4. Wnioski wynikaj ce z przegl du literatury

Transkrypt

1 4. Wnioski wynikaj ce z przegl du literatury Od wielu lat przemys metalurgii proszków osi ga wysokie tempo rozwoju, poniewa oferuje cz ci o kszta tach z o onych i coraz wi kszych gabarytach oraz ta szych kosztach wytwarzania w porównaniu do materia ów litych. Badania rynku wykonane pod koniec lat dziewi dziesi tych XX wieku dowiod y, e potencjalny rynek zbytu wyrobów metalurgii proszków mo e by co najmniej trzykrotnie wi kszy od obecnego, pod wzgl dem wytwarzanych cz ci do silników samochodowych i skrzyni biegów, zw aszcza w przypadku produkcji samochodów o podwy szonych wymaganiach dotycz cych uzyskania wy szych osi gów [22, 53]. Nale y podkre li, e wi kszo cz ci wytwarzanych z materia ów proszkowych (oko o 70%) musi posiada dobre w a ciwo ci lizgowe i wysok odporno na zu ycie, poniewa znajduj si w silnikach i uk adach przeniesienia nap du. G ównym celem bada wykonywanych w obszarze metalurgii proszków, opisywanych w literaturze, by o zwi kszenie wytrzyma o ci i w asno ci tribologicznych elementów konstrukcyjnych z proszków metali. Warto w tym miejscu wspomnie o niektórych z nich, a mianowicie: opracowanie lepszych metod analizy konstrukcji w celu optymalnego wykorzystania produktów o standardowej g sto ci/poziomie wytrzyma o ci; post py w technikach wytwarzania stopów prowadz ce do zwi kszenia wytrzyma o ci proszków spiekanych; optymalizacja obróbki cieplnej cz ci spiekanych, w tym wprowadzenie procesu utwardzania poprzez spiekanie; utwardzanie powierzchniowe cz ci spiekanych, w tym opracowywanie gatunków proszków przystosowanych do optymalizacji reakcji na utwardzanie powierzchniowe; modyfikacja warstwy wierzchniej cz ci spiekanych maj ca na celu optymalizacj ich w a ciwo ci tribologicznych. Stwierdzono w wielu artyku ach [22, 25-27, 53-56], e g sto ma decyduj cy wp yw na praktycznie wszystkie w asno ci mechaniczne a w asno ci wytrzyma o ciowe elementów prasowanych i spiekanych rosn wraz z ich g sto ci. Dlatego, w latach osiemdziesi tych XX wieku, uzyskanie najwy szej g sto ci sta o si najwa niejszym celem rozwoju metalurgii proszków. Maksymalna g sto mo liwa do uzyskania metodami metalurgii proszków z pojedynczym prasowaniem/pojedynczym spiekaniem ogranicza a si do 6,7 g/cm 3. Wy sze g sto ci otrzymywano przy prasowaniu i dog szczaniu na ciep o. Ze wzgl du na rosn ce koszty energii 52 H.M. Wi niewska-weinert

2 Kompozyty z siarczkowymi nanocz stkami grafenopodobnymi Rysunek 22. Koszty porównawcze ró nych procesów dog szczania w matrycy podj to próby poszukiwania innych metod uzyskiwania cz ci o g sto ci materia u litego na zimno. Jednym z przyk adów jest metoda wytwarzania cz ci o wysokiej g sto ci (rys. 22), opracowana i opatentowana w Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu [28]. Przede wszystkim poszukiwano technologii, której zastosowanie pozwala oby na zwi kszenie g sto ci na etapie pocz tkowym. W przypadku z o onych cz ci o cienkich przekrojach, ci nienie dog szczania kszta tuje si na poziomie do oko o 600 MPa. Jednak w przypadku cz ci o sta ych geometriach, mo liwy jest wzrost ci nie kszta towania w procesie konwencjonalnego dog szczania na zimno i kalibracji po spiekaniu wst pnym. Przyk adem tego mo e by cz typu podk adka opracowana z wykorzystaniem metody INOP, której wspó twórc jest Autorka (rys. 14b rozdz. 2), na specjalne zamówienie klienta czeskiego ZKO Praga, produkuj cego o yska do maszyn w ókienniczych. W procesie prasowania uzyskano zielon g sto 7,1 g/cm 3 przy ci nieniu 700 MPa. W drugiej operacji dog szczania (doprasowywania i kalibracji) uzyskano g sto ko cow ponad 7,74 g/cm 3 ponownie przy ci nieniu 700 MPa. Jak wspomniano wcze niej, mo liwe jest zwi kszenie g sto ci w wyrobie wytwarzanym metodami metalurgii proszków poprzez zastosowanie odpowiedniego procesu obróbki po spiekaniu. Pewien stopie dalszego zag szczenia mo na uzyska równie dzi ki operacji kalibrowania na zimno lub prasowania na zimno stosowanych powszechnie w konwencjonalnych procesach PM. rutowanie mo e równie pe ni rol operacji wyka czaj cej po spiekaniu s u cej uzyskaniu lokalnego zag szczenia w bardzo cienkiej warstwie powierzchniowej [53]. 4. Wnioski wynikaj ce z przegl du literatury 53

3 Najbardziej perspektywicznym obszarem zastosowania metody modyfikacji g sto ci powierzchni s elementy o ysk kulkowych. W Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu równie stosuje si t metod do wytwarzania niektórych elementów lizgowych, któr opracowano pod kierunkiem Autorki. W ostatnich latach walcowaniem powierzchniowym spieków zajmuje si wiele o rodków naukowych. Walcowanie powierzchniowe na zimno by o pocz tkowo stosowane przez takie firmy jak Hitachi Powdered Metals i Stackpole [53], wy cznie w celu poprawy stykowej wytrzyma o ci zm czeniowej pier cieni no nych o ysk tocznych (wykonanych z materia ów proszkowych), pó niej równie w celu poprawy wytrzyma o ci zm czeniowej z bów na zginanie i podwy szenia odporno ci na korozj w erow. Dzi ki walcowaniu wst pnie uz bionej przedkuwki wykonanej metod metalurgii proszków, o kontrolowanej ilo ci naddatku materia u na profilu z ba, przy pomocy zaz biaj cego si narz dzia walcuj cego z z bami, mo na uzyska lokalne zag szczenie w warstwach powierzchniowych wzd u ca ego profilu z ba. Przy tak zag szczonej powierzchni, cz wytwarzan metodami metalurgii proszków mo na podda w dalszej kolejno ci naw glaniu w sposób analogiczny do ko a z batego wykonanego z materia u litego. Odpowiedni dobór mieszanki proszkowej i pocz tkowy poziom g sto ci rdzenia pozwalaj osi gn porównywalne do obrobionej i azotonaw glonej stali, zarówno pod wzgl dem wytrzyma o ci zm czeniowej na zginanie i powierzchniowej wytrzyma o ci zm czeniowej. W a ciwo ci tribologiczne nale y jednak poprawi modyfikuj c powierzchni poprzez impregnowanie i smarowanie powierzchni smarem sta ym w celu zmniejszenia wspó czynnika tarcia. Czynnikiem ograniczaj cym w najwi kszym stopniu mo liw do uzyskania g sto pocz tkow, bez wzgl du na to, czy zag szczanie i kalibrowanie (dokuwanie, dog szczanie) s g ównymi operacjami procesu metalurgii proszków, jest udzia obj to ciowy rodka smarnego dodawanego do mieszanki o stosunkowo niskiej g sto ci. Cz sto tym rodkiem jest grafit [56]. Opracowanie niezawodnego sposobu bezpo redniego smarowania cian matrycy (DWL) jest od dawna celem bada licznych o rodków naukowych. W ostatnich latach opracowano system umo liwiaj cy smarowanie cian matrycy podczas operacji dog szczania. System ten obejmuje wprowadzenie cz stek sta ych smaru proszkowego z warstwy fluidalnej za pomoc pistoletu natryskowego i bloku t ocznego, zamontowanych w komorze fluidyzacyjnej. Gdy blok t oczny przesuwa si do góry matrycy, mieszanka powietrza ze smarem jest t oczona przez okre lony czas i przyci gana do cian gniazda matrycy za pomoc si elektrostatycznych. 54 H.M. Wi niewska-weinert

4 Kompozyty z siarczkowymi nanocz stkami grafenopodobnymi W przypadku produkcji cz ci stosunkowo prostych, system ten pozwala ca kowicie wyeliminowa domieszki smarów. W przypadku bardziej skomplikowanych, wielopoziomowych cz ci, gdzie jest wiele kszta tuj cych wyrób powierzchni oprzyrz dowania, ten system bywa zawodny. Obecnie uwa a si, e najbardziej optymalnym kierunkiem bada podawania smaru na ciany matrycy s metody wykorzystuj ce siarczkowe struktury grafenopodobne np. MoS 2. Technologie stosowane w metalurgii proszków daj szerokie mo liwo ci wykonywania elementów o okre lonych w asno ciach mechanicznych, fizycznych i eksploatacyjnych. W zale- no ci od sk adu chemicznego oraz granulacji ziarna, wytwarzane wyroby z proszków metali mog by stosowane do pracy przy ró nych obci eniach powstaj cych podczas eksploatacji. Istotn zalet wci wprowadzanych technologii jest niewielkie jednostkowe zu ycie energii przy produkcji seryjnej i masowej. Procesy charakteryzuj si tym, e wyst puje prawie ca kowite wykorzystanie materia u potrzebnego do produkcji. Dzi ki wykonywaniu do z o onych kszta tów wyrobu, bez straty materia u, technologia ta w znaczny sposób minimalizuje koszty wytwarzania, zw aszcza koszty materia owe. Jednocze nie nowe, o wy szej dok adno ci, technologie prasowania proszków z minimaln zawarto ci plastyfikatorów z powodzeniem mog zast pi technologie dotychczas stosowane. Polepsza to dok adno wykonania cz ci z jednoczesnym podwy szeniem g sto ci wyrobów, upro ci technologi spiekania i w ko cowym efekcie podwy szy wydajno i konkurencyjno tych wyrobów na rynku. Efektywno produkcji wielko seryjnej wyrobów z proszków spiekanych przewy sza znacznie efektywno produkcji cz ci wykonanych tradycyjnymi technologiami ubytkowymi. Wysokowydajne technologie kszta towania metodami obróbki plastycznej cz ci z materia ów proszkowych pozwalaj na zmniejszenie ilo ci operacji koniecznych do wytworzenia gotowego wyrobu w porównaniu z ilo ci operacji przy stosowaniu tradycyjnych technologii, a wi c uzyskuje si znacznie ni sz pracoch onno produkowanych cz ci. Przedstawione mo liwo ci opisuj zalety technologii kszta towania wyrobów z materia ów proszkowych, ale jak w ka dej technologii, wyst puj tak e pewne ograniczenia wp ywaj ce negatywnie na gotowy element. Do najwa niejszych z nich zaliczamy: proszki metali i stopów o wysokim powinowactwie do tlenu lub o ekstremalnie wysokiej czysto ci mo na obrabia tylko du ym nak adem kosztów, urz dzenia do wytwarzania proszków s bardzo drogie, 4. Wnioski wynikaj ce z przegl du literatury 55

5 trudno ci w ca kowitym wyeliminowaniu porów, które powoduj obni enie wytrzyma o ci gotowego wyrobu, problem z uzyskaniem równomiernego rozk adu ci nienia w ca ej obj to ci prasowanego proszku podczas wytwarzania wyrobów o z o onych kszta tach, co prowadzi do niejednorodnego rozk adu w a ciwo ci w gotowym wyrobie, najcz ciej stosowane zag szczanie proszku przez prasowanie w matrycach wi e si ze znacznymi ograniczeniami odnosz cymi si do kszta tu i wielko ci wyrobów, metody czenia ze sob spieków nie s jeszcze dostatecznie opracowane. Mimo wyst powania pewnych ogranicze, metalurgia proszków w znaczny sposób przewy sza inne metody wytwarzania. Wytwarzanie t technologi umo liwia wykorzystanie w 95% materia u przeznaczonego na wykonanie elementu. W klasycznej metodzie obróbki skrawaniem poziom zu ycia materia u wynosi zaledwie od 40-50%. Na podstawie przeprowadzonych porówna, technologi wytwarzania elementów za pomoc metalurgii proszków mo emy nazwa bezodpadow. Drugim czynnikiem wp ywaj cym na promowanie tej technologii jest niski stopie zu ycia energii. Wynosi on oko o 29 MJ na 1 kg gotowego wyrobu, w sk ad wchodz procesy wytwarzania rudy a do wytworzenia spiekanej cz ci. Porównuj c konwencjonalne metody zawieraj ce wytop stali, przeróbk plastyczn wlewka i obróbk skrawaniem, wynosi on MJ na 1 kg gotowego wyrobu. Analiza literaturowa wykaza a, e zastosowanie siarczków smarów sta ych MoS 2 i WS 2 do wytwarzania nowego materia u na o yska samosmarne jest perspektywiczn technologi. Wzrost twardo ci w po czeniu z niskim wspó czynnikiem tarcia wydaje si by g ównym sposobem optymalizacji trwa o ci proszkowych materia ów samosmarnych. 56 H.M. Wi niewska-weinert