WŁASNOŚCI MECHANICZNE SPIEKÓW METALI PO ODKSZTAŁCENIACH PLASTYCZNYCH I OBRÓBCE CIEPLNEJ

Transkrypt

1 KRZYSZTOF ZARĘBSKI, STANISŁAW OKOŃSKI WŁASNOŚCI MECHANICZNE SPIEKÓW METALI PO ODKSZTAŁCENIACH PLASTYCZNYCH I OBRÓBCE CIEPLNEJ MECHANICAL PROPERTIES OF SINTERED METAL AFTER PLASTIC DEFORMATION AND HEAT TREATMENT S t r e s z c z e n i e A b s t r a c t W artyule przedstawiono wynii badań własności mechanicznych spieu z proszu PNC-60 poddanego odształceniom plastycznym na zimno i wyŝarzaniu rerystalizującemu lub ponownemu spieaniu. Wyznaczono zaleŝności funcyjne badanych własności od odształcenia zastępczego osnowy spieu i temperatury obróbi cieplnej. Stwierdzono orzystny wpływ obróbi cieplnej na własności mechaniczne odształconego spieu (znacznie wyŝsze wydłu- Ŝenie i udarność oraz zbliŝona lub wyŝsza wytrzymałość i granica plastyczności w porównaniu ze spieiem o tej samej porowatości niepoddanym odształceniom i obróbce cieplnej). Słowa luczowe: spiei metali, obróba plastyczna na zimno, obróba cieplna, wyŝarzanie, spieanie, własności mechaniczne The results of investigation of PM PNC-60 mechanical properties after cold plastic deformation and recrystallising annealing or double sintering was presented. These properties was obtained as a functions dependent on equivalent strain of matrix and heat treatment temperature. Heat treatment positive influence on sintered metal mechanical properties was stated (much higher impact resistance and unit elongation also nearing or higher tensile strength and yield strength comparing to sintered metal with the same porosity, without deformation and heat treatment). Keywords: PM materials, cold plastic deformation, heat treatment, annealing, sintering, mechanical properties Mgr inŝ. Krzysztof Zarębsi, dr hab. inŝ. Stanisław Oońsi, prof. PK, Instytut InŜynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Politechnia Kraowsa.

2 Wstęp Własności ształtowanych plastycznie materiałów i wyrobów spieanych z proszów metali zaleŝą od sładu chemicznego i strutury osnowy oraz od porowatości i ształtu puste, a więc od rodzaju proszu i warunów, w jaich przeprowadzono: spieanie, obróbę plastyczną na zimno lub gorąco i obróbę cieplną po odształceniach plastycznych [1, 5 8]. Procesy obróbi plastycznej stosowane do wytwarzania wyrobów z materiałów spieanych o struturze porowatej wyorzystują połączone efety: ształtowania, wzmocnienia osnowy spieu i podwyŝszenia jego gęstości (przy ujemnych wartościach napręŝenia średniego σ m < 0) [4]. Efety te występują w mniejszym lub więszym stopniu w zaleŝności od materiału, ształtu i porowatości wstępniaa oraz warunów termodynamicznych procesu. Obróba plastyczna na gorąco pozwala uzysać wysoą gęstość, drobnoziarnistą struturę osnowy i zbliŝony do ulistego ształt puste, wymaga jedna stosowania atmosfer ochronnych i specjalnych metod nagrzewania. Podczas ształtowania plastycznego na zimno osnowa spieu ulega wzmocnieniu odształceniowemu. Podobnie ja przy ształtowaniu na gorąco, moŝna podwyŝszyć gęstość spieu, a ponadto mamy moŝliwość wytwarzania wyrobów gotowych o doładnych wymiarach i gładiej powierzchni. Korzystnym efetom ształtowania plastycznego materiałów porowatych mogą równieŝ towarzyszyć zjawisa niepoŝądane. Przy ształtowaniu na zimno wstępniaów o duŝej porowatości moŝe dojść do powstania loalnych miropęnięć i szczelin na granicach spieanych cząste proszu, co powoduje niŝsze własności wytrzymałościowe przy rozciąganiu niŝ przy ścisaniu [3]. ObniŜenie własności plastycznych i udarności moŝe być równieŝ uznane za efet nieorzystny. Sposobem na usunięcie ww. nieorzystnych lub niepoŝądanych sutów odształceń jest obróba cieplna. WyŜarzanie lub ponowne spieanie powinno spowodować rerystalizację osnowy, orzystną zmianę morfologii puste i poprawę spójności na granicach spieanych cząste proszu. W efecie naleŝy się spodziewać: znacznego podwyŝszenia własności plastycznych w porównaniu ze spieami odształconymi na zimno o tej samej porowatości, osiągnięcia własności wytrzymałościowych zbliŝonych lub wyŝszych niŝ dla spieów o tej samej porowatości niepoddanych odształceniom plastycznym. 2. Zmiany własności mechanicznych spieów podczas odształceń plastycznych na zimno i obróbi cieplnej Charater zmian własności mechanicznych spieów podczas ich odształcania na zimno oraz następującej później obróbi cieplnej przedstawiono na rys. 1 w funcji porowatości Θ i odształcenia zastępczego osnowy. Podczas odształceń plastycznych parametry Θ i ewoluują wzdłuŝ linii A 0 B 0, przy czym parametr osiąga wartość 1 (wybrano proces, dla tórego σ m < 0, Θ 1 Θ 0 < 0). Odształcanie powoduje zmianę własności wzdłuŝ linii AB, natomiast obróba cieplna od puntu B do C, o ile operacji tej nie towarzyszy istotna zmiana porowatości. Spie o tej samej porowatości Θ 1 osiągniętej za pomocą prasowania i spieania (bez późniejszego odształcania i obróbi cieplnej) ma

3 109 pewną własność odpowiadającą puntowi D. RóŜni się ona od własności spieu o tej samej porowatości, odształconego i poddanego obróbce cieplnej o w w lub w p. W czasie ponownego spieania zachodzi zmiana porowatości (o Θ) i własności (od B do C '). Krawędzie powierzchni F w (Θ, ) na płaszczyznach (Θ, w w ) i (Θ, w p ) oraz (, w w ) i (, w p ) przedstawiają odpowiednio zaleŝności własności: spieu nieodształconego od porowatości oraz osnowy od parametru. 3. Badania własne 3.1. Cel i metodya badań Prace doświadczalne miały na celu oreślenie łącznego wpływu odształcenia zastępczego osnowy ( ) i temperatury (t) obróbi cieplnej odształconego na zimno spieu z proszu PNC-60 na jego struturę i własności mechaniczne. Do wyznaczenia funcji obietu badań wi = {Rm, Rp 0,2, A 5, KC} = fi(t, ) zastosowano program statyczny ompletny z następującymi poziomami czynniów badanych: = {0,17, 0,30, 0,50}, t [ C] = {650, 750, 850, 1120} 1 przy liczbie powtórzeń r = 2 3. Czynniiem stałym (w przybliŝeniu) była porowatość ońcowa (Θ 1 = 0,09 0,12). Odształcenia plastyczne spieanych wyprase realizowano za pomocą ścisania w warunach zbliŝonych do brau tarcia. Wyonano badania metalograficzne i fratograficzne. a) b) Rys. 1. Wpływ odształcenia plastycznego na zimno oraz obróbi cieplnej na własności mechaniczne: a) wytrzymałościowe (w w ) i b) plastyczne (w p ) spieów metali Fig. 1. Effect of cold plastic deformation and hot treatment on: a) strength properties (w w ) and b) plastic properties (w p ) of sintered metal Aby uzysać załoŝone wartości parametrów 1 i Θ 1, naleŝało właściwie dobrać porowatości początowe Θ 0 oraz odształcenia rzeczywiste ε = ln (h/h 0 ), gdzie h 0 i h oznaczają wysoości: początową i ońcową ścisanej wyprasi. Korzystano ze związów 1 WyŜarzanie w 1120 C nazywamy ponownym spieaniem.

4 110 Θ 1 = 1 exp( ) 1 ε ; 1 (1 Θ0) exp( ε ) (1 Θ 0 ) 1 = Θ1 β (1 + α) dθ α(1 Θ) Θ0 1 (1 Θ) α = ; β = (1 Θ ) b 2 + (1 Θ ) Równania powyŝsze dotyczą jednoosiowego stanu napręŝenia, gdy obowiązuje warune plastyczności: 3J 2 ' + αj 1 2 βσ p ( ) = 0 i stowarzyszone prawo płynięcia [2, 4], przy czym: σ p ( ) napręŝenie uplastyczniające materiału osnowy, J 2 ' i J 1 niezmiennii: drugi dewiatora i pierwszy tensora napręŝeń, α i β funcje porowatości. Odształcenie zastępcze osnowy definiuje zaleŝność: σ ij dε i = σ p ( ) (1 Θ) d, porowatość Θ = 1 m/(vρ L ), gdzie m, V masa i objętość próbi, ρ L gęstość osnowy (dla spieu z proszu PNC-60: = 1,94, b = 5,26, ρ L = 7,835 g/cm 3 [2]) Przygotowanie materiału do badań i technia pomiarów Do wyonania próbe wyorzystano prosze na bazie Ŝelaza PNC-60 firmy Höganäs SA 2 zawierający 0,06% C i 0,6% P, tóry prasowano w pływającej matrycy, otrzymując ształti prostopadłościenne o wymiarach h 0 mm. Wyprasi spieano w temperaturze 1120 C w atmosferze wodoru przez 1 h. Ścisanie z prędością odształcenia o. 0,005 s 1 wyonano na prasie AMSLER 100 D66 3 (stosowano przyrząd zapewniający równoległość owadeł i przeładi z folii teflonowej, oddzielające od siebie powierzchnie próbe i owadeł, tóre ponadto porywano smarem płynnym z dodatiem grafitu). Czas wyŝarzania lub ponownego spieania w atmosferze wodoru wynosił 1 h. Część próbe (do badań porównawczych) pozostawiono bez odształceń lub po odształceniu nie stosowano obróbi cieplnej. Ostatecznie z wytworzonych ształte wyonano standardowe próbi do badań własności mechanicznych (próbi walcowe pięciorotne do jednoosiowego rozciągania o średnicy odcina pomiarowego 5 mm wg PN 86/H i próbi bez arbu do badań udarności wg PN-EN 25754:1997). Próby rozciągania zrealizowano z prędością przyrostu napręŝenia 0,03 MPa/min na maszynie wytrzymałościowej EU20. Stosowano rejestrację omputerową wydłuŝenia i siły za pomocą autorsiego oprogramowania DasTP. Udarność badano z uŝyciem młota Charpy ego 1H J firmy A. B. ALPHA. Obserwacje i zdjęcia mirostrutury zostały wyonane z wyorzystaniem mirosopu optycznego Nion Eclipse ME600P na zgładach metalograficznych trawionych 4% roztworem nitalu, zdjęcia przełomów udarnościowych na mirosopie saningowym JEOL JSM 6460LV 4. 2 Prosze PNC-60 otrzymano nieodpłatnie dzięi uprzejmości autoryzowanego przedstawiciela firmy Höganäs SA, Pana Sławomira Kozłowsiego, KOS Technia. 3 Dzięi uprzejmości Panów: mgr. inŝ. Henrya Mroza, ier. ZBZiK oraz inŝ. Tomasza Foszcza, ier. Pracowni Badań Fizycznych Instytutu Mineralnych Materiałów Budowlanych w Kraowie. 4 Dzięi uprzejmości Pana dr. inŝ. Piotra Putyry, Załad InŜynierii Materiałowej Instytutu Zaawansowanych Technologii Wytwarzania w Kraowie.

5 3.3. Wynii badań 111 Porównanie własności mechanicznych spieów o tej samej (w przybliŝeniu) porowatości przedstawiono na rys. 2 (przerywane linie oznaczają własności spieu bez odształceń i obróbi cieplnej). Na fotografiach 1 3 poazano przyładowe mirostrutury i powierzchnie przełomów uzysanych w próbach udarności. Funcje obietu badań f i (t, ) przedstawiono na rys. 3 (aprosymacja wielomianami o postaci: f i (t, ) = a 00 + a 10 t + + a 01 + a 11 t + a a 12 t 2 + a 21 t 2 + a 22 t a 50 t 5 ) Omówienie wyniów badań i wniosi Analiza danych zamieszczonych na rys. 2 pozwala na sformułowanie następujących stwierdzeń: odształcenie plastyczne na zimno spieu wywołało w stosunu do spieu nieodształconego o tej samej porowatości wyraźny wzrost wytrzymałości i granicy plastyczności oraz znaczne obniŝenie wydłuŝenia i udarności, podwyŝszanie temperatury wyŝarzania niezaleŝnie od wartości parametru powoduje systematyczny wzrost wydłuŝenia i udarności, po wyŝarzaniu w temperaturach C dla = 0,50 wytrzymałość jest niŝsza w porównaniu ze spieiem bez odształceń i obróbi cieplnej (przy tej samej porowatości); wyŝsze wartości otrzymuje się dopiero po ponownym spieaniu (w 1120 C). Rys. 2. Własności mechaniczne spieu z proszu PNC-60: Θ = 0,12 ± 0,01 (dla 1120 C: Θ = 0,09 0,10) Fig. 2. Mechanical properties of PM PNC-60: Θ = 0.12 ± 0.01 (for 1120 C: Θ = )

6 112 Widoczny (rys. 2 i 3) sompliowany przebieg badanych zaleŝności jest sutiem róŝnorodności i złoŝoności zjawis zachodzących w materiale spieanym podczas obróbi plastycznej i cieplnej. Wzmocnieniu odształceniowemu moŝe towarzyszyć obniŝenie spójności na granicach spieanych cząste proszu, przez co napręŝenie uplastyczniające osnowy przy rozciąganiu jest niŝsze niŝ obliczone z rzywej wzmocnienia dla atualnej wartości odształcenia zastępczego. W czasie wyŝarzania lub ponownego spieania zachodzą jednocześnie i w róŝnym stopniu procesy zdrowienia, rerystalizacji, rozrostu ziaren i tworzenia nowych połączeń pomiędzy cząstami proszu, co w efecie moŝe spowodować zarówno podwyŝszenie, ja i obniŝenie własności wytrzymałościowych spieu. PowyŜsze uwagi znajdują potwierdzenie w wyniach badań metalograficznych i fratograficznych. Przy małym odształceniu spieu ( = 0,17, fot. 1a)) występuje mechanizm naruszenia spójności odpowiadający głównie pęaniu transrystalicznemu oraz po granicach cząste proszu. WyŜarzanie w 850 C (fot. 1b), 3a)) tworzy nowe połączenia między cząstami proszu i pęanie przebiega w sposób ciągliwy. Przy = 0,50 (fot. 2a)) widoczne są wydłuŝone i oddzielone od siebie cząsti proszu, co świadczy o ich nisiej spójności po odształceniu. Po wyŝarzaniu (fot. 3b)) otrzymuje się struturę z ziarnem równoosiowym. a) b) Fot. 1. Powierzchnie przełomu w próbie udarności (spie z proszu PNC-60, = 0,17, Θ 1 = 0,127): a) bez obróbi cieplnej, b) po wyŝarzaniu w 850ºC Photo 1. Fracture surfaces in impact-test (PM PNC-60, = 0.17, Θ 1 = 0.127): a) without heat treatment, b) after annealing in 850ºC a) b) Fot. 2a) Powierzchnia przełomu w próbie udarności, b) mirostrutura; spie z proszu PNC-60, = 0,50, bez obróbi cieplnej, Θ 1 = 0,115 Photo 2a) Fracture surface in impact-test, b) picture of microstructure; PM PNC-60, = 0.50, without heat treatment, Θ 1 = 0.115

7 a) b) 113 Fot. 3a) Powierzchnia przełomu w próbie udarności, b) mirostrutura; spie z proszu PNC-60, = 0,50, wyŝarzanie w 850ºC, Θ 1 = 0,113 Photo 3a) Fracture surface in impact-test, b) picture of microstructure; PM PNC-60, = 0.50, annealing in 850ºC, Θ 1 = a) b) c) d) Rys. 3. Funcje f i (t, ) dla: a) wytrzymałości na rozciąganie, b) umownej granicy plastyczności, c) wydłuŝenia, d) udarności (spie z proszu PNC-60, Θ 1 = 0,09 0,12) Fig. 3. Functions f i (t, ) for: a) tensile strength, b) yield strength, c) unit elongation, d) impact resistance (PM PNC-60, Θ 1 = ) Obróba cieplna (wyŝarzanie rerystalizujące lub ponowne spieanie) ma orzystny wpływ na własności mechaniczne odształconego plastycznie na zimno spieu. Otrzymuje się znacznie wyŝsze wartości wydłuŝenia i udarności oraz zbliŝone lub wyŝsze własności wytrzymałościowe w porównaniu ze spieiem o tej samej porowatości niepoddanym odształceniom i obróbce cieplnej.

8 114 Otrzymane zaleŝności funcyjne opisujące zaleŝności własności mechanicznych spieu od odształcenia zastępczego osnowy i temperatury obróbi cieplnej pozwalają na prognozowanie własności badanego spieu i mogą być przydatne podczas projetowania procesów obróbi plastycznej i cieplnej. L i t e r a t u r a [1] G e r m a n R.M., Powder Metallurgy of iron and stall, John Wiley & Sons Inc., New Yor [2] K i e ł u c i H., O ońsi S., P o l ańsi Z., Charaterystyi materiałowe ształtowanych plastycznie spieów metali, Projet KBN nr 7 T 08 D 00910/1996. [3] K o s oń-schab A., Własności mechaniczne odształconych plastycznie spieów metali, praca dotorsa, Politechnia Kraowsa, Kraów [4] O o ń s i S., Podstawy plastycznego ształtowania materiałów spieanych z proszów metali, Monografia 153, Politechnia Kraowsa, Kraów [5] S z c z e p a n i S., Przeróba plastyczna materiałów spieanych z proszów i ompozytów, AGH Uczelniane Wydawnictwo Nauowo-Dydatyczne, Kraów [6] Z a rębsi K., O ońsi S., P u t y r a P., Wpływ odształcenia plastycznego i obróbi cieplnej na właściwości mechaniczne porowatych spieów metali, Archiwum Odlewnictwa 21, Katowice [7] Z a rębsi K., O ońsi S., P u t y r a P., Mechanical properties of PNC-60 sintered metal after cold plastic deformation and heat treatment, Czasopismo Nauowe; Висник Хмельницького национального универсимемy , Kamieniec Podolsi [8] Z a rębsi K., Wpływ wielości odształcenia i temperatury wyŝarzania na udarność spieu PNC-60, Wydawnictwo Nauowe Jaość w nauczaniu i przedsiębiorczości, Chrzanów Kraów 2008,