AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA

im. Stanisława Staszica

Wydział In Ŝynierii Metali i Informatyki Przemysłowej

PRACA DOKTORSKA

WPŁYW TEMPERATURY ODKSZTAŁCANIA NA GOR ĄCO

ORAZ WARUNKÓW CHŁODZENIA NA

MIKROSTRUKTUR Ę I WŁASNOŚCI SPIEKANYCH STALI

Autor: mgr in Ŝ. Bartosz Wiśniewski

Promotor: prof. dr hab. in Ŝ. Stefan Szczepanik

KRAKÓW, 2006

PRACA WYKONANA

W ZAKŁADZIE PLASTYCZNEJ PRZERÓBKI METALI

WYDZIAŁU IN śYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSŁOWEJ

AKADEMII GÓRNICZO – HUTNICZEJ W KRAKOWIE

Praca dofinansowana w ramach grantu promotorskiego KBN

nr 3 T08D 025 29

Rozdział 3.4 realizowano w ramach badań własnych

nr 10.10.110.500

Promotorowi pracy

Panu Prof. dr hab. inż. Stefanowi Szczepanikowi składam

serdeczne podziękowania za wkład merytoryczny oraz

cenne uwagi w trakcie realizacji pracy.

Dziękuję również wszystkim osobom, z którymi

współpracowałem przygotowując tę pracę.

Spis treści Streszczenie....................................................................................................................... 6 1. Analiza literaturowa wytwarzania wyrobów ze spiekanych stali i ich obróbki cieplnej.............................................................................................................................. 7 1.1. Konwencjonalne technologie metalurgii proszków wytwarzania spiekanych stali... 7 1.2. Kucie matrycowe spiekanych stali............................................................................. 12 1.2.1. Opis procesu technologicznego............................................................................... 12 1.2.2. Własności kutych spiekanych stali.......................................................................... 17 1.2.3. Ekonomiczne aspekty kucia matrycowego spiekanych stali................................... 19 1.2.4. Aspekt teoretyczny i praktyczny plastycznego płynięcia spiekanej stali................ 21 1.3. Rola porowatości w spiekanych stalach .................................................................... 25 1.3.1. Wpływ porowatości na własności........................................................................... 25 1.3.2. Wpływ porowatości na pękanie spiekanych stali.................................................... 27 1.4. Rola mikrostruktury w spiekanych stalach................................................................. 31 1.4.1. Składy chemiczne spiekanych stali stosowanych na materiały konstrukcyjne....... 31 1.4.2. Wpływ obróbki cieplnej na mikrostrukturę spiekanych stali.................................. 36 1.4.3. Wpływ mikrostruktury na wytrzymałość i pękanie spiekanych stali...................... 39 1.5. Podsumowanie analizy literaturowej i określenie zakresu badań pracy doktorskiej.. 41 2. Teza i cel pracy............................................................................................................ 43 3. Badania własne............................................................................................................ 43 3.1. Wytworzenie materiału do badań i jego charakterystyka........................................... 44 3.2. Opracowanie parametrów obróbki cieplnej spiekanych stali...................................... 51 3.2.1. Badania dylatometryczne......................................................................................... 51 3.2.2. Wyznaczone parametry i obróbka cieplna próbek przeznaczonych do kucia.......... 54 3.3. Badanie procesu kucia spiekanych stali...................................................................... 59 3.3.1. Opis przebiegu badań kucia i obróbki cieplnej kutych spiekanych stali.................. 59 3.3.2. Badanie wpływu temperatury odkształcenia na strukturę i własności spiekanych stali..................................................................................................................................... 64 3.3.3. Badanie wpływu hartowania bezpośrednio po kuciu oraz dodatkowej obróbki cieplnej na strukturę i własności spiekanych stali.............................................................. 72 3.3.4. Badanie wpływu odkształcenia w zakresie austenitycznym oraz dwufazowym na strukturę i własności spiekanych stali................................................................................ 82 3.3.5. Analiza rozkładu pierwiastków stopowych............................................................. 85 3.3.6. Własności kutych spiekanych stali w podwyŜszonych temperaturach oraz przy obciąŜeniach dynamicznych............................................................................................... 89 3.4. Kucie w matrycach kształtowych................................................................................ 98 3.4.1. Wykorzystany materiał oraz matryce kształtowe..................................................... 98 3.4.2. Realizacja procesu i otrzymane wyniki.................................................................... 99 3.4.3. Numeryczna symulacja procesu kucia................................................................... 101 4. Analiza wyników badań............................................................................................... 106 4.1. Wpływ temperatury odkształcenia oraz zawartości węgla na uzyskaną gęstość........ 106 4.2. Wpływ prędkości chłodzenia i obróbki cieplnej na mikrostrukturę i własności......... 107

4.3. Analiza własności mechanicznych z uwzględnieniem porowatości i mikrostruktury materiału............................................................................................................................. 111 5. Wnioski.......................................................................................................................... 115 6. Literatura...................................................................................................................... 117

Streszczenie W rozprawie doktorskiej podjęto zagadnienie wpływu temperatury odkształcenia i prędkości chłodzenia na rozwój mikrostruktury i własności spiekanych stali. Badania prowadzono na materiale wytworzonym na osnowie proszku Distaloy DC – 1, z którego przygotowano dwie mieszanki proszku o zawartości 0,4% i 0,6% węgla. W oparciu o wykresy CTPc sporządzone na podstawie badań dylatometrycznych próbek z obu składów chemicznych oraz pomiary prędkości chłodzenia na stanowisku do kucia spieków w ZPPM AGH opracowano schematy obróbki cieplno – plastycznej. Schematy jedno- i dwuetapowego kucia spiekanej stali w zakresie temperatur od 450°C do 1100°C obejmowały realizację bezpośredniego chłodzenia po odkształcaniu w czterech ośrodkach chłodzących: wodzie, oleju, powietrzu i piasku. Porównawczo przeprowadzono konwencjonalny proces obróbki cieplnej polegający na pełnej austenityzacji przed oziębianiem, który zrealizowano dla materiału wyjściowego w postaci spieku oraz dla materiału po odkształcaniu plastycznym. Dla otrzymanego materiału badawczego wyznaczono wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na zginanie, twardość, udarność. Uzupełnieniem badań wytrzymałościowych były próby spęczania prowadzone w zakresie temperatur od 20 do 500°C. Wynikiem kucia matrycowego spiekanych stali o zawartości 0,4%Cgraf poddanych bezpośredniemu oziębianiu było uzyskanie wyrobu o wytrzymałości na rozciąganie ponad 1600 MPa, wytrzymałości na zginanie ponad 2800 MPa i twardości ponad 470 HB. Zastosowanie tego schematu przeróbki plastycznej dla spiekanej stali o zawartości 0,6%Cgraf dało rezultat w postaci wytrzymałości na rozciąganie ponad 1200 MPa, wytrzymałości na zginanie ponad 2200 MPa oraz twardości ponad 540 HB. Analizowano mikrostrukturę materiałów wyjściowych oraz po kuciu i zastosowanych schematach obróbki cieplnej. Określono udział składników struktury oraz wielkość ziaren w materiale. Materiał wyjściowy o zawartości 0,4%Cgraf po procesie spiekania posiada strukturę heterogeniczną, której głównym składnikiem jest bainit (75% udziału w strukturze) o średniej wielkości ziarna 16,7 µm. Po procesie przeróbki plastycznej, zaleŜnie od temperatury austenityzacji, wielkość ziarna wynosi 4,3 – 10,4 µm. Po hartowaniu w materiale uzyskuje się niejednorodną strukturę z dominującym składnikiem w postaci martenzytu, którego udział wynosi od 85% do 92% zaleŜnie zastosowanego od schematu obróbki cieplno – plastycznej. Mikrotwardość martenzytu i obszarów bogatych w nikiel jest wysoka i ulega obniŜeniu wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania. Podjęto próby wytworzenia wyrobów kształtowych ze spiekanych stali. W wyniku kucia w matrycach kształtowych uzyskano wyroby z duŜym lokalnym płynięciem materiału. Numeryczna symulacja procesu kucia pozwoliła na wyznaczenie krytycznej wartości odkształceń, przy których wystąpią pęknięcia w odkuwkach spiekanych stali.

1. Analiza literaturowa wytwarzania wyrobów ze spiekanych stali i ich obróbki cieplnej 1.1. Konwencjonalne technologie metalurgii proszków wytwarzania spiekanych stali

Metalurgia proszków zajmuje się wytwarzaniem materiałów konstrukcyjnych z proszków, cząstek i granul metali. W podstawowym załoŜeniu wytworzenie wyrobów polega na nadaniu proszkowi zadanego kształtu, najczęściej w matrycy zamkniętej pod naciskiem stempla, oraz jego zespoleniu w wytrzymałą całość bez topienia cząstek metalu. Celem wytworzenia wyrobów tą metodą jest uzyskanie odpowiedniej gęstości końcowej wyrobu, poniewaŜ determinuje ona większość jego własności. Istnieje grupa materiałów proszkowych, w których wysoka porowatość jest zamierzoną cechą wyrobu, np. filtry, łoŜyska samosmarujące. Jednak w szerokiej gamie elementów konstrukcyjnych własności końcowe są kombinacją gęstości i wewnętrznej mikrostruktury.

Opłacalność wytwarzania elementu konstrukcyjnego na drodze metalurgii proszków jest podstawowym załoŜeniem tej technologii. Proszki metali uzyskuje się przede wszystkim na drodze redukcji lub rozpylania ciekłego metalu, który wykorzystywany jest do dalszych etapów produkcji. Kolejnymi podstawowymi etapami są zagęszczanie w matrycy oraz spiekanie w wysokiej temperaturze, niekiedy niewiele niŜszej od temperatury topnienia materiału, co zwiększa koszty produkcji. Jednocześnie wytwarzanie wyrobów z metali na drodze odlewania jest jedną z najtańszych metod produkcji. Wyroby metalurgii proszków muszą z nimi konkurować jakością i wytrzymałością. Jest to podstawowe kryterium opłacalności produkcji metalurgii proszków i techniki wytwarzania w ogóle. Wyrób spiekany musi być „lepszy” niŜ odlewany. JeŜeli będzie miał porównywalne własności z wyrobem odlewanym, to jego produkcja nie będzie opłacalna.

Własności mechaniczne wyrobu proszkowego są niŜsze od własności materiału litego przerabianego plastycznie. Podjęcie produkcji elementów konstrukcyjnych z proszków metali takŜe w tym względzie musi być podyktowane konkretną korzyścią. Metalurgia proszków zapewnia wykonanie wyrobów o kształcie bardzo zbliŜonym lub dokładnym względem wyrobu gotowego. Strata materiału w tym procesie jest znikoma, co związane jest z wyeliminowaniem obróbki skrawaniem. Natomiast w konwencjonalnej produkcji odkuwek odpad materiału moŜe stanowić do 60% masy [1-3]. Technologia metalurgii proszków musi byc tańsza od przeróbki plastycznej litych metali, aby jej produkcja była opłacalna, zapewniając jednocześnie wysokowytrzymałe wyroby.

Metalurgia proszków ma zastosowanie przede wszystkim do wytwarzania drobnych elementów konstrukcyjnych, których masa nie przekracza kilku (w niektórych przypadkach kilkunastu) kilogramów [2,4]. Związane jest to z ograniczonym naciskiem pras wykorzystywanych do prasowania proszku oraz z samej specyfiki zagęszczania się materiału

podczas kształtowania wypraski. Wypraski posiadają róŜny stopień zagęszczenia na przekroju. DuŜa rozpiętość wymiarów zewnętrznych powoduje, Ŝe na przekroju wyrobu występuje znaczna zmiana porowatości. Względy technologiczne ograniczają zastosowanie metalurgii proszków do niewielkich wyrobów konstrukcyjnych. Dowolność komponowania składu chemicznego poprzez mieszanie róŜnych proszków pozwala wytwarzać wysokowytrzymałe, precyzyjne detale konstrukcyjne o określonej mikrostrukturze takie jak: koła i przekładnie zębate, pierścienie synchronizatorów, korbowody[5, 6]. Na rysunku 1-1 przedstawiono przykładowe wyroby otrzymywane drogą metalurgii proszków.

Rys. 1-1. Wyroby otrzymywane drogą metalurgii proszków: koło zębate, korbowód [9, 22].

Notowany jest cały czas wzrost liczby elementów wykonanych drogą metalurgii proszków z przeznaczeniem na elementy konstrukcyjne. Szukanie sposobów na zwiększanie wytrzymałości i trwałości spiekanych stali jest głównym czynnikiem rozwoju tej gałęzi przemysłu. Elementy konstrukcyjne wytwarzane techniką metalurgii proszków docelowo mają zająć miejsce kutych stali niskostopowych obrabianych cieplnie [7]. Wymogi, jakie stawiane są materiałom z proszków metali, są następujące:

� zdolność do uzyskania poŜądanego kształtu w jak najmniejszej ilości operacji formowania,

� uzyskanie kształtu zbliŜonego lub dokładnego wyrobu gotowego, ograniczenie obróbki skrawaniem do minimum,

� zdolność do wytworzenia materiału o jak największej objętości, � oszczędność energii wytwarzania oraz opłacalność kosztów produkcji.

Aby sprostać oczekiwanym wymogom spiekane stale muszą posiadać odpowiednie

połączenie wysokiej gęstości z odpowiednią mikrostrukturą. Materiały wykonane tradycyjną technologią metalurgii proszków są dobrze przebadane i wytwarzane w praktyce przemysłowej. Kolejnym etapem na drodze rozwoju spiekanych stali jest zwiększenie ich wytrzymałości do poziomu stali niskostopowych obrabianych cieplnie, aby przy niŜszych kosztach procesu wytwarzania produkować elementy konstrukcyjne.

Według autorów [8], zaleŜnie od przeznaczenia wyrobu, jest to moŜliwe do osiągnięcia przez:

� kucie spieków, � powierzchniowe dogęszczanie spieków, � spiekanie wysokotemperaturowe.

Od konkretnych materiałów spiekanych wymagana jest zwiększona gęstość w całej objętości bądź tylko na powierzchni materiału. W przypadku materiałów pracujących w warunkach podwyŜszonej ścieralności, gdzie nie są przenoszone duŜe obciąŜenia, dobrym rozwiązaniem wytwarzania jest dogęszczanie na zimno porowatego materiału [33]. Silnie obciąŜone podczas pracy materiały muszą natomiast posiadać takŜe zwiększoną gęstość rdzenia, którą moŜna uzyskać poprzez przeróbkę plastyczną spieku (kucie), wysokotemperaturowe spiekanie, lub dwukrotne prasowanie i dwukrotne spiekanie. Najpopularniejsze technologie wytwarzania wyrobów na bazie proszków stali to:

� pojedyncze prasowanie z uŜyciem specjalnych środków poślizgowych zwiększających gęstość przy prasowaniu i spiekanie w dwóch wariantach:

o standardowa temperatura spiekania 1120 – 1160°C o spiekanie wysokotemperaturowe 1220 – 1260°C

� podwójne prasowanie i spiekanie w dwóch wariantach jako standardowe i wysokie, � selektywne dogęszczanie powierzchni na zimno, � objętościowe kucie po spiekaniu w zakresie temperatur 900 – 1200°C.

Na podstawie analizy literaturowej [4, 7, 9 - 24] zestawiono uzyskiwane gęstości i

podstawowe własności materiałów wytworzonych z proszków stali niskostopowych o zawartości do 5% pierwiastków stopowych: Ni, Mo, Cu, C. Dolne wartości wytrzymałości na rozciąganie odpowiadają materiałom w stanie po wytwarzaniu, natomiast górne materiałom obrobionym cieplnie, zazwyczaj hartowanym i nisko odpuszczanym. Tablica. 1-I. Uzyskiwane gęstości i własności spiekanych stali zaleŜnie od technologii wytwarzania.

Technologia wytwarzania Temperatura procesu, °C

Uzyskiwane gęstości, g/cm3

Rm, MPa WydłuŜenie A, %

Zasadnicze spiekanie do 1160 6,8 - 7,2 400 - 1100 do 1

Spiekanie wysokotemperaturowe

do 1260 7,2 - 7,5 700 - 1400 do 2

Dwukrotne prasowanie i spiekanie

do 1260 7,2 - 7,5 900 - 1600 do 2

Kucie spieków do 1200 7,6 - 7,85 1000 - 2000 do 20

Uzupełnieniem zestawienia w tablicy 1-I jest wykres na rys. 1-2 przedstawiający względne koszty wytworzenia spiekanych stali w czterech technologiach wytwarzania [25]. MoŜliwość uzyskania coraz wyŜszych własności materiału, poprzez nadanie odpowiednio wysokiej gęstości, podnosi koszty produkcji wyrobu. Osiąganie najwyŜszych gęstości, a przez to własności mechanicznych, poprzez kucie na gorąco nie oznacza, Ŝe technologia ta jest najmniej opłacalna pod względem ekonomicznym. Ostatecznie kształtowanie końcowych

własności mechanicznych sprowadza się do kompromisu pomiędzy końcową gęstością materiału, a kosztami, jakie naleŜy ponieść, by uzyskać dane zagęszczenie materiału.

Rys. 1-2. Porównane koszty wytworzenia materiałów róŜnymi technikami metalurgii proszków: 1 – pojedyncze prasowanie i spiekanie, 2 – zagęszczanie na gorąco, 3 – podwójne prasowanie i spiekanie, 4 – kucie proszków. Gęstości podano w g/m3 [25].

Pierwszy etap wytwarzania spiekanych elementów konstrukcyjnych ze stali jest związany z prasowaniem proszku z naciskiem jednostkowym w zakresie 400 – 800 MPa. Najczęściej stosowany zakres nacisków obejmuje przedział 500 – 700 MPa. Ten etap wytwarzania nie jest moŜliwy do wyeliminowania podczas wytwarzania spiekanych stali. Uzyskuje się dzięki niemu wyroby o gęstości od 6,8 do 7,2 g/cm3. Specjalne techniki prasowania z udziałem podgrzewanych matryc, czy teŜ wysokowydajnych środków poślizgowych daje moŜliwość uzyskania gęstości do 7,4 g/cm3.

WyŜsze gęstości, a zatem i własności mechaniczne, otrzymuje się dla materiałów dwukrotnie prasowanych lub odkształcanych na gorąco. Wysokie koszty procesu podwójnego prasowania i spiekania wynikają z tego, Ŝe drugie zagęszczanie odbywa się na zimno i wymaga wysokich nacisków jednostkowych prasowania. DuŜy opór odkształcenia stali na zimno powoduje, Ŝe naciski potrzebne do realizacji drugiego prasowania sięgają 700 – 800 MPa, a przez to wymagają uŜycia większych pras i skracają Ŝywotność narzędzi. Dodatkowe kolejne spiekanie znacznie zwiększa koszty produkcji – rys. 1-2. Uzyskana gęstość tak wytworzonych materiałów nie jest tak wysoka, jak w przypadku kutych spiekanych stali i czyni tą technologię wytwarzania najmniej opłacalną.

Najkorzystniejszym sposobem wytwarzania wysoko zagęszczonych spiekanych stali jest ich kucie na gorąco. Proces ten wymaga precyzyjnych narzędzi do kucia oraz kontroli prowadzenia procesu. Własności tak wytworzonych elementów są bardzo wysokie. Dwukrotny przyrost własności mechanicznych w porównaniu do materiału spiekanego przy niewielkim wzroście kosztów produkcji wyraźnie wskazuje, Ŝe jest to najlepsza technologia wytwarzania wyrobów ze spiekanych stali (tablica 1-I, rys. 1-2). Oprócz relatywnie niskich kosztów produkcji kutych spiekanych stali istnieją moŜliwości większych oszczędności energetycznych w procesie wytwórczym tej technologii. Składają się na nie kucie materiału uzyskanego bezpośrednio po spiekaniu wykorzystując ciepło spiekania do przeprowadzenia procesu odkształcenia oraz bezpośrednia obróbka cieplna polegająca na hartowaniu z temperatury kucia. W wyniku połączenia tych procesów koszty energetyczne związane z nagrzewaniem materiału zostają ograniczone tylko do spiekania.

Kucie stali z proszków ma swój początek we wczesnych latach ‘70 XX wieku i rozwinęło się w waŜną gałąź przemysłu. W dzisiejszych czasach rynek zastosowań dla tych materiałów nadal rośnie i poszukiwane są nowe aplikacje dla tego typu materiałów. Współczesne badania dotyczą obniŜenia kosztów wytwarzania przy jednoczesnym zwiększaniu wydajności procesu.

Na rys. 1-3 i 1-4 zaprezentowano wyroby uzyskane technologiami metalurgii

proszków w ostatnich latach. Są to elementy konstrukcyjne pracujące w warunkach dynamicznych, gdzie znajdują zastosowanie, wypierając elementy wytworzone ze stali litych.

Rys. 1-3. Koła zębate z zębami skośnymi wykonane ze spiekanych stali i poddane procesowi dogęszczania powierzchniowego poprzez walcowanie [9].

Koło zębate o zębach skośnych [9]. Wytworzone na drodze spiekania wysoko temperaturowego 1230°C do gęstości 7,4 g/cm3. Następnie dogęszczane powierzchniowo poprzez walcowanie w obrębie zębów do głębokości około 1 mm. Wytrzymałość na rozciąganie materiału wynosi 840 MPa.

Rys. 1-4. Korbowody i pierścienie synchronizatorów wykonane na drodze kucia spiekanych stali przez koncern GKN [22].

Korbowody i pierścienie synchronizatora przeznaczone do układów napędowych samochodów cięŜarowych. Produkowane są przez koncern GKN Sinter Metal [22]. Materiałem wyjściowym do produkcji jest proszek stopowy Astaloy A o składzie Fe-2%Ni-0,5%Mo-0,25%Mn. Wytwarzanie odbywa się poprzez kucie spiekanych stali o gęstości 6,8 g/cm3. Po kuciu w matrycach zamkniętych wyroby uzyskują gęstość 7,75 g/cm3. Wytwarzanie wyrobów zakończone jest obróbką cieplną.

1.2. Kucie matrycowe spiekanych stali 1.2.1. Opis procesu technologicznego.

Kucie materiałów spiekanych jest połączeniem zaawansowanej metalurgii proszków i precyzyjnego odkształcania, w którym niespieczony, częściowo spieczony, lub spieczony proszek metalu jest odkształcany na gorąco w matrycach zamkniętych. Kucie proszków jest rozwinięciem konwencjonalnej technologii wytwarzania materiałów spiekanych, polegającej na prasowaniu i spiekaniu, która jest dobrze rozwiniętą i kosztowo opłacalną techniką wytwarzania wyrobów o kształcie zbliŜonym lub dokładnym wyrobu gotowego. Pierwszym etapem jest wytworzenie wyprasek spiekanej stali na drodze zagęszczania w matrycy i spiekania w celu uzyskania przedkuwki o określonej masie i rozkładzie gęstości. Końcowa objętość, a zarazem gęstość wyrobu kontrolowana jest przez masę wsadu i objętość matrycy. Porowatość spieku jest niwelowana przez odkształcenie na gorąco w wysokiej temperaturze w matrycach zamkniętych, w wyniku pojedynczego uderzenia stempla, w celu osiągnięcia kształtu wyrobu gotowego z jednoczesną poprawą własności mechanicznych. To róŜni tą technologię wytwarzania od kucia stali litych, gdzie przebieg kucia następuje w kolejnych wykrojach matrycujących i w której powstaje duŜy odpad materiału w postaci wypływki. RozróŜnia się dwa procesy kucia spiekanych stali [4]:

1. Zagęszczenie na gorąco w kierunku działania siły bez promieniowego płynięcia materiału, gdzie spiek i wyrób gotowy posiadają zbliŜone pole przekroju poprzecznego – ang. re-pressing.

2. Kucie z płynięciem poprzecznym do momentu wypełnienia wykroju matrycy. W wyniku takiego prowadzenia procesu odkształcania stosunek wysokości do szerokości materiału ulega duŜej zmianie. Zapewnia to duŜe zagęszczenie, szczególnie w naroŜach materiału. W tym procesie istnieje jednak moŜliwość pojawienia się pęknięć podczas odkształcenia, w wyniku duŜego plastycznego płynięcia porowatego materiału – ang. up-setting.

Podczas dogęszczania na gorąco płynięcie materiału w kierunku poprzecznym jest

niewielkie. Rozkład napręŜeń w odkuwce jest zbliŜony do stanu hydrostatycznego. Pory ulegają spłaszczeniu i ich powierzchnie zgrzewają się. Realizacja tego procesu wymaga większych nacisków jednostkowych do uzyskania tych samych gęstości jak w przypadku kucia z duŜym odkształceniem plastycznym. Zmniejszona jest w tej technice kucia moŜliwość rozdrobnienia tlenków pokrywających cząstki proszku.

W kuciu z duŜym płynięciem poprzecznym materiałów spiekanych następuje zamknięcie okrągłych porów, ich spłaszczenie i wydłuŜenie. Podczas plastycznego płynięcia materiału rozdrobnieniu ulegają wtrącenia i cienkich warstwy tlenków znajdujące się na

powierzchni pierwotnych cząstek proszku. Daje to szczególnie poŜądany efekt w końcowych własnościach mechanicznych materiału.

Początkowe etapy procesu wytwarzania kutych spieków pokrywają się z konwencjonalnym wytwarzaniem spieków w metalurgii proszków. W obu technologiach te same czynniki decydują o jakości końcowej wyrobu. Kształt, rozkład wielkości cząstek, gęstość nasypowa i skład chemiczny uŜytego proszku są wspólne dla obu procesów przy wytworzeniu wypraski. Z reguły wykorzystuje się te same mieszanki proszków, z których wykonuje się konwencjonalne spieki. Najczęściej wykorzystywane proszki posiadają cząstki o średniej wielkości 75 µm. Wypraski przeznaczone do dalszej przeróbki plastycznej nie wymagają wysokich gęstości początkowych jak ma to miejsce w przypadku spieków jednokrotnie prasowanych. Wytwarza się zatem wypraski w przedziale gęstości od 6,2 do 6,8 g/cm3.

W związku z uzyskiwaniem wysokich końcowych gęstości wyrobu kutego czystość mieszanki proszku odgrywa bardzo waŜną rolę. W stalach poddawanych tylko spiekaniu drobne wtrącenia znajdujące się w spiekanym materiale nie decydują o jego wytrzymałości mechanicznej. W kutych spiekach, o bardzo wysokim zagęszczeniu, ewentualne zanieczyszczenia proszku mogą stać się źródłem pęknięć podobnie jak pory w materiałach o wysokim stopniu porowatości.

Rozwój technologii kucia spieków doprowadził do powstania wielu sposobów prowadzenia procesu i wymaga uwzględnienia wielu parametrów technologicznych. Ostateczne mechaniczne, metalurgiczne i ekonomiczne wyniki tej technologii zaleŜą od parametrów procesu takich jak: temperatura, naciski jednostkowe, czas oddziaływania nacisku, ilość operacji na minutę, stosowanie atmosfer ochronnych, smarowania i innych. WaŜną rolę jest w procesie wytwórczym odgrywa wyposaŜenie linii do kucia spieków, mianowicie: prasy, piece grzewcze, matryce, system automatyzacji procesu.

Wypraski na osnowie Ŝelaza są przygotowywane z mieszanki proszków metali, grafitu i substancji smarujących. Zagęszczanie następuje, jak w konwencjonalnej metalurgii proszków, w matrycy zamkniętej. ZaleŜnie od sposobu kucia, wypraska ma kształt końcowy wyrobu lub przedkuwki, która będzie kształtowana z duŜym poprzecznym płynięciem. Po prasowaniu następuje pomiar rozkładu masy wypraski, poniewaŜ równomierne jej rozłoŜenie w wyprasce decydować będzie o końcowej gęstości wyrobu.

Wymiary wyprasek są ściśle projektowane pod końcowy kształt wyrobu oraz matryc, w których będą kształtowane na gorąco. ZaleŜą one od typu prasy oraz parametrów kucia: temperatury odkuwki i narzędzi, systemu smarowania, czasu i sposobu przenoszenia przedkuwki z pieca do matrycy.

Prawidłowo zaprojektowana przedkuwka musi zawierać nie tylko odpowiednią ilość materiału potrzebną do uzyskania pełnej gęstości wyrobu, ale równieŜ uwzględniać moŜliwości jego objętościowego płynięcia podczas kształtowania w matrycy, szczególnie w miejscach o duŜym odkształceniu i w cienkich przekrojach wyrobu.

Podstawowe wymogi podczas spiekania stali przeznaczonych do kucia to: usuniecie środka poślizgowego, redukcja tlenków, dyfuzja węgla, spieczenie połączeń pomiędzy cząstkami oraz uzyskanie temperatury wymaganej do odkształcenia. Dla większości stopów Ŝelaza przeznaczonych do kucia spiekanie zachodzi w temperaturze 1120°C w ochronnej

atmosferze z kontrolowanym potencjałem węgla, który zabezpiecza materiał przed odwęgleniem. Czas wymagany do przeprowadzenia wszystkich wymienionych operacji w piecu do spiekania wynosi od 20 do 30 minut. Wymieniona temperatura i czas procesu powodują dopiero początek dyfuzji pierwiastków stopowych, takich jak miedź bądź nikiel, do roztworu. W dyfuzyjnie stopowanych proszkach stali wymaga się tylko pełnej dyfuzji węgla w roztworze.

Do spiekania lub powtórnego nagrzewania materiału uŜywane są piece: próŜniowe, przepychowe, taśmowe, obrotowe, kroczące, skrzyniowe. Odprowadzenie środka poślizgowego moŜe następować w kaŜdym z tych pieców albo moŜe być przeprowadzane w innym piecu bezpośrednio przed spiekaniem zasadniczym. Dobór pieców ostatecznie zaleŜy od: rodzaju materiału przeznaczonego do kucia, wielkości i masy części, sposobu nagrzewania przed kuciem (spiekanie-kucie, spiekanie-nagrzewanie-kucie), temperatury kucia, moŜliwości wprowadzenia atmosfery ochronnej, sposobu usuwania środka poślizgowego, pojemności pieca i prędkości spiekania oraz automatyzacji procesu.

Spiekane wypraski mogą być kute bezpośrednio z temperatury spiekania, stabilizowane w niŜszej temperaturze i kute, chłodzone do temperatury otoczenia, powtórnie nagrzewane i kute. Chłodzenie, stabilizacja temperaturowa i nagrzewanie muszą odbywać się w atmosferze ochronnej w celu zabezpieczenia przed utlenianiem.

Piece indukcyjne są często uŜywane do powtórnego nagrzewania wsadu o kształcie osiowo symetrycznym z powodu krótkiego czasu nagrzewania. Problemy mogą wystąpić w tym wypadku z jednorodnym nagrzewaniem niesymetrycznych kształtów posiadających dodatkowo cienkie przekroje. Czas nagrzewania wsadu w piecu indukcyjnym wynosi około 1 minuty.

Przedkuwki wyjmowane są z pieca, zazwyczaj przez automatyczny manipulator i umieszczane w matrycy. Czas przeniesienia elementu ze strefy nagrzewania do wykroju matrycy wynosi 4 – 8 sekund. Kucie następuje zazwyczaj z wysokimi naciskami jednostkowymi (700 – 1000 MPa). Przedkuwki mogą być pokryte wcześniej smarem grafitowym w celu zabezpieczenia przed utlenianiem w czasie nagrzewania i transportu do matrycy. Matryce wykonuje się ze stali do pracy na gorąco. Smarowanie matryc i stempli jest prowadzone przez rozpylanie zawiesiny wodno-grafitowej. Wydajność kucia wynosi około 10 sztuk na minutę [4,24].

Masa przedkuwki musi być ściśle dobrana. Podczas kucia na prasach mechanicznych zbyt mała masa wsadu daje duŜą porowatość końcową, a zbyt duŜa moŜe uszkodzić narzędzie. Matryce z reguły podgrzewa się do temperatury 200 – 400°C. Większość procesów kucia na prasach mechanicznych przeprowadzana jest do określonej wysokości końcowej wyrobu, bez zadania konkretnego ciśnienia prasowania. Stąd kontrola zagęszczenia odbywa się poprzez kontrolę masy. śywotność narzędzi sięga 50000-100000 cykli kucia [4,24].

Na rys. 1-5 przedstawiona jest zintegrowana linia technologiczna, pracująca w firmie Höganäs A.B. w Szwecji [2]. UmoŜliwia ona wytwarzanie zarówno spieków stali, jak i kutych spiekanych stali wraz z ich obróbką cieplną.

Materiał w postaci proszku podawany jest bezpośrednio z magazynu do pras (2). Sprasowany proszek w postaci wyprasek jest ewentualnie magazynowany na paletach (1). Wypraski przemieszczane są transporterem (3) do pierwszego pieca (4) w celu odparowania

środka poślizgowego. Kolejnym etapem wytwarzania jest zasadnicze spiekanie w piecu taśmowym (5). Proces wytwarzania moŜe być zakończony uzyskaniem spieku jako wyrobu gotowego. Spieczony materiał po opuszczeniu pieca (5) moŜe być chłodzony z określoną prędkością z wykorzystaniem pieca (10).

Realizacja kucia spieku następuje bezpośrednio z temperatury spiekania. Spiek podawany jest z pieca (5) do prasy (6) gdzie następuje kucie, a po nim bezpośrednie chłodzenie na powietrzu, kontrolowane chłodzenie w piecu (9), bądź kierowany jest do strefy obróbki cieplnej. Obróbka cieplna polega na dogrzaniu wyrobu i austenityzacji w piecu (7), hartowaniu, a następnie odpuszczaniu w piecu (8).

Rys. 1-5. Linia technologiczna kucia spieków w Höganäs AB., Szwecja: 1 – pojemnik na wypraski, 2 – prasy do prasowania, 3 – transporter, 4 – piec do odparowania środka poślizgowego, 5 – piec do spiekania, 6 – prasa do kucia, 7- piec do austenityzacji, 8 – piec do odpuszczania, 9,10 – urządzenia do kontrolowanego chłodzenia [2].

Dobrze prowadzony proces kucia spiekanych stali wymaga w duŜym stopniu automatyzacji linii produkcyjnej i wyeliminowania czynnika ludzkiego w procesie wytwarzania. Automatyzacja zapewnia ciągłość produkcji wytwarzania przy powtarzalnych i niezmiennych warunkach procesu, kontrolę czasów przejścia pomiędzy poszczególnymi operacjami technologicznymi. Stąd linie technologiczne wymagają obsługi przez automatyczne manipulatory oraz roboty.

Jednym z warunków automatyzacji jest zapewnienie systemu wypychania odkuwek z gniazda matrycy po odkształceniu plastycznym. Kąty technologiczne, które ułatwiają wypychanie odkuwki z matrycy w kuciu stali litych są wyeliminowane w kuciu materiałów porowatych. W związku z tym siły wypychania odkuwek z matryc są 15 – 20% większe niŜ w konwencjonalnym kuciu. Eliminacja rozwartych kątów w matrycowanym elemencie daje wyroby o kształcie bardziej zbliŜonym do wyrobu gotowego. Takie rozwiązanie technologiczne wymaga silniejszych wypychaczy odkuwki z matrycy po odkształceniu [4,24].

Odkształcenie w matrycach odbywa się przy uŜyciu konwencjonalnych urządzeń do kucia: młotów, pras wysokoenergetycznych, pras mechanicznych, hydraulicznych i śrubowych. KaŜda z tych pras posiada inną charakterystykę pracy: czas kontaktu, prędkość uderzenia, moŜliwą do osiągnięcia energię i siłę uderzenia, sztywność i dokładność prowadzenia bijaka. Zazwyczaj w kuciu proszków wykorzystuje się mechaniczne prasy

korbowe ze względu na szybki i krótki czas cyklu pracy, krótki czas kontaktu narzędzia z materiałem i dokładność prowadzenia stempla.

Prasy hydrauliczne wykorzystuje się do uzyskiwania wyrobów o gęstościach bliskich 7,8 g/cm3, zaletą pras śrubowych jest ich niski koszt i krótki czas kontaktu narzędzie – materiał.

Młoty mogą przekazać duŜą energię uderzenia przy małym płynięciu spiekanej stali podczas gorącego odkształcenia w celu uzyskania duŜych gęstości końcowych. Wprowadzenie początkiem lat ‘90 ubiegłego wieku młotów hydraulicznych monolitycznych lub o zamkniętej konstrukcji ramy pozwoliło na zwiększenie sztywności i precyzję prowadzenia bijaka. PołoŜenie dolnego kowadła takŜe jest sterowane hydraulicznie. Kontrola energii uderzenia zwiększa powtarzalność odkształcenia, a wyposaŜanie młota w wypychacze odkuwek umoŜliwia tworzenie automatycznych lub półautomatycznych linii technologicznych.

Ze względu na krótki czas kontaktu narzędzie – odkuwka podczas kucia na młotach lub prasach śrubowych zmniejsza się moŜliwość wystąpienia porowatości przypowierzchniowej. Czas kontaktu i zadany nacisk jednostkowy są podstawowymi czynnikami wpływającymi na porowatość przypowierzchniową. Ze względów ekonomicznych procesu odkształcania spieków, dla kutych spiekanych stali nie jest przewidziana obróbka skrawaniem, zatem wysoka jakość powierzchni wyrobu jest niezbędnym wymogiem jakościowym.

W przeciwieństwie do kucia litych stali, podczas odkształcania spiekanych stali na młotach, wykorzystywane jest jedno uderzenie bijaka. W kuciu litych stali stosuje się technikę wielu uderzeń aŜ do całkowitego wypełnienia wykroju matrycy. Badania nad przydatnością tej techniki były prowadzone dla kutych spiekanych stali, lecz bez większych rezultatów. Tablica. 1-II. Zestawienie charakterystyki urządzeń wykorzystywanych do kucia spiekanych stali [24].

Typ urządzenia Prędkość stempli, m/s

Czas kontaktu z materiałem, ms

Prasy hydrauliczne 0,01 – 0,05 400 - 1000 Prasy mechaniczne 0,2 – 0,6 50 – 100 Prasy śrubowe 0,5 – 1 30 – 80 Młoty 4 - 7 2 – 8

Operacje kończące proces wytwarzania kutych spiekanych stali sprowadzają się do

zapewniania wyrobowi wysokiej jakości powierzchni. Polerowanie i śrutowanie moŜe być zastosowane dla kutych spiekanych stali tak samo jak w stalach litych. Kute spieki mogą wymagać załamania krawędzi lub skrawania wypływek mogących się pojawić w miejscu zetknięcia się matryc. Ilość tych operacji jest o wiele mniejsza niŜ w przypadku stali litych po kuciu matrycowym, poniewaŜ kute spiekane stale posiadają dokładniejsze tolerancje wymiarowe po kuciu niŜ stale lite. Obróbka skrawaniem przebiega w ten sam sposób, co stali

konwencjonalnych, z tymi samymi prędkościami skrawania i przy uŜyciu tych samych narzędzi. Materiały te wykazują taką samą lub lepszą podatność do skrawania niŜ stale lite.

Obróbka cieplna i cieplno – chemiczna kutych spiekanych stali sprowadza się zazwyczaj do zastosowania takiej samej obróbki, jak w przypadku stali litych o podobnym składzie chemicznym. Zazwyczaj obróbka cieplna obejmuje hartowanie i odpuszczanie lub kontrolowane chłodzenie. Najczęstszą techniką obróbki cieplno – chemicznej jest nawęglanie powierzchni. 1.2.2. Własności kutych spiekanych stali

Wiele wyrobów z kutych spiekanych stali pracuje w kontakcie powierzchniowym. Jakość, stan i wytrzymałość powierzchni w tych materiałach muszą być wysokie. Z przyczyn ekonomicznych obróbka powierzchni kutych spiekanych stali nie moŜe być nadmierna, poniewaŜ jest nieopłacalna. Końcowe zagęszczenie i jakość warstw przypowierzchniowych są waŜnym elementem wytwarzania kutych spiekanych stali. Czas kontaktu oraz temperatura narzędzi mają znaczący wpływ na napręŜenie płynięcia materiału w strefach przypowierzchniowych i determinują wielkość zagęszczenia materiału w tym obszarze. Oprócz porowatości przypowierzchniowej szczególnie waŜna jest porowatość w naroŜach materiału, w miejscach o najmniejszej intensywności odkształcenia odkuwki. Porowatość w tym miejscu materiału jest szczególnie waŜna ze względu na kształtowanie takich wyrobów jak koła zębate, gdzie zakończenia zębów muszą być dobrze dogęszczone ze względu na warunki i rodzaj pracy elementu.

Trzy podstawowe czynniki kształtujące porowatość przypowierzchniową to: czas kontaktu narzędzia z odkuwką, smarowanie oraz temperatura narzędzi i odkształcanego materiału.

Badania [24] prowadzone bez smarowania i nagrzania narzędzi wykazały, Ŝe czas kontaktu ma decydujące znaczenie w obniŜeniu porowatości przypowierzchniowej. Na rys. 1-6 przedstawiono wpływ czasu kontaktu narzędzi z materiałem na końcową porowatość przypowierzchniową materiału. Badane odkuwki były odkształcane na młocie i prasach mechanicznych mimośrodowych, dzięki czemu uzyskiwano róŜne czasy kontaktu. Podgrzanie matryc do temperatury 150°C i wprowadzenie czynnika smarującego w postaci grafitu bardzo silnie wpływa na spadek porowatości przypowierzchniowej dla długich czasów kucia. W przypadku bardzo krótkich czasów odkształcenia porowatość warstw przypowierzchniowych praktycznie nie występuje.

Rys. 1-6. Wielkość i zmiana porowatości przypowierzchniowej w zaleŜności od czasu kontaktu narzędzie – materiał podczas kucia spiekanych stali [24].

Celem kucia spiekanych stali jest uzyskanie własności wytrzymałościowych równych stalom litym przerobionym plastycznie. Twardość tak uzyskanych materiałów powinna być wyŜsza niŜ 45 HRC, a wytrzymałość na rozciąganie powinna wynosić ponad 1500 MPa [24].

Aby osiągnąć mechaniczne własności wytrzymałościowe kutej spiekanej stali na poziomie litej kutej stali, o tym samym składzie chemicznym, wymagane jest zagęszczenie spiekanej stali ponad 98%. Uzyskanie własności plastycznych porównywalnych do stali litych moŜliwe jest dopiero dla gęstości spiekanych stali ponad 99,5%.

Czynnikiem kształtującym plastyczność jest rozwinięcie powierzchni połączeń pomiędzy pierwotnymi cząstkami proszku. Decydującą rolę w przyroście połączeń pomiędzy cząstkami proszku i w przyroście własności plastycznych odgrywa ostatecznie stosunek nacisku jednostkowego podczas kucia odniesiony do napręŜenia płynięcia materiału – p/σf . Przy wzrastającym stosunku p/σf podczas realizacji procesu kucia, wzrasta rozdrobnienie wtrąceń i zanieczyszczeń występujących na powierzchni cząstek. Następuje plastyczne przetworzenie granic pierwotnych cząstek proszku, co powoduje wzrost plastyczności materiału. Stopień przerobu podczas kucia materiału nie ma tak duŜego wpływu na końcową plastyczność materiału. Przy gorącym zagęszczaniu bez duŜego plastycznego płynięcia moŜliwe jest uzyskanie wysokiej plastyczności materiału. Wymaga to uzyskania podczas kucia wartości p/σf bliskiej 10.

W kutej spiekanej stali o porowatości bliskiej 0% pękanie jest propagowane jak w materiale litym. Powstawanie i propagacja pęknięć ściśle związana jest z obecnością wtrąceń w materiale podobnie jak ma to miejsce w stalach litych. Obecność wtrąceń na powierzchni cząstek proszku w postaci cienkich warstw jest czynnikiem najbardziej wpływającym na plastyczność i wytrzymałość kutych spiekanych stali. Zwiększanie własności mechanicznych i jakości wyrobu do poziomu kutych litych stali wymaga ścisłej kontroli wielkości i rozmieszczenia tlenków i siarczków pomiędzy cząstkami proszku.

Wysokie własności mechaniczne kutej spiekanej stali uzyskuje się przy ilości wtrąceń poniŜej 0,2% i zawartości tlenu poniŜej 300 ppm. Uzyskanie własności równych materiałom

poro

wat

ość p

rzyp

owie

rzch

niow

a, %

odległo ść od powierzchni, mm

czas kontaktu=2ms czas kontaktu=70ms czas kontaktu=250ms

litym wymaga dalszego obniŜenia zawartości tlenu poniŜej 100 ppm i siarki poniŜej 50 ppm, która jest najczęściej występującym elementem wtrąceń i stanowi ponad połowę wszystkich zanieczyszczeń.

Przy wysokim zagęszczeniu i dobrej plastyczności kutej spiekanej stali uzyskuje się równieŜ bardzo dobrą wytrzymałość zmęczeniową. W kutych spiekanych stalach występuje o wiele mniejsza anizotropia własności niŜ w stalach litych odkształcanych plastycznie. Kute spiekane stale posiadają bardziej jednorodne własności mechaniczne i jest to cecha materiału bardzo konkurencyjna w stosunku do stali litych przerabianych plastycznie. 1.2.3. Ekonomiczne aspekty kucia matrycowego spiekanych stali

Procesy kucia materiałów spiekanych, w których wykonuje się materiały o kształcie wyrobu gotowego cechuje uzysk 100%. Tablica 1-III przedstawia procentowe uzyski w róŜnych procesach wytwarzania materiałów konstrukcyjnych. Ilość materiału wsadowego w postaci proszku jest ściśle określona i nie występują w tym procesie duŜe naddatki materiałowe. Określenie „z uwzględnieniem procesów metalurgicznych” obejmuje proces stalowniczy, który poprzedza wszystkie z wymienionych procesów wytwarzania w tablicy 1-III. Proces kucia spiekanych stali cechuje takŜe najmniejsze zuŜycie energii potrzebne do wytworzenia wyrobu gotowego. Ilość energii potrzebna do wytworzenia kutych spieków jest ponad dwa razy niŜsza niŜ do konwencjonalnego kucia materiałów litych w matrycach otwartych. Tablica 1-III. Uzyski materiałowe i zuŜycie energii w róŜnych procesach wytwarzania [2]

Proces Kucie w

matrycach otwartych

Kucie matrycow

e bezwypływkowe

Kucie dokładn

e

Kucie na

zimno

Kucie z przedkuw

ek odlewany

ch

Odlewanie

precyzyjne

Prasowanie

proszków i spiekanie

Kucie proszkó

w

Bez uwzględnienia procesów metalurgicznych

40-80 70-90 55-90 95-100

95-100 95-100

Uzy

sk %

Z uwzględnieniem procesów metalurgicznych

32-64 56-72 44-72 76-80

60-80 70-90

90-95 90-95

ZuŜycie energii MJ/kg wyrobu gotowego

70 49 56 38 53 46 31 30

Przyjęto, Ŝe do wytworzenia 1 MG półwyrobów walcowanych zuŜycie stali płynnej wynosi ok. 1,25 Mg. Zapotrzebowanie energii do wytworzenia 1 Mg półwyrobów walcowanych wynosi ok. 27 GJ, 1 Mg proszku ok. 20GJ, 1 Mg odlewów ok. 36 GJ.

Udział kosztów narzędzi w procesie wytwarzania przedstawiony został w tablicy 1-IV. Koszt narzędzi powiązany jest bezpośrednio z uzyskami materiału przedstawionymi w tablicy 1-III. Aby zapewnić najwyŜszą jakość procesu wytwarzania przy jak najmniejszych stratach materiału wymagane jest stosowanie droŜszych narzędzi w procesie odkształcania. Podobnie wartość urządzeń, które są niezbędne do wykonania procesu z wysokim uzyskiem materiału jest wyŜsza niŜ w przypadku kucia litych stali w matrycach otwartych. Przez wartość urządzeń do kucia proszków rozumiana jest cała linia technologiczna jaka zaprezentowana jest na rys. 1-5. Tablica 1-IV. Porównanie udziału kosztów narzędzi i urządzeń w róŜnych procesach wytwarzania [2]

% Kucie w matrycach otwartych

Kucie matrycowe bezwypływkowe

Kucie przedkuwek odlewanych

Kucie dokładne i precyzyjne

Kucie proszków

Udział kosztów narzędzi w jednostkowym koszcie wytwarzania

5-15 3-13 20-40 13-23 23-35

15-30

Wartość urządzeń

100 120 190-220 130-150 140-160

W tablicy 1-V autorzy pracy [4] zestawiają dane dotyczące róŜnych procesów

wytwarzania materiałów. Dane te pokrywają się z informacjami przedstawionymi w poprzednich tablicach, częściowo je uzupełniają. Podobnie jak autor pracy [2] – tablica 1-III – przewidują wykorzystanie materiałów podczas kucia spiekanych stali na poziomie 100%. Dodatkowa informacja na temat chropowatości powierzchni po kaŜdym z procesów wskazuje na większą lub mniejszą na potrzebę dodatkowych czynności polersko - szlifierskich, bądź ingerujących w strukturę powierzchni, które muszą być wykonywane. Tablica 1-V. Dane dotyczące róŜnych procesów wytwarzania [4] Proces Zakres

wielkości produkcji, kg

Wykorzystanie materiału wsadowego, %

Chropowatość powierzchni, µm

Opłacalna wielkość produkcji, szt

Kucie proszków Kucie precyzyjne Kucie na zimno Odlewanie precyzyjne Spiekanie Kucie matrycowe

0,1-5

0,3-5

0,01-35

0,1-10

0,01-5

0,05-1000

100

80-90

95-100

70-90

100

50-70

5-15

10-20

1-10

10-30

1-30

30-100

20 000

20 000

5 000

2 000

5 000

1 000

Ostatecznie koszty produkcji odkuwek ze spiekanych stali są róŜnie oszacowywane w

literaturze [2-4, 25, 26]. Niejednokrotnie szacuje się je na poziomie połowy kosztów kucia litych stali w matrycach otwartych, jako równowartość kosztów kucia stali litych, bądź nawet powyŜej tych kosztów. Całkowite koszty produkcji kształtują: ceny wsadu i jego przygotowania, nagrzewania materiału, zuŜycia energii potrzebnej do obsługi urządzeń, koszt matryc, obróbki skrawaniem i obróbki cieplnej, transportu, dodatkowo koszty stałe wydziałów wytwarzania materiałów oraz wiele innych. Mnogość moŜliwości wytwarzania wyrobów, róŜne ceny wsadu, energii, stałych kosztów płac na świecie w róŜnych okresach czasu mogą rozmaicie kształtować ostateczną cenę wyrobu.

ObniŜenia kosztów wytwarzania kutych spiekanych stali poszukuje się przede wszystkim w tworzeniu wyrobów o kształcie wyrobu gotowego. Wyrób po kuciu precyzyjnym w matrycach zamkniętych nie wymaga lub wymaga tylko minimalnej obróbki skrawaniem. Jednocześnie koszty skrawania kutych litych stali po kuciu matrycowym mogą przekraczać nawet 50% kosztów całkowitych wytworzenia wyrobu [2, 4].

Propozycja oszacowania kosztów wytwarzania na drodze kucia spiekanych stali została przedstawiona w pracy [26]. Koszty wytwarzania spiekanych stali odniesiono do kosztów istniejącej produkcji odkuwek w zakładzie Kuźnia Sułkowice. Ostateczna jednostkowa cena kutego wyrobu z proszków stali kształtowała się na poziomie jednostkowej ceny wyrobu produkowanego w Kuźni. Dla symulowanego procesu kucia spieków uŜyto materiału zapewniającego uzyskanie o wiele wyŜszych władności wytrzymałościowych niŜ standardowo wykorzystywanej stali do ich produkcji. Końcowy jednostkowy koszt kutych spiekanych stali był kształtowany przede wszystkim przez cenę materiału wsadowego i koszty stałe wydziału kuźni, na które składały się przede wszystkim płace pracowników. W przypadku produkcji kutych spiekanych stali jest moŜliwa, a nawet wymagana, automatyzacja procesu wytwarzania, która bezpośrednio moŜe obniŜyć koszty wytwarzania wyrobów tą technologią. 1.2.4. Aspekty teoretyczne i praktyczne plastycznego płynięcia spiekanej stali

Przebieg plastycznego odkształcenia spiekanych stali w matrycy zamkniętej róŜni się od płynięcia materiału litego ze względu na zmianę objętości materiału podczas tej operacji. W wyniku zwiększania gęstości materiału porowatego poprzez plastyczne płynięcie następuje jego umocnienie podczas wypełniania wykroju matrycy. Wykładnik umocnienienia m w równaniu Ludwika [1]: σ = Kεm , posiada wartość zmodyfikowaną o czynnik gęstości: m = 0,31ρw-1,91

gdzie: σ – napręŜenie rzeczywiste ε – odkształcenie rzeczywiste ρ w – względna gęstość m – parametr odpowiadający za wielkość umocnienia materiału, dla czystego Ŝelaza = 0,31

Dalszą konsekwencją zagęszczania się materiału podczas odkształcenia jest zmienna wartość współczynnika Poisson’a. Dla materiałów litych idealnie plastycznych o stałej objętości wynosi on 0,5. Zmiana objętości podczas odkształcenia wpływa na obniŜenie jego wartości. Kuhn podał empiryczną zaleŜność pomiędzy współczynnikiem Poisson’a a gęstością względną ρ w: ν = 0,5ρ w a Eksperymentalne dopasowanie wykazało, Ŝe wykładnik a przyjmuje wartość równą 1,92 dla odkształcenia spieków na zimno i 2,0 dla odkształcenia na gorąco. Badania [60] wykazały brak wpływu prędkości odkształcenia na zmianę wartości liczby Poisson’a. Eksperymentalne badania na spiekach z proszku Ŝelaza WPL – 200 dały wynik dla wykładnika a równy 3,03.

Istnieje kilka warunków plastyczności ciał porowatych. Opierają się one na modyfikacji warunku plastyczności Hubera – Misesa – Hencky’ego. Wyprowadzone zostały dla ciał ściśliwych przy załoŜonych modelach porów (wydrąŜonego walca, kuli, kostki). Przy ich wyprowadzeniu uwzględniono oddzielnie stan hydrostatycznego ściskania i czystego ścinania. ZaleŜności dla tych stanów napręŜenia wykorzystano do sformułowania postaci matematycznej warunków plastyczności przy załoŜeniu, Ŝe powierzchnia płynięcia jest elipsoidą obrotową. Warunki te uwzględniają, przy przejściu materiału ściśliwego w stan plastyczny, wpływ drugiego niezmiennika tensora napręŜenia, pierwszego niezmiennika tensora napręŜenia, porowatości oraz napręŜenia uplastyczniającego materiału osnowy lub ciała porowatego. Do najwaŜniejszych naleŜą [1]:

• warunek plastyczności Greena • warunek plastyczności Oyane’a • warunek plastyczności Hirschvogla • warunek plastyczności Höneβa

Istnieje warunek plastyczności Kuhna – Downey’a, który nie jest związany z modelem pora, lecz z cechami materiałowymi: granicą plastyczności i liczba Poisson’a.

Wraz ze wzrastającą temperaturą Ŝelaza następuje spadek napręŜenia

uplastyczniającego do temperatury około 900°C, powyŜej której wymagane są większe napręŜenia potrzebne do realizacji odkształcenia. Związane jest to z przemianą alotropową Ŝelaza z sieci przestrzenie centrowanej na ściennie centrowaną. Dalszy wzrost temperatury powoduje ponowny spadek napręŜenia uplastyczniającego. W przypadku stali węglowych wraz z wrastającą temperaturą notowany jest ciągły spadek napręŜenia płynięcia materiału, co

jest związane z występowaniem zakresu dwufazowego α + γ. Podobna zaleŜność ciągłego spadku napręŜenia uplastyczniającego obserwowana jest dla stali stopowych.

DuŜe plastyczne płynięcie moŜe być powodem pękania materiału podczas odkształcenia. Obecność porowatości moŜe powodować niezdolność materiału do duŜych odkształceń plastycznych. Problem pękania moŜe być rozwiązany poprzez zmianę geometrii wsadu lub zmianę warunków smarowania powierzchni kontaktu. Tarcie pomiędzy powierzchnią materiału a matrycą jest przyczyną nadmiernego przyrostu niepoŜądanych napręŜeń i odkształceń wewnątrz materiału i moŜe prowadzić do jego uszkodzenia. Pękanie materiału moŜe następować na:

• powierzchniach swobodnych, • powierzchni kontaktu narzędzie – materiał, • wewnątrz materiału.

KaŜdy rodzaj pękania materiału w wyniku plastycznego odkształcenia eliminuje

odkuwkę jako wyrób przeznaczony do eksploatacji. Zatem projektowanie narzędzi musi odbywać się z uwzględnieniem wielu czynników i parametrów, przede wszystkim:

• temperatury wsadu, • temperatury matryc, • nacisków podczas kształtowania, • spręŜystego odkształcenia matrycy, • spręŜystego odkształcenia i plastycznego płynięcia spieku stali, • temperatury odkuwki podczas wypychania, • spręŜystego rozpręŜenia wypychanej odkuwki, • skurczu odkuwki podczas chłodzenia, • Ŝywotności narzędzi.

Plastyczne odkształcanie spiekanego materiału opiera się na kombinacji nacisku

jednostkowego, temperatury i napręŜeń w wyniku których następuje ruch dyslokacji. Kucie jest procesem szybkiego odkształcenia połączonego z wysoką temperaturą gdzie opór stali jest niski, a plastyczność wysoka. Zagęszczenie następuje w momencie plastycznego płynięcia porowatego materiału.

Ze względu na moŜliwość pojawienia się pęknięć podczas odkształcenia materiału porowatego najbezpieczniejszą formą kucia na gorąco jest zagęszczanie na gorąco z małym poprzecznym płynięciem materiału. W celu odpowiedniego zagęszczenia wyrobu wymagane są o wiele wyŜsze naciski jednostkowe podczas kucia.

Arzt wyznaczył równanie, które wiąŜe ciśnienie prasowania podczas izostatycznego zagęszczenia na gorąco z napręŜeniem płynięcia materiału na uzyskaną końcową gęstość kulistych cząstek proszku. Równanie dane jest wzorem [24]: p/σf = 2/3 ln [1/(1-D)]; gdzie: p – nacisk jednostkowy jakiemu poddany jest materiał podczas kształtowania, σf – napręŜenie uplastyczniające w danej temperaturze, D – ułamek gęstości.

Prowadzone badania [24] na spiekanej stali potwierdzają zastosowanie wzoru do kucia w matrycach zamkniętych na gorąco z małym płynięciem poprzecznym. Na rys. 1-7 przedstawiono wartości p/σf dla danych eksperymentalnych w funkcji końcowej gęstości materiału w zaleŜności od wielkości zadanego odkształcenia. Odwzorowanie teoretycznej funkcji jest bardzo wysokie. W celu uzyskania zadawalającego zagęszczenia materiału powinny być stosowane naciski jednostkowe kucia powyŜej pięciokrotnej wartości napręŜenia uplastyczniającego. Wpływ stopnia przerobu materiału jest znaczący w przypadku zastosowania kucia z duŜym poprzecznym płynięciem materiału. Dla zadanego stosunku napręŜeń p/σf w zakresie 2 – 4 w przypadku materiału o zadanym odkształceniu całkowitym dochodzącym do 0,85 uzyskuje się o wiele wyŜsze gęstości końcowe wyrobu niŜ przy odkształceniu rzędu 0,15. Wielkość zadanego odkształcenia przestaje odgrywać rolę dla wartości p/σf > 5.

Rys. 1-7. Stosunek nacisku jednostkowego do napręŜenia uplastyczniającego w funkcji końcowej gęstości materiału w zaleŜności od wielkości zadanego odkształcenia podczas kucia w matrycach zamkniętych [24]. Badania [52] wykazały silny związek pomiędzy wielkością zadanego odkształcenia a końcową gęstością porowatej stali przy swobodnym spęczaniu spiekanego Ŝelaza WPL - 200. Końcowa gęstość wyrobu jest funkcją początkowej porowatości i wielkości odkształcenia logarytmicznego. Nie stwierdzono natomiast wpływu prędkości odkształcenia w zakresie 0,01 do 10 s-1 na zagęszczenie materiału. ZaleŜność opisuje funkcja: ρw = ρwo + (1-ρwo)(1-exp(-bϕh)) gdzie: ρw – względna gęstość końcowa ρwo – względna gęstość początkowa b – parametr funkcji ϕh – logarytmiczna wielkość odkształcenia

Parametr funkcji b uzaleŜniony jest od gęstości początkowej materiału i zmienia się w zakresie od 1,4 dla gęstości względnej 0,64 do 3,4 dla gęstości 0,94. Warto zwrócić uwagę, Ŝe

Gęst

ość w

zglę

dna

nacisk jednostkowy / napr ęŜenie uplastyczniaj ące

εεεε = 0,15 εεεε = 0,35 εεεε = 0,82

przy odkształceniu logarytmicznym rzędu 1,0 tylko dla gęstości początkowej wynoszącej 0,94 materiału litego moŜna uzyskać zagęszczenie bliskie 1. 1.3. Rola porowatości w spiekanych stalach

1.3.1. Wpływ porowatości na własności

W materiałach litych, o zadanym składzie chemicznym, końcowe własności kontrolowane są przez nadanie materiałowi określonej mikrostruktury. Osiąga się to poprzez przeróbkę plastyczną i obróbkę cieplną lub w połączonej technologii obróbki cieplno-plastycznej. W rezultacie w wyrobie gotowym istnieje mikro i makro struktura o określonej wielkości ziarna, zorientowana przestrzenie, z konkretnymi składnikami fazowymi, która nadaje materiałowi cechy mechaniczne, fizyczne, wytrzymałościowe, plastyczne, magnetyczne, itd.

W materiałach porowatych struktura takŜe odgrywa bardzo waŜną rolę w kształtowaniu własności. Oprócz struktury na własności tych materiałów ma wpływ jego porowatość, czyli nieciągłość materiału w postaci pustek.

Wystąpienie pustki w materiale litym w postaci odlewu czy przerobionym plastycznie moŜe bezpośrednio dyskwalifikować go jako element konstrukcyjny przeznaczony do uŜytku. W materiałach wytworzonych z proszków udział porów materiale przekracza niekiedy 20 – 25% objętości, mimo to tak wytworzony materiał moŜe sprawdzać się jako element konstrukcyjny. Kontrola porowatości oraz wiedza na temat jej wpływu na własności pozwala na szerokie projektowanie wyrobów z proszków metali.

Istnieją dwa podstawowe czynniki, które prowadzą do zwiększania gęstości materiałów spiekanych z proszków, niezaleŜnie od przebiegu procesu technologicznego i etapu procesu, w którym się dany czynnik wykorzystuje. Są nimi: temperatura procesu i nacisk jednostkowy wywierany na zagęszczany proszek. Dodatkowo wspólnym czynnikiem dla tych parametrów jest czas, w którym następuje działanie temperatury lub materiał jest wytrzymywany pod ciśnieniem. Zwiększenie temperatury i czasu jej oddziaływania na materiał proszkowy, szczególnie w procesie spiekania, intensyfikuje jego zagęszczenie [3, 11]. Tak samo zwiększenie ciśnienia prasowania proszku i ewentualne jego powtórne prasowanie zwiększają jego gęstość końcową [1,16]

Bockstiegel przedstawił wykres opisujący cztery podstawowe własności stali wytworzonych drogą metalurgii proszków: wytrzymałość, twardość, wydłuŜenie i udarność w funkcji porowatości materiału, które odniesione są do 100% własności materiału litego (rys. 1-8). Własności mechaniczne są funkcją gęstości, od której silnie zaleŜą. Szczególnie

plastyczność i udarność materiału zaczyna szybko wzrastać powyŜej 95% gęstości teoretycznej materiału.

Rys. 1-8. Zmiana własności w zaleŜności od gęstości materiałów wytworzonych z proszków przez: a - prasowanie i spiekanie, a’ - prasowanie na gorąco, b – prasowanie, spiekanie wstępne, doprasowanie i spiekanie zasadnicze, c - kucie [1].

Dalsze badania prowadzone na spiekach [3, 27, 28,] wykazały, Ŝe gęstość końcowa wyrobu ma takŜe wpływ na: moduł spręŜystości wzdłuŜnej Younga, rodzaj pękania materiału, oraz na wytrzymałość zmęczeniową. Przyjmuje się, Ŝe wzrost gęstości o 0,1 g/cm3 dla spiekanych stali powoduje przyrost własności mechanicznych o 5 do 10% [30].

Porowatość wewnętrzna spiekanej stali jest determinowana przez kilka róŜnych czynników: dodatków stopowych, rozmiaru cząstek proszku, gęstości wypraski, sposobu prasowania proszku w matrycy zamkniętej, uŜycia środków poślizgowych podczas prasowania, czasu i temperatury spiekania, ewentualnej dalszej przeróbki plastycznej materiału spiekanego [17]. Ze wzrostem porowatości wzrasta nieregularność rozmieszczenia i kształt porów, co jest przyczyną osłabienia własności materiału, przede wszystkim dynamicznych i zmęczeniowych [27].

Rozmieszczenie i wielkość porów w materiale jest juŜ kształtowana podczas wytwarzania wyprasek. Rozkład gęstości w wypraskach jest nierównomierny, a zatem po procesie spiekania takŜe jest nierównomierny. Odkształcenie na zimno lub na gorąco po procesie spiekania powoduje zwiększenie gęstości w miejscu, gdzie wystąpiło odkształcenie plastyczne spieku. Lokalna zmiana porowatości wpływa bezpośrednio na zwiększenie własności wytrzymałościowych, co widoczne jest w postaci przyrostu twardości na przekroju materiału. Miejsca o zwiększonej gęstości są twardsze [31-33]. Badania nad wpływem powierzchniowego dogęszczania były szeroko analizowane [33,34].

ZaleŜnie od przeznaczenia elementu konstrukcyjnego (np. w: przekładniach zębatych, korbowodach, panewkach łoŜysk tocznych, elementach sprzęgieł) wymaga się, aby miał jednolicie zwiększoną gęstość w swej objętości lub tylko w warstwie przypowierzchniowej. Przy projektowaniu własności końcowych wyrobu dobiera się odpowiednią technikę kształtowania gęstości [7, 8].

Gęstość materiału wpływa ostatecznie na przewodność cieplną i prędkości

nagrzewania oraz chłodzenia materiału. Przy czym wzrost porowatości powoduje wzrost prędkości chłodzenia. Szczególnie ma to związek z poziomem porowatości oraz kształtem porów [35].

1.3.2. Wpływ porowatości na pękanie spiekanych stali

NiŜsze własności wytrzymałościowe spiekanych stali w stosunku do materiałów litych

są związane z propagacją pękania w tych materiałach podczas obciąŜenia. Spiekane stale po przekroczeniu granicy spręŜystości mają niewielką zdolność do plastycznych odkształceń. W wielu przypadkach zniszczenie następuje bezpośrednio po spręŜystym zakresie odkształcenia materiału. Znajomość czynników wpływających na pękanie spiekanych materiałów moŜe wyjaśnić ich obniŜoną wytrzymałość w stosunku do litych stali.

Obecność porów w strukturze zmniejsza pole przekroju powierzchni, na którą działa przyłoŜona siła. Jednocześnie obecność porów stwarza moŜliwość szybszej propagacji pękania, co związane jest z koncentracją napręŜeń wokół porów w materiale. Efekt wpływu porowatości widoczny jest szczególnie w udarności materiału i jego moŜliwości do przenoszenia obciąŜeń dynamicznych lub cyklicznych. Wzrost gęstości powoduje mniejszą liczbę porów i większą powierzchnię kontaktu pomiędzy cząstkami proszku, co zwiększa wytrzymałość materiału.

Zazwyczaj pękanie spiekanych stali nie jest kojarzone z konkretną mikrostrukturą i rozpoczyna się w obrębie porów [17, 29, 36, 37]. Inicjacja pękania rozpoczyna się w obrębie porów bądź zespołach porów usytuowanych blisko powierzchni lub na powierzchni materiału. Propagacja pęknięcia następuje po linii najmniejszego oporu tworzywa i rozpoczyna się od powierzchni materiału. Dlatego zwiększanie gęstości przy powierzchni zapobiega pęknięciom. Pory o nieregularnym kształcie powodują powstania większych koncentracji napręŜenia i intensyfikują wartość napręŜenia bardziej niŜ pory okrągłe. Całkowita porowatość, wielkość porów i ich kształt są waŜnym czynnikiem w kontrolowaniu wytrzymałości materiałów porowatych. Szczególnie przy duŜej porowatości występuje większa nieregularność kształtu porów i większa ilość połączeń pomiędzy nimi. Na rys. 1-9 przedstawiono powierzchnię próbek po badaniach zmęczeniowych nad pękaniem porowatych materiałów stalowych [29]. Propagacja pękania następuje w obszarach pomiędzy porami. Pory stanowią element powierzchni zniszczenia.

Rys. 1-9. Spiekana stal na osnowie proszku Distaloy 4800A, strzałkami zaznaczono linię pękania pomiędzy porami. Powiększenie 1000x, powierzchnia nie trawiona [29].

Podczas prób zmęczeniowych pęknięcia pojawiają się na powierzchni i są

propagowane aŜ do całkowitego zniszczenia materiału. Pojawienie się pęknięcia na powierzchni nie oznacza ostatecznej utraty spójności materiału. W badaniach zmęczeniowych pierwsze pęknięcia pojawiają się juŜ po czasie 10% całkowitej liczby cykli potrzebnych do zniszczenia próbki i narastają do momentu całkowitego zniszczenia materiału [28].

Pękanie w spiekanej stali jest przejściem piku pęknięcia przez materiał i następuje pomiędzy porami. W momencie pękania, gdy rozwarstwienie materiału osiągnie kolejny por, zostaje uwolniona koncentracja napręŜeń i odkształceń. Następnie tworzy się nowy zarodek pęknięcia po drugiej stronie poru. Rozwój pękania jest wstrzymywany dopóki nowe rozwarstwienie nie wytworzy się po drugiej stronie poru. Rozwój przełomu ma charakter dynamiczny i pulsacyjny.

Przejście pęknięcia przez materiał odbywa się przede wszystkim po pierwotnych powierzchniach cząstek proszku, które są głównym czynnikiem odpowiadającym za mechaniczne własności materiału. Rozwinięcie powierzchni połączeń pomiędzy pierwotnymi cząstkami proszku odpowiada za większość własności mechanicznych spiekanych stali.

Na rys. 1-10 przedstawiono pękanie spiekanej stali po pierwotnych powierzchniach cząstek [28]. Pomimo kruchego pękania w całej objętości stali lokalne rozdzielenie materiału w miejscach połączeń cząstek proszku ma zazwyczaj charakter ciągliwy.

Rys. 1-10. Pękanie spiekanej stali po pierwotnych powierzchniach cząstek proszku [28].

Aby wytrzymałość mechaniczna i plastyczność spiekanej stali nie była zaleŜna tylko

od pola powierzchni mostków i ich lokalnej mikrostruktury, ale takŜe od struktury pierwotnych cząstek proszku, dąŜy się do uzyskania gęstości wyrobów bliskich stali litej

pękanie po granicach cząstek

pękanie

pękanie

przez plastyczne odkształcenie na gorąco. W efekcie uzyskuje się materiały, w których przełom przechodzi prawie całkowicie przez pierwotne cząstki proszku i jest on uzaleŜniony od mikrostruktury. W wypadku materiału zahartowanego ze strukturą martenzytyczną jest to przełom kruchy. Przy gęstości materiału spiekanego wynoszącej 90% gęstości teoretycznej przełom przechodzi po powierzchni cząstek proszku, a rozdzielenie materiału następuje w obrębie szyjek, gdzie pękanie jest lokalnie ciągliwe. Udział powierzchni szyjek oraz ich wewnętrzna struktura decyduje o wytrzymałości końcowej materiału. Na rys. 1-11 przedstawiono powierzchnię zniszczenia spiekanej stali na osnowie proszku Astaloy o zawartości węgla 0,2% oraz spiekanej stali na osnowie proszku Astaloy o zawartości 0,6% węgla odkształconej plastycznie w temperaturze 1200°C, poddanej hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze 180°C [23].

Rys. 1-11. Powierzchnia zniszczenia spiekanej stali Astaloy o zawartości 0,2%C – a) oraz spiekanej stali Astaloy o zawartości 0,6%C po kuciu i obróbce cieplnej- b) [23].

Uzyskanie spiekanej stali o gęstości bliskiej gęstości materiału litego nie zawsze zapewnia pękanie z pominięciem pierwotnych powierzchni cząstek proszku. Problemem we w pełni zagęszczonych materiałach są międzycząsteczkowe zanieczyszczenia i tlenki pokrywające cząstki. Nawet przy całkowitej eliminacji wszystkich porów wiązania te mogą być słabe i prowadzić do przedwczesnego zniszczenia materiału. Zanieczyszczenia bardzo często usytuowane są na powierzchni proszku, w strefie międzycząsteczkowego kontaktu. W konsekwencji wytrzymałość takiego materiału jest niska pomimo wysokiej gęstości końcowej. Na rys. 1-13 przedstawiono dwie powierzchnie zniszczeń spiekanych stali wysokostopowych. Oba materiały uzyskano za pomocą techniki izostatycznego prasowania na gorąco, która umoŜliwia otrzymanie w pełni zagęszczonych wyrobów z materiałów trudno odkształcalnych. Brak wiązań między cząstkami proszku w przypadku jednej z nich jest zestawiony w opozycji do wytrzymałej i plastycznej osnowy drugiej stali, w której nastąpiła pełna konsolidacja materiału [3].

b) a)

Rys. 1-12. Obraz powierzchni zniszczenia stali wysokostopowych po zagęszczaniu w procesie prasowania izostatycznego na gorąco: a – pękanie po powierzchni cząstek proszku pokrytych tlenkami, b – pękanie przez mikrostrukturę. Widoczny wpływ jakości powierzchni cząstek uŜytego proszku na charakter przełomu [3].

a) b)

1.4. Rola mikrostruktury w spiekanych stalach 1.4.1. Składy chemiczne spiekanych stali stosowanych na materiały konstrukcyjne.

Skład chemiczny spiekanych stali moŜe być szeroko komponowany i zmieniany ze względu na moŜliwość mieszania ze sobą proszków róŜnych pierwiastków, które ostatecznie kształtować będą końcową mikrostrukturę wyrobu i jego własności. Materiały spiekane wykorzystywane są w stanie po procesie wytwarzania jako materiały konstrukcyjne, a nie jako półwyroby do dalszego przetworzenia. Na etapie wytwarzania spiekanych stali kształtuje się mikrostrukturę i ich ostateczne własności uŜytkowe. W większości przypadków struktura spiekanych stali jest heterogeniczna i składa się z wielu składników strukturalnych. Na ostateczną mikrostrukturę, oprócz sposobu wytwarzania mieszanki, ma wpływ proces technologicznego wytwarzania, uzyskana gęstość wyrobu, kształt i rozmieszczenie porów oraz obróbka cieplna.

Pierwiastki stopowe mogą być wprowadzane na dwa róŜne sposoby do roztworu spiekanej stali. Pierwszym sposobem jest ich dodanie do ciekłej stali przed procesem wytwarzania proszku na drodze rozpylania cieczą lub gazem. Drugim sposobem jest dodanie pierwiastka stopowego w postaci proszku do mieszanki przed prasowaniem.

Zaletą spiekanych stali wytworzonych na osnowie proszków stopowych jest jednolity roztwór w kaŜdej cząstce proszku, a ostatecznie w materiale po spiekaniu. Jednolite stopowanie materiału wyjściowego pozwala na uzyskanie jednorodnej mikrostruktury zahartowanej na wskroś podczas przyspieszonego chłodzenia lub obróbki cieplnej. Z drugiej strony dodatki stopowe w proszku obniŜają zagęszczalność, co utrudnia osiągnięcie wyŜszych gęstości materiału podczas wstępnego prasowania oraz wymaga większych nacisków jednostkowych prasowania.

Drugi sposób wprowadzania pierwiastków stopowych daje łatwość prasowania mieszanek proszków kilku pierwiastków stopowych, które wcześniej nie umocniły Ŝelaza. Wadą takiego stopowania jest tylko częściowa dyfuzja pierwiastków do roztworu stali podczas jej spiekania. W wyniku takiego stopowania otrzymana struktura jest najczęściej heterogeniczna z wieloma składnikami fazowymi.

Spiekane stale cechuje niska plastyczność ze względu na obecność porowatości. Skład stopowy oraz końcowa mikrostruktura jest komponowana w celu osiągnięcia jak najwyŜszej wytrzymałości mechanicznej. Skład chemiczny spiekanej stali dobierany jest zazwyczaj w sposób umoŜliwiający zapewnienie wysokiej hartowności i opiera się zazwyczaj na kilku podstawowych pierwiastkach. Są to przede wszystkim węgiel, molibden, nikiel i miedź, dodatkowo w stopach konstrukcyjnych spotyka się chrom i mangan. W mniejszej ilości spotykane są pozostałe pierwiastki stopowe uŜywane zazwyczaj w stalach litych [14].

Węgiel wprowadzany jest to stopu stali prawie zawsze w postali proszku grafitu i jest mieszany z proszkiem osnowy. Jest to spowodowane koniecznością wyeliminowania trudności prasowania proszku jako stali węglowej. Dyfuzyjność węgla w stali jest duŜa i doskonale przechodzi do roztworu podczas spiekania. Natomiast stal bezwęglowa lub czyste Ŝelazo prasuje się o wiele łatwiej, co daje większe gęstości wyprasek we wstępnym procesie wytwarzania. Węgiel jest jednym z podstawowych pierwiastków kształtujących własności wytrzymałościowe. W spiekanych stalach najczęściej wykorzystywany jest w zawartości od 0,4 do 0,6%. Jest to optymalna zawartość tego pierwiastka ze względu na uzyskiwane własności wytrzymałościowe i moŜliwość przeprowadzenia obróbki cieplnej. ObniŜenie zawartości węgla do 0,2% mocno obniŜa własnościach mechaniczne. Zastosowanie znajdują stale o zawartości węgla 0,2% wykorzystywane do nawęglania, od których wymagana jest twarda powierzchnia przy zachowaniu plastyczności nie nawęglonego rdzenia materiału.

Molibden jako pierwiastek wpływający na wytrzymałość stali przez wytwarzanie węglików jest szeroko stosowany w metalurgii proszków jako dodatek stopowy w zakresie od 0,5 do 1,5%. Dodawany jest zazwyczaj jako pierwiastek stopowy do Ŝelaza w procesie wytwarzania proszku i tworzy z nim roztwór. Proszki stopowe Ŝelaza z molibdenem wykorzystywane są jako w pełni stopowe (ang. prealloyed), poniewaŜ nie umacnia ferrytu oraz nie wpływa ujemnie na zagęszczanie się proszku. Wykorzystywana jest takŜe szeroko zdolność molibdenu do zwiększania hartowności stali. Większość materiałów opartych na tym stopie stali poddaje się obróbce cieplnej. Jego jednorodne stopowanie w całej objętości roztworu powoduje uzyskanie homogenicznej struktury martenzytycznej w ulepszanym cieplnie materiale. [14, 23, 36]. Na rys. 1-13 przedstawiono mikrostruktury kutej spiekanej stali o zawartości 1,5% molibdenu w stanie po wytwarzaniu i po obróbce cieplnej. Bezpośredni efekt obecności molibdenu widoczny jest w przyroście wytrzymałości mechanicznych, twardości oraz zwiększonej odporności na pękanie. Molibden wykazuje duŜą zdolność do tworzenia węglików w roztworze spiekanej stali.

a) b) Rys. 1-13. Spiekana stal Astaloy (Fe-1,5%Mo) w stanie po spiekaniu – a) oraz po kuciu i obróbce cieplnej – b) [38].

Nikiel wykorzystywany jest jako pierwiastek silnie wpływający na hartowność stali zawierających węgiel. Obecność Ni w roztworze zmniejsza prędkość chłodzenia potrzebną do uzyskania przemiany martenzytycznej i pozwala na osiągnięcie struktury martenzytu przy

mniejszych zawartościach węgla w stali. Ta zaleŜność wykorzystywana jest w obróbce cieplnej spieków stalowych, szczególnie, gdy wytwarzane części posiadają cienkie przekroje, które musza być chłodzone z ograniczoną prędkością, bądź gdzie prędkości chłodzenia są ograniczone przez strefy chłodzenia pieca (w przypadku chłodzenia gazem). Nikiel zwiększa wytrzymałość stali oraz skurcz wyprasek podczas procesu spiekania, co w efekcie daje wyŜszą końcową gęstość wyrobu. Rzadko wprowadzany jest do cząstek proszku jako pierwiastek stopowy, poniewaŜ umacnia roztwór i przez to obniŜa prasowalność proszku. Dodawany jest zazwyczaj jako osobny składnik do mieszanki i jest łączony dyfuzyjnie lub mechanicznie na powierzchni cząstek proszku. Dyfuzyjne stopowanie odbywa się przez wyŜarzanie wykonanej mieszanki proszków. Spiekane stale zawierają zazwyczaj od 0,5% do 4% masowych niklu. WyŜsze zawartości tego pierwiastka są czasami stosowane w celu uzyskania wysokich własności wytrzymałościowych z dobrą odpornością zmęczeniową materiału. Spiekane stale z tym pierwiastkiem są wykorzystywane głównie z stanie po obróbce cieplnej.

Wprowadzenie niklu do mieszanki stali jako oddzielnego pierwiastka powoduje, Ŝe pozostaje on poza roztworem ze względu na niewielką dyfuzję w Ŝelazie. Pomimo kilkudziesięciu minut spiekania w temperaturach 1100 – 1260°C pozostaje w strukturze jako osobny składnik tworząc lokalny roztwór wysokostopowy. Na obrazie mikrostruktury jest widoczny w postaci trudno trawiących się obszarów. [14,16, 18, 19, 30]. Obecność niklu w postaci obszarów o jego podwyŜszonej zawartości powoduje, Ŝe otrzymana struktura jest heterogeniczna i występuje w niej wiele składników fazowych. Obszary o wysokim stęŜeniu tego pierwiastka usytuowane są wokół porów i w miejscach łączących spieczone cząstki proszku stali. Na rys. 1-14 przedstawiono spiekaną stal o składzie Fe-2%Ni-0,85%Mo-0,4%C w stanie po obróbce cieplnej oraz spiekaną stal o zawartości Fe-4%Ni-0,85%Mo-0,5%C po procesie przyspieszonego chłodzenia po spiekaniu – ang. sinter hardening. W obu przedstawionych przypadkach nikiel został wprowadzony do mieszanki proszku na drodze dyfuzyjnego stopowania po powierzchni cząstek. W spiekanej stali wyraźnie zauwaŜalne są nietrawiące się obszary bogate w nikiel.

a) b) Rys. 1-14. Spiekana stal o składzie: a – Fe-2%Ni-0,85%Mo-0,4%C w stanie po spiekaniu i po obróbce cieplnej [16], b – spiekana stal o składzie Fe-4%Ni-0,85%Mo-0,5%C po procesie „sinter hardening” [14].

DuŜym problemem jest identyfikacja struktury tworzonej przez nikiel wprowadzany do spiekanych stali. Najczęstszym określeniem w literaturze jest określenie „obszary bogate w nikiel” (ang. Ni-rich areas) bez dokładniejszej analizy tej fazy niezaleŜnie od przeprowadzonej obróbki cieplnej oraz ilości dyfuzji niklu do osnowy stali [17, 30, 37].

Część badaczy utoŜsamia go z austenitem szczątkowym, zwracając uwagę na to, Ŝe nikiel posiada duŜe zdolności do stabilizacji austenitu w temperaturze otoczenia. Badania te poparte są badaniami mikrotwardości w stanie po spiekaniu lub po hartowaniu i niskim odpuszczaniu, gdzie obszary bogate w nikiel pozostają „miękkie”. „Mi ękkość” w tym wypadku utoŜsamiana jest z wysoką plastycznością tej fazy i jej znaczącym wpływem na własności wytrzymałościowe. [17, 18, 23, 39]. Plastyczne obszary niklowe podnoszą własności wytrzymałościowe spiekanych stali poprzez nadanie im cech plastycznych, ewentualnie poprzez moŜliwość wstrzymywania pojawiających się mikropęknięć w obszarze mikrostruktury np. podczas obciąŜeń dynamicznych. Pola niklu traktowane są jako miejsca rozładowujące napręŜenie w heterogenicznej zahartowanej strukturze, w której obecne są pory [12, 18, 23, 29, 37, 40].

Jednocześnie istnieje przekonanie, Ŝe struktura ta po hartowaniu lub przyspieszonym chłodzeniu jest strukturą martenzytu stopowego. Przypisanie tej strukturze cech martenzytu zakłada jej wysoką twardość i małą plastyczność. Wyszczególnione są w tych publikacjach cechy, które powodują obniŜenie własności wytrzymałościowych heterogenicznej struktury zawierającej martenzyt niklowy. Jednocześnie podkreślany jest fakt, Ŝe bardziej homogeniczna struktura zapewnia wyŜsze własności mechaniczne i zwiększa odporność na pękanie [30, 38, 39, 41, 42].

Miedź jest podstawowym pierwiastkiem intensyfikującym spiekanie się proszku stali,

zapewnia większą gęstość, jakość połączeń między cząstkami proszku i wytrzymałość materiału po spiekaniu. Zwiększa hartowność oraz umacnia stal [14, 41]. Jednocześnie istnieją badania stwierdzające pogorszenie własności odkształcanych plastycznie na gorąco spiekanych stali z zawartością miedzi.

Chrom i mangan rzadko występują jako pierwiastki w spiekanych stalach. Wykazują one duŜe powinowactwo do tlenu, które staje się problemem podczas rozpylania ciekłego stopu, a następnie wytwarzania spiekanych stali przerabianych plastycznie. Tlenki chromu i manganu są szczególnie trudne do redukcji w procesie spiekania i kucia, wymagają wysokich temperatur spiekania oraz atmosfer ochronnych podczas przenoszenia nagrzanego materiału i jego odkształcenia plastycznego. Ich obecność w roztworze związana jest z własnościami umacniającymi stal oraz wpływem na hartowność. Mangan dodawany jest takŜe jako związek MnS powodujący wzrost skrawalności materiału [21].

WaŜnym zagadnieniem w metalurgii proszków Ŝelaza, przeznaczonych szczególnie do kucia jest zawartość tlenków na powierzchni proszku. Zawartość ta sięga od kilu do kilkuset ppm i jest waŜnym czynnikiem obniŜającym wytrzymałość materiałów. Porycie proszku tlenkami powoduję jego gorszą zagęszczalność, obniŜa powierzchnię aktywną proszku po zagęszczeniu i zamknięciu porów, na której następuje połączenie i konsolidacja materiału.

ObniŜa równieŜ ilość węgla przechodzącego do roztworu stali, poniewaŜ w czasie spiekania węgiel redukuje tlenki i w ten sposób obniŜa się jego stęŜenie.

Ostateczny efekt mikrostruktury uzyskanej w spiekanym materiale zaleŜy od tego czy jest homogeniczna, czy heterogeniczna. Sposób wprowadzania dodatków stopowych odgrywa tu pierwszoplanową rolę. Jednorodna struktura ma zazwyczaj określone, bardziej przewidywalne własności, jednocześnie składniki struktury heterogenicznej mogą się wzajemnie wzmacniać [10]. Zapewnienie jednorodnej mikrostruktury szczególnie z uwagi na ograniczoną dyfuzyjność niklu szeroko stosowanego w spiekanych stalach jest bardzo waŜne. Jednorodna struktura z równomiernie rozłoŜonym niklem zapewnia większą hartowność w stali przy mniejszych prędkościach chłodzenia wykorzystywanych w bezpośrednim hartowaniu po procesie spiekania („sinter hardening”) oraz podczas konwencjonalnej obróbki cieplnej. Prowadzone są zatem badania nad wprowadzaniem do mieszanek proszku bardzo drobnego niklu o wymiarach cząstek do kilku mikrometrów, co ma zapewnić lepsze rozłoŜenie tego pierwiastka w objętości wyrobu oraz zapewnić jego większą dyfuzję podczas spiekania [39, 42].

PoniŜej przedstawiono składy chemiczne stali wytwarzanych z proszków wykorzystywane na elementy konstrukcyjne w metalurgii proszków: - spiekane stale przeznaczone do wykorzystania jako elementy konstrukcyjne w stanie po spiekaniu bez obróbki cieplnej posiadają w swoim składzie miedź o zawartości 1 – 2%, która jest wprowadzana w celu intensyfikacji procesu spiekania oraz molibden w zawartości 0,5 – 1,5% zapewniający zwiększoną wytrzymałość mechaniczą. Węgiel wprowadzany jest w ilości 0,2 – 0,6%. Sporadycznie występuje mangan i chrom [34, 43]. - Spiekane stale przeznaczone do obróbki cieplej lub do procesu bezpośredniego hartowania po spiekaniu posiadają skład wymieniony powyŜej zawierając dodatkowo nikiel w ilości 2% zapewniający powstanie martenzytu. Zawartość tego pierwiastka moŜe być podwyŜszona do 4% zapewniających powstanie martenzytu przy niŜszych prędkościach chłodzenia [16, 30, 35, 44]. - Spiekane stale przeznaczone do przeróbki plastycznej nie odbiegają zasadniczo pod względem składu chemicznego od wyŜej wymienionych materiałów. Podstawowym składnikiem tych stali jest molibden 0,25-1,5% oraz nikiel o zawartości do 2%. ZaleŜnie od przeznaczenia wykorzystuje się dodatkowo chrom i mangan jako dodatki stopowe. Zawartość węgla wynosi od 0,2 do 0,65%C i związana jest z przeznaczeniem materiału (do hartowania objętościowego lub nawęglania powierzchniowego) [5, 20, 21, 22-24, 27, 38, 45, 46].

1.4.2. Wpływ obróbki cieplnej na mikrostruktur ę spiekanych stali Uzyskanie określonej mikrostruktury spiekanej stali polega przede wszystkim na jej

kontrolowanym chłodzeniu. Uzyskana mikrostruktura moŜe być homogeniczna lub heterogeniczna. Szeroki zakres stosowania dodatków stopowych i róŜny sposób wprowadzania ich do proszku stali, a ostatecznie do roztworu, powoduje, Ŝe uzyskane struktury są z reguły niejednorodne.

Dla przewidywania i kontrolowania mikrostruktury spiekanych stali opracowuje się wykresy CTPc jak dla stali litych. Na podstawie wykresu ciągłego chłodzenia przewiduje się zachodzenie przemian przechłodzonego austenitu przy zadanych prędkościach chłodzenia. Wykresy tworzy się na podstawie badań dylatometrycznych podczas nagrzewania i chłodzenia porowatych stali [41].

JeŜeli materiały spiekane wykorzystywane są na drobne, nie obciąŜone elementy konstrukcyjne, od których nie są wymagane wysokie własności wytrzymałościowe, wtedy stosuje się je w stanie po spiekaniu. Powstała mikrostruktura związana ze spiekaniem w temperaturze 1120 – 1260°C w zakresie austenitycznym i chłodzeniem wynoszącym około 0,3 °/s. Mikrostruktura spiekanych stali nieobrabianych cieplnie jest zazwyczaj perlityczno – bainityczna ze względu na duŜą ilość węgla oraz pierwiastków stopowych dodawanych do spiekanych stali. Wysoka zawartość pierwiastków stopowych związana jest z podniesieniem własności wytrzymałościowych, intensyfikacją spiekania oraz zapewnieniem skurczu materiału podczas spiekania lub moŜliwością osiągnięcia jak największej ilości martenzytu w strukturze podczas małych prędkości chłodzenia.

Około 60% produkcji spiekanych stali przeznaczone jest do obróbki cieplnej po spiekaniu w celu podwyŜszenia wytrzymałości i twardości [3]. Obróbka cieplna moŜe być zastosowana jako część chłodzenia z temperatury spiekania. Zazwyczaj jest to osobny proces z pełną austenityzacją przed hartowaniem. Zmiana kształtu (np. kalibrowanie) lub obróbka skrawaniem powinna być wykonana przed ulepszaniem cieplnym.

Najprostszym sposobem przeprowadzenia obróbki cieplnej materiałów porowatych, podobnie jak materiałów litych, niezaleŜnie od ich stopnia zagęszczenia oraz sposobu jej uzyskania, jest hartowanie realizowane poprzez nagrzewanie do temperatury austenityzacji, wytrzymanie w tej temperaturze oraz następne oziębianie z prędkością większą od krytycznej w celu uzyskania struktury martenzytycznej.

Dobór temperatury austenityzacji zaleŜy od składu chemicznego stali, wartości temperatury przełomowej Ac3 i z reguły zmienia się w przedziale od 820 do 960°C. Są to temperatury od 20 do 150°C powyŜej temperatury Ac3. Czas austenityzacji przed oziębianiem nie przekracza od 20 do 60 minut.

Kontrola powstawania mikrostruktury sprowadza się do jak najlepszego rozpuszczenia lub rozprowadzenia mechanicznego poprzez przeróbkę plastyczną pierwiastków stopowych w roztworze stali oraz przyśpieszonego chłodzenia w ośrodku chłodzącym.

Gęstość spiekanej stali bezpośrednio wpływa na prędkość chłodzenia materiału. ZaleŜnie od uzyskanej gęstości końcowej wyrobu, czas transferu nagrzanego elementu z pieca do cieczy chłodzącej nie powinny przekraczać kilku sekund – tablica 1-III [3]: Tablica 1-III. Czas transferu spiekanego elementu do ośrodka chłodzącego w zaleŜności od jego gęstości [3].

Gęstość, g/cm3 Czas transferu, s 6,4 – 6,8 6,8 – 7,2

>7,2

8 12 25

NiŜsza przewodność cieplna porowatych stali zmniejsza prędkość chłodzenia

materiału i obniŜa hartowność stali. Hartowność spada proporcjonalnie do porowatości. Obróbkę cieplną rzadko przeprowadza się dla materiałów o gęstości poniŜej 6,8 g/cm3 [3, 35].

Ze względu na obecność porowatości w materiałach spiekanych transport ciepła jest bardziej skomplikowany niŜ w materiałach litych. Prędkości chłodzenia proszkowych wyrobów na bazie Ŝelaza podczas obróbki cieplnej zaleŜą od