ZESPÓŁ AUTORSKI

Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania

dr hab. inż. Magdalena Szutkowska, prof. ndzw. IZTW - kierownik zespołu
prof. dr hab. inż. Lucyna Jaworska
dr inż. Sławomir Cygan
dr inż. Dariusz Zientara (AGH)
mgr inż. Marcin Podsiadło

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Celem wynalazku jest opracowanie nowego składu kompozytu na osnowie węglika spiekanego przeznaczonego na narzędzia zwłaszcza narzędzia górnicze, przez częściowe zastąpienie węglika wolframu ceramiczną fazą MAX, co umożliwia zmniejszenie udziału tego węglika w kompozycie. Kompozyt należy do grupy materiałów narzędziowych typu WC-Co, zawierających węglik wolframu i kobalt. Wolfram, tak jak i kobalt, znajdują się w grupie materiałów krytycznych. Z tego względu obserwuje się tendencję do zmiany składu chemicznego węglików spiekanych typu WC-Co ukierunkowaną na zmniejszenie zawartości WC i zastąpienie go innymi składnikami. Uzyskany kompozyt ma zastosowanie jako materiał narzędziowy z przeznaczeniem na narzędzia stosowane w przemyśle wydobywczym, górnictwie. W zaproponowanym rozwiązaniu węglik wolframu WC został częściowo zastąpiony przez potrójną fazę węglikową typu Ti3SiC2, która wykazuje dużą przewodność cieplną i elektryczną, stabilność struktury do 1700°C w atmosferze obojętnej, wysoką odporność na pękanie, dobrą odporność na szoki termiczne i udarność, dobre właściwości utleniające i niski współczynnik tarcia, a ponadto łatwo się obrabia mechanicznie. Stosowanie fazy Ti3SiC2 w węglikach spiekanych typu WC-Co jest korzystne z wielu względów również ekonomicznych, gdyż charakteryzuje się ona trzykrotnie mniejszą gęstością (4,55 g/cm3) w porównaniu z gęstością WC (15,72 g/cm3) i zajmuje większą objętość, czyli stosowanie jej w spiekach jest bardziej efektywne.

ISTOTA WYNALAZKU

Przedmiotem wynalazku jest kompozyt na osnowie węglika spiekanego, przeznaczony dla narzędzi górniczych i sposób jego wytwarzania. Kompozyt należy do grupy materiałów narzędziowych typu WC-Co, zawierających węglik wolframu i kobalt. Wolfram i kobalt, znajdują się w grupie materiałów krytycznych. Z tego względu obserwuje się tendencję do zmiany składu chemicznego węglików spiekanych typu WC-Co, ukierunkowaną na zmniejszenie zawartości WC i zastąpienie go innym składnikiem. Celem wynalazku jest opracowanie nowego składu węglików spiekanych przeznaczonych do narzędzi górniczych, przez częściowe zastąpienie WC fazą MAX w celu zmniejszenie udziału wolframu w kompozycie. Węglik wolframu WC został częściowo zastąpiony przez potrójną fazę węglikową typu Ti3SiC2.

Faza MAX jest termodynamicznie stabilnym polikrystalicznym nanolaminatem, który wykazuje cechy metali i ceramiki. Do cech typowych dla metali zalicza się łatwość obróbki, dobrą przewodność cieplną i elektryczną, odporność na szoki termiczne i plastyczność w podwyższonej temperaturze. Do cech ceramiki zalicza się wysoką temperaturę topnienia (powyżej 2000°C), odporność na utlenianie, dużą sztywność i niską gęstość. Stosowanie fazy Ti3SiC2 w węglikach spiekanych typu WC-Co jest korzystne ze względów ekonomicznych (trzykrotnie mniejsza gęstość - 4,55 g/cm3 w porównaniu z gęstością WC - 15,72 g/cm3). Faza ta zajmuje większą objętość co powoduje, że stosowanie jej w węglikach spiekanych jest bardziej efektywne. Kompozyty spiekano metodą reakcyjną SPS. Uzyskano bardzo zadowalające wyniki z pomiarów właściwości fizycznych i mechanicznych, które zależą od ilości dodawanej fazy Ti3SiC2. Dodatek fazy Ti3SiC2 w ilości 5-10% masy korzystnie wpływa na twardość Vickersa kompozytu, (wzrost o ok. 30% w porównaniu do węglików spiekanych bez dodatku fazy Ti3SiC2) przy jednoczesnym zachowaniu odporności na pękanie na wysokim poziomie 10 MPam1/2. Kompozyt jest przeznaczony na narzędzia stosowane w geotechnice i przemyśle wydobywczym.

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

W oparciu o długoletnią współpracę IZTW z firmą Gonar-Bis sp. z o.o., wiodącym krajowym oraz plasującym się w czołówce światowej producenta narzędzi dla szeroko pojętego sektora przemysłu wydobywczego możemy stwierdzić, że odbiorcy są zainteresowani wprowadzaniem nowych produktów na rynek i uniezależnieniem od rynku chińskiego, który również oferuje narzędzia górnicze. Zastosowanie nowych materiałów narzędziowych o niższej cenie i masie i o porównywalnych właściwościach mechanicznych z aktualnie stosowanymi materiałami, wpłynie korzystnie na zwiększenie konkurencyjności narzędzi górniczych. Wstępne próby przemysłowe przeprowadzone w rzeczywistych warunkach pracy wykazały realne perspektywy wdrożenia wynalazku.