Ocena właściwości tribologicznych i możliwości zastosowania nanocząstek metalicznych i tlenkowych w innowacyjnych produktach chłodząco-smarujących, wykorzystywanych w procesie obróbki metali

Abstract

Współczesne trendy w obróbce skrawaniem koncentrują się na poszukiwaniu rozwiązań technologicznych, które zapewniają wysoką efektywność procesu przy jednoczesnym ograniczeniu negatywnego wpływu na środowisko oraz zdrowie człowieka. Jednym z kierunków rozwoju jest modyfikacja cieczy chłodząco-smarujących (CCS) poprzez zastosowanie nanomateriałów poprawiających ich właściwości tribologiczne. Celem pracy było opracowanie i ocena układów CCS zawierających nanocząstki oraz określenie ich wpływu na procesy tarcia i zużycia występujące podczas obróbki skrawaniem. Praca obejmowała dobór odpowiednich nanomateriałów i cieczy bazowych umożliwiających uzyskanie stabilnych nanopłynów przeznaczonych do zastosowań obróbkowych. Szczególną uwagę poświęcono ocenie przeciwzużyciowych i przeciwciernych właściwości opracowanych układów tribologicznych. Rozprawa została podzielona na cztery części obejmujące analizę stanu wiedzy, określenie celu i zakresu badań, opis zastosowanych metod badawczych oraz prezentację wyników wraz z ich interpretacją. Badania eksperymentalne przeprowadzono z wykorzystaniem testerów tribologicznych w skali mikro i makro, a także podczas procesów toczenia wzdłużnego realizowanych z użyciem opracowanych układów CCS. Po zakończeniu testów przeprowadzono szczegółową analizę powierzchni z zastosowaniem technik mikroskopowych oraz profilometrii. Uzyskane wyniki wykazały, że chłodziwa wzbogacone nanomateriałami charakteryzują się lepszymi właściwościami eksploatacyjnymi niż konwencjonalne środki chłodząco-smarujące. Najkorzystniejsze rezultaty uzyskano dla układów zawierających nanostruktury Bi₂S₃, które skutecznie obniżały współczynnik tarcia oraz intensywność zużycia elementów trących. Efekt ten był związany z tworzeniem ochronnej warstwy przeciwzużyciowej zawierającej związki bizmutu i siarki. Opracowane nanopłyny mogą znaleźć zastosowanie zarówno na obrabiarkach konwencjonalnych, jak i sterowanych numerycznie CNC podczas obróbki stali.

Contemporary trends in machining focus on developing technologies that ensure high process efficiency while minimizing negative impacts on the environment and human health. One promising approach is the modification of cutting fluids by incorporating nanomaterials that enhance their tribological properties. The aim of this dissertation was to develop and evaluate nanoparticle-containing cutting fluid systems and determine their influence on friction and wear during machining operations. The research involved the selection of suitable nanomaterials and base fluids to obtain stable nanofluids for machining applications. Particular attention was paid to the anti-wear and anti-friction performance of the developed tribological systems. The dissertation consists of four main parts: a review of the current state of knowledge, the definition of the research objective and scope, a description of the experimental methodology, and the presentation and discussion of the obtained results. Experimental investigations were conducted using tribological testers operating at micro- and macro-scales, as well as during longitudinal turning processes performed with the developed cutting fluid systems. Following the tests, the worn and machined surfaces were analyzed using microscopy techniques and surface profilometry. The results demonstrated that cutting fluids enriched with nanomaterials exhibit better performance than conventional cooling and lubricating fluids. The most favorable results were obtained for systems containing Bi₂S₃ nanostructures, which effectively reduced the coefficient of friction and wear intensity. This improvement was attributed to the formation of a protective anti-wear tribofilm containing bismuth and sulfur compounds. The developed nanofluids can be successfully applied in conventional and CNC machine tools, particularly in steel machining operations, where enhanced lubrication and cooling are required.