ĆWICZENIE NR XI

KSZTAŁTOWANIE PLASTYCZNE MATERIAŁÓW ŚCIŚLIWYCH (ROZDROBNIONYCH I SPIEKANYCH)

- PRASOWANIE PROSZKÓW METALI -

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie z wybranymi zagadnieniami obróbki plastycznej materiałów ściśliwych (rozdrobnionych i spiekanych) ze szczególnym uwzględnieniem kształtowania wyrobów z proszków metali za pomocą prasowania w matrycach zamkniętych.

2. Tematyka prac badawczych i technicznych

Tematyka prac badawczych i technicznych obejmuje:

• pokaz przykładowych wyrobów z proszków metali oraz narzędzi do prasowania (matryc zamkniętych),

• wyznaczanie zależności średniej gęstości względnej wyprasek z proszków metali od nacisku jednostkowego (krzywych prasowania) przy prasowaniu jednostronnym oraz w pływającej matrycy (temat 1),

• badania rozkładu twardości na przekrojach spiekanych wyprasek (temat 2) i obserwacja struktury spieków na zgładach metalograficznych.

3. Schemat metody badawczej

4. Zalecenia

1. Przedstawienie wyników pomiarów

Temat 1. Wyznaczanie krzywych prasowania

Tabela XI/1.Wyniki badań krzywych prasowania przy prasowaniu jednostronnym i w pływającej matrycy

Prasowanie jednostronne Gatunek proszku: ........................... Gęstość ziaren proszku: ρL = ....... [g/cm^3] Masa proszku: m = ...................... [g] Średnica matrycy: dm = ............... [mm] Długości stempli: h1 = .................. [mm] h2 = ................. [mm]						Prasowanie w pływającej matrycy Gatunek proszku: ......................... Gęstość ziaren proszku: ρL = ....... [g/cm^3] Masa proszku: m = ...................... [g] Średnica matrycy: dm = ............... [mm] Długości stempli: h1 = .................. [mm] h2 = ................. [mm]
Lp	hi [mm]	hw [mm]	Siła praso- wania P [kN]	Nacisk praso-wania p [MPa]	Gęstość względ- na ρ*	Lp	hi [mm]	hw [mm]	Siła praso-wania P [kN]	Nacisk praso-wania p [MPa]	Gęstość względ- na ρ*
1			0	0		1			0	0
2						2
3						3
						.
.						.
.						.

Temat 2. Badania rozkładu twardości na przekrojach spiekanych wyprasek

Tabela XI/2.Wyniki badań twardości wyprasek po spiekaniu

Szkic próbki z zaznaczeniem punktów pomiaru twardości Sposób prasowania: ...............................	Nr punktu pomia- rowego	Twardość HRB	Szkic próbki z zaznaczeniem punktów pomiaru twardości Sposób prasowania: ...............................	Nr punktu pomia- rowego	Twardość HRB

4. Opracowanie wyników pomiarów

• Wyniki badań krzywych prasowania (pomiary z tematu1) należy aproksymować funkcjami potęgowymi typu:

ρ = C₁ + C₂ pn (XI.1)

(C₁, C₂, n - stałe) i wykonać odpowiednie wykresy.

• Zilustrować graficznie wyniki badań rozkładów twardości spiekanych wyprasek (temat 2).

4. Wnioski

Wnioski winny dotyczyć przebiegu i porównania wyznaczonych krzywych prasowania oraz zbadanych rozkładów twardości.wyprasek po spiekaniu.

5. Zagadnienia kontrolne

• Charakterystyka wytwarzania wyrobów z proszków metali.

• Sposoby kształtowania plastycznego materiałów ściśliwych (rozdrobnionych i spiekanych).

• Jakościowy opis zjawisk zachodzących podczas prasowania proszków w matrycach zamkniętych.

• Opis plastycznego płynięcia materiałów ściśliwych (warunki plastyczności, prawa płynięcia, funkcje materiałowe).

• Czynniki wpływające na gęstość średnią i rozkład gęstości wyprasek.

• Doświadczalne wyznaczanie krzywych prasowania.

6. Informacja merytoryczna

W dalszym ciągu oprócz informacji związanych bezpośrednio z tematem ćwiczenia - dotyczących technologii i podstaw teoretycznych kształtowania plastycznego materiałów ściśliwych (rozdrobnionych oraz spiekanych o strukturze porowatej) - przedstawiono krótką charakterystykę metalurgii proszków (technologii spiekowej) z uwzględnieniem metod wytwarzania proszków metali i ich własności oraz podstaw procesu spiekania.

1. Ogólna charakterystyka metalurgii proszków (technologii spiekowej)

Metalurgia proszków jest dziedziną techniki obejmującą teorię i technologię wytwarzania wyrobów z materiałów rozdrobnionych (proszków) poprzez ich scalanie w drodze formowania i spiekania, bez przeprowadzania całości produktu przez stan ciekły. Do podstawowych etapów technologii spiekowej zalicza się:

• wytwarzanie proszków czystych metali i stopów oraz proszków niektórych niemetali,

• badania własności proszków,

• przygotowanie proszków do dalszej przeróbki,

• formowanie kształtek z proszków,

• spiekanie (lub połączenie formowania ze spiekaniem),

• obróbka plastyczna proszków i spieków,

• obróbka cieplna i cieplno - chemiczna proszków i spieków,

• obróbka wykańczająca wyrobów,

• badania własności wyrobów z proszków.

1. Metody wytwarzania proszków metali i ich własności

Proszek jest materiałem sypkim, składającym się z oddzielnych cząstek o wymiarach maksymalnych rzędu 1 [mm]. Cząstki proszku otrzymuje się przez rozdrabnianie mechaniczne materiału w stanie stałym, rozpylanie ciekłych metali za pomocą cieczy lub gazu, redukcję związków metali, kondensację fazy gazowej i rozkład karbonylków (związków typu Fe(CO)₅, Ni(CO)₄ itp.) oraz elektrolizę roztworów wodnych lub stopionych soli. Kształt cząstek proszku jest związany z metodą jego wytwarzania. Przykładowo: proszek rozpylany i otrzymany w drodze rozkładu karbonylków ma cząstki zbliżone do sferoidalnych, proszek redukowany składa się z ziaren postrzępionych lub gąbczastych, proszek elektrolityczny ma cząstki o strukturze dendrytycznej; podczas rozdrabniania mechanicznego (w młynach udarowych, wibracyjnych i kulowych lub poprzez tłuczenie) otrzymuje się zróżnicowane kształty cząstek (wielościenne, płatkowe itp.). Charakterystykę najważniejszych stosowanych na skalę przemysłową metod wytwarzania proszków metali podano w tab. XI/3.

Podstawowe własności technologiczne proszku (gęstość nasypowa i teoretyczna, sypkość, formowalność, zagęszczalność) wynikają ze składu chemicznego, kształtu i wymiarów cząstek oraz składu ziarnowego (udziału frakcji cząstek o różnych wymiarach). Cechy stereologiczne ziarn proszku (zwłaszcza ich powierzchnia właściwa) mają wpływ na przebieg procesu spiekania. Z punktu widzenia kształtowania plastycznego materiału rozdrobnionego istotne znaczenie ma gęstość nasypowa, sypkość, formowalność i zagęszczalność.

Tabela XI/3. Charakterystyka najważniejszych metod wytwarzania proszków metali

Lp	Nazwa metody	Charakterystyka	Rodzaje metali Uwagi
1	Rozpylanie powietrzem (RZ) Mannesmann AG	Ciekły metal jest wlewany cienkim strumieniem do dyszy, w której ulega rozpyleniu za pomocą sprężonego powietrza. Przy produkcji proszku żelaza strumień stopionego żeliwa ma średnicę 5 - 8 mm, ciśnienie powietrza wynosi 0,5 - 0,8 [MPa]. Po rozpyleniu proszek jest poddawany dodatkowemu utlenieniu w temp. 800 - 900 [^oC], a następnie wyżarzaniu redukującemu w temp. 950 - 1150 [^oC].	Fe, Sn, Al, Pb.
2	Rozpylanie gazem obojętnym (VIGA)	Metal po stopieniu w indukcyjnym piecu próżniowym jest rozpylany w dyszy za pomocą argonu.	Fe, Co, Ni, Cu, Ag i ich stopy. Proszki o wysokiej czystości.
3	Rozpylanie wodą Höganäs S. A.	Cienki strumień metalu roztopionego w piecu łukowym jest rozpylany w dyszy strumieniem wody o prędkości rzędu 100 [m/s]. Po rozpyleniu proszek jest poddawany wyżarzaniu redukującemu w atmosferze zdysocjowanego amoniaku.	Fe, stopy Cu. Bardzo drobne proszki.
4	Redukcja węglem rudy żelaza Höganäs S. A.	Wzbogacona do 71,5 % Fe magnetytowa ruda żelaza wraz z węglem (koksem) i kamieniem wapiennym (do związania siarki) ulega redukcji w tyglach umieszczonych w piecu tunelowym w temp. 1200 [^oC]. Uzyskane porcje porowatego żelaza (tzw. gąbkę szwedzką) po usunięciu nadmiaru koksu i siarczku wapnia rozdrabnia się na proszek, który poddaje się ponownie redukcji w piecu przelotowym (atmosfera: zdysocjowany amoniak, temp. 800 [^oC]).	Fe. Gąbczasta struktura proszku.
5	Redukcja wodorem tlenków żelaza Amax, USA	Oczyszczoną zgorzelinę walcowniczą stali nieuspokojonej, utlenioną dodatkowo w piecu obrotowym przy temp. 870 - 980 [^oC] poddaje się redukcji wodorem w piecu taśmowym w temp. 800 [^oC].	Fe. Proszek drobnoziarnisty o wysokiej czystości.
6	Kondensacja z fazy gazowej	Metal w postaci pary jest wprowadzany do osadnika, gdzie następuje jego kondensacja w temperaturze niższej od temperatury topnienia.	Zn i inne metale niskotopliwe.
7	Rozkład karbonylków	Termiczny rozkład związków typu Fe(CO)5, Ni(CO)4 na metal i tlenek węgla.	Fe, Ni, Co. Proszki specjalne (na magnesy).
8	Elektroliza	Wodny roztwór lub stopiona sól metalu ulega elektrolizie wskutek przepływu prądu stałego. Jony metalu pochodzące z roztworu lub z rozpuszczalnej anody wykonanej z metalu przerabianego na proszek tworzą na katodzie gąbczasty osad, który rozdrabnia się mechanicznie.	Cu, Fe, Ag, Ni, Mn i inne. Proszki o wysokiej czystości.

Gęstość nasypową ρ₀ określa się z równania:

(XI.2)

gdzie: V - objętość naczynia pomiarowego wypełnionego całkowicie przez swobodnie nasypany proszek o masie m. Wyznacza się również tzw. gęstość nasypową z usadem, gdzie proszek w naczyniu pomiarowym poddaje się zagęszczaniu pulsacyjnemu do uzyskania stałej objętości (PN-75/H-04930, PN-77/H-04950). Duża gęstość nasypowa jest korzystna z punktu widzenia technologii prasowania w matrycach zamkniętych, gdyż wysokość komory zasypowej, skok prasy i smukłość stempli w prasowniku mogą być wtedy mniejsze (patrz p. 6.3.1).

Gęstość materiału proszku ρ_t wyznacza się piknometrycznie na podstawie wzoru:

(XI.3)

gdzie: m - masa proszku, m_cw - masa cieczy wypartej przez proszek z piknometru, m₁ - masa początkowa piknometru z cieczą, m₂ - masa końcowa piknometru z cieczą i proszkiem (po wyparciu części cieczy), ρ_c - gęstość cieczy. Gęstość ρ_t odpowiada z dobrym przybliżeniem gęstości litego materiału ρ_L, z którego wytworzono proszek (jeżeli pominie się ewentualną porowatość drobin proszku).

Gęstość ρ_L można wyznaczyć na podstawie znanego składu chemicznego materiału rozdrobnionego:

(XI.4)

gdzie ρ_i i p_i oznaczają odpowiednio gęstości i udziały masowe składników stopowych.

Formowalność oznacza zdolność kształtki z proszku do zachowania spójności. Cechę tę bada się podczas próby prasowania w matrycy prostokątnej stemplem o zmiennej wysokości. Na otrzymanej wyprasce można znaleźć miejsce w pobliżu jej najwyższego końca, począwszy od którego rozpoczyna się obsypywanie krawędzi. Równocześnie po drugiej stronie (najsilniej sprasowanej) pojawiają się pęknięcia. Znając początkową wysokość warstwy proszku zasypanego do matrycy określa się maksymalną i minimalną możliwą do uzyskania gęstość wypraski (PN-82/H-04954).

Sypkość określa się przez pomiar czasu przesypywania się znanej masy proszku przez lejek o ustalonym kształcie (PN-82/H-04935). Duża sypkość ułatwia zasypywanie proszku do matrycy przez automatyczne urządzenie zasypowe prasy.

Charakterystykę zagęszczalności stanowi zależność gęstości wypraski od średniego naprężenia ściskającego (ciśnienia prasowania) podczas prasowania proszku w matrycy zamkniętej (tzw. krzywa prasowania). Dobra zagęszczalność proszku oznacza obniżenie ciśnienia prasowania potrzebnego do uzyskania danej gęstości (średniej), co zwiększa żywotność stempli i matryc.

1. Metody formowania proszków

Stosuje się następujące metody formowania kształtek z materiału rozdrobnionego:

• prasowanie w matrycach zamkniętych,

• prasowanie izostatyczne,

• prasowanie kroczące (z przesuwającą się matrycą),

• walcowanie,

• wyciskanie,

• odlewanie i natryskiwanie,

• specjalne metody formowania (formowanie i prasowanie dynamiczne i pulsacyjne, prasowanie w polu magnetycznym).

Uformowane kształtki posiadają spoistość, wynikającą z połączenia poszczególnych cząstek proszku siłami adhezji, lecz ich wytrzymałość jest niska.

6. Prasowanie w matrycach zamkniętych

Prasowanie w matrycach zamkniętych jest podstawową i szeroko stosowaną w praktyce przemysłowej metodą wytwarzania kształtek z proszku przeznaczonych do spiekania. Materiał rozdrobniony po zasypaniu do matrycy jest kształtowany za pomocą stempla (lub zespołu stempli) i pod działaniem ciśnienia prasowania ulega odkształceniom objętościowym oraz postaciowym - równocześnie zachodzą procesy: kształtowania (odwzorowania kształtu matrycy) i zagęszczania. Swobodnie zasypany proszek posiada gęstość nasypową ρ₀.W początkowym etapie prasowania poszczególne cząstki łatwo przemieszczają się względem siebie wypełniając puste miejsca i doznając odkształceń sprężystych. Etap ten charakteryzuje się szybkim wzrostem gęstości wraz ze wzrostem ciśnienia prasowania. W dalszym ciągu cząstki proszku ulegają odkształceniom plastycznym. Może też zachodzić kruszenie się cząstek (gdy materiał proszku ma niskie własności plastyczne). Dalszy wzrost ciśnienia prasowania powoduje już niewielkie przyrosty gęstości. Przy skończonej wartości ciśnienia prasowania nie można osiągnąć gęstości litego materiału. Maksymalne wartości ciśnienia prasowania są ograniczone wytrzymałością i żywotnością elementów roboczych prasowników i zwykle nie przekraczają 600 - 800 [MPa], co pozwala na uzyskanie średniej gęstości rzędu (0,8 ÷ 0,9) ρ_L (dla proszków żelaza).

Praca wykonana przez siłę prasowania składa się z pracy odkształceń plastycznych i pracy tarcia, które występuje na ściankach matrycy i pomiędzy poszczególnymi drobinami proszku. Wskutek tarcia panującego na ściankach matrycy rozkład gęstości w wyprasce nie może być równomierny. Efekt obniżenia sił tarcia uzyskuje się przez zmieszanie z proszkiem niewielkiej ilości tzw. środka poślizgowego (np. stearynianu cynku, ok. 0,5 % wagowo). Dodatek środka poślizgowego poprawia jednorodność gęstości wypraski oraz zmniejsza potrzebne dla uzyskania określonej gęstości ciśnienie prasowania, a także siłę wypychania wypraski z matrycy, co podwyższa trwałość narzędzi. Efekty te występują zwłaszcza przy dużych smukłościach wyprasek. Zbyt duża ilość środka poślizgowego jest jednak niekorzystna, gdyż może spowodować zmniejszenie gęstości wypraski i obniżenie jej wytrzymałości (wskutek utrudnienia tworzenia połączeń adhezyjnych pomiędzy cząstkami proszku). Środek poślizgowy jest usuwany w drodze odparowania podczas początkowego etapu spiekania.

Proces prasowania w warunkach przemysłowych jest przeprowadzany na specjalnych prasach automatycznych wielokrotnego działania (mechanicznych lub hydraulicznych) za pomocą specjalnych przyrządów - tzw. prasowników. Prasy posiadają odpowiednie urządzenia zasypujące proszek do matrycy i realizują wszystkie niezbędne ruchy elementów prasowników, wypychanie wyprasek z matrycy i ich usuwanie z przestrzeni roboczej.

Materiał rozdrobniony musi być odpowiednio przygotowany do prasowania. Najpierw tworzy się mieszankę proszkową, zestawioną z odpowiednich frakcji ziaren o różnych wymiarach, co pozwala na uzyskanie wysokiej gęstości zasypowej. Mieszanka ta może mieć jednolity skład chemiczny lub składać się z różnorodnych składników. Jest ona przygotowywana zwykle przez producenta proszków lub indywidualnie przez wytwórcę wyrobów spiekanych. Następnie dodaje się środek poślizgowy i przeprowadza operację mieszania w mieszalnikach łopatkowych lub stożkowych (dla proszków metali plastycznych). Proszki metali kruchych oraz ceramiczne miesza się w młynach kulowych. Podczas operacji mieszania, która wymaga określonego czasu, następuje ujednorodnienie mieszanki oraz ścieranie i zaokrąglanie krawędzi cząstek, co poprawia gęstość nasypową. Jeżeli cząski proszku są utlenione (np. w czasie składowania), to przed utworzeniem mieszanki należy przeprowadzić operację wyżarzania w atmosferze redukującej (zwykle stosuje się wodór) przy temperaturze 400 ÷ 800 [^oC].

Rozróżnia się następujące sposoby prasowania:

• jednostronne,

• z pływającą (swobodną) matrycą,

• dwustronne z przeciwbieżnym ruchem stempli,

• dwustronne ze współbieżnym ruchem matrycy.

Zastosowanie danego sposobu prasowania jest związane z konstrukcją wypraski (klasą trudności wykonania, tab. XI/4). Podczas prasowania jednostronnego (rys. XI/1 a, XI/2) gęstość wypraski spada stopniowo w miarę wzrostu odległości od czoła stempla ruchomego. Sposób ten jest najprostszy w realizacji, lecz ze względu na niekorzystny rozkład gęstości bywa stosowany tylko do niskich wyprasek (
). Prasowanie dwustronne z przeciwbieżnym ruchem stempli (rys. XI/3) jest wykorzystywane do wykonywania wyprasek o niewielkich gabarytach na prasach mechanicznych krzywkowych. Prasowanie dwustronne ze współbieżnym ruchem matrycy (rys. XI/4) ma szerokie zastosowanie. Przy prędkości matrycy równej połowie prędkości stempla rozkład gęstości w wyprasce jest taki sam jak podczas prasowania z przeciwbieżnym ruchem stempli, inaczej natomiast przebiega usuwanie wypraski z matrycy. Porównanie rozkładów gęstości w wypraskach prasowanych jednostronnie i dwustronnie pokazano na rys. XI/5. Podczas prasowania z pływającą matrycą ruch matrycy podpartej sprężynami (rys. XI/1 b) jest wymuszony przez siły tarcia proszku o jej ścianki. W efekcie otrzymuje się proces zbliżony do prasowania dwustronnego, nieco prostszy w realizacji (matryca nie musi być napędzana).

Jeżeli wypraska posiada kilka stopni wysokości - niezbędne jest zastosowanie zespołu stempli kształtujących poszczególne stopnie. Przykładowo na rys. XI/6 pokazano przebieg prasowania dwustronnego ze współbieżnym ruchem matrycy dla wypraski o dwóch stopniach wysokości. Przemieszczenia stempli winny być dobrane z warunku jednakowego stopnia sprasowania q:

(XI.5)

gdzie: ρ - gęstość średnia po prasowaniu; pozostałe oznaczenia - jak na rys. XI/6. Z (XI.5) i rys. XI/6 wynika:

(XI.6)

(XI.7)

czyli:

(XI.8)

Powyższe związki pozwalają na ustalenie wymiarów komory zasypowej, a także położeń i skoków elementów prasownika oraz maszyny przy zadanej średniej gęstości wypraski i znanej gęstości nasypowej. Analogicznie postępuje się przy większej liczbie stopni wysokości wypraski.

Rys. XI/7 i XI/8 przedstawiają przebieg prasowania ze współbieżnym ruchem matrycy dla wyprasek z otworem. Dodatkowym elementem prasownika jest trzpień, który zwykle porusza się razem z matrycą. Przy cienkich ściankach wyprasek prasa winna realizować napęd dodatkowego ruchu trzpienia, który przebija warstwę proszku pod kasetą zasypową (inaczej nie jest możliwe prawidłowe zasypanie proszku do wąskiej szczeliny pomiędzy trzpieniem i ścianką matrycy).

Jak widać, przy złożonym kształcie wypraski stopień komplikacji prasownika i samej prasy może być znaczny. Schemat przemieszczeń stempli i matrycy podczas prasowania dwustronnego ze współbieżnym ruchem matrycy na prasie mechanicznej wielokrotnego działania dla kształtki o dwóch stopniach wysokości przedstawiono na rys. XI/9. Najtrudniejsze do wykonania są wypraski o kilku stopniach wysokości (klasa IV). Przy dużych smukłościach ( >  znaczna część siły prasowania jest przenoszona przez tarcie proszku o ścianki matrycy. Do osiągnięcia odpowiedniego stopnia zagęszczenia konieczne jest wtedy duże ciśnienie prasowania, nie zawsze możliwe do realizacji ze względu na ograniczoną wytrzymałość i żywotność smukłych stempli. Ponadto występuje znaczna niejednorodność gęstości wypraski. Wypraski o dużych smukłościach mogą być prasowane w matrycach zamkniętych tylko pod warunkiem znacznego ograniczenia sił tarcia. Jeżeli nie jest to możliwe, należy zastosować inny sposób formowania.

1. Prasowanie izostatyczne

Prasowanie izostatyczne polega na zagęszczaniu proszku umieszczonego w elastycznej formie za pomocą wysokiego ciśnienia hydrostatycznego (rys. XI/10). Elastyczna forma wraz z zasypaną odpowiednią porcją proszku zostaje umieszczona w komorze ciśnieniowej i poddana działaniu cieczy pod wysokim ciśnieniem. Po zakończeniu prasowania następuje dekompresja, wyjęcie z komory ciśnieniowej formy z wypraską i usunięcie formy.

Omawiany sposób prasowania jest możliwy do zastosowania tylko dla materiałów ściśliwych (rozdrobnionych lub spiekanych o porowatej strukturze). Istotną zaletą jest duża jednorodność otrzymywanych wyprasek.

7. Prasowanie kroczące (z przesuwającą się matrycą)

Podczas prasowania kroczącego proszek zasypany swobodnie do matrycy w kształcie rynny jest prasowany za pomocą stempla o specjalnym kształcie (rys.XI/11). Po każdym cyklu obciążenia matryca jest przesuwana. Przesunięcie przypadające na jeden cykl nazywa się skokiem prasowania. Sposób ten służy do wytwarzania kształtek w postaci długich prętów lub taśm. Uzyskuje się gęstości rzędu (0,8 ÷ 0,9) ρ_L (podobnie jak przy prasowaniu w matrycach zamkniętych).

Tabela XI/4. Klasy trudności wykonania wyprasek i stosowane sposoby prasowania

Klasa	Przykłady kształtów wyprasek	Charakterystyka wypraski i sposób prasowania
I		Wypraski płaskie o stałej i małej wysokości: h/a < 1, h/d < 1. Prasowanie jednostronne.
II		Wypraski o stałej wysokości, tulejki cienko - i grubościenne: d/h ≥ 1. Prasowanie dwustronne z przeciwbieżnym ruchem stempli (dla małych wyprasek) lub ze współbieżnym ruchem stempla i matrycy (ewentualnie z pływającą matrycą). Przy tulejkach cienkościennych konieczne jest przebijanie trzpieniem warstwy proszku pod kasetą zasypową.
III		Wypraski o dwóch stopniach wysokości, tulejki z pojedynczym kołnierzem. Prasowanie dwustronne ze współbieżnym ruchem stempla i matrycy. Prasowniki z zespołem stempli, ewentualne przebijanie warstwy proszku. Prasy wielokrotnego działania.
IV		Wypraski o trzech lub więcej stopniach wysokości, tulejki z kołnierzami zewnętrznymi lub wewnętrznymi, które nie przylegają do powierzchni czołowych. Prasowanie dwustronne ze współbieżnym ruchem stempla i matrycy. Złożona konstrukcja prasowników z dwoma zespołami stempli, ewentualne przebijanie warstwy proszku. Prasy wielokrotnego działania.

1. Walcowanie proszków

Stosując odpowiednie gnioty można wytwarzać w procesie walcowania wzdłużnego wyroby w postaci taśm bezpośrednio z proszku. Otrzymane taśmy poddaje się następnie spiekaniu. Mają one strukturę porowatą, a uzyskanie odpowiednich własności wytrzymałościowych i plastycznych wymaga zwykle dalszej obróbki plastycznej i ponownego spiekania. Schematy sposobów walcowania proszków przedstawiono na rys. XI/12.

2. Wyciskanie proszków

Kształtki w postaci prętów i rur wytwarza się z proszków w procesie wyciskania współbieżnego (rys. XI/13). Proces może być prowadzony z dodatkiem lub bez dodatku plastyfikatora (substancji zlepiającej: np. stearyny lub skrobii). Wyroby wyciskane poddaje się spiekaniu, podczas którego plastyfikator odparowuje. Sposób znajduje zastosowanie dla proszków o małej formowalności (np. z wolframu, niobu, węglika wolframu itp.). Proszki metali plastycznych wyciska się bez dodatku plastyfikatora, przy czym konieczne jest stosowanie dużych stopni odkształcenia. Technologia wyciskania bez plastyfikatorów stwarza trudności, gdyż wskutek tarcia na wyjściu z matrycy pojawiają się naprężenia rozciągające, prowadzące do lokalnego spadku gęstości i powstawania pęknięć. Aby tego uniknąć stosuje się m. in. wstępne zagęszczanie proszku w pojemniku poprzez nacisk stempla przy zamkniętym otworze matrycy.

3. Odlewanie i natryskiwanie

Formowanie kształtek o skomplikowanych kształtach z proszków o niskiej formowalności i zagęszczalności (np. ceramicznych i ceramiczno - metalicznych) realizuje się za pomocą odlewania gęstej zawiesiny proszku w cieczy z dodatkami poprawiającymi lejność i zapobiegającymi zlepianiu się drobin proszku (tzw. gęstwy). Formy odlewnicze wykonuje się z porowatego materiału wchłaniającego ciecz (np. z gipsu). Kształtki po wyjęciu z form są suszone i poddawane spiekaniu. Możliwe jest uzyskanie gęstości do 0,98 ρ_L.

Natryskiwanie służy do wykonywania cienkościennych kształtek (skorup) z proszków ceramicznych i ceramiczno - metalicznych. Zawiesinę proszku w cieczy łatwo parującej z dodatkiem żywic organicznych nanosi się poprzez natrysk (z pistoletu lub dyszy) na powierzchnię modelu. Po wyschnięciu i zdjęciu z modelu kształtkę poddaje się spiekaniu. Jeżeli potrzebna jest duża gęstość kształtki, to przed spiekaniem stosuje się dodatkowo prasowanie izostatyczne w formach gumowych.

1. Specjalne metody formowania (formowanie i prasowanie w polu magnetycznym oraz dynamiczne i pulsacyjne)

Prasowanie w polu magnetycznym stosuje się przy wytwarzaniu magnesów anizotropowych. Zawiesina proszku o odpowiednich własnościach magnetycznych w cieczy jest podawana do matrycy (prasowanie „na mokro”). Silne pole magnetyczne wytwarzane przez cewkę otaczającą matrycę wywołuje orientację cząstek proszku. Ciecz jest odsysana za pomocą pompy poprzez przepuszczalną przekładkę umieszczoną na dnie matrycy.

Podczas formowania dynamicznego wykorzystuje się energię fali uderzeniowej, wywołanej detonacją ładunku kruszącego lub wyładowaniem elektrycznym dużej mocy. Ciśnienie na froncie fali uderzeniowej może działać na proszek (w matrycy lub elastycznej formie) bezpośrednio lub za pomocą stempla. Występują bardzo duże prędkości odkształcenia. Proces znajduje zastosowanie w produkcji jednostkowej elementów o specjalnych zastosowaniach z proszków metali o wysokiej wytrzymałości.

Formowanie dynamiczne może być również przeprowadzane w matrycach zamkniętych na młotach kuźniczych bezszabotowych (przeciwbieżnych) o dużych prędkościach bijaków (ok. 30 ÷ 40 [m/s]). W wyniku występowania dużych prędkości względnych na powierzchniach kontaktu proszku ze ściankami matrycy ulega obniżeniu siła tarcia, co poprawia jednorodność gęstości otrzymywanych wyprasek.

Efekt obniżenia sił tarcia występuje również podczas prasowania w matrycach zamkniętych z zastosowaniem pulsacji przemieszczeń elementów prasowników lub ciśnienia prasowania o częstotliwościach rzędu kilkunastu do kiluset Hz lub ultradźwiękowymi. Realizacja procesu prasowania pulsacyjnego wymaga zastosowania specjalnych maszyn i urządzeń. Jako przykłady można podać rozwiązania konstrukcyjne hydraulicznych pras pulsacyjnych typu PXP i innych [4,5].

Należy dodać, że pozytywny efekt w postaci obniżenia sił uzyskuje się także wywołując pulsacje przemieszczeń elementów prasowników podczas wypychania wyprasek z matryc.

Formowanie pulsacyjne umożliwia zagęszczenie proszku zasypanego swobodnie do matrycy (bez nacisku) pod warunkiem zastosowania wysokiej energii drgań przy odpowiedniej amplitudzie i częstotliwości. Stosuje się pulsatory hydrauliczne lub mechaniczne.

1. Podstawy procesu spiekania

Spiekanie polega na wygrzewaniu proszku lub uformowanej kształtki przez określony czas, w odpowiedniej temperaturze i atmosferze. W efekcie otrzymuje się materiał spiekany, który odznacza się pewną spoistością (w przypadku spiekania proszku) lub wyższą wytrzymałością niż uformowana kształtka. Zasadniczą rolę w procesie spiekania odgrywają zjawiska przemieszczania się atomów (transportu masy): dyfuzja powierzchniowa i objętościowa, płynięcie wywołane ciśnieniem kapilarnym, parowanie i kondensacja. Przyczyną tych zjawisk jest nadwyżka energii układu cząstek proszku, związana z ich dużą powierzchnią właściwą. Obniżenie energii układu odbywa się poprzez zmniejszanie się powierzchni swobodnych w drodze: tworzenia szyjek łączących poszczególne cząstki, wygładzania nieregularnych powierzchni swobodnych oraz sferoidyzację i zmniejszanie się pustek aż do ich zanikania (rys. XI/14). Szczegółowy opis dyfuzyjnych mechanizmów spiekania można znaleźć w [3,6].

Ponadto podczas spiekania mogą zachodzić reakcje chemiczne (utleniania lub redukcji - w zależności od składu atmosfery pieca) oraz proces rekrystalizacji (gdy podczas formowania kształtek cząstki proszku uległy odkształceniom plastycznym), a także inne zjawiska, np. wzajemne rozpuszczanie się składników mieszanki proszków, przemiany fazowe itp.

Podstawowe warunki spiekania dla mieszanki proszkowej o ustalonym składzie stanowią:

• temperatura,

• czas spiekania,

• skład chemiczny atmosfery pieca.

Podwyższona temperatura powoduje zwiększenie ruchliwości atomów i przyspieszenie procesów dyfuzji. Niezbędne jest dostarczenie odpowiedniej dawki energii cieplnej (energia aktywacji spiekania). Pożądany przebieg procesu spiekania wymaga określonego czasu.

W zależności od zastosowanej temperatury rozróżnia się spiekanie:

• w fazie stałej,

• z udziałem fazy ciekłej,

• z udziałem zanikającej fazy ciekłej.

Spiekanie w fazie stałej przeprowadza się w temperaturze 0,7 ÷ 0,8 temperatury topnienia metalu spiekanego (ok. 1150 [^oC] dla spieków na bazie żelaza, 800 - 900 [^oC] dla miedzi).

Podczas spiekania z udziałem fazy ciekłej temperatura jest tak dobrana, że niektóre składniki mieszanki proszkowej przechodzą w stan ciekły. Przebieg procesu jest uzależniony od stopnia zwilżania fazy stałej przez składnik ciekły. Przy dobrej zwilżalności wskutek zjawisk kapilarnych zachodzi łatwa penetracja ciekłego składnika pomiędzy cząstki fazy stałej i zbliżanie ich do siebie. Odwrotnie, przy braku zwilżalności cząstki te oddalają się od siebie. W początkowym stadium spiekania następuje więc przegrupowanie cząstek fazy stałej. W dalszej kolejności zachodzi transport masy poprzez fazę ciekłą w wyniku zjawisk rozpuszczania fazy stałej w ciekłym składniku oraz osadzania z fazy ciekłej. Ostatni etap stanowi spiekanie w fazie stałej połączonych cząstek proszku (tzw. szkieletu). Udział fazy ciekłej powoduje intensyfikację procesu spiekania prowadząc do zanikania porów i wzrostu gęstości w większym stopniu, niż podczas spiekania w fazie stałej, zwłaszcza przy dobrej zwilżalności oraz rozpuszczalności fazy stałej w fazie ciekłej, której ilość powinna wynosić co najmniej 5 % (objętościowo).

Spiekanie z udziałem zanikającej fazy ciekłej ma miejsce, gdy składniki mieszanki proszkowej tworzą roztwory w stanie stałym (np. Fe - Cu, Fe - P, Cu - Sn). Zachodzi wtedy dyfuzja składnika ciekłego do fazy stałej.

Podczas spiekania wymiary wypraski ulegają pewnym zmianom. Spiekanie z udziałem fazy ciekłej przy dobrej zwilżalności wywołuje zmniejszenie wymiarów wypraski (skurcz). Jeżeli natomiast dyfuzja składnika ciekłego do fazy stałej powoduje tworzenie roztworu substytucyjnego, to wymiary wypraski powiększają się (zachodzi tzw. spęcznienie). Ostateczne zmiany wymiarowe wyprasek są wynikiem tych dwóch przeciwstawnych zjawisk [3,6].

W warunkach przemysłowych spiekanie przeprowadza się zwykle w piecach elektrycznych (oporowych lub indukcyjnych) albo gazowych do pracy ciągłej, gdzie wypraski przemieszczają się przez wszystkie strefy pieca na ruchomej taśmie. Atmosferę stanowi wodór lub zdysocjowany amoniak, względnie mieszaniny wodoru, tlenków węgla, metanu i azotu. Stosuje się również oczyszczone gazy obojętne (N₂, Ar, He) lub próżnię (w piecach indukcyjnych o działaniu przerywanym).

Czas spiekania wynosi zwykle od 1 do 2 godzin.

1. Połączenie formowania ze spiekaniem

Połączenie operacji formowania (prasowania w matrycy zamkniętej) ze spiekaniem znajduje zastosowanie do wytwarzania wyrobów o niskiej porowatosci i wysokiej wytrzymałości z proszków metali trudnotopliwych i ceramicznych. Procesy spiekania przebiegają intensywnie pod ciśnieniem, a ponadto podwyższona temperatura pozwala na obniżenie nacisku prasowania. Ewentualne stosowanie atmosfer ochronnych zapobiega utlenianiu proszków. Odpowiednie schematy prasowania pod ciśnieniem pokazano na rys. XI/15.

1. Efektywność techniczno - ekonomiczna technologii spiekowej i wytwarzane wyroby

Technologia spiekowa odznacza się niską materiałochłonnością i wysoką wydajnością, co stwarza możliwości licznych zastosowań w technologii maszyn, zwłaszcza w produkcji wielkoseryjnej i masowej. Rozważając konkurencyjność technologii spiekowej względem technik wytwarzania dających również małe straty materiału (np. obróbki plastycznej litych materiałów lub odlewnictwa), należy wziąć pod uwagę stosunkowo wysoką cenę materiału rozdrobnionego. Powstaje pytanie, w jakim celu produkuje się drogie materiały proszkowe, a następnie dokłada wszelkich starań, aby niejako z powrotem uzyskać materiał lity (lub o gęstości zbliżonej do materiału litego). O możliwości efektywnego stosowania technologii spiekowej decydują odmienne kryteria technologiczności wyrobów niż w alternatywnych technologiach. Jako przykład można rozważyć część o stosunkowo małej smukłości i małych tolerancjach wymiarowych, posiadającą jeden lub kilka stopni wysokości oraz otwory o osiach równoległych i zróżnicowanych średnicach, położone blisko siebie. Ten typ wyrobu stwarza duże trudności podczas kształtowania plastycznego (np. przez kucie na zimno lub wykrawanie dokładne, gdy brak jest możliwości wykonania otworów lub występują odpady). Natomiast w technologii spiekowej odpowiedni proces kształtowania jest bardzo prosty, a straty materiału mogą nie występować wcale; jedynym problemem jest zapewnienie wymaganych własności wytrzymałościowych - poprzez dobór składu chemicznego mieszanki proszkowe i zastosowanie efektywnego procesu spiekania. Prasy specjalne do proszków i drogie prasowniki mogą być stosowane w produkcji wielkoseryjnej i masowej, podobnie jak np. automaty kuźnicze czy prasy i wykrojniki do dokładnego wykrawania. Istnieje więc pewna klasa części maszyn, dla których rachunek ekonomiczny wskazuje na opłacalność technologii spiekowej, głównie w wyniku oszczędności materiału.

Wyroby otrzymywane metodami metalurgii proszków można podzielić na następujące grupy:

• części maszyn przenoszące obciążenia (statyczne lub dynamiczne), dla których wymagane są wysokie własności wytrzymałościowe - do zastosowania w przemyśle maszynowym i motoryzacyjnym,

• części o niewielkich gabarytach, nie przenoszące dużych obciążeń (wykorzystywane w sprzęcie gospodarstwa domowego, maszynach biurowych, sprzęcie turystycznym itp.),

• porowate elementy filtrujące,

• materiały (okładziny) cierne,

• elementy łożysk samosmarujących,

• części spiekane o specjalnych własnościach (np. elektrycznych i magnetycznych),

• materiały kompozytowe.

W przypadku części maszyn przenoszących wysokie lub niskie obciążenia technologia spiekowa ma charakter konkurencyjny względem innych technik wytwarzania i przy spełnieniu wymagań technicznych (odnośnie własności wytrzymałościowych, chropowatości powierzchni i dokładności wymiarowo - kształtowej) może być stosowana w produkcji pewnej klasy części. Dla pozostałych grup wyrobów, w wielu przypadkach, występuje bezkonkurencyjność - co oznacza, że technologia spiekowa stanowi jedyną możliwą do zastosowania technikę wytwarzania. W ramach technologii spiekowa możliwe jest bowiem:

• wytwarzanie elementów o porowatości kontrolowanej (np. poprzez odpowiedni dobór kształtu i wymiarów cząstek proszku oraz nacisku prasowania kształtek w matrycach zamkniętych) - elementy porowate stosuje się w budowie filtrów oraz jako porowate panewki łożysk ślizgowych samosmarujących (po nasyceniu panewki olejem łożysko nie wymaga smarowania),

• łączenie ze sobą materiałów metalowych i niemetalowych - dodatki niemetalowe (np. grafit, dwusiarczek molibdenu) spełniają rolę smarującą w bezporowatych panewkach łożysk samosmarujących; inne dodatki (kwarcyt, korund) zwiększają współczynnik tarcia materiałów ciernych; materiały metalowo - grafitowe są stosowane na szczotki kolektorowe maszyn elektrycznych,

• tworzenie tzw. pseudostopów z metali nie wykazujących wzajemnej rozpuszczalności w stanie stałym i ciekłym (przez co nie mogą być odlewane), np. W - Cu, W - Ag (materiały na styki elektryczne),

• wytwarzanie materiałów kompozytowych (np. przez powlekanie cząstek proszku izolacyjną warstewką materiału dielektrycznego),

• wytwarzanie materiałów magnetycznych anizotropowych poprzez prasowanie na mokro w polu magnetycznym, orientującym cząstki proszku.

6. Podstawy teorii plastyczności i lepkoplastyczności dla materiałów ścisliwych

1. Związki opisujące plastyczne płynięcie ściśliwych materiałów sztywno - plastycznych

Przedstawiony niżej opis materiału o strukturze porowatej - traktowanego jako sztywno - plastyczny ściśliwy ośrodek ciągły - uwzględnia następujące założenia:

ośrodek składa się z osnowy i trójwymiarowych pustek, które nie zawierają żadnego materiału,

ośrodek jest zdolny do trwałych odkształceń objętościowych i postaciowych,

osnowę stanowi materiał nieściśliwy, więc odkształcenia objętościowe wynikają wyłącznie ze zmiany objętości pustek,

podczas odkształcania nie tworzą się nowe pustki.

Dodatkowo przyjmuje się założenie o izotropii, co oznacza, że pustki mają kształt zbliżony do kulistego i podczas odkształcania zmieniają swoje wymiary izotropowo.

Gęstość ρ, porowatość , gęstość względną ρ* ośrodka i gęstość osnowy ρ_L definiuje się następująco:

(XI.9)

gdzie: M - masa zawarta w objętości V otoczenia rozpatrywanego punktu, V_p - suma objętości pustek w objętości V, δV - elementarna objętość, utożsamiana z cząstką ośrodka ciągłego, p_i, ρ_i - udziały (masowe) i gęstości poszczególnych składników stopowych osnowy. Równanie ciągłości ma postać:

(XI.10)

gdzie: e_kk - pierwszy niezmiennik tensora prędkości odkształcenia, v - wektor prędkości płynięcia. Związek (XI.10) zastępuje warunek nieściśliwości e_kk = 0, stosowany w klasycznej teorii plastyczności. Symetryczne tensory naprężenia σ_ij i prędkości odkształcenia e_ij powstają w wyniku uśrednienia rzeczywistych wartości występujacych w materiale osnowy po elementarnej objętości δV.

Uplastycznienie ściśliwego ośrodka jest możliwe przy dowolnym stanie naprężenia. Wynika z tego, że powierzchnia plastyczności f(σ_ij) = 0 w przestrzeni naprężeń powinna być zamknięta. Ponadto jej wymiary winny zależeć od aktualnej porowatości, a w przypadku uwzględnienia wzmocnienia - również od odkształceń. Zaproponowano szereg różnorodnych sformułowń kryteriów uplastycznienia dla materiałów porowatych i rozdrobnionych, a ich omówienie i dyskusję można znaleźć m. in. w [7]. W dalszym ciągu przyjmiemy, że obowiązuje następująca postać warunku plastyczności:

(XI.11)

gdzie:
- drugi niezmiennik dewiatora naprężenia S_ij, J₁ - pierwszy niezmiennik tensora naprężenia:

(XI.12)

 = ( i  = ( są funkcjami porowatości, σ_p oznacza naprężenie uplastyczniające osnowy zależne (przy wzmocnieniu izotropowym) od parametru wzmocnienia (odkształcenia zasępczego) , czyli funkcja σ_p() opisuje krzywą wzmocnienia materiału osnowy. Równanie (XI.11) przedstawia w przestrzeni naprężeń głównych (σ₁, σ₂, σ₃) obrotową elipsoidę, dla której oś symetrii jest równo nachylona do osi σ₁, σ₂ i σ₃.

Warunek typu (XI.11) wynika z hipotezy Beltramiego (całkowitej energii odkształceń sprężystych), przy czym teoretyczne oszacowania funkcji porowatości można wyrazić jak następuje:

(XI.13)

Warunek plastyczności (XI.11) można także przedstawić w postaci:

(XI.14)

gdzie:

(XI.15)

Równanie (XI.14) przedstawia we współrzędnych
elipsę o półosiach a i b ze środkiem w początku układu. Spełnienie warunków:

(XI.16)

zapewnia (przy przejściu do materiału litego) otrzymanie zamiast (XI.11) - warunku plastyczności Hubera - Misesa. Graficzny obraz warunku plastyczności typu (XI.11) przedstawiono schematycznie na rys. XI/16. Poszczególne elipsy (od najmniejszej do największej) odpowiadają kolejno porowatościom 0,4, 0,3, 0,2 i 0,1 (przy funkcjach porowatości (XI.13)). Dwie proste równoległe przedstawiają warunek Hubera - Misesa. Jak widać, zmiany powierzchni plastyczności wywołane zmianami porowatości nie mają charakteru izotropowego. Symetria względem osi pionowej oznacza, że znak J₁ jest nieistotny, czyli materiał ma te same własności przy rozciąganiu i ściskaniu. Założenie to można uznać za poprawne dla spieków, które nie zawierają w swej strukturze defektów dwuwymiarowych (szczelin), natomiast z pewnością nie jest spełnione dla proszków. Trudność tę można ominąć, wprowadzając (dla proszków) do (XI.11) zmodyfikowaną funkcję  (zależną od znaku J₁) lub ograniczając się do przypadków, gdy J₁ < 0. Można także dla ośrodków sypkich stosować inne warunki plastyczności, znane z mechaniki gruntów.

Okazuje się, że teoretyczne oszacowania funkcji porowatości nie zawsze adekwatnie opisują uplastycznienie rzeczywistych materiałów ściśliwych. W związku z tym w [7] wyrażono pogląd, że funkcje te należy traktować jako funkcje materiałowe i identyfikować doświadczalnie.

Przyjmując, że powierzchnia plastyczności f(σ_ij) = 0 stanowi potencjał dla prędkości odkształceń, otrzymujemy prawo płynięcia stowarzyszone z warunkiem plastyczności (XI.11):

(XI.17)

gdzie  jest dodatnio określonym mnożnikiem. Obliczając odpowiednie niezmienniki uzyskuje się:

(XI.18)

gdzie e_int jest drugim niezmiennikiem dewiatora prędkości odkształcenia
:

(XI.19)

(ze względu na ściśliwość tensor i dewiator prędkości odkształcenia nie są tożsame, e_kk ≠ 0). Związki (XI.11), (XI.17) i (XI.18) pozwalają na wyrażenie składowych tensora naprężenia przez prędkości odkształceń:

(XI.20)

Odkształcenie zastępcze określimy z warunku:

(XI.21)

gdyż całkowita moc właściwa odkształceń plastycznych W dyssypuje się w objętości materiału osnowy (co wyraża czynnik 1 - ), oraz zgodnie z przyjętym założeniem nie ma strat energii na tworzenie powierzchni swobodnych (nowych pustek). Po wykorzystaniu (XI.18), (XI.20) i (XI.21):

(XI.22)

Ostatecznie prawo płynięcia (XI.20) można zapisać w postaci:

(XI.23)

lub używając składowych tensora przyrostu odkształcenia d_ij:

(XI.24)

gdzie:

(XI.25)

1. Związki konstytutywne dla ściśliwych materiałów sztywno - lepkoplastycznych

Odpowiednikiem (XI.23) dla ścisliwego materiału sztywno - lepkoplastycznego ze wzmocnieniem izotropowym jest wyrażenie:

(XI.26)

gdzie γ s^-1 i δ są współczynnikami opisującymi wrażliwość materiału na prędkość odkształcenia.

Porównując ze sobą (XI.26) i (XI.23) można stwierdzić, że:

(XI.27)

co wyraża przyrost naprężeń dla materiału lepkoplastycznego
względem naprężeń dla materiału plastycznego
. Przechodząc w (XI.26) do granicy przy γ → ∞ otrzymujemy (XI.23).

Równanie (XI.26) wykorzystuje się w analizie procesów kształtowania plastycznego materiałów ściśliwych w warunkach dużych prędkości odkształceń (np. kucia matrycowego na młotach pracujących z dużymi prędkościami).

1. Doświadczalna identyfikacja funkcji materiałowych dla spieków metali

Zaproponowano szereg metod doświadczalnej identyfikacji funkcji - charakterystyk materiałowych (funkcji porowatości i krzywych wzmocnienia osnowy) dla spieków i proszków metali. W większości z nich wykorzystuje się możliwe do realizacji jednorodne (lub zbliżone do jednorodnych) stany naprężenia, jak np: jednoosiowe rozciąganie, swobodne spęczanie, prasowanie w zamkniętęj matrycy (w warunkach zbliżonych do braku tarcia) i inne. Wartości identyfikowanych funkcji wyznacza się z warunku plastyczności i praw płynięcia, wykorzystując pomiary naprężeń, odkształceń i porowatości. Zasadność tego rodzaju procedur, polegających na odtworzeniu powierzchni plastyczności na podstawie szczególnych stanów naprężenia potwierdzają m. in. wyniki badań realizowanych w złożonych stanach naprężenia. Szczegółowe omówienie stosowanych metod i wyników badań oraz własne propozycje i uzyskane rezultaty można znaleźć w [2,7]. W dalszym ciągu przedstawimy przykładowe zależności, które są wykorzystywane przy doświadczalnej identyfikacji funkcji - charakterystyk materiałowych spieków metali.

W przypadku jednoosiowych stanów naprężenia (próbki walcowe) obowiązują związki:

(XI.28)

gdzie r, z,
- współrzędne walcowe. Na podstawie (XI.23) i (XI.28) współczynnik odkształcenia poprzecznego wyraża się przez funkcję jak następuje:

(XI.29)

Z (XI.11) i (XI.28) wynika:

(XI.30)

gdzie znak "+" dotyczy rozciągania, a znak "-" - ściskania. Związek powyższy można wykorzystać do oceny naprężenia uplastyczniającego porowatego spieku
, gdyż w stanach jednoosiowych
.Parametr wzmocnienia wyznacza się wykorzystując (XI.10), (XI.22), (XI.28) i (XI.29):

(XI.31)

gdzie Θ₀ jest porowatością początkową. Związek pomiędzy bieżąca długością (wysokością) próbki h i porowatością Θ określa się z zależności:

(XI.32)

oraz (XI.10), (XI.28) i (XI.29), co daje:

(XI.33)

Funkcję  można wyznaczyć, badając zależność współczynnika odkształcenia poprzecznego  (analog współczynnika Poissona) od porowatości w próbach jednoosiowego rozciągania lub swobodnego spęczania w warunkach zbliżonych do braku tarcia.

Spęczanie próbek o zróżnicowanych porowatościach początkowych przeprowadza się stopniowo, określając po każdym etapie spęczania odpowiednie przyrosty odkształceń plastycznych i bieżącą porowatość. Otrzymaną doświadczalnie zależność (Θ aproksymuje się funkcją:

(XI.34)

gdzie k jest stałą. Funkcja  na podstawie (XI.29) i (XI.34) wyraża się wzorem:

(XI.35)

Wykładnik k można też określić badając zależność porowatości Θ od odkształcenia _zz. Wykorzystując (XI.33) i (XI.35) otrzymujemy:

(XI.36)

Obliczenie całki (XI.36) i wykonanie odpowiednich przekształceń daje poszukiwaną zależność Θ(_zz):

(XI.37)

gdzie
. Wykładnik k dobiera się minimalizując sumę kwadratów różnic pomiędzy wartościami porowatości zmierzonymi dla poszczagólnych stopni odkształcenia i obliczonymi z (XI.37).

Po wyznaczeniu funkcji , funkcję  można określić na podstawie (XI.30), zakładając np., że:

(XI.38)

Jeżeli przyjmiemy potęgową postać krzywej wzmocnienia osnowy, to otrzymujemy równania:

(XI.39)

(XI.40)

Na podstawie wyników pomiarów naprężeń rzeczywistych
budujemy krzywą wzmocnienia osnowy korzystając ze związków (XI.31) i (XI.39) przyjmując wstępnie dowolną wartość wykładnika b oraz wyznaczamy stałe C i n metodą najmniejszych kwadratów. Następnie obliczamy wartości naprężeń
z (XI.40). Procedurę tę powtarzamy, próbując kolejnych wartości b, aż do uzyskania minimalnej sumy kwadratów odchyleń:

(XI.41)

Inny sposób polega na wyznaczeniu doświadczalnej zależności umownej granicy plstyczności spieku
od jego porowatości. W początkowym etapie plastycznego płynięcia obowiązuje przybliżony związek:

(XI.42)

Do wyznaczenia liczbowych wartości funkcji  niezbędna jest znajomość funkcji  oraz granicy plastyczności osnowy
, którą można zbadać na próbkach o gęstości bliskiej gęstości litego materiału (np. otrzymywanych przez kilkakrotne prasowanie w zamkniętej matrycy i spiekanie), lub przyjąć szacunkowo jak dla litego materiału o tym samym składzie chemicznym co osnowa spieku. Jeżeli zależność
aproksymuje się funkcją:

(XI.43)

to stałą C₁ można traktować jako ekstrapolowaną wartość
, a więc:

(XI.44)

Przykładowe funkcje charakteryzujące wybrane spieki z proszków metali podano w tab. XI/5 i na rys. XI/17. Funkcje te są niezbędne w modelowaniu matematycznym procesów obróbki plastycznej materiałów spiekanych z proszków metali oraz mogą być wykorzystane do przewidywania własności spieków.

2. Wpływ porowatości i wzmocnienia osnowy na własności spieków metali

Własności materiałów spiekanych są uzależnione od porowatości, składu chemicznego, struktury i stopnia wzmocnienia osnowy oraz morfologii pustek. Propozycje jednolitego opisu wpływu porowatości na różnorodne własności spieków opierają się na dwóch alternatywnych założeniach.

Z1. Względny przyrost własności jest proporcjonalny do przyrostu porowatości (ze znakiem ujemnym).

Z2. Względny przyrost własności jest proporcjonalny do względnego przyrostu gęstości.

Założenia powyższe prowadzą do następujących zależności w formie różniczkowej:

, (XI.45)

lub:

. (XI.46)

Całkując powyższe związki przy warunkach początkowych: dla Θ = 0 lub ρ = ρ_L: W = W_L otrzymujemy odpowiednio:

(XI.47)

gdzie: m₁, m₂ - stałe współczynniki (dodatnie lub równe zero); W i W_L - miary pewnej własności odpowiednio dla spieku i materiału litego tworzącego osnowę. Powyższe zależności obowiązują przy ustalonej wartości W_L, co oznacza, że własności osnowy są niezależne od aktualnej porowatości. Ma to miejsce, gdy np. porównujemy materiały o różnych porowatościach po spiekaniu. Inna sytuacja zachodzi, gdy równocześnie ze zmianą porowatości występuje zmiana własności osnowy (np. wzmocnienie podczas kształtowania plastycznego na zimno).

Tabela XI/5. Funkcje materiałowe dla wybranych spieków z proszków metali [2]
Lp	Materiał	k	m	n	C [MPa]	M	C1 [MPa]
1	Distalloy AB	1,77	5,38	0,148	860	3,18	346
2	Distalloy AE	1,75	5,24	0,106	921	3,09	438
3	Distalloy SA	1,98	5,77	0,141	953	3,47	388
4	SC 100.26	1,92	5,41	0,259	661	2,66	127
5	ASC 100.29	1,85	5,20	0,237	578	3,39	196
6	NC 100.24	1,85	4,81	0,261	667	2,18	124
7	Astalloy Mo	1,86	5,22	0,237	716	3,30	230
8	Distalloy Cu	2,07	4,85	0,109	645	2,24	266
9	PNC - 60	1,94	5,26	0,201	1173	2,59	412

Związki (XI.47) dobrze opisują własności rzeczywistych spieków i są wykorzystywane do aproksymacji wyników badań doświadczalnych.

W dalszym ciągu przyjmiemy, że obowiązuje druga z zależności (XI.47). Dla szeregu własności wytrzymałościowych i plastycznych wykładniki m₂ zwykle mieszczą się w granicach 2 - 6. Dla umownej granicy plastyczności spieków m₂ ≈3, dla modułu Younga m₂ ≈ 4, a dla współczynnika Poissona m₂ ≈ 2 (por. wartości M i k z tabl. XI.5). Oznacza to, że wzrost porowatości wywołuje szybki spadek własności wytrzymałościowych. Przykładowo, jeżeli porowatość spieku wynosi 0,1 czyli 10 % udziału objętościowego pustek (typowa wartość uzyskiwana po prasowaniu proszku w matrycach zamkniętych i następnym spiekaniu), to jego granica plastyczności wynosi zaledwie około 0,9³ = 0,73 (73 %) granicy plastyczności litego materiału, moduł Younga - 0,9⁴ = 0,39 (39 %). Widać więc, jak ważną sprawą jest otrzymywanie wysokich gęstości wyrobów spiekanych przeznaczonych na części maszyn, pracujące przy dużych obciążeniach.

3. Obróbka plastyczna materiałów spiekanych

Jedną z metod podwyższania wytrzymałości wyrobów spiekanych oprócz zastosowania odpowiedniego składu chemicznego mieszanki proszkowej i efektywnych metod spiekania (np. z udziałem fazy ciekłej) prowadzących do uzyskania wysokich gęstości jest wykorzystanie procesów obróbki plastycznej. Przy odpowiednim doborze rodzaju i warunków procesu kształtowania plastycznego na zimno spiekanych wstępniaków można optymalnie wykorzystać trzy połączone efekty:

• kształtowania,

• podwyższenia gęstości,

• wzmocnienia.

Nie wszystkie procesy obróbki plastycznej mogą być efektywnie zastosowane do spieków. Z analizy związków (XI.10) i (XI.18) ( i  są dodatnie) wynika, że spadek porowatości (wzrost gęstości) występuje tylko przy warunku J₁ < 0. W przeciwnym przypadku wymiary pustek ulegają zwiększeniu, co prowadzi do niekorzystnego spadku gęstości i może wywołać utratę spójności. Wyklucza to procesy ze znacznym udziałem naprężeń rozciągających. Największe znaczenie w obróbce plastrycznej spieków mają procesy: kucia w matrycach zamkniętych, wyciskania, prasowania obwiedniowego (na prasach z wahającą matrycą), prasowania izostatycznego i walcowania wzdłużnego. W celu wzmocnienia, podwyższenia gęstości warstwy wierzchniej i uzyskania wysokiej gładkości powierzchni stosuje się różne odmiany nagniatania.

Otrzymanie wysokiej dokładności wymiarowo - kształtowej wyrobów spiekanych wymaga niekiedy operacji kalibrowania. Kalibrowanie przeprowadza się metodą prasowania w matrycach zamkniętych, wprowadzając niewielkie odkształcenia plastyczne. W efekcie eliminuje się nieuniknione rozrzuty wymiarowe wyprasek po spiekaniu, otrzymując dokładne i powtarzalne wymiary produkowanych wyrobów oraz wysoką gładkość powierzchni. Do kalibrowania wykorzystuje się automatyczne prasy mechaniczne podwójnego i wielokrotnego działania zwykle ze współbieżnym ruchem matrycy oraz odpowiednie prasowniki. Kalibrowaniu podlegają wymiary poszczególnych stopni wysokości wyprasek oraz wymiary w kierunkach prostopadłych do kierunku prasowania.

Dla porównania wpływu różnorodnych stanów naprężenia i odkształcenia na porowatość i wzmocnienie osnowy spieków kształtowanych plastycznie - a zatem na ich własności - rozpatrzymy w dalszym ciągu kilka prostych przykładów Porównamy ze sobą procesy: jednoosiowego rozciągania i ściskania, prasowania w zamkniętej matrycy i prasowania w płaskim stanie odkształcenia przy założeniu jednorodnego stanu naprężenia. Przyjmiemy ustalone wartości: porowatości początkowej (₀ = 0,2) i odkształcenia końcowego w kierunku działania siły
Dla jednoosiowego rozciągania i ściskania wykorzystamy wzory (XI.30) i (XI.31) oraz odpowiednio [7]:

- dla prasowania w zamkniętej matrycy:

(XI.48)

- dla płaskiego stanu odkształcenia:

(XI.49)

Obliczenia przeprowadza się całkując numerycznie związki (XI.31), (XI.33), (XI.48) i (XI.49) przy różnych wartościach _k. Pozwala to na określenie porowatości _k, dla której odkształcenie przyjmuje założoną wartość
oraz wyznaczenie odpowiedniej wartości ∈. Naprężenia uplastyczniające dla osnowy (σ_p) i spieku (
) oblicza się z (XI.39) i (XI.43). Wyniki obliczeń dla konkretnego spieku z proszku Distalloy AB produkcji firmy Hgans S.A. (warunki spiekania: t = 1145 [^oC], atmosfera: wodór, czas spiekania: 1 godz.) przedstawiono na rys. XI/17 i w tab. XI/6. Odpowiednie funkcje materiałowe przyjęto jak w tab. XI/5.

Przy równomiernym trójosiowym ściskaniu (stan hydrostatyczny, prasowanie izostatyczne) obowiązują związki [7]:

(XI.50)

gdzie _i (i = 1, 2, 3) - odkształcenia główne, p - ciśnienie hydrostatyczne. Zakładając jak poprzednio ₀ = 0,2 i przeprowadzając odpowiednie obliczenia uzyskuje się wyniki przedstawione na rys. XI/18. Przykładowo, odkształcenia _i = - 0,067 dają porowatość końcową _k = 0,022 oraz ∈ = 0,719, σ_p = 819 [MPa],
= 767 [MPa]. Wymaga to jednak ogromnego ciśnienia p = 2252 [MPa]. Przedstawione powyżej przykłady pozwalają na ocenę efektywności różnorodnych procesów w zastosowaniu do podwyższania gęstości i wzmocnienia odkształceniowego spieków metali.

Tabela XI/6. Wyniki obliczeń
Wartości ustalone: , 0 = 0,2
Proces	k	∈	σp [MPa]	[MPa]
Jednoosiowe rozciąganie	0,258	0,124	631	263
Jednoosiowe ściskanie	0,152	0,211	642	394
Prasowanie w zamkniętej matrycy	0,022	0,265	707	661
Płaski stan odkształcenia	0,128	0,155	653	435

7. Literatura

1. A. Cyunczyk: Techniki wytwarzania. Technologia spieków. Politechnika Rzeszowska, Rzeszów 1979

2. H. Kiełkucki, S. Okoński, Z. Polański: Charakterystyki materiałowe kształtowanych plastycznie spieków metali. Projekt KBN nr 7 T 08 D 00910/1966, Politechnika Krakowska 1998

3. W. Missol: Spiekane części maszyn. Wyd. Śląsk, Katowice 1978

4. R. Moszumański, S. Okoński, Z. Polański, Z. Woźny: Hydrauliczna prasa pulsacyjna do kształtowania wyrobów z proszków. Patent UP PRL nr 131043, 1986

5. R. Moszumański, S. Okoński, Z. Polański: Mechaniczna prasa pulsacyjna do kształtowania wyrobów z proszków. Wzór użytkowy UP PRL nr 39961, 1986

6. J. Nowacki: Spieki metali w budowie maszyn. Wyd. Politechnika Łodzka, Łódź 1997

7. S. Okoński: Podstawy plastycznego kształtowania materiałów spiekanych z proszków metali. Politechnika Krakowska, 1993

8. P. Perzyna: Teoria lepkoplastyczności. PWN, Warszawa 1966

9. W. Rutkowski: Projektowanie właściwości wyrobów spiekanych z proszków i włókien. PWN, Warszawa 1977

8. Spis norm

1. PN-75/H-04930

2. PN-77/H-04950

3. PN-82/H-04954

4. PN-82/H-04935

Pojęcie powierzchni plastyczności podano w opisie ćwicz. I (p.6.2.1, rys. I/2).

Dodatkowe założenia i wyprowadzenie związku (XI.26) podano w [7].

d

h

a

d

h

Rys. XI/1. Schemat pro-cesu prasowania proszku w matrycy zamkniętej: a) prasowanie jednostronne, b) prasowanie w pływa-jącej matrycy: 1 - stempel górny, 2 - matryca, 3 - stempel dolny (korek), 4 - sprężyna, 5 - kształ-towana wypraska

P

5

4

3

2

1

b)

a)

d

h_w

h_i

h₂

h₁

---