Mgr inŜ. Justyna WENDLAND, dr inŜ. Jacek BOROWSKI, mgr inŜ. Walerian MAJCHRZAK Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań
Mgr inŜ. Adam ADAMEK
SECO/WARWICK Sp. z o.o., Świebodzin
Wpływ sposobu spiekania na mikrostrukturę
i twardość elementów wykonanych
metodą metalurgii proszków
The influence of the way of sintering on the microstructure
and hardness of elements made by the method
of powder metallurgy
Streszczenie
W artykule opisano proces wytwarzania części proszkowych stosowany w Instytucie Obróbki Plastycznej. Autorzy porównują właściwości części wykonanych wg procesu opracowanego w Instytucie Obróbki Plastycz-nej z zastosowaniem dwóch róŜnych sposobów spiekania końcowego wyprasek wstępnie spieczonych.
Abstract
The article describes the process of manufacturing powder parts as applied in the Metal Forming Institute. The authors compare the properties of parts made by the process elaborated in the Metal forming Institute with the use of two different ways of final sintering of the initially sintered die stampings.
Słowa kluczowe: metalurgia proszków, spiekanie, piec próŜniowy
Key words: powder metallurgy, sintering, vacuum furnace
1. WSTĘP
Dynamiczny rozwój róŜnych gałęzi prze-mysłu wymusza zapotrzebowanie na nowe tworzywa konstrukcyjne i innowacyjne techno-logie. W ostatnich latach obserwujemy szybki rozwój dziedziny, jaką jest metalurgia prosz-ków. Dzieje się tak szczególnie za sprawą przemysłu samochodowego oraz lotniczego. Według autorów pracy [1] obecnie około 70% światowej produkcji materiałów spiekanych znajduje zastosowanie właśnie w przemyśle motoryzacyjnym.
Główną zaletą nowych technologii wytwa-rzania wyrobów z zastosowaniem procesów metalurgii proszków, jest moŜliwość opraco-wania określonego składu chemicznego mate-riałów proszkowych, jak równieŜ projektowa-nie własności fizycznych, mechanicznych
i eksploatacyjnych wyrobów i półwyrobów. Procesy te dają moŜliwość seryjnej i masowej produkcji części o skomplikowanych kształ-tach, bez dodatkowych operacji obróbczych z duŜą dokładnością wymiarową, przy małej liczbie operacji technologicznych. Ze względu na dąŜenie do minimalizacji kosztów istotną zaletą tych technologii jest równieŜ niewielkie jednostkowe zuŜycie energii i prawie całkowite wykorzystanie materiału [1, 2, 3].
2. ZAKRES BADAŃ. PRZYGOTOWANIE PRÓBEK DO BADAŃ
W Instytucie Obróbki Plastycznej w Po-znaniu przeprowadzono badanie nowej techno-logii wytwarzania wyrobów metodą jednoeta-powego kształtowania plastycznego
przedsta-wioną schematycznie na rys. 1. Wszystkie próbki do badań wykonano z mieszanki prosz-kowej opracowanej w Instytucie Obróbki Pla-stycznej w Poznaniu na bazie proszku Astaloy Mo firmy Höganas ze Szwecji.
Rys. 1. Technologia wytwarzania wyrobów z proszków spiekanych w jednej operacji kształtowania plastycznego
Fig. 1. The technology of manufacturing sintered powder products in one operation of plastic forming
Proces wytwarzania części konstrukcyj-nych z proszków spiekakonstrukcyj-nych wg nowej techno-logii rozpoczynał się sprasowaniem w matrycy odpowiednio przygotowanej mieszanki prosz-kowej.
Zgodnie z przyjętym procesem technolo-gicznym tak wykonane wypraski były następ-nie spiekane wstępnastęp-nie. Celem tego procesu było wstępne scalenie wyprasek oraz usuniecie środka smarnego z objętości próbki. Tak przy-gotowane próbki zostały poddane procesowi spiekania końcowego w piecu.
Celem badań było określenie wpływu spo-sobu spiekania końcowego na strukturę i własności próbek. Jedną część próbek spieka-no tradycyjnym sposobem spiekania w atmos-ferze endogazu w piecu tunelowym. Druga partia próbek została poddana procesowi spie-kania w piecu próŜniowym typu VPT firmy Seco/Warwick (rys. 2).
Tak przygotowane próbki poddawane były tylko wibroobróbce lub obróbce
cieplno-chemicznej i wibroobróbce. Obróbka luźnym ścierniwem stosowana jest w celu zaokrąglenia ostrych krawędzi próbek oraz oczyszczania ich z osadów powstałych w trakcie spiekania. Ob-róbkę cieplno-chemiczną stosuje w celu zmia-ny własności warstwy wierzchniej próbek.
Rys. 2. Przemysłowy piec próŜniowy typu VPT firmy Seco/Warwick
Fig. 2. Industrial vacuum furnace type VPT made by Seco/Warwick
3. METODYKA BADAŃ
Do badań wykonano 3 typoszeregi próbek: klin 5, klin 7 i pierścień krzywkowy (rys. 3). Próbki sprasowano i spieczono wstępnie przy tych samych parametrach. Następnie próbki podzielono na dwie partie. Partie I spiekano w piecu tunelowym w atmosferze endogazu. Pa-trię II spiekano w piecu próŜniowym typu VPT firmy Seco/Warwick o wymiarach przestrzeni roboczej 400 x 400 x 600 mm.
Piec tego typu jest najczęściej wykorzy-stywany do obróbki cieplno-chemicznej (na-węglanie próŜniowe), procesów hartowania, odpuszczania, lutowania oraz wyŜarzania. Ze względu na swoją uniwersalność moŜna w nim z powodzeniem wykonywać procesy spiekania, dzięki zastosowaniu grafitowej komory grzej-nej umoŜliwiającej nagrzew do temperatury 1350oC. Płaskie szerokie elementy grzejne umoŜliwiają uzyskanie doskonałego rozkładu temperatury podczas nagrzewu i wytrzymania,
PRASOWANIE WYSOKIE KOŃCOWE OBRÓBKA LUŹ-NYM ŚCIERNI-WEM OBRÓBKA CIEPLNO-CHEMICZNA GOTOWY ELEMENT WSTĘPNE SPIEKANIE
co dodatkowo poprawia wyniki procesu spie-kania. Specjalny obwodowy system chłodzenia gazem obojętnym pomaga chłodzić wsad z pełną kontrolą, umoŜliwiając w ten sposób zmniejszanie i regulację powstających defor-macji obrabianych części. Wraz z wydajnym systemem pompowym oraz nowoczesnym sys-temem sterowania pieca próŜniowego typu VPT cały proces spiekania trwał tylko około 3,3 h (rys. 4).
a)
b)
Rys. 3. Zdjęcia próbek przygotowanych do badań: a) próbki typu klin; b) próbki typu pierścień krzywkowy
Fig. 3. Photographs of samples to be tested: a) wedge type samples; b) cam ring type samples
Następnie próbki po spiekaniu końcowym w piecu tunelowym oraz w piecu próŜniowym typu VPT poddano obserwacjom metalogra-ficznym oraz badaniom twardości w skali HRA. Na kaŜdym etapie wytwarzania próbki poddawano kontroli wymiarowej.
Rys. 4. Przebieg procesu spiekania końcowego w piecu próŜniowym typu VPT
Fig. 4. The process of final sintering in the vacuum furnace type VPT
4. WYNIKI BADAŃ
Próbki klina 5, klina 7 oraz pierścienia krzywkowego wykonane zgodnie z opisaną technologią opracowaną w Instytucie obser-wowano na mikroskopie świetlnym Nikon Eclipse L150 Do badań wytypowano określone miejsca próbek przedstawione schematycznie na rysunkach 5a, 6a i 7a. Wyniki obserwacji podano na rys. 5b÷5g, rys. 6b÷6e oraz rys. 7b÷7g.
Próbki poddano takŜe badaniom twardości na twardościomierzu Future Tech FR-3e w skali HRA. Wyniki zestawiono w tablicy 1. Tablica 1. Twardość próbek po spiekaniu końcowym
Table 1. Hardness of the samples after final sintering
Rodzaj próbki Klin 5 Klin 7 Pierścień krzywkowy
atmosfera
spiekania endogaz próŜnia endogaz próŜnia endogaz próŜnia
l.p Twardość, HRA 1 38,9 35,4 42,6 44,3 43,9 46,3 2 38,1 37,9 43,3 46,2 45,7 40,8 3 35,9 36,1 45,0 42,5 44,1 43,9 4 38,3 38,7 46,5 43,5 45,4 44,6 średnia 37,8 37,0 44,3 44,1 44,7 43,9
a)
b) e)
c) f)
d) g)
Rys. 5. Obrazy obserwacji metalograficznej próbek typu klin 5: a) miejsce pobrania próbek do badań; b), c), d) próbki spiekane w atmosferze endogazu w piecu tunelowym;
e), f), g) próbki spiekane w próŜni w piecu próŜniowym VPT
Fig. 5. Images of metallographic observation of samples type wedge 5: a) the point of sampling; b), c), d) samples sintered in endogas atmosphere in a tunnel furnace;
e), f), g) samples sintered in vacuum in the VPT vacuum furnace
a)
b) d)
c) e)
Rys. 6. Obrazy obserwacji metalograficznej trawionych próbek typu klin 7: a) miejsce pobrania próbek do badań;
b), c) próbki spiekane w atmosferze endogazu w piecu tunelowym; d), e) próbki spiekane w próŜni w piecu próŜniowym VPT
Fig. 6. Images of metallographic observation of samples type wedge 7: a) the point of sampling;
b), c) samples sintered in endogas atmosphere in a tunnel furnace; d), e) samples sintered in vacuum in the VPT vacuum furnace
a)
b) e)
c) f)
d) g)
Rys. 7. Obrazy obserwacji metalograficznej trawionych próbek typu krzywka: a) miejsce pobrania próbek do badań;
b), c), d) próbki spiekane w atmosferze endogazu w piecu tunelowym; e), f), g) próbki spiekane w próŜni w piecu próŜniowym VPT
Fig. 7. Images of metallographic observation of samples type cam ring: a) the point of sampling; b), c, d) samples sintered in endogas atmosphere in a tunnel furnace;
e), f), g) samples sintered in vacuum in the VPT vacuum furnace
1 2
Na rysunkach 8÷10 przedstawiono wyma-gania wymiarowe stawione badanym próbkom. Parametr „a” – wielkości promienia R podane są na rys. 10 wg pomiarów co 5o obwodu otwo-ru pierścienia krzywkowego.
Rys. 8. Wymiary i tolerancje części typu klin 5
Fig. 8. Dimensions and tolerances of parts type wedge 5
Rys. 9. Wymiary i tolerancje części typu klin 7
Fig. 9. Dimensions and tolerances of parts type wedge 7
Analiza kart wymiarowych wykazała, Ŝe rodzaj zastosowanego spiekania końcowego nie wpływa na wymiary próbek. W obydwu przypadkach mieszczą się one w podanych na rys. 8, 9, 10 Ŝądanych tolerancjach wymiaro-wych. Wielkość a kat α R 0 7,75 5 7,75 10 7,75 15 7,75 20 7,75 25 7,75 30 7,75 35 7,767 40 7,818 45 7,902 50 8,018 55 8,163 60 8,336 65 8,532 70 8,75 75 8,985 80 9,232 85 9,489 90 9,75 95 10,011 100 10,268 105 10,515 110 10,75 115 10,968 120 11,164 125 11,337 130 11,482 135 11,598 140 11,668 145 11,733 150 11,75 155 11,75 160 11,75 165 11,75 170 11,75 175 11,75 180 11,75 185 11,75
Rys. 10. Wymiary i tolerancje części typu pierścień krzywkowy. Wartości parametru „a” – promień R
podano dla róŜnych kątów α
Fig. 10. Dimensions and tolerances of parts type cam ring. The value of parameter “a’ – radius R stated
for various α angles
5. ANALIZA WYNIKÓW I WNIOSKI Przeprowadzone badania wpływu sposobu spiekania końcowego próbek proszkowych spiekanych w atmosferze endogazu w piecu tunelowym oraz spiekanych w piecu próŜnio-wym typu VPT na ich strukturę i twardość dla
190 11,75 195 11,75 200 11,75 205 11,75 210 11,75 215 1,733 220 11,682 225 11,598 230 11,482 235 11,337 240 11,164 245 10,968 250 10,75 255 10,515 260 1,268 265 10,011 270 9,75 275 9,489 280 9,232 285 8,985 290 8,75 295 8,532 300 8,336 305 8,163 310 8,018 315 7,902 320 7,818 325 7,767 330 7,75 335 7,75 340 7,75 345 7,75 350 7,75 355 7,75 360 7,75 α = 0o
3 typoszeregów próbek (klin 5, klin 7, pier-ścień krzywkowy) wykazały:
1) Próbki w obu wariantach spiekania wy-kazują taką samą strukturę oraz porów-nywalną twardość.
2) Sposób spiekania nie wpływa równieŜ na dokładność wymiarową wytwarza-nych próbek. W kaŜdym typoszeregu próbek (klin 5, klin 7, pierścień krzyw-kowy) zachowane są Ŝądane tolerancje wymiarowe.
3) Dla przebadanych 3 typoszeregów pró-bek wytworzonych z mieszanki prosz-kowej opracowanej w Instytucie na ba-zie Astaloy Mo firmy Höganas spieka-nie końcowe w endogazie oraz w próŜni moŜna stosować zamiennie.
Pracę zrealizowano w ramach działalności statu-towej finansowanej przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa WyŜszego: NM 901 21 000 - Zasto-sowanie nanotechnologii i nanocząstek do wytwa-rzania spieków o niskim współczynniku tarcia.
LITERATURA
[1] Romański A., Motyka M.: Zastosowanie techno-logii metalurgii proszków w przemyśle samocho-dowym. XXXI Szkoła InŜynierii Materiałowej Kraków-Krynica 7-10. X. 2003, s. 315-322.
[2] Szczepanik S.: Uczelniane Wydawnictwa Na-ukowo-Dydaktyczne, Kraków 2003 r.
[3] Wiśniewska-Weinert H., Leszczyński V., Stoja-nov A. (i in.). Praca niepublikowana wykonana w ramach badań własnych, 2003 r.
