INSTRUKCJA do ćwizenia laboratoryjnego Temat: Prasowanie izostatyzne proszków w ormah z tworzyw sztuznyh
1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwizenia jest zapoznanie studentów z izostatyzna tehniką ormowania proszków, ze szzególnym uwzględnieniem proesu projektowania i wykonania orm z tworzyw sztuznyh.. WSTĘP TEORETYCZNY Różne metody wytwórze można zastosować do wyprodukowania danej zęśi. Wybór tehnologii zależy przede wszystkim od wielkośi produkji i zynników ekonomiznyh. W przypadku produkji wielkoseryjnyh lub masowyh, z ekonomiznego punktu widzenia, odpowiednią metodą do zastosowania w produkji jest tehnologia, w której materiałem wyjśiowym jest proszek. Metoda ta zwykle określana jest terminem tehnologia metalurgii proszków ang. Powder Metallurgy (PM). W skróie polega ona na tym iż, pewna masa proszku metalu bądź niemetalu (np. proszki tlenków) pozątkowo jest ormowana w elu nadania jej kształtu odpowiadająego geometrii zaprojektowanej zęśi. Następnie, ukształtowaną masę proszku umieszza się w pieu w elu przeprowadzenia kolejnej operaji zwanej spiekaniem. Spiekanie polega na wygrzewaniu ukształtowanej masy proszku w temperaturze poniżej temperatury topnienia materiału proszku lub głównego składnika mieszanki proszkowej. Często po spiekaniu, zęśi poddaje się różnym obróbką dodatkowym mająym na elu poprawienie ih niektóryh właśiwośi mehaniznyh, bądź nadania ostateznego kształtu. Przykładowe obróbki dodatkowe to: obróbka skrawaniem, kalibrowanie, obróbki ieplne (np. hartowanie), ieplno-hemizne (np. nawęglanie), zy iniltraja olejem w przypadku spieków stosowanyh na łożyska ślizgowe. Ogólny shemat proesu tehnologiznego wytwarzania zęśi metodą metalurgii proszków został przedstawiony na rysunku 1.
SPIEKANIE OBRÓBKA WYKOŃCZAJĄCA (np. tozenie) Rys. 1. Poglądowy shemat proesu tehnologiznego metalurgii proszków
Ze względu właśiwośi izyzne oraz walory użytkowe zęśi spiekanyh, bardzo ważną operają proesu metalurgii proszków jest operaja ormowania proszków. W zależnośi od właśiwośi stosowanyh do ormowania ośrodków zawierająyh proszek (sypkie proszki, masy plastyzne, zawiesiny) tehniki ormowania można podzielić na trzy podstawowe grupy z najzęśiej stosowanymi wariantami: 1. ormowanie z proszków (prasowanie jednoosiowe, prasowanie izostatyzne, walowanie proszku, wyiskanie, zagęszzanie wibrayjne, prasowanie detonayjne),. ormowanie z mas plastyznyh (wytłazanie, ormowanie termoplastyzne, ormowanie wtryskowe),. ormowanie z zawiesin (odlewanie w ormah porowatyh: swobodne, iśnieniowe, próżniowe i odśrodkowe, odlewanie olii, prasowanie z zawiesin) Najprostszym zabiegiem wykorzystywanym przy ormowaniu jest prasowanie, gdzie sypki proszek poddawany jest działaniu jednokierunkowyh lub wielokierunkowyh sił zewnętrznyh powodująyh jego zagęszzenie. Dla uzyskania wysokiej gęstośi po spiekaniu, iśnienie prasowania należy dobrać tak, aby uzyskać wypraskę o maksymalnej gęstośi i możliwie jednorodnym rozkładzie gęstośi w objętośi kształtki. Przejawem tego jest rozkład porów w wyprase, który powinien posiadać harakter jednomodalny z małym rozrzutem wielkośi porów. Najpowszehniej stosowaną odmianą prasowania jest prasowanie jedno- lub dwustronne. Realizowane jest w sztywnyh ormah składająyh się z matryy i stempli, które wywierają naisk na proszek przekształają go w wypraskę. Przy takim rozwiązaniu prasowania podstawowym problemem są zjawiska taria zahodząe zarówno pomiędzy ziarnami proszku jak i pomiędzy proszkiem a śianami ormy. Powoduje to zmniejszenie eektywnego iśnienia prasowania i w rezultaie powstanie niejednorodnego zagęszzenia w objętośi wyprasek. Eektywne iśnienie prasowania maleje ze wzrostem odległośi od powierzhni stempli, o wiąże się z powstaniem znaznyh różni w gęstośi pomiędzy niektórymi obszarami wypraski. Dla ogranizenia zjawisk taria stosuje się środki poślizgowe wprowadzane do proszku na etapie granulaji (np. glieryna, stearynian ynku), które z kolei generują kolejny problem jakim jest ih usunięie zanim wypraska zostanie ałkowiie spiezona. Istotnymi ogranizeniami metody prasowania matryowego jest także po pierwsze wielkość powierzhni wyrobów praktyzne do 80 m, oraz po drugie - możliwość otrzymywania jedynie prostyh kształtów wyrobów jak: wale, pierśienie, płyty itp.. 4
Ogranizenia i problemy z jednorodnośią spieków można rozwiązać stosują inną metodę ormowania, która polega na prasowaniu izostatyznym proszków. Wyróżnia się dwie odmiany prasowania izostatyznego: na zimno ang. Cold Isostati Pressing (CIP), oraz na gorąo ang. Hot Isostati Pressing (HIP). Ze względu na koszty produkji zęśi, powszehniej stosowana jest metoda prasowania izostatyznego na zimno. Prasowanie izostatyzne na zimno wykorzystuje iśnienie hydrostatyzne wywierane przez iez lub gaz (Rys..). Proszek jest zamknięty w szzelnej elastyznej ormie. Po napełnieniu proszkiem ormy i jej zamknięiu niekiedy usuwa się powietrze z jej wnętrza metodą odsyania próżniowego. Następnie matryę umieszza się w komorze wypełnionej iezą (lub gazem) o podwyższonym iśnieniu. Medium wywiera na proszek równomierne iśnienie w kierunku normalnym do powierzhni ormy powodują jego zagęszzenie. Jako materiał ormy elastyznej stosuje się gumy lub kauzuki lateksowe, zaś jako zynniki przenosząe iśnienie oleje (emulsje olejowo-wodne) lub gaz. Rozróżnia się dwa tehnizne warianty prasowania izostatyznego na zimno: prasowanie w mokrej matryy (Rys..) lub w suhej matryy (Rys..). Rdzeń Proszek Forma elastyzna P Korek Ciez Rys.. Shemat prasowania izostatyznego w matryy mokrej Wześniejszy opis prasowania izostatyznego odpowiada prasowaniu w matryy mokrej. W przeiwieństwie do tej odmiany prasowania izostatyznego, prasowanie w matryy suhej różni się tym że, naisk na ormę z proszkiem wywiera się poprzez dodatkową trwałą, ale jednoześnie elastyzną przeponę, która oddziela ormę od iezy robozej (Rys..). 5
Korek Proszek Forma elastyzna Przepona Ciez P Rys.. Shemat prasowania izostatyznego w matryy suhej W ten sposób operaje prasowania są mniej uiążliwe, szybsze i możliwe do automatyzaji. Z drugiej strony poiąga to za sobą niestety koniezność pewnego ogranizenia kształtów prasowanyh wyrobów. Prasowanie izostatyzne jest jednak bardziej eektywne od prasowania jedno- lub dwuosiowego gdyż: iśnienie działa eektywnie na ałą powierzhnię zewnętrzną wypraski, brak jest sił taria o śianki matryy zmniejszająyh eektywne iśnienie wewnątrz wypraski, stąd zagęszzenie jest bardziej jednorodne w objętośi wypraski. Ponadto zaletami tej metody są: możliwość kształtowania wyrobów o dowolnym kształie, możliwość kształtowania wyrobów o dużyh wymiarah, możliwość stosowania wysokih iśnień do 700 MPa, brak problemów związanyh z usuwaniem wypraski z ormy.. OBLICZENIA KONSTRUKCYJNE FORMY Oblizenia konstrukyjne ormy dotyzą przestrzeni zasypowej ormy tzn. określenia objętośi ormy, która zostanie wypełniona proszkiem. Objętość przestrzeni zasypowej musi być tak dobrana, aby wymiary i kształt końowy zęśi spiekanej odpowiadał założeniom konstrukyjnym danego elementu. Koniezne jest wię uwzględnienie zmian wymiarowyh jakie mają miejse podzas prasowania jak i spiekania. Zmiany te są deiniowane przy 6
pomoy współzynnika zmian wymiarowyh przy prasowaniu C, określająy skurz przy spiekaniu C s. oraz współzynnika Współzynnik zmian wymiarowyh podzas prasowania C jest to stosunek objętośi proszku przed prasowaniem V do objętośi wypraski otrzymanej podzas prasowania V pod określonym iśnieniem. Współzynnik ten można również wyrazić przez stosunek gęstośi wypraski po prasowaniu ρ w do gęstośi usypowej z usadem V ρ ρ n w C = = (1) V ρ n Podobnie deiniowany jest skurz podzas spiekania C s jako stosunek objętośi wypraski V do objętośi spieku V s, bądź jako stosunek gęstośi spieku ρ s i wypraski ρ w. C V ρ s s = = () Vs ρ w Zmiany wymiarowe podzas spiekania można także określić z następująej zależnośi: Dw Ds C s = 100% () D gdzie: D w wymiar liniowy wypraski (np. średnia wałka) D s wymiar liniowy spieku w Aby oblizyć wię przestrzeń zasypową ormy należy najpierw wymiary inalnej zęśi powiększyć o skurz występująy podzas spiekania, a następnie wymiary tej powiększonej zęśi, jeszze dodatkowo zwiększyć o wartość, która rekompensowałaby zmiany występująe podzas prasowania. O ile skurz występująy podzas spiekania jest jednorodny i stosunkowo łatwy do uwzględniania przy projektowaniu orm i matry, o tyle zmiany wymiarowe podzas prasowania są nieo trudniejsze do rozpatrzenia. Przyzyną tego jest zależność zmian wymiarowyh podzas prasowania od kształtu przestrzeni zasypowej ormy. Poniżej zostaną przedstawione zależnośi pozwalająe oblizenie objętośi przestrzeni zasypowej orm do prasowania izostatyznego dla podstawowyh kształtów zęśi jak: kula, wale i rura. 7
D D.1. Oblizenia ormy kuli Shemat do wyprowadzenia podstawowyh zależnośi pomonyh do oblizeń ormy dla kuli przedstawiono na rysunku 4, gdzie D średnia przestrzeni zasypowej, D - średnia kuli po prasowaniu. Przed prasowaniem Po prasowaniu V V Rys. 4. Shemat oblizeniowy Korzystają ze wzoru (1) objętość przestrzeni zasypowej jest równa: V = V C (4) Ponieważ objętość kuli równa jest stąd π 6 D, to powyższa zależność przybiera postać: π D 6 π = D 6 C D = D C (5) Wyrażenie (5) pozwala wyznazyć średnię przestrzeni ormy zasypowej dla elementu w kształie kuli... Oblizenia ormy wałka Shemat do oblizeń ormy wałka przedstawia rysunek 5. Zależność (4), uwzględniająą wyrażenie na objętość wałka można teraz przedstawić następująo: π D 4 H π = D 4 Dla przypadku prasowania wałka ze zmianą wymiarów wzdłuż długośi wałka, zależnośi na wymiary przestrzeni zasypowej będą następująe: H C Wysokość przestrzeni zasypowej - Średnia przestrzeni zasypowej - H D = H C (6) = D C (7) 8
Z kolei, w przypadku prasowania wałka bez zmian wymiarowyh wzdłuż jego długośi (np. prasowanie w matryy suhej) wyrażenie na oblizenie średniy przestrzeni zasypowej jest następująe: D = C D D D H H Rys. 5. Shemat oblizeniowy ormy wałka.. Oblizenia ormy rury rysunek 6. Shemat oblizeniowy ormy do prasowania zęśi w kształie rury przedstawia H H A D D Rys. 6. Shemat oblizeniowy ormy rury 9
Formowanie zęśi w kształie rury wykonuje się w ormie zawierająej rdzeń salowy o średniy A. Wtedy podzas prasowania zmienia się tylko średnia zewnętrza rury, średnia wewnątrz elementu nie ulega zmianie i odpowiada średniy stalowego rdzenia. Zależność (4) w tym przypadku ma postać: π ( D 4 A ) H π = ( D 4 A ) H Jeżeli konstrukja orma przewiduje podzas prasowania zmiany wymiarowe wzdłuż długośi rury, wtedy zależnośi na podstawowe wymiary przestrzeni zasypowej mają następująą postać: ( C ( C ) ) Wysokość przestrzeni zasypowej - H = H C (8) Średnia przestrzeni zasypowej - D = ( D A ) ( C ) + A (9) W przypadku, gdy prasowanie proszku połązone będzie tylko ze zmianą wymiaru średniy przestrzeni zasypowej, wtedy zależność na średnię ormy ma postać: D = C ( D A ) + A (10). WYTWARZANIE FORM ELASTYCZNYCH DO PRASOWANIA IZOSTATYCZNEGO NA MOKRO Konstrukja ormy do prasowania izostatyznego jest bardzo istotna, ze względu na poprawność otrzymywanyh kształtów wyprasek. Jej wymiary zależą przede wszystkim od rodzaju materiału proszku (np. prasowalność) oraz od kształtu produkowanej zęśi. Zanim konstruktor przystąpi do projektowania ormy musi najpierw odpowiedzieć na następująe pytania: Jaki materiał ormy zostanie użyty? Czy zostaną użyte grube zy ienkie śianki ormy? Czy koniezne będzie stosowane metalowyh kontenerów utrzymująyh elastyzną zęść ormy? Czy koniezne będzie stosowanie metalowyh rdzeń? Jaki zastosować układ zamykania ormy? Po odpowiedzi na te pytania oraz przeprowadzeniu niezbędnyh oblizeń dotyząyh wymiarów przestrzeni zasypowej można przystąpić do projektowania ormy zwraają uwagę, aby unikać ostryh krawędzi oraz gwałtownyh zmian wymiarów przestrzeni zasypowej. Te zabiegi pozwolą znaznie zwiększyć żywotność elementu elastyznego ormy. 10
Przykładowe rozwiązania konstrukyjne orm do prasowania izostatyznego różnyh kształtów zęśi spiekanyh przedstawiono na rysunku 7. Silikonowa orma wałka Lateksowa orma rury Forma z rdzeniem stalowym Korek Element elastyzny Rdzeń Podstawa Rys. 7. Przykładowe konstrukje orm do prasowania izostatyznego 11
W zależnośi od rodzaju proszku przeznazonego do prasowania oraz od masy prasowanego proszku, wybór materiału ormy do prasowania izostatyznego można wykonać z pomiędzy następująyh materiałów: Polihlorek winylu (PCV) najzęśiej stosowany przy prasowaniu Cu, Ni, Al O, Fe, oraz dla małyh i średnio-gabarytowyh wyprasek Lateks najzęśiej stosowany przy prasowaniu proszków o małej twardośi i wyprasek o małyh wymiarah, Silikony stosowane na ormy o małyh wymiarah, Żywie poliuretanowe w zależnośi od twardośi danego rodzaju żywiy mogą być one stosowane do prasowania wszystkih rodzajów proszków i o dowolnej wielkośi (rzadziej są stosowane w przypadku prasowania małyh zęśi), Guma, Kauzuk stosowany jest na ormy o bardzo dużyh wymiarah. Formy z powyższyh materiałów mogą być wykonywane różnymi sposobami takim jak: metoda odlewania (np. żywie poliuretanowe), metoda wtryskowa (np. lateks) zy metoda zanurzeniowa (np. PCV). Przykładowy opis otrzymywania elementu elastyznego ormy do prasowania izostatyznego metodą zanurzeniową przedstawia się następująo: przygotowany wześniej stalowy rdzeń o wymiarah odpowiadająyh oblizeniom konstrukyjnym przestrzeni zasypowej ormy, umieszzany jest w suszare i wygrzewany w temperaturze 180 o C przez około 0 min. Po tym okresie nagrzany rdzeń zanurza się w iekłym PCV, który w wyniku oddziaływania iepła pohodząego z rdzenia osadza się na jej powierzhni tworzą powłokę, której grubość zależy zasu zanurzenia. Przyjmuje się, że przyrost grubośi osadzonej powłoki PCV o 1 mm, następuje po około 1 minuie. Rdzeń z osadzonym PCV ponownie umieszza się w suszare i wygrzewa w temperaturze 175 o C przez około 0 min.. Następnie po ostudzeniu (np. w strumieniu wody) zdejmuje się uzyskaną powłokę i w zależnośi od potrzeb przyina się ją na zaleaną długość. Tym sposobem można uzyskiwać ormy o grubośi śianki nie większej niż 6 mm. 4. APARATURA, URZĄDZENIA I MATERIAŁY W skład stanowiska laboratoryjnego whodzą: a) maszyny i urządzenia: waga laboratoryjna, prasa izostatyzna irmy National Forge typ S05-7451-0, 1
suszarka, mikromierz i suwmiarka orma z PCV b) materiały proszek miedzi elektrolityznej ECu1/0,040, tworzywo sztuzne PCV w postai mlezka 5. PRZEBIEG ĆWICZENIA a) Wykonać oblizenia przestrzeni zasypowej ormy wałka (dane do oblizeń podaje prowadząy). b) Wykonać rysunek konstrukyjny ormy i zaproponować metodę wykonania elastyznego elementu ormy. ) Wykonać element elastyzny ormy. d) Przygotować naważkę proszku do prasowania i zasypać ormę do prasowania. e) Przeprowadzić operaję prasowania izostatyznego. ) Wykonać pomiary otrzymanej wypraski i porównać jej wymiary z oblizeniami. 6. WYTYCZNE DO SPRAWOZDANIA W sprawozdaniu należy zamieśić: Wyniki oblizeń konstrukyjnyh ormy do prasowania izostatyznego Rysunek konstrukyjny ormy Opis metody wykonania elementu elastyznego ormy Wyniki pomiarów geometryznyh wypraski Analizę zgodnośi wymiarowej wypraski z oblizeniami. 7. PRZYKŁADOWE PYTANIA KONTROLNE a) Omówić proes tehnologizny metalurgii proszków b) Wymienić metody ormowania zęśi spiekanyh ) Istota i rodzaje prasowania izostatyznego d) Zalety i wady prasowania izostatyznego e) Opisać zjawiska zahodząe podzas prasowania 1