Hutníctvo za svojej existencie prešlo výraznými vývojovými etapami, zdokonaľovaním technológií, precíznosťou výroby kovov a ich zliatin, od verbálneho podávania a dedenia odborných skúseností, až po tvorbu nových vedeckých poznatkov a ich systematizáciu. Technológiami tvárnenia kovových materiálov (oceľ, neželezné kovy) sa vyrába približne 75 percent výrobkov z objemu hutníckej produkcie. Využívajú sa v automobilovom, strojárskom, stavebnom, energetickom, spotrebnom priemysle atď. Kovy je tiež možné spracovávať tvárnením na rôznorodé úžitkové predmety dennej spotreby a artefakty.
Hutnícka fakulta na Technickej univerzite v Košiciach (TUKE) je jedinou fakultou vykonávajúcou vedecký výskum a pedagogickú činnosť v oblasti hutníctva a materiálov na Slovensku. Od 1. februára 2016 došlo na Hutníckej fakulte TUKE k reštrukturalizácii katedier na ústavy.
Spojením Katedry náuky o materiáloch, Katedry tvárnenia kovov a Katedry integrovaného manažérstva vznikol Ústav materiálov, ktorého riaditeľom je prof. Ing. Tibor Kvačkaj, CSc. Ústav sačlení naOddelenie integrovaných systémov riadenia, Oddelenie materiálového inžinierstva a Oddelenie plastických deformácií a simulácií procesov (predtým Katedra tvárnenia kovov). Vykonáva vedecký výskum s orientáciou na kovové, nekovové materiály a kompozity s rozmernosťou štruktúr od mikrometrických až po nanometrické, hľadanie súvislostí medzi chemickým zložením, štruktúrou a vlastnosťami materiálov a ich riadením prostredníctvom premenných rezultujúcich z plastických deformácií s využívaním fyzikálnych a numerických počítačových simulácií procesov, skúmanie faktorov kvality a inovatívnosti, aplikácie štatistických metód pre riadenie procesov, vrátane manažérskych systémov.
Riaditeľ Ústavu materiálov na Hutníckej fakulte Technickej univerzity v Košiciach prof. Ing. Tibor Kvačkaj, CSc., informuje o činnosti ústavu
Ústav materiálov je orientovaný na výskum vplyvu plastických deformácií za tepla, za studena, dokonca v kryogénnych podmienkach, na štúdium a formovanie štruktúrnych a fyzikálnych vlastností materiálov. Skúmané materiály sú na báze ocelí, rôznych akostných skupín, neželezné kovy, s prednostnou orientáciou na hliník, hliníkové zliatiny, meď a zliatiny medi, horčík, zliatiny horčíka, ale občas sa naskytne príležitosť skúmať aj drahé kovy, ako zlato, platina a striebro. Okrem orientácie na materiály, je ústav zameraný i na skúmanie faktorov kvality a inovatívnosti vrátane manažérskych systémov.
Základný charakter materiálového výskumu v ústave je orientovaný na formovanie štruktúr na úrovni mikrometrickej až nanometrickej rozmernosti, pomocou externých a interných fyzikálnych faktorov. Vedecký výskum sa orientuje na kompaktné materiály, nazývané bulk materiály, ale rovnako skúmame aj materiály, ktoré majú charakter práškových kovov spracovávaných práškovou metalurgiou.
Aplikácie z našich výstupov smerujú do priemyslu
Aplikácie, ktoré idú z našich výstupov, smerujú do priemyslu jednak na konštrukčné použitie, elektrotechnické účely, ale takisto aj pre automobilový priemysel a iné odvetvia priemyslu. Vlastnosti materiálov môžeme dosiahnuť dvoma spôsobmi. Sú to v princípe možnosti legovania, kedy s legovaním zároveň značne narastá aj cena a hodnota daného materiálu. Druhý spôsob je použiť klasické chemické koncepcie materiálov, ale zmeniť technológiu ich spracovania. Zmenou procesných parametrov a napäťovo-deformačných stavov je možné v materiáloch so základnou charakteristikou štruktúry a chemického zloženia vytvoriť zvýšenie pevnostných vlastností až o troj- a štvornásobok oproti klasickým technológiám. Výstupy z vedeckého výskumu majú charakter publikácií vo vedeckých časopisoch, naše pozvania prednášať o problematike materiálového výskumu na svetových konferenciách a sympóziách, ale tiež do oblasti aplikovaného výskumu, resp. až spracovania výrobných technologických inovácií.
V roku 2015 sme úspešne ukončili v pozícii partnera aktivitu pod názvom „Zvyšovanie tuhosti a pevnosti súčiastok pomocou nových ľahkých zliatin a kompozitov“ v projekte s názvom „Kompetenčné centrum pre priemyselný výskum a vývoj v oblasti ľahkých kovov a kompozitov“ (ITMS: 26220220154), ktorého koordinátorom bol Ústav materiálov a mechaniky strojov Slovenskej akadémie vied. Výsledkom spoločného pôsobenia vedeckých pracovníkov a pracovníkov priemyslu v predmetnej aktivite bolo hľadanie možností pre priemyselné aplikácie nových materiálov na báze kompozitných hliníkových zliatin. V aktivite projektu sme našli spoločný prienik poznatkov a aplikácií s priemyselnými partnermi Sapa Profily a. s., Spinea s. r. o, Fagor Ederlan Slovensko, a. s., Esox s. r. o, Tuvatech s. r. o.
Plastické deformácie v kryogénnych podmienkach
Pred štyrmi rokmi sme začali tvoriť vedecký zámer a realizovať plastické deformácie v kryogénnych podmienkach, teda pri teplotách tekutého dusíka t. j. pri mínus 190° C. Prvé laboratórne experimenty plastických deformácii v kryogenných podmienkach boli realizované so značnými obavami a očakávaniami, že dôjde k deštruktívnemu porušeniu materiálu, a to aj napriek tomu, že počítačové numerické simulácie poukazovali na reálnu možnosť dosiahnutia vhodného výsledku.
Plastické deformácie v kryogenných podmienkach vytvárajú vhodné podmienky pre zabrzdenie dynamického odpevňovania deformovaného materiálu. V takto deformovanom materiáli sa dosahuje vysoký podiel mriežkových porúch smerujúci k formovaniu malouhlových hraníc zŕn, s ich následnou transformáciou do veľkouhlových hraníc zŕn, ktoré už majú značne redukovaný priemer v porovnaní s počiatočným stavom. Vysoký podiel akumulovanej energie, ktorá nerelaxovala dynamickým odpevnením štruktúry, umožňuje vytvorenie vhodného východiskového stavu, pre variácie materiálových vlastností, s následnými termickými procesmi.
Ďalšia časť nášho výskumu je orientovaná nielen na fyzikálne simulácie, ale aj na numerické počítačové simulácie procesov plastických deformácií. V softvéri sa odsimulujú aj stavy, ktoré sa v reálnych podmienkach nedajú dosiahnuť vzhľadom na rôzne obmedzenia. Vieme sa kvázi pozrieť do nástrojov a deformovaného materiálu, na priebeh zmien napäťových stavov, veľkostí deformácií, rýchlosti deformácie a teploty v zóne plastickej deformácie, ale aj mimo uvedenú zónu. Numerické simulácie umožňujú posúdenie deformovaného materiálu aj z pohľadu jeho lokálneho, resp. globálneho objemového porušenia, teda prognózovať podmienky pre začiatok možného deformačného zlyhania materiálu. Metodiky numerických počítačových simulácií sú dôležitým prvkom v množine laboratórnych metodík súvisiacich s materiálovým výskumom.
Použitie aj v metalurgickej časti implantátov, presun do nanorozmernej úrovne
Ak vychádzam z filozofickej podstaty výskumného smerovania od mikro k nanorozmerným komponentom a štruktúram materiálov, tak musím konštatovať, že aj tento výskum bude mať trochu iný charakter a bude smerovať k tomu, čo je vytváranie materiálov so zvláštnymi vlastnosťami, napr. malé hmotnosti a rozmery, vysoké pevnostné a tuhostné vlastnosti, ale nie preto, aby sa získali len benefity z oblasti ekonomickej, ale aby slúžili viac pre obnovenie funkčnosti deštruovaných komponentov ľudského tela. Dnes môžeme konštatovať, že veľa ľudí má nereverzibílne problémy s rôznou časťou pohybového svalového a kostrového aparátu a preto musia byť použité rôzne druhy implantátov majúcich metalurgický pôvod. Prvé kovové implantáty boli vyrábané ako výkovky, neskôr tlakové odliatky, pričom dnes, s prudkým rozvojom práškovej metalurgie, sú implantáty vyrábané v 3D tlačiarňach. Vzhľadom k uvedeným skutočnostiam, vidím že hutníctvo, a zvlášť materiálový výskum, má značný potenciál aj pre dnes ešte neprebádané medicínske účely.
Medzinárodná vedecká spolupráca
Naše vedecké vystúpenia na prestížnych materiálových vedeckých fórach, ako aj naše publikácie vo svetovo uznávaných vedeckých časopisoch, sa stali základom pre negociácie s významnými svetovými vedecko–pedagogickými a výrobnými spoločnosťami. Ústav materiálov má dnes podpísané bilaterálne zmluvné vzťahy s nasledujúcimi inštitúciami:
Changzhou University – Čína, Chu Cheng University – Thaiwan, Politechnico di Torino – Taliansko, IMMI – Polish Academy of Science – Poľsko, IMR – Vietnam Academy of Science – Vietnam, Karlsruhe Institut of Technology – Nemecko, Toyama University – Japonsko a Tinius Olsen – USA.
Vedecké časopisy koordinované Ústavom materiálov
Pracovníci Ústavu materiálov koordinujú dva vedecké odborné časopisy: Acta Metallurgica Slovaca a Quality Innovation Prosperity. Časopis Acta Metallurgica Slovaca bol založený v roku 1994 a od roku 2009 je abstrahovaný v medzinárodnej európskej databáze SCOPUS v oblasti Materiálové vedy a v kategórii Kovy a zliatiny. Významnou mierou prispieva k univerzálnemu šíreniu svetových vedeckých poznatkov v oblasti materiálového výskumu. Časopis Quality Innovation Prosperity bol založený v roku 2010 a od roku 2012 je abstrahovaný v medzinárodnej európskej databáze SCOPUS v oblasti Podnikanie, manažment a účtovníctvo a v kategórii Manažment technológie a inovácie, stratégia a riadenie.
Budúcnosť kovov
Neobávam sa, že počas ďalších 50-tich rokov nebudeme mať my, hutníci, ktorí sa zaoberáme materiálovým výskumom, čo skúmať. Oceľ je najmasovejšie vyrábaný hutnícky materiál vo svete a je známy skoro 5 tisíc rokov, presnejšie železo, lebo oceľ má trochu iné vlastnosti ako železo. S vývojom nových laboratórnych metodík založených na fyzikálnych princípoch, ale s exaktnejším a rýchlym spôsobom počítačového spracovania nameraných hodnôt, otvárajú sa nové možnosti hĺbkového skúmania materiálov aj pre 21. storočie. Hľadajú sa a budú sa hľadať možnosti interakcií, či už chemického zloženia so štruktúrou, fázovými transformáciami, pevnostnými vlastnosťami a rôznymi ďalšími fyzikálnymi vlastnosťami tak, aby kovové materiály spĺňali často extrémne až protichodné požiadavky formulované ich odberateľmi. Pre môj vek je ešte veľa otvorených vedeckých otázok, ktoré určite ani moji kolegovia, a hlavne mladší kolegovia, nevybádajú a neuzatvoria a budú mať možnosť posúvať základný, ale aj aplikovaný materiálový výskum smerom dopredu. Nové smerovanie poznania bude založené na kvalitných a vysokopresných metodikách materiálových identifikácií a prechádzania od verbálneho popisu k matematickým závislostiam medzi východiskovými a finálnymi stavmi materiálov a ich ovládania pomocou riadiacich parametrov a prípadných procesných perturbácií.
S takýmto zámerom vychovávame aj novú budúcu hutnícku inteligenciu, ktorá bude schopná vnášať do priemyselných aplikácií nové, rýchlo sa tvoriace vedecké poznatky smerujúce k časovo redukovaným inovatívnym zmenám vo výrobných procesoch so značnou dávkou sofistikovaných premenných faktorov. Zdar Boh!
Prof. Ing. Tibor Kvačkaj, CSc.,študoval odbor Automatizované systémy riadenia na Hutníckej fakulte VŠT v Košiciach (1971 – 1976). Po skončení štúdia bol dva roky zamestnancom Švermových železiarní, n. p., v Podbrezovej. V rokoch 1979 – 1987 pôsobil ako odborný asistent na Katedre tvárnenia kovov a Katedre náuky o materiáloch a tvárnenia kovov Hutníckej fakulty Vysokej školy technickej. V r. 1978 – 1983 bol doktorandom a získal titul CSc. V r. 1980 – 1982 absolvoval postgraduálne štúdium Vysokoškolská pedagogika. Jeho kandidátska dizertačná práca mala názov „Vplyv riadeného valcovania na vlastnosti konštrukčných mikrolegovaných ocelí“.
V r. 1984 – 1986 bol na študijných pobytoch vo VŽKG Vítkovice k. p., Ostrava, ŽĎAS Vítkovice k. p., Žďár nad Sázavou a vo VSŽ Košice, n. p. V rokoch 1987 – 2000 pôsobil ako docent v odboroch: Náuka o kovoch a tvárnenie kovov, Hutníctvo kovov. Habilitačnú prácu spracoval na tému: „Metalurgická a geometrická podstata kvality výroby plochých vývalkov“. V r. 1995 – 1998 absolvoval postgraduálne štúdium na Komenského univerzite v Bratislave, Fakulta telesnej výchovy a športu, kde získal kvalifikáciu Tréner 1. triedy.
Od roku 1992 bol vedúcim Katedry tvárnenia kovov Hutníckej fakulty VŠT Košice. Od roku 2000 je profesorom v odbore Hutníctvo kovov. Inauguračnú prednášku mal na tému „Veda – základ rozvoja sofistikovaných hutníckych technológií pre ploché vývalky“. Po výberovom konaní začiatkom roka 2016 sa stal riaditeľom Ústavu materiálov.
Viac informácií o budúcnosti kovov obsahuje video: Veda na dosah – Budúcnosť kovov, TA 3
Autor: prof. Ing. Tibor Kvačkaj, CSc., riaditeľ Ústavu materiálov na Hutníckej fakulte Technickej univerzity v Košiciach
Spolupracovala: Marta Bartošovičová, NCP VaT pri CVTI SR
Foto: z archívu prof. T. Kvačkaja
Uverejnila: ZVČ