Formowanie materiałów

Formowanie materiałów

• W procesie projektowania należy uwzględnić różnorodności procesów wytwarzania wyrobów oraz to, że własności materiałów są uzależnione w dużym stopniu od zastosowanego procesu kształtowania i warunków, w jakich przebiegało formowanie wyrobu. Wybór procesu formowania zależy od własności kształtowanego materiału, wymaganego kształtu wyrobu , a także żądanej dokładności wymiarowej.

Wytwarzanie wyrobów metalowych

Procesy wytwarzania wyrobów z metali można podzielić na cztery grupy:

• odlewanie (wlanie ciekłego metalu do formy),• odkształcenie plastyczne,• metalurgię proszków (żądane kształty

uzyskuje się przez zagęszczenie proszku i spiekanie),

• obróbkę skrawaniem (toczenie, struganie, frezowanie, wiercenie, szlifowanie).

Wytwarzanie wyrobów metalowych

• Prawie wszystkie metale są otrzymywane w stanie ciekłym, a potem odlewa się je do form, aby uzyskać odlewy albo wlewków o prostych kształtach. W następnej kolejności wlewki są obrabiane plastycznie najczęściej przez walcowanie lub kucie. Wyrobom metalowym wytwarzanym z blachy końcowe kształty nadaje się przez obróbkę plastyczną, to jest tłocznie, gięcie, wyoblanie lub obciąganie, a wyrobom zwartym- przez obróbkę skrawaniem.

Odlewanie wyrobów metalowych

• Odlewanie ciekłego materiału do form jest wygodną metodą wytwarzania wielu elementów. Nierzadko ze względu na kształt i wielkość wymaganego elementu odlewanie staje się jedyna metodą wytwarzania. Wadą tej metody są gorsze własności, ponieważ odlewy mają pustki, gruboziarnistą strukturę oraz naprężenia wewnętrzne.

Odlewanie wyrobów metalowych

Wyróżnia się następujące rodzaje odlewania:

• odlewanie w formach piaskowych,

• odlewanie w formach metalowych,

• odlewanie w formach uzyskanych technologią wytapianych modeli (traconego wosku),

• odlewanie odśrodkowe.

Odlewanie wyrobów metalowych

• Odlewy o prostych kształtach otrzymuje się w formach piaskowych lub metalowych, a te o kształtach złożonych- w formach otrzymywanych metoda traconego wosku. Wyroby otrzymywane przez odlewanie należy projektować tak, aby wypełnienie formy przez ciekły metal zachodziło łatwo i żeby krzepnięcie metalu w formie nie doprowadziło do pozostania cieczy we wnętrzu zakrzepłego metalu, staje się to przyczyną powstawania pustek skurczowych w odlewnie.

Obróbka plastyczna metali na gorąco

• Otrzymane przez odlewanie wlewki przerabia się przez walcowanie, kucie lub wyciskanie. Wlewki przed obróbką nagrzewa się do 100-200°C poniżej temperatury topnienia, w celu zwiększenia plastyczności, zmniejszenia naprężeń koniecznych do uzyskania odkształcenia i zwiększenia szybkości dyfuzji.

Rys. 1 Wpływ temperatury na kształt krzywej rozciągania stali niestopowej

Walcowanie metali• W czasie walcowania zachodzi wciąganie

materiału obrabianego plastycznie pomiędzy obracające się w przeciwnych kierunkach walce. Pod wpływem wywieranego przez walce nacisku na umieszczony między nimi materiał zachodzi odkształcenie plastyczne materiału, będące przyczyną jego wydłużenia przy zmniejszeniu wysokości i niewielkiego poszerzenia.

Rys. 2 Walcowanie

Kucie metali

• Kucie wykonuje się na młotach, na których obciążenie jest dynamiczne lub prasach, na których obciążenie jest statyczne. Kształtowanie metalu w czasie kucia odbywa się na kowadłach lub w matrycach – dużych blokach stalowych, w których wykonuje się wykrój w kształcie wyrobu.

Rys. 3 Kucie

Odkształcenie plastyczne na gorąco metali powoduje:

• zagęszczenie materiału i zgrzewanie się pustek oraz porów pod warunkiem, że ich powierzchnie nie są utlenione;

• rozdrobnienie ziaren dzięki zachodzącej podczas odkształcenia rekrystalizacji;

• ujednorodnienie składu chemicznego, gdyż migrujące fronty rekrystalizacji są drogami łatwej dyfuzji, dzięki której następuje zmniejszenie mikrosegregacji;

• tworzenie się uprzywilejowanej orientacji kryptograficznej

Wady obróbki plastycznej na gorąco metali

• Obróbka plastyczna na gorąco ma parę wad, są nimi: mała dokładność wymiarowa, duża chropowatość powierzchni i duże straty materiału spowodowane szybkim utlenianiem się metali w wysokich temperaturach.

Obróbka plastyczna na zimno metali

• W czasie odkształcenia plastycznego na zimno nie zachodzi rekrystalizacja, a co za tym idzie wraz ze wzrostem odkształcenia zwiększa się gęstość defektów struktury krystalicznej , co staje się przyczyną wzrostu wytrzymałości odkształcanego materiału i pogorszenia własności plastycznych. Materiał poddaje się wyżarzeniu rekrystalizacyjnemu, w czasie którego zachodzi tworzenie nowych ziaren o gęstości dyslokacji materiału wyżarzonego.

Obróbka plastyczna na zimno metali

• Często stosowanymi procesami obróbki plastycznej na zimno są walcowanie i ciągnienie. Ten drugi jest wykorzystywany do produkcji drutu i rur. Metale miękkie kształtuje się na zimno przez wyciskanie. Kształtu o rozwiniętych powierzchniach otrzymuje się z blachy przez tłoczenie, gięcie, wyoblanie i obciąganie.

Rys. 4 Podstawowe procesy kształtowania wyrobów z blachy:

a) tłoczenie, b) gięcie, c) wyoblanie, d) obciąganie

Obróbka plastyczna na zimno metali

• Po skończeniu odkształcenia plastycznego na zimno materiał poddawany jest wyżarzaniu, aby otrzymać drobne i jednorodne ziarna. W materiałach, w których struktura krystaliczna osnowy jest stabilna począwszy od temperatury otoczenia aż do temperatury solidusu, ziarno rozdrabnia się poprzez krystalizację. W tej sytuacji materiał trzeba podgrzać jedynie niewiele powyżej temperatury rekrystalizacji, żeby po jej zajściu nie nastąpił za wysoki rozrost ziaren.

Metalurgia proszków

• W technice pozyskiwania materiał w postaci drobnego proszku jest zagęszczany z równoczesnym nadawaniem kształtu podobnego do kształtu gotowego wyrobu, a potem spiekany w celu uzyskania zwartego i mocnego produktu. Plusem metalurgii proszków są niewielkie starty materiału i duża dokładność wymiarowa pozwalająca na ograniczenie czasochłonnej obróbki wykańczającej.

Metalurgia proszków• Zagęszczenie proszków zachodzi przez

prasowanie na zimno lub na gorąco, przy czym może być ono jednoosiowe lub izostatyczne. W czasie zagęszczania izostatycznego proszek umieszcza się w gumowym pojemniku, a ciśnienie wywierane jest przez ciecz. Potem wypraski (kształtki) są spiekane, aby pozyskać żądaną mikrostrukturę i własności.

Rys. 5 Zagęszczenie proszków przez prasowanie jednoosiowe: a) zasypanie proszków do matrycy, b) nadawanie kształtu (prasowanie), c) wypchnięcie wypraski z matrycy

Metalurgia proszków• Dyfuzja atomów po powierzchni cząstek

proszku do punktów, w których cząstki się stykają, staje się przyczyną powstawania mostków między cząstkami. Potem dzięki dyfuzji po powierzchniach cząstek i powstałych granicach między cząstkami następuje kurczenie się porów, ich zaokrąglenie i wzrost gęstości wyrobu. Niewielkie gabaryty cząstek i wysoka temperatura spiekania są przyczyną przyspieszenia kurczenia się porów.

Metalurgia proszków• Wyroby wytwarzane przez prasowanie a

potem spiekanie mają pory powodujące, że ich wytrzymałość na rozciąganie jest niewielka, można to w znacznym stopniu zmienić przez zastosowanie jednoczesnego prasowania i spiekania. W czasie spiekania proszek jest ściskany w formie lub w komorze wysokociśnieniowej gazem pod wysokim ciśnieniem. W procesie prasowania izostatycznego proszek znajduje się w zamkniętym pojemniku. Taki pojemnik wkłada się do komory wysokociśnieniowej.

Metalurgia proszków

Rys. 6 Wysokotemperaturowe prasownie izostatyczne. Proszek w osnowie stalowej jest podczas spiekania ściskany przez gaz pod wysokim ciśnieniem

Obróbka skrawaniem metali

• Duża ilość elementów konstrukcyjnych podczas nadawania im ostatecznych kształtów jest obrabiana skrawaniem przez toczenie, wiercenie, frezowanie, struganie lub szlifowanie. Obróbka skrawaniem jest kosztowna, przez nią traci się materiał, energię i czas, dlatego powinno się ją ograniczać.

Formowanie ceramik• Wysoka temperatura topnienia ceramik,

ok. 2000°C, powoduje, ze ich odlewanie ze stanu ciekłego jest ciężkim zadaniem, a niewielka plastyczność eliminuje ich kształtowanie przez obróbkę plastyczną. Dlatego też wyroby ceramiczne produkuje się głównie z proszków, a wiodące metody formowania ceramik to: zagęszczanie proszku przez prasowanie do otrzymania zadanego kształtu i spiekanie uzyskanej kształtki w sposób analogiczny do spiekania wyrobów metalowych wytwarzanych metalurgią proszków lub odlewanie z gęstwy.

Formowanie ceramik przez prasowanie i spiekanie

• Aby otrzymać wypraski o wytrzymałości pozwalającej na jej transport proszek ceramiczny miesza się z niewielką ilością materiału wiążącego. Proszek po zmieszaniu ze środkiem wiążącym formuje się przez prasowanie w celu zagęszczenia i uzyskania przez wypraskę wytrzymałości niezbędnej w czasie transportu i spiekania. Potem wypraski spieka się, aby otrzymać odpowiednią mikrostrukturę i własności.

Formowanie ceramik przez prasowanie i spiekanie

• Aby otrzymać wyrób bez porów wystarczy zawartość 1% fazy ciekłej podczas spiekania, która w czasie chłodzenia przechodzi w fazę szklistą. Obecność fazy szklistej w ceramice staje się przyczyną znacznego zmniejszenia wysokotemperaturowej wytrzymałości i odporności na pełzanie, ponieważ w czasie wzrostu temperatury zachodzi jej szybkie mięknięcie.

Odlewy z gęstwy• Gęstwę wlewa się do porowatej formy. Ciecz z

gęstwy wlanej do formy odprowadza się poprzez porowate ścianki formy, na której osadzają się będące w gęstwie cząstki materiału ceramicznego, wytwarzając warstwę ciała stałego, będącą negatywem formy. Po uzyskaniu przez ścianki odlewu danej grubości nadmiar zawiesiny wylewa się z formy. Metodę tą wykorzystuje się do wytwarzania elementów o skomplikowanych kształtach.

Rys. 7 Formowanie ceramik przez odlewanie z gęstwy

Formowanie polimerów

• Metoda jaką się obierze do formowania wyrobów jest uzależniona od tego, czy polimer jest termoplastyczny czy termoutwardzalny. Głównymi technikami formowania polimerów termoplastycznych są: formowanie przez wtrysk , wytłaczanie (wyciskanie) i rozdmuchiwanie. Formowanie polimerów przeprowadza się w temperaturach trochę wyższych lub niższych niż temperatury topnienia. Jeżeli chodzi o polimery termoplastyczne odpady można ponownie wykorzystywać, zatem straty są małe.

Formowanie polimerów

• Utwardzenie polimerów termoutwardzalnych w procesie formowania odbywa się dzięki wytwarzaniu się więzi poprzecznych. Wiodącymi metodami formowania polimerów termoutwardzalnych są prasowanie i wytłaczanie do formy. Produkty z elastomerów są formowane podobnie, głównie przez prasowanie z jednoczesnym ogrzewaniem mieszanki elastomeru ze środkiem wulkanizacyjnym.

Formowanie polimeru przez wtrysk

• Metodę tą stosuje się do produkcji wyrobów z polimerów termoutwardzalnych. Konkretną ilość surowca pod postacią granulek dostarcza się z lejka zasypowego do cylindra . Ładunek ten podgrzewa się w komorze grzewczej, gdzie otrzymuje się lepką ciecz. Potem stopiony polimer wtłacza się przez dyszę do zimnej formy, gdzie podczas stygnięcia robi się sztywny, potem wyjmuje się go z formy.Rys. 18 Formowanie polimeru przez wtrysk

Formowanie polimeru przez wyciskanie

• Metoda ta opiera się na wypychaniu przez dyszę lepkiego polimeru termoplastycznego. Ślimak przepycha przez komorę grzewczą materiał pod postacią granulek, tam następuje mieszanie, zagęszczanie i topienie, natomiast w dyszy- formowanie lepkiej cieczy. Twardnienie wyciskanego materiału dokonuje się pod wypływem nadmuchu powietrza lub strumienia wody tuż za dyszą.

Rys. 19 Formowanie polimeru przez wyciskanie

Formowanie polimeru przez wyciskanie

• Metoda ta jest przydatna głównie do wytwarzania długich wyrobów o stałych przekrojach poprzecznych, np. rur i taśm. Cienkie włókna lub folie tworzy się wytłaczając ciekły polimer przez dyszę z ogromną ilością niewielkich otworków lub przez wąskie szczeliny. Ze względu na kształt wyrobu jego chłodzenie i twardnienie po wytłoczeniu następuje bardzo szybko.

Formowanie polimeru przez rozdmuchiwanie

• Materiał wyjściowy do produkcji pojemników (butelek) jest kształtu rury, którą wkłada się w dwukierunkową formę, a potem wdmuchuje się do niej gaz. Wywierane ciśnienie zmusza odwzorowanie powierzchni formy przez ścianki rury.

Rys. 20 Nadawanie kształtu przez rozdmuchiwanie

Formowanie polimeru przez rozdmuchiwanie

• Polimery termoplastyczne formuje się także przez odkształcenie plastyczne, jak i metale. Do formowania wyrobów z arkuszy wykorzystuje się zazwyczaj proces próżniowy. Arkusz mocuje się nad formą, a po nagrzaniu arkusza włącza się układ próżniowy, który eliminując powietrze z wykroju powoduje formowanie wyrobu.

Rys. 2.21 Kształtowanie polimeru za pomocą próżni

Formowanie polimeru przez prasowanie

• Określoną ilość polimeru (lub żywicy) i utwardzacza, dokładnie wymieszaną z dodatkami umieszcza się w formie między jej górną a dolną częścią. Obie części formy podgrzewa się. Dzięki ciśnieniu podgrzany polimer płynie, wypełniając wykrój w matrycy.

Rys. 2.22 Nadawanie kształtu polimerom termoutwardzalnym przez prasowanie

Wytwarzanie kompozytów

• Ze względu na dużą różnorodność kompozytów i ogromny zakres pełniących przez nie funkcji wykorzystuje się wiele sposobów ich wytwarzania. Proces wytwarzania kompozytów włóknistych obejmuje następujące etapy: produkcja włókien, formowanie (układanie) włókien (otrzymywania wiązek włókien równoległych, tkanin lub mat) i formowania wyrobów.

Wytwarzanie włókien

• Włókna węglowe wytwarza się z substancji organicznych, np. z włókna poliakrylonitrylowego lub z włókna syntetycznej celulozy. W czasie podgrzewania włókna dochodzi do rozkładu substancji organicznej i usunięcia wszystkich pierwiastków poza węglem. Wzrost temperatury podgrzewania w zakresie od 1000 do 3000oC prowadzi do wzrostu modułu Younga i do zmniejszenia wytrzymałości na rozciąganie otrzymywanych włókien.

Wytwarzanie włókien

• Włókna wytworzone przez wygrzewanie w górnym zakresie temperatury obróbki cieplnej cechują się dużym stopniem zgrafityzowania i dlatego są nazywane włóknami grafitowymi, a włókna otrzymywane przez wygrzewanie w dolnym zakresie obróbki cieplnej- włóknami węglowymi.

Wytwarzanie włókien

• Na włókna nanosi się nierzadko pokrycie nazywane preparacją. Ma ono za zadanie chronić powierzchnie włókien przed uszkodzeniem, ułatwić przeróbki włókien, zwiększyć adhezję między włóknami i osnową, a także chronić przed wilgocią. W tym celu wykorzystuje się związki chemiczne zawierające dwa różne ugrupowania reaktywne: jedno wiążące się z włóknami, a drugie z osnową.

Układanie włókien

• Włókna wykorzystywane do produkcji kompozytów z osnową polimerową są w postaci mat, tkanin lub rovingu. Maty składają się z nieutkanych włókien ciętych o losowej orientacji, a roving to wiązka równoległych włókien ciętych.

Układanie włókien

• Kolejna faza wytwarzania kompozytów wzmocnionych włóknami to nasycenie ułożonych włókien żywicą polimerową, a uzyskany produkt nazywa się prefabrykatem, żywice są w nich tylko częściowo utwardzone. Całkowite utwardzenie żywicy osnowy zachodzi po uformowaniu wyrobu.

Rys. 24 Proces wytwarzania prefabrykatu

Formowanie wyrobów

• Kompozyty wzmacniane krótkimi włóknami są najczęściej wytwarzane poprzez zmieszanie włókien z cienką lub papkowatą osnową i formowane przez odlewanie- przy osnowie metalowej lub wtrysk- przy osnowie polimerowej.

Formowanie wyrobów

• Elementy długie o stałym przekroju poprzecznym są wytwarzane przez przeciąganie. W tej metodzie wytwarzania roving ciągły przeciąga się przez wannę z upłynnioną żywicą, a potem po zlikwidowaniu nadmiaru żywicy przechodzi przez formę nadającą wstępny kształt. Otrzymana kompozycja przechodzi potem przez tunel , w którym zachodzi nadanie ostatecznego kształtu i utwierdzenie osnowy dzięki tworzącym się wiązkom.

Formowanie wyrobów

• W otrzymanym wyrobie włókna stanowią ok. 50% objętości i są zazwyczaj szklane, węglowe lub aramidowe. Osnową są najczęściej żywice: poliestrowe, epoksydowe lub winyloestrowe.

Rys. 25 Schemat wytwarzania długich elementów o stałym przekroju metodą przeciągania

Sprawdź swoją wiedzę

• http://www.quiz-creator.com/qms/quiz.php?u547804q30799v-591344868