WPŁYW ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNEGO I OBRÓBKI CIEPLNEJ NA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE POROWATYCH SPIEKÓW METALI. Al. Jana Pawła II 37, Kraków

Transkrypt

1 69/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Ro 2006, Roczni 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN WPŁYW ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNEGO I OBRÓBKI CIEPLNEJ NA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE POROWATYCH SPIEKÓW METALI K. ZARĘBSKI 1, S. OKOŃSKI 2, P. PUTYRA 3, 1,2,3 Politechnia Kraowsa, Instytut Inżynierii Materiałowej, Al. Jana Pawła II 37, Kraów STRESZCZENIE W pracy zaprezentowane są wynii badań mających na celu oreślenie wpływu odształcenia plastycznego na zimno i następującej po nim zróżnicowanej obróbi cieplnej na wybrane właściwości wytrzymałościowe i plastyczne spieu o struturze porowatej. Key words: PM materials, cold plastic deformation, heat treatment, mechanical properties 1. WPROWADZENIE Zjawisa zachodzące w odształcanych plastycznie porowatych spieach metali oraz ich wpływ na właściwości i struturę materiału mają szczególne znaczenie przy projetowaniu wyrobów i technologii obróbi plastycznej z zastosowaniem spieanych wstępniaów. Obróba plastyczna (dalej OP) materiałów porowatych jest jedną z głównych metod uzysiwania wyrobów o wysoich cechach użytowych, łączących żądany ształt i doładność wymiarową z wymaganą wytrzymałością lub/i plastycznością. Właściwości mechaniczne spieanych materiałów są zależne od ich sładu chemicznego i strutury osnowy oraz gęstości (porowatości). W celu uzysania 1 mgr inż., azar@mech.p.edu.pl 2 dr hab. inż., oonsi@mech.p.edu.pl 3 mgr inż., putp@poczta.onet.pl

2 wyrobów z proszów o gęstości zbliżonej do gęstości materiału litego stosuje się różnorodne technologie [4]. W jednej z nich wyorzystuje się następujące po sobie olejno: formowanie, spieanie, ształtowanie plastyczne i obróbę cieplną. OP spieanych materiałów porowatych oprócz celowej zmiany ich ształtu i wymiarów wprowadza trwałą zmianę objętości obrabianego materiału, a co za tym idzie, zmianę gęstości i porowatości. Jednocześnie z tymi zmianami występuje zjawiso wzmocnienia odształceniowego osnowy, wpływające między innymi na podniesienie właściwości wytrzymałościowych spieu z jednoczesnym obniżeniem jego właściwości plastycznych. Odształceniom plastycznym może towarzyszyć zmiana morfologii puste z możliwością całowitego zamyania i spajania oraz łączenia części z nich. Następująca po OP obróba cieplna (dalej OC) otrzymanego wyrobu ma na celu między innymi zniesienie pewnych nieorzystnych sutów odształcenia oraz przywrócenie pierwotnej izotropowej morfologii puste. Zastosowanie OP na zimno jao metody podwyższania gęstości i wzmocnienia osnowy spieu ma pewne ograniczenia, może bowiem nastąpić obniżenie spójności na granicach ziarn proszu (zwłaszcza przy dużej porowatości początowej) [2]. Zniwelowanie nieorzystnych sutów OP może nastąpić poprzez zastosowanie OC w warunach wysoiego spieania. Ponadto obróba taa przynosi dalsze zmniejszenie porowatości, co przyczynia się do poprawy właściwości mechanicznych spieu. Doświadczalne wyznaczenie ilościowych i jaościowych związów między parametrami ształtowania plastycznego a wybranymi właściwościami mechanicznymi porowatych spieów metali jest niezbędne do prawidłowego projetowania wyrobów oraz technologii ich wytwarzania. Przedstawione tu opracowanie uzupełnia te związi o dodatowe spostrzeżenia, łączące parametry OC spieów ształtowanych plastycznie na zimno z ich właściwościami wytrzymałościowymi i plastycznymi. 2. BADANIA WŁASNE 2.1. Cel i zares badań, przygotowanie materiałów do badań Przeprowadzone badania miały na celu oreślenie wpływu zróżnicowanej OC odształconego wcześniej na zimno porowatego spieu na jego wybrane właściwości mechaniczne: wytrzymałość na rozciąganie R m, granicę plastyczności R p02 oraz wydłużenie względne A 5. Przygotowano materiał do badań ształti z proszu PNC-60 firmy Höganäs SA 4 prasowane w pływającej matrycy z dodatiem środa poślizgowego Kenolybe P11 w ilości 0,5 [%] wagowo i spieane w temperaturze 1120 o C, w czasie 1 h, atmosfera: wodór. Porowatość początowa po spieaniu Θ 0 =0,225±0,005. Wymiary początowe ształte wynosiły 60x10xh [mm], gdzie h jest wysoością, gwarantującą uzysanie próbi o żądanej porowatości ońcowej po ustalonym odształceniu plastycznym (dobór wysoości h przeprowadzono wyorzystując metodyę stosowana w [2]). Następnie próbi odształcono plastycznie 4 Prosze PNC-60 otrzymano nieodpłatnie dzięi uprzejmości autoryzowanego przedstawiciela firmy Höganäs AB, Pana Sławomira Kozłowsiego, KOS -Technia. 110

3 na zimno przez ścisanie w warunach zbliżonych do brau tarcia (odształcenie rzeczywiste: ε =0,300±0,006) uzysując ostatecznie porowatość ońcową Θ 1 =0,120±0,003 i poddano je OC: ponownemu spieaniu w czasie 1 h w atmosferze wodoru w temperaturze 1120 o C lub wyżarzaniu rerystalizującemu w temperaturze 650 o C, również w czasie 1 h i w atmosferze wodoru. Tabela 1. Sład chemiczny i gęstość osnowy spieu z proszu PNC-60 Table 1. Chemical composition and density of matrix of the PM PNC-60 Gatune Sład chemiczny [%] proszu Fe C P Gęstość osnowy spieu [g/cm 3 ] PNC-60 99,34 0, ,834 Sład chemiczny i gęstość osnowy spieu podano w tabeli 1 natomiast porowatość, gęstość, parametry OP i OC przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Porowatość, gęstość oraz parametry OP i OC spieów proszu PNC-60 Table 2. Porosity, density and parameters of plastic deformation and heat treatment of the PM PNC-60 Nr próbi Porowatość początowa Odształcenie rzeczywiste Porowatość ońcowa Gęstość ońcowa ρ 1 Temperatura OC Θ 0 ε Θ 1 [g/cm 3 ] T [ o C] 1 0, ,228 6, , ,123 6, ,229 0,294 0,123 6, ,223 0,297 0,119 6, ,228 0,299 0,121 6, Uwagi 1h, wodór 1h, wodór 2.2. Metodya badań i obliczeń Ścisanie próbe przeprowadzano między polerowanymi owadłami w przyrządzie zapewniającym ich równoległość. W celu stworzenia warunów zbliżonych do brau tarcia stosowane były specjalne przeładi z folii teflonowej oddzielające próbi od powierzchni owadeł, dodatowo w obecności smaru płynnego z dodatiem grafitu. Próbi były odształcane na maszynie wytrzymałościowej EU40 oraz na prasie AMSLER 100 D66 z prędością odształcania rzędu 0,005 s -1. Wytrzymałość na rozciąganie R m, granica plastyczności R p02 oraz wydłużenie względne A 5 wyznaczono w statycznej próbie rozciągania na próbach walcowych pięciorotnych o średnicy początowej φ5 mm zgodnych z normą PN-86/H

4 Próby wyonano w temperaturze otoczenia z prędością przyrostu naprężenia 0,03MPa/min. Stosowano rejestrację omputerową wydłużenia próbi oraz atualnej siły wywołującej to wydłużenie przy pomocy autorsiego oprogramowania DasTP. Obserwacje i zdjęcia mirostrutury zostały wyonane za pomocą mirosopu optycznego Nion Eclipse ME600P na zgładach metalograficznych trawionych 5% roztworem nitalu. Doonano również obserwacji przełomów próbe rozciąganych na mirosopie saningowym JSM 5510LV firmy JEOL. Sonstruowanie wyresów naprężeń rzeczywistych oraz rzywych wzmocnienia osnowy spieów na podstawie wyniów prób rozciągania (bez rejestracji zmian średnicy) wymaga uwzględnienia w drodze obliczeniowej zmniejszenia przeroju próbe oraz oreślenia naprężenia uplastyczniającego σ p i parametru wzmocnienia osnowy. W tym celu wyorzystuje się następujące równania [1,3]: związe między porowatością Θ i atualnym odształceniem plastycznym ε pl zz spieu: pl 1 exp( zz ) ε (1) Θ = pl 1 (1 Θ0) exp( ε zz ) + (1 ) Θ zależność atualnego promienia rozciąganej próbi od porowatości: Θ r 1 + 2α = exp dθ (2) r0 Θ Θ 0 6α (1 ) wyrażenia oreślające współrzędne rzywej wzmocnienia osnowy: 1 + α P 1 + α σ ( ) = σ = (3) p zz 2 β π r β Θ 1 β (1 + α ) = dθ (4) 2 3 α(1 Θ) Θ 0 gdzie: P atualna siła obciążająca próbę, r 0 promień początowy próbi, α i β funcje zależne od porowatości, wyznaczone w [1] i mające postać: 1 (1 Θ) b α ( Θ) = ; β ( Θ) = (1 Θ) (5) 2 + (1 Θ) Dla spieu z proszu PNC-60: =1,94, b=5, WYNIKI BADAŃ Wynii badań granicy wytrzymałości na rozciąganie, umownej granicy plastyczności oraz wydłużenia względnego przedstawione zostały na rys. 1 Próbi nr 4 i nr 5 prezentują wpływ zróżnicowanej OC na badane właściwości spieu. 112

5 Na rys. 2 przedstawiono wyres obrazujący wpływ odształcenia oraz OC na przebieg próby rozciągania spieu w uładzie współrzędnych: względne wydłużenie procentowe - naprężenie umowne. Rys. 3 prezentuje przyładowe rzywe wzmocnienia osnowy. W tab. 3 przedstawiono wybrane zdjęcia mirostrutur oraz powierzchni przełomów próbe rozciąganych σ [N/mm 2 ] A5 [%] Próba 1 Próba 2 Próba 3 Próba 4 Próba 5 0 Rm Rp A Rys. 1. Wynii statycznej próby rozciągania spieów z uwzględnieniem wpływu różnych warunów OP i OC. Fig 1. Results of tensile tests of PM PNC -60 illustrating influence of different plastic deformations and heat treatment. 4. DYSKUSJA WYNIKÓW I UWAGI KOŃCOWE Porównanie próbe 1 i 2 (rys. 1) charateryzuje wpływ więszej gęstości spieu na wzrost wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności i wydłużenia A 5. Jeszcze więszy wzrost R m i R p02 uzysano, odształcając spie o porowatości początowej równej porowatości próbi 1 i doprowadzając go do porowatości taiej ja w próbce 2. Na wyresie (rys. 1) obrazują to wynii dla próbi nr 3, tóra ma jedna bardzo małą wartość A 5. Rerystalizacja spieu (próba nr 4) spowodowała zwięszenie wydłużenia A 5 przy jednoczesnym obniżeniu wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności, przy czym są one zbliżone do wartości dla próbi nr 2, czyli spieu o tej samej porowatości, lecz bez OP. Najlepsze wynii, odnośnie do poprawy wydłużenia uzysano stosując ponowne spieanie, co prezentują wynii dla próbi nr 5. Taa OC przyniosła 113

6 jednocześnie podniesienie wytrzymałości i nieznaczne obniżenie granicy plastyczności w porównaniu z próbą po wyżarzaniu rerystalizującym. 600 naprężenie umowne σ [N/mm 2 ] Próba 1 Próba 2 Próba 3 Próba 4 Próba wydłużenie względne procentowe ε [%] Rys. 2. Wpływ OP i OC na wynii statycznej próby rozciągania spieu PNC-60. Fig. 2. Influence of plastic deformation and heat treatment on results of tensile tests of PM 540 naprężenie uplastyczniające osnowy σpl [N/mm 2 ] Próba nr Próba nr 2 Próba nr Próba nr ,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 odształcenie zastępcze osnowy PNC-60 Rys. 3. Wybrane rzywe wzmocnienia osnowy spieów Fig. 3. Selected equivalent stress-strain curves of PM matrix 114

7 Tabela 3. Zdjęcia mirostrutur i powierzchni przełomów dla spieów proszu PNC-60 Table 3. Pictures of microstructures and fracture surface of PM PNC-60 Nr próbi Mirostrutura próbi, powięszenie. 500x Przełom próbi rozciąganej, powięszenie. 1000x W próbce nr 2 występuje równomierne rozłożenie sferoidalnych puste. Spie odształcony plastycznie wyazuje wyraźną zmianę ształtu puste, tóre są wydłużone w ierunu odształcania (próba 3). Rerystalizacja (próba 4) nie wpływa na zmianę ształtu puste. Ziarna charateryzują się mniejszą średnicą i dużą jednorodnością, co wsazuje, że w tych warunach OC (temperatura i czas) nie doszło do rozrostu ziarn i rerystalizacji wtórnej. Ponowne spieanie odształconego plastycznie spieu przywraca pierwotną izotropową struturę puste (próba nr 5). Przełomy próbe nie odształconych plastycznie o porowatości 0,125 wyazują przewagę przełomu 115

8 ciągliwego z nielicznymi miejscami wsazującymi na przełom transrystaliczny. Próbi po odształceniach rzeczywistych rzędu ε =0,3 wyazują zwięszoną ilość obszarów, w tórych występuje pęanie po granicach ziarn. Spiei, tóre po OP poddane zostały OC polegającej na pełnym spieaniu w temperaturze 1120 o C wyazują ponownie przewagę przełomu ciągliwego Badania wyazały, że odpowiednio dobrana OC wpływa na poprawę właściwości mechanicznych porowatych spieów, poddanych wstępnie OP na zimno. Ponowne spieanie wywołuje podwyższenie właściwości plastycznych oraz dodatowe obniżenie porowatości. Wyżarzanie rerystalizujące również powoduje poprawę właściwości plastycznych, jedna bez istotnego wpływu na porowatość. Wydaje się celowe dalsze prowadzenie podobnych badań, szczególnie w ierunu oreślenia wpływu parametrów OC, głównie temperatury na zmianę właściwości odształcanych na zimno porowatych spieów. LITERATURA [1] H. Kiełuci, St. Oońsi, Z. Polańsi: Charaterystyi materiałowe ształtowanych plastycznie spieów metali, Projet KBN nr 7 T 08 D 00910/1996. [2] A. Kosoń-Schab, Własności mechaniczne odształconych plastycznie spieów metali. Praca dotorsa, Politechnia Kraowsa, Kraów [3] St. Oońsi: Podstawy plastycznego ształtowania materiałów spieanych z proszów metali, Monografia 153, Politechnia Kraowsa, Kraów [4] S. Szczepani.: Przeróba plastyczna materiałów spieanych z proszów i ompozytów, AGH Uczelniane Wydawnictwo Nauowo-Dydatyczne, 2003 [5] PN-81/H-04934: Metalurgia proszów. Oznaczanie gęstości i porowatości otwartej, zawartości oleju i stopnia nasycenia [6] PN-86/H 04937: Spieane materiały ceramiczne. Oznaczanie wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia względnego. INFLUENCE OF PLASTIC DEFORMATION AND HEAT TREATMENT ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF POROUS SINTERED METALS SUMMARY This wor presents results of investigations, which may in view determinate influence of cold plastic deformation and following after deformation a different heat treatment on the selected strength and plastic properties of porous sintered metals. Recenzował: prof. Józef Dańo. 116