- laboratorium Ćwiczenie 1 Instrukcja laboratoryjna Człowiek - najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Warszawa 011
Ćwiczenie 1 1. WSTĘP 1.1. Cel ćwiczenia Zapoznanie studentów z podstawowymi badaniami właściwości fizycznych i technologicznych proszków metalowych i ceramicznych przeznaczonych do różnych zastosowań technicznych w mechatronice, budowie maszyn i urządzeń itp. oraz poznanie typowego oprzyrządowania do wytwarzania kształtek podstawową metodą, a wiec metodą prasowania matrycowego proszków. 1.. Zakres wymaganych wiadomości Prawidłowe przygotowanie do przeprowadzenia ćwiczenia wymaga zaznajomienia się z obowiązującą instrukcją oraz z odpowiednim fragmentem wykładu. Niezbędne jest również uzupełnienie wiadomości w oparciu o podaną literaturę. Zakres wymaganych wiadomości jest następujący: - metody wytwarzania proszków metalowych i proszków ceramicznych, - zależności kształtów cząstek od sposobów ich wytwarzania w powiązaniu z zastosowaniami do wytwarzania wyrobów o różnym przeznaczeniu, - podstawowe oprzyrządowanie do określania właściwości proszków, - metody formowania kształtek z proszków, - oprzyrządowanie do wytwarzania kształtek z proszków metodą prasowania matrycowego.. WPROWADZENIE (Opis technologii, jej istota, zjawiska fizyczne, parametry i warunki technologiczne procesu, zastosowania)..1. Informacje ogólne Dynamiczny rozwój techniki od początku XX wieku wiązał się, między innymi, z opracowaniami nowych materiałów. Jedną z nowoczesnych dziedzin była metalurgia proszków. Z jednej strony technika ta pozwala na znaczne obniżenie kosztów wytwarzania elementów konstrukcyjnych, szczególnie w produkcji wielkoseryjnej i masowej; jest to tzw. konkurencyjne
Ćwiczenie 1 3 zastosowanie metalurgii proszków. Z drugiej strony za pomocą techniki proszkowej można wytwarzać nowe materiały, niemożliwe do wytwarzania innymi technikami; jest to tzw. bezkonkurencyjne zastosowanie metalurgii proszków. Dlatego też, dzięki metalurgii proszków, technika wzbogaciła się o szereg nowych materiałów. Wyliczyć tu można przykładowo materiały porowate z przeznaczeniem na filtry czy łożyska samosmarowe, styki elektryczne, pręty paliwowe reaktorów atomowych, druty z metali trudnotopliwych (wolfram, molibden), elementy półprzewodnikowe, a z materiałów ceramicznych ferryty czy węgliki spiekane oraz całą grupę różnych kompozytów wieloskładnikowych. Proszki można wytwarzać prawie ze wszystkich metali i ich stopów. Techniki wytwarzania proszków są różne i dlatego otrzymuje się cząstki o odmiennych kształtach. Proszki otrzymane z tego samego metalu, ale różnymi sposobami będą miały kształty charakterystyczne dla danego sposobu wytwarzania. Tak więc kształt cząstek proszku nie jest zależny od materiału, z którego został otrzymany ale od metody jego wytwarzania. Proszki poddaje się następującym badaniom: a) badania właściwości chemicznych polegające na: - określeniu składu chemicznego, tj. zawartości składnika podstawowego w przypadku mieszanki oraz zawartości różnych domieszek i zanieczyszczeń, - określeniu ilości zaabsorbowanych gazów. b) właściwości fizycznych takich jak: - kształt ziaren, - skład ziarnowy proszku, - twardość (szczególnie mikrotwardość) ziaren, - powierzchnia właściwa proszku, - struktura ziaren. c) właściwości technologicznych takich jak: - gęstość nasypowa proszku i gęstość z usadem, - sypkość proszku,
4 Ćwiczenie 1 - zgęszczalność proszku, - formowalność proszku. Przygotowana do badań próbka proszku musi być reprezentatywna, tzn., że własności proszku z pobranej próbki muszą być zbliżone do własności całej partii proszku... Literatura źródłowa (wykorzystana w opracowaniu) 1. odpowiedni fragment wykładu,. Rutkowski W.: Projektowanie właściwości wyrobów spiekanych z proszków i włókien PWN, Warszawa, 1977,. Polskie Normy, jak np. PN-EN ISO 35:00. 3. STANOWISKO LABORATORYJNE (Struktura i obsługa stanowiska laboratoryjnego (ewentualnie stanowisk lub urządzeń). Do przeprowadzenia badań stosowane są różne specjalistyczne przyrządy. Program ćwiczenia składa się z następujących zadań szczegółowych: 1) Analiza kształtu ziaren Analizę kształtu ziaren przeprowadza się metodą wizualizacyjną z wykorzystaniem mikroskopu metalograficznego zaopatrzonego w duży ekran. Zgodnie z Polską Normą PN-EN ISO 35:00 przyjmuje się następujące nazewnictwo dla cząstek proszku (rys. 1): wielościenny płatkowy nieregularny
Ćwiczenie 1 5 dendrytyczny włóknisty kulisty globularny iglasty granulowy Rys. 1. Nazewnictwo proszków otrzymanych różnymi metodami ). Badanie składu ziarnowego proszku. Oznaczenie składu ziarnowego proszku powyżej 40 μm przeprowadza się metodą wydzielania poszczególnych frakcji proszku na sitach o coraz mniejszych oczkach. W ćwiczeniu badanie to prowadzone jest na przesiewaczu LPzE- (rys. ). Metoda ta nie jest nieprzydatna do wydzielania proszków o drobniejszych cząstkach. Dokładna analiza składu ziarnowego frakcji positowej (frakcji o cząstkach mniejszych niż 40 μm jest możliwa do określenia innymi metodami. Tradycyjna metoda takiej analizy opiera się na prawie Stokesa, za pomocą której skład ziarnowy określa się na podstawie szybkości opadania cząstek w cieczy. Nowoczesne metody określania zawartości cząstek mniejszych niż 40 μm oparte są na laserowym pomiarze wielkości cząstek. Budowę przesiewacza proszku przedstawiono na rys..
6 Ćwiczenie 1 a) b) Rys.. Przesiewacz LPzE- (a) i przykładowe sita wraz z pokrywą i dodatkowym wyposażeniem przesiewacza (b) W masywnej podstawie przesiewacza zamocowany jest mechanizm wywołujący niezbędne drgania o kierunkach pokazanych strzałkami (rys. a). Mechanizm ten składa się z zestawu sprężyn zwrotnych. W trakcie pracy przesiewacza, ziarna przesiewanego materiału wykonują spiralny ruch kroczący po powierzchni sit. Gwarantuje to dokładne przesianie materiału badanego. W podstawie zamocowany jest również regulator amplitudy drgań oraz nastawnik czasu pracy przesiewacza. Po upływie nastawionego czasu pracy następuje samoczynne zatrzymanie się przesiewacza. Na górnej powierzchni podstawy przesiewacza znajduje się gniazdo, w które wkłada się sita w odpowiedniej kolejności (od sita o najmniejszych oczkach do sita o oczkach największych). Na górne sito nakłada się pokrywę. Zestaw sit wraz z pokrywą mocuje się elastycznymi pasami o regulowanej długości. 3). Gęstość nasypowa proszku lub mieszanki proszków jest to stosunek masy luźno nasypanego proszku (mieszanki) do objętości zajmowanej przez ten proszek (mieszankę). Gęstość nasypową oznacza się jako d n, a jest ona wyrażana w Mg/m 3 (g/cm 3, g/ml, kg/l). Oznaczenie gęstości nasypowej przeprowadza się dwoma metodami: metodą A za pomocą wolumetru Scotta, metodą B za pomocą przepływomierza Hall a. Zasada pomiaru gęstości nasypowej proszku w obu metodach polega na przesypywaniu określonej próbki proszku przez układ skośnie ustawionych płytek (wolumetr Scotta) bądź przez stożkowy lejek (przepływomierz Hall a). Wyniki pomiaru uzyskane różnymi metodami dają
Ćwiczenie 1 7 nieco odmienne wyniki, dlatego w protokole musi być podana metoda pomiaru i zastosowane oprzyrządowanie pomiarowe. - wolumetr Scotta (rys. 3) proszek przesypywany jest przez układ skośnie ustawionych półek. Na rys. 3a przedstawiony jest obraz wolumetru, a na rys. 3b schemat przesypywania się proszku. Wolumetr wyposażony jest w układ drgający zasilany prądem elektrycznym. Jest on wykorzystywany do pomiaru gęstości nasypowej proszków nie poddających się łatwemu przesypywaniu (w ćwiczeniu taki proszek nie jest badany, dlatego załączanie układu drgającego wolumetru nie jest wskazane). a) b) Rys. 3. Wolumetr Scotta - przepływomierz Hall a (rys. 4) proszek jest przesypywany przez znormalizowany lejek o kształcie stożka przez otwór o średnicy Φ =,5 mm. Obraz przepływomierza pokazany jest na rys. 4a, a jego charakterystyczne wymiary rys. 4b. a) b) Rys. 4. Przepływomierz Hall a
8 Ćwiczenie 1 Gęstość nasypowa z usadem wyraża stosunek masy proszku do najmniejszej objętości tego proszku jaką można uzyskać w wyniku utrząsania; oznaczana jest jako d u. Pomiar gęstości nasypowej z usadem przeprowadza się na przyrządzie pokazanym na rys. 5a, natomiast schemat jego działania działania na rys. 5b. a) b) Rys. 5. Przyrząd do pomiaru gęstości nasypowej z usadem 4). Sypkość proszku (mieszanki) jest to cecha proszku określana czasem przesypywania się ustalonej masy proszku (mieszanki) przez znormalizowany lejek. Pomiar sypkości prowadzony jest na przepływomierzu Hall a. 5). Zgęszczalność proszku jest to podatność proszku do zagęszczania pod wpływem przyłożonej siły ściskającej. Za miarę tej wielkości przyjęto stosunek względnej gęstości wypraski do wielkości stosowanego ciśnienia prasowania, zapewniającego uzyskanie 65 % gęstości teoretycznej (gęstości litego materiału). Określenie zgęszczalności polega na wykonaniu wyprasek przy różnych ciśnieniach prasowania jednakowych porcji proszku i określeniu gęstości tak otrzymanych wyprasek. Przyrząd do prasowania pokazano na rys. 6, a na rys. 7 prasę do prasowania proszku.
Ćwiczenie 1 9 a) b) stempel górny matryca wypraska stempel dolny podkładka Rys. 6. Elementy składowe prasownika (a) i ich wzajemne usytuowanie do wytwarzania kształtki (b) Rys. 7. Prasa laboratoryjna hydrauliczna
10 Ćwiczenie 1 4. REALIZACJA EKSPERYMENTÓW TECHNOLOGICZNYCH (Uwagi bhp, kolejność i sposób wykonywania zadań praktycznych, wykonywanie pomiarów przyrządy pomiarowe, procedura). 4.1. Uwagi bhp Podczas wykonywania ćwiczenia występują następujące zagrożenia: - porażenie prądem elektrycznym: mikroskop metalograficzny, przesiewacz proszku, prasa laboratoryjna, - niewspółosiowe ustawienie prasownika na stole prasy może spowodować zniszczenie stempla górnego, którego odpryśnięte fragmenty stanowić mogą znaczne zagrożenie dla osób znajdujących się w pobliżu, 4.. Program ćwiczenia W trakcie ćwiczenia prowadzone są następujące oznaczenia: 1) analiza kształtu ziaren proszków metalowych i ceramicznych wytwarzanych różnymi metodami, ) analiza składu ziarnowego proszku metalowego, 3) pomiar sypkości mieszanki do prasowania, 4) pomiar gęstości nasypowej mieszanki do prasowania, 5) określenie zgęszczalności mieszanki do prasowania. 4.3. Wykonanie zadań (opis postępowania) 1) Analiza kształtu ziaren proszków metalowych i ceramicznych wytwarzanych różnymi metodami. Ćwiczenie polega na obejrzeniu proszków metalowych i ceramicznych otrzymanych różnymi metodami, zidentyfikowaniu sposobu wytwarzania oraz ich narysowaniu.
Ćwiczenie 1 11 ) Analiza składu ziarnowego proszku metalowego. Kolejność czynności jest następująca: - sprawdzić czystość sit oraz prawidłowość ich ustawienia sito o najmniejszych oczkach umieszcza się na dole (na tacce, w której będzie się zbierać tzw. frakcja podsitowa), a na nim umieszcza się sita o coraz większych oczkach. Na górne sito, a więc o największych oczkach, wsypuje się porcję badanego proszku. Wielkość naważki proszku do przeprowadzenia tego badania zależna jest od gęstości nasypowej. Dla proszków o gęstości nasypowej: powyżej 1,5 Mg/m 3 naważka proszku o dokładności do 0,05 g powinna wynosić 100 g, poniżej 1,5 Mg/m 3 naważka proszku powinna wynosić 50 g. Następnie na najwyżej położone sito nakłada się pokrywę a całość spina pasami; należy zwrócić uwagę na równomierny naciąg obu pasów; - ustawić wymagany czas pracy wstrząsaka i włączyć zasilanie. Przyjmuje się, że maksymalny czas pracy wstrząsaka nie powinien przekraczać 1 min. Przyjmuje się również największą wartość amplitudy drgań; niedopuszczalna jest zmiana amplitudy drgań wstrząsaka w trakcie wykonywania badania. - wyłączenie aparatu następuje automatycznie po upływie nastawionego czasu pracy. Po zakończeniu pracy wstrząsaka odsiewy (frakcje) proszku z poszczególnych sit oraz tacki z frakcją podsitową zsypuje się na papier i waży z dokładnością do 0,05 g. Proszek przylegający do siatki należy ostrożnie zmieść miękkim pędzlem poprzez siatkę na sito położone niżej. Zawartość poszczególnych frakcji proszku należy przeliczyć i podać w procentach ze wzoru: X n mn 100 m m masa badanej próbki proszku w gramach, m n masa danej frakcji proszku w gramach.
1 Ćwiczenie 1 Wyniki analizy składu ziarnowego ujmuje się w tablicy: Klasa ziarnowa (mm) 0,000/0,040 0,040/0,056 0,056/0,063 0,063/0,071 0,071/0,100 0,100/0,15 0,15/0,150 0,150/0,00 Zawartość frakcji w klasie ziarnowej (%) x 1 x x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 x 8 Suma zawartości frakcji w klasach ziarnowych (%) x 1 x 1 + x x 1 + x + x 3 Uwaga: Zapis klasy, np. 0,056/0,063 oznacza ziarna, które przeszły przez sito 0,063 i zatrzymały się na sicie 0,056. Na podstawie powyższej tablicy sporządza się krzywą ziarnistości proszku, oznaczając na osi odciętych wartości z trzeciej kolumny tablicy i odpowiadające im wielkości ziarn..... 100 Rys. 8. Przykładowa krzywa ziarnistości proszku Każdy punkt krzywej reprezentuje procentową ilość ziarn o wielkościach zawartych pomiędzy rzędną punktu i zerem.
Ćwiczenie 1 13 3) Pomiar sypkości mieszanki do prasowania. Pomiar sypkości mieszanki do prasowania prowadzony jest na przepływomierzu Hall a. Po zatkaniu otworu przepływomierza palcem, próbkę proszku o masie 50 g wsypuje się do lejka. Po usunięciu palca proszek zaczyna się wysypywać. W momencie odsłonięcia otworu przepływomierza włącza się stoper, a zatrzymuje po całkowitym przesypaniu się proszku do pojemnika. Sypkość proszku X (sek.) oblicza się ze wzoru: X t f t czas przesypywania proszku w sekundach, f współczynnik korygujący: f 5,3 C C cecha lejka; jest to średnia z 5-ciu pomiarów czasu wylewania 100 ml wody destylowanej. Cecha powinna wynosić 5± sekundy. Po otrzymaniu cząstkowych wyników pomiarów sypkości mieszanki należy przeprowadzić ich analizę. W tym celu należy określić miarę rozrzutu (rozproszenia). Do najczęściej stosowanych miar rozrzutu zmiennej rozkładu wokół wartości centralnej zalicza się odchylenie standardowe. Wielkość odchylenia standardowego można określić na podstawie wyników pomiarów zgodnie z wzorem: S n i 1 ( yi ( y1 ( y ( yn 1 ( yn n 1 n 1 y śr średnia arytmetyczna wyników pomiarów, y i wartość i-tego czynnika wynikowego, n liczba pomiarów. Wielkością podobną do odchylenia standardowego jest wariancja (jest to kwadrat odchylenia standardowego), której wartość określa się ze wzoru:
14 Ćwiczenie 1 S n n 1 ( yi ( y1 ( y ( yn 1 ( yn n 1 n 1 Odchylenie standardowe dobrze charakteryzuje rozproszenie większa wartość odchylenia standardowego (podobnie jak i wariancji) oznacza większy rozrzut wyników wokół miary położenia. W celu scharakteryzowania rozrzutu używa się również miary zwanej rozstępem. Rozstęp (rozrzut wyników) jest to różnica między największą i najmniejszą wartością zmiennej losowej; określany jest wzorem: R y max y min Odchylenie standardowe, wariancja i rozstęp są dość czułymi miarami rozproszenia, jednak ich stosowanie nie zawsze daje wystarczające informacje o zbiorze. Miary te, podobnie jak wartości średnie, są liczbami mianowanymi, a ich wartości podawane są w tych samych jednostkach, w jakich podawana jest wartość badanej cechy. Uniemożliwia to bezpośrednie porównanie tych miar obliczonych dla danych podawanych w różnych jednostkach. W takich przypadkach do oceny rozproszenia należy stosować współczynnik będący względną miarą rozproszenia, obliczany ze wzoru: V ( y) S ( y) y śr 100% n i 1 ( y i n y śr 1 y śr ) 100% i nazywany współczynnikiem zmienności (Pearsona). Współczynnik ten informuje, ile procent średniej arytmetycznej stanowi odchylenie standardowe. Sypkość proszku posiada zasadnicze znaczenie przy formowaniu wyprasek na szybkobieżnych prasach z automatycznym dozowaniem. Skrócenie czasu zasypywania proszku do formy zwiększa wydajność pras. Stała i określona sypkość proszku gwarantuje zasyp wymaganej porcji proszku na każdą wykonywaną wypraskę.
Ćwiczenie 1 15 4) Pomiar gęstości nasypowej mieszanki do prasowania. Pomiar gęstości nasypowej mieszanki do prasowania prowadzony jest na wolumetrze Scotta. Pod otwór umieszczony w dole wolumetru należy centralnie postawić zbiornik pomiarowy o objętości 5 cm 3 (znajdujący się na wyposażeniu wolumetru). Następnie próbkę proszku wsypuje się do górnego leja przyrządu. Wsypywanie proszku do leja wolumetru należy przerwać w momencie, gdy proszek zacznie się wysypywać poza zbiornik pomiarowy. Należy ostrożnie zgarnąć nadmiar proszku ze zbiornika pomiarowego. Zbiornik wraz z proszkiem należy zważyć. Należy również zważyć pusty zbiornik. Gęstość nasypową d n wyznacza się ze wzoru: m mo dn [Mg/m 3 ], [kg/l], [g/ml] V m masa proszku ze zbiornikiem pomiarowym, m o masa zbiornika pustego, V pojemność zbiornika pomiarowego. Po otrzymaniu cząstkowych wyników pomiarów sypkości mieszanki do prasowania należy przeprowadzić ich analizę podobną jak w przypadku sypkości. Pomiar gęstości nasypowej z usadem. Do cylindra pomiarowego wsypuje się określoną porcję proszku (0; 50 lub 100 g), a następnie poddaje się wstrząsom o częstotliwości 50/min i skoku 3 mm. Proces prowadzi się do czasu gdy proszek przestanie zmniejszać swoją objętość. Gęstość nasypową z usadem określa się ze wzoru: d u m V m naważka (porcja) proszku, V- objętość proszku po utrzęsieniu (przy h końc.). Gęstość nasypową d n wykorzystuje się przy projektowaniu objętości i wymiarów komory zasypowej prasownika do prasowania matrycowego, a gęstość nasypową z usadem d u do prasowania wibracyjnego proszków.
16 Ćwiczenie 1 Iloraz wartości gęstości nasypowej z usadem d u do gęstości nasypowej d n stanowi tzw. indeks tarcia w masie proszku I f, a zatem indeks tarcia wyznacza się ze wzoru: I f d d u n Im wyższa jest wartość indeksu tarcia, tym większe jest tarcie pomiędzy cząstkami proszku, co obserwuje się, np. dla proszków o rozwiniętym kształcie ziarn. Dla proszków dendrytycznych I f wynosi 1,0 1,30, natomiast proszki kuliste upakowują się dość łatwo i dlatego wartość indeksu tarcia jest mniejsza gdyż wynosi 1,05 1,10. Wprowadzenie środków poślizgowych do proszku powoduje obniżenie wartości indeksu tarcia I f. Pomiar zgęszczalności mieszanki do prasowania - prawidłowo zmontowany prasownik umieszcza się centralnie na stole prasy (rys. 7) i dociska śrubą umieszczoną w górnej części prasy, - sprawdza się załączenie lub odłączenie manometru niskiego ciśnienia (w ćwiczeniu manometr musi być załączony do układu, a więc zawór odcinający musi być odkręcony), - zakręca się zawór przelewowy, - załącza się zasilanie elektryczne silnika pompy hydraulicznej, - zadaje się ciśnienie za pomocą dźwigni umieszczonej w bloku sterującym i kontroluje wzrost ciśnienia prasowania na manometrze. Po uzyskaniu wymaganego ciśnienia prasowania, pokazanego na manometrze: - zwalnia się dźwignię, która pod działaniem sprężyny (znajdującej się wewnątrz bloku sterującego) powoduje wycofanie dźwigni do pozycji pierwotnej, Odkręca się zawór przelewowy celem spuszczenia oleju spod tłoka (manometr wskaże 0 ), - podnosi się płytę dociskową prasy (pokręcając śrubą prasy), - usuwa się podkładkę spod prasownika, a w jej miejsce umieszcza się tulejkę wypychającą, - pokręcając śrubą prasy wypycha się stempel dolny a następnie wypraskę. 5. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA
Ćwiczenie 1 17 Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: uwagi bhp, program ćwiczenia czyli treść zadań, opracowanie zadań w postaci szkiców, podanie zastosowanych wartości parametrów i warunków technologicznych eksperymentów, wyniki eksperymentów, ilustracje wyników wykresami, oszacowania błędów pomiarów oraz wnioski dotyczące przeprowadzonych doświadczeń. 6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA (dla studentów aktualna i dostępna w bibliotece lub informacje w internecie) 1. Korzyński M.: Metodyka eksperymentu, WN-T, Warszawa 006.