2. Nowoczesne technologie prasowania i spiekania wyrobów z proszków spiekanych stosowanych w przemy le motoryzacyjnym i lotniczym w wietle bada

Transkrypt

1 2. Nowoczesne technologie prasowania i spiekania wyrobów z proszków spiekanych stosowanych w przemy le motoryzacyjnym i lotniczym w wietle bada literaturowych Rozwój metalurgii proszków post powa wraz z rozwojem przemys u maszynowego i elektrotechnicznego. Na pocz tku XX wieku nast pi dynamiczny wzrost wytwarzania wyrobów z proszków poprzez produkcj w ókien z proszków wolframu, tantalu, molibdenu. Kolejny etap nast pi w 1922 roku, kiedy w Niemczech rozpocz a si produkcja w glików spiekanych pod nazw Widia. W 1930 roku opracowano nowe technologie wyrobów porowatych o ysk lizgowych samosmaruj cych oraz masow produkcj elementów maszyn. W dzisiejszych czasach zauwa a si dynamiczny rozwój technologii wytwarzania, wynikaj cy z du ego Rysunek 2. Schemat procesu technologicznego metalurgii proszków [7] 2. Nowoczesne technologie prasowania i spiekania wyrobów z proszków... 15

2 Open Access Library Volume 9 (15) 2012 zapotrzebowania na innowacyjne wyroby posiadaj ce skomplikowane kszta ty. Wyroby te s szczególnie oczekiwane przez takie przemys y jak: motoryzacyjny, lotniczy, budowlany, elektrotechniczny. Produkowane elementy proszków metali gwarantuj dobr odporno na zu ycie cierne, ma y wspó czynnik tarcia oraz du aroodporno. Nowoczesna technologia (schemat procesu technologicznego metalurgii proszków przedstawia rysunek 2) wytwarzania cz ci bezodpadow metod zag szczania, spiekania, kalibrowania (dog szczania) lub/i dokuwania proszków metali w coraz szerszym zakresie zast puje tradycyjne technologie ubytkowe [7]. Jak wcze niej wspomniano, technologie te daj mo liwo uzyskiwania cz ci o skomplikowanych kszta tach: kó z batych o ró nych zarysach uz bie, krzywek, elementów sprz g owych, d wigni, cz ci amortyzatorów. Dzi ki zastosowaniu precyzyjnego i trwa ego oprzyrz dowania do prasowania, kalibrowania i dokuwania zapewniona zostaje powtarzalno i dok adno wymiarowa Elementy lizgowe spiekane z proszków Metalurgi proszków stosowano pocz tkowo tylko dla takich elementów, których otrzymanie innymi technologiami nie by o mo liwe. Do wyrobów tych nale miedzy innymi o yska lite i porowate oraz filtry spiekane. W miar jednak rozwoju, z uwagi na swoje zalety, metalurgia proszków zacz a konkurowa z innymi ga ziami technologii i stosowana jest obecnie do otrzymywania wielu elementów konstrukcyjnych wykonanych zarówno ze stali, jak i z metali nie elaznych. Istnieje równie kilka zasadniczych rodzajów o ysk nieporowatych, wytwarzanych na drodze metalurgii proszków. Najbardziej znanymi rodzajami s : o yska z zawarto ci grafitu, o yska miedziowo-o owiowe, o yska wytwarzane przez nasycanie porowatych spieków metalami atwo topliwymi lub stopami o yskowymi oraz o yska na osnowie w glików spiekanych [14]. Spiekane o yska lite zwykle s wytwarzane przez prasowanie na gor co lub nasycanie szkieletu z metali trudno topliwych metalami o ni szej temperaturze topnienia. S stosowane w podwy szonej i obni onej temperaturze oraz przy wysokich obci eniach, gdzie nie jest mo liwe smarowanie olejami. Samosmarne spiekane o yska lite zawieraj odpowiedni ilo grafitu lub mi kkich metali nisko topliwych. Najcz ciej wytwarza si je z elazografitu lub miedziografitu. elazo mo e by cz ciowo zast pione przez Cu, Pb, Sn lub Zn, natomiast 16 H.M. Wi niewska-weinert

3 mied przez Sn, Zn lub Pb. Mo e by stosowany równie br z o owiowy o zawarto ci 10-40% Pb. W zale no ci od warunków pracy o yska lizgowe mog zawiera tak e 0-60% Cu, 0-70% Ni, 0-70% Co, 0-30% Cr, 0-10% Al, 0-10% Mo, do 50% grafitu oraz 0-40% w glików lub borków metali. Do wyrobów spiekanych o porowato ci do 50% nale filtry. W zale no ci od warunków pracy, g ównie od temperatury, wykonuje si je z proszków br zów cynowych, stali chromowych lub austenitycznych odpornych na korozj lub mosi dzów niklowych, a tak e z proszków innych metali. Spiekane mog by równie w ókna metali. Porowate filtry spiekane umo liwiaj oczyszczanie z cz stek o rednicy l mm. Gazy s oczyszczane z zanieczyszcze mechanicznych, a tak e w pewnym stopniu osuszane. Za pomoc porowatych filtrów mo liwa jest równie regulacja ci nienia gazów. Ciecze s oczyszczane g ównie z zanieczyszcze mechanicznych. Filtry spiekane o porowato ci do 50% cechuj si dobrymi w asno ciami mechanicznymi, w tym wytrzyma o ci na rozci ganie, wytrzyma o ci na zginanie, a tak e du odporno ci na obci enia udarowe i dzia anie wysokiej temperatury. Mog by regenerowane przez przep ukiwanie lub przedmuchiwanie oraz metodami chemicznymi. S stosowane w przemys ach zbrojeniowym, lotniczym, motoryzacyjnym, chemicznym i obrabiarkowym. Jednak najwi ksze znaczenie posiadaj spiekane o yska porowate a w ród nich o yska z proszku elaza i z proszku br zu, które dominuj w wiatowej produkcji w ród spiekanych wyrobów proszkowych. Pocz tkowo dominowa a produkcja o yska na bazie proszku br zu, pó niej rozpocz to produkcj o ysk na osnowie elaza. o yska na osnowie elaza cechuj si dobrymi w a ciwo ciami lizgowymi oraz posiadaj wy sze w a ciwo ci mechaniczne ni o yska z br zów. Spo ród innych typów o ysk porowatych, nale y wspomnie o o yskach elazno-miedziowych, o yskach na osnowie aluminium oraz o yskach eliwnych [14]. o yska na osnowie elaza produkowane s : z proszku elaza z grafitem lub bez grafitu ze znacznym dodatkiem miedzi. Obok wy ej wymienionych grup o ysk spotykane s równie o yska z niewielkim dodatkiem o owiu. O ów wprowadza si w postaci metalicznego proszku o owiu lub w postaci tlenku o owiu. Pocz tkowo dodawano do proszku elaza do 18% Pb, z up ywem czasu zacz to ogranicza jego zawarto i obni ono do oko o 3,5%. Okre lono, e wprowadzenie wi kszej ilo ci o owiu powoduje pogorszenie w a ciwo ci o ysk. Jako dodatki przy produkcji o ysk elaznych stosowane s równie inne metale, do których nale y zaliczy przede wszystkim cynk. Zastosowanie tego rodzaju o ysk nie znalaz o wi kszego zainteresowania [14, 15]. 2. Nowoczesne technologie prasowania i spiekania wyrobów z proszków... 17

4 Open Access Library Volume 9 (15) 2012 Pocz tkowo do produkcji elaznych o ysk porowatych stosowano proszek elaza z dodatkiem miedzi do 20% lub o owiu do 15%. Obecnie produkuje si w du ej ilo ci o yska elazne bez adnych dodatków, g ównie w USA [14, 15]. Wytworzone matrycowo o yska nas cza si olejem. W porównaniu do br zu, spiek proszku elaza nie jest odporny na korozj w wilgotnym rodowisku. Pewn ochron przed korozj jest olej w porowatej strukturze. Zalet o yska ze spieku elaza jest wy sza twardo i odporno na cieranie w zanieczyszczonym rodowisku. Dodatek grafitu przy wytwarzaniu spiekanych o ysk porowatych na osnowie elaza jest niewielki i zawiera si w przedziale 3-4%. Zawarto grafitu w o yskach o strukturze ferrytycznej powinna si zawiera w przedziale 0,5-1%, w o yskach o strukturze eutektoidalnej 1 do 2,5%, natomiast w o yskach o strukturze nadeutektoidalnej powy ej 2,5% [14, 15]. o yska elazne z dodatkiem miedzi zosta y wprowadzone do przemys u w celu podwy szenia w a ciwo ci wytrzyma o ciowych. Dodatek miedzi (5-25%) podnosi w znacznym stopniu w a ciwo ci spieków. o yska te pozwalaj na stosowanie wy szych obci e i pr dko ci lizgania. M.J. Balszin podaje, e sk ad chemiczny o ysk elazowo-miedziowych i elazowo-miedziowo-grafitowych powinien zawiera si w nast puj cych granicach: Fe 83-97%, Cu 3-15% i grafit 0-2%, w tym 0-1% w gla zwi zanego. W USA produkowane o yska elazowo-miedziane zawieraj 5-30% Cu reszta to Fe. o yska te nie zawieraj zwykle grafitu [14, 15]. o yska spiekane (porowate) na osnowie miedzi s to o yska miedziowo-cynowe (br zowe) z dodatkiem lub bez dodatku grafitu. Zawarto cyny w o yskach z br zów wynosi od 6 do 12%. Zawarto grafitu w porowatych o yskach br zowo-grafitowych mo e dochodzi do 5% (najcz ciej stosuje si 1-1,5%). Wy sze warto ci grafitu stosuje si w przypadkach, gdy nie ma specjalnych wymaga w stosunku do w a ciwo ci wytrzyma o ciowych. o yska tego rodzaju odznaczaj si niskimi w a ciwo ciami plastycznymi, maj jednak wi ksz odporno na dzia anie wy szych temperatur. Rzadziej spotykanymi o yskami porowatymi by a grupa o ysk br zowych z dodatkiem o owiu (nie przewy szaj cym zwykle 10%). Osobn grup w ród o ysk na osnowie miedzi zajmuj porowate o yska miedziowoo owiowo-grafitowe ze stosunkowo du zawarto ci grafitu [14, 15]. G ównym sk adnikiem o ysk porowatych ze stopów lekkich jest aluminium. o yska na osnowie aluminium produkowane s g ównie w USA. Bli sze dane odno nie sk adu chemicznego i udzia u procentowego okre lonych produktów nie s szeroko rozpowszechnione. 18 H.M. Wi niewska-weinert

5 Porowate o yska eliwne zawieraj 96-97% elaza, do 3% grafitu, w tym 1% w gla zwi zanego chemicznie. Wytwarza je si z proszków eliwnych o ma ej zawarto ci krzemu. o yska te maj ni sze w a ciwo ci mechaniczne i lizgowe ni spieki elaza. Znaczenie ich jest daleko mniejsze ni innych typów o ysk porowatych. Znana jest produkcja tego typu o ysk wytwarzanych z proszku eliwa przez prasowanie proszku [14, 15]. Oprócz prac z o yskami porowatymi na bazie br zów i elaza zosta y przeprowadzone badania innych stopów metalowych. Aby zaoszcz dzi drogiej cyny w o yskach z br zów do produkcji o ysk zacz to stosowa mieszaniny proszków o podstawie mied -mosi dz specjalny. Tego rodzaju spieki wykazuj wy sz wytrzyma o ni br zy ale za to posiadaj gorsze w a ciwo ci lizgowe. Znane by y tak e o yska porowate elazne nasycane rt ci (g ównie w Wielkiej Brytanii). P ynna rt s u y a jako rodek smaruj cy tylko przy niskich temperaturach. Do pracy przy wy szych temperaturach musz by stosowne domieszki metali, które tworzy y w rt ci amalgamaty. Znane jest równie inne rozwi zanie o ysk specjalnych na bazie br zu. Ich sk ad chemiczny podawany jest w nast puj cych proporcjach: Ni 2,5%, Si 0,8%, P 0,3%, Cu reszta [14, 15]. Osobnym tematem jest proces smarowania o ysk lizgowych. Smarowanie to proces doprowadzenia rodka smarnego do szczeliny lizgowej pomi dzy o yskiem i poruszaj cym si wa kiem, celem zmniejszenia oporów tarcia i zu ycia o yska oraz cierania si wa ka. W przypadku o ysk wspó pracuj cych z uk adem smarowania, rodek smaruj cy najcz ciej w formie oleju lub smaru doprowadzany jest do powierzchni lizgowych poprzez system otworów i rowków smarnych (rys. 3) [16]. Rysunek 3. Przyk ad o yska z systemem rowków smarnych wspó pracuj cego z uk adem smarowania [16] 2. Nowoczesne technologie prasowania i spiekania wyrobów z proszków... 19

6 Open Access Library Volume 9 (15) 2012 Kosztowo korzystniejsz alternatyw do o ysk pracuj cych z uk adem smarowania jest stosowanie o ysk samosmaruj cych zapewniaj cych doprowadzenie rodka smaruj cego w sposób samoczynny. Do o ysk samosmaruj cych zalicza si równie typy niskoobs ugowe wymagaj ce naniesienia rodka smarnego do wg bie w powierzchni lizgowej o yska bezpo rednio przed monta em. o yska samosmaruj ce pozwalaj wyeliminowa uk ad smarowania, upraszczaj c ca konstrukcj. o yska wymagaj ce smarowania potrzebuj indywidualnego i kosztownego wykonania na miar. o yska samosmaruj ce s atwo dost pne w szerokiej gamie typów i znormalizowanych wymiarów. W zale no ci od sposobu doprowadzenia rodka smarnego do szczeliny lizgowej rozró nia si nast puj ce typy o ysk (rys. 4): Spiekane z proszków metali nas czone olejem: o yska ze spieku proszku br zu Cu/Sn, o yska ze spieku proszku elaza Fe; Zwijane z ta my stalowej lub br zowej z pokryciem kompozytowym jako warstwa lizgowa: zwijane z ta my stalowej z pokryciem z teflonu PTFE, o ysko zwijane z ta my z br zu z pokryciem z teflonu PTFE, o ysko zwijane z ta my stalowej z pokryciem z ywicy POM z kieszonkami smarnymi; Zwijane z ta my z br zu z kieszonkami (wg bieniami) na rodek smarny: br z zwijany; o yska z litego br zu (obrabianego maszynowo) z przelotowymi otworami wype nionymi grafitem: br z z czopami grafitowymi [16]. o yska ze spiekanych proszków metali (rys. 4) posiadaj mikro-porowat, kapilarn struktur nas czon olejem oddawanym do szczeliny lizgowej w trakcie pracy wa ka. o yska zwijane z ta my stalowej lub br zowej z pokryciem kompozytowym (rys. 4) posiadaj warstw teflonu PTFE b d cego smarem sta ym redukuj cym tarcie. Teflon posiada najni szy wspó czynnik tarcia ze wszystkich znanych smarów sta ych. o yska zwijane z ta my stalowej z pokryciem z ywicy (rys. 4) o bardzo dobrych w asno ciach lizgowych. Dodatkowo warstwa ywicy posiada okr g e kieszonki do wype nienia przed monta em smarem oddawanym do szczeliny lizgowej w trakcie pracy o yska. 20 H.M. Wi niewska-weinert

7 o yska zwijane z ta my z br zu z wg bieniami w kszta cie rombu na rodek smarny (rys. 4). W asno ci lizgowe oparte o bardzo dobre w asno ci lizgowe br zu z dodatkiem fosforu jak równie smar zawarty we wg bieniach na powierzchni lizgowej o yska. o yska z litego br zu (rys. 5) z przelotowymi otworami wype nionymi grafitem b d cym smarem sta ym rozcieranym przez poruszaj cy si wa ek tworz c warstw lizgow. Korpus o yska wykonany jest z br zu o bardzo dobrych w asno ciach lizgowych. o yska bary kowe rys. 5 (okre lane równie jako sferyczne), nale do wytwarzanych metod metalurgii proszkowej pozwalaj cej na produkcj wysoce skomplikowanych kszta tów net shape na gotowo tzn. bez konieczno ci ich dalszej obróbki [16]. Rysunek 4. Rodzaje o ysk samosmaruj cych oferowanych na rynku przez producenta [16] Rysunek 5. Przyk ad o ysk bary kowych [16] 2. Nowoczesne technologie prasowania i spiekania wyrobów z proszków... 21

8 Open Access Library Volume 9 (15) 2012 Materia ami stosowanymi do produkcji o ysk samosmarnych s : proszek br zu, proszek elaza, grafit w proszku, dyspersyjna zawiesina teflonu PTFE, granulat teflonu PTFE. Zalety o ysk samosmarnych: eliminacja uk adów smarowania prowadz ca do uproszczenia i potanienia konstrukcji zwi kszaj c tym samym konkurencyjno produktu, o yska standardowe wykonane s w tolerancjach nie wymagaj cych dalszych czynno ci jak np. rozwiercanie otworu po wcisku, stosowania zabezpiecze przed przemieszczaniem si w trakcie pracy, przy za o eniu stosowania si do zalece tolerancji wa ka i otworu obudowy, samosmarno o ysk to bezobs ugowo maszyn i polepszenie ich w asno ci, szeroka gama wymiarowa (ju od 2 mm rednicy wa ka) zapewnia du swobod projektanck, wysokie dopuszczalne pr dko ci obrotowe do 6 m/s, cienko cienno zmniejsza gabaryty i wag maszyn zmniejszaj c jednocze nie koszty materia owe, zdolno pracy w ci kich warunkach pracy (zanieczyszczenia, wysoka temperatura pracy nawet do kilkuset stopni C), mo liwo zarówno obrotowego, nawrotnego, liniowego jak i mieszanego typu ruchu wa ka, cichobie no, t umienie przenoszonych drga prowadz ce do wyciszonej pracy maszyn. Czynnikami decyduj cymi o trwa o ci o ysk s : pr dko lizgowa wa ka, wielko obci enia o yska, temperatura pracy wp ywaj ca na warto wspó czynnika tarcia, g adko i materia wa ka (twardo i odporno na przegi cia), rodzaj materia u obudowy uzale niaj cy dobre lub z e odprowadzanie ciep a, wyst puj ce wibracje, 22 H.M. Wi niewska-weinert

9 rodowisko pracy (zanieczyszczenia, wilgo, chemikalia, substancje chemicznie agresywne np. kwas octowy, sól) mog ce powodowa korozj elektrolityczn. Przyk ady zastosowa o ysk samosmarnych: zmechanizowany sprz t gospodarstwa domowego, narz dzia elektryczne, silniki elektryczne i spalinowe, rozruszniki samochodowe, zawory, liczniki, urz dzenia kontrolno-pomiarowe, regulatory, elementy sterowania automatyki, si owniki, pompy, kompresory, maszyny przemys u w ókienniczego, spo ywczego, drzewnego, maszyny rolnicze i ogrodnicze, urz dzenia transportu poziomego i pionowego, zawieszenia drzwi, bram, krzes a obrotowe, ó ka szpitalne i rehabilitacyjne, maszyny górnicze, luzy wodne, regulowane fotele samochodowe, urz dzenia biurowe (drukarki, kserokopiarki) Technologia prasowania i spiekania Proces wytwarzania spiekanych cz ci maszyn z proszku elaza zaczyna si w momencie sprasowania proszku lub mieszanki proszkowej w matrycy prostej lub te cz sto bardzo skomplikowanej. Prasowany proszek zamkni ty stemplami w matrycy, poddawany jest naciskowi. Ci nienie to powoduje, e nast puje znaczne wzajemne zbli enie poszczególnych ziaren proszku, ich wzajemne przyleganie (zespolenie), cz sto zgrzanie si ich na zimno. Powsta a w ten sposób wypraska zostaje nast pnie wypchni ta z matrycy i poddana dalszym operacjom technologicznym: spiekaniu, dog szczaniu, kalibrowaniu itd. W celu zmniejszenia w procesie prasowania i wypychania z matrycy tarcia o ciany matrycy i stempli, jak równie aby agodzi wzajemne tarcie mi dzy ziarnami proszków, dodany jest rodek po lizgowy do mieszanki przed jej zasypaniem do komory zasypowej w narz dziu prasuj cym. W procesie wytwarzania wyró niamy trzy podstawowe operacje: prasowanie, spiekanie, kalibrowanie. 2. Nowoczesne technologie prasowania i spiekania wyrobów z proszków... 23

10 Prasowanie Open Access Library Volume 9 (15) 2012 Proces prasowania odbywa si najcz ciej w matrycy. Matryce zasypujemy dobran obj to- ciowo ilo ci proszku, a nast pnie stempel po czony z suwakiem prasy wywiera nacisk, doprowadzaj c do zag szczenia proszku. Na rysunku 6 pokazano kolejne etapy prasowania. W pierwszej fazie podczas zasypywania matrycy wyst puje tarcie mi dzycz steczkowe oraz mi dzy ciankami a ziarnem. Wynikiem jest nieca kowite zasypanie komory i powstawanie tak zwanych mostków. Okre laj one przestrze pomi dzy ziarnami, która podczas zasypywania nie zostaje wype niona. Kolejnym etapem jest stopniowe eliminowanie mostków, poprzez nacisk wywierany przez stempel b d stemple, co powoduje przemieszczanie si ziarenek mi dzy sob. Etapem nast pnym jest wprowadzenie odkszta ce spr ystych ziaren proszków, które po przekroczeniu warto ci krytycznych poddaj si odkszta ceniu plastycznemu. Ostatni etap przedstawia proszek po prasowaniu, tworz c wyprask, która zostaje wypchni ta przez wypychacze. Poni szy schemat, opracowany przez Seeliga, oparty jest na modelowych gumowych kulkach [17]. Najcz ciej stosowane metody formowania wyprasek: prasowanie w matrycach zamkni tych, prasowanie izostatyczne, prasowanie krocz ce (z przesuwaj c si matryc ), walcowanie, wyciskanie, odlewanie i natryskiwanie, specjalne metody formowania (formowanie i prasowanie dynamiczne i pulsacyjne, prasowanie w polu magnetycznym). Rysunek 6. Etapy prasowania proszku: a) lu no zasypany proszek, b, c) za amanie mostków, d) pocz tek odkszta cenia ziaren, e) proszek po prasowaniu, A tworzenie mostków mi dzy ziarnami, 1 stemple dolne, 2 stempel górny, 3 matryca [17] 24 H.M. Wi niewska-weinert

11 Prasowanie (zag szczanie) proszku w cylindrycznej matrycy W a ciwo ci wytrzyma o ciowe elementów prasowanych i spiekanych rosn wraz z ich g sto ci. Ekonomiczno procesu obni a zaanga owana ilo energii w procesie prasowania oraz zu ycie narz dzi. Aby pogodzi te dwie przeciwstawne tendencje poszukuje si mo liwo ci uzyskania wysokiej g sto ci przy niskim ci nieniu prasowania. Dla znalezienia kompromisu w procesie, pomocnymi staj si krzywe zale no ci g sto ci od ci nienia prasowania dla proszków i mieszanek. Krzywe te tworzy si empirycznie. Badania wykonywane s w matrycach z w glików o rednicy wewn trznej 25 mm, poprzez wytwarzanie przy ró nych ci nieniach prasowania cylindrycznych próbek. Pomiary g sto ci pozwalaj wykre li krzywe w funkcji ci nienia prasowania. Rysunek 7 przedstawia przyk ady krzywych zag szczania dla dwóch proszków NC i ASC Proszki prasowano z domieszk 0,75% stearynianu cynku [18]. Charakter krzywych pokazuje, e przyrost ci nienia prasowania powoduje do pewnych warto ci wyra ny, cho stopniowy, wzrost g sto ci, pokazuje równie, e osi gni cie warto ci teoretycznej g sto ci elaza staje si niemo liwe, nawet przy nieograniczonym wzro cie nacisku. Jednocze nie te mo na zauwa y, e dwa proszki o takiej samej granulacji oraz o takiej samej czysto ci chemicznej tworz dwie odr bne krzywe mimo, e ich charakter jest analogiczny. Mo na to tylko wyt umaczy ró n struktur ziaren (cz steczek) proszków elaza tych dwóch ró nych gatunków. Rysunek 7. Krzywe zag szczania dla dwóch proszków elaza [18] 2. Nowoczesne technologie prasowania i spiekania wyrobów z proszków... 25

12 Prasowanie izostatyczne Open Access Library Volume 9 (15) 2012 W trakcie izostatycznego prasowania, proszek elaza zachowuje si podobnie jak w procesie prasowania w sztywnej matrycy, wyra nie to mo na zaobserwowa w trakcie prasowania proszku elektrolitycznego w hermetycznie zamkni tych elastycznych matrycach, poddawanych ró nym izostatycznym ci nieniom prasowania. W czasie izostatycznego prasowania nie wyst puje tarcie proszku o cianki matrycy, zatem nie jest konieczne dodawanie rodków po lizgowych do proszków elaza. Ogl daj c mikrostruktury mo na rozpozna nast puj ce szczegó y: przy g sto ci 5,56 g/cm 3 (oko o 26,2% porowato ci) wyst puje wiele porów o wielko ci porównywalnej z wielko ci ziaren proszku, powy ej g sto ci 6,17 g/cm 3 (oko o 21,5% porowato ci) ziarna proszku elaza klinuj si wzajemnie tak mocno, e niemo liwe jest dalsze odkszta cenie próbki, bez odkszta cenia plastycznego ziaren, przy g sto ci powy ej 6,61 g/cm 3 (oko o 15,9% porowato ci) najwi ksze pory s znacznie mniejsze ni wielko ziaren proszku, za przy g sto ci powy ej 7,44 g/cm 3 (oko o 5,3% porowato ci) najwi ksze pory, które mo na rozpozna s mniejsze ni najdrobniejsze ziarna proszków wyst puj ce w mieszankach. Je eli w badanym procesie zag szczania wyeliminujemy element tarcia o sta matryc, to znaczy skoncentrujemy si na prasowaniu (zag szczaniu) izostatycznym, to atwo zauwa y, e problem zag szczania (prasowania) u swoich podstaw ma zjawiska fizyczne, z których minimum mo na wymieni dwa: w miar zag szczania, ziarna proszku b d podlega y odkszta ceniom plastycznym, a co za tym idzie b d si utwardza y, to znaczy b dzie wzrasta a warto ich granicy plastyczno ci, w miar zag szczania b d zwi ksza y si wzajemne kontakty ziaren proszku, a zatem b dzie mala a ich wzajemna mo liwo przemieszczenia si (napr enia styczne). Przy utrzymaniu nacisku zewn trznego zaczyna wyst powa stan równowagi pomi dzy warto ci granicy plastyczno ci prasowanego materia u i warto ci przemieszczaj cych napr e stycznych. W konsekwencji nast puje zatrzymanie przebiegu wzrostu zag szczania. Spiekanie Spiekanie jest procesem, w którym sprasowane lub lu no zasypane cz stki proszku metalowego w temperaturach ni szych od temperatury ich topnienia zmieniaj si w zespolone 26 H.M. Wi niewska-weinert

13 cia o sta e. W trakcie tego procesu poszczególne cz stki proszku metalowego cz si ze sob w wyniku dyfuzji. Spiek, b d cy produktem procesu spiekania, jest cia em porowatym o odpowiednich w a ciwo ciach mechanicznych. I tak wytworzona wypraska jest poddawana procesowi spiekania. Podstawowymi parametrami wp ywaj cymi na proces spiekania s : temperatura i czas, charakterystyka geometryczna cz stek proszku, sk ad chemiczny mieszanki proszków, g sto wyprasek, sk ad chemiczny atmosfery spiekania. W zale no ci od zastosowanej technologii mo e by jedno lub wielokrotne spiekanie. Zadaniem spiekania jest scalenie cz stek w trwa kszta tk, która swoj budow krystalograficzn b dzie porównywalna do materia u litego. Pozycje literaturowe jednoznacznie nie definiuj poj cia spiekania, poniewa na proces wp ywa wiele czynników takich jak: energia swobodna powierzchni cz steczek, procesy zwi zane ze zdrowieniem i rekrystalizacj materia u, mechanizmy transportu cz stek (rys. 8, 9). Oprócz przedstawionych czynników, decyduj cy wp yw maj tak e warunki temperaturowe, czasowe, atmosfery ochronne i struktura poddawana Rysunek 8. Mechanizmy podstawowych procesów zachodz cych podczas spiekania [18] Rysunek 9. Schemat procesu rekrystalizacji w czasie spiekania: a-d) kolejne stadia procesu [19] 2. Nowoczesne technologie prasowania i spiekania wyrobów z proszków... 27

14 Open Access Library Volume 9 (15) 2012 spiekaniu. Podczas procesu przemieszczania cz stek nast puje zwi kszenie powierzchni styku, które jest spowodowane dzia aniem: pe zania, dyfuzji powierzchniowej i obj to ciowej oraz parowania i kondensacji. Pe zanie jest zauwa alne w pocz tkowym etapie spiekania. Polega na uzyskaniu jak najwi kszego styku, spowodowanego zbli aniem si rodków ziaren. Efektem jest utworzenie szyjki oraz kierunku porów wyst puj cych pomi dzy zewn trznymi powierzchniami ziaren. Poprzez dyfuzj powierzchniow rozumiemy przemieszczanie si atomów ziaren. Droga atomów przebiega od powierzchni wypuk ych do wkl s ych, która jest spowodowana napi ciem powierzchniowym. Efektem dzia ania dyfuzji jest powi kszenie powierzchni styku bez zbli ania si rodków cz stek oraz powstanie skurczu spieku. W procesie spiekania rola dyfuzji obj to ciowej polega na wyrównaniu st enia w mikroobszarach oraz zmniejszenia obj to ci porów. Z pomoc migracji wakansów i atomów w przeciwnym kierunku umo liwione jest atwe wydobycie ich na wypuk e powierzchnie. Wykorzystuj c faz gazow mo na przeprowadzi parowanie i kondensacj. Polega to na transportowaniu metalu nad powierzchnie wkl s i wypuk. Transport ten odbywa si w kierunku szyjki gdzie nie nast puje zbli anie si rodków cz stki i skurczu spieku. Proces spiekania odbywa si w temperaturze ni szej ni temperatura topienia jednego z g ównych sk adników. W tablicy 1 przedstawiono zakres temperatur wykorzystywanych podczas operacji spiekania. Oprócz temperatury bardzo wa na jest tak e ochronna atmosfera, jaka panuje we wn trzu pieca, która pozwala na osi gni cie danej wytrzyma o ci wypraski. Do najcz ciej u ywanych atmosfer zaliczamy [17]: atmosfer azotu, wodoru (spr onego), wodoru (elektrolitycznie czystego), atmosfer azotu + wodoru, azotu + zdysocjonowanego CH 3 OH, dysocjonowanego amoniaku, gazu egzotermicznego, argonu, helu, pró ni. Tablica 1. Zakres temperatur podczas spiekania [17] Temperatura spiekania, C elazo / Stal Stopy aluminium Mied Mosi dz Br z Metale wysokotopliwe H.M. Wi niewska-weinert

15 Drugie prasowanie doprasowywanie, kalibrowanie oraz poprawa kszta tu Proces jest bardzo zbli ony do prasowania. Celem operacji jest dog szczenie wyrobu (otrzymanie w a ciwej g sto ci) oraz uzyskanie odpowiedniej tolerancji wymiarowej. Podczas procesu na wyprask dzia a si a odkszta cenia plastycznego, która gwarantuje wytworzenie wypraski w 6-7 IT klasie dok adno ci. Natomiast po procesie spiekania ko cowego, rz d dok adno ci jest zaliczany do klasy IT. Narz dzia do kalibrowania s bardzo zbli one do zestawu przeznaczonego do operacji prasowania. Ró nica polega na wi kszej dok adno ci wymiarowej oraz zmniejszeniu komory zasypowej matrycy. Drugie prasowanie, kalibrowanie oraz poprawa kszta tu maj jedn wspóln cech, to znaczy wszystkie zabiegi powoduj odkszta cenie plastycznej obrabianej kszta tki. Ró nice tych operacji s jednak wyra ne: Celem drugiego prasowania jest zag szczenie, ju wst pnie spieczonych, uprzednio sprasowanych kszta tek (jest to zmiana warto ci g sto ci w przedziale: 5-20%). W drugim prasowaniu wyst puj znaczne odkszta cenia plastyczne, a ci nienia stosowane s porównywalne z ci nieniami przy prasowaniu proszku; Celem kalibrowania jest poprawa tolerowanych wymiarów oraz korekta ewentualnych deformacji powsta ych w operacji spiekania. Wymagane ci nienia nacisku, w tej operacji, s relatywnie znacznie mniejsze ni przy prasowaniu, ale odkszta cenia plastyczne wyst puj te w znacznie mniejszym zakresie. W operacji kalibrowania w konsekwencji odkszta cenia plastycznego mo na równie zauwa y nieznaczne zwi kszenie warto ci g sto ci kalibrowanych kszta tek, jednak nie ma to adnego zasadniczego znaczenia i nigdy nie przekracza warto ci 5%; Celem poprawy kszta tu jest zmiana kilku istotnych w a ciwo ci produkowanych kszta tek, a mianowicie: poprawa wymiarów, zwi kszenie g sto ci oraz zmiana kszta tu (np. wyciskanie na powierzchni czo owej lub obwodzie). Zaanga owane w tej operacji ci nienia s porównywalne z ci nieniami stosowanymi w procesie drugiego prasowania. Znaczna deformacja plastyczna zachodz ca w tej operacji podwy sza twardo i wytrzyma o obrabianej kszta tki przy jednoczesnym nieznacznym obni eniu warto ci wyd u enia przy zrywaniu. Nale y równie mie na uwadze, e uzysk przyrostu warto ci np. wytrzyma o ci w operacji drugiego prasowania i poprawy kszta tu cz sto jest na tyle zadowalaj cy, e nie ma potrzeby stosowania w wielu przypadkach dodatków stopowych, aby uzyska za o one wymagane warto ci w a ciwo ci produkowanych kszta tek. 2. Nowoczesne technologie prasowania i spiekania wyrobów z proszków... 29

16 Open Access Library Volume 9 (15) 2012 W operacjach kalibrowania oraz poprawy kszta tu ma miejsce odkszta cenie spr yste oraz plastyczne materia u. Dla prowadzenia z pe nym efektem tych operacji trzeba przestrzega kilku zasad opartych na zebranych do wiadczeniach w ci gu wielu lat, m.in. w Instytucie Obróbki Plastycznej: Twardo materia u kszta tki przewidzianej do tych operacji nie powinna przekracza warto ci twardo ci 180 HV; Gdzie jest to tylko mo liwe nie nale y kalibrowa jednocze nie wszystkich powierzchni przewidzianych do kalibrowania, tylko w zaplanowanej kolejno ci; Zewn trzne kontury powinny by kalibrowane lub poprawiane na wst pie, aby unikn p kania, dopiero po ich skalibrowaniu nale y kalibrowa i poprawia otwory; Powierzchnie p askie czo owe powinny tak d ugo pozostawa pod naciskiem, a zostanie zako czony proces kalibrowania; Poza przypadkiem, gdy tylko niezale ne od ca o ci elementy kszta tki podlegaj kalibrowaniu, kalibrowana kszta tka we wszystkich jej fragmentach winna by w bezpo rednim kontakcie z narz dziem kalibruj cym; W przypadku kalibrowania lub operacji poprawy kszta tów elementów odsadzonych musi by spe niony warunek podparcia tych elementów przez ca y czas trwania operacji kalibrowania, czy poprawy kszta tu. Podparcie newralgicznych fragmentów mo e by zrealizowane samymi stemplami, czy te p ywaj c matryc. W procesie kalibrowania oraz poprawy kszta tu obrabiana kszta tka podlega odkszta ceniom, nie tylko spr ystym, ale równie plastycznym. Naciski, które powoduj odkszta cenia w kszta tkach, wyst puj po rednio w narz dziu, jednak w narz dziu mog by tylko dopuszczalne w zakresie napr e spr ystych. S to jednak napr enia, w swej warto ci, znaczne Stosowane metody obróbki cieplnej i powierzchniowej Wykonane elementy technik metalurgii proszków poddawane s cz sto ró nym zabiegom obróbki wyka czaj cej, których celem jest poprawa posiadanych przez nie w a ciwo ci lub te nadanie im pewnych nowych w a ciwo ci. W tablicy 2 przedstawiono zabiegi obróbki wyka czaj cej spieków [20, 21]. 30 H.M. Wi niewska-weinert

17 Obróbka cieplna Infiltrowanie Impregnowanie Nasycanie Obróbka wiórowa, specjalne zabiegi obróbki wyka czaj cej Tablica 2. Zabiegi obróbki wyka czaj cej spieków [20, 21] Zabieg obróbki wyka czaj cej Cel zabiegu Ulepszanie cieplne: Podwy szenie twardo ci austenityzowanie, hartowanie, i wytrzyma o ci odpuszczanie Utwardzanie wydzieleniowe Utwardzanie powierzchniowe: naw glanie w gloazotowanie azotowanie azotowanie plazmowe azotonaw glanie hartowanie indukcyjne Wy arzanie odpr aj ce, odpuszczanie Infiltrowanie metalami Impregnowanie polimerami Nasycanie olejem Obróbka skrawaniem Usuwanie gratu i czyszczenie: b bnowanie b bnowanie wibracyjne piaskowanie czyszczenie ultrad wi kami czyszczenie elektrolityczne Spajanie elementów: twarde lutowanie spawanie inne metody czenia Uszlachetnianie powierzchni: rutowanie platerowanie b bnowe elektroplaterowanie Ochrona przed korozj : obróbka w parze wodnej fosforowanie Jak wy ej Podwy szenie twardo ci na powierzchni Usuni cie napr e wewn trznych Podwy szenie g sto ci i wytrzyma o ci Likwidacja przepuszczalno ci dla cieczy i gazów Likwidacja przepuszczalno ci dla cieczy i gazów Nadanie w asno ci samosmaruj cych Gwintowanie, podcinanie, wiercenie otworów poprzecznych do kierunku prasowania Usuwanie gratu Usuwanie zanieczyszcze, odt uszczanie czenie ze sob ró nych cz ci spiekanych w celu uzyskania wyrobu o skomplikowanym kszta cie Utwardzenie powierzchni i podwy szenie odporno ci na zm czenie Poprawa wygl du i odporno ci na korozj Poprawa odporno ci na korozj i odporno ci na zu ycie 2. Nowoczesne technologie prasowania i spiekania wyrobów z proszków... 31

18 Open Access Library Volume 9 (15) Przyk ady zastosowa wyrobów z proszków metali Sektor motoryzacyjny sta si g ównym przemys owym odbiorc elementów konstrukcyjnych wytwarzanych metodami metalurgii proszków, przede wszystkim w produkcji wieloseryjnej samochodów. Zgodnie z opini Whittakera [22] pomimo, e istniej ró nice geograficzne, przy dominacji przemys u motoryzacyjnego osi gaj cej najwy szy poziom w Japonii i nieco ni szy w Ameryce Pó nocnej, rednia zale no tego sektora od przemys u metalurgii proszków w skali wiatowej kszta tuje si obecnie w granicach od 75 do 80%. Udzia elementów wykonanych metalurgi proszków w samochodach osobowych jest do zró nicowany, lecz szczególnie zastosowanie znajduj spieki w silnikach i skrzyniach biegów. wiadcz o tym dane statystyczne z Europy (rys. 10) i Japonii (rys. 11) gdzie udzia tych cz ci stanowi co najmniej 70% udzia u elementów z proszków metali w ca ym przemy le motoryzacyjnym. Rysunek 10. Przyk ad zastosowa metalurgii proszków w europejskim przemy le motoryzacyjnym [22] Rysunek 11. Przyk ad zastosowa metalurgii proszków w japo skim przemy le motoryzacyjnym [22] 32 H.M. Wi niewska-weinert

19 Stosowanie proszków elaza, miedzi i ich stopów do produkcji seryjnej wyrobów z proszku o wytrzyma o ci powy ej Rm = 400 MPa w znaczny sposób zaspokaja oczekiwania przemys u. Dzi ki nieustaj cym badaniom podwy szono wytrzyma o elementów ze stali nierdzewnych i aroodpornych do warto ci Rm = 800 MPa. Trwaj ce badania opieraj si na poprawieniu takich w asno ci jak: udarno, twardo, odporno na cieranie i korozj oraz wytrzyma o na rozci ganie. Elementy z proszków elaza osi gaj g sto 7,0-7,7 g/cm 3. Technologia kszta towania pozwala na: wytwarzanie wyrobów z materia ów trudno topliwych, z pomini ciem konieczno ci roztapiania sk adników, np. spiekane w gliki tytanu, czenie materia ów, których nie mo na po czy innymi metodami, np. ceramiki z metalami, czenie elementów charakteryzuj cych si ró nymi temperaturami topnienia oraz wzajemnie nierozpuszczaj cych, np. pseudostopy diamentowo-metalowe, wykonywanie wyrobów o bardzo unikatowych w a ciwo ciach, np. implanty, samosmaruj ce o yska nieporowate z udzia em grafitu lub mi kkich metali niskostopowych, wytwarzanie materia ów porowatych o obj to ci porów si gaj cej do 50% ca kowitej obj to ci np. o yska samosmaruj ce porowate wykonane ze stali niskow glowej z domieszkami miedzi i grafitu lub br zów cynowych, filtry metaliczne ze stali, mosi dzów niklowych i br zów cynowych, dobór sk adu chemicznego, który decyduje w szerokim zakresie o przewodno ci elektrycznej i cieplnej oraz rozszerzalno ci cieplnej produktów np. styki elektryczne W-Cu, szczotki kolektorowe Cu-C, wytwarzanie materia ów magnetycznie twardych i mi kkich, wytwarzanie wyrobów o skomplikowanych kszta tach. Wspó cze nie kszta towane wyroby z proszków metali znalaz y szerokie zastosowanie w ró nych ga ziach przemys u: motoryzacyjnym: o yska samosmarne, krzywki popychaczy, elementy sprz gie, o yska i gniazda zaworowe, ko a z bate pomp olejowych, ko a, pier cienie t okowe, t oczki hamulcowe, elementy amortyzatorów, elementy rozrz du a cuchowego i pasowego, elementy rozruszników, synchronizatory i pier cienie synchronizacyjne, d wignie i rozpieracze skrzyni 2. Nowoczesne technologie prasowania i spiekania wyrobów z proszków... 33

20 Open Access Library Volume 9 (15) 2012 biegów, piasty tarcz sprz gie, elementy wentylatorów, alternatorów i wirników alternatorów, elementy aparatów zap onowych, korbowody, d wignie zaworowe, gniazda spr yn zaworowych (rys. 12), maszynowym: o yska lizgowe, ko a z bate, d wignie, filtry, krzywki, budowlanym: zapadki zamków, o yska klamek, klucze, segmenty z bate, tuleje, rolki, elektrotechnicznym: o yska lizgowe, elementy styczników, elektrody, pier cienie lizgowe, nabiegunniki, precyzyjnym: ma e o yska lizgowe, d wignie, krzywki, pier cienie, tarcze krzywkowe, zbrojeniowym: elementy broni. Cz ci z proszków spiekanych elaza znajduj zastosowanie równie w przemy le oku budowlanych. Pozosta produkcj stanowi cz ci zastosowane w przemy le precyzyjnym, obrabiarkowym, ci gnikowym, maszyn rolniczych, maszyn do szycia, maszyn budowlanych, w ókienniczych, a tak e w elektrotechnice. Prowadzone w Instytucie Obróbki Plastycznej badania w ramach licznych projektów mi dzynarodowych jak i prac w asnych pozwoli y na opracowanie technologii wytwarzania cz ci z proszków spiekanych o okre lonych cechach u ytkowych metodami metalurgii proszków. Poni ej przedstawiona jest gama wyrobów stosowanych w ró nych ga ziach przemys u wytworzona dwiema ró nymi technologiami. Rysunek 12. Wyroby wytwarzane w procesach kucia proszków i walcowania powierzchniowego (ko o z bate), g ównie do przek adni samochodowych [22] 34 H.M. Wi niewska-weinert