Częstochowa 15

Częstochowa 31.03.2016
Prof. dr hab. inż. Marek Sławomir Soiński
Politechnika Częstochowska
Katedra Odlewnictwa
Al. Armii Krajowej 19
42-200 Częstochowa
R E C E N Z J A
rozprawy doktorskiej mgr inż. Daniela Medyńskiego
pt. „Wpływ zawartości niklu i parametrów obróbki cieplnej na strukturę i wybrane
właściwości sferoidalnego żeliwa Ni-Mn-Cu”, opracowane na zlecenie Rady Wydziału
Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej (pismo Dziekana Pana Prof. dr hab. inż.
Edwarda Chlebusa z dnia 27.01.206, znak W10/41d/14/2016)
Uwagi dotyczące tematyki i ogólna charakterystyka pracy
Wśród tworzyw odlewniczych najpowszechniej stosowanym na świecie stopem
pozostaje żeliwo, przy czym coraz większe znaczenie zyskuje żeliwo z grafitem kulkowym,
potocznie, acz niezbyt poprawnie, zwane żeliwem sferoidalnym. Właśnie tego rodzaju
tworzywo staje się przedmiotem coraz szerszych badań, ukierunkowanych na uzyskiwanie
stopów o trudnych do przewidzenia, jeszcze przed kilkudziesięcioma, czy kilkunastoma laty,
niezwykle wysokich, czy też szczególnych, właściwościach. Można tu wymienić żeliwo
hartowane z przemianą izotermiczną (zwane ADI – Austempered Ductile Iron), czy też szereg
odmian żeliwa stopowego. Także i opiniowana rozprawa doktorska Pana mgr inż. Daniela
Medyńskiego wpisuje się w tę tematykę.
Przedstawiona do oceny dysertacja jest opracowaniem o charakterze poznawczym,
naukowym, posiadając zarazem duże znaczenie dla praktyki. Przedmiotem badań było żeliwo
o osnowie, bądź to czysto austenitycznej (pochodzące z czterech wytopów), bądź to ze
znacznym udziałem austenitu (z trzech wytopów). Autor wykazał w pracy możliwości
uzyskania osnowy austenitycznej, a nawet pewnego oddziaływania na kształtowanie się
osnowy żeliwa, z kulkowymi wydzieleniami grafitu, przy obniżonej zawartości niklu
(w porównaniu z żeliwem Ni-Resist), poprzez wprowadzenie do stopu dodatku miedzi
(w ilości ok. 2,4%), a także podwyższenie udziału manganu (do podobnego poziomu,
w przypadku żeliwa z jednego wytopu do 3,3%). Określił w pracy oddziaływanie różniących
się istotnie między sobą parametrów obróbki cieplnej na strukturę badanego żeliwa i szereg
jego właściwości. Z uwagi na fakt, że zarówno przy prezentacji wyników (rozdział 3 pt.
„Część doświadczalna”), jak i ich analizie (w rozdziale 4, niezbyt fortunnie zatytułowanym
1
„Podsumowanie”) Autor operuje jakby łącznym oddziaływaniem kilku pierwiastków (C, Si,
Ni, Mn, Cu), wprowadzając – co zresztą jest w pełni uzasadnione – pojęcie ekwiwalentu
niklowego, niezbyt właściwe wydaje się być użycie w tytule zwrotu „Wpływ zawartości niklu
... itd.”.
Z całym przekonaniem należy stwierdzić, że wybór tematyki pracy jest w pełni
uzasadniony. Nie zmienia tego fakt, że w ostatnich latach wręcz drastycznie spadły ceny
najdroższych składników stopowych badanego żeliwa, tzn. niklu i miedzi. O ile jeszcze przed
dwoma laty kształtowały one na poziomie odpowiednie (za jedną tonę) 18.500 USD i 8.500
USD, to obecnie kosztują: nikiel ok. 8.800 USD i miedź ok. 5.000 USD. Temat rozprawy
uważam więc za ważny, zarówno z naukowego, jak i utylitarnego, punktu widzenia.
Ocena wartości merytorycznej rozprawy
Praca ma klasyczny, tradycyjny wręcz układ i dzieli się na dwie główne części:
teoretyczną i doświadczalną. Dysertacja rozpoczyna się „Wprowadzeniem” i kończy
„Podsumowaniem” oraz „Wnioskami” i wykazem literatury. Praca liczy 144 strony, i jest
przygotowana, biorąc pod uwagę szatę graficzną, z więcej niż należytą starannością.
Wprowadzenie
Lektura tego niewielkiego objętościowo fragmentu (nieco ponad 2 strony maszynopisu)
pozwala już na spostrzeżenie, że Autor dysponuje wystarczającą wiedzą w badanym obszarze
i należycie określa kierunki podejmowanych badań. Potwierdza to zresztą lektura dalszych
części dysertacji.
Studium literaturowe
Opracowanie literaturowe (rozdział 2 pracy pt. „Część teoretyczna”) to ponad 40 stron
maszynopisu. Ta wielkość wydaje się być na górnej akceptowalnej jeszcze granicy,
uwzględniając wzajemne proporcje głównych części rozprawy. Generalnie należy zauważyć,
że studium literaturowe zawiera to, co powinno, biorąc pod uwagę tematykę pracy i stanowi
właściwą odskocznię do badań własnych. Autor omówił więc oddziaływanie szeregu
czynników na przebieg krzepnięcia żeliwa, w tym stanu fizycznego ciekłego metalu
i szybkości stygnięcia, czy też składu chemicznego; szkoda, że nie znalazło to pełnego
odzwierciedlenia w spisie treści. Z kolei z pewnym zdziwieniem należy skonstatować, że
w rozdziale 2.1. („Czynniki wpływające na proces krzepnięcia odlewów”) ujęto takie
zagadnienie jak (pkt. 2.1.5) „Proces krystalizacji grafitu sferoidalnego”, czy dwa następne
podrozdziały („Krystalizacja eutektyki grafitowej” i „Mikrosegregacja”). Lektura dalszych
2
części rozdziału 2 nie budzi większych zastrzeżeń. Celowe wydaje się zwrócenie
Doktorantowi uwagi na szereg, niestety, większych i mniejszych usterek. Należałoby tutaj
wymienić niektóre z nich (włączając do poniższego „wykazu” także uwagi dotyczące
„Wprowadzenia”):
-
czemu Autor cytuje następujące po sobie pozycje literaturowe w kolejnych nawiasach
np. [2], [5], [11], a nie w jednym nawiasie [2, 5, 8]?;
-
s.7 (u góry): ekwiwalent ... jest równaniem. Czyżby na pewno? Może tylko „coś”
opisuje?;
-
s. 12 u dołu: Autor przytacza uwagę, cyt. „W pracy wszystkie wielkości opatrzone
jednostką [%] odnoszą się do [% wag.]. Rzecz o tyle istotna, że w dalszej części pracy
wielokrotnie podaje informacje o zawartości grafitu np. 7,5%, czy 9%. Chodzi
oczywiście o udział objętościowy (czy też określany powierzchniowo na zgładzie);
„wagowo” byłoby to niemożliwe;
-
s. 17 rysunek 2.9.: wykresy dotyczące wpływu Ni i Cu „przestawione” w stosunku
do podpisu;
-
s. 18 wiersze 3 i 4 od góry: żeliwo sferoidalne też jest żeliwem szarym!;
-
s. 19 wiersz 3 od góry: nie ma żeliwa płatkowego!;
-
s. 20 wiersze 3 i 4 od góry: magnez w żeliwie sferoidalnym w ilościach 0,02 do 0,08%
nie jest dodatkiem stopowym!;
-
s. 31: podano dwa równania (2.6) i (2.7) – człony równań po lewej stronie są takie
same, zaś po stronie prawej istotnie różnią się od siebie. Należało to inaczej zapisać;
-
s. 33: wiersze 13 – 10 od dołu: Jaki jest sens zdania, cyt. „Przy założeniu zbliżonych
warunków prowadzenia wytopów, następstwem zachodzących w osnowie przemian
fazowych, są zmiany wartości współczynnika rozszerzalności liniowej α”?;
-
s. 34 rys. 2.21 – w opisie osi „y” brak „x10-6”;
-
s. 36: w pkt. 2.5 nieprawidłowo podano, co jest podstawą podziału żeliwa na różne
jego gatunki. Prosiłbym Doktoranta o wyjaśnienie podczas obrony – jak wg
stosownych norm klasyfikuje się różne rodzaje żeliwa i w oparciu o jakie próby?;
-
s. 37: równanie (2.9); nieprawidłowo wyliczono, w oparciu o podane związki
pomiędzy twardością żeliwa a wielkością ekwiwalentu niklowego, wielkości
twardości i to w obu przypadkach;
-
s. 37: równania (2.10); z opisu podanych zależności wynika, że we wzorach chodzi
o ilość grafitu, podczas gdy jest to powierzchnia zajęta przez te wydzielenia;
-
s. 38: błędne są rozważania, w których Autor posługuje się terminem „ilość grafitu”
(i jest go np. powyżej 7,5%(?), tego rodzaju błędy powtarzane są też w innych
miejscach pracy:
3
-
strony 45 i 47, rysunki na tych stronach (2.29; 2.30); jeśli przedstawiają one
schematycznie określone zależności, to czemu na osiach „y” zużycie abrazyjne
podano w konkretnych jednostkach (raz w mm3, raz w mg)? Jeśli rysunki te odnoszą
się do konkretnych badań, to jakie były warunki ich przeprowadzania?
Podsumowując w skrócie część literaturową należy zauważyć, że jej zakres został
właściwie dobrany i należycie koresponduje ona z badaniami własnymi. Szkoda, że nie
kończy się ona swego rodzaju podsumowaniem, uzasadniającym od strony naukowej, realną
możliwość osiągnięcia postawionych celów i ich znaczenie, tak dla nauki, jak i praktyki
przemysłowej.
Badania własne
Badania własne zostały przedstawione w rozdziale 3.2 (z omyłkowo przypisaną cyfrą 2 –
str. 52) pt. „Część doświadczalna”. W podrozdziale 3.1. („Cel i zakres pracy”) Autor,
w pewnym sensie kontynuując przegląd literatury, uzasadnia kierunki podejmowanych badań.
Czyni to w sposób przekonywujący. Formułuje cele pracy, zarówno poznawcze, jak
i utylitarny. O ile jednak te założenia nie budzą zastrzeżeń, to już „zakres przeprowadzonych
badań”, w pewnych fragmentach, budzi wątpliwości.
I tak np.:
-
s. 53 – w jaki sposób przeprowadza się analizę składu chemicznego odlewów metodą
rentgenowską?; Autor pisze: „pomiary ... udarności (metodą dynamicznej próby
łamania)”. Jak określa się udarność metali i czy są jakieś nie dynamiczne i nie
związane z łamaniem próby?;
-
na s. 54 mgr inż. D. Medyński przytacza rysunek wlewka próbnego w kształcie litery
Y (rys. 3.1), a w tekście powyżej tego rysunku, pisze, cyt. „... otrzymując wlewki
w kształcie Y wg normy PN-EN 1563-2000 (opierając się o normę PN-69/H-83124)”.
Otóż w obowiązującej obecnie normie PN-EN 1563 nie jest ujęty stosowany
w badaniach typ wlewka! Oczywiście eksperymentator nie musi w badaniach opierać
się wyłącznie o znormalizowane próby, ale nie może powoływać się na normę, jeśli
nie ma ona zastosowania! Nawiasem mówiąc, wzajemne proporcje szerokości
i wysokości części badawczej, a także wysokości części nadlewowej, stosowanego
w badaniach wlewka próbnego Y, odbiegają od proporcji wymiarowych wlewków
„Y” ujętych w PN-EN 1563. W związku z powyższym mam pytanie do Doktoranta:
czy w poddawanych dalszym badaniom odciętych częściach wlewków próbnych nie
występowały jamy skurczowe, bądź też mikrorzadzizny?
W pkt. 3.3 („Analiza składu chemicznego odlewów”) Autor pisze m. in. o obliczeniach,
cyt. „... wartości stopnia nasycenia eutektycznego Sc na podstawie równania (2.2)”. Otóż
4
równanie to, w przytoczonej postaci, nie daje możliwości wyznaczenia wielkości S c,
ponieważ brak danych odnośnie do współczynników „m´”.
Osiągnięcie celów pracy wymagało, poza procedurą wytworzenia żeliwa, będącego
przedmiotem dalszych eksperymentów, realizacji szeregu pracochłonnych badań. Znaczne
ilości próbek przed poddaniem ich dalszym badaniom, były bądź to wyżarzane, bądź to
wygrzewane. Pod pierwszą z tych nazw Autor rozumie wytrzymywanie badanego żeliwa
w temperaturze 800°C, późniejszym jego chłodzeniem z różnymi szybkościami. Nawiasem
mówiąc, na s. 53 Doktorant pisze o niższych prędkościach, co jest oczywiście nieprawidłowe.
Z kolei wygrzewanie to wytrzymywanie próbek w temperaturach 400°C do 700°C przez
różne okresy czasu (od 2 godz. do 10 godz.) i późniejsze chłodzenie na powietrzu. Część
doświadczalna jest więc stosunkowo obszerna. Omówiono w niej metodykę badań
metaloznawczych (z wykorzystaniem nowoczesnych technik m. in. skaningowych
mikroskopów elektronowych), właściwości mechanicznych, odporności na zużycie abrazyjne
i odporności korozyjnej, a także zestawiono uzyskane wyniki. W wielu przypadkach zostały
one ujęte w postaci wykresów. Brak danych „źródłowych”, (tzn. szczegółowych wyników,
ujętych w tabelach) nie może jednak stanowić zarzutu, wobec nagromadzenia dużej ilości
danych. Na podkreślenie zasługuje wysoka jakość zdjęć, nie tylko struktur, zamieszczonych
na dziesiątkach rysunków. Z kolei nie doczytałem się niestety, jakie to próbki (miejsca
pobierania z wlewków, kształty, wymiary) stosowano w wykonanych badaniach. Może
dowiem się tego podczas obrony?
Bliższe zapoznanie się z uzyskanymi wynikami, a właściwie szerzej, z tekstem części
badawczej, nasuwa szereg pytań i wątpliwości, a także umożliwia dokonanie cząstkowych
ocen:
-
s. 56, rys. 3.2 w podpisie podano, że wg normy ISO EN-PN 945 – 1:2009 w żeliwie
nr 1 i nr 5 cechy grafitu są następujące (odpowiednio): VI, E, 6 i VI, E, 5. Pomijając
drobne usterki w zapisie (nie powinno być przecinków), wydzielenia grafitu kulkowego
cechują się – jakby z definicji – rozmieszczeniem równomiernym (czyli „A”). Brak nawet
w przywołanej normie stosownego wzorca. Skąd więc ten zapis?;
-
czym spowodowany był podział zakresu wartości wskaźnika kształtu wydzieleń grafitu na
dość dziwaczne przedziały (<0,067 – 0,070); <0,070 – 0,073); itd.) - tabela 3.3;
-
nieprawdopodobne, wręcz niewiarygodne jest występowanie w żeliwie wydzieleń
grafitu o współczynniku kształtu bliskim 0,08 (dla koła wynosi on ok. 0,0796)
w ilościach powyżej 99% - patrz dane w tabeli 3.3. To domniemanie potwierdza
choćby rzut oka na zdjęcia wydzieleń grafit na kolejnych rysunkach np. 3.3; 3.4; 3.5;
3.9; 3.10 i wielu dalszych. Tak więc popełniono w badaniach jakiś błąd (możliwe, że
5
systemowy). Na szczęście ta wadliwa ocena nie ma „dalszego biegu” i nie
oddziaływuje na analizę uzyskanych wyników;
-
s. 61: Doktorant pisze: cyt. „… próbki chłodzono z różnymi prędkościami (winno być
szybkościami!) z piecem, na powietrzu i w wodzie”. Już jednak w dalszej prezentacji
wyników badań ani słowa o oddziaływaniu chłodzenia w wodzie na strukturę żeliwa.
Czemu to przypisać?
-
s. 65 – 67; także w przypadku odlewów „wygrzewanych” odnoszę wrażenie, że
uzyskane wyniki skomentowano wybiórczo. Można było choćby schematycznie (np.
w tabeli) określić „nasilenie” stopnia przemiany austenitu w zależności od
ekwiwalentu niklowego i parametrów obróbki cieplnej;
-
s. 68; w podpisie rys. 3.17, na którym występuje tabela (!), należało zaznaczyć, że
średnie zawartości 5 pierwiastków w żeliwie nie są wynikiem mikroanalizy
rentgenowskiej (lecz są wynikiem analizy spektrometrycznej);
-
s. 71/72 – mikroanaliza rentgenowska (rys. 3.19; rys. 3.20) nie daje możliwości
precyzyjnego określenia zawartości pierwiastków w obszarze granicy międzyfazowej
(punkty pomiarowe 3, 4);
-
rozdział 3.5 pt. „Badania dylatometryczne” stanowi bardzo ważną część pracy
i umożliwia Autorowi wykazanie, że osiągnął postawiony cel, odnośnie określenia
oddziaływania czynników zmiennych (składu chemicznego, obróbki cieplnej) żeliwa
Ni-Mn-Cu na stopień przemiany austenitu. Nasuwa się pytanie, dlaczego Doktorant tę
samą próbkę poddawał kolejnym trzem cyklom pomiarowym, a nie użył trzech
osobnych próbek. Wszak kolejne operacje nagrzewania prowadzą do zmiany stanu
wyjściowego próbki, zmienia się stopień ujednorodnienia struktury żeliwa, może mieć
miejsce rozrost ziaren austenitu;
-
pomiary twardości odlewów Pan mgr inż. Daniel Medyński omówił w rozdziale 3.7.
Ich wyniki mają duże znaczenie, zarówno z naukowego, jak i z poznawczego punktu
widzenia. Pozostają one w pewnym związku z omówionymi już badaniami. Szkoda,
że tak jak i w odniesieniu do kilku wcześniej zaprezentowanych badań, niewiele
wiemy o samych próbkach;
-
na marginesie lektury rozdziałów 3.7 i 3.8 nasuwa się pytanie, dlaczego „Pomiary
twardości” nie należą już do „Badań właściwości mechanicznych”? A jeszcze
w części teoretycznej było jak należy (rozdział 2.5)…
-
pomiary właściwości mechanicznych, obejmujące wytrzymałość na rozciąganie
i udarność, wykonano z użyciem zarówno próbek z żeliwa w stanie lanym, jak
i wygrzewanego w trzech różnych temperaturach przez trzy różne okresy czasu.
Ich wyniki i komentarz nie budzą zastrzeżeń;
6
-
w rozdziale 3.9 „Badania odporności na zużycie ścierne” Doktorant podjął próbę
przedmiotowej oceny badanego żeliwa. Ta część pracy zatytułowana jest jednak na
wyrost, skoro czas trwania testu wynosił … 10 minut. Prosiłoby się użycie w tytule
np. słowa „wstępne”. W związku z zakresem relacjonowanych badań, a także
niewielkimi różnicami (w granicach kilku – kilkunastu procent) w stopniu zużycia
próbek z poszczególnych rodzajów żeliwa trudno oczekiwać, żeby nawet – przyznać
należy – umiejętnie poprowadzona dyskusja – mogła stanowić jakiś istotniejszy
element opiniowanej pracy;
-
„Badanie odporności korozyjnej” (rozdział 3.10) obejmuje pomiary grawimetryczne
i potencjodynamiczne; stosownym procedurom badawczym poddano żeliwo zarówno
w stanie lanym, jak i wygrzewane. Ten fragment pracy nie budzi zastrzeżeń.
Podkreślić należy wysoką jakość zdjęć powierzchni żeliwa przed i po badaniach
potencjodynamicznych, uzyskanych za pomocą skaningowego mikroskopu (rys. 3.73,
3.78).
Dyskusja wyników i wnioski
Ostatni, „duży” (5 stron maszynopisu) rozdział pracy, mimo, że nosi tytuł
„Podsumowanie”, jest swego rodzaju analizą, dyskusją wyników. Jego lektura pozwala na
stwierdzenie, że Doktorant wykazał osiągnięcie postawionych celów pracy. Udowodnił więc
przede wszystkim, że możliwe jest skuteczne oddziaływanie na strukturę żeliwa w stanie
lanym, z kulkowymi wydzieleniami grafitu, poprzez zmianę udziałów w żeliwie kilku
podstawowych pierwiastków. Głównym z nich był nikiel, występujący jednak w ilościach
wyraźnie mniejszych niż w „klasycznym” wysokoniklowym żeliwie Ni-Resist; ponadto
w stopie wystąpiła miedź, mangan zaś był w większych, niż to ma zazwyczaj miejsce,
ilościach. Doktorant wykazał ponadto, że możliwie jest – w pewnym zakresie –
oddziaływanie na trwałość termodynamiczną austenitu, stanowiącego wyłącznie, lub
częściowo, osnowę żeliwa.
7
8