5. Podsumowanie i wnioski

Transkrypt

1 Open Access Library Volume 7 (13) Podsumowanie i wnioski Przedstawiona koncepcja po czenia in ynierii powierzchni jako dyscypliny wiedzy i technologii metalurgii proszków jest uzasadniona, czego wynikiem s opracowane oraz wytworzone materia y narz dziowe o pod o u stalowym i w glikostalowych warstwach powierzchniowych (WWP). Dzi ki po czeniu wysokiej twardo ci i ci gliwo ci materia ów narz dziowych, które szczególnie umo liwia zastosowana metoda formowania bezci nieniowego proszków, rosn w asno ci utylitarne wytworzonych narz dzi. Wyniki bada w asnych wskazuj na zasadno stosowania technik formowania i spiekania proszków w celu wytworzenia twardych warstw powierzchniowych, w szczególno ci techniki formowania bezci nieniowego i spiekania w glikostalowych warstw powierzchniowych o strukturze gradientowej na pod o u stalowym. Dobieraj c odpowiednie lepiszcze, jego udzia oraz steruj c warunkami procesu technologicznego, co umo liwia zwi kszenie st enia w gla, pochodz cego z produktów degradacji cieplnej lepiszcza, otaczaj cego cz stki proszku i aktywuj cego proces spiekania, istnieje mo liwo wytworzenia w glikostalowych warstw powierzchniowych na pod o u stalowym. G ównie wysoka odporno na zu ycie tarciowe warstw powierzchniowych, potwierdzona badaniami trybologicznymi, przewy szaj ca nawet odporno stali narz dziowych pokrywanych pow okami TiN w procesach PVD, jednoznacznie wiadczy o poprawie w asno ci narz dzia i wskazuje na celowo wytwarzania w glikostalowych warstw powierzchniowych. Stal szybkotn ca z pow ok TiN jako materia porównawczy do bada trybologicznych zosta a dobrana celowo z uwagi na jej szerokie zastosowanie i wzgl dnie niski koszt wytwarzania. Pow oka PVD, mimo wysokiej twardo ci i odporno ci na zu ycie ulega wytarciu, czego nast pstwem jest intensywne zu ycie tarciowe pod o a. Grubo w glikostalowych warstw powierzchniowych jest wi ksza, st d dla d ugiej drogi tarcia zu ycie jest mniejsze, mimo ni szej twardo ci WWP w stosunku do pow oki TiN. Analizuj c wyniki bada wytworzonych materia ów narz dziowych, nale y zwróci uwag, e niezale nie od zastosowanej techniki formowania proszków, wszystkie materia y spe niaj postawione za o enie i charakteryzuj si wysok twardo ci w glikostalowych warstw powierzchniowych. Niestety wytrzyma o na zginanie materia ów wytworzonych przez prasowanie proszków w matrycy lub w glikostalowych warstw formowanych wtryskowo, jest ni sza w porównaniu do klasycznych stali szybkotn cych. Ponadto warstwy powierzchniowe formowane wtryskowo nale y spieka w temperaturze 1240 C lub wy szej, w celu osi gni cia niskiej porowato ci. Temperatura ta jest zbyt wysoka dla zastosowanego pod o a ze stali HS G. Matula

2 Gradientowe warstwy powierzchniowe z w glikostali narz dziowych formowane bezci nieniowo i spiekane Najlepszymi w asno ciami charakteryzuj si materia y z warstwami powierzchniowymi wytwarzanymi metod bezci nieniowego formowania proszku. Warstwy te mo na spieka w ni szej temperaturze w stosunku do warstw formowanych wtryskowo. Jest to zwi zane z lepiszczem którego udzia jest wi kszy o oko o 20% w stosunku do materia ów formowanych wtryskowo, co wp ywa na wzrost st enia w gla aktywuj cego spiekanie. Umo liwia to spiekanie warstwy powierzchniowej w temperaturze poni ej 1240 C i zastosowanie na pod o e stali szybkotn cej HS6-5-2, która nie powinna by austenityzowana w temperaturze wy szej od 1230 C [46], ze wzgl du na rozrost ziaren austenitu pierwotnego i tworzenie si wydziele w postaci siatki w glików na granicach ziaren, co obni a w asno ci wytrzyma o ciowe. Przedstawiona metoda klasycznego formowania wyprasek o strukturze warstwowej, które w wyniku spiekania przyjmuj struktur gradientow o skokowym lub liniowym wzro cie udzia u w glików w kierunku powierzchni, nie pozwala uzyska oczekiwanych, wysokich w asno ci mechanicznych, w szczególno ci wysokiej wytrzyma o ci na zginanie. Materia y te nie stanowi konkurencji dla szeroko stosowanych w glików spiekanych o strukturze jednorodnej i zdecydowanie atwiejszej technologii produkcji. Podobne wyniki uzyskali A. Simchi i M. Khakbiz stosuj c SiC jako faz wzmacniaj c osnow stali HS Maksymalna wytrzyma o na zginanie po spiekaniu tych materia ów wynosi a 850 MPa, natomiast twardo ci 250 HV [170]. Wysok wytrzyma o na zginanie mo na uzyska infiltruj c porowate kszta tki, co zastosowali w Polsce J. Le a ski i M. Madej, wytwarzaj c kompozyty o osnowie stali HS6-5-2 wzmacnianej w glikiem WC [116]. Twardo tych kompozytów jest jednak ni sza od warstw powierzchniowych wytwarzanych przez prasowanie i prezentowanych w pracy. Niew tpliwie wysok twardo kompozytów o osnowie stali szybkotn cej mo na otrzyma przez mechaniczn syntez proszków stali szybkotn cych i w glików stosowan przez J.M. Torralb, A. Liu i innych [186, 196]. Jednak proszki stali szybkotn cych w wyniku stopowania mechanicznego z w glikami ulegaj rozdrobnieniu i umocnieniu, co obni a ich formowalno i zg szczalno podczas prasowania, a spiekanie swobodne nie zapewnia wysokiej g sto ci i wytrzyma o ci na zginanie [186]. Wyniki bada w asnych wykazuj, e zastosowane w glikostalowe warstwy powierzchniowe formowane wtryskowo, spiekane i obrobione cieplnie, charakteryzuj si wy sz twardo ci ni w glikostale wytworzone przez mechaniczn syntez proszków, prasowanie i spiekanie, w których nie stosuje si mi kkiej osnowy infiltruj cej [65, 69, 168]. Jedynie kompozyty o osnowie stali szybkotn cej, wzmacniane mieszanin w glika WC i kobaltu o udziale odpowiednio 44 i 6% cechuj si porównywaln twardo ci w stosunku do w glikostali 5. Podsumowanie i wnioski 127

3 Open Access Library Volume 7 (13) 2012 formowanych wtryskowo [114]. Spiekanie swobodne materia ów wytwarzanych metod PIM zapewnia wy sz wytrzyma o ci na zginanie w porównaniu do materia ów prasowanych, co jest spowodowane wzrostem st enia w gla aktywuj cego proces spiekania i mniejszej porowato ci. Niestety lokalnie wyst puj ce, p cherze gazu powstaj ce podczas formowania wtryskowego lub degradacji cieplnej nie s eliminowane podczas spiekania swobodnego, mimo obecno ci fazy ciek ej, co w efekcie obni a wytrzyma o na zginanie spieku. Z powodu wyst puj cych w materiale du ych p cherzy gazowych, dalsza obróbka cieplna nie wp ywa na wzrost wytrzyma o ci na zginanie, a maksymalna warto wynosz ca oko o 1400 MPa jest ni sza od wytrzyma o ci stali HS6-5-2 konwencjonalnie odlewanej i obrobionej cieplnie. Wyniki bada strukturalnych potwierdzi y za o enia, e stosowane lepiszcze, które oprócz g ównego zadania jakim jest umo liwienie formowania wtryskowego lub bezci nieniowego proszku, pe ni dodatkow rol jako ród o w gla aktywuj cego proces spiekania. Wzrost st enia w gla zale ny jest przy tym od rodzaju lepiszcza i warunków jego degradacji. Niekontrolowana degradacja lepiszcza i lokalny wzrost st enia w gla mo e prowadzi do miejscowego rozrostu w glików lub nawet nadtopnienia i dystorsji materia u narz dziowego. Prawid owo dobrane warunki degradacji które mimo wyników bada termograwimetrycznych nale y przeprowadzi eksperymentalnie, zapewniaj c kontrolowany wzrost st enia w gla, który nie tylko inicjuje proces spiekania, ale równie zwi ksza zakres temperatury, tzw. okno spiekania, które dla zastosowanej stali szybkotn cej HS6-5-2, prasowanej w matrycy sztywnej i spiekanej w pró ni wynosi poni ej 5 C [80]. Zapewnienie tak w skiego zakresu temperatury spiekania jest szczególnie trudne w przypadku stosowania pieców przemys owych, gdzie kontrola temperatury nie jest tak dok adna jak w warunkach laboratoryjnych. W przypadku stali szybkotn cych lub w glikostali wytwarzanych metod PIM, uzyskanie wysokich w asno ci mechanicznych wymaga zastosowania ko cowej obróbki cieplnej, która jest cz sto pomijana przez zespo y badawcze skupiaj ce si jedynie na formowaniu proszku, usuwaniu lepiszcza i doborze warunków spiekania [100, 101, ]. Zatem zasadne s podj te badania w celu wyja nienia wp ywu lepiszcza i warunków wytwarzania materia ów narz dziowych, na ko cow struktur i w asno ci mechaniczne stali szybkotn cej lub w glikostali, dzi ki którym stwierdzono, e wzrost st enia w gla zwi ksza udzia austenitu szcz tkowego, co wykaza y badania metod rentgenowskiej analizy ilo ciowej po hartowaniu. Decyduje to o obni eniu twardo ci osnowy stalowej i wymusza stosowanie odpuszczania w wy szej temperaturze w stosunku do temperatury odpuszczania klasycznej stali szybkotn cej HS G. Matula

4 Gradientowe warstwy powierzchniowe z w glikostali narz dziowych formowane bezci nieniowo i spiekane Metoda formowania bezci nieniowego proszków daje mo liwo wytworzenia gradientowej, w glikostalowej warstwy powierzchniowej na pod o u ze stali HS6-5-2, o wysokiej twardo ci dochodz cej do ponad 1300 HV0,1 i najwy szej odporno ci na zu ycie tarciowe spo ród badanych materia ów (rys i 4.91, 4.93 i 4.94). Tak wysok twardo WWP otrzymano po spiekaniu i bezpo rednim hartowaniu z temperatury 1230 C i trzykrotnym odpuszczaniu w 570 C. Wytrzyma o na zginanie stali szybkotn cej HS6-5-2 zastosowanej jako pod o e i obrobionej cieplnie w tych samych warunkach dochodzi do ponad 3000 MPa [46]. W wytworzonych materia ach, warto ta jest niew tpliwie zale na od kszta tu i wielko ci porów w spiekanej warstwie powierzchniowej, od których zaczyna si propagacja p kni. W omawianej warstwie powierzchniowej kszta t porów jest kulisty, ich wielko nie przekracza 2,5 m, a udzia 1%. Interesuj cym rozwi zaniem jest wytworzona WWP na bazie proszku stali szybkotn cej HS6-5-2 (O) wzmacnianej w glikiem WC, który podczas spiekania rozpuszcza si i tworzy M 6 C, o znacznie wi kszym udziale obj to ciowym ni udzia WC. Mimo ni szej twardo ci M 6 C w stosunku do WC, twardo WWP po spiekaniu wynosi oko o 1050 HV0,1. Zalet WWP wytwarzanych z mieszaniny proszku stali szybkotn cych i w glików WC jest naturalna wysoka twardo po spiekaniu, nie wymagaj ca dodatkowej obróbki cieplnej. Obróbka cieplna jest zalecana jedynie w przypadku niskich w asno ci mechanicznych rdzenia po spiekaniu warstwy powierzchniowej. Zastosowanie tego rodzaju w glikostalowej warstwy powierzchniowej na pod o u ze stali niestopowych jest bardziej uzasadnione, poniewa temperatura spiekania warstwy mo e by wy sza od 1230 C, czyli maksymalnej temperatury austenityzowania stali HS Ponadto po spiekaniu warstwy powierzchniowej mo na wykona obróbk ciepln rdzenia ze stali niestopowej, która nie wp ywa na obni enie twardo ci warstwy. Mo liwo ci zastosowa opracowanej technologii s do szerokie i nie s skierowane do wytwarzania narz dzi o konkretnych zastosowaniach. Dzi ki w glikowej warstwie powierzchniowej formowanej bezci nieniowo mo na poprawi w asno ci u ytkowe narz dzi do obróbki plastycznej lub skrawaj cych. Mo na równie w ten sposób regenerowa powierzchni zu ytych narz dzi lub elementów pracuj cych w warunkach zu ycia tarciowego. Wytwarzanie elementów lub narz dzi o tak dobranych w asno ciach niew tpliwie spe nia oczekiwania szerokiego rynku odbiorców i producentów. Metoda PLF nie wymaga specjalnego przygotowania powierzchni pod o a, jak np. w technice PVD i CVD, za samo formowanie g stwy polimerowo-proszkowej mo na stosowa w produkcji masowej jak równie w warunkach 5. Podsumowanie i wnioski 129

5 Open Access Library Volume 7 (13) 2012 laboratoryjnych, w skali jednostkowej. O mo liwo ci automatyzacji procesu podczas produkcji seryjnej decyduje sposób formowania pow oki, który w tym przypadku powinien si opiera na technice malowania natryskowego lub proszkowego. Grubo pow oki mo na w atwy sposób regulowa stosuj c jedno lub kilkakrotne nak adanie g stwy proszek-lepiszcze na powierzchni pod o a. Szczególn uwag nale y zwróci na technologi bezci nieniowego formowania pow ok na stalach narz dziowych niestopowych lub konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego. Twardo wytworzonych WWP tych materia ów narz dziowych jest zbli ona do twardo ci w glików spiekanych, natomiast brak w glikotwórczych dodatków stopowych w rdzeniu niew tpliwie obni a koszt gotowego narz dzia. Zatem po dane, wysokie w asno ci u ytkowe mo na osi gn relatywnie niskim kosztem, zwi zanym w g ównej mierze z cen proszków stali szybkotn cej i w glików w WWP, lepiszcza, obróbki cieplnej oraz kosztem stali niestopowej. Ponadto niew tpliw zalet opracowanych i wytworzonych materia ów jest brak drogich, deficytowych i jednocze nie szkodliwych dla zdrowia pierwiastków takich jak kobalt i nikiel, szeroko stosowanych jako osnowa podstawowych materia ów narz dziowych, tj. w glików spiekanych i cermetali, przeznaczonych do obróbki skrawaniem. Szczegó owe badania WWP wytwarzanych przez formowanie wtryskowe oraz bezci nieniowe proszków, wskazuj na synergiczny efekt poszczególnych operacji zastosowanych w procesie technologicznym. Nale y tu wymieni przede wszystkim nast puj ce korzy ci: zastosowanie lepiszcza którego g ównym celem jest mo liwo nadania kszta tu g stwie polimerowo-proszkowej skutkuje wzrostem st enia w gla aktywuj cego proces spiekania, zwi kszaj cego zakres temperatury spiekania, zapobiegaj cego odw gleniu podczas wygrzewania w wysokiej temperaturze. W przypadku WWP na pod o u stalowym, wzrost st enia w gla w obszarze granicznym pomi dzy pow ok i pod o em przyczynia si do silnego po czenia z pod o em, o charakterze dyfuzyjnym. zastosowanie atmosfery ochronnej N 2-10%H 2 pozwala skutecznie przeprowadzi degradacj ciepln lepiszcza, a zarazem zapobiec utlenianiu si powierzchni, wprowadzaj c jednocze nie do spieku po dany azot, tworz cy drobne wydzielenia w glikoazotków, ograniczaj cych rozrost ziarna innych wydziele w glikowych oraz ziaren osnowy, zastosowanie bezpo redniego hartowania z temperatury spiekania czyli obróbki sinterhardening, wyklucza konieczno ponownego nagrzewania materia u do temperatury austenityzowania, skracaj c jednocze nie operacj ch odzenia spieku i umo liwiaj c 130 G. Matula

6 Gradientowe warstwy powierzchniowe z w glikostali narz dziowych formowane bezci nieniowo i spiekane nasycenie pierwiastkami stopowymi osnow spieku, co wp ywa na wydzielanie si dyspersyjnych w glików umacniaj cych osnow podczas wysokiego odpuszczania, zastosowanie dodatkowo mieszaniny w glików, w szczególno ci faz mi dzyw z owych o sieci regularnej, stabilnych w wysokiej temperaturze spiekania i austenityzowania, hamuje rozrost ziarna austenitu pierwotnego, ponadto zwi ksza twardo w glikostali. Na zasadno wprowadzenia do materia ów formowanych wtryskowo lub bezci nieniowo mieszaniny w glików, g ównie WC i TiC, wskazywa y wyniki bada materia ów klasycznie prasowanych. W glik WC, rozpuszczaj c si obni a temperatur spiekania w glikostali HS6-5-2/WC natomiast stabilny w glik TiC wymusza konieczno spiekania w glikostali HS6-5-2/TiC w wy szej temperaturze w stosunku do temperatury spiekania osnowy, z uwagi na wyst puj ce liczne pory. W celu spiekania materia u o pod o u ze stali formowanej wtryskowo HS6-5-2 (O) oraz WWP w tym samym cyklu grzewczym zastosowano mieszanin MW. Umo liwia to spiekanie stalowego pod o a HS6-5-2 oraz WWP HS6-5-2/MW w tej samej temperaturze 1260 C. Niezale nie od rodzaju stosowanego lepiszcza, które wp ywa na sposób formowania g stwy polimerowo-proszkowej, a tak e niezale nie od atmosfery i temperatury spiekania w w glikostalach wzmacnianych w glikami MW ca kowicie wyeliminowano wydzielanie si du ych, eutektycznych w glików, typowych dla stali szybkotn cych spiekanych swobodnie w temperaturze przekraczaj cej lini solidus, a czasami równie austenityzowanych w tych warunkach, co powoduje lokalne nadtopienia. Jest to szczególnie istotne z uwagi na mo liwo rozszerzenia zakresu temperatury spiekania w glikostalowych warstw powierzchniowych na pod o u stalowym, który jest ograniczony jedynie z powodu utraty kszta tu spiekanego elementu, nie za w wyniku rozrostu w glików. Dzi ki tej w asno ci, nie jest konieczne stosowanie urz dze grzewczych wyposa onych w bardzo dok adne uk ady pomiarowokontrolne podczas spiekania, zapewniaj ce stabilno temperatury w bardzo w skim przedziale, tj. poni ej 5 C dla zastosowanej stali szybkotn cej HS Na podstawie analizy uzyskanych wyników bada, sformu owano nast puj ce wnioski ko cowe: 1. Zastosowane techniki formowania proszków i spiekania, umo liwiaj wytworzenie materia u narz dziowego o strukturze i w asno ciach zmieniaj cych si w sposób gradientowy ci g y lub dyskretny, co pozwala po czy wysok ci gliwo rdzenia stalowego z wysok 5. Podsumowanie i wnioski 131

7 Open Access Library Volume 7 (13) 2012 twardo ci i odporno ci na zu ycie tarciowe w glikostalowej warstwy powierzchniowej narz dzia. Najlepszymi w asno ciami charakteryzuje si materia wytwarzany opracowan metod formowania bezci nieniowego g stwy polimerowo-proszkowej pow ok, które po spiekaniu i obróbce cieplnej stanowi w glikow warstw powierzchniow stalowego pod o a, wytwarzanego w innym procesie technologicznym. 2. Analiza wyników bada umo liwia wyja nienie wp ywu metody formowania g stwy polimerowo-proszkowej na w asno ci spieków charakteryzuj cych si nisk porowato ci oraz homogeniczn i drobnoziarnist struktur w porównaniu do spieków wytwarzanych przez klasyczne prasowanie i spiekanie. Szczególn rol pe ni zastosowane lepiszcze oraz jego niekompletna degradacja, dzi ki której dodatkowo wprowadzony w giel aktywuje spiekanie. Konieczna jest cis a kontrola procesu degradacji lepiszcza, poprzedzona badaniami termograwimetrycznymi oraz do wiadczalnymi, poniewa zbyt du y wzrost st enia w gla w stali szybkotn cej lub w glikostali prowadzi do nadtopienia i dystorsji materia ów spiekanych oraz wzrostu austenitu szcz tkowego po obróbce cieplnej. 3. Wprowadzenie do stali szybkotn cej mieszaniny w glików MW (WC, TiC, TaC, NbC) oraz spiekanie w atmosferze N 2-10%H 2 zapobiega powstawaniu struktury eutektycznej, powstaj cej w wyniku nadtopie, podczas wygrzewania w zbyt wysokiej temperaturze spiekania lub austenityzowania stali szybkotn cych. Mimo nadtopie i wyst puj cej fazie ciek ej podczas spiekania w glikostali, o czym wiadczy dystorsja próbek spiekanych w wysokiej temperaturze 1290 i 1300 C, struktura jest homogeniczna i drobnoziarnista z jednorodnie rozmieszczonymi wydzieleniami w glików, w której nie stwierdzono wyst powania charakterystycznych, du ych wydziele w glikowych w kszta cie rybich szkieletów lub chi skiego pisma typowych dla stali szybkotn cych spiekanych swobodnie lub austenityzowanych w temperaturze przekraczaj cej lini solidus. 4. Na podstawie precyzyjnych danych dotycz cych w asno ci mieszaniny polimerowo-proszkowej, mo liwe jest modelowanie wtrysku z wykorzystaniem metody elementów sko czonych i obserwacja procesu wype niania matrycy g stw polimerowo-proszkow w poszczególnych krokach wtrysku. Szczególnego podkre lenia wymaga aspekt praktyczny, jaki stwarza modelowanie wtrysku, gdy mo e to cz ciowo zast powa kosztowne próby technologiczne. Wyniki bada reologicznych oraz przeprowadzona symulacja komputerowa formowania wtryskowego proszku z wykorzystaniem programu Cadmould wykaza y, e wytworzone mieszaniny polimerowo-proszkowe mo na formowa wtryskowo, co potwierdzono 132 G. Matula

8 Gradientowe warstwy powierzchniowe z w glikostali narz dziowych formowane bezci nieniowo i spiekane przeprowadzaj c formowanie wtryskowe proszku na typowych wtryskarkach stosowanych w przemy le. Warunki formowania wtryskowego, w szczególno ci rzeczywisty czas wype nienia gniazda jest porównywalny z czasem, który przedstawia symulacja komputerowa. 5. Metoda formowania bezci nieniowego proszku mo e by wykorzystana do wytwarzania w glikostalowych warstw powierzchniowych o gradiencie struktury i w asno ci w celu wytworzenia materia ów narz dziowych lub innych, pracuj cych w warunkach zu ycia tarciowego. Spiekanie z udzia em fazy ciek ej proszku stanowi cego pow ok formowan bezci nieniowo, prowadzi do metalicznego po czenia z pod o em stalowym, a brak wyra nej granicy pomi dzy pod o em i pow ok pozwala traktowa j jako warstw wierzchni materia u narz dziowego wzmacnian dodatkow w glikami i w glikoazotkami. Technologia wytwarzania w glikostalowych warstw powierzchniowych umo liwia zwi kszenie odporno ci na zu ycie tarciowe komercyjnego materia u narz dziowego w stosunku do jego w asno ci pocz tkowych. Mo na j równie stosowa w procesie regeneracji zu ytych powierzchni narz dzi lub elementów pracuj cych w warunkach zu ycia tarciowego. 5. Podsumowanie i wnioski 133