dr inŜ. Hanna WIŚNIEWSKA-WEINERT, prof. dr hab. inŜ. Volf LESHCHYNSKY
mgr inŜ. Justyna OZWONIAREK, mgr inŜ. Łukasz KĘDZIA, doc. dr inŜ. Jerzy LISOWSKI
Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań
Technologie wytwarzania części dokładnych
ze spiekanych materiałów proszkowych
Technologies of manufacturing precision sintered parts
Streszczenie
W artykule omówiono zagadnienia dotyczące wytwarzania części dokładnych ze spiekanych materiałów prosz-kowych. Autorzy omówili wybrane krajowe i międzynarodowe projekty badawcze prowadzone w Instytucie Obróbki Plastycznej poruszające problemy produkcji wyrobów z proszków spiekanych metali o określonych własnościach mechanicznych i uŜytkowych. Zaprezentowano nowe technologie wytwarzania stosowane w Insty-tucie oraz podano przykłady części z proszków spiekanych.
Abstract
The article shows some problems of manufacturing precision sintered parts. The authors discuss chosen national and international projects of Metal Forming Institute, which are connected with the sinters of specific mechani-cal and operation properties. The applied in the Institute technologies and examples of powder parts are pre-sented.
Słowa kluczowe: metalurgia proszków, wyroby z proszków spiekanych, technologia, projekt
Key words: powder metallurgy, sintered powder parts, technology, project
1. WSTĘP
W ostatnich latach obserwuje się dyna-miczny rozwój metalurgii proszków. Wynika to z faktu, Ŝe zaspokaja ona zapotrzebowanie na innowacyjne technologie i nowe tworzywa konstrukcyjne, zgłaszane głównie przez prze-mysł motoryzacyjny i lotniczy.
Technologie metalurgii proszków dają sze-rokie moŜliwości kształtowania wyrobów o określonych właściwościach mechanicznych, fizycznych i eksploatacyjnych. Modyfikacja części porowatych mikro i nanocząstkami sma-rów stałych podwyŜsza ich właściwości prze-ciwzuŜyciowe.
Ze względu na moŜliwość minimalizacji kosztów istotną zaletą tych technologii jest równieŜ niewielkie jednostkowe zuŜycie ener-gii, przy produkcji seryjnej i masowej oraz prawie całkowite wykorzystanie materiału [1, 2, 3, 4].
Prowadzone w Instytucie Obróbki Pla-stycznej badania w ramach licznych projektów międzynarodowych jak i prac własnych pozwo-liły na opracowanie technologii wytwarzania części z proszków spiekanych o określonych cechach uŜytkowych metodami metalurgii proszków.
2. WYBRANE PROJEKTY BADAWCZE Z ZAKRESU METALURGII PROSZ-KÓW REALIZOWANE W INSTYTU-CIE OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
ROTOR EUREKA E! 1806 „Technologia i wyposaŜenie do rotacyjnego dokładnego kształtowania części z materiałów proszko-wych”. Celem projektu było opracowanie tech-nologii kształtowania części o złoŜonym kształcie z proszków metali i wykonanie wielo-funkcyjnej automatycznej linii kołowej do
pro-dukcji części z materiałów proszkowych o du-Ŝej dokładności, przy niskich kosztach wytwa-rzania.
Czas trwania projektu: 1998-2000 r.
TRIBO G5RD-CT-2001-00465 „Nano-strukturalne powłoki o podwyŜszonych wła-snościach tribologicznych”. Głównymi celami projektu były: uzyskanie stosunkowo grubych powłok Solid Lubricant Coatings (SLC) na powierzchniach części szybko zuŜywających się, pracujących w specyficznych warunkach np. w przemyśle lotniczym, którym stawiane są wysokie wymagania wytrzymałościowe i tribo-logiczne. Powłoki SLC wykonywano metodą syntezy laserowej i HEP (High Energy Pla-sma). Do uzyskania cienkich warstw SLC sto-sowano metodę syntezy dyfuzyjnej.
Czas trwania projektu: 2002-2005 r.
INTAS Ref. Nr 04-80-7362 „Nanokom-pozytowe ŁoŜyska Ślizgowe do Układu Wen-tylacyjnego Samolotu Airbus”. Głównym celem projektu jest opracowanie nowych nano-kompozytowych materiałów do produkcji tulei łoŜysk ślizgowych stosowanych w układzie wentylacyjnym samolotów rodziny AIRBUS, głównie dla nowego samolotu A380. ŁoŜyska tego typu pracują w trudnych eksploatacyj-nych warunkach: bez smarowania, w tempera-turze 450 do 500oC. Jednocześnie muszą być odporne na drgania.
Termin realizacji: 2005-2007 r.
BEARINGS FP6-2005-Aero-1 „Nowa generacja łoŜysk pracujących w ekstremal-nych warunkach stosowaekstremal-nych w przemyśle lotniczym”. Głównym celem projektu jest opracowanie nowej, innowacyjnej technologii wytwarzania łoŜysk kulkowych pracujących w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Termin realizacji: 2005-2008 r.
MANUDIRECT FP6 - 026467-2 „Ultra-precyzyjna produkcja na gotowo”. Głównym celem projektu jest stworzenie dla przemysłu wytwórczego zupełnie nowej platformy pro-dukcyjnej wykorzystującej wysokoefektywne, bezpośrednie, jednoetapowe spiekanie lasero-we z uŜyciem metali i materiałów ceramicz-nych.
Termin realizacji: 2005-2009 r.
FGM-MagTool EUREKA E!2924 „Opra-cowanie technologii wytwarzania narzędzi nowej generacji o wysokich własnościach wytrzymałościowych do cięcia i obróbki ob-jętościowej”. Celem projektu jest uzyskanie nowej wielokomponentowej gradientowej po-włoki na narzędzia do obróbki plastycznej na zimno o duŜej odporności na zuŜycie, zmęcze-nie mechaniczne.
Termin realizacji: 2004-2006 r.
Projekt Zamawiany koordynowany przez Instytut Odlewnictwa w Krakowie „Nowocze-sne Tworzywa i procesy technologiczne w odlewnictwie”. Zadanie Instytutu w tym projekcie to „Optymalizacja właściwości tri-bologicznych i nanostrukturalnych warstw wierzchnich wykonanych z nanofazowych materiałów proszkowych dla części kon-strukcyjnych pracujących w trudnych wa-runkach eksploatacyjnych, w tym części przeznaczonych na implanty”.
Termin realizacji: 2005-2008 r.
3. STOSOWANE TECHNOLOGIE WY-TWARZANIA CZĘŚCI PROSZKO-WYCH I PRZYKŁADY WYROBÓW
W Gnieździe Doświadczalno-Produk-cyjnym Metalurgii Proszków Instytutu prowa-dzona jest drobnoseryjna produkcja wyrobów z proszków spiekanych wg opracowanych tech-nologii oraz wykonywanych z własnych mie-szanek proszkowych i impregnacyjnych.
3.1. Technologia wytwarzania wyrobów
z proszków spiekanych w jednej operacji kształtowania [3, 4]
W technologii wytwarzania wyrobów z proszków spiekanych w jednej operacji kształtowania (rys. 1) dany wyrób otrzymuje ostateczny kształt podczas operacji prasowania. W ten sposób wytwarzane są części, od których nie jest wymagana wysoka gęstość. Przykłady części oraz ich charakterystykę i zastosowanie przedstawiono na rys. 2 oraz w tablicy 1.
Rys. 1. Technologia wytwarzania wyrobów z proszków spiekanych w jednej operacji kształtowania [3, 4]
Fig. 1. Technology of manufacturing sintered powder products in one forming operation [3, 4]
Tablica 1. Wyroby z proszków spiekanych wykonywane w jednej operacji kształtowania
Table 1. Sintered powder products made in one forming operation
Nazwa wyrobu Charakterystyka wyrobu Zastosowanie
Koło zębate
(rys. 2a) Mieszanka proszkowa na bazie Astalloy Mo Gęstość: 7,5 g/cm3 Twardość 52 HRC przemysł samochodowy Pierścień krzywkowy (rys. 2a) Mieszanka proszkowa na bazie Astalloy Mo Gęstość: 7,5 g/cm3 Twardość 50 HRC przemysł samochodowy Pierścień dystansowy
(rys. 2b) Mieszanka proszkowa na bazie Astalloy CrM Gęstość: 6,8 g/cm3 Twardość 68 HRA przemysł samochodowy Tuleja dystansowa (rys. 2c) Proszek na bazie Astalloy Mo Gęstość: 7,2 g/cm3 Twardość 50 HRC przemysł samochodowy Pierścień łoŜyskowy (rys. 2d) Mieszanka proszkowa na bazie Distalloy AE Gęstość: 7,4 g/cm3 Twardość 56 HRC przemysł maszynowy
a) koła zębate i pierścienie krzywkowe
b) pierścienie dystansowe
c) tuleje dystansowe
d) pierścienie łoŜyskowe
Rys. 2. Przykłady części z proszków spiekanych wykonywanych w jednej operacji
kształtowania [3, 4]
Fig. 2. Sintered powder products made in one forming operation [3,4]
3.2. Technologia wytwarzania wyrobów z proszków spiekanych wykonywanych w dwóch operacjach kształtowania pla-stycznego
Na rys. 3. przedstawiono przebieg procesu technologicznego wytwarzania części prosz-kowych w dwóch operacjach kształtowania plastycznego. Operacja dokuwania pozwala na uzyskanie skomplikowanego kształtu wyrobu z jednoczesnym podwyŜszeniem gęstości spra-sowanych i wstępnie spieczonych półwyrobów. Na tym etapie występują znaczne odkształcenia plastyczne, a stosowane ciśnienia porównywal-ne są z ciśnieniami przy prasowaniu proszku.
Technologia kształtowania w dwóch ope-racjach kształtowania plastycznego pozwala na uzyskanie końcowego wyrobu o gęstości do 98% gęstości materiału litego. Taką samą gę-stość moŜna uzyskać tylko w procesie kucia wyrobu spiekanego na gorąco, jednak w takim procesie nie uzyskuje się tak duŜej dokładności wykonania.
Ostateczne podwyŜszenie twardości nastę-puje po obróbce cieplno-chemicznej. Uzyski-wane twardości zaleŜne są od gęstości wyrobu i składu chemicznego uŜytej mieszanki oraz parametrów obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej. Technologia ta chroniona jest pa-tentem europejskim [5].
Rys. 3. Przebieg procesu technologicznego wytwarzania wyrobów z proszków spiekanych w dwóch operacjach
kształtowania plastycznego
Fig. 3. Technological process of manufacturing sintered powder products in two plastic forming operations
a) kliny
b) pierścienie dystansowe fazowane
c) pierścienie łoŜyskowe
d) matryce gnące
Rys. 4. Przykłady części z proszków spiekanych wykonywanych w dwóch operacjach
kształtowania plastycznego
Fig. 4. Examples of sintered powder parts made in two plastic forming operations
Na rys. 4. pokazano przykłady wyrobów otrzymywanych wg tej technologii. W tablicy 2 podano charakterystykę i zastosowania wyro-bów.
Tablica 2. Wyroby z proszków spiekanych wykonywane w dwóch operacjach kształtowania plastycznego
Table 2. Sintered powder products made in two plastic forming operations
Nazwa wyrobu Charakterystyka wyrobu Zastosowanie
Klin (rys. 4a) Mieszanka proszkowa na bazie Astalloy Mo Gęstość: 7,6 g/cm3 Twardość 58 HRC przemysł budowlany Pierścień dystansowy fazowany (rys. 4b) Mieszanka proszkowa na bazie Astalloy Mo Gęstość: 6,8 g/cm3 Twardość 68 HRA przemysł maszynowy Pierścień łoŜyskowy (rys. 4c) Mieszanka proszkowa na bazie Astalloy Mo Gęstość: 7,65 g/cm3 Twardość 60-64 HRC przemysł włókienniczy Matryca gnąca (rys. 4d) Mieszanka proszkowa na bazie proszku stali nierdzewnej 430L Gęstość: 6,8 g/cm3 Twardość 60 HRA przemysł spoŜywczy
3.3. Technologia kształtowania materiałów proszkowych modyfikowanych nano i mi-krocząstkami
Przebieg procesu technologicznego kształ-towania wyrobów z materiałów proszkowych modyfikowanych nano i mikrocząstkami (rys. 5) stosowany jest dla tych części, od któ-rych wymagane są zarówno wysokie właściwo-ści wytrzymałowłaściwo-ściowe i tribologiczne. Odpo-wiedni dobór parametrów procesów pozwala uzyskać części konstrukcyjne w szerokim za-kresie gęstości, twardości, a takŜe o niskim współczynniku tarcia.
Technika modyfikowania materiałów proszkowych nano- lub mikrocząstkami otwie-ra nowy kierunek wykorzystania tych materia-łów. Zabieg ten nie tylko podwyŜsza odpor-ność wyrobów na zuŜycie ścierne i często daje moŜliwość tańszego wytworzenia części ale takŜe obniŜa koszty eksploatacji w wyniku eliminacji smarowania w czasie pracy. Jest to szczególnie waŜne dla części konstrukcyjnych pracujących w specjalnych warunkach np. pod wodą lub w próŜni, gdzie doprowadzenie
sma-ru podczas pracy jest bardzo tsma-rudne. Zaletą technologii metalurgii proszków jest takŜe bez-ubytkowe wytwarzanie części o skomplikowa-nym kształcie.
Rys. 5. Przebieg procesu technologicznego kształtowa-nia wyrobów z materiałów proszkowych
z nasycaniem
Fig. 5. The technological process of forming powder material parts with impregnation
Doskonałe właściwości części impregno-wanych nanocząstkami zostały potwierdzone przez testy eksploatacyjne wykonane w zakła-dzie CZRETEZY – Strakonice - Republika Czeska.
Metodą tą wytwarzane są tuleje samo-smarne i tuleje łoŜyskowe (rys. 6). Charaktery-stykę tych części podano w tablicy 3.
Tablica 3. Wyroby z proszków spiekanych modyfikowane nano i mikrocząstkami
Table 3. Sintered powder products modified with nano- and microparticles
Nazwa wyrobu Charakterystyka wyrobu Zastosowanie
Tuleja samosmarna (10B1-Dz) (rys. 6a) Mieszanka proszkowa na bazie Astalloy AE Gęstość: 6,8 g/cm3 Twardość 68 HRA Impregnacja cząstkami smarów stałych przemysł samochodowy Tuleja łoŜyskowa (6746-10) (rys. 6b) Mieszanka proszkowa na bazie materiału stali nierdzewnej 316L Gęstość: 6,8 g/cm3 Twardość 68 HRA Impregnacja cząstkami smarów stałych przemysł lotniczy
a) tuleje samosmarne (10B1-Dz)
b) tuleja łoŜyskowa (6746-10)
Rys. 6. Przykłady części z proszków spiekanych wykonywanych technologiami wytwarzania materiałów
proszkowych modyfikowanych nano i mikrocząstkami
Fig. 6. Examples of sintered powder parts made by the technologies of manufacturing powder materials
modified with nano- and microparticles
4. PODSUMOWANIE
W badaniach przeprowadzonych w Insty-tucie w ramach licznych projektów krajowych i międzynarodowych, wykonywane są prace, których celem jest doskonalenie opracowanej i opatentowanej technologii kształtowania wy-robów w dwóch operacjach kształtowania pla-stycznego [5]. Instytut prowadzi równieŜ za-awansowane badania technologii kształtowania wyrobów modyfikowanych nano i mikrocząst-kami, celem polepszania ich właściwości eks-ploatacyjnych oraz opracowanie nowych inno-wacyjnych technologii.
Dotychczasowe badania pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków: • Właściwości fizyczne i mechaniczne
wyro-bu końcowego produkowanego metodami metalurgii proszków zaleŜą od:
− rodzaju i parametrów procesu technologicz-nego kształtowania wyrobów z proszków spiekanych,
− gęstości otrzymanych wyrobów z proszków spiekanych,
− obróbki cieplno-chemicznej.
• Optymalizacja parametrów procesu modyfi-kacji nano- i mikrocząstkami smarów sta-łych pozwoliła na uzyskanie niskiego współczynnika tarcia.
• Poprzez odpowiedni dobór parametrów po-szczególnych procesów technologicznych moŜemy w szerokim zakresie wpływać na gęstość, twardość, współczynnik tarcia i własności wytwarzanych wyrobów z proszków spiekanych.
• Stabilność wymiarowa gotowych wyrobów zaleŜy od dokładności wykonania półfabry-katów na kaŜdym etapie produkcyjnym. • Obróbka plastyczna materiałów spiekanych
z proszków metali i ich stopów daje moŜli-wości wytwarzania nowoczesnych wyrobów o określonej strukturze i właściwościach mechanicznych oraz uŜytkowych.
LITERATURA
[1] Szczepanik S.: „Przeróbka plastyczna materiałów spiekanych z proszków i kompozytów”. Uczelnia-nie Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2003.
[2] Romański A., Motyka M., XXXI Szkoła InŜynierii Materiałowej Kraków-Krynica 7-10.X.2003, s. 315-322.
[3] Wiśniewska-Weinert H. , Leszczyński V. , Stoja-nov A. (i in.): „Doskonalenie wysokowydajnych technologii kształtowania metodami metalurgii proszków, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej wyrobów z proszków metali o złoŜonych kształtach i polepszonych własnościach eksploatacyjnych, w tym takŜe wyrobów dla przemysłu elektrycznego z magnetycznie miękkich materiałów proszko-wych”. Praca niepublikowana wykonana w ramach badań własnych, 2003, s. 153, rys. 32, tab. 10, bibliogr. 355 poz.
[4] Wiśniewska-Weinert H., Leszczyński V., Stojanov A. (i in.): „Rozwój wysokowydajnych technologii obróbki plastycznej w zakresie wieloseryjnej pro-dukcji części z materiałów proszkowych o złoŜo-nych kształtach i wysokiej dokładności”. Praca nie-publikowana wykonana w ramach badań własnych, 2002, s. 40, rys. 15, tab. 8, bibliogr. 5 poz.
[5] Weinert H., Leszczynski V., Stepanenko E., Stoja-nov A., Kuczma V.: Europejski patent Nr 1246950 Method of obtaining shape elements.
