Subskrybuj nas na Youtube
Naukowcy nie ustają w poszukiwaniu coraz twardszych materiałów. Te jednak przedstawiają nietypowe wyzwanie: do ich obróbki potrzeba narzędzi wykonanych z równie twardych tworzyw.
Kiedy w 1927 r. niemiecki koncern Krupp przedstawił na wiosennych targach w Lipsku nowy, rewolucyjny materiał, świat był zachwycony. Sprzedawany pod nazwą „Widia” (co było skrótem od „wie Diamant”, czyli „jak diament”) charakteryzował się niezwykłą twardością. Pod opatentowaną zawczasu nazwą krył się spiekany węglik, czyli związek węgla z metalem (wolframem, tytanem czy tantalem), poddany bardzo wysokiej temperaturze i ekstremalnemu ciśnieniu.
Przez rok przed targami testami nowego materiału, a także technologią jego produkcji zajmował się 18-osobowy zespół pracujący w największej tajemnicy w piwnicy laboratorium chemicznego firmy przy Frohnhauserstrasse w Essen. Udało im się wyprodukować tonę materiału, co oznaczało, że Krupp zgromadził w piwnicy niebagatelny majątek. Po targowej premierze okazało się, że materiał był tak pożądany, że klienci byli w stanie płacić 1 dol. za 1 gram produktu. Więcej niż za złoto.
Pomimo zaporowej ceny spiekane węgliki upowszechniły się błyskawicznie, ale nie wyczerpały apetytu na supertwarde tworzywa. W miarę upływu czasu naukowcy zaczęli więc mieszać je z innymi związkami, uzyskując w ten sposób materiały kompozytowe. – Nasz instytut uczestniczył razem z politechnikami: Poznańską, Łódzką i Warszawską, w projekcie, którego celem było opracowanie nowego kompozytu łączącego spiekany węglik z azotkiem boru oraz spoiwa ceramicznego, przeznaczonego m.in. do szlifowania tego kompozytu – tłumaczy prof. Barbara Staniewicz-Brudnik z Instytutu Zaawansowanych Technologii Wytwarzania z Krakowa.
Ponieważ w inżynierii materiałowej obowiązuje zasada, że twarde można pokonać tylko twardszym – a nie ma nic twardszego niż diament – do obróbki spiekanych węglików wykorzystuje się ściernice diamentowe. To obrotowe narzędzia zawierające ziarna diamentowe o wielkości od kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów połączone spoiwem. Kiedyś funkcję spoiwa pełniła żywica, ale w miarę pojawiania się twardszych materiałów naukowcy zaczęli prace nad spoiwami ceramicznymi.
Co ciekawe, spoiwo ceramiczne opracowane w Krakowie zaczyna swoje życie jako szkło. Nie jest to jednak zwykłe szkło znane z okien czy ekranów telefonów komórkowych. To supertwarde szkło o niskiej gęstości i niebieskim zabarwieniu, które jest w stanie wytrzymać punktowy nacisk o sile 5,8 gigapaskali (to dziesięć tysięcy razy większe ciśnienie niż atmosferyczne; przeciętnie szkła przemysłowe mają mikrotwardość na poziomie 3–3,5 GPa). Dla polepszenia właściwości wzbogacone jest także o dodatkowe elementy jak trójtlenek bizmutu czy dwusiarczek molibdenu.
To jednak dopiero początek procesu. Teraz frytę szklaną należy zmielić i przesiać, a następnie dodać do niej w określonej ilości ziarna diamentowe o rozmiarze między 18 a 151 mikrometrów. Potraktowana zwilżaczem organicznym mieszanka trafia do formy, a następnie do prasy, gdzie pod gigantycznym ciśnieniem nadawany jest jej kształt. Finałem procesu jest wizyta w piecu, gdzie materiał wiąże się ze sobą w temperaturze ok. 760 stopni Celsjusza – nie za niskiej, aby wiązanie przebiegło optymalnie, ale nie za wysokiej, aby diament w środku nie zaczął zamieniać się w grafit, co zmieniłoby właściwości uzyskanego materiału. – Proces produkcji ma dwie zalety. Po pierwsze, odbywa się w normalnej atmosferze, więc nie trzeba zużywać do niego gazów szlachetnych, co podwyższyłoby koszt. Po drugie, spiekanie zachodzi w sposób swobodny, to znaczy nie musimy materiałów wkładać do pieca w żadnej formie. Te, jak wiadomo, zużywają się, co również wpływa na koszty – tłumaczy prof. Staniewicz-Brudnik.
Uzyskane w ten sposób spoiwo ceramiczne doskonale sprawdza się w praktyce. Oszlifowany przy użyciu wykonanych z niego ściernic nowy kompozyt charakteryzuje się bardzo niską chropowatością, a więc jego powierzchnia – gdybyśmy ją obejrzeli pod mikroskopem – jest bardzo równa. Nierówności wystają w nim nad powierzchnię o 0,018–0,030 mikrometrów. Bardzo dobre parametry udało się też osiągnąć podczas testów, jeśli idzie o zużywanie się narzędzia, które jest znikome. Oczywiście, im mniej narzędzie zużywa się w trakcie obróbki, tym dłużej może służyć. Dodatkowo w procesie produkcji istnieje możliwość sterowania porowatością materiału. Mikropory takie już w trakcie obróbki zbierają wewnątrz siebie różne drobiny, które odpryskują od obrabianego materiału, co ma znaczenie zwłaszcza w przypadku materiałów, od których nie odpadają małe wiórki, ale długie, ciągliwe wióry (jak np. Inconel, nadstop niklu).
Skąd było wiadomo, że akurat taki dobór składników zapewni spoiwo o pożądanych właściwościach? – Wskazywał na to przegląd literatury. Poza tym jak się pracuje ze szkłami tyle lat, co ja – ponad dwie dekady – to można się spodziewać, jaki będzie końcowy efekt – śmieje się prof. Staniewicz-Brudnik.
Obydwa wynalazki powstałe w ramach wspomnianego już grantu trzech instytucji są obecnie przedmiotem rozmów komercjalizacyjnych. Zresztą, zanim jeszcze biznes zgłosił się do naukowców, patent z Krakowa został doceniony na międzynarodowych targach. Wynalazek został nagrodzony złotym medalem z wyróżnieniem i nagrodą Chorwackiego Stowarzyszenia Wynalazczego na 63. Międzynarodowych Targach Badań Naukowych, Innowacji i Nowych Technologii Brussels Innova 2014 oraz złotym medalem na Międzynarodowych Targach Wynalazków INST – 2015 Taipei International Invention Show & Technomart w Taipei World Trade Center na Tajwanie.
