Ćwiczenie 1. Wybrane metody przygotowania i badania proszków, budowa i zasada działania prasy szybkobieżnej oraz metody badania spieków

Transkrypt

1 - laboratorium Ćwiczenie 1 Wybrane metody przygotowania i badania proszków, budowa i zasada działania prasy szybkobieżnej oraz metody badania spieków Instrukcja laboratoryjna Człowiek - najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Warszawa 2011

2 2 Ćwiczenie 1 1. WSTĘP 1.1. Cel ćwiczenia Zapoznanie studentów z podstawowymi metodami związanymi z: - przygotowaniem proszków metalowych do ich dalszego przetwarzania, - badaniem proszków metalowych o cząstkach drobnych, szczególnie o cząstkach drobnych - budową i zasadą pracy prasy mechanicznej o działaniu automatycznym do formowania wyprasek z proszków, - podstawowymi badaniami spieków Zakres wymaganych wiadomości Prawidłowe przygotowanie do przeprowadzenia ćwiczenia wymaga zaznajomienia się z obowiązującą instrukcją oraz z odpowiednim fragmentem wykładu. Niezbędne jest również uzupełnienie wiadomości w oparciu o podstawową literaturę z zakresu badania właściwości użytkowych wyrobów stosowanych w mechatronice. Zakres wymaganych wiadomości jest następujący: - metody badania gęstości spieków metalowych i ceramicznych, - metody określania wielkości cząstek proszków, ze szczególnym wyróżnieniem proszków drobnych, - metody badania spieków przeznaczonych na elementy konstrukcyjne, - metody badania spieków stosowanych jako elementy porowate, - poznanie budowy i zasady działania młyna do mielenia proszków na podstawie młynka laboratoryjnego, - budowa pras do prasowania proszków.

3 Ćwiczenie WPROWADZENIE (Opis technologii, jej istota, zjawiska fizyczne, parametry i warunki technologiczne procesu, zastosowania) Informacje ogólne 1). Przygotowanie proszków metodą mielenia wsadu Metalurgia proszków jest nowoczesną techniką wykorzystywaną do wytwarzania bardzo różnych wyrobów o wręcz skrajnie odmiennych cechach użytkowych. Proszki wytwarza się różnymi metodami. Bardzo często proszki wytwarza się metodą mielenia materiału podstawowego na sucho lub na mokro. Proces ten prowadzony jest w młynach kulowych. Wsadem do młyna jest na ogół materiał twardy i kruchy, który pod dynamicznym działaniem kul ulega rozbiciu na drobne fragmenty. Wielkość cząstek takich proszków jest, dla danego materiału i warunków mielenia, zależna od czasu trwania procesu rozdrabniania. 2). Określanie składu granulometrycznego proszków Proszki wytwarzane różnymi metodami zawierają cząstki o różnych wielkościach. Są to tzw. proszki wielofrakcyjne. Konieczne jest więc określenie składu granulometrycznego takiego proszku, tj. określenie zawartości poszczególnych frakcji w całej jego objętości. Analizę tę prowadzi się różnymi metodami. Powszechnie stosowane metody pomiaru wielkości cząstek, ze względu na ich bardzo rozbudowany kształt, są obarczone błędami. Dokładne określenie zawartości cząstek poszczególnych frakcji w proszku wielofrakcyjnym jest możliwe tylko dla proszków o cząstkach idealnie kulistych. Ze względu na prostotę pomiaru, najczęściej analiza składu granulometrycznego realizowana jest metodą sitową. Ograniczeniem stosowania metody sitowej jest minimalna wielkość cząstek proszku. Metoda ta może być stosowana dla proszków o wielkości cząstek powyżej 40 μm. Inna metoda określania udziału poszczególnych frakcji proszku opiera się na prawie Stockesa. Polega ona na pomiarze szybkości swobodnego opadania cząstek w cieczy. W oparciu o szybkość opadania cząstek określa się ich wielkość. A więc jest to pomiar pośredni wiel-

4 4 Ćwiczenie 1 kości cząstek. W trakcie pomiaru musi być dokładnie kontrolowana temperatura cieczy, od której zależy jej lepkość, a co za tym idzie warunki prowadzenia oznaczenia. Nawet niewielka zmiana temperatury wpływa na zmianę lepkości cieczy, co z kolei przekłada się natychmiast ma pomiar czasu opadania cząstek i błędne określenie wielkości cząstek badanego proszku. Nowoczesna metoda pomiaru wielkości cząstek opiera się na pomiarze wielkości odchylenia wiązki strumienia światła laserowego niskiej mocy na cząstkach badanego proszku. Metoda ta jest preferowanym standardem do pomiaru cząstek w zakresie 0, μm. Każdy przyrząd mierzący wielkość cząstek w oparciu o pomiar rozproszenia światła zawiera optyczną jednostkę pomiarową, którą określa podstawowy detektor wielkości cząstek oraz komputer kierujący pomiarami i przedstawiający wyniki analiz w postaci odpowiedniej prezentacji. Rozproszenie światła laserowego jest unikalną, elastyczną techniką określania wielkości zdolną, w szczególności, mierzyć strukturę wielkości fazy jednego materiału w innym. Warunkiem zastosowania tej techniki jest konieczność wyraźnego rozdzielenia optycznego faz, tj. proszku i cieczy. Ponadto medium musi być przezroczyste dla długości światła laserowego. Zasada działania analizatora cząstek jest przedstawiona na rys. 1. Rys. 1. Zasada pomiaru wielkości cząstek metodą laserową W skład analizatora wchodzi: - laser jako źródło intensywnego, spójnego światła o stałej długości fali, - detektor, którym jest zazwyczaj płytka ze światłoczułego silikonu, - środki przepuszczania próbki proszku przez wiązką laserową. W celu uzyskania prawidłowego pomiaru wielkości cząstek, proszek nie może być zbrylony. Jest to szczególnie istotne przy pomiarze cząstek bardzo drobnych, które silnie wiążą

5 Ćwiczenie 1 5 się między sobą. Dlatego stosuje się równocześnie dwie metody przygotowawcze. Pierwsza polega na wprowadzeniu próbki proszku do cieczy, a druga na wprowadzeniu do pojemnika z cieczą i proszkiem drgań ultradźwiękowych. Gwarantuje to dokładne odizolowanie poszczególnych ziarn między sobą. Sam pomiar wielkości cząstek polega na porównaniu badanej cząstki do kuli o równoważnej powierzchni. 3). Badanie właściwości użytkowych wyrobów spiekanych Metalurgia proszków znalazła szerokie zastosowanie w wielkoseryjnej i masowej produkcji różnych wyrobów. Specyficzną cechą tej technologii jest możliwość wytwarzania kształtek porowatych w całej swojej objętości. Z jednej strony porowatość spieków jest ich wadą, np. w elementach konstrukcyjnych, w których istotne są wysokie właściwości wytrzymałościowe. Zawartość porów w takich kształtkach powoduje zmniejszenie parametrów wytrzymałości spieków. Dlatego stosowanie spieków w określonych zastosowaniach musi być dokładnie przeanalizowane. W węzłach konstrukcyjnych, od których wymaga się wysokich właściwości wytrzymałościowych stosowanie spieków musi być wyeliminowane. Należy jednak zaznaczyć, że porowatość materiału spiekanego nie jest cechą jednoznacznie negatywną. W wielu przypadkach wykorzystuje się ją do wytwarzania elementów niemożliwych do wykonania innymi metodami. Można tu wymienić przykładowo łożyska samosmarujące czy filtry. Ze względu na odmienne od klasycznych metod wytwarzania, odmienną strukturę, a co za tym idzie charakterystyczne właściwości fizyczne, a często i chemiczne, materiały te wymagają zmodyfikowanych lub specjalnych metod badań. W przypadku spieków, jak już wcześniej wspomniano, zasadniczy wpływ na stosowane metody pomiarów właściwości użytkowych wywiera ich porowatość, wynosząca zazwyczaj od kilku do kilkunastu procent, a dla spieków o dużej porowatości, nawet większą. Dlatego też dla spieków, mimo iż zasadniczy charakter pomiaru nie ulega zmianie, jego przeprowadzenie przebiega często w sposób odmienny niż w przypadku materiałów litych. Badania materiałów otrzymanych na drodze metalurgii proszków prowadzi się na elementach spieczonych. Czasami prowadzi się badania właściwości mechanicznych wyprasek (przed spiekaniem), szczególnie wykonanych z materiałów trudnoprasowalnych i kruchych,

6 6 Ćwiczenie 1 celem określenia warunków transportu międzyoperacyjnego, np. pomiędzy stanowiskami wytwórczymi (prasy) a piecami, w których prowadzony jest proces spiekania. Do najczęściej przeprowadzanych badań spieków z proszków metalowych i ceramicznych należy: - oznaczenie gęstości, - oznaczenie porowatości otwartej, - oznaczenie twardości, - oznaczenie właściwości mechanicznych. Oznaczenie gęstości spieków Określenie gęstości objętościowej (masy objętościowej) wyprasek i spieków jest jedną z najważniejszych metod badania właściwości materiałów spiekanych. Wynika to z faktu, że większość właściwości fizycznych (w tym mechanicznych) zależy prawie wprost proporcjonalnie od gęstości spieków. Gęstość objętościowa (masa objętościowa) wyraża gęstość pozorną, jaką osiągnęła badana kształtka, liczona z zajmowanej przez nią objętości i jej masy. Jest to gęstość (masa) nie uwzględniająca pojemności porów otwartych i zamkniętych. Gęstość objętościowa (masa objętościowa) określana jest jako stosunek masy kształtki do jej całkowitej objętości łącznie z porami. Określa się ją tzw. metodą geometryczną lub metodą Archimedesa. Metoda geometryczna może być stosowana dla elementów o prostych kształtach geometrycznych pozwalających na wyznaczenie objętości przez bezpośrednie pomiary wymiarów geometrycznych i niezbędne obliczenia. Następnie kształtki waży się i oblicza gęstość z zależności: m d [Mg/m 3 ] V m masa próbki, V objętość próbki. Metoda geometryczna jest stosunkowo mało dokładna i stosowana może być raczej jako metoda orientacyjna. Szczególnie trudne może być przeprowadzenie badania w przypadku próbek z wykruszonymi krawędziami. Znacznie dokładniejsza jest metoda oparta na prawie Archimedesa, polegająca na określeniu objętości spieku z różnicy jego ciężaru w powietrzu i cieczy (np. w wodzie). Do pomia-

7 Ćwiczenie 1 7 ru gęstości próbki muszą być odpowiednio przygotowane. Przygotowanie próbki do badania polega na zabezpieczeniu powierzchni porowatej przed wnikaniem wody w pory otwarte spieku. W ten sposób zabezpiecza się próbkę przed korozją międzyziarnową. Uzyskuje się to przez wypełnienie porów olejem, bądź specjalnymi mieszaninami olejów i innych składników. Nasycania takiego nie stosuje się dla spieków ceramicznych, gdyż nie ulegają one korozji i mogą być nasycane wodą podczas pomiaru. Po nasyceniu spiek waży się w wodzie destylowanej na wadze z podwójną szalką (rys. 2), 1 szalka do ważenia próbki w powietrzu, 2 szalka do ważenia próbki w wodzie Rys. 2. Waga z podwójną szalką a gęstość objętościową (masę właściwą) wyznacza się z wzoru: Pomiar porowatości otwartej spieków m1 dw d m m 2 3 d gęstość objętościowa spieku, m 1 masa spieku przed nasyceniem, m 2 masa spieku po nasyceniu określona w powietrzu, m 3 masa spieku po nasyceniu określona w wodzie, d w gęstość wody. Porowatość otwarta spieku określana jest jako stosunek objętości porów ciągłych mających ujście na zewnętrznych powierzchniach próbki do jego objętości całkowitej. Oznaczenie porowatości otwartej przeprowadza się na wadze z podwójną szalką i określa z odpowiednich wzorów (w procentach): a) dla spieków metalowych:

8 8 Ćwiczenie 1 b) dla spieków ceramicznych: Pomiar wielkości porów ( m ( m 2 m4) d m ) d 2 w 3 n 100% m 2 masa próbki nasyconej określona w powietrzu, m 3 masa próbki nasyconej określona w wodzie, m 4 masa próbki po usunięciu cieczy nasycającej (ekstrakcji), d w gęstość wody, d n gęstość oleju, którym nasycono próbkę. m m m m 4 100% m 2 masa próbki nasyconej wodą, m 4 masa próbki suchej, m 3 masa próbki zanurzonej w wodzie. W przypadku wyrobów stosowanych na filtry istotna jest wielkość porów. Ich pomiaru dokonuje się metodą pęcherzykową (rys. 3). Dostarcza ona informacji o wymiarze największego poru w jego najmniejszym przekroju położonym przy powierzchni materiału porowatego oraz o jednorodności rozkładu wielkości porów. Metodę stosuje się do oznaczenia maksymalnej i średniej wielkości porów. Rys. 3. Oznaczanie wielkości porów; 1 badana próbka, 2 uchwyt na próbkę, 3 ciecz, 4 wysokość słupa cieczy nad próbką. Oznaczenie maksymalnej wielkości porów polega na określeniu ciśnienia potrzebnego do wytłoczenia pierwszego pęcherzyka powietrza przez badaną próbkę porowatą nasyconą całkowicie cieczą (rys. 3a). Z kolei oznaczenie średniej wielkości porów polega na określeniu

9 Ćwiczenie 1 9 ciśnienia powodującego wydzielanie pęcherzyków powietrza z całej badanej powierzchni próbki (rys. 3b). Badanie przeprowadza się stosując próbki o kształcie tarczy o średnicy mm i grubości 0,25 10 mm lub o kształcie tulei o powierzchni czynnej 5 10 cm 2. Należy zaznaczyć, że niedopuszczalna jest obróbka mechaniczna powierzchni czynnej próbki. Próbki nasyca się alkoholem etylowym lub izopropylowym, w którym następnie prowadzi się oznaczenie. Maksymalną lub średnią wielkość porów oblicza się w μm ze wzoru: d p g h Pomiar twardości p ciśnienie, przy którym obserwuje się zjawisko wydzielania się pęcherzyków, σ napięcie powierzchniowe [N/m], g przyspieszenie ziemskie, ρ gęstość cieczy [Ns 2 /m 4 ], h wysokość słupa cieczy nad badaną próbką [m]. Badanie twardości spieków metalowych znacznie różni się od badania tego parametru dla spieków ceramicznych. Oznaczanie twardości spieków metalowych, ze względu na ich porowatość, może być obarczone dużym błędem. Dotyczy to szczególnie metod, przy których stosuje się, jako wgłębniki, ostrza diamentowe o kształcie ostrosłupa. Wgłębniki te po natrafieniu na por mogą łatwo wgłębiać się, dając błędne odczyty twardości. Dlatego też twardość spieków metalowych mierzy się najczęściej na twardościomierzach z wgłębnikami kulkowymi o dość dużej średnicy. Otrzymuje się przy tym wyniki niejako uśrednione, uwzględniające zwiększoną, wskutek porowatości, plastyczność spieku. Powtarzalność wyników jest mniejsza niż przy materiałach litych. Ich rozrzut wynosi %. Pomiary twardości spieków metalowych przeprowadza się sposobem Brinella, Rockwella oraz metodą pomiaru głębokości odcisku kulki. Często stosowanym sposobem pomiaru twardości jest metoda Vockersa. Wybór sposobu oznaczenia zależy od rodzaju spieku i jego twardości. Próbę twardości sposobem Brinella przeprowadza się dla spieków, przy których nie występują trudności odczytu średnicy odcisku kulki. Badanie przeprowadza się tak, jak dla

10 10 Ćwiczenie 1 materiałów litych, z tą różnicą, że współczynnik n przyjmuje się w zależności od twardości spieku według tablicy 1, a nie w zależności od rodzaju materiału. Tablica 1. Wartości współczynnika n przy pomiarach twardości spieków sposobem Brinella Twardość spieku HB poniżej powyżej 150 Współczynnik n 2, Próbę twardości sposobem Rockwella prowadzi się dla spieków o dużej twardości (ulepszonych cieplnie), w taki sam sposób jak materiałów litych. Należy jednak zaznaczyć, że w przypadku pomiaru twardości spieków nasyconych olejem może powstać poduszka olejowa między badanym przedmiotem a stolikiem przyrządu. Aby do tego nie dopuścić należy spiek wstępnie osuszyć, a przed badaniem ustawić na okres co najmniej 2 godzin na bibule powierzchnią, która podczas pomiaru będzie dotykać stolika twardościomierza. Próbę twardości metodą pomiaru głębokości odcisku kulki prowadzi się, gdy niemożliwy jest odczyt średnicy odcisku kulki. Do przeprowadzenia pomiaru stosuje się odpowiednio przystosowane twardościomierze Rockwella lub uniwersalne aparaty Brinella-Rockwella, umożliwiające wywieranie obciążenia wstępnego 100 N i obciążenia całkowitego 625 N. Jako wgłębniki stosuje się kulki o średnicy 5 mm lub 2,5 mm. Podstawowe badanie prowadzi się z wykorzystaniem kulki o średnicy 2,5 mm. Kulkę o średnicy 5 mm stosuje się, gdy grubość badanego przedmiotu uniemożliwia stosowanie kulki 2,5 mm; daje ona głębszy odcisk. Istotną rolę przy pomiarze odgrywa grubość próbki. Należy ją dobierać tak, aby na powierzchni przeciwległej do odcisku nie powstało miejscowe odkształcenie lub inne znaki wskazujące na działanie siły obciążającej. Minimalne grubości próbek w zależności od twardości odczytanej na skali Rockwella C, przy zastosowaniu kulki o średnicy 2,5 mm HR2,5 lub przy zastosowaniu kulki o średnicy 5 mm HR5 podano w tablicy 2.

11 Ćwiczenie 1 11 Tablica 2. Minimalne grubości próbek przy próbie twardości metodą pomiaru głębokości odcisku kulki Twardość HR2,5 lub R5 Grubość badanej próbki [mm] Twardość HR2,5 lub R5 Grubość badanej próbki [mm] Twardość HR2,5 lub R5 Grubość badanej próbki [mm] ,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,9 0, ,75 0,7 0,6 0,55 0,5 0,45 0, ,35 0,3 0,3 0,25 0,2 Próbę przeprowadza się następująco. Po wstępnym obciążeniu kulki, ustawia się skalę czujnika na zero (skala C lub A w aparacie Rockwella), po czym obciąża się kulkę obciążeniem głównym. Obciążenie główne zwalnia się, gdy zakończy się proces odkształcenia plastycznego próbki, którego wyrazem jest zatrzymanie przesuwania się wskazówki czujnika. Przy pozostawionym obciążeniu wstępnym dokonuje się odczytu trwałego przyrostu głębokości odcisku w jednostkach Rockwella A lub C. Otrzymane wyniki można przeliczyć na twardość Brinella według wzorów: HB2,5/ 62,5/ R 100 HR2,5 h HB5/ 62,5 / R 100 HR5 h h głębokość odcisku [μm]. Badanie twardości spieków ceramicznych polega na oznaczeniu twardości według skali Mohsa. Badanie polega na przeprowadzeniu prób wzajemnego rysowania badanego materiału i minerału skali twardości. Jeżeli badany materiał i minerał nie rysują się nawzajem, wówczas materiał ma tę samą twardość co minerał. Jeżeli natomiast materiał rysuje minerał, a nie podlega rysowaniu przez następny pod względem twardości, to jego twardość leży pomiędzy twardościami obu minerałów. Skalę twardości w skali Mohsa przedstawiono w tablicy 3.

12 12 Ćwiczenie 1 Tablica 3. Twardości minerałów wzorcowych stosowanych w metodzie pomiaru twardości w skali Mohsa Minerał Twardość Minerał Twardość talk gips kalcyt fluoryt apatyt ortoklaz kwarc topaz korund diament Pomiar właściwości wytrzymałościowych spieków Wytrzymałość na rozciąganie, zginanie, ściskanie oraz udarność bada się na próbkach spieków wykonanych w specjalnych matrycach z tych samych materiałów i w warunkach identycznych do warunków wykonania partii spieków, której właściwości należy określić. Wadą tego typu badań jest to, że trudno jest wykonać próbki o takich samych właściwościach, co kształtki. Oznaczenie wytrzymałości na rozciąganie Oznaczenie wytrzymałości na rozciąganie spieków metalowych przeprowadza się na kształtce wykonanej w matrycy, której otwór przedstawiono na rys. 4. Po spiekaniu próbka nie może być Rys. 4. Kształtka spieku metalowego do badania wytrzymałości na rozciąganie okrąglenie krawędzi, przy czym promień zaokrąglenia nie powinien być większy niż 0,2 mm. Oznaczenie wytrzymałości na rozciąganie dla spieków ceramicznych przeprowadza się na kształtkach przedstawionych na rys. 5. poddawana żadnym zabiegom wykończeniowym, aby nie zwiększać rozrzutu wyników. Szczególnie nie można jej poddawać obróbce skrawaniem, przeciskaniu itp., a więc procesom powodującym zgniot i zamykanie porów. Po spiekaniu możliwe jest jedynie usunięcie wypływek. Przy tej czynności dopuszcza a -

13 Ćwiczenie 1 13 Rys. 5. Kształtka spieku ceramicznego do badania wytrzymałości na rozciąganie Powierzchnia próbek, zwłaszcza w miejscu przewężenia, nie powinna wykazywać rys, wgłębień i zanieczyszczeń, które mogą być przyczyną przedwczesnego zerwania. Aby uniknąć naprężeń zginających w trakcie rozciągania, próbki mocuje się wychylnie w maszynie wytrzymałościowej w specjalnych uchwytach. Prawidłowo wykonane próbki po zerwaniu mają przełom pofałdowany i gruboziarnisty, natomiast próbki słabe, wadliwie wykonanie, mają przełom gładki. Próbki o podanych kształtach (rys. 4 i 5) poddaje się rozciąganiu na maszynie wytrzymałościowej do momentu zerwania, a wytrzymałość oblicza się ze wzoru: R m F S F m największa siła obciążająca, S początkowe pole przekroju próbki. Oznaczenie wytrzymałości na zginanie Przyrząd do badania wytrzymałości na zginanie spieków metalowych przedstawiono na rys. 6. Próbkę o znormalizowanym kształcie umieszcza się na wspornikach i poddaje naciskowi trzpienia. Płaszczyzna symetrii zestawu oprzyrządowania powinna pokrywać się z osią symetrii maszyny wytrzymałościowej. m Wytrzymałość na zginanie oblicza się ze wzoru: R g Fm g b 2 g grubość próbki, b szerokość próbki, F m siła niszcząca. Rys. 6. Przyrząd do badania wytrzymałości na zginanie spieków metalowych

14 14 Ćwiczenie 1 Oznaczenie wytrzymałości na zginanie dla spieków ceramicznych przeprowadza się na próbkach pokazanych na rys. 7 o wymiarach podanych w tablicy 4. Wytrzymałość na zginanie oblicza się ze wzorów: a) dla próbki z rys. 7a: 8 Fg Lp Rg 3 D b) dla próbki z rys. 7b: 8 Fg Lp Rg 2 b D c) dla próbki z rys. 7c: 1,5 Fg L 2 b g Rys. 7. Próbki ceramiczne do badania wytrzymałości na zginanie i udarność Tablica 4. Długość próbek ceramicznych i odległość pomiędzy podporami przy oznaczaniu wytrzymałości na zginanie i udarność R g F g siła niszcząca, L p odległość pomiędzy punktami podparcia, D średnica próbki, b szerokość próbki g wysokość próbki, p Rodzaj próbki a a b b c Długość próbki (70) Odległość między podporami L p [mm] wytrzymałość na; zginanie udarność (50) 25 (40) Uwagi zalecana dopuszczona zalecana zalecana dopuszczona Oznaczanie wytrzymałości na ściskanie Wytrzymałość na ściskanie jest to naprężenie odpowiadające sile ściskającej powodującej zniszczenie próbki. Dla spieków metalowych próbki do badań wykonuje się w postaci walca o średnicy

15 Ćwiczenie 1 15 Φ = 25H5 i wysokości mm. Próbę ściskania prowadzi się na przyrządzie przedstawionym na rys. 7. Rys. 7. Zestaw płyt naciskowych z przegubem W trakcie badania wytrzymałości na ściskanie wyznacza się umowną granicę plastyczności. Umowna granica plastyczności przy ściskaniu określana jest jako naprężenie powodujące trwałe skrócenie próbki o 2 % pierwotnej długości pomiarowej. Jej określenie polega na zbudowaniu wykresu obrazującego zależność siły ściskającej w funkcji skrócenia próbki (rys. 8), a następnie określeniu siły F 2 odpowiadającej trwałemu skróceniu próbki o 2 %. W tym celu na wykresie wyznacza się prostą, w odległości odpowiadającej skróceniu o 2 %, równoległą do prostoliniowego przebiegu wykresu w odległości powyżej określonej. Przecięcie tak poprowadzonej prostej z wykresem, odpowiada sile F 2. Rys. 8. Zależność siły ściskającej od skrócenia próbki Dla spieków ceramicznych badanie wytrzymałości na ściskanie przeprowadza się na próbkach o wymiarach podanych na rys. 9. Próbki powinny mieć podstawy dokładnie równoległe i oszlifowane. Wyraźnym sygnałem niewłaściwego oszlifowania próbki są trzaski występujące w trakcie zwiększania obciążenia. Wytrzymałość na ściskanie określa się ze wzoru: F c siła ściskająca powodująca zniszczenie F2 R2 S próbki, S powierzchnia przekroju poprzecznego Umowna granica plastyczności przy ściskaniu (R 2 ) określa się ze wzoru: F2 R2 S F 2 siła ściskająca według rys. 8, S powierzchnia przekroju poprzecznego próbki.

16 16 Ćwiczenie 1 Rys. 9. Próbka ceramiczna do badania wytrzymałości na ściskanie Oznaczenie udarności Udarność określa się na próbkach przedstawionych na rys. 7, o wymiarach z tablicy 4. Badanie przeprowadza się za pomocą młota Charpy ego o energii 0,5 lub 1 J. Udarność oblicza się ze wzorów: a) dla próbek z rys. 7a: 4 A a 2 D b) dla próbek z rys. 7b: A a 4 b D c) dla próbek z rys. 7c: A a 4 b g A energia uderzenia powodująca udarowe złamanie próbki, D średnica próbki, b szerokość próbki, g grubość próbki Literatura źródłowa (wykorzystana w opracowaniu) 1. Odpowiednie fragmenty z wykładów, 2. Podstawowa literatura dotycząca podstawowych oznaczeń wytrzymałościowych wyrobów metalowych, 3. katalog firmy Malvern Instruments Ltd. W praktyce uzyskanie idealnej równoległości podstaw próbki jest trudne do osiągnięcia. Dlatego między szczęki maszyny wytrzymałościowej a próbkę wkłada się podkładki z kartonu o grubości 0,2 0,4 mm. Wytrzymałość na ściskanie oblicza się tak, jak dla spieków metalowych.

17 Ćwiczenie STANOWISKO LABORATORYJNE (Struktura i obsługa stanowiska laboratoryjnego (ewentualnie stanowisk lub urządzeń). 1) Oznaczenie wielkości drobnych cząstek proszków. Typowym przyrządem do oznaczania wielkości cząstek proszków jest analizator cząstek typu Mastersizer E firmy Malvern. Jest on przystosowany do pomiaru cząstek większych niż 0,5 μm. Zasada pracy przyrządu opiera się na pomiarze wielkości odchylenia wiązki strumienia światła laserowego niskiej mocy na cząstkach badanego proszku. Otrzymanie prawidłowych wyników pomiarów wymaga wprowadzenia proszku do cieczy, którą najczęściej jest woda oraz wprowadzeniu drgań ultradźwiękowych do pojemnika z wodą i badanym proszkiem. Dzięki temu zapobiega się aglomeracji cząstek proszku. Wynik pomiaru uzyskuje się poprzez porównanie wielkości cząstki z powierzchnią kuli o równoważnej powierzchni. Otrzymane wyniki pomiarów podawane są w postaci stabelaryzowanej. Współpracujący z analizatorem komputer przeprowadza analizę wyników pomiarów i podaje je w postaci wykresów obrazujących udział poszczególnych frakcji badanego proszku. Podaje również maksymalną wielkość cząstek stanowiących do 10 %, 50 % i 90 % całej objętości badanego materiału. 2) Mielenie proszków Rys. 10. Obraz laboratoryjnego młynka planetarnego pulverisette 6

18 18 Ćwiczenie 1 Na rys. 10 przedstawiony jest laboratoryjny młynek planetarny pulverisette 6. Jest to uniwersalny młynek stosowany do szybkiego rozdrabniania na sucho lub na mokro materiałów twardych i kruchych. Zespół mielący składający się z pojemnika mielącego i kul jest wykonany jest z ZrO 2. Młynek ten może być stosowany do mieszania, ujednoradniania i mechanicznego stopowania. Podczas pracy młynka, na wypełnione w odpowiednich proporcjach z rozdrabnianego materiału i kulek mielących, działają siły odśrodkowe wywołane obrotem naczynia mielącego względem swej osi oraz obrotem tarczy nośnej, na której jest umocowane naczynie mielące. Naczynie mielące jest usytuowane mimośrodowo na tarczy nośnej. Kierunki wirowania naczynia i tarczy nośnej są przeciwne. Dzięki temu siły odśrodkowe działają na przemian zgodnie lub przeciwnie, co sprzyja intensyfikacji procesu mielenia. Konstrukcja młynka pozwala na mielenie z regulowaną prędkością. Maksymalna prędkość wirowania pojemnika wynosi 600 obr/min. Podczas mielenia na sucho można uzyskiwać ziarna nie mniejsze niż 20 μm. Znacznie mniejsze cząstki, nawet o wielkości 1 μm, można uzyskać podczas mielenia na mokro w cieczach niepalnych. Czas mielenia musi być odpowiednio wydłużony 4) Budowa mechanicznej praski automatycznej MPM3 do prasowania proszków Na rys. 11 przedstawiony jest obraz mechanicznej praski automatycznej do prasowania proszków MPM3 a na rys. schemat budowy i zasada jej działania. Rys. 11. Budowa prasy automatycznej

19 Ćwiczenie stempel dolny 2 stempel górny 3 matryca 4 suwak górny 5 suwak dolny 6 zasypnik 7 rolka wałka mimośrodowego 8 krzywka sterownicza 9 cięgno krzywki 10 dociskacz krzywki sterowniczej Rys. 12. Schemat budowy i zasada jej działania prasy MPM3

20 20 Ćwiczenie 1 4. REALIZACJA EKSPERYMENTÓW TECHNOLOGICZNYCH (Uwagi bhp, kolejność i sposób wykonywania zadań praktycznych, wykonywanie pomiarów przyrządy pomiarowe, procedura) Uwagi bhp Podczas wykonywania ćwiczenia występują następujące zagrożenia: - porażenie prądem elektrycznym: młynek kulowy, parsa automatyczna, analizator wielkość cząstek proszku, - nieostrożne postępowanie podczas pracy prasy może spowodować zmiażdżenie, np. palca Program ćwiczenia Program ćwiczenia składa się z następujących zadań szczegółowych: 1) przeprowadzenie oznaczenia gęstości pozornych spieków metalowych i ceramicznych, 2) zapoznanie się z budową i zasadą działania analizatora wielkości cząstek proszków metalowych typu Malvern Mastersizer, 3) zapoznanie się z budową i zasadą działania wysokoenergetycznego młynka kulowego firmy FRITSH typ pulverisette 6 przeznaczonego do mielenia proszków, 4) poznanie budowy i zasady działania prasy mechanicznej do prasowania proszków na przykładzie prasy typu MPM3 pracującej w cyklu automatycznym Wykonanie zadań (opis postępowania) W trakcie ćwiczenia wykonywane są następujące prace: 1) oznaczenie gęstości pozornych i względnych wytypowanych kształtek wykonanych ze spiekanych proszków brązu B10 (d Cu = 8,96 Mg/m 3, d Sn = 7,32 Mg/m 3 ), 2) dokonanie analizy budowy i zapoznanie się z zasadą działania analizatora wielkości cząstek proszków metalowych typu Malvern Mastersizer oraz oznaczenie składu ziarnowego frakcji podsitowej próbki proszku metalowego,

21 Ćwiczenie ) dokonanie analizy budowy i zapoznanie się z zasadą działania wysokoenergetycznego młynka kulowego firmy FRITSH typ pulverisette 6 przeznaczonego do mielenia proszków, 4) dokonanie analizy budowy i zapoznanie się z zasadą działania prasy mechanicznej typu MPM3 pracującej w cyklu automatycznym, służącej do wytwarzania drobnych elementów z proszków metalowych i ceramicznych; określenie wydajności prasy, tj. ilości wyprasek wytwarzanych w jednostce czasu. 5. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: uwagi bhp, program ćwiczenia, czyli treść zadań, opracowanie zadań w postaci szkiców, podanie zastosowanych wartości parametrów i warunków technologicznych eksperymentów, wyniki eksperymentów, ilustracje wyników wykresami, oszacowania błędów pomiarów oraz wnioski dotyczące przeprowadzonych doświadczeń. 6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA (dla studentów aktualna i dostępna w bibliotece lub informacje w internecie) 1. Podstawowa literatura dotycząca metalurgii proszków (podana na wykładzie).