TECHNOLOGIA WYTWARZANIA CZCI DOKŁADNYCH Z PROSZKÓW SPIEKANYCH METALI

Transkrypt

1 Obróbka Plastyczna Metali Nr 1, 2005 Technologia proszków spiekanych prof. dr hab. in. Volf Leszczyski *), dr in. Hanna Winiewska-Weinert *), dr in. Aleksandr Stojanov **), doc. dr in. Jerzy Lisowski *), mgr in. Łukasz Kdzia *), mgr in. Justyna Ozwoniarek *) *) Instytut Obróbki Plastycznej, Pozna, **) Pastwowy Wschodnioukraiski Uniwersytet, Ługask, Ukraina TECHNOLOGIA WYTWARZANIA CZCI DOKŁADNYCH Z PROSZKÓW SPIEKANYCH METALI Streszczenie W referacie przedstawiono opracowane przez Instytut Obróbki Plastycznej w Poznaniu nowe technologie wytwarzania czci z proszków metali. Technologie te pozwalaj na wytworzenie czci o okrelonych własnociach mechanicznych, czsto o skomplikowanej geometrii kształtu oraz czci przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach eksploatacyjnych (przemysł lotniczy, przemysł samochodowy). Przedstawiono poszczególne etapy kształtowania oraz wpływ parametrów procesów technologicznych na własnoci wyrobu gotowego, z uwzgldnieniem operacji dodatkowych, wpływajcych na własnoci trybologiczne materiału oraz własnoci eksploatacyjne. Artykuł zawiera midzy innymi przykłady czci wytworzonych opisan now technologi opracowan w Instytucie, które zostały przebadane w eksploatacji przemysłowej. Słowa kluczowe: metalurgia proszków, technologia wytwarzania 1. Wstp W ostatnich latach obserwuje si dynamiczny rozwój metalurgii proszków. Wynika to z faktu, e technologia metalurgii proszków odpowiada zapotrzebowaniu przemysłu motoryzacyjnego i lotniczego na innowacyjne technologie i nowe tworzywa konstrukcyjne. Nowe technologie metalurgii proszków daj szerokie moliwoci kształtowania wyrobów z proszków metali o okrelonych własnociach mechanicznych, fizycznych i eksploatacyjnych wyrobów. Dowolno w dobieraniu składników mieszanek proszkowych pozwala na komponowanie rónorodnej gamy materiałów. Istotn zalet nowych technologii jest niewielkie jednostkowe zuycie energii przy produkcji seryjnej i masowej, prawie całkowite wykorzystanie materiału oraz moliwo minimalizacji kosztów wytwarzania [1, 2, 3, 6]. 2. Prace badawcze i wdroeniowe z zakresu metalurgii proszków w Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu W roku 1998 w Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu podjto prace z zakresu metalurgii proszków, w ramach midzynarodowego projektu EUREKA ROTOR EU 1806 pt. Technologia i wyposaenie do rotacyjnego dokładnego kształtowania czci z materiałów proszkowych. Efektem wykonanych prac było opracowanie i wykonanie wielofunkcyjnej linii kołowej do produkcji czci proszkowych o duej dokładnoci przy wzgldnie niskich kosztach wykonania. Technologia ta nagrodzona została w IV edycji Konkursu Polski Produkt Przyszłoci w Kategorii Technologia Przyszłoci oraz otrzymała wyrónienie w kategorii Wynalazek w dziedzinie produktu lub technologii Nagrody Gospodarczej Województwa Wielkopolskiego Charakterystyk linii, wyniki bada i własnoci wytwarzanych wyrobów podano w literaturze [5].

2 Prace z zakresu materiałów proszkowych i technologii wytwarzania wyrobów z proszków spiekanych kontynuowane s w ramach własnych bada statutowych oraz w Projekcie TRIBO pt. Nanostrukturalne powłoki o podwyszonych własno- ciach trybologicznych, który realizowany jest w ramach 5PR w Programie GRO- WTH. Dowiadczenie Instytutu Obróbki Plastycznej w Poznaniu pozwala na projektowanie szerokiej gamy mieszanek proszkowych, z których otrzymuje si czci o okrelonych własnociach mechanicznych, fizycznych i eksploatacyjnych. Produkowane s równie wyroby głównie z mieszanek na bazie proszku ASTALOY Mo oraz DISTALOY AE, DISTALOY AB, DISTALOY SA, a take proszków stali 316L i 430L, odpornych na korozj. Własnoci wyrobu kocowego ustalane s poprzez wybór odpowiedniej technologii wytwarzania, dobór parametrów poszczególnych procesów, składu chemicznego mieszanek proszkowych oraz, w razie potrzeby, mieszanek impregnacyjnych. W niniejszym artykule przedstawiono i omówiono stosowane w Instytucie wybrane nowe technologie kształtowania wyrobów proszkowych. 3. Technologie wytwarzania czci z materiałów proszkowych 3.1. Procesy technologiczne kształtowania czci spiekanych Proces wytwarzania czci konstrukcyjnych z proszków spiekanych rozpoczyna si w momencie sprasowania proszku lub mieszanki proszków, w matrycy prostej lub czciej o skomplikowanym kształcie. Podstawowe procesy wytwórcze czci konstrukcyjnych realizowane w Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu mona podzieli na trzy grupy: 1 Technologia wytwarzania spieku w jednej operacji kształtowania 2 Technologia wytwarzania spieku w dwu operacjach kształtowania 3 Technologia kształtowania materiałów proszkowych z przesycaniem mikro i makro nanoczsteczkami materiału w stanie porowatym. Przebieg tych procesów technologicznych przedstawiono schematycznie na rysunkach 1, 2 i 3. Rys. 1. Proces technologiczny wytwarzania spieku w jednej operacji kształtowania Rys. 2. Proces technologiczny wytwarzania spieku w dwóch operacjach kształtowania

3 Rys. 3. Proces technologiczny kształtowania materiałów proszkowych z przesycaniem materiału porowatego mikro i makro nanoczsteczkami 3.2. Technologia wytwarzania czci spiekanych w jednej operacji kształtowania W technologii wytwarzania spieku w jednej operacji kształtowania (rys. 1) ju w pierwszym etapie procesu, którym jest prasowanie, otrzymuje si ostateczny, czsto bardzo skomplikowany kształt wytworzonej czci. W ten sposób wytwarza si czci, od których nie wymaga si wysokiej gstoci, a czasami wymagana jest wrcz dua porowato. Metod t Instytut Obróbki Plastycznej w Poznaniu produkuje nastpujce detale: pouzdro, spacer blade, distanziale (rys. 4) Technologie wytwarzania czci spiekanych w dwu operacjach kształtowania Na rys. 2 przedstawiono technologi wytwarzania czci proszkowych w dwóch operacjach kształtowania. Operacja dokuwania pozwala na uzyskanie skomplikowanego kształtu wyrobu z jednoczesnym podwyszeniem gstoci sprasowanych i wstpnie spieczonych kształtek. W tej operacji wystpuj znaczne odkształcenia plastyczne, a stosowane cinienia porównywalne s z cinieniami przy prasowaniu proszku. Odkształcenie plastyczne, które wystpuje w procesie dokuwania, przyczynia si do znacznego podwyszenia twardoci i wytrzymałoci wytwarzanych czci. Innowacyjno tej metody polega m.in. na połczeniu w jednym cyklu technologicznym operacji kalibrowania i dokuwania. Nastpn operacj po dokuwaniu jest operacja wysokiego spiekania, podczas której nastpuje dalszy wzrost gstoci. Technologia kształtowania w dwóch operacjach kształtowania pozwala na uzyskanie kocowego wyrobu o gstoci do 98% gstoci materiału litego. Tak sam gsto mona uzyska tylko w procesie kucia spieku na gorco, jednak w takim procesie nie uzyskuje si tak duej dokładnoci wykonania. Ostateczne podwyszenie twardoci nastpuje podczas obróbki cieplnochemicznej. Uzyskiwane twardoci zalene s od gstoci wyrobu i składu chemicznego uytej mieszanki oraz parametrów obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej. Technologia ta chroniona jest patentem europejskim [4]. Metod t produkuje si nastpujce czci: ZKO-015, axial, narzdzie gnce, PZL-tłoczek 2 oraz kliny (rys. 5).

4 a) b) c) Rys. 4. Czci wytwarzane w jednej operacji kształtowania : a) pouzdro, b) spacer blade, c) distanziale a) b) c) d) e) Rys. 5. Czci wytwarzane technologi podwójnego kształtowania : a) piercie ZKO-015, b) axial, c) narzdzie gnce, d) tłoczek 2, e) kliny 3.4. Technologia wytwarzania czci spiekanych z przesycaniem materiału porowatego nanoczsteczkami Technologia przesycania spieków mieszankami na bazie smarów stałych (rys. 3) stosowana jest dla tych czci, od których wymaga si zarówno wysokich własnoci wytrzymałociowych, jak i trybologicznych. Odpowiedni dobór parametrów poszczególnych procesów technologicznych pozwala uzyska czci konstrukcyjne w szerokim zakresie gstoci, twardoci, a take o niskim współczynniku tarcia. Technika przesycania materiałów proszkowych mikro- lub nanoczstkami otwiera nowy kierunek wykorzystania tych materiałów. Zabieg ten podwysza własnoci trybologiczne pracujcych czci, co zwiksza ich odporno na zuycie cierne. Technologia ta daje czsto moliwo taszego wytworzenia czci oraz obnienia kosztów eksploatacji, poniewa nie wymagaj one w czasie pracy smarowania, które czsto jest kłopotliwe. Trudnoci w doprowadzeniu smaru mog wynika z konstrukcji lub specyficznych warunków pracy np. pod wod lub w próni. Niewtpliw zalet wykorzystania technologii metalurgii proszków jest take moliwo wytworzenia dokładnych czci o skomplikowanej geometrii kształtu. Doskonałe własnoci czci przesycanych nanoczstkami zostały potwierdzone przez testy eksploatacyjne wykonane w zakładzie CZRETEZY Strakonice - Republika Czeska [4]. Metod t wytwarzane s: tuleja samosmarna 10-B1DZ i tuleja (rys. 6).

5 a) b) Rys. 6. Czci wytwarzane technologi kształtowania materiałów proszkowych z przesycaniem: a) tuleja samosmarna 10-B1DZ, b) tuleja Wnioski 1. Gsto w przypadku czci z materiałów spiekanych ma decydujcy wpływ na uzyskiwane własnoci fizyczne i mechaniczne wyrobu kocowego. 2. Parametry procesu technologicznego: temperatura, czas oraz atmosfera spiekania maj decydujcy wpływ na nastpujce zjawiska: jak szybko i efektywnie ziarna proszku w sprasowanej próbce ulegaj trwałemu połczeniu, od którego zaley koagulacja zamknitych porów, jak szybko nastpi dyfuzja dodatków stopowych, czy wystpi utlenienie wraliwych składników stopowych, i czy uda si zapobiec temu niekorzystnemu procesowi. 3. Zastosowanie procesów obróbki cieplno-chemicznej (nawglanie, wegloazotowanie i azotonawglanie) wpływa na podwyszenie własnoci mechanicznych wyrobów [5]. 4. W przypadku zastosowania procesów obróbki cieplno-chemicznej naley bardzo starannie utrzymywa oraz kontrolowa parametry tych procesów, poniewa maj one istotny wpływ na stabilno wymiarow produkowanych czci [6]. 5. Utrzymanie stabilnoci wymiarów zale- y od wszystkich operacji technologicznych, stopnia precyzji ich wykonania i przeprowadzanych kontroli midzyoperacyjnych. 6. Technologia przesycanie spieków mieszankami z nanoczstkami pozwala dodatkowo podwyszy własnoci wytrzymałociowe i trybologiczne wyrobów z proszków spiekanych. 7. Przez odpowiedni dobór parametrów poszczególnych procesów technologicznych moemy w szerokim zakresie wpływa na osigaln gsto, twardo, a take zapewnia niski współczynnik tarcia wytwarzanych detali. 5. Podsumowanie Obróbka plastyczna materiałów spiekanych z proszków metali i ich stopów oraz kompozytów na ich osnowie daje moliwo- ci wytwarzania nowoczesnych dokładnych wyrobów o okrelonej strukturze i własno- ciach mechanicznych oraz uytkowych. Własnoci wyrobów z proszków spiekanych ustalane s poprzez odpowiedni dobór składu chemicznego materiału spiekanego z proszków metali oraz przez ustalenie właciwych parametrów odkształcania oraz parametrów obróbki cieplnej i cieplnochemicznej, które istotnie wpływaj na struktur i własnoci wyrobów kocowych. W pracy wykorzystano wyniki bada wykonanych m.in. w ramach tematu zawartego w protokole powykonawczym do umowy midzynarodowej o współpracy naukowej i naukowo-technicznej pomidzy Rzeczypospolit Polsk a Ukrain. Nr protokołu Dz KBN: 1246/R00/R02 oraz bada wykonanych w ramach działalnoci statutowej Instytutu Obróbki Plastycznej w Poznaniu.

6 Literatura 1. S. Szczepanik: Przeróbka plastyczna materiałów spiekanych z proszków i kompozytów. Uczelnianie Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne Kraków Romaski A., Motyka M., XXXI Szkoła Inynierii Materiałowej Kraków-Krynica X. 2003, s H. Winiewska-Weinert, V. Leszczyski, A. Stojanov (i in.): Doskonalenie wysokowy-dajnych technologii kształtowania metodami metalurgii proszków, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej wyrobów z proszków metali o złoonych kształtach i polepszonych własno- ciach eksploatacyjnych, w tym take wyrobów dla przemysłu elektrycznego z magnetycznie mikkich materiałów proszkowych. Praca niepublikowana wykonana w ramach bada własnych, 2003 r., s. 153, rys. 32, tab. 10, bibliogr. 355 poz. 4. H. Weinert, V. Leszczynski, E. Stepanenko, A. Stojanov, V. Kuczma: Europejski patent Nr Method of obtaining shape elements. 5. H. Winiewska-Weinert, V. Leszczynski, A. Stojanov, J. Lisowski: Dokładne kształtowanie czci ze stopowych materiałów proszkowych na osnowie elaza. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji Pozna 2002 r. 6. H. Winiewska-Weinert, V. Leszczyski, A. Stojanov (i in.): Rozwój wysokowydajnych technologii obróbki plastycznej w zakresie wieloseryjnej produkcji czci z materiałów proszkowych o złoonych kształtach i wysokiej dokładnoci. Praca niepublikowana wykonana w ramach bada własnych, 2002 r., str. 40, rys. 15, tab. 8, bibliogr. 5 poz. Prac zrealizowano w ramach działalnoci statutowej finansowanej przez Komitet Bada Naukowych: Praca NM Wysokowydajne technologie kształtowania metodami metalurgii proszków, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej czci o złoonych kształtach i dobrych własnociach eksploatacyjnych THE TECHNOLOGY OF PRECISE PARTS FROM SINTERED POWDER OF METAL PRODUCTION Abstract In the paper have been presented the technologies of production some parts from sintered metal powder elaborated by the Metal Forming Institute from Pozna. These technologies give the possibilities of manufacturing some parts with proper mechanical properties, often with complicated shapes and for work in hard exploitation conditions (aircraft industry and automobile industry). There have been presented particular stages of forming components and influence of technological parameters on final components properties. The data about the additional operations influence on tribological and exploitation properties are presented. The paper contains some exploitation results of components, which have been manufactured by using developed technologies. Key words: powder metallurgy, production technology