GAČR: Tým Pavla Nováka vyvíjí slinuté silicidy pro nástroje nové generace
Tým vedený Pavlem Novákem se věnuje vývoji nových nástrojových materiálů složených ze slinutých silicidů železa (Fe–Si) kombinovaných s matricí aluminidů niklu nebo železa (NiAl/FeAl). Tento výzkum je součástí projektu financovaného Grantovou agenturou České republiky (GA ČR 23-05126S) a jeho cílem je vytvořit ekologičtější a efektivní alternativu k tradičním tvrdokovům (slinutým karbidům), které obsahují kritické prvky jako wolfram (W) a kobalt (Co). Tyto nové materiály mají stabilní vlastnosti i při vyšších teplotách. Projekt vede prof. Ing. Pavel Novák, Ph.D., z Ústavu kovových materiálů a korozního inženýrství.
Co tým Pavla Nováka dělá?
Tým Pavla Nováka se zaměřuje na spojení různých oblastí materiálového výzkumu — práškové metalurgie (výroba materiálů z jemných prášků), vývoje intermetalických slitin (slitiny tvořené přesně definovanými fázemi kovů) a tribologie (studium opotřebení a tření materiálů). Navazuje přitom na zkušenosti s Ni–Ti (nikl-titan) systémy, včetně tvarově paměťových slitin, které mění tvar při zahřátí. Hlavní princip vývoje spočívá v tom, že tvrdá fáze siliciidu železa (FeSi) je spojena s houževnatější (odolnou proti praskání) matricí z aluminidů niklu nebo železa. Důležité je, aby byly jednotlivé složky připraveny samostatně a pak přesně smíchány a slinuty (spojeny tepelným zpracováním) za přesně definovaných podmínek, aby se zabránilo vzniku křehkých a nežádoucích fází.
Používané technologie
Výzkum používá moderní postupy práškové metalurgie, například mechanické legování (propojování prášků kovů do homogenní směsi) a řízené slinování pomocí tzv. slinování v plazmatu (SPS), což je rychlý a přitom šetrný způsob spojování práškových materiálů pomocí elektrického proudu. Pro analýzu mikrostruktury a fázového složení materiálů slouží různé mikroskopické metody (SEM, EDS a EBSD), které umožňují zkoumat strukturu materiálu ve velmi malém měřítku. Navíc se provádí tribologické testy, které hodnotí, jak materiály odolávají opotřebení a tření.
Aplikace a přínos
Vyvinuté materiály jsou určeny k výrobě nástrojů pro obrábění (například řezání kovů) a tváření, kde je potřeba kombinace tvrdosti, odolnosti proti praskání a schopnosti odolávat oxidaci (korozi) při vysokých teplotách. Na rozdíl od klasických tvrdokovů, které jsou na bázi karbidu wolframu spojeného kobaltem (WC–Co), tyto nové kompozity nevyužívají kritické a omezené suroviny a mají nižší uhlíkovou stopu, protože nevyžadují energeticky náročné tepelné zpracování běžné u ocelových nástrojů.
Dosavadní výsledky
Tým úspěšně prokázal, že materiál FeSi–NiAl je možné vyrobit s přesně nastavenými podmínkami slinování tak, aby se minimalizovala interakce mezi jednotlivými fázemi a zachovaly požadované vlastnosti. Vzniklé materiály jsou vlastně výsledkem úspěšného boje proti přírodním zákonům, protože za rovnovážných podmínek by materiál měl obsahovat úplně jiné fáze. Byly provedeny testy tvrdosti a odolnosti proti opotřebení. Výzkum týmu také zahrnuje zkoumání Ni–Ti intermetalických slitin a objev nové fáze Ni₈Ti₅, jejíž struktura byla určena pomocí moderních elektronových difrakčních metod, nebo kvazikrystalických fází připravených stejnými postupy.
Projekt Grantové agentury ČR s názvem „Slinuté silicidy jako budoucí nástrojové materiály“ (od ledna 2023 do prosince 2025) se snaží optimalizovat složení materiálů a technologické postupy s cílem nahradit dosavadní použití slinutých karbidů a rychlořezných ocelí efektivnější, udržitelnou a ekologickou alternativou.