Účinek fullerenových částic WS2 na tribologii tváření kovových materiálů

Objev grafenu a obecně fullerenů koncem 90. let znamenal doslova revoluci v řadě průmyslových odvětví. Jejich specifická struktura a velmi malé rozměry zajišťují mimořádné mechanické a tribologické vlastnosti, a tak brzy vznikla i řada nových pojmů, jako např. superlubricita, s uváděnými hodnotami koeficientu smykového tření kolem 0,000001, což vyvolalo zájem na zkoušky aplikací v technické praxi.

Teoretický rozbor problému
Fullereny mohou vytvářet několik morfologických fází: duté kuličky o velikosti cca 200 nm, vločky, destičky, stuhy, vrstevnaté struktury, nanotrubičky a vrstevnaté kuličky. Jejich unikátní vlastnosti však nespočívají v pouhém chemickém složení či jednoduché struktuře, ale právě v kombinaci jejich vysoké pevnosti kovalentní vazby, poskytující Youngův modul 1 TPa (5x vyšší než ocel), a velmi slabé van der Waalsově vazbě (< 0,1 eV, tzn. cca 80krát nižší), umožňující snadný skluz těchto uhlíkových rovin, ale odolávající i průniku diamantového hrotu mikroskopu pro atomární síly. Podobným materiálem je i redukovaný grafen oxidu nahrazující v některých uzlových bodech mřížky uhlíku jinými prvky s velmi jemnou vločkovou morfologií (viz obr. 1).

Experimentální část
Zkoušky účinků RGO na tribologii rozhraní pro tváření aerosolových nádobek
Tváření kovů při výrobě aerosolových nádobek se vyznačuje extrémními podmínkami tváření, které se blíží adiabatickému průběhu deformace. To znamená, že vygenerované deformační teplo přispívá k eliminaci nárůstu meze kluzu materiálu v důsledku velké deformace i vysoké rychlosti deformace materiálu, a tvářený materiál účinně odpevňuje, takže se kov při tváření chová jako silně viskózní kapalina. Nicméně i tady se může vyskytnout problém, při kterém částice tvářeného materiálu dokáže poškodit tenkou stěnu plechovky (obr. 2, 3), proto je účinné mazání zcela namístě.
Pro zkušební testy byly vyrobeny tři druhy vzorků po třech kusech z hliníkové slitiny (téměř čistý hliník) o rozměrech 30 x 6,6 x 100 mm pro testování s označením (podle nanesené vrstvy laku):
a) EP – standardní lak (dále nespecifikovaný),
b) HP – Graphene GNP HP F8/1 (tzv. graphene nanoplatelets), destičky s velikostí částic do 26,5 µm, 73 % ≤ 10 vrstev,
c) RGO – 5% redukovaný oxid grafenu v isopropanolu – vločky s nízkým stupněm oxidace, průměrná velikost vloček je 500 nm, 90 % vloček mělo průměr menší než 800 nm, počet vrstev < 10.
Třecí zkoušky na VUT v Brně probíhaly na speciálním stroji podle vlastního know-how, které umožňuje zhotovení dokonale symetrické a koaxiální válcovité plochy s osou rotace vzorku a kvalitním povrchem třecího protikusu (Ra < 0,4 µm), při obvodové rychlosti 100 m/min a přítlaku 40 N a při počáteční teplotě třecí dvojice 21 °C (obr. 4).

Testování účinků disulfidu wolframu (WS2) při tváření závitu v zušlechtěné oceli
Tento materiál byl zvolen na základě rostoucího počtu publikací, který uváděl unikátní vlastnosti tohoto fullerenu díky multivrstevnaté struktuře nanofullerenových kulovitých částic, zajišťující vynikající mazací schopnosti, přičemž celistvé fáze prokazují odolnost proti tlakovému zatížení (4 263 000 psi, tj. asi 30 MPa), teplotám (-273 do +500 °C) a balistickému dynamickému zatěžování. Při vysokých zatíženích (cca 1 GPa) se oddělují dílčí vrstvy od povrchu a tvoří tenkou ochrannou vrstvu na povrchu oceli, která snižuje tření a degradaci mezi materiálem a nástrojem. Uváděná velikost nanočástic výrobcem je od 50 do 200 nm, které snadno zaplňují všechny druhy poruch celistvosti povrchu, jako jsou mikrotrhliny a škrábance. Netoxický a zdravotně nezávadný materiál, bez aktivní síry, chloru, boru, formaldehydu, zinku a bez kritických aminů (jako jsou monoethanol nebo dicyklohexylaminy). Tento materiál není klasifikován jako karcinogenní nebo mutagenní pro zárodečné buňky.
Vlastní analýza tohoto materiálu pomocí elektronové mikroskopie prokázala, že koncentrát tohoto přípravku (s označením  MFW3302) obsahuje shluky jemných kulovitých částí (viz obr. 7).
Výrobce dále uvádí dobrou rozpustnost nanopřísady WS2 ve vodě v jakémkoliv poměru, přičemž doporučený rozsah objemových koncentrací je 5–10 %. Pro zkoušky byly zvoleny různé koncentrace ve vodě ve větším rozsahu, s kvalitou vody dle tabulky níže.

Tab. Parametry vody
Měřený parametr*Hodnota
Vodivost (mS/m)*27,00
Acidita (pH)*7,72
Obsah rozpuštěných pevných částic (mg/l)*237
Tvrdost vody (mmol/l)*1,90
Tvrdost vody (°DH)*11,00    
Obsah železa (mg/l)*< 0,10

Vlastní zkoušky proběhly podle metodiky, tvářeným materiálem byla nízkolegovaná ušlechtilá křemíkovo-chromová ocel 54 SiCr6 CSN EN 10089-03 ve stavu válcovaném za tepla, o pevnosti Rm = 900–1150 MPa, tažnost A5 = min. 5 %, kontrakce Z = min. 38 %, obrobená do bloků materiálu 15 x 15–100 mm. Tvářecím nástrojem byl závitník Gühring HSS-E S-MASCH – GFO DIN 371RN FORM C 6HX M6 (5 % Co) s povlakem TiN (2,5 mm).
Obráběcím strojem bylo centrum MCV 1210 s řídicím systémem Sinumerik 840D, krouticí momenty a síly byly snímány dynamometrem Kistler 5072, plně řízeným počítačem se snímací frekvencí 16 kHz v každém měřeném kanálu. Tvářecí rychlost  57 m/min, otáčky 3000 1/min, posuv na otáčku: 1 mm. Nástroj byl upnut v bezpečnostním adaptéru Emuge Franken KSN Synchro IKZ. Mazání bylo ruční, pomocí plastikové láhve se zaplavením tvářeného závitu.

Diskuze výsledků
Při zkouškách tváření nádobek se oba fullereny osvědčily v účinku na třecí vlastnosti lakovaných Al plechovek, přičemž lepší výsledky dosáhl RGO (o 100 % vyšší časová odolnost vůči EP při stejném zatížení, při nižším součinitelu tření). Ekonomická náročnost je přijatelná vůči vyšší spolehlivosti nádobek, výzkum pokračuje mj. v usměrněném rozložení fullerenů vůči směru zatížení. Fullereny napomohly k zachování materiálu v třecím místě ve prospěch plastické deformace třené vrstvy, což se projevilo i na reálných nádobkách (obr. 9).
Aplikace tohoto druhu suspenze nanoaditiv na tváření závitů byla v této zkoušce pouze srovnatelná s jinými druhy procesních kapalin (polymerů). Potvrdil se její maximální účinek při objemové koncentraci 10 % na energetické účinky při tváření, ale pro zlepšení součinitele tření jsou jiné polymery v této aplikaci účinnější. Tato suspenze měla silnou tendenci k sedimentaci, což by mohlo vést k problémům při odstávkách výrobní techniky. Výzkum dalších technologických aplikací pokračuje.

Závěry
Testované fullereny (grafen a redukovaný oxid grafenu) prokázaly své výborné tribologické účinky pro aplikaci zpětného protlačování lakovaných hliníkových slitin. I přes svou vysokou cenovou náročnost je lze využít v nízkých koncentracích, kde snižují smykové tření a brání vzniku nárůstků na stěnách tvářecích nástrojů, což vede ke snížení výskytu neshodných kusů. Naopak tváření závitu v zušlechtěné oceli s aplikací disulfidu wolframu se neprokázalo výrazně výhodnější ve srovnání s běžně používanými polymery.
Příspěvek byl vytvořen s podporou projektů „Aplikace nových technologií povrchových úprav v kovovém obalovém průmyslu“, PID: FV40313, MPO a projektu specifického výzkumu FSI VUT v Brně „Moderní technologie pro zpracování pokročilých materiálů využívaných pro interdisciplinární aplikace“, FSI-S-22-7957.

Prof. Ing. Miroslav Píška, CSc, FSI VUT Brno
Ing. Zuzana Vnuková, Ing. Jan Sedláček, Ph.D, Moravia Cans

Publikováno: 20. 7. 2023 | Počet zobrazení: 109 27