Doświadczalne gniazdo do spiekania i obróbki cieplno-chemicznej wyrobów wytwarzanych metodą metalurgii proszków

Transkrypt

1 Obróbka Plastyczna Metali Vol. XXIII Nr 2 (2012) Procesy kształtowania wyrobów z proszków metali Mgr inŝ. Dariusz GARBIEC, mgr inŝ. Tomasz WIŚNIEWSKI, inŝ. Filip HEYDUK, mgr inŝ. Walerian MAJCHRZAK Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań dariusz.garbiec@inop.poznan.pl Doświadczalne gniazdo do spiekania i obróbki cieplno-chemicznej wyrobów wytwarzanych metodą metalurgii proszków Experimental sintering and thermo-chemical treatment nest for products made using powder metallurgy Streszczenie W artykule opisano budowę i eksploatację doświadczalno-badawczego gniazda GSPM-75 do spiekania i obróbki cieplno-chemicznej wyrobów wykonywanych metodą metalurgii proszków. Przedstawiono procesy technologiczne spiekania wstępnego, spiekania wysokiego oraz azotonawęglania części wykonywanych w ramach prac dotyczących optymalizacji technologii. Abstract This article describes the construction and exploitation of the experimental research GSPM-75 nest for sintering and thermo-chemical treatment of products made using the powder metallurgy method. Technological processes of initial sintering, high temperature sintering, and nitro-carburization of parts made within the framework of work on parts production optimization, have been presented. Słowa kluczowe: metalurgia proszków, urządzenia do spiekania i obróbki cieplno-chemicznej, spiekanie wstępne, spiekanie wysokie, azotonawęglanie Keywords: powder metallurgy, sintering and thermo-chemical treatment devices, initial sintering, high temperature sintering, nitro-carburization 1. WSTĘP W Zakładzie Zaawansowanych Technologii Kształtowania Instytutu Obróbki Plastycznej prowadzi się prace badawczo-rozwojowe dotyczące wyrobów wytwarzanych metodą metalurgii proszków. Są to często wyroby o złoŝonych kształtach, wysokiej dokładności wymiarowej i wymaganych wysokich własnościach eksploatacyjnych. Proces wykonywania wyrobów technologią metalurgii proszków składa się zasadniczo z dwóch podstawowych operacji: prasowania i spiekania. Odpowiednio dobraną mieszankę proszków poddaje się prasowaniu na zimno, a otrzymaną wypraskę - spiekaniu. 1. INTRODUCTION The Advanced Forming Technologies Plant of the Metal Forming Institute conducts research and development work pertaining to products made using the powder metallurgy method. These are often products with complex shapes, high dimensional accuracy, and high required properties of exploitation. The process of producing products using powder metallurgy technology primarily consists of two basic operations: pressing and sintering. An appropriately selected powder mixture is subjected to cold pressing and the obtained compact is sintered.

2 102 D. Garbiec, T. Wiśniewski F. Heyduk, W. Majchrzak Celem spiekania jest uzyskanie wymaganych własności wyrobu, takich jak: gęstość, twardość, wytrzymałość oraz odpowiednich wymiarów. Celem uzyskania odpowiednich własności wytrzymałościowych po procesie spiekania stosuje się obróbkę cieplną lub cieplno-chemiczną. Do badań i analizy procesów spiekania i obróbki cieplno-chemicznej oraz do optymalizowania technologii procesów wytwarzania części proszkowych uruchomiono w INOP gniazdo doświadczalne [1]. 2. BUDOWA GNIAZDA Gniazdo GSMP-75, zbudowane na bazie elektrycznego retortowego pieca wgłębnego typu PSF-12/75, przeznaczone jest do spiekania wyrobów z proszków metali w atmosferze redukującej azotowo-wodorowej zdysocjowanego amoniaku (75%H 2 +25%N 2 ) oraz do procesów nawęglania w atmosferze endotermicznej z metanolu i propanu technicznego, a przy azotonawęglaniu z dodatkiem gazowego amoniaku. W skład gniazda wchodzą następujące urządzenia: elektryczny retortowy piec wgłębny typu PSF-12/75 z szafą sterowniczą, wyposaŝoną w układy sterowania procesem i moŝliwością rejestracji parametrów wykonywanego procesu, zespół retorty nr 1 z mieszarką atmosfery przeznaczony do pracy w temperaturze 950 o C (nawęglanie, azotonawęglanie), zespół retorty nr 2 z mieszarką atmosfery przeznaczony do spiekania wstępnego w temperaturze do 950 o C, zespół retorty nr 3 bez mieszarki atmosfery przeznaczony do spiekania wysokiego w temperaturze do 1200 o C, studzienka schładzania zespołu retorty SCH-75, dysocjator amoniaku DAe-6, wanna hartownicza wodno-olejowa typu WWO Widok ogólny gniazda GSPM-75 przedstawiono na rys. 1, a rozmieszczenie poszczególnych urządzeń na rys. 2. The goal of sintering is to obtain the required product properties, such as: density, hardness, strength, and the appropriate dimensions. The goal of obtain suitable strength properties additional heat or thermo-chemical treatment after sintering. An experimental nest for study and analysis of sintering and thermo-chemical processes and optimization of production process of the powder parts has been activated at the Metal Forming Institute [1]. 2. NEST DESIGN The nest GSMP-75, built on the base of a PSF-12/75 electric soaking retort furnace, has the purpose of sintering products from metal powders in a nitrogen and hydrogen reducing atmosphere of dissociated ammonia (75%H %N 2 ), and is capable of realizing carburizing processes in an endothermic atmosphere of methanol and technical propane, with the addition of gaseous ammonis during nitrocarburization. The following devices are present as part of the nest: PSF-12/75 electric soaking retort furnace with control box, equipped with process control systems and having the capability of registering parameters of the realized process, retort unit No. 1 with atmosphere mixer for work at a temperature of 950 o C (carburization, nitro-carburization), retort unit No. 2 with atmosphere mixer for initial sintering at a temperature up to 950 C, retort unit No. 3 without atmosphere mixer for high temperature sintering at a temperature up to 1200 o C, SCH-75 retort unit cooling pool, DAe-6 ammonia dissociator, water and oil WWO-1600 quench hardening tub. The general view of the GSPM-75 nest has been shown on fig. 1, and the placement of individual devices has been shown on fig. 2.

3 Doświadczalne gniazdo do spiekania i obróbki cieplno-chemicznej Rys. 1. Widok gniazda GSMP-75 Fig. 1. View of the GSMP-75 nest Rys. 2. Schemat gniazda GSMP-75 Fig. 2. Scheme of the GSMP-75 nest Piec posiada cylindryczną obudowę i komorę grzejną w kształcie prostopadłościanu o podstawie kwadratowej. Izolacja termiczna ścian bocznych pieca jest wielowarstwowa, wykonana z włóknistych materiałów ceramicznych w postaci mat, płyt i prostek. Spiralne elementy grzejne wykonane z kanthalowego drutu oporowego, tworzą strefę grzejną pieca i zasilane są poprzez sterownik tyrystorowy współpracujący z regulatorem temperatury. Instalacja gazowa składająca się z pakietu przewodów elastycznych i elementów podłączeniowych, słuŝy do przesyłu mediów do retorty. Retorty o kształcie cylindra zakończone są u dołu dnem elipsoidalnym, a u góry kołnierzem. Wewnątrz kołnierza, na jego obwodzie, wykonany jest kanał chłodzący, przez który podczas procesu przepływa czynnik chłodzący. The furnace has a cylindrical housing and a heating chamber in the shape of a rectangular prism with a square base. Thermal insulation of furnace side walls is many-layered and made from fibrous ceramic materials in the form of mats, tiles, and straight connection pipes. Spiral heating elements are made from kanthal resistance wire, constitute a single zone of the furnace, and are powered by means of a thyristor controller cooperating with a temperature regulator. The gas installation, comprised of a bundle of hoses and connecting elements, has the task of supplying media to retort. Retorts have the shape of a cylinder with an ellipsoidal bottom and a flange at the top. Inside the flange, a cooling channel runs around its circumference, with refrigerant flowing through it during the process.

4 104 D. Garbiec, T. Wiśniewski F. Heyduk, W. Majchrzak W retorcie umieszczona jest kierownica atmosfery w celu uzyskania wewnątrz przestrzeni roboczej równomiernego przepływu gazu. Otwór retorty zamknięty jest szczelną pokrywą. Na obwodzie pokrywy znajduje się równieŝ kanał chłodzenia. Do pokrywy podłącza się przewody elastyczne, przez które podaje się azot, atmosferę azotowo-wodorową, a przy azotonawęglaniu: azot, metanol, propan, amoniak, powietrze. W pokrywie retorty nr 1 znajduje się teŝ króciec do podłączenia sondy tlenowej. We wszystkich pokrywach są przepusty dla czujnika temperatury, czujnika ciśnienia minimalnego i króciec wylotowy atmosfery dopalanej w komorze spalania, w której zamontowana jest świeca Ŝarowa inicjująca zapłon wychodzącej z pieca atmosfery. Pokrywa retorty posiada uchwyty do mocowania przy transporcie za pomocą Ŝurawia, całego zespołu retorty lub tylko pokrywy. Dysocjator amoniaku wytwarza atmosferę z ciekłego amoniaku syntetycznego gatunku 1 o zawartości wilgoci określanej temperaturą punktu rosy poniŝej 30 o C i ilości nierozłoŝonego NH 3, nie więcej niŝ 0,05%. Takie parametry atmosfery redukującej w połączeniu z odpowiednią temperaturą pozwalają uzyskać dobre połączenia w spiekanej wyprasce. Pomiary wilgotności stosowanej atmosfery przyrządem typu DM70 wykazywały punkt rosy w zakresie 35 do 40 o C. Dysocjator wyposa- Ŝony jest w niezbędną instalację przepłukiwania azotem, które wykonywane jest kaŝdorazowo przed i po procesie dysocjacji. Amoniak do dysocjatora dostarczany jest z zestawu 4 butli z ciekłym amoniakiem, umieszczonych w osobnym pomieszczeniu. Ciekły amoniak w odparowywaczu dysocjatora, pod wpływem podgrzania, zmienia stan skupienia z cieczy na gaz. Dysocjacja gazowego amoniaku, na wodór i azot, następuje w retorcie nagrzewanej do temperatury 950 o C wypełnionej niklowym katalizatorem, w elektrycznym piecu dysocjatora. 3. CHARAKTERYSTYKA TECHNICZNA GNIAZDA - Maksymalna temperatura pracy pieca PSF-12/ o C - Moc znamionowa urządzenia - 45 kw There is an atmosphere regulator inside the retort for uniform gas flow inside the working space. The retort opening is closed with a hermetic cover. A cooling channel can also be found on the circumference of the cover. Flexible hoses are connected to the cover, and they supply nitrogen, a hydrogen-nitrogen atmosphere, and during nitro-carburization: nitrogen, methanol, propane, ammonia, air. A connector for attachment of an oxygen probe can be found in the cover of retort No. 1. All covers have culverts for a temperature sensor, minimum pressure sensor, and an outlet connector pipe for the atmosphere burned in the combustion chamber, in which a heater plug has been installed for initiation of combustion of the atmosphere exiting the furnace. The retort cover has grips for fastening during transport of the entire retort unit or only covers by means of a crane. The ammonia dissociator produces an atmosphere of grade 1 synthetic liquid ammonia with moisture content determined by a dew point below 30 C and an amount of undissociated NH 3 that is no greater than 0.05%. Such parameters of the reducing atmosphere make it possible to achieve good consolidation combined with the right temperature of the sintered compact. Moisture measurements of the applied atmosphere, made using a DM70 type instrument, indicated a dew point within the range of 35 to 40 C. The dissociator is equipped with an indispensable nitrogen flushing installation, which realizes rinsing before and after every dissociation process. Ammonia is supplied to the dissociator from a set of 4 liquid ammonia tanks stored in a separate room. Liquid ammonia in the dissociator vaporizer changes its state of aggregation from liquid to gas under the influence of heating. The dissociation of gaseous ammonia into hydrogen and nitrogen takes place in a retort heated to 950 C and filled with a nicket catalyst, in the electric furnace of the dissociator. 3. NEST TECHNICAL CHARACTERISTICS - Maximum working temperature of PSF-12/75 furnace o C - Device power rating - 45 kw

5 Doświadczalne gniazdo do spiekania i obróbki cieplno-chemicznej Napięcie zasilania - 3x230/400 V, 50 Hz - Maksymalna masa wsadu brutto kg - Wymiary uŝyteczne retort - φ350x750 mm - Wydajność dysocjatora DAe-6-6 m 3 /h - Rodzaj atmosfery (zdysocjowany amoniak - 75%H 2 +25%N 2 - Punkt rosy atmosfer > -30 o C - Moc znamionowa dysocjatora - 9,5 kw - Amoniak ciekły syntetyczny gatunku I - wg PN-C-84914: Azot spręŝony gatunku N50 - wg PN-C-84912: PROCES SPIEKANIA Proces technologiczny wytwarzania części z proszków po prasowaniu moŝe odbywać się w jednej operacji spiekania (rys. 3) lub w dwu operacjach (rys. 4). Przykładem wyrobu wykonywanego w jednej operacji spiekania wysokiego, bez obróbki cieplno-chemicznej, jest pierścień krzywkowy z proszku Astalloy Mo wykorzystywany w przemyśle samochodowym (rys. 5), a z obróbką cieplno-chemiczną (azotonawęglanie) klin (rys. 6) stosowany w przemyśle budowlanym. - Supply voltage - 3x230/400 V, 50 Hz - Maximum gross charge mass kg - Retort useful dimensions - φ350x750 mm - DAe-6 dissociator output - 6 m 3 /h - Type of atmosphere (dissociated ammonia) - 75%H 2 +25%N 2 - Atmosphere dew point > -30 o C - Dissociator power rating kw - Grade I synthetic liquid ammonia - according to PN-C-84914: N50 grade compressed ammonia - according to PN-C-84912: SINTERING PROCESS The technological process of producing parts from powders after pressing may take place in one sintering operation (fig. 3) or in two operations (fig. 4). An example of a product made in one high temperature sintering operation without thermo-chemical treatment is a cam ring made from Astalloy Mo powder for the automotive industry (fig. 5), and an example of a product that is made with thermochemical treatment (nitro-carburization) is a wedge (fig. 6) for the construction industry. Rys. 3. Proces technologiczny wytwarzania spieku w jednej operacji kształtowania plastycznego [2] Fig. 3. Technological process of sinter production during one plastic forming operation [2] Rys. 4. Proces technologiczny wytwarzania spieku w dwóch operacjach kształtowania plastycznego [2] Fig. 4. Technological process of sinter production during two plastic forming operations [2]

6 106 D. Garbiec, T. Wiśniewski F. Heyduk, W. Majchrzak Rys. 5. Pierścień krzywkowy Fig. 5. Cam ring Rys. 6. Klin Fig. 6. Wedge Rys. 7. Pierścienie ułoŝone w koszykach po spieku wstępnym Fig. 7. Rings placed in baskets after initial sintering Natomiast w dwu operacjach wykonuje się, między innymi, pierścień o wymaganej gęstości 7,65 g/cm 3 i twardości HRC, wykorzystywany w przemyśle włókienniczym (rys. 7). Proces spiekania wstępnego ma na celu nadanie wyrobom odpowiednich własności plastycznych, umoŝliwiających przeprowadzenie procesu dokuwania, celem zwiększenia gęstości. Po kaŝdym procesie spiekania, na wybranych elementach przeprowadzono badania metrologiczne, masy i gęstości Spiekanie wstępne Spiekanie wstępne jest jednym z etapów procesu technologicznego wytwarzania części spiekanych. Do przeprowadzenia tej operacji w gnieździe GSMP-75 wykorzystuje się retortę nr 2. However, two operations are used for, among other products, a ring with a required high density of 7.65 g/cm 3 and hardness of HRC for the textile industry (fig. 7). The initial sintering process has the purpose of obtain adequate plastic properties allow to forging in order to increase its density. During the conducted tests, selected product samples were studied for changes in dimensions, mass, and density after every sintering process Initial sintering Initial sintering is one of the stages in the technological process of production sintered part. Retort No. 2 is used to conduct this operation in the GSMP-75 nest.

7 Doświadczalne gniazdo do spiekania i obróbki cieplno-chemicznej Wsad w postaci wyprasek o masie do 50g ładowany jest do 5 koszy układanych kolejno na zawieszce, którą za pomocą uchwytu przenosi się do retorty nr 2 przeznaczonej do spiekania w temperaturze do 950 o C. Następnie retorta jest szczelnie zamykana pokrywą, do której podłącza się przewody elastyczne słuŝące do transportu zdysocjowanego amoniaku, azotu oraz czynnika chłodzącego pokrywę. Całość przenoszona jest do pieca. Wszystkie czynności związane z transportem wykonywane są przy uŝyciu Ŝurawia słupowego. Przed rozpoczęciem procesu spiekania i wypełnieniem retorty atmosferą azotowowodorową z dysocjacji amoniaku (25%N %H 2 ) naleŝy przepłukać retortę azotem celem usunięcia powietrza. Zabieg ten jest niezbędny, gdyŝ powietrze w połączeniu z wodorem tworzy, w zakresie stęŝeń od 4 do 75%, mieszankę wybuchową. Co najmniej czterokrotna wymiana objętości retorty zabezpiecza przed powstaniem niebezpieczeństwa wybuchu przy nagrzewaniu w zdysocjowanym amoniaku. Po przepłukaniu azotem retortę napełnia się atmosferą z dysocjatora i włącza nagrzewanie pieca, a kontrolę nad dalszym przebiegiem procesu przejmuje program sterujący. Po wypełnieniu retorty zdysocjowanym amoniakiem następuje zapłon wypływającej z kominka atmosfery, zainicjowany Ŝarzącą się świecą Ŝarową. Aby zapewnić równomierny rozkład temperatury wsadu w całej objętości retorty stosuje się wymuszony obieg atmosfery Ŝaroodpornym wirnikiem. Dla wyrównania temperatury pomiędzy piecem a wnętrzem retorty i zapewnienia usunięcia środka poślizgowego stosuje się, przez określony czas, wygrzewanie w temperaturze około 500 o C. Po osiągnięciu zaprogramowanej temperatury wstępnego spiekania program sterujący przebiegiem procesu utrzymuje ją przez zadany czas. Po zakończeniu procesu spiekania cały zespół retorty przenoszony jest do studzienki schładzania, aby przyspieszyć studzenie spieczonego wsadu w atmosferze do temperatury, w której nie nastąpi utlenienie spieczonych części. Po obniŝeniu temperatury zamyka się dopływ atmosfery i rozpoczyna się płukanie retorty azotem. The charge, in the form of a compacts with a mass of up to 50 g, is loaded into 5 baskets placed in sequence on a suspending line, and is moved to retort No. 2, for sintering at temperatures up to 950 C, by means of a grip. Next, the retort cover is hermetically closed, and the cover is attached to flexible hoses supplying dissociated ammonia, nitrogen, and refrigerant for cooling of the cover. The entirety is moved to the furnace. All activities related to transport are carried out using a post crane. Before beginning heating and release of the nitrogen and hydrogen atmosphere from ammonia dissociation (25%N 2 +75%H 2 ) into the retort, nitrogen flushing of the retort is carried out to remove air. This procedure is necessary because air mixed with hydrogen within the concentration range of 4 to 75% creates an explosive mixture. At least a fourfold exchange of the retort volume protects against the hazard of an explosion during heating with dissociated ammonia. After nitrogen flushing, the retort is filled with the atmosphere from the dissociator and furnace heating is activated, with control over the further course of the process being taken over by the operation control program. After filling the retort of dissociated ammonia, the atmosphere exiting the chimney is ignited by means of a glow plug. In order to ensure uniform temperature distribution of the charge over the entire retort volume, forced atmosphere circulation is used by means of a heat resistant rotor. To equalize the temperature between the furnace and the inside of the retort and to ensure removal of the lubricant, soaking at a temperature of approximately 500 o C is applied. After achievement of the programmed temperature of initial sintering, the program controlling sintering process maintains it for a set time. After sintering process the entire retort unit is moved to the cooling pool in order to speed up cooling of the charge sintered in the atmosphere to a temperature at which oxidation of sintered parts will not take place. After the temperature is lowered, atmosphere supply is closed and nitrogen rinsing of the retort is commenced.

8 108 D. Garbiec, T. Wiśniewski F. Heyduk, W. Majchrzak Po schłodzeniu wsadu do temperatury otoczenia następuje wyjęcie spieków i przekazanie do kolejnej operacji technologicznej. Czas trwania procesu spiekania wstępnego od załadowania wsadu do jego rozładowania, wynosi około 8 godzin Spiekanie wysokie Proces spiekania wysokiego wykonuje się w piecu PSF-12/75 przy wykorzystaniu zespołu retorty nr 3 przeznaczonej do spiekania w temperaturze do 1200 o C, w atmosferze azotowo-wodorowej. Cylinder retorty i oprzyrządowanie do obrabianych części wykonane są z Ŝaroodpornego stopu niklu gatunku Inconel 601. W odróŝnieniu od spiekania wstępnego w spiekaniu wysokim nie stosuje się wymuszonego obiegu atmosfery, gdyŝ wysoka końcowa temperatura procesu zapewnia równomierny rozkład ciepła w całej objętości retorty. W trakcie cyklu nagrzewania, dodatkowo, dla wyrównania temperatury pomiędzy piecem a retortą, stosuje się dwukrotne wygrzewanie w określonej temperaturze. Po osiągnięciu zaprogramowanej temperatury wysokiego spiekania program sterujący przebiegiem procesu utrzymuje ją na odpowiednim poziomie przez określony czas. Po upływie tego czasu następuje wyłączenie grzania i gdy retorta z piecem ochłodzi się do temperatury 850 o C przenosi się ją wraz z wsadem do studzienki schładzania, gdzie odbywa się dalsze obniŝanie temperatury. Po schłodzeniu do temperatury 150 o C zamyka się dopływ atmosfery i po przepłukaniu retorty azotem następuje otwarcie pokrywy i wyjęcie spieków. Przebieg procesu spiekania wysokiego pokazano na rys. 8, a na rys. 9 strukturę części po spiekaniu. Przykładowe zmiany wymiarów masy i gęstości po procesie spiekania wysokiego klina 5 o masie 0,9 g podano w tablicy 1, a dla porównania pierścienia krzywkowego o masie 47g - w tablicy 2. W wyniku procesu spiekania wysokiego zmianie uległy wymiary, które mieszczą się jednak w zakresie tolerancji wymiarów konstrukcyjnych. Zmniejszeniu ulega masa w związku z odparowaniem środka poślizgowego, natomiast gęstość uległa zwiększeniu w efekcie metalurgicznego połączenia cząstek. After cooling batch to ambient temperature, sinters are removed and transferred to the next technological process. The duration of the initial sintering process from loading of the charge to its unloading last approximately 8 hours High temperature sintering The high temperature sintering process is carried out in the PSF-12/75 furnace in retort unit No. 3, for sintering at temperatures up to 1200 C, in a nitrogen-hydrogen atmosphere. The retort cylinder and apparatus for the processed parts are made from the heat resistant Inconel 601 grade nickel alloy. In contrast to initial sintering, there is no forced atmosphere circulation during high temperature sintering because the high end temperature of the process ensures uniform heat distribution over the entire retort volume. In addition, during the heating cycle, double soaking at a set temperature is applied to equalize the temperature between the furnace and the retort. After achievement of the programmed temperature of high temperature sintering, the program controlling sintering process maintains it at an appropriate level for a set time. After this time passes, heating is deactivated, and when the retort and furnace are cooled to 850 o C, the retort and the charge are moved to the cooling well, where the temperature is lowered further. After cooling to temperature 150 o C, atmosphere supply is cut off, and after nitrogen flushing of the retort, the cover is opened and sinters are removed. The course of the high temperature sintering process has been shown on fig. 8, and fig. 9 shows the structure of the part after sintering. Exemplary changes in dimensions, mass and density after high temperature sintering of wedge 5 with a mass of about 1g have been given in table 1, and for comparison, results for cams with a mass of 47g have been given in table 2. As a result of the high temperature sintering process, dimensions changed significantly, however they were still within the range of dimensional tolerances. Mass was also subjected to decrease due to evaporation of the lubricant, however density increased due to the effect of metallurgical particle conglomeration.

9 Doświadczalne gniazdo do spiekania i obróbki cieplno-chemicznej Rys. 8. Przebieg procesu spiekania wysokiego Fig. 8. Course of the high temperature sintering process Rys. 9. Struktura części po spiekaniu wysokim Fig. 9. Structure of a part after higher temperature sintering Tablica 1. Zmiany wymiarów, masy i gęstości klin 5 po procesie spiekania wysokiego Table 1. Changes in dimensions, mass, and density of wedge 5 after the high temperature sintering process Nr próbki Sample No. D [mm] H [mm] masy gęstości density mass 1-0,002-0,122-0,02 +0,19 2-0,005-0,091-0,03 +0,17 3-0,017-0,063-0,02 +0,26 Średnia Average -0,008-0,092-0,023 +0,21

10 110 D. Garbiec, T. Wiśniewski F. Heyduk, W. Majchrzak Tablica 2. Zmiany wymiarów, masy i gęstości krzywki po procesie spiekania wysokiego Table 2. Changes in dimensions, mass, and density of the cam after the high temperature sintering process Nr próbki Sample A [mm] B [mm] C [mm] D1 [mm] D2 [mm] H [mm] masy mass gęstości density No. 1-0,015 +0,113-0,330-0,256 +0,087 +0,088-0,42 +0, ,003 +0,025-0,216-0,300-0,088 +0,076-0,54 +0,24 3-0,027 +0,010-0,173-0,279 +0,082-0,040-0,32 +0,19 Średnia Average -0,013 +0,049-0,239-0,278 +0,027 +0,041-0,43 +0,22 Porównując wyniki z tablicy 1 i 2 zauwaŝyć moŝna, iŝ w częściach następuje ubytek masy. W porównaniu do gęstości po prasowaniu, gęstość po spiekaniu wysokim klina - 5 zwiększyła się o 3,04%, natomiast pierścienia krzywkowego o 3,35%. 5. PROCES AZOTONAWĘGLANIA Celem uzyskania określonych własności wytrzymałościowych po spiekaniu stosuje się dodatkowo obróbkę cieplną lub cieplnochemiczną. Do przeprowadzenia tego procesu przeznaczona jest retorta nr 1 o maksymalnej temperaturze pracy do 950 o C. Wraz z częściami przeznaczonymi do procesu azotonawęglania załadowywane są próbki z Ŝelaza Armco. Następnie retorta jest szczelnie zamykana pokrywą, do której podłącza się przewody elastyczne i całość przenoszona jest do pieca. Kolejne czynności to przepłukanie retorty azotem, włączenie grzania i podawanie azotu technologicznego. Aby zapewnić równomierny rozkład temperatury w całej objętości retorty stosuje się wymuszony obieg atmosfery mieszarką łopatkową. By comparing the results from tables 1 and 2, it can be observed that in parts with a small mass, there is a greater mass decrement (2.66%) than in parts with a greater mass (0.91%). In comparison with the density after pressing, the density of wedge 5 after high temperature sintering increased by 3.04%, with a 3.35% increase for the cam. 5. NITRO-CARBURIZATION PROCESS In order to achieve specific strength properties after sintering, additional heat or thermo-chemical treatment is applied. Retort No. 1, with a maximum working temperature up to 950 C, is used for this process. After loading of sintered parts along with control samples made from Armco steel into baskets, the suspending line is moved to the retort by means of a post crane. Next, the retort is hermetically closed with a cover that is hooked up to flexible hoses, and the entirety is moved to the furnace. Then nitrogen flushing is carried out, heating is activated, and technological nitrogen is supplied. In order to ensure uniform temperature distribution of the charge over the entire retort volume, forced atmosphere circulation is used by means of a heat resistant rotor.

11 Doświadczalne gniazdo do spiekania i obróbki cieplno-chemicznej Ponadto dla wyrównania temperatury między piecem a wnętrzem retorty stosuje się wygrzewanie w określonej temperaturze. Po osiągnięciu wewnątrz retorty temperatury 750 o C program sterujący przebiegiem procesu sygnałem dźwiękowym informuje o konieczności wpuszczenia do retorty atmosfery nawęglającej czyli metanolu oraz powietrza odniesienia. Po uzyskaniu załoŝonej temperatury procesu i wygrzaniu przez kilkanaście minut włącza się dopływ propanu, a przy azotonawęglaniu dodaje się amoniak. ZałoŜony potencjał węgla automatycznie reguluje system sterowania procesem przez regulator mikroprocesowy SCR2000, zgodnie z załoŝonymi parametrami: temperatura, czas, wartość potencjału węgla. Regulator na podstawie sygnałów z sondy tlenowej SDT umieszczonej w komorze retorty oblicza i reguluje potencjał węgla atmosfery sterując pracą elementów dozujących składniki atmosfery do retorty. W przeprowadzanych procesach azotonawęglania stosowano potencjał węgla w wysokości 1,10%C. Przy tym potencjale zawartość węgla w próbkach świadkach z Ŝelaza Armco wynosiła średnio 0,90 ± 0,05%C. Po upływie załoŝonego czasu dyfuzji od osiągnięcia temperatury procesu wyłączone jest grzanie pieca, podawanie propanu i amoniaku, a cały zespół retorty przenosi się do studzienki schładzania gdzie następuje obniŝanie temperatury. Po schłodzeniu do 750 o C zamykany jest dopływ metanolu i rozpoczyna się przepłukanie azotem, celem usunięcia atmosfery dyfuzyjnej. Przez cały czas ochładzania, przez retortę, przepuszcza się azot technologiczny. Po osiągnięciu temperatury otoczenia odbywa się wyładowanie wsadu. Przebieg procesu azotonawęglania (bez obróbki cieplnej) przedstawiono na rys. 10. Elementy azotonawęglane poddaje się następnie hartowaniu w oleju i odpuszczaniu niskiemu dla uzyskania wymaganej twardości HRC. Struktura martenzytyczna części po obróbce cieplno-chemicznej pokazana jest na rys. 11. Furthermore, soaking at a set temperature is applied for equalization of the temperature between the furnace and the interior of the retort. After achievement of a temperature of 750 C inside of the retort, the process control program informs of the necessity of release of the carburizing atmosphere, methanol and a reference atmosphere, into the retort by means of a sound signal. After achievement of the accepted process temperature and heating for over a dozen minutes, propane supply is activated, and for nitro-carburization, ammonia is added. The assumed potential of carbon is automatically regulated by the process control system by the SCR2000 microprocessor regulator, according to the accepted parameters: temperature, time, carbon potential value. The regulator, on the basis of signals from the SDT oxygen probe located in the retort chamber, calculates and regulates carbon potential of the atmosphere by controlling the operation of elements dosing atmosphere ingredients to the retort. In conducted nitro-carburization processes, a carbon potential with a value of 1.10%C was applied. At this potential, the carbon content in Armco steel control samples was on average 0.90 ± 0.05%C. After the accepted time of diffusion from achievement of process temperature has passed, furnace heating, and propane and ammonia supply is deactivated, and the entire retort unit is moved to the cooling well, where temperature is lowered. After cooling to 750 C methanol supply is cut off and nitrogen flushing is commenced in order to remove the diffusive atmosphere. During the entire cooling time, technological nitrogen is passed through the retort. After achievement of ambient temperature, unloading of the charge takes place. The course of the nitro-carburization process (without heat treatment) has been presented on fig. 10. Nitro-carburized elements are then martensitic subjected to quench hardening in oil and low temperature tempering in order to achieve the required hardness of HRC. The structure of the part after thermo-chemical treatment is shown on fig. 11.

12 112 D. Garbiec, T. Wiśniewski F. Heyduk, W. Majchrzak Rys. 10. Przebieg procesu azotonawęglania Fig. 10. Course of the nitro-carburization process Rys. 11. Struktura części po obróbce cieplno-chemicznej Fig. 11. Part structure after thermo-chemical treatment 6. PODSUMOWANIE 1. Uruchomiono w Instytucie w 2010 r. gniazdo badawczo-doświadczalne GSMP-75 do przeprowadzenia procesów spiekania części proszkowych. 2. W gnieździe GSMP-75 moŝliwe jest przeprowadzenie procesów z zakresu azotonawęglania i nawęglania. 3. Na podstawie analizy przeprowadzanych procesów moŝliwa jest optymalizacja parametrów technologicznych wyrobów, celem zwiększenia ich jakości i wydajności, a zatem obniŝanie kosztów produkcji. 6. CONCLUSIONS 1. The GSMP-75 experimental research nest for sintering powder parts. 2. In the nest GSMP-75 it is possible to carry out the processes of nitro-carburization and carburization process. 3. On the basis of analysis of the conducted processes, it possible to optimize technological parameters of products for the purpose of increasing their quality and efficiency, thus decreasing costs of production.

13 Doświadczalne gniazdo do spiekania i obróbki cieplno-chemicznej LITERATURA/REFERENCES [1] Wiśniewski T., Majchrzak W., Garbiec D., Heyduk F.: Proces spiekania wyrobów wykonywanych technologią metalurgii proszków. Obróbka Plastyczna Metali 2012 vol. XXIII nr 1 s [2] Leszczyński V., Wiśniewska-Weinert H., Stojanov A., Lisowski J., Kędzia Ł., Ozwoniarek J.: Technologia wytwarzania części dokładnych z proszków spiekanych metali. Obróbka Plastyczna Metali 2005 t. XVI nr 1 s