Tory, po których jeżdżą pociągi, zrobione są ze stali – czyli jednego z gatunków stopów żelaza, który został poddany obróbce plastycznej, zwanej w żargonie po prostu obróbką. Ale już koła pociągów jeżdżących po torach wykonane są ze staliwa, czyli takiego typu stali, która została poddana obróbce odlewniczej zwanej w żargonie po prostu przeróbką.

Staliwo, z którego odlewa się także gąsienice do czołgów, jest jednak niezwykle kosztownym materiałem, z tego względu, że w procesie przeróbki marnuje się 70 proc. wyjściowego materiału. Dlatego corocznie odlewnictwo wytwarza wielokrotnie więcej żeliwa niż staliwa ze względu na bardzo dobre własności odlewnicze tego pierwszego. – Żeliwo ma bowiem wiele pożądanych właściwości. Jest m.in. odporne na ścieranie, a także tłumi wibracje – stąd wiele elementów maszyn, w tym dużych maszyn przemysłowych, a także obudów silników elektrycznych, robionych jest właśnie z żeliwa – tłumaczy dr inż. Wojciech Wierzchowski.

Gdybyśmy zajrzeli do wnętrza kawałka stopu metalowego pod bardzo dużym powiększeniem, zobaczylibyśmy strukturę składającą się z wielu elementów. Bez wchodzenia w skomplikowane aspekty wiedzy z zakresu odlewnictwa, ich budowa i rodzaj zależą od wykorzystanej technologii odlewniczej. Przede wszystkim od sposobu odprowadzania ciepła, co ma wpływ na czas i sposób krzepnięcia. Budowa i rodzaj tych elementów, ich rozłożenie w przestrzeni i wzajemne relacje stanowią o właściwościach stopu, w szczególności mają wpływ na własności mechaniczne. Sztuka odlewnictwa polega więc nie tylko na odtworzeniu kształtu odlewu, ale również na uzyskaniu pożądanej struktury.

– Gdybyśmy spojrzeli pod mikroskopem w stygnącą próbkę stopu metalowego, zobaczylibyśmy, że krystalizuje się ona nierównomiernie. Kiedy żeliwo zaczyna krzepnąć, najpierw powstaje tzw. faza pierwotna o kształcie dendrytycznym, przypominająca wykwity robione przez zamarzającą na szybie wodę. Idealnie chcielibyśmy, żeby żeliwo miało strukturę tiksotropową – to znaczy, żeby faza pierwotna miała postać granulek rozrzuconych po całej objętości stopu jak rodzynki w cieście – mówi dr inż. Wierzchowski.

Wierzchowski zajmował się zagadnieniem produkcji żeliwa tiksotropowego tuż przed przejściem na emeryturę z instytutu w 2013 r. Temu poświęcony był ostatni realizowany przez niego grant – „Warunki wytwarzania żeliwa o strukturze tiksotropowowej metodą chłodzącej płyty pochyłej”. W trakcie jego realizacji zrozumiał jednak, że badana metoda nie nadaje się do zastosowania w skali przemysłowej. Dlatego zaczął zastanawiać się, niejako na uboczu tematyki badawczej związanej z grantem, w jaki sposób można byłoby osiągnąć zamierzone cele.

Inspiracja przyszła z metody, która wykorzystywana jest do uzyskania struktury tiksotropowej w aluminium, którą swego czasu opracowali inżynierowie z Massachusetts Institute of Technology. Chodzi mianowicie o to, aby punktowo chłodzić ciekły metal, kiedy tylko wypłynie z pieca hutniczego. Kontakt z chłodną powierzchnią powoduje, że w strudze ciekłego metalu powstają zarodki krystalizacji – miejsca, w których temperatura spadła już na tyle, że atomy zaczęły formować kryształ. I tak jak przy przygotowywaniu ciasta, stop miesza się, żeby rodzynki rozprowadzić równomiernie po całej jego objętości.

Problem polegał jednak na tym, że aluminium jest metalem o niskiej temperaturze krzepnięcia. Żeliwo z kolei w trakcie obróbki metalurgicznej ma temperaturę przekraczającą 1200 stopni, w związku z czym znacznie trudniej jest nim manipulować, nawet zaprzęgając do tego nowoczesne metody manipulacji ciekłymi metalami jak pola elektromagnetyczne. Ostatecznie jednak krakowscy inżynierowie zbudowali prototypową wersję urządzenia, w którym struga ciekłego żeliwa przepływa pod kołem chłodzącym. Powierzchnia styku wykonana jest z miedzi chłodzonej wodą. Kontakt z chłodnym miedzianym elementem powoduje, że wewnątrz płynnego żeliwa powstają zarodki krystalizacji, a więc pod mikroskopem miałby on strukturę granularną. Przeprowadzone badania mikroskopowe potwierdziły ten efekt.

Wśród potencjalnych zastosowań żeliwa o strukturze tiksotropowej jest możliwość wykonywania cienkościennych przedmiotów. Tę właściwość wykorzystuje się np. przy produkcji felg aluminiowych do samochodów – oczywiście w przypadku innego metalu, ale chodzi o podobną strukturę wewnętrzną.

Zaletą metody opracowanej przez inżynierów z instytutu jest to, że stwarza możliwość tzw. odlewania na gotowo, czyli nadawania żeliwu jego docelowego kształtu, bez dużych naddatków. W przypadku dotychczas stosowanych metod odlewniczych żeliwa straty w materiale sięgają nawet 30 proc. – Najważniejszy jednak jest fakt, że dzięki tej metodzie właściwości odlanego materiału we wszystkich kierunkach są jednakowe, to znaczy nie dochodzi do sytuacji, w której jedna część stopu jest mniej odporna mechanicznie niż inna – cieszy się dr Wierzchowski.