Nowoczesna powłoka zamiast smaru

Czy jest możliwe, aby mechanizmy przemysłowe pracowały bez smarów i nie ulegały zużyciu? Tak - dzięki nowoczesnemu tworzywu opracowanemu przez polskich naukowców z Instytutu Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej.

Powłoka ma znikomą masę, grubość około 0,5 mikrometra (5 dziesięciotysięcznych milimetra), ale twardość tej cieniutkiej warstewki jest czterokrotnie większa, niż hartowanej stali. Wynalazek opracował zespół naukowców pod kierunkiem prof. Bogdana G. Wendlera. Zespół jest znany z osiągnięć zakresie powłok funkcjonalnych i uczestniczy w wielu międzynarodowych projektach badawczych.

Jak zauważa prof. Wendler, dbałość o środowisko ogranicza możliwości stosowania płynnych środków smarnych, niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania urządzeń przemysłowych. Z drugiej strony wzrost cen paliw i energii oraz potrzeba większej niezawodności i trwałości części maszyn zwiększają zapotrzebowanie na powłoki o niskim współczynniku tarcia.

Opracowane w PŁ niskotarciowe, odporne na zużycie i zmęczenie, nanokrystaliczno-amorficzne powłoki są przeznaczone głównie dla przemysłu maszynowego, motoryzacyjnego, lotniczego oraz kosmicznego i energetycznego. Profesor wyjaśnia jednak, że tworzywo to można stosować niemal do wszystkich węzłów tarcia, jeśli tylko ich temperatura nie przekracza 300 stopni Celsjusza.

"Mogą znaleźć zastosowanie m.in. na pokrycia współpracujących elementów w siłownikach hydraulicznych, w układach przenoszenia napędu (na uzębienia kół zębatych), łożyskach ślizgowych, na elementy systemów wtrysku paliwa w silnikach Diesla, krzywki wałków rozrządu, popychacze zaworów, sworznie i pierścienie tłokowe, do zwiększenia odporności obejm i uchwytów na zużycie, dla zwiększenia żywotności ostrzy do golenia, na narzędzia do obróbki plastycznej i skrawania, do ochrony powierzchni detali z lekkich stopów (...)" - wylicza naukowiec.

Powłoki zawierają twarde krystality - nanocząstki - w osnowie twardego, diamentopodobnego węgla. Mają niski współczynnik tarcia, są odporne na zużycie cierne i zmęczenie przy wysokich naciskach. Osadza się je poprzez atomowe rozpylanie powierzchni niektórych metali w plazmie wzbudzonej w atmosferze gazu szlachetnego, na przykład argonu.

"Znane wcześniej niskotarciowe powłoki z czystego węgla charakteryzowały się dużymi naprężeniami własnymi i dużą kruchością. Aby uniknąć tych wad opracowaliśmy powłoki kompozytowe na osnowie węgla z domieszkami atomów metali, dzięki czemu w powłokach występują znacznie mniejsze naprężenia. Ich współczynnik tarcia suchego względem stali wynosi 0.1 do 0.3, a odporność na zużycie podczas tarcia ślizgowego jest o dwa rzędy wielkości większa niż w przypadku podłoża stalowego bez powłoki" - wyjaśnia prof. Wendler.

Wynalazek Zakładu Inżynierii Powłok został wyróżniony złotym medalem targów Bruksela Innova. Jego autorami są: Bogdan G. Wendler, Piotr Nolbrzak, Katarzyna Włodarczyk, Marcin Makówka, Wojciech Pawlak oraz Adam Rylski. W latach 2005-2008 Zakład wystawiał z sukcesami na forum międzynarodowym również inne innowacje. Inżynierowie prezentują swoje dokonania na stronie internetowej http://www.hardcoating.eu

Zespół naukowców z Zakładu Inżynierii Powłok uczestniczy teraz w wyjątkowym projekcie międzynarodowym. Uzyskał (wspólnie z Instytutem Obrabiarek i Technologii Budowy Maszyn z PŁ) z Komisji Europejskiej 240 tys. euro na czteroletnią na realizację grantu MAMINA, poświęconego "Makro-, Mikro- oraz Nano-aspektom skrawania z dużymi prędkościami".

Grant jest realizowany w ramach 7 Ramowego Programu Unii Europejskiej przez 9 instytucji naukowych (z Niemiec, Wielkiej Brytanii, Szwajcarii, Słowacji, Finlandii i Polski) oraz 24 doktorantów z wielu krajów Europy i Azji.

Jak wyjaśnia prof. Wendler, Niemcy opracowują nowe rewolucyjne narzędzia skrawające, specjaliści z Finlandii i Anglii przeprowadzają symulacje procesów skrawania, Polacy odpowiadają za zwiększenie trwałości narzędzi dzięki nanopowłokom, Słowacy badają strukturę powłok, a Szwajcarzy sprawdzają w praktyce postępy prac podczas prób skrawania. W jego ocenie, udział w projekcie jest ważnym wyróżnieniem dla PŁ i dowodem profesjonalizmu jej pracowników.