: energetycznym, ciepłowniczym, lotniczym, samochodowym, kolejowym, chemicznym, naftowym, gazowym, rzecznym i morskim, w których to mogą zachodzić procesy zużycia materiałów na skutek przepływu wody, gazu i pary lub ich mieszanin o różnym stopniu nasycenia przy różnych ciśnieniach autorzy niniejszego artykułu przeprowadzili badania trybologiczne w postaci odporności na zużycie ścierne niskotarciowych przeciwzużyciowych kompozytowych powłok PVD w postaci azotku chromu i węglika wolframu (CrN+WC/C) oraz węglika wolframu (WC/C) osadzonych metodą fizyczną na powierzchni elementów konstrukcyjnych w postaci generatorów kawitacji pracujących w ekstremalnych warunkach zużycia kawitacyjnego. Badaniom poddano elementy konstrukcyjne wykonane ze stali ferrytyczno-perlitycznej w gatunku P265GH oraz austenitycznej chromowo – niklowej w gatunku X2CrNi18-9 (304L) z naniesionymi na ich powierzchnie kompozytowymi powłokami niskotarciowymi metodą fizycznego osadzania PVD przeznaczonymi do eksploatacji w środowisku zużycia kawitacyjnego. W celu porównania odporności na ścieranie kompozytowych powłok CrN+WC/C i WC/C przeprowadzono badania ścierania w układzie ceramika-metal na urządzeniu Trybometr firmy CSM dla dwóch zadanych obciążeń 20[N] i 30[N] przy prędkości liniowej 10 [cm/s] na jednakowym dla wszystkich testów dystansie 1000 [m]. Najniższy współczynnik tarcia uzyskała powłoka kompozytowa CrN+WC/C osadzona na stali austenitycznej X2CrNi18-9 przy obciążeniu 30 [N], natomiast najwyższy współczynnik tarcia uzyskała powłoka kompozytowa WC/C osadzona na tej samej stali przy identycznym obciążeniu. Abstract: To meet the expectations of the global industry in the areas of: energy, heating, air, car, railway, chemical, oil, gas, river and sea, in which processes of material consumption may occur due to the flow of water, gas and steam or mixtures of them to varying degrees saturation at different pressures, the authors of this article carried out tribological tests in the form of abrasion resistance of low-friction anti-wear composite PVD coatings in the form of chromium nitride and tungsten carbide (CrN + WC / C) and tungsten carbide (WC / C) embedded by physical method on the surface of structural elements in the form of cavitation generators working in extreme conditions of cavitation wear. The research involved construction elements made of ferritic-pearlite steel in the P265GH grade and austenitic chromium-nickel grade X2CrNi18-9 (304L) with low-friction composite coating applied to their surfaces by means of physical PVD deposition intended for use in the environment of cavitation wear. In order to compare the abrasion resistance of CrN + WC / C and WC / C composite coatings, abrasion tests were carried out in the ceramic-metal system on the Trybometr CSM Company for two given loads of 20 [N] and 30 [N] at a linear speed of 10 [cm / s] on the same distance of 1000 [m] for all tests. The lowest coefficient of friction was obtained by the CrN + WC / C composite coating deposited on X2CrNi18-9 austenitic steel at 30 [N], while the highest coefficient of friction was obtained by the WC / C composite coating mounted on the same steel with identical load Słowa kluczowe: cavitation, cavitation wear, CrN+WC/C, WC/C, coatings PVD,

96 T. Linek, T. Tański, W. Borek, W. Pakieła

1. WSTĘP Nowoczesne techniki osadzania powłok przeciwzużyciowych i niskotarciowych nanoszonych metodą PVD pozwalają wykorzystać materiały inżynierskie, o gorszych własnościach mechanicznych i parametrach wytrzymałościowo-użytkowych, które ulegają znacznemu zniszczeniu pracując w ekstremalnym środowisku kawitacyjnym. Jednym z podstawowych własności mechanicznych wchodzący w skład zużycia tribologicznego jest odporność na zużycie ścierne, które determinuje o potencjalnym wykorzystaniu i ewentualnym dedykowaniu zaprojektowanego tworzywa do pracy w określonych ekstremalnych warunkach eksploatacji a w szczególności w warunkach zużycia kawitacyjnego. Przeciwzużyciowe i niskotarciowe kompozytowe powłoki w postaci azotku chromu i węglika wolframu (CrN+WC/C) oraz węglika wolframu (WC/C) zostały poddane badaniom tribologicznym w urządzaniu, charakteryzującym się techniką badawczą w układzie ceramika-metal dla dwóch zadanych obciążeń 20[N] i 30[N] przy prędkości liniowej 10 [cm/s] na jednakowym dla wszystkich testów dystansie 1000 [m] w celu określenia współczynnika tarcia oraz wytypowania odpowiedniej stali konstrukcyjnej z osadzoną przeciwzużyciową kopozytową powłoką PVD do pracy w środowisku zużycia kawitacyjnego. 1.1. Metodologia i wnioski Do badań wybrano dwie stale konstrukcyjne, pierwszą o strukturze ferrytyczno-perlitycznej P265GH i drugą stal o strukturze austenitycznej chromowo – niklowej X2CrNi18-9. Skład chemiczny wybranych stali konstrukcyjnych przedstawiono w tablicy 1. Z każdej stali wykonano generatory kawitacji które następnie pokryto kompozytowymi powłokami niskotarciowymi i przeciwzużyciowymi CrN+WC/C oraz WC/C naniesionymi metodą fizycznego osadzania PVD. Tabela 1. Skład chemiczny stali konstrukcyjnych badanych w warunkach zużycia kawitacyjnego: P265GH wg PN-EN 10028: 2010; X2CrNi18-9 (304L) wg PN-EN 10088 [ułamek masowy,%]

Chemical composition

Steel

C [%]

Mn [%]

Si [%]

Al [%]

Cr [%]

Ni [%]

Cu [%]

Ti [%]

N [%]

S [%]

P [%]

P265GH max - - 0.4 - 0.3 0.3 0.3 0.03 0.012 - -

0.16 0.99 0.23 0.047 0.027 0.013 0.026 0.001 0.003 0.008 0.019 X2CrNi18-9

(304L) min. 17.50 8.00 max < 0.03 < 2.0 < 1.0 - 19.50 10.50 - - < 0.11 < 0.045 < 0.015

Rysunek 1. Wyniki odporności na ścieranie niskotarciowych i przeciwzużyciowych powłok kompozytowych CrN+WC/C oraz WC/C osadzonych na elementach konstrukcyjnych wykonanych ze stali P265GH oraz X2CrNi18-9 Figure 1. Results of resistance of low-friction and anti-wear composite coatings CrN+WC / C and WC/C deposited in structural elements made of P265GH and X2CrNi18-9 steel LITERATURA 1. T. Linek, Effects of Applying WC/C Protective Coating on Structural Elements Working in Cavitation

Environment. Cavitation, INTECH BOOK (2018) 7-27.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Analiza wpływu modyfikatorów pochodzących z spalania węgla brunatnego technologią fluidalną na wybrane właściwości materiałów kompozytowych o osnowie polietylenu niskiej gęstości M. Lis a, P. Sakiewicz b, K. Piotrowski c, K. Gołombek a, S. Kalisz d

a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Przetwórstwa Materiałów Metalowych i Polimerowych b Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Materiałów Nanokrystalicznych i Funkcjonalnych oraz Zrównoważonych Technologii Proekologicznych c Politechnika Śląska, Wydział Chemiczny, Katedra Inżynierii Chemicznej i Projektowania Procesowego d Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych email: Mateusz.lis@polsl.pl Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badań kompozytów na osnowie LDPE, modyfikowanych ilościowo i jakościowo popiołami lotnymi. Istotą podjętych badań było określenie wpływu modyfikacji chemicznej wybranych frakcji popiołu lotnego, pochodzącego ze spalania węgla brunatnego, na strukturę oraz właściwości reologiczne, termiczne oraz mechaniczne polietylenu niskiej gęstości, dedykowanego dla przetwórstwa technologią wtrysku. Dla optymalizacji własności kompozytów dokonano frakcjonowania oraz funkcjonalizacji popiołów lotnych poprzez wykorzystanie silanowego propagatora adhezji, do badań użyto winylotrimetoksysilanu. Wykonane badania umożliwiły określenie zmienności wybranych właściwości fizycznych i chemicznych w zależności od udziału procentowego zastosowanego modyfikatora. Do badań przyjęto masowo następujące udziały procentowe popiołów lotnych 1%, 3%, 5% i 10% w osnowie LDPE, zarówno dla aktywowanego jak i nieaktywowanego popiołu lotnego. Abstract: Article presents the results of research on selected properties of low density polyethylene (LDPE) based composites, modified with fly ashes. Main purpose of the research was to determine the effect of the concentration (dose) and method of chemical modification of fly ash derived from the brown coal combustion on the structure and rheological, thermal and mechanical properties of low density polyethylene (LDPE), especially dedicated for injection moulding. Functionalisation of fly ash was done by silane coupling agent in chemical form of vinyltrimethoxysilane. Low density polyethylene (LDPE) matrix was modified using: 1, 3, 5 and 10 mass % of activated and non-activated fly ash, respectively. Depending on the concentration of modifier used in polymeric matrix, the tests results demonstrated some variability of selected properties: processability and total elongation decreases with increasing quantity of filler in polymeric matrix, melting temperature differs slightly, degree of crystallinity and tensile strength increases with increasing quantity of filler in polymeric matrix. Słowa kluczowe: popiół lotny, silanizacja, polietylen niskiej gęstości, tworzywa sztuczne, kompozyty, CE 1. WSTĘP

Rozwój technologii spowodował w skali globalnej wiele problemów środowiskowych, jednym z nich są pozostałości powstałe przy wytwarzania energii elektrycznej oraz cieplnej, a także utylizacji (poprzez spalanie) odpadów. Pozostałości po procesie spalania nazywane są ubocznymi produktami spalania (UPS), po odpowiednim ich przygotowaniu mogą stanowią cenny surowiec do produkcji materiałów inżynierskich. Popioły lotne, jako minerały antropogeniczne, kwalifikuje się jako jedną z frakcji „ubocznych produktów spalania” [1]. Zagospodarowanie UPS-ów, ze względu na skalę ich rocznej produkcji, stanowi w współczesnym świecie

98 M. Lis, P. Sakiewicz, K. Piotrowski, K. Gołombek, S. Kalisz

wyzwanie dla naukowców, inżynierów i technologów. Ich produkcja na terenie Rzeczpospolitej Polskiej w 2017 roku wynosiła 16,9 mln ton [2-6]. Jednym ze sposobów wykorzystania popiołów lotnych jest ich zastosowanie jako napełniaczy tworzyw sztucznych, szczególnie poużytkowych poddawanych recyklingowi materiałowemu. Proces takiego zagospodarowania ubocznych produktów spalania jest zgodny z ideą gospodarki o obiegu zamkniętym (GOZ), a zatem wpisując się w nowy trend, zgodny z polityką Komisji Europejskiej oraz przyjętym w grudniu 2015 roku Pakietem Gospodarki o Obiegu Zamkniętym [7], a także strategią na rzecz tworzyw sztucznych, przyjętą w roku 2018 [8]. 1.1. Gospodarka o obiegu zamkniętym

Gospodarka o obiegu zamkniętym, nazywana także gospodarką cyrkularną, jest strategią, której celem jest zapewnienie zrównoważonego wzrostu gospodarczego. Rozwój ten zapewniony ma być m.in. poprzez maksymalne zredukowanie ilości odpadów trafiających na składowiska odpadów, np. poprzez wielokrotne ich zawracanie w procesach przetwórczych, a zatem wydłużenia czasu efektywnego wykorzystania surowców naturalnych [9–11]. Idee tą ilustruje Drabina Lansinka [9], której najistotniejszym elementem jest zapobieganie generowaniu odpadów. Zgodnie z przedstawioną drabiną, zapobieganie wytwarzaniu odpadów takich jak m.in. popioły lotne jest mało prawdopodobne, ponieważ źródło ich generowania - paliwa stałe - wykorzystywane są na masową skalę w przemyśle energetycznym. Zatem należy skupić się na ich ponownym wykorzystaniu oraz recyklingu. Obecnie popioły lotne wykorzystywane są m.in. w przemyśle budowlanym (np. przy produkcji cementu), górnictwie podziemnym oraz jako surowiec do produkcji sorbentów zeolitowych [12]. Na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat podjęto próby modyfikacji właściwości tworzyw sztucznych za pomocą popiołów lotnych, niemniej jednak ten obszar badawczy niesie ze sobą jeszcze wiele trudności i zagadnień naukowych. Uboczne produkty spalania różnią się od siebie składem chemicznym oraz morfologią, co jest wynikiem zmienności składu paliw stałych oraz różnych technologii i parametrów ich spalania. Uzasadnionym jest więc podjęcie działań zmierzających w kierunku funkcjonalizacji popiołów lotnych, w kontekście wytwarzania z nich tanich napełniaczy tworzyw sztucznych. Wykonywane w ramach grantu FNP LITERATURA [1] J. Grabowska, Analiza właściwości fizyko-chemicznych frakcji popiołu lotnego będącego minerałem

Antropogenicznym w energetyce, w Wyzwania Naukowców We Współczesnym Świecie, Synowiec, A., Red. Omnibuss, Częstochowa, 2015.

[2] Statystyczny Główny Urząd, Ochrona środowiska 2018, Warszawa, 2018. [3] P. Wang, Y. Hu, H. Cheng, Municipal solid waste (MSW) incineration fly ash as an important source of

heavy metal pollution in China, Environmental Pollution, t. 252, 2019, s. 461–475. [4] S. Zhao, Y. Duan, J. Lu, R. Gupta, D. Pudasainee, S. Liu, M. Liu, J. Lu, Chemical speciation and leaching

characteristics of hazardous trace elements in coal and fly ash from coal-fired power plants, Fuel, t. 232, 2018, s. 463–469.

[5] R. Li, B. Zhang, Y. Wang, Y. Zhao, F. Li, Leaching potential of stabilized fly ash from the incineration of municipal solid waste with a new polymer, Journal of Environmental Management, t. 232, 2019, s. 286–294.

[6] H. Wang, X. Fan, Y. Wang, W. Li, Y. Sun, M. Zhan, G. Wu, Comparative leaching of six toxic metals from raw and chemically stabilized MSWI fly ash using citric acid, Journal of Environmental Management, t. 208, 2018, s. 15–23.

[7] UE, Zamknięcie obiegu: Komisja przyjęła ambitny pakiet dotyczący gospodarki o obiegu zamkniętym, 2015. [Online] http://europa.eu/rapid/press-release_IP-15-6203_pl.htm [Udostępniono: 21-maj-2019].

[8] UE, Odpady z tworzyw sztucznych, 2018. [Online] http://europa.eu/rapid/press-release_IP-18-5_pl.htm [Udostępniono: 21-maj-2019].

[9] M. Perzanowski, Holandia – lider we wdrażaniu gospodarki o obiegu zamkniętym The Netherlands – the leader in implementing circular economy, Logistyka odzysku, nr (4), t. 21, 2016, s. 50–52.

[10] A. Wijkman, K. Skanberg, Korzyści społeczne z gospodarki o obiegu zamkniętym, 2016. [11] M. Goleń, Polish municipal waste in the context of plans to transform the european union, Zeszyty Naukowe

Uniwersytetu Ekonomicznego w Katowicach, nr (310), 2017. [12] B. Skotnicka-Zasadzień, Inwentaryzacja innowacyjnych technologii odzysku odpadów energetycznych,

Systemy Wspomagania w Inżynierii Produkcj, nr (8), t. 6, 2017, s. 108–123.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Regulowanie zawartości i morfologii składników fazowych w stali nanobainitycznej zawierającej 0,6%C w celu uzyskania wymaganych proporcji pomiędzy wytrzymałością a plastycznością J. Marcisz a, B. Garbarz a, Z. Kania-Pifczyk a, W. Zalecki a a Sieć Badawcza ŁUKASIEWICZ – Instytut Metalurgii Żelaza, ul. Karola Miarki 12-14, 44-100 Gliwice e-mail: jaroslaw.marcisz@imz.pl Streszczenie: Przedstawiono zasady projektowania składu fazowego stali nanobainitycznej o zawartości węgla 0,6% w celu uzyskania zróżnicowanych właściwości mechanicznych wymaganych do określonych zastosowań. Scharakteryzowano wpływ temperatury i czasu wygrzewania izotermicznego na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne stali nanobainitycznej. Na podstawie wyników badań dylatometrycznych i pomiarów zawartości austenitu resztkowego opisano kinetykę przemiany izotermicznej w temperaturach 210 i 225°C w czasie do 144 godzin. Dobrano rodzaj mikrostruktury składającej się z nanolistwowego bainitu bezwęglikowego oraz blokowego i listwowego austenitu resztkowego, zapewniający uzyskanie: Rm min. 2000 MPa, Rp0,2 min. 1300 MPa i A min. 10%. Abstract: The principles of designing of phase composition of nanobainitic steel containing 0.6%C in order to obtain diversified mechanical properties for specified applications are presented in the paper. The effect of temperature and time of isothermal heat treatment on microstructure and mechanical properties of the nanobainitic steel was characterized. Based on results of dilatometric study and volume fraction of retained austenite measurements the kinetics of isothermal transformation at temperature of 210 and 225°C for time up to 144 hours has been described. A type of microstructure consisting of nanolathy carbideless bainite and blocky and lathy retained austenite, providing UTS min. 2000 MPa, YS min. 1300 MPa and TE min. 10% has been selected. Słowa kluczowe: stal nanobainityczna, właściwości mechaniczne, kinetyka przemiany izotermicznej, mikrostruktura 1. WSTĘP Nowe podejście do wytwarzania nanostruktur w stalach zaproponowane przez Bhadeshię, polegające na sterowaniu przebiegiem izotermicznych przemian fazowych w zakresie temperatury poniżej ok. 300, doprowadziło do opracowania podstaw wytwarzania stali nanostrukturalnych o strukturze bezwęglikowego bainitu dolnego i austenitu resztkowego [1-3]. Badania stali nanobainitycznych, ukierunkowane na określone zastosowania są także przedmiotem prac realizowanych w Łukasiewicz-IMŻ [4-7] i wciąż wymagają kontynuacji w celu wdrożenia wyrobów z tych stali. Przedmiotem badań są korelacje pomiędzy składem chemicznym i parametrami wytwarzania a właściwościami użytkowymi. W artykule przedstawiono zasady projektowania składu fazowego stali nanobainitycznej w celu uzyskania właściwości mechanicznych wymaganych do określonych zastosowań. Celem było m. in. wytworzenie mikrostruktury składającej się z nanolistwowego bainitu bezwęglikowego oraz blokowego i listwowego austenitu resztkowego w takich proporcjach, aby zapewnić uzyskanie: Rm min. 2000 MPa, Rp0,2 min. 1300 MPa i A min. 10%. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Większość badań stali nanobainitycznych jest wykonywana na materiałach o składzie Fe-C-Mn-Si-Cr-Mo o zawartości węgla wyższej od 0,60%. Wysoka zawartość węgla w tych stalach (0,8-0,9%) wymaga zastosowania operacji technologicznych trudnych do realizacji w warunkach przemysłowych [6]. Do badań zaprojektowano materiał o składzie chemicznym Fe-0,58%C-1,95%Mn-1,80%Si-1,30%Cr-0,67%Mo (%masowe). Blachy arkuszowe o grubości 6-12 mm wytworzono w procesie przemysłowym. Próbki poddano obróbce cieplnej obejmującej: austenityzowanie w temperaturze 950°C, regulowane chłodzenie w powietrzu i bezpośrednie

100 J. Marcisz, B. Garbarz, Z. Kania-Pifczyk, W. Zalecki wygrzewanie w temperaturze przemiany izotermicznej. Zastosowano temperatury przemiany izotermicznej 210 i 225°C. Wykonano dylatometryczne badania kinetyki przemiany, badania mikrostruktury, w tym pomiary zawartości austenitu resztkowego oraz właściwości mechanicznych w statycznej próbie rozciągania i twardości. 3. WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA Na rys. 1a zamieszczono przykładową krzywą zmian długości próbki dylatometrycznej w trakcie wygrzewania izotermicznego. Po okresie inkubacji, w początkowym dynamicznym etapie przemiany po czasie ok. 60 i 40 godzin odpowiednio dla temperatury 210 i 225°C pozostaje ok. 25% ułamka objętości austenitu. Następnie przemiana ulega znacznemu spowolnieniu i przebiega w formie cyklicznych przemian porcji pozostałego austenitu, prawdopodobnie jako skutek jednocześnie zachodzących procesów przemiany niestabilnej w danej chwili części przechłodzonego austenitu w bainit oraz procesów przedwydzieleniowych i rekombinacji dyslokacji. Optymalną kombinację wytrzymałości (2100 i 2000 MPa), granicy plastyczności (1300 i 1400 MPa) i wydłużenia całkowitego (w zakresie 10-15%) uzyskano dla temperatury i czasu przemiany izotermicznej odpowiednio 210°C/96-120 h i 225°C/72-96 h. Przykład wyników statycznej próby rozciągania zamieszczono na diagramach na rys. 1b. Mikrostruktura stali nanobainitycznej może składać się finalnie z czterech faz: nanolistwowego bainitu bezwęglikowego, austenitu nanolistwowego wzbogaconego w węgiel, blokowego austenitu resztkowego wzbogaconego w węgiel oraz odpuszczonego w różnym stopniu nanobainitu powstałego w pierwszej fazie przemiany izotermicznej.

0 20 40 60 80 100 120 140

0

10

20

30

40

50

Zmia

na d

ługo

ści,

µm

Czas, h4,7 h (a ) (b )

Rysunek 1. Zmiana długości próbki podczas wygrzewania izotermicznego w temperaturze 225°C przez 144 godziny (a) i właściwości mechaniczne stali nanobainitycznej po wygrzewaniu izotermicznym (b) Figure 1. Change in length of specimen during isothermal heat treatment at temperature 225°C for 144 hours (a) and mechanical properties of nanonbainitic steel after isothermal heat treatment (b) 4. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono zasady projektowania składu fazowego nanostrukturalnej stali nanobainitycznej o zawartości węgla 0,6%, pozwalające na uzyskanie właściwości mechanicznych wymaganych do określonych zastosowań. Ustalono parametry wygrzewania izotermicznego, których zastosowanie gwarantuje uzyskanie: Rm min. 2000 MPa, Rp0,2 min. 1300 MPa i wydłużenie całkowite A min. 10%. Scharakteryzowano składniki strukturalne stali: nanobainit bezwęglikowy oraz austenit resztkowy blokowy i listwowy. Proporcje zawartości i morfologia tych faz mogą podlegać regulowaniu z wykorzystaniem wyników badań kinetyki przemiany izotermicznej oraz pomiarów ułamka objętości austenitu resztkowego blokowego i listwowego. LITERATURA 1. H.K.D.H. Bhadeshia, Bulk nanocrystalline steel, Ironmaking & Steelmaking, V. 32, Issue 5, (2005), 405-410. 2. F.G. Caballero, H.K.D.H. Bhadeshia, K.J.A. Mawella, and D.G. Jones, and P. Brown, Very strong low

temperature bainite, Materials Science and Technology, V. 18, (2002), 279-284. 3. C. Garcia-Mateo and F.G. Caballero, Ultra-high-strength bainitic steels, ISIJ International, V. 45, No. 11,

(2005), 1736-1740. 4. B. Garbarz and B. Niżnik-Harańczyk, Modification of microstructure to increase impact toughness of

nanostructured bainite–austenite steel, Materials Science and Technology, V. 31, No. 7, (2015), 773-780. 5. B. Garbarz and W. Burian, Microstructure and properties of nanoduplex bainite–austenite steel for

ultra‐high‐strength plates, Steel Research Int., V. 85, No. 12, (2014), 1620-1628. 6. B. Garbarz, J. Marcisz, W. Burian, Technological peculiarities of manufacturing nanobainitic steel plates,

METEC, Düsseldorf, 15-19 czerwca 2015. 7. J. Marcisz, W. Burian, J. Stępień and L. Starczewski, M. Wnuk, J. Janiszewski, Static, dynamic and ballistic

properties of bainite-austenite steel for armours, 28th International Symposium on Ballistics, Atlanta, USA, (2014), 1348-1361.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ warunków formowania wtryskowego proszku i spiekania na strukturę oraz wybrane własności nasycanej miedzią stali szybkotnącej G. Matulaa, P. Wiśniowskia, B. Tomiczeka a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych email: grzegorz.matula@polsl.pl Streszczenie: W pracy omówiono wyniki badań opracowanych materiałów kompozytowych na bazie stali szybkotnącej HS6-5-2 wytwarzanej metodą formowania wtryskowego proszku, spiekania i nasycania ciekła miedzią. Szczegółowe badania struktury i własności otrzymanych materiałów zrealizowano na każdym etapie produkcji, w tym badania własności technologicznych mieszanin polimerowo-proszkowych i lepkości. W oparciu o wyniki badań dobrano warunki formowania wtryskowego i degradacji lepiszcza oraz spiekania i nasycania. Spiekanie przeprowadzono w warunkach atmosfery ochronnej N2-5%H2, co umożliwia dodatkowo wydzielanie się węglikoazotków, bardziej stabilnych w wysokiej temperaturze niż węgliki. Bezpośrednio po nasycaniu ciekłą miedzią, próbki poddano hartowaniu i odpuszczaniu. Badanie strukturalne opracowanych kompozytów wykonano przy pomocy mikroskopii świetlnej i elektronowej, a badania własności mechanicznych obejmowało pomiar twardości i badanie wytrzymałości na zginanie. Abstract: The paper describes the results of investigations of developed composite materials based on HS6-5-2 high speed steel produced by powder injection moulding, sintering and liquid copper infiltration. Detailed research of the structure and properties of the materials obtained were carried out at every stage of production, including polymer-powder mixtures testing of technological properties and viscosity. The conditions of injection moulding and binder degradation, as well as sintering and infiltration, were selected. Sintering was carried out under protective atmosphere conditions under N2-5% H2, which allows the addition of carbonitrides, more stable at high temperature than carbides. After the infiltration, the samples were quenched and tempered. The structural examination of the developed composites was made using light and electron microscopy. Additionally, mechanical properties, including measurement of hardness and testing of bending strength, have been made. Słowa kluczowe: formowanie wtryskowe proszku, spiekanie, infiltracja, materiały narzędziowe. 1. WSTĘP

Klasyczna stal szybkotnąca HSS (ang. High Speed Steel) nie jest już stosowana jako podstawowy materiał narzędziowy, mimo to ciągle podlega badaniom ukierunkowanym na zmianę technologii wytwarzania lub umocnienie przez twarde fazy węglikowe [1-4]. Wysokie koszty materiałowe produkcji węglików spiekanych, które wyparły stal szybkotnącą powodują, że ciągłe badania stali, modyfikacje technologii wytwarzania lub stosowanie zupełnie nowych metod produkcji są jak najbardziej zasadne. Wysoka cena kobaltu i wolframu oraz kosztowny recykling polegający na mechanicznym mieleniu zużytych ostrzy wkładek węglikowych powoduje, że stal szybkotnąca mimo konieczności stosowania obróbki cieplnej polegającej na hartowaniu i podwójnym, a czasem potrójnym odpuszczaniu jest nadal interesującym rozwiązaniem. Klasyczny proces prasowania i spiekania swobodnego proszków nie znalazł zastosowania w produkcji narzędzi ze stali szybkotnącej. Wąski zakres temperatury spiekania wynoszący jedynie kilka stopni powoduje, że wytwarzany w ten sposób materiał jest porowaty bądź charakteryzuje się dużymi wydzieleniami węglików pierwotnych, co w jednym i drugim przypadku obniża jego własności i wyklucza możliwość zastosowania.

102 G. Matula, P. Wiśniowski, B. Tomiczek

Stosowanym od lat 70-tych ubiegłego wieku rozwiązaniem w produkcji komercyjnych stali HSS jest prasowanie izostatyczne na gorąco HIP (ang. Hot Isostatic Pressing), które ze względu na wysokie koszty nie jest konkurencyjne w stosunku do klasycznego prasownia i spiekania węglików. Z tego powodu formowanie wtryskowe proszku metali MIM (ang. Metal Injection Moulding) daje nową możliwość wytwarzania tej stali lub kompozytów o osnowie HSS charakteryzujących się niskim kosztem produkcji gotowych narzędzi. Zastosowanie lepiszcza, które jest niezbędne w metodzie MIM w celu formowania proszku powoduje, że po jego degradacji w materiale pozostaje węgiel resztkowy otaczający cząstki stali. Węgiel ten inicjuje proces spiekania poprzez lokalne obniżenie temperatury solidus, co jest istotne podczas spiekania supersolidus typowego dla HSS. Niestety mimo lepszego zagęszczenia spieku wytwarzanego metodą MIM w stosunku do klasycznego prasowania i spiekania, materiały te nie są pozbawione lokalnie występujących zamkniętych porów, które często powstają podczas wtrysku, lub degradacji lepiszcza. Aby uniknąć ww. problemów, w ramach niniejszej pracy formowane wtryskowo kształtki spiekano w temperaturze 1150°C, czyli niższej o ok. 100°C od zalecanej, w wyniku czego otrzymano spieki z licznymi otwartymi porami tworzącymi sieć połączeń (rys. 1a). Ponadto zastosowanie niższej temperatury spiekania spowodowało, że węgliki pierwotne nie uległy rozrostowi, co umożliwia łatwe rozpuszczanie ich podczas austenityzowania. Tak przygotowane kształtki zostały nasycone samorzutnie ciekłą miedzią, która wypełniła szczelnie niemal wszystkie pory (rys. 1b)., po czym zastosowano obróbkę cieplną polegającą na konwencjonalnym hartowaniu i odpuszczaniu. W ten sposób wytworzono kompozyt HSS-Cu o wysokim stopniu zagęszczenia i drobnoziarnistej strukturze, a co za tym idzie podwyższonych własnościach mechanicznych i użytkowych. a) b)

Rysunek 1. Struktura stali szybkotnącej spiekanej w 1150°C a) przed i b) po nasyceniu miedzią Figure 1. Structure of high speed steel sintered at 1150°C a) before and b) after copper infiltration LITERATURA 1. J.M. Torralba, E. Gordo, PM high speed steel matrix composites - state of the art. Powder Metallurgy

Progress, Vol.2 (2002), No 1, 1-9. 2. G. Herranz, G. Matula, A. Romero, Effects of chromium carbide on the microstructures and wear resistance

of high speed steel obtained by powder injection moulding route, Powder Metallurgy 60/ 2 (2017) 120-130. 3. L. A. Dobrzański, G. Matula, Encyclopedia of iron, steel and their alloys. Ed. by Rafael Colas, George E.

Totten. New York : CRC Press/Taylor & Francis Group, 2016, s. 2591-2605. 4. M. Madej, J. Leżański, Analiza własności spiekanych i infiltrowanych kompozytów na osnowie stali

szybkotnącej, Kompozyty 4/12 (2004) 409-413.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ temperatury kalcynacji na morfologię jednowymiarowych nanomateriałów opartych na tlenku cyny W. Matysiak a, T. Tański a, W. Smok a

a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Technologii Procesów Materiałowych, Zarządzania i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie email: weronika.smok@polsl.pl Streszczenie: Celem niniejszej pracy była analiza wpływu zastosowanej temperatury kalcynacji na morfologię nanostrukturalnych materiałów jednowymiarowych opartych na tlenku cyny. Materiał do badań otrzymano poddając procesowi elektroprzędzenia, stosując urządzenie FLOW - Nanotechnology Solutions Electrospinner 2.2.0–500, roztwór N,N-dimetyloformamidu, etanolu, poliwinylopirolidonu oraz prekursora tlenku -pięciowodnego chlorku cyny, w wyniku którego otrzymano kompozytowe nanowłókna PVP/SnO2, które po procesie kalcynacji w temperaturze 500, 550 i 600 °C stanowiły trzy próbki do badań. W celu analizy morfologii i składu chemicznego otrzymanych nanomateriałów wykonano analizę SEM, FTIR oraz EDS, co pozwoliło na potwierdzenie całkowitej degradacji polimerowej matrycy PVP i uzyskanie próbek pozbawionych wad z czystego tlenku cyny. Abstract: The aim of this paper was to analyze the effect of the calcination temperature on the morphology of nanostructured one-dimensional materials based on tin oxide. The tested material was obtained by electrospinning a solution of N,N-dimethylformamide, ethanol, polyvinylpyrrolidone and precursor of tin oxide chloride. To obtain composite PVP/SnO2 nanofibers the FLOW - Nanotechnology Solutions Electrospinner 2.2.0-500 device used. After calcination at 500, 550 and 600 °C of the PVP/SnO2 nanofibers, three samples were prepared. In order to analyze the morphology and chemical composition of the manufactured nanomaterials, SEM, FTIR and EDS analysis were performed, which allowed to confirm the complete degradation of the polymer PVP matrix and to obtain samples of pure tin oxide free from defects. Słowa kluczowe: tlenek cyny, elektroprzędzenie, nanowłókna, nanodruty, nanomateriały. 1. WSTĘP

W ostatnich latach uwagę naukowców przykuwają jednowymiarowe półprzewodnikowe nanomateriały na bazie tlenków metali, które ze względu na dużą powierzchnię właściwą oraz unikatowe własności optyczne i elektryczne mogą znaleźć zastosowanie jako czujniki chemiczne, baterie, ogniwa paliwowe i słoneczne, urządzenia optyczne i optoelektroniczne czy fotokatalizatory. Do materiałów tych należą między innymi SnO2, Bi2O3, TiO2, ZnO, Spośród wielu metod ich wytwarzania takich jak metoda zol-żel, chemiczne osadzanie, metody hydrotermalne, napylanie magnetronowe wyróżnia się metoda elektroprzędzenia. Elektroprzędzenie nieorganicznych nanowłókien z tlenków metali zyskuje coraz większe zainteresowanie ze względu na wysoką jakość produktu, prostotę i niskie koszty wytwarzania (Rys. 1) [1-5].

Tlenek cyny jest półprzewodnikiem o szerokiej przerwie energetycznej wynoszącej 3,1-3,7 eV, charakteryzuje się przezroczystością optyczną oraz stabilnością chemiczną i termiczną. Materiał ten jest z powodzeniem wytwarzany w postaci cienkich warstw, nanocząstek czy porowatych mikrostruktur i stosowany głównie w detekcji gazów, co zawdzięcza stabilności struktury, łatwej dostępności, niskim kosztom oraz wysokiej czułości. Pomimo wielu cennych własności zauważono, że aktywność i wydajność SnO2 można zwiększyć przez

104 W. Matysiak, T. Tański, W. Smok

domieszkowanie nanocząstkami metali takich jak Cu, Pt, Pd, Au lub połączenie z innymi tlenkami metali ZnO, CuO, GeO2, TiO2 czy Bi2O3 [6-9].

Rysunek 1. Schemat procesu elektroprzędzenia Figure 1. Electrospinning process scheme LITERATURA 1. L. Yu, C. Li, S. Ma, Y. Li, L. Qi, M. Yin, X. Fan, Optoelectronic gas sensor sensitized by hierarchically

structured ZnO nanorods/Ag nanofibers via on-chip fabrication, Materials Letters, Volume 242 (2019) 71-74. 2. M. Tonezzer, J.H. Kim, J. H. Lee, S. Iannotta, S. S. Kim, Predictive gas sensor based on thermal fingerprints

from Pt-SnO2 nanowires, Sensors and Actuators B: Chemical, 281 (2019) 670-678. 3. W. Matysiak, T. Tański, M. Zaborowska, Manufacturing process, characterization and optical investigation of

amorphous 1D zinc oxide nanostructures, Applied Surface Science, 442 (2018) 382-389. 4. F. Zheng, Z. Zhu, Preparation of the Au@TiO2 nanofibers by one-step electrospinning for the composite

photoanode of dye-sensitized solar cells, Materials Chemistry and Physics, 208 (2018) 35-40. 5. Sineenart Suphankij, Wanichaya Mekprasart, Wisanu Pecharapa, Photocatalytic of N-doped TiO2 Nanofibers

Prepared by Electrospinning, Energy Procedia, Volume 34 (2013) 751-756. 6. D. Wang, K. Wan, M. Zhang, H. Li, P. Wang, X. Wang, J. Yang, Constructing hierarchical SnO2

nanofiber/nanosheets for efficient formaldehyde detection, Sensors and Actuators B: Chemical, 283 (2019) 714-723.

7. M.V. Someswararao, R.S. Dubey, P.S.V. Subbarao, Shyam Singh, Electrospinning process parameters dependent investigation of TiO2 nanofibers, Results in Physics, 11 (2018) 223-231.

8. A. Shaposhnik, S. Ryabtsev, F. Shao, F. Hernandez-Ramirez, J. Morante, A. Zviagin, E. Sizask, D. Shaposhnik, Comparison of Ammonia Sensing Characteristics of Individual SnO2 Nanowire and SnO2 Sol-gel Nanocomposite, Procedia Engineering, 87 (2014) 951-954.

9. Y. Zhao, J. Liu, Q. Liu, Y. Sun, D. Song, W. Yang, J. Wang, L. Liu, One-step synthesis of SnO2 hollow microspheres and its gas sensing properties, Materials Letters, 136 (2014) 286-288.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Innowacyjna metoda wytwarzania jednowymiarowych nanostruktur CeO2:Eu3+ W. Matysiak a, T. Tański a, M. Zaborowska a a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Technologii Procesów Materiałowych, Zarządzania i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie email: wiktor.matysiak@polsl.pl email: tomasz.tanski@polsl.pl email: martzab779@student.polsl.pl Streszczenie: W ramach przeprowadzonych badan wykazano, że zastosowanie roztworów polimerowych PVP lub PAN lub PVA w rozpuszczalnikach takich jak etanol lub N,N-dimetyloformamid lub woda, prekursora tlenku ceru w postaci Ce(NO3)3 lub Ce(NO2)3 lub CeCl3 oraz prekursora tlenku europu w postaci Eu(NO3)3 oraz połączenie metody zol-żel i elektroprzędzenia w polu elektrostatycznym pozwala na wytworzenie hybrydowych włóknistych mat PVP/CeO2:Eu3+ lub PAN/CeO2:Eu3+ lub PVA/CeO2:Eu3+ o losowym rozmieszczeniu, jak i ściśle określonej orientacji włókien względem jednego kierunku. Przy czym stężenie masowe domieszki Eu3+ względem roztworu polimerowego mieściło się w przedziale od 5 do 80% względem końcowej masy włókien hybrydowych. Otrzymane w ten sposób nanowłókna kompozytowe poddano następnie procesowi kalcynacji w temperaturach z zakresu od 400 do 1200, co skutkowało otrzymywaniem hybrydowych jednowymiarowych nanostruktur ceramicznych CeO2 domieszkowanych jonami trójdodatnimi europu (Eu3+), o średnicach z zakresu od 3 do 500 nm, charakteryzujących się dużą powierzchnią właściwą oraz bardzo dobrymi własnościami optycznymi, przy zastosowaniu ekonomicznej i wysokowydajnej metody wytwarzania. Abstract: The research showed that the use of polymer solutions PVP or PAN or PVA in solvents such as ethanol or N, N-dimethylformamide or water, cerium oxide precursor in the form of Ce (NO3)3 or Ce (NO2)3 or CeCl3 and the precursor of oxide europium in the form of Eu(NO3) 3 and the combination of the sol-gel method and electrospinning in the electrostatic field allows the production of hybrid fiber mats PVP/CeO2:Eu3+ or PAN/ CeO2: Eu3+ or PVA / CeO2:Eu3+ with random distribution and strictly defined fiber orientation relative to one direction. The mass concentration of Eu3+ dopant relative to the polymer solution was in the range of 5 to 80% relative to the final mass of hybrid fibers. The composite nanofibers obtained in this way were then subjected to the calcination process at temperatures ranging from 400 to 1200 , which resulted in obtaining hybrid one-dimensional ceramic nanostructures CeO2 doped with tri-positive europium ions (Eu3+), with diameters ranging from 3 to 500 nm, characterized by a large surface proper and very good optical properties, using an economic and high-performance manufacturing method. Słowa kluczowe: metoda elektroprzędzenia, nanomateriały jednowymiarowe, CeO2/Eu3+, własności optyczne 1. WSTĘP Alternatywą dla szeroko badanych nanokatalizatorów TiO2 oraz ZnO [1, 2], wykazujących pewne ograniczenia w stosowaniu, mogą stać się nanostruktury tlenku ceru domieszkowane tlenkiem europu. CeO2 charakteryzuje się dwoma cechami mającymi kluczowe znaczenie w potencjalnych aplikacjach katalitycznych. Pierwszą z nich jest wysoka mobilność oraz pojemność magazynowania jonów tlenowych w obszarze sieci krystalicznej, a także zdolność do zmiany stopnia utlenienia pomiędzy Ce3+ a Ce4+ bez zmiany struktury krystalicznej w odpowiedzi na chemiczne zmiany środowiska. Ponadto, cer jest pierwiastkiem, którego ilość oraz występowanie w skorupie ziemskiej prawie 20-krotnie przewyższa występowanie konwencjonalnie stosowanego do procesów katalitycznych w reakcji redukcji spalin pierwiastka – platyny [3].

106 W. Matysiak, T. Tański, M. Zaborowska

2. METODOLOGIA Pierwszym etapem fabrykacji materiału hybrydowego jest wytwarzanie w procesie elektroprzędzenia w polu elektrostatycznym nanowłókien polimerowo-ceramicznych stanowiących prekursor dla hybrydowych nanostruktur CeO2:Eu3+, o osnowie polimerowej PVP w rozpuszczalnikach takich jak etanol lub N,N-dimetyloformamid lub mieszanka etanolu i N,N-dimetyloformamidu, w proporcjach molowych od 1:20 do 1:1 (DMF:EtOH) lub PAN w rozpuszczalniku N,N-dimetyloformamidzie lub PVA w rozpuszczalniku N,N-dimetyloformamidzie lub wodzie o stężeniu masowym korzystanie od 5 do 35% względem zastosowanego rozpuszczalnika i prekursorem tlenku ceru korzystnie Ce(NO3)3 (azotan (V) ceru) lub Ce(NO2)3 (azotan (III) ceru) lub CeCl3 (chlorek ceru) o stężeniu masowym od 5 do 85% względem zastosowanego polimeru oraz prekursora tlenku europu w postaci korzystnie Eu(NO3)3 (azotan (V) europu) o stężeniu masowym od 5 do 85% względem zastosowanego polimeru. W celu wytworzenia nanowłókien polimerowo-ceramicznych PVP/CeO2:Eu3+ lub PAN/CeO2:Eu3+ lub PVA/CeO2:Eu3+ o ściśle określonej orientacji wzdłuż jednego kierunku stanowiących matę włóknistą, stosuje się proces elektroprzędzenia z roztworów w polu elektrostatycznym, podczas którego włókna nanoszone są na obrotowy lub płaski kolektor, przy zastosowaniu następujących parametrów, odległości między dyszą a kolektorem korzystnie w zakresie od 5 do 30 cm, różnicy potencjałów między elektrodami korzystnie z przedziału od 5 do 35 kV, prędkością przepływu roztworu przez dyszę korzystnie od 0,2 do 8 ml/h, prędkością obrotową kolektora o wartościach od 200 do 1500 obrotów na minutę. W drugim etapie otrzymane nanowłókna polimerowo-ceramiczne PVP/CeO2:Eu3+ lub PAN/CeO2:Eu3+ lub PVA/CeO2:Eu3+ poddaje się procesowi kalcynacji, w atmosferze powietrza lub azotu lub próżni oraz temperaturach korzystnie z zakresu od 400 do 1400, przez czas korzystnie od 1 do 10 godzin, w celu otrzymania jednowymiarowych nanostruktur hybrydowych CeO2:Eu3+ o ściśle określonej morfologii. 3. ANALIZA WYNIKÓW

W celu analizy morfologii i struktury wytworzonych jedno-wymiarowych nanostruktur wykorzystano wysokorozdzielczy transmisyjny mikroskop elektronowy TITAN 80-300 firmy FEI. Ponadto wytworzone nanowłókna poddano analizie ilościowej i jakościowej przy zastosowaniu mikroanalizy rentgenowskiej EDX oraz obrazowania topografii powierzchni stosując skaningowy mikroskop elektronowy Zeiss Supra 35 z rentgenowskim spektrometrem Trident XM4 dostarczanym przez EDAX. Badania termograwimetryczne wykonano aparatem marki Termowaga SII TGA/DTA 7300 EXSTAR w atmosferze azotu przy stałej szybkości ogrzewania wynoszącej 10°C/min, w zakresie od 25°C do 750°C. W celu zbadanie własności optycznych wytworzonych nanodrutów ZnO poddano je analizie spektrofotometrycznej UV-Vis. Pomiary absorbancji otrzymanych materiałów w funkcji długości promieniowania elektromagnetycznego padającego na próbkę przeprowadzano przy wykorzystaniu spektrofotometru UV/VIS Evolution 220 firmy Thermo-Scientific. 4. PODSUMOWANIE Przeprowadzona analiza właściwości optycznych cienkich warstw wytwarzanych nanodrutów wykazała wysoki stopień absorpcji promieniowania elektromagnetycznego w zakresie UV. Ponadto wyznaczone wartości luki energetycznej badanych nanostruktur CeO2, wynoszące ok. 3 eV, sugerują, że takie materiały mogą znaleźć szeroki zakres zastosowań, ze szczególnym uwzględnieniem przemysłu elektronicznego, jako elementy układów fotokatalitycznych oraz ogniw słonecznych. LITERATURA 1. Ong, Chin Boon, Law Yong Ng, and Abdul Wahab Mohammad. "A review of ZnO nanoparticles as solar

photocatalysts: synthesis, mechanisms and applications." Renewable and Sustainable Energy Reviews 81 (2018): 536-551.

2. Shayegan, Zahra, Chang-Seo Lee, and Fariborz Haghighat. "TiO2 photocatalyst for removal of volatile organic compounds in gas phase–a review." Chemical Engineering Journal 334 (2018): 2408-2439.

3. Vinodkumar, T., et al. "Synthesis and structural characterization of Eu 2 O 3 doped CeO 2: influence ofoxygen defects on CO oxidation." Catalysis letters 144.12 (2014): 2033-2042

Podziękowania: This research work was funded by the National Science Centre, Poland under grant no. 2018/29/B/ST8/02303

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Analysis of welded joint properties on a tube manufactured by SLM technology P. Mohyla, K. Sternadelová, L. Krejčí, M. Pagáč VSB-Technical University of Ostrava, Faculty of Mechanical Engineering email: petr.mohyla@vsb.cz Conclusions: This is a contribution to the research and development of joining of components produced by 3D printing, specifically produced by the Selective Laser Melting (SLM). Based on the results, we can conclude that the defects in the base material, which mainly include pores, have affected the mechanical properties of the welded joints so much, that they initiated premature fracture before or just after the yield point. Material failure occurred in the area of the base material near the heat affected zone (HAZ). In terms of microstructure, a higher temperature (closer to the fuse boundary) has a positive effect. Abstract: This work is focused on the analysis of the influence of welding on the properties and microstructure of the tube produced by 3D printing, specifically the SLM (Selective Laser Melting) method. Both non-destructive and destructive tests including metallographic analysis were performed within the experiment. The results obtained show the fundamental influence of SLM technology in terms of material defects, as well as the effect of the maximum temperature reached at the welded joint during welding. Key words: selective laser melting, welded joints, microstructure, mechanical properties 1. Introduction The advantage of the SLM method is its ability to produce a homogeneous product of complex shapes with a low weight that cannot be produced by conventional technologies such as casting or forging, for example bionic structures [1,2]. On the other hand, products made by SLM always contain a certain amount of pores, which may cause a decrease of mechanical properties [3]. This aspect has to be taken into account when loading the structure, but also during welding and other technological processing. Another disadvantage of the SLM method is the limited size of the working space and thus the limited size of the product. In order to create a larger construction from the individual printed parts, it is necessary to develop suitable methods of joining the components produced by the 3D printing. For this reason, this work is focused on the analysis of the effect of welding on the material of pipes made by the SLM. 2. Materials, methods and devices The basic material for welding was tube with an outer diameter of 20 mm with a wall thickness of 2 mm, made by SLM method using the equipment Renishaw AM400. AISI316L powder was used for Selective Laser Melting. The tubes were heat-treated at 550 °C prior to welding to remove internal stresses. Welding method 141 (TIG) was used for all samples, using a WLa15 electrode with diameter of 1.6 mm. For all welded joints, a 1.6 mm diameter wire designated 316 LSi EN 12072-19 12 3, was used. 3. Results Figure 1 shows the transition between the base material and the weld metal. In the heat affected zone (HAZ), the original texture of 3D printing changes to an almost homogeneous austenitic structure with a unique occurrence of twins and a minimum of pores. The smaller the distance from the fuse boundary line, the lower the occurrence of pores in the structure is observed. The initial texture of the 3D print toward the fuse boundary disappears. The weld metal has a homogeneous austenitic microstructure with a rare occurrence of delta ferrite, otherwise with minimal defects. In terms of microstructure, a higher temperature (closer to the fuse boundary) has a positive effect.

108 P. Mohyla, K. Sternadelová, L. Krejčí, M. Pagáč

Figure 1. Transition between base metal (left) and weld metal Both hardness and microhardness show that the base material is harder by about 60HV compared to the weld metal, Fluctuations in the measurement of the base material may have been caused by measurements at the location of the defect, such as pore.

Figure 2 shows the test specimens after the tensile test. Samples 3 and 5 experienced premature fracture in the base material outside the HAZ. Premature fracture was caused by the presence of pores in the tube made by SLM.

Figure 2. Test specimens after tensile test

LITERATURE

1. PAGÁČ, MAREK. Začínáme s 3D tiskem kovů #2: Technologie 3D tisku kovů (SLM). [Online] [Citace: 10. 1 2019.] Dostupné z: https://www.konstrukter.cz/zaciname-s-3d-tiskem-kovu-2-technologie-3d-tisku-kovu-slm/?fbclid=IwAR2iyfn2ulSX-grJyFUM-EdYQZGqp8QP4imqQAkuTrvC__P7u9F1Ee9yy08.

2. DOBROVOLNÝ, JAN. Studium mikrostruktury a mechanických vlastností ocelových vzorků zhotovených 3D tiskem. Diplomová práce. Ostrava: VŠB – TU Ostrava, 2017, 100 s.

3. WANG, Di, at all. Research on the fabricating quality optimization of the overhanging surface in SLM process. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. [Online] http://link.springer.com/10.1007/s00170-012-4271-4.issimo, S. Chung, and T. J. Webster, “New nanoscale surface modifications of metallic biomaterials,” Surf. Coat. Modif. Met. Biomater., pp. 249–273, 2015.

Acknowledgement

This paper has been completed in connection with project Innovative and additive manufacturing technology – new technological solutions for 3D printing of metals and composite materials, reg. no. CZ.02.1.01/0.0/0.0/17_049/0008407 financed by Structural Funds of the European Union and project

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Dilatometric study of austenitization temperature impact on microstructure evolution and mechanical properties in 18Ni300 maraging steel M. Morawieca, B. Tomiczeka a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych. email: blazej.tomiczek@polsl.pl Abstract: The analysis of the austenitization temperature on precipitation kinetic during aging of 18Ni300 steel, manufactured by SLS process was investigated. The experiment was carried out using dilatometric analysis, which allows for the analysis of phase transformation and precipitation kinetic. The material was subjected to the austenitization at different temperatures from 820°C up to 1200°C and the influence of this process on the ageing was investigated. The obtained results show that the austenitization temperature have a high influence on the precipitation process during ageing and finally the mechanical properties of steel. Keywords: Precipitation kinetic, dilatometric analysis, maraging steel, SLS process 1. INTRODUCTION

Fast development of manufacturing processes allows for a new way of material production. Powder metallurgy allows for a high scope of materials that can be manufactured by this process. One of mostly developing manufacturing method for the preparation of near-net-shape products is 3D printing. One of examples of this method is selective laser sintering which make it possible to manufacture a ready to use product with complex geometry. That’s why a lot of researcher try to manufacture materials using this method to see how it is influencing the microstructure and mechanical properties. The scope of manufactured steels in this process is huge and are used for different applications [1-2].

One group of these steels are tool steel used in different manufacturing process (from plastic deformation to machining). One of examples is 18Ni300 steel which is a high alloy steel composed of high content of Ni, Co, Mo and around 1% of titanium [1]. This steel is characterized by good mechanical properties, weldability and toughness [2]. Because of this, there are some ideas to use this steel in aerospace, nuclear, space and military applications. That’s why it is important to know if this steel can be manufactured by the means of 3D printing, without the decrease in mechanical properties [3]. 2. EXPERIMENTAL PROCEDURE The selective laser sintered 18Ni300 steel of following chemical composition: 0.02% C, 19% Ni, 10% Co, 5% Mo, 1% Ti was subjected to different austenitization temperatures after which the ageing process was carried out. The steel was subjected to austenitzation at temperatures: 820, 900, 1000, 1100 and 1200°C for 1 hour and then rapidly cooled to room temperature. After this the steel was subjected to ageing process carried out in 480°C for duration of 5H. Additionally a sample directly after SLS process was subjected to ageing without austenitization process to see the influence of initial state on precipitation kinetic, microstructure and mechanical properties of steel.

110 M. Morawiec, B. Tomiczek

3. RESULTS The initial microstructure of material after selective laser sintering is composed of martensite and its hardness was 350 HV1. This indicate that the material is in the similar state as it would be after austenitization. The analysis of precipitation kinetic (fig. 1), show that the best result are obtained for material austenitzed in 820°C for 1 hour. The precipitation kinetic was uniform during the aging process, and was not finished (this may indicate that longer time is necessary). In case of material as printed a higher slope can be seen at the beginning of the curve which state that the precipitation occur faster than in case of austenitization at 820°C. Additionally it can be seen that the slow decrease of the length stop after 3 hour and 20 minutes, indicating that the precipitation process was finished. In case of material treated at 1200°C, the highest slope at the beginning can be corresponded to high precipitation speed, after which the precipitation stops and start after some time. This results may mean that the precipitates created during this process won’t be homogeneous in the microstructure, decreasing mechanical properties of the steel.

Figure 1. Results of dilatometric analysis during ageing process of steel

4. CONCLUSIONS The austenitization temperatures have an influence on the precipitation process during ageing of presented steel. The best approach is to heat the material to 820°C and kept it for 1 hour in this temperature and after this subject it to ageing process. According to dilatometric results this approach leads to more uniform precipitation kinetic during ageing which may ensure a good mechanical properties. Acknowledgement This research work was funded by the National Centre for Research and Development of Poland (NCBR) under grant no. LIDER/49/0196/L-9/17/NCBR/2018 LITERATURE

1. K.V.A. Chakravarthi, N.T.B.N. Koundinya, S.V.S.N. Murty, B.N. Rao, Microstructure, properties and hot workability of M300 grade maraging steel, Defence Technology, vol. 14, (2018), 51-58

2. K. Kempen, E. Yasa, L. Thijs, J.P. Kruth, J.V. Humbeeck, Microstructure and mechanical properties of selective laser melted 18Ni-300 steel, Physics Procedia, vol. 12, (2011), 255-263

3. S. Sundaresan, M. Manirajan, B.N. Rao, On the fracture toughness evaluation in weldments of a maraging steel rocket motor case, Materials and Design, vol. 31, (2010), 4921-4926

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Laser assisted copper oxidation M. Musztyfaga-Staszuka, P. Panek b, K. Gawlińska-Nęcekb, D Janickia a Silesian University of Technology, Welding Department, Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Poland malgorzata.musztyfaga@polsl.pl bInstitute of Metallurgy and Materials Science PAS, Reymonta 25, 30-059 Krakow, Poland Abstract: The paper proposes a method for oxidation of copper sheet with a laser beam. The thickness of the oxide layer increases with temperature increasing, therefore the proper parameters of the experiment such as pulse power, frequency and the speed of the beam were adjusted. High power diode laser was applied into investigations. The topography of oxidized copper sheets was determined using atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy with EDS analyses. Optical parameters of deposited layer were characterized by spectrophotometry. Both roughness and thickness of investigated samples were measured using the confocal laser scanning microscope. Keywords: Cu, CuO, Cu2O, laser micro-processing 1. INTRODACTION Metal oxides are a wide group of materials used generally in materials engineering e.g. in chemistry [1], catalysis [2], sensors production [3], electronics [4] or photovoltaics [5]. The most commonly used methods of their production are thermal oxidation [6], magnetron sputtering [7], ALD [8] and others. The use of a laser beam to obtain a metal oxide [9] and a non-metal oxide [10] is also known. 1.1. Experimental procedure and selected results

The investigations were done on copper sheet with 300 µm thickness (area: 9 cm2). Figure 1 presents a system for laser treatment of experimented samples. The trials of the laser processing were carried out using an experimental stand equipped with high power direct diode laser (HPDDL) having a rectangular beam with the top-hat intensity distribution in the slow-axis direction and a near Gaussian in the fast-axis direction. In order to obtain oxidize copper sheet, six series of samples for testing were prepared by using laser micro-treatment. In case of samples no 1 and 6, oxidation of copper was obtained only with the following parameters the laser power 1200 W (sample no. 1) and 800 W (sample no. 6) and warm-up time 12 s (sample no. 1) and 10 s (sample no. 6). In case of sample no. 2, the machining was done only on a part of its surface. The destruction (co-fired) was observed in a case of three samples: no. 3, 4 and 5, where the laser power from 800 and 1200 W and warm-up time 10.14 and 20 s were applied. Thickness of investigated copper oxide layers was determined by checking the height profile of the three-dimensional surface topography measured using the confocal laser scanning microscope (Fig. 2). Based on performed investigations it was found that the thickness of copper oxide layers was up to 10 µm. However, the roughness of investigated layers was in the range from 0.1 to 0.2 µm, so it was very small.

112 M. Musztyfaga-Staszuk, P. Panek, K. Gawlińska-Nęcek, D. Janicki

Figure. 1. Laser-treatment processing: a) a view of experimental stand equipped with a 2.0 kW continuous wave high power direct laser (HPDDL), b) ceramic table with deposited sample before the process, c) sample after the process (example)

Figure. 2. Three-dimensional surface topography (CLSM) of oxidized copper sheets: a, b) sample no. 1, b) sample no. 2 and c) sample no. 6

REFERENCES 1. R. Velmurugan, A. Incharoensakdi, Nanoparticles and Organic Matter: Process and Impact, Nanomaterials in

Plants, Algae, and Microorganisms, Concepts and Controversies, 1, 2018, 407-428. 2. M. Doble, A. K. Kruthiventi, Industrial Examples, Green Chemistry and Engineering, 2007, 245-296. 3. H. H. Wang, Flexible Chemical Sensors, Semiconductor Nanomaterials for Flexible Technologies From

Photovoltaics and Electronics to Sensors and Energy Storage/Harvesting Devices Micro and Nano Technologies, 2010, 247-273.

4. Z.-X. Shen, D.S.Dessau, Electronic structure and photoemission studies of late transition-metal oxides — Mott insulators and high-temperature superconductors, Physics Reports, 253, 1–3, 1995, 1-162.

5. R. Jose , V. Thavasi, S. Ramakrishna, Metal Oxides for Dye‐Sensitized Solar Cells, J. Am. Ceram. Soc., 92, 2009, 289–301.

6. A.O.Musa, T. Akomolafe, M.J. Carter, Production of cuprous oxide, a solar cell material, by thermal oxidation and a study of its physical and electrical properties, Solar Energy Materials and Solar Cells, 51, 3–4, 1998, 305-316.

7. P.J. Kelly, R.D. Arnell, Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications, Vacuum, 56, 3, 2000, 159-172.

8. M. Ritala1, K. Kukli, A. Rahtu, P. I. Räisänen, M. Leskelä, T. Sajavaara, J. Keinonen, Atomic Layer Deposition of Oxide Thin Films with Metal Alkoxides as Oxygen Sources, Science, 288, 5464, 2000.

9. V.P. Veiko, E. A. Shakhno, A. G. Poleshchuk, V.N. Matyzhonok, Local Laser Oxidation of Thin Metal Films: Ultra-Resolution in Theory and in Practice, LMN-Journal of Laser Micro/Nanoengineering, 3, 3, 2008

10. V. NayarIan, W.Boyd, F.N.Goodall, G.Arthur, Low temperature oxidation of crystalline silicon using excimer laser irradiation, Applied Surface Science, 36, 1–4, 1989, 134-140.

b) c) a)

c)

b) a)

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Impact resistance of modern high strength structural steels F. Novýa, O. Bokůvkaa, M. Petrůb, R. Ulewiczc a University of Žilina, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Materials Science, Univerzitná 1, 010 26 Žilina, Slovak Republic, email: frantisek.novy@fstroj.uniza.sk, otakar.bokuvka@fstroj.uniza.sk b Technical University of Liberec, Faculty of Mechanical Engineering, Studentská 2, 461 17 Liberec, Czech Republic, email: michal.petru@tul.cz c Czestochowa University of Technology, Faculty of Management, Al. Armii Krajowej 19B, 422 01 Czestochowa, Poland, email: robert.ulewicz@wz.pcz.pl Abstract: The determination of the temperature effect on material properties, mainly the tendency to brittle fracture at low temperatures is very important in mean of safety design of components working at temperatures below 0 °C. Impact tests greatly reflect the material behaviour under different temperatures and after systematic analysis it is possible to find the threshold, where material rapidly loses its ductility. Comparing the obtained results with the material data specified by the manufacturer can be said that in the temperature range from -20 °C to -40 °C were obtained similar values of impact energy than are listed in the material datasheet. Moreover, the impact energy has decreasing tendency behind the -40 °C guaranteed limit. Based on the fracture morphology it can be observed that with decreasing temperature, the fracture mechanism changes from ductile to quasi cleavage manner. As the temperature decreases, the ratio between the ductile and brittle fracture changes and bigger part of the fracture surface is formed by brittle fracture. Key words: impact resistance, britle fracture, high strength structural steels. 1. Introduction

Nowadays fine-grained and quench and tempered steels are more and more used in design of modern semitrailer structures. Increased competition in the market of semitrailers forces manufacturers to design new solutions and use new materials. Analysing the products of leading manufacturers of semitrailers including products of Wielton S.A., we observe the tendency to use easy weldable steels characterized by increased strength and abrasion resistance. Based on research realized by University of Žilina and Wielton S.A. we can form a list of requirements for materials used for design of semitrailers with particular emphasis on the requirements posed by the design of tippers. 1.1. Experiment and results The experimental works, quantitative chemical analysis, tensile tests and impact tests were carried out on four structural steels (S355 J2, low-alloyed fine-grained Domex 700MC, quenched and tempered Hardox 400 and Hardox 450 steels). The tensile tests were carried out on a universal testing machine at an ambient temperature of T = 20 ± 5 °C, at the strain velocity range of εm = 10-3s -1. Five specimens were tested for each steel; the shape and dimensions of the test specimens fulfilled the requirements of EN 10002-1 standard. The impact tests were carried out in accordance with standard EN 10045-2. Twenty-four specimens for each steel were subjected to impact testing in the temperature range from -70 °C to +100 °C. The shape and dimensions of specimens conformed to standard PN – EN 10045-1 (V-shaped notch with an angle of 45°, depth of 2 mm). The results of quantitative chemical and microstructural analysis can be found in [1]. Results of tensile tests (yield strength, ultimate tensile strength, ductility) and impact tests (impact energy KV vs. temperature) are shown in Tab. 1 and in Figs. 1, 2. Microstructural analysis of S355 J2 structural steel has showed that the examined steel had a ferrite-pearlite structure. Domex 700MC steel was characterized by a fine-grained structure. HARDOX 400 and HARDOX 450 steels showed a structure of tempered martensite and retained austenite. Table 1. Mehanical properties of tested steels.

114 F. Nový, O. Bokůvka, M. Petrů, R. Ulewicz

Material Yield strength (MPa) Ultimate tensile strength (MPa) Ductility (%)

Hardox 450 1425 1560 10.2 Hardox 400 1223 1257 12.5

Domex 700MC 839 894 16.4 S355 J2 376 564 28.5

Figure 1. The impact energy KV vs. Temperature curve of tested steels.

Figure 2. Fracture morphology of tested specimens. Acknowledgement This work is partially supported by the Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech Republic and the European Union (European Structural and Investment Funds - Operational Programme Research, Development and Education) in the frames of the project “Modular platform for autonomous chassis of specialized electric vehicles for freight and equipment transportation”, Reg. No. CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_025/0007293 and project VEGA 1/0951/17.

REFERENCES 1. R. Ulewicz, P.Szataniak, F. Nový, L. Trško, O. Bokůvka, Fatigue characteristics of structural steels in the

gigacycle region of loading, Materials today: Proceedings 4 (2017) 5979-5984. 2. R. Ulewicz, F. Nový, Fatigue life of high strength steel for cold forming, Metalurgija 56 (2017) 115-118.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Thermoset matrix composites reinforced by natural materials and mylar A.J. Nowak a, S. Tkocz b a Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Engineering Materials and Biomaterials b Graduate of Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Foundry Engineering,

email: agnieszka.j.nowak@polsl.pl Abstract: In this work, composite materials with a thermosets matrix reinforced with natural particles and a melt characterized by increased UV resistance has been discussed. The description and classification of polymeric and composite materials has been described and the topics related to the degradation of polymeric materials have been discussed. The aim of the work was to produce a composite material reinforced with natural wood, coffee particles and mylar, and then to evaluate the impact of the applied filler on the strength properties as well as UV resistance and biodegradable of the resulting composite. Mechanical properties tests including: hardness test, impact test and bending strength have been carried out. Microscopic studies using a stereoscopic microscope have been completed. Based on the research carried out in the work, it has been found that a large amount of filler in the form of mylar and wood in composite materials with duroplastic matrix has a positive effect on the strength properties. Samples of mylar and wood have one of the best hardness records. The value of breaking energy of the hammer in the samples with wood addition exceeded the remaining series by up to 100% and the bending strength increased by 30% with respect to the pure resin. Keywords: composite materials, polymers materials, thermosets matrix, natural particles, UV resistance 1. INTRODUCTION In few past years observe intensify of compost materials application in industry. That progress is forced by still grow requirements terms of users regarding the need for engineering materials with better quality. In research part are discussed epoxy resin with common use in electrical engineering, electronics, automotive and aviation industry. Epoxy resin characterized by high chemical resistant, very good adhesion and this one that their processing is very simple. Nowadays available is many type of epoxy resin but many of them are still susceptible to UV radiation, that way it is necessary to insert to the clean epoxy resin some of fillers. Given "eko" trends we should take to consider natural fillers (for examples natural particles as wood or coffee), which can increase UV resistance and biodegradation of describe composite materials [1-3]. In the work was produce a composite material reinforced with natural wood and coffee particles and mylar, and then to evaluate the impact of the applied filler on the strength properties and UV resistance and biodegradable of the resulting composite. Obtained results of strength and microscopic research allowed to assess the impact of the amount and type of reinforcement on the base material. It was checked what effect the materials added to it will have on the resin and whether it will improve its properties and extend its areas of application. 2. MATERIALS END EXPERIMENTAL PROCEDURE For the production of composite materials with duroplastic matrix the Cedar EPIDIAN 5 epoxy resin hardened with Z1 (triethylenetetramine) hardener was used. As a strengthening phase Mylar in the form of cut particles; Oak wood in the form of sawdust and Arabica coffee ground (Fig. 1) was used. The preparation of components was by cutting the mylar foil into smaller than 1 mm particles and drying previously ground and brewed coffee Arabica.

116 A.J. Nowak, S. Tkocz

Oak sawdust was obtained from a carpentry workshop and only the smallest particles < 5mm were selected. Preparation of epoxy resin was according to the manufacturer's instructions. The resin and hardener were bonded very slowly (to prevent matrix aeration). The reinforcing phase in the form of wood, mylar and coffee was added to the matrix thus prepared with appropriate mass proportion.

a)

b)

c)

Fig. The strengthening phase: a) Mylar in the form of cut particles; b) Oak wood in the form of sawdust; c) Arabica coffee ground.

The experimentally selected proportion of the reinforcing phase in the composite was set at the level: 5%, 10% and 20%. The 13 series of samples were obtained, differing in the amount of introduced reinforcement. The following research was carried out for the samples prepared: strength tests including hardness, impact strength and three-point bending tests, and microscopic examination. 3. RESULTS

Based on the research carried out that the addition of wood and mylar has a positive effect on the increase in strength properties of the developed composite materials. For composites with wood hardness increases by 20% and by 10% for composites with the addition of mylar in relation to pure epoxy resin. Composite materials with 10% wood addition are characterized by the highest impact strength. They outweigh the remaining sample series almost by 100%, and base (pure) samples by up to 400%. As a result of microscopic observations, it was found that composite materials reinforced by coffee and myler are characterized by the largest number of structure defects in the form of pores. Their occurrence is closely related to the production process, i.e. connecting components. The most favorable strength characteristics were obtained for samples with 10% mylar content. That samples after UV irradiation retain their increased strength properties and appear to be more resistant to UV exposure with respect to pure samples and that with other natural fillers.

4. CONCLUSIONS

Summing up the research, it can be stated that the addition of mylar, wood or coffee has a beneficial effect on

the strength properties of the resulting composite materials. Considering the light resistance of epoxy resins, the type of their application and the conditions in which they will be used should be taken into account. Thus, resins used as adhesives, coatings or reinforcing substances will behave differently, as well as indoors and outdoors, in a dry or humid atmosphere at low and high temperatures. Conducting comprehensive research (accounting all factors) for the UV resistance of composite materials allows to determine the lifetime of products manufactured from the tested materials in the conditions of the potential area of their application. In addition, the research is also cognitive in understanding the nature and mechanisms of degradation processes and is an indispensable element of work on the development and implementation for UV exploitation of new materials or their varieties modified by chemical or physical methods. LITERATURE 1. A. Bajpai A,K. Alapati B. Wetzel. Toughening and Mechanical Properties of Epoxy Modified with Block Co-

polymers and MWCNTs, Procedia Structural Integrity Volume 2, 2016, Pages 104-111. 2. Fan-Long Jina, XiangLib, Soo-Jin Parkc, Synthesis and application of epoxy resins: A review, Journal of

Industrial and Engineering Chemistry, Volume 29, 25 September 2015, Pages 1-11. 3. J. F. Rabek, Polimery otrzymywanie, metody badawcze, zastosowanie, Wydawnictwo Naukowe PWN,

Warszawa, 2013.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Structure analysis of AlCu4MgSi alloy continuous ingots processed by ECAP P. M. Nuckowski a, P. Snopiński a, T. Wróbel b a Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Engineering Materials and Biomaterials b Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Foundry Engineering, email: pawel.nuckowski@polsl.pl Abstract: The presents research was focused on the precise determination of structure of AlCu4MgSi alloy continuous ingots processed by equal channel angular pressing. Before plastic deformation ccontinuous ingots were subjected to heat treatment involving supersaturation. It has been shown that the grain size has decreased and its morphology has changed after ECAP process, as well as hardness increased. Keywords: AlCu4MgSi alloy, continuous casting ingot, equal channel angular pressing (ECAP), plastic deformation, microstructure analysis 1. INTRODUCTION Among the currently used engineering materials, Al-Cu alloys have wide-ranging industrial applications. Due to their very good strength-to-weight ratio, they are used in different industrial branches, such as automotive, aircraft, construction, and energy industry. In this work was an attempt to processing of Al-Cu alloy continuous ingots by using ECAP method. The equal channel angular pressing (ECAP) technique has been widely investigated in recent years as the most promising SPD method. In this process, the sample is pressed through a die that consists of two channels, which are equal in their cross-sections, intersecting at the ϕ angle. The final products are characterised by higher mechanical strength in comparison to the ones having a coarse-grained microstructure [1, 2]. 2. EXPERIMENTAL PROCEDURE

AlCu4MgSi alloy ingots 30 mm in diameter, were produced using an aluminum alloys horizontal continuous casting test stand, located in the technological laboratory of the Department of Foundry Engineering at Silesian University of Technology. The casting was carried out employing sequential ingot extraction with average casting speed 40mm/min. The temperature of cooling water in the crystallizer was between 45 and 55oC at set flow rate in range 0.5 ÷1.2 l/min [1].

Continuous ingots were subjected to heat treatment involving supersaturation at 525oC for 3 hours and next cooling down in the water.

Equal channel angular pressing (ECAP) process was conducted at room temperature using a 1600 kN capacity hydraulic press. Samples 20 mm in diameter, were processed with a constant deformation rate of 2 mm/s via route A (without any rotation). AlCu4MgSi alloy samples were processed using 120° ECAP die which equals to the strain of ~0.6 per pass. 3. RESULTS

Samples in the initial state (continuous ingots) are characterized by dendritic structure, with precipitates of non-equilibrium, mainly θ-Al2Cu and β-Mg2Si, phases which was confirmed by EDS examinations and X-ray diffraction studies. On the samples cross-sections, mostly equiaxed grains of irregular shapes, and a low number of small grains (chill crystals), located in the outer ingot zone, were observed. The microscopic observations (Fig. 1, 2) shown significant difference between the initial ingot structure and ECAP processed AlCu4MgSi alloy sample. The grain size has decreased and its morphology has changed after ECAP process. Some deformation

118 P.M. Nuckowski, P. Snopiński, T. Wróbel

shear bands are identified in the interior of initial grains. It can be concluded that these bands are the result of strengthening and block most privileged slip systems and the gradual launching new, which leads to creation of quasi‐periodical structure. SEM observation (fig. 3) was shown that the initial structure of precipitates in form of lattice in the interdendritic regions has been preserved, as well as isolated precipitates of non-equilibrium phases.

Fig. 1. Structure of the AlCu4MgSi alloy continuous

ingot (initial state before heat treatment) Fig. 2. Structure of the AlCu4MgSi alloy continuous

ingot after ECAP process

Fig 3. Structure of the AlCu4MgSi alloy after heat treatment and ECAP processed (SEM) with chemical composition analysis EDS, maps for: a) Al, b) Cu, c) Si, d) Mg, e) Mn, f) Fe 4. CONCLUSIONS 1. Structure investigation of equal channel angular pressed AlCu4MgSi ingots showed that the grain size has

decreased and its morphology has changed after ECAP process. Initial structure of precipitates in form of lattice in the interdendritic regions has been preserved, as well as isolated precipitates of non-equilibrium phases.

2. Plastic deformation of AlCu4MgSi alloy ingot using ECAP process, leads to hardness increases from 68 HV to 115HV after one pressing.

LITERATURE 1. P. M. Nuckowski, T. Wróbel, The influence of variable parameters of horizontal continuous casting on the

structure of AlCu4MgSi alloy ingots, Archives of Foundry Engineering 18/1 (2018) 196-202. 2. P. Snopiński, T. Tański, Improving of the workability of heat treated AlMg5 aluminum alloys subjected to

the equal channel angular pressing through inter-pass annealing, Materialwiss. Werkstofftech 49 (2018) 513–521.

a) b) c)

d) e) f)

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Rola naprężeń cieplnych w elementach instalacji energetycznych w procesie uszkodzeń ich materiałów

J. Okrajni Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Instytut Inżynierii Materiałowej email: jerzy.okrajni@polsl.pl Streszczenie: W pracy przedstawione zostaną rezultaty badań elementów konwencjonalnych instalacji bloków energetycznych po wielu latach ich eksploatacji. Omówione zostaną przebiegi zmian w czasie ich parametrów użytkowania w tym ciśnienia, temperatury oraz natężenia przepływu pary. Na tej podstawie zaprezentowane zostanie zagadnienie formułowania warunków brzegowych do analizy pól temperatury, naprężeń i odkształceń w wybranych elementach o złożonym kształcie. Abstract: The paper will present the results of research on elements of conventional power plants after many years of their operation. The course of changes in the time of their operation parameters including the pressure, temperature and steam flow rate will be discussed. On this basis, the issue of formulating boundary conditions for the analysis of temperature fields, stresses and strains in selected elements with a complex shape will be presented. Słowa kluczowe: Power plant components, operation characteristics, boundary conditions, thermal and mechanical loading, heat transfer, thermal stresses Opracowanie przedstawia metodę badania lokalnego procesu odkształcania wybranego elementu instalacji energetycznej poddanej oddziaływaniu zmiennej temperatury oraz obciążenia mechanicznego. Przedstawiono w nim przykład opisu procesu odkształcania kolana rurociągu (rys. 1a) dla uproszczonych charakterystyk zmian temperatury (rys. 1b) i ciśnienia wewnętrznego pary. Posłużono się metodą elementów skończonych obliczając rozkłady temperatury, składowych stanu naprężenia i odkształcenia oraz ich przebiegi w funkcji czasu dla wybranych punktów kolana (rys.1c, 2a, 2b).

a) b) c)

A

Rysunek 1. Przykład elementu poddanego oddziaływaniu obciążenia mechanicznego i cieplnego –a); uproszczony przebieg obciążenia cieplnego - temperatury pary przepływającej przez rozpatrywany element –b); przebiegi zmian temperatury na powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej elementu w jego środkowej części –c) Figure 1. The example of component under mechanical and thermal loading –a); simplified diagram of thermal loading – steam temperature flowing inside the component –b); diagram of temperature versus time on the inner and outer surfaces in its central part –c)

120 J. Okrajni

a) b)

Rysunek 2. Przebiegi zmian w czasie naprężenia i odkształcenia obwodowego w wybranym punkcie A (rys.1a) Figure 2. Hoop stress versus time and hoop strain versus time diagrams in the chosen point A (Fig.1a) Wyznaczone zostały również przebiegi zależności pomiędzy odkształceniem i nieprężeniem (rys. 3a). Szczególną uwagę zwrócono na związek pomiędzy przyjmowanymi warunkami brzegowymi i rezultatami obliczeń w kontekście możliwości walidacji modeli komputerowych w oparciu o wyniki badań temperatury w wybranych punktach elementów instalacji. Stwierdzono istotny wpływ współczynnika wnikania ciepła na przebiegi zmian w czasie naprężenia i odkształcenia oraz na charakterystyki procesu odkształcania w postaci pętli histerezy (rys.3a).

a) b)

Rysunek 3. Charakterystyka odkształcania wyznaczona dla punktu A –a) oraz parametry tej charakterystyki obliczone dla wybranych wartości współczynnika przejmowania ciepła –b) Figure 3. Stress-strain curve calculated for the point A –a) and the parameters of this curve calculated for the different values of the heat transfer coefficient –b) Wyznaczone w pracy charakterystyki wykazują istotną rolę naprężeń cieplnych w procesie powstawania uszkodzeń elementów urządzeń energetycznych. Praca przedstawia metodę ich wyznaczania, której zastosowanie w przypadku konkretnego obiektu umożliwia określenie parametrów decydujących o intensywności lokalnych procesów zmęczenia materiałów. Parametry te mogą być obliczane dla wyznaczonych w warunkach przemysłowych parametrów pracy urządzenia, których przebiegi zazwyczaj różnią się od przyjmowanych podczas projektowania. Tak więc zastosowana metoda może stanowić uzupełnienie stosowanych obecnie w przemyśle sposobów oceny aktualnego stanu urządzeń, które opierają się w głównej mierze na charakterystykach pełzania i badaniu struktury materiałów. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń można zauważyć istotne znaczenie oddziaływań o charakterze zmęczeniowym, które okazują się niezmiernie ważne z uwagi na coraz częściej występujące cykliczne obciążenia instalacji energetycznych [1,2]. LITERATURA 1. Farragher T.P., Scully S.O., O’Dowd N.P., and Leen S.B. Development of life assessment procedures for

power plant headers operated under flexible loading scenarios. Int. J. Fatigue, 50:61, 2013. 2. Okrajni J., Twardawa M.. Local Strains That Lead to the Thermo-mechanical Fatigue of Thick-walled Pressure Vessels.

Materials Performance Characterization ASTM International, 244:261, 2014.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Microstructure and strain hardening behavior of solution heat-treated low-C high-Mn steel with increased Ti microaddition M. Opiela a, G. Fojt-Dymara b, W. Borek a, A. Grajcar a

a Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Engineering Materials and Biomaterials, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice, Poland b Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Engineering Processes Automation and Integrated Manufacturing Systems, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice, Poland email: marek.opiela@polsl.pl Abstract: The low-carbon high-Mn austenitic steel microalloyed with titanium was investigated in the work. The steel was solution heat-treated at different temperatures in a range from 900 to 1200°C. The aim was to receive a different grain size before a static tensile test performed at room temperature. The samples of different grain size showed the different strain hardening behavior and resulting mechanical properties. Correlations between the grain size and major strengthening mechanism were addressed. keywords: high-Mn steel, microstructure, solution heat treatment, strain hardening, mechanical properties 1. INTRODUCTION The second generation of advanced high-strength steels (AHSS) combines effectively high strength and ductility as well as formability. The Twinning Induced Plasticity (TWIP) steels belong to a group of high-manganese austenitic alloys but are cheaper when compared to Cr-Ni stainless steels. Their major advantage is the great susceptibility of the austenitic phase on plastic deformation, during which dislocation glide, mechanical twinning and/or strain-induced martensitic transformation can occur. The group of high-manganese steels includes alloys containing from 15 to 30% Mn content [1]. Two major chemical composition strategies had been so far elaborated. The first one includes the alloys with a different Mn concentration and 0.5 to 1% C [2]. The function of carbon is to stabilize the γ phase and to harden the solid solution. In the second group, the content of carbon is decreased below 0.1%, whereby there is an addition up to 4% Al and/or 4% Si [3]. The solid solution strengthening caused by the presence of Al and Si compensates a smaller C content. Sometimes, the high-Mn steels can be alloyed by chromium or microadditions of Nb, Ti, V and B. These additions affect the stacking fault energy (SFE) of the alloy and thus a major strengthening mechanism [4].

The strain hardening behavior and final mechanical properties of the high-Mn steels depend on structural processes occurring during cold deformation, which are dependent on the SFE of the austenite. The SFE is strongly dependent on the temperature and chemical composition. In general, the stacking fault energy increases with increasing temperature and Al, Cu contents whereas Cr and Si decrease it. If the SFE is from 12 to 20 mJm-2, a partial transformation of the austenite into martensite occurs, taking advantage of the TRIP effect [5]. The SFE from 20 to 60 mJm-2 determines intensive mechanical twinning related to the TWIP effect. At SFE values higher than about 60 mJm-2, the partition of dislocations into Shockley partial dislocations is difficult, and therefore the glide of perfect dislocations is the dominant deformation mechanism. A high impact on the dominating deformation mechanism have also the temperature, strain rate and grain size [6]. Hence, the aim of the work is to produce steels of various grain size through a solutioning heat treatment and to assess the effect of grain size on the strain hardening behavior and resulting mechanical properties of low-C high-Mn steel microalloyed with titanium.

122 M. Opiela, G. Fojt-Dymara, W. Borek, A. Grajcar

2. EXPERIMENTAL PROCEDURE The high-Mn steel containing 0.054%C, 24.4%Mn, 3.5%Si, 1.6%Al, 0.0039%N, 0.029%Nb and 0.075%Ti was investigated in the work. The samples were solution heat-treated at various temperatures: 900, 1000, 1100 and 1200°C to produce a different grain size. The samples were subjected to a static tensile test at room temperature. The microstructure was characterized by light microscopy and scanning electron microscope. A volume fraction of the austenite and other phases was measured by X-ray diffractometer. 3. RESULTS The microstructures produced after the solution heat treatment are shown in Figure 1. The grain size increases with increasing the temperature from 900 to 1200°C. At the lowest solutioning temperature an almost pure austenitic phase is present. At the higher temperatures a microstructure consists of two phases: austenite and a second plate-like phase are present. The XRD showed that the second phase is ε-martensite. The formation of the phase is a result of the change in a grain size. The larger grain size is the higher trend to form the ε-martensite is. The different microstructure affects the strain hardening behavior. On the one hand the higher grain size promotes twinning, on the other hand the presence of ε-martensite deteriorates ductility for higher solutioning temperatures.

Figure 1. The microstructure of the steel solution heat-treated at 1000°C (a) and 1100°C (b) 4. CONCLUSIONS It was shown that the solutioning temperature affects significantly a grain size and strain hardening behavior of the investigated low-C high-Mn steel microalloyed with titanium. The mechanical properties are a compromise between an intensity of mechanical twinning and the amount of ε-martensite plates stimulated by a grain size. Acknowledgments: The financial support of the National Science Center, Poland, is gratefully acknowledged, grant no. 2017/27/B/ST8/02864. LITERATURE 1. G. Frommmeyer, U. Brüx, P. Neumann, Supra-ductile and high-strength manganese-TRIP/TWIP steels for

high energy absorption purpose, ISIJ International 43 (2003) 438-446. 2. O. Grässel, L. Krüger, G. Frommmeyer, L.W. Meyer, High strength Fe-Mn-(Al,Si) TRIP/TWIP steels

development – properties – application, International Journal of Plasticity 16 (2000) 1391-1398. 3. S. Allain, J.P. Chateau, O. Bouaziz, A physical model of the twinning-induced plasticity effect in a high

manganese austenitic steel, Materials Science and Engineering A 387-389 (2004) 143-147. 4. L.A. Dobrzański, A. Grajcar, W. Borek, Microstructure evolution and phase composition of high-manganese

austenitic steels, Journals of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 31 (2008) 218-224. 5. S. Vercammen, B. Blanpain, B.C. Cooman, P. Wollants, Mechanical behavior of an austenitic Fe-30Mn-3Al-

3Si and importance of deformation twinning, Acta Materialia 52 (2004) 2005-2012. 6. J. Adamczyk, A. Grajcar, Structure and mechanical properties of DP-type and TRIP-type sheets, Journals of

Materials Processing Technology 162-163 (2005) 267-274.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Metody odtleniania proszków na bazie tytanu i jego stopów otrzymywanych po przerobie złomów w procesie sferoidyzacji M. Osadnika, K. Kustra, M. Lis, M. Kamińska, J. Mazur Sieć Badawcza ŁUKASIEWICZ - Instytut Metali Nieżelaznych, Zakład Materiałów Proszkowych i Kompozytowych a email: malgorzata.osadnik@imn.gliwice.pl Streszczenie: W artykule opisano próby przerobu złomów tytanowych. Odpady przemysłowe w postaci wiórów tytanowe zostały uwodornione, zmielone, odwodornione (proces HDH) a następnie poddane obróbce plazmowej. Dobór odpowiedniego czynnika redukującego podczas obróbki cieplnej spowodował ograniczenie zawartości tlenu. Proces sferoidyzacji przyczynił się do polepszenia jakości otrzymanego produktu wymaganej w technologii druku 3D. Abstract: The article describes the experiments of processing of titanium scraps. The industrial waste in the form of titanium scraps were hydrogenated, milled, dehydrogenated (HDH process) and subsequently subjected to plasma treatment. An appropriate reducing agent was chosen in order to limit the oxygen content. The spheroidization process improved the quality of obtained product required for Additive Manufacturing technology. Słowa kluczowe: metalurgia proszkowa, wióry tytanowe, sferoidyzacja, odtlenienie 1. WSTĘP

Rozwój technologii 3D w ostatnich latach przyczynił się do zwiększenia zużycia proszkowych materiałów metalicznych. Szczególnym zainteresowaniem cieszą się proszki tytanu i jego stopy. Ze względu na wysokie koszty zakupu proszków tytanowych przerób złomów tytanowych jest ważnym zagadnieniem. Niestety głównym źródłem zanieczyszczenia otrzymywanych produktów jest tlen [1-3]. Jego zawartość może wpływać na własności fizyczne i mechaniczne. Wysokie stężenie tlenu powoduje wiele problemów w druku 3D. Ma to ogromny wpływ na proces konsolidacji proszków co prowadzi do obniżenia gęstości końcowego produktu. W związku z tym konieczne jest opracowanie technologii zmniejszającej poziom jego zawartości.

2. BADANIA

Technologia produkcji sferycznych proszków z wiórów, a także drobnych skrawków, powstałych w

wyniku formowania i cięcia cienkich arkuszy składa się z następujących etapów: prasowanie, uwodornienie, mielenie, odwodornienie, sferoidyzacja[1-2]. Schemat procesu przedstawiony jest na rysunku nr 1.

Rysunek 1. Schemat przerobu skrawków w sferyczne proszki Figure 1. Diagram of processing of scraps into spherical powders

124 M. Osadnik, K. Kustra, M. Lis, M. Kamińska, J. Mazur

Rysunek 2. Instalacja pilotowa do sferoidyzacji plazmowej proszków

Figure 2. Pilot installation for plasma spheroidization of powder materials

Przed procesem sferoidyzacji podczas obróbki cieplnej dodawano czynnika redukującego powodującego obniżenie zawartości tlenu w produkcie końcowym. Po procesie sferoidyzacji powstały proszek poddawano procedurze płukania celem usunięcia powstałych zanieczyszczeń.

Rysunek 3. Morfologia proszku po procesie atomizacji plazmowej Figure 3. Morphology of powder subjected to plasma atomization LITERATURA 1. K.-M. Roh, Ch.-Y. Suh, J.-M. Oh, W. Kim, H. Kwon, J.-W. Lim, Comparison of deoxidation capability for

preparation of low oxygen content powder from TiNi alloy scraps, Powder Technology 253 (2014) 266-269 2. J.-M. Oh, B.-K. Lee, C.-Y. Suh, S.-W. Cho and J.-W. Lim, Preparation method of Ti powder with oxygen

concentration of <1000 ppm using Ca, Powder Metallurgy, 55:5 (2012), 402-404.

3. P. Sun, Z. Z. Fang, Y. Xia, Y. Zhang, Ch. Zhou, A Novel Method for Production of Spherical Ti-6Al-4V Powder for Additive Manufacturing, Powder Technology 301 (2016) 331-335

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Teksturowanie laserowe spiekanych materiałów narzędziowych D. Pakułaa, M. Staszuka, M. Dziekońskaa, P. Kožmínb, A. Čermákb

a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Polska email: daniel.pakula@polsl.pl b HOFMEISTER s.r.o, Daimlerova 9, 301 00 Pilsen, Czechy Streszczenie: Celem pracy jest przedstawienie wpływu obróbki powierzchniowej materiałów narzędziowych za pomocą teksturowania laserowego na strukturę i właściwości węglika spiekanego i sialonu. Przedstawiono obszerne badania z wykorzystaniem skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM), badania morfologii za pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM) oraz mikroskopu konfokalnego, a także badania składu chemicznego wytworzonych materiałów za pomocą spektrometru dyfrakcji rentgenowskiej (EDS). Ponadto zbadano właściwości eksploatacyjne, w tym odporność na ścieranie metodą „pin on disc” oraz chropowatość. Stwierdzono, że teksturowanie laserowe zapewnia odpowiednią modyfikację struktury, poprawiając właściwości trybologiczne badanych materiałów. Abstract: The purpose of this paper is to show the effect of surface treatment of tool materials using laser texturing on the structure and properties of cemented carbides and sialon ceramics. The tests were made on multi-point inserts subjected laser texturization and honeycomb-like texture were obtained. Comprehensive investigations were made in the scanning electron microscope (SEM), morphology was examined by the use of atomic forces microscope (AFM) and confocal microscope as well as investigations of chemical composition of deposited coating using energy-dispersive X-ray spectrometer (EDS). Moreover, exploitative properties, including wear resistance using the "pin on disc" method and roughness were also tested. It was found that the laser texturing provides a suitable modification of the structure improving tribological properties. Słowa kluczowe: Cemented carbides; Sialon tool ceramics; Laser texturing; LIPSS 1. WSTĘP

W wielu pracach naukowych z ostatnich lat wykazano, że stosowanie teksturowania laserowego powierzchni różnych materiałów inżynierskich przyczynia się do poprawy własności tych materiałów. Laserowe teksturowanie powierzchni, polegające na lokalnym i krótkotrwałym działaniu termicznym lub fotochemicznym zogniskowanej odpowiednio profilowanej wiązki laserowej powoduje utworzenie tzw. struktury LIPSS - Laser Induced Periodical Surface Structures. Badania nad tą strukturą LIPSS ciągle trwają a fizykochemiczne mechanizmy tworzenia się tej struktury nie zostały do końca wyjaśnione i nadal są przedmiotem dyskusji naukowej. Nanozmarszczki LIPSS w znaczący sposób wpływają na poprawę własności warstw wierzchnich materiałów inżynierskich. Znalazły one szerokie zastosowanie w fotonice, biomedycynie, w przekazywaniu ciepła, zwilżalności, trybologii i w innych obszarach [1-5].

Koncepcja prezentowanej pracy zakłada zbadanie wpływu teksturowania laserowego powierzchni materiałów narzędziowych na strukturę i własności eksploatacyjne spiekanych materiałów narzędziowych – węglika spiekanego H10S oraz ceramiki sialonowej. Mikrostrukturę laserową o geometrii plastra miodu wykonano przy użyciu lasera impulsowego w firmie Hofmeister w Pilznie (Czechy). Koncepcja, parametry pracy lasera oraz geometria powstałej mikrostruktury laserowej są chronione w Europie patentami o numerach: Patent - no č. 30 072, (2016) w Czeskiej Republice; Patent - no 20 2017 104 373 (2017) w Niemczech.

126 D. Pakuła, M. Staszuk, M. Dziekońska, P. Kožmín, A. Čermák

2. WYNIKI BADAŃ I ICH OMÓWIENIE

W ramach przeprowadzonych badań na skaningowym mikroskopie elektronowym potwierdzono, powstanie mikrostruktury przypominającej plaster miodu w skali mikro oraz występowanie mirkozasobników smarnych. Ponadto szczegółowe badania pozwalają stwierdzić, że selektywne teksturowanie laserowe warstwy powierzchniowej badanych materiałów narzędziowych powoduje rozdrobnienie mikrostruktury w obrębie oddziaływania wiązki lasera. Te charakterystyczne rozwinięcie powierzchni jest nazywane jako indukowane laserowo okresowe struktury powierzchniowe (LIPSS), nazywane krótko nanozmarszczkami. Widoczna tekstura nanokrystaliczna charakteryzuje się jednakowym kształtem i zbliżoną szerokością powstałych nanozmarszczek LIPSS. Zaobserwowano również, że nanozmarszczki te wykazują orientację względem pewnego kierunku- czyli tzw. teksturę krystaliczną osiową (rys. 1).

a)

b)

Rysunek 1. Mikro/nanostruktura laserowa na węglikach spiekanych Figure. 1. Laser micro/nanostructure on cemented carbide

Z wykonanych testów odporności na zużycie ścierne badanych materiałów narzędziowych metodą „pin-on-disc” wynika, że teksturowanie laserowe poprawia własności trybologiczne. Szerokość wytarcia węglika spiekanego przed teksturowaniem laserowym wynosi 620µm natomiast po teksturowaniu laserowym 500um. Z kolei Szerokość wytarcia sialonu przed teksturowaniem laserowym wynosi 590µm po teksturowaniu laserowym 450µm. Dla wszystkich badanych materiałów dochodzi do przywierania uszkodzonej powierzchni oraz materiału zastosowanej przeciwpróbki. Najbardziej materiał przeciwpróbki przywiera do ceramiki sialonowej ze względu na topografie powierzchni, co potwierdziła punktowa mikroanaliza składu chemicznego EDS z badanego obszaru. Wytarcie na powierzchniach badanych materiałów po teksturowaniu laserowemu jest bardziej równomierne wzdłuż obrzeży śladu trybologicznego. Zauważono również że powstała mikro/nano struktura zmniejsza powierzchnię styku z materiałem przeciw próbki przyczyniając się tym samym do zmniejszenia głębokości wytarcia.

LITERATURA 1. D. Pakuła, M. Staszuk, M. Dziekońska, P. Kožmín, A. Čermák, Structure and properties of coating obtained

by Chemical Vapour Deposition with the laser microstructuring, Vacuum, 154 (2018) 272–284. 2. D. Neves, A.E. Diniz, M.S.F. Lima, Microstructural analyses and wear behavior of the cemented carbides

tools after laser surface treatment and PVD coating, Applied Surface Science, 282 (2013) 680–688. 3. P. Gregorcic, M. Sedlacek, B. Podgornik, J. Reif, Formation of laser-induced periodic surface structures

(LIPSS) on toolsteel by multiple picosecond laser pulses of different polarizations, Applied Surface Science, 387 (2016) 698–706.

4. S.K. Mishra, S. Ghosh, S. Aravindan, 3D finite element investigations on textured tools with different geometrical shapes for dry machining of titanium alloys, International Journal of Mechanical Sciences, 141 (2018) 424–449.

5. M.A. Arenas, J.I. Ahuir-Torres, I. Garcia, H. Carvajal, J. de Damborenea, Tribological behaviour of laser textured Ti6Al4V alloy coated with MoS2 and Graphene, Tribology International, 128 (2018) 240–247.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Transmission electron microscopy observation of strain and phase transformation in plastically deformed CoCr alloys M. Pawlytaa, B. Sobela, G. Matulaa, B. Tomiczeka a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych email: miroslawa.pawlyta@polsl.pl Streszczenie: Tematem artykułu jest przedstawienie wyników obserwacji TEM i ich interpretacji dla stopów Co-Cr, wytwarzanych przez spiekanie laserowe i poddawanych obróbce cieplnej lub odkształceniu plastycznemu. Celem prowadzonych badań jest potwierdzenie możliwości poprawy rozdzielczości przestrzennej obecnie stosowanych metod oraz zwiększenie zakresu uzyskiwania danych ilościowych.

Abstract: The subject of the article is to present the results of TEM observations and their interpretation for chromium alloys subjected to heat treatment and plastic deformation. The aim of the conducted research is to confirm the possibility of improving the spatial resolution of currently used methods and to increase the range of obtaining quantitative data. Słowa kluczowe: laser sintering technology, plastic deformation, transmission electron microscopy

Material science studies the relationship between the structure and properties of materials. Due to practical aspects, it is necessary to understand how the deformation of solids depends on the material structure at the atomic level. Understanding of mechanical properties requires taking into account the deviation of the atoms in real crystal from its ideal equilibrium position, i.e. defects of the crystal structure [1]. This is an extremely difficult issue, due to the complexity of the arrangement of atoms in real crystals. Because of the huge number of structural defects (like dislocations in plastically deformed metal alloys), their individual analysis is ineffective. An obstacle in using the statistical approach is the extended relaxation time of molecular processes taking place in solids. The issue of strengthening metals during plastic deformation is particularly important in relation to new technologies, like laser sintering. Compared with traditional technologies, the highly localised melting and ultrafast cooling rate enable to obtain parts with extraordinary non-equilibrium microstructures and outstanding mechanical properties [2]. The purpose of the presented work is to develop methods which facilitate characterisation of structural defects in metal alloys formed using laser sintering technology.

The test material was cobalt alloys obtained from metal powders using DLMS (Direct Metal Laser Sintering). Structure of samples after different heatthermal treatment as well as changes in structural defects as a result of deformation were analysed. A probe Cs-corrected FEI S/TEM TITAN operated at 300 kV with 22 mrad semiconvergence angle was used for STEM imaging.

The structure of Co-Cr alloys contains two main phases (Fig. 1a). At high temperatures, Co-Cr alloys have a cubic structure (γ) that converts into hexagonal (ε) at lower (<900°C) temperatures. The cubic phase causes brittleness, the increase in the proportion of the ε phase is responsible for the increase in ductility. Observed large improvements in the mechanical properties of the fast cooled alloys may arise from the underlying plastic accommodation and hardening processes. Prior to deformation, a large number of stacking faults can be identified. Stacking faults constitute thin plates (several atomic monolayers of stacking faults), which act as the nuclei for second phase, which is formed through the overlapping of stacking faults, when subjected to externally applied mechanical loads.

To identify faults in the stacking sequence, high resolution images were recorded and next determination of centro-symmetry parameters for each atomic column was performed (Fig. 1b, c). Spherical aberration correction of

128 M. Pawlyta, B. Sobel, G. Matula, B. Tomiczek

the probe-forming lens in modern microscopes enables atomic scale imaging and atomic resolution characterization can be obtained due to a sufficiently small electron probe and correct specimen-beam alignment. The key issue is the pure Z-contrast isolation from diffraction effects. A high angle annular dark-field (HAADF) detector collects electrons scattered at high angles. As the signal intensity arises from elastic Rutherford scattering, which is sensitive only to the atomic mass, in HAADF images the contrast is relatively unaffected by small changes in objective lens defocus and specimen thickness. Recorded images are simpler to interpret reliably (in comparison to phase-contrast imaging). After recording HAADF images with atomic resolution, centre of symmetry parameter was determined [3]. As determined parameter gives non-zero values when the original arrangement is lost (the crystal deviates from centro-symmetry), it can be used to indicate the atomic columns of stacking faults.

a) b) c)

Figure 2. HR TEM image of CoCr alloy structure (a). The method of determining the location of atomic columns in the HAADF image using the Machine Learning technology (b, c)

Increasing the spatial resolution of structure defect analysis of the materials studied was also achieved thanks

to the possibility of shaping the electron beam in an electron microscope [4]. As a result of the formation of a quasi-parallel electron beam with a small convergence semi-angle (of about 1 mrad) and the simultaneous use of the scanning mode, a diffraction images sets (structural metadata) were recorded (Fig. 2) from volumes limited by electron beam diameter (less than 10 nm). An open-source library for crystallographic electron microscopy PyCrystEM was used for indexation and orientation mapping [5], with spatial resolution better than can be obtained at SEM using EBSD technique.

Figure 2. Selected nanobeam electron diffraction patterns collected at areas indicated at HAADF image of CoCr

Structure of metal alloys formed using new technologies (for example laser sintering) can be characterized with better spatial resolution using advanced methods of TEM imaging and analysis. The purpose of such effort is to explain their outstanding mechanical properties. Additionally, obtained results can be applied for characterisation of strain and phase transformation in plastically deformed metal alloys

References 1. Vorontsov, V. A., Kovarik, L., Mills, M. J., & Rae, C. M. F. (2012). High-resolution electron microscopy of dislocation ribbons in a CMSX-4 superalloy single crystal. Acta Materialia, 60(12), 4866-4878. 2. Lewandowski, J. J., & Seifi, M. (2016). Metal additive manufacturing: a review of mechanical properties. Annual review of materials research, 46, 151-186 3. Li J. Central symmetry parameter. <http://mt.seas.upenn.edu/ Archive/Graphics/A/Doc/ CentralSymmetry.pdf>. Part of AtomEye online manual (August 2003). 4. Béché, A., Rouvière, J. L., Clément, L., & Hartmann, J. M. (2009). Improved precision in strain measurement using nanobeam electron diffraction. Applied physics letters, 95(12), 123114. 5. de la Peña, F., Ostasevicius, T., Fauske, V. T., Burdet, P., Jokubauskas, P., Nord, M., ... & Caron, J. (2017). Electron microscopy (Big and Small) data analysis with the open source software package HyperSpy. Microscopy and Microanalysis, 23(S1), 214-215.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Numerical prediction of charge welds and coring defects in extruded profiles R. Pelaccia a, B. Reggiani a, L. Orazi a, L. Donati b aUniversity of Modena and Reggio Emilia, Department of Sciences and Methods for Engineering, Reggio Emilia, Italy, riccardo.pelaccia@unimore.it; barbara.reggiani@unimore.it, leonardo.orazi@unimore.it bUniversity of Bologna, Department of Industrial Engineering, Bologna, Italy l.donati@unibo.it ; Abstract: The extruded profiles are marked by different types of defects, some of which are of primary importance for structural applications since they influence the final mechanical properties of the product. Specifically, charge,welds, together with the billet skin, represent potential scathe for the extruded profile if not properly predicted and ruled. In this work, a comparison between the experimental campaign and the simulation results are presented with the aim to evaluate the potentiallity of the numerical model in terms of prediction and optimization of the discarded lenght, thus limiting time-consuming and cost-intensive process of the experimental test. Keywords: Billet skin, Charge weld . Extrusion . Scrap minimization . FEM 1.EXTENDED ABSTRACT The hot aluminum extrusion is a manufacturing process that exploits the good deformation of the material at high temperature to obtain solid and hollow profiles with complex section. Nowadays, the aluminum profiles are used in many fields, such as furniture design, railway transportation, automotive and aerospace due to their high ratio strength per density and good corrosion resistance [1]. In this context, the necessity to obtain sound products at reduced costs to be competitive on the market requires the careful assessment of the defects in terms of scrap reducing. This work is focused on the analysis of billet skin and charge welds defects in the extrusion of industrial hollow profiles. Because of billet manufacturing process, the billet skin might have a microstructure with lower mechanical properties, due to the presence of impurities such as oxides, dust, oil, which might enter into the extruded profile with the consequence of the products scrap [2]. Charge welds are intrinsic product defects generated during the continuous extrusion of metallic materials [2-3]. The old\new billet interface contains impurities like that present in the billet skin, which are extruded within the profile. Charge welds extend in the extrusion direction before the stop-mark (figure 1a), which is an evident mark on the profile surface generated by the material adhesion on the bearing zones during the billet change. Charge welds are considered extinguished when the new billet material covers the 99% of the profile surface. Both billet skin and charge welds give rise the scrap of the profile, due to the low mechanical properties owned where the defects are presented. About the billet skin, due to the friction between the container and the billet, it adheres at the container and it is dragged to the end of the billet during the ram stroke (figure 1b). Using a billet butt sufficiently long, the billet skin does not enter in the profile, but it clearly emerges that it is necessary to optimize the butt length to avoid the defects without an excessive discarded material. In the same way, it is necessary to choose the right profile length from the stop-mark to scrap for the charge welds defects. In this context, the experimental campaign was performed, extruding seventeen AA6060 billets in different condition of ram speed and billet butt length. In figure 2a, an example of the charge welds and billet skin, found in the hollow profile analysed, are showed. Each specimen, with length of 10 cm in the extrusion direction, was ground and etched in sodium hydroxide solution, 20% in H2O to make visible the defects in the cross section profile, due to the chemical reaction of the solution with the ferric oxides presented in the skin and in the charge.

130 R. Pelaccia, B. Reggiani, L. Orazi, L. Donati

Figure 1 The charge welds a) and the billet skin b)

The charge welds defects started about at 1000 mm far from the stop-mark and finished to 2500 mm from the stop-mark for the analysed profiles. About the billet skin, we have found a defect extension from the stop-mark equal to 2000 mm with a billet butt length of 34mm, while the billet butt length of 49 mm have caused the lack of the defect in the profile. The evolution of the charge welds depends principally from the die design, the behaviour of the material flow through the die and from the extrusion speed. In this sense, the achieved conclusions are circumscribed to the specific investigated geometry and the experimental campaign is a time and cost consuming activity. Thus, the use of numerical approaches might support the understanding and prediction of the charge weld phenomenon, allowing investigating many different die designs for a specific profile in a reduced time with respect to an experimental campaign. In this sense, also for the prediction of the billet skin behaviour is necessary to use a valid numerical model in order to optimize the process parameters as well as the billet butt length. In this work, a numerical model for the prediction of charge welds and billet skin are proposed. In the figure 2b, an example of the charge welds prediction is showed.

Figure 1 Analysis of the charge welds and billet skin defects: a) samples analysis after chemical attack b) charge welds prediction with FEM simulation The comparison between the numerical model and the experimental tests has demonstrated a good matching of the results in terms of the charge welds length prediction, as well as the influence of the billet butt length in the billet skin appearance through the extrudate. In terms of the charge welds, the results of the simulations are compared with the analysis approach and the industrial practice with the aim to highlight potentials and limits of each predictive method and to evaluate their applicability in the everyday industrial practice. The results have showed how the use of the analytical formulas and the industrial criteria based on the experience underestimates or overestimates the length of the defect extension, underlining the benefit of the numerical model prediction presented in terms of the optimization of the discarded length. REFERENCES 1. J.T. Staley, J. Liu, and W.H. Hunt, Aluminum Alloys for Aerostructures, Adv. Mater. Process, 1997, Vol.152

(4), pp. 17–20 2. B. Reggiani, A. Segatori., L. Donati, L. Tomesani, Prediction of charge welds in hollow profiles extrusion by

FEM simulations and experimental validation, Int. J Adv. Manuf. Technol., 2013, Vol. 69 (5–8), pp 1855–1872.

3. S. Lou, Y. et al, Analysis and Prediction of the Billet Butt and Transverse Weld in the Continuous Extrusion Process of a Hollow Aluminum Profile, Journal of Materials Engineering and Performance, 2017, Vol.26 (8), pp. 4121-4130

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ prędkości skanowania lasera na strukturę i właściwości mechaniczne stali 316L w technologii selektywnej laserowej mikrometalurgii proszków W. Pilarczyka, A. Radońb, W. Pakiełaa a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Materiałów Nanokrystalicznych i Funkcjonalnych oraz Zrównoważonych Technologii Proekologicznych b Institute of Non-Ferrous Metals, Sowińskiego 5 St., 44-100 Gliwice email: wirginia.pilarczyk@polsl.pl Słowa kluczowe: selective laser melting, steel, additive manufacturing Technologia selektywnego stapiania wiązką lasera (SLM, Selective Laser Melting) pozwala na otrzymywanie elementów metalowych o zdefiniowanym kształcie, których wykonanie metodami konwencjonalnymi jest utrudnione, ekonomicznie nieuzasadnione lub niemożliwe. Technologia ta pozwala również na precyzyjne drukowanie elementów trójwymiarowych o strukturze porowatej, ze ściśle ustaloną średnicą, kształtem oraz ilością porów [1]. Dodatkowo możliwe jest otrzymywanie materiałów o specjalnych właściwościach takich jak biokompatybilność [2] czy wysoka przenikalność magnetyczna [3]. Zmiana parametrów druku, takich jak moc lasera, hatch distance oraz prędkość skanowania pozwala wytwarzać materiały o odmiennej strukturze, w tym nanokompozyty oraz stopy amorficzne [4,5]. Wpływ parametrów wydruku na mikrostrukturę oraz właściwości mechaniczne stopów został opisany między innymi dla stopów tytanu, stopu Inconel 625 czystego żelaza oraz stopu Fe-35 Mn [6–8]. Celem pracy było wytworzenie próbek o geometrii walca i płytki za pomocą metody SLM oraz zbadanie wpływu prędkości skanowania wiązki laserowej na strukturę oraz własności mechaniczne stali 316L. Próbki w postaci płytek (20 mm x 10 mm x 1 mm) oraz walców (średnica 4 mm, wysokość 6 mm) przygotowano z wykorzystaniem drukarki SLM®125 firmy SLM Solutions Group AG. Próbki wydrukowano przy zmiennej prędkości druku wynoszącej odpowiednio 850, 700 oraz 500 mm/s. Przygotowane modele przedstawiono na rys.1.

Rysunek 1. Modele wydruków: a) model płytki b) model walca wraz z pinami oraz suportami

W celu pomiaru wielkości nieciągłości struktury jak i określenia kształtu ujawnionych defektów dokonano obserwacji metalograficznych przy pomocy mikroskopu świetlnego Axio Observer firmy Zeiss, skaningowego mikroskopu elektronowego Supra 35 firmy Zeiss oraz mikroskopu stereoskopowego. Statyczną próbę ściskania przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej Zwick/Roell Z020, natomiast pomiar twardości wykonano

132 W. Pilarczyk, A. Radoń, W. Pakieła

metodą Vickersa na twardościomierzu firmy FUTURE-TECH FM-700. Wybrane wyniki badań przedstawiono poniżej na rys.2.

Rysunek 2. Płytka wydrukowana z prędkością druku 500 mm/s (powierzchnia płytki)

Analiza struktury próbek ujawniła różnice geometrii otrzymanych „crescent shapes ”. Zwiększenie prędkości skanowania wiązką lasera skutkowało jednoczesnym wydłużeniem i zwężeniem „crescent shapes” na całej powierzchni badanej próbki. Analiza nie wykazała występowania innych defektów struktury takich jak pęknięcia czy wżery. Test wytrzymałości na ściskanie nie wykazał znaczących różnic we własnościach wytrzymałościowych badanych materiałów. Średnie naprężenie zmierzone przy 50% odkształceniu zawierało się w przedziale od 1494 MPa (V3) do 1579 MPa (V2). Podziękowania Publikacja została dofinansowana z dotacji statutowej Wydziału Mechanicznego Technologicznego Politechniki Śląskiej w roku 2019 oraz częściowo wspierana w ramach rektorskiego grantu w obszarze badań naukowych i prac rozwojowych. Politechnika Śląska, nr 10/010/RGJ19/0272. LITERATURA [1] M. Dallago, V. Fontanari, B. Winiarski, F. Zanini, S. Carmignato, M. Benedetti, Fatigue properties of

Ti6Al4V cellular specimens fabricated via SLM: CAD vs real geometry, Procedia Struct. Integr. (2017). doi:10.1016/j.prostr.2017.11.068.

[2] J.P. Luo, J.F. Sun, Y.J. Huang, J.H. Zhang, D.P. Zhao, M. Yan, Y.D. Zhang, Low-modulus biomedical Ti–30Nb–5Ta–3Zr additively manufactured by Selective Laser Melting and its biocompatibility, Mater. Sci. Eng. C. (2019). doi:10.1016/j.msec.2018.11.077.

[3] B. Zhang, N.E. Fenineche, L. Zhu, H. Liao, C. Coddet, Studies of magnetic properties of permalloy (Fe30%Ni) prepared by SLM technology, J. Magn. Magn. Mater. (2012). doi:10.1016/j.jmmm.2011.08.030.

[4] X.D. Nong, X.L. Zhou, Y.X. Ren, Fabrication and characterization of Fe-based metallic glasses by Selective Laser Melting, Opt. Laser Technol. (2019). doi:10.1016/j.optlastec.2018.07.059.

[5] B. AlMangour, D. Grzesiak, J.M. Yang, Nanocrystalline TiC-reinforced H13 steel matrix nanocomposites fabricated by selective laser melting, Mater. Des. (2016). doi:10.1016/j.matdes.2016.02.022.

[6] A.M. Khorasani, I. Gibson, M. Goldberg, G. Littlefair, A survey on mechanisms and critical parameters on solidification of selective laser melting during fabrication of Ti-6Al-4V prosthetic acetabular cup, Mater. Des. (2016). doi:10.1016/j.matdes.2016.04.074.

[7] C. Pleass, S. Jothi, Influence of powder characteristics and additive manufacturing process parameters on the microstructure and mechanical behaviour of Inconel 625 fabricated by Selective Laser Melting, Addit. Manuf. (2018). doi:10.1016/j.addma.2018.09.023.

[8] D. Carluccio, A.G. Demir, L. Caprio, B. Previtali, M.J. Bermingham, M.S. Dargusch, The influence of laser processing parameters on the densification and surface morphology of pure Fe and Fe-35Mn scaffolds produced by selective laser melting, J. Manuf. Process. (2019). doi:10.1016/j.jmapro.2019.03.018.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Własności kompozytu o osnowie z polipropylenu z napełniaczem w postaci węgla drzewnego M. Polok-Rubinec a, A. Włodarczyk-Fligier b, B. Chmielnicki c

a,bPolitechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Materiałów Konstrukcyjnych i Specjalnych email: magdalena.polok@polsl.pl cSieć badawcza Łukasiewicz, Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, ul. M. Skłodowskiej-Curie 55, 87-100, Toruń Streszczenie: W artykule opisano wytworzenie kompozytu o osnowie polipropylenowej z napełniaczem z węgla drzewnego metodą wytłaczania na wytłaczarce przeciwbieżnej dwuślimakowej. Przedstawiono wstępne wyniki pomiarów twardości oraz wytrzymałości na rozciąganie badanego kompozytu PP – węgiel drzewny. Abstract: The article presented the production of a polypropylene-based composite with a charcoal filler by extrusion on a twin screw extruder. Initial results of hardness and tensile strength measurements of the tested PP composite - charcoal are presented. Słowa kluczowe: kompozyty konstrukcyjne, PP, węgiel drzewny, metoda Shore’a, wytrzymałość na rozciąganie 1. WSTĘP

Rozwój przemysłu oraz wzrost zainteresowania materiałami polimerowymi w kierunku nowych zastosowań, wymusza badania nad doskonaleniem własności tworzyw poprzez ich modyfikację. Istotne znaczenie w modyfikacji tworzyw polimerowych mają napełniacze aktywne, które wpływają na poprawę własności mechanicznych, trybologicznych, reologicznych, cieplnych, dielektrycznych oraz chemicznych i przetwórczych Coraz większe znaczenie wśród materiałów konstrukcyjnych odgrywają kompozyty powstałe na bazie materiałów. polimerowych z dodatkiem napełniaczy w postaci proszków, włókien oraz nanododatków. Najczęściej stosowane napełniacze proszkowe to: sproszkowana mika, piasek kwarcowy, kreda, mączka kwarcowa, kaolin, grafit, mączka dolomitowa. Powszechnie stosowane nanododatki w kompozytach polimerowych to nanocząstki srebra i nanocząstki sadzy oraz odmiany alotropowe węgla – nanorurki węglowe i grafen. Do najczęściej stosowanych włókien zaliczamy włókna węglowe, szklane i ceramiczne – np. bazaltowe. W ostatnich latach z powodzeniem stosuje się również napełniacze węglowe, do których należą, różne odmiany sadzy i grafitu oraz węgiel kamienny, szungit, antracyt, które stanowią alternatywę dla drogich napełniaczy z nanorurek węglowych [9-13]. Napełniacze węglowe stosowane w matrycach polimerowych, wpływają na wzrost odporności polimerów na działanie ciepła, a także na czynniki środowiskowe i promieniowanie UV. W zależności od rodzaju napełniacza węglowego, można uzyskać pożądaną rezystywność skrośną i powierzchniową oraz własności magnetorestrykcyjne polimerów, a także wzrost własności mechanicznych. Materiały tego typu mogą być stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, wydobywczym i chemicznym [1-5].

2. METODYKA BADAŃ Badania wykonano na próbkach z kompozytu o osnowie z polipropylenu typu MOPLEN HP400R napełnionego proszkiem z węgla drzewnego o udziale procentowym: 10%, 20%, 30%, 40%, 50%. Mieszanki wytłaczano za pomocą przeciwbieżnej wytłaczarki dwuślimakowej Göetffert, o stosunku L/D= 25 wyposażonej w

134 M. Polok-Rubiniec, A. Włodarczyk-Fligier, B. Chmielnicki

głowicę do wytłaczania pręta o średnicy na wyjściu ø 3mm, zastosowano warunki: temp. I strefy 200°C, temp II strefy 220°C, temp. III strefy 230°C, temp. głowicy 240°C, obroty 6-8 obr/min. Wytłoczony granulat wtryskiwano na wtryskarce Battenfeld Plus 35/75 z systemem sterowania Unilog B2. Twardość badanych próbek wykonano metodą Shore’a skala D na twardościomierzu elektronicznym (durometr) firmy Zwick w temperaturze 22°C, odczyty pomiarów co 15s. Wytrzymałość na rozciąganie wytworzonych kompozytów zbadano na maszynie wytrzymałościowej firmy Zwick/Roell Z020, przy prędkości badawczej 5mm/min, w temperaturze pokojowej. 3. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ Twardość próbek z czystego polipropylenu wynosi 59,6[°ShD]. Stwierdzono wzrost twardości badanego kompozytu w stosunku do czystego PP. Wraz ze wzrostem udziału procentowego napełniacza z węgla drzewnego zauważono wzrost twardości badanego kompozytu (tab.1). Wytrzymałość na rozciąganie PP bez napełniacza wynosi 30,85 MPa, dodatek napełniacza w postaci węgla drzewnego wpływa na obniżenie wytrzymałości na rozciąganie badanego kompozytu wraz ze wzrostem udziału procentowego napełniacza (tab.2), jest to zgodne z przewidywaniami. Tablica 1. Twardość Shore’a kompozytu o osnowie polipropylenowej z napełniaczem z węgla drzewnego Table 1. The Shore hardness of a polypropylene composite with a charcoal filler

10% 20% 30% 40% 50%

72,1 [°ShD] 72,7[°ShD] 74,0[°ShD] 75,0[°ShD] 76,7[°ShD] Tablica 2. Wytrzymałość na rozciąganie kompozytu o osnowie polipropylenowej z napełniaczem z węgla drzewnego Table 2. The tensile strength of a polypropylene based composite with a charcoal filler

10% 20% 30% 40% 50%

29,32 MPa 26,76 MPa 23,27 MPa 22,89 MPa 21,56 MPa 4. WNIOSKI

• Dodatek węgla drzewnego o udziale procentowym od 10 do 50% do kompozytu o matrycy polipropylenowej wpływa na wzrost twardości badanego kompozytu.

• Zgodnie z przewidywaniami, stwierdzono spadek wytrzymałości na rozciąganie kompozytu PP – węgiel drzewny wraz ze wzrostem udziału procentowego napełniacza. Jest to związane z ograniczoną koherencją fazy wzmacniającej z osnową oraz ze wzrostem lepkości i brakiem jednorodnej dyspersji cząstek w materiale kompozytowym.

LITERATURA 1. M. Polok-Rubiniec, A.Włodarczyk-Fligier, B. Chmielnicki, S. Jurczyk: Przetwórstwo Tworzyw (Polymer

Processing), 5(185)/24, 2018, 5-14 2. Klepka T., „Praca zbiorowa pod red. Klepki T., Nowoczesne materiały polimerowe i ich przetwórstwo, część

1, Politechnika Lubelska, Lublin, 2014, 26-28 3. Żenkiewicz M. i inni, Wybrane właściwości kompozytów polipropylenu z szungitem, Polimery, 55/2, 2010,

119-126 4. Stabik J., Chomiak M., Suchoń Ł., Dybowska A., Mrowiec K., Chosen manufactured methods of polymeric

graded materials with electrical and magnetic properties gradation, Archives of Materials Science and Engineering, 54/2, 2012, 218-226

5. Sałacińska A., Analiza wpływu grafenu na właściwości kompozytów węglowo-epoksydowych, Prace Instytutu Lotnictwa 3/244, Warszawa, 2016, 135-144

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ procesów wydzieleniowych na utratę trwałości eksploatacyjnej stali o osnowie ferrytycznej H. Purzyńska a, A. Zieliński a, J. Stroniewski a

a Sieć Badawcza Łukasiewicz Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica email: hanna.purzynska@imz.pl Streszczenie: W pracy przedstawiono wyniki badań w zakresie zmian mikrostruktury stali X10CrMoVNb9-1 (P91), X10CrWMoVNb9-2 (P92|) oraz X12CrCoWVNb12-2-2 (VM12-SHC) z użyciem mikroskopii skaningowej i transmisyjnej. Pozwoliły one określić stopień degradacji badanych stali wskutek długotrwałego oddziaływania temperatury. Zmiany w mikrostrukturze materiału decydują o utracie trwałości eksploatacyjnej elementów. Abstract: The article presents the results of tests in the scope of changes in the microstructure of X10CrMoVNb9-1 (P91), X10CrWMoVNb9-2 (P92) and X12CrCoWVNb12-2-2 (VM12-SHC) steel using scanning and transmission microscopy. The test results allowed to determine the degree of degradation of the tested steels due to long-term effect of temperature. Changes in the material's microstructure determine the loss of service life of components. Słowa kluczowe: procesy wydzieleniowe, trwałość eksploatacyjna, stale dla energetyki

1. WPROWADZENIE ORAZ METODYKA BADAŃ

Długotrwały wpływ temperatury w czasie pracy urządzenia powoduje zmiany w mikrostrukturze materiału, powodując utratę trwałości eksploatacyjnej. Trwałość eksploatacyjna definiowana jest jako właściwość charakteryzująca zdolność do zachowania wymaganych właściwości użytkowych do chwili osiągnięcia umownego stanu granicznego, w którym dalsza eksploatacja nie jest wskazana. Badania mikrostruktury stali po długotrwałym wyżarzaniu umożliwiają ocenę dynamiki zmian mikrostruktury oraz zachodzącego intensywnego procesu wydzieleniowego, co pozwala na obiektywna interpretację degradacji stali wskutek długotrwałej eksploatacji w podwyższonej temperaturze. Materiał do badań stanowiły stale wysokochromowe o strukturze martenzytycznej w gatunkach: X10CrMoVNb9-1 (P91), X10CrWMoVNb9-2 (P92|) oraz X12CrCoWVNb12-2-2 (VM12-SHC) przeznaczone do budowy kotłów nadkrytycznych i ultrandakrytycznych oraz w modernizacji pracujących kotłów o parametrach podkrytycznych [1-2]. Mikrostrukturę obserwowano przy użyciu mikroskopu świetlnego (LM) przy powiększeniach do 1000x oraz przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) przy powiększeniach do 10 000x. Badania składu chemicznego wydzieleń oraz ich identyfikacja została potwierdzona przy użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) firmy TITAN. 2. WYNIKI BADAŃ Obserwację mikrostruktury badanych stali wykonano na zgładach metalograficznych dla stanu wyjściowego oraz po starzeniu w temperaturze 600 i 650oC po czasie 1000, 10 000 oraz 30 000 godzin. Przykładowe obrazy mikrostruktury badanych materiałów w stanie wyjściowym pokazano na rys. 1. Sekwencję zmian składu fazowego wydzieleń badanych stali, w zależności od temperatury i czasu wyżarzania przedstawiono w tabeli 1.

136 H. Purzyńska, A. Zieliński, J. Stroniewski

Tabela 1. Zmiany składu fazowego wydzieleń w stali P91 w zależności od czasu wyżarzania w temperaturze Tb=600 i 650°C Table.1 Sequence of subsequent precipitation process development stages in the P91 steel depending on the annealing time at temperature Tb=600 i 650°C

Gatunek stali Stan materiału Skład fazowy

Stan wyjściowy M23C6 f.g. + M(C,N) Wyżarzanie – 10 000 h/600ºC M23C6 f.g. + Faza Lavesa m + M(C,N) Wyżarzanie – 30 000 h/600ºC M23C6 f.g. + Faza Lavesa m + M(C,N) Wyżarzanie – 10 000 h/650ºC M23C6 f.g. + Faza Lavesa śr + M(C,N) Wyżarzanie – 30 000 h/650ºC M23C6 f.g. + Faza Lavesa śr + M(C,N)

Rysunek 1. Mikrostruktura stali a) X10CrMoVNb9-1 (P91), b) X10CrWMoVNb9-2 (P92|), c) X12CrCoWVNb12-2-2 (VM12-SHC) w stanie wyjściowym, SEM Figure 1. Microstructure of a) X10CrMoVNb9-1 (P91), b) X10CrWMoVNb9-2 (P92|), c) X12CrCoWVNb12-2-2 (VM12-SHC) steel in the as-received state, SEM 3. WNIOSKI

W badanych stalach wysokochromowych w stanie wyjściowym zidentyfikowano dwa typy wydzieleń typu M23C6 oraz M(C,N). Długotrwałe wyżarzanie w temperaturze 600oC oraz 650OC przyczyniło się do wzrostu wydzieleń M23C6, a dynamika zmian ich średniej średnicy wzrasta wraz z temperaturą wyżarzania. W czasie długotrwałego oddziaływania temperatury stwierdzono także występowanie fazy Lavesa w stalach P91, P92, VM12SHC oraz fazy Z w stali VM12SHC.Wpływ wydzielania się fazy Lavesa jak i fazy Z na zmiany mikrostruktury, a tym samym na właściwości mechaniczne, wraz z wydłużaniem się czasu wyżarzania oraz temperatury staje się zdecydowanie negatywny. Występujące procesy wydzieleniowe w badanych stalach wpływają w znaczący sposób na degradację mikrostruktury, co prowadzi do utraty właściwości użytkowych. LITERATURA. 1. A.Zieliński, Trwałość eksploatacyjna żarowytrzymałych stali o osnowie ferrytycznej w warunkach

długotrwałego oddziaływania temperatury, Monografia, Prace Instytutu Metalurgii Żelaza, 2016 2. A. Zieliński, J. Dobrzański, H. Purzyńska, Changes in properties and microstructure of high-chromium 9-

12%Cr steels due to long-term exposure at elevated temperature, Archives of Metallurgy and Materials 61 (2B), 957-964, 2016

a) b) c)

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Mikrostruktura i właściwości mechaniczne powłok węglikowych modyfikowanych laserowo N. Radek a, I. Pliszka a, M. Gądek-Moszczak b, R. Dwornicka b, A. Szczotok c a Politechnika Świętokrzyska, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Centrum Laserowych Technologii Metali email: norrad@tu.kielce.pl, ipliszka@tu.kielce.pl b Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Instytut Informatyki Stosowanej email: aneta.moszczak@gmail.com, pmpietra@mech.pk.edu.pl c Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Instytut Inżynierii Materiałowej email: agnieszka.szczotok@polsl.pl Streszczenie: W pracy przedstawiono badania wpływu obróbki laserowej na wybrane właściwości powłok nanoszonych obróbką elektroiskrową. Ocenę właściwości powłok po obróbce laserowej przeprowadzono na podstawie obserwacji mikrostruktury, pomiarów struktury geometrycznej powierzchni, mikrotwardości, porowatości i przyczepności. Badania przeprowadzono wykorzystując elektrody węglikowe, które wytworzono poprzez spiekanie nanostrukturalnych proszków metodą metalurgii proszków. Abstract: The paper is concered with determining the influence of the laser treatment process on the properties of electro spark coatings. The properties were assessed after laser treatment by analysising microstructure and measuring the surface geometric structure, microhardness, porosity and adhesion test. The studies were conducted using carbide electrodes produced by sintering nanostructural powders. Słowa kluczowe: obróbka elektroiskrowa, obróbka laserowa, powłoka, własciwości 1. WSTĘP

W obecnym czasie obserwuje się rosnącą rolę obróbek wykorzystujących skoncentrowany strumień energii, do których zalicza się między innymi obróbka elektroiskrowa i laserowa [1].

Obróbka elektroiskrowa należy do tanich i dobrze znanych obróbek wysokoenergetycznych. Metoda ta znana od czasów powojennych dzisiaj wraz z licznymi modyfikacjami znalazła trwałe miejsce wśród obróbek powierzchniowych. Zdecydowały o tym wyjątkowe cechy omawianej metody a w szczególności: możliwość lokalnego oddziaływania, możliwość nakładania cienkich (od kilku µm) i grubszych (zwykle do kilkudziesięciu µm), dyfuzyjnie połączonych z podłożem powłok z dowolnych materiałów metalicznych oraz prostota i niski koszt urządzeń do nanoszenia powłok.

Powłoki wytwarzane elektroiskrowo nie są pozbawione wad, które można eliminować różnymi metodami. Jedną z metod, którą można poprawiać własności powłok elektroiskrowych jest ich obróbka laserowa. Wiązka laserowa może zostać wykorzystana do wygładzania, kształtowania geometrii powierzchni, uszczelniania, ujednorodnienia składu chemicznego itd. naniesionych powłok [2]. 2. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ

Przedmiotem badań były powłoki nakładane elektrodą WC-Cu (50% WC, 50% Cu) o przekroju 4 x 6 mm (anoda) metodą elektroiskrową na próbki wykonane ze stali C45 (katoda). Parametry nanoszenia powłok elektroiskrowych i ich obróbki laserowej przedstawiono w pracacy [3].

138 N. Radek, I. Pliszka, M. Gądek-Moszczak, J. Pietraszek, A. Szczotok

Analizie mikrostruktury poddano powłoki WC-Cu przed i po obróbce laserowej. Do badań mikrostruktury wykorzystano elektronowy mikroskop skaningowy Joel typ JSM-5400. W oparciu o uzyskane wyniki stwierdzono, że grubość uzyskanych warstw wyniosła od 36÷60 µm, natomiast zasięg strefy wpływu ciepła (SWC) w głąb materiału podłoża ok. 20÷30 µm. W strukturze powłok wystąpiły niekorzystne zjawiska w postaci porów i mikropęknięć. W wyniku modyfikacji wiązką laserową powłok WC-Cu nastąpiło ujednorodnienie ich składu chemicznego. Wytworzone w wyniku przetapiania laserowego technologiczne warstwy powierzchniowe (TWP) nie posiadały mikropęknięć i porów. Grubość powłoki WC-Cu po modyfikacji laserowej uległa niewielkiej zmianie i mieściła się w zakresie 40÷74 µm. Natomiast zwiększył się zasięg SWC wyniósł w głąb materiału podłoża ok. 30÷45 µm i ma to związek z większą gęstością mocy obróbki laserowej w odniesieniu do obróbki elektroiskrowej.

Pomiary struktury geometrycznej powierzchni zostały przeprowadzone w Laboratorium Komputerowych Pomiarów Wielkości Geometrycznych Politechniki Świętokrzyskiej. Badania wykonano przy użyciu profilometru optycznego Talysurf CCI. Większą wartość średniego arytmetycznego odchylenia chropowatości powierzchni Sa – podstawowego parametru amplitudowego do ilościowej oceny stanu analizowanej powierzchni zarejestrowano dla próbki po obróbce laserowej, dla próbki przed obróbką był on prawie dwukrotnie mniejszy. Podobną tendencję zaobserwowano dla średniokwadratowego odchylenia chropowatości powierzchni Sq. Uzupełniającą informację na temat ukształtowania powierzchni badanych elementów dają parametry amplitudowe: współczynnik skośności - asymetrii Sku oraz współczynnik skupienia - kurtoza Ssk. Parametry te są wrażliwe na występowanie na powierzchni miejscowych wzniesień czy wgłębień, również defektów. Parametr Ssk, w przypadku obu próbek miał wartość dodatnią, dla próbki przed obróbką bliską zeru co świadczy o symetrycznym położeniu rozkładu rzędnych względem płaszczyzny średniej. Uzyskane wartości kurtozy zbliżone do Sku = 3 świadczą o tym, że rozkład rzędnych dla obu próbek był zbliżony do rozkładu normalnego.

Pomiary mikrotwardości wykonano metodą Vickersa przy użyciu mikrotwardościomierza Microtech MX3, stosując obciążenie 0,4 N. Odciski penetratorem wykonano na zgładach prostopadłych w trzech strefach: w powłoce (warstwie białej), w strefie przetopu powłoki (SPP) oraz w strefie wpływu ciepła (SWC), jak również w materiale rodzimym. Zastosowanie obróbki elektroiskrowej spowodowało zmiany mikrotwardości w obrabianym materiale. Mikrotwardość materiału podłoża po obróbce elektroiskrowej wynosiła średnio około 278 HV0,04 (taka samą wartość mikrotwardości miał materiał w stanie wyjściowym). Nakładając obróbką elektroiskrową powłoki WC-Cu uzyskano znaczny wzrost mikrotwardości w stosunku do mikrotwardości materiału podłoża. Powłoka WC-Cu posiadała średnią mikrotwardość 643 HV0,04 (nastąpił wzrost mikrotwardości średnio o 131 % w stosunku do mikrotwardości materiału podłoża). Mikrotwardość SWC po obróbce elektroiskrowej wzrosła o 58 % w stosunku do mikrotwardości materiału podłoża. Zastosowanie obróbki laserowej obniżyło nieznacznie mikrotwardość powłok elektroiskrowych. Naświetlanie laserowe spowodowało spadek mikrotwardości powłok WC-Cu o 9 % w odniesieniu do tych powłok bez naświetlania laserowego.

W celu oceny stopnia porowatości badanych powłok WC-Cu przed i po obróbce laserowej wykonano ilościową analizę obrazu wykorzystując oprogramowanie SIS będące na wyposażeniu (SEM) Philips XL30/LaB6. Powłoki elektroiskrowe posiadały większą porowatość w stosunku do powłok po obróbce laserowej. Obróbka laserowa (LBM) zmniejszyła porowatość powłok ponad 10-krotnie. Porowatość powłok WC-Cu mieściła się w zakresie 3,5÷6,3%, natomiast po LBM wyniosła 0,5÷0,1%. Stwierdzono również, że na wartość porowatości miała wpływ moc lasera. Wraz ze wzrostem mocy lasera zmniejszała się porowatość powłok WC-Cu. Mniejsza porowatość powłok elektroiskrowych wpływa korzystnie na ich właściwości eksploatacyjne, polepszając ich odporność korozyjną, przyczepność czy mikrotwardość.

3. WNIOSKI

Stosując obróbkę laserową można skutecznie modyfikować stan warstwy wierzchniej powłok elektroiskrowych i wpływać na ich właściwości ekspolatacyjne. LITERATURA 1. K. E. Oczoś, Kształtowanie materiałów skoncentrowanymi strumieniami energii, Wydawnictwo Politechniki

Rzeszowskiej, Rzeszów, 1988. 2. N. Radek, E. Wajs, M. Luchka, The WC-Co electrospark alloying coatings modified by laser treatment,

Powder Metallurgy and Metal Ceramics 3-4 (2008) 197-201. 3. M. Scendo, J. Trela, N. Radek, Influence of laser power on the corrosive resistance of WC-Cu coating, Surface

& Coatings Technology 259 (2014) 401-407.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Analiza strukturalna procesu wytwarzania blach ze stali typu Dual-Phase K. Radwański a, R. Kuziak a a Sieć Badawcza ŁUKASIEWICZ, Instytut Metalurgii Żelaza im. St. Staszica email: Krzysztof.Radwanski@imz.pl Roman.Kuziak@imz.pl Streszczenie: Praca przedstawia wyniki analizy jakościowej i ilościowej zmian strukturalnych zachodzących podczas symulacji procesu ciągłego wyżarzania blach ze stali DP zawierającej 0.08% C, 1.74% Mn, 0.56% Cr. W pracy wykonano również badania właściwości mechanicznych. Symulacje przeprowadzono z wykorzystaniem dylatometru i symulatora Gleeble. Próbki po walcowaniu na zimno o strukturze ferrytyczno-perlitycznej nagrzewano z szybkością 3°C/s do zakresu temperatur 600-810°C z wytrzymaniem i bez wytrzymania w temperaturach docelowych. Następnie stosowano chłodzenie w helu mające na celu “zamrożenie” struktury. Badania struktury przeprowadzono za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego z zastosowaniem metody EBSD. Podczas wyżarzania w zakresie temperatur 600-730°C w strukturze zachodzą procesy zdrowienia i rekrystalizacji statycznej. Powyżej tego zakresu temperaturowego materiał podlega przemianie austenitycznej. W wyniku następnego chłodzenia uzyskano strukturę złożoną z ferrytu, martenzytu lub martenzytu z bainitem. Abstract: The paper presents the results of qualitative and quantitative analysis of structural changes occurring during the simulation of continuous annealing process of DP steel containing 0.08% C, 1.74% Mn, 0.56% Cr. As part of the work, tensile tests were also carried out. The simulations were carried out using a dilatometer and a Gleeble simulator. The samples after cold rolling with a ferritic-pearlitic structure were heated at a rate of 3°C/s up to the temperature range of 600-810°C with and soaking at the target temperatures. Then cooling in helium was applied to "freeze" the structure. Structural examinations were carried out by scanning electron microscopy using the EBSD method. During annealing in the temperature range 600-730°C, the structure undergoes processes of recovery and static recrystallization. Austenitic transformation is above this temperature range. The next cooling resulted in a structure composed of ferrite, martensite or martensite with bainite. Słowa kluczowe: stal Dual Phase, ciągłe wyżarzanie, struktura, mikroskopia elektronowa, EBSD 1. WSTĘP

Badania dotyczą stali DP o końcowej strukturze ferrytyczno-martenzytycznej, która należy do grupy AHSS, stosowanej w przemyśle samochodowym. Najbardziej bezpośrednim sposobem uzyskania stali ferrytyczno-martenzytycznej jest wyżarzanie wyjściowej struktury ferrytyczno-perlitycznej w zakresie (α+γ), zwanym wyżarzaniem międzykrytycznym, po którym następuje kontrolowane chłodzenie, umożliwiające przemianę austenitu w martenzyt [1]. Alternatywnie, kontrolowane chłodzenie można wykonać z austenitu (γ). Najbardziej zaawansowanym procesem uzyskiwania końcowej mikrostruktury stali DP jest ciągłe wyżarzanie. Proces ten stosuje się dla taśm walcowanych na zimno i składa się z dwóch głównych etapów, a mianowicie jedno- lub dwustopniowego nagrzewania do temperatury docelowej, po którym następuje wygrzewanie i kontrolowane chłodzenie połączone z procesem cynkowania. Końcowe właściwości stali DP są zależne między innymi od udziału objętościowego i rozkładu martenzytu, średniej zawartości i rozkładu węgla w martenzycie, wielkości ziarna ferrytu, zawartości pierwiastków stopowych w ferrycie [2]. Udział objętościowy składników strukturalnych i ich morfologia zależą od procesów odbudowy struktury i przemian fazowych w procesie ciągłego wyżarzania.

140 K. Radwański, R. Kuziak

2. METODYKA BADAŃ

Symulacje fizyczne ciągłego wyżarzania przeprowadzono z wykorzystaniem dylatometru DIL 805A/D oraz symulatora Gleeble 3800. Obserwacje struktury wykonano za pomocą wysokorozdzielczego mikroskopu skaningowego INSPECT F firmy FEI® wyposażonego w detektor EBSD firmy EDAX®. Badania właściwości mechanicznych wyznaczono w statycznej próbie rozciągania z wykorzystaniem maszyny wytrzymałościowej ZwickRoell Z250 na próbkach po symulacjach z wykorzystaniem symulatora Gleeble. 3. WYNIKI BADAŃ

Przekładowe wyniki struktury i właściwości mechanicznych przedstawiono na rysunku 1. W obszarach ferrytycznych rekrystalizacja rozpoczyna się w temperaturze około 650°C. W obszarach byłego perlitu po nagrzaniu do 670°C widoczne są efekty rozpuszczania perlitu, dyfuzji węgla i koagulacji cząstek. Cząstki te są miejscami zarodkowania nowych ziarn. Zmianom tym towarzyszy zmniejszanie gęstości granic w strukturze. Udział powierzchni po zdrowieniu i rekrystalizacji wyznaczono za pomocą parametrów KAM i GAM [3]. Proces rekrystalizacji jest ukończony po nagrzewaniu do 730°C. Nagrzewanie do temperatur powyżej 740°C prowadzi do przemiany austenitycznej. W obszarach wzbogaconych w węgiel po schłodzeniu występuje martenzyt lub martenzyt z bainitem. W zależności od zastosowanych parametrów nagrzewania (780 i 810°C, czas wytrzymania 0-60s) końcowe właściwości mechaniczne taśm wynoszą: Rp0.2=300-400 MPa, Rm = 300-780 MPa, A50mm=6-15%.

a b c d Rysunek 1. Wyniki badań struktury i właściwości mechanicznych po różnych etapach ciągłego wyżarzania: a) struktura próbki po chłodzeniu z temperatury 670°C, b) mapa KAM próbki po chłodzeniu z 690°C, c) struktura próbki po chłodzeniu z 780°C, d) właściwości mechaniczne próbek po chłodzeniu z 780°C. Figure 1. Results of structural and mechanical properties after different stages of continuous annealing: a) structure of the sample after cooling from 670°C, b) KAM map of the sample after cooling from 690°C, c) structure of the sample after cooling from 780°C, d) mechanical properties of samples after cooling from 780°C. LITERATURA 1. L. Madej, L. Sieradzki, M. Sitko, K. Perzynski, K. Radwanski, R. Kuziak, Multi scale cellular automata and

finite element based model for cold deformation and annealing of a ferritic-pearlitic microstructure, Computational Materials Science 77 (2013) 172-181

2. R. Kuziak, R. Kawalla, S. Waengler, Advanced high strength steels for automotive industry, Archives of Civil and Mechanical Engineering Vol. VIII No. 2 (2008) 103-117.

3. K. Radwański, Application of FEG-SEM and EBSD Methods for the Analysis of the Restoration Processes Occurring During Continuous Annealing of Dual-Phase Steel Strips, Steel Research International 86 (2015) 1379–1390

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Multiwłókniste druty kompozytowe Cu - Bi Z. Rdzawskia,*, W. Głuchowskia, M. Maletaa, , K. Marszowskia a Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Metali Nieżelaznych, , ul. Generała Józefa Sowińskiego 5, 44-121 Gliwice Zakład Technologii Przetwórstwa Metali i Stopów *Autor do korespondencji email: zbigniew.rdzawski@imn.gliwice.pl Streszczenie: W niniejszej pracy przedstawiono wyniki prowadzonych prób wytwarzania kompozytowych multiwłóknistych drutów Cu – Bi na drodze wieloetapowego procesu pakietowania i ciągnienia. Przedstawiono częściowe wyniki badań mikrostruktury ukazujące rozkład i zachowanie się włókien bizmutowych w osnowie miedzianej. Abstract: This paper presents the results of conducted trials for the production of Cu - Bi composite multifibre wires in multi - stage process of packing and drawing. Partial results of microstructure investigations showing the distribution and behaviour of bismuth fibres in copper matrix were presented. Słowa kluczowe: multiwłókniste druty, kompozyt, bizmut, miedź 1. WSTĘP

W przemyśle obserwuje się zapotrzebowanie na druty charakteryzujące się korzystnym zespołem własności użytkowych obejmujących konduktywność elektryczną oraz własności wytrzymałościowe stabilne w zmiennych warunkach obciążeń mechanicznych, prądowych i termicznych. Odpowiedzią na to zapotrzebowanie okazały się opracowane kompozytowe multiwłókniste druty Cu-Ag [1] oraz Cu-Al i Cu-Fe [2]. Również korzystne właściwości mechaniczne i wysokie normalne przewodnictwo elektryczne wykazały druty kompozytowe Cu – Nb [3]. Poszukuje się również coraz to nowszych materiałów nadprzewodnikowych. Przeprowadzone badania i symulacje nad bizmutem w określonych warunkach [4 – 6] wykazały, że materiał ten przejawia własności nadprzewodzące. W związku z tym podjęto badania nad opracowaniem metodyki wytwarzania kompozytowych drutów multiwłóknistych Cu – Bi. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ

Materiał do badań stanowił kompozytowy drut multiwłóknisty Cu – Bi otrzymany w wyniku wieloetapowego ciągnienia i pakietowania rurki Cu – ETP z umieszczoną wewnątrz prasówką proszkową Bi +5%Cu , a także kompozytowy drut Cu – Bi wytworzony w próbach ciągnienia rurki z umieszczonymi wewnątrz pakietami drutów otrzymanych z taśmy Cu i proszku Bi. Przeprowadzono badania mikrostruktury na mikroskopie świetlnym dla materiałów wyjściowych, a także dla próbek pobranych z poszczególnych etapów pakietowania otrzymanych drutów Cu-Bi. Próbki z ostatnich etapów pakietowania i ciągnienia, poddano dokładniejszym badaniom na mikroskopie elektronowym w przekroju poprzecznym oraz wzdłużnym. W wyznaczonych mikroobszarach przeprowadzono analizy składu chemicznego.

142 Z. Rdzawski, W. Głuchowski, M. Maleta, K. Marszowski

3. WYNIKI BADAŃ

W wyniku przeprowadzonych prób wytworzono krótkie odcinki drutów multiwłóknistych zawierających w swoim przekroju około 117 649 sztuk włókien bizmutowych. W przekrojach poprzecznych badanych drutów nie zaobserwowano zaburzeń w ułożeniu pakietów i rdzeni bizmutowych (za wyjątkiem pakietu w centralnej części drutu o średnicy 4,05 mm), natomiast w przekrojach wzdłużnych zauważono przerywanie się pakietów, łączenie się włókien bizmutowych, a miejscami utratę ich ciągłości. Dalsze próby ciągnienia drutów prowadziły do zrywania się materiału co spowodowane jest najprawdopodobniej zjawiskiem inwersji termicznej bizmutu.

a)

b)

c)

Rysunek 1. Mikrostruktura drutu Cu – Bi po trzecim procesie pakietowania: a) w przekroju poprzecznym, pow. 50x, b) w przekroju poprzecznym, pow. 300x, c) w przekroju wzdłużnym, pow. 1 000x Figure 1. Microstructure of Cu – Bi wire after the third packing process: a) in cross-section, magnification 50x, b) in cross-section, magnification 300x, c) in longitudinal section, magnification 1 000x 4. PODSUMOWANIE

Prowadzone są dalsze badania nad technologią wytwarzania drutów mulitwłóknistych na osnowie miedzi zawierających włókna bizmutowe. Prawdopodobnym sposobem na uniknięcie napotkanych trudności będzie konieczność ciągnienia pakietów multiwłóknistych drutów w specjalnie opracowanych do tego celu warunkach mechaniczno-termicznych. LITERATURA 1. Z. Rdzawski, W. Głuchowski, J. Stobrawa, W. Kempiński, B. Andrzejewski, Microstructure and properties of

Cu–Nb and Cu–Ag nanofiber composites, Archives of civil and mechanical enigneering 15 (2015), 689 – 697 2. W. Głuchowski, Z. Rdzawski, J. Domagała-Dubiel, J. Sobota, Microstructure and properties of multifibre

composites, Arch. Metall. Mater., Vol. 61 (2016), No 2B, 911 - 916 3. B. Andrzejewski, W. Głuchowski, Z. Rdzawski, J. Stobrawa, W. Kempiński, Manufacturing and properties of

superconducting nanowire bundles, Nano Tech Poland - International Conference & Exhibition, Poznań, czerwiec 2016

4. A. Luis Baring, R. Robson da Silva, and Yakov Kopelevich, Local and Global Superconductivity in Bismuth, Instituto de Física Gleb Wataghin, Universidade Estadual de Campinas, Unicamp 13083-859, Campinas, São Paulo, Brasil

5. A.A Valladares., I. Rodriguez, D. Romero – Hinojosa, A. Valladares, M. R. Valladares, Possible superconductivity in the Bismuth IV solid phase under pressure, Scientific Reportsvolume 8, Article number: 5946 (2018)

6. O. Prakash, A. Kumar, A. Thamizhavel, S. Ramakrishnan, Experimental evidence for bulk superconductivity in pure Bismuth single crystal at ambient pressure, Tata Institute of Fundamental Research, Mumbai-400005, India

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wymagania w zakresie zapewnienia jakości w procesach obróbki cieplnej M. Roszaka a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Materiałów Nanokrystalicznych i Funkcjonalnych oraz Zrównoważonych Technologii Proekologicznych email: marek.roszak@polsl.pl Streszczenie: Zapewnienie jakości współcześnie stanowi jedno z fundamentalnych kryteriów realizacji procesów wytwórczych, obejmujący ich planowanie, realizację (sterowanie) i doskonalenie. W artykule scharakteryzowano podstawowe wymagania w zakresie zapewnienia jakości procesów obróbki cieplnej. Abstract: Ensuring the quality of today is one of the fundamental criteria for the implementation of manufacturing processes, including their planning, implementation (control) and improvement. The article describes the basic requirements for ensuring the quality of heat treatment processes. Słowa kluczowe: obróbka cieplna, wymagania, zapewnienie jakości 1. WSTĘP

Wymagania jakościowe dotyczą wszelkich branż a w tym realizowanych w nich procesów, procesem o istotnym znaczeniu ze względu na kształtowanie własności produktu finalnego, w tym jego parametrów użytkowych są procesy obróbki cieplnej zaliczane do procesów tzw. specjalnych [1].

W zakresie procesów obróbki cieplnej, której operacje występują w większości procesów wytwórczych rekomenduje się przyjęcie i wdrożenie przez przedsiębiorstwa produkcyjne wymagań w zakresie zapewnienia jakości procesów obróbki cieplnej, które zostały określone w specyfikacja CQI (Continuous Quality Improvement) 9 Special Process: Heat Treat System Assessment, opracowane przez stowarzyszenie AIAG Automotive Industry Action Group [2].

2. WYMAGANIA CQI

Zaproponowane wymagania zawarte w specyfikacji CQI 9 stanowią uzupełnieni wymagań klienta i wymagań

stawianych określonym produktom, a także wymagań regulacyjnych – prawnych oraz wewnętrznych danego przedsiębiorstwa.

Wymagania specyfikacji CQI 9: Special Process zawarte zostały w trzech sekcjach Heat Treat System Assessment (HTSA) [2]: • sekcja 1 - dotyczy odpowiedzialność kierownictwa i planowania jakości, • sekcja 2 - dotyczy odpowiedzialności za realizację procesu i materiał, • sekcja 3 - dotyczy wymagań w zakresie wyposażenia. Wymagania HTSA wykorzystuje się do oceny zdolności: • przedsiębiorstwa w zakresie spełnienia wymagań dla realizowanych procesów obróbki cieplnej, • między przedsiębiorstwem a jego dostawcami, jako ustalonego kryterium definiującego minimalne

wymagania. Specyfikacja CQI 9 jest wymagana w zakresie realizacji procesów obróbki cieplnej dla przemysłu motoryzacyjnego.

144 M. Roszak

Procesy obróbki cieplnej zaliczane są do procesów specjalnych, które charakteryzuje to, iż: • wyniki procesu nie mogą być w pełni zweryfikowane podczas późniejszej kontroli i badania wyrobu, • wady wytworzone podczas procesu mogą ujawnić się dopiero podczas użytkowania wyrobu. Powyższe warunkuje ustanowienie minimalnych wymagań w zakresie wewnętrznej oceny zarządzania i nadzorowania procesów obróbki cieplnej czego przykładem jest specyfikacja CQI 9, stanowi ona uszczegółowienie wymagań w zakresie jakości zawartych w normie ISO TS 16949 dedykowanej dla branży motoryzacyjnej, która natomiast jest uszczegółowieniem wymagań zawartych w normie ISO 9001 dotyczącej systemów zarządzania jakości, a także wymagań zawartych w specyfikacji AMS 2750E Pyrometry obejmującej wymagania pirometryczne dla urządzeń do obróbki termicznej stosowanych w procesach obróbki cieplnej, obejmującej czujniki temperatury, oprzyrządowanie, sprzęt do obróbki cieplnej, testy dokładności systemu i badania jednorodności temperatury, konieczne dla zapewnienia realizacji procesów obróbki cieplnej zgodnie z obowiązującą specyfikacją [3]. Cykl wdrażania i utrzymania systemu zapewnienia jakości w procesach obróbki cieplnej przedstawia rys. 1.

Rysunek 1. Wdrażanie i utrzymanie wymagań specyfikacji CQI 9 Figure 1. Implementation and maintenance of CQI 9 requirements 3. PODSUMOWANIE Wdrożenie w przedsiębiorstwie wymagań CQI-9 Heat Treat System Assessment: • to krok w kierunku poprawy jakości – doskonalenia, w szczególności dla organizacji które certyfikowały system

zarządzania na zgodność z wymaganiami IATF 16949, • wpływa na zmniejszenie ilości wad w produkcji, kładąc nacisk na zapobieganie niezgodnościom, redukcję

odchyleń i marnotrawstwo podaży w całym łańcuchu wytwórczym, • wymaga spełnienia minimalnych wymagań CQI-9 wskazując na nadrzędność wyspecyfikowanych wymagań

klienta.

LITERATURA 1. M. Roszak, Ł. Krzemiński, Quality management in heat treatment process, Archives of Material Science and

Engineering 61/1 (2013) 30-37 2. CQI 9 Special Process: Heat Treat System Assessment, Published by: Automotive Industry Action Group,

2011 3. M. Roszak, Zarządzanie technologią / Technology management, Volume 27, International OCSCO World

Press, Gliwice,2013

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Strip of Sheet Extrusion of DC01 Steel by DRECE Method S. Rusza, O. Hilsera, P. Szkanderaa, R. Zabystrzanb, J. Sveca, V. Maresa, M. Klosc, J. Petrua a VSB - Technical University of Ostrava, Ostrava, Czech Republic, EU, stanislav.rusz@vsb.cz b STEELTEC CZ, s. r. o., Třinec, Czech Republic, EU, rostislav.zabystrzan@steeltec.cz c Tatra Trucks, a.s., Kopřivnice, Czech Republic, EU, marcel.klos@tatra.cz Introduction: DRECE method (Dual Rolls Equal Channel Extrusion) is used for production of metallic materials with very fine grain size. During the actual forming process the principle of severe plastic deformation is used. The device is composed of the following main parts: “Nord” type gearbox, electric motor with frequency speed converter, multi-plate clutch, feed roller and pressure rollers with regulation of thrust, and of the forming tool itself – made of Dievar steel type. Metallic strip with dimensions 58 x 2 x (1000 – 2000) mm (width x thickness x length) is inserted into the device. During the forming process the main cylinder in synergy with the pressure roller extrude the material through the forming tool without any change of cross section of the strip. In this way a significant refinement of grain is achieved by severe plastic deformation. Abstract: DRECE method belongs to a perspective group of technologies utilizing the process of severe plastic deformations (SPD). Used for forming of metallic materials. On the newly developed forming device, unlike the rolling technology, the material is significantly strengthening after the forming process, while maintaining the initial strip sheet dimensions. We want to achieve a significant increase in mechanical properties in as few passages as possible by the forming device, in particular increasing the yield strength Re and the ultimate tensile strength Rm, while maintaining good formability. The above-described forming method was used to extrude of low carbon steel. Overall, the effect of the individual passages on the increasing of mechanical properties of low carbon steel as tested in a total number of 1 to 7 passes through forming device. The forming tool, according to the pre-performed experiments, was chosen with an inclination of 108° in the deformation zone. The mechanical properties obtained after each pass through the forming device from the tensile tests and the influence of the anisotropy of steel on the mechanical properties were analyzed and the microstructure of the strip sheet was evaluated. One type of low carbon steels suitable for cold forming were verified experimentally- steel DC01. The tests were performed on the upgraded forming equipment using the principle of cold severe plastic deformation [1, 2]. Apart from materials, particularly the geometry of the forming tools is a very important factor of the forming method DRECE. The effect of degrees angle in the area of deformation on increasing the basic mechanical properties, especially yield strength Rp0.2, ultimate tensile strength Rm, ductility A80, determined by tensile test, was tested also from this perspective.

Keywords: Severe plastic deformation process, DRECE method, forming device, anisotropy of strip sheet, mechanical properties, microstructure

146 S. Rusz, O. Hilser, P. Szkandera, R. Zabystrzan, J. Svec, V. Mares, M. Klos, J. Petru

Fig. 1 Forming device REFERENCES 1. HILŠER, O., SALAJKA, M. and RUSZ, S. Study of the mechanical properties of steel and selected types of

non-ferrous alloys after application of the DRECE process. In NANOCON 2015: 7th International Conference on Nanomaterials-Research & Application. Ostrava: Tanger, 2015, pp. 163-167.

2. RUSZ, S., KRAUS, M., HILŠER, O., ŠVEC, J., KEDROŇ, J., ČÍŽEK, L., DONIČ, T., TAŃSKI, T. and KREJČÍ, L. Increasing the quality of DC01 steel by DRECE method. In METAL 2017: 26th International Conference on Metallurgy and Materials. Ostrava: Tanger, 2017, pp. 527-532.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Ocena paramentów procesu spiekania umożliwiających zwiększenie powierzchni roboczej taśmy spiekalniczej na podstawie laboratoryjnych prób w misie spiekalniczej R. Skowronek a, M. Niesler b, J. Stecko b, H. Kania b a ArcelorMittal Poland SA, Oddział Dąbrowa Górnicza email: ryszard.skowronek@arcelormittal.com b Sieć Badawcza ŁUKASIEWICZ, Instytut Metalurgii Żelaza w Gliwicach, Zakład Procesów Surowcowych email: marian.niesler@polsl.pl, janusz.stecko@imz.pl, harald.kania@imz.pl Streszczenie: W artykule zaprezentowano wyniki prac projektu, złożonego przez ArcelorMittal Poland S.A w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014 – 2020, pt.: „Poprawa jakości i uzysku spieku wielkopiecowego oraz warunków pracy poprzez zastosowanie innowacyjnej technologii zwiększającej powierzchnię roboczą taśmy spiekalniczej”, gdzie podwykonawcą prac badawczo rozwojowych był Instytut Metalurgii Żelaza w Gliwicach. W artykule przedstawiono wyniki laboratoryjnych prób spiekania na misie o zwiększonej powierzchni roboczej jak również pomiary prędkości przepływu powietrza przez mieszankę spiekalniczą. Abstract: The article presents the results of the project submitted by ArcelorMittal Poland SA under the Intelligent Development Operational Programme 2014-2020 entitled: "Improving the quality and yield of blast furnace sinter and working conditions through the use of innovative technology increasing the working surface of the sinter strand", where the subcontractor for R&D works was Institute for Ferrous Metallurgy in Gliwice. The article presents the results of laboratory sintering tests on a sinter pot with an increased work surface as well as the measurement of the air flow speed through the sintering mix. Słowa kluczowe: proces spiekania, wydajność, misa spiekalnicza, poszerzenie taśmy. 1. WSTĘP Problemem przy spiekaniu rud żelaza jest nierównomierność przesysania powietrza na taśmie spiekalniczej. Istnieje tendencja, że przy burtach zasysana jest większa ilość powietrza niż w pozostałej części taśmy (tzw. fałszywe powietrze). Zwiększa to ilość niespieczonego materiału z tej części taśmy co powoduje generowanie zwiększonej ilości odsiewu spieku. Aby tego uniknąć, stosuje się różne zabiegi powodujące zagęszczenie mieszanki spiekalniczej w tej części taśmy np. ubijanie mieszanki, zasypywanie większych ilości wsadu przy burtach. Nie zawsze przynosi to oczekiwanych rezultatów. W przypadku AMP Oddział w Dąbrowie Górniczej jest to tym trudniejsze, że produkcja spieku opiera się głównie na wykorzystaniu słabej jakości rud z Ukrainy i Rosji. Aby zagwarantować odpowiedni poziom produkcji i jakości spieku, AMP S.A. zamierza wprowadzić innowacyjną technologię polegającą na zwiększeniu powierzchni roboczej taśmy spiekalniczej. Przy zachowaniu tej samej powierzchni rusztu oraz wózków spiekalniczych na tych samych szynach, ich szerokość taśmy ma być zwiększona z 4 m do np. 4,3 m poprzez dodanie płyt zaślepiających po obu stronach wózka. Co istotne, nie zmieni się powierzchnia ssania, w związku z tym nie trzeba będzie zwiększać powierzchni komór ssawnych i stosować mocniejszych ssaw. Planuje się, że pozwoli to poprawić jakość spieku poprzez zmniejszenie ilości odsiewu spieku o ok. 5%, i zwiększyć produkcję spieku z 2,5 do 2,75 mln Mg/rok t.j. o 10% i ograniczyć zużycie drogich grudek żelaza o 0,2 mln Mg/rok w procesie wielkopiecowym [1]

148 R. Skowronek, M. Niesler, J. Stecko, H. Kania

1. Laboratoryjne próby spiekania na misie spiekalniczej o zwiększonej powierzchni roboczej i standardowej misy

Próby spiekania zostały przeprowadzone na linii do półprzemysłowej symulacji procesu spiekania rud żelaza i odpadów, która jest w posiadaniu Instytutu Metalurgii Żelaza w Gliwicach –Rysunek - 1. Próby spiekania zaplanowano tak, aby mieć do dyspozycji dwie misy spiekalnicze, z której jedna miała zwiększoną objętość o 10%, przy zachowaniu tej samej powierzchni rusztu i wysokości warstwy 550mm – Rysunek 2.

Rysunek 1. Laboratoryjne stanowisko spiekania rud żelaza i odpadów Figure 1. Laboratory stand for sintering iron ores and waste

Rysunek 2. Misa spiekalnicza o zwiększonej powierzchni roboczej wraz z uszczelnieniem pomiędzy rusztem a pierścieniem poszerzającym Figure 2. Sintering pan with increased work surface along with the seal between the grate and the expanding ring

Przeprowadzono trzy serie prób spiekania na bazie warunków wsadowych spiekalni AMP S.A. wykorzystując: • standardową misę spiekalniczą prowadząc próby przy 42% udziale spieku zwrotnego, • misę spiekalniczą o zwiększonej powierzchni roboczej wykonując próby spiekania przy udziale spieku

zwrotnego 42% i 37%. Pojedyncze testy spiekania prowadzono zgodnie z normą [2], według metodologii prowadzonej w ośrodku R&D ArcelorMittal Maizières. Podczas prób spiekania wykonywano również pomiary przewiewności mieszanki wykorzystując do tego celu anemometry mierząc podczas spiekania prędkość przepływu powietrza w osi misy oraz przy ścianie misy.

W wyniku przeprowadzonych testów spiekania i porównania parametrów procesu stwierdzono, że:

1. Przeprowadzone próby spiekania w misie spiekalniczej o zwiększonej powierzchni roboczej, mieszanki referencyjnej i mieszanki stosowanej w warunkach spiekalni AMP S.A., pokazują, że przy optymalnych warunkach wilgotności mieszanki, przepływ powietrza przez całą powierzchnię mieszanki jest równomierny.

2. Oznacza to, że istnieje możliwość potwierdzenia w warunkach przemysłowych założenia, dotyczącego równomiernego przepływu powietrza przez całą powierzchnię taśmy spiekalniczej, przy zastosowaniu technologii zwiększającej powierzchnię taśmy spiekalniczej

LITERATURA 1. M. Niesler, J. Stecko, Opracowanie koncepcji rozwiązania zwiększającego powierzchnię roboczą taśmy

spiekalniczej z wykorzystaniem linii do symulacji procesu spiekania rud żelaza. Sprawozdanie pracy badawczej B0 1596, zakres prac za październik - Grudzień 2018 r., Gliwice 2018 r. (niepublikowane)

2. PN-ISO 8263, Miałkie rudy żelaza. Metoda przedstawiania wyników prób spiekania., maj 1999, 3. M. Niesler, J. Stecko, P. Różański, Collaboration for sintering pot tests and iron ores characterization –

Stage I, IMZ Report No. B0-1361-01/BS/2012, (niepublikowane) Praca została wykonana w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014 – 2020, wniosek nr POIR.01.01.01-00-1181/17 o dofinansowanie projektu, oś priorytetowa – Wsparcie prowadzenia prac B+R przez przedsiębiorstwa, działanie – Projekty B+R przedsiębiorstw, poddziałanie – Badania przemysłowe i prace rozwojowe realizowane przez przedsiębiorstwa. Tytuł projektu: „Poprawa jakości i uzysku spieku wielkopiecowego oraz warunków pracy poprzez zastosowanie innowacyjnej technologii zwiększającej powierzchnię roboczą taśmy spiekalniczej”

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Computer simulation of thermo-mechanical phenomena in the process of laser alloying and remelting Śliwa A., Bonek M. Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Division of Nanocrystalline and Functional Materials and Sustainable Pro-ecological Technologies Konarskiego 18a St., 44-100 Gliwice, Poland email: agata.sliwa@polsl.pl Abstract: Investigations include FEM simulation model of alloying and remelting of PMHSS6-5-3 high-speed steel surface layer using the high power diode laser (HPDL). The scope of FEM simulation was determination of temperature distribution during laser alloying and remelting process at various process configurations regarding laser beam power and method of powder deposition, as pre coated past or surface with machined grooves. Keywords Computer simulation, Finite Element Method, Laser remelting, High-speed tool steel 1. INTRODUCTION The exceptionally intensive development of laser technique dates from the beginning of development of the physical fundamentals of functioning and design of lasers. Not unaptly they are regarded as one of the greatest scientific and technical achievements of our time. Lasers are used in many spheres of life and technique. hey are successfully used in surface engineering, and also in medicine, surveying, cartography, rocket and space technique, civilian and military technique. Surface laser treatment is a new technology of changing the properties of the surface layer of materials without any significant change of the properties of their core. [1-4]. 2. MATERIALS AND METHODS The experiments were made on specimens made from the high speed steel PMHSS6-5-3. Steel PMHSS6-5-3 was obtained in the result of powder metallurgy. The investigated steel was molten in the electric vacuum furnace at the pressure of about 1 Pa, cast into ingots weighing about 250 kg, and were roughed at the temperature range 1100-900ºC into the O.D. 75 mm bars, which were soft annealed. After making by machining the specimens they were heat treated. The specimens were austenitized on the salt bath furnace and tempered in the chamber furnace in the protective atmosphere – argon. The specimens were gradually heated to the austenitizing temperature with the isothermic stops at 650 and 850°C for 15 min. Further they were austenized for 30 min at the temperature of 1200°C and cooled in hot oil. The specimens were tempered twice after quenching, each time for 2 hours, at the temperature of 560°C and next at 545 °C. Metallographic examinations of the material structures after laser alloying its surface layer were made on Zeiss LEICA MEF4A light microscope with magnifications from 50 to 1000x. The Leica-Qwin computer image analysis system was used for thickness examination of the particular zones of the surface layer. Structure of the developed coatings were examined with SUPRA 25 scanning electron microscope (SEM). Numerical analysis of termophysical processes occuring during the laser surface treatment was done with the FEM.

150 Śliwa A., Bonek M.

3. RESULTS In the figure 1 is presented temperature change of selected model numerical knots in distance function and depth of the sample and also temperature change in time function of laser surface treatment process. Data obtained on the basis of analyzed numerical model with connection to diagram of phase equilibrium and diagrams of time-temperature- change (CTP) allow to inference about the structural changes which are carried out inside of analyzed material. Analysis of relationships between temperature and depth function on selected mash knots of numerical model which are in the zone of welding puddle of fluid metal what made possible determining of maximum depth influence of temperature during the laser treatment process.

Figure 1. Temperature distribution in high speed steel HS 6-5-3 during surface treatment with the help of diode laser with high power HPDL with laser beam of 1.4 kW and scanning speed rate of 0,5m/min in function a) time b) depth c) distance d) 3 dimension map of temperature distribution. REFERENCES [1] Bonek M.: The investigation of microstructures and properties of high speed steel HS6-5-2-5 after laser

alloying, Archives of Metallurgy and Materials, 59(4), 2014, pp. 1659-1663 [2] Bonek M.: Effect of high power diode laser surface alloying of tool steels, Chiang Mai Journal of Science,

40(5), 2013, pp. 849-856 [3] Matula G., Bonek M., Dobrzański L.A.: Comparison of Structure and Properties of Hard Coatings on

Commercial Tool Materials Manufactured with the Pressureless Forming Method or Laser Treatment, Materials Science Forum Vols. 638-642 (2010), pp. 1830-1835

[4] Bonek M., Śliwa A., Mikuła J.: Computer simulation of the relationship between selected properties of laser remelted tool steel surface layer, Applied Surface Science, vol. 388, 2016, pp. 174-179

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ odkształcenia SPD na mikrostrukturę stopów odlewniczych Al-Cu J. Sobotaa, K. Rodakb, ,S. Boczkala, K. Marszowskia, A. Brzezińskab

a Sieć Badawcza Łukasiewicz-Instytut Metali Nieżelaznych, ul. Generała Józefa Sowińskiego 5, 44-121 Gliwice b Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, ul. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice Autor do korespondencji:a Sieć Badawcza Łukasiewicz-Instytut Metali Nieżelaznych, ul. Generała Józefa Sowińskiego 5, 44-121 Gliwice; email: joanna.sobota@imn.gliwice.pl Streszczenie: W pracy przedstawiono wyniki badań mikrostruktury odlewniczych stopów: Al-25%Cu, Al-33%Cu, Al-45%Cu, odkształcanych metodą KoBo do średnicy 5 i 9 mm przy zastosowaniu zmiennych parametrów procesowych uwzględniających różny stopień przerobu materiału. Celem pracy była analiza zmian zachodzących w mikrostrukturze materiałów na skutek zastosowanego procesu odkształcania oraz różnej zawartości miedzi. Abstract: The paper presents the results of microstructure testing of foundry alloys: Al-25% Cu, Al-33% Cu, Al-45% Cu, deformed by the KoBo method to 5 and 9 mm in diameter using variable process parameters including different degrees of material processing. The purpose of the work was to analyse the changes occurring in the microstructure of materials as a result of the deformation process used and different copper content. Słowa kluczowe: stopy Al-Cu, KoBo, mikrostruktura, SPD 1. WSTĘP Poprawę właściwości mechanicznych metali i stopów można uzyskać poprzez rozdrobnienie struktury materiału, na drodze intensywnego odkształcenia plastycznego (SPD). Procesy SPD ze względu na złożony stan naprężeń, w przeciwieństwie do metod konwencjonalnego odkształcania powodują, że w materiale dochodzi do znacznej koncentracji odkształcenia, a w efekcie dochodzi do rozdrobnienia mikrostruktury. Dużą skuteczność w rozdrabnianiu struktury znajdują metody KoBo, polegające na wprowadzeniu do konwencjonalnych technik odkształcania np. wyciskana, dodatkowego odkształcania realizowanego poprzez ruch skrętnej matrycy. Metoda ta umożliwia zmniejszenie wielkości ziarna do wielkości submikrometrycznych w różnych materiałach [1-2]. Dzięki rozdrobnieniu struktury za pomocą tej metody można nie tylko poprawić właściwości wytrzymałościowe materiału ale również plastyczne. Powszechnie znanymi stopami z grupy Al-Cu są stopy (serii 2xxx) umacniane wydzieleniowo, które charakteryzują się wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi (Rm w zakresie 190-470 MPa) oraz niskimi własnościami plastycznymi. Istotnym składnikiem stopowym tej podgrupy stopów aluminium jest miedź, podwyższająca wytrzymałość i twardość [3-4]. Wraz ze wzrostem zawartości Cu (powyżej 5% mas.) w Al wzrasta udział fazy międzymetalicznej, jednocześnie stop staje się materiałem odlewniczym. Poprawa właściwości plastycznych jest szczególnie ważna w kontekście tychże stopów, które poprzez nadanie odpowiednich właściwości mogą stać się konkurencyjne do zwykłych stopów odlewniczych [3,4-6]. W niniejszej pracy badano przydatność metody KoBo do rozdrobnienia ziarna i modyfikacji właściwości mechanicznych stopów odlewniczych Al-Cu: Al-5%Cu, Al-25%Cu, Al-45%Cu. 2. MATERIAŁ I METODYKA Przedmiotem badań były odlewnicze stopy Al-Cu o różnej zawartości Cu: Al-5%Cu, Al-25%Cu, Al-45%Cu. Stopy odlewano w piecu Leybold-Heraues do wlewnic o średnicy 50 mm. Następnie po zastosowaniu obróbki powierzchniowej stopy zostały wyciśnięte na zimno na prasie KoBo na średnicę ø 5mm i ø 9 mm. Matryca była wprowadzana w

152 J. Sobota, K. Rodak, S. Boczkal, K. Marszowski, A. Brzezińska

cykliczny ruch obrotowy ±8o z częstotliwością 5Hz. Badania mikrostruktury prowadzono z wykorzystaniem mikroskopu optycznego Olimpus GX71, elektronowego mikroskopu skaningowego ZEISS LEO GEMINI 1525, oraz mikroskopu skaningowego transmisyjnego STEM HITACHI HD-2300A. Badania EBSD wykonano przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego firmy PHILIPS XL30 wraz z przystawką EDS i EBSD.

3. WYNIKI I PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania mikrostrukturalne stopów Al-Cu wykazały obecność fazy α-Al oraz fazy międzymetalicznej Θ-Al2Cu. Morfologia fazy międzymetalicznej i jej udział zmieniał się w zależności od składu chemicznego stopów. W wyniku zastosowanego odkształcania otrzymano rozdrobnioną strukturę stopów, która została scharakteryzowana z wykorzystaniem różnych technik badawczych na różnym poziomie szczegółowości (rys.1). Przeprowadzone badania wykazały, skuteczność metody KoBo w rozdrabnianiu struktury analizowanych stopów. Rysunek 1. Mikrostruktura stopów (1) Al-5%Cu, (2) Al-25%Cu, (3) Al-45%Cu po a) odlewaniu (LM); b) po wyciskaniu (LM), c) po wyciskaniu ø 9 mm (STEM); d) po wyciskaniu ø 9 mm (EBSD) Figure 1. Microstructure of alloys (1) Al-5%Cu, (2) Al-25%Cu, (3) Al-45%Cu a) as-cast (LM); b) after KoBo ø 9 mm (LM), c) after KoBo ø 9 mm (STEM); d) after KoBo ø 9 mm (EBSD)

PODZIĘKOWANIE Badania wykonano w ramach pracy statutowej realizowanej w Instytucie Metali Nieżelaznych w Gliwicach LITERATURA 1. W.Bochniak, Teoretyczne i praktyczne aspekty plastycznego kształtowania metali. Metoda KoBo. Wyd.

AGH, Kraków, 2009. 2. A.Brzezińska, T.Mikuszewski, J.Sobota, K.Rodak “Mikrostruktura I właściwości mechaniczne eutektycznego

stopu Al-33%Cu po zastosowaniu odkształcenia metodą KOBO”, Obróbka Plastyczna Metali, ISSN 0867-2628, vol. XXIX (2) (2019) 139-150

3. P. Rambabu, N. Eswara Prasad, V.V Kutumbarao, R.J.H. Wanhill Aluminium Alloys for Aerospace Applications, 2017.

4. Davis J.R. Aluminum and aluminum alloys. ASM Speciality Handbook, ASM International, Materials Park, OH, USA, 1994.

5. J.Wang, S. Kang, H. Kim, Z. Horita Lamellae deformation and structural evolution in an Al-33%Cu eutectic Allom durig equal-channel angular pressing. Journal of Materials Science 37(2002) 5223-5227.

6. J. M. Park, K. B. Kim, N., Li R. Mattern, G. Liu, J. Eckert Multi chase Al-based ultrafine composite with multi-scale microstructure. Intermetalics 18 (2010) 1829-1833

1a

2a

3a

b

b

b

c

c

c

d

d

d

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Stress Corrosion Cracking in magnesium alloys M. Sozańska1, A. Mościcki2, B. Chmiela1 1 Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, email: maria.sozanska@polsl.pl, bartosz.chmiela@polsl.pl 2 BGH Polska Sp. z o. o, Żelazna 9, 40-851 Katowice, email: adrian.moscicki@bgh.pl Abstract: The basic criterion for assessing the alloy’s behaviour under complex mechanical and corrosive loads is deterioration in mechanical properties (elongation – ε, %, reduction in area – Z, %, tensile strength – Rm, MPa, time to failure –t, h) by Slow Strain Rate Test (SSRT) in air and in a corrosive environment (particularly with the presence of hydrogen) conditions. The surfaces obtained as a result of the failure of the specimens were subjected to a quantitative evaluation using quantitative fractography methods. For this purpose, a special method for the quantitative evaluation of cracks on fracture surfaces was developed. The change in the mechanical properties under stress corrosion cracking (SCC) conditions in a corrosive environment was accompanied by the presence of numerous cracks, both on fracture surfaces and in the alloy’s microstructure. This article presents an assessment of the susceptibility of magnesium alloys with rare earths to stress corrosion cracking in an 0.1M Na2SO4 environment. Keywords: SCC, magnesium alloys, hydrogen, mechanical properties, quantitative fractography methods RESULTS The results of mechanical tests after SSRT tests after hydrogenation samples indicate a change in properties (Table 1). The change in mechanical properties is accompanied by a change in fracture morphology (Figs. 1 and 2).

Table 1. Mechanical properties of AE44 magnesium alloy after SSRT test (𝜺 = 9∙10-7 s-1) in air and after exposition - hydrogenation in a corrosive environment under cathodic polarization (current density of 50 mA /cm2, 24h) and subsequent SSRT in the air.

Condition CH, ppm ε, % Z, % R0,2, MPa Rm, MPa Time to rupture, h

Air 25 13,4 4,0 110 177 44,7

After hydrogenation 32 ± 0.6 7,3 4,0 96 132 24,6

154 M. Sozańska, A. Mościcki, B. Chmiela

Fig. 1. Surface of the AE44 magnesium alloy after

SSRT in air Fig.2. Surface of the AE44 magnesium alloy after

SSRT in corrosive environment CONCLUSION Corrosive environment significantly reduces mechanical properties and changes in fracture morphology for AE44 magnesium alloy. Acknowledgements This work partially was supported by the National Science Centre in Poland under the research grant ”Effect of hydrogen on structure and stress corrosion cracking of selected magnesium alloys from Mg-Y-RE-Zr and Mg-Al-RE systems” No. 2011/03/B/ST8//06387 and by Silesian University of Technology in grant BK-205/RM0/2019 (11/990/BK_19/0063). REFERENCES 1. R.C. Zeng, J. Zhang, W.J. Huang, W. Dietzel, K.U. Kainer, C. Blawert, K. Wei, W. Ke, Review of studies on

corrosion of magnesium alloys, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2006, 763–771. 2. J. Flis, Corrosion of metals and hydrogen-related phenomena - Selected topics, Elsevier, 1991. 3. J. Wang, J. Chen, E. Han, W. Ke, Investigation of Stress Corrosion Cracking Behaviors of an AZ91

Magnesium Alloy in 0.1 kmol/m3 Na2SO4 Solution Using Slow Strain Rate Test, Materials Transactions, 2008, 1052–1056.

4. B. Chmiela, A. Mościcki, M. Sozańska, Investigation of Stress Corrosion Cracking in Magnesium Alloys, Solid State Phenomena, 2013, 89–92.

5. A. Mościcki, B. Chmiela, M. Sozańska, J. Łabanowski, Wpływ jednoczesnego oddziaływania obciążeń mechanicznych oraz środowiska zawierającego wodór na właściwości stopu WE43 - krótkie doniesienie, Ochrona Przed Korozją, 2015, 203.

6. A. Atrens, N. Winzer, W. Dietzel, P. Srinivasan, G.-L. Song, Stress corrosion cracking (SCC) of magnesium (Mg) alloys, in: Corrosion of Magnesium Alloys, Elsevier, 2011, 299–364.

7. N. Winzer, A. Atrens, G. Song, E. Ghali, W. Dietzel, K.U. Kainer, N. Hort, C. Blawert,A Critical Review of the Stress Corrosion Cracking (SCC) of Magnesium Alloys, Advanced Engineering Materials, 2005, 659–693.

8. A. Atrens, N. Winzer, W. Dietzel, P.. Srinivasan, G.-L. Song, Stress corrosion cracking(SCC) of magnesium (Mg) alloys, in: Corrosion of Magnesium Alloys, Elsevier, 2011, 299–364.

9. M. Sozańska, A. Mościcki, B. Chmiela, Investigation of Stress Corrosion Cracking in Magnesium Alloys by Quantitative Fractography Methods, Archives of Metallurgy and Materials, 62, 2017, 557-562

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Analiza procesów wydzieleniowych fazy ε_Cu zachodzących w mikrostrukturze stali Sanicro 25 po długotrwałym starzeniu M. Srokaa, A. Zielińskib, M. Pawlytaa a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Technologii Procesów Materiałowych, Zarządzania i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice email: marek.sroka@polsl.pl b Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Metalurgii Żelaza im. St. Staszica, 44-100 Gliwice, ul. K. Miarki 12-14 email: azielinski@imz.pl Streszczenie: W pracy przeprowadzono analizę zmian mikrostruktury i procesów wydzieleniowych faz wtórnych dla austenitycznej stali Sanicro 25 (X7NiCrWCuCoNbNB25-23-3-3-2). Badany materiał poddany był długotrwałemu starzeniu w temperaturze 700 i 750 °C. Obserwację mikrostruktury przeprowadzono za pomocą skaningowej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Omówiono wpływ czasu i temperatury starzenia na proces wydzieleniowy cząstek miedzi określanych mianem ε_Cu. Uzyskane wyniki badań stanowią element charakterystyk materiałowych wykorzystywanych w ocenie trwałości eksploatacyjnej elementów części ciśnieniowej kotłów energetycznych. Abstract: The paper presents the analysis of microstructure changes and secondary phase separation processes for austenitic Sanicro 25 steel (X7NiCrWCuCoNbNB25-23-3-3-2). The tested material was subjected to long-term aging at 700 and 750°C. Observation of the microstructure was carried out by means of scanning and transmission electron microscopy. The influence of aging time and temperature on the precipitation process of copper particles called ε_Cu was discussed. The obtained test results are an element of the material characteristics used in the assessment of the service life of elements of the pressure part of power boilers Słowa kluczowe: Sanicro 25, mikrostruktura, starzenie, wydzielenia Cu 1. WSTĘP W celu zwiększenia efektywności wykorzystywania istniejących bloków energetycznych i obniżenia kosztów wytwarzania energii elektrycznej prowadzona jest w Polsce w ostatnich latach modernizacja długo eksploatowanych bloków. Istotnym problemem są bloki o mocy 200MW, których w 2017 roku funkcjonowało 54 i stanowiły około 50% łącznej mocy zainstalowanej w energetyce zawodowej. Większość z tych bloków ma ponad 40 lat, a czas ich eksploatacji dawno przekroczył 200 000 godzin. Ich sprawność wynosi ok. 36%, co jest znacznie poniżej średniego poziomu sprawności bloków w Unii Europejskiej (ok. 44%). Z tego względu nie spełniają one zakładanych wskaźników techniczno-ekonomicznych, a także ekologicznych. Inwestycje modernizacyjne istniejących bloków energetycznych nie są wystarczające by sprostać pilnym potrzebom energetycznym i wymuszają nowe kierunki rozwoju polskiej elektroenergetyki, takie jak projekt strategii energetycznej kraju do roku 2040. Jednym z proponowanych rozwiązań jest zwiększenie parametrów pracy bloków energetycznych do wartości ultranadkrytycznych tj. ok. 28MPa/600°C/620°C, co związane jest z koniecznością stosowania materiałów o podwyższonych parametrach użytkowych. Stal X7NiCrWCuCoNbNB25-23-3-3-2 (Sanicro 25) została opracowana pod koniec lat 90-tych ubiegłego wieku w Szwecji przez firmę AB Sandvik Material Technology. Stal ta powstała w ramach europejskiego programu Therme AD700, którego celem było opracowanie nowego typu bloku energetycznego, a co za tym idzie

156 M. Sroka, A. Zieliński, M. Pawlyta

i materiałów konstrukcyjnych o stabilnej mikrostrukturze, wysokich właściwościach wytrzymałościowych oraz znacznej odporności na korozję i utlenianie w parze wodnej w czasie eksploatacji w temperaturze do 700°C [1,2]. 2. WYNIKI BADAŃ W żarowytrzymałych stalach austenitycznych z dodatkiem miedzi, pierwszymi cząstkami wtórnymi pojawiającymi się wewnątrz ziaren są wydzielenia bogate w miedź określane mianem ε_Cu. Wydzielanie licznych, bardzo drobnych koherentnych cząstek miedzi w stalach austenitycznych zachodzi już w pierwszych godzinach starzenia. Cząstki tej fazy obserwuje się już po godzinie starzenia w temperaturze 650°C. Jednak początkowo zawartość miedzi w tych cząstkach nie przekracza 20%, dopiero po upływie ok. 500 godzin w temperaturze 650°C zawierają już ok. 90% miedzi [3]. W badanej stali dyspersyjne wydzielenia ε_Cu obserwowano wewnątrz ziaren, głównie na dyslokacjach, co skutkuje ich kotwiczeniem i przyczynia się do znacznego umocnienia stopu. Wydzielenia te charakteryzują się względnie wysoką stabilnością [4]. W badanej stali po 1000 godzin starzenia obserwowano gęsto i jednorodnie rozmieszczone wydzielenia kulistego kształtu, a ich średnicę można oszacować na 20 nm. Po 10 000 godzin starzenia badanej stali w temperaturze 700 jak i 750°C wielkość wydzieleń (średnica) wzrasta i mieści się w zakresie od 20 do 50 nm. Dla dłuższych czasów starzenia 20 000 i 30 000 godzin w temperaturze 700°C i 750°C średnica wydzieleń mieści się w zakresie 80-200 nm. Zauważalny, względnie powolny wzrost wielkości cząstek fazy bogatej w miedź oraz jej oddziaływanie z dyslokacjami, głównie mechanizmem Orowana, korzystnie wpływa na zachowanie wysokich właściwości wytrzymałościowych i odporności na pełzanie stali w czasie eksploatacji. Wynika to głównie z niskiej energii międzyfazowej cząstka ε_Cu/osnowa wynoszącej 0,017 J/m2 w przypadku wydzielenia koherentnego z osnową. Wydzielenia ε_Cu wpływają natomiast destabilizująco na warstwę pasywną oraz obniżają odporność korozyjną stali. a) b) c)

Rys. 1. Wydzielenie ε_Cu w stali Sanicro 25 po starzeniu 10 000 godzin w temperaturze 700°C a) obraz STEM-BF, b) obraz STEM-HAADF, c) mapa rozkładu miedzi LITERATURA 1. A. Hernas, J. Dobrzański, J. Pasternak, S. Fudali. Charakterystyki nowej generacji materiałów dla energetyki.

Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląski, 2015. 2. M. Sroka, A.Zieliński, G. Golański. Analiza zmian mikrostruktury stali SANICRO 25 po długotrwałym

starzeniu. Hutnik 85 (10) (2018) 355-358. 3. Ch.Y. Chi, H.Y. Yu, J.X. Dong, X.S. Xie, X.F. Chen, F. Lin. Strengthening effect of Cu - rich phase

precipitation in 18Cr9Ni3CuNbN austenitic heat - resisting steel. Acta Metallurgica Sinica (English Letters) 24 (2011) 141-147.

4. C. Chi, H. Yu, J. Dong, W. Liu, S. Cheng, Z. Liu, X. Xie. The precipitation strengthening behavior of Cu-rich phase in Nb contained advanced Fe–Cr–Ni type austenitic heat resistant steel for USC power plant application. Progress in Natural Science: Materials International 22 (3) (2012) 175-185

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ temperatury osadzania powłoki ALD typu ZnO na stali 316L na strukturę i własności fizykochemiczne M. Staszuk a, K. Bartczuk b, Ł. Reimann a, P. Nuckowski a, R. Szklarek a,c

a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Technologii Procesów Materiałowych, Zarządzania i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie b Student Politechniki Śląskiej, Wydział Mechaniczny Technologiczny c Spinex Spinkiewicz SJ, ul. Klimontowska 19, Warszawa email: marcin.staszuk@polsl.pl Streszczenie: Celem pracy było zbadanie struktury i własności fizykochemicznych powłok ZnO osadzonych metodą ALD na stali nierdzewnej AISI 316L do zastosowań biomedycznych. Jako prekursory zastosowano dietylocynk (DEZ) oraz wodę. Warstwy tlenku cynku osadzano w 1500 cyklach, w temperaturach: 150, 200 i 300°C. Wykonan badania struktury z zastosowaniem mikroskopów SEM i AFM. Analizę fazową wykonano z zastosowaniem dyfrakcję rentgenowską. W celu określenia własności fizykochemicznych wykonano testy potencjodynamiczne i spektroskopię impedancyjną w roztworze Ringera. Testy korozyjne wykazały, że temperatura osadzania powłok w badanym zakresie nie ma znaczącego wpływu na odporność na korozję badanych materiałów. Abstract: The aim of the work was the investigation the structure and physicochemical properties of ZnO coatinge deposited by ALD method on AISI 316L stainless steel for biomedical applications. Diethyl zinc (DEZ) and water were used as precursors. The layers of zinc oxide were deposited in 1500 cycles at temperatures of 150, 200 and 300 ° C. Performed structure analysis using SEM and AFM microscopes. The phase analysis was performed using X-ray diffraction. In order to determine physicochemical properties, potentiodynamic tests and impedance spectroscopy in Ringer's solution were performed. Corrosion tests have shown that the deposition temperature of the coatings in the tested range does not have a significant effect on the corrosion resistance of the materials tested. Słowa kluczowe: ZnO, ALD, EIS, XRD, SEM, AFM. 1. WSTĘP W ostatnich kilkunastu latach obserwowany jest rozwój technologii nakładania cienkich warstw na różnorodne podłoża. Olbrzymi postęp obserwuje się w obszarze biomateriałów, za sprawą nanotechnologii i wytwarzania coraz cieńszych warstw powierzchniowych z coraz lepszymi własnościami fizykochemicznymi, elektrochemicznymi, mechanicznymi i biologicznymi. Jednym z intensywnie badanych materiałów przeznaczonych na powłoki jest tlenek cynku, który ze względu na swoje własności półprzewodnikowe, optyczne i piezoelektryczne jest stosowany na urządzenia nano-elektryczne, nano-optyczne, nano-sensory czy w produktach kosmetycznych. Jest też materiałem biodegradowalnym o niskiej toksyczności. Zn2+ znajduje się w śladowych ilościach w organizmie ludzkim i jest niezbędny w prawidłowym działaniu metabolizmu, jednak brak jest interesujących badań dotyczących stosowania tlenku cynku w zakresie biomateriałów [1-3]. 2. MATERIAŁY I METODY

W pracy zbadano powłokę ZnO na podłożu ze stali AISI 316L do zastosowań biomedycznych. Sprawdzono wpływ temperatury nakładania powłoki metodą ALD na jej strukturę z użyciem mikroskopów SEM i AFM oraz poprzez wykonanie analizy fazowej za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej XRD. Zbadano również własności fizykochemczne metodą potencjodynamiczną oraz metodą spektroskopii impedancyjnej EIS.

158 M. Staszuk, K. Bartczuk, Ł. Reimann, P. Nuckowski, R. Szklarek

3. WYNIKI I OMÓWIENIE Próbki zostały poddane elektrochemicznemu badaniu odporności na korozję. Wyniki badań wskazują na poprawę własności antykorozyjnych próbek powleczonych w porównaniu z niepowleczonymi lecz nie stwierdzono zależności między temperaturą wytwarzania powłoki a odpornością na korozję. Na rysunku 1 przedstawiono krzywe Bodego z badania spektroskopowego EIS.

Rys. 1. Wykres Bodego badanej stali niepokrytej oraz pokrytej powłoką ZnO w różnych temperaturach Fig. 1. Bode plot of tested uncoated steel and coated by ZnO coating at different temperatures

Na rysunku 2 przedstawiono dyfraktogramy rentgenowskie badanych materiałów. W wyniku badania potwierdzono występowanie krystalicznej fazy ZnO oraz stwierdzono obecność refleksów żelaza γ pochodzących od podłoża.

Rys. 2. Dyfraktogram rentgenowski badanych materiałów Fig. 2. X-ray diffraction pattern of investigated materials 4. WNIOSKI • Wyniki badania odporności na korozję wskazują iż nałożenie powłoki poprawia odporność na korozję stali

AISI 316L, jednak temperatura osadzania powłok metodą ALD w zakresie 150°C-300°C nie wpływa znacząco na odporność korozyjną powłoki ZnO.

• Analiza składu fazowego potwierdziła obecność faz odpowiadających krystalicznej fazie ZnO odpowiedniej dla osadzanej powłoki oraz żelaza γ- austenitu- pochodzącego z podłoża.

LITERATURA 1. P. Listewnik, M. Hirsch, P. Struk, M. Weber, M Bechelany, M. Jędzejewska-Szczerska, Preparation and

Characterization of Micrrosphere ZnO ALD Coating Dedicated for the Fiber-Optic Refractive Index Sensor, Nanomaterials, 306/9 (2019), str. 1-11.

2. P. Boryło, K. Matus P. Boryło, K. Matus, K. Lukaszkowicz, J. Kubacki, K. Balin, M. Basiaga, M. Szindler, J. Mikuła, The influence of atomic layer deposition proces temperaturę on ZnO thin film structure, Applied Surface Science, 474 (2019), str. 177-186.

3. J. Jiang, J. Pi, J. Cai, The Advancing of Zinc Oxide Nanoparticles for Biomedical Applications, Bioinorganic Chemistry and Aplications, vol. 2018, str. 1-18.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Quantitative XRD analysis of Zn-Al based alloys H. Suchánek a, Z. Gabalcová a, P. Gogola a, M. Bonek b, M. Kusý a a Slovak University of Technology, Faculty of Materials Science and Technology, Institute of Materials Science and Technology, Ulica Jána Bottu 25, 917 24 Trnava, Slovakia email: martin.kusy@stuba.sk

b Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Konarskiego 18a St., 44-100 Gliwice, Poland email: miroslaw.bonek@polsl.pl Abstract: The paper describes modification to Fm3m (space group no. 225) crystal lattice of aluminium required to relate quantitative data determined from X-ray diffraction (XRD) analysis of Zn-Al alloy with results obtained from quantitative scanning electron microscopy (SEM) image analysis and from Zn-Al binary phase diagram. Kaywords: hot-dip coating, quantitative x-ray diffraction, image analysis, Zn-Al alloy 1. INTRODUCTION

Binary Zn-Al alloy systems are known for their broad application in the field of corrosion protection of steel articles. In general, the protective coating layer is formed on a steel surface using a hot-dip coating process where steel article is dipped in molten Zn-based alloy and held at a dipping temperature for a certain time allowing the formation of a series of intermetallic phases followed by upper-most layer of Zn-based solid solution. [1]

XRD analysis is frequently used for phase characterization of Zn-Al based alloys and intermetallic phases formed during hot dip galvanizing on top of steel substrates [2]. It is also used to identify corrosion products formed during exposure in corrosive environments [3]. However, only rarely, quantitative results are available from XRD analysis of Zn-Al based systems.

Peculiarity of the binary Zn-Al system is a broad range of solubility of Zn atoms in Al lattice up to 70 wt. %. Therefore, different results are achieved in case the quantitative SEM image analysis results from and quantitative XRD results without adequate modification considering Zn-Al miscibility are compared with theoretical Zn-Al binary phase diagram. This paper provides comparison of quantitative SEM image analysis results with quantitative XRD analysis as non-destructive tool for determination of phase quantity. 1.1. Experimental results

Quantity of η - Zn-based solid solution and α - Al-based solid solution after solidification of Zn-3wt.%Al and Zn-5wt.%Al alloys was theoretically predicted using Zn-Al binary phase diagram [4]. Subsequently, samples with corresponding chemical composition were cast and analyzed using quantitative SEM image analysis (Fig.1a and b) and quantitative XRD analysis (Fig. 1c and d). Results summarized in Table 1 shows that predicted values from Zn-Al phase diagram (row 1) are in good agreement with those determined from quantitative SEM image analysis (Table 1, row 2). Contrary, results of quantitative XRD analysis without Al lattice modification shows increasing deviation from predicted values with increasing amount of Al in alloy (Table 1, row 1). Pure Al solidifies in face-centered cubic lattice with space group Fm3m (space group No. 225) where all symmetry-equivalent positions are occupied by Al atoms. It is proposed that these atom positions are in case of Zn-Al binary alloys assigned to both Al and Zn atoms with occupancy 85 at. % of Al and 15 at. % of Zn corresponding to temperature of 274°C. Taking into account solubility of Zn in Al lattice the quantitative XRD results in Table 1 row 3 showed good agreement with predicted or determined values present in Table 1 row 1 and 2, respectively.

160 H. Suchánek, Z. Gabalcová, P. Gogola, M. Bonek, M. Kusý

Figure 1. SEM image of as-cast Zn3Al alloy (a); SEM image of as-cast Zn5Al alloy (b) and corresponding XRD pattern of Zn3Al (c) and Zn5Al (d) alloy composed of η – Zn-based solid solution and α-Al-based solid solution Table 1. Results of quantitative phase analysis determined from binary Zn-Al phase diagram, quantitative SEM image and quantitative XRD analysis

Source Composition

Zn-3wt.%Al Zn-5wt.%Al Zn-Al phase diagram, quantities

determined at 274°C η=96.6 wt.%; α = 3.4 wt.% or η=93 vol.%, α = 7 vol.%

η=93.6 wt.%; α = 6.4 wt.% or η=87.2 vol.%, α = 12.8 vol.%

Quantitative SEM image analysis of as-cast microstructures

η = 86.4 ± 4.6 vol.%; γ = 13.6 ± 4.6 vol.% which corresponds to η =

93.2 vol.%; α = 6.8 vol.%

η = 72.7 ± 2.6 vol.%; γ = 27.3 ± 2.6 vol.% which corresponds to η =

86.3 vol.%; α = 13.7 vol.% Quantitative XRD analysis without

Al lattice modification η = 90.6 vol.% α = 9.4 vol.% η = 81.8 vol.% α = 18.2 vol.%

Quantitative XRD analysis with Al lattice modification

η = 93.3 vol.% α = 6.7 vol.% η = 87.1 vol.% α = 12.9 vol.%

REFERENCES 1. A.R.Marder, The metallurgy of zinc-coated steel, Progress in materials science 45 (2000) 191-271 2. M. Dutta et al., Morphology and properties of Zn-Mg and Zn-Mg-Al alloy coatings on steel sheet, Surface &

Coatings Technology 205 (2010) 2578-2584 3. M. S. Azevedo et al., Corrosion mechanisms of Zn(Mg,Al) coated steel in accelerated tests and natural

exposure: 1. The role of electrolyte composition in the nature of corrosion products and relative corrosion rate, Corrosion Science, 90 (2015) 472-481

4. L. L. Lachowicz, M. B. Lachovicz, Intergranular Corrosion of the as Cast Hypoeutectic Zinc-Aluminium Alloy, Archives of Foundry Engineering, 17 (2017) 79-84

20 µm 20 µm

Inte

nsit

y ½

/ co

unts

1/2

η α

Inte

nsit

y ½

/ co

unts

1/2

η α

a b

c d

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Utlenianie wysokotemperaturowe stopu γ-TiAl wytwarzanego metodą Additive Manufacturing R. Swadzba a, B. Mendala b, L. Swadzba b, K. Marugi c, Ł. Pyclik c

a Sieć Badawcza ŁUKASIEWICZ Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica, e-mail: rswadzba@imz.pl b Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Katowice c Członkowie Projektu COOPERNIK w ramach programu INNOLOT Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki prac badawczych prowadzonych nad rozwojem powłok aluminidkowych modyfikowanych krzemem dla stopów ɣ-TiAl. Przeprowadzono szczegółową charakterystykę procesów utleniania wysokotemperaturowego stopu ɣ-TiAl wytwarzanego metodą Additive Manufacturing (druku 3D) w atmosferze tlenu oraz powietrza. Analizie poddano zjawiska zachodzące pomiędzy warstwą tlenkową a stopem, ze szczególnym uwzględnieniem procesu powstawania azotków TiN i Ti2AlN. Analizie poddano wpływ aluminidkowych powłok ochronnych modyfikowanych krzemem na utlenianie wysokotemperaturowe stopu ɣ-TiAl oraz zjawiska zachodzące podczas powstawania warstwy tlenkowej. Przedstawiono szczegółowe badania przeprowadzone z wykorzystaniem Skaningowo Transmisyjnej Mikroskopii Elektronowej (STEM) oraz metody Focused Ion Beam (FIB). Abstract: The article presents the results of research works conducted on the development of Si-modified aluminide coatings for ɣ-TiAl alloys. A detailed characterization of the high temperature oxidation processes of ɣ-TiAl alloy produced by the Additive Manufacturing method (3D printing) in the atmosphere of oxygen and air was performed. The phenomena occurring at the metal-oxide scale interface were analyzed, with particular emphasis on the process of TiN and Ti2AlN nitrides formation. The effect of Si-modified aluminide protective coatings on high-temperature oxidation of the ɣ-TiAl alloy and phenomena occurring during the formation of the oxide scale were analyzed. Detailed studies performed using Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) and the Focused Ion Beam (FIB) method are presented. Słowa kluczowe: powłoki ochronne, TiAl, utlenianie, mikroskopia elektronowa 1. WSTĘP Rozwój stopów ɣ-TiAl w ciągu ostatnich dekad umożliwił ich zastosowanie komercyjne na łopatki turbin niskiego ciśnienia (LPT – Low Pressure Turbine) silników General Electric GEnx™ oraz Pratt & Whitney PW1000G-JM. Niemniej jednak, dużym wyzwaniem w dalszym rozwoju tych stopów jest ich niska odporność na utlenianie wysokotemperaturowe powyżej 800 °C. W odróżnieniu do utleniania w czystym tlenie stopy ɣ-TiAl nie tworzą ciągłej i ochronnej warstwy tlenkowej podczas ekspozycji wysokotemperaturowej w powietrzu. Dalszy rozwój stopów ɣ-TiAl nie jest możliwy bez zastosowania nowych rodzajów powłok zapewniających odporność na utlenianie wysokotemperaturowe. 2. MATERIAŁ I ZAKRES BADAŃ Powłoki zostały wytworzone za pomocą metody aluminiowania kontaktowo-gazowego (pack cementation) z wykorzystaniem różnej zawartości Si i Al w mieszaninie proszkowej. Przeprowadzono badania mikrostruktury powłok otrzymanych w pięciu różnych mieszaninach proszkowych z wykorzystaniem skaningowego mikroskopu elektronowego FEI INSPECT F i JEOL JSM 7200F. Otrzymane powłoki zostały poddane testom cyklicznego utleniania w 23 godzinnych cyklach i temperaturze 850 °C, podczas których prowadzono pomiary zmian masy próbek w celu określenia odporności na utlenianie wysokotemperaturowe. Badania mikrostruktury na granicy

162 R. Swadźba, B. Mendala, L. Swadźba, K. Marugi, Ł. Pyclik

rozdziału powłok i warstw tlenkowych przeprowadzono z wykorzystaniem wysokorozdzielczego mikroskopu skaningowo transmisyjnego FEI TITAN 80-300 oraz metody Focused Ion Beam (FIB) do preparatyki próbek.

3. WYNIKI I PODSUMOWANIE Wyniki przeprowadzonych badań ujawniły, że powłoki aluminidkowe modyfikowane krzemem na stopie

ɣ-TiAl zbudowane są z zewnętrznej strefy TiAl3 oraz wewnętrznej strefy TiAl2. Analiza STEM substruktury powłok ujawniła występowanie w nich nanometrycznych wydzieleń krzemków Ti5Si3. Ujawniono, że modyfikacja krzemem powłok aluminidkowych zapewnia wyższą odporność na utlenianie wysokotemperaturowe w temperaturze 850 °C w porównaniu do niemodyfikowanych powłok. Podczas 131 cykli utleniania (3013 godzin w 850 °C) powłoki Si-Al osiągnęły przyrost masy =< 1 mg/cm2. Przeprowadzono szczegółową analizę mikrostruktury, składu chemicznego oraz fazowego warstw tlenkowych powstających na otrzymanych powłokach podczas testu cyklicznego utleniania oraz scharakteryzowano zjawiska następujące na granicy rozdziału warstw tlenkowych z powłokami. Wykazano, że powłoki aluminidkowe modyfikowane krzemem tworzą przyczepną oraz ciągłą warstwę tlenkową zbudowaną z α-Al2O3 (Rys. 1) oraz ograniczają powstawanie tlenków Ti. Ponadto, ujawniono, że zastosowanie odpowiedniego stosunku Al do Si w mieszaninie proszkowej umożliwia otrzymanie powłok, które nie tworzą azotków tytanu Ti2AlN oraz TiN w temperaturze 850 °C, ograniczających odporność na utlenianie wysokotemperaturowe.

a) b)

Al

Nb

O

Si

Ti

c) Rys. 1. Obrazy STEM-DF i HAADF mikrostruktury na przekroju poprzecznym warstwy tlenkowej powstałej na powłoce SiAl podczas 131 cykli utleniania w temperaturze 850 °C. Fig. 1. STEM-DF and HAADF images of the cross-sectional microstructure of the oxide scale formed on the SiAl coating during 131 oxidation cycles at 850 ° C. LITERATURA 1. B. P. Bewlay, M. Weimer, T. Kelley, A. Suzuki, and P. R. Subramanian, “The science, technology, and

implementation of TiAl alloys in commercial aircraft engines,” in MRS Symp. Intermetallic-Based Alloys- Science, Technology and Applications, 2013, vol. 1516, pp. 49–58

2. T. Klein, H. Clemens, S. Mayer, Advancement of Compositional and Microstructural Design of Intermetallic γ-TiAl Based Alloys Determined by Atom Probe Tomography, Materials 2016, 9, 755; doi:10.3390/ma9090755

3. U. Habel, F. Heutling, C. Kunze, W. Smarsly, G. Das, H. Clemens, Forged Intermetallic γ-TiAl Based Alloy Low Pressure Turbine Blade in the Geared Turbofan, Proceedings of the 13th World Conference on Titanium, San Diego, CA, USA, 16–20 August 2015; Venkatesh, V., Pilchak, A.L., Allison, J.E., Ankem, S., Boyer, R., Christodoulou, J., Fraser, H.L., Ashraf Imam, M., Kosaka, Y., Rack, H.J., et al., Eds.; JohnWiley & Sons, Inc.: Hoboken, NJ, USA, 2016; pp. 1223–1227

4. R. Swadźba, L. Swadźba, B. Mendala, B. Witala, J. Tracz, K. Marugi, Ł. Pyclik, Characterization of Si-aluminide coating and oxide scale microstructure formed on γ-TiAl alloy during long-term oxidation at 950 °C, Intermetallics 87 (2017) 81–89

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Methodology of revealing of phases and microstructural constituents of CMSX-4 nickel-based superalloy implicating their computer-aided detection for image analysis A. Szczotok a, H. Reichel b a Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Badań i Mechaniki Materiałów email: agnieszka.szczotok@polsl.pl b Hochschule Osnabrück, University of Applied Sciences, student Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki prac nad doborem metodyki ujawniania mikrostruktury nadstopu na osnowie niklu CMSX-4 do badań metalograficznych. Zestaw odczynników z wykorzystaniem metody trawienia chemicznego lub elektrochemicznego został wyselekcjonowany. Przygotowano zgłady metalograficzne z badanego materiału i przygotowanymi odczynnikami oddziaływano na ich powierzchnię. Rejestrowano obrazy mikrostruktury po zastosowaniu każdego odczynnika przy mniejszych powiększeniach z wykorzystaniem mikroskopu optycznego i przy większych - za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego. W pracy zaprezentowano przykłady zarejestrowanych mikrostruktur nadstopu CMSX-4 uzyskane w wyniku zarówno korzystnego, jak i niekorzystnego trawienia poszczególnymi odczynnikami. Na podstawie tych obrazów mikrostruktury rozważano wykorzystanie poszczególnych odczynników do analiz jakościowych i ilościowych poszczególnych faz i składników strukturalnych. W efekcie, dla wybranych metodyk trawienia, zaprezentowano przykłady wykorzystania komputerowo wspomaganej analizy obrazu do detekcji wybranych faz i składników struktury badanego materiału w celu ich selektywnej oceny ilościowej. Przeprowadzone badania pozwalają także lepiej zrozumieć istotę doboru metodyki ujawniania mikrostruktury na uzyskiwane efekty. Abstract: The paper presents the findings of a research on a selection of methodology of microstructure revealing for metallographic investigation in the case of CMSX-4 nickel-based superalloy. The set of chemical and electrochemical methods of etchings has been proposed. The metallographic specimens from the analyzed material have been prepared and then with various etchants and conditions of etching the surfaces of the specimens have been treated. Final step after every etching has been taking a microphotographs by means of optical microscope and scanning electron microscope. Both useful and disadvantageous effects of etching with respective etchants have been displayed. Their application for qualitative and quantitative analysis has been considered on the basis of the presented microphotographs. As a result, examples of a computer-aided segmentation of the selected phases and microstructural constituents for selected revealing methodologies have been performed. The described investigations allows a better understanding of an essence of the selection of methodology of microstructure revealing and its influence on obtained results. Key words: superalloy, CMSX-4, microstructure, phase and microstructural contituents, etching, metallography 1. INTRODUCTION

Metallography is the study of the structure of metals and alloys. Metallographic analysis can be used as a tool to help identify a metal or alloy, to determine whether an alloy was processed correctly, to examine multiple phases within a material, to locate and characterize imperfections such as voids or impurities, or to observe damaged or degraded areas in failure analysis investigations [1]. The appropriate preparation and analysis of a microstructure is a critical component of many materials characterization efforts, whether the ultimate goal is to develop new materials, to advance our understanding of an existing material, or to determine why a failure has occurred. More than any other attribute, microstructure exerts a controlling influence over the final properties and

164 A. Szczotok, H. Reichel

performance of a material. With clear interpretation and a sound understanding, microstructure can be exploited to provide outstanding mechanical, electrical, magnetic, or chemical properties. Conversely, insufficient attention to control of microstructure can lead to unpredictable properties, inconsistent behaviour, and material failure [2]. The task of metallography is to ascertain the structure of the material by means of macro and microscopic procedures. That is why both optical and scanning electron microscopy with energy-dispersive x-ray analysis (SEM/EDX) can be useful in metallographic analysis. In order to be able to examine a material and come to a satisfactory conclusion about its quality, grinding and polishing of a sample is an important initial step in metallography. This scratch-free step suitable for macro and/or microscopic observation must have a representative, sharp-edged and level surface of the material to be examined, which allows clear recognition of its structure. Therefore it is essential that no scratches, unwanted fractures, foreign bodies or deformations appear in the preparation of the material. There is the well known goal of the metallographic preparation: to obtain ‘the true microstructure’, meaning an undisturbed material surface, which can be analyzed in an optical microscope and scanning electron microscope [3].

2. RESULTS

The diversified effects of an application of the various metholodology of the microstructure revealing have

been obtained as can be seen in the representative microstructures of the investigated alloy (Fig. 1).

Rysunek 1. Mikrostruktura nadstopu na osnowie niklu CMSX-4 ujawniona dwoma różnymi odczynnikami. Obraz z mikroskopu optycznego (LM) Figure 1. Microstructure of CMSX-4 nickel-based superalloy after two various etchants application. LM images

3. CONCLUSIONS There is well known that image segmentation could involve separating foreground from background, or clustering regions of pixels based on similarities in color or shape. On the grounds that the performed methodologies of microstructure revealing have been affected in some cases selectively on phases and microstructural constituents it has been realisable to accomplish a full automatic segmentation of the selected phases and microstructural constituents. REFERENCES 1. Metallography and Metallographic Microscopy, Anderson Materials Evaluation, Inc.,

http://www.andersonmaterials.com/metal_microscopy.html, 2019 2. Deacon R.M., Metallography, Microstructure, and Analysis: Birth of a New Journal, Metallography,

Microstructure, and Analysis 1 (2012) 1-2. 3. L.E. Samuels, Metallographic polishing by mechanical methods, ASM International, Materials Park, Ohio,

USA, 2003.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

The optical parameters of TiO2 antireflection coating prepared by ALD method for photovoltaic application M. Szindler a, M.M. Szindler a, P. Boryło a a Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Silesian University of Technology, Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Poland, email: marek.szindler@polsl.pl Abstract: The results of study on the physical and optical properties of TiO2 antireflection coating prepared by atomic layer deposition (ALD) method were shown. There optical parameters were investigated by spectroscopic ellipsometry and UV/VIS spectroscopy. The changes of surface morphology have been observed in topographic images performed with the atomic force microscope (AFM) and scanning electron microscope (SEM). Obtained roughness parameters have been calculated with XEI Park Systems software. Qualitative studies of chemical composition were also performed using the energy dispersive spectrometer (EDS). The structure of titanium dioxide was investigated by Raman spectrometer. Keywords: antireflection coating, titanium dioxide, atomic layer deposition 1. INTRODUCTION

Nowadays, the optical elements used with the antireflection coatings become the standard. Antireflective coatings (AR) are a type of coating applied to surfaces of elements to reduce reflection. In photovoltaic, antireflection coating are used both on solar cells and on the surface of the glass covering the solar module. In both cases, it is crucial to choose the parameters of the reflection reduction layer [1]. The thickness, surface morphology and refractive index are mainly influenced on antireflection properties of the layer. The choice of layer deposition method is also important. Within the framework of this article, the application of the atomic deposition method was proposed. The advantage of ALD is to control the thickness at the nanometer level, and uniformly coating the developed surface [2]. 2. METHODOLOGY

The TiO2 thin films have been deposited by an atomic layer deposition ALD using an R-200. Titanium chloride (TiCl4) was used as precursor material and water as reactant, nitride as carrier gas. Their physical and optical properties like uniformity, refractive index, reflectance and transparency have been investigated with spectroscopic ellipsometry, scanning electron microscopy, UV/vis optical spectroscopy. 3. RESULTS AND DISCUSSION

The deposited layers were characterized by a high refractive index. For the most effective wavelength for silicon solar cells (550nm) is equal 2.47 (Figure 1). It is related to the obtained crystal structure. Registered spectrum (Figure 2) of titanium dioxide thin film shows the bandwidth characteristic for the titanium dioxide - a variety of anatase (coming from the sample).

The homogeneous microstructure of the layers without any visible delamination by SEM was observed. The thin films deposited by ALD method are characterized by low reflectance and high transparency (over 90%).

166 M. Szindler, M.M. Szindler, P. Boryło

Figure 1. Optical constants of TiO2 layer deposited by the ALD method, determined using spectroscopic ellipsometry.

Figure 2. Raman spectrum of ALD titanium dioxide thin film 4. CONCLUSIONS The obtained results indicate that it is possible to obtain a titanium oxide layer by the ALD method with the desired refractive index (which is related to the crystal structure), of the appropriate thickness, thus minimizing the reflection of light from the silicon surface. Basing on obtained results, we can conclude that TiO2 thin films obtained with the ALD deposition method have good antireflection properties and could be applied in photovoltaic industry as an antireflection coating of silicon solar cells ACKNOWLEDGEMENT The publication was co-financed by the statutory grant of the Faculty of Mechanical Engineering of the Silesian University of Technology in 2019. LITERATURA 1. A. Drygała, L.A. Dobrzanski, M. Szindler, M.M. Szindler, M. Prokopiuk vel Prokopowicz, E. Jonda, (2016)

"Influence of laser texturization surface and atomic layer deposition on optical properties of polycrystalline silicon", International Journal of Hydrogen Energy, vol. 41/18, pp. 7563-7567.

2. L.A. Dobrzański, M. Szindler, A. Drygała, M.M. Szindler, (2014) "Silicon solar cells with Al2O3 antireflection coating", Central European Journal of Physics, vol. 12/9, pp. 666-670.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ podwyższonej zawartości węgla na mikrostrukturę i właściwości stopu Ti-6Al-4V A. Szkliniarza, W. Szkliniarzb a, b Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Inżynierii Powierzchni i Przeróbki Plastycznej, Krasińskiego 8, 40-019 Katowice email: aagnieszka.szkliniarz@polsl.pl, bwojciech.szkliniarz@polsl.pl Streszczenie: W artykule scharakteryzowano wpływ podwyższonej zawartości węgla na mikrostrukturę i właściwości najbardziej znanego i najczęściej stosowanego dwufazowego stopu tytanu Ti-6Al-4V. Stopy o zróżnicowanej zawartości węgla (0,2 i 0,5% mas.) wytworzono w indukcyjnym piecu próżniowym z zimnym tyglem miedzianym. Wykazano, że dodatek węgla na poziomie 0,2% mas., maksymalnie dopuszczalnym w świetle obowiązujących zaleceń, a znacznie przekraczającym zawartość występującą w komercyjnie dostępnych stopach (max. 0,08-0,1%), pozytywnie wpływa na stabilność struktury, skutkuje rozdrobnieniem ziarna, zwiększeniem twardości oraz właściwości wytrzymałościowych przy zachowaniu właściwości plastycznych, poprawia odporność na pełzanie i utlenianie, nie pogarszając przy tym ważnej dla stopów tytanu odporności na korozję. Jedynie negatywnie wpływa na zdolność do kształtowania plastycznego na zimno i udarność. Zwiększenie zawartości węgla do poziomu 0,5% mas. powoduje dalszą poprawę odporności na pełzanie i utlenianie oraz zmniejszenie skłonności do rozrostu ziarna, skutkując przy tym obniżeniem plastyczności, odporności korozyjnej i podatności do kształtowania plastycznego na gorąco oraz udarności i podatności do kształtowania plastycznego na zimno do nieakceptowalnego poziomu. Abstract: The article shows the effect of the increased carbon content on the microstructure and properties of the most-known and most commonly used two-phase titanium alloy Ti-6Al-4V. Alloys with different carbon content (0.2 and 0.5% by mass) were produced in an induction vacuum furnace with so-called cold crucible. It was shown that the addition of carbon at the level of 0.2% mass i.e. the maximum value in the light of current recommendations and considerably exceeding the carbon content found in commercially available alloys (max 0.08-0.1%) affects structural stability, results in grain refinement, increases hardness and strength properties while retaining plastic properties, improves creep and oxidation resistance, thus not compromising such an important feature as corrosion resistance. However, it has a negative effect on cold deformation and impact resistance Increasing the carbon content to 0.5% by mass causes further improvement of creep and oxidation resistance and decrease in the grain growth rate, resulting in a decrease in plasticity, corrosion resistance and susceptibility to hot plastic forming as well as impact strength and susceptibility to plastic cold forming to an unacceptable level. Słowa kluczowe: stopy tytanu, dodatek węgla, mikrostruktura, właściwości. 1. WSTĘP

Modyfikacja składu chemicznego poprzez wprowadzanie tanich i łatwo dostępnych składników stopowych jest popularną metodą obniżania kosztów stopów tytanu. Przykładowo dodatek 4% wanadu do stopu Ti-6Al-4V podnosi koszt stopu o ok. 10%, natomiast zastąpienie tego dodatku wanadu żelazem obniża koszt stopu o ok. 15% [1, 2]. Do tańszych i łatwo dostępnych składników stopów tytanu należą: żelazo, krzem, miedź, chrom oraz mangan [3-5]. Ostatnio obserwuje się również zwiększenie zainteresowania pierwiastkami międzywęzłowymi, takimi jak tlen, węgiel i azot [6-11], które dotychczas traktowane były jako zanieczyszczenia, a ich zawartość w stopach tytanu limitowana i ściśle kontrolowana. Pierwiastki te, występując we wszystkich stopach tytanu, dokąd

168 A. Szkliniarz, W. Szkliniarz

przedostają się w trakcie topienia i odlewania, mogą przy podwyższonej zawartości w skuteczny sposób zastępować droższe i trudnodostępne dodatki molibdenu, niobu lub tantalu. Spośród pierwiastków międzywęzłowych węgiel jest składnikiem, którego siła umacniającego oddziaływania stanowi co prawda 1/3 siły umacniającego oddziaływania azotu lub 2/3 siły umacniającego oddziaływania tlenu, za to nie powoduje obniżenia właściwości plastycznych do nieakceptowalnego poziomu i stwarza możliwości dodatkowego umocnienia za sprawą ograniczonej i zmiennej rozpuszczalności węgla w tytanie w stanie stałym. W pracy przedstawiono wpływ podwyższonej zawartości węgla (0,2 i 0,5% mas.) na mikrostrukturę i wybrane właściwości stopu Ti-6Al-4V. 2. WYNIKI BADAŃ

Skład chemiczny badanych dwufazowych stopów tytanu o zróżnicowanej zawartości węgla przedstawiono w tablicy 1. Stopy wytopiono w indukcyjnym piecu próżniowym z tyglem miedzianym chłodzonym wodą, stosując powtórny homogenizujący przetop. Otrzymane wlewki poddano wyżarzaniu ujednorodniającemu w piecu próżniowym a następnie procesowi walcowania na gorąco. Otrzymane pręty o średnicy 12 mm poddano końcowej obróbce cieplnej, prowadzonej w warunkach standardowych dla stopów bez dodatkowej zawartości węgla, w postaci wyżarzania (750°C/2h/powietrze) oraz przesycania i starzenia (925°C/1h/woda+540°C/4h/powietrze). Tabela 1. Skład chemiczny badanych stopów Table 1. Chemical composition of investigated alloys

Stop Zawartość, % mas.

Al V C O Ti Ti-6Al-4V 5,99 3,89 0,03 0,15

Reszta Ti-6Al-4V-0,2C 5,91 3,84 0,27 0,14

Ti-6Al-4V-0,5C 5,98 3,85 0,55 0,14

Porównując mikrostrukturę i właściwości badanych stopów z węglem z właściwościami stopu referencyjnego niezawierającego węgla ustalono, że dodatek węgla wpływa na podwyższenie twardości, wytrzymałości na rozciąganie oraz modułu Younga. Poprawia również odporność na pełzanie i utlenianie oraz wpływa pozytywnie na stabilność struktury i sprzyja rozdrobnieniu ziarna. Ustalono przy tym negatywny wpływ węgla na udarność i podatność do kształtowania plastycznego badanego stopu, zwłaszcza przy zawartości 0,5% mas. LITERATURA 1. R. R. Boyer, Attributes, characteristics, and applications of titanium and its alloys, JOM, 62(5) (2010) 21-24. 2. P. G. Esteban, L. Bolzoni, E. M. Ruiz Navas, E. G. Oderiz, Patent WO2010015723A1, 2010. 3. V. Venkatesh, A. L. Pilchak et al. (eds.), Proceedings of the 13th World Conference on Titanium: 2015, San

Diego (USA), John Wiley & Sons, San Francisco 2016. 4. C. Leyens, M. Peters, Titanium and Titanium Alloys: Fundamentals and Applications, Wiley-VCH Verlag

GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2003. 5. F. H. Froes, Titanium: Physical Metallurgy, Processing, and Applications, ASM International, Materials Park

2015. 6. X. Song, L Chen., K. Li, G. Chen, Effect of carbon and oxygen additions on microstructure and mechanical

properties of Ti-4.3Fe-7.1Cr-3Al alloy, International Journal of Modern Physics B 23, 6-7 (2009) 814-820. 7. Z. Q. Chen, Y. G. Li, M. H. Loretto, Role of alloying elements in microstructures of beta titanium alloys with

carbon additions, Materials Science and Technology 19 (2003) 1391-1398. 8. A. Szkliniarz, Deformation of Ti-6Al-4V alloy with carbon, Solid State Phenomena 176 (2011) 149-156. 9. Q. Wei, L. Wang, Y. Fu, J. Qin, W. Lu, D. Zhang, Influence of oxygen content on microstructure and

mechanical properties of Ti-Nb-Ta-Zr alloy, Materials and Design 32 (2011) 2934-2939. 10. J. Del Prado, X. Song, D. Hu, X. Wu, The influence of oxygen and carbon-content on aging of Ti-15-3,

Journal of Materials Engineering and Performance 14(6) (2005) 728-734. 11. A. Szkliniarz, Thermal stability of Ti-6Al-4V alloy with carbon content, Solid State Phenomena 226 (2015)

23-28.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Mikrostruktura i właściwości stopów na osnowie TiAl wytapianych w tyglu grafitowym W. Szkliniarz a, A. Szkliniarz b a, b Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Inżynierii Powierzchni i Przeróbki Plastycznej, Krasińskiego 8, 40-019 Katowice email: a wojciech.szkliniarz@polsl.pl, b agnieszka.szkliniarz@polsl.pl Streszczenie: W pracy scharakteryzowano skład chemiczny, skład fazowy, mikrostrukturę i wybrane, najważniejsze właściwości mechaniczne w temperaturze pokojowej i temperaturze przewidywanych warunków pracy trzech reprezentatywnych stopów należących do kolejnych generacji stopów na osnowie uporządkowanej fazy międzymetalicznej TiAl. Stopy te zostały wytworzone drogą wytapiania w indukcyjnych piecach próżniowych w specjalnych tyglach wykonanych z izostatycznie prasowanego grafitu wysokiej gęstości. Otrzymane wyniki odniesiono do właściwości produkowanych w świecie stopów o porównywalnym składzie chemicznym. Abstract: The paper characterized the chemical and phase composition, microstructure and selected mechanical properties at room temperature and at temperature corresponding to the expected operating conditions of a three subsequent generations of TiAl based alloys melted in a vacuum induction furnace in a special graphite crucibles. The results obtained were referred to properties produced in the world of alloys of comparable chemical composition. Słowa kluczowe: np.: stopy na osnowie fazy międzymetalicznej TiAl, topienie indukcyjne w tyglach grafitowych 1. WSTĘP

Według sformułowanych w 2001 roku założeń Advisory Council for Aerospace Research in Europe (ACARE) produkowane w 2020 roku silniki lotnicze w stosunku do tych z roku 2000 powinny charakteryzować się parametrami zapewniającymi zmniejszenie o 50% poziomu hałasu, emisji CO2 i zużycia paliwa oraz zmniejszenie o 80% emisji NOx [1]. Spełnienie tych rygorystycznych oczekiwań wymaga znalezienia lekkich zamienników dla ciężkich nadstopów niklu wykorzystywanych do budowy silników lotniczych. Dwukrotnie lżejsze stopy na osnowie uporządkowanej fazy międzymetalicznej TiAl znakomicie wpisują się w te oczekiwania.

Stopy na osnowie uporządkowanej fazy międzymetalicznej TiAl o wysokiej temperaturze topnienia, niskiej gęstości, wysokiej wytrzymałości i sztywności względnej, dobrej odporności na pełzanie i utlenianie stanowią wyjątkowo atrakcyjny, lekki materiał konstrukcyjny nowej generacji predestynowany do zastosowania w zakresie temperatury 600÷850°C na elementy silników lotniczych i silników samochodowych, elementy konstrukcji i poszycia promów kosmicznych, a ostatnio także na elementy stosowanych w energetyce turbin gazowych [2-6]. Największe oczekiwania dotyczą użycia ich w charakterze zamienników drogich nadstopów niklu o dwukrotnie większej gęstości do wytwarzania wirujących elementów konstrukcyjnych nowoczesnych silników lotniczych – łopatek turbiny niskiego ciśnienia i łopatek wirnika sprężarki wysokiego ciśnienia – co ma zapewnić poprawę sprawności tych silników, zwiększenie energooszczędności oraz zmniejszenie emisji gazów spalinowych.

Wytwarzaniu i przetwarzaniu stopów na osnowie fazy międzymetalicznej TiAl towarzyszą określone trudności wynikające z wysokiej reaktywności ciekłych stopów tytanu w kontakcie z gazami oraz materiałami ceramicznymi znajdującymi się w przestrzeni topienia, małej lejności i dużego skurczu odlewniczego.

W pracy do wytwarzania wieloskładnikowych stopów na osnowie fazy międzymetalicznej TiAl o założonym i powtarzalnym składzie chemicznym oraz minimalnej zawartości gazowych zanieczyszczeń wykorzystano

170 W. Szkliniarz, A. Szkliniarz

unikatową, autorską technologię wytapiania w indukcyjnych piecach próżniowych w specjalnych tyglach wykonanych z izostatycznie prasowanego grafitu wysokiej gęstości [7, 8]. 2. WYNIKI BADAŃ

Przedmiotem opisanych w pracy badań były stopy: Ti-47Al-2W-0,5Si, Ti-45Al-8Nb-0,5(B, C) i Ti-45Al-5Nb-2Cr-1Mo-0,5(B, C)-0,2Si o składach chemicznych przedstawionych w tablicy 1, reprezentujące odpowiednio II, III i IV generację stopów na osnowie uporządkowanej fazy międzymetalicznej TiAl. Tablica 1. Skład chemiczny badanych stopów Table 1. Chemical composition of investigated alloys

Stop

Skład chemiczny

Al W Nb Cr Mo Si C B O N H Ti % at. ppm % at.

Ti-47Al-2W-0,5Si 46,60 2,33 - - - 0,43 0,34 - 836 120 21

Reszta Ti-45Al-8Nb-0,5(B, C) 44,25 - 7,34 - - - 0,34 0,15 935 96 17 Ti-45Al-5Nb-2Cr-1Mo-

0,5(B, C)-0,2Si 43,94 - 4,71 1,77 0,90 0,21 0,34 0,14 939 105 18

Procedura wytworzenia stopów obejmowała: • wytapianie w indukcyjnym piecu próżniowym w tyglu wykonanym z grafitu izostatycznie prasowanego

wysokiej gęstości i odlewanie do form piaskowych do postaci wlewków o średnicy 55 mm i długości 400 mm, • wyżarzanie ujednorodniające polegające na izotermicznym wygrzewaniu przez 1 h w temperaturze 1400°C,

połączonym z chłodzeniem z piecem po wygrzewaniu, • izostatyczne prasowanie na gorąco przez 4 h w osłonie argonu w temperaturze 1260°C i pod naprężeniem

170 MPa. Oceniając przydatność zaproponowanej technologii wytapiania skład fazowy, mikrostrukturę i właściwości

fizyko-chemiczne, mechaniczne oraz eksploatacyjne poszczególnych stopów porównano ze składem fazowym, mikrostrukturą i właściwościami odpowiednich stopów referencyjnych o podobnym składzie chemicznym, wytworzonych z wykorzystaniem aktualnie stosowanych w świecie technologii.

Stwierdzono, że otrzymane z wykorzystaniem unikatowej technologii, należące do różnych generacji stopy na osnowie fazy międzymetalicznej TiAl charakteryzują się właściwościami fizyko-chemicznymi, mechanicznymi i eksploatacyjnymi porównywalnymi z właściwościami produkowanych w świecie stopów z wykorzystaniem niedostępnych w kraju urządzeń i technologii. LITERATURA 1. www.acare4europe.org/sites/acare4europe.org/files/document/Vision%202020_0.pdf 9 (31.05.2019). 2. F. Appel, J. D. H. Paul, M. Oehring, Gamma Titanium Aluminide Alloys. WILEY-VCH, Weinheim, 2011. 3. H. Clemens, S. Mayer, Design, Processing, Microstructure, Properties, and Applications of Advanced

Intermetallic TiAl Alloys, Advanced Engineering Materials 15(4) (2013) 191-215. 4. H. Zhang, H. Ding, Q. Wang, R. Chen, J. Guo, Microstructures and tensile properties of directionally

solidified Ti-45Al-2Cr-2Nb alloy by electromagnetic cold crucible zone melting technology with Y2O3 moulds, Vacuum 148 (2018) 206-213.

5. J. Lapin, Intermetallic TiAl based alloys for gas turbine and aircraft engine applications, Materials and Technologies for Lightweight Design, INNOVMAT, 2011.

6. K. Kothari, R. Radhakrishnan, N. M. Wereley, Advances in gamma titanium aluminides and their manufacturing techniques, Progress in Aerospace Sciences 55 (2012) 1-16.

7. W. Szkliniarz, A. Szkliniarz, Fundamentals of manufacturing technologies for aircraft engine parts made of TiAl based alloys, Archives of Metallurgy and Materials 61 (2016) 1385-1390.

8. W. Szkliniarz, A. Szkliniarz, The characteristics of TiAl-based alloys melted in graphite crucibles, Materials Science and Technology 35(3) (2019) 297-305.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Composite tool materials with improved thermal conductivity for plastic processing B. Tomiczek a a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych email: blazej.tomiczek@polsl.pl Streszczenie: W pracy przedstawiono koncepcję, technologię i wybrane wyniki badań nowo opracowanych materiałów kompozytowych o podwyższonej przewodności cieplnej z przeznaczeniem na narzędzia do przetwórstwa tworzyw sztucznych. W celu wytworzenia stalowo-miedzianych materiałów kompozytowych wykorzystano metodę selektywnego spiekania laserowego w połączeniu z samorzutną infiltracją. Dobór warunków wytwarzania opierał się na kompleksowych badaniach strukturalnych oraz własności mechanicznych. Abstract: The work presents the concept, technology and selected results of research of newly developed composite materials with increased thermal conductivity for use as tools for plastics processing. To produce steel-copper composite materials, selective laser sintering method in combination with pressureless infiltration were used. The choice of manufacturing conditions was based on complex structural examinations and mechanical properties tests. Słowa kluczowe: metalowe materiału kompozytowe, infiltracja samorzutna, selektywne spiekanie laserowe, Keywords: metal matrix composites, pressureless infiltration, selective laser sintering

1. INTRODUCTION

Plastics processing is a dynamically developing group of technologies for the production of construction and

everyday use elements. Among the used manufacturing methods, the most widespread and effective technique is the injection moulding of thermoplastic polymers. Achieving high quality and accuracy of shapes and dimensions of components manufactured from polymeric materials requires the use of precisely designed and made injection moulds. The large spectrum of materials used for injection tools proves the extremely varied working conditions depending on the polymer material and the size of production. The designers of the thermoplastics instrumentation, are faced with a choice between the need to ensure maximum durability and high thermal conductivity. One of the essential factors influencing the cost of the final product is production efficiency. In case of injection moulding process, the largest part of the total production cycle time is the cooling. The heat is transferred through the injection mould tool material, and thus mostly depends on its thermal conductivity [1]. The injection moulds used in plastics processing are most often made of conventional tool steel. The thermal conductivity of these steel is in the range from 10 to 40 W/m·K, which corresponds to 10% copper conductivity. In the case of moulds for injection of elements with various thickness, where there is a need for fast heat exchange during cooling, beryllium bronzes are used. Unfortunately, these alloys are expensive and have low hardness and mechanical strength. Besides, it was found that beryllium is a toxic and carcinogenic material. It is particularly dangerous during treatment associated with a release in the form of dust or vapours (e.g. grinding). Beryllium and its compounds affect cellular metabolism, disrupting many enzymatic processes already at very low concentrations. Epidemiological and toxicological studies provide more and more evidence that the hygienic standards of exposure to beryllium should be tightened [2]. Due to difficulties in the selection of conventional material for injection moulds, ensuring both high mechanical properties and increased thermal conductivity, the use of composite materials has been proposed.

172 B. Tomiczek

2. MATERIAL AND METHOD Porous 18Ni300 tool steel specimens were manufactured using a Renishaw AM125 selective laser sintering

machine. Then, in the pressureless infiltration process, the open pores of the steel samples were filled with liquid copper, using the Czylok PTA-8/PrGC device. The last step was the use of conventional heat treatment: hardening and tempering. The developed composite materials were subjected to complex structural tests using light and electron microscopy as well as basic mechanical properties.

3. RESULTS

Metallographic observation of the infiltrated composite materials conducted on SEM and light microscopy

allowed to confirm the uniform distribution of sintered steel particles and complete pore filling by liquid copper. Scanning electron microscopy examination revealed an intermediate zone at the border between the steel and copper in manufactured composite materials. The transition zone proves the diffusion of copper into steel. In addition, a small amount of iron and nickel was identified in the copper area, which indicates the dissolution of steel during contact with liquid metal.

Rysunek 1. Struktura spiekanej stali 18Ni300 infiltrowanej miedzią (SEM) wraz z analizą składu chemicznego w mikroobszarach (EDS) Figure 1. Structure of sintered 18Ni300 steel infiltrated with copper (SEM) with micro-area chemical composition analysis (EDS) Acknowledgement This research work was funded by the National Centre for Research and Development of Poland (NCBR) under grant no. LIDER/49/0196/L-9/17/NCBR/2018 LITERATURE 1. W. Frącz, B. Krywult, Projektowanie i wytwarzanie elementów z tworzyw sztucznych, Oficyna Wydawnicza

Politechniki Rzeszowskiej, 2005 2. A. Sieradzki, R. Andrzejak, U. Sieradzka, Berylioza w środowisku pracy, Medycyna Pracy 53/2 (2002)

151—160

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Symulacja wpływu składu chemicznego stali na przemiany austenitu podczas chłodzenia J. Trzaskaa a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Inżynierii Materiałów Biomedycznych email: jacek.trzaska@polsl.pl Streszczenie: W artykule przedstawiono przykład symulacji wpływu składu chemicznego stali na przemiany austenitu podczas chłodzenia ciągłego. Do obliczeń wykorzystano autorski model neuronowy wykresów CTPc. Abstract: The article presents an example of simulation of the chemical composition of steel on austenite transformation during continuous cooling. The author's neural model of CCT diagrams was used for calculations. Słowa kluczowe: wykresy CTPc, symulacja, obróbka cieplna, stal 1. WSTĘP

Wykresy CTPc dostarczają ważnych informacji na temat możliwości uzyskania wymaganej mikrostruktury i twardości stali w zależności od przebiegu jej chłodzenia w sposób ciągły z temperatury austenityzowania. Są pomocne podczas ustalania warunków operacji obróbki cieplnej. Na podstawie wykresów CTPc często są obliczane parametry modeli przemian fazowych. Obliczenie wykresu CTPc skraca czas uzyskania wyników i redukuje koszty badań laboratoryjnych.

Położenie i kształt krzywych przemian austenitu prezentowanych na wykresach CTPc zależą przede wszystkim od składu chemicznego stali, stanu wyjściowego materiału oraz warunków austenityzowania. Wprowadzenie do stali kilku pierwiastków stopowych sprawia, że ich oddziaływanie jest inne niż poszczególnych pierwiastków dodanych osobno. W wielu przypadkach zmienia się nie tylko intensywność, lecz także kierunek odziaływania.

W pracy [1] przedstawiono model neuronowy wykresów CTPc, który umożliwia obliczenie wykresu stali konstrukcyjnych i maszynowych na podstawie składu chemicznego i temperatury austenityzowania. Do modelowania wykorzystano sztuczne sieci neuronowe oraz zbiór danych przygotowany na podstawie 550 wykresów CTPc publikowanych w literaturze. Model wykresów CTPc tworzy 17 sztucznych sieci neuronowych, które rozwiązują zadania klasyfikacyjne i regresyjne. Model umożliwia symulację wpływu wybranych pierwiastków na dowolną temperaturę lub czas opisujący przemiany austenitu, a także twardość i udział składników strukturalnych, które powstają w wyniku ochłodzenia stali z temperatury austenityzowania. W artykule przedstawiono przykład symulacji.

2. METODA I PRZYKŁAD OBLICZEŃ Jednym ze sposobów przedstawienia wyników symulacji jest wykres opisujący wpływ jednego lub dwóch pierwiastków. Stężenia masowe pozostałych pierwiastków muszą być ustalone i nie mogą zmieniać się podczas obliczeń. Jest to szczególnie istotne w kontekście oceny synergicznego oddziaływania pierwiastków stopowych na przemiany austenitu podczas chłodzenia. Przykład przedstawiający wpływ wybranych pierwiastków na temperaturę początku przemiany bainitycznej Bs przedstawiono na rysunku 1. Wyniki symulacji potwierdzają oddziaływanie pierwiastków na temperaturę Bs przedstawiane w wielu równaniach empirycznych. Większość

174 J. Trzaska

równań, które zebrano między innymi w pracach [1, 2], ma postać liniową. Współczynniki równań obliczano na podstawie różnych zbiorów danych. Największy wpływ węgla jest przedstawiany niemal we wszystkich równaniach. Kolejność i intensywność oddziaływania pozostałych pierwiastków nie zawsze są takie same.

a)

b)

c)

d)

Rysunek 1. Symulacja wpływu składu chemicznego stali na temperaturę Bs dla stężenia pozostałych pierwiastków: a) i c) 0,3%C, 0,8%Mn, 0,4%Si, 0,3%Cr, 0,3%Ni, 0,05%Mo; b) i d) 0,3%C, 0,8%Mn, 0,4%Si, 1,5%Cr, 1,5%Ni, 0,4%Mo Figure 1. Simulation of the effect of alloying elements on the Bs temperature of the steel with concentrations: a) and c) 0.3%C, 0.8%Mn, 0.4%Si, 0.3%Cr, 0.3%Ni, 0.05%Mo; b) and d) 0.3%C, 0.8%Mn, 0.4%Si, 1.5%Cr, 1.5%Ni, 0.4%Mo

Podobnie jak w przedstawionym na rysunku 1 przykładzie, w większości przypadków, bezpośrednio po węglu, jako najintensywniej oddziałujące pierwiastki wskazywane są mangan i molibden oraz chrom. W przedstawionym przykładzie zwraca uwagę nieliniowy wpływ manganu i molibdenu oraz węgla dla większych stężeń pozostałych pierwiastków. Na złożone oddziaływanie niklu, molibdenu i chromu wskazuje w swoim równaniu Lee [3], a nieliniowy wpływ węgla definiuje Van Bohemen [4]. Analizę wpływu składu chemicznego stali na temperaturę Bs popartą wynikami badań stopów modelowych oraz stali komercyjnych zaprezentowano w pracy [5]. Wpływ pierwiastków na kinetykę przemiany bainitycznej, w tym temperaturę Bs, przedstawiono w monografii [6].

Adekwatny model pozwala wykonanie symulacji i/lub zredukowanie liczby doświadczeń, co obniża koszty i skraca czas badań. Ze względu na błędy, które zawsze związane są z modelowaniem obliczenia powinny być częściowo potwierdzone badaniami laboratoryjnymi. LITERATURA 1. J. Trzaska, Metodologia prognozowania anizotermicznych krzywych przemian fazowych stali

konstrukcyjnych i maszynowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2017. 2. A.A. Gorni, Steel Forming and Heat Treating Handbook, www.gorni.eng.br/e/Gorni_SFHTHandbook.pdf. 3. Y.K. Lee, Empirical Formula of Isothermal Bainite Start Temperature of Steels, Journal of Materials Science

Letters 21/16 (2002) 1253-1255. 4. S.M.C Van Bohemen, Bainite and Martensite Start Temperature Calculated with Exponential Carbon

Dependence, Materials Science and Technology 28/4 (2012) 487-495. 5. J. Pacyna, Projektowanie składów chemicznych stali, Wydawnictwo Wydziału Metalurgii i Inżynierii

Materiałowej AGH, Kraków, 1997. 6. Z. Ławrynowicz, Próba wykorzystania mechanizmu przemiany bainitycznej do modelowania kinetyki

i mikrostruktury stali niskostopowych. Wydawnictwa Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego, Bydgoszcz, 2009.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ entropii na własciwości dielektryczne i magnetyczne materiałów ferrytowych (Fe,Co,Ni,Mg,Cr)3O4 T. Warski a, Ł. Hawałek a, P. Włodarczyk a, R. Babilas b, A. Kolano-Burian a, A. Radoń a a Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metali Nieżelaznych, Zakład Materiałów Funkcjonalnych, ul. Sowińskiego 5 , 44-100 Gliwice e-mail: tymon.warski@imn.gliwice.pl a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice Streszczenie: W pracy omówiono wpływ entropii na właściwości dielektryczne i magnetyczne materiałów ferrytowych. Ferryty z grupy (Fe,Co,Ni,Mg,Cr)3O4 o zmiennej zawartości pierwiastków zsyntezowano chemiczną metodą współstrącania. Entropia układu została zmodyfikowana poprzez zmianę składu chemicznego. Wprowadzanie nowego pierwiastka do układu skutkowało zwiększeniem entropii, a to wywoływało zmiany we właściwościach zsyntezowanych materiałów. Korzystając z metody szerokokątowej dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego wyznaczono skład fazowy materiałów bezpośrednio po syntezie i po obróbce cieplnej. Wykonano dalej badania dielektryczne i magnetyczne z wykorzystaniem szerokopasmowej spektroskopii dielektrycznej z wykorzystaniem przystawki magnetycznej. Abstract: The work discusses the effect of entropy on dielectric and magnetic properties of ferrite materials. The ferrites from the group (Fe,Co,Ni,Mg,Cr)3O4 with variable content of compounds were synthesized by the chemical co-precipitation method. Entropy of the system has been modified by changing the chemical composition. Introducing a new element into the structure resulted in an increase in entropy, which caused changes in the properties of synthesized materials. Using wide-angle X-ray diffraction method the structural phases of the materials were determined directly after the synthesis and heat treatment process. The dielectric and magnetic properties were determined by using broadband dielectric spectroscopy equipped with magnetic attachment. Słowa kluczowe: ferryty, tlenki wysokiej entropii, przewodnictwo elektryczne, przenikalność magnetyczna 1. Wstęp

Ferryty znane są już od 1930 r., kiedy to pierwsze prace nad ich syntezą prowadzili Yogoro Kato i Takeshi Takei z Tokijskiego Instytutu Technologicznego. Dalsze badania związane z rozwojem metod ich syntezy oraz określania właściwości pozwoliły na zastosowanie ich na szeroką skalę m.in. w transformatorach, magnesach trwałych oraz jako materiały ekranujące promieniowanie elektromagnetyczne [1]. Ferryty są to nieorganiczne związki tlenu z metalami (głównie żelazem) krystalizujące w komórkę spineli. Jony tlenkowe tworzą sieć regularną, w której występują luki oktaedryczne (wolny obszar ograniczony 4 atomami) i tetraedryczne (wolny obszar ograniczony 6 atomami). Komórka elementarna ferrytów zawiera 64 luki tetraedrycznych oraz 32 oktaedryczne, w których jedynie 8 miejsc tetraedrycznych i 24 oktaedrycznych może być zajęte przez jony metali. Za rozkład jonów w lukach odpowiada ich powinowactwo dla obu pozycji, które zależy od m.in. energii stabilizacji sieci krystalicznej, zasięgu wiązań jonowych, wielkości odstępów miedzy jonami, rodzaju syntezy lub mechanizmu wytwarzania oraz warunków syntezy. Struktura ta w głównej mierze jest odpowiedzialna za ich własności dielektryczne oraz magnetyczne [2,3].

Wzór ogólny struktury spinelowej ferrytów można opisać następująco[2]:

176 T. Warski, Ł. Hawałek, P. Włodarczyk, R. Babilas, A. Kolano-Burian, A. Radoń

gdzie: M – jony metalu dwuwartościowego lub trójwartościowego x – stopień inwersji spinelowej () – luka tetraedryczna [] – luka oktaedryczna

Ferryty o wysokiej entropii należą do nowej grupy materiałów, nad którą badania prowadzone są od 2015 r.

Entropia układu jest kontrolowana poprzez sposób i parametry wytwarzania, obróbkę termiczną lub skład chemiczny, który zniekształca strukturę krystaliczną i tym samym zaburza strukturę spinelową materiału przy zachowaniu jednej fazy. Jony poszczególnych metali różnią się między sobą budową, przez co wpływają na swoje otoczenie zmieniając tym samym właściwości m.in. elektryczne, dielektryczne, magnetyczne czy zdolność do absorbcji mikrofal [4]. Przykładem może być zmiana składu chemicznego ferrytu CoFe2O4 poprzez wprowadzanie jonów Cr3+, które zwiększają rezystywność materiału [5]. Główną metodą otrzymywania tlenków wysokiej entropii jest mieszanie i spiekanie tlenków poszczególnych metali w odpowiednich proporcjach. Grupa badawcza J. Dąbrowy po raz pierwszy w swojej pracy zsyntezowała i opisała właściwości ferrytu wysokoentropowego (Co,Cr,Fe,Mn,Ni)3O4. Materiał otrzymali poprzez spiekanie zmielonych tlenków metali w 1050 °C przez 20 h [6]. Ze względu na dobrą absorbcje fal elektromagnetycznych oraz własności dielektryczne i magnetyczne ferryty o wysokiej entropii mogą znaleźć zastosowanie jako materiały ekranizujące fale elektromagnetyczne, katalizatory m.in. w heterogenicznej reakcji Fentona, czy w medycynie [7].

W niniejszej pracy przedstawiono dwuetapową metodę syntezy ferrytów o wysokiej entropii. Materiał został zsyntezowany w skutek ultraszybkiej metody współstrącania soli metali w silnej zasadzie. W celu sprawdzenia wpływu entropii na strukturę oraz właściwości dielektryczne i magnetyczne zsyntezowano 5 próbek o zmiennym składzie chemicznych. Zmiany entropii w analizowanym układzie dokonano w pozycji oktaedrycznej poprzez podstawianie zarówno jonów Fe3+ jak i Fe2+ poprzez chrom, kobalt, nikiel oraz magnez. Następnie próbki wygrzano w piecu w temperaturze 600°C przez 10h, w celu ujednorodnienia struktury. Dla tak zsyntezowanych materiałów określono ich właściwości dielektryczne oraz magnetyczne przy użyciu m.in. szerokopasmowego spektroskopu dielektrycznego. Pomiary wykonano dla zakresu temperaturowego -100 – 100°C w dwóch zakresach częstotliwości. Badania w niskim zakresie częstotliwości posłużyły do określenia mechanizmu przewodnictwa oraz wpływu entropii na przejście pomiędzy przewodnictwem po granicach ziaren oraz wewnątrz ziaren. Badania wysokoczęstotliwościowe zostały zastosowane w celu określenia właściwości magneto-dielektrycznych pod przyszłościowym kątem zastosowania materiałów jako absorberów promieniowania radiofalowego oraz mikrofalowego oraz jako substratów do anten.

LITERATURA 1. Milestones:Development of Ferrite Materials and Their Applications, 1930-1945,

https://ethw.org/Milestones:Development_of_Ferrite_Materials_and_Their_Applications,_1930-1945 2. D.S. Mathew, R.S. Juang, "An overview of the structure and magnetism of spinel ferrite nanoparticles and

their synthesis in microemulsions", Chemical Engineering Journal, 2007. 3. B.J. Rani, M. Ravina, B. Saravanakumar, G. Ravi, V. Ganesh, S. Ravichandran, R. Yuvakkumar,

"Ferrimagnetism in cobalt ferrite (CoFe2O4) nanoparticles", Nano-Structures and Nano-Objects. 2018. 4. C.M. Rost, E. Sachet, T. Borman, A. Moballegh, E.C. Dickey, D. Hou, J.L. Jones, S. Curtarolo, J.P. Maria,

Entropy-stabilized oxides, Nat. Commun., 2015. 5. R.K. Panda, R. Muduli, G. Jayarao, D. Sanyal, D. Behera, Effect of Cr3+substitution on electric and magnetic

properties of cobalt ferrite nanoparticles, J. Alloys Compd, 2016. 6. J. Dąbrowa, M. Stygar, A. Mikuła, A. Knapik, K. Mroczka, W. Tejchman, M. Danielewski, M. Martin,

Synthesis and microstructure of the (Co,Cr,Fe,Mn,Ni)3O4 high entropy oxide characterized by spinel structure, Mater. Lett. 2018.

7. K.K. Kefeni, T.A.M. Msagati, B.B. Mamba, Ferrite nanoparticles: Synthesis, characterisation and applications in electronic device, Materials Science and Engineering B: Solid-State Materials for Advanced Technology, 2017.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Trends of use composites materials for railway sleepers Ł. Wierzbicki a

a Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katedra Transportu Kolejowego email: lukasz.wierzbicki@polsl.pl Streszczenie: W ostatnich latach zwiększyło się zainteresowanie materiałami alternatywnymi stosowanymi do wytwarzania podkładów kolejowych. Ciągłe wymiany i modernizacje torów przeprowadzane na całym świecie, powodują że rynek kolejowych podkładów jest ogromny. Przyczyną tego jest fakt, że materiały polimerowe, zwłaszcza poddane recyklingowi, są materiałami tanimi, z którymi coraz więcej producentów eksperymentuje. W artykule przedstawiono analizę informacji dotyczących podkładów polimerowych w ostatnich latach. Abstract: In recent years, interest in alternative materials for railway sleepers has increased. With ongoing track replacement and upgrades being carried out around the world, the railway sleeper market is huge. Cause of this, polymer materials, especially recycled, are materials with which more and more manufacturers are experimenting, for cause of low materials prices. The article presents an analysis of informations relating to polymer sleepers reported in recent years. Słowa kluczowe: np.: kompozyty, podkłady kolejowe, composites, railway sleepers 1. INTRODUCTION

Railway sleepers are one of the most important elements of the railway infrastructure. They are the simple or shape beams laid under the rails to support the track [1,2]. Their main function is to transfer the loads to the ground. Other important features of sleepers include holding the rails to keep the correct distance and resist the lateral and the longitudinal movement of the rail system [1,3].

The sleepers are made from different kinds of materials. Each of them must meet the requirements about high stiffness, low mass, ease of machining, low electric conductivity, easy of handling and installation, good tie ballast interaction and long service life [1,2]. Depending upon the material, the traditional sleepers may be classified as: wooden sleepers, steel sleeper, cast iron sleepers, concrete sleepers. 2. POLYMER COMPOSITES FOR SLEEPERS

Polymer materials, usually called „plastics”, are very huge materials group. Polymer materials classified by physical reaction to heating may be included in one of two groups: thermosetting or thermoplastic. In each group are materials that can be used for production of rail sleepers. Thermoplastic materials can be formed more technologies including by injection moulding, extrusion, rotomoulding, pressing, etc. Thermosetting materials are formed by casting or less by injection moulding.

The most popular group of polymer materials are thermoplastics. Manufacturers do not want to inform about the type of polymer in the railway sleepers but some early patents (fig 1) and articles [1,2,4], gives some details. The most obvious and predictable material is high density polyethylene (HDPE). Other alternatives are mixtures of recycled materials: a mixture of polyolefin (PP, HDPE, LDPE), polyethylene terephthalate (PET) and high density polyethylene (HDPE) mixture, HDPE – PS (polystyrene) mixture or a mixture polyolefin (min. 80%) with other waste polymer. Information from Axion Structural Innovations web page suggest possibility of use recycled polyethylene terephthalate (PET). These materials form a composite matrix which is reinforced by continuous or short glass fibre. There are also sleepers reinforced with steel rods or glass bars.

178 Ł. Wierzbicki

Less interesting is the thermosetting group because these materials are not recyclable. This type of materials, called also as resins, are used to create special mineral-polymer composite know as polymer concrete. Typically polymers concrete create polyester resin as matrix, and gravel, ashes, sand and other as fillers. Such material is known for years and used in building construction. Less popular as matrix are epoxy resin and vinyl-ester resin. Despite the cost benefits of vinyl-ester and polyester compared with epoxy, they are not suitable if excellent mechanical and thermal properties, superior resistance to humidity, low shrinkage and high elongation are required in order to produce a durable and flexible polymer matrix [5]. The articles [5] presents research about polymer concrete based on epoxy resin used as railway sleepers based materials. Over the last few years, cured polyurethanes have been used as a material for rails sleepers [1,6].

Figure 1. Numbers of sleepers patents in the world, from 1975 to 2018 [7]. Rysunek 1. Ilość patentów dotyczących podkładów, na świecie, od 1975 do 2018 [7]. 3. CONCLUSIONS The technology of polymer railway sleepers has advanced significantly over the past decade. Actual trials of composite materials for railway sleepers have some successful milestones, which ended up with commercial patented products. Polymer materials alternatives for railway sleeper have the ability to compete with conventional sleeper materials. REFERENCES 1. A. Ghorbanı, S. Erden, Polymeric composite railway sleepers. II Uluslar arası Raylı Sistemler MühendisliğI

Sempozyumu (ISERSE’13), 9-11 Ekim 2013, Karabük, Türkiye 2. A. Manalo, T. Aravinthan, W. Karunasena, A. Ticoalu , A review of alternative materials for replacing existing

timber sleepers, Compos. Struct. Vol. 92, 603-11, 2010. 3. J. Zhao, A.H.C. Chan, M.P.N Burrow. Reliability analysis and maintenance decision for railway sleepers using

track condition information, J. Oper. Res. Soc. vol. 58, 1047-55, 2007. 4. T. J. Nosker, A. Tewatia, Development, testing, and application of recycled plastic composite sleepers, The

Journal Prement Way Institution. April 2017 Vol 135 Part 2. p. 18-22 5. W. Ferdous, A. Manalo, T. Aravinthan, G. Van Erp, Properties of epoxy polymer concrete matrix: Effect of

resin-to-filler ratio and determination of optimal mix for composite railway sleepers. Construction and Building Materials. Volume 124, 15 October 2016, Pages 287–300

6. R. Chattree, S. Manoharan, P.V.V. Satyanarayana, Composite Sleepers for Bridges, Senior Proffesional Course Notes, Indian Railways Institute of Civil Engineering, Available at: http://wiki.iricen.gov.in/doku/lib/exe/fetch.php?media=722:6.pdf

7. Google patents search.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Materiały kompozytowe WPC o osnowie polipropylenu wzmacniane naturalnym napełniaczem A. Włodarczyk-Fligier a, M. Polok-Rubiniec b, B. Chmielnicki c

a,b Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny; Zakład Inżynierii Materiałów Konstrukcyjnych i Specjalnych

email: anna.wlodarczyk@polsl.pl c Sieć Badawcza Łukasiewicz, Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, Oddział Farb i Tworzyw w Gliwicach Streszczenie: w artykule opisano wytworzenie nowych materiałów WPC metodą jednokrotnego wytłaczania homogenizującego przy użyciu wytłaczarki dwuślimakowej przeciwbieżnej. Przedstawiono wstępne wyniki badań statycznej próby rozciągania i twardości wytworzonego materiału kompozytowego WPC wzmocnionego napełniaczem pochodzenia naturalnego. Abstract: the article describes the production of new WPC materials by single homogenizing extrusion using a counter-rotating twin-screw extruder. The preliminary results of tests of the static tensile test and hardness of the WPC composite material reinforced with a natural filler are presented. Słowa kluczowe: materiały WPC, przetwórstwo kompozytów, napełniacz naturalny 1. WSTĘP Poszukiwania nowych materiałów o konkretnych szczególnych własnościach, jakich nie mogą uzyskać tradycyjne materiały konstrukcyjne, spowodowały zainteresowanie materiałami kompozytowymi [1,4]. Od kilkunastu lat można zaobserwować wciąż rosnące zainteresowanie materiałami kompozytowymi z tworzyw polimerowych wzmacnianych napełniaczami pochodzenia roślinnego, które stanowią alternatywę dla tradycyjnych napełniaczy. Wciąż rosnące zainteresowanie materiałami kompozytami polimerowo-drzewnymi wynika z dobrych własności wytworów z nich otrzymanych przez połączenie korzystnych cech zarówno osnowy jak i wzmocnienia [1-3]. Według definicji „WPC są kompozytami dającymi się przetworzyć termoplastycznie, w skład których wchodzą drewno, tworzywo polimerowe i środki pomocnicze w różnym udziale”. W materiałach WPC najistotniejsze jest to, żeby chociaż raz był on w sposób termoplastyczny przetworzony. [1,3]. Ze względu na walory estetyczne, akceptowalną cenę, dobrą stabilność wymiarów i znaczną odporność na działanie czynników atmosferycznych materiały WPC znalazły zastosowanie również na pokrycia tarasów, dachów, paneli elewacyjnych, ogrodzenia czy balustrady. Najczęściej jest jeszcze stosowana mączka drzewna, ale alternatywą wzmacniacza w kompozytach WPC mogą stanowić mączki z łupin z różnych gatunków orzechów w tym laskowego czy włoskiego. W krajach gdzie występują braki drewna ze względów uwarunkowania klimatyczne, łupiny z różnych gatunków orzechów nie znajdują zastosowania w przemyśle i stosowane są jako opał [2]. Łupiny stanowią od 25 - 67% masy całkowitej orzecha, a pozyskiwane są jako odpad w przemyśle spożywczym, cukierniczym czy też kosmetycznym [1-3]. Większość łupin z orzechów jest poddana kompostowaniu, a proces degradacji trwa ok. 2 lat. W ostatnich latach w wielu krajach łupiny z orzechów są rozdrabniane, co jest mniejszym kosztem procesu niż w przypadku drewna, stanowi to duży plus stosowania mączki z orzechów jako wzmacniacza w materiałach WPC.

180 A. Włodarczyk-Fligier, M. Polok-Rubiniec, B. Chmielnicki

2. METODYKA BADAŃ Badania wykonano na materiałach kompozytowych WPC o osnowie z polipropylenu Moplen HP400R wzmacnianego mączką z orzecha włoskiego o udziale 30, 40 i 50% o frakcji od 200-315 µm. Mieszanki wytłoczono za pomocą wytłaczarki dwuślimakowej przeciwbieżnej Goöttfert, stosunku L/D= 25 wyposażonej w głowicę do wytłaczania pręta o średnicy na wyjściu ø 3mm, przy następujących warunkach: temperatura I strefy 180°C, temperatura II strefy 200°C, temperatura III strefy 210°C, temperatura głowicy 215÷220°C, obroty: 2-4 obr/min. Po wytłoczeniu granulat poddano wtryskiwaniu na wtryskarce Battenfeld Plus 35/75 wyposażonej w system sterowania Unilog B2. Twardość badanych kompozytów WPC wykonano metodą kulkową w temperaturze otoczenia 22°C. Statyczna próba rozciągania została przeprowadzona na maszynie wytrzymałościowej firmy Zwick/Roell Z020, przy prędkości badawczej 5mm/min, w temperaturze otoczenia 22°C. 3. OMÓWNIENIE WYNIKÓW BADAŃ Wyniki pomiaru twardości zestawiono w tablicy 1. Stwierdzono że wraz ze wzrostem zawartości udziału wzmacniacza wzrasta twardość wytworzonego kompozytu WPC wzmacnianego naturalnym napełniaczem. Tablica 1. Twardość kompozytu WPC o osnowie polipropylenu wzmacnianego mączką z orzecha włoskiego. Table 1. Hardness of WPC composite with a polypropylene matrix reinforced with walnut flour.

PP 30% 40% 50%

58,1 HB 62,7 HB 72 HB 78,6 HB

Wytrzymałość na rozciąganie Rm czystego polipropylenu wynosi 30,85 MPa, dodatnie wzmacniacza

naturalnego do osnowy spowodowało spadek wytrzymałości kompozytu i wraz ze wzrostem zawartości % mączki wzmacniającej wytrzymałość ta spada (tablica 2) Tablica 2. Statyczna próba rozciągania kompozytu WPC o osnowie polipropylenu wzmacnianego mączką z orzecha włoskiego. Table 2. Static attempt to extend of WPC composite with a polypropylene matrix reinforced with walnut flour.

PP 30% 40% 50%

30,85 MPa 21,6 MPa 19,99 MPa 16,39 MPa

4. WNIOSKI Wzmocnienie osnowy z polopropylenu naturalnym wzmacniaczem z mączki z orzecha włoskiego w udziale 30, 40, 50% o frakcji 200-315 µm spowodowało wzrost twardości wytworzonego kompozytu WPC. Natomiast dodanie wzmacniacza do osnowy obniżyło wytrzymałość na rozciąganie zgodnie z przewidywaniami i wraz z udziałem % wzmacniacza wytrzymałość kompozytu spada. LITERATURA 1. A. Włodarczyk-Fligier, M. Polok-Rubiniec, B. Chmielnicki, Kompozyty polimerowe z napełniaczem

naturalnym, Materiały kompozytowe, 2/2019, 44-48 2. I. Kruszelnicka, D. Ginter-Kramarczyk, M. Michalkiewicz, A. Kloziński, S. Zajchowski, P. Jakubowska, J.

Tomaszewska, Kompozyty polimerowo-drzewne w technologii zawieszonego złoża ruchomego, Polimery 2014, 59, 10, 739-746.

3. K. Lewandowski, S. Zajchowski, J. Mirowski, A. Kościuszko, Ocena właściwości przetwórczych kompozytów polimerowo-drzewnych na osnowie poli(chlorku winylu), Chemik 2011, 65, 4, 329-336

4. English B., Falk R., Factors that affect the application of Woodfiber – Plastic Composites, Forest Products Society, 7, 1996, 189-194

5. El-Haggar, Salah M., Mokhtar A., Advances in Composite Materials – Analysis of Natural and Man-Made Materials, Wydawnictwo Intech Open, 2011

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wytwarzanie i aktywność przeciwdrobnoustrojowa powłok Cu-Ti natryskiwanych plazmowo A. Wrona a, K. Bilewska a, M. Lis a, M. Kamińska a, M. Jaśkiewicz b,c, W. Kamysz b,c, T. Olszewski d, P. Pajzderski d, G. Więcław e a Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metali Nieżelaznych, Zakład Materiałów Proszkowych i Kompozytowych, Sowińskiego 5, 44-100 Gliwice b Lipopharm.pl, Kościelna 16A, 83-210 Zblewo

c Gdański Uniwersytet Medyczny, Wydział Farmaceutyczny, Al. Gen. J. Hallera 107, 80-416 Gdańsk

d ALVO Sp. z o.o. Sp. k., Południowa 21A, 64-030 Śmigiel

e Certech Sp. z o.o., Więźniów Oświęcimia 38, 43-330, Wilamowice email: adriana.wrona@imn.gliwice.pl Streszczenie: Przedstawiono proces otrzymywania oraz właściwości powłok ochronnych Cu-Ti oraz materiałów proszkowych wytworzonych do tego celu. Powłoki zawierające 5% i 10% wag. tytanu zostały wytworzone metodą natryskiwania plazmowego (APS). Wykonano analizy składu chemicznego, mikrostruktury, składu fazowego. Badano aktywność przeciwdrobnoustrojową względem szczepów bakterii najbardziej popularnych wśród zakażeń szpitalnych (E.coli, S.aureus, P. aeruginosa) a także ich aktywność metaboliczną. Abstract: The article presents manufacturing process and properties of protective coatings Cu-Ti as well as powder materials used for their deposition. Coatings with 5 wt.% and 10 wt.% of titanium were deposited by atmospheric plasma spraying (APS) method. Analyses of chemical composition, microstructure, phase composition were performed. The antimicrobial activity was tested against three bacterial strains most popular in hospital acquired infections (E.coli, S.aureus, P. aeruginosa) as well as their metabolic activity. Słowa kluczowe: powłoki ochronne, natryskiwanie plazmowe, metalurgia proszków, aktywność przeciwdrobnoustrojowa, materiały kompozytowe, stopy Cu-Ti. 1. WSTĘP Celem pracy było wytworzenie powłok o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych zawierających miedź technikami metalurgii proszków. Bezpośrednim przeznaczeniem opracowanych powłok są elementy wyposażenia placówek medycznych 1.1. Wytworzenie mieszaniny proszkowej Do wytworzenia powłok mieszanin proszkowych o dwóch różnych zawartościach tytanu tj. 5 i 10 % wagowych Ti i odpowiednio 95 oraz 90 % wagowych Cu. Do wytworzenia mieszanin proszkowych odpowiednich do procesu natryskiwania cieplnego wykorzystano proszek miedzi sferycznej firmy Praxair i proszek TiH2 firmy Fluka AG Buchs SG. Mieszaniny przygotowano zgodnie ze zgłoszeniem patentowym nr 425091 z dnia 30.03.2018 [1] dobierając tak zawartość wodorku tytanu aby w wyjściowych materiałach otrzymać proszki CuTi5 oraz CuTi10.

1.2. Wytworzenie powłok ochronnych Proces natryskiwania plazmowego APS prowadzono w IMN przy użyciu plazmotronu AP-50 firmy FST. W procesie natryskiwania użyto kompaktowy manipulator "przedmiot-narzędzie" konstrukcji IMN. Jako substrat użyto stali nierdzewnej w gatunku 3. Przed nałożeniem powłoki próbki zostały dodatkowo poddane obróbce strumieniowo-ściernej oraz odtłuszczone. Po naniesieniu powłoki poddano obróbce strumieniowo–ściernej z użyciem elektrokorundu szlachetnego typu WFA F36.

182 A. Wrona i inni

2. WYNIKI BADAŃ W wyniku procesu natryskiwania otrzymano powłoki o ciągłym połączeniu do podłoża. Mikrostruktura powłok jest typowa dla metody APS (rysunek 1.). W powłokach zaobserwowano tlen na poziomie nieco ponad 2 % wagowych. Tlen związany jest głównie z tytanem ale częściowo także z miedzią w postaci tlenków CuO, Cu2O oraz TiO2 o strukturze rutylu. Głównym składnikiem powłok jest faza regularna fcc.

a. b. Rysunek 1. Obrazy mikroskopowe przekrojów poprzecznych powłok a. CuTi5 b. CuTi10. Figure 1. Electron microscopic images of cross-sections of coatings a. CuTi5 b. CuTi10.

Badanie aktywności przeciwdrobnoustrojowej wykazało że oba rodzaje przygotowanych powłok mają silne działanie przeciw zastosowanym szczepom bakterii w stosunku do badanego kontrolnie podłoża – płytki stali nierdzewnej. Dla czasu inkubacji 2 jak i 24 godziny nie wykazano wzrostu kolonii bakteryjnych na badanych powierzchniach (tabela 1.). Na rysunku 2. pokazano zmianę barwy wskaźnika żywotności komórek znajdującego w roztworze, w którym zanurzono badaną płytkę z aktywną powłoką. Wskaźnik praktycznie nie zmienił koloru w roztworach z płytkami CuTi5, co oznacza brak lub małą żywotność mikroorganizmów na powierzchniach płytek. Zmiana koloru jest wyraźna dla powierzchnni CuTi10. Ponadto dla powłok CuTi5 ilość uwalnianych do roztworu wodnego jonów miedzi (mierzona w mg/L·cm2) jest ponad 10 razy większa niż dla powłok CuTi10.

Tablica 1. Wyniki badania aktywności przeciwdrobnoustrojowej na powłokach i próbce referencyjnej. Table 1. Results of antimicrobial activity testing of manufactured coatings and reference.

Badane powłoki Liczba bakterii (tys. CFU/płytkę) E.coli P.aeruginosa S.aureus 0h 2h 24h 2h 24h 2h 24h

1 CuTi10 300 0 0 0 0 0 0 2 CuTi5 300 0 0 0 0 0 0 3 Stalowa płytka kontrolna 300 2 166,7 5 333,3 375 1 750 2 166,7 5 750

Rysunek 2. Wyniki badań aktywności metabolicznej. Figure 2. The results af metabolic activity investigation.

Wytworzono powłoki Cu-Ti metodami metalurgii proszków. Powłoki wykazują znaczną aktywność przeciwdrobnoustrojową. Wytworzone materiały nadają się do nanoszenia metodami przemysłowymi, co zostało przetestowane na rzeczywistych elementach wyposażenia medycznego.

PODZIĘKOWANIA Praca została sfinansowana ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach projektu ‘Opracowanie nowych funkcjonalnych, aktywnych biologicznie powłok przeznaczonych na elementy wyposażenia placówek medycznych’, numer umowy PBS3/B9/40/2015 (Programu Badań Stosowanych PBS3).

LITERATURA 1. Zgłoszenie patentowe UPRP nr 425091 z dnia 30.03.2018 „Sposób wytwarzania proszku dla powłok

tytanowo-miedzianych o właściwościach bakteriobójczych”.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Wpływ długotrwałego oddziaływania podwyższonej temperatury na właściwości użytkowe stopu HR6W A. Zieliński a, M. Kierat b, H. Purzyńska a, M. Szulc a, J. Stroniewski a, M. Sroka c a Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Metalurgii Żelaza im. St. Staszica, 44-100 Gliwice, ul. K. Miarki 12-14 email: azielinski@imz.pl

b Politechnika Śląska, Wydział Metalurgii i Inżynierii Materiałowej, Instytut Nauki o Materiałach, 40-019 Katowice, ul. Krasińskiego 8, Streszczenie: Stop HR6W jest przeznaczony na elementy ciśnieniowe kotłów o ultra super nadkrytycznych parametrach pracy. Skład chemiczny i umocniona osnowa oraz odporność korozyjna stopu HR6W zapewniają wysoką żarowytrzymałość spośród rekomendowanych materiałów do zastosowania na elementy ciśnieniowe bloków energetycznych. W pracy przedstawiono wyniki badań zmian mikrostruktury i właściwości mechanicznych stopu HR6W po starzeniu w temperaturze 700 przez 1000, 10 000 i 20 000 godzin. Obserwację mikrostruktury przeprowadzono za pomocą skaningowej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Identyfikację występujących wydzieleń przeprowadzono za pomocą rentgenowskiej analizy składu fazowego osadów. Omówiono wpływ czasu i temperatury starzenia na właściwości mechaniczne oraz proces wydzieleniowy badanego stopu. Zaprezentowane wyniki badań stanowią element charakterystyk materiałowych stopów nowej generacji, które wykorzystane są w pracach projektowych urządzeń ciśnieniowych kotłów parowych oraz w pracach diagnostycznych podczas eksploatacji. Abstract: HR6W is a alloy for pressure components of ultra-supercritical boilers. Its chemical composition and strengthened matrix, as well as corrosion resistance, provide HR6W alloy with high creep resistance among the materials recommended for use in high-performance pressure components of power units. This paper presents the results of investigations on the changes in microstructure and mechanical properties after ageing at 700°C for 1000, 10 000 and 20 000 h. The microstructure observation was performed using scanning and transmission electron microscopy. The identification of existing precipitates was carried out by X-ray phase analysis. The effects of the time and ageing temperature on mechanical properties and precipitation process in the test alloy were discussed. The presented test results are part of the material characteristics of the new-generation alloys to be used in the design of pressure equipment for steam boilers as well as in diagnostic work during operation Słowa kluczowe: mikrostruktura, HR6W, właściwości mechaniczne, starzenie 1. WSTĘP

Główne kierunki rozwoju konwencjonalnej energetyki w Polsce to modernizacja istniejących bloków (głównie o mocy 200 MW powstałych w latach 1960-1970) oraz budowa nowoczesnych bloków energetycznych na parametry nad- i utranadkrytyczne (USC i AUSC). Konieczność zwiększenia z tym parametrów pracy bloków energetycznych powoduje jednocześnie wzrost ich sprawności. Związane jest to jednocześnie z koniecznością stosowania materiałów o podwyższonych parametrach użytkowych.

Jednym z takich materiałów jest stop HR6W, który został opracowany w latach osiemdziesiątych przez japońską firmę Sumitomo Metal Ind. Stop ten charakteryzuje się wysoką zawartością niklu (46%), chromu (23%) oraz wolframu (6%), a także dodatków takich jak niob, tytan i bor. Jest on głównie przeznaczony na elementy przegrzewaczy pary pracujące w temperaturze do 750°C.

Stop HR6W charakteryzuje wysoka wytrzymałość na pełzanie w porównaniu z innymi konwencjonalnymi stopami takimi jak Hastelloy X, Alloy 800H i Incoloy 807. Szacowana wartość czasowej wytrzymałości na

184 A. Zieliński, M. Kierat, H. Purzyńska, M. Szulc, J. Stroniewski, M. Sroka

pełzanie stopu HR6W dla 100 000 godzin w temperaturze 700°C wynosi około 85 MPa. Tak wysoka wytrzymałość na pełzanie jest skutkiem silnego umocnienia roztworowego i wydzieleniowego [1-2].

2. WYNIKI BADAŃ

Badania mikrostruktury przeprowadzono dla badanego stopu HR6W w stanie dostawy, po długotrwałym starzeniu (do 20 000 h) przy użyciu skaningowej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej (rys. 1).

Rys.1. Mikrostruktura stopu HR6W a) stan dostawy (SEM), b) starzenie 20000h/700°C (SEM), c) starzenie 20000h/700°C (TEM) W stanie dostawy stop HR6W posiada mikrostrukturą austenityczną z niewielkim udziałem węglików pierwotnych (Nb,Ti)C (rys. 1). Po długotrwałym starzeniu w mikrostrukturze obserwowano wzrost wielkości i ilości wydzieleń MX, M23C6 i Fe2W zarówno wewnątrz jak i po granicach ziarn austenitu (rys. 1b,c). Długotrwałe oddziaływanie podwyższonej temperatury powoduje zmianę właściwości wytrzymałościowych wskutek wydzielania faz wtórnych (rys 1). Na rysunku 2 pokazano wpływ czasu starzenia w temperaturze 700°C na wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności oraz wydłużenie wyznaczone w temperaturze pokojowej. Rys. 2. Właściwości mechaniczne stopu HR6W w stanie dostawy oraz po długotrwałym starzeniu w temp. 700°C Zaprezentowane wyniki badań wskazują, że do czasu 10 000 godzin starzenia w temperaturze 700°C obserwuje sią znaczny wzrost właściwości wytrzymałościowych przy jednoczesnej utracie plastyczności stopu HR6W. Wyniki uzyskane dla badanego materiału po czasie starzenia 20000 godzin wskazują na spadek wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności, których wartości są jednak dalej znacznie wyższe od wyznaczonych dla stanu dostawy. LITERATURA 1. A. Zieliński, J. Dobrzański, H. Purzyńska, R. Sikora, M. Dziuba-Kałuża, Z. Kania. Evaluation of creep

strength of heterogeneous welded joint in HR6W alloy and Sanicro 25 steel. Archives of Metallurgy and Materials. 62.(4). 2057-2064, 2017

2. A. Merda, A. Zieliński, G. Golański. Analysis of Phase Transformation in Nickel-Base Alloy after Ageing. Acta Physica Polonica, A. 135, no. 2. 2019.

a) b) c)

M23C6

Fe2W

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Analiza geometrii drutów ortodontycznych oraz badanie adhezji bakterii do ich powierzchni B. Ziębowicz a, A. Woźniak a a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Inżynierii Materiałów Biomedycznych email: boguslaw.ziebowicz@polsl.pl Streszczenie: W artykule badani wpływ topografii powierzchni drutów ortodontycznych wykonanych ze stopu β-tytanu na jego własności oraz stopień adhezji bakterii. W tym celu wykonano pomiary mikrtowardości, obserwacje mikroskopowe, analizę SEM/EDS, analizę geometrii z wykorzystaniem mikroskopu konfokalnego i sił atomowych, badania odporności na korozję wżerową oraz testy mikrobiologiczne. Uzyskane wyniki świadczą o zadawalającej jakości badanych drutów. Abstract: The aim of this paper is to characterized the influence of surface topography on the properties of archiwire (β-titanium alloy) on the bacterial adhesion. In the work, the results of microhardness measurements, microscopic observation, SEM/EDS analysis, surface topography analysis used atomic force and confocal microscopes, pitting corrosion resistance test and microbiological study were performed. Based on the obtained results it can be concluded that the tested archiwire are characterized by satisfactionaly quality. Słowa kluczowe: np.: druty ortodontyczne, β-tytan, AFM, SEM/EDS, mikroskop konfokalny, korozja wżerowa 1. WSTĘP

Wraz ze wzrostem świadomości pacjentów odnośnie zdrowia oraz uwarunkowań estetycznych, wzrasta również ilość użytkowników aparatów ortodontycznych. Środowisko jamy ustnej, będącym agresywnym środowiskiem korozyjnym, stanowi miejsce bytowania ponad 700 gatunków mikroorganizmów, w tym bakterii chorobotwórczych. Stopień kolonizacji oraz proliferacji bakterii w jamie ustnej w głównej merze uzależniony jest od geometrii elementu ortodontycznego oraz jakości wykończenia jego powierzchni. Czynnikami intensyfikującymi adhezję bakterii są między innymi znaczne rozwinięcie powierzchni elementu oraz jej hydrofilowy charakter – dobra zwilżalność oraz duża wartość energii powierzchniowej. Doniesienia literaturowe wykazują, że wartość parametru chropowatości powierzchni Ra równy 0,2 μm, stanowi wartość progową, gdzie obniżenie jej nie powoduje zredukowania adhezji bakteryjnej [1-5].

Jednym z najczęściej wykorzystywanym materiałów na druty ortodontyczne jest stop β-tytan, który charakteryzuje się zadawalającym zespołem własności mechanicznych oraz bardzo dobrą odpornością korozyjną, determinowaną zdolnością do samorzutnego wytworzenia na powierzchni materiału warstwy pasywnej.

Głównym celem prezentowanych badań jest określenie wpływu geometrii powierzchni drutów ortodontycznych na jego własności oraz stopień adhezji bakterii do ich podłoża.

2. METODOLIGIA Przedmiotem badań jest drut ortodontyczny wykonany ze stopu β-tytan o nazwie handlowej Resolve® (Dentsply Gac Company) i składzie chemicznym zgodnie z kartą materiałową - Mo 11,3 %, Zr 6,6 %, Sn 4,3% oraz Ti reszta. Elementy zostały poddane pomiarom mikrotwardości metodą Vickersa (FUTURE-TECH FM-ARS 9000) przy obciążeniu 1N. Dodatkowo przeprowadzono obserwacje mikroskopowe oraz mikroanalizę składu chemicznego SEM/EDS (Skaningowy Mikroskop Elektronowy Supra 35, Zeiss). Oceny topografii powierzchni dokonano przy wykorzystaniu mikroskopu sił atomowych (mikroskop XE-100, Park System Company) oraz mikroskopu konfokalnego (LSM 5 Exciter, Zeiss Company). Celem określenia odporności korozyjnej drutów

186 B. Ziębowicz, A. Woźniak

przeprowadzono badania potencjodynamiczne w roztworze sztucznej śliny (CO(NH2)2 0,13 g/l, NaCl 0,70 g/l, NaHCO3 1,50 g/l, Na2HPO4 0,26 g/l, K2HPO4 0,20 g/l, KSCN 0,33 g/l oraz KCL 1,20 g/l) w temperaturze T = 37 oC. W kolejnym etapie na powierzchni elementu po sterylizacji przeprowadzono hodowlę bakterii szczepu Streptococcus sangunis (PCM 2335). W tym celu wykorzystano Told-Hewitt medium (BTL). Oceny jakościowej stopnia kolonizacji bakterii dokonano przy użyciu mikroskopu skaningowego. 3. WYNIKI Na podstawie przeprowadzonych obserwacji mikroskopowych można stwierdzić, że na powierzchni badanych drutów ortodontycznych widoczne są liczne wgłębienia, mogące wynikać z zastosowanej technologii wytwarzania (Rysunek 1a). Mikroanaliza składu chemicznego nie wykazała odchyleń zawartości pierwiastków od podanych w kartach materiałowych. Średnia wartość twardości badanych drutów wyniosła 321 ± 16 HV. Wyższe wartości twardości gwarantują większą odporność materiału na zarysowania oraz zużycie cierne. Średnia wartość parametrów chropowatości powierzchni zmierzonych przy użyciu mikroskopu sił atomowych (Rysunek 1b) dla obszarów o wymiarach 25x25µm wynoszą odpowiednio Ra = 230 ± 23 nm, Rq = 270 ± 31 nm oraz ∆Zmax = 1204 ± 72, z kolei w oparciu o pomiary wykonane przy użyciu mikroskopu konfokalnego dla obszarów o wymiarach 125x125µm wartość parametru chropowatości wynosi Ra =318 ± 8 nm (różnice wartości wynikają z zastosowania odmiennych wielkości obszarów). Pomiary chropowatości uzupełniają obserwacje mikroskopowe i wskazują na obecność licznych wgłębień na powierzchni badanych drutów. Przebiegi krzywych polaryzacji anodowej były charakterystyczne dla materiałów o wysokiej odporności korozyjnej – nie zarejestrowano pętli histerezy. Średnia wartość potencjału transpasywacji wynosiła Etr = 1510 ± 120 mV. Bakterie były stochastycznie rozmieszczone na powierzchni drutów i nie tworzyły gron (Rysunek 1c).

Rysunek 1. Wyniki badań a) obserwacje SEM, b) AFM, c) badania mikrobiologiczne Figure 1. Results of study a) SEM observation, b) AFM, c) micorbiiological study 3. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania i pomiary wskazują na zadawalająca jakość drutów ortodontycznych. Celem zminimalizowania ilości nierówności powierzchni, wskazanym byłoby poprawienie procesu technologicznego oraz zastosowanie modyfikacji powierzchni, mogącej również przyczynić się do zmniejszenia ilości bakterii. LITERATURA 1. J. Augustyn-Pieniążek, P. Kurtyka, S. Stopka, Abrasive behavior of Co-Cr alloys in the ceramic material-

artificial saliva suspension, Engineering Biomaterials, 18, (2014) 245-251. 2. D.I. Sherief., H.N. Abbas, The effect of food simulating liquids on the static frictional force and corrosion

activity of different types of orthodontic wires, Journal of the World federation of Orthodontists, 6 (2017) 165-170.

3. H.P. Chang, Yu-Ch. Tseng, A novel β-titanium alloy orthodontic wire, The Koahsiung Journal of Medial Science 34 (2018) 202-206.

4. S.M. Castro, M.J. Ponces, J.D. Lopes, M. Vasconcelos, M.C.F. Pollmann, Orthodontic wires and its corrosion- The specific case of stainless steel and beta-titanium, Journal of Dental Science 10, (2015), 1-7.

5. M. Atapour, A.L. Pilchak, G.S. Frankel, J.C. Williams, Corrosion behavior of β titanium alloy for biomedical applications, Materials Science Engineering: C 31 (2011) 885-891.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Zastosowanie mikroskopii sił atomowych AFM w badaniach powierzchni materiałów stosowanych w protetyce stomatologicznej B. Ziębowicz1, A. Ziębowicz2 1 Zakład Inżynierii Materiałów Biomedycznych, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska, ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, e-mail: boguslaw.ziebowicz@polsi.pl 2 Katedra Biomateriałów i Inżynierii Wyrobów Medycznych, Wydział Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Śląska, ul. Roosevelta 40, 41-800 Zabrze, e-mail: anna.ziebowicz@polsl.pl Streszczenie: Mikroskopia sił atomowych AFM z wielkim powodzeniem uzupełnia badania powierzchni warstw wierzchnich nakładanych metodą ALD (Atomic layer Deposition) na elementy stomatologiczne wykonane z tytanu i jego stopów. Zastosowano warstwy wierzchnie ZrO2.. Do badań wykorzystano mikroskop sił atomowych atomowych XE-100 firmy Park Systems. Słowa kluczowe: AFM; ALD; Tytan i jego stopy; Warstwa ZrO2 Topografia powierzchni; Inżynieria stomatologiczna 1. WSTĘP Szczególną rolę wśród materiałów biomedycznych mają tytan i jego stopy. Materiały te wciąż należą do najbardziej perspektywicznych dla stomatologii, w szczególności dla implantologii. Są jednak pewne ograniczenia, które zawężają zakres ich możliwości aplikacyjnych, a mianowicie: niska odporność na zużycie ścierne, migracja pierwiastków do otaczających implant tkanek oraz brak możliwości otrzymania trwałego połączenia implant-tkanka kostna, które po dłuższym okresie użytkowania nie prowadziłoby do jego obluzowania. W celu zniwelowania tych ograniczeń niezwykle przydatna jest modyfikacja powierzchni implantów po to aby uzyskać jej odpowiednią topografię i bioaktywność. Realizuje się ją dzięki zastosowaniu nowoczesnych technik inżynierii powierzchni, do których przede wszystkim należą: polerowanie elektrolityczne, pasywacja, nanoszenie powłok metodami PVD oraz CVD, nanoszenie powłok typu DLC oraz NCD, implantacja jonów, napylanie plazmowe, nanoszenie powłok bioceramicznych poprzez elektroforezę oraz metodę zol-żel, piaskowanie, stosowanie roztworów kwasów. Szczególnie perspektywiczne wydaje się być modyfikowanie powierzchni implantów poprzez nanoszenie powłok metodami CVD, w tym ALD (Atomic Layer Deposition). ALD jest metodą nakładania powłok pozwalającą na bardzo dokładne odwzorowanie topografii podłoża oraz kontrolę grubości powłoki z dokładnością do pojedynczej warstwy atomów. Metoda ta nadaje się do pokrywania powierzchni elementów o bardzo skomplikowanym kształcie. Powłoki osadzane tą metodą wpływają na zwilżalność powierzchni elementów, co ma duże znaczenie w przypadku implantów (ograniczenie namnażania się komórek). W badaniach powłok nanoszonych metodą ALD przydatna jest mikroskopia sił atomowych, która pozwala, dzięki wykorzystaniu sił oddziaływań międzyatomowych oddziaływań międzyatomowych, na uzyskanie obrazu powierzchni ze zdolnością rozdzielczą rzędu wymiarów pojedynczego atomu. 2. MATERIAŁY I METODY BADAWCZE

Do badań zastosowano mikroskop sił atomowych XE-100 firmy Park Systems. W badaniach zastosowano tryb bezkontaktowy pracy mikroskopu. W celu opisu powierzchni łączników określono współczynnik nierówności

188 B. Ziębowicz, A. Ziębowicz

powierzchni (Rough Mean Square – RMS), wyrażany w nanometrach. Współczynnik RMS stanowi odchylenie standardowe od wartości średniej obliczanej z obszaru na podstawie siatki punktów (charakteryzowanych przez wysokość Zi). Wyznaczono także chropowatość powierzchni łączników Ra. Współczynnik nierówności powierzchni RMS oraz chropowatość powierzchni Ra obliczono w programie XEI zintegrowanym z mikroskopem AFM, który jest narzędziem do edycji uzyskanych obrazów oraz ich obróbki. Zbadano powierzchnię czystego Ti oraz stopu Ti6Al4V, na których osadzono warstwy ZrO2 metodą ALD.

3. WYNIKI Obrazy morfologii powierzchni badanych materiałów wskazują na jej dużą nierównomierność, o czym świadczą rozszerzone histogramy rozkładu wysokości na obrazach 2D, 3D oraz wartości minimalnej i maksymalnej wysokości. Większe wartości RMS oraz Ra sprzyjają większej przyczepności warstw nakładanych na jego powierzchnię. Warstwy ZrO2 zostały nałożone równomiernie i szczelnie przylegają do materiału podłoża. (Rys. 1)

Zastosowanie AFM do badań jakości powierzchni podbudowy stanowi ważne uzupełnienie prowadzonych do tej pory badań powierzchni materiałów stosowanych w stomatologii.

Rys 1. Obraz AFM próbki Ti z nałożoną warstwą ZrO2

LITERATURA 1) J. Marciniak, M. Kaczmarek, A. Ziębowicz, „Biomateriały w stomatologii”, Wydawnictwo Politechniki

Śląskiej, Gliwice 2008 2) Ch. Leyens, M. Peters, „Titanium and Titanium Alloys. Fundamentals and Applications”, WILEY-VCH

GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2003 3) R. Howland, L. Benatar, „STM/AFM. Mikroskopy ze skanującą sondą. Elementy teorii i praktyki”, Wyd.

Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002 4) T. P. Gotszalk, „Systemy mikroskopii bliskich oddziaływań w badaniach mikro- i nanostruktur”, Oficyna

Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2004 5) B. Ziębowicz, M. Staszuk, P. Jarka, „Analiza powierzchni z wykorzystaniem mikroskopu sił atomowych”,

LAB Laboratoria Aparatura Badania, 1, 2018, s. 18-22 6) E. Zalnezhad, „Effect of structural evolution on mechanical properties of ZrO2 coated Ti–6Al–7Nb-

biomedical application”, Applied Surface Science 11 (370) 2016, s. 32–39 7) Piotr Stendera, Piotr Grochowski, Łukasz Łomżyński, „Zastosowanie tlenku cyrkonu w protetyce

stomatologicznej”, Protetyka Stomatologiczna, 2 (62), 2012, s. 115-120 8) Peter Eaton, Paul West, „Atomic Force Microscopy”, Oxford University Press, Oxford 2010 9) Klaus D Jand, „Atomic force microscopy of biomaterials surfaces and interfaces”, Surface Science, 3 (491),

2001, s. 303–332 10) Seizo Morita, Franz J. Giessibl, Ernst Meyer, Roland Wiesendanger, „Noncontact Atomic Force Microscopy”,

Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Berlin 2002

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Porównanie struktury i własności wysokowytrzymałych, wielofazowych stali manganowych Fe-Mn-Al-C L. Sozańska-Jędrasika, J. Mazurkiewicza, W. Boreka, L.A. Dobrzańskib a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Katedra Materiałów Inżynierskich

i Biomedycznych, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice; email: janusz.mazurkiewicz@polsl.pl b Centrum Projektowo-Badawczo-Produkcyjne Inżynierii Medycznej i Stomatologicznej Asklepios, ul.

Królowej Bony 13D, Gliwice Streszczenie: W niniejszej pracy porównano wyniki badań nowoopracowanych, doświadczalnych stali Fe-Mn-Al-C (X105) oraz Fe-Mn-Al-Nb-Ti-C (X98) dotyczące szczegółów strukturalnych i ich własności. Przedstawiono zagadnienia dotyczące zmian strukturalnych analizowanych stali na różnych etapach ich wytwarzania od stanu kutego do stanu po obróbce cieplno-mechanicznej z różnymi wariatami chłodzenia (A, B i C). Przeanalizowano także zmiany własności mechanicznych w/w stali w zależności od stanu, sposobu realizacji i szybkości chłodzenia związanych z obróbką cieplno-mechaniczną. Analiza składu fazowego oraz struktury pozwala na stwierdzenie, że badane stale posiadają strukturę austenityczno-ferrytyczną z wydzieleniami węglików o zróżnicowanej morfologii dla obu stali. Obie badane stale różnią się przede wszystkim pod względem składu chemicznego zawartością Ti i Nb. Analizując strukturę tych stali starano się pokazać jak te pierwiastki wpływają na wielkość i morfologię ziarn austenitu, ferrytu oraz wydzieleń węglików. Zidentyfikowano w badanych stalach węgliki κ-(Fe,Mn)3AlC, M7C3 oraz (Ti,Nb)C2 występujące w całej objętości materiału. Zaprezentowane w niniejszej pracy wyniki badań własności badanych stali pozwalają skorelować stan strukturalny z uzyskanymi własnościami. Obie badane stale wykazują wysokie własności wytrzymałościowe, lecz maksymalne ich wartości uzyskują w zmiennych warunkach obróbki cieplno-plastycznej. Stale te także posiadają dobre własności plastyczne gwarantujące możliwość stosowania ich jako powszechny materiał konstrukcyjny. Stal X98 i X105 wyraźnie różnicują się pod względem udarności. Stal X98 cechuje prawie dwukrotnie wyższa udarność niż stal X105. Badane stale zróżnicowane pod względem struktury i własności stanowią podstawę prac na stworzeniem nowej grupy stali wysokowytrzymałych, na bazie uzyskanych wyników, co wymaga rozwinięcia w przyszłości badań na skalę półprzemysłową, aby lepiej poznać korelacje możliwości technologicznych w przemyśle i ich wpływu na uzyskane efekty strukturalne i wytrzymałościowe tego typu materiałów.

Rysunek. 1. Struktura stali X98 po czteroetapowym walcowaniu na gorąco i chłodzeniu wg. wariantu A (a), wariantu B (b), wariantu C (c) Figure 1. Structure of the X98 steel after four-stage hot rolling and cooling according to Variant A (a), Variant B (b), Variant C (c)

190 L. Sozańska-Jędrasik, J. Mazurkiewicz, W. Borek, L.A. Dobrzański

Rysunek. 2. Struktura stali X105 po czteroetapowym walcowaniu na gorąco i chłodzeniu wg. wariantu A (a), wariantu B (b), wariantu C (c) Figure 2. Structure of the X105 steel after four-stage hot rolling and cooling according to Variant A (a), Variant B (b), Variant C (c) Abstract: In this study were compared the results of the newly developed, experimental steels Fe-Mn-Al-C (X105) and Fe-Mn-Al-Nb-Ti-C (X98) regarding structural differences and their properties. Issues concerning structural changes of the analyzed steels at various stages of their production from the forged state to the state after thermo-mechanical treatment with various cooling variants were presented. Changes in the mechanical properties of the above-mentioned steels were also analyzed depending on the state, method of implementation and cooling rate associated with thermo-mechanical treatment. The analysis of the phase composition and structure allows to state that the examined steels have an austenitic-ferritic structure with carbide precipitations with different morphology for both steels. Both tested steels differ mainly in the chemical composition of Ti and Nb content. By analyzing the structure of these steels, efforts were made to show how these elements affect the size and morphology of austenite, ferrite grains and carbide precipitations. κ-(Fe,Mn)3AlC, M7C3 and (Ti,Nb)C2 carbides were found and occur in the entire volume of tested steels. Presented in this paper, the results of the mechanical properties of investigated steels allow correlating structural state with obtained properties. Both tested steels have high strength properties, but their maximum values are obtained after different states of thermo-mechanical treatment. These steels are also characterized by good plasticity, which guarantees the possibility of using them as a common construction material. X98 and X105 steels clearly differ in their impact strength. X98 steel has almost twice the impact strength than X105 steel. The researched, diversified continuously in terms of structure and properties, constitute the basis for work on creating a new group of high-strength steels, based on the results obtained, which requires further development of research on a semi-industrial scale to better understand the correlations of technological possibilities in industry and their impact on the obtained structural and strength effects of this type of materials. Słowa kluczowe: stale wysokomanganowe, stale wysokowytrzymałe, węgliki κ-(Fe,Mn)3AlC, M7C3, (Ti,Nb)C2, udarność stali, struktura stali, wytrzymałość stali, własności plastyczne stali, obróbka cieplno-mechaniczna stali LITERATURA 1. Chen, S., Rana, R., Haldar, A., Ray, R. K. Current state of Fe-Mn-Al-C low density steels. Prog Mater

Sci 2017, 89, 345–391. 2. Bausch, M., Frommeyer, G., Hofmann, H., Balichev, E., Soler, M., Didier, M., Samek, L. Ultra high-strength

and ductile FeMnAlC light-weight steels. Final Report RFCS Grant No. RFSR-CT-2006-00027 2013. 3. Frommeyer, G., Brüx, U. Microstructures and mechanical properties of high-strength Fe–Mn–Al–C light-

weight triplex steels. Steel Res Int 2006, 77(9-10), 627–633. 4. Sozańska-Jędrasik L., Mazurkiewicz J., Borek W., Dobrzański L. A.: The structure and phase composition of

newly developed manganese X98MnAlSiNbTi24-11 steel of Triplex type. Mater Eng 2017, 38(2), 69-76. 5. Sozańska-Jędrasik, L., Mazurkiewicz, J., Borek, W., Matus, K. Carbides analysis of the high strength and

low density Fe-Mn-Al-Si steels. Arch Metall Mater 2018, 63(1), 265-276. 6. Sozańska-Jędrasik, L., Mazurkiewicz, J., Borek, W., Matus, K. Effect of Nb and Ti micro-additives and

thermo-mechanical treatment of high-manganese steels with aluminium and silicon on their microstructure and mechanical properties, Arch Metall Mater 2019, 64(1), 133-142.

13-16.10.2019

Hotel Villa Verde Congress & SPA, Zawiercie, Poland

Optimization of ferrite stainless steels mechanical properties prediction with

use of genetic algorithms R. Honysz a Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Katedra Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwiceemail: rafal.honysz@polsl.pl

Streszczenie: W artykule omówiono w ykorzystanie sztucznych sieci neuronowych zoptymalizowanych algorytmem genetycznym do badań i prognozowania wpływu pierwiastków chemicznych i parametrów obróbki cieplnej na w łaściwości mechaniczne stali nierdzewnych. Optymalizacja pozwoliła na opracowanie sztucznych sieci neuronowych, które w ykazały lepszy lub porównywalny w ynik w porównaniu do sieci bazowych, a także miały zmniejszoną liczbę zmiennych wejściowych. Abstract: The article discusses the use of artificial neural networks optimized by genetic algorithm for research and prediction of the impact of chemical elements and heat treatment parameters on the mechanical properties of stainless steels. Optimization has allowed the development of artificial neural networks, which either showed a better or comparable result from base networks, and also have a reduced number of input variables. Słowa kluczowe: Analysis and modelling; Computational Material Science; Artificial inteligence algorithms, Stainless steel. 1. WSTĘP

Jednym z głównych zadań inżyniera materiałowego jest dobór materiału inżynierskiego, który będzie spełniał

wszystkie wymogi jemu stawiane. Składa się na to skład chemiczny danego materiału, jego struktura jak i procesy technologiczne, dzięki któremu uzyskuje się oczekiwaną strukturę. Dzięki prawidłowemu doborowi tych parametrów, otrzymujemy materiał, który będzie posiadał największą trwałość przy najniższym koszcie. Obecnie oprócz w spomnianych w cześniej w ymogów stawia się także nacisk, aby proces technologiczny w ytwarza-nia materiału nie niszczył naturalnego środowiska. Dlatego aby uwzględnić te w szystkie problemy i w ymagania stawiane materiałom inżynierskim stosuje się komputerowe metody modelowania ich własności [1-7].

2. CEL I ZAKRES PRACY

Metody sztucznej inteligencji w raz z danymi pozyskanymi na drodze eksperymentów, dają możliwość

opracowania modelu, który pozwalał będzie na przewidywanie w łasności mechanicznych stali ferrytycznych odpornych na korozję na podstawie zmiennych w ejściowych. Głównym celem w ykonania takiego modelu jest redukcja kosztów związanych z badaniami materiałoznawczymi tych stali, procesów badań metalurgicznych jak i szybszy dostęp do wyników obliczeń. Badania obejmowały opracowanie modeli obliczeniowych zbudowanych z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych dla parametrów w yjściowych: umowna granica plastycznoś-ci R0,2, w ytrzymałość na rozciąganie Rm, w ydłużenie A5, przewężenie Z i twardość HB stali ferrytycznych odpornych na korozję po procesie normalizowania na podstawie parametrów wejściowych: skład chemiczny stali, parametry obróbki tj. w ielkość badanej próbki, czas i temperatura obróbki cieplnej. Aby polepszyć jakość modelów sztucznych sieci neuronowych i usprawnić ich działanie optymalizowano liczbę zmiennych wejściowych algorytmem genetycznym, a następnie zbadano czy odniesiono oczekiwany wynik.

192 R. Honysz

3. CEL I ZAKRES PRACY

Wszystkie opracowania danych, modelowanie sieci neuronowych a także ich optymalizację wykonano za

pomocą pakietu programów „Statistica”. Sieci neuronowych szukano z wykorzystaniem wszystkich dostępnych zmiennych. Następnie poddano je analizie, odrzucano sieci ze zbyt dużym błędem, usuwano sieci ze zbyt wieloma neuronami w warstwie ukrytej, a także sprawdzano ich statystyki regresyjne, zwracano też uwagę czy sieć nie została przeuczona. Wybrano najlepsze sieci bazowe, które użyto później do optymalizacji. Najważniejsze parametry, którymi kierowano się przy wyborze sieci neuronowej to średni błąd bezwzględny, iloraz odchyleń oraz korelacja Pearsona [8]. Kolejnym etapem była optymalizacja wybranej sieci algorytmem genetycznym. Polegała ona na wygenerowaniu „maski” zmiennych, które użyte będą do zamodelowania sieci neuronowej i zbadanie jej błędu. Poprzez dodanie do każdej zmiennej kary jednostkowej, ogranicza się liczbę zmiennych wejściowych, co może korzystnie wpłynąć na jej statystyki wyjściowe. Parametry algorytmu genetycznego, w każdej próbie były takie same poza karą jednostkową, której wartość rosła w każdym użyciu algorytmu. Dla celów porównawczych opracowano również sieci z wykorzystaniem automatycznego projektanta. Otrzymane wyniki przedstawiono na rys.1.

Rysunek 1. Porównanie średnich błędów bezwzględnych i korelacji Pearsona dla własności mechanicznych stali kutych. Figure 1. Comparison of mean absolute error and Pearson correlation of forged steel mechanical

properties

LITERATURA

1. L.A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, WNT, Warszawa, 2002. 2. L.A. Dobrzański, Metalowe materiały inżynierskie, WNT, Warszawa, 2004. 3. Z. Wesołowski, Podstawy walcowania, Katowice, WGH, 1960. 4. L.A. Dobrzański, R. Honysz, Artificial intelligence and virtual environment application for materials design

methodology, Journal of Machine Engineering 11/1-2 (2011) 102-119. 5. L.A. Dobrzański, R. Honysz, Computer modelling system of the chemical composition and treatment

parameters influence on mechanical properties of structural steels, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 35/2 (2009) 138-145.

6. A. Marciniak, J. Korbicz, Przygotowanie danych i planowanie eksperymentu. W: Sieci neuronowe w inżynierii biomedycznej. Tom 9 (red. R. Tadeusiewicz, J. Korbicz,

7. L. Rutkowski, W. Duch, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa, 2013. 8. Z. Michalewicz, Algorytmy genetyczne + struktury danych = programy ewolucyjne, WNT, Warszawa, 2003.

– sieć bazowa – sieć po optymalizacji – automatyczny projektant