Technologie wytwarzania części dokładnych ze spiekanych materiałów proszkowych

Transkrypt

1 Obróbka Plastyczna Metali t. XVII nr 3 (2006) dr inŝ. Hanna WIŚNIEWSKA-WEINERT, prof. dr hab. inŝ. Volf LESHCHYNSKY mgr inŝ. Justyna OZWONIAREK, mgr inŝ. Łukasz KĘDZIA, doc. dr inŝ. Jerzy LISOWSKI Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań Technologie wytwarzania części dokładnych ze spiekanych materiałów proszkowych Technologies of manufacturing precision sintered parts Streszczenie W artykule omówiono zagadnienia dotyczące wytwarzania części dokładnych ze spiekanych materiałów proszkowych. Autorzy omówili wybrane krajowe i międzynarodowe projekty badawcze prowadzone w Instytucie Obróbki Plastycznej poruszające problemy produkcji wyrobów z proszków spiekanych metali o określonych własnościach mechanicznych i uŝytkowych. Zaprezentowano nowe technologie wytwarzania stosowane w Instytucie oraz podano przykłady części z proszków spiekanych. Abstract The article shows some problems of manufacturing precision sintered parts. The authors discuss chosen national and international projects of Metal Forming Institute, which are connected with the sinters of specific mechanical and operation properties. The applied in the Institute technologies and examples of powder parts are presented. Słowa kluczowe: metalurgia proszków, wyroby z proszków spiekanych, technologia, projekt Key words: powder metallurgy, sintered powder parts, technology, project 1. WSTĘP W ostatnich latach obserwuje się dynamiczny rozwój metalurgii proszków. Wynika to z faktu, Ŝe zaspokaja ona zapotrzebowanie na innowacyjne technologie i nowe tworzywa konstrukcyjne, zgłaszane głównie przez motoryzacyjny i lotniczy. Technologie metalurgii proszków dają szerokie moŝliwości kształtowania wyrobów o określonych właściwościach mechanicznych, fizycznych i eksploatacyjnych. Modyfikacja części porowatych mikro i nanocząstkami smarów stałych podwyŝsza ich właściwości przeciwzuŝyciowe. Ze względu na moŝliwość minimalizacji kosztów istotną zaletą tych technologii jest równieŝ niewielkie jednostkowe zuŝycie energii, przy produkcji seryjnej i masowej oraz prawie całkowite wykorzystanie materiału [1, 2, 3, 4]. Prowadzone w Instytucie Obróbki Plastycznej badania w ramach licznych projektów międzynarodowych jak i prac własnych pozwoliły na opracowanie technologii wytwarzania części z proszków spiekanych o określonych cechach uŝytkowych metodami metalurgii proszków. 2. WYBRANE PROJEKTY BADAWCZE Z ZAKRESU METALURGII PROSZ- KÓW REALIZOWANE W INSTYTU- CIE OBRÓBKI PLASTYCZNEJ ROTOR EUREKA E! 1806 Technologia i wyposaŝenie do rotacyjnego dokładnego kształtowania części z materiałów proszkowych. Celem projektu było opracowanie technologii kształtowania części o złoŝonym kształcie z proszków metali i wykonanie wielofunkcyjnej automatycznej linii kołowej do pro-

2 38 H. Wiśniewska-Weinert, V. Leshchynsky, J. Ozwoniarek, Ł. Kędzia... dukcji części z materiałów proszkowych o du- Ŝej dokładności, przy niskich kosztach wytwarzania. Czas trwania projektu: r. TRIBO G5RD-CT Nanostrukturalne powłoki o podwyŝszonych własnościach tribologicznych. Głównymi celami projektu były: uzyskanie stosunkowo grubych powłok Solid Lubricant Coatings (SLC) na powierzchniach części szybko zuŝywających się, pracujących w specyficznych warunkach np. w przemyśle lotniczym, którym stawiane są wysokie wymagania wytrzymałościowe i tribologiczne. Powłoki SLC wykonywano metodą syntezy laserowej i HEP (High Energy Plasma). Do uzyskania cienkich warstw SLC stosowano metodę syntezy dyfuzyjnej. Czas trwania projektu: r. INTAS Ref. Nr Nanokompozytowe ŁoŜyska Ślizgowe do Układu Wentylacyjnego Samolotu Airbus. Głównym celem projektu jest opracowanie nowych nanokompozytowych materiałów do produkcji tulei łoŝysk ślizgowych stosowanych w układzie wentylacyjnym samolotów rodziny AIRBUS, głównie dla nowego samolotu A380. ŁoŜyska tego typu pracują w trudnych eksploatacyjnych warunkach: bez smarowania, w temperaturze 450 do 500 o C. Jednocześnie muszą być odporne na drgania. Termin realizacji: r. BEARINGS FP Aero-1 Nowa generacja łoŝysk pracujących w ekstremalnych warunkach stosowanych w przemyśle lotniczym. Głównym celem projektu jest opracowanie nowej, innowacyjnej technologii wytwarzania łoŝysk kulkowych pracujących w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Termin realizacji: r. MANUDIRECT FP Ultraprecyzyjna produkcja na gotowo. Głównym celem projektu jest stworzenie dla u wytwórczego zupełnie nowej platformy produkcyjnej wykorzystującej wysokoefektywne, bezpośrednie, jednoetapowe spiekanie laserowe z uŝyciem metali i materiałów ceramicznych. Termin realizacji: r. FGM-MagTool EUREKA E!2924 Opracowanie technologii wytwarzania narzędzi nowej generacji o wysokich własnościach wytrzymałościowych do cięcia i obróbki objętościowej. Celem projektu jest uzyskanie nowej wielokomponentowej gradientowej powłoki na narzędzia do obróbki plastycznej na zimno o duŝej odporności na zuŝycie, zmęczenie mechaniczne. Termin realizacji: r. Projekt Zamawiany koordynowany przez Instytut Odlewnictwa w Krakowie Nowoczesne Tworzywa i procesy technologiczne w odlewnictwie. Zadanie Instytutu w tym projekcie to Optymalizacja właściwości tribologicznych i nanostrukturalnych warstw wierzchnich wykonanych z nanofazowych materiałów proszkowych dla części konstrukcyjnych pracujących w trudnych warunkach eksploatacyjnych, w tym części przeznaczonych na implanty. Termin realizacji: r. 3. STOSOWANE TECHNOLOGIE WY- TWARZANIA CZĘŚCI PROSZKO- WYCH I PRZYKŁADY WYROBÓW W Gnieździe Doświadczalno-Produkcyjnym Metalurgii Proszków Instytutu prowadzona jest drobnoseryjna produkcja wyrobów z proszków spiekanych wg opracowanych technologii oraz wykonywanych z własnych mieszanek proszkowych i impregnacyjnych Technologia wytwarzania wyrobów z proszków spiekanych w jednej operacji kształtowania [3, 4] W technologii wytwarzania wyrobów z proszków spiekanych w jednej operacji kształtowania (rys. 1) dany wyrób otrzymuje ostateczny kształt podczas operacji prasowania. W ten sposób wytwarzane są części, od których nie jest wymagana wysoka gęstość. Przykłady części oraz ich charakterystykę i zastosowanie przedstawiono na rys. 2 oraz w tablicy 1.

3 Technologie wytwarzania części dokładnych ze spiekanych a) koła zębate i pierścienie krzywkowe b) pierścienie dystansowe Rys. 1. Technologia wytwarzania wyrobów z proszków spiekanych w jednej operacji kształtowania [3, 4] Fig. 1. Technology of manufacturing sintered powder products in one forming operation [3, 4] Tablica 1. Wyroby z proszków spiekanych wykonywane w jednej operacji kształtowania Table 1. Sintered powder products made in one forming operation c) tuleje dystansowe Nazwa wyrobu Charakterystyka wyrobu Zastosowanie Koło zębate (rys. 2a) Gęstość: 7,5 g/cm3 Twardość 52 HRC Pierścień krzywkowy (rys. 2a) Gęstość: 7,5 g/cm3 Twardość 50 HRC Pierścień dystansowy (rys. 2b) na bazie Astalloy CrM d) pierścienie łoŝyskowe Tuleja dystansowa (rys. 2c) Proszek na bazie Astalloy Mo Gęstość: 7,2 g/cm3 Twardość 50 HRC Pierścień łoŝyskowy (rys. 2d) na bazie Distalloy AE Gęstość: 7,4 g/cm3 Twardość 56 HRC maszynowy Rys. 2. Przykłady części z proszków spiekanych wykonywanych w jednej operacji kształtowania [3, 4] Fig. 2. Sintered powder products made in one forming operation [3,4]

4 40 H. Wiśniewska-Weinert, V. Leshchynsky, J. Ozwoniarek, Ł. Kędzia Technologia wytwarzania wyrobów z proszków spiekanych wykonywanych w dwóch operacjach kształtowania plastycznego Na rys. 3. przedstawiono przebieg procesu technologicznego wytwarzania części proszkowych w dwóch operacjach kształtowania plastycznego. Operacja dokuwania pozwala na uzyskanie skomplikowanego kształtu wyrobu z jednoczesnym podwyŝszeniem gęstości sprasowanych i wstępnie spieczonych półwyrobów. Na tym etapie występują znaczne odkształcenia plastyczne, a stosowane ciśnienia porównywalne są z ciśnieniami przy prasowaniu proszku. Technologia kształtowania w dwóch operacjach kształtowania plastycznego pozwala na uzyskanie końcowego wyrobu o gęstości do 98% gęstości materiału litego. Taką samą gęstość moŝna uzyskać tylko w procesie kucia wyrobu spiekanego na gorąco, jednak w takim procesie nie uzyskuje się tak duŝej dokładności wykonania. Ostateczne podwyŝszenie twardości następuje po obróbce cieplno-chemicznej. Uzyskiwane twardości zaleŝne są od gęstości wyrobu i składu chemicznego uŝytej mieszanki oraz parametrów obróbki cieplnej i cieplnochemicznej. Technologia ta chroniona jest patentem europejskim [5]. a) kliny b) pierścienie dystansowe fazowane c) pierścienie łoŝyskowe d) matryce gnące Rys. 3. Przebieg procesu technologicznego wytwarzania wyrobów z proszków spiekanych w dwóch operacjach kształtowania plastycznego Fig. 3. Technological process of manufacturing sintered powder products in two plastic forming operations Rys. 4. Przykłady części z proszków spiekanych wykonywanych w dwóch operacjach kształtowania plastycznego Fig. 4. Examples of sintered powder parts made in two plastic forming operations

5 Technologie wytwarzania części dokładnych ze spiekanych Na rys. 4. pokazano przykłady wyrobów otrzymywanych wg tej technologii. W tablicy 2 podano charakterystykę i zastosowania wyrobów. Przebieg procesu technologicznego kształtowania wyrobów z materiałów proszkowych modyfikowanych nano i mikrocząstkami (rys. 5) stosowany jest dla tych części, od których wymagane są zarówno wysokie właściwości wytrzymałościowe i tribologiczne. Odpowiedni dobór parametrów procesów pozwala uzyskać części konstrukcyjne w szerokim zakresie gęstości, twardości, a takŝe o niskim współczynniku tarcia. Technika modyfikowania materiałów proszkowych nano- lub mikrocząstkami otwiera nowy kierunek wykorzystania tych materiałów. Zabieg ten nie tylko podwyŝsza odporność wyrobów na zuŝycie ścierne i często daje moŝliwość tańszego wytworzenia części ale takŝe obniŝa koszty eksploatacji w wyniku eliminacji smarowania w czasie pracy. Jest to szczególnie waŝne dla części konstrukcyjnych pracujących w specjalnych warunkach np. pod wodą lub w próŝni, gdzie doprowadzenie smaru podczas pracy jest bardzo trudne. Zaletą technologii metalurgii proszków jest takŝe bezubytkowe wytwarzanie części o skomplikowanym kształcie. Tablica 2. Wyroby z proszków spiekanych wykonywane w dwóch operacjach kształtowania plastycznego Table 2. Sintered powder products made in two plastic forming operations Nazwa wyrobu Charakterystyka wyrobu Zastosowanie Klin (rys. 4a) Gęstość: 7,6 g/cm3 Twardość 58 HRC budowlany Pierścień dystansowy fazowany (rys. 4b) Pierścień łoŝyskowy (rys. 4c) Matryca gnąca (rys. 4d) Gęstość: 7,65 g/cm3 Twardość HRC na bazie proszku stali nierdzewnej 430L Twardość 60 HRA maszynowy włókienniczy spoŝywczy 3.3. Technologia kształtowania materiałów proszkowych modyfikowanych nano i mikrocząstkami Rys. 5. Przebieg procesu technologicznego kształtowania wyrobów z materiałów proszkowych z nasycaniem Fig. 5. The technological process of forming powder material parts with impregnation Doskonałe właściwości części impregnowanych nanocząstkami zostały potwierdzone przez testy eksploatacyjne wykonane w zakładzie CZRETEZY Strakonice - Republika Czeska. Metodą tą wytwarzane są tuleje samosmarne i tuleje łoŝyskowe (rys. 6). Charakterystykę tych części podano w tablicy 3. Tablica 3. Wyroby z proszków spiekanych modyfikowane nano i mikrocząstkami Table 3. Sintered powder products modified with nano- and microparticles Nazwa wyrobu Charakterystyka wyrobu Zastosowanie Tuleja samosmarna (10B1-Dz) (rys. 6a) Tuleja łoŝyskowa ( ) (rys. 6b) na bazie Astalloy AE Impregnacja cząstkami smarów stałych na bazie materiału stali nierdzewnej 316L Impregnacja cząstkami smarów stałych lotniczy

6 42 H. Wiśniewska-Weinert, V. Leshchynsky, J. Ozwoniarek, Ł. Kędzia... a) tuleje samosmarne (10B1-Dz) b) tuleja łoŝyskowa ( ) Rys. 6. Przykłady części z proszków spiekanych wykonywanych technologiami wytwarzania materiałów proszkowych modyfikowanych nano i mikrocząstkami Fig. 6. Examples of sintered powder parts made by the technologies of manufacturing powder materials modified with nano- and microparticles 4. PODSUMOWANIE W badaniach przeprowadzonych w Instytucie w ramach licznych projektów krajowych i międzynarodowych, wykonywane są prace, których celem jest doskonalenie opracowanej i opatentowanej technologii kształtowania wyrobów w dwóch operacjach kształtowania plastycznego [5]. Instytut prowadzi równieŝ zaawansowane badania technologii kształtowania wyrobów modyfikowanych nano i mikrocząstkami, celem polepszania ich właściwości eksploatacyjnych oraz opracowanie nowych innowacyjnych technologii. Dotychczasowe badania pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków: Właściwości fizyczne i mechaniczne wyrobu końcowego produkowanego metodami metalurgii proszków zaleŝą od: rodzaju i parametrów procesu technologicznego kształtowania wyrobów z proszków spiekanych, gęstości otrzymanych wyrobów z proszków spiekanych, obróbki cieplno-chemicznej. Optymalizacja parametrów procesu modyfikacji nano- i mikrocząstkami smarów stałych pozwoliła na uzyskanie niskiego współczynnika tarcia. Poprzez odpowiedni dobór parametrów poszczególnych procesów technologicznych moŝemy w szerokim zakresie wpływać na gęstość, twardość, współczynnik tarcia i własności wytwarzanych wyrobów z proszków spiekanych. Stabilność wymiarowa gotowych wyrobów zaleŝy od dokładności wykonania półfabrykatów na kaŝdym etapie produkcyjnym. Obróbka plastyczna materiałów spiekanych z proszków metali i ich stopów daje moŝliwości wytwarzania nowoczesnych wyrobów o określonej strukturze i właściwościach mechanicznych oraz uŝytkowych. LITERATURA [1] Szczepanik S.: Przeróbka plastyczna materiałów spiekanych z proszków i kompozytów. Uczelnianie Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków [2] Romański A., Motyka M., XXXI Szkoła InŜynierii Materiałowej Kraków-Krynica 7-10.X.2003, s [3] Wiśniewska-Weinert H., Leszczyński V., Stojanov A. (i in.): Doskonalenie wysokowydajnych technologii kształtowania metodami metalurgii proszków, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej wyrobów z proszków metali o złoŝonych kształtach i polepszonych własnościach eksploatacyjnych, w tym takŝe wyrobów dla u elektrycznego z magnetycznie miękkich materiałów proszkowych. Praca niepublikowana wykonana w ramach badań własnych, 2003, s. 153, rys. 32, tab. 10, bibliogr. 355 poz. [4] Wiśniewska-Weinert H., Leszczyński V., Stojanov A. (i in.): Rozwój wysokowydajnych technologii obróbki plastycznej w zakresie wieloseryjnej produkcji części z materiałów proszkowych o złoŝonych kształtach i wysokiej dokładności. Praca niepublikowana wykonana w ramach badań własnych, 2002, s. 40, rys. 15, tab. 8, bibliogr. 5 poz. [5] Weinert H., Leszczynski V., Stepanenko E., Stojanov A., Kuczma V.: Europejski patent Nr Method of obtaining shape elements.