6. Opracowanie technologii otrzymywania bazowego materia u z kompozytu proszków metali

Transkrypt

1 Open Access Library Volume 9 (15) Opracowanie technologii otrzymywania bazowego materia u z kompozytu proszków metali 6.1. Wymagania techniczne dla tulei o yskowych W krajach wysoko uprzemys owionych prowadzone s badania zmierzaj ce do znalezienia nowych materia ów o podwy szonych w asno ciach tribologicznych, w tym odpornych na zu ycie i zatarcia, szczególnie dla cz ci pracuj cych w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Wspó pracuj ce ze sob cz ci maszyn oraz elementów ró nych urz dze podlegaj zu yciu, przyczyn którego jest przede wszystkim tarcie. Destrukcja struktury warstwy wierzchniej oraz ubytek masy jest naturaln konsekwencj procesów tarcia. Powoduje to zmiany geometrii oraz w a ciwo ci eksploatowanych elementów. Niekorzystnych zjawisk wynikaj cych z mechanicznej wspó pracy powierzchni podlegaj cych tarciu nie mo na ca kowicie unikn. Mo na je jednak znacznie zredukowa poprzez odpowiednie przygotowanie samej powierzchni i w a ciwy dobór materia u warstwy wierzchniej. St d te zainteresowanie wielu o rodków naukowych nowymi sposobami formowania warstwy wierzchniej, która modyfikuje w a ciwo ci tribologiczne elementów wspó pracuj cych. Wspó czesne samoloty wyró niaj si wysokim poziomem niezawodno ci i bezpiecze stwem. Pomimo tego ci gle poszukuje si nowych materia ów zapewniaj cych wi ksze bezpiecze stwo w procesie eksploatacji. Du e mo liwo ci w zakresie projektowania ich w asno ci znajduj si w technologiach wytwarzania wykorzystuj cych procesy metalurgii proszków w po czeniu z procesami obróbki plastycznej, takimi jak kucie matrycowe dok adne. Takie po czenie procesów wytwarzania umo liwia otrzymywanie nie tylko wyrobów z proszków i spieków metali, ale tak e kompozytów na ich osnowie wzmocnionych w óknami lub umocnionych cz stkami fazy twardej z osnow. Alternatyw dla ww. procesów jest impregnowanie porowatych materia ów proszkowych specjalnymi mieszankami zawieraj cymi mikro- i nanocz stki smarów sta ych, np. siarczków [81]. Warunki pracy o ysk lizgowych wymagaj aby materia y o yskowe odznacza y si : ma ym wspó czynnikiem tarcia, du odporno ci na zu ycie, szybkim docieraniem si z wspó pracuj cym czopem, dobr smarowno ci, mo liwo ci wch aniania produktów zu ycia w warstw wierzchni, dobr wytrzyma o ci na ciskanie, wytrzyma o ci zm czeniow, odporno ci na uderzenia, 60 H.M. Wi niewska-weinert

2 Kompozyty z siarczkowymi nanocz stkami grafenopodobnymi dobrym przewodnictwem cieplnym, odpowiednim wspó czynnikiem rozszerzalno ci cieplnej, odporno ci korozyjn. Dotychczas w rozpatrywanych uk adach wentylacyjnych stosuje si o yska grafitowe. Mimo, i charakteryzuj si one dobrymi w a ciwo ciami lizgowymi (warto wspó czynnika tarcia notuje si na ok. 0,1-0,2), równie podczas przerw w smarowaniu, wykazuj one nisk odporno na p kanie i kruszenie pod wp ywem si y, która na ni dzia a, a tak e nie s odporne na utleniaj ce rodowisko kwasowe. W o yskach smarowanych olejem, przy jego niedostatku mo e powsta pasta z py u w glowego i oleju, która mo e zaburzy dzia anie o yska przez zwi kszenie tarcia i zu ycie czopa. Kompozyty grafitu wype nionego w glikiem krzemu stosowane s przede wszystkim na wysoko obci one o yska lizgowe oraz jako materia na elementy pracuj ce w wysokich temperaturach (do temp. 600 C). Nowe tuleje o yskowe, wykonane z proszków spiekanych, w porównaniu do stosowanych o ysk grafitowych powinny charakteryzowa si : zwi kszon odporno ci na korozj i utlenianie, zwi kszon odporno ci na gwa towne obci enia, zmniejszonym wspó czynnikiem tarcia (sta ym w ca ym okresie pracy), zwi kszon odporno ci na zmienne obci enia Dobór sk adu chemicznego mieszanki proszkowej Rysunek 24 przedstawia w ze konstrukcyjny uk adu wentylacyjnego samolotu Airbus, w którym pracuje wybrana do bada tuleja o yskowa. Aby dobra odpowiedni sk ad chemiczny mieszanki proszkowej potrzebnej dla wytworzenia tulei spiekanych przeprowadzono badania dylatometryczne materia u wa ka, z którym ww. tuleje maj wspó pracowa oraz opracowanych mieszanek proszkowych. Badania te pozwoli y na wytypowanie do dalszych bada mieszanki proszkowej o rozszerzalno ci cieplnej zbli onej do rozszerzalno ci cieplnej wa ka w zakresie temperatur pracy zaworu. Poniewa jednym z podstawowych wymaga stawianym tulei by a jej dobra odporno korozyjna, dlatego te w pierwszym etapie doboru sk adu chemicznego tulei przygotowano dwa warianty mieszanek. Jeden na bazie proszku stali odpornej na korozj 316L z dodatkiem Ni mieszanka INOP mix 20 oraz drugi na bazie proszku Ni-Cr mieszanka INOP mix 21. Z opracowanych mieszanek wykonano próbki poprzez prasowanie, spiekanie i dokuwanie (rys. 25). 6. Opracowanie technologii otrzymywania bazowego materia u z kompozytu proszków metali 61

3 Open Access Library Volume 9 (15) 2012 Z przygotowanych próbek wyci to próbki do bada dylatometrycznych ( 2x12 mm). Celem okre lenia wp ywu procesu dokuwania na w asno ci termiczne tulei, próbki z mieszanki INOP mix 20 wyci to po procesie spiekania oraz po procesie dokuwania. Wyniki bada przedstawiono na rysunkach 26 i 27. Rysunek 24. Badana tuleja w w le konstrukcyjnym [63] Rysunek 25. Konstrukcja badanej tulei [badania w asne] 62 H.M. Wi niewska-weinert

4 Kompozyty z siarczkowymi nanocz stkami grafenopodobnymi Otrzymane wyniki pokazuj, e próbki z mieszanki na bazie stopu niklowo-chromowego (mieszanka INOP mix 21) wykazuj znacznie mniejszy wspó czynnik rozszerzalno ci termicznej w porównaniu z materia em wa ka. Natomiast dla próbek ze stali nierdzewnej z dodatkiem Ni (INOP mix 20) ró nica ta jest mniej znacz ca. I tak, je eli dla temperatury 250 o C wspó czynnik rozszerzalno ci termicznej dla wa ka stanowi 1, , to dla mieszanki proszkowej INOP Rysunek 26. Zale no dylatacji od temperatury dla wybranych materia ów [badania w asne] Rysunek 27. Zale no wspó czynnika liniowej rozszerzalno ci cieplnej od temperatury dla wybranych próbek [badania w asne] 6. Opracowanie technologii otrzymywania bazowego materia u z kompozytu proszków metali 63

5 Open Access Library Volume 9 (15) 2012 mix 20 oraz INOP mix 21 wynosi on odpowiednio 1, i 1, Dla materia u INOP mix 21 powoduje to znaczn ró nic deformacji materia u wa ka i tulejki. Charakter zmiany wspó czynnika liniowej rozszerzalno ci termicznej obydwu materia ów przedstawiono na rysunku 27. Widoczny jest na nim równie wp yw procesu dokuwania na w a ciwo ci termiczne dla tej samej mieszanki proszkowej. Uwzgl dniaj c te wyniki próbki do dalszych bada przygotowywano poprzez dokuwanie, aby odwzorowa w badaniach dylatometrycznych g sto opracowywanych tulei proszkowych. Analiza wyników bada wykazuje, e podczas pracy tulei wykonanych z mieszanki proszkowej nr INOP mix 21 w temperaturze eksploatacji 500 o C nast puje zmniejszenie si luzu pomi dzy wa kiem a tulej, co prowadzi do zatarcia si pary. Niezb dna jest wi c optymalizacja sk adu chemicznego mieszanki proszkowej, celem osi gni cia podobnych wspó czynników rozszerzalno ci termicznej wspó pracuj cych elementów. Do dalszej cz ci bada przygotowano próbki z kolejnych trzech mieszanek: INOP mix 23 na bazie stali nierdzewnej ze zwi kszon zawarto ci Ni i Cr, INOP mix 24 na bazie stali 316L bez dodatkowych pierwiastków stopowych, INOP mix 25 na bazie proszku Ni-Cr z dodatkiem Mo. Próbki przygotowano poprzez prasowanie, spiekanie i dokuwanie. Rysunek 28. Zale no wspó czynnika liniowej rozszerzalno ci cieplnej od temperatur dla badanych próbek 64 H.M. Wi niewska-weinert

6 Kompozyty z siarczkowymi nanocz stkami grafenopodobnymi Wyniki bada dylatometrycznych dla wszystkich wariantów sk adów chemicznych pokazano na rysunku 28. Porównanie krzywych wspó czynnika rozszerzalno ci liniowej dla próbek proszkowych i materia u wa ka pozwoli o na wytypowanie do dalszych bada mieszanki oznaczonej symbolem INOP mix 23. Rozszerzalno liniowa próbek przygotowanych z wybranej mieszanki oraz z wa ka w ca ym zakresie badanych temperatur, a wiec w zakresie temperatury eksploatacji, jest najbardziej zbli ona Technologie wytwarzania materia u bazowego z proszków metalu W Instytucie Obróbki Plastycznej opracowano, pod kierunkiem Autorki, nowy sposób wytwarzania spieków na zimno w dwóch operacjach kszta towania. Dotychczas stosuje si z regu y technologi wytwarzania w jednej operacji kszta towania [20, 21]. W technologii wytwarzania wyrobów z proszków spiekanych w jednej operacji kszta towania (rys. 29) dany wyrób otrzymuje ostateczny kszta t podczas operacji prasowania. T metod wytwarzane s elementy, od których nie jest wymagana wysoka g sto. Przyk ady cz ci oraz ich charakterystyk i zastosowanie przedstawiono w rozdziale 2. Technologia wytwarzania spieków na zimno w dwóch operacjach kszta towania plastycznego jest innowacyjn technologi opracowan w Instytucie Obróbki Plastycznej. Rysunek 29. Technologia wytwarzania wyrobów z proszków spiekanych w jednej operacji kszta towania [badania w asne] 6. Opracowanie technologii otrzymywania bazowego materia u z kompozytu proszków metali 65

7 Open Access Library Volume 9 (15) 2012 Ta unikalna technologia zosta a opracowana podczas realizacji zada w mi dzynarodowym projekcie EUREKA [57-59], który koordynowa a Autorka i jest chroniona europejskim patentem [28]. Na rysunku 30 przedstawiono przebieg procesu technologicznego wytwarzania materia u bazowego elementów w dwóch operacjach kszta towania plastycznego. Operacja dokuwania pozwala na uzyskanie skomplikowanego kszta tu wyrobu z jednoczesnym podwy szeniem g sto ci sprasowanych i wst pnie spieczonych pó wyrobów. Na tym etapie wyst puj znaczne odkszta cenia plastyczne, a stosowane ci nienia porównywalne s z ci nieniami przy prasowaniu proszku. Technologia kszta towania w dwóch operacjach kszta towania plastycznego na zimno pozwala na uzyskanie ko cowego wyrobu o g sto ci do 98% materia u litego. Tak sam g sto mo na uzyska tylko w procesie kucia wyrobu spiekanego na gor co, jednak w takim procesie nie uzyskuje si tak du ej dok adno ci wykonania. Ostateczne podwy szenie twardo ci nast puje po obróbce cieplno-chemicznej. Uzyskiwane twardo ci zale ne s od g sto ci wyrobu i sk adu chemicznego u ytej mieszanki oraz parametrów Rysunek 30. Przebieg procesu technologicznego wytwarzania wyrobów z proszków spiekanych w dwóch operacjach kszta towania plastycznego [badania w asne] 66 H.M. Wi niewska-weinert

8 Kompozyty z siarczkowymi nanocz stkami grafenopodobnymi obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej. Technologia ta chroniona jest patentem europejskim [28]. Elementy wykonane t technologi przedstawiono w rozdziale 2. Tak otrzymany proszkowy materia bazowy mo na modyfikowa nano i mikrocz stkami. Przebieg procesu technologicznego kszta towania wyrobów z nowego kompozytu na bazie materia u proszkowego (rys. 31) stosowany jest dla tych cz ci, od których wymagane s zarówno wysokie w a ciwo ci wytrzyma o ciowe i tribologiczne. Odpowiedni dobór parametrów procesów pozwala uzyska cz ci konstrukcyjne w szerokim zakresie g sto ci, twardo ci, a tak e o niskim wspó czynniku tarcia. Technika modyfikowania materia ów proszkowych siarczkowymi nanocz stkami grafenopodobnymi otwiera nowy kierunek wykorzystania tych materia ów. Pierwsze badania nad tym materia em kompozytowym wykonano w projekcie zamawianym koordynowanym przez Instytut Odlewnictwa w latach G ównym Wykonawc zada INOP by a Autorka tego opracowania [82-85]. Otrzymano kompozyt o podwy szonej odporno ci na zu ycie cierne, którego zastosowanie mo e obni y koszty eksploatacji w wyniku eliminacji smarowania elementów w czasie pracy. Jest to szczególnie wa ne dla cz ci konstrukcyjnych pracuj cych w specjalnych warunkach np. pod wod lub w pró ni, gdzie doprowadzenie smaru podczas pracy jest bardzo trudne. Rysunek 31. Przebieg procesu technologicznego kszta towania wyrobów z kompozytu z siarczkowymi nanocz stkami grafenopodobnymi [badania w asne] 6. Opracowanie technologii otrzymywania bazowego materia u z kompozytu proszków metali 67

9 Open Access Library Volume 9 (15) Dobór parametrów technologii W ramach bada wykonanych w INOP w dwóch mi dzynarodowych projektach badawczych w VI Programie Ramowym [67-73], których koordynatorem by a Autorka, opracowano dokumentacj konstrukcyjn i wykonano narz dzia do wiadczalne do prasowania tulei o yskowej. Komplet narz dzi do prasowania sk ada si z: matrycy, trzpienia, stempla górnego i stempla dolnego. Narz dzia do wiadczalne wykonano ze stali narz dziowej do pracy na zimno gatunku NC10. Stemple górny i dolny obrobiono cieplnie do twardo ci HRC, a trzpie i matryc obrobiono cieplnie do twardo ci HRC. Konstrukcj narz dzi do wiadczalnych do prasowania tulei przedstawiono na rysunkach Znaj c wymagania wymiarowe i g sto tulei po prasowaniu okre lono wst pne warunki prasowania. Stosunkowo nisk g sto 6,0-6,1 g/cm 3 i wysoko 22,7 mm wypraski uzyskano przy naciskach 400 N/mm 2 (10 t) i masie nawa ki 29,9 g. Partia próbna tulei ST500 zosta a wykonana z mieszanki proszkowej INOP mix 23 opracowanej na bazie proszku stali nierdzewnej 316L. Rysunek 32. Narz dzia do wiadczalne do prasowania tulei stempel górny i stempel dolny [badania w asne] 68 H.M. Wi niewska-weinert

10 Kompozyty z siarczkowymi nanocz stkami grafenopodobnymi Próby prasowania na narz dziach do wiadczalnych przeprowadzono na maszynie wytrzyma o ciowej ZD-30 w Zak adzie Badania Metali. Po prasowaniu wykonano pomiary metrologiczne wypraski tulei. Wyniki zosta y przedstawione w tablicy 5. Rysunek 33. Narz dzia do wiadczalne do prasowania tulei trzpie [badania w asne] Rysunek 34. Narz dzia do wiadczalne do prasowania tulei matryca [badania w asne] 6. Opracowanie technologii otrzymywania bazowego materia u z kompozytu proszków metali 69

11 Open Access Library Volume 9 (15) 2012 Po procesie prasowania, wypraski tulei poddane zostažy spiekaniu wstcpnemu w atmosferze zdysocjowanego amoniaku (75% H2 + 25% N2) w temperaturze zgodnie z patentem [28], a nastcpnie spiekaniu wysokiemu w piecu prócniowym w temperaturze 1200oC/1 h. Tablica 5. Wymiary wypraski tulei po prasowaniu [badania wžasne] Vrednica zew. Vrednica wew. Wypraska WysokoW5 nr H, mm hd1, mm hd2, mm 1 24,71 29,90 22, ,69 29,90 22, ,71 29,89 22, ,70 29,91 22, ,71 29,91 22,733 Masa, g 29,80 29,80 29,83 29,85 29,84 Rysunek 35. Obrazy SEM tulei po spiekaniu wstcpnym [badania wžasne] 70 H.M. WiWniewska-Weinert

12 Kompozyty z siarczkowymi nanocz>stkami grafenopodobnymi Na podstawie obserwacji przežomów próbek po spiekaniu wstcpnym (rys. 35), przeprowadzonych na elektronowym mikroskopie skaningowym (SEM) mocna stwierdzi5, ce nast>pižo tylko czcwciowe pož>czenie cz>stek proszku. Widoczne duce cz>stki nie ulegžy spiekaniu, tylko mniejsze cz>stki skonsolidowažy sic. PrzeŽom ma charakter kruchy, powierzchnie cz>stek s> w wickszowci gžadkie. Inny charakter powierzchni widoczny jest na przežomie tulejek po wysokim spiekaniu w prócni w temperaturze 1200oC/1h (rys. 36). Wyraane wyrwania na powierzchni cz>stek Wwiadcz> o pož>czeniu cz>stek proszku po procesie wysokiego spiekania. Mocna zauwacy5 duco mniej przestrzeni pomicdzy cz>stkami proszku. Rysunek 36. Obrazy SEM tulei po spiekaniu wysokim [badania wžasne] 6. Opracowanie technologii otrzymywania bazowego materiažu z kompozytu proszków metali 71

13 Open Access Library Volume 9 (15) 2012 Po spiekaniu wysokim przeprowadzono pomiary metrologiczne i masy tulei. Wyniki tych pomiarów przedstawiono w tablicy 7. Porównuj c masy tulejek z tablicy 6 i 7, mo emy stwierdzi e masa cz ci po spiekaniu wysokim jest ni sza od masy wyprasek po prasowaniu. Jest to wynikiem wypalenia rodka po lizgowego (stearynianu cynku). Tablica 6. Wymiary tulei po spiekaniu wysokim [badania w asne] Tuleja nr rednica wew. D 1, mm rednica zew. D 2, mm Wysoko H, mm Masa, g 1 24,52 29,81 22,438 29, ,40 29,75 22,447 29, ,46 29,70 22,547 29, ,44 29,71 22,575 29, ,45 29,69 22,542 29,59 Tablica 7. G sto tulei po spiekaniu wysokim [badania w asne] Tuleja nr m 1, g m 3, g m 4, g g w, g/cm 3, g/cm , , ,9281 0,997 6, , , ,8412 0,997 5, , , ,8867 0,997 6, , , ,9090 0,997 6, , , ,8625 0,997 5,97 rednia 6,01 Przeprowadzono równie badania g sto ci pi ciu losowo wybranych tulejek, zgodnie z PN-EN ISO 2738:2001, wed ug zale no ci: m g 1 w (2) m 3 m 4 gdzie: m 1 masa próbki suchej przed parafinowaniem, m 3 masa próbki po parafinowaniu wa ona nad wod, m 4 masa próbki po parafinowaniu wa ona w wodzie, g w g sto wody zale na od temperatury otoczenia. Wyniki tych pomiarów przedstawiono w tablicy 7. G sto badanych tulei po spiekaniu wysokim mie ci si w granicach 5,97-6,04 g/cm 3 i zapewnia przeprowadzenie procesu impregnowania aby uzyska warstw rodka po lizgowego. 72 H.M. Wi niewska-weinert

14 Kompozyty z siarczkowymi nanocz stkami grafenopodobnymi Po spiekaniu wysokim próbki tulei zosta y poddane procesowi kalibrowania celem dopasowania rednicy zewn trznej D 2 do gniazda impregnacyjnego w przyrz dzie ci nieniowym. Kalibrowanie przeprowadzono narz dziami badawczymi (rys. 37), przy u yciu prasy o nacisku max. 30 kn (3 t) w Zak adzie Zaawansowanych Technologii Kszta towania. Narz dzia badawcze do kalibrowania tulei ST500 sk adaj si z matrycy i stempla. Wykonano je ze stali narz dziowej do pracy na zimno gatunku NC10 i obrobiono cieplnie do twardo ci HRC. Wyniki kalibrowania wymiaru rednicy zewn trznej tulei podano w tablicy 8. Wymiar ten mie ci si w przedziale 29,59-29,79 mm i jest odpowiedni do umieszczenia w przyrz dzie do impregnacji ci nieniowej. Jest to materia bazowy do wytwarzania kompozytowej tulei o yskowej. Rysunek 37. Narz dzia badawcze do kalibrowania tulei [badania w asne] Tablica 8. Porównanie wymiaru D 2 [badania w asne] Tuleja rednica zewn trzna D 2, mm nr po spiekaniu wysokim po kalibrowaniu ,81 29, ,75 29, ,70 29, ,71 29, ,69 29,59 6. Opracowanie technologii otrzymywania bazowego materia u z kompozytu proszków metali 73