Index of /rozprawy2/11388

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO‒HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej. PRACA DOKTORSKA Mgr inż. Elżbieta Bączek. Kształtowanie struktury i własności użytkowych spieków Fe‒Mn‒Cu‒Sn‒C otrzymanych z proszków mielonych. Promotor: dr hab. inż. Andrzej Romański Promotor pomocniczy: dr inż. Dorota Tyrała. Kraków 2018.

(2) Pragnę serdecznie podziękować Panu prof. dr. hab. inż. Januszowi Konstantemu, mojemu mentorowi, za inspirację, życzliwość i nieustanną gotowość do pomocy przy realizacji tej pracy Panu dr. hab. inż. Andrzejowi Romańskiemu za promotorski trud i cenne wskazówki, które mobilizowały mnie do pracy Pani dr inż. Dorocie Tyrale, promotorowi pomocniczemu, za pomoc okazaną w trakcie realizacji badań i pisania pracy Pani prof. dr. hab. inż. Lucynie Jaworskiej, kierownikowi Centrum Inżynierii Materiałowej i Technik Spiekania IZTW, za życzliwość, poświęcony czas i możliwość realizacji prac badawczych w Zakładzie Panu dr inż. Piotrowi Putyrze za współpracę i profesjonalną pomoc w przygotowaniu graficznym pracy Pracownikom Instytutu Zaawansowanych Technologii Wytwarzania za przyjazną atmosferę oraz pomoc podczas realizacji badań naukowych. Wyjątkowe podziękowania kieruję do mojej najbliższej Rodziny, w szczególności do Rodziców, dzięki którym mogłam zdobywać wykształcenie. Chciałabym również podziękować Sławkowi za niecodzienną troskę, cierpliwość i nieocenione wsparcie.. Część badań i zaprezentowanych wyników zrealizowano w ramach grantu PRELUDIUM 10 UMO–2015/19/N/ST8/01050 finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.

(3) Mojej Leili bezwarunkowo oddanej Podhalance.

(4) SPIS TREŚCI STRESZCZENIE ..................................................................................................................... 6 ABSTRACT .............................................................................................................................. 7 1 WPROWADZENIE ............................................................................................................. 8 2 ZAGADNIENIA. NARZĘDZIOWE. W PROCESACH. OBRÓBKI. KAMIENI. NATURALNYCH .............................................................................................................. 11 2.1. Spiekane materiały narzędziowe metaliczno–diamentowe .......................................... 11. 2.2. Warunki pracy narzędzi metaliczno–diamentowych .................................................... 16. 2.3. Mechanizmy zużycia narzędzi metaliczno–diamentowych .......................................... 24. 2.3.1 Zużycie cząstek diamentu ........................................................................................ 24 2.3.2 Zużycie materiału osnowy ....................................................................................... 26 2.3.3 Zużycie erozyjne osnowy......................................................................................... 28 3 POPRAWA TRWAŁOŚCI EKSPLOATACYJNEJ NARZĘDZI METALICZNO– DIAMENTOWYCH POPRZEZ PROJEKTOWANIE STRUKTURY I WŁASNOŚCI MATERIAŁU OSNOWY ................................................................................................. 29 4 CEL I TEZA PRACY ........................................................................................................ 37 5 MATERIAŁY DO BADAŃ .............................................................................................. 39 5.1. PROSZKI WYJŚCIOWE ............................................................................................. 39. 5.1.1 Wielkość cząstek proszków−analiza sitowa ............................................................ 39 5.1.2 Kształt cząstek proszków ......................................................................................... 40 5.1.3 Analiza dyfrakcyjna proszków ................................................................................ 42 5.2. MIESZANKI PROSZKÓW ......................................................................................... 44. 5.2.1 Wielkość cząstek proszków mielonych–analiza sitowa .......................................... 45 5.2.2 Własności technologiczne mieszanek proszków ..................................................... 46 5.2.3 Kształt cząstek mieszanek proszków ....................................................................... 46 5.2.4 Analiza dyfrakcyjna mieszanek proszków ............................................................... 48 5.3. MATERIAŁY SPIEKANE .......................................................................................... 49. 5.3.1 Pomiary gęstości i twardości ................................................................................... 52 5.3.2 Pomiar zawartości tlenu i węgla .............................................................................. 52 5.3.3. Analiza składu fazowego spieków ........................................................................... 53 5.3.4. Badania wytrzymałości na zginanie ......................................................................... 53 5.3.5. Badania mikrostrukturalne ....................................................................................... 57 5.3.6 Badania odporności na zużycie ścierne ................................................................... 63 5.3.7 Badania odporności na zużycie ścierne w obecności 3 ciał ..................................... 63 5.3.8 Badania odporności na zużycie ścierne w obecności 2 ciał ..................................... 65.

(5) 5.3.8.1 Badania mikrotwardości metodą Knoopa ......................................................... 66 5.3.8.2 Analiza parametrów profilu chropowatości ...................................................... 67 5.3.8.3 Dyfrakcyjna analiza zawartości (γFe) i (αFe) ................................................... 68 5.3.9 Badania odporności segmentów metaliczno–diamentowych na zużycie ścierne .... 75 5.3.10 Statystyczna analiza wyników‒model regresji wielorakiej ..................................... 78 5.3.11 Badania oddziaływań pomiędzy diamentem i osnową podczas spiekania .............. 83 6. OMÓWIENIE WYNIKÓW.............................................................................................. 88 7. WNIOSKI ........................................................................................................................... 94 Bibliografia .............................................................................................................................. 95.

(6) STRESZCZENIE W ostatnich latach obserwuje się wzrastające zapotrzebowanie na narzędzia metaliczno‒diamentowe wykorzystywane do cięcia i szlifowania kamienia naturalnego, świeżego betonu, asfaltu oraz ściernych materiałów ceramicznych. Duże znaczenie w ich rozwoju miało powstanie wielu prywatnych zakładów kamieniarskich, zwiększona produkcja różnego typu okładzin, murów, podłóg, bruków z materiałów takich jak: granit, piaskowiec, wapień czy też płytki ceramiczne. Kluczowym elementem konstrukcji narzędzia metaliczno‒ diamentowego jest materiał osnowy, który powinien charakteryzować się dużymi zdolnościami do utrzymywania cząstek diamentu, a także zużywać się z szybkością porównywalną do szybkości ich zużywania się. Gwarantuje to odpowiednią szybkość odsłaniania nowych cząstek diamentu o ostrych krawędziach tnących i tym samym zachowanie ciągłości obróbki. Ze względu na bardzo dobre własności retencyjne i odpowiednią odporność na zużycie ścierne powszechne zastosowanie na materiał osnowy znajduje kobalt oraz jego stopy. Wadą kobaltu jest jednak wysoka i niestabilna cena, dlatego w odpowiedzi na rosnącą cenę komercyjnych proszków Co–WC oraz Fe–Cu–Co–WC, które są powszechnie wykorzystywane do produkcji profesjonalnych narzędzi metaliczno‒diamentowych, podjęto badania nad opracowaniem tańszego materiału osnowy, który pozwoliłby na wyeliminowanie materiałów dotychczas stosowanych. W prezentowanej rozprawie doktorskiej główne prace badawcze skupiły się na kształtowaniu mikrostruktury i własności metalicznych materiałów na bazie żelaza, spełniających rolę osnowy w segmentach metaliczno–diamentowych poprzez odpowiednie zaprojektowanie. składu. fazowego. proszków,. optymalizację. procesu. ich. mielenia. oraz prawidłowy dobór parametrów konsolidacji. W ramach przeprowadzonych prac wykazano,. że. materiał. wykonany z. komercyjnych. proszków. charakteryzuje. się. drobnoziarnistą mikrostrukturą i jest podatny na umocnienie w wyniku odkształcenia plastycznego występującego podczas ścierania. Umocnienie wierzchniej warstwy spieku zapewnia bardzo wysoką odporność na zużycie ścierne, wyższą od powszechnie stosowanego spieku kobaltu z 20% zawartością węglika wolframu. Zastąpienie tych materiałow tańszymi mielonymi proszkami na bazie żelaza pozwala obniżyć koszty wytwarzania samych narzędzi oraz zmniejszyć szkodliwy wpływ na zdrowie pracowników bezpośrednio zatrudnionych przy produkcji profesjonalnych narzędzi metaliczno‒diamentowych. Słowa kluczowe: Diament, osnowa, segmenty metaliczno–diamentowe, odporność na zużycie ścierne 6.

(7) ABSTRACT. In recent years there has been an increasing demand for metal the bonded diamond tools for cutting and grinding of natural stone, fresh concrete, asphalt and abrasive ceramic materials. The development of this technology can be contributed to emergence of many private stonemason's works, increased production of various types of cladding, walls, floors, and pavements from materials such as granite, sandstone, limestone or ceramic tiles. The matrix material is a key element of a metallic‒diamond tool, it should be characterized by high retention capacity, and also wear at a rate comparable to that of diamond particle wear rate. This guarantees the appropriate revealing rate of the new diamond particles with sharp cutting edges and thus maintaining cutting continuity. Cobalt and its alloys are commonly used for the matrix material due to their very good retention properties and adequate resistance to abrasive wear. However, cobalt is at an disadvantage due to it’s high and unstable price. In response to the increasing price of commercial Co‒WC and Fe‒Cu‒Co‒WC powders, which are commonly used for the production of professional metal–diamond tools, research has been undertaken aimed at development a less expensive of matrix material that could replace those currently used. In the presented dissertation, the main research tasks were focused at to development of the microstructure and properties of the iron‒based metallic materials intended as a matrix materials for bonded segments, by designing the phase composition of powders, optimizing their grinding process and selection the appropriate consolidation parameters. It was shown that such material, made from commercial powders, is characterized by a fine‒grained microstructure and is susceptible to strong strengthening, induced by plastic deformation occurring during abrasion. The strong strengthening of the top layer of the sintered part ensures very high abrasion resistance, higher than the commonly used cobalt with 20% tungsten carbide. Replacing such materials with less expensive ground iron–based powders reduces the costs of tools production and, additionally, reduces the risk of cancer for workers directly employed in the production of professional metal bonded diamond tools.. Keywords: Diamond, matrix, metallic‒diamond impregnated segments, abrasion resistance. 7.

(8) 1 WPROWADZENIE Postęp w zakresie opracowywania nowych materiałów i ich wpływ na rozwój cywilizacyjny i technologiczny współczesnego świata jest ogromny. Wzrastające wymagania przemysłu wymuszają dalszy rozwój i stosowanie materiałów o coraz lepszych własnościach użytkowych, a tym samym zwiększają intensyfikację badań nad narzędziami przeznaczonymi do obróbki tychże materiałów. Okres intensywnego rozwoju i postępu w produkcji narzędzi metaliczno–diamentowych przypada na połowę XX wieku. Już od 1940 roku wytwarzane są piły tarczowe uzbrojone w segmenty wyprodukowane metodą metalurgii proszków. Początkowo w produkcji pił jako materiał ścierny stosowano diament naturalny, a osnowę wytwarzano z kobaltu i jego stopów. Udział diamentu w surowcowych kosztach produkcji pojedynczego segmentu ponad czterokrotnie przekraczał udział pozostałych surowców i materiałów eksploatacyjnych, wśród których, do najdroższych należały proszki metalicznej osnowy (głównie kobaltu) oraz matryce i elektrody grafitowe wykorzystywane do konsolidacji segmentów na gorąco. Późniejszy, szybki postęp technologiczny i wzrost produkcji diamentu syntetycznego, zwłaszcza w Chinach, a także zmniejszenie zużycia grafitowych matryc (poprzez wprowadzenie nowoczesnych urządzeń umożliwiających konsolidację segmentów w atmosferze ochronnej) oraz wzrost ceny proszków kobaltu, przyczyniły się do wyraźnej zmiany struktury kosztów produkcji segmentów. Obecnie głównym surowcowym czynnikiem decydującym o cenie segmentów metaliczno– diamentowych stał się koszt osnowy. Jej udział w kosztach surowców niezbędnych do wyprodukowania pojedynczego segmentu o wymiarach 40×6×10 mm dochodzi do ok. 65%, kiedy to w latach 90–tych wynosił 7–18% [1,2]. W ostatnich latach obserwuje się wyraźny rozwój branży kamieniarskiej. Narzędzia metaliczno–diamentowe wykorzystywane do cięcia i szlifowania kamienia naturalnego, betonów i asfaltu stanowią grupę wyrobów o największym udziale w rynku, tj. ponad 67% [2,3]. Przykładowe narzędzia metaliczno–diamentowe stosowane w przemyśle kamieniarskim przedstawiono na rys. 1.. 8.

(9) Rys. 1. Wybrane narzędzia metaliczno–diamentowe stosowane w obróbce kamieni naturalnych [4]. Najszersze zastosowanie w charakterze osnowy dla cząstek diamentu znalazł kobalt oraz jego stopy. Osnowy wytworzone na bazie tego metalu cechują doskonałe własności retencyjne, zdefiniowane jako zdolność do utrzymywania cząstek diamentu przez materiał osnowy w odniesieniu do kryształów diamentu, a same proszki charakteryzują się bardzo dobrą zgęszczalnością na gorąco. Z uwagi na wysoką i niestabilną cenę kobaltu oraz jego szkodliwy wpływ na zdrowie, na początku lat 90. XX wieku rozpoczęto badania nad opracowaniem tańszych, stopowych proszków metali, które mogłyby stanowić materiały alternatywnie stosowane w produkcji segmentów metaliczno–diamentowych. Opracowano proszki stopowe na bazie miedzi i żelaza noszące handlowe nazwy Cobalite (produkcji Umicore) [5,6], Next i Keen (produkcji Eurotungstene) [7–10]. Jednak, ze względu na zastosowanie do ich wytworzenia kosztownych procesów chemicznych, cena tych proszków jest ciągle wysoka pomimo częściowego lub całkowitego wyeliminowania kobaltu [2]. Dlatego producenci narzędzi diamentowych ciągle poszukują nowych, mniej kosztownych rozwiązań, koncentrując swoją uwagę na projektowaniu materiału metalicznej osnowy w oparciu o znacznie tańsze proszki elementarne oraz stopowe. Badania materiałów wytworzonych z wykorzystaniem komercyjnych proszków Co–Fe–Cu były przedmiotem licznych publikacji o charakterze informacyjnym lub naukowym [2,5,7,8,11–13]. Kolejnym krokiem w inżynierii spieków przeznaczonych na osnowy narzędzi metaliczno–diamentowych było całkowite wyeliminowanie z ich składu chemicznego kobaltu kosztem zwiększenia zawartości żelaza. Prace badawcze w tym kierunku podjęto w Akademii Górniczo–Hutniczej im. St. Staszica w Krakowie, we współpracy z firmą H.C. Starck [14– 31]. Zaowocowały one opracowaniem nowych materiałów osnowy na bazie proszków żelaza karbonylkowego FeCN lub stali węglowo–azotowej FeEN z dodatkiem rozpylanych proszków brązów cynowych zawierających 15‒20% mas. cyny, miedzi oraz niklu. 9.

(10) Otrzymane materiały charakteryzują się wysoką twardością oraz bardzo dobrą odpornością na zużycie ścierne. Jednak z uwagi na toksyczne własności niklu i jego szkodliwy wpływ na zdrowie oraz wysoką cenę, dotychczasowe wyniki badań skłoniły do podjęcia prac badawczych mających na celu jego wyeliminowanie oraz zaprojektowanie nowego, tańszego materiału osnowy, stając się tym samym praktycznym celem niniejszej pracy.. 10.

(11) 2 ZAGADNIENIA. NARZĘDZIOWE. W. PROCESACH. OBRÓBKI KAMIENI NATURALNYCH 2.1. Spiekane materiały narzędziowe metaliczno–diamentowe. Postęp techniki spowodował rozwój wielu dziedzin, w tym również przemysłu kamieniarskiego. Zapotrzebowanie na narzędzia metaliczno‒diamentowe o większej trwałości eksploatacyjnej i wydajności cięcia kamieni naturalnych stało się przyczyną poszukiwań nowych rozwiązań w zakresie projektowania materiałów osnowy o pożądanych własnościach. Typowa tarczowa piła diamentowa przeznaczona do cięcia materiałów trudno obrabialnych, zbudowana jest z ulepszonej cieplnie stalowej tarczy oraz segmentów metaliczno–diamentowych zamocowanych na jej obwodzie (rys. 2).. Rys. 2. Schemat piły tarczowej z zamocowanymi na obwodzie segmentami metaliczno–diamentowymi. Wybór stalowej tarczy uzależniony jest od własności ciętego materiału (rys. 3). Umieszczenie wrębów na obwodzie tarczy polepsza jej chłodzenie podczas cięcia na mokro oraz ułatwia usuwanie produktów cięcia z rzazu, zmniejszając tym samym zużycie segmentów. Do cięcia płyt ze szkła, marmuru, wapienia czy też płytek ceramicznych wykorzystuje się tarcze bez wrębów, z ciągłą warstwą roboczą, która ułatwia uzyskanie wysokiej jakości powierzchni oraz krawędzi przecinanych elementów (rys. 3a). Takie tarcze stosuje się do pił o średnicy D ≤ 400 mm.. 11.

(12) Rys. 3. Podstawowe rodzaje tarcz stosowanych w produkcji pił tarczowych (a–d) [1]. Do cięcia materiałów trudno obrabialnych (granitu, betonu zbrojonego, bazaltu) stosuje się tarcze z wąskimi wrębami (rys. 3b). Ich zastosowanie poprawia jakość krawędzi przecinanych płyt. W przypadku tych pił możliwe jest również zastąpienie pojedynczych segmentów dwoma krótszymi lub nawet większą ich liczbą (rys. 3c), co zwiększa ilość chłodziwa w strefie cięcia, a tym samym ogranicza niekorzystne oddziaływanie ścierne szlamu. Do najtrudniej obrabianych materiałów ceramicznych stosuje się tarcze z wrębami typu keyhole (rys. 3d) lub segmentami pochylonymi względem promienia tarczy (rys. 3f), które hamują inicjację pęknięcia zmęczeniowego w podstawie szczeliny i wydłużają czas ich eksploatacji. Do cięcia materiałów łatwo obrabialnych (piaskowce, świeże betony), gdzie konieczne jest wypłukiwanie gęstego szlamu o silnie ściernych własnościach, wykorzystuje się tarcze z szerokimi wrębami (rys. 3e) [1]. W przemyśle, głównie do obróbki materiałów budowalnych (cegła, beton, dachówki), wykorzystuje się również piły typu Turbo spełniające rolę narzędzi uniwersalnych (rys. 4). W piłach tego typu segmenty są ryflowane–mają pionowe nacięcia, dzięki czemu narzędzie ma zmniejszone opory cięcia. W praktyce oznacza to szybszą i intensywniejszą obróbkę.. Rys. 4. Tarcze diamentowe firmy Bosch typu Turbo przeznaczone do cięcia betonu: z obrzeżem ciągłym (a), segmentowym (b) [32]. 12.

(13) Przy projektowaniu pił tarczowych i trakowych wykorzystywane są segmenty o zróżnicowanym kształcie i budowie wewnętrznej (rys. 5). Najbardziej popularne oraz najprostsze do uzyskania są segmenty jednorodne–proste (rys. 5a). Segmenty trapezowe (rys. 5b) pozwalają na szybsze cięcie oraz obniżenie strat energii w wyniku zmniejszenia tarcia powierzchni bocznych o obrabiany materiał. Do precyzyjnego cięcia wymagane jest zastosowanie segmentów wielowarstwowych typu sandwich, składających się z warstw o zróżnicowanej odporności na zużycie ścierne i koncentracji diamentu (rys. 5c). Dzięki temu w czasie pracy piły można zaobserwować siodłowe zużycie segmentów (rys. 6), które zapewnia stabilne prowadzenie piły w rzazie i zapobiega jej zbaczaniu z wyznaczonej płaszczyzny cięcia. Kolejnym przykładem segmentów jednorodnych bądź wielowarstwowych stosowanych do narzędzi są segmenty z tzw. stopką, czyli warstwą bez diamentu (rys. 5d), która pozwala na ich mocowanie do stalowej tarczy metodą spawania laserowego, co zwiększa wytrzymałość połączenia i umożliwia wykorzystanie narzędzia do pracy na sucho [1].. Rys. 5. Podstawowe typy segmentów metaliczno–diamentowych: jednorodny–prosty (a), trapezowy (b), wielowarstwowy typu sandwich (c), wielowarstwowy przeznaczony do spawania laserowego (d) [1]. Rys. 6. Wpływ budowy segmentów na charakter zużycia powierzchni roboczej: zaokrąglony (a), siodłowy (b) [1]. 13.

(14) Odmiennym przykładem narzędzi metaliczno–diamentowych wykorzystywanych do obróbki materiałów w procesie szlifowania oraz polerowania, głównie granitu, marmuru, piaskowca oraz twardych materiałów kompozytów, są frezy diamentowe (rys. 7a). Narzędzia tego rodzaju znajdują zastosowanie w obróbce posadzek betonowych i kamiennych w obiektach. przemysłowych. (centra. logistyczne,. powierzchnie. magazynowe,. hale. produkcyjne), gospodarczych czy też biurowych. Obecnie parkiety, laminowane panele oraz ceramiczne płytki w kuchniach i łazienkach zastępowane są przez posadzki betonowe. Rozwój branży szlifowania tego typu powierzchni jest powodem systematycznie rozwijającego się rynku nieruchomości o charakterze magazynowym i przemysłowym oraz wynikiem wzbogacenia się firm posadzkowych w nowe technologie ułatwiające obróbkę betonu poprzez import nowoczesnych maszyn. To właśnie dzięki urządzeniom dokonującym obróbki w technologii diamentowej, importowanym głównie z Włoch, Niemiec i Belgii, a od kilku lat własnej krajowej produkcji, zakłady rozszerzyły zakres swojej oferty i zaspokajają rosnące potrzeby w branży sektora budowlanego. Przykładowe narzędzia metaliczno−diamentowe,. zamocowane. na. szlifierce. planetarnej. trójgłowicowej. i wykorzystywane do szlifowania powierzchni betonowych i kamiennych przedstawiono na rys. 7b.. Rys. 7. Frezy segmentowe służące do obróbki granitów, piaskowców i marmurów krystalicznych (a), szlifierka planetarna trójgłowicowa firmy Husqvarna z zamocowanymi narzędziami metaliczno–diamentowymi do szlifowania powierzchni betonowych i kamiennych (b) [33,34]. Do wiercenia otworów w kamieniu naturalnym, betonie, betonie zbrojonym, i innych materiałach kompozytowych wykorzystywane są wiertła diamentowe (rys. 8).. 14.

(15) Rys. 8. Wiertła diamentowe firmy FALCON przeznaczone do obróbki granitów, marmurów i piaskowców [35]. W produkcji pił linowych wykorzystywane są segmenty, powszechnie nazywane koralikami, które pozycjonowane są na linie stalowej za pomocą sprężyn dystansowych. Zapewnia to ich rozmieszczenie w równych odstępach na całej długości stalowej liny nośnej (rys. 9a). Wykorzystywane są również piły linowe, w których segmenty oddzielone są warstwą polimeru ustalającego ich pozycję oraz zabezpieczającego stalową linę przed niszczącym oddziaływaniem szlamu (rys. 9b).. Rys. 9. Piła linowa firmy MC Diam: ze sprężynami dystansowymi (a), plastyfikowana (b) [33]. 15.

(16) 2.2. Warunki pracy narzędzi metaliczno–diamentowych. Odpowiedni wybór narzędzia do pracy uzależniony jest od wielu czynników decydujących o trwałości i jakości pracy segmentów metaliczno–diamentowych. W głównej mierze czynniki te są związane z zaprojektowaniem odpowiedniej struktury i składu materiału stanowiącego osnowę, a także zależą od własności obrabianego materiału (np. twardości, gęstości, składu mineralogicznego, własności ściernych), warunków obróbki (np. wymaganej wydajności cięcia, prędkości obwodowej narzędzia, wydajności systemu chłodzenia), oczekiwanej jakości finalnego produktu, a także stanu technicznego maszyny. Wymienione czynniki są szczególnie istotne przy doborze odpowiedniego proszku diamentowego (morfologii jego cząstek i koncentracji) decydującego również o trwałości pracy segmentów metaliczno−diamentowych. Obróbka trudno obrabialnych kamieni naturalnych oraz materiałów ceramicznych m.in. granitu, kwarcu czy też korundu wymaga zastosowania diamentu o mniejszych wymiarach i stosunkowo niskiej koncentracji oraz wyższej wytrzymałości na obciążenia udarowe, ze względu na duże siły działające na narzędzie. Materiał osnowy powinien się charakteryzować dobrymi własnościami retencyjnymi w odniesieniu do kryształów diamentu oraz małą odpornością na zużycie ścierne, aby zapewnić samoostrzenie się piły. Przy obróbce łatwo obrabialnych skał osadowych oraz materiałów budowlanych np. piaskowców, świeżego betonu i porowatych materiałów ceramicznych, podczas której na narzędzie działają niewielkie siły, konieczne jest zastosowanie diamentu o większych wymiarach, podwyższonej koncentracji oraz o niższych własnościach wytrzymałościowych. Niska wytrzymałość i porowata struktura piaskowców sprzyja zwiększeniu zawartości gruboziarnistych produktów obróbki w szlamie, co intensyfikuje zużycie samej osnowy. Z tego powodu materiał osnowy powinien się charakteryzować podwyższoną odpornością na zużycie ścierne aby zapobiec przedwczesnemu wypadaniu cząstek diamentu. Zastosowanie diamentu o podwyższonej koncentracji i wielkości cząstek pozwala zachować wystarczającą przestrzeń między osnową a obrabianym kamieniem, niezbędną do odprowadzenia szlamu [2]. Istotny wpływ na sposób, w jaki cząstki diamentu usuwają materiał, ma kierunek pracy piły. Podczas cięcia kamieni naturalnych piłami ramowymi (trakowymi) segmenty wykonują ruch posuwisto‒zwrotny z maksymalną prędkością ok. 2 m/s. W takich warunkach proces usuwania produktów obróbki z rzazu jest utrudniony, a materiał osnowy narażony jest na intensywne zużycie ścierne wokół pracujących cząstek diamentu [36]. 16.

(17) Przy cięciu kamieni naturalnych piłami tarczowymi lub linowymi segmenty przemieszczają się tylko w jednym kierunku z prędkością powyżej 20 m/s. Niezmienny kierunek pracy piły jest powodem szczególnego zużywania się powierzchni roboczych segmentów, na których za każdą cząstką diamentu, tworzy się charakterystyczny warkocz, który wspiera kryształy diamentu, ułatwiając ich retencję (rys. 10).. Rys. 10. Powierzchnia robocza piły tarczowej [2]. Uwzględniając wzajemną relację pomiędzy kierunkiem obrotów piły i jej posuwem, cięcie piłami tarczowymi może się odbywać współbieżnie lub przeciwbieżnie (rys. 11).. Rys. 11. Współbieżny (a) i przeciwbieżny (b) kierunek pracy piły [36]. Przy cięciu współbieżnym cząstki diamentu uderzają w powierzchnię ciętego kamienia, zagłębiając się w nim na maksymalną wysokość (rys. 11a). W miarę postępu skrawania, 17.

(18) diament stopniowo wychodzi z obrabianego materiału. Ten sposób cięcia sprzyja zarówno szybszemu zużywaniu się cząstek diamentu oraz osnowy. Przy cięciu przeciwbieżnym cząstka diamentu stopniowo zagłębia się w skrawany materiał oraz osiąga maksymalną głębokość penetracji tuż przed opuszczeniem rzazu (rys. 11b) [36]. Przy zwiększeniu wydajności cięcia wymagane jest zastosowanie większej prędkości obwodowej piły, tak aby zapewnić szybsze odprowadzenie produktów obróbki z rzazu. Trudno obrabialne granitowe bloki i grube płyty przecina się w wielu przejściach piłami tarczowymi na głębokość od 0,1 mm do 20 mm w jednym przejściu, stosując na przemian współbieżny i przeciwbieżny kierunek obrotów piły. Prędkość posuwu narzędzia dobiera się w taki sposób, aby wydajność cięcia mieściła się w zakresie 100–600 cm2/min. O prędkości cięcia decydują takie czynniki jak: głębokość cięcia oraz prędkość posuwu narzędzia, które dobiera się w zależności od rodzaju obrabianego materiału. Cięcie kamieni łatwo obrabialnych prowadzone jest na wskroś, w jednym przejściu, stosując współbieżny kierunek obrotów piły. Prędkość cięcia mieści się wówczas w zakresie 600–2000 cm2/min [2]. Z praktyki przemysłowej wynika ogólna zasada, że im materiał jest trudniejszy do cięcia, tym prędkość obwodowa narzędzia powinna być mniejsza. Składowym elementem procesu cięcia kamienia naturalnego narzędziami metaliczno– diamentowymi jest chłodziwo, którym najczęściej jest woda, choć mogą to być również emulsje wodno‒olejowe lub nafta. Zastosowanie chłodziwa zapobiega nadmiernemu wzrostowi temperatury w pobliżu roboczej powierzchni segmentów oraz ułatwia odprowadzanie produktów cięcia, zmniejszając zużycie narzędzia [37]. Przy założeniu, że kamień cięty jest przy użyciu piły tarczowej z ciągłą warstwą roboczą (bez wrębów) możliwe jest obliczenie parametrów charakteryzujących pracę kryształów diamentu. W obliczeniach należy przyjąć założenie, że kryształy diamentu mają ten sam rozmiar, wysokość protruzji, tj. wysokość na jaką wystają skrawające cząstki diamentu ponad powierzchnię osnowy i rozmieszczenie w stałych odstępach. Maksymalna grubość warstwy skrawanej (hmax) stanowi statystycznie uśrednioną wartość maksymalnej głębokości penetracji kamienia przez pojedyncze ostrze diamentowe. Jej wartość (równanie 1) zależy od liczby kryształów diamentu przypadających na jednostkę powierzchni roboczej piły „C”, ich wielkości krawędzi „w”, średnicy piły „D” oraz jej prędkości obwodowej „vs”. Dla powyższego założenia wielkość hmax wyrażona jest równaniem 1 [36]: 105. 𝑍. 1. 1. ℎ𝑚𝑎𝑥 = 3∙𝐶∙𝑤 ∙ 𝑣𝐴 ∙ √𝑎∙𝐷 – 𝐷2 [𝜇𝑚] 𝑆. (1). 18.

(19) gdzie: C – liczba diamentowych ostrzy przypadająca na jednostkę powierzchni roboczej piły [cm‒2], w – szerokość pojedynczego ostrza [µm], 𝑍𝐴 – wydajność cięcia [cm2/min], 𝑣𝑆 – prędkość obwodowa piły [m/s], a – głębokość cięcia [cm], D – średnica piły [cm]. Dla piły ramowej maksymalną głębokość penetracji kamienia przez diament hmax można obliczyć korzystając z równania 2 [36]:. ℎ𝑚𝑎𝑥 =. 103 ∙ 𝑉𝑓 12∙𝜋∙𝑛𝑠. 𝑙𝑝 –2𝐿3. ∙ 𝑎𝑟𝑐 cos (. 𝑙𝑝. ) [𝜇𝑚]. (2). gdzie: 𝑉𝑓 ‒ prędkość opadu piły [cm/godz.], 𝑙𝑝 – długość skoku piły [mm], 𝐿3 ‒ odległość pomiędzy ostrzami tnącymi (segmentami) [mm], 𝑛𝑠 – prędkość obrotowa koła zamachowego napędzającego piłę trakową [min–1]. W przypadku cięcia granitu piłą o małej średnicy i/lub na małą głębokość (duża wartość hmax) cząstki diamentu narażone są na większe obciążenia udarowe przy współbieżnym kierunku obrotów piły. W konsekwencji ulegają one szybszemu zniszczeniu, co może być zjawiskiem korzystnym w przypadku, gdy dochodzi do pojawienia się mikropęknięć cząstek. Podczas cięcia piłą o dużej średnicy i/lub na dużą głębokość cząstki diamentu płytko penetrują obrabiany materiał (mała wartość hmax), co może skutkować polerowaniem diamentu, a w konsekwencji wzrostem siły normalnej działającej na narzędzie. Przy zachowaniu stałych parametrów procesu cięcia zarówno zwiększenie koncentracji diamentu, jak i wielkości jego cząstek, pozwala na złagodzenie warunków ściernego zużycia segmentów, co prowadzi do wzrostu trwałości eksploatacyjnej piły. Sam wybór diamentu sprowadza się do uwzględnienia takich parametrów jak: pochodzenie, jakość cząstek, kształt i wielkość cząstek oraz koncentracja. W produkcji narzędzi metaliczno–diamentowych może być wykorzystywany diament pochodzenia naturalnego lub syntetyczny. Cząstki diamentu naturalnego mają bardziej rozwiniętą powierzchnię niż diamenty syntetyczne i posiadają nieregularny kształt (rys. 12a), co zapewnia lepsze ich połączenie. 19.

(20) z osnową.. Wysokiej. jakości. kryształy. diamentu. syntetycznego. mają. regularny,. kubooktaedryczny kształt (rys. 12b), co z kolei utrudnia ich retencję w osnowie [2]. Obecne wykorzystanie diamentów naturalnych do celów technicznych wynosi zaledwie 1%, zaś 99% stanowi zastosowanie diamentów syntetycznych. Poważnym ograniczeniem szerszego wykorzystania narzędzi wykonywanych z użyciem diamentu naturalnego jest nieopłacalność procesu mielenia naturalnych kryształów w celu uzyskania pełnego asortymentu klas ziarnowych potrzebnych do wytwarzania narzędzi [38].. Rys. 12. Kryształy diamentu: naturalnego (a), syntetycznego (b). Diament syntetyczny otrzymywany jest najczęściej metodą syntezy w obecności metalu nazywanego katalizatorem (rozpuszczalnikiem). Źródłem węgla w tej metodzie jest grafit natomiast rolę katalizatora pełnią stopy metali przejściowych żelazo–nikiel, kobalt–żelazo oraz w mniejszym stopniu nikiel–magnez. Rodzaj katalizatora wpływa na zarodkowanie kryształów diamentu, ich wzrost, wielkość, zdefektowanie i własności. Najczęstszą formą zdefektowania kryształów są wtrącenia katalizatora i grafitu. Podwyższona zawartość metalicznego katalizatora lub jego tendencja do tworzenia charakterystycznych skupisk wewnątrz kryształów diamentu zwiększa jego wrażliwość na działanie temperatury, co objawia się wyraźnym obniżeniem jego odporności na obciążenia udarowe [36]. W zależności od zastosowanych warunków procesu przemiany możliwa jest modyfikacja kształtu i rozmiaru kryształów diamentu. Ich kształt może się zmieniać od sześcianu do ośmiościanu, natomiast wymiary kryształów diamentu są zależne od czasu trwania procesu. Wydłużając czas syntezy, uzyskuje się cząstki o większych wymiarach, lecz równocześnie zwiększa się prawdopodobieństwo pojawienia się w nich defektów w postaci. wtrąceń. pochodzących. z. katalizatora. i. tworzenia. się. nieprawidłowo. 20.

(21) wykrystalizowanych. płaszczyzn.. Uzyskiwanie. dużych. cząstek. diamentu,. wolnych. od defektów, jest bardzo trudne i kosztowne, dlatego ich cena jest ciągle wysoka [2,39]. Kształt kryształów diamentu syntetycznego wpływa na liczbę oraz długość krawędzi tnących. Koncern De Beers wprowadził klasyfikację kształtu cząstek diamentu przypisując im wskaźnik, tzw. morphology index, będący ułamkiem, którego mianownik wynosi 8, a licznik przyjmuje wartość w zakresie od 0 dla sześcianu, do 8 dla ośmiościanu [39]. Przykłady. kształtu. kryształów. diamentu. syntetycznego. oraz. odpowiadające. im wskaźniki kształtu przedstawiono na rys. 13.. Rys. 13. Wskaźniki kształtu kryształów diamentu syntetycznego [36]. Poza wyżej opisanymi kształtami diamentu syntetycznego możliwe jest otrzymanie polikrystalicznych cząstek diamentu, składających się z dwóch lub więcej połączonych ze sobą kryształów o różnej orientacji (rys. 14).. Rys. 14. Polikrystaliczne cząstki diamentu. Wielkość cząstek diamentu wyraża się w skali mesh, która określa liczbę oczek sita na 1 cal. W przypadku dużych kryształów, o wielkości większej od 18 mesh (1 mm), zazwyczaj podaje się liczbę cząstek (PPC–particles per carat), która przypada na 1 karat diamentu (1 karat = 0,2 g). Dobór wielkości cząstek diamentu wpływa na wysokość protruzji, która 21.

(22) decyduje o wielkości prześwitu pomiędzy powierzchnią osnowy segmentu a powierzchnią skrawanego kamienia. Niewłaściwie dobrana wielkość cząstek proszku diamentu może w skrajnych wypadkach znacznie obniżyć trwałość narzędzia lub zahamować proces cięcia uniemożliwiając samoostrzenie się segmentów. Cząstki diamentu o mniejszej wielkości posiadają wyższą wytrzymałość mechaniczną, co umożliwia ich zastosowanie do cięcia materiałów twardych i trudno obrabialnych. Przy wyborze wielkości cząstek proszku diamentu należy wziąć pod uwagę własności obrabianego materiału, parametry procesu cięcia (hmax), moc, stan techniczny maszyny, wymagania dotyczące jakości powierzchni oraz krawędzi obrabianych elementów. Zaleca się stosowanie proszków o wielkości [20,40,41]: –. powyżej 80 mesh (<177µm) – do produkcji narzędzi szlifierskich,. –. 60/80 mesh (177‒250 µm) – do cięcia szkła i obróbki wykończeniowej kamieni naturalnych i materiałów ceramicznych,. –. 50/60 mesh (250‒297 µm) – do cięcia piłami tarczowymi kamieni trudno obrabialnych (zawierających krzemień) oraz do cięcia wapieni i marmurów przy użyciu pił ramowych,. –. 40/50 mesh (297‒420 µm) – do cięcia piłami tarczowymi i linowymi materiałów trudno obrabialnych (granit, bazalt, beton zbrojony),. –. 30/40 mesh (420‒595 µm) – do cięcia piłami tarczowymi skał metamorficznych i osadowych (marmur, piaskowiec), a także betonów,. –. 20/30 mesh (595‒841 µm) – do cięci piłami tarczowymi lub trakowymi oraz wiercenia. wiertłami. rurowymi. łatwo. obrabialnych. materiałów. (gruboziarniste odmiany piaskowców, świeży beton, asfalt). Ze względu na uzyskaną jakość powierzchni obrabianego materiału oraz zmniejszenie ryzyka pojawienia się wad, np. w postaci wyszczerbień na krawędziach, zazwyczaj wykorzystywane. są. mniejsze. cząstki. diamentu. do. operacji. wykończeniowych,. np. do docinania cienkich kamiennych płyt, do szlifowania, kalibrowania, polerowania. Na skrawność narzędzia, w tym jego trwałość eksploatacyjną, dokładność obróbki i jakość powierzchni obrabianej wpływa również koncentracja diamentu, która określa jego objętościowy udział w roboczej części narzędzia. Przyjmuje się, że jeżeli w 1 cm3 materiału znajduje się 4,4 karata diamentu, to jego koncentracja wynosi 100. Koncentracja diamentu powinna być dobrana w taki sposób, aby zapewnić właściwe obciążenie pracujących kryształów diamentu. Zbyt wysoka prowadzi do tępienia się narzędzia i wzrostu poboru mocy podczas pracy. Zbyt niska koncentracja przyczynia się do przeciążenia 22.

(23) pracujących cząstek diamentu, ich pękania, a tym samym do wyraźnego obniżenia trwałości eksploatacyjnej narzędzia. Istnieje ścisła zależność pomiędzy wielkością cząstek diamentu i jego koncentracją, a liczbą cząstek przypadających na jednostkę powierzchni roboczej segmentu (tablica 1) [36]. Tablica 1. Zależność pomiędzy wielkością cząstek diamentu i jego koncentracją, a liczbą cząstek przypadających na cm2 powierzchni roboczej segmentu [36] Wielkość cząstek. Koncentracja diamentu c. mesh. µm. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 25/35. 500‒707. 14. 19. 24. 29. 34. 38. 30/40. 420‒595. 22. 30. 37. 45. 52. 60. 35/40. 420‒500. 26. 34. 43. 51. 60. 68. 40/50. 297‒420. 38. 51. 63. 76. 88. 101. 50/60. 250‒297. 65. 87. 109. 131. 153. 174. 60/80. 177‒250. 85. 114. 142. 170. 199. 227. Koncentracja diamentu w większości narzędzi mieści się w granicach 20–40 (5–10% obj.). Wyższą koncentrację diamentu stosuje się w segmentach przeznaczonych do cięcia materiałów łatwo obrabialnych, o silnie ściernych własnościach, w których stosuje się proszki diamentu o wielkości cząstek 20–40 mesh. W segmentach przeznaczonych do cięcia materiałów trudno obrabialnych stosuje się niższą koncentrację oraz proszki diamentu o wielkości cząstek 40–60 mesh.. 23.

(24) 2.3. Mechanizmy zużycia narzędzi metaliczno–diamentowych. 2.3.1. Zużycie cząstek diamentu. W prawidłowo dobranych warunkach pracy cząstka diamentu wchodząc w kontakt z obrabianym materiałem poddawana jest cyklicznym obciążeniom udarowym, w wyniku których ulega pękaniu i wykruszaniu, ciągle pozostając w osnowie. W trakcie dalszej pracy narzędzia, z uwagi na zużycie osnowy, następuje jej płytsze osadzanie w materiale osnowy, z którego pod wpływem działania na nią sił zostaje usunięta. Dlatego warunkiem zachowania ciągłości pracy narzędzia konieczne jest odsłanianie kolejnych cząstek diamentu z prędkością odpowiadającą ich zużyciu [42,43]. Poszczególne stadia zużycia cząstek diamentu podczas pracy segmentu przedstawiono schematycznie na rys. 15.. Rys. 15. Stadia zużycia cząstek diamentu [44,45]. Widoczne na powierzchni roboczej segmentu cząstki diamentu można sklasyfikować według stopnia ich zużycia. Wyróżnia się kryształy [42,46,47]:  niewykazujące oznak zużycia – są to kryształy, które zaczynają się wyłaniać z osnowy i nie znajdują się jeszcze w bezpośrednim kontakcie z obrabianym materiałem,  częściowo ukruszone (micro–fractured) – mające optymalną postać, gdyż obecność licznych, ostrych krawędzi obniża siły działające na narzędzie,  wykruszone (macro–fractured) – są to kryształy, które w wyniku cyklicznych obciążeń uległy znacznemu zniszczeniu prowadzącemu do zmniejszenia wysokości protruzji, 24.

(25) cząstki te nie znajdują się w bezpośrednim kontakcie z obrabianym materiałem (rys. 16a),  wypolerowane (polished lub flattened) – o stępionych wierzchołkach oraz krawędziach, które są wynikiem niewłaściwych warunków pracy lub złego doboru jakości, koncentracji i wielkości cząstek do rodzaju materiału obrabianego (rys. 16b).. Rys. 16. Rodzaje zużycia cząstek diamentu: wykruszone (a), wypolerowane (b) [48]. W procesie cięcia ok. 26% kryształów obecnych na roboczej powierzchni segmentu osiąga wysokość protruzji zapewniającą bezpośredni kontakt z obrabianym materiałem [42,49]. Korzystając z zależności (równanie 3) z pracy [50] można oszacować liczbę pracujących cząstek diamentu przypadających na 1 cm2 powierzchni roboczej segmentu i biorących bezpośredni udział w obróbce (Na). 𝑁𝑎 =. 4,4 ∙𝑐 100. ∙ 𝑃𝑃𝐶 ∙ ̅̅̅ 𝑑𝑔 [𝑐𝑚–2]. (3). gdzie: c – koncentracja diamentu, PPC – liczba cząstek diamentu przypadająca na 1 karat, ̅̅̅ 𝑑𝑔 – średni wymiar cząstek diamentu [cm].. 25.

(26) 2.3.2. Zużycie materiału osnowy. Podczas pracy osnowa narzędzi metaliczno–diamentowych narażona jest głównie na zużycie ścierne, a także zmęczeniowe i erozyjne. Zużycie ścierne może zachodzić w obecności 2 ciał (2–body abrasion) lub 3 ciał (3–body abrasion). O zużyciu ściernym w obecności 2 ciał mówimy, gdy materiał osnowy wchodzi w bezpośredni kontakt z materiałem obrabianym. Zużycie w obecności 3 ciał zachodzi, gdy materiał osnowy zużywa się pod wpływem ściernego oddziaływania luźnych cząstek ścierniwa. Zachodzące zużycie zmęczeniowe materiału osnowy polega na powstawaniu pęknięć w wyniku uderzenia lub cyklicznego odkształcania i wykruszania warstw wierzchnich. W przypadku erozyjnego zużycia materiału osnowy zachodzi wygładzenie powierzchni kraterów powstałych we wcześniejszym procesie ścierania [36]. Intensywność zużycia erozyjnego zależy m.in.: od twardości cząstek ścierniwa, kąta pod jakim uderzają w powierzchnię osnowy oraz ich energii, tj. wielkości (masy) i prędkości, z jaką poruszają się w kierunku powierzchni [51].. Zużycie osnowy w obecności 2 ciał Zużycie ścierne w obecności 2 ciał jest najszybszym sposobem usuwania materiału. Podczas pracy narzędzi metaliczno–diamentowych proces ten zachodzi, gdy ostre występy skalne skrawają osnowę, powodując jej intensywne zużycie. Dlatego istotnym jest dobranie wielkości kryształów diamentu w taki sposób, aby zapobiec bezpośredniemu kontaktowaniu się ostrych występów na powierzchni przecinanej skały z powierzchnią osnowy. W przeciwnym wypadku intensyfikuje to proces zużycia materiału osnowy, a tym samym przyspiesza zużycie narzędzia [36].. Zużycie osnowy w obecności 3 ciał Proces zużycia ściernego w obecności 3 ciał zachodzi, gdy twarde cząstki ścierniwa przedostają się pomiędzy dwa poruszające się względem siebie ciała. W przypadku cięcia kamieni naturalnych piłami diamentowymi, rolę ścierniwa spełniają odłamki skalne, unoszone w szlamie pomiędzy roboczą powierzchnią narzędzia a powierzchnią obrabianej skały. Prędkość zużycia ściernego w obecności 3 ciał wzrasta wraz z wielkością i twardością cząstek ścierniwa oraz siłą, z jaką oddziaływują one na osnowę. Kształt oraz twardość cząstek ścierniwa są ściśle uzależnione od rodzaju obrabianego materiału i w niewielkim stopniu 26.

(27) zależą od parametrów cięcia. Zmieniając parametry cięcia można wpływać na intensywność zużycia poprzez zmianę wartości siły, z jaką odłamki skalne oddziaływują na powierzchnię segmentu. Przy cięciu z dużymi prędkościami zwiększa się gęstość generowanych odłamków skały, co tym samym intensyfikuje proces zużycia narzędzia. Siły oddziaływania cząstek ścierniwa na powierzchnię segmentu zależą nie tylko od ich stężenia w szlamie, ale również od wielkości kryształów diamentu. Zastosowanie cząstek diamentu o większych wymiarach pozwala na utworzenie przestrzeni niezbędnej do odprowadzenia produktów obróbki ze strefy cięcia (rzazu), które zamiast ślizgać się po powierzchni roboczej segmentów, mogą się po niej toczyć lub być unoszone w szlamie, zmieniając charakter zużycia ze ściernego na erozyjny przyczyniając się do wzrostu trwałości eksploatacyjnej narzędzia. Jeżeli zwiększenie wymiarów użytych cząstek diamentu nie pozwala uzyskać pożądanego efektu, zachodzi konieczność modyfikacji składu chemicznego i struktury osnowy tak, aby zwiększyć jej odporność na zużycie ścierne [2,36]. Od relacji między twardością cząstek ścierniwa i twardością obrabianego materiału zależy objętość usuwanego materiału osnowy. Gdy twardość cząstek ścierniwa jest mniejsza od twardości ścieranego materiału, wówczas szybkość zużycia jest bardzo mała. Intensywny wzrost zużycia ściernego obserwuje się, gdy twardość cząstek ścierniwa zwiększa się w zakresie 1,3–1,7 twardości ścieranego materiału [2]. Należy zaznaczyć, że w rzeczywistych warunkach pracy narzędzia wielkość zużycia ściernego osnowy zależy nie tylko od składu mineralogicznego i wielkości odłamków skalnych, ale również od siły, z jaką ścierniwo oddziałuje na materiał osnowy. Dlatego zwiększenie trwałości eksploatacyjnej segmentów metaliczno–diamentowych o podwyższonych. można. własnościach. uzyskać. dzięki. retencyjnych. i. zastosowaniu. tribologicznych.. materiału Poprawę. osnowy trwałości. eksploatacyjnej segmentów można uzyskać także poprzez zmniejszenie siły oddziaływania cząstek ścierniwa na powierzchnię roboczą segmentów w wyniku zastosowania diamentu o większej wielkości cząstek i wyższej koncentracji (zwiększenie wysokości protruzji) [2].. 27.

(28) 2.3.3. Zużycie erozyjne osnowy. W procesie erozji twarde cząstki ścierniwa uderzając w powierzchnię osnowy tworzą w niej rowki i ulegają odbiciu. Intensywność procesu erozji bardzo silnie zależy od wielkości i prędkości cząstek ścierniwa oraz kąta, pod którym uderzają one w obrabiany materiał. Maksymalną wartość zużycia wywołanego erozyjnym oddziaływaniem cząstek ścierniwa obserwuje się, gdy kąt ten mieści się w zakresie 15–30°. Szybkość erozji jest wówczas proporcjonalna do prędkości (równanie 4), z jaką cząstki ścierniwa uderzają w obrabianą powierzchnię, podniesionej do potęgi o wykładniku w zakresie 2–3. Zużycie erozyjne gwałtownie maleje jeżeli wielkość cząstek jest mniejsza od 100 µm. Ponadto, zużycie erozyjne praktycznie nie zachodzi, gdy uderzające cząstki ścierniwa mają zbyt małą energię, aby wywołać odkształcenie plastyczne i doprowadzić do zmęczeniowego pękania i wykruszania osnowy [2,36]. Wielkość zużycia erozyjnego 𝑅𝑤 można wyrazić wzorem (równanie 4): 𝑅𝑤 ≈ 𝑘 ∙ 𝑣𝑖𝑛. (4). gdzie: k – współczynnik zależny od warunków erozji, twardości i gęstości cząstek ścierniwa, 𝑣𝑖 – prędkość, z jaką cząstki ścierniwa uderzają w powierzchnię [m/s], n – wykładnik potęgi zależny od zjawisk towarzyszących zderzeniu cząstki ścierniwa z powierzchnią. Z danych literaturowych [36,52] wynika, że zużycie erozyjne jest mechanizmem, którego intensywność jest niewystarczająca, aby kontrolować szybkość zużywania się segmentów metaliczno–diamentowych w warunkach eksploatacyjnych. Dlatego zużycie erozyjne, będące zjawiskiem towarzyszącym zużyciu ściernemu, nie ma praktycznie wpływu na trwałość eksploatacyjną pił diamentowych podczas cięcia kamieni naturalnych.. 28.

(29) 3 POPRAWA. TRWAŁOŚCI. EKSPLOATACYJNEJ. NARZĘDZI METALICZNO–DIAMENTOWYCH POPRZEZ PROJEKTOWANIE. STRUKTURY. I. WŁASNOŚCI. MATERIAŁU OSNOWY. Utrata. trwałości. eksploatacyjnej. narzędzi. metaliczno–diamentowych. wynika. z postępującego zużycia tribologicznego i zmęczeniowego powodującego powstawanie pęknięć i wykruszenie materiału osnowy w takcie eksploatacji narzędzia. Ponieważ w procesach cięcia kamieni naturalnych kryształy diamentu poddane są udarowym obciążeniom, które w otaczającej je osnowie wywołują złożony stan naprężeń, szczególnie istotne staje się zaprojektowanie materiału osnowy o bardzo dobrych własnościach retencyjnych i tribologicznych, których uzyskanie jest możliwe, gdy materiał ten posiada [2,44,45,53–57]: – wysoką twardość, która jest podstawowym parametrem kontroli jakości wskazującym na poprawność procesu wytwarzania segmentów, – wysoką granicę plastyczności oraz wytrzymałość zmęczeniową, które uniemożliwiają pękanie osnowy wokół cząstek diamentu, – wysoką udarność i małą wrażliwość na działanie karbu, co utrudnia zarodkowanie pęknięć w pobliżu ostrych krawędzi cząstek diamentu, wokół których następuje spiętrzenie naprężeń, – mały współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz wysoki współczynnik przewodzenia ciepła, aby nie dopuścić do nadmiernego wzrostu temperatury segmentów podczas pracy piły, powodującego obniżenie granicy plastyczności materiału osnowy i jego deformację wokół cząstek diamentu, – brak rozpuszczalności lub minimalną rozpuszczalność węgla w celu zminimalizowania grafityzacji cząstek diamentu. Rola materiału osnowy, który stanowi kluczowy element konstrukcji narzędzia metaliczno‒ diamentowego sprowadza się do dwóch podstawowych funkcji [2,41,53,58,59]: – zużywania się z szybkością odpowiednią do szybkości zużywania się cząstek diamentu, w celu zagwarantowania odsłanianie nowych, ostrych krawędzi diamentu i zachowanie łatwości cięcia, 29.

(30) – utrzymywania cząstek diamentu podczas pracy narzędzia w taki sposób, żeby utrudnić ich wypadanie, wciskanie lub obrót, co zapewnia efektywne wykorzystanie cząstek diamentu (osnowa powinna się charakteryzować dobrymi własnościami retencyjnymi). Materiał osnowy powinien zostać wyprodukowany z tanich, łatwo dostępnych proszków,. które. charakteryzują. się. bardzo. dobrą. formowalnością. na. zimno. oraz zgęszczalnością na gorąco. W praktyce wybór osnowy jest uwarunkowany wieloma czynnikami: rodzajem diamentu, wielkością jego cząstek oraz ich odpornością na obciążenia udarowe, warunkami cięcia oraz własnościami obrabianego materiału. Z powodu różnorodnych warunków pracy narzędzi metaliczno‒diamentowych w charakterze osnowy stosuje się różnego typu materiały. Szerokie zastosowanie znalazły materiały na bazie kobaltu, miedzi i żelaza. Niewielkie dodatki proszków cyny, brązów cynowych, wolframu i węglika wolframu wprowadza się do proszków bazowych w celu obniżenia temperatury prasowania na gorąco lub zmiany własności mechanicznych i tribologicznych osnowy. Niskotopliwe proszki brązów cynowych powodują pojawienie się fazy ciekłej podczas prasowania na gorąco ułatwiając zagęszczenie mieszanki, natomiast wprowadzenie węglika wolframu zwiększa twardość osnowy i jej odporność na zużycie ścierne [19]. Modyfikacja składu chemicznego materiału osnowy odgrywa kluczową rolę dla zwiększenia jej odporności na zużycie ścierne, co z kolei przyczynia się do zwiększenia trwałości eksploatacyjnej samego narzędzia. Z teoretycznego punktu widzenia, poprzez odpowiedni dobór składu chemicznego, możliwe jest uzyskanie materiału, który bezpośrednio po prasowaniu na gorąco będzie zawierał metastabilny, przechłodzony austenit. W czasie pracy narzędzia, w wyniku oddziaływania produktów obróbki ściernej możliwe jest zainicjowanie w materiale osnowy przemiany martenzytycznej indukowanej odkształceniem plastycznym zwiększającej twardość i odporność na zużycie ścierne tych materiałów. Duża twardość martenzytu, a także związane z przemianą zwiększenie objętości osnowy w wierzchniej warstwie segmentu powinno przeciwdziałać plastycznemu odkształceniu materiału wokół kryształów diamentu zapobiegając ich wypadaniu [19]. Przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi w warunkach ciągłego chłodzenia austenitu w zakresie pomiędzy temperaturami 𝑀𝑠 i 𝑀𝑓 , przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej 𝑣𝑘 . Wartości temperatury 𝑀𝑠 i 𝑀𝑓 zależą od składu chemicznego austenitu i obniżają się ze zwiększeniem stężenia węgla (rys. 17a) oraz, w mniejszym stopniu, innych dodatków stopowych, z wyjątkiem Al i Co (rys. 17b) [60].. 30.

(31) Rys. 17. Wpływ zawartości węgla na temperaturę 𝑴𝒔 i 𝑴𝒇 (a) oraz pierwiastków stopowych na temperaturę początku przemiany martenzytycznej 𝑴𝒔 (b) [60]. Chwilowe zatrzymanie chłodzenia w zakresie pomiędzy temperaturą 𝑀𝑠 i 𝑀𝑓 powoduje zwiększenie ilości nieprzemienionego austenitu, zwanego szczątkowym, w porównaniu do nieprzerwanego przebiegu chłodzenia. Zjawisko to nosi nazwę stabilizacji austenitu. Udział austenitu szczątkowego wzrasta silnie wraz ze zwiększeniem stężenia węgla w austenicie (rys. 18).. Rys. 18. Wpływ stężenia węgla w austenicie na udział austenitu szczątkowego, wg A.P. Gulajewa [60]. 31.

(32) Nieprzemieniony austenit szczątkowy może ulec przemianie w martenzyt pod wpływem odkształcenia plastycznego stopu w temperaturze niższej od 𝑀𝑑 , która jest najwyższą temperaturą, w której odkształcenie plastyczne może indukować przemianę bezdyfuzyjną. Powstanie martenzytu powoduje wzrost objętości. Jeżeli nawet w podwyższonej temperaturze, powyżej 𝑀𝑠 , utworzy się martenzyt, to jest on stabilny, i mimo silnego zdefektowania po odciążeniu nie przemienia się z powrotem w austenit. Energie swobodne ′. każdej z faz (martenzyt, austenit) biorących udział w przemianie, 𝐺 𝛼 i 𝐺 𝛾 , zmieniają się wraz ze zmianą temperatury i składu chemicznego. Dla każdego stopu istnieje pewna ′. temperatura 𝑇0 , w której austenit i martenzyt są w równowadze: 𝐺 𝛼 = 𝐺 𝛾 . W temperaturach ′. ′. niższych od 𝑇0 pojawia się różnica energii swobodnych ∆𝐺 𝛾→𝛼 = 𝐺 𝛾 – 𝐺 𝛼 , która rośnie ze wzrostem przechłodzenia ∆𝑇. Po osiągnięciu temperatury 𝑀𝑠 procesy dyfuzyjne są silnie ′. tłumione i wówczas nadmiar energii swobodnej ∆𝐺 𝛾→𝛼 , wywołany przechłodzeniem ′. austenitu, staje się siłą pędną inicjującą przemianę. Wtedy ∆𝐺 𝛾→𝛼 jest energią potrzebną do wytworzenia zarodka martenzytu, tj. do zapoczątkowania przemiany przy pewnym niezbędnym przechłodzeniu. Utworzenie zarodków martenzytu wymaga znacznej energii dla pokonania oporu sprężystego fazy macierzystej, którą musi dostarczyć energia swobodna związana ze zmianą objętości. Z tego powodu temperatura początku przemiany martenzytycznej atermicznej 𝑀𝑠 jest niższa od temperatury 𝑇0 [61]. W. ogólnym. przypadku. zmianę. energii. swobodnej. związaną. z. przemianą. martenzytyczną określa równanie 5: ′. ′. ∆𝐺 𝛾→𝛼 = ∆𝐺𝑐 𝛾→𝛼 + ∆𝐺𝑛𝑐 𝛾→𝛼. ′. (5). gdzie: ′. ∆𝐺𝑐 𝛾→𝛼 – zmiana energii swobodnej przemiany austenitu w martenzyt, proporcjonalna do ilości powstającego martenzytu, ′. ∆𝐺𝑛𝑐 𝛾→𝛼 – energia. przeciwdziałająca przemianie,. będąca sumą. energii. sprężystej. odkształcenia sieci i energii powierzchniowej nowopowstałej powierzchni rozdziału. Temperatura początku przemiany martenzytycznej 𝑀𝑠 ulega zmianie pod wpływem naprężeń zewnętrznych (rys. 19). Temperatura ta maleje lub wzrasta, w zależności od tego czy praca mechaniczna (U) wspomaga czy utrudnia przemianę.. 32.

(33) W ogólnym przypadku przemiana rozpoczyna się w chwili gdy: ′. ′. ∆𝐺𝑀𝑠 𝛾→𝛼 = ∆𝐺𝑇1 𝛾→𝛼 ± 𝑈. (6). Rys. 19. Wykres zmiany energii swobodnej ∆𝑮 austenitu, martenzytu oraz energii mechanicznej U w zależności od temperatury [62]. Temperaturę, w której zaczyna się przemiana wspomagana pracą mechaniczną (oznaczenie 𝑇1 na rys. 19) oznacza się symbolem 𝑀𝑑 . Powyżej tej temperatury energia swobodna nie może zapoczątkować przemiany, nawet gdyby ją zwiększyć do maksymalnej wartości [62]. Wskutek tego, że część energii dostarcza przyłożone naprężenie, temperatura 𝑀𝑑 przesuwa się w kierunku 𝑇0 . Wartość temperatury 𝑀𝑑 obniża się ze wzrostem szybkości odkształcania, a także spadku aktywności granic bliźniaczych jako źródeł ścinania. Efekt przemiany martenzytycznej w wyniku odkształcenia plastycznego badano w materiałach z układu Fe–Ni–Cu–Sn–C–N, spełniających rolę osnowy w segmentach metaliczno–diamentowych [2,14,15,19,29,63,64]. Skutkiem indukowanej odkształceniem plastycznym przemiany austenitu w martenzyt była zdolność materiału do silnego umocnienia w trakcie jego pracy i wysoka odporność na zużycie ścierne. Przeprowadzone badania pozwoliły uzyskać materiał będący alternatywą dla powszechnie wykorzystywanych spieków Co−20%WC. Biorąc jednak pod uwagę wysoką cenę niklu i jego własności alergizujące oraz dane literaturowe [65–75] dotyczące możliwości modyfikacji składu chemicznego materiału osnowy zintensyfikowano badania nad zastąpieniem niklu manganem. Pierwiastek ten, ze względu na skłonność do tworzenia stabilnych tlenków nie ulegających redukcji podczas spiekania w konwencjonalnych warunkach, jest praktycznie niewykorzystywany w stalach otrzymywanych metodą metalurgii proszków. 33.

(34) Mangan jest pierwiastkiem austenitotwórczym, rozszerzającym zakres austenitu i mającym nieograniczoną rozpuszczalność w (γFe). Wprowadzenie tego pierwiastka do stali powoduje uzyskanie jednorodnej struktury austenitycznej. Mangan występuje w 4 odmianach alotropowych: α o zakresie stabilności poniżej 727°C, β–od 727 do 1100°C, γ–od 1100 do 1138°C i δ–od 1138 do 1244°C (temperatura topnienia manganu), z których α i β rozpuszczają ponad 30% żelaza, a γ tworzy roztwór stały ciągły z (γFe) (rys. 20). Zakres ferrytu δ zanika przy ok. 12% mas. Mn; temperatura początku przemiany 𝐴3 obniża się o ok. 20°C na każdy 1% mas. Mn. Ze względu na ograniczoną rozpuszczalność manganu w ferrycie w miarę obniżania się temperatury zakres dwufazowy austenit + ferryt jest coraz szerszy. Wraz z obniżeniem temperatury znacznie wydłuża się czas potrzebny do osiągnięcia równowagi fazowej. Stwarza to warunki do przemian bezdyfuzyjnych. Pod tym względem stopy Fe–Mn wykazują duże podobieństwo do Fe–Ni. Podobnie jak w stopach Fe–Ni występuje duża histereza pomiędzy przemianą podczas chłodzenia i podczas ogrzewania, a w wyniku przemiany bezdyfuzyjnej powstaje martenzyt [76]. W stali węglowej mangan uważany jest za składnik stopowy powyżej 1,65% zawartości. Austenityczne stale manganowe znajdują bardzo szerokie zastosowanie szczególnie. na. elementy. narażone. na. ścieranie.. Oprócz. wysokich. własności. wytrzymałościowych i plastycznych posiadają dużą zdolność do pochłaniania energii w warunkach odkształcenia plastycznego z dużymi szybkościami oraz umożliwiają wykonywanie elementów o skomplikowanym kształcie [77–79].. Rys. 20. Wykres równowagi fazowej stopów Fe−Mn [80]. 34.

(35) W austenitycznych stalach manganowych zawartość węgla mieści się w zakresie 0,02–1,2%. Zmiany stężenia węgla i manganu powodują zmiany energii błędu ułożenia (EBU) austenitu (rys. 21), a co za tym idzie zmiany struktury stali [71,81].. Rys. 21. Wpływ stężenia węgla i manganu na energię błędu ułożenia austenitu [71]. Stal austenityczna o strukturze regularnej ściennie centrowanej A1 zbudowana jest z warstw o najgęstszym ułożeniu atomów w płaszczyźnie {111} w kolejności ABCABC…. Zaburzenie ułożenia tych warstw może powodować utworzenie w stali o sieci A1 cienkiej płytki o sieci heksagonalnej. Przemieszczenie atomów zakłóca sekwencję ułożenia warstw ABC; inaczej mówiąc ruch dyslokacji częściowych postaci. 𝑎 𝑏. < 211 > wprowadza błąd. ułożenia. Komórka zawierająca błąd ułożenia ma podwyższoną energię o wielkość energii utworzonego błędu ułożenia [82]. Energia ta ma znaczący wpływ na zachowanie się metalu podczas odkształcenia plastycznego oraz na proces poligonizacji i rekrystalizacji. Wpływ ten związany jest przede wszystkim z zależnością między EBU, a zdolnością dyslokacji do wspinania i poślizgu poprzecznego. W stalach o małej energii błędu ułożenia występuje skłonność do powstawania spiętrzeń dyslokacji na przeszkodach, np. przy graniach ziarn lub cząstkach faz obcych. Większe odkształcenia plastyczne powodują powstawanie tzw. pasm ścinania i pasm przejściowych. W metalach o dużej energii błędu ułożenia powstają komórkowe układy dyslokacji zbudowane ze splotów oddzielających komórki prawie wolne od dyslokacji [81–86]. Skład chemiczny jest czynnikiem kontrolującym energię błędu ułożenia i w konsekwencji decyduje o przemianach fazowych i mechanizmach odkształcenia plastycznego, co przedstawiono na rys. 22.. 35.

(36) Rys. 22. Wpływ stężenia węgla i manganu na przemiany fazowe zachodzące podczas odkształcenia plastycznego na zimno [87]. Jeśli EBU jest niska (< 20 mJ/m2), wtedy występują sprzyjające warunki dla przemiany martenzytycznej. Wzrost EBU do 25 mJ/m2 tłumi przemianę martenzytyczną, natomiast sprzyja bliźniakowaniu mechanicznemu. Stale, o pośredniej wartości EBU, mają tendencję do jednoczesnego przebiegu bliźniakowania mechanicznego i poślizgu dyslokacyjnego. Wytworzone. w. austenicie. bliźniaki. zwiększają. istotnie. szybkość. umocnienia. odkształceniowego. Powstałe granice bliźniacze są silnymi barierami dla ruchu dyslokacji, podobnie jak granice ziarn. Dużą skłonność do umocnienia w wyniku zgniotu związanego z tworzeniem mikrobliźniaków ma staliwo Hadfielda, które zostało odkryte w 1882 roku przez Sir Roberta Abbotta Hadfielda–angielskiego metalurga.. Typowe staliwo. Hadfielda. zawierające. 10–14% Mn i 1,0–1,4% C, w stanie po przesycaniu, charakteryzuje się wysoką odpornością na obciążenia udarowe oraz bardzo dobrą odpornością na ścieranie [88]. Korzyści płynące z wykorzystania zalet staliwa Hadfielda zwróciły uwagę projektantów materiałowych na wysokomanganowe. stale. austenityczne,. wykorzystujące. mechanizm. intensywnego. bliźniakowania mechanicznego lub przemiany martenzytycznej. Dlatego wybór materiału na osnowę z grupy Fe–Mn–Cu–Sn–C do spiekanych narzędzi metaliczno–diamentowych wydaje się być oczywisty. W ramach przygotowywanej rozprawy doktorskiej podjęto próbę określenia mechanizmów kontrolujących przebieg umocnienia materiału osnowy w warstwie wierzchniej, w wyniku odkształcenia plastycznego występującego podczas ścierania oraz zbadano jego wpływ na strukturę, własności mechaniczne i tribologiczne otrzymanych spieków.. 36.

(37) 4 CEL I TEZA PRACY Celem pracy było opracowanie nowego materiału na bazie żelaza, spełniającego funkcję osnowy w spiekanych narzędziach metaliczno–diamentowych przeznaczonych do obróbki ściernych materiałów budowlanych i kamieni naturalnych. Istotnym aspektem, który był rozpatrywany oraz został szczegółowo przedstawiony w dalszej części pracy było określenie mechanizmów kontrolujących przebieg umocnienia odkształceniowego warstwy wierzchniej materiału osnowy w warunkach pracy segmentów metaliczno–diamentowych. Nowatorską koncepcją badań było zastosowanie manganu jako składnika osnowy, który jest praktycznie niewykorzystywany na skalę przemysłową w stalach otrzymywanych metodą metalurgii proszków ze względu na skłonność do tworzenia stabilnych tlenków, nie ulegających redukcji podczas spiekania. Badania podjęto w odpowiedzi na rosnącą cenę komercyjnych proszków Co−20%WC oraz Fe–Cu–Co–WC, które w chwili obecnej są powszechnie wykorzystywane do produkcji profesjonalnych narzędzi służących do cięcia/szlifowania piaskowca, świeżego betonu, asfaltu oraz ściernych materiałów ceramicznych. Zaprojektowanie materiału osnowy bez udziału materiałów dotychczas stosowanych (kobalt, węglik wolframu, nikiel), o zwiększonych własnościach wytrzymałościowych i tribologicznych ma bardzo ważne znaczenie ekonomiczne i społeczne. Pozwoli obniżyć koszty wytwarzania samych narzędzi oraz zwiększyć bezpieczeństwo pracy osób bezpośrednio zatrudnionych przy produkcji profesjonalnych narzędzi mataliczno–diamentowych. W oparciu o szczegółową analizę literatury oraz wstępne wyniki badań sformułowano następującą tezę:. Możliwe. jest. opracowanie. materiału. osnowy. na. bazie. żelaza,. zawierającego Mn, który po konsolidacji będzie posiadał własności tribologiczne zbliżone lub lepsze od własności spieków Co−20%WC. Przyjęto i konsolidacji. założenie, pozwoli. że. odpowiednio. wytworzyć. materiał. przeprowadzony charakteryzujący. proces się. homogenizacji drobnoziarnistą. mikrostrukturą i skłonnością do umocnień w warstwie wierzchniej. W wyniku odkształcenia plastycznego materiału osnowy z wysoką zawartością manganu w warunkach pracy możliwe jest zainicjowanie bezdyfuzyjnej przemiany γ→α’, a w efekcie końcowym uzyskanie wysokiej odporności na zużycie ścierne, zbliżonej do powszechnie stosowanego spieku 37.

(38) Co−20%WC. Z aplikacyjnego punktu widzenia takie zjawisko jest pożądane, gdyż w narażonej. na. ścieranie,. przypowierzchniowej. warstwie. segmentów. metaliczno−diamentowych powstanie twardy i odporny na zużycie ścierne martenzyt. Wywołane przemianą γ→α’ naprężenia ściskające powinny także poprawić własności retencyjne osnowy w odniesieniu do pracujących kryształów diamentu zapewniając tym samym zwiększenie trwałości eksploatacyjnej narzędzia. Do osiągnięcia celu pracy i udowodnienia postawionej tezy wykorzystano komercyjnie dostępne proszki żelaza redukowanego węglem (NC100.24), mielone proszki żelazomanganu wysokowęglowego (XH1210) i niskowęglowego (HX1218) oraz rozpylane proszki brązu cynowego, zawierającego 20% cyny (NAM40−80/20). Ustalono wpływ składu wyjściowej mieszanki proszków, parametrów procesu mielenia i konsolidacji na strukturę, własności mechaniczne i tribologiczne spieków dokonując:  pomiarów gęstości i twardości spieków,  badań metalograficznych proszków wyjściowych, mielonych mieszanek proszków oraz spieków metodą mikroskopii świetlnej i skaningowej mikroskopii elektronowej,  pomiarów składu fazowego proszków wyjściowych, mielonych mieszanek proszków oraz spieków bezpośrednio po konsolidacji oraz po odkształceniu plastycznym,  pomiarów zawartości węgla i tlenu w spiekach,  pomiarów własności wytrzymałościowych spieków z wykorzystaniem technologicznej próby trójpunktowego zginania,  pomiarów odporności spieków i segmentów metaliczno−diamentowych na zużycie ścierne.. 38.

(39) 5 MATERIAŁY DO BADAŃ. 5.1. PROSZKI WYJŚCIOWE. Charakterystykę proszków wykorzystanych do badań przedstawiono w tablicy 2. Dane dotyczące składu chemicznego oraz średniej wielkości cząstek zaczerpnięto z certyfikatów analizy dostarczonych wraz z proszkami. Do sporządzenia mieszanek zastosowano: – redukowany węglem proszek żelaza z gatunku NC100.24, firmy Höganäs, – mielony proszek żelazomanganu niskowęglowego z gatunku XH1218, firmy ESAB, – mielony proszek żelazomanganu wysokowęglowego z gatunku XH1210, firmy ESAB, – rozpylany wodą proszek brązu cynowego zaw. 20% Sn z gatunku NAM40–80/20, firmy NEO CHIMIE. Tablica 2. Skład chemiczny i wielkość cząstek proszków wyjściowych. Fe. Mn. Cu. Sn. C. Średnia wielkość cząstek (1) [μm]. Höganäs. 100. –. –. –. –. 85. XH1210. ESAB. 13. 80. –. –. 7.0. 134. XH1218. ESAB. 18. 80,5. –. –. 1,5. 143. NAM40–80/20. NEO CHIMIE. –. –. 80. 20. –. 23. (1). Zawartość pierwiastków [%mas.]. Gatunek proszku. Producent. NC100.24. wyznaczona metodą analizy sitowej. 5.1.1. Wielkość cząstek proszków−analiza sitowa. Przy użyciu metody analizy sitowej, zgodnie z normą PN‒EN 24497:1999P proszki poddano pomiarom średnich wielkości cząstek oraz określono procentowe udziały poszczególnych frakcji ziarnowych. Wyniki badań proszków przedstawiono w postaci krzywej skumulowanej na rys. 23.. 39.

(40) Rys. 23. Krzywe skumulowane rozkładów wielkości cząstek proszków wyjściowych. 5.1.2. Kształt cząstek proszków. W celu określenia kształtu proszki poddano badaniom za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego. Obrazy mikroskopowe poszczególnych proszków przedstawiono na rys. 24.. Rys. 24. Proszki użyte do badań: żelazo NC100.24 (a–b), żelazomangan wysokowęglowy XH1210 (c–d), żelazomangan niskowęglowy XH1218 (e–f), brąz cynowy NAM40–80/20 (g–h). 40.

(41) Rys. 24. c.d. Proszki użyte do badań: żelazo NC100.24 (a–b), żelazomangan wysokowęglowy XH1210 (c–d), żelazomangan niskowęglowy XH1218 (e–f), brąz cynowy NAM40–80/20 (g–h). 41.

(42) 5.1.3. Analiza dyfrakcyjna proszków. Pomiary dyfrakcyjne przeprowadzono przy użyciu dyfraktometru PANalytical Empyrean. Stosowano filtrowane promieniowanie lampy o anodzie miedzianej o długości fali promieniowania rentgenowskiego λKαCu = 1,5405 𝐴̇. Analizę fazową przeprowadzono z wykorzystaniem programu PANalytical High Score zintegrowanego z bazą danych krystalograficznych ICDD PDF4+. Dyfraktogramy dla zastosowanych proszków: żelaza (NC100.24), żelazomanganu niskowęglowego (XH1218), żelazomanganu wysokowęglowego (XH1210) i brązu cynowego zawierającego 20% Sn (NAM40−80/20) przedstawiono odpowiednio na rys. 25−28.. Rys. 25. Dyfraktogram proszku żelaza z gatunku NC100.24. 42.

(43) Rys. 26. Dyfraktogram proszku żelazomanganu niskowęglowego z gatunku XH1218. Rys. 27. Dyfraktogram proszku żelazomanganu wysokowęglowego z gatunku XH1210. 43.

(44) Rys. 28. Dyfraktogram proszku brązu cynowego z gatunku NAM40−80/20. 5.2. MIESZANKI PROSZKÓW. Do przygotowania mieszanek proszków wykorzystano mieszalnik typu Turbula T2C. Proszki mieszano przez 10 minut. W celu zapewnienia po procesie mielenia i konsolidacji materiału osnowy o nominalnym składzie chemicznym: 79,4% Fe; 12% Mn; 6,4% Cu; 1,6% Sn; 0,6% C udziały masowe poszczególnych proszków wynosiły odpowiednio: • 77% NC100.24 • 7,5% XH1210 • 7,5% XH1218 • 8%. NAM40−80/20.. Ilość obu proszków żelazomanganu dobrano w taki sposób, aby przy zawartości 12% Mn uzyskano odpowiednią ilość węgla, tj. 0.6%. Przygotowane mieszanki poddano mieleniu w młynie kulowym przez 8, 30 i 120 godzin, w atmosferze powietrza, w pojemniku wypełnionym w 50% obj. kulami o średnicy 12 mm wykonanymi ze stali 100Cr6. Stosunek masy kul do masy mielonego proszku wynosił 10:1. Prędkość obrotowa bębna wynosiła około 70% prędkości krytycznej. 44.

(45) W dalszej części pracy niemieloną mieszankę proszków oraz mieszanki po mieleniu przez 8, 30 i 120 godzin oznaczono odpowiednio numerem 000, 008, 030 i 120.. 5.2.1. Wielkość cząstek proszków mielonych–analiza sitowa. Metodą analizy sitowej, zgodnie z normą PN‒EN 24497:1999P wyznaczono średnią wielkość cząstek proszków mielonych (rys. 29). Rozkład wielkości cząstek przedstawiono w postaci krzywych skumulowanych na rys. 30.. Rys. 29. Średnia wielkość cząstek proszków w zależności od czasu mielenia. Rys. 30. Rozkład wielkości cząstek proszków mielonych przez 8, 30 i 120 godzin. 45.