Przeprowadzone badania pozwoliły ocenić przydatność proszków mielonych w procesie otrzymywania spiekanych narzędzi metaliczno−diamentowych przeznaczonych do obróbki kamieni naturalnych, betonów, asfaltów oraz innych ściernych materiałów budowlanych. W tym celu zaprojektowano materiał osnowy na bazie Fe‒Mn‒Cu‒Sn‒C z proszków mielonych przez 8, 30 i 120 godzin.
Mieszanki przygotowano z proszków: żelaza NC100.24, żelazomanganu wysokowęglowego XH1210 (7% C) i niskowęglowego XH1218 (1,5% C) oraz brązu cynowego NAM40−80/20 zawierającego 20% mas. cyny. Udział masowy poszczególnych proszków wynosił odpowiednio: 77%, 7,5%, 7,5% i 8% i został tak dobrany, aby po procesie mielenia oraz konsolidacji uzyskać materiał o składzie chemicznym: 79,4% Fe; 12% Mn; 6,4% Cu; 1,6% Sn i 0,6% C.
Mieszanki mielono w młynie kulowym, w atmosferze powietrza. Wykazano, że krótszy czas mielenia, tj. 8 i 30 godzin, nie powoduje wyraźnej zmiany średniego rozmiaru cząstek proszków, która wynosi odpowiednio 53 μm i 54 μm. Wydłużenie czasu mielenia do 120 godzin powoduje zmniejszenie średniego rozmiaru cząstek do 30 μm. Na podstawie przeprowadzonych obserwacji mikroskopowych (SEM) stwierdzono, że proszki mielone przez 8 godzin mają kształt płatkowy. Z wydłużeniem czasu mielenia cząstki ulegają intensywnemu kruszeniu. Zmniejsza się ich rozmiar oraz kształt z płatkowego na równoosiowy.
Analiza składu fazowego proszków wyjściowych przy zastosowaniu dyfrakcji rentgenowskiej wykazała obecność roztworu γ(Fe, Mn), węglików złożonych typu M23C6, M7C3, i cementytu (Fe, Mn)3C. Proszki żelazomanganu zawierały również tlenki bogate w mangan. W przypadku proszku brązu cynowego stwierdzono obecność roztworu cyny w miedzi (Cu, Sn) oraz metastabilnej fazy 𝛿 (Cu41Sn11).
Z analizy dyfraktogramów mielonych mieszanek proszków wynika, że z wydłużeniem czasu mielenia piki pochodzące od fazy (αFe) ulegają poszerzeniu, co jest następstwem postępującego umocnieniem cząstek proszku. Natomiast piki pochodzące od brązu cynowego zanikają w miarę wydłużania czasu mielenia. Wskazuje to na zwiększenie jednorodności mieszanek proszków wraz z czasem mielenia.
Mielone mieszanki proszków konsolidowano metodą prasowania na gorąco w matrycy grafitowej w temperaturze 900°C, przez 3 min., pod ciśnieniem 35 MPa. Zgodnie z wykresem fazowym Fe−Mn−C (rys. 36) dla przyjętych parametrów procesu konsolidacji możliwe jest
89 uzyskanie jednorodnego austenitu w warunkach spiekania. Zawierające mangan i żelazo węgliki złożone, obecne w mielonych mieszankach proszków, ulegają rozpuszczeniu w austenicie. Szybkie chłodzenie po wytrzymaniu w 900°C utrudniło wydzielanie się węglików wewnątrz ziaren. Możliwe jest natomiast wydzielanie niewielkiej ilości węglików po granicach ziaren, o czym informują krzywe dla CTPi staliwa Hadfielda o zbliżonym składzie chemicznym. Przeprowadzone analizy dyfrakcyjne nie wykazały jednak obecności węglików w badanych spiekach. Materiały po procesie konsolidacji zawierały następujące fazy: (γFe), (αFe) oraz tlenki. Wraz z wydłużeniem czasu mielenia zmniejszał się udział austenitu (αFe) w badanych spiekach. Zawartość austenitu (γFe) w spiekach otrzymanych z mielonej mieszanki proszków przez 120 godzin wynosiła 97%. Czas wytrzymania w temperaturze 900°C był niedostatecznie długi do ujednorodnienia składu chemicznego w mikroobszarach spieku z mielonych mieszanek proszków przez 8 i 30 godzin.
Wpływ czasu mielenia na zmniejszenie niejednorodności składu chemicznego potwierdzony został także wynikami analizy mikrostruktury oraz analizy składu chemicznego w mikroobszarach, wykonanymi przy zastosowaniu skaningowej mikroskopii elektronowej oraz spektrometrii EDS.
Obserwacje mikrostrukturalne z wykorzystaniem mikroskopu świetlnego i skaningowego mikroskopu elektronowego pozwoliły na ujawnienie zmiany składu chemicznego w mikroobszarach struktury. Wykazano, że w materiałach otrzymanych z niemielonych mieszanek proszków oraz mielonych przez 8 i 30 godzin występują duże obszary żelaza z małą zawartością manganu oraz obszary, w których nie stwierdzono obecności manganu (rys. 43‒45). Z wydłużeniem czasu mielenia zmniejszał się średni rozmiar cząstek przy jednoczesnym zwiększeniu jednorodności rozkładu manganu w spieku (rys. 46 i 48). Powierzchniowy rozkład pierwiastków wykazał również, że liczne obszary występujące w mikrostrukturze są bogate w mangan i tlen, co wskazuje na występowanie w badanych materiałach tlenków manganu. Obecność tego rodzaju tlenków potwierdzają również badania dyfrakcyjne.
Przeprowadzone pomiary gęstości spieków (tablica 5) wykazały, że możliwe jest zagęszczenie wszystkich badanych mieszanek proszków do gęstości względnej powyżej 97%, co odpowiada gęstości pozornej w zakresie od 7,61 do 7,72 g/cm3
.
Analiza pomiarów gęstości poszczególnych mieszanek wykazała obniżenie gęstości pozornej materiałów wraz z czasem mielenia, co może być spowodowane postępującym utlenianiem proszków.
90 Wszystkie spieki poddano badaniom twardości metodą Vickersa i Rockwella. Niezależnie od zastosowanej metody, najniższą twardością charakteryzowały się materiały wytworzone z proszków niemielonych oraz mielonych przez 8 godzin. Wraz z wydłużeniem czasu mielenia mieszanek stwierdzono wyraźny wzrost twardości spieków, co wynika z większego rozdrobnienia mikrostruktury oraz umocnienia fazą tlenkową. Zawartość tlenu w materiale wykonanym z mieszanki mielonej przez 120 godzin wzrosła do 1,30% i znacznie przewyższała zawartość tego pierwiastka w pozostałych materiałach. Nie stwierdzono wpływu stopnia utlenienia proszków na zawartość węgla w spiekach, która była zbliżona do założonej (tablica 6).
Wyniki badań z technologicznej próby trójpunktowego zginania, przedstawione w tablicach 7 i 8 oraz na rys. 41, wskazują na wyraźny związek pomiędzy mikrostrukturą badanych spieków, czasem mielenia a granicą plastyczności i wielkością odkształcenia plastycznego próbek w chwili złamania. Materiały otrzymane z mieszanek proszków niemielonych charakteryzowały się umowną granicą plastyczności oraz wytrzymałością na zginanie odpowiednio 740 MPa i 1033 MPa. Po mieleniu proszków przez 8 i 30 godzin umowna granica plastyczności wzrosła odpowiednio do 860 MPa oraz 960 MPa. Wytrzymałość na zginanie tych materiałów nie wykazała istotnych różnic i wynosiła odpowiednio 1324 MPa oraz 1282 MPa. Wydłużenie czasu mielenia do 120 godzin spowodowało bardzo wyraźny wzrost granicy plastyczności (do wartości 1350 MPa) kosztem obniżenia własności plastycznych materiału (𝜀𝑔 < 1%). Wzrost umownej granicy plastyczności materiałów z proszków mielonych przez 120 godzin może wynikać ze znacznego zmniejszenia wielkości ziarna (zależność Halla−Petcha), ale także z umocnienia fazą tlenkową.
Wpływ czasu mielenia mieszanek na własności plastyczne materiałów po spiekaniu potwierdzono badaniami fraktograficznymi, przy zastosowaniu mikroskopii skaningowej. Przełom materiałów spiekanych z mieszanek mielonych przez 8 godzin zawiera liczne obszary o znacznym odkształceniu plastycznym (charakter dołeczkowy), pęknięcia transkrystaliczne (łupliwe) oraz pęknięcia po granicach ziaren. Wraz z wydłużeniem czasu mielenia proszków udział przełomu o dołeczkowym charakterze ulega zmniejszeniu. Przeważają obszary świadczące o nieznacznym odkształceniu plastycznym oraz obszary w których przełom propagował po granicach ziaren.
Jakościowa i ilościowa analiza fazowa pozwoliła określić zmiany udziału objętościowego austenitu (γFe), obecnego w wierzchniej warstwie pracującego segmentu metaliczno–diamentowego. Ułamek objętościowy austenitu obliczono porównując
91 intensywności linii dyfrakcyjnych 110α i 111γ. Obliczono względne udziały austenitu i martenzytu nie uwzględniając obecności innych faz. Założono, że 𝑉(𝛾𝐹𝑒)+ 𝑉(𝛼𝐹𝑒) = 100%. Do identyfikacji tych faz wykorzystano geometrię Bragga‒Brentano (BB) oraz Stałego Kąta Padania (SKP) 𝛼=3°. Dla geometrii BB, dla kąta 2θ w zakresie 50−53°, w którym znajdują się piki pochodzące od γFe(111) i αFe(110), oszacowano efektywną głębokość wnikania na ~8 μm. Dla kąta 𝛼=3° efektywna głębokość wnikania nie przekraczała 2 μm i można przyjąć, że obejmowała warstwę wierzchnią odkształcanego materiału w wyniku oddziaływania ściernych produktów obróbki. Głębokość zarysowania (silnie odkształconego materiału osnowy) określono poprzez analizę profilu chropowatości z wykorzystaniem metody konfokalnego profilowania. Najwyższą wartość 𝑅𝑧 odnotowano dla spieków otrzymanych z niemielonej mieszanki proszków (𝑅𝑧=2,84 μm). Dla spieków otrzymanych z mielonych mieszanek proszków przez 8, 30 i 120 godzin wartość tego parametru była zbliżona i wyniosła odpowiednio 2,24 μm, 2,48 μm i 2,35 μm. Dlatego identyfikację udziału objętościowego faz (γFe) i (αFe) w odkształconej warstwie wierzchniej materiału przeprowadzono metodą SKP dla kąta 𝛼=3°, dla którego efektywna głębokość wnikania mieściła się w zakresie wartości 𝑅𝑧.
Pomiary objętości względnej faz (γFe) i (αFe) wskazują, że odkształcenie plastyczne materiału inicjuje przemianę martenzytyczną w warstwie wierzchniej spieku w ilości ok. 13, 10, 7 i 3% dla materiałów o oznaczeniach: 000, 008, 030 i 120 w przypadku geometrii BB oraz odpowiednio w ilości 29, 11, 17, 16% w przypadku geometrii SKP dla 𝛼=3° (tablica 12). Z danych zawartych w tablicy 12 wynika, że dla geometrii BB w najmniejszym stopniu przemianie martenzytycznej indukowanej odkształceniem plastycznym ulega austenit w materiale 008 (z proszków po procesie mielenia przez 8 godzin). Oznacza to, że w przypadku gruboziarnistej mikrostruktury przemiana martenzytyczna inicjowana odkształceniem plastycznym zachodzi w wierzchniej warstwie na głębokość porównywalną z wielkością ziarna. W przypadku pozostałych materiałów o oznaczeniu: 030 i 120 przemiana γ→α’ zachodzi w znacznie większym stopniu ale ze względu na drobnoziarnistą mikrostrukturę martenzyt indukowany odkształceniem pojawia się głównie w warstwie najsilniej odkształconej, sięgającej do ~2 μm. Postęp przemiany w głąb materiału ze względu na drobnoziarnistą mikrostrukturę ulega zahamowaniu przez granice ziaren.
Zawartość manganu wprowadzonego do materiału osnowy w postaci żelazomanganu oraz węgla w ilości 0,6% przyczyniła się do wyraźnej stabilizacji austenitu (tablica 12).
92 Badania odporności materiału osnowy na zużycie ścierne w obecności 3 ciał wykonano metodą MWT, opracowaną przez firmę Struers. Wykazano, że wszystkie spieki wytworzone z mielonych mieszanek proszków na bazie żelaza redukowanego węglem, żelazomanganu i brązu cynowego charakteryzują się znacznie wyższą odpornością na zużycie ścierne od powszechnie wykorzystywanych spieków Co−20%WC. W przypadku badań odporności na zużycie ścierne w obecności 2 ciał najlepsze wyniki uzyskano dla spieków Co−20%WC. Należy jednak dodać, że wysoka odporność na ścieranie tych materiałów jest wynikiem dużej zawartości twardej fazy węglikowej. Zaobserwowano również, że wraz z wydłużeniem czasu mielenia odporność spieków Fe−Mn−Cu−Sn−C na zużycie ścierne ulega obniżeniu.
Zwiększenie szybkości zużycia materiałów wytworzonych z mielonej mieszanki proszków przez 120 godzin w odniesieniu do pozostałych może wynikać z obniżenia ich własności plastycznych i zwiększenia udziału fazy martenzytycznej. Zwiększenie udziału twardej i kruchej fazy martenzytycznej w wierzchniej warstwie materiału oraz osłabienie granic ziaren może zmienić mechanizm zużycia z plastycznego na kruchy, co zmniejsza odporność na zużycie ścierne intensyfikując proces pękania po granicach ziaren i ich wykruszanie.
Wyniki analizy statystycznej opisanej w Rozdziale 5.3.10 wskazują, że oprócz liczby kryształów diamentu obecnych na roboczej powierzchni segmentu, istotny wpływ na szybkość zużywania się narzędzia podczas obróbki ściernego piaskowca ma również odporność osnowy na zużycie ścierne w obecności 3 ciał. Pośrednio może to wskazywać na właściwy dobór warunków próby. Podobnie jak we właściwie dobranych warunkach obróbki materiałów o ściernych właściwościach, zużycie materiału osnowy w obecności 2 ciał ograniczono do minimum.
Wykazano, że z mielonych mieszanek proszków: Fe–Mn–Cu–Sn–C możliwe jest otrzymanie spieków o niskiej porowatości w procesie prasowania na gorąco w temperaturze 900°C, pod ciśnieniem 35 MPa i w czasie 3 minut. Przedstawiona w pracy technologia wytwarzania segmentów z tanich proszków jest uzasadniona ekonomicznie i może być z powodzeniem zastosowana w procesie produkcji narzędziowych spieków metaliczno– diamentowych.
Podczas konsolidacji mielonych mieszanek proszków zawierających diament w zakresie austenitycznym stwierdzono nieznaczną grafityzację kryształów diamentu. Analiza mikroskopowa kryształów diamentu po ekstrakcji z segmentów metaliczno–diamentowych, wykazała zachowanie pierwotnego kształtu, płaskich powierzchni i ostrych krawędzi.
93 Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że najkorzystniejsze własności nowego materiału osnowy posiadają spieki wykonane z mielonej mieszanki proszków przez 8 godzin.
94