OPEN ACCESS LIBRARY. Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane. Leszek A. Dobrzański Grzegorz Matula. Volume 8 (14) 2012

Transkrypt

1 OPEN ACCESS LIBRARY SOWA Scientiic International Journal of the World Academy of Materials and Manufacturing Engineering publishing scientiic monographs in Polish or in English only Published since 1998 as Studies of the Institute of Engineering Materials and Biomaterials Volume 8 (14) 2012 Leszek A. Dobrzański Grzegorz Matula Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane

2 OPEN ACCESS LIBRARY Scientiic International Journal of the World Academy of Materials and Manufacturing Engineering publishing scientiic monographs in Polish or in English only Published since 1998 as Studies of the Institute of Engineering Materials and Biomaterials Volume 8 (14) 2012 Editor-in-Chief Prof. Leszek A. Dobrzański Poland Editorial Board Prof. Gilmar Batalha Brazil Prof. Emin Bayraktar France Prof. Rudolf Kawalla Germany Prof. Klaudiusz Lenik Poland Prof. Petr Louda Czech Republic Prof. Cemal Meran Turkey Prof. Stanisław Mitura Poland Prof. Piotr Niedzielski Poland Prof. Jerzy Nowacki Poland Prof. Ryszard Nowosielski Poland Prof. Jerzy Pacyna Poland Patronage Prof. Peter Palček Slovak Republic Prof. Zbigniew Rdzawski Poland Prof. Maria Richert Poland Prof. Maria Helena Robert Brazil Prof. Mario Rosso Italy Prof. Stanislav Rusz Czech Republic Prof. Yuriy I. Shalapko Ukraine Prof. Božo Smoljan Croatia Prof. Mirko Soković Slovenia Prof. Zinoviy Stotsko Ukraine Prof. Leszek Wojnar Poland World Academy of Materials and Manufacturing Engineering Association of Computational Materials Science and Surface Engineering Institute of Engineering Materials and Biomaterials of the Silesian University of Technology, Gliwice, Poland Abstracting services Journal is cited by Abstracting Services such as: The Directory of Open Access Journals Reading Direct This journal is a part of Reading Direct, the free of charge alerting service which sends tables of contents by for this journal and in the promotion period also the full texts of monographs. You can register to Reading Direct at Journal Registration The Journal is registered by the Civil Department of the District Court in Gliwice, Poland Publisher International OCSCO World Press Gliwice , Poland, ul. S. Konarskiego 18a/366 info@openaccesslibrary.com Bank account: Stowarzyszenie Komputerowej Nauki o Materiałach i Inżynierii Powierzchni Bank name: ING Bank Śląski Bank addres: ul. Zwycięstwa 28, Gliwice Poland Account number/ IBAN CODE: PL Swift code: INGBPLPW Gliwice 2012 International OCSCO World Press. All rights reserved The paper used for this Journal meets the requirements of acid-free paper Printed in Poland

3 Leszek A. Dobrzański Grzegorz Matula Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane

4 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane OPINIODAWCY: Prof. zw. dr hab. inż. Ryszard Nowosielski (Politechnika Śląska Gliwice) Prof. dr hab. inż. Jerzy Stobrawa (Instytut Metali Nieżelaznych Gliwice) REDAKCJA TECHNICZNA: Mgr inż. Justyna Hajduczek-Jarka Mgr inż. Marzena Giedroć (Politechnika Śląska Gliwice) KOMENTARZ: Książkę opracowano w związku z realizacją projektu POKL /09-00 INFONANO pt. Otwarcie i rozwój studiów inżynierskich i doktoranckich w zakresie nanotechnologii i nauki o materiałach, współinansowanego przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego ISSN ISBN EAN

5 Spis treści Streszczenie... 5 Abstract... 6 Słowo wstępne Podstawy metalurgii proszków Ogólna charakterystyka zasad doboru procesu technologicznego Metody metalurgii proszków Ogólna charakterystyka selektywnego spiekania laserowego Ogólna charakterystyka materiałów oraz produktów spiekanych z proszków Spiekane stale narzędziowe Struktura i własności spiekanych stali narzędziowych stopowych Technologie spiekanych stali szybkotnących Węglikostale spiekane Skład chemiczny, własności i zastosowanie węglikostali spiekanych Technologie węglikostali spiekanych Gradientowe materiały narzędziowe Metody wtryskowego formowania proszków w celu wytwarzania materiałów gradientowych Gradientowe materiały narzędziowe z udziałem żelaza Gradientowe materiały narzędziowe wytwarzane metodami inżynierii powierzchni Węgliki spiekane Ogólna charakterystyka węglików spiekanych Własności i zastosowanie węglików spiekanych Cermetale narzędziowe Ogólna charakterystyka cermetali narzędziowych Zastosowanie cermetali narzędziowych Spiekane materiały ceramiczne i ceramiczno-węglikowe Ogólna charakterystyka spiekanych materiałów ceramicznych i ceramiczno-węglikowych Podstawowe grupy spiekanych materiałów ceramicznych i ceramiczno-węglikowych... 92

6 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane Spis treści 8. Supertwarde materiały narzędziowe Ogólna charakterystyka supertwardych materiałów narzędziowych Polikrystaliczny syntetyczny diament Spiekany azotek boru Uwagi końcowe Ćwiczenia laboratoryjne Literatura uzupełniająca

7 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Leszek A. Dobrza ski*, Grzegorz Matula Instytut Materia ów In ynierskich i Biomedycznych, Wydzia Mechaniczny Technologiczny, Politechnika l ska, ul. Konarskiego 18a, Gliwice, Polska *Adres korespondencyjny leszek.dobrzanski@polsl.pl Streszczenie Cel ksi ki: Celem niniejszej ksi ki jest przedstawienie wiedzy ogólnej na temat metalurgii proszków, ze szczególnym uwzgl dnieniem materia ów narz dziowych wytwarzanych t technologi. Ksi ka powsta a na podstawie przegl du literatury i jest wynikiem wieloletnich do wiadcze dydaktycznych obu Autorów w tym zakresie. Motywem do jej publikacji jest równie ch prezentacji wybranych wyników wieloletnich bada w asnych prowadzonych w Zak adzie Technologii Procesów Materia owych, Zarz dzania i Technik Komputerowych w Materia oznawstwie Instytutu Materia ów In ynierskich i Biomedycznych Politechniki l skiej oraz do wiadcze zdobytych podczas realizacji licznych projektów badawczych krajowych i mi dzynarodowych, np. w ramach wspó pracy z jednym z najlepszych europejskich o rodków zajmuj cych si metalurgi proszków, tj. Uniwersytetem Karola III-go w Madrycie. Tre i zakres ksi ki: Ksi k rozpoczyna rozdzia okre laj cy znaczenie doboru technologii procesów materia owych oraz doboru materia ów w projektowaniu in ynierskim i ogólnie w procesach wytwarzania produktów i ich elementów. Szczególnie wyró niono w ród tych technologii metalurgi proszków, definiuj c j i przedstawiaj c podstawowe wiadomo ci dotycz ce tej technologii. W dalszych rozdzia ach ksi ki przedstawiono informacje i wyniki bada w asnych, dotycz cych doskonalenia w asno ci u ytkowych spiekanych materia ów narz dziowych, takich jak stale szybkotn ce, w glikostale, w gliki spiekane, cermetale, materia y ceramiczne i supertwarde, a tak e badane w ostatnich latach materia y gradientowe oraz wytwarzane metodami przyrostowymi z wykorzystaniem laserów, jak równie nowoczesne technologie formowania i spiekania proszków, m.in. metodami PIM (j. ang.: Powder Injection Moulding) i MIM (j. ang.: Metal Injection Moulding). Ostatnia cz ksi ki zawiera instrukcje do realizacji wicze laboratoryjnych. Zakres wicze laboratoryjnych: W tej cz ci ksi ki przedstawiono instrukcje do cyklu wicze laboratoryjnych realizowanych w ramach przedmiotów: Podstawy nauki o materia ach, Materia y metalowe i Materia y ceramiczne oraz w ramach zaj specjalistycznych obj tych kilkoma kolejnymi przedmiotami. Realizacja celów wicze przedstawionych w instrukcjach umo liwi szczegó owe zapoznanie si Studentów z w asno ciami technologicznymi proszków, klasyczn technologi prasowania i spiekania oraz nowoczesnymi metodami formowania wtryskowego, bezci nieniowego i wyciskania oraz unikatow metod obróbki przyrostowej, przez selektywne spiekanie proszków wi zk lasera. Wymienione nowoczesne technologie i pe ne wyposa enie laboratoryjne jakim dysponuje Instytut Materia ów In ynierskich i Biomedycznych Politechniki l skiej, stanowi o wysokim poziomie prowadzonych zaj, czego efektem b d : bogata wiedza i wysokie umiej tno ci zdobyte przez Studentów. Cytowania tej monografii powinny by podane w nast puj cy sposób: L.A. Dobrza ski, G. Matula, Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane, Open Access Library, Volume 8 (14) (2012) Streszczenie 5

8 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Powder metallurgy fundamentals and sintered materials Leszek A. Dobrza ski*, Grzegorz Matula Institute of Engineering Materials and Biomaterials Faculty of Mechanical Engineering, Silesian University of Technology, Konarskiego St. 18a, Gliwice, Poland * Corresponding address: leszek.dobrzanski@polsl.pl Abstract The aim of the book: The aim of the book is to present general knowledge on powder metallurgy, taking into especial consideration tool materials made with the use of that technology. The book has been written on the basis of literature review and is a result of manyyear didactic experiences of both Authors in that field. The motivation to its publication is also an intention to present the selected results of many-year own researches carried out in the Division of Materials Processing Technologies, Management and Computer Techniques in Materials Science of the Institute of Engineering Materials and Biomaterials of the Silesian University of Technology and experience gained during the realisation of numerous domestic and international research projects, e.g. within the cooperation with one of the best European research centres dealing with powder metallurgy the University of Carlos III in Madrid. The content and scope of the book: The book begins with the chapter defining the significance of the selection of materials processing technology and the selection of materials in engineering design and generally in manufacturing processes of products and their elements. Powder metallurgy has been especially distinguished among those technologies, defining it and presenting fundamental information concerning that technology. The following chapters of the book present information and results of own research, concerning the improvement of utility properties of sintered tool materials, such as high-speed steels, steel matrix composites reinforced by carbides, cemented carbides, cermets, ceramic and super hard materials as well as both gradient materials investigated within last few years and also made with selective laser sintering methods and new technologies of forming and powder sintering, among others: PIM method (Powder Injection Moulding) and MIM method (Metal Injection Moulding). The last part of the book includes instructions for the realisation of laboratory classes. The scope of laboratory classes: In that part of the book instructions for laboratory classes realised in the framework of subjects: Fundamentals of materials science, Metal materials and Ceramic materials and within specialist classes including several following subjects have been presented. The realisation of the aim of the classes presented in the instruction will enable students to familiarise themselves in details with powder technological properties, classic compaction and sintering technologies, modern methods of injection, non-pressure and extrusion moulding and a unique selective laser sintering methods. Mentioned new technologies and full laboratory equipment being at the disposal of the Institute of Engineering Materials and Biomaterials ensure the high level of realised classes, which will result with rich knowledge and high skills gained by students. Reference to this monograph should be given in the following way: L.A. Dobrza ski, G. Matula, Powder metallurgy fundamentals and sintered materials, Open Access Library, Volume 8 (14) (2012) (in Polish). 6 L.A. Dobrza ski, G. Matula

9 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Dost pne s nam trzy g ówne sposoby zdobywania wiedzy: obserwacja natury, refleksja i eksperymentowanie Denis Diderot ( ) S owo wst pne Niniejsza ksi ka zosta a przygotowana g ównie z my l o Studentach Wydzia u Mechanicznego Technologicznego Politechniki l skiej w Gliwicach. Wykonanie tego zadania wpisuje si w cel ogólny Projektu INFONANO pt. Otwarcie i rozwój studiów in ynierskich i doktoranckich w zakresie nanotechnologii i nauki o materia ach od kilku lat realizowanego w ramach Programu Operacyjnego Kapita Ludzki przez Zespó Pracowników Instytutu Materia ów In ynierskich i Biomedycznych Politechniki l skiej w Gliwicach, którym jest wzmocnienie roli Politechniki l skiej w rozwoju konkurencyjnej gospodarki opartej na wiedzy i innowacjach oraz rozszerzenie jej oferty edukacyjnej i podnoszenie jako ci kszta cenia na unikatowych studiach technicznych oraz doktoranckich, w celu poprawy adaptacji Absolwentów Politechniki l skiej do potrzeb rynku pracy. Projekt INFONANO stworzy okazj do opracowania kilku monografii naukowych, z my l o poprawie warunków kszta cenia przez udost pnienie oryginalnych pomocy naukowych, zawieraj cych najnowsze wyniki oryginalnych bada naukowych. Pomimo dydaktycznego i przegl dowego charakteru niniejszego opracowania monograficznego, zdecydowano si opublikowa je tak e, jako kolejny numer Open Access Library. Podobnie, jak inne, zadecydowali my, aby i t ksi k opracowa bez honorarium autorskiego i bezp atnie udost pni j Studentom. Mottem niniejszej pracy s s owa encyklopedysty francuskiego Denisa Diderota, który uwa a, e dzi ki obserwacji gromadzimy fakty, refleksja je czy, a eksperyment weryfikuje rezultaty czenia faktów. Nasza obserwacja musi by sumienna, refleksja g boka, a eksperyment precyzyjny. Nie sposób nie zgodzi si z tymi opiniami. St d starali my si, jako Autorzy tej ksi ki zawrze w niej wszystkie trzy z wymienionych elementów. Zawarty jest w niej wyk ad akademicki, prezentuj cy fakty, opatrzony rzeteln refleksj dotycz c mo liwo ci praktycznej aplikacji zreferowanej wiedzy teoretycznej. Odr bn cz stanowi zestaw wicze eksperymentalnych, umo liwiaj cy praktyczn weryfikacj przez ka dego ze Studentów, faktów teoretycznych opisanych w niniejszej ksi ce. S owo wst pne 7

10 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Tematyka niniejszej ksi ki jest aktualna i atrakcyjna. Metalurgia proszków z powodzeniem konkuruje bowiem m.in. z odlewaniem, obróbk plastyczn i obróbk skrawaniem, uzupe niaj c te technologie lub je zast puj c, co daje jej szczególne miejsce w ród technologii metali. Elementy z niektórych materia ów mog by wytworzone jedynie metodami metalurgii proszków. Technologia metalurgii proszków w wielu przypadkach wykazuje podobie stwo do technologii materia ów ceramicznych, st d cznie omawiane s wybrane materia y spiekane i materia y ceramiczne. Metalurgia proszków jest dziedzin techniki, obejmuj c metody wytwarzania proszków metali i materia ów metalowych lub ich mieszanin z proszkami niemetalowymi oraz otrzymywania pó produktów i produktów z tych proszków bez konieczno ci roztapiania g ównego sk adnika. Jest to cz sto technologia bezkonkurencyjna, która ponadto wp ywa na ograniczenie zu ycia materia ów. Metalurgia proszków sprzyja jednak uzyskiwaniu materia ów o du ej porowato ci, a przez to relatywnemu obni eniu wytrzyma o ci, chocia mo e to mie korzystne znaczenie w niektórych technicznie uzasadnionych przypadkach. Przekazuj c niniejsz ksi k do r k PT Czytelników, pozostajemy w g bokim prze wiadczeniu, e zgodnie z za o eniami Projektu INFONANO, przyczyni si ona do podniesienia poziomu wiedzy Studentów, dotycz cej metalurgii proszków i materia ów spiekanych. Szczególne podzi kowania kierujemy do PT Opiniodawców za cenne uwagi, wsparcie i akceptacj ksi ki do druku oraz do wszystkich Osób, które przyczyni y si do wydania tej ksi ki. Autorzy Gliwice, w lipcu 2012 roku 8 L.A. Dobrza ski, G. Matula

11 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane 1. Podstawy metalurgii proszków 1.1. Ogólna charakterystyka zasad doboru procesu technologicznego ZALE NO JAKO CI YCIA I POZIOMU PROCESÓW WYTWARZANIA PRODUKTÓW O poziomie i jako ci ycia, wymianie informacji, poziomie edukacji, jako ci i mo liwo ciach opieki zdrowotnej oraz innych aspektach rodowiska, w którym yjemy, decyduj produkty i inne dobra u ytkowe, w które zaopatruje si ka dy z nas na rynku, a które s dostarczane przez wytwórców, w którym in ynierowie odgrywaj szczególn rol inspiruj c, twórcz i kierownicz. Projekty in ynierskie s podstaw uruchomianej i wykonywanej produkcji. Jako wytwarzania ma bowiem cis y zwi zek z poziomem jako ci ycia (rys. 1.1) rozumianym jako stopie spe nienia wymaga okre laj cych poziom materialnego i duchowego bytu poszczególnych osób i ca ego spo ecze stwa. Rysunek 1.1. Model zale no ci przyczynowo-skutkowych w strukturze gospodarczej spo ecze stwa (opracowano wed ug pomys u R. Kolmana) 1. Podstawy metalurgii proszków 9

12 ROLA IN YNIERII MATERIA OWEJ W PROCESACH WYTWARZANIA PRODUKTÓW Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Z punktu widzenia projektowania produktów, równoprawne s wszystkie materia y in ynierskie, które mog zapewni wymagane w asno ci produktów, a wielokryterialna optymalizacja jest podstaw selekcji tworzywa o najlepszych w asno ciach u ytkowych i technologicznych oraz o najni szych mo liwych kosztach wytwarzania, przetwórstwa i eksploatacji materia u i produktu. Nie mo na akceptowa cz sto dotychczas stosowanego podej cia, zwi zanego z wykorzystywaniem materia ów, tylko dlatego, e w a nie dysponuj nimi wytwórcy produktów ko cowych. Zagadnienia materia owe odgrywaj zatem wa n rol w realizacji zada rodowiska in ynierskiego. Materia jest bowiem tworzywem, z którego wytwarza si produkty interesuj ce klientów. St d najistotniejsze jest projektowanie materia ów, tak by kszta towa ich struktur i w asno ci spe niaj ce wymagania w warunkach pracy. Nauka o materia ach jest dziedzin nauki, dotycz c struktury i w asno ci materia ów (tworzyw), zw aszcza z uwzgl dnieniem mo liwo ci ich zastosowania. Z kolei in ynieria materia owa jest dziedzin in ynierii, obejmuj c zastosowanie nauki o materia ach dla bezpo rednio u ytecznych celów zwi zanych z projektowaniem, wytwarzaniem i u ytkowaniem ró nych produktów i dóbr powszechnego u ytku. Nauka o materia ach i in ynieria materia owa, oprócz nauk informatycznych oraz awangardowych nauk biologicznych i medycznych, nale do najintensywniej rozwijaj cych si obszarów nauki, decyduj cych obecnie o post pie cywilizacyjnym ludzko ci. Paradygmat in ynierii materia owej dotyczy doboru materia u in ynierskiego, który w odpowiednio dobranym procesie technologicznym kszta towania postaci geometrycznej produktu oraz struktury i w asno ci materia u in ynierskiego zapewni odpowiednie, wymagane i z góry za o one w asno ci u ytkowe produktu. Problematyka nauki o materia ach i in ynierii materia owej jest zatem z o ona i obejmuje nast puj ce zagadnienia ogólne: struktur atomow i cz steczkow materia ów, zale no struktury i w asno ci materia ów, kszta towanie struktury i w asno ci materia ów, technologie procesów materia owych, badanie struktury i w asno ci materia ów, 10 L.A. Dobrza ski, G. Matula

13 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane badanie w asno ci produktów wytworzonych z materia ów w warunkach eksploatacji, predykcj w asno ci materia ów, w tym równie w warunkach eksploatacji. Ksi ka niniejsza dotyczy szczegó owych zagadnie, dotycz cych technologii procesów materia owych, jako wa nego elementu procesu przetwarzania surowców materia owych w produkty, zwanego wytwarzaniem. Wytwarzanie polega na wykonywaniu produktów z surowców materia owych w ró nych procesach, przy u yciu ró nych maszyn i w operacjach zorganizowanych zgodnie z dobrze opracowanym planem. Proces wytwarzania polega zatem na w a ciwym wykorzystaniu zasobów: materia ów, energii, kapita u i ludzi. Wspó cze nie wytwarzanie jest kompleksowym dzia aniem, cz cym ludzi, którzy wykonuj ró ne zawody i zaj cia, przy u yciu ró nych maszyn, wyposa enia i narz dzi, w ró nym stopniu zautomatyzowanym, w czaj c komputery i roboty. Celem wytwarzania jest ka dorazowo zaspokajanie potrzeb rynkowych klientów, zgodnie z opracowan strategi przedsi biorstwa lub organizacji zajmuj cej si wytwarzaniem, wykorzystuj cej dost pne mo liwo ci i urz dzenia. PROJEKTOWANIE IN YNIERSKIE Z UWZGLEDNIENIEM PROCESÓW WYTWARZANIA PRODUKTÓW Projektowanie produktów po fazie wzornictwa przemys owego, zwi zanego z ogólnym opisem funkcji produktu oraz opracowaniem ogólnej jego koncepcji, obejmuj cej jedynie form zewn trzn, kolor i ewentualnie ogólne za o enia co do po czenia g ównych elementów, obejmuje projektowanie in ynierskie i kolejno przygotowanie produkcji. Projektowanie in ynierskie, w którym mo na wyró ni projektowanie systemu wytwarzania oraz projektowanie produktów nie jest wyizolowanym dzia aniem, gdy wp ywa na wszystkie pozosta e fazy wprowadzania na rynek danego produktu, od których równocze nie jest zale ne projektowanie produktu, czy w sobie trzy równie wa ne i nierozdzielne elementy (rys. 1.2): projektowanie konstrukcyjne, którego celem jest opracowywanie kszta tu i cech geometrycznych produktów zaspokajaj cych ludzkie potrzeby, projektowanie materia owe, w celu zagwarantowania wymaganej trwa o ci produktu lub jego elementów wytworzonych z materia ów in ynierskich o wymaganych w asno ciach fizykochemicznych i technologicznych, projektowanie technologiczne procesu, umo liwiaj cego nadanie wymaganych cech geometrycznych i w asno ci poszczególnym elementom produktu, a tak e ich prawid owe 1. Podstawy metalurgii proszków 11

14 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Rysunek 1.2. Schemat wspó zale no ci mi dzy elementami projektowania in ynierskiego produktu, tj. projektowaniem konstrukcyjnym, projektowaniem materia owym oraz projektowaniem technologicznym (opracowano wed ug rysunku G.E. Dietera) wspó dzia anie po zmontowaniu, przy uwzgl dnieniu wielko ci produkcji, poziomu automatyzacji i komputerowego wspomagania, jak równie przy zapewnieniu najmniejszych mo liwych kosztów tego produktu. Projektowanie in ynierskie jest z o onym dzia aniem wymagaj cym uwzgl dnienia wielu ró norodnych elementów (rys. 1.3), a wzajemne relacje mi dzy koniecznymi do uwzgl dnienia zadaniami przedstawiono schematycznie na rysunku 1.4. Pierwsze stadium projektowania in ynierskiego polega na opracowaniu koncepcji, po czonym z ogólnym wyspecyfikowaniem dost pnych materia ów i procesów technologicznych. W kolejnym stadium ogólnego projektowania in ynierskiego okre la si kszta t i przybli on wielko elementów, stosuj c in ynierskie metody analizy. W tym stadium projektant ogólnie typuje klas stosowanych materia ów oraz rodzaj procesu technologicznego, dobieraj c np. obróbk plastyczn, odlewanie lub metody metalurgii proszków do wytwarzania elementu ze stopów metali nie elaznych. W asno ci materia u nale y przy tym okre li bardziej precyzyjnie. 12 L.A. Dobrza ski, G. Matula

15 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Rysunek 1.3. Czynniki uwzgl dniane podczas projektowania in ynierskiego produktów (opracowano wed ug informacji C. Neweya i G. Weavera oraz pomys u M.F. Ashby'ego i K. Johnson) W stadium szczegó owego projektowania in ynierskiego ostatecznie dobiera si zarówno materia, jak i proces technologiczny. Dokonuje si wówczas doboru jednego, odpowiedniego materia u oraz najwy ej kilku wariantów procesu technologicznego. Projektowanie technologiczne, dotycz ce sposobu przetwarzania materia ów in ynierskich w celu wytworzenia produktu, jak równie projektowanie materia owe, dotycz ce w a ciwego doboru materia ów in ynierskich zapewniaj cych wymagane w asno ci u ytkowe produktów, oprócz projektowania konstrukcyjnego, dotycz cego doboru kszta tu i postaci geometrycznej produktów lub ich elementów, jako jeden z trzech nieroz cznych elementów projektowania in ynierskiego jest zatem zadaniem z o onym i trudnym. Trudno zatem sobie wyobrazi, e mo e by wykonywane w sposób przypadkowy i bez odpowiednio przyj tej metodyki. W takim przypadku nie 1. Podstawy metalurgii proszków 13

16 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 mo e by mowy o doborze, spo ród niesko czenie du ej liczby mo liwych rozwi za tego, które jest optymalne, a co najmniej odpowiednie ze wzgl du na zbiór wymienionych i obowi zuj cych kryteriów. Ka dy, kto uczestniczy w procesie przygotowania produktu do obecno ci na rynku, musi mie zatem wiadomo mnogo ci mo liwych rozwi za, a specjali ci winni szczegó owo zna metodologi post powania, zwi zan z selekcj i dok adn charakterystyk bardzo wielu materia ów in ynierskich obecnie dost pnych, jak równie tendencje umo liwiaj ce w razie potrzeby indywidualne zaprojektowanie materia u, o zestawie w asno ci najbardziej odpowiadaj cym rzeczywistym wymaganiom i nieroz cznie zwi zanych z tym procesów technologicznych. Niejednokrotnie zdarza si, e decyzja o prawid owym doborze materia u in ynierskiego wymusza zmian technologii, a nawet postaci konstrukcyjnej produktu lub jego elementu. Nierzadko bywa równie odwrotnie. Wytypowany proces technologiczny oraz mo liwo ci wykorzystania niektórych technologii wp ywaj na proces projektowania in ynierskiego, decyduj c o doborze materia u, jak równie o sekwencji operacji technologicznych, a tak e o wymiarach, tolerancjach wymiarowych, po czeniach elementów i innych aspektach. Proces projektowania wymaga zatem uwzgl dnienia wielu czynników zwi zanych z procesem technologicznym poprzez projektowanie ze wzgl du na lub alternatywnie za wzgl du na: wytwarzanie i monta, odlewanie, obróbk plastyczn, metalurgi proszków, obróbk ubytkow, czenie, obróbk ciepln i powierzchniow, procesy stosowane dla materia ów ceramicznych, procesy stosowane dla materia ów polimerowych, wytwarzanie materia ów kompozytowych. Ze wzgl du na technologiczno produktu, w procesie projektowania powinno si uwzgl dnia tak e kolejne aspekty: ograniczenie ogólnej liczby elementów produktu, unifikacj i standaryzacj elementów, 14 L.A. Dobrza ski, G. Matula

17 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane stosowanie materia ów atwo obrabialnych, dostosowanie projektu do procesów wytwarzania, projektowanie ka dego elementu, tak by by atwy do wykonania, ograniczanie liczby operacji obróbki ubytkowej i wyko czaj cej. Rysunek 1.4. Uk ad zada uwzgl dnianych podczas projektowania in ynierskiego i ich wzajemne powi zanie (opracowano wed ug M. Skarbi skiego) 1. Podstawy metalurgii proszków 15

18 Open Access Library Volume 8 (14) Metody metalurgii proszków DEFINICJA METALURGII PROSZKÓW Dotychczasowe rozwa ania, dotycz ce znaczenia technologii procesów materia owych w procesach wytwarzania produktów wskazuj na wa n rol i mo liwo ci kszta towania zarówno postaci produktów, jak i w asno ci materia ów in ynierskich przez wykorzystanie metalurgii proszków. Jest ona dziedzin techniki, obejmuj c metody wytwarzania proszków metali i materia ów metalowych lub ich mieszanin z proszkami niemetalowymi oraz otrzymywania pó produktów i produktów z tych proszków bez konieczno ci roztapiania g ównego sk adnika. Z powodzeniem mo e ona konkurowa np. z odlewaniem, obróbk plastyczn i obróbk skrawaniem, uzupe niaj c lub zast puj c te technologie. Elementy z niektórych materia ów, np. metali trudno topliwych i w glików spiekanych, mog by wytworzone jedynie metodami metalurgii proszków. Technologie metalurgii proszków i materia- ów ceramicznych w wielu przypadkach wykazuj podobie stwa, wobec czego w niektórych rozdzia ach cznie omawiane s wybrane materia y spiekane i materia y ceramiczne. Do zalet metalurgii proszków mo na zaliczy ograniczenie zu ycia materia ów, brak mo liwo ci wytwarzania niektórych z nich innymi metodami i stosowanie ni szej temperatury ni w metalurgii konwencjonalnej. Wady metody metalurgii proszków s zwi zane z uzyskiwaniem materia ów o du ej porowato ci, a co za tym idzie o ma ej wytrzyma o ci, oraz z trudno ciami w uzyskiwaniu produktów o z o onym kszta cie ze wzgl du na nierównomierny rozk ad ci nienia w obj to ci proszku podczas prasowania. Porowato produktów mo na wykorzysta, np. w filtrach i o yskach porowatych (samosmaruj cych). PROCES TECHNOLOGICZNY PRODUKTÓW METOD METALURGII PROSZKÓW Najogólniej w procesie technologicznym produktów metod metalurgii proszków mo na wyszczególni nast puj ce operacje: wytworzenie proszku metalu lub mieszaniny proszków ró nych materia ów, przygotowanie proszku, formowanie proszku na zimno, 16 L.A. Dobrza ski, G. Matula

19 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane spiekanie, obróbk wyko czaj c. Przyk adowy proces technologiczny produktów z proszków elaza podano schematycznie na rysunku 1.5. Rysunek 1.5. Uproszczony schemat produkcji masowej produktów z proszków elaza i stali (wed ug W. Rutkowskiego); a) wytwarzanie proszków, b) przygotowanie proszków, c) formowanie wst pne i spiekanie, d) obróbka wyko czaj ca 1. Podstawy metalurgii proszków 17

20 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 W praktyce przemys owej lub badawczej cz sto wyst puj odst pstwa od typowego procesu technologicznego. Przyk adowo formowanie wst pne i spiekanie cz sto mog by po czone w jedn operacj. Niekiedy otrzymany spiek o du ej porowato ci jest nast pnie nasycany roztopionym metalem o temperaturze topnienia ni szej ni g ównego sk adnika. Mog wyst powa równie inne odst pstwa od podanego typowego procesu technologicznego, lecz charakterystyczne jest zawsze otrzymywanie wyj ciowego materia u w postaci proszku i jego spiekanie w temperaturze ni szej od temperatury topnienia g ównego sk adnika. KLASYFIKACJA METOD WYTWARZANIA PROSZKÓW Proszki s wytwarzane w wyniku mechanicznego lub fizykochemicznego rozdrabniania wyj ciowego materia u litego albo reakcji chemicznych lub fizykochemicznych z innych materia ów lub zwi zków chemicznych. Metody wytwarzania proszków podano na rysunku 1.6. METODY MECHANICZNE WYTWARZANIA PROSZKÓW Metodami mechanicznymi przez rozdrabnianie w m ynach kulowych, wibracyjnych lub wirowo-udarowych uzyskuje si proszki w kszta cie talerzykowatym (proszek Hametag na rysunku 1.7a), wielo ciennym lub od amkowym. Metody mechaniczne nale do ma o wydajnych i mog by stosowane w zasadzie do rozdrabniania metali i niemetali kruchych. Proszki rozdrobnione w m ynach kulowych lub wibracyjnych zwykle s zanieczyszczone materia em ok adzin m yna i kul, co wymaga nast pnego ich oczyszczania chemicznego. Najcz ciej stosowanym urz dzeniem do mechanicznego rozdrabniania proszków jest m yn wirowo-udarowy typu Hametag. W b bnie m yna dwa stalowe mig a obracaj ce si w przeciwnych kierunkach z du pr dko ci powoduj powstawanie wirów powietrza, które porywaj cz stki wsadu metalowego w postaci poci tego drutu, wiórów i innych odpadków. Rozdrobnienie cz stek nast puje w wyniku uderzania ich o mig a i ciany b bna oraz o siebie. Gaz wdmuchiwany do b bna przez wentylator unosi proszek, kieruj c go przez segregator do osadnika. Proszek jest odbierany okresowo do hermetycznych zasobników. 18 L.A. Dobrza ski, G. Matula

21 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Rysunek 1.6. Ogólna klasyfikacja metod wytwarzania proszków Rysunek 1.7. Przyk ady kszta tów proszków metali otrzymanych ró nymi metodami (wed ug W. Rutkowskiego) 1. Podstawy metalurgii proszków 19

22 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 WYTWARZANIE PROSZKÓW METOD ROZPYLANIA Rozpylanie polega na rozbijaniu strumienia ciek ego metalu (rys. 1.8) na drobne kropelki przez rodek rozpylaj cy dzia aj cy pod znacznym ci nieniem. rodkiem tym jest zwykle woda, para wodna, powietrze lub gazy oboj tne. Kropelki cieczy zastygaj (rys. 1.7b) przed Rysunek 1.8. Schemat urz dzenia do rozpylania metali; 1 kad, 2 tygiel, 3 dysza, 4 komora rozpylania, 5 proszek opadni ciem na dno zbiornika. Dodatkowo, w metodzie znanej jako DPG poza rozpylaniem stosuje si równie mechaniczne rozbijanie strumienia ciek ego metalu za pomoc opatek klinów, zamocowanych na wiruj cej tarczy (rys. 1.9). W metodzie okre lanej jako RZ (rys. 1.7c) proces rozpylania jest po czony z wyst puj cymi w jego trakcie lub stosowanymi pó niej reakcjami chemicznymi utleniania, wypalania w gla lub redukcji. METODY FIZYKOCHEMICZNE OTRZYMYWANIA PROSZKÓW Bardzo czyste chemicznie proszki metali, g ównie elaza, o charakterystycznej strukturze warstwowej i o kszta cie kulistym (rys. 1.7d) otrzymuje si metod karbonylkow. Polega ona na wst pnym wytworzeniu karbonylków, np. Fe(CO) 5, w wyniku dzia ania tlenku w gla na rud lub z om metalu w reaktorach wysokoci nieniowych. Karbonylki metali, które s 20 L.A. Dobrza ski, G. Matula

23 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane cieczami, ogrzewane nast pnie powy ej temperatury wrzenia rozk adaj si na czysty metal, osadzaj cy si w ch odzonych zbiornikach, oraz tlenek w gla, s u cy do wytwarzania nast pnych porcji karbonylków. Proszki metali trudno topliwych mog by uzyskane przez redukcj (rys. 1.7g) ich tlenków lub soli, najcz ciej w piecach przepychowych w przeciwpr dzie gazu redukcyjnego, np. wodoru, lub w piecach zawiesinowych. Rysunek 1.9. Schemat urz dzenia do otrzymywania proszków metali przez rozpylanie metod DPG; 1 ciek y metal, 2 lejek z dysz, 3 woda, 4 wiruj ca tarcza z opatkami-klinami Metoda elektrolityczna polega na wydzielaniu metalu na katodzie, najcz ciej w postaci g bki, któr po wysuszeniu rozdrabnia si na proszek (rys. 1.7e). Proszki metali o niskiej temperaturze wrzenia, np. Zn, mog by wytwarzane metod odparowywania metalu i nast pnie kondensacji jego par w zbiorniku, zwanym kondensatorem. PRZYGOTOWANIE PROSZKU Przygotowanie proszku ma na celu uzyskanie odpowiedniego wsadu do dalszych operacji technologicznych. Procesy przygotowania wsadu obejmuj sortowanie proszku na ró ne frakcje 1. Podstawy metalurgii proszków 21

24 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 ziarnowe, mieszanie w odpowiednich proporcjach, dodawanie rodków po lizgowych i porotwórczych, a tak e granulacj proszków. METODY FORMOWANIA PROSZKÓW NA ZIMNO Formowanie na zimno polega na poddawaniu proszku ciskaniu w zamkni tej przestrzeni, w wyniku czego nast puje jego zag szczenie. W zale no ci od kszta tu formy oraz w asno ci Rysunek Schemat prasowania jednostronnego proszków; 1 stempel górny, 2 matryca, 3 proszek, 4 stempel dolny proszku, w szczególno ci za od jego plastyczno ci, zag szczalno ci i formowalno ci, dobiera si odpowiedni metod formowania na zimno, a mianowicie: prasowanie na zimno w ró nego rodzaju prasach w zamkni tych matrycach (rys. 1.10), prasowanie izostatyczne w komorach wysokoci nieniowych, wibracyjne zag szczanie proszków, prasowanie obwiedniowe (rys. 1.11), prasowanie krocz ce (rys. 1.12), walcowanie proszków (rys. 1.13), wyciskanie proszków na zimno (rys. 1.14), 22 L.A. Dobrza ski, G. Matula

25 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane formowanie udarowe, kucie na zimno, odlewanie i napylanie g stwy, tj. silnie zag szczonej zawiesiny proszku materia u podstawowego w cieczy z dodatkiem rodków zapobiegaj cych aglomeracji ziarn (rys. 1.15). W wyniku formowania uzyskuje si formówki, np. wypraski, odkuwki, walcówki. Rysunek Schemat prasowania obwiedniowego proszków; 1 obracaj cy si stempel, 2 matryca, 3 wypychacz, 4 proszek Rysunek Schemat urz dzenia do prasowania krocz cego proszków (wed ug W. Rutkowskiego); 1 pod u na matryca, 2 przesuwaj cy si t ok metalowy, 3 proszek 1. Podstawy metalurgii proszków 23

26 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 ISTOTA SPIEKANIA Spiekaniem proszków jest nazywana operacja technologiczna (której poddaje si formówk lub lu no zasypane ziarna proszku), polegaj ca na z czeniu pod wp ywem ogrzewania poszczególnych ziarn proszku w kompozyt o okre lonych w asno ciach mechanicznych Rysunek Schemat walcowania proszków; 1 walce, 2 lej zasypowy, 3 proszek Rysunek Schemat wyciskania proszków bez os ony; 1 matryca, 2 rura stalowa, 3 popychacz proszku, 4 stempel, 5 uformowany proszek 24 L.A. Dobrza ski, G. Matula

27 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane i fizykochemicznych. W wyniku spiekania otrzymuje si spieki metali lub spieki ceramicznometalowe, zwane cermetalami. Spiekanie mo e przebiega jako: swobodne, pod dzia aniem si y, tj. po czone z formowaniem zapewniaj cym okre lony kszta t, np. w wyniku prasowania proszków na gor co, walcowania na gor co lub kucia na gor co. Rysunek Zasada odlewania g stwy a) forma, b) zalewanie g stwy, c) uzyskana kszta tka SPIEKANIE Z FAZ STA Spiekanie jest wykonywane zwykle poni ej temperatury topnienia g ównego sk adnika. Mo e przebiega w fazie sta ej, gdy w czasie tej operacji nie wyst puje faza ciek a. W pierwszym etapie spiekania w fazie sta ej ziarna proszku cz si w wyniku adhezji, wywo- ywanej g ównie formowaniem. Po nagrzaniu na powierzchni ziarn nast puje dyfuzja atomów, w miar up ywu czasu przebiegaj ca w ca ej obj to ci proszku. W wyniku tych zjawisk nast puje trwa e zespolenie ziarn oraz zmniejszenie porowato ci spieku. SPIEKANIE PO CZONE Z FORMOWANIEM W przypadku gdy spiekanie jest po czone z formowaniem, zewn trzne si y powoduj dodatkowe odkszta cenie plastyczne ziarn proszków metali, któremu ze wzgl du na wysok temperatur towarzysz zwykle procesy zdrowienia i rekrystalizacji statyczne lub dynamiczne. 1. Podstawy metalurgii proszków 25

28 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 SPIEKANIE Z FAZ CIEK W czasie tzw. spiekania z faz ciek przej ciowo lub stale mo e wyst powa faza ciek a, mimo e temperatura jest ni sza od temperatury topnienia g ównego sk adnika. Spiekanie z faz ciek jest zazwyczaj w a ciwe dla proszków wielosk adnikowych, a roztopieniu ulegaj niskotopliwe eutektyki utworzone przez poszczególne sk adniki. W pierwszym etapie spiekania z faz ciek tworzy si ciecz zape niaj ca pory mi dzy ziarnami proszku, u atwiaj ca przegrupowywanie si i zwarte u o enie ziarn. Z kolei nast puje rozpuszczanie si w cieczy niektórych drobnych ziarn oraz wydzielanie z cieczy kryszta ów na du ych ziarnach. W ko cu cz stki sta e zrastaj si i spiekaj. Spieki otrzymane w wyniku spiekania z faz ciek charakteryzuj si struktur sk adaj c si z równomiernie roz o onych ziarn fazy sta ej w zakrzep ej cieczy. W ASNO CI SPIEKÓW W wyniku spiekania uzyskuje si materia zwarty, jednak zwykle w pewnym stopniu porowaty, o strukturze jedno- lub wielofazowej. Zarówno spiekanie z faz sta, jak i ciek mo e prowadzi do uzyskania struktury jednorodnej lub niejednorodnej. Spieki cechuj si : zespoleniem poszczególnych ziarn proszku, utworzeniem nowych granic ziarn, w asno ciami ró nymi od w asno ci formówek, zazwyczaj obj to ci mniejsz od formówek, wi ksz g sto ci od formówek. Niekiedy spiekanie mo e jednak powodowa zwi kszenie obj to ci. Zmian obj to ci powodowan spiekaniem nale y bra pod uwag podczas projektowania przez uwzgl dnienie odpowiednich naddatków formówek. OPERACJE OBRÓBKI WYKO CZAJ CEJ SPIEKÓW Obróbka wyko czaj ca spieków obejmuje: obróbk ciepln, 26 L.A. Dobrza ski, G. Matula

29 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane kalibrowanie, nasycanie spieków metalami, obróbk plastyczn, obróbk skrawaniem. OBRÓBKA CIEPLNA SPIEKÓW W celu polepszenia w asno ci mechanicznych oraz fizycznych spieki metali mog by poddawane obróbce cieplnej zwyk ej, która w zale no ci od sk adu chemicznego spieku polega na hartowaniu i odpuszczaniu, przesycaniu i starzeniu, a tak e obróbce cieplnochemicznej, g ównie naw glaniu lub azotowaniu. Ze wzgl du na mniejsze przewodnictwo cieplne, szybko ci nagrzewania i ch odzenia spieków s mniejsze ni materia ów konwencjonalnych, a czas ich wygrzewania jest d u szy. KALIBROWANIE W celu uzyskania wysokiej dok adno ci wymiarowej gotowe produkty poddaje si kalibrowaniu przy naciskach znacznie mniejszych ni podczas operacji formowania na zimno. NASYCANIE SPIEKÓW METALAMI Spieki o znacznej porowato ci mog by nasycane metalami o temperaturze topnienia ni szej ni gotowego spieku. Mo e si to odbywa przez zanurzanie spiekanego i porowatego szkieletu w roztopionym metalu nasycaj cym lub wygrzewanie szkieletu z proszkiem metalu nasycaj cego w piecu z atmosfer regulowan. Stosowane s zró nicowane metody infiltracji ciek ego metalu do porowatej kszta tki produktu, m.in. pró niowa, nisko- lub wysokoci nieniowa, zapewniaj ce dok adne wype nienie porów kszta tki metalow osnow. OBRÓBKA PLASTYCZNA I OBRÓBKA SKRAWANIEM W celu nadania wymaganych cech geometrycznych oraz w asno ci, pó produkty ze spiekanych metali w kszta cie bloków poddaje si obróbce plastycznej, np. kuciu lub walcowaniu. 1. Podstawy metalurgii proszków 27

30 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Obróbka skrawaniem, np. szlifowanie, umo liwia ostateczne nadanie kszta tu i uzyskanie wymaganej g adko ci powierzchni Ogólna charakterystyka selektywnego spiekania laserowego OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA METOD WYTWARZANIA PRZYROSTOWEGO Do nowoczesnych metod metalurgii proszków mo na zaliczy metody przyrostowego wytwarzania, m.in. szybkiego wytwarzania narz dzi, znane jako RT (j. ang.: Rapid Tooling), stosowane do otrzymywania stalowych form do formowania wtryskowego lub do odlewania pod ci nieniem, t oczników metalowych, a tak e elementów maszyn. Metody te s wykorzystywane równie do otrzymywania metalowych prototypów oraz produktów finalnych w wyniku laserowego spiekania proszków metalicznych, w tym tak e do zastosowa w medycynie, implantologii np. na sztuczn uchw z tytanu i ceramiki, a tak e przy wytwarzaniu wysoko wyspecjalizowanych narz dzi medycznych. Wymaga to zapewnienia oczekiwanej biokompatybilno ci materia u zastosowanego proszku oraz mo liwo ci sterylizacji gotowego produktu. Metody przyrostowego wytwarzania s u do spiekania szerokiej gamy proszków metalicznych, w tym m.in. stopów metali lekkich, stopów tytanu, stali, stopów i nadstopów kobaltu i chromu, a tak e materia ów polimerowych (np. poliamidu) lub ceramiki i materia ów kompozytowych. Zastosowanie tej innowacyjnej technologii powoduje, e jako produktów z materia ów polimerowych nie odbiega od wykonanych konwencjonalnie przez wtryskiwanie. Technologia ta umo liwia produkcj elementów pojedynczych lub w niewielkich seriach, zgodnie z indywidualnym zapotrzebowaniem rynkowym, zapewniaj c uzyskanie wg bie, podci i kana ów wewn trznych, trudnych lub wr cz niemo liwych do wytworzenia konwencjonalnie. Odpowiednie technologie przyrostowego wytwarzania znane s jako selektywne spiekanie laserowe SLS (j. ang.: Selective Laser Sintering) lub bezpo rednie spiekanie laserowe metali DMLS (j. ang.: Direct Metal Laser Sintering). Technologie te polegaj na scalaniu warstw proszku przy u yciu wi zki promieniowania laserowego z zakresu podczerwieni, którego ród em jest laser CO 2 lub Nd:YAG. Mo liwe jest równie zastosowanie podwójnego systemu laserów. Nie jest przy tym konieczne stosowanie dodatkowych elementów podtrzymuj cych, 28 L.A. Dobrza ski, G. Matula

31 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane gdy materia który nie zosta poddany spiekaniu stanowi podparcie wystaj cych cz ci i pochylonych lub zamykaj cych powierzchni wytwarzanego elementu. Proces jest sterowany komputerowo, po zaprojektowaniu i zamodelowaniu wytwarzanego produktu z wykorzystaniem odpowiedniego programu CAD (j. ang.: Computer Aided Design). W celu zrealizowania pe nego cyklu wytworzenia jakiegokolwiek elementu jedn z wymienionych technologii nale y automatycznie rozprowadza kolejne cienkie warstwy proszku lub mieszaniny proszków na powierzchni p yty roboczej o odpowiedniej chropowato ci i temperaturze, umieszczonej na stole roboczym o automatycznie regulowanym po o eniu, a nast pnie na powierzchni poprzednio zestalonych warstw. Za pomoc zgarniacza wyrównywana jest ka dorazowo warstwa proszku. Sterowana komputerowo wi zka laserowa jest prowadzona po powierzchni proszku wykorzystuj c program CAD, w kolejnych warstwach (odpowiadaj cych poprzecznemu przekrojowi wirtualnego przestrzennego modelu przedmiotu zapisanego przy u yciu zapisu cyfrowego CAD 3D), powoduj cych spiekanie cz stek proszku w ci le okre lony sposób i w selektywnie wybranych miejscach na powierzchni proszku. Stó z kolejn warstw proszku obni a si o zadan wysoko, wynikaj c z automatycznego podzia u wirtualnego przestrzennego modelu przedmiotu na warstwy o zadanej grubo ci i cykl rozprowadzania proszku oraz spiekania laserowego powtarza si, a do uzyskania kompletnie zestalonego przedmiotu, który mo e by oddany do u ytku po ostudzeniu i oczyszczeniu z nadmiaru proszku. System zapewnia monitorowanie temperatury wytwarzanego przedmiotu i warunki spiekania laserowego przedmiotu o w asno ciach mechanicznych powtarzalnych w ca ej obj to ci. Mo liwe jest te przetapianie proszku wi zk laserow i wtedy nast puje przej cie materia u od stanu sta ego w postaci proszku poprzez stan ciek y do stanu sta ego w postaci wytworzonego przedmiotu Ogólna charakterystyka materia ów oraz produktów spiekanych z proszków PRODUKTY SPIEKANE ZE STALI W GLOWYCH I STOPOWYCH Metody metalurgii proszków znalaz y zastosowanie w masowej produkcji licznych elementów wytwarzanych z elaza, stali w glowych i stali stopowych. Umo liwiaj bowiem 1. Podstawy metalurgii proszków 29

32 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 znaczne zmniejszenie pracoch onno ci, odci enie obrabiarek, oszcz dno ci surowcowe i zmniejszenie ilo ci odpadów. Spiekane elementy maszyn s stosowane w przemy le maszynowym i motoryzacyjnym. W postaci produktów z proszków spiekanych s wytwarzane ko a z bate, rolki, podk adki, nakr tki, zapadki, elementy amortyzatorów, gniazda zaworów, o yska, okucia budowlane, elementy uzbrojenia, maszyn biurowych i maszyn do szycia. Produkty spiekane ze stali niskow glowej cechuj si wytrzyma o ci na rozci ganie ok. 220 MPa, twardo ci 50 HBW i wyd u eniem do 20%. Zwi kszenie wytrzyma o ci i odporno ci na korozj i cieranie jest mo liwe w przypadku zastosowania produktów z proszków stalowych, w szczególno ci o sk adzie chemicznym odpowiadaj cym stalom specjalnym. Produkty takie mo na uzyskiwa ró nymi metodami, a mianowicie przez: spiekanie proszków stali o sk adzie chemicznym odpowiadaj cym gotowemu spiekowi, wymieszanie w odpowiednio dobranych proporcjach proszków elaza ze sproszkowanym w glem i proszkami innych sk adników stopowych i nast pne spiekanie, wymieszanie proszków elaza z proszkami eliwa lub elazostopów i nast pnie spiekanie, naw glanie produktów otrzymanych przez spiekanie proszków elaza. PRODUKTY SPIEKANE Z MIEDZI I JEJ STOPÓW Szeroko s stosowane produkty spiekane z miedzi i jej stopów. Wytwarza si je z mieszaniny proszków Cu, Sn lub Zn albo proszków stopowych, np. Cu-Pb lub Cu-Zn. Mied oraz br zy lub mosi dze s stosowane do wytwarzania spiekanych elementów urz dze i maszyn, oku budowlanych, w medalierstwie. O YSKA I FILTRY SPIEKANE Metody metalurgii proszków umo liwiaj wytwarzanie produktów, których nie mo na wytworzy innymi metodami. Do produktów tych nale mi dzy innymi: o yska lite, o yska porowate, filtry spiekane. 30 L.A. Dobrza ski, G. Matula

33 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane SPIEKANE O YSKA LITE Spiekane o yska lizgowe wykazuj dobre w asno ci mechaniczne. 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, które to warunki wykluczaj smarowanie olejami. Spiekane o yska lite o odpowiednim udziale grafitu lub mi kkich metali niskotopliwych s samosmarowne. Najcz ciej wytwarza si je z elazografitu lub miedziografitu. elazo mo e by cz ciowo zast pione przez Cu, Pb, Sn lub Zn, natomiast mied przez Sn, Zn, lub Pb. Mo e by stosowany równie br z o owiowy o st eniu 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. POROWATE O YSKA SAMOSMAROWNE W przeciwie stwie do licznych materia ów spiekanych, w tym tak e o ysk litych, charakteryzuj cych si du g sto ci, niektóre produkty, takie jak o yska samosmarowne, s wytwarzane jako porowate. Pory istniej ce wewn trz materia u s po czone ze sob, tworz c kapilarne kanaliki. Obj to porów si ga 50% ca kowitej obj to ci o ysk. o yska porowate (PN-H-97044:1996) s wytwarzane z proszków metali, najcz ciej ze stopów elaza lub miedzi, m.in. ze stopów miedzi z cyn, do których mog by dodawane proszki niemetali, np. grafitu. Najcz ciej o yska te produkuje si w postaci cienko ciennych tulei lub tulei z ko nierzami, a tak e w postaci bary kowatej. S równie wytwarzane ta my porowate, nak adane nast pnie na podk adki stalowe i zwijane w pó panewki. o yska porowate nasyca si odpowiednim olejem, który w czasie pracy smaruje wa lub o. Wyst puje wówczas równowaga mi dzy si ami wysysania oleju a si ami kapilarnymi porów, dzi ki czemu olej nie wycieka, a po zaprzestaniu pracy natychmiast jest wci gany w g b o yska. Spiekane o yska porowate s stosowane w uk adach, w których nie ma mo liwo ci doprowadzenia dodatkowego smarowania oraz wykonywania przegl dów okresowych oraz tam, gdzie nie mo na dopu ci do wyciekania oleju. o yska porowate z dodatkowym 1. Podstawy metalurgii proszków 31

34 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 smarowaniem s stosowane w ci kich warunkach pracy przy du ej pr dko ci oraz obci - eniu. SPIEKANE FILTRY POROWATE Do produktów 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 albo 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 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. SPIEKANE STALE ODPORNE NA KOROZJ Spo ród materia ów spiekanych pewne znaczenie techniczne zyska y stale odporne na korozj, wytwarzane metodami metalurgii proszków, np. metod ASP lub spiekania proszków Fe, Cr, Ni. Metody te umo liwiaj wytworzenie stali o bardzo ma ym st eniu w gla, bardzo trudnych do otrzymania metod konwencjonaln. SPIEKANE METALE TRUDNO TOPLIWE Metody metalurgii proszków umo liwiaj otrzymanie czystych metali trudno topliwych, np. Ta, Nb, Ti, odpornych na korozj, albo W lub Mo stosowanych do pracy w wysokiej temperaturze, m.in. w elektrotechnice i elektronice. Spiekane metale trudno topliwe poddaje si obróbce plastycznej na gor co, np. m otkowaniu, ci gnieniu drutów, kuciu lub walcowaniu. 32 L.A. Dobrza ski, G. Matula

35 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane CERMETALE AROODPORNE I AROWYTRZYMA E Liczn grup spieków aroodpornych i arowytrzyma ych stanowi kompozyty ceramiczno-metalowe. Materia ami ceramicznymi s zwykle tlenki, w gliki, krzemki lub borki. Powoduj one zwi kszenie odporno ci na dzia anie wysokiej temperatury i niewra liwo w asno ci wytrzyma o ciowych na zmian temperatury, aroodporno, du twardo i odporno na cieranie w wysokiej temperaturze. Jako materia y aroodporne mog by stosowane w gliki spiekane oraz tlenki spiekane. Do omawianej grupy materia ów nale równie metale umacniane dyspersyjnie przez obc faz tward i aroodporn, jak np. wolfram spiekany z niewielkim dodatkiem tlenku sodu, wapnia lub aluminium, dwutlenku krzemu albo dwutlenku toru, zapobiegaj ce nadmiernemu rozrostowi ziarn i pe zaniu wolframu. Podobnie jest spiekany chrom z dodatkiem tlenku itru. Metoda SAP (spiekanie proszku aluminium) jest stosowana w produkcji spieków Al+Al 2 O 3. Udzia tlenków w tych spiekach si ga 15%, zwykle wynosi jednak 5-11%. Obecnie, oprócz aluminium, metod t s wytwarzane m.in. spieki U+UO 2, Fe+Al 2 O 3, Fe Cr+Al 2 O 3, Fe+Fe 2 O 3 i Ni+Al 2 O 3. SPIEKANE MATERIA Y NA OSNOWIE NIKLU I ELAZA UTWARDZANE WYDZIELENIAMI TLENKÓW Od II po owy XX wieku materia y na osnowie niklu, elaza i aluminium s wytwarzane metodami metalurgii proszków przez mechaniczne stopowanie i utwardzanie dyspersyjne tlenkami MA ODS (j. ang.: Mechanical Alloying Oxides Dispersion-Strengthened). Materia y te po raz pierwszy zastosowano na elementy turbin gazowych silników lotniczych, a pó niej na turbiny przemys owe, w tym opatki, dysze, komory spalania. Obecnie materia y wytwarzane metodami metalurgii proszków przez mechaniczne stopowanie i utwardzanie dyspersyjne tlenkami MA ODS s stosowane na liczne elementy w ró nych ga ziach przemys u, w czaj c wiece arowe silników Diesla, elementy pieców do obróbki cieplnej, jak os ony, kosze, palety, szyny lizgowe dla palet stalowych, paleniska kot ów w glowych i olejowych, os ony termoelementów, elementy do obróbki ciek ego szk a. Proszki metali o odpowiednio dobranym sk adzie chemicznym oraz strukturze wytwarzane s metod mechanicznego stopowania w m ynach z poziomymi kulami lub mi dzy pionowymi 1. Podstawy metalurgii proszków 33

36 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 tarczami ciernymi. Nast puje czenie na zimno cz stek proszków o ró nym sk adzie, tj. Ni, Ti i Al, a równocze nie p kanie innych cz stek. Powoduje to stabilizacj zarówno rozmiarów jak i sk adu chemicznego proszku. Z kolei nast puje mieszanie proszku wytworzonego metod stopowania mechanicznego jako osnowy o redniej wielko ci 150 m (w udziale ok. 15%) z proszkiem niklu o rozmiarach 4-7 m (w udziale ok. 64%), proszkiem chromu o rozmiarach 150 m (w udziale ok. 20%), a tak e z ok. 2% Y 2 O 3 o rozmiarach ok. 25 nm (rys. 1.16). Rysunek Schemat procesu technologicznego wytwarzania materia ów spiekanych MA ODS (opracowano wed ug J.J. debarbadillo i J.J. Fischera) Materia y s wytwarzane metodami metalurgii proszków przez mechaniczne stopowanie i utwardzanie dyspersyjne tlenkami MA ODS jako pr ty, p yty, blachy, rury, druty, kszta tki i odkuwki. Ich w asno ci zale od struktury ziarn, a tak e od obecno ci drobnoziarnistych wydziele tlenków. Zwykle po wytwarzaniu stosuje si wy arzanie w temperaturze 1315ºC. Ziarna maj wyd u on struktur zwi zan z technologi wyciskania lub odkszta cenia i zapewniaj wysokie w asno ci mechaniczne w podwy szonej temperaturze. Je eli w wyniku staranno ci technologicznej zapewniona jest równoosiowa struktura ziarn w p aszczy nie blachy, w jej p aszczy nie wyst puj niemal izotropowe w asno ci W tablicy 1.1 podano przyk adowo sk ady chemiczne kilku komercyjnych materia ów spiekanych wytwarzanych t technologi. Materia y te mog by spawane elektrod wolframow 34 L.A. Dobrza ski, G. Matula

37 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane w os onie gazów oboj tnych, wi zk elektronow lub laserowo, a tak e zgrzewane w pró ni lub lutowane dyfuzyjnie. Tablica 1.1. Orientacyjne sk ady chemiczne kilku wybranych stopów wytwarzanych metod stopowania mechanicznego i utwardzania dyspersyjnymi tlenkami (MA ODS) (wed ug J.J debarbadillo i J.J. Fischera) Rodzaj nadstopu wed ug ASTM Udzia masowy sk adników, % Cr Al Ti W Mo Ta Y 2 O 3 C B Zr Ni Fe MA ,3 0,5 0,6 0,05 reszta MA ,3 0,5 0,6 0,05 reszta MA ,5 2 0,95 0,05 0,01 0,15 reszta MA ,5 2, ,1 0,05 0,01 0,15 reszta MA ,5 0,5 0,5 0,05 reszta ZASTOSOWANIE METALURGII PROSZKÓW W PRODUKCJI MATERIA ÓW NARZ DZIOWYCH Metalurgia proszków znalaz a szerokie zastosowanie w produkcji spiekanych materia ów narz dziowych, takich jak w gliki spiekane metali, w glikostale, stale szybkotn ce o bardzo du ym st eniu w gla i pierwiastków stopowych, a tak e innych cermetali i spieków ceramicznych nie do wytworzenia innymi sposobami. Metalurgia proszków umo liwia ponadto uzyskanie materia ów, np. stali szybkotn cych, o lepszych w asno ciach technologicznych od materia ów produkowanych metodami konwencjonalnymi (rys. 1.17). W stalach tych zdo ano bowiem wyeliminowa niemal zupe nie segregacj i pasmowo w glików, nawet w produktach o najwi kszym przekroju. Ze stali szybkotn cych lub w glikostali mo na wykona narz dzia bezpo rednio przez prasowanie i spiekanie. 1. Podstawy metalurgii proszków 35

38 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Rysunek Schemat: a) zakresów szybko ci skrawania i dopuszczalnego posuwu, b) twardo ci i wytrzyma o ci na zginanie ró nych spiekanych materia ów narz dziowych i konwencjonalnych stali szybkotn cych 36 L.A. Dobrza ski, G. Matula

39 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane OGÓLNE WYMAGANIA STAWIANE SPIEKANYM MATERIA OM NARZ DZIOWYM Szybko rozwijaj ca si technika i technologia stwarza konieczno zwi kszania wymaga stawianych spiekanym materia om narz dziowym w zakresie w asno ci mechanicznych, mi dzy innymi odporno ci na zu ycie. Nieustanny rozwój nowoczesnych spiekanych materia ów narz dziowych zwi zany jest z szybkim post pem w dziedzinie in ynierii materia owej. Nowoczesne spiekane materia y narz dziowe ze wzgl du na charakter ich pracy oraz z o ono mechanizmów zu ycia, którym podlegaj ostrza narz dzi skrawaj cych, powinny spe nia liczne wymagania, do których nale mi dzy innymi: wysoka twardo, du a udarno, odporno na z o one zu ycie (adhezyjne, dyfuzyjne, cierne i cieplne), odporno na wysok temperatur, du a wytrzyma o na ciskanie, rozci ganie, skr canie i zginanie, wysoka odporno na zm czenie mechaniczne i cieplne, dobra przewodno cieplna i pojemno cieplna, stabilno kraw dzi skrawaj cych, dobra ci gliwo. Idealny materia narz dziowy o uniwersalnym zastosowaniu, powinien czy w sobie podane w asno ci, a szczególnie najwi ksz odporno na zu ycie i twardo z du wytrzyma o ci i dobr ci gliwo ci przy jednoczesnej oboj tno ci chemicznej w stosunku do obrabianego materia u. Jednak e pomimo intensywnego rozwoju in ynierii materia owej ci gle nie wytworzono idealnego materia u narz dziowego ze wzgl du na podstawow sprzeczno mi dzy takimi w asno ciami jak twardo i ci gliwo. OGÓLNA KLASYFIKACJA SPIEKANYCH MATERIA ÓW NARZ DZIOWYCH Najogólniej w grupie spiekanych materia ów narz dziowych mo na wydzieli : stale i cermetale oparte na w glikach metali przej ciowych oraz cermetale oparte na azotkach lub mieszaninach azotków i w glików metali przej ciowych, 1. Podstawy metalurgii proszków 37

40 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 materia y ceramiczne zawieraj ce g ównie -Al 2 O 3 i/lub Si 3 N 4, ewentualnie z dodatkiem tlenków innych pierwiastków, materia y mieszane ceramiczno-w glikowe zawieraj ce zarówno -Al 2 O 3 oraz (lub) Si 3 N 4, jak i w gliki metali przej ciowych z ewentualnym dodatkiem tlenków lub azotków innych pierwiastków, supertwarde materia y spiekane w tym polikrystaliczny syntetyczny diament i azotek boru BN o regularnej sieci przestrzennej, zwany borazonem przewa nie nak adane na p ytki z w glików spiekanych. Tablica 1.2. Mo liwo ci zastosowania ró nych spiekanych materia ów narz dziowych Materia narz dziowy Cermetale narz dziowe TiN Tlenkowe materia y ceramiczne Tlenkowo-w glikowe materia y ceramiczne stal eliwo Materia obrabiany stale odporne na korozj stopy niklu metale nie elazne materia y niemetalowe / / / / / / / / Spiekany azotek krzemu / / Sialony / / Lity regularny azotek boru / / Ostrza p ytkowe z regularnego azotku boru Ostrza p ytkowe z polikrystalicznego syntetycznego diamentu / / Oznaczenia: zalecane do toczenia, zalecane do frezowania, niezalecane. Grup materia ów opartych na w glikach metali przej ciowych mo na dodatkowo podzieli na: spiekane stale szybkotn ce, w glikostale spiekane, 38 L.A. Dobrza ski, G. Matula

41 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane w gliki spiekane, ze wzgl du na udzia obj to ciowy w glików w strukturze. ZASTOSOWANIE SPIEKANYCH MATERIA ÓW NARZ DZIOWYCH W zale no ci od sk adu fazowego oraz udzia u cz stek twardych faz w spiekanych materia- ach narz dziowych (od ich obecno ci lub nie) oraz sk adu chemicznego materia u wi cego, a tak e mo liwo ci poddania materia u obróbce cieplnej zró nicowane s w asno ci i zastosowanie produktów gotowych ze spiekanych materia ów narz dziowych. Zakresy zastosowania poszczególnych grup tych materia ów narz dziowych w procesach obróbki skrawaniem podano orientacyjnie na rysunku W tablicy 1.2 przedstawiono mo liwo ci zastosowania spiekanych materia ów narz dziowych do obróbki ró nych materia ów. 1. Podstawy metalurgii proszków 39

42 Open Access Library Volume 8 (14) Spiekane stale narz dziowe 2.1. Struktura i w asno ci spiekanych stali narz dziowych stopowych STRUKTURA I W ASNO CI SPIEKANYCH STALI NARZ DZIOWYCH STOPOWYCH, W TYM SZYBKOTN CYCH Spora cz stali narz dziowych stopowych jest wytwarzana rozwini tymi metodami metalurgii proszków. W ten sposób wytwarza si g ównie spiekane stale szybkotn ce, ale tak e stale narz dziowe stopowe do pracy na zimno oraz niektóre stale na matryce do przetwórstwa materia ów polimerowych. Stale wytworzone t technologi, w tym g ównie spiekane stale szybkotn ce, cechuj si o wiele bardziej równomiern struktur od gatunków konwencjonalnych. W spiekanych stalach szybkotn cych nie ujawnia si segregacja w glików, gdy nie wyst puj w nich du e w gliki, które w stalach konwencjonalnych pochodz z w glików dendrytycznych rozbitych w trakcie obróbki plastycznej. Równomierna struktura u atwia obróbk ciepln spiekanych stali narz dziowych, w tym szybkotn cych i zapewnia znaczn izotropowo tych stali w stanie obrobionym cieplnie. Spiekane stale szybkotn ce s poddawane obróbce cieplnej, polegaj cej na hartowaniu i co najmniej dwukrotnym odpuszczaniu, analogicznej jak stale konwencjonalne. Podczas obróbki tej w stalach spiekanych zachodz analogiczne przemiany fazowe, jak w stalach konwencjonalnych o identycznym sk adzie chemicznym. Temperatura austenityzowania poszczególnych gatunków stali spiekanych jest ni sza o C od odpowiedniej temperatury dla stali konwencjonalnych o zbli onym sk adzie chemicznym. Decyduje o tym wi ksze st enie w gla w stalach spiekanych i ich technologia wytwarzania. Temperatura nadtapiania spiekanych stali szybkotn cych jest ni sza ni stali konwencjonalnych o analogicznym sk adzie chemicznym, co te wp ywa na obni enie temperatury austenityzowania. Spiekane stale szybkotn ce s równie poddawane obróbce cieplno-chemicznej, g ównie azotowaniu, w gloazotowaniu i zabiegom pokrewnym, analogicznie jak stale otrzymywane konwencjonalnie. Zabiegi te zapewniaj polepszenie w asno ci eksploatacyjnych narz dzi wytworzonych ze spiekanych stali szybkotn cych. 40 L.A. Dobrza ski, G. Matula

43 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Spiekane stale szybkotn ce, w porównaniu ze stalami konwencjonalnymi, wykazuj wiele korzystnych w asno ci technologicznych (rys. 2.1): dobr plastyczno, dobr obrabialno mechaniczn, bardzo dobr szlifowalno, du stabilno wymiarow po hartowaniu i odpuszczaniu, w przewa aj cej liczbie przypadków lepsze w asno ci u ytkowe. Spiekane stale narz dziowe stopowe równie wykazuj korzystniejsze w asno ci technologiczne i eksploatacyjne od analogicznych stali wytworzonych konwencjonalnie. Rysunek 2.1. Porównanie podstawowych w asno ci wybranych konwencjonalnych i spiekanych stali szybkotn cych 2. Spiekane stale narz dziowe 41

44 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Narz dzia wykonane ze spiekanych stali szybkotn cych maj lepsze w asno ci skrawne od wykonanych ze stali konwencjonalnych o analogicznym sk adzie chemicznym, szczególnie w przypadku obróbki stali trudno obrabialnych i przy wi kszej szybko ci skrawania. Wska niki zwi kszania w asno ci u ytkowych kszta tuj si ró nie w zale no ci od rodzaju narz dzia, warunków prób, a w tym g ównie od wytrzyma o ci materia u obrabianego. W asno ci narz dzi wykonanych ze spiekanych stali szybkotn cych ulegaj zwi kszeniu o kilkadziesi t do kilkuset procent w miar zwi kszania warunków skrawania. Narz dzia ze spiekanych stali szybkotn cych wykazuj przy tym bardziej równomiern skrawno w porównaniu z narz dziami ze stali konwencjonalnych. ZASTOSOWANIE SPIEKANYCH STALI SZYBKOTN CYCH Spiekane stale szybkotn ce s g ównie przeznaczone na narz dzia skrawaj ce do obróbki materia ów trudno obrabialnych, jak np. stali stopowych, stali o du ej wytrzyma o ci i stali konstrukcyjnych ulepszonych cieplnie, do obróbki wyko czaj cej z zastosowaniem narz dzi pracuj cych z du wydajno ci, automatycznej obróbki skrawaniem, przy wymaganych zwi kszonych wspó czynnikach niezawodno ci pracy narz dzi, a wi c g ównie na narz dzia montowane w obrabiarkach sterowanych numerycznie, w centrach i liniach obróbkowych oraz obrabiarkach zespolonych. Spiekane stale szybkotn ce s szczególnie przydatne jako materia na narz dzia o bardzo du ych wymiarach i masie oraz z o onym kszta cie, np. na frezy limakowe, które nie mog by wykonane jako sk adane. W przypadku narz dzi o du ych wymiarach i zmiennych przekrojach zaznacza si wyra na ró nica trwa o ci spiekanych stali szybkotn cych i stali konwencjonalnych. Przy kosztach wytwarzania ok. dwu-, trzykrotnie wi kszych, trwa o narz dzi ze stali spiekanych mo e by wi ksza nawet kilkunastokrotnie, co jest ekonomicznym uzasadnieniem zastosowania takiego materia u. Wobec wi kszych kosztów wytwarzania spiekanych stali szybkotn cych, zawsze o zastosowaniu ich na jakiekolwiek narz dzia musi decydowa rachunek ekonomiczny. Jako g ówny wska nik nale y przy tym uwzgl dni koszt narz dzia na jednostk wytworzonego nim produktu. Pomocniczy mo e by wska nik cz stotliwo ci zatrzyma linii produkcyjnej z powodu konieczno ci wymiany uszkodzonego narz dzia na jednostk wytworzonego produktu. 42 L.A. Dobrza ski, G. Matula

45 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane 2.2. Technologie spiekanych stali szybkotn cych METODY WYTWARZANIA SPIEKANYCH STALI NARZ DZIOWYCH, W TYM SZYBKOTN CYCH Metody technologiczne produkcji stali narz dziowych stopowych, w tym szybkotn cych z proszków mo na podzieli na dwie grupy: specjalistyczne lub klasyczne metody metalurgii proszków, pozwalaj ce na wytwarzanie gotowych narz dzi lub pó produktów i produktów o kszta cie zbli onym do ko cowego, kombinacj technologii metalurgii proszków i konwencjonalnej obróbki plastycznej, w wyniku której uzyskuje si wielkogabarytowe bloki, k sy lub pr ty, z których metodami obróbki skrawaniem s wykonywane gotowe narz dzia. Stal o odpowiednim sk adzie chemicznym jest zwykle wytapiana w piecu indukcyjnym redniej cz stotliwo ci. Ciek y metal z pieca jest wylewany do kadzi, w której jest transportowany i przelewany do tygla umieszczonego na szczycie kilkunastometrowej komory, chocia w niektórych metodach mo e by ona usytuowana poziomo. Przez centryczny otwór ciek y metal sp ywa do komory, do której równocze nie jest wprowadzany gaz oboj tny lub woda. Podstawowa metoda otrzymywania proszku polega na rozpylaniu ciek ej stali narz dziowej, w tym szybkotn cej: gazami oboj tnymi (g ównie azotem, niekiedy argonem lub helem) albo wod. Otrzymany w wyniku tego proszek o sk adzie chemicznym odpowiadaj cym gotowej stali jest pó produktem do wytwarzania spiekanych stali narz dziowych, w tym szybkotn cych. METODY OTRZYMYWANIA PROSZKÓW STALI NARZ DZIOWYCH, W TYM SZYBKOTN CYCH Proszki rozpylone z fazy ciek ej gazami oboj tnymi cechuj si kszta tem kulistym o rednicy 0,01-1 mm, st eniem tlenu wi kszym ni 0,01% oraz dobr sypko ci, lecz niekorzystn prasowalno ci. Gaz rozpyla sp ywaj cy strumie metalu na bardzo drobne krople, które opadaj c na dno komory s studzone gazem i krzepn w postaci ziarn. Uzyskany w ten sposób proszek jest przesiewany w celu usuni cia ziarn zbyt du ych. Dobieraj c 2. Spiekane stale narz dziowe 43

46 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 odpowiednio warunki rozpylania, tj. temperatur i mas ciek ego metalu oraz ci nienie i nat enie przep ywu gazu, mo na regulowa sk ad ziarnowy i wielko ziarn. Proszki otrzymane przez rozpylanie wod cieczy metalicznej maj kszta t strz piasty o rozwini tej powierzchni i dobr prasowalno. W porównaniu z rozpylanymi gazami oboj tnymi proszki te wykazuj 20- do 50-krotnie wi ksze st enie tlenu. Rozpylanie wod jest wielokrotnie ta sze od rozpylania gazami oboj tnymi o du ej czysto ci. Proszek uzyskany przez rozpylenie wod bardzo cz sto jest poddawany dalszemu rozdrobnieniu metodami mechanicznymi. W przypadku stali szybkotn cych oprócz grubego proszku uzyskanego w wyniku rozpylenia wod ciek ej stali, mechanicznemu rozdrabnianiu s poddawane tak e odpady drutów, odcinki blach i wióry z tych stali o wielko ci 2-5 mm. W metodzie The Coldstream Process rozdrabniany materia jest wprowadzany do urz dzenia, w którym jest transportowany za pomoc spr onego powietrza lub azotu o ci nieniu min. 7 MPa. Nast pnie, materia ten jest przyspieszany do pr dko ci odpowiadaj cej liczbie Macha M = 1 i kierowany na p yt pancern w komorze rozpr nej, w której panuje ci nienie ok. 10 Pa. W wyniku tego materia rozbija si na proszek o redniej wielko ci ziarna ok. 10 m. W innych metodach materia wsadowy w postaci odcinków drutu, blach, wiórów lub grubego proszku (uzyskanego przez rozpylanie wod ) mo e by mielony w m ynach wibracyjnych lub kulowych przez kilka do kilkudziesi ciu godzin w obecno ci aktywizuj cego 10% roztworu kwasu oleinowego w czterochlorku w gla CCl 4. Metoda polegaj ca na mieleniu wibracyjnym proszku uzyskanego uprzednio przez rozpylanie wod ciek ej stali narz dziowej stopowej, w tym szybkotn cej, zapewnia otrzymanie proszku o wielko ci ziarna 1-2 m, rozwini tej powierzchni i bardzo dobrze prasowalnego. METODY METALURGII PROSZKÓW WYTWARZANIA GOTOWYCH NARZ DZI LUB PÓ PRODUKTÓW O KSZTA CIE ZBLI ONYM DO KO COWEGO Otrzymywanie spieków kszta towych ze stali szybkotn cych, charakteryzuj cych si bardzo du ym stopniem zag szczenia, umo liwia metoda CMII ameryka skiej firmy Consolidated Metallurgical Industries Incorporation. Proszek uzyskany w wyniku rozpylania wod ciek ej stali szybkotn cej jest dodatkowo rozdrabniany mechanicznie (rys. 2.2). Gotowe narz dzia s wykonywane przez klasyczne prasowanie proszku w matrycach na zimno. Narz dzia du e i smuk e oraz o skomplikowanych kszta tach s poddawane prasowaniu izostatycznemu 44 L.A. Dobrza ski, G. Matula

47 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane na zimno, a nast pnie wypraski s spiekane w pró ni. Metod t s produkowane gotowe narz dzia, zw aszcza drobne, które po obróbce cieplnej podlegaj jedynie ostrzeniu i szlifowaniu. W przypadku narz dzi skomplikowanych metod t s wykonywane pó produkty, które nast pnie wymagaj niewielkiej obróbki mechanicznej w celu nadania produktom wymaganych kszta tów i wymiarów. W brytyjskiej metodzie CAP (zestalania pod ci nieniem atmosferycznym) wytwarzania spiekanych stali szybkotn cych (rys. 2.3), stal szybkotn ca wytopiona w piecu indukcyjnym w powietrzu lub w pró ni jest rozpylana odpowiednio azotem lub argonem. Bardzo drobne krople metalu krzepn przed osi gni ciem dna komory rozpylaj cej. Przesianym, oczyszczonym chemicznie i osuszonym w pró ni proszkiem s zasypywane szklane formy o za o onym kszta cie, które po obsypaniu piaskiem s umieszczane w ogniotrwa ym zbiorniku. Zespó form jest nagrzewany w atmosferze powietrza do temperatury wy szej od ok C Rysunek 2.2. Schemat procesu technologicznego CMII Fuldens otrzymywania spieków kszta towych ze spiekanych stali szybkotn cych: a) mechaniczne rozdrobnienie proszków, b) nape nianie pojemników, c) prasowanie izostatyczne na zimno, d) konwencjonalne prasowanie proszku w matrycach stalowych na zimno, e) spiekanie w pró ni, f) obróbka wyko czaj ca narz dzia, g) kontrola 2. Spiekane stale narz dziowe 45

48 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 w tradycyjnym piecu elektrycznym lub gazowym. W wyniku dyfuzji w stanie sta ym nast puje zestalenie pó produktów, które s nast pnie ch odzone w powietrzu, kiedy to nast puje samoczynne rozbicie szklanej formy. Uzyskany w ten sposób jednorodny pó produkt, w celu nadania wymaganych kszta tów i wymiarów, jest poddawany konwencjonalnej obróbce plastycznej na gor co przez kucie lub walcowanie. Ograniczenie obróbki plastycznej w tym procesie, w porównaniu z innymi, powoduje ograniczenie zu ycia energii o 50%, a ogólny koszt jest znacznie mniejszy w porównaniu z innymi procesami metalurgii proszków i nie wi kszy ni w procesach metalurgii konwencjonalnej. Rysunek 2.3. Schemat procesu technologicznego wytwarzania spiekanych stali szybkotn cych metod CAP: a) rozpylanie w pojemniku pionowym, b) przesiewanie, c) nape nianie szklanej formy, d) odgazowanie w temperaturze C, e) zestalanie w piecu, f) obróbka plastyczna na gor co Jedn z nowoczesnych metod wytwarzania narz dzi ze stali szybkotn cych jest metoda formowania wtryskowego proszku PIM (j. ang.: Powder Injection Molding), która mo e by równie stosowana np. dla stali odpornych na korozj i arowytrzyma ych. Dynamiczny rozwój metody PIM przypada na ostatnie dziesi ciolecie. Metoda ta wzi a swój pocz tek z formowania wtryskowego materia ów polimerowych, stosowanego na szerok skal g ównie do kszta towania materia ów termoplastycznych. Umo liwia ona wykorzystanie zalet 46 L.A. Dobrza ski, G. Matula

49 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane formowania wtryskowego polimerów do wytwarzania materia ów metalowych, ceramicznych i metalowo-ceramicznych. Proces formowania wtryskowego proszku polega na mieszaniu polimeru oraz proszku nieorganicznego i podawaniu go do zasobnika wtryskarki (rys. 2.4). Po procesie wtryskiwania i polimeryzacji kszta tka jest poddawana cz ciowej lub zupe nej depolimeryzacji w celu usuni cia polimeru. Etap ten wymaga stosowania nagrzewania z ma szybko ci i d ugiego wygrzewania w temperaturze depolimeryzacji. Nast pnie kszta tka jest spiekana. Odpowiednie warunki spiekania pozwalaj na uzyskanie g sto ci materia u zbli onej do g sto ci Rysunek 2.4. Schemat procesu formowania wtryskowego proszku (opracowano wed ug R.M. Germana) teoretycznej. Wielkie sukcesy w masowym zastosowaniu tej metody zosta y odnotowane w produkcji zamków samochodowych, czujników poduszek powietrznych, aparaturze sygnalizacji wietlnej, nap dów dysków komputerowych, elementów broni palnej, a nawet zawiasów w oprawkach okularów czy mechanizmów do elektrycznych szczoteczek do z bów. Te i inne szerokie zastosowania metody formowania wtryskowego proszku wynikaj z mo liwo ci stosowania jej do wytwarzania elementów o skomplikowanych kszta tach, stosunkowo ma ej masie i wysoko rozwini tej powierzchni, co w przypadku innych metod wytwarzania materia ów spiekanych jest wyj tkowo trudne lub te niemo liwe. Dodatkowym atutem tej metody jest niew tpliwie mo liwo unikni cia obróbki plastycznej i ubytkowej, 2. Spiekane stale narz dziowe 47

50 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 oraz zwi zane z tym korzy ci ekonomiczne i ekologiczne. Te zalety s powodem stosowania formowania wtryskowego proszku do wytwarzania narz dzi. Dodatkow zalet procesu spiekania jest w giel znajduj cy si pomi dzy ziarnami proszku, pozostaj cy w wyniku degradacji polimeru. Pozwala to na obni enie temperatury spiekania materia ów narz dziowych, w tym stali szybkotn cych. Materia y narz dziowe wytwarzane metod formowania wtryskowego proszku mog by spiekane w piecach pró niowych jak i w piecach z atmosfer ochronn, co wiadczy o elastyczno ci metody i mo liwo ci jej dopasowania do posiadanych urz dze. Uzyskanie niemal gotowych produktów umo liwia równie brytyjska metoda POWDREX. W metodzie tej nie rozpyla si ciek ej stali szybkotn cej, lecz oddzielnie uzyskuje si proszek stali w glowej i niezb dnych dodatków stopowych przez kolejne rozpylanie wod ciek ej stali w glowej i pierwiastków stopowych. Uzyskany proszek wy arza si w celu odwodnienia i wysuszenia, a tak e zmniejszenia st enia tlenu i zmi kczenia. Po sprasowaniu w prasie mechanicznej lub hydraulicznej albo izostatycznie na zimno pod ci nieniem MPa wypraska jest spiekana w pró ni, a nast pnie wy arzana i poddawana wyko czaj cej obróbce skrawaniem i obróbce cieplnej. KOMBINOWANA TECHNOLOGIA METALURGII PROSZKÓW I KONWENCJONALNEJ OBRÓBKI PLASTYCZNEJ UZYSKIWANIA WIELKOGABARYTOWYCH BLOKÓW, K SÓW LUB PR TÓW ZE STALI NARZ DZIOWYCH, W TYM SZYBKOTN CYCH Najpowszechniej stosowana metoda szwedzkich firm ASEA-STORA (rys. 2.5) otrzymywania spiekanych stali szybkotn cych, okre lana jako ASP, opracowana w Hucie Koppaberg w Soedefors w Szwecji, polega na uzyskaniu proszku stali szybkotn cej przez rozpylanie normalnie wytopionej stali szybkotn cej w strumieniu bardzo czystego azotu, izostatycznym prasowaniu bloku z tej stali o masie ok kg pod ci nieniem 400 MPa i nast pnie spiekaniu izostatycznym na gor co w temperaturze 1150 C pod ci nieniem 100 MPa w atmosferze argonu. Bloki o rednicy 400 mm i wysoko ci 1500 mm, wykazuj ce we wszystkich miejscach drobnoziarnist i jednorodn struktur, poddaje si wy arzaniu zmi kczaj cemu, po czym mo na z nich bezpo rednio wykonywa narz dzia lub podda je obróbce plastycznej na gor co w celu nadania kszta tu i wymiarów najdogodniejszych do wytwarzania narz dzia. Stale 48 L.A. Dobrza ski, G. Matula

51 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane otrzymane t metod charakteryzuj si dobr plastyczno ci na gor co i uzyskiem w procesach obróbki plastycznej znacznie wi kszym ni w przypadku stali konwencjonalnych. Poddaje si je podobnej obróbce cieplnej jak konwencjonalne stale szybkotn ce. Obecnie jedynym w a cicielem zarówno znaku towarowego spiekanych stali szybkotn cych ASP, jak i zak adu wytwórczego w Szwecji, jest firma Erasteel w Pary u we Francji. Ró ne gatunki spiekanych stali szybkotn cych wytwarzanych obecnie przez firm Erasteel metod ASP zestawiono w tablicy 2.1. Rysunek 2.5. Schemat procesu technologicznego spiekania stali szybkotn cej metod ASEA- STORA (ASP): a) rozpylanie w komorze pionowej, b) przesiewanie proszku, c) nape nianie zbiornika stalowego, d) zaspawanie zbiornika stalowego, e) prasowanie izostatyczne na zimno, f) blok stali szybkotn cej wst pnie sprasowany, g) podgrzewanie wst pne i odgazowanie, h) podgrzewanie, i) spiekanie izostatyczne na gor co, j) blok spiekanej stali szybkotn cej Modyfikacj metody ASP stanowi metoda STAMP. W metodzie tej rozpylanie ciek ej stali szybkotn cej gazem oboj tnym nast puje w komorze poziomej (rys. 2.6). Pozioma komora do rozpylania mo e by usytuowana w istniej cych niewysokich nawet halach stalowni. Ponadto zag szczenie podgrzanego proszku w pojemniku w metodzie STAMP nie jest wykonywane w prasie izostatycznej, lecz w prasie hydraulicznej w matrycy zamkni tej ze wszystkich stron. 2. Spiekane stale narz dziowe 49

52 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Tablica 2.1. Orientacyjny sk ad chemiczny spiekanych stali szybkotn cych i innych spiekanych stali narz dziowych (opracowano wed ug katalogów firm Erasteel w Pary u we Francji i Boehler International w Kapfenberg w Austrii) rednie st enie pierwiastków, % Znak stali 1) C Cr W Mo V Co inne Stale szybkotn ce ASP ) (PMHS6-5-4) 1,4 4,2 5,8 5 4,1 S690 3) (PMHS6-5-4) 1,35 4,3 5,9 4,9 4,1 ASP ) (PMHS0-1-10) 2,45 5,25 1,3 9,75 ASP ) (PMHS ) 1, ASP ) (PMHS Nb) 0, Nb: 1 ASP ) (PMHS6-5-3) 1,28 4,1 6,4 5 3,1 S790 3) (PMHS6-5-3) 1,3 4,2 6,3 5 3 ASP ) (PMHS ) 1,28 4,1 6,4 5 3,1 8,5 S590 3) (PMHS ) 1,3 4,2 6, ,4 ASP ) (PMHS ) 1,6 4,8 10, S390 3) (PMHS ) 1,6 4, ASP ) (PMHS4-3-8) 2,48 4,2 4,2 3,1 8 ASP ) (PMHS Nb) 1,69 4 6,3 4,6 3,2 9 Nb: 2,1 ASP ) (PMHS ) 2,3 4,2 6,5 7 6,5 10,5 ASP ) (PMHS ) 2, ,5 16 S290 3) (PMHS ) 2 3,75 14,3 2, Stale do pracy na zimno ASP ) (PM150CrVWMo ) 1,5 4 2,5 2,5 4 ASP ) (PMX110VCrWMoN ) 1,1 4,2 3,3 3 8,3 N: 1,6 K190 3) (PMX230CrVMo13-4-1) 2,3 12,5 1,1 4 K390 3) (PMX245VCrMoCoW ) 2,45 4,2 1 3,8 9 2 K890 3) (PM85CoCrMoWV ) 0,85 4,35 2,55 2,8 2,1 4,5 Stal do pracy na gor co ASP ) (PM60CrWMoV ) 0,6 4 2,1 2 1,5 Si: 1 Stal na matryce do przetwórstwa materia ów polimerowych M390 3) (PMX190CrVMoW20-4-1) 1,9 20 0, ) W nawiasie podano znak stali zgodny z zasadami zawartymi w PN-EN :2007. Produkowane przez firm : 2) Erasteel, 3) Boehler International. 50 L.A. Dobrza ski, G. Matula

53 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Rysunek 2.6. Schemat procesu technologicznego wytwarzania spiekanych stali szybkotn cych metod STAMP: a) rozpylanie w pojemniku poziomym, b) przesiewanie proszku, c) nape nianie zbiornika stalowego, d) zaspawanie zbiornika stalowego, e) podgrzewanie, f) zag szczanie w prasie hydraulicznej, g) obróbka plastyczna, h) blok stali szybkotn cej Rysunek 2.7. Schemat zintegrowanej linii technologicznej wytwarzania spiekanych stali narz dziowych stopowych i szybkotn cych metod MICROCLEAN w hucie firmy Boehler International w Kapfenberg w Austrii (opracowano na podstawie materia ów firmowych) 2. Spiekane stale narz dziowe 51

54 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Cykl prasowania mo e by w ten sposób skrócony do ok. 5 min. Zalet metody STAMP, przy analogicznej jako ci produktów jak w innych metodach metalurgii proszków, s oszcz dno ci wynikaj ce ze zmniejszenia kosztów inwestycyjnych oraz uproszczenia i skrócenia operacji zag szczania. Kolejn modyfikacj metod ASP i STAMP stanowi technologia trzeciej generacji MICROCLEAN, opracowana w hucie firmy Boehler International w Kapfenberg w Austrii. Zintegrowana linia technologiczna zainstalowana w tej hucie, przedstawiona na rysunku 2.7, jest uwa ana za najbardziej rozwini t w tym zakresie w wiecie. Metod t, oprócz spiekanych stali szybkotn cych, wytwarzane s inne stale, w tym spiekane stale narz dziowe stopowe oraz stale na matryce do przetwórstwa materia ów polimerowych (tabl. 2.1). 52 L.A. Dobrza ski, G. Matula

55 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane 3. W glikostale spiekane 3.1. Sk ad chemiczny, w asno ci i zastosowanie w glikostali spiekanych SK AD CHEMICZNY W GLIKOSTALI SPIEKANYCH Cermetale narz dziowe uzyskiwane metodami metalurgii proszków, w których obj to- ciowy udzia w glików wynosi ok. 50%, a osnow wi c stanowi stale stopowe lub stopy utwardzane wydzieleniowo o strukturze martenzytycznej lub austenitycznej, s nazywane w glikostalami spiekanymi. W produkowanych gatunkach osnowa w glikostali spiekanych odpowiada swym sk adem chemicznym stalom konstrukcyjnym nisko- i redniostopowym do ulepszania cieplnego, stalom lub stopom austenitycznym odpornym na korozj, a tak e stalom martenzytycznym utwardzanym wydzieleniowo typu maraging (tabl. 3.1). Tablica 3.1. Orientacyjny sk ad chemiczny niektórych gatunków w glikostali spiekanych (wed ug katalogów firmy TEW AG Krefeld) Udzia Udzia Gatunek obj to- St enie masowe pierwiastków w osnowie, % masowy Ferro- ciowy w glika Titanit w glika TiC, % C Cr Mo Cu Ni Co Ti Al inne Fe TiC, % C-spezial , ,5 reszta WFN , ,8 0,4 V: 0,5 reszta S ,5 20,5 2 0,25 reszta Nikro , ,2 B: 0,02 reszta UNI ,8 reszta 2 1 Nb: 0,5 Cromoni ,5 reszta Nb: 0,5 GU ,55 1,8 1 Si: 2,2 reszta W ASNO CI I ZASTOSOWANIE W GLIKOSTALI SPIEKANYCH Trwa o narz dzi wykonanych z w glikostali spiekanych jest krotnie wi ksza ni narz dzi wytworzonych z konwencjonalnych stali narz dziowych. Mimo znacznych kosztów produkcji, bardzo korzystne w asno ci eksploatacyjne w glikostali spiekanych sprawiaj, e znalaz y one du e zastosowanie. Poniewa jako materia y wytwarzane metodami metalurgii proszków maj ograniczone wymiary, a przy tym s 3. W glikostale spiekane 53

56 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 szczególnie kosztowne, nie wykonuje si z nich ca ych narz dzi, lecz jedynie zbroi cz ci bezpo rednio pracuj ce. Elementy wykonane z w glikostali spiekanych czy si z oprawami i obudowami narz dzi metodami mechanicznymi, przez lutowanie mi kkie i twarde, zgrzewanie oporowe, zalewanie w obudowie metalami niskotopliwymi lub ywicami termoutwardzalnymi, a tak e przez klejenie. Po czenia mechaniczne mog by wykonane przez wprasowanie na gor co lub na zimno, skurczowo lub przez zaciskanie rubami i nitami. W zale no ci od gatunku w glikostale spiekane s stosowane do wytwarzania narz dzi do obróbki plastycznej na zimno i na gor co, narz dzi wykrojnikowych i elementów pras w metalurgii proszków Technologie w glikostali spiekanych METODY WYTWARZANIA W GLIKOSTALI SPIEKANYCH W glikostale spiekane nale do jednych z najdro szych tworzyw narz dziowych, na co wp ywa zarówno sk ad fazowy tych materia ów, jak i ich technologia. Do produkcji tych materia ów spiekanych s wykorzystywane g ównie w gliki tytanu TiC, nieulegaj ce niemal zupe nie rozpuszczaniu w osnowie stalowej podczas obróbki cieplnej, której poddaje si narz dzia lub inne elementy wykonane z w glikostali spiekanych. Mo liwo kszta towania struktury i w asno ci w glikostali spiekanych odró nia te materia y od innych materia ów spiekanych, w tym m.in. w glików spiekanych i cermetali narz dziowych. W glikostale spiekane s produkowane dwoma sposobami: przez spiekanie porowatego szkieletu z proszku w glika tytanu i nast pnie nasycaniu szkieletu ciek stal, klasycznymi metodami metalurgii proszków przez mieszanie proszków TiC i proszków odpowiedniej stali, prasowanie i nast pnie spiekanie. Ze wzgl du na ogromne powinowactwo chemiczne tytanu do tlenu produkcja w glikostali spiekanych wymaga urz dze z atmosferami ochronnymi lub pró niowych. Wymiary produktów i pó produktów wykonanych z w glikostali spiekanych s ograniczone wymiarami urz dze produkcyjnych, g ównie pras i pieców. W glikostale spiekane dostarcza si w stanie wy arzonym w postaci pr tów o przekroju ko owym lub kwadratowym, kostek, kr ków, tulei lub pier cieni. 54 L.A. Dobrza ski, G. Matula

57 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane OBRÓBKA PLASTYCZNA I CIEPLNA W GLIKOSTALI SPIEKANYCH W glikostali spiekanych nie mo na podda konwencjonalnej obróbce plastycznej polegaj cej np. na kuciu lub walcowaniu. W temperaturze C materia y te mo na jednak w ograniczonym zakresie odkszta ca plastycznie. Narz dzia lub ich elementy wykonuje si z w glikostali spiekanych g ównie metodami obróbki wiórowej. Wymagane kszta ty i wymiary w stanie zmi kczonym mo na nadawa równie metodami elektroerozyjnymi, elektrochemicznymi, ultrad wi kowymi, a tak e przez szlifowanie. W zale no ci od sk adu chemicznego osnowy w glikostale spiekane poddaje si hartowaniu i odpuszczaniu lub przesycaniu i starzeniu. Obróbk ciepln nale y wykonywa w warunkach uniemo liwiaj cych odw glenie powierzchni, najkorzystniej z wykorzystaniem pieców pró niowych. Przed hartowaniem narz dzia lub ich elementy poddaje si wy arzaniu odpr aj cemu w temperaturze 650 C. Do temperatury austenityzowania w glikostale nale y nagrzewa powoli i stopniowo, z wygrzaniem kolejno w temperaturze 350 i 650 C, a dla elementów o z o onym kszta cie dodatkowo w C. W glikostale spiekane austenityzuje si w temperaturze C w zale no ci od ich gatunku i sk adu chemicznego osnowy. Czas austenityzowania, np. w piecach pró niowych, wynosi ok. 45 minut dla elementów o polu powierzchni przekroju poprzecznego mniejszym lub równym 100 mm 2 i ok. 140 minut dla elementów o rednicy ok. 100 mm. Podczas hartowania ch odzenie wykonuje si w k pieli olejowej lub strumieniu oboj tnego gazu. Zahartowane w glikostale spiekane poddaje si odpuszczaniu. W glikostale spiekane przeznaczone do pracy na zimno odpuszcza si w temperaturze ok C, co zapewnia twardo HRC. Gatunki arowytrzyma e uzyskuj najwi ksz twardo po odpuszczaniu w temperaturze ok C. W glikostale spiekane mog by stosowane wielokrotnie. W celu regeneracji elementy poddaje si wy arzaniu zmi kczaj cemu w temperaturze 720 C przez 4-6 h, obróbce skrawaniem i ponownej obróbce cieplnej. Narz dzia lub ich elementy z w glikostali spiekanych obrobione cieplnie mo na szlifowa (najkorzystniej tarczami z nasypem polikrystalicznego diamentu syntetycznego), dociera i polerowa. 3. W glikostale spiekane 55

58 Open Access Library Volume 8 (14) Gradientowe materia y narz dziowe 4.1. Metody wtryskowego formowania proszków w celu wytwarzania materia ów gradientowych OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA METOD WTRYSKOWEGO FORMOWANIA PROSZKÓW Metalurgia proszków nale y do najbardziej popularnych technik wytwarzania gradientowych materia ów narz dziowych TGM (j. ang.: Tool Gradient Material), która w tym przypadku dotyczy równie proszków ceramicznych. Nieznaczna modyfikacja klasycznego prasowania proszków w matrycy umo liwia wytworzenie materia u narz dziowego o strukturze gradientowej ci g ej lub dyskretnej w ca ej jego obj to ci. Elementy ma ogabarytowe o rozbudowanej powierzchni mo na wytwarza dzi ki dynamicznie rozwijaj cej si technologii formowania wtryskowego proszku PIM (j. ang.: Powder Injection Moulding) (porównaj rozdzia 2.2). Z uwagi na du e koszty inwestycyjne zwi zane z konieczno ci stosowania wysokiej klasy urz dze, technologia ta jest przewidziana wy cznie do produkcji masowej. Mimo wysokich kosztów metoda PIM rozwija si wyj tkowo szybko, zw aszcza w Ameryce Pó nocnej, Niemczech i Japonii. Szczególne znaczenie ma formowanie proszku metalicznego MIM (j. ang.: Metal Injection Moulding). Ju w 2007 roku sumaryczna warto wytworzonych produktów wynios a 1,9 miliarda dolarów ameryka skich, a wska nik wzrostu wyniós 13,9%. Dla materia ów ceramicznych warto produkcji i wska nik wzrostu wynosz odpowiednio 801 milionów dolarów ameryka skich i 15,2%. W g ównej mierze spieki wytwarzane t metod charakteryzuj si jednorodn struktur, a jedynie proces spiekania lub wtryskiwanie sekwencyjne i natryskiwanie pow ok na pod o u umo liwia otrzymanie struktury warstwowej. Mo liwo otrzymywania struktury wielowarstwowej lub gradientowej materia u narz dziowego zapewnia metoda formowania bezci nieniowego pow ok o rosn cym udziale twardych cz stek ceramicznych w kierunku powierzchni narz dzia, na materiale pod o a wytwarzanym w tym samym procesie technologicznym metod PIM lub na innym materiale. Nowe autorskie materia y narz dziowe o zmieniaj cej si strukturze od stali w rdzeniu do w glikostali na powierzchni, zapewniaj zachowanie mo liwie wysokiej ci gliwo ci rdzenia i wzgl dnie wysokiej twardo ci warstwy powierzchniowej wzmacnianej twardymi w glikami. 56 L.A. Dobrza ski, G. Matula

59 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Dodatkowe wprowadzenie w glików do osnowy w postaci stali szybkotn cej oraz dobór odpowiednich warunków spiekania zapewnia uzyskanie drobnoziarnistej struktury i popraw w asno ci mechanicznych wytwarzanych w glikostali narz dziowych. Zainteresowanie w glikostalami, jak i cermetalami jest du e. Jako osnow tych materia ów cz sto stosuje si Fe, stal odporn na korozj zawieraj c du e st enie chromu, u atwiaj cego spiekanie oraz stal szybkotn c. Na uwag zas uguje tak e zastosowanie formowania bezci nieniowego do wytwarzania pow ok na gotowych lub wytwarzanych w tym samym procesie technologicznym narz dziach. W ostatnich latach nowoczesne technologie formowania i spiekania proszków spowodowa y, e stale szybkotn ce ponownie ciesz si du ym zainteresowaniem. Nowoczesne technologie formowania wtryskowego proszku lub odlewania g stwy polimerowo-proszkowej wykorzystuj proszki stali szybkotn cych do formowania i spiekania elementów ze stali szybkotn cej lub kompozytów, w których wymieniony proszek pe ni rol osnowy. TECHNOLOGIE FORMOWANIA G STW POLIMEROWO-PROSZKOWYCH Najbardziej znan i dynamicznie rozwijaj c si metod formowania proszków z u yciem lepiszczy jest formowanie wtryskowe PIM. Jest to technologia zgodna z nowoczesnymi trendami wytwarzania materia ów na gotowo i ma coraz szersze zastosowania, równie w produkcji materia ów narz dziowych, a jej zastosowanie praktyczne jest uzale nione od skali produkcyjnej i z o ono ci produktu. Najcz ciej metoda ta jest stosowana do wytwarzania produktów w skali masowej, które dodatkowo cechuj si du z o ono ci oraz elementów trudnych do wytworzenia innymi technikami. Metoda jest stosowana g ównie do produkcji ma ych elementów, co jest zwi zane z jej ograniczeniami. Dynamiczny rozwój formowania wtryskowego zwi zany jest z opanowaniem technologii przetwórstwa polimerów, do formowania których pierwotnie stosowano wtryskarki t okowe. Rozwój przetwórstwa polimerów, ich zastosowanie w postaci lepiszcza oraz opracowanie metod jego usuwania umo liwi szerszy rozwój metody PIM. W roku 2007 w Europie liczba przedsi biorstw zajmuj cych si technologi MIM wynosi a ok. 50. Sprzeda elementów wytwarzanych t metod przez firmy europejskie wynosi 30% w skali wiatowej. 4. Gradientowe materia y narz dziowe 57

60 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Wyró nia si kilka technik formowania proszku z zastosowaniem lepiszczy, które mo na zaliczy ogólnie do formowania bezci nieniowego, poniewa nie stosuje si w nich wysokiego ci nienia charakterystycznego dla wtryskarek. Niezale nie od metod formowania bezci nieniowego, wyt aczania oraz formowania wtryskowego, ca kowity proces sk ada si z mieszania proszku i lepiszcza, formowania, usuwania lepiszcza i spiekania. Do formowania bezci nieniowego zalicza si : metod zanurzeniow, w której udzia lepiszcza wynosi oko o 50%, odlewanie g stwy polimerowo-proszkowej do form gumowych, w której stosuje si lepiszcze na bazie parafiny, a kszta tki po och odzeniu wyjmuje si i poddaje usuwaniu lepiszcza a nast pnie spiekaniu, obsypywanie, polegaj ce na pokryciu powierzchni lepiszczem a nast pnie obsypanie go proszkiem, który przylepia si do uplastycznionego lepiszcza, elektroforez, odlewanie ta m (rys. 4.1), laminowanie powierzchni cienkimi pow okami wytwarzanymi w procesie odlewania ta my, drukowanie strumieniowe na powierzchni elementu, stereo litografia przy u yciu lasera, wyciskanie g stwy przez kapilarne dysze w uk adzie x-y, zraszanie powierzchni. Mieszanina proszku i lepiszcza opatka wyrównuj ca Suszenie Spiekanie Ta ma Polimerowa folia podk adowa Rysunek 4.1. Formowanie ta m z g stwy polimerowo-proszkowej 58 L.A. Dobrza ski, G. Matula

61 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Klasyczne formowanie wtryskowe we wtryskarkach, którego schemat przedstawiono na rysunku 4.2, nie odbiega niczym od formowania polimerów termoplastycznych, przy czym Proszek Lepiszcze Mieszanie wst pne w temperaturze uplastyczniaj cej lepiszcze Wytwarzanie i granulacja mieszaniny Formowanie wtryskowe Degradacja termiczna Degradacja rozpuszczalnikowa Spiekanie Rysunek 4.2. Schemat procesu technologicznego formowania wtryskowego proszku 4. Gradientowe materia y narz dziowe 59

62 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 wtryskiwane kszta tki nale y podda usuwaniu lepiszcza i spiekaniu w celu uzyskania oczekiwanych w asno ci u ytkowych. Zastosowanie polimerów termoplastycznych jako lepiszcza wi cego proszek metalowy lub ceramiczny umo liwia ponadto jego transport i formowanie w gnie dzie wtryskarki. Najcz ciej stosuje si dwa rodzaje lepiszcza oparte odpowiednio na parafinie i polimerach oraz wodnym roztworze metylocelulozy. Elementy wytwarzane t metod charakteryzuj si grubo ci cianek nie przekraczaj c 10 mm, skomplikowanymi kszta tami oraz wysok precyzj wykonania i niskimi kosztami produkcji. Mo liwo automatyzacji produkcji, du a szybko i powtarzalno wymiarowa oraz du e koszty wtryskarek i urz dze grzewczych sprawiaj, e technologia ta przewidziana jest do produkcji wielkoseryjnej lub masowej. Dzi ki g ównej zalecie tej metody polegaj cej na wytwarzaniu gotowych elementów bez konieczno ci stosowania dodatkowej obróbki jest ona coraz cz ciej wykorzystywana do wytwarzania twardych materia ów w tym narz dziowych, których obróbka ubytkowa jest wyj tkowo trudna i kosztowna. Mo liwo formowania proszków metalowych, ceramicznych lub ich mieszanin pozwala na wytwarzanie narz dzi metalowych o relatywnie wysokiej ci gliwo ci, ceramicznych o wysokiej twardo ci lub kompozytów o osnowie metalowej MMC (j. ang.: Metal Matrix Composite) oraz ceramicznej CMC (j. ang.: Ceramic Matrix Composite), które cz wysokie w asno ci charakterystyczne dla metali i ceramiki. USUWANIE LEPISZCZA Z G STW POLIMEROWO-PROSZKOWYCH PRZED SPIEKANIEM Udzia proszku w stosunku do lepiszcza jest ci le zale ny od kszta tu, wielko ci cz stek proszku, jego zwil alno ci przez lepiszcze oraz w asno ci samego lepiszcza i warunków wytwarzania mieszaniny. Mimo licznych zalet, proces formowania wtryskowego nie nadaje si do produkcji du ych elementów. Najwi kszy wymiar nie przekracza najcz ciej 100 mm. Jest to zwi zane z konieczno ci usuwania lepiszcza przed spiekaniem, poniewa polimery zawarte w lepiszczu podczas degradacji cieplnej ulegaj zgazowaniu, a gwa towne nagrzewanie do temperatury spiekania powoduje wzrost ci nienia gazu zamkni tego w porach. Lepiszcze musi zosta usuni te w taki sposób, aby nie dosz o do p kni, wybrzusze, deformacji kszta tu, p cherzy gazowych lub rozwarstwie pó produktu, zatem nale y go usun odpowiednio 60 L.A. Dobrza ski, G. Matula

63 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane wcze niej zachowuj c kszta t wytwarzanego elementu. Uusuwanie lepiszcza (j. ang.: binder removal) mo e by cieplne, hydrolityczne, mechaniczne, rodowiskowe, przez biodegradacj lub fotodegradacj. Do usuwania polimerów s u cych jako lepiszcze w metodzie PIM, g ównie stosuje si degradacj ciepln. Szybkie usuwanie lepiszcza wymaga u ycia co najmniej dwóch jego sk adników, tak aby jeden z nich, tj. polimer szkieletowy, utrzymywa kszta t kompozytu do wysokiej temperatury, w której zachodzi spiekanie. Celem tego jest uniemo liwienie obsypywania si proszku lub zapadania kszta tki. Temperatura degradacji cieplnej tego polimeru powinna by mo liwie jak najwy sza. Drugi sk adnik lepiszcza powinien by usuwany w niskiej temperaturze albo podczas degradacji rozpuszczalnikowej lub katalitycznej. Przyk adem tego mo e by parafina. Sk adnik, który ulega degradacji jako pierwszy powinien stanowi od 30 do 98% udzia u lepiszcza. Nisk temperatur topnienia charakteryzuj si oleje i wosk, st d sk ad lepiszcza poddawanego degradacji cieplnej sta si oczywisty. Olej lub wosk mog by usuwane metod ods czania, tj. zasysane przez porowate podk adki. Zasysanie jest szeroko stosowane dla stali, w glików, ceramiki oraz wielu sk adników metalicznych, a poddawane sa jemu du e kszta tki. W metodzie tej istnieje mo liwo stosowania recyklingu. Usuwanie lepiszcza jest kosztowne, co wp ywa na ko cow cen materia ów wytwarzanych t metod. Cz sto usuwanie lepiszcza dokonywane jest rozpuszczalnikiem i cieplnie. Rozpuszczalnik usuwa jeden ze sk adników lepiszcza otwieraj c pory w ca ej obj to ci kszta tki, co umo liwia szybkie usuwanie cieplne kolejnego sk adnika lepiszcza. W przypadku stosowania jedynie degradacji cieplnej, zaczyna si ona od powierzchni i post puje w g b materia u wraz ze wzrostem temperatury. Pod wp ywem otwierania porów tworz si kana y, którymi wydobywaj si gazy zdegradowanego spoiwa o ni szej temperaturze rozk adu i tym samym dochodzi do dalszego otwierania porów pozwalaj c na wydostawanie si produktów gazowych sk adnika spoiwa z coraz to g bszych cz ci materia u i o wy szej temperaturze degradacji. Wielko porów powstaj cych w wyniku degradacji cieplnej jest zale na od rozmiaru cz stek proszku. Powstaj ce kr te kana y powoduj, e droga jak pokonuj wydobywaj ce si z próbki produkty gazowe jest d u sza ni jej grubo, co wyd u a czas degradacji. We wszystkich typach degradacji spoiwa, wi ksza szybko jest mo liwa przy u yciu wy szej temperatury, co jednak zwi ksza prawdopodobie stwo wyst powania uszkodze lub zniekszta ce kszta tki. Wi ksz szybko degradacji pomaga osi gn równie atmosfera 4. Gradientowe materia y narz dziowe 61

64 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 przep ywaj cego gazu, który odprowadza produkty degradacji i jest stale uzupe niany. Pocz tkowo degradacja cieplna powinna si charakteryzowa bardzo wolnym przyrostem temperatury, by otworzy pory i uformowa ciek o-parow struktur lepiszcza w porach. Gwa towne podgrzewanie topi lepiszcze wype niaj ce pory, co zwi ksza ci nienie wyst puj ce w porach i prowadzi do p kni. Kombinacj degradacji cieplnej i rozpuszczalnikowej jest degradacja katalityczna, gdzie szybko jest okre lona przez temperatur i st enie katalizatora. Polimer szkieletowy, na który nie wp ywa katalizator, utrzymuje kszta t elementu a do temperatury spiekania. Poniewa degradacja wyst puje w strefie styku pomi dzy polimerem a atmosfer katalityczn, prawie p aski front degradacji przesuwa si przez ca wyprask. Szybko degradacji jest prawie sta a i wynosi 2 mm/h. Katalityczna degradacja doskonale zachowuje kszta t i wymiary oraz nie wywo uje uszkodze i zniekszta ce poniewa por powstaje gdy lepiszcze jest cia em sta ym a czas wynosi kilka godzin. Degradacja katalityczna jest przeprowadzana w specjalnych reaktorach, gdzie koordynowane s starannie warunki zapewniaj ce w a ciw szybko podawania kwasu oraz w a ciw szybko przep ywu azotu w temperaturze ok. 120 C. Ko cowy rozpad substancji wi cej nast puje w wyniku degradacji cieplnej i wymaga wolnego nagrzewania zapobiegaj cego powstawaniu uszkodze. Degradacja rozpuszczalnikowa jest relatywnie szybka, lecz wi e si z konieczno ci stosowania rozpuszczalników, które s cz sto agresywne i nieprzyjazne dla rodowiska. W tym celu zalecane jest stosowanie lepiszczy wodorozcie czalnych. Innym rozwi zaniem jest u ycie wody jako substancji wi cej, wraz ze skrobi, sol lub cukrem. Po formowaniu kszta tki jest ona suszona lub mro ona, a woda jest usuwana przez suszenie sublimacyjne. Konstrukcja spoiwa i dobór techniki degradacji s ze sob ci le powi zane. Metody rozpuszczalnikowe i katalityczne powoduj mniejsze zniekszta cenie w stosunku do degradacji cieplnej wykonanej w tym samym czasie, lecz wymagaj one dwóch operacji, z przenoszeniem pomi dzy pocz tkow ekstrakcj i nast pnym usuwaniem szkieletu w procesie cieplnym. W ród ró nych sposobów usuwania lepiszcza stosowanych w metodzie PIM, najbardziej popularna jest degradacja cieplna oraz rozpuszczalnikowa. Metoda mieszana dotyczy po czonych technik degradacji np. rozpuszczalnikowej i cieplnej. Obecnie dla wyj tkowo ma ych kszta tek, degradacja spoiwa jest powi zana z podgrzewaniem do temperatury spiekania. Niezale nie od wielko ci pó produktu usuni cie lepiszcza powoduje, e kszta tka jest bardzo krucha. Atmosfery redukuj ce, sk adaj ce si z wodoru przy du ym st eniu azotu 62 L.A. Dobrza ski, G. Matula

65 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane (85%) daj najwy sz wytrzyma o, a tym samym zwi kszaj st enie w gla w kszta tce po spiekaniu. Wzrost g ównych w asno ci spieków, zw aszcza materia ów narz dziowych osi gany jest przez powstawanie w glikoazotków, tworz cych si w wyniku oddzia ywania atmosfery zawieraj cej azot podczas degradacji i spiekania. Wzrost st enia w gla wynikaj cy z degradacji lepiszcza inicjuje spiekanie, jednak w przypadku niektórych materia ów takich jak stale odporne na korozj lub stale szybkotn ce, st enie w gla musi by ci le kontrolowane z uwagi na ich w asno ci lub wp yw na obróbk ciepln. Na ko cowe st enie w gla wp ywa rodzaj zastosowanego lepiszcza. G sto kszta tki po ca kowitym usuni ciu lepiszcza wynosi oko o 60% g sto ci teoretycznej. Jest oczywiste, e g sto ta zale y od udzia u lepiszcza, a udzia ten od rodzaju formowanego proszku. Najcz ciej proszki metali dobierane s tak, aby charakteryzowa y si kulistym kszta tem o dobrej zwil alno ci, co pozwala na obni enie udzia u lepiszcza do minimalnej warto ci wynosz cej zaledwie 30%. W przypadku proszków ceramicznych udzia lepiszcza mo e dochodzi do 55%. Niezale nie od g sto ci kszta tki, w wyniku spiekania ulega ona zag szczeniu i skurczowi. Jest to naturalne zjawisko wyst puj ce podczas spiekania i niezale ne od sposobu formowania kszta tki, jednak w wyniku du ej porowato ci skurcz jest bardzo du y i mo e dochodzi do niekontrolowanej zmiany kszta tu spiekanych elementów. Poniewa zmiana obj to ci spiekanego materia u jest odwrotnie proporcjonalna do jego g sto ci po formowaniu, zatem wzrost g sto ci kszta tki zmniejsza ryzyko powstawania wad kszta towych spieku. Na zwi kszenie g sto ci kszta tki wp ywa ci nienie wtrysku, wielko cz stek proszku i wymieniony wcze niej udzia lepiszcza. SPIEKANIE MATERIA ÓW WTRYSKOWO FORMOWANYCH Z PROSZKÓW Spiekanie jest najcz ciej ostatnim etapem procesu technologicznego, który decyduje o g sto ci i w asno ciach gotowego produktu. Je li gotowy element powinien charakteryzowa si wysokimi w asno ciami mechanicznymi przewidziana jest ko cowa obróbka cieplna i cz sto ubytkowa nadaj ca dok adne wymiary produkowanym spiekom. Spiekanie proszków formowanych wtryskowo lub bezci nieniowo nie ró ni si znacznie od spiekania proszków formowanych innymi metodami. Ogólnie wyró nia spiekanie w fazie sta ej lub z udzia em fazy ciek ej. Charakterystycznym zw aszcza dla stali wysokow glowych, szybkotn cych oraz 4. Gradientowe materia y narz dziowe 63

66 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 nadstopów na bazie niklu jest trzeci rodzaj tzw. spiekanie supersolidus, które jest odmian spiekania w fazie ciek ej. Spiekaniu towarzyszy skurcz kszta tki oraz wzrost w asno ci fizycznych i mechanicznych. W niektórych przypadkach, spiekaj c dwusk adnikowe mieszaniny proszków A i B, gdzie szybko dyfuzji sk adnika A do B jest wielokrotnie wi ksza od dyfuzji B do A, spieki ulegaj p cznieniu, a ich du a porowato, okre lana jako dyfuzyjna, mo e by przydatna w procesie produkcji porowatych kszta tek. Podstawow si nap dow podczas spiekania w fazie sta ej jest nadwy ka energii uk adu cz stek proszku w postaci energii powierzchniowej. Spiekany uk ad d c do minimalizacji energii, zmierza do zmniejszenia obszaru swobodnych powierzchni przez tworzenie szyjek, wyg adzanie powierzchni, sferoidyzacj i eliminacj porów. Spiekanie w fazie sta ej zachodzi w temperaturze ni szej od temperatury topnienia materia u, w wyniku czego nie dochodzi nawet do przej ciowego tworzenia si fazy ciek ej, a spiek osi ga swoje wysokie w asno ci dzi ki ró nym mechanizmom transportu materii, w tym po lizgu po granicach ziarn, dyfuzji oraz parowania i kondensacji. Spiekanie materia ów z udzia em fazy ciek ej zachodzi wtedy, gdy w mieszaninie proszków wyst puj co najmniej dwa sk adniki, a spiekanie przebiega powy ej temperatury topnienia najni ej topliwego sk adnika. Wa n cech fazy ciek ej wyst puj cej podczas spiekania jest jej zdolno zwil ania sta ych cz stek nierozpuszczonych. Zdolno zwil ania przez faz ciek zale na od energii powierzchniowej mo e by modyfikowana przez stosowanie dodatków stopowych o du ej aktywno ci powierzchniowej oraz wzrost temperatury uk adu, zwi kszaj c w ten sposób intensywno spiekania. Jednak zbyt du y udzia fazy ciek ej mo e doprowadzi do utraty kszta tu spiekanego elementu, kiedy wyst puje maksymalne zwil anie, a faza ciek a ca kowicie rozdziela cz stki sta e. W wyniku wyst powania fazy ciek ej o du ej zwil alno ci, penetruj cej granice pomi dzy cz stkami sta ymi, dochodzi do ich przegrupowania i skurczu spiekanego elementu. Podobny mechanizm przegrupowania cz stek wyst puje podczas spiekania stali szybkotn cej w temperaturze nieznacznie powy ej linii solidus, nazywany spiekaniem supersolidus. Temperatura uk adu cz stek np. stali szybkotn cej jest utrzymywana powy ej linii solidus. Dochodzi wtedy do nadtopie drobnych cz stek oraz cz ciowego rozpuszczania si du ych cz stek stali. Cz sto do proszków elaza i jego stopów dodaje si aktywatory spiekania w postaci proszku boru, miedzi, miedzi fosforowej, w gla, molibdenu, tantalu, tytanu, wanadu i wolframu, 64 L.A. Dobrza ski, G. Matula

67 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane a sam proces nazywany jest spiekaniem aktywowanym. W zale no ci od wprowadzonego dodatku podczas spiekania dochodzi do powstawania ciek ej fazy bogatej w mied lub fazy o sk adzie eutektyki fosforowej. W przypadku grafitu, je li nie zosta zu yty jako reduktor tlenków znajduj cych si na powierzchni cz stek proszku, powoduje obni enie temperatury solidus w spiekanych stalach szybkotn cych. Przyk adowo wzrost st enia w gla o 0,1% mo e obni y temperatur spiekania o 9ºC, co jest g ównie zale ne od gatunku stali. Generalnie jednak wzrost udzia u w gla powoduje obni enie temperatury spiekania, i rozszerzenie zakresu temperatury spiekania, obni enie udzia u porów oraz pozwala uzyska jednorodn struktur z drobnymi wydzieleniami w glików. Proszki drobnoziarniste o wi kszej powierzchni w a ciwej, formowane wtryskowo bardziej wype niaj obj to spiekanej kszta tki i szybciej ulegaj nadtopieniom. Ponadto wielko cz stek proszku decyduje równie o chropowato ci powierzchni oraz wielko ci promienia kraw dzi materia u spiekanego. Istotnym czynnikiem warunkuj cym spiekanie jest atmosfera wype niaj ca komor pieca. Dla proszków stali szybkotn cej wybór gazu oboj tnego np. argonu nie jest odpowiedni ze wzgl du na jego brak rozpuszczalno ci w stali i mo liwo tworzenia si p cherzy gazowych. Atmosfera podczas spiekania powinna by równie dobrana z uwagi na koszty, jakie generuj zastosowane gazy. Pomimo, e pró nia nie wi e si z bezpo rednimi kosztami gazu, wyposa enie pieców w uk ady pró niowe i ich obs uga sprawia, e spiekanie pró niowe jest kosztown alternatyw. Mimo to pró nia jest cz sto stosowana do spiekania stali szybkotn cych, zw aszcza prasowanych w matrycy lub izostatycznie. Spiekanie stali szybkotn cych formowanych wtryskowo w wysokiej pró ni jest do trudne z uwagi na wydzielaj ce si produkty gazowe pochodz ce z degradacji cieplnej resztek polimeru szkieletowego. Produkty gazowe zanieczyszczaj pompy pró niowe, st d lepszym rozwi zaniem jest atmosfera przep ywaj cego gazu lub mieszaniny gazowej najcz ciej N 2-5%H 2 lub N 2-10%H 2 o odpowiedniej temperaturze punktu rosy. Wodór zapewnia redukcyjny charakter atmosfery natomiast azot powoduje tworzenie si twardych w glikoazotków, które korzystnie wp ywaj na struktur i w asno ci stali szybkotn cej. Spiekanie jest nieodwracalne, wobec czego niemo liwe jest naprawienie b dów powsta- ych podczas mieszania i formowania proszków. 4. Gradientowe materia y narz dziowe 65

68 Open Access Library Volume 8 (14) Gradientowe materia y narz dziowe z udzia em elaza OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA GRADIENTOWYCH MATERIA ÓW NARZ DZIOWYCH Z UDZIA EM ELAZA Poprawa w asno ci materia ów narz dziowych, a zw aszcza korzystne po czenie bardzo du ej odporno ci powierzchni na zu ycie cierne z relatywnie wysok ci gliwo ci rdzenia materia ów stosowanych na narz dzia wykrojnikowe i do obróbki plastycznej na gor co, narz dzia skrawaj ce kszta towe o odpowiednio du ej ci gliwo ci oraz na wysokowydajne narz dzia do skrawania z bardzo du ymi szybko ciami, nie s mo liwe do osi gni cia przez zastosowanie materia ów konwencjonalnych, omówionych w poprzednich podrozdzia ach niniejszego rozdzia u. Rysunek 4.3. Schemat ideowy materia ów gradientowych 66 L.A. Dobrza ski, G. Matula

69 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Celowe jest zatem wykorzystanie ró nych nowoczesnych procesów technologicznych, w tym: laserowego wtapiania i stopowania, spiekania metodami metalurgii proszków, w tym m.in. przez formowanie wtryskowe proszku PIM oraz osadzania pow ok z fazy gazowej PVD, m.in. w po czeniu ze zhybrydyzowan z tym procesem jarzeniow obróbk cieplno-chemiczn, umo liwiaj cych uzyskanie gradientowych materia ów narz dziowych z udzia em elaza o warstwach powierzchniowych o zró nicowanej grubo ci i ze struktur zmieniaj c si na grubo ci warstwy wraz ze zmian sk adu chemicznego lub sk adu fazowego materia u (rys. 4.3). W zale no ci od technologii wytwarzania gradientowych materia ów narz dziowych dobranych odpowiednio do zakresu zastosowania narz dzi, grubo ich warstwy powierzchniowej jest zawarta w zakresie m. Materia y te omówiono w niniejszej ksi ce, gdy coraz cz ciej s uwa ane za oddzieln klas materia ów in ynierskich, chocia ci gle s stosowane w skali laboratoryjnej lub pó technicznej i dotychczas jedynie w nielicznych przypadkach spotka y si z zastosowaniami w praktyce przemys owej. GRADIENTOWE MATERIA Y NARZ DZIOWE Z UDZIA EM ELAZA WYTWARZANE METODAMI METALURGII PROSZKÓW Kolejna grupa gradientowych materia ów narz dziowych na bazie elaza obejmuje stale szybkotn ce o tradycyjnym sk adzie chemicznym wzmacniane powierzchniowo na grubo ci 0,1-1 mm twardymi fazami w glikowymi, azotkowymi i/lub tlenkowymi, np. typu NbC, VC, WC, TiC, TiN, VN, BN, Al 2 O 3 i ZrO 2, otrzymywane metodami metalurgii proszków, o podwy szonych w asno ciach mechanicznych oraz zwi kszonej odporno ci na zu ycie cierne i erozyjne, w tym równie w podwy szonej temperaturze pracy, w porównaniu do konwencjonalnych i spiekanych stali szybkotn cych, przy jednocze nie zapewnionej relatywnie du ej ci gliwo ci rdzenia, w a ciwej dla stali szybkotn cej. Zastosowane twarde fazy ceramiczne wzmacniaj ce materia w obszarze warstwy wierzchniej, zwi kszaj jej twardo i odporno na zu ycie cierne, w stosunku do bardziej ci gliwego rdzenia ze stali szybkotn cej. Struktura tak wytworzonego materia u cechuje si gradientem liniowym sk adu 4. Gradientowe materia y narz dziowe 67

70 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 chemicznego i fazowego, przechodz c od struktury charakterystycznej dla typowej stali szybkotn cej w rdzeniu materia u do struktury w glikostali, stanowi cej warstw wierzchni. Mo liwe jest równie wzmacnianie warstwy powierzchniowej proszkami wy ej stopowych stali szybkotn cych. Odmian wymienionych gradientowych materia ów narz dziowych, lecz o ni szych w asno ciach powierzchniowych, jest materia uzyskiwany przez spiekanie mieszaniny proszków elaza i grafitu o sk adzie chemicznym odpowiadaj cym stali niestopowej lub proszku stali niestopowej, powierzchniowo wzbogacany proszkiem stali szybkotn cej, o udziale wzrastaj cym w miar zbli ania si do powierzchni. Warstw wierzchni, odporn na zu ycie cierne, stanowi wówczas stal szybkotn ca, a rdze stal niestopowa. Celem wytwarzania materia u gradientowego o tak dobranym sk adzie chemicznym i strukturze jest obni enie zu ycia stali szybkotn cej i zwi kszenie ci gliwo ci rdzenia takiego materia u narz dziowego. Rysunek 4.4. Twardo po spiekaniu materia ów gradientowych o osnowie stali szybkotn cej HS6-5-2 wzmacnianych odpowiednio w glikiem: 1 WC, 2 VC, 3 TiC, 4 stal szybkotn c HS oraz 5 azotkiem BN; warstwa z udzia em obj to ciowym materia u wzmacniaj cego (1 do 5): A 10%, B 30%, C 50% 68 L.A. Dobrza ski, G. Matula

71 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane W celu uzyskania gradientu struktury i w asno ci wytwarzanych materia ów stosowane s ró ne techniki formowania mieszanin proszków. Nale do nich prasowanie w matrycy jednoosiowej jednostronnej, prasowanie izostatyczne na zimno, formowanie niskoci nieniowe g stwy polimerowo-proszkowej, formowanie wibracyjne i dog szczanie w matrycy zamkni tej oraz formowanie sedymentacyjne, przy czym najbardziej korzystna jest metoda klasycznego prasowania w matrycy zamkni tej przez sekwencyjne zasypywanie matryc mieszaninami proszków, o udziale twardych faz ceramicznych rosn cym w kierunku warstwy wierzchniej, stanowi cej powierzchni robocz narz dzia. Uformowane kszta tki s nast pnie spiekane w pró ni lub w atmosferze gazów ochronnych. Struktura wyprasek otrzymywanych przez sekwencyjne zasypywanie matryc mieszaninami proszków ma charakter warstwowy, jednak procesy transportu masy wyst puj ce w wysokiej temperaturze podczas spiekania, umo liwiaj otrzymanie spieku o praktycznie liniowym gradiencie sk adu chemicznego. Zastosowanie formowania niskoci nieniowego g stwy polimerowo-proszkowej jest natomiast szczególnie istotne ze wzgl dów ekonomicznych. Ograniczenia tej metody wynikaj z konieczno ci degradacji termicznej polimeru w g stwie polimerowo-proszkowej oraz jej kontroli, co mo e skutkowa lokalnym zwi kszeniem st enia w gla, obni eniem temperatury spiekania, rozrostem w glików lub nawet nadtopieniem obszarów bogatych w w giel i dodatki stopowe obni aj ce temperatur solidus. Twardo analizowanej grupy gradientowych materia ów narz dziowych w stanie po odpuszczaniu jest o ok. 2-3 HRC wy sza, w stosunku do twardo ci materia u w stanie hartowanym, co jest zwi zane z efektem twardo ci wtórnej, wynikaj cym z zastosowania stali szybkotn cej jako osnowy tych materia ów (rys. 4.4) Gradientowe materia y narz dziowe wytwarzane metodami in ynierii powierzchni GRADIENTOWE MATERIA Y NARZ DZIOWE Z UDZIA EM ELAZA WYTWARZANE PRZEZ POWIERZCHNIOWE PRZETAPIANIE LASEROWE Stopowanie i wtapianie laserowe pod o a z ró nych stali narz dziowych stopowych, zw aszcza do pracy na gor co, ale równie do pracy na zimno, a nawet szybkotn cych, zapewnia najwy szej jako ci warstwy wierzchnie o grubo ci 0,1-1,5 mm i bardzo wysokiej 4. Gradientowe materia y narz dziowe 69

72 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 jako ci ich po czenia z pod o em, mo liwe do wykorzystania dla sporej cz ci narz dzi wytwarzanych z tolerancj wymiarow poni ej 0,1-0,5 mm, gdy kryterium wymiarowe trwa o ci nie przekracza 0,5-1,0 mm. Podwy szona odporno na zu ycie cierne, w asno ci mechaniczne, trybologiczne, a tak e bardzo wysoka odporno na zm czenie cieplne, któr wykazuj te materia y, mo liwe s do uzyskania w szczególno ci przez stopowanie cz stkami w glików NbC, TaC, TiC, VC i WC. Nie tylko w a ciwy dobór proszku ceramicznego u ytego do stopowania, lecz tak e jego rozmieszczenie oraz udzia obj to ciowy w osnowie, dobierane w wyniku ró nych operacji technologicznych, decyduj o w asno ciach u ytkowych gotowego produktu. Kszta towanie gradientowej struktury t metod prowadzi do uzyskania w asno ci warstwy wierzchniej niemo liwych do osi gni cia w wyniku konwencjonalnych procesów technologicznych, np. obróbki cieplnej. Metod t otrzymuje si warstwy drobnokrystaliczne przesycone w glem i innymi pierwiastkami pochodz cymi z rozpadu cz stek faz ceramicznych stosowanych do stopowania, charakteryzuj ce si du ró norodno ci chemiczn i czysto ci metalurgiczn, co w konsekwencji szybkiej krystalizacji w wyniku krzepni cia metalu prowadzi do gradientowej zmiany twardo ci i w asno ci u ytkowych warstwy wierzchniej tak wytworzonych materia ów. Temperatura przetapiania pod o a stalowego dochodzi do 3400 C. Jest to przyczyn superszybkich przemian fazowych wp ywaj cych na mechanizm strukturalny kszta towania warstw wierzchnich poddanych obróbce laserowej. Nast puje wówczas silna cyrkulacja ciek ego metalu, a po przej ciu wi zki laserowej gwa towne krzepni cie. Szybka krystalizacja prowadzi do zró nicowania struktury w przekroju strefy przetopionej i charakterystycznej dla tych obszarów wielokrotnej zmiany kierunku wzrostu kryszta ów. W obszarze znajduj cym si na granicy mi dzy fazami sta i ciek, wyst puj niewielkie dendryty, których g ówne osie zorientowane s zgodnie z kierunkami odprowadzania ciep a. Znacznie mniejsza wielko kryszta ów w tej strefie, w porównaniu do centralnej cz ci przetopienia, jest zwi zana z inicjowaniem procesu krzepni cia na nierozpuszczonych w glikach i cz ciowo przetopionych ziarnach materia u rodzimego. Kolejne etapy wzrostu kryszta ów (komórkowodendrytyczny i dendrytyczny) s ci le zwi zane z zachowaniem uprzywilejowanej orientacji, bowiem kierunek wzrostu kryszta ów odpowiada kierunkowi najwi kszego gradientu temperatury, poniewa ca a obj to materia u obrabianego elementu przejmuje ciep o pochodz ce z procesu przetapiania. W obszarze centralnym strefy przetopionej, gdzie odprowadzanie ciep a nast puje we wszystkich kierunkach, tworzy si struktura drobnych, równoosiowych 70 L.A. Dobrza ski, G. Matula

73 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane kryszta ów z siatk w glików. Wzrost mocy lasera powoduje cz ciowe ich rozpuszczenie w osnowie badanej stali, a w stopowanej warstwie wierzchniej miejscowe st enie niobu, tantalu, wanadu, tytanu i/lub wolframu przekracza st enia równowagowe. Wprowadzone do stali w gliki s obecne jedynie w strefie przetopionej, jednak ich udzia wzrasta na granicach dendrytów. Wraz ze zwi kszeniem mocy lasera wyst puje zawirowanie linii kapilarnych, które zaczynaj si ze sob czy, a pojawiaj ce si konglomeraty w glików uk adaj si w charakterystyczne zawirowania. Osnow warstwy wierzchniej tych materia ów gradientowych po stopowaniu stanowi martenzyt listwowy o du ej g sto ci dyslokacji. Listwy martenzytu s bardzo drobne, o nieregularnym kszta cie i w bardzo du ym stopniu s zbli niaczone. W martenzycie warstwy wierzchniej stali stopowanych znajduj si równie drobne w gliki typu M 3 C, M 7 C 3 lub M 4 C 3, w zale no ci od rodzaju w glików u ytych do stopowania, wydzielone w stanie sta ym i rozmieszczone g ównie na granicach listew martenzytu oraz na granicach bli niaczych. Rysunek 4.5. Zmiana mikrotwardo ci warstwy wierzchniej stali X38CrMoV5-3 po stopowaniu w glikiem TaC laserem diodowym du ej mocy HPDL wi zk 1,6 kw 4. Gradientowe materia y narz dziowe 71

74 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Umocnienie warstwy wierzchniej tak wytworzonych gradientowych materia ów narz dziowych z udzia em elaza obejmuje: krystalizacj warstwy wierzchniej stali stopowych narz dziowych po laserowym przetapianiu i zwi zane z tym uzyskanie struktury martenzytu listwowego o du ej g sto ci dyslokacji, utwardzanie dyspersyjne warstwy wierzchniej przez wtopione lub cz ciowo rozpuszczone w gliki NbC, TaC, TiC, VC lub WC, wzbogacenie warstwy wierzchniej w dodatki stopowe pochodz ce z rozpuszczaj cych si w glików, utwardzanie wydzieleniowe przez nowo wydzielone w gliki. Zwi kszenie mocy lasera powoduje zmniejszenie udzia u nierozpuszczonych w glików utwardzaj cych dyspersyjnie przetopion osnow warstwy wierzchniej stali. W wyniku tego nast puje zwi kszenie twardo ci powierzchni analizowanych materia ów nawet do ok HV0,01 (rys. 4.5) oraz poprawa w asno ci trybologicznych warstwy wierzchniej tak wytworzonych materia ów gradientowych, w porównaniu do analogicznych w asno ci stali konwencjonalnie obrobionej cieplnie. Dodatkowo wyst puje gradientowy spadek mikrotwardo ci w warstwie wierzchniej przy stopowaniu w glikami. Pojawienie si obszaru o wyra nym spadku twardo ci do HV0,01, jest wynikiem utworzenia si strefy materia u odpuszczonego podczas obróbki laserowej, nagrzanego do temperatury wy szej od temperatury odpuszczania. Wytworzone w ten sposób materia y gradientowe mog by stosowane do produkcji lub regeneracji narz dzi, zw aszcza stosowanych do obróbki plastycznej na zimno i na gor co. GRADIENTOWE MATERIA Y NARZ DZIOWE Z UDZIA EM ELAZA WYTWARZANE PRZEZ NANOSZENIE POW OK PVD NA POD O U Z MATERIA ÓW NARZ DZIOWYCH Kolejna grupa technologii wytwarzania gradientowych materia ów narz dziowych z udzia- em elaza dotyczy nanoszenia pow ok gradientowych typu (Ti,Al)N, Ti(C,N), (Ti,Al,Si)N i (Al,Ti,Si)N o p ynnej zmianie jednego lub kilku jej sk adników od pod o a do zewn trznej jej powierzchni na pod o e z konwencjonalnych lub spiekanych stali narz dziowych, chocia najcz ciej obejmuje ona pozosta e spiekane materia y narz dziowe, w tym w gliki spiekane, cermetale oraz tlenkow i azotkow ceramik narz dziow z sialonami w cznie. Grubo 72 L.A. Dobrza ski, G. Matula

75 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane warstwy gradientowej w tych przypadkach obejmuje zwykle 3-5 m (rys. 4.6). Technologia ta zapewnia znacz ce polepszenie w asno ci u ytkowych materia ów narz dziowych i zwi kszenie trwa o ci narz dzi, m.in. przez wyeliminowanie wzmo onego zu ycia korozyjnego, wyst puj cego podczas stosowania tych materia ów. Pow oki gradientowe PVD, np. (Ti,Al,Si)N lub Ti(C,N) mog charakteryzowa si p ynn zmian sk adu chemicznego w kierunku od pod o a do powierzchni pow oki, lub mog by wykonywane jako warstwowe, jak np. (Ti,Al,Si)N. Nanoszenie przeciwzu yciowych pow ok gradientowych typu (Ti,Al)N, Ti(C,N), (Ti,Al,Si)N i (Al,Ti,Si)N m.in. na stale narz dziowe powoduje znacz ce zwi kszenie ich odporno ci na zu ycie cierne, co bezpo rednio wp ywa na znaczne zwi kszenie trwa o ci w stosunku do wykonanych z materia ów konwencjonalnych. Naniesienie wymienionych pow ok wp ywa na znacz cy wzrost twardo ci warstwy wierzchniej. Wszystkie naniesione pow oki charakteryzuj si bardzo dobr przyczepno ci do pod o a. Bardzo dobra przyczepno pow ok PVD do pod o a jest spowodowana nie tylko przez dobr adhezj, jak s dzono dotychczas, ale równie przez dyfuzyjne przemieszanie Rysunek 4.6. Zmiany st enia pierwiastków w warstwie wierzchniej z pow ok TiN na pod o u z azotowanej plazmowo stali X37CrMoV5-1 (opracowano wed ug M. Polok-Rubiniec) 4. Gradientowe materia y narz dziowe 73

76 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 pierwiastków w strefie przej ciowej, mi dzy pod o em a pow ok, przy dwóch równocze nie mo liwych strumieniach dyfuzji, tj. pierwiastków tworz cych pow oki do pod o a oraz w gla, a jeszcze lepiej azotu (a mo e tak e niektórych metali) od pod o a do pow oki. St d bardzo dobre rezultaty uzyskuje si w wyniku hybrydyzacji wymienionej technologii z uprzednim azotowaniem, najlepiej jonizacyjnym, powierzchni np. stali szybkotn cych i to zarówno konwencjonalnych, jak i spiekanych oraz stali narz dziowych stopowych do pracy na gor co i na zimno. Grubo ca kowita hybrydowej gradientowej warstwy powierzchniowej si ga wówczas kilkudziesi ciu m i zwykle nie przekracza 100 m. 74 L.A. Dobrza ski, G. Matula

77 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane 5. W gliki spiekane 5.1. Ogólna charakterystyka w glików spiekanych OGÓLNY PRZEGL D W GLIKÓW SPIEKANYCH Materia ami tradycyjnie wytwarzanymi metodami metalurgii proszków i powszechnie stosowanymi s spiekane w gliki metali. W gliki spiekane s materia ami sk adaj cymi si z w glików metali trudno topliwych, g ównie W, a tak e Ti, Ta i Nb, o udziale obj to ciowym ok % oraz metalu wi cego, którym jest zwykle kobalt (tabl. 5.1, wed ug PN-88/H-89500). Ponadto mog by produkowane w gliki spiekane, w których metalem wi cym jest nikiel, molibden oraz elazo lub ich stopy z kobaltem. Pierwszy etap produkcji w glików spiekanych polega na wytwarzaniu proszku w glików. Spo ród licznych metod jego wytwarzania mo na wyró ni : metod stapiania, naw glanie proszków czystych metali, tlenków lub wodorków metali w stanie sta ym przez spiekanie, naw glanie proszków czystych metali, tlenków lub wodorków metali gazami zawieraj cymi w giel, wydzielanie z fazy gazowej, wytr canie w glików ze stopionych metali, elektroliz soli. W gliki otrzymane ró nymi metodami s poddawane zwykle oczyszczaniu i rozdrabnianiu. METODY WYTWARZANIA W GLIKÓW SPIEKANYCH Produkty z w glików wytwarza si przez prasowanie i spiekanie oraz prasowanie na gor co. Coraz wi kszego znaczenia nabieraj ponadto inne technologie, polegaj ce np. na spiekaniu pod ci nieniem z ogrzewaniem indukcyjnym, wyciskanie pr tów i tulejek z proszków z dodatkiem plastyfikatorów oraz odlewanie w zawiesinie. 5. W gliki spiekane 75

78 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Tablica 5.1. Orientacyjny sk ad chemiczny w glików spiekanych niepokrywanych Udzia masowy sk adników, % Grupa i zastosowanie Gatunek WC TiC+TaC+NbC Co S (P) 1) Gatunki stosowane do obróbki skrawaniem materia ów daj cych d ugi wiór, g ównie stali i staliwa U (M) 1) Gatunek stosowany do obróbki skrawaniem materia ów daj cych zarówno d ugi, jak i krótki wiór H (K) 1) Gatunki stosowane do obróbki skrawaniem materia ów daj cych krótki wiór, g ównie eliwa G Gatunki stosowane do obróbki plastycznej i na elementy urz dze odporne na cieranie B Gatunki stosowane do zbrojenia narz dzi górniczych S10S S S20S 58 31,5 10,5 S SM25 69,5 21 9,5 S30S S S35S S40S U10S 84,8 9,7 5,5 H H10S 91 4,5 4,5 H H15X 92,5 0,5 7 H20S 92 2,5 5,5 H H G G G G25N 86,5 13,5 G G35N G G50S 74,8 0,2 25 B B B B23 90,5 9,5 B B ) Oznaczenie g ównej grupy obróbki wiórowej wed ug PN-ISO 513:1999 (porównaj tabl. 5.2). 76 L.A. Dobrza ski, G. Matula

79 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Rysunek 5.1. Schemat procesu technologicznego w glików spiekanych Zwykle w gliki spiekane wytwarza si jedn z trzech metod (rys. 5.1): wielostopniow, skrócon, jednostopniow. Ze wzgl du na najwi ksz wydajno i najni sze koszty najcz ciej jest stosowana metoda skrócona. Spiekanie odbywa si zwykle w piecach pró niowych indukcyjnych lub oporowych. Metoda jednostopniowa jest stosowana do celów specjalnych do wytwarzania produktów 5. W gliki spiekane 77

80 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Rysunek 5.2. Wp yw dog szczania izostatycznego na gor co na wytrzyma o na zginanie w glików spiekanych WC-Co o ró nym st eniu kobaltu du ych i bez porów, a tak e do wytwarzania produktów nara onych w czasie eksploatacji na obci enia udarowe oraz produktów stosowanych na narz dzia do obróbki plastycznej. Dodatkowe dog szczanie podczas prasowania izostatycznego na gor co w temperaturze C pod ci nieniem argonu MPa wp ywa decyduj co na zwi kszenie wytrzyma o ci na zginanie w glików spiekanych i zwi kszenie ich g sto ci (rys. 5.2). W glików spiekanych nie poddaje si obróbce cieplnej, gdy metal wi cy nie podlega przemianom fazowym. W gliki spiekane nie nadaj si równie do obróbki plastycznej i mechanicznej polegaj cej na toczeniu i frezowaniu. Mog by jednak szlifowane lub docierane. STRUKTURA I SK AD FAZOWY W GLIKÓW SPIEKANYCH W strukturze w glików spiekanych w temperaturze pokojowej mog wyst powa nast puj ce fazy: spiekane cz stki pierwotne w glika wolframu WC, 78 L.A. Dobrza ski, G. Matula

81 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Rysunek 5.3. Morfologia poszczególnych faz w strukturze w glików spiekanych 1 roztwór sta y wtórny kobaltu w w gliku wolframu WC, nieprzekrystalizowanym w czasie spiekania, wyst puj cy w postaci drobnych zaokr glonych ziarn, 2 roztwór sta y wtórny kobaltu w w gliku wolframu WC, utworzony w wyniku przekrystalizowania w czasie spiekania, wyst puj cy w postaci du ych ziarn o regularnych kszta tach, roztwór sta y wolframu, tantalu i w gla w kobalcie, w gliki (Ti,W)C, (Ta,W)C lub (Ti,Ta,W)C w postaci a cuchów lub ziarn kulistych, faza zubo ona w wolfram o zwi kszonym st eniu tytanu lub tantalu. W przypadku niedomiaru w gla mog utworzy si fazy: faza o strukturze z o onej Co 3 W 3 C, faza o strukturze z o onej Co 3 W 6 C 2, faza o strukturze z o onej Co 3 W 10 C 4, faza typu Co 3 W. Na rysunku 5.3 przedstawiono schematycznie morfologi niektórych faz wyst puj cych w w glikach spiekanych. Osnow w glików spiekanych stanowi roztwór. 5. W gliki spiekane 79

82 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 W gatunkach w glików spiekanych z grup zastosowa S, U i H wed ug PN (tabl. 5.1) odpowiednio P, M i K wed ug PN-ISO (tabl. 5.2) wyst puj fazy 2, i lub tylko i. W gatunkach tych faza wyst puje w postaci a cuchów. W przypadku niew a ciwego spiekania nast puje rozpad fazy na pojedyncze okr g e ziarna. Je eli w glik tytanu nie jest nasycony wolframem, to powstaje faza. Znaczne zwi kszenie udzia u w glika (Ti,W)C powoduje zanik fazy w strukturze. W gatunkach w glików spiekanych z grup zastosowa C i B wg PN (tabl. 5.1) z o onych z w glików wolframu WC niezawieraj cych w glików tytanu TiC i tantalu TaC wyst puj jedynie fazy 1, 2 i W asno ci i zastosowanie w glików spiekanych W ASNO CI W GLIKÓW SPIEKANYCH W asno ci w glików spiekanych zale g ównie od sk adu chemicznego i sk adu fazowego w glików, kszta tu i wielko ci jego ziarn oraz udzia u obj to ciowego w strukturze. W gliki spiekane wykazuj du odporno na dzia anie wysokiej temperatury do ok C nie trac swej du ej twardo ci (rys. 5.4) i odporno ci na cieranie. Umo liwia to ich stosowanie do skrawania z du szybko ci. Wytrzyma o na zginanie w glików spiekanych ulega zwi kszeniu ze wzrostem st enia kobaltu, zwi kszeniem udzia u w glika tantalu i zmniejszeniem udzia u w glika tytanu. Wytrzyma o na zginanie zale y równie od wielko ci ziarn osnowy i ziarn w glików, przy czym maksymalna wytrzyma o na zginanie odpowiada okre lonej wielko ci ziarn osnowy zwi kszaj cej si ze zwi kszeniem st enia kobaltu w w glikach spiekanych. W gliki spiekane wykazuj bardzo du wytrzyma o na ciskanie. Wytrzyma o na ciskanie zmniejsza si ze zwi kszeniem st enia kobaltu oraz udzia u w glika tytanu. W licznych zastosowaniach w glików spiekanych wykorzystano ich bardzo du odporno na cieranie, która zale y od sk adu chemicznego. Najwi ksz odporno na cieranie uzyskuj w gliki spiekane WC-Co z ma ym st eniem kobaltu. Gatunki te mog by stosowane wy cznie w przypadku, gdy w czasie pracy nie wyst puj uderzenia, a g ównym mechanizmem zu ycia jest cieranie. W przypadku, gdy w czasie pracy wyst puj obci enia udarowe, stosuje si w gliki spiekane o wi kszym st eniu kobaltu. 80 L.A. Dobrza ski, G. Matula

83 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Rysunek 5.4. Wp yw temperatury badania na twardo w glików spiekanych na osnowie kobaltu WC-Co i WC-TiC-Co oraz stali szybkotn cej Do podstawowych w asno ci u ytkowych w glików spiekanych nale bardzo dobre w asno ci skrawne, ulegaj ce polepszeniu ze zmniejszeniem st enia kobaltu oraz ze zwi kszeniem udzia u w glika TiC w w gliku spiekanym. Polepszeniu w asno ci skrawnych spowodowanych zwi kszeniem twardo ci w glików spiekanych towarzyszy zmniejszenie ci gliwo ci, której miar jest m.in. wytrzyma o na zginanie (rys. 5.5). Do obróbki z du pr dko ci skrawania i w wysokiej temperaturze skrawania stosuje si w gliki spiekane z dodatkiem w glika tytanu TiC. Dodatek w glika TiC zmniejsza oko o 20-krotnie sk onno w glików spiekanych do zgrzewania si z materia em obrabianym i wykazuje wi ksz od w glika WC odporno na cieranie w wysokiej temperaturze. Powoduje on jednak równocze nie zmniejszenie w asno ci wytrzyma o ciowych, w tym g ównie wytrzyma o ci na ciskanie, dlatego te w gliki spiekane zawieraj ce w sk adzie chemicznym w gliki TiC stosowane s g ównie do obróbki metali. Nowoczesne gatunki w glików spiekanych zawieraj oprócz WC i TiC, tak e w gliki TaC oraz niewielki udzia w glika NbC. Dodatki w glików tantalu i niobu sprzyjaj znacznemu zwi kszeniu twardo ci i wytrzyma o ci na 5. W gliki spiekane 81

84 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Rysunek 5.5. Zale no ci pr dko ci skrawania i odporno ci na cieranie oraz wytrzyma o ci na zginanie i ci gliwo ci od twardo ci w glików grupy zastosowania P wg PN-ISO (tabl. 5.2); VB = 0,3 mm, = 10 min, a = 2 mm, s = 0,46 mm, materia obrabiany stal 0,6% C zginanie w wysokiej temperaturze skrawania, a ponadto zmniejszeniu sk onno ci do erozji w wyniku przywierania wióra. Wp yw sk adu chemicznego na w asno ci w glików spiekanych przedstawiono schematycznie na rysunku 5.6. W ród licznych dzia a dotycz cych poprawy w asno ci w glików spiekanych, podj tych g ównie w przedostatnim i ostatnim dziesi cioleciu XX wieku, nale y wymieni : doskonalenie procesu wytwarzania w glików spiekanych w celu zapewnienia powtarzalno ci w asno ci produktów, g ównie przez dodatkowe dog szczanie podczas prasowania izostatycznego na gor co w temperaturze C pod ci nieniem argonu MPa, co wp ywa decyduj co na zwi kszenie wytrzyma o ci na zginanie w glików spiekanych, a ich g sto osi ga w przybli eniu teoretyczn g sto krystaliczn, stosowanie stopów uk adu Fe-Ni-Co oraz niklu i elaza jako osnowy technicznych w glików w miejsce czystego kobaltu, 82 L.A. Dobrza ski, G. Matula

85 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Rysunek 5.6. Schemat wp ywu sk adu chemicznego na wybrane w asno ci w glików spiekanych typu WC-Co (opracowano wed ug pomys u W. Grzesika) opracowanie w glików spiekanych typu WC-Co, bardzo drobnoziarnistych o jednolitej wielko ci ziarn stosowanych w przypadku, gdy wyst puje g ównie zu ycie cierne narz dzi (rys. 5.7), wykorzystanie odkszta cenia plastycznego ziarn fazy WC w w glikach spiekanych typu WC-Co podczas quasi-izostatycznego ciskania, stosowanie wy cznie w glików TiC w miejsce w glików WC, co wp ywa na znaczne zmniejszenie zu ycia ostrza w porównaniu z w glikami konwencjonalnymi (rys. 5.8) lub stosowanie mieszaniny w glików WC, TaC i TiC, a tak e TiC, TaC i Mo 2 C przy równoczesnej zamianie kobaltu w osnowie na nikiel i molibden lub mieszanin tych pierwiastków z kobaltem, stosowanie azotków TaN i TiN cz ciowo w miejsce w glików TiC w w glikach spiekanych o osnowie Ni-Mo typu TaN-TiC-Ni-Mo i TiC-Mo 2 C-TiN-TaN-Ni-Mo oraz o osnowie niklu typu TiC-TiN-Mo 2 C-Ni, dobór sk adów chemicznych i fazowych w glików spiekanych umo liwiaj cych rozpuszczanie lub wydzielanie faz Lavesa i innych faz mi dzymetalicznych w osnowie w glików spiekanych podczas ch odzenia z temperatury spiekania lub podczas ewentualnej obróbki cieplnej. 5. W gliki spiekane 83

86 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Rysunek 5.7. Wp yw drobnoziarnisto ci na w asno ci spiekanych w glików WC-Co o ró nym st eniu kobaltu Rysunek 5.8. Porównanie w asno ci konwencjonalnych w glików spiekanych oraz cermetali zawieraj cych TiC-TaN zamiast w glików WC; materia obrabiany: stal stopowa Cr-Mo, p = 0,36 mm/obrót, a = 1,5 mm, V = 170 m/min (wed ug materia ów firmy Sumitomo Electric Industries Ltd., Itami, Hyogo, Japan) 84 L.A. Dobrza ski, G. Matula

87 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane ZASTOSOWANIE W GLIKÓW SPIEKANYCH W gliki spiekane znalaz y zastosowanie g ównie na nak adki narz dzi u ywanych do obróbki wiórowej, a tak e na ostrza widrów i narz dzi górniczych, narz dzia do obróbki plastycznej i inne narz dzia lub elementy o du ej twardo ci i odporno ci na cieranie. Twarde materia y skrawaj ce (do których nale i w gliki spiekane) pod wzgl dem zastosowania podzielono wed ug PN-ISO 513:1999 na trzy g ówne grupy (tabl. 5.2). Oznaczenie grupy w glików spiekanych z przewa aj cym udzia em WC, przeznaczonych do obróbki skrawaniem, sk ada si z liter HW i oznaczenia grupy zastosowania, np. HW P20, lub tylko z symbolu grupy zastosowania, np. P40. Niepokrywane spieki zawieraj ce g ównie TiC i/lub TiN s oznaczane literami HT i symbolem odpowiedniej grupy zastosowania, np. HT K01. Tablica 5.2. Klasyfikacja twardych materia ów skrawaj cych pod wzgl dem zastosowania Oznaczenie Materia obrabiany Grupa zastosowania Zastosowanie i warunki pracy 1) Zmiana parametru twardego skrawania skrawa- materia u j cego G ówna grupa obróbki wiórowej P do obróbki stopów elaza daj cych d ugi wiór toczenie i wytaczanie wyko czaj ce, P01 stal, staliwo du a pr dko skrawania, ma y przekrój wióra, dok adne wymiary i powierzchnia, brak drga podczas obróbki P10 P20 P30 P40 P50 stal, staliwo stal, staliwo, eliwo ci gliwe (wiór wst gowy) stal, staliwo stal, staliwo z zapiaszczeniem i p cherzami stal, staliwo o redniej lub ma ej wytrzyma- o ci z zapiaszczeniem i p cherzami toczenie, kopiowanie, gwintowanie i frezowanie, du a pr dko skrawania, ma y i redni przekrój wióra toczenie, kopiowanie, frezowanie, rednia pr dko skrawania i przekrój wióra, toczenie czo owe z ma ym przekrojem wióra toczenie, frezowanie, toczenie czo owe, rednia i ma a pr dko skrawania, redni lub du y przekrój wióra, niekorzystne warunki pracy 2) toczenie, toczenie czo owe, d utowanie, du a pr dko skrawania, du y przekrój wióra, niekorzystne warunki pracy 2) na obrabiarkach automatycznych obróbka wymagaj ca materia u skrawaj cego o bardzo du ej wytrzyma o ci na obci enia dynamiczne: toczenie, toczenie czo owe, d utowanie, ma a pr dko skrawania, du y przekrój wióra, obróbka w niekorzystnych warunkach 2) i na obrabiarkach automatycznych 5. W gliki spiekane 85 wzrost pr dko ci wzrost posuwu wzrost odporno ci na zu ycie cierne wzrost odporno ci na obci enia dynamiczne

88 Materia obrabiany Grupa zastosowania Zastosowanie i warunki pracy 1) Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Zmiana parametru Oznaczenie skrawania twardego materia u skrawaj cego G ówna grupa obróbki wiórowej M do obróbki stopów elaza daj cych wiór d ugi lub krótki oraz metali nie elaznych toczenie, rednia lub du a pr dko stal, staliwo, stal manganowa, M10 skrawania, ma y lub redni przekrój eliwo szare, eliwo stopowe wióra M20 M30 M40 stal, staliwo, stal austenityczna lub manganowa, eliwo szare stal, staliwo, stal austenityczna, eliwo szare, stopy aroodporne stal automatowa, stal o niskiej wytrzyma o ci, metale nie elazne i stopy lekkie toczenie, frezowanie, rednia pr dko skrawania i przekrój wióra toczenie, frezowanie, toczenie czo- owe, rednia pr dko skrawania, redni lub du y przekrój wióra toczenie, odcinanie, np. na obrabiarkach automatycznych wzrost pr dko ci wzrost posuwu wzrost odporno ci na zu ycie cierne wzrost odporno ci na obci enia dynamiczne G ówna grupa obróbki wiórowej K do obróbki stopów elaza daj cych wiór krótki, metali nie elaznych oraz materia ów niemetalowych bardzo twarde eliwo szare, wysokokrzemowe stopy Al, stal toczenie, toczenie wyko czaj ce, K01 utwardzona, tworzywa sztuczne wytaczanie, frezowanie, skrobanie cierne, twardy karton, materia y ceramiczne K10 K20 K30 K40 eliwo szare >220 HBW, eliwo ci gliwe (wiór odpryskowy), stal utwardzona, stopy Si-Al, stopy Cu, tworzywa polimerowe, szk o, twarda guma, twardy karton, porcelana, kamie eliwo szare 220 HBW, metale nie elazne: mied, stop Cu-Zn, aluminium eliwo szare o niskiej twardo ci, stal o ma ej wytrzyma o ci, drewno prasowane mi kkie lub twarde drewno, metale nie elazne toczenie, frezowanie, wiercenie, wytaczanie, przeci ganie, skrobanie toczenie, frezowanie, toczenie czo owe, wytaczanie, przeci ganie, wymagaj ce materia u skrawaj cego o bardzo du ej wytrzyma o ci na obci enia dynamiczne toczenie, frezowanie, toczenie czo owe, d utowanie, obróbka w niekorzystnych warunkach 2) toczenie, frezowanie, toczenie czo owe, d utowanie, obróbka w niekorzystnych warunkach 2) 1) Grupa zastosowania nie jest oznaczeniem gatunku twardego materia u skrawaj cego, dlatego liter P, M, K nie mo na stosowa w handlowych oznaczeniach gatunków. Je li wyst puje rzeczywista potrzeba wyró nienia po redniej grupy zastosowania, mo na j oznaczy po redni liczb, np. M15. Jedynie grup P01 mo na wyj tkowo dzieli stosuj c oznaczenia dziesi tne, np. P01.1, P01.2, je eli konieczne jest wyró nienie odr bnych stopni odporno ci na zu ycie cierne i wytrzyma o ci na kruche p kanie materia ów tej grupy. 2) Materia obrabiany w stanie surowym, pó produkt o kszta cie trudnym do obróbki, z naskórkiem odlewniczym lub ku niczym, o zmiennej twardo ci i/lub zmiennej g boko ci skrawania, mo liwo drga podczas obróbki. wzrost pr dko ci wzrost posuwu wzrost odporno ci na zu ycie cierne wzrost odporno ci na obci enia dynamiczne 86 L.A. Dobrza ski, G. Matula

89 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane 6. Cermetale narz dziowe 6.1. Ogólna charakterystyka cermetali narz dziowych INFORMACJE OGÓLNE Do nowoczesnych spiekanych materia ów narz dziowych, o szybko rosn cym znaczeniu w technologii obróbki skrawaniem nale cermetale narz dziowe. Cermetale narz dziowe stanowi samodzieln grup spiekanych materia ów narz dziowych. Komponentami wspó czesnych cermetali narz dziowych oprócz cz stek ceramicznych w glika tytanu TiC, azotku tytanu TiN i w glikoazotku tytanu Ti(C,N) odpowiadaj cych za twardo spieku s inne dodatki w glików i azotków cz sto z o onych: (Ti,Ta)N, (Ti,Mo)C, (Ti,W)C, (Ti,Ta,W)C, (Ti,Ta,Mo,W,Nb)(C,N) oraz faza wi ca sk adaj ca si najcz ciej z kobaltu i niklu. Pierwsze cermetale narz dziowe zosta y wyprodukowane ju w 1931 roku (Metallwerk Plansee), lecz nie znajduj obecnie szerszego zastosowania z powodu zbyt du ej krucho ci i z ej lutowalno ci. Nast pn generacj cermetali narz dziowych wprowadzono w latach pi dziesi tych XX wieku w firmie Ford Motor Co. W tych cermetalach narz dziowych jako no nik twardo ci wykorzystano ceramiczne cz stki TiC stapiane z Mo 2 C w trakcie procesu spiekania z faz ciek, z faz wi c zawieraj c równie nikiel. Kolejn generacj cermetali narz dziowych, zawieraj cych azotek tytanu TiN, zwanych spiekami spinoidalnymi Rudy ego (firma Teledyne) wprowadzono w 1974 roku. W spiekach spinoidalnych przybli ony stosunek N/(C+N) jest mniejszy ni 0,3. Dodatek twardych cz stek TiN powoduje wzrost odporno ci na zu ycie oraz zmniejszenie odkszta cenia plastycznego ostrzy skrawaj cych. Cermetale narz dziowe produkowane w latach osiemdziesi tych XX wieku charakteryzuj si wi kszym ni 0,3 stosunkiem N/(C+N). Dodatek kobaltu do fazy wi cej oraz tantalu i/lub niobu do z o onych w glikoazotków wp ywa na popraw w asno ci skrawnych cermetali narz dziowych. Rozwój cermetali narz dziowych zwi zany by g ównie z optymalizacj sk adu chemicznego zarówno fazy wi cej, jak i odpowiedzialnych za twardo spieku z o onych faz o maksymalnej twardo ci i modyfikowanym sk adzie chemicznym, zwi zanym m.in. z podnoszeniem st enia azotu (rys. 6.1) oraz zmniejszaniem wielko ci ziarn. 6. Cermetale narz dziowe 87

90 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Rysunek 6.1. Zale no twardo ci i wytrzyma o ci na p kanie ró nych generacji spiekanych cermetali narz dziowych (oznaczenia gatunków wed ug firmy Sumitomo) STRUKTURA I W ASNO CI CERMETALI NARZ DZIOWYCH Cermetale, podobnie jak inne spiekane materia y narz dziowe, np. w gliki spiekane, wytwarzane s metod metalurgii proszków (rys. 5.1). Formowanie jest najcz ciej przeprowadzane przez jednoosiowe prasowanie, natomiast spiekanie, zale nie od sk adu chemicznego, przebiega w temperaturze C (z udzia em fazy ciek ej) w piecu pró niowym. W celu polepszenia w asno ci (zmniejszenia porowato ci spieku) stosowane jest izostatyczne spiekanie na gor co HIP (j. ang.: Hot Isostatic Pressing). Dla spiekanych cermetali narz dziowych typow jest struktura rdzeniowo-p aszczowa (rys. 6.2) b d ca no nikiem twardo ci, powoduj ca e cermetale s niewra liwe na rozrost ziarn podczas spiekania, uzyskuj c w efekcie drobnoziarnist struktur. Niklowo-kobaltowa faza wi ca zapewnia odpowiedni zwil alno cz stek ceramicznych, powoduj c stabilne wi zanie poszczególnych ziarn oraz wymagan ci gliwo. Zwi kszanie st enia kobaltu w fazie wi cej powoduje jednak wyra ne zmniejszenie odporno ci na zu ycie cierne spiekanych cermetali narz dziowych. 88 L.A. Dobrza ski, G. Matula

91 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Rysunek 6.2. Schematyczna struktura cermetalu narz dziowego (wed ug M. Wysieckiego) Jedn z charakterystycznych cech spiekanych cermetali narz dziowych jest ich g sto, zawieraj ca si najcz ciej w granicach 6-7,5 g/cm 3, wynikaj ca z obecno ci azotków i w glików tytanu. Wytwarzanie cermetali narz dziowych o polepszonych w asno ciach, takich jak wytrzyma o na zginanie, powoduje szersze zainteresowanie tym materia em w obróbce skrawaniem. W porównaniu z w glikami spiekanymi, wspó czesne spiekane cermetale narz dziowe wykazuj wi ksz wytrzyma o na zginanie i du ci gliwo. Cermetale narz dziowe charakteryzuj si nast puj cymi w asno ciami: ma g sto ci, niskim wspó czynnikiem tarcia, du twardo ci i odporno ci na zu ycie (dobry sp yw wiórów i brak tendencji do tworzenia si narostu), du wytrzyma o ci na zginanie, wiadcz c o du ej ci gliwo ci, wystarczaj co du odporno ci na p kanie, du stabilno ci kraw dzi skrawaj cych, 6. Cermetale narz dziowe 89

92 ograniczon wra liwo ci na szoki termiczne, du odporno ci na utlenianie w podwy szonej temperaturze, du odporno ci chemiczn, dobr jako ci powierzchni obrobionych elementów, Open Access Library Volume 8 (14) 2012 relatywnie nisk cen g ównych sk adników (TiC, Ni) w porównaniu z podstawowymi sk adnikami w glików spiekanych (WC, Co) Zastosowanie cermetali narz dziowych ZASTOSOWANIE CERMETALI NARZ DZIOWYCH Zastosowanie p ytek wieloostrzowych wykonanych ze spiekanych cermetali narz dziowych mo e wp ywa na ró ne aspekty procesu skrawania (tabl. 6.1). W porównaniu z w glikami spiekanymi, ostrza ze spiekanych cermetali narz dziowych wykazuj wy sz twardo w podwy szonej temperaturze oraz odporno na utlenianie zapewniaj c im wymagan stabilno w wy szej temperaturze i przy wy szych pr dko ciach skrawania. Spiekane cermetale narz dziowe stwarzaj mo liwo skrawania na sucho, bez udzia u cieczy ch odz co-smaruj cych, w wyniku mniejszej przewodno ci cieplnej ni w gliki spiekane. Ma a przewodno cieplna spiekanych cermetali narz dziowych powoduje odprowadzanie znacznej cz ci ciep a powstaj cego w procesie skrawania z wiórami i nie jest Tablica 6.1. Charakterystyka i efekty procesu skrawania ostrzami ze spiekanych cermetali narz dziowych W asno ci procesu lub narz dzia Ma e tarcie Ma a sk onno do dyfuzji Ma a przewodno cieplna ostrza Wysoka sprawno Du a wytrzyma o cieplna D ugi okres trwa o ci ostrza Niewielka cieralno powierzchni przy o enia ostrza Przystosowany amacz wiórów Charakterystyka oddzia ywania wysoka jako obrobionej powierzchni mo liwa obróbka na sucho, ma e nagrzewanie si obrabianego przedmiotu niepotrzebne zaokr glanie kraw dzi, ostre ostrze du a pr dko skrawania, zmniejszony czas obróbki niski koszt wymiany narz dzi wysoka sta o i powtarzalno wymiarów, ma y koszt regulacji amanie wiórów równie przy ich ma ych przekrojach 90 L.A. Dobrza ski, G. Matula

93 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane odbierana przez obrabiany materia. Du a wytrzyma o cieplna cermetali oraz stabilno wymiarowa zwi zana z zachowaniem ostrych kraw dzi skrawaj cych, pozwala na znacz ce zwi kszenie pr dko ci skrawania, bez utraty wysokiej jako ci obrobionych powierzchni. Cermetale narz dziowe, mimo tak dobrych w asno ci, wykazuj wady, w porównaniu np. do w glików spiekanych, do których nale przede wszystkim: mniejsza odporno na kruche p kanie, mniejsza odporno na odkszta cenia, zwi zana z mniejsz przewodno ci tych materia ów oraz mo liwo p kni cieplnych podczas przerywanego skrawania, w wyniku wi kszej rozszerzalno ci cieplnej. Wspó cze nie g ówny zakres zastosowania spiekanych cermetali narz dziowych zwi zany jest z obróbk skrawaniem stali niestopowych i wysokostopowych, np. stali nierdzewnych i kwasoodpornych oraz eliw sferoidalnych, a tak e stali automatowych i stopów metali nie elaznych. G ównym sposobem obróbki spiekanymi cermetalami narz dziowymi, oprócz toczenia jest tak e wytaczanie, rowkowanie, toczenie gwintów oraz frezowanie, gdzie szczególnie wymagana jest wysoka stabilno wymiarowa. 6. Cermetale narz dziowe 91

94 Open Access Library Volume 8 (14) Spiekane materia y ceramiczne i ceramiczno-w glikowe 7.1. Ogólna charakterystyka spiekanych materia ów ceramicznych i ceramiczno-w glikowych PORÓWNANIE SPIEKANYCH MATERIA ÓW CERAMICZNYCH I CERAMICZNO-W GLIKOWYCH W ostatnich latach wzrasta zu ycie ceramicznych i ceramiczno-w glikowych materia ów skrawaj cych. Do tej grupy materia ów zalicza si jednofazowy, spiekany i/lub prasowany na gor co Al 2 O 3 oraz Si 3 N 4, a tak e mieszaniny tych faz z twardymi tlenkami, azotkami i/lub w glikami, wytwarzane zmodyfikowanymi metodami metalurgii proszków. P ytki wykonane z tych materia ów s stosowane do obróbki eliwa i stali przy du ej pr dko ci skrawania. Spiekane materia y ceramiczne i ceramiczno-w glikowe s odporne chemicznie, stabilne w atmosferze oboj tnej i utleniaj cej, a tak e w wysokiej temperaturze. Przy ma ej g sto ci wykazuj korzystn odporno na cieranie w temperaturze pokojowej i podwy szonej. Surowce do wytwarzania tych materia ów s atwo dost pne. arowytrzyma o spiekanych materia ów ceramicznych i ceramiczno-w glikowych jest wi ksza ni w glików spiekanych. S wra liwe na mechaniczne obci enia udarowe i zm czenie cieplne. W odró nieniu od w glików spiekanych nie zawieraj metalu wi cego i z tego wzgl du ich ci gliwo jest znacznie mniejsza ni w glików spiekanych. Zastosowania spiekanych materia ów ceramicznych i ceramiczno-w glikowych s ograniczone przez du sk onno do z amania. P ytki skrawaj ce z tych materia ów, oprócz ujemnego k ta natarcia, maj dodatkowo faz wzmacniaj c o szeroko ci 0,2-0,3 mm. Najwi ksz zalet spiekanych materia ów ceramicznych i ceramiczno-w glikowych jest mo liwo skrawania z bardzo du pr dko ci Podstawowe grupy spiekanych materia ów ceramicznych i ceramiczno-w glikowych TLENKOWE CERAMICZNE MATERIA Y NARZ DZIOWE G ównym sk adnikiem materia ów ceramicznych o bia ej barwie, stosowanych na narz dzia skrawaj ce, jest chemicznie i cieplnie stabilny tlenek aluminium -Al 2 O 3, do którego w celu 92 L.A. Dobrza ski, G. Matula

95 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane ograniczenia rozrostu ziarna dodaje si w ladowych udzia ach inne tlenki, np. MgO. Tlenek aluminium -Al 2 O 3 charakteryzuje si du twardo ci w temperaturze pokojowej i podwy szonej. Przy najwi kszej szybko ci skrawania i wyst puj cej wtedy wysokiej temperaturze jedynie w ograniczonym zakresie wyst puje dyfuzja pomi dzy stal a warstw tlenkow (rys. 7.1). Tlenek -Al 2 O 3 jest pasywny w powietrzu. Jego zasadnicz wad jest jednak krucho i ma a odporno na uderzenia mechaniczne i zm czenie cieplne. Oznaczenie grupy zastosowania twardych materia ów skrawaj cych zawieraj cych g ównie Al 2 O 3 sk ada si z liter CA i symbolu grupy wed ug tablicy 5.2, np. CA K10. Znaczn popraw ci gliwo ci oraz zwi kszenie wytrzyma o ci na zginanie spieków z czystego Al 2 O 3 osi gni to dzi ki wprowadzeniu dodatków u atwiaj cych otrzymanie spieków o du ej g sto ci oraz zastosowanie drobnoziarnistego -Al 2 O 3 o rednicy ziarna nie wi kszej od 1 m. Zmniejszenie wielko ci ziarna powoduje ponad dwukrotne zwi kszenie wytrzyma o ci na z amanie. Wytrzyma o spieku z czystego Al 2 O 3 tak e mo na zwi kszy o ok. 25% w wyniku prasowania na gor co lub prasowania izostatycznego na gor co. W asno ci skrawne ostrzy z czystego Al 2 O 3 prasowanego na gor co s wi ksze od w asno ci ostrzy z w glików spiekanych oraz cermetalu opartego na mieszaninie TiC i TiN. Rysunek 7.1. Porównanie w asno ci skrawnych w glików spiekanych, cermetali zawieraj cych TiC i TiN oraz materia ów ceramicznych i ceramiczno-w glikowych 7. Spiekane materia y ceramiczne i ceramiczno-w glikowe 93

96 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Stwierdzono, e dodatek dyspersyjnych cz stek tlenku cyrkonu ZrO 2 do materia ów ceramicznych na osnowie Al 2 O 3 wp ywa na ich znaczne umocnienie spowodowane oddzia ywaniem tej mechanicznie aktywnej fazy. Maksimum wytrzyma o ci na zginanie tych materia ów wyst puje przy 15% udziale obj to ciowym tlenku cyrkonu (rys. 7.2 i 7.3). Umacnianie i zwi kszanie odporno ci na p kanie materia ów ceramicznych na osnowie Al 2 O 3 z dodatkiem cz stek ZrO 2 mo e nast pi w wyniku: absorpcji energii w polu napr e rozci gaj cych w strefie wierzcho ka propaguj cej wady powierzchniowej spowodowanej przez przemian martenzytyczn odmiany tetragonalnej ZrO 2 w jednosko n, co wi e si ze zwi kszeniem obj to ci w a ciwej o ok. 3-5%, powstawania mikrop kni absorbuj cych energi p kania wokó dyspersyjnych cz stek ZrO 2 lub powstawania napr e w osnowie, wywo anych zmian obj to ci tych cz stek ulegaj cych przemianie martenzytycznej podczas ch odzenia materia u, wymuszenia przemiany w cz stkach ZrO 2 o strukturze tetragonalnej znajduj cych si na powierzchni narz dzia, np. przez szlifowanie, i wywo ania wokó nich napr e ciskaj cych. Rysunek 7.2. Zale no ci gliwo ci materia ów ceramicznych na osnowie Al 2 O 3 od udzia u ZrO 2 94 L.A. Dobrza ski, G. Matula

97 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Dobieraj c odpowiednio sk ad fazowy i ziarnowy spiekanych materia ów ceramicznych, mo na w pewnym zakresie sterowa ich w asno ciami. W wyniku zastosowania odpowiednich metod wytwarzania w strukturze materia ów ceramicznych, oprócz du ych cz stek tlenku cyrkonu ulegaj cych przemianie alotropowej przez zmian temperatury, wyst puj tak e cz stki drobne ulegaj ce przemianie wskutek zmiany napr e w osnowie. Obecnie materia y ceramiczne z dyspersyjnymi cz stkami ZrO 2 s stosowane do wyko czaj cego toczenia elementów z eliwa szarego, umo liwiaj c znaczne zwi kszenie wydajno ci tego procesu, a tak e do toczenia stali oraz frezowania eliwa szarego (rys. 7.4). W czasie obróbki skrawaniem tlenkowymi materia ami ceramicznymi nie mo na stosowa cieczy ch odz cych. MATERIA Y NARZ DZIOWE CERAMICZNO-W GLIKOWE Inne materia y stosowane do skrawania, oprócz tlenku glinu Al 2 O 3 i ewentualnie ZrO 2, zawieraj w glik tytanu TiC nadaj cy im czarn barw i dodawany jest w celu podwy szenia odporno ci na cieranie (rys. 7.5). Dodatek w glika tytanu w udziale 30-40% poprawia tak e odporno ostrza materia ów ceramicznych na wykruszanie i odporno na tworzenie si rowka. Niekiedy do materia ów ceramicznych dodawane s zamiast w glika TiC w gliki WC lub Mo 2 C. Rysunek 7.3. Zale no w asno ci materia ów ceramicznych na osnowie Al 2 O 3 od udzia u ZrO 2 7. Spiekane materia y ceramiczne i ceramiczno-w glikowe 95

98 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Spiekane materia y ceramiczno-w glikowe charakteryzuj ce si zwi kszon odporno ci na cieranie s g ównie stosowane do dok adnej obróbki materia ów lanych, a tak e do toczenia Rysunek 7.4. Zakres zastosowa materia ów ceramicznych i ceramiczno-w glikowych w zale no ci od udzia u ZrO 2 i TiC (wed ug H. Kunza, P. Johansena i N. Claussena) Rysunek 7.5. Porównanie w asno ci skrawnych w glików spiekanych i materia ów ceramiczno-w glikowych 96 L.A. Dobrza ski, G. Matula

99 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane i frezowania materia ów utwardzonych i wysokostopowych. W tej grupie spiekanych materia ów narz dziowych zamiast w glików TiC wprowadza si niekiedy azotki tytanu TiN w udziale masowym 12,5%. Szczególnie korzystne w asno ci uzyskuje si, gdy p ytki po spiekaniu s dodatkowo dog szczane izostatycznie na gor co. Spieki ceramiczne Al 2 O 3 zawieraj ce azotek tytanu TiN s wydajniejsze ni gatunki zawieraj ce wy cznie w glik tytanu TiC, szczególnie przy frezowaniu. Oznaczenie grupy zastosowania materia ów skrawaj cych ceramiczno-w glikowych sk ada si z liter CM i symbolu grupy wed ug tablicy 5.2, np. CM K01. Oznaczenie grupy zastosowania pokrywanych materia ów ceramicznych rozpoczyna si od liter CC. SPIEKANY AZOTEK KRZEMU W gliki spiekane coraz cz ciej s zast powane przez spiekany azotek krzemu Si 3 N 4 o barwie szarej. Azotek ten mo e by tak e stosowany z dodatkiem Y 2 O 3 lub w osnowie zawieraj cej 92% Si 3 N 4, 6% Y 2 O 3 i 2% Al 2 O 3 mog by rozmieszczone w 30% dyspersyjne cz stki TiC. Rysunek 7.6. Porównanie w asno ci skrawnych p ytek z Si 3 N 4 i w glików spiekanych pokrywanych wielowarstwowo Al 2 O 3 7. Spiekane materia y ceramiczne i ceramiczno-w glikowe 97

100 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Spiekany azotek krzemu mo e by stosowany do toczenia i frezowania eliwa szarego, sferoidalnego i stopowego, stopów na osnowie niklu w silnie przerywanych procesach technologicznych. Zastosowanie tego materia u umo liwia zarówno przy toczeniu, jak i frezowaniu bardzo znaczne skrócenie g ównego czasu skrawania przy pr dko ciach wi kszych od 1000 m/min, niemo liwych do uzyskania przy obróbce p ytkami z w glików spiekanych lub materia ów tlenkowych czy tlenkowo-w glikowych. Trwa o spiekanego azotku krzemu, ewentualnie z dodatkiem tlenku itru, a tak e w glika tytanu, jest wi ksza od innych materia ów ceramicznych (rys. 7.6). Wa nymi cechami azotku krzemu s du a przewodno cieplna i bardzo ma a rozszerzalno cieplna. Umo liwia to podczas skrawania ch odzenie ciecz narz dzi z tego tworzywa, co jest niemo liwe przy zastosowaniu w glików spiekanych lub tlenkowych materia ów ceramicznych. Oznaczenie grupy zastosowania materia ów ceramicznych zawieraj cych g ównie azotek krzemu rozpoczyna si od liter CN, np. CN K10. SIALONY W ko cu XX wieku opracowano i wprowadzono do produkcji oraz do eksploatacji w warunkach przemys owych sialon jako nowy rodzaj spiekanych materia ów skrawaj cych, Rysunek 7.7. Rozk ad atomów Si, Al, N i O w sieci krystalograficznej sialonu (wed ug K.H. Jacka) 98 L.A. Dobrza ski, G. Matula

101 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane cz cy w sobie zalety tworzyw tlenkowych i beztlenkowych zawieraj cych Si 3 N 4. Nazwa tego materia u pochodzi od pierwszych liter pierwiastków wchodz cych w jego sk ad (j. ang.: silicon, aluminium, oxy-nitride). Sialon o sk adzie chemicznym okre lonym wzorem Si 6-z O z N 8-z jest izomorficzny z azotkiem krzemu Si 3 N 4 (rys. 7.7). Liczba z = 0-4,5 odpowiada liczbie atomów Al zast puj cych Si w sieci azotku. Ze wzgl du na izomorficzno w asno ci mechaniczne i fizyczne sialonu s zbli one do odpowiednich w asno ci Si 3 N 4. W asno ci chemiczne tej fazy odpowiadaj z kolei tlenkowi aluminium Al 3 O 2. Ze wzgl dów technologicznych korzystne jest wprowadzenie do spieku sialonu dodatków innych tlenków, np. Y 2 O 3, gdy powoduje to zmniejszenie pr no ci par i decyduje o obni eniu temperatury topnienia sialonu. Umo liwia to spiekanie pod ci nieniem, a nie na gor co. W takim przypadku ni sza temperatura spiekania umo liwia zachowanie struktury drobnoziarnistej, a przez to podwy szenie w asno ci wytrzyma o ciowych spieku. Wp ywa jednak równocze nie na zmniejszenie odporno ci na utlenianie i sprzyja przyspieszonemu rozpadowi roztworu w wysokiej temperaturze. Z cieczy powsta ej w przestrzeniach mi dzycz steczkowych podczas zag szczania sialonu z dodatkiem Y 2 O 3 w wysokiej temperaturze w czasie ch odzenia powstaje szk o. Rysunek 7.8. Porównanie w asno ci skrawnych p ytek z materia ów ceramiczno-w glikowych i sialonu przy toczeniu arowytrzyma ego stopu niklu (Inconel 718) 7. Spiekane materia y ceramiczne i ceramiczno-w glikowe 99

102 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Powtórna obróbka cieplna takiego spieku w temperaturze 1400 C powoduje przebieg reakcji z osnow sialonu : Si 5 AlON 7 + Y-Si-Al-O-N Si 5+x Al 1-x N 7+x + Y 3 Al 5 O 12 (7.1) sialon szk o sialon YAG, w wyniku której na granicach ziarn powstaje zwi zek Y 3 Al 5 O 12 nazywany granatem itrowoaluminiowym, w skrócie oznaczonym YAG (j. ang.: Yttrium-Aluminium-Garnet). Wyst powanie tego zwi zku bardzo efektywnie polepsza odporno sialonu na utlenianie i odporno na pe zanie. Sialony mo na otrzyma przez prasowanie na gor co w formach grafitowych w temperaturze ok C. Stosowane jest jednak cz ciej bezci nieniowe spiekanie reakcyjne w atmosferze azotu w temperaturze C. Przed spiekaniem produkty z sialonu s formowane na zimno lub na gor co metodami stosowanymi zwykle przy wytwarzaniu tlenkowych materia ów ceramicznych, tj. przez prasowanie izostatyczne, prasowanie jednoosiowe, wyciskanie na zimno i na gor co, formowanie wtryskowe lub odlewanie g stwy. Przed spiekaniem wypraski mog by obrobione przez toczenie konwencjonalnymi narz dziami, ci cie pi ami ta mowymi, frezowanie, wiercenie i szlifowanie konwencjonalnymi ciernicami. Umo liwia to ograniczenie do minimum szlifowania ciernicami diamentowymi gotowych spieków, zapewniaj cego im cechy geometryczne z wymagan dok adno ci. Stosowane jest równie polerowanie ultrad wi kowe gotowych spieków. Mog by one równie przecinane z wykorzystaniem lasera. Narz dzia wykonane ze sialonu z powodzeniem s stosowane do toczenia i frezowania stali i stopów trudno obrabialnych (rys. 7.8), m.in. eliwa, stali ulepszonej cieplnie, stopów niklu, tytanu i aluminium oraz stopów wysoko arowytrzyma ych. Wydajno skrawania przy u yciu sialonu jest znacznie wi ksza ni w przypadku zastosowania innych materia ów ceramicznych lub w glików spiekanych pokrywanych wielowarstwowo. Stwierdzono przy tym, e zu ycie narz dzi zmniejsza si ze wzrastaj c pr dko ci skrawania. Sialony znalaz y tak e zastosowanie na narz dzia do ci gnienia rur i drutów, narz dzia do ci g ego odlewania metali oraz narz dzia górnicze do ska i w gla kamiennego. 100 L.A. Dobrza ski, G. Matula

103 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane 8. Supertwarde materia y narz dziowe 8.1. Ogólna charakterystyka supertwardych materia ów narz dziowych KLASYFIKACJA SUPERTWARDYCH MATERIA ÓW NARZ DZIOWYCH Podstawowe supertwarde materia y s fazami wyst puj cymi w uk adzie B-C-N-Si (rys. 8.1). W dziesi ciostopniowej skali Mohsa najwi kszy wska nik 10 uzyska diament a korund ma wska nik 9. Materia y twardsze od korundu, tzn. cechuj ce si twardo ci wi ksz od 20 GPa, uznawane s za materia y supertwarde. Mo na zestawi tzw. piramidy twardo ci obejmuj ce zarówno materia y twarde, jak i supertwarde niemetaliczne (rys. 8.2) oraz wykazuj ce wi zania metaliczne (rys. 8.3). Rysunek 8.1. Tetraedr sk adów chemicznych C-B-N-Si obrazuj cy podstawowe znane materia y supertwarde (wed ug T.J. Clarka i R.C. DeVriesa) 8. Supertwarde materia y narz dziowe 101

104 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Rysunek 8.2. Piramida twardo ci materia ów niemetalicznych (wed ug B. Ciszewskiego i W. Przetakiewicza) Rysunek 8.3. Piramida twardo ci materia ów wykazuj cych wi zania metaliczne (w glików, azotków i borków) (wed ug B. Ciszewskiego i W. Przetakiewicza) 102 L.A. Dobrza ski, G. Matula

105 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Materia y supertwarde o znaczeniu komercyjnym obejmuj azotek krzemu (Si 3 N 4 ), w glik krzemu (SiC), w glik boru (B 4 C), diament i regularny azotek boru (BN). Azotek krzemu stanowi podstaw dla wa nej kategorii materia ów ceramicznych sialonów, które s u ywane jako materia y konstrukcyjne, a tak e jako materia y narz dziowe do skrawania z bardzo du szybko ci. W gliki metaloidów B i Si (B 4 C i SiC) maj tak e du e znaczenie przemys owe i znajduj zastosowania tak ró ne, jak supertwarde narz dzia oraz rezystory elektryczne elementów grzejnych. Te materia y mog by wytwarzane zarówno bez, jak i z metalow faz wi c. W przypadku gdy nie ma tej fazy, wytworzony materia jest zaliczany do grupy ceramicznych materia ów in ynierskich, natomiast gdy jest zastosowana metalowa faza wi ca materia jest cermetalem in ynierskim. PROCESY TECHNOLOGICZNE MATERIA ÓW SUPERTWARDYCH Podstaw syntezy diamentu i regularnego azotku boru BN jest przemiana alotropowa mi kkiej fazy heksagonalnej w tward odmian o strukturze sieciowej regularnej. W przypadku w gla grafit o strukturze heksagonalnej ulega przemianie w diament o strukturze regularnej (rys. 8.4). Analogicznym przemianom ulega azotek boru (rys. 8.5). Obydwa te materia y mog by wytwarzane jako lite o strukturze ziarnistej lub jako produkty spiekane polikrystaliczne. Synteza regularnego azotku boru BN lub diamentu nast puje w wyniku procesu statycznego wysokoci nieniowego i wysokotemperaturowego HPHT (j. ang.: High-Pressure High-Temperature) lub technik wybuchow dynamiczn. Metoda HPHT pomimo wysokich kosztów oprzyrz dowania technologicznego jest podstawow technik produkcji diamentów oraz regularnego azotku boru. W procesie jednoosiowego prasowania w prasach o bardzo du ym nacisku mo na wytworzy te materia y w formie litej. Dla u atwienia przemiany grafitu w diament, która przy bardzo du ym ci nieniu mo e zaj bezpo rednio, wprowadza si rozpuszczalniki/katalizatory, takie jak Ni, Fe, Co, Mn lub stopy tych metali, w wyniku czego mo liwe jest znacz ce obni enie wymaganego ci nienia, nawet o ok. 5 GPa, oraz temperatury o ok. 1500ºC. Podobnie post puje si w przypadku regularnego azotku boru, lecz jako reagenty stosuje si alkaliny metali ziem rzadkich, a tak e takie same metale, jak w przypadku syntezy diamentu. Ci nienie wymagane do syntezy regularnego azotku boru jest ni sze ni w przypadku diamentu, wobec czego cz sto stosuje si proces syntezy bezpo redniej. 8. Supertwarde materia y narz dziowe 103

106 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Rysunek 8.4. Zakresy stabilno ci diamentu i grafitu oraz wp yw rozpuszczalnika i katalizatora na obni enie warunków syntezy (wed ug T.J. Clarka, G.E. Superabrasivesa i R.C. DeVriesa) Rysunek 8.5. Zakresy stabilno ci regularnej i heksagonalnej odmiany alotropowej azotku boru (wed ug T.J. Clarka, G.E. Superabrasivesa i R.C. DeVriesa) 104 L.A. Dobrza ski, G. Matula

107 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Metodami niskotemperaturowymi, ok. 900 C, przy niskim ci nieniu, ok. 0,1 MPa, mo liwe jest uzyskiwanie cienkich pow ok lub p ytek zarówno diamentu jak i regularnego azotku boru, które mo na wykorzysta jako narz dzia szlifierskie lub do obróbki mechanicznej, a tak e na elementy diafragm g o ników, okienka aparatów rentgenowskich i na powierzchnie odporne na cieranie. Mo liwa jest równie produkcja polikrystalicznego diamentu (PCD) lub polikrystalicznego regularnego azotku boru (PCBN) przez spiekanie z udzia em lub bez udzia u fazy wi cej wielu indywidualnych kryszta ów diamentu lub regularnego azotku boru BN w jednolit polikrystaliczn mas. ZASTOSOWANIE SUPERTWARDYCH MATERIA ÓW NARZ DZIOWYCH W tablicy 8.1 przedstawiono typowe zastosowania supertwardych materia ów narz dziowych w procesach obróbki skrawaniem i szlifowania stopów metali Polikrystaliczny syntetyczny diament W ASNO CI I ZASTOSOWANIE POLIKRYSTALICZNEGO SYNTETYCZNEGO DIAMENTU Polikrystaliczny syntetyczny diament jest stosowany na narz dzia. Wykazuje on najwi ksz twardo ze wszystkich materia ów narz dziowych przy bardzo ma ej wytrzyma o ci na zginanie (rys. 8.6). Podstawow postaci narz dzi z polikrystalicznego diamentu s p ytki o niewielkich wymiarach, zwykle o grubo ci nie wi kszej od 0,5 mm, niekiedy od 1 mm i pozosta ych wymiarach nie wi kszych od kilku mm. P ytki te s czone z cz ci no n, wykonan z materia u o mniejszej krucho ci, najcz ciej z p ytk z w glików spiekanych o znormalizowanych wymiarach p ytek wieloostrzowych (rys. 8.7). Narz dzia z polikrystalicznego syntetycznego diamentu s stosowane do toczenia i frezowania aluminium, magnezu, miedzi, cynku i ich stopów, a tak e innych stopów metali nie elaznych, g ównie z Si, w glików spiekanych, porcelany i materia ów ceramicznych, gumy, tworzyw sztucznych, drewna, materia ów kompozytowych z tworzyw sztucznych i w ókien szklanych, stopów srebra, z ota i platyny oraz w gla z du pr dko ci skrawania. 8. Supertwarde materia y narz dziowe 105

108 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Tablica 8.1. Typowe zastosowania supertwardych materia ów narz dziowych w procesach obróbki skrawaniem i szlifowania stopów metali (opracowano wed ug T.J. Clarka i R.C. DeVriesa) Zastosowanie supertwardych materia ów Stop metali poddany obróbce skrawaniem lub szlifowaniu Podstawowe sk adniki obrabianego stopu Twardo obrabianego stopu Stale utwardzone Narz dziowe do pracy na Co, Cr, Mo, V, W >50 HRC gor co, szybkotn ce Stopowe Cr, Mo, Ni, V >50 HRC Niestopowe Mn, Si >50 HRC Odporne na korozj o strukturze austenitycznej Cr, Ni, Mn >50 HRC o strukturze martenzytycznej Cr >50 HRC eliwa Szare C, Si >180 HBW Bia e C, Ni, Si, Cr >450 HBW Ci gliwe C, Si >200 HBW Nadstopy Na osnowie Ni Cr, Co, Mo, W, Ti >35 HRC Na osnowie Co Cr, W >35 HRC Na osnowie Fe Cr, Ni, Mo >35 HRC Materia y umocnione powierzchniowo Na bazie w glików/tlenków Na bazie metali (stellity, hastelloye) Stopy aluminium Al 2 O 3, Cr 2 O 3, WC >35 HRC Mo, Ni, Cr, Co, Fe>35 HRC Odlewnicze Si, Cu, Mg, Zn HBW Obrabiane plastycznie Cu, Zn, Mg HBW W gliki spiekane Narz dzia i matryce WC, TaC, TiC, Co84-95 HRA Narz dzia i matryce wst pnie WC, TaC, TiC, Co spiekane Spiekane matryce WC, >6% Co < 90 HRA narz dziowych w procesach obróbki szlifowania skrawaniem diament BN PCD PCBN Oznaczenia: stosowane, niestosowane, stosowane w przypadku u ycia specjalnego oprzyrz dowania. 106 L.A. Dobrza ski, G. Matula

109 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Rysunek 8.6. Porównanie twardo ci i wytrzyma o ci na zginanie ró nych materia ów narz dziowych (wed ug katalogów firmy Sandvik-Coromant, Sandviken, Szwecja) Rysunek 8.7. Schemat p ytek narz dziowych z polikrystalicznym syntetycznym diamentem Narz dzia z polikrystalicznego syntetycznego diamentu umo liwiaj uzyskanie bardzo g adkich powierzchni obrabianych elementów o R a = 0,4-1,7 m przy kilkudziesi cio- do kilkusetkrotnym wzro cie liczby przedmiotów obrobionych jednym narz dziem w porównaniu z narz dziami z w glików spiekanych, ze wzgl du na znacznie mniejsze zu ycie ostrza. Natomiast polikrystaliczny syntetyczny diament nie nadaje si do skrawania stali. Ze wzgl du na reaktywno chemiczn w wysokiej temperaturze wytwarzaj cej si w czasie skrawania, nast puje dyfuzja w gla i jego grafityzacja w stali. Oznaczenie grupy zastosowania supertwardych materia ów skrawaj cych z diamentu polikrystalicznego rozpoczyna si od liter DP, np. DP K Supertwarde materia y narz dziowe 107

110 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Polikrystaliczny syntetyczny diament jest równie stosowany na ci gad a do ci gnienia drutu ze stali nierdzewnych i kwasoodpornych, galwanizowanych stali w glowych, aluminium i miedzi oraz ich stopów, niklu, wolframu, molibdenu, a tak e innych materia ów. Zastosowanie tych ci gade powoduje znaczne zwi kszenie wydajno ci pracy ci gnienia i polepszenia jako ci powierzchni drutów Spiekany azotek boru W ASNO CI I ZASTOSOWANIE SPIEKANEGO AZOTKU BORU Materia em narz dziowym, który zyska powszechne zastosowanie w ostatnim dziesi cioleciu jest spiekany azotek boru BN o sieci regularnej. Narz dzia z regularnego azotku boru s wykonywane podobnie, jak w przypadku polikrystalicznego syntetycznego diamentu, w postaci p ytek o grubo ci 0,5-1 mm po czonych dyfuzyjnie z p ytk no n z w glików spiekanych (rys. 8.8). Twardo regularnego azotku boru jest mniejsza ni diamentu. W odró nieniu od polikrystalicznego diamentu wykazuje on znaczn arowytrzyma o, w zakresie temperatury do 1000 C nie reaguj c z metalami oraz stal i jest odporny na utlenianie. Narz dzia ze spiekanego azotku boru s wykorzystywane do obróbki stali ulepszonych cieplnie, utwardzonego eliwa oraz stopów na osnowie niklu i kobaltu. Narz dzia z regularnego azotku boru wykazuj przy tym znacznie wi ksz trwa o od narz dzi z w glików spiekanych, cermetali zawieraj cych azotek tytanu oraz materia ów ceramiczno-w glikowych (rys. 8.9 i 8.10). Umo liwia to stosowanie du ej pr dko ci skrawania. Rysunek 8.8. Schemat p ytki narz dziowej z p ytk z regularnego azotku boru 108 L.A. Dobrza ski, G. Matula

111 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Rysunek 8.9. Porównanie w asno ci skrawnych w glików spiekanych i regularnego azotku boru; materia obrabiany: stal o twardo ci 65 HRC, p = 0,1 mm/obrót, a = 0,2 mm, VB = 0,15 mm (wed ug materia ów firmy Sumitomo Electric Industries Ltd., Itami, Hyogo, Japan) Rysunek Porównanie w asno ci skrawnych materia ów ceramiczno-w glikowych i regularnego azotku boru; materia obrabiany: eliwo szare o twardo ci 54 HRC, p = 5 mm, VB = 0,3 mm (wed ug H.K. Toenshoffa) 8. Supertwarde materia y narz dziowe 109

112 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Oznaczenie grupy zastosowania materia ów skrawaj cych z polikrystalicznego azotku boru sk ada si z liter BN i symbolu grupy wed ug tablicy 5.2, np. BN M10. Ostatnie doniesienia wskazuj, e w USA zsyntetyzowano podtlenek boru, który okaza si twardszy od BN i równocze nie bardziej ci gliwy od niego. Materia ten jest ta szy w produkcji od BN i nie wykluczone, e w najbli szej przysz o ci zyska techniczne znaczenie jako materia supertwardy. 110 L.A. Dobrza ski, G. Matula

113 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Trzeba si upiera, e si szuka prawdy, a nie, e si j znalaz o Denis Diderot ( ) Uwagi ko cowe Podsumowuj c informacje zawarte w niniejszej ksi ce, któr w a nie oddali my do r k PT Czytelników, trudno nie podzieli si refleksjami ogólniejszej natury, które nasuwaj si po jej opracowaniu i mamy g bok nadziej, e tak e po jej przestudiowaniu przez PT Czytelników. Si gamy do my li Denisa Diderota, ci gle aktualnej, aby nie zadowala si posiadan wiedz, lecz stale zachowuj c niepokój i zw tpienie co do jako ci prawdy jak znamy, stara si pog bia sw wiedz, z jednej strony przez przyswajanie jej z dost pnych róde, z drugiej za przez w asn innowacyjn aktywno. Historia metalurgii proszków si ga 3000 lat p.n.e, gdy ju w staro ytnym Egipcie wytwarzano elementy t technologi, a antyczni Inkowie wytwarzali precjoza ze z ota i innych metali szlachetnych, chocia masowa produkcja datuje si od ko ca XIX wieku. Pocz tkowo z elaza g bczastego ekstrahowano drobne cz stki, które nast pnie przetapiano lub spiekano. Dopiero pó niej zacz to wytwarza proszki metali, by z kolei je spieka. Obecnie metody metalurgii proszków s wykorzystywane w wielu ga ziach przemys u, w tym m.in. w przemy le samochodowym, lotniczym, energetycznym i gospodarstwa domowego. Stanowi ona wa ny obszar technologii procesów materia owych, który jest intensywnie rozwijany w Instytucie Materia ów In ynierskich i Biomedycznych Politechniki l skiej, i to zarówno w zakresie bada naukowych, jak i w procesie dydaktycznym, zw aszcza na nowych priorytetowych kierunkach studiów Nanotechnologia i Technologie Procesów Materia owych oraz In ynieria Materia owa. Projektowanie in ynierskie zwi zane z okre leniem kszta tu produktu i jego elementów, doborem materia ów, z których maj one by wykonane, oraz odpowiednich procesów technologicznych, umo liwia zaprojektowanie i wytworzenie produktów spe niaj cych ich za o one funkcje u ytkowe, jak równie wymagania co do kszta tu, aspektów ekonomicznych i dotycz cych niezawodno ci. Zmiana procesu technologicznego mo e zmieni w asno ci materia u, a niektóre kombinacje kszta tu produktu i materia u mog by nie do zrealizowania przy wykorzystaniu niektórych procesów technologicznych. Projektowanie materia owe zapewnia Uwagi ko cowe 111

114 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 udost pnienie materia u o najkorzystniejszym zestawie w asno ci u ytkowych zapewnianych przez odpowiedni sk ad chemiczny i proces technologiczny materia u. Ca o opracowania merytorycznego tej ksi zki zostaje zamkni ta niniejszymi ogólnymi uwagami, dotycz cymi znaczenia metalurgii proszków. Zwa ywszy, e ksi ka jest przeznaczona dla Studentów uczestnicz cych w Projekcie INFONANO pt. Otwarcie i rozwój studiów in ynierskich i doktoranckich w zakresie nanotechnologii i nauki o materia ach od kilku lat realizowanym w ramach Programu Operacyjnego Kapita Ludzki przez Zespó Pracowników Instytutu Materia ów In ynierskich i Biomedycznych Politechniki l skiej w Gliwicach, uzupe niono j o zbiór materia ów dydaktycznych, zawieraj cych m.in. instrukcje do wicze. Ksi k przekazujemy do r k PT Czytelników, w prze wiadczeniu e pozytywnie przyczyni si do rozszerzenia wiedzy o metodach metalurgii proszków, w tym tak e do r k Uczestników Projektu INFONANO, z nadziej na zainteresowanie Studentów t atrakcyjn technologi i z uzasadnionym oczekiwaniem lepszej adaptacji Absolwentów Uczelni do potrzeb rozwijaj cego si rynku pracy oraz konkurencyjnych i innowacyjnych przedsi biorstw. Pozostajemy w prze wiadczeniu, e po lekturze tej ksi ki, oraz po pe nym cyklu nauki, Studenci zapoznaj si z obszern wiedz na temat metalurgii proszków i wyrobi sobie jasny pogl d na znaczenie tej technologii i prawid owego doboru materia ów dla poprawnie opracowanej technologii produktów i ich elementów. Wp ynie to niew tpliwie w przysz o ci na minimalizacj kosztów produkcji oraz na maksymalne wyd u enie czasu pracy maszyn i urz dze oraz ich elementów, decyduj c o maksymalnym obni eniu kosztów ich eksploatacji. 112 L.A. Dobrza ski, G. Matula

115 ĆWICZENIA LABORATORYJNE

116 Open Access Library Volume 8 (14) L.A. Dobrzański, G. Matula

117 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane Eksperyment weryikuje rezultaty łączenia faktów Denis Diderot ( ) UZUPEŁNIAJĄCE MATERIAŁY DYDAKTYCZNE Książkę uzupełniono o zbiór materiałów dydaktycznych, zawierających instrukcje do ćwiczeń, wraz z zestawem przykładowych obrazów struktury metalograicznej materiałów wytwarzanych metodami metalurgii proszków i przykładowymi wynikami pomiarów wybranych własności tych materiałów po różnych operacjach technologicznych, umożliwiających Studentom wykonanie samodzielnych eksperymentów, z wykorzystaniem specjalistycznej aparatury laboratoryjnej, którą m.in. dysponują Laboratoria Instytutu Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Politechniki Śląskiej w Gliwicach. W poniższej tablicy zestawiono tematy ćwiczeń możliwych do wykonania przez Studentów. 1. Analiza wielkości cząstek proszków stosowanych do wytwarzania materiałów spiekanych 2. Morfologia i własności proszków stosowanych do wytwarzania materiałów spiekanych 3. Wpływ kształtu i wielkości porów na własności mechaniczne materiałów spiekanych 4. Metoda klasycznego prasowania proszków w matrycy i spiekania Struktura i własności materiałów spiekanych wytwarzanych metodą formowania wtryskowego proszku Struktura i własności materiałów spiekanych wytwarzanych metodą bezciśnieniowego formowania proszku 7. Selektywne spiekanie laserowe proszków 8. Struktura i własności węglików spiekanych 9. Struktura i własności spiekanych stali szybkotnących 10. Struktura i własności spiekanych materiałów kompozytowych Ćwiczenia laboratoryjne 115

118 1. Open Access Library Volume 8 (14) 2012 ANALIZA WIELKOŚCI CZĄSTEK PROSZKÓW STOSOWANYCH DO WYTWARZANIA MATERIAŁÓW SPIEKANYCH CEL ĆWICZENIA OBEJMUJE: zapoznanie się ze stosowanymi technikami wytwarzania proszków metalowych, ceramicznych i kompozytowych, określenie wpływu metody wytwarzania proszków na kształt, wielkość cząstek, powierzchnię właściwą oraz stopień utlenienia (w przypadku metali), określenie wpływu warunków mielenia proszków na kształt i wielkość otrzymanych cząstek, zaznajomienie się z metodami pomiaru wielkości cząstek, takimi jak: analiza sitowa, sedymentacyjna, mikroskopowa oraz metody oparte na dyfrakcji promieniowania świetlnego, określenie kształtu cząstek proszków materiałów metalowych, ceramicznych i kompozytowych, zapoznanie się z teorią pomiaru wielkości cząstek za pomocą laserowej dyfrakcji, porównanie metod obliczania wielkości cząstek na podstawie kątów ugięcia lub rozproszenia wiązki światła laserowego na podstawie teorii J. Fraunhofera i G. Mie, nabycie umiejętności określenia wielkości cząstek proszków oraz doboru odpowiedniej metody pomiarowej w zależności od rodzaju i kształtu cząstek badanego proszku, określenie wpływu na otrzymywane wyniki pomiarów, wybranej metody badawczej wielkości cząstek proszku oraz kształtu, w szczególności pomiaru w mikroskopie skaningowym lub świetlnym, automatycznego pomiaru za pomocą analizy obrazu i odpowiedniego oprogramowania, analizy sitowej i laserowej, nabycie umiejętności interpretacji wyników badań, w szczególności wykresów przedstawiających rozkład wielkości cząstek badanych proszków. STANOWISKO BADAWCZE OBEJMUJE: prezentację multimedialną przedstawiającą metody pomiaru wielkości cząstek proszku z wykorzystaniem różnych technik, wpływ poszczególnych metod wytwarzania proszków na ich kształt i wielkość, a także typowe problemy związane z poprawnym pomiarem granulometrycznym, skaningowy mikroskop elektronowy Supra 35 irmy Carl Zeiss z przystawką TRIDENT XM4 (spektrometry promieniowania X: dyspersji energii EDS i długości fali WDS, oraz system analizy dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych EBSD) irmy EDAX, laserowy miernik wielkości cząstek MicroTec plus irmy Fritsch, 116 L.A. Dobrzański, G. Matula

119 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane mikroskop metalograiczny MEF4A irmy Leica sprzężony z kamerą lub rzutnikiem multimedialnym i komputerem z odpowiednim oprogramowaniem do analizy obrazu, przesiewacz wibracyjny HAVER EML 200 digital plus z układem sit o wielkości oczka od 0,025 do 0,500 mm, młynek planetarny Pulverisette 5 irmy Fritsch z system GTM do kontroli temperatury i ciśnienia w zbiorniku podczas mielenia, mieszalnik turbulentny Turbula T2F irmy Glen Mills, analityczną wagę elektroniczną WAS 220 lub AS 310/X irmy Radwag, z zestawem oprzyrządowania do pomiaru gęstości próbek metodą hydrostatyczną, prasę do inkludowania na gorąco CitoPress-20 irmy Struers wraz z żywicą PolyFast zalecaną do próbek badanych w skaningowym mikroskopie elektronowym, szliierko-polerkę Tegramin-5 irmy Struers oraz komplet tarcz do szlifowania i polerowania, zestaw proszków, aglomeratów oraz mieszanek różniących się wielkością i kształtem cząstek. ZAKRES ĆWICZENIA OBEJMUJE: przygotowanie naważek i gotowych mieszanin proszków po różnym czasie mieszania, zmielenie naważek proszków z różną szybkością i czasem mielenia, przygotowanie reprezentatywnych (dla całej badanej objętości proszku) próbek materiałów proszkowych, zainkludowanie proszków oraz wykonanie zgładów materiałograicznych, obserwację przygotowanych zgładów materiałograicznych na mikroskopie świetlnym, wykonanie pomiaru wielkości cząstek proszku za pomocą oprogramowania do analizy obrazu otrzymanego z obserwacji materiałograicznych, obserwacje w mikroskopie skaningowym i ocenę stopnia jednorodności wytworzonych mieszanin proszków w zależności od czasu ich przygotowania, wykonanie badań w mikroskopie skaningowym, w szczególności określenie kształtu i pomiar wielkości cząstek, analizę EDS i WDS pozwalającą określić rodzaj zanieczyszczeń oraz ocenę stopnia utlenienia powierzchni cząstek metalowych, analizę sitową przygotowanych próbek proszków, polegającą na doborze odpowiedniego zestawu sit oraz warunków przesiewania, a następnie zważenie otrzymanych frakcji z poszczególnych sit, zrealizowanie pomiarów za pomocą laserowego analizatora wielkości cząstek techniką na mokro z uwzględnieniem wpływu czasu dyspergowania ultradźwiękowego, środka zwilżającego lub cieczy zawiesinowej, liczby poszczególnych pomiarów, odstępów czasowych oraz obliczeniowej metody dowartościowania (J. Fraunhofer lub G. Mie) na dokładność i powtarzalność końcowych wyników, Analiza wielkości cząstek proszków stosowanych do wytwarzania materiałów spiekanych 117

120 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 analizę wielkości cząstek proszku przy pomocy laserowego analizatora wielkości cząstek techniką na sucho z uwzględnieniem wpływu czasu dyspergowania sprężonym powietrzem, liczby pomiarów, odstępów czasowych oraz obliczeniowej metody dowartościowania, na dokładność i powtarzalność otrzymywanych wyników. przedstawienie obrazów kształtu i morfologii proszków wykonanych w skaningowym mikroskopie elektronowym oraz obrazów ich przekrojów na mikroskopie świetlnym, przedstawienie wyników badań wielkości cząstek proszku za pomocą oprogramowania do analizy obrazu otrzymanego z obserwacji materiałograicznych, zestawienie wyników badań uzyskanych z analizy sitowej proszków, przy uwzględnieniu różnych zestawów sit oraz warunków przesiewania, zestawienie wyników pomiarów wielkości cząstek proszków za pomocą laserowej dyfra- kcji techniką na mokro, określenie wpływu czasu dyspergowania ultradźwiękowego, wpływu środka zwilżającego lub cieczy zawiesinowej oraz obliczeniowej metody dowartościowania na dokładność i powtarzalność otrzymanych pomiarów, porównanie otrzymanych wyników pomiarów wielkości cząstek badanych proszków w zależności od zastosowanej metody pomiaru. sporządzenie wykresu przedstawiającego wpływ czasu mielenia wybranego gatunku proszku na wielkość cząstek, przy stałej szybkości mielenia i stopniu wypełnienia komory młynka, sporządzenie wykresów przedstawiających rozkład wielkości cząstek oraz krzywą kumulacyjną dla wybranych gatunków proszków, odczytanie z wykresu przedstawiającego krzywą kumulacyjną wartości D 10, D 90 i obliczenie współczynnika nachylenia krzywej rozkładu cząstek S w, obliczenie współczynnika Fereta oraz bezwymiarowego współczynnika kształtu badanych cząstek, RAPORT OBEJMUJE: PODSUMOWANIE OBEJMUJE: podsumowanie zrealizowanych badań wielkości cząstek proszku wraz z zestawieniem otrzymanych wyników i określenie wpływu zastosowanej metody pomiaru wielkości cząstek proszku na dokładność i powtarzalność badań, przyporządkowanie optymalnej metody pomiaru w zależności od metody wytwarzania proszku, decydującej o kształcie i wielkości cząstek, wraz z uzasadnieniem zawierającym wady i zalety poszczególnych metod, dobór optymalnej wielkości cząstek oraz ich kształtu pod względem ich przeznaczenia, w szczególności metody formowania oraz własności gotowych spieków. 118 Ćwiczenia laboratoryjne

121 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane ZESTAW RYSUNKÓW Rys. 1. Cząstki proszku żelaza gąbczastego Rys. 2. Cząstki węglika TiC (proszek wielościenny) Rys. 3. Granule proszku YSZ o średniej wielkości cząstek 80 nm Rys. 4. Cząstki stopu aluminium mielonego przez 10 h (kształt płatkowy proszku) Rys. 5. Cząstki proszku stali HS rozpylonej gazem (proszek sferyczny) Rys. 6. Rozkład wielkości cząstek proszku stali HS z rysunku 5 Analiza wielkości cząstek proszków stosowanych do wytwarzania materiałów spiekanych 119

122 2. MORFOLOGIA I WŁASNOŚCI PROSZKÓW STOSOWANYCH DO WYTWARZANIA MATERIAŁÓW SPIEKANYCH Open Access Library Volume 8 (14) 2012 CEL ĆWICZENIA OBEJMUJE: zapoznanie się z podstawowymi własnościami proszków metalowych i ceramicznych oraz ich mieszanin stosowanych do wytwarzania elementów metodą klasycznego prasowania w matrycach i spiekania, zbadanie wpływu wielkości cząstek, kształtu oraz ich gęstości na sypkość proszków z wykorzystaniem sypkościomierza Halla, określenie wpływu wielkości cząstek i ich kształtu na gęstość nasypową proszków oraz gęstość nasypową z usadem za pomocą sypkościomierza Halla, wykonanie badań formowalności proszków i określenie wpływu kształtu i wielkości cząstek na możliwość prasowania w matrycy sztywnej, zbadanie wpływu wielkości cząstek, ich kształtu, sposobu wytwarzania oraz środka poślizgowego na zgęszczalność proszku, dobór odpowiednich frakcji wybranego gatunku proszku w celu uzyskania maksymalnej gęstości nasypowej oraz gęstości nasypowej z usadem, nabycie umiejętności doboru kształtu i wielkości cząstek, sposobu wytwarzania oraz udziału środka poślizgowego lub lepiszcza do różnych metod formowania proszków. STANOWISKO BADAWCZE OBEJMUJE: prezentację multimedialną przedstawiającą sposób pomiaru sypkości, gęstości i gęstości nasypowej z usadem oraz program do automatycznego egzaminowania, piknometr helowy typu AcuuPyc 1340 do pomiaru gęstości proszku i gotowych spieków, skaningowy mikroskop elektronowy Supra 35 irmy Carl Zeiss z przystawką TRIDENT XM4, laserowy miernik wielkości cząstek MicroTec plus irmy Fritsch, mikroskop metalograiczny MEF4A irmy Leica sprzężony z kamerą lub rzutnikiem multimedialnym i komputerem z odpowiednim oprogramowaniem do analizy obrazu, przesiewacz wibracyjny HAVER EML 200 digital plus z układem sit o wielkości oczka od 0,025 do 0,500 mm, sypkościomierz Halla z polerowaną powierzchnią wewnętrzną, naczyniem cylindrycznym o średnicy wewnętrznej 30±1 mm i pojemności 25±0,005 cm 3 oraz stojakiem utrzymującym 120 L.A. Dobrzański, G. Matula

123 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane współosiowość lejka i zbiornika w odległości 25 mm pomiędzy górną krawędzią zbiornika i dolnym poziomem otworu wylotowego, prasę hydrauliczną LabEcon 600 irmy Fontijne Grotnes, analityczną wagę elektroniczną WAS 220/C/2 lub AS 310/X irmy Radwag wraz z zestawem oprzyrządowania do pomiaru gęstości metodą hydrostatyczną, prasowniki do badań zgęszczalności i formowalności proszków, komplet proszków metalowych i ceramicznych oraz gotowych mieszanek. ZAKRES ĆWICZENIA OBEJMUJE: badanie gęstości proszku w piknometrze helowym, pomiar sypkości w sypkościomierzu Halla zgodnie z normą PN-H-04935:1982. Metodę tę stosuje się do proszków metali oraz ich mieszanek, które podczas badania tworzą nieprzerwaną strugę cząstek podczas przesypywania się przez lejek. Sypkość proszku określana jest jako czas przesypywania się próbki proszku przez lejek o ustalonym kształcie. Badanie polega na pobraniu próbki proszku o objętości 50 cm 3, wysuszonego wcześniej w temperaturze 110±2 C i wsypaniu go przez lejek do naczynia pomiarowego. Średnica otworu sypkościomierza wynosi 2,5 mm. Sypkość proszku wyrażoną w sekundach oblicza się ze wzoru: X = t f gdzie: X sypkość, t czas przesypywania, f współczynnik korygujący. Współczynnik korygujący jest obliczany ze wzoru: f = 25,3/C gdzie: C cecha lejka, to czas wylewania się 100 cm 3 wody destylowanej o temperaturze 20ºC. Wartość średnia powinna wynosić 25±1 s, badanie gęstości nasypowej, jako wartości ilorazu masy swobodnie zasypanego proszku do jego objętości, polega na przesypywaniu proszku przez sypkościomierz Halla do naczynia o objętości 25 cm 3. W przypadku gdy proszek nie wysypuje się do naczynia z uwagi na rozmiar cząstek, można stosować sypkościomierz o średnicy otworu 5 mm. Po wsypaniu proszku i wyrównaniu poziomu z górną krawędzią naczynia pomiarowego określa się masę proszku. Gęstość nasypową proszku stanowi iloraz jego masy do objętości naczynia pomiarowego: ρ = m/v gdzie: m masa proszku swobodnie zasypanego do naczynia; V objętość naczynia, badanie gęstości nasypowej z usadem proszków polega na określeniu wartości ilorazu masy proszku do najmniejszej jego objętości, jaką udało się uzyskać w wyniku wstrząsania. Zagęszczanie proszku odbywa się za pomocą wytrząsarki lub ręcznie do uzyskania stałej objętości stanowiącej Morfologia i własności proszków stosowanych do wytwarzania materiałów spiekanych 121

124 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 podstawę obliczania. Oznaczanie gęstości nasypowej polega na zagęszczaniu określonej masy proszku, najczęściej 50 lub 100 g. Gęstość nasypową z usadem oblicza się podobnie jak gęstość nasypową, czyli ρ z = m/v z, gdzie: m masa proszku, V z objętość masy zagęszczonego proszku, badanie formowalności, czyli zdolności proszku do zachowania kształtu w wyniku prasowania w matrycy. Podczas badania należy określić najmniejsze ciśnienie prasowania, przy którym jest możliwe wykonanie wypraski o nieuszkodzonych krawędziach, Próba polega na określeniu minimalnej i maksymalnej miejscowej gęstości ρ l i ρ 2 wypraski wykonanej w odpowiedniej matrycy, gdzie minimalna gęstość jest w najmniej sprasowanym miejscu, w którym wypraska jeszcze się nie obsypuje, a maksymalną w najbardziej sprasowanym miejscu, w którym nie występują jeszcze pęknięcia, pomiar wielkości cząstek za pomocą laserowego analizatora, metodą analizy obrazu w mikroskopie świetlnym lub analizy w przesiewaczu wibracyjnym, obserwację kształtu cząstek w mikroskopie skaningowym. RAPORT OBEJMUJE: przedstawienie własności technologicznych wybranych proszków i mieszanin proszków w zależności od metody wytwarzania oraz ocena możliwości ich prasowania, określenie zakresu wielkości ziarna zapewniającego wysoką sypkość proszku, przedstawienie wyników badań wpływu środka poślizgowego oraz jego udziału na formowalność i zgęszczalność badanych mieszanin proszków, dobór optymalnego ciśnienia prasowania proszku na podstawie wyników badań formowalności i zgęszczalności, zapewniającego względnie wysoką gęstość wypraski przy możliwie niskim ciśnieniu prasowania, określenie wpływu metody wytwarzania proszku, jego gęstości, kształtu i wielkości cząstek na własności technologiczne. PODSUMOWANIE OBEJMUJE: ocenę, który z badanych gatunków proszków charakteryzuje się najlepszymi własnościami technologicznymi oraz określenie wpływu metody i warunków wytwarzania na jego własności, dobór jednej lub kilku frakcji wybranego gatunku proszku zapewniających najlepszą sypkość oraz maksymalną gęstość nasypową, dobór warunków prasowania, rodzaju środka poślizgowego oraz jego udział w celu wytwarzania wyprasek w warunkach przemysłowych. 122 Ćwiczenia laboratoryjne

125 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane ZESTAW RYSUNKÓW Rys. 1. Cząstki proszku stali HS6-5-2 rozpylonej wodą (proszek strzępiasty) Rys. 2. Wpływ udziału cząstek WC na czas przesypywania mieszanki HS6-5-2/WC Rys. 3. Mieszanka proszków stali HS6-5-2 (z rys. 1) i WC o średniej wielkości 0,8 µm Rys. 4. Granula mieszanki węglika WC i kobaltu z gatunku B65 Rys. 5. Cząstki mieszanki WC i kobaltu (powiększenie granuli z rys. 4) Rys. 6. Wpływ ciśnienia prasowania na gęstość wypraski z mieszanki WC-Co przedstawionej na rysunku 4 i 5 Morfologia i własności proszków stosowanych do wytwarzania materiałów spiekanych 123

126 3. WPŁYW KSZTAŁTU I WIELKOŚCI PORÓW NA WŁASNOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW SPIEKANYCH Open Access Library Volume 8 (14) 2012 CEL ĆWICZENIA OBEJMUJE: omówienie znaczenia porowatości w spiekanych materiałach narzędziowych, stalach odpornych na korozję, proilach kształtowych wyciskanych z proszków oraz szkieletach ceramicznych przeznaczonych do iniltracji, określenie wpływu metod i warunków formowania proszków, warunków spiekania, tj. czasu, temperatury, atmosfery oraz udziału fazy ciekłej, na kształt i rozmiar porów w spiekanych stalach odpornych na korozję, stalach szybkotnących, węglikach spiekanych, cermetalach i ceramice tlenkowej, omówienie mechanizmu sferoidyzacji i zanikania porów podczas spiekania w fazie stałej, zwilżalności i wypełniania porów podczas spiekania z udziałem fazy ciekłej oraz porowatości dyfuzyjnej w spiekanych materiałach, zapoznanie się z wpływem wielkości porów i ich kształtu na własności mechaniczne spiekanych materiałów, w szczególności na wytrzymałość na zginanie, omówienie pojęć: porowatość całkowita, otwarta i zamknięta oraz zaznajomienie się z metodami ich pomiaru, zaznajomienie się z metodą badania wytrzymałości na zginanie spieków, zapoznanie się z różnymi technikami analizy stereologicznej i automatycznej komputerowej analizy obrazu w określeniu morfologii porowatości spieków, pomiar udziału objętościowego porów, ich długości, obwodu, średnicy i powierzchni właściwej oraz wyznaczenie na tej podstawie bezwymiarowych współczynników kształtu porów, służących do oceny stopnia ich sferoidyzacji, na nietrawionych zgładach materiałograicznych z zastosowaniem komputerowego systemu analizy obrazu. STANOWISKO BADAWCZE OBEJMUJE: prezentację multimedialną przedstawiającą metody wytwarzania spieków o pożądanej, wysokiej porowatości (iltry, łożyska samosmarowne, elektrody ogniw paliwowych i szkielety kompozytowych materiałów iniltrowanych) oraz o możliwie niskiej porowatości (materiały narzędziowe, elektrolity stałe ogniw paliwowych, stale odporne na korozję), wpływ porów na własności mechaniczne, program do automatycznego egzaminowania, 124 L.A. Dobrzański, G. Matula

127 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane skaningowy mikroskop elektronowy Supra 35 irmy Carl Zeiss z przystawką TRIDENT XM4 (spektrometry promieniowania X: dyspersji energii EDS i długości fali WDS, oraz system analizy dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych EBSD) irmy EDAX, analityczną wagę elektroniczną WAS 220 lub AS 310/X irmy Radwag, z osprzętem do pomiaru gęstości próbek metodą hydrostatyczną, porozymetr rtęciowy AutoPore IV-9500 irmy Micromeritics do wyznaczania całkowitej objętości porów, rozkładu wielkości porów oraz określenia kształtu porów, uniwersalną maszynę wytrzymałościową Z020 irmy Zwick wraz z zestawem oprzyrządowania do próby trójpunktowego zginania, mikroskop metalograiczny MEF4A irmy Leica sprzężony z kamerą lub rzutnikiem multimedialnym, komputerowy system analizy obrazu sprzężony z mikroskopem metalograicznym, służący do pomiaru parametrów stereologicznych powierzchni próbek, mikroskop konfokalny LSM 5 Exciter irmy Carl Zeiss z laserem diodowym 405 nm, stanowisko do badania przepuszczalności porowatych szkieletów, szliierko-polerkę Tegramin-5 irmy Struers oraz tarcze do szlifowania i polerowania zgładów materiałograicznych, zestaw próbek wytworzonych z różnych materiałów w postaci kształtek formowanych wtryskowo, wyprasek oraz gotowych spieków przeznaczonych do wykonania zgładów materiałograicznych, zestaw próbek do badań porowatości w porozymetrze rtęciowym i metodą hydrostatyczną oraz szkieletów przeznaczonych do badania przepuszczalności. wykonanie badań kształtu i wielkości porów na zgładach materiałograicznych metodą pomiaru cięciwy oraz określenie wartości minimalnej, maksymalnej i średniej, pomiar kształtu i wielkości porów z wykorzystaniem komputerowej analizy obrazu i określenie morfologii porów, pomiar udziału objętościowego porów, ich długości, obwodu, średnicy i powierzchni właściwej oraz wyznaczenie bezwymiarowych współczynników kształtu f e i f s służących do oceny stopnia sferoidyzacji porów na nietrawionych zgładach materiałograicznych, ZAKRES ĆWICZENIA OBEJMUJE: wykonanie pomiarów stereologicznych wybranych cech geometrycznych porowatości przy użyciu mikroskopu skaningowego i porównanie ich z wynikami otrzymanymi za pomocą mikroskopu świetlnego, Wpływ kształtu i wielkości porów na własności mechaniczne materiałów spiekanych 125

128 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 pomiar porowatości otwartej, całkowitej i zamkniętej z wykorzystaniem metody hydrosta- tycznej, pomiar przepuszczalności porowatych szkieletów przeznaczonych do iniltracji, wykonanie badania wytrzymałości na zginanie spieków metalowych, ceramicznych i kompozytowych w zależności od warunków spiekania. RAPORT OBEJMUJE: wykonanie zgładów materiałograicznych z gotowych kształtek formowanych różnymi metodami oraz spiekanych w próżni lub atmosferze gazów ochronnych, przedstawienie obrazów badanych porowatych spieków, wykonanych przy użyciu mikroskopu świetlnego, skaningowego oraz konfokalnego, w zależności od rodzaju proszku, metod formowania i warunków spiekania, zestawienie wyników badań udziału objętościowego porów, kształtu i powierzchni właściwej oraz ocenę stopnia sferoidyzacji porów na podstawie bezwymiarowych współczynników kształtu f e i f s w zależności od badanych materiałów, porównanie wybranych wyników pomiarów cech geometrycznych porowatości uzyskanych przy użyciu mikroskopu świetlnego i skaningowego mikroskopu elektronowego oraz określenie ich korelacji, przedstawienie wyników pomiarów porowatości metodą hydrostatyczną oraz uzyskanych po badaniu w porozymetrze rtęciowym, porównanie ich i określenie wpływu metody badawczej na błąd pomiarowy, zestawienie wyników badań wytrzymałości na zginanie i określenie wpływu kształtu oraz wielkości porów wybranego rodzaju materiału na własności wytrzymałościowe. PODSUMOWANIE OBEJMUJE: porównanie wyników badań kształtu i wielkości porów uzyskanych podczas obserwacji struktury w mikroskopie skaningowym z wynikami automatycznej analizy obrazu pochodzącego z mikroskopu świetlnego, przedstawienie w formie wykresu wpływu warunków spiekania na udział porów w badanych stalach, cermetalach oraz ceramice tlenkowej, dobór kształtu porów, na podstawie wyników badań wytrzymałości na zginanie, zapewniającego najlepsze własności wytrzymałościowe spieku, określenie wpływu warunków wytwarzania porowatych szkieletów na ich przepuszczalność, ocenę wpływu warunków spiekania na porowatość całkowitą, otwartą i zamkniętą. 126 Ćwiczenia laboratoryjne

129 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane ZESTAW RYSUNKÓW Rys. 1. Wpływ temperatury spiekania na rozkład współczynnika kształtu f e porów w strukturze dwufazowej stali duplex Rys. 2. Struktura porowatej anody ogniwa paliwowego ze stałym tlenkiem Ni-YSZ spiekanego w temperaturze 1350 C Rys. 3. Porowata struktura doświadczalnego węglika spiekanego WC-Co, spiekanego w temperaturze 1350 C w próżni Rys. 4. Struktura utlenionej warstwy powierzchniowej stali szybkotnącej HS spiekanej w temperaturze 1260 C Rys. 5. Struktura węglikostali HS6-5-2/TiC prasowanej w matrycy sztywnej i spiekanej w temperaturze 1260 C w próżni Rys. 6. Struktura przełomu porowatego szkieletu ceramicznego Al 2 O 3 spiekanego w temperaturze 1260 C Wpływ kształtu i wielkości porów na własności mechaniczne materiałów spiekanych 127

130 4. METODA KLASYCZNEGO PRASOWANIA PROSZKÓW W MATRYCY I SPIEKANIA Open Access Library Volume 8 (14) 2012 CEL ĆWICZENIA OBEJMUJE: zapoznanie się z metodami klasycznego prasowania proszków w matrycy oraz zastosowaniem tych technik formowania w przemyśle, określenie wpływu kształtu i wielkości cząstek proszku na jego prasowalność, czyli podatność do tworzenia kształtek o określonej gęstości w wyniku działania ciśnienia, zaznajomienie się z metodami prasowania proszków: jednostronnego, dwustronnego, swobodnego i sterowanego, określenie wpływu wielkości cząstek proszku, udziału środków poślizgowych i metody prasowania na tarcie pomiędzy proszkiem i ścianką matrycy, zapoznanie się z wpływem metody prasowania proszków na rozkład gęstości w wyprasce, określenie maksymalnego ciśnienia prasowania zapewniającego względnie wysokie własności mechaniczne wyprasek i niewywołującego pęknięć, badanie gęstości i wytrzymałości na zginanie wyprasek oraz gotowych spieków w zależności od warunków prasowania, określenie zmian wymiarowych wyprasek wywołanych naprężeniami sprężystymi, zależnymi od gatunku proszku i ciśnienia prasowania, zapoznanie się z formowaniem wyprasek o strukturze warstwowej na przykładzie prasowania mieszanek proszków stali szybkotnącej i węglików, służących do spiekania węglikostali o strukturze warstwowej lub gradientowej, zbadanie wpływu mechanicznej syntezy proszku HS6-5-2 i TiC na prasowalność mieszanki, określenie znaczenia węglikostali jako materiałów narzędziowych o względnie dużej ciągliwości, podobnej do stali szybkotnących, oraz wysokiej twardości i odporności na zużycie porównywalnej do węglików spiekanych. STANOWISKO BADAWCZE OBEJMUJE: prezentację multimedialną przedstawiającą różne metody prasowania proszków na zimno i na gorąco oraz ich wpływ na strukturę i własności gotowych spieków, wpływ własności proszków, kształtu i wielkości cząstek na ich prasowalność, 128 L.A. Dobrzański, G. Matula

131 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane mikroskop metalograiczny MEF4A irmy Leica sprzężony z kamerą lub rzutnikiem multimedialnym i komputerem z odpowiednim oprogramowaniem do analizy obrazu, uniwersalną maszynę wytrzymałościową Z020 irmy Zwick wraz z zestawem oprzyrządowania do próby trójpunktowego zginania, z możliwością regulacji odległości pomiędzy podporami, prasę hydrauliczną LabEcon 600 irmy Fontijne Grotnes oraz prasowniki do prasowania jednostronnego i swobodnego, z matrycami do wyprasek okrągłych i prostokątnych, piec do usuwania lepiszcza lub środków poślizgowych i bezpośredniego spiekania w atmosferze gazów ochronnych lub próżni typu FCF 4/160M-PG, przesiewacz wibracyjny HAVER EML 200 digital plus z układem sit o wielkości oczka od 0,025 do 0,500 mm, analityczną wagę elektroniczną WAS 220 lub AS 310/X irmy Radwag, z osprzętem do pomiaru gęstości próbek metodą hydrostatyczną, młynek planetarny Pulverisette 6 mono z systemem GTM do kontroli temperatury i ciśnienia w zbiorniku z proszkiem podczas mielenia, mieszalnik turbulentny Turbula T2F irmy Glen Mills, zestaw proszków metalowych, ceramicznych oraz środków poślizgowych. ZAKRES ĆWICZENIA OBEJMUJE: przygotowanie naważek proszków i środków poślizgowych oraz ich mieszanek, prasowanie jednostronne i swobodne jednego wybranego gatunku proszku, wykonane pod tym samym ciśnieniem oraz określenie maksymalnej wysokości wypraski w zależności od metody prasowania, prasowanie wybranego gatunku proszku lub mieszanki proszków pod różnym ciśnieniem w zakresie od 100 do 1000 MPa, pomiar wymiarów wyprasek wybranych proszków prasowanych pod różnym ciśnieniem, obliczenie gęstości wyprasek na podstawie ich masy i objętości, pomiar gęstości wyprasek metodą hydrostatyczną, badanie wpływu udziału środka poślizgowego na prasowalność proszku, własności wypraski i gotowego spieku, analizę sitową wybranego gatunku proszku, podział na frakcje i prasowanie poszczególnych frakcji pod tym samym ciśnieniem, spiekanie wyprasek wybranego gatunku proszku, prasowanych pod różnym ciśnieniem, badanie porowatości, gęstości i wytrzymałości na zginanie próbek prasowanych pod różnym ciśnieniem i spiekanych w jednej temperaturze, Metoda klasycznego prasowania proszków w matrycy i spiekania 129

132 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 przygotowanie mieszanek z proszków stali szybkotnącej HS oraz węglika TiC w mieszalniku turbulentnym oraz młynku kulowym, badanie prasowalności mieszanin proszków HS6-5-2/TiC w zależności od udziału węglika i sposobu przygotowania mieszanki, prasowanie wyprasek o strukturze warstwowej i rosnącym udziale TiC w stosunku do osnowy HS6-5-2 oraz ich spiekanie, obserwacja struktury wyprasek warstwowych po spiekaniu, pomiar porowatości i twardości poszczególnych warstw po spiekaniu, badanie wytrzymałości na zginanie spiekanych próbek o strukturze warstwowej. przedstawienie wykresu gęstości wyprasek z wybranych proszków w zależności od ciśnienia prasowania, dobór optymalnego ciśnienia prasowania dla wybranych gatunków proszków na podstawie uzyskanych wyników badań, zapewniającego wysokie własności wyprasek przy minimalnym zużyciu stempla i matrycy prasownika, przedstawienie wyników badań wpływu wielkości cząstek proszku na gęstość wyprasek prasowanych pod tym samym ciśnieniem, dobór optymalnego udziału środka poślizgowego zapewniającego dobrą prasowalność proszku, wysoką gęstość wypraski oraz wysokie własności mechaniczne spieku, przedstawienie wyników badań gęstości, porowatości i wytrzymałości na zginanie wyprasek prasowanych pod różnym ciśnieniem i spiekanych, porównanie wyników badań wytrzymałości na zginanie spiekanych węglikostali o strukturze jednorodnej i warstwowej. wyjaśnienie powstawania pęknięć wyprasek prasowanych pod dużym ciśnieniem, dobór na podstawie wyników badań warunków mieszania lub mielenia proszków stali szybkotnącej HS6-5-2 i węglika WC, zapewniających dobrą prasowalność i wysokie własności po spiekaniu, RAPORT OBEJMUJE: PODSUMOWANIE OBEJMUJE: podsumowanie wyników badań węglikostali w stanie spiekanym i określenie wpływu formowania i spiekania wyprasek o strukturze warstwowej na poprawę własności mechanicznych w stosunku do materiałów o strukturze jednorodnej. 130 Ćwiczenia laboratoryjne

133 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane ZESTAW RYSUNKÓW Rys. 1. Przełom wypraski HS6-5-2/WC o strukturze warstwowej Rys. 2. Struktura węglikostali HS6-5-2/12%WC spiekanej w temperaturze 1210ºC Rys. 3. Struktura węglikostali HS6-5-2/32%WC spiekanej w temperaturze 1260ºC Rys. 4. Struktura porowatej warstwy powierzchniowej z węglikostali HS6-5-2/12%TiC na podłożu stali HS6-5-2 Rys. 5. Struktura węglikostali HS6-5-2/12%TiC spiekanej w temperaturze 1310ºC Rys. 6. Struktura węglikostali HS6-5-2/32%TiC spiekanej w temperaturze 1310ºC Metoda klasycznego prasowania proszków w matrycy i spiekania 131

134 5. Open Access Library Volume 8 (14) 2012 STRUKTURA I WŁASNOŚCI MATERIAŁÓW SPIEKANYCH WYTWARZANYCH METODĄ FORMOWANIA WTRYSKOWEGO PROSZKU CEL ĆWICZENIA OBEJMUJE: zaznajomienie się z metodami wytwarzania elementów o rozbudowanej powierzchni przez formowanie wtryskowe proszków, określenie wpływu rodzaju proszku, jego udziału i powierzchni właściwej na własności reologiczne gęstwy polimerowo-proszkowej przeznaczonej do formowania wtryskowego lub wyciskania proszku, poznanie sposobów usuwania lepiszczy z kształtek wytłaczanych lub formowanych wtryskowo oraz zaznajomienie się z konsekwencjami stosowania różnych rodzajów polimerowych składników lepiszczy i ich wpływem na własności gotowych spieków, nabycie umiejętności doboru proszków i odpowiednich dla nich lepiszczy, środków powierzchniowo czynnych i poślizgowych w celu przygotowania mieszaniny polimerowo-proszkowej o względnie niskiej lepkości umożliwiającej formowanie wtryskowe i odpowiednio wysokim udziale proszku, zapewniającym mały skurcz kształtki po spiekaniu, wykonanie symulacji procesu formowania wtryskowego proszku z zastosowaniem programu Cadmold, umożliwiającym dobór warunków formowania, punktu wtrysku i kształtu gniazda matrycy wtryskarki, wykonanie prób formowania wtryskowego dla zaproponowanej i wytworzonej gęstwy polimerowo-proszkowej oraz wykonanie badań wytrzymałości na zginanie kształtek formowanych wtryskowo i spiekanych, określenie wpływu warunków homogenizacji na jednorodność struktury mieszaniny polimerowo-proszkowej. STANOWISKO BADAWCZE OBEJMUJE: prezentację multimedialną przedstawiającą metody formowania wtryskowego proszków i wyciskania, możliwości ich zastosowania, wpływ kształtu i wielkości cząstek proszku na własności gęstwy polimerowo-proszkowej oraz sposoby usuwania lepiszcza, program Cadmould 3D-F irmy Simcon do przeprowadzenia symulacji komputerowej procesu wtryskiwania gęstwy polimerowo-proszkowej wykorzystujący metodę elementów skończonych, który pozwala między innymi na analizę położenia punktu wtrysku, rozkładu ciśnienia 132 L.A. Dobrzański, G. Matula

135 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane w gnieździe formującym, układu doprowadzenia gęstwy polimerowo-proszkowej, wypełnienia i docisku gniazda, systemu chłodzenia, skurczu i deformacji kształtki, mikrowytłaczarkę ślimakową EHP-15 Profesional z możliwością pracy współbieżnej i przeciwbieżnej ślimaków oraz pomiarem podstawowych własności reologicznych mieszaniny polimerowej lub kompozytowej, miniaturową wtryskarkę tłokową IM-15 irmy Zamak, zintegrowaną z mikrowytłaczarką umożliwiającą bezpośrednie wytłaczanie uplastycznionej gęstwy do cylindra wtryskarki i następnie formowanie wtryskowe w gnieździe podgrzewanej matrycy, piec do usuwania lepiszcza lub środków poślizgowych i bezpośredniego spiekania w atmosferze gazów ochronnych lub próżni typu FCF 4/160M-PG, uniwersalną maszynę wytrzymałościową Z020 irmy Zwick wraz z zestawem oprzyrządowania do próby trójpunktowego zginania, dygestorium metalowe Q-dynamic irmy Pol-Eko-Aparatura, zestaw proszków, środków powierzchniowo czynnych, polimerów termoplastycznych i rozpuszczalników. dobór proszku o odpowiednim udziale i kształcie cząstek oraz lepiszcza w celu wytworzenia gęstwy polimerowo-proszkowej służącej do formowania wtryskowego, przygotowanie jednorodnej gęstwy polimerowo-proszkowej w wytłaczarce, badanie obciążenia ślimaków wytłaczarki w zależności od udziału proszku i rodzaju zastosowanego lepiszcza, badanie obciążenia ślimaków wytłaczarki w zależności od ich prędkości obrotowej i temperatury cylindra, zbadanie wpływu pracy współbieżnej i przeciwbieżnej ślimaków na szybkość ujednorodnienia mieszaniny oraz jej lepkość, badanie lepkości wytworzonej gęstwy w zależności od udziału proszku, formowanie wtryskowe kształtek przeznaczonych do zginania, wykonanie degradacji rozpuszczalnikowej i cieplnej, wykonanie badania wytrzymałości na zginanie próbek formowanych wtryskowo i spiekanych, różniących się udziałem proszku oraz rodzajem lepiszcza, zbadanie wpływu warunków degradacji rozpuszczalnikowej na szybkość rozpuszczania lepiszcza, ZAKRES ĆWICZENIA OBEJMUJE: badania wytrzymałości na zginanie próbek w zależności od temperatury usuwania lepiszcza, Struktura i własności materiałów spiekanych wytwarzanych metodą formowania wtryskowego proszku 133

136 obserwację struktury przełomów badanych próbek i ocenę ich jednorodności. Open Access Library Volume 8 (14) 2012 przedstawienie wyników badań lepkości w zależności od rodzaju proszku, kształtu cząstek, jego powierzchni właściwej i udziału w stosunku do zastosowanego lepiszcza, określenie wpływu temperatury mieszaniny polimerowo-proszkowej i szybkości obrotowej ślimaków na podstawie przeprowadzonych prób, zapewniających uzyskanie jednorodnej mieszaniny w najkrótszym czasie homogenizacji, porównanie lepkości gęstwy polimerowo-proszkowej ujednorodnionej podczas pracy współbieżnej i przeciwbieżnej ślimaków wytłaczarki, określenie wpływu ciśnienia i czasu wtrysku oraz temperatury matrycy na stopień wypełnienia gniazda, zestawienie wyników badań symulacji formowania wtryskowego, w szczególności przedstawienie wpływu lepkości gęstwy polimerowo-proszkowej na rozkład ciśnienia w gnieździe matrycy oraz szybkość wypełnienia gniazda, przedstawienie symulacji formowania wtryskowego w zależności od zmiany warunków wtrysku, RAPORT OBEJMUJE: zestawienie wyników uzyskanych podczas badania wytrzymałości na zginanie próbek formowanych w zależności od udziału proszku oraz po degradacji rozpuszczalnikowej lub cieplnej lepiszcza i następnie spiekanych, wyznaczenie maksymalnej temperatury degradacji cieplnej, zapewniającej własności mechaniczne próbek umożliwiające ich transport, przedstawienie wyników badań struktury przełomów próbek po badaniu wytrzymałości na zginanie oraz ocena jednorodności gęstwy stosowanej do formowania próbek. PODSUMOWANIE OBEJMUJE: dobór kształtu i wielkości ziarna proszku oraz udziału lepiszcza i warunków przygotowania mieszaniny, zapewniających uzyskanie względnie niskiej lepkości gęstwy polimerowo-proszkowej przy maksymalnym udziale proszku, wyznaczenie punku wtrysku i kształtu matrycy, zapewniającego wypełnienie gniazda w najkrótszym czasie, stosując najniższe ciśnienie formowania, dobór sposobu usuwania lepiszcza i warunków, zapewniających najkrótszy cykl degradacji oraz odpowiednią strukturę i własności mechaniczne kształtki, ocenę wpływu zastosowanych lepiszczy na strukturę i własności gotowych spieków. 134 Ćwiczenia laboratoryjne

137 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane ZESTAW RYSUNKÓW Rys. 1. Mieszanka proszku stali HS6-5-2, węglików, parainy i polipropylenu w postaci granulatu do formowania wtryskowego Rys. 2. Przełom próbki formowanej wtryskowo (mieszanka proszku stali HS6-5-2, węglików, parainy i polipropylenu) Rys. 3. Przełom próbki widocznej na rysunku 2 po rozpuszczaniu lepiszcza w heptanie o temperaturze 25ºC przez 1 h Rys. 4. Przełom próbki widocznej na rysunku 2 po cieplnym usuwaniu lepiszcza w temperaturze 400ºC przez 1 h Rys. 5. Struktura węglikostali formowanej wtryskowo i spiekanej w temperaturze 1280ºC Rys. 6. Widok próbki formowanej wtryskowo (górna) i po usuwaniu lepiszcza oraz spiekaniu (dolna), której skurcz liniowy wynosi około 12% Struktura i własności materiałów spiekanych wytwarzanych metodą formowania wtryskowego proszku 135

138 6. Open Access Library Volume 8 (14) 2012 STRUKTURA I WŁASNOŚCI MATERIAŁÓW SPIEKANYCH WYTWARZANYCH METODĄ BEZCIŚNIENIOWEGO FORMOWANIA PROSZKU CEL ĆWICZENIA OBEJMUJE: zapoznanie się z różnymi metodami produkcji umożliwiającymi poprawę własności warstwy powierzchniowej materiałów inżynierskich, określenie wpływu powierzchni właściwej proszku na własności reologiczne gęstwy polimerowo-proszkowej przeznaczonej do formowania bezciśnieniowego, określenie wpływu lepiszcza oraz jego udziału na lepkość gęstwy polimerowo-proszkowej stosowanej do formowania bezciśnieniowego, dobór lepiszcza oraz sposobu formowania w celu wytworzenia jednorodnych lub gradientowych warstw powierzchniowych na wybranych podłożach stalowych, dobór odpowiednich lepiszczy, umożliwiających bezpośrednie nagrzewanie materiału do wysokiej temperatury spiekania bez konieczności stosowania przystanku izotermicznego w celu usuwania lepiszcza, określenie wpływu formowania bezciśnieniowego warstw powierzchniowych, warunków spiekania i obróbki cieplnej na strukturę i własności warstwy oraz podłoża, ocenę możliwości formowania bezciśnieniowego proszku jako metody regeneracji zużytych powierzchni narzędzi i elementów pracujących w warunkach zużycia ściernego, określenie wielkości naprężeń oraz ich rozkładu w gradientowej warstwie powierzchniowej wytworzonej metodą bezciśnieniowego formowania proszku i porównanie wyników z naprężeniami występującymi w powłokach wytwarzanych metodami PVD. STANOWISKO BADAWCZE OBEJMUJE: prezentację multimedialną przedstawiającą metody formowania bezciśnieniowego proszków, możliwości zastosowania tej metody do wytwarzania warstw powierzchniowych i porównanie jej z innymi technologiami wytwarzania powłok i warstw wierzchnich, skaningowy mikroskop elektronowy Supra 35 irmy Carl Zeiss z przystawką TRIDENT XM4 (spektrometry promieniowania X: dyspersji energii EDS i długości fali WDS, oraz system analizy dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych EBSD) irmy EDAX, mikroskop metalograiczny MEF4A irmy Leica sprzężony z kamerą lub rzutnikiem multimedialnym, komputerem z odpowiednim oprogramowaniem do analizy obrazu, 136 L.A. Dobrzański, G. Matula

139 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane reometr rotacyjny Discovery HR-2 irmy TA Instruments, automatyczny twardościomierz Rockwella ZHR 4150 TK irmy Zwick/Roell, twardościomierz Vickersa FM-ARS 9000 irmy Future-Tech z automatycznym torem pomiarowym z wykorzystaniem analizy obrazu, trybometr Tribometer irmy CSM Instruments, proilometr Surtronic 25 irmy Taylor Hobson Precision, piec do usuwania lepiszcza lub środków poślizgowych i bezpośredniego spiekania w atmosferze gazów ochronnych lub próżni typu FCF 4/160M-PG, program Inventor 11 do projektowania rzeczywistych modeli materiałów gradientowych, program ANSYS 12.0 do analizy wytrzymałościowej, zestaw proszków oraz różnych lepiszczy do wytworzenia gęstwy polimerowo-proszkowej. ZAKRES ĆWICZENIA OBEJMUJE: dobór udziału proszku o odpowiednim kształcie cząstek oraz lepiszcza w celu przygotowania gęstwy do badań reologicznych, dobór gatunku stali oraz przygotowanie próbek stanowiących podłoże warstw powierzchniowych, formowanych bezciśnieniowo, przygotowanie mieszanek polimerowo-proszkowych z zastosowaniem lepiszczy termoplastycznych, termoutwardzalnych i chemoutwardzalnych, pomiar lepkości wytworzonych mieszanek polimerowo-proszkowych w zależności od udziału lepiszcza, środka powierzchniowo czynnego oraz kształtu i wielkości cząstek proszków, wykonanie badań doświadczalnych formowania bezciśnieniowego gęstwy polimerowo-proszkowej, różniącej się rodzajem i udziałem lepiszcza, na powierzchniach próbek stalowych, dobór metody formowania, tj. zanurzanie, malowanie lub natryskiwanie gęstwy polimerowo- -proszkowej w zależności od zastosowanego lepiszcza, określenie wpływu warunków usuwania lepiszcza, w szczególności szybkości nagrzewania do temperatury spiekania na strukturę i własności wytworzonych warstw powierzchniowych, określenie wpływu temperatury i atmosfery spiekania na strukturę i własności warstw powierzchniowych formowanych bezciśnieniowo, wykonanie obróbki cieplnej w warunkach zapewniających najlepsze własności mechaniczne rdzenia oraz warstwy powierzchniowej, badanie twardości wytworzonych warstw powierzchniowych oraz rozkładu ich mikrotwardości na przekrojach poprzecznych, Struktura i własności materiałów spiekanych wytwarzanych metodą bezciśnieniowego formowania proszku 137

140 . 138 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 wykonanie badań struktury warstwy powierzchniowej, podłoża oraz granicy pomiędzy nimi w mikroskopie skaningowym, pomiar wielkości wydzieleń węglikowych lub węglikoazotkowych w zależności od temperatury spiekania oraz wykonanie analizy ich składu chemicznego, badanie porowatości warstwy powierzchniowej w zależności od temperatury spiekania, badanie stężenia węgla w warstwach powierzchniowych w stanie spiekanym w zależności od rodzaju, udziału zastosowanego lepiszcza oraz warunków jego usuwania. przedstawienie wyników badań lepkości w zależności od rodzaju proszku, jego powierzchni właściwej i udziału w stosunku do zastosowanego lepiszcza, określenie wpływu rodzaju i udziału lepiszcza na możliwość tworzenia zwartej warstwy powierzchniowej, szczelnie pokrywającej powierzchnię podłoża po formowaniu, spiekaniu i obróbce cieplnej, dobór optymalnych warunków degradacji termicznej i spiekania, zapewniających wytworzenie warstwy powierzchniowej o jednorodnej, drobnoziarnistej strukturze, niskiej porowatości oraz szczelnie pokrywającej podłoże, określenie wpływu warunków wytwarzania, zapewniających względnie najlepszą strukturę i twardość warstwy powierzchniowej, na strukturę podłoża, zestawienie wyników badań symulacji naprężeń w wytworzonych warstwach powierzchniowych w stanie spiekanym oraz po obróbce cieplnej, przedstawienie wyników badań trybologicznych, w szczególności współczynnika tarcia w zależności rodzaju wytworzonej warstwy powierzchniowej, warunków spiekania i obróbki cieplnej, RAPORT OBEJMUJE: obliczenie pola powierzchni przekroju poprzecznego śladów wytarcia warstw powierzchniowych po przeprowadzonych testach pin-on-plate oraz porównanie ich z wynikami badań podłoża stalowego. PODSUMOWANIE OBEJMUJE: dobór, na podstawie wyników badań, rodzaju i udziału lepiszcza, kształtu i wielkości cząstek proszków oraz warunków formowania bezciśnieniowego i spiekania w celu wytworzenia warstw powierzchniowych o najlepszych własnościach przeciwzużyciowych, ocenę wpływu wytworzonych warstw powierzchniowych na własności podłoża. Ćwiczenia laboratoryjne

141 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane ZESTAW RYSUNKÓW Rys. 1. Struktura warstwy powierzchniowej z węglikostali HS6-5-2/WC na podłożu stali 41Cr4 Rys. 2. Struktura ostrza narzędzia ze stali konwencjonalnej HS6-5-2 z warstwą powierzchniową HS6-5-2/WC/TiC/TaC/NbC Rys. 3. Widok gradientowej warstwy powierzchniowej formowanej z gęstwy zawierającej proszki HS , WC, TiC, NbC, TaC i spiekanej w 1240ºC Rys. 4. Struktura warstwy powierzchniowej przedstawionej na rysunku 3, o rosnącym udziale węglików od 5 do 15% na stali konwencjonalnej HS6-5-2 Rys. 5. Proil śladu wytarcia warstwy powierzchniowej podobnej jak na rysunku 4, po teście pin-on-plate Rys. 6. Struktura formowanej z gęstwy warstwy powierzchniowej po regeneracji elementu z konwencjonalnej stali szybkotnącej HS6-5-2 Struktura i własności materiałów spiekanych wytwarzanych metodą bezciśnieniowego formowania proszku 139

142 7. SELEKTYWNE SPIEKANIE LASEROWE PROSZKÓW Open Access Library Volume 8 (14) 2012 CEL ĆWICZENIA OBEJMUJE: porównanie struktury i topograii powierzchni spieków metalowych, wytworzonych metodą selektywnego spiekania laserowego SLS (ang.: Selective Laser Sintering) proszków ze stali nierdzewnej i szybkotnącej przy różnych warunkach pracy lasera, analizę usytuowania i geometrii podpór modelu, na możliwość wytworzenia kompletnego elementu i powstające naprężenia cieplne, powodujące odkształcenie elementu, zaznajomienie się z technologią metalurgii proszków, wytwarzaniem produktów przez obróbkę przyrostową, w tym ze szczególnym uwzględnieniem technologii SLS jako najczęściej stosowanej metody wytwarzania przyrostowego, warstwa po warstwie, określenie wpływu kształtu i wielkości cząstek proszku, gatunku stali oraz warunków spiekania selektywnego na własności gotowego elementu, zapoznanie się z różnymi technikami badania topograii powierzchni, wykorzystując pomiar i analizę chropowatości spieków metalowych, wytworzonych przy różnych warunkach laserowego spiekania, zapoznanie się z programowaniem typu CAD do modelowania geometrii elementów oraz oprogramowaniem do budowania modelu numerycznego współpracującym z urządzeniem. STANOWISKO BADAWCZE OBEJMUJE: prezentację multimedialną przedstawiającą metody wytwarzania stosowane w technologii metalurgii proszków, wpływu poszczególnych warunków selektywnego spiekania laserowego na ich strukturę i jakość powierzchni, a także typowe zastosowania elementów ze stali nierdzewnej i szybkotnącej, w tym wytworzonych technologią SLS, a także program do automatycznego egzaminowania, urządzenie RENISHAW AM125 do wytwarzania przyrostowego warstwa po warstwie, technologią selektywnego spiekania laserowego, komputer z oprogramowaniem typu CAD, np. Solid Edge, w celu przygotowania modelu numerycznego i późniejszego importu oraz z oprogramowaniem Marcam Autofab do przygotowania modelu i ustalenia warunków wytwarzania, skaningowy mikroskop elektronowy Supra 35 irmy Carl Zeiss z przystawką TRIDENT XM4 140 L.A. Dobrzański, G. Matula

143 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane (spektrometry promieniowania X: dyspersji energii EDS i długości fali WDS, oraz system analizy dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych EBSD) irmy EDAX, piknometr helowy typu AcuuPyc 1340 irmy Micromeritics do pomiaru gęstości proszku i gotowych spieków, uniwersalną maszynę wytrzymałościową Z020 irmy Zwick wraz z zestawem oprzyrządowania do próby trójpunktowego zginania z możliwością regulacji odległości pomiędzy podporami, mikroskop konfokalny LSM 5 Exciter irmy Carl Zeiss z laserem diodowym 405 nm, mikroskop sił atomowych AFM XE-100 irmy Park Systems, proilometr Surtronic 25 irmy Taylor Hobson Precision, mikroskop metalograiczny MEF4A irmy Leica sprzężony z kamerą lub rzutnikiem multimedialnym i komputerem z odpowiednim oprogramowaniem do analizy obrazu, proilografometr Surtronic 3+ irmy Taylor Hobson Precision, laserowy miernik wielkości cząstek MicroTec plus irmy Fritsch, dygestorium metalowe Q-dynamic irmy Pol-Eko-Aparatura, zestaw proszków stali nierdzewnych oraz szybkotnących. ZAKRES ĆWICZENIA OBEJMUJE: przygotowanie modelu numerycznego w zewnętrznym oprogramowaniu CAD oraz w programie Marcam Autofab sterującym urządzeniem, składającego się z dwóch ścian, z których jedna umieszczona jest pod kątem 90 do podłoża, a druga pod kątem 60, 45 lub 30 do podłoża, kontrola jakości cech geometrycznych, pod kątem występowania błędów przy wykorzystaniu programu obsługującego urządzenie, analizę cech geometrycznych podpór pod projektowanym modelem i gęstości ich ułożenia na możliwość wystąpienia odkształceń elementów, wywołanych naprężeniami cieplnymi podczas spiekania laserowego, określenie warunków wytwarzania: mocy lasera, w zakresie od 50 do 200 W, i odległości pomiędzy dwoma punktami spiekania w zakresie od 10 do 50 µm, spiekanie próbek płaskich do badań wytrzymałości na zginanie z zastosowaniem różnych gatunków proszków i wielkości cząstek, regulowanej mocy lasera oraz odległości pomiędzy punktami spiekania, pomiar wytrzymałości na zginanie wytworzonych materiałów, badanie struktury, topograii powierzchni oraz przełomów wytworzonych spieków z wykorzystaniem skaningowej mikroskopii elektronowej i mikroskopii świetlnej, Selektywne spiekanie laserowe proszków 141

144 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 pomiar topograii powierzchni analizowanych próbek z wykorzystaniem mikroskopu sił atomowych metodą kontaktową, bezkontaktową i przerywaną oraz pomiar chropowatości analizowanych powierzchni, określenie porowatości wytworzonych materiałów w zależności od wielkości cząstek zastosowanego proszku, mocy lasera i odległości pomiędzy punktami spiekania, badanie struktury nadtopionych obszarów oraz wielkości wydzielonych węglików w stalach szybkotnących spiekanych selektywnie, ocena odporności korozyjnej elementów wytworzonych przez spiekanie laserem proszku stali odpornej na korozję, wykonanie, z wykorzystaniem rentgenowskich spektrometrów dyspersji energii EDS i długości fali WDS, analizy jakościowej i ilościowej składu chemicznego w wybranych, stopionych mikroobszarach wytworzonych materiałów. przedstawienie obrazów struktury i przełomów elementów, wykonanych w skaningowym mikroskopie elektronowym oraz na mikroskopie świetlnym, przy różnych warunkach pracy lasera, RAPORT OBEJMUJE: przedstawienie obrazów i wyników badania topograii powierzchni, na mikroskopie konfokalnym i w mikroskopie sił atomowych, w relacji do zastosowanej mocy lasera, odległości pomiędzy dwoma punktami spiekania oraz położenia powierzchni na platformie roboczej, zestawienie wyników badań chropowatości i jakości powierzchni, uzyskanych przy pomocy proilometrów i proilografometru, sporządzenie wykresu przedstawiającego wpływ mocy lasera i odległości pomiędzy punktami spiekania na wytrzymałość na zginanie gotowych spieków. PODSUMOWANIE OBEJMUJE: określenie wpływu warunków pracy lasera: mocy i odległości pomiędzy dwoma punktami spiekania na strukturę wytworzonych elementów, porównanie jakości powierzchni elementu i ich chropowatości, ze względu na zorientowanie modelu na platformie roboczej, ze szczególnym uwzględnieniem kąta nachylenia tych powierzchni, określenie wpływu rozmieszczenia podpór na dystorsję wytworzonych elementów wywołaną naprężeniami cieplnymi. 142 Ćwiczenia laboratoryjne

145 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane ZESTAW RYSUNKÓW Rys. 1. Urządzenie RENISHAW AM 125 do wytwarzania przyrostowego warstwa po warstwie Rys. 2. Przykładowy element wytwarzany metodą selektywnego spiekania laserowego w urządzeniu RENISHAW AM 125 Rys. 3. Projekt próbek do badań wpływu warunków selektywnego spiekania laserowego na własności gotowych elementów Rys. 4. Gotowe elementy zaprojektowane (rys. 3) oraz wytworzone przy zmiennych warunkach spiekania Rys. 5. Proil powierzchni próbki stalowej, wytworzonej przez selektywne spiekanie laserowe o mocy 150 W i odległości pomiędzy dwoma punktami spiekania wynoszącej 50 µm Selektywne spiekanie laserowe proszków 143

146 8. STRUKTURA I WŁASNOŚCI WĘGLIKÓW SPIEKANYCH Open Access Library Volume 8 (14) 2012 CEL ĆWICZENIA OBEJMUJE: określenie wpływu udziału kobaltowej fazy wiążącej na strukturę i własności węglików spiekanych WC-Co, określenie wpływu wielkości cząstek mieszaniny WC-Co na strukturę i własności mechaniczne gotowego spieku, zapoznanie się z metodami wytwarzania proszków węglików, sposobami przygotowania mieszanin WC-Co, metodami formowania i spiekania, zaznajomienie się z metodą spiekania z udziałem fazy ciekłej oraz jej znaczeniem w produkcji węglików spiekanych, zapoznanie się z metodami dogęszczania spieków węglikowych i ich wpływem na gęstość, porowatość i własności mechaniczne, określenie odporności na zużycie tarciowe wytworzonych spieków, w zależności od udziału osnowy kobaltowej, wielkości cząstek proszku oraz warunków spiekania, określenie wpływu udziału osnowy kobaltowej na twardość węglików spiekanych, zapoznanie się z metodami wyznaczania krytycznego współczynnika intensywności naprężeń do oceny odporności na kruche pękanie węglików spiekanych, określenie odporności na kruche pękanie (K Ic ) węglików spiekanych typu WC-Co, w zależności od udziału osnowy kobaltowej, wielkości cząstek proszku oraz warunków spiekania, wykorzystując metodę Palmqvista, porównanie własności węglików spiekanych z innymi materiałami narzędziowymi stosowanymi do obróbki skrawaniem i określenie znaczenia tej grupy materiałów narzędziowych, sposobu poprawy własności i kierunku rozwoju, zapoznanie się z możliwościami zastąpienia kosztownej i szkodliwej dla zdrowia osnowy kobaltowej innymi pierwiastkami i ich wpływem na własności węglików spiekanych. STANOWISKO BADAWCZE OBEJMUJE: prezentację multimedialną przedstawiającą znaczenie węglików spiekanych jako materiałów narzędziowych, sposoby wytwarzania proszków, przygotowania mieszanin węglików z osnową i środkiem poślizgowym, formowania, spiekania oraz pokrywania powierzchni powłokami metodami CVD i PVD, 144 L.A. Dobrzański, G. Matula

147 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane skaningowy mikroskop elektronowy Supra 35 irmy Carl Zeiss z przystawką TRIDENT XM4 (spektrometry promieniowania X: dyspersji energii EDS i długości fali WDS, oraz system analizy dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych EBSD) irmy EDAX, mikroskop materiałograiczny MEF4A irmy Leica sprzężony z kamerą lub rzutnikiem multimedialnym i komputerem z odpowiednim oprogramowaniem do analizy obrazu, dyfraktometr rentgenowski X Pert Pro irmy Panalytical, uniwersalną maszynę wytrzymałościową Z020 irmy Zwick wraz z zestawem oprzyrządowania do próby trójpunktowego zginania, uniwersalny dwukomorowy piec próżniowy typu CaseMaster Evolution D4 z wanną olejową irmy Seco/Warwick S.A., młynek planetarny mikro Pulverisette 7 premium line, z systemem GTM do kontroli temperatury i ciśnienia w zbiorniku z proszkiem podczas mielenia oraz zestaw ceramicznych kulek mielących, prasę hydrauliczną LabEcon 600 irmy Fontijne Grotnes wraz z prasownikiem do formowania wyprasek, piknometr helowy typu AcuuPyc 1340 do pomiaru gęstości proszku i gotowych spieków, twardościomierz Future Tech, do pomiaru twardości lub mikrotwardości metodą Vickersa, zestaw proszków kobaltu i węglika WC o różnej wielkości cząstek oraz różnych gatunków gotowych mieszanin WC-Co, analityczną wagę elektroniczną WAS 220/C/2 lub AS 310/X irmy Radwag wraz z zestawem oprzyrządowania do pomiaru gęstości metodą hydrostatyczną, trybometr Tribometer irmy CSM Instruments, proilometr Surtronic 25 irmy Taylor Hobson Precision, dygestorium metalowe Q-dynamic, odczynnik Murakami o składzie K 3 Fe(CN) 6 + KOH + H 2 O do trawienia próbek. ZAKRES ĆWICZENIA OBEJMUJE: przygotowanie naważek proszków WC, Co i środków poślizgowych oraz gotowych mieszanin WC-Co wytworzonych przez Sandvik-Baildonit lub Kennametal, mielenie mieszanek doświadczalnych, stosując różne czasy mielenia, prędkości obrotowe i stopień wypełnienia młynków, formowanie w prasowniku przygotowanych mieszanek proszków doświadczalnych oraz gotowych mieszanek, do wyboru z gatunku: B65, G10, H10, HF4, K10, K20, spiekanie w piecu próżniowym z wcześniejszym odparainowaniem wyprasek, stosując temperaturę w zakresie od 1350 do 1500ºC, Struktura i własności węglików spiekanych 145

148 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 przygotowanie zgładów materiałograicznych z wytworzonych węglików spiekanych oraz pomiar porowatości, badanie gęstości metodą hydrostatyczną oraz w piknometrze helowym, badanie wytrzymałości na zginanie spiekanych węglików w zależności od temperatury spiekania i udziału osnowy kobaltowej, wykonanie badań strukturalnych w mikroskopie skaningowym oraz analizy składu chemicznego w mikroobszarach metodą EDS i WDS, analizę składu fazowego metodą dyfrakcji rentgenowskiej w zależności od gatunku węglika i warunków spiekania, pomiar twardości metodą Vickersa oraz wykonanie odcisków wgłębnikiem stosowanym w tej metodzie, zgodnie z normą ISO 28079:2009 w celu wywołania pęknięć Palmqvista, wytrawienie powierzchni próbek, na których badano twardość, w celu dokładnego odczytu długości pęknięć Palmqvista, wokół wykonanych odcisków oraz pomiar długości pęknięć, badanie odporności na zużycie tarciowe wytworzonych węglików spiekanych metodą pin-on-disc lub pin-on-plate. RAPORT OBEJMUJE: zestawienie wyników badań wytrzymałości na zginanie i porównanie ich z wartościami odpowiadającymi węglikom stosowanym w przemyśle, ocenę wpływu temperatury spiekania na wielkość ziarn oraz porowatość struktury i ich wpływ na wytrzymałość na zginanie, obliczenie sumy długości zmierzonych pęknięć i wyznaczenie krytycznego współczynnika intensywności naprężeń K Ic węglika spiekanego, określenie wpływu udziału osnowy kobaltowej na twardość, wytrzymałość na zginanie oraz współczynnik intensywności naprężeń K Ic, przedstawienie obrazów struktury węglików spiekanych oraz uszkodzeń w postaci pęknięć Palmqvista, wykonanych w skaningowym mikroskopie elektronowym. PODSUMOWANIE OBEJMUJE: sporządzenie wykresów przedstawiających wyniki badań twardości, wytrzymałości na zginanie oraz współczynnika intensywności naprężeń K Ic, dla węglików spiekanych z mieszanek komercyjnych i doświadczalnych oraz porównanie ich z własnościami gotowych węglików spiekanych, przedstawienie wniosków dotyczących wpływu wielkości cząstek, udziału osnowy kobaltowej i warunków spiekania na strukturę i własności węglików spiekanych. 146 Ćwiczenia laboratoryjne

149 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane ZESTAW RYSUNKÓW Rys. 1. Struktura przełomu węglika spiekanego TP35 irmy SECO Rys. 2. Struktura przełomu węglika spiekanego CP20 irmy SECO Rys. 3. Struktura przełomu węglika spiekanego A30 irmy Sumitomo Rys. 4. Struktura przełomu węglika spiekanego AC2000 irmy Sumitomo Rys. 5. Przykładowy odcisk Vickersa HV30 oraz pęknięcia Palmqvista w doświadczalnym węgliku spiekanym w temperaturze 1460 C Struktura i własności węglików spiekanych Rys. 6. Schemat systemu pęknięć uzyskanych podczas pomiaru twardości metodą Vickera, mierzonych w celu obliczenia współczynnika intensywności naprężeń K Ic metodą Palmqvista 147

150 9. STRUKTURA I WŁASNOŚCI SPIEKANYCH STALI SZYBKOTNĄCYCH Open Access Library Volume 8 (14) 2012 CEL ĆWICZENIA OBEJMUJE: zaznajomienie się z metodami formowania i spiekania stali szybkotnących, mechanizmami transportu materii podczas spiekania, sposobem obróbki cieplnej, ich strukturą i własnościami, zapoznanie się z wpływem kształtu i wielkości cząstek proszków, gatunku stali, metody formowania oraz środków poślizgowych, lub lepiszcza na gęstość i strukturę po spiekaniu, określenie wpływu temperatury i atmosfery spiekania na strukturę i własności mechaniczne spiekanych stali szybkotnących, wyjaśnienie wpływu metody i warunków wytwarzania na porowatość stali, określenie wpływu stężenia węgla w stalach formowanych wtryskowo na dobór warunków obróbki cieplnej zapewniającej maksymalny efekt twardości wtórnej stali, wyjaśnienie wpływu metod wytwarzania stali szybkotnących, tj. prasowania proszku, formowania wtryskowego, prasowania izostatycznego na gorąco oraz klasycznego odlewania stali na strukturę i własności, zapoznanie się z warunkami pracy narzędzi ze stali szybkotnących, mechanizmami zużycia powierzchni narzędzi i sposobami poprawy odporności na zużycie. STANOWISKO BADAWCZE OBEJMUJE: prezentację multimedialną przedstawiającą metody wytwarzania proszków stali szybkotnących, sposoby formowania i spiekania, obróbkę cieplną oraz efekt twardości wtórnej, struktury, własności oraz zastosowania stali, wysokorozdzielczy transmisyjny mikroskop elektronowy STEM TITAN irmy FEI, skaningowy mikroskop elektronowy Supra 35 irmy Carl Zeiss z przystawką TRIDENT XM4 (spektrometry promieniowania X: dyspersji energii EDS i długości fali WDS, oraz system analizy dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych EBSD) irmy EDAX, mikroskop materiałograiczny MEF4A irmy Leica sprzężony z kamerą lub rzutnikiem multimedialnym i komputerem z odpowiednim oprogramowaniem do analizy obrazu, dyfraktometr rentgenowski X Pert Pro irmy Panalytical, uniwersalną maszynę wytrzymałościową Z020 irmy Zwick wraz z zestawem oprzyrządowania do próby trójpunktowego zginania, 148 L.A. Dobrzański, G. Matula

151 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane mikrowytłaczarkę ślimakową EHP-15 Profesional zintegrowaną z miniaturową wtryskarką tłokową IM-15 irmy Zamak do wytwarzania i formowania gęstwy polimerowo-proszkowej, piec do usuwania lepiszcza lub środków poślizgowych i bezpośredniego spiekania oraz obróbki cieplnej w atmosferze gazów ochronnych lub próżni typu FCF 4/160M-PG, trybometr Tribometer irmy CSM Instruments, automatyczny twardościomierz Rockwella ZHR 4150 TK irmy Zwick/Roell, prasę hydrauliczną LabEcon 600 irmy Fontijne Grotnes i prasownik do prasowania proszków, zestaw proszków stali szybkotnących rozpylanych gazem lub wodą, środków poślizgowych i lepiszczy oraz mieszalnik turbulentny Turbula T2F irmy Glen Mills do ich mieszania. ZAKRES ĆWICZENIA OBEJMUJE: dobór kształtu i wielkości cząstek proszków do sposobu formowania próbek, wykonanie wyprasek oraz kształtek formowanych wtryskowo, spiekanie wytworzonych wyprasek i kształtek w atmosferze przepływających gazów ochronnych lub próżni w zalecanym zakresie temperatury, badanie gęstości, porowatości, twardości wytworzonych spieków, wykonanie obróbki cieplnej spieków charakteryzujących się najlepszą strukturą i własnościami mechanicznymi, w temperaturze austenityzowania i odpuszczania zalecanej dla danego gatunku stali szybkotnącej, pomiar twardości w zależności od temperatury austenityzowania i odpuszczania, badanie wytrzymałości na zginanie stali w stanie spiekanym oraz obrobionym cieplnie, pomiar udziału i wielkości węglików pierwotnych lub węglikoazotków w zależności od warunków spiekania i obróbki cieplnej, wykonanie analizy jakościowej i ilościowej składu chemicznego w wybranych mikroobszarach badanych węglików i węglikoazotków metodami EDS i WDS, pomiar wielkości ziarna austenitu pierwotnego w zależności od czasu i temperatury austenityzowania lub temperatury spiekania w przypadku bezpośredniego chłodzenia po spiekaniu, czyli obróbki sinterhardening, analizę składu fazowego i ilościowego w zależności od warunków spiekania i obróbki cieplnej, metodą dyfrakcji rentgenowskiej oraz określenie udziału austenitu szczątkowego, określenie zależności krystalograicznych pomiędzy martenzytem i austenitem dla stali po hartowaniu oraz pomiędzy dyspersyjnymi węglikami i martenzytem po odpuszczaniu, porównanie struktury wytworzonych stali szybkotnących ze strukturą stali prasowanych izostatycznie na gorąco oraz klasycznie odlewanych i obrobionych plastycznie, badanie odporności na zużycie tarciowe stali szybkotnących wytwarzanych różnymi metodami. Struktura i własności spiekanych stali szybkotnących 149

152 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 RAPORT OBEJMUJE: przedstawienie wykresu gęstości spiekanych stali szybkotnących w zależności od warunków formowania, temperatury i atmosfery spiekania, zestawienie wyników badań struktury oraz składu chemicznego wydzieleń węglikowych w zależności od temperatury spiekania, dobór zakresu temperatury spiekania i określenie optymalnej temperatury zapewniającej najniższą porowatość, najwyższą gęstość oraz strukturę charakteryzującą się drobnymi wydzieleniami węglików, przedstawienie wyników badań wpływu czasu i temperatury austenityzowania na wielkość ziarna austenitu pierwotnego oraz udział węglików pierwotnych, sporządzenie wykresu twardości w zależności od temperatury austenityzowania oraz temperatury odpuszczania, dobór na podstawie sporządzonych wykresów, warunków obróbki cieplnej zapewniającej maksymalny efekt twardości wtórnej stali szybkotnących, porównanie wyników badań wytrzymałości na zginanie wytworzonych i obrobionych cieplnie stali ze stalami prasowanymi izostatycznie na gorąco, zestawienie wyników badań uzyskanych przy użyciu dyfraktometru rentgenowskiego oraz przedstawienie wyników badań udziału austenitu szczątkowego w zależności od sposobu formowania proszku, warunków spiekania i obróbki cieplnej, przedstawienie wyników badań cienkich folii w mikroskopie transmisyjnym, rozwiązanie dyfrakcji elektronowych i określenie zależności krystalograicznych pomiędzy austenitem i martenzytem oraz martenzytem odpuszczonym i wydzielonymi węglikami, zestawienie wyników badań odporności na zużycie tarciowe przeprowadzonych metodą pin-on-plate. PODSUMOWANIE OBEJMUJE: ocenę wpływu metody formowania proszków na zakres temperatury spiekania zapewniającej wysoką gęstość i drobnoziarnistą strukturę stali HS6-5-2 i HS , wyjaśnienie wpływu metod formowania proszków, warunków spiekania i obróbki cieplnej na efekt twardości wtórnej wytworzonych stali szybkotnących, porównanie struktury i własności wytworzonych stali ze stalami spiekanymi metodą izostatycznego prasowania na gorąco oraz klasycznie odlewanymi i obrobionymi plastycznie, wyjaśnienie wpływu metody wytwarzania na udział austenitu szczątkowego w stalach szybkotnących po hartowaniu. 150 Ćwiczenia laboratoryjne

153 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane ZESTAW RYSUNKÓW Rys. 1. Proszek stali szybkotnącej HS6-5-2 rozpylany gazem Rys. 2. Struktura stali HS6-5-2 wytwarzanej metodą formowania wtryskowego i spiekanej w temperaturze 1260 C Rys. 3. Struktura stali HS6-5-2 wytwarzanej przez formowanie wtryskowe proszku i spiekanej w temperaturze 1300 C Rys. 4. Struktura stali HS wytwarzanej przez formowanie wtryskowe proszku i spiekanej w temperaturze 1260 C Rys. 5. Wpływ temperatury spiekania na gęstość stali HS6-5-2 i HS formowanej bezciśnieniowo Struktura i własności spiekanych stali szybkotnących Rys. 6. Wpływ metody formowania proszków i temperatury spiekania na gęstość stali HS6-5-2 spiekanej w atmosferze azot-wodór 151

154 10. STRUKTURA I WŁASNOŚCI SPIEKANYCH MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH Open Access Library Volume 8 (14) 2012 CEL ĆWICZENIA OBEJMUJE: zaznajomienie się z metodami wytwarzania materiałów kompozytowych, możliwościami obniżenia kosztów ekonomicznych związanych z ich zastosowaniem oraz sposobami recyklingu tych materiałów, zapoznanie się z możliwościami zastosowań materiałów kompozytowych wytworzonych przez iniltrację szkieletów oraz przez mechaniczne stopowanie i następujące po tym wyciskanie lub spiekanie i porównanie ich do klasycznych materiałów o jednorodnej strukturze, zapoznanie się z metodami iniltracji ciśnieniowej porowatych szkieletów ceramicznych stopami metali lekkich, określenie wpływu środków porotwórczych oraz ich udziału na kształt i wielkości porów szkieletu przeznaczonego do iniltracji ciekłymi stopami metali lekkich, wyjaśnienie wpływu wielkości cząstek, ich kształtu oraz warunków prasowania i spiekania na własności mechaniczne i porowatość szkieletu, zaznajomienie się z metodami pokrywania powierzchni porowatych kształtek i ich wpływem na wzrost zwilżalności oraz pojęciem i sposobem wyznaczania kąta zwilżania, zaznajomienie się z metodą mechanicznego stopowania materiałów plastycznych twardymi cząstkami ceramicznymi w młynkach kulowych, zapoznanie się z rodzajami młynków stosowanych do mechanicznego stopowania, określenie wpływu warunków mechanicznego stopowania na strukturę i kształt cząstek, określenie wpływu mechanicznego stopowania i wyciskania lub spiekania na własności opracowanych materiałów kompozytowych. STANOWISKO BADAWCZE OBEJMUJE: prezentację multimedialną przedstawiającą metody wytwarzania kompozytów przez iniltrację porowatych kształtek oraz mechaniczne stopowanie i spiekanie lub wyciskanie, ich strukturę i własności, a także typowe zastosowania wytworzonych kompozytów, skaningowy mikroskop elektronowy Supra 35 irmy Carl Zeiss z przystawką TRIDENT XM4 (spektrometry promieniowania X: dyspersji energii EDS i długości fali WDS, oraz system analizy dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych EBSD) irmy EDAX, 152 L.A. Dobrzański, G. Matula

155 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane mikroskop materiałograiczny MEF4A irmy Leica sprzężony z kamerą lub rzutnikiem multimedialnym i komputerem z odpowiednim oprogramowaniem do analizy obrazu, dyfraktometr rentgenowski X Pert Pro irmy Panalytical, młynek planetarny Pulverisette 5 irmy Fritsch z systemem GTM do kontroli temperatury i ciśnienia w zbiorniku oraz zestaw metalowych i ceramicznych kulek mielących do mielenia proszków i mechanicznego stopowania, prasę hydrauliczną LabEcon 600 irmy Fontijne Grotnes wraz z prasownikiem do formowania szkieletów oraz matrycą do wyciskania proili kształtowych, zestaw proszków do mechanicznej syntezy, wytwarzania szkieletów, środków porotwórczych i poślizgowych oraz metali i stopów metali iniltrujących, stanowisko do nasycania struktur porowatych MK-1 w zakresie temperatury do 1100ºC oraz ciśnienia do 4 MPa, a także piec komorowy z możliwością zastosowania atmosfery ochronnej do iniltracji bezciśnieniowej lub spiekania, uniwersalną maszynę wytrzymałościową Z020 irmy Zwick wraz z zestawem oprzyrządowania do próby trójpunktowego zginania. ZAKRES ĆWICZENIA OBEJMUJE: dobór proszków przeznaczonych do mechanicznego stopowania oraz rodzaju i udziału cząstek wzmacniających, wytworzenie proszków kompozytowych przez mechaniczne stopowanie, stosując różne warunki mielenia, w szczególności czas, prędkość obrotową młynka, stopień wypełnienia komory mielącej oraz stosunek masy proszku do masy kulek mielących, przygotowanie w mieszalniku turbulentnym mieszanek proszków kompozytowych z dodatkiem środków poślizgowych oraz proszków z dodatkiem środków porotwórczych, prasowanie mieszanek proszków w prasie hydraulicznej w celu wytworzenia kształtek przeznaczonych do wyciskania, spiekania lub iniltracji, wytwarzanie szkieletów z wyprasek przeznaczonych do iniltracji przez cieplne usuwanie środków porotwórczych i poślizgowych, wykonanie iniltracji ciśnieniowej i bezciśnieniowej porowatych szkieletów, wyciskanie proili kształtowych z proszków mechanicznie stopowanych w prasie hydraulicznej, przy różnej temperaturze formy lub alternatywnie spiekanie wytworzonych wyprasek w różnej temperaturze i atmosferze ochronnej, wykonanie zgładów materiałograicznych oraz obserwacja struktury wytworzonych materiałów kompozytowych i pomiar udziału porów w zależności od zadanego ciśnienia iniltracji, Struktura i własności spiekanych materiałów kompozytowych 153

156 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 pomiar wielkości cząstek wzmacniających materiał kompozytowy w zależności od czasu mielenia, prędkości obrotowej młynków, stopnia wypełnienia komory mielącej, stosunku masy proszku do masy kulek mielących oraz temperatury i prędkości wyciskania, obserwacja powierzchni bocznej proili kształtowych w zależności od warunków wyciskania oraz badanie wytrzymałości na rozciąganie opracowanych materiałów, pomiar twardości wytworzonych kompozytów w zależności od metody i warunków wytwarzania oraz pomiar mikrotwardości faz wzmacniających ich osnowę, analizę składu fazowego uzyskanych kompozytów metodą dyfrakcji rentgenowskiej. RAPORT OBEJMUJE: przedstawienie obrazów struktury i morfologii proszków mechanicznie stopowanych w zależności od udziału cząstek wzmacniających oraz warunków stopowania, sporządzenie wykresu twardości materiałów kompozytowych mechanicznie stopowanych w zależności od czasu mielenia mieszanki proszków dla jednej wybranej prędkości obrotowej oraz udziału cząstek wzmacniających, wyjaśnienie mechanizmu umocnienia proszku mechanicznie stopowanego oraz wpływu temperatury wyciskania lub spiekania na własności gotowego kompozytu, ocenę wpływu wielkości cząstek wzmacniających na mikrotwardość mechanicznie stopowanego proszku kompozytowego, przedstawienie wyników badań wytrzymałości na rozciąganie wyciskanych proili kształtowych lub spiekanych wyprasek w zależności od warunków wytwarzania, zestawienie obrazów struktury materiałów iniltrowanych w zależności od warunków wytwarzania, tj. udziału środków porotwórczych, ich kształtu i wielkości, środków zwiększających zwilżalność szkieletu, ciśnienia i temperatury iniltracji, przedstawienie dyfraktogramów rentgenowskich dla wytworzonych przez mechaniczne stopowanie i wyciskanie lub spiekanie materiałów kompozytowych. PODSUMOWANIE OBEJMUJE: sporządzenie wniosków końcowych z wykonanych badań materiałów kompozytowych i dobór warunków wytwarzania, zapewniających najlepszą wytrzymałość na zginanie oraz twardość, dobór warunków stopowania mechanicznego zapewniających najlepsze własności proszków oraz wytworzonych z nich kompozytów przy możliwie krótkim czasie mielenia, prognozę zastosowań wytworzonych materiałów kompozytowych oraz możliwości ich recyklingu. 154 Ćwiczenia laboratoryjne

157 Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane ZESTAW RYSUNKÓW Rys. 1. Proszek stopu aluminium zastosowany do mechanicznej syntezy Rys. 2. Proszek stopu aluminium z rysunku 1, mielony przez 10 h Rys. 3. Struktura przełomu komercyjnego szkieletu ceramicznego wytworzonego z włókien Al 2 O 3 Rys. 4. Struktura przełomu szkieletu Al 2 O 3, w którym zastosowano włókna węglowe jako środek porotwórczy Rys. 5. Struktura przełomu anody paliwowej YSZ-Ni po spiekaniu i redukcji NiO w temperaturze odpowiednio 1350 i 700ºC Rys. 6. Granula cząstek NiO po spiekaniu i redukcji w atmosferze azot-wodór (powiększenie wybranego obszaru z rys. 5) Struktura i własności spiekanych materiałów kompozytowych 155