13 zgłoszeń wynalazków i patentów, a do tego pierwsze miejsce w konkursie Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Mechaników Polskich – takimi sukcesami może pochwalić się zespół prof. Zbigniewa Mirskiego z W10. Naukowcy opracowali nowatorską technologię lutowania kombinacji materiałów o zróżnicowanych właściwościach fizycznych i chemicznych.

Naukowcy z Katedry Materiałoznawstwa, Wytrzymałości i Spawalnictwa na Wydziale Mechanicznym, zajęli się materiałami określanymi jako zaawansowane. To m.in. grafit o budowie kompozytowej, tytan i jego stopy, magnez i jego stopy czy stopy aluminium (np. durale cynkowe z grupy 7000). Ich właściwości – lekkość, duża wytrzymałość mechaniczna, a do tego dobra odporność na różne rodzaje korozji – sprawiają, że materiały te są bardzo pożądane m.in. w przemyśle lotniczym (budowa silników), militarnym, energetycznym (wytwarzanie instalacji i wymienników ciepła) i elektrotechnicznym, chemicznym, motoryzacyjnym czy np. w budowie kadłubów jachtów, instalacji sanitarnych, produkcji sprzętu sportowego, narzędzi chirurgicznych, implantów medycznych albo w aparaturze kriogenicznej.

- Dla przykładu: stop aluminium 7075 to stop, którego wytrzymałość mechaniczna dorównuje stali niestopowej, a jego ciężar właściwy jest trzykrotnie mniejszy– opowiada prof. Zbigniew Mirski. – Dlatego stosuje się go choćby w budowie samochodów. Zapotrzebowanie na tego typu materiały rośnie z każdym rokiem, bo obowiązujący trend w różnych gałęziach przemysłu jest związany z redukcją masy przy jednoczesnym utrzymaniu, a nawet zwiększeniu dotychczasowej wytrzymałości produktów.

Warstwy pośrednie sposobem na trudne połączenia

Materiały te nie są jednak idealne – problemem jest ich łączenie nierozłącznymi metodami spajania, szczególnie w kombinacjach różnoimiennych.

- Istotą spawalności czy lutowności jest stworzenie takich połączeń materiałów, które będą funkcjonalne. Oznacza to, że dążymy do tego, by te połączenia miały podobne właściwości jak same materiały, które są łączone – wyjaśnia prof. Mirski. – Chcemy więc, by cechowały się ciągłością metaliczną, nie miały pęknięć oraz twardych i kruchych faz międzymetalicznych, które sprawiają, że dwa połączone ze sobą materiały nie dają gwarancji bezpieczeństwa użytkowania. Mówiąc prościej, nie mamy pewności, że za chwilę się nie rozpadną. W przypadku stopów metali, którymi się zajęliśmy, zwykłe lutowanie czy spawanie nie wchodziło w grę, bo albo nie dało się ich połączyć w ten sposób, albo tworzyły się kruche fazy międzymetaliczne. Sprawiało to, że wiele potencjalnie możliwych kombinacji materiałowych nie mogło być wykorzystywane w przemyśle.

Wyjątkowe problemy dotyczą zwłaszcza połączeń, które określa się jako różnoimienne. W ten sposób nazywa się łączenie materiałów o różnorodnych właściwościach fizykochemicznych i mechanicznych. – W takich przypadkach konieczne jest dobieranie warunków spajania nie dla jednego rodzaju materiału, a jednocześnie dla dwóch, co sprawia więcej trudności – tłumaczy prof. Mirski. – Przykładem mogą być połączenia miedzi z kwasoodporną stalą nierdzewną chromowo-niklową czy generalnie połączenia stopów tytanu, magnezu czy aluminium z grafitem o budowie kompozytowej.

Zespół profesora Mirskiego – w składzie: dr hab. inż. Kazimierz Granat, prof. PWr, dr inż. Tomasz Wojdat i dr inż. Ireneusz Ciepacz – znalazł rozwiązanie problemu. Miesiące badań (technologicznych, metaloznawczych i eksploatacyjnych właściwości połączeń) potwierdziły, że zaproponowane przez naukowców zastosowanie warstw pośrednich na łączonych materiałach różnoimiennych umożliwia ich lutowność.

- Oczywiście warstwy te muszą być odpowiednio przygotowane, podobnie jak powierzchnia łączonych materiałów, którą poddajemy aktywacji, stosując różne metody mechaniczne, chemiczne, elektrochemiczne, fizyczne np. działając niskotemperaturową plazmą – podkreśla kierownik zespołu.   – Ważna jest także technologia nakładania powłok na podłoże.

Badaczom udało się osiągnąć dobre wyniki połączeń, głównie z zastosowaniem powłok galwanicznych, takich jak miedziane, które są powszechnie znane oraz opracowanych powłok stopowych Ni-P, Cu-Cr, które są przedmiotem wynalazków.

Wynalazki i patenty

Ogółem, w ramach przedstawionego rozwiązania, naukowcy opracowali 13 rozwiązań technologicznych, które zostały zgłoszone jako wynalazki i są przedmiotem już pięciu uznanych patentów, czterech zgłoszeń przyjętych przez Urząd Patentowy i czterech aktualnie opracowywanych przez Dział Własności Intelektualnej i Informacji Patentowej PWr.

Jeden z patentów dotyczy sposobu lutowania twardego (czyli w temperaturze topnienia lutu powyżej 450  stopni C) tytanu ze stalą nierdzewną w atmosferze powietrza pod osłoną topnika, czyli substancji ułatwiającej lutowanie poprzez chemiczne oczyszczanie łączonych metali. Naukowcy dowiedli, że nagrzewanie płomieniowe lub indukcyjne upraszcza łączenie tych dwóch materiałów i pozwala na lutowanie w normalnych warunkach – co oznacza, że nie jest konieczne stosowanie dość drogiej technologii lutowania w piecach próżniowych. Obniża to koszty nie tylko wytwarzania gotowych części różnych sprzętów i urządzeń, ale także ich napraw.

Powłoka do baterii elektrycznych

Z innego rozwiązania zaproponowanego przez zespół prof. Mirskiego korzysta już natomiast firma BMC Poland działająca w dolnośląskim Chojnowie. Naukowcy opracowali powłokę niklowo-fosforową (z zawartością 15 proc. fosforu) nakładaną elektrochemicznie, która nie tylko ułatwia lutowanie, ale jest też antykorozyjna, o zwiększonej odporności na zużycie ścierne. Zaprojektowane przez członka zespołu urządzenie do nanoszenia tej powłoki jest obecnie budowane przez firmę Polplastik S.C. Technologia. Powłoka ta jest stosowana w produkcji baterii elektrycznych dla samochodów napędzanych energią elektryczną. Między innymi za to wdrożenie w przemyśle badacze z W10 zostali docenieni przez Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich nagrodą pierwszego stopnia w Ogólnopolskim Konkursie na Najlepsze Osiągnięcie Techniczne 2018 roku. Nagrodę odebrali w Poznaniu 5 czerwca podczas Dnia Mechanika.

Lutowanie zamiast klejenia w pantografach

To nie jedyne rozwiązanie dla przemysłu przygotowane przez zespół prof. Mirskiego. Badacze opracowali także technologię łączenia kompozytu grafitowego ze stopem aluminium 6060 za pomocą powłoki miedzianej poprzez lutowanie miękkie (w temperaturze topnienia lutu do 450 stopni C). Może ono zastąpić klejenie tych dwóch materiałów, które do tej pory jest stosowane w produkcji pantografów (urządzeń do odbierania prądu z trakcji przez tramwaje).

– Wykazaliśmy, że nasze rozwiązanie nie tylko jest tańsze od dotychczasowego, ale także zapewnia efektywniejszy odbiór prądu – zaznacza prof. Mirski – Klej używany do łączenia jest zwykle izolatorem. W pantografach wprawdzie jego przewodność poprawia miedziana siatka, ale mimo wszystko straty energii elektrycznej są większe niż w przypadku zastosowania połączenia lutowanego. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że w całym kraju kursuje około 2,5 tys. lokomotyw i 1,5 tys. zespołów trakcyjnych, to mówimy tu o realnych oszczędnościach przy stale rosnących cenach energii.

Kolejne wynalazki w drodze

Profesor Mirski podkreśla, że badania, które pozwoliły opracować wszystkie te technologie trwały miesiącami, bo są eksperymentami, które pozwalają znaleźć rozwiązanie konkretnego problemu na zasadzie prób i błędów. – Jeśli jedna metoda nie pozwala połączyć dwóch materiałów, szukamy innej. Jeśli nie pomaga zmiana składu warstwy pośredniej, to może trzeba inaczej przygotować powierzchnię łączonych materiałów albo zmienić warunki samego procesu? To są pytania, na które stale szukamy odpowiedzi – tłumaczy. – Swoimi badaniami staramy się odpowiadać na zapotrzebowania przemysłu. Mamy wiele kontaktów z firmami, które wspólnie z nami szukają rozwiązań dla konkretnych problemów albo ulepszeń dotychczas wykorzystywanych technologii. Jestem pewien, że przed nami jeszcze wiele ciekawych wynalazków z wykorzystaniem warstw pośrednich w lutowaniu i nie tylko.

Zespół profesora Zbigniewa Mirskiego może pochwalić się wieloma nagrodami zdobywanymi także w poprzednich latach – m.in. dwukrotnym tytułem Mistrza Techniki Dolnego Śląska, trzykrotnym tytułem wicemistrza w tym konkursie czy czterema nagrodami pierwszego stopnia za wybitne osiągniecia w dziedzinie techniki wdrożone w przemyśle przyznawanymi przez Naczelną Organizację Techniczną (NOT) we Wrocławiu.

Lucyna Róg