EFECTUL CUPRULUI ŞI A DEFORMĂRII MATERIALELOR SINTERIZATE PE BAZĂ DE FIER

ASUPRA UNOR PROPRIETĂŢI MECANICE

Liviu BRÂNDUŞAN, George ARGHIR, Gabriel BATIN

THE EFFECT OF COPPER AND DEFORMATION ON SOME MECHANICAL PROPERTIES

OF IRON BASED SINTERED MATERIALS

The behaviour of materials to static solicitations and especially to dynamic solicitations is very influenced by the presence of pores in the structure. Their effect on the concentration of stresses is greater the more the pores are situated closer to the surface. It greatly depends on the type of solicitation that material is subjected to. The processing by plastic deformation can have a double effect. On one hand, it can lead to the hardening of the material; on the other hand, it leads to a favourable tension state in rapport with these types of solicitations. Experimental results show that the effect of superficial deformation of sintered materials on the mechanical properties is different according to the type of solicitation and the structure of the material. It has been observed that it has an important positive effect on the hardness, Young modulus and the behaviour to fatigue of sintered materials.

Keywords: plastic deformation, powder metallurgy, material properties Cuvinte cheie: deformare plastic, metalurgia pulberilor, proprietăţi ale

materialelor. 1. Introducere

Calitatea suprafeţei, structura materialului şi starea de tensiuni

de la nivelul acesteia au un rol deosebit de important în ceea ce

475

priveşte proprietăţile mecanice şi fizico-chimice ale materialelor. Influenţa acestor aspecte este mai importantă în cazul materialelor din pulberi metalice sinterizate decât în cazul materialelor clasice compacte. Acest lucru poate fi pus pe seama faptului că materialele sinterizate prezintă o macrostructură complexă caracterizată prin prezenţa unor pori din care unii sunt deschi şi la suprafaţă modificând caracteristicile acesteia. În piesele de rezistenţă aceşti pori prezintă un mare dezavantaj deoarece constituie cele mai importante surse de amorsare şi propagare a fisurilor ce pot sta la baza celor mai importante avarii [1].

Prin deformarea plastică a suprafeţei pieselor se încearcă, pe de o parte închiderea porilor situaţi la suprafaţa sau în vecinătatea suprafeţei materialului şi, pe de altă parte, să se creeze o stare de tensiune favorabilă comportării lui la anumite tipuri de solicitări mecanice.

2. Condiţii experimentale

Pentru stabilirea influenţei deformării plastice superficiale asupra

unor proprietăţi statice şi dinamice s-au realizat probe specifice încercării la tracţiune (care sunt utilizabile şi pentru încercarea la oboseală) din diferite amestecuri de pulbere de fier şi de cupru. Componentul principal este pulberea de fier DWP 200.28, produsă la S.C. DUCTIL S.A.

Probele au fost obţinute după o omogenizare a componentelor timp de 30 minute, într-un omogenizator Turbula şi o presare bilaterală cu 600 MPa. Ele au fost sinterizate la 1120 0C, timp de 30 minute în amoniac disociat. Probele obţinute au fost supuse unei deformări plastice superficiale prin roluire simultană pe ambele suprafeţe, la un număr de 104 cicluri şi o forţă aplicată de 50 kgf, cu ajutorul unui dispozitiv special construit în acest scop (figura 1). Macrostructura materialului după deformarea plastică a acestuia arată asemenea celei prezentate în figura 2.

Din această imagine se poate observa că zona deformată se caracterizează printr-o compactitate mult mai mare şi pori mici uniform distribuiţi în masa materialului, în timp ce zona nedeformată prezintă pori de dimensiuni mari şi uneori aglomeraţi.

După deformarea plastică, acestor materiale li s-a determinat rezistenţa de rupere la tracţiune, alungirea la rupere, modulul de elasticitate, duritatea şi numărul de cicluri suportate până la rupere prin încovoiere plană alternant simetrică.

476

3. Rezultate şi discuţii

Rezultatele obţinute în urma încercării la tracţiune a materialelor

deformate plastic superficial, în comparaţie cu cele nedeformate, sunt prezentate în figurile 3, 4 şi 5.

Din figura 3 se poate constata că atât în cazul materialelor deformate, cât şi a celor nedeformate superficial rezistenţa de rupere la tracţiune se modifică în acelaşi mod, în funcţie de conţinutul de cupru.

Fig. 1 Dispozitivul de rulare (1-placa de bază, 2-suport rolă inferioară, 3-rolă inferioară, 4-proba supusa incercării prin mișcări în dublu sens, 5-rolă

superioară, 6-suport rolă superioară, 7-bucşă, 8-arc etalonat, 9-piuliţă de strângere)

477

La început, rezistenţa de rupere la tracţiune creşte uşor până la 1-1,5 % Cu, valoare care corespunde limitei de solubilitate a acestuia în fier, după care rezistenţa creşte mai pronunţat, datorită formării unor precipitate de cupru aliate cu fier şi chiar a formării fazei lichide la sinterizare, cu implicaţii asupra sferoidizării porilor [2]. La cantităţi mai mari

de 2,5 % Cu rezistenţa scade, probabil datorită prezenţei în cantitate mai mare a cuprului liber şi a formării porilor mari prin difuzia cuprului în

masa pulberii de bază.

Prin deformare plastică rezistenţa de rupere la tracţiune a materialelor studiate scade, datorită faptului că materialul se ecruisează şi se fragilizeză într-o anumită măsură.

Alungirea materialelor (figura 4) obţinute din ames-tecuri de pulbere de fier şi cupru scade continuu, la început

mai pronunţat, iar mai târziu (peste 1,5 % Cu) mai lent. Acest fapt arată că odată cu formarea feritei aliate cu cupru şi apariţia precipitatelor de cupru, plasticitatea materialului scade. De asemenea, la un conţinut mai ridicat de cupru, care determină apariţia porilor mari, alungirea ar

Fig. 2 Imaginea structurii materialului supus

procesului de deformare

Zonă deformată

Zonă nedeformată

0

50

100

150

200

250

300

0 1 1.5 2 2.5 3

Rm

, MP

a

%, Cu

nedeformate

Fig. 3 Influenţa conţinutului de cupru şi al roluirii

asupra rezistenţei de rupere la tracţiune

478

0

5000

10000

15000

20000

25000

0 1 1.5 2 2.5 3

E, M

Pa

%, Cu

nedeformat

deformat

Fig. 5 Influenţa adaosului de cupru şi al roluirii

asupra modulului de elasticitate

trebui să scadă mai rapid. Acest lucru nu se întâmplă deoa-rece porii devin sferici şi factorul de concentrare a tensiunii locale scade [2].

Prin deformarea plas-tică superficială a acestor materiale şi formarea stra-tului superficial puternic ecruisat, alungirea mate-rialului este mai mică decât cea a materialelor care nu au fost supuse deformării. Acest fenomen se manifestă în intervalul de până la aproximativ 2 % Cu, domeniul în care capaci-tatea de defor-mare a materia-lului este mai pronunţată. În

acest domeniu efectul deformării plastice scade pe măsura creşterii conţinutului de cupru şi a scăderii plasticităţii materialului [4]. La un conţinut mai mare de cupru materialele deformate superficial prin roluire au o alungire mai mare datorită închiderii porilor şi a reducerii concentratorilor de tensiuni. Procesul de ecruisare nu este avansat deoarece duritatea materialului este mai ridicată. Se poate constata că materialele roluite au o alungire comparabilă între ele.

Modulul de elasticitate a materialelor deformate plastic este mai mare decât ale celor care nu au fost supuse acestui proces (figura 5).

Fig. 4 Influenţa cuprului şi al roluirii asupra alungirii

materialelor sinterizate

479

Aceasta înseamnă că odată cu ecruisarea materialului, scăderea rezistenţei de rupere la tracţiune şi a alungirii, creşte modulul de elasticitate.

Se poate constata că, în cazul materialelor studiate, între aceste proprietăţi există o corelaţie.

Cea mai însemnată creştere a modulului de elasticitate se constată a fi la limita inferioară şi superioară a conţinutului de cupru din domeniul avut în vedere.

Creşterea însemnată a modulului de elasticitate la un conţinut scăzut de cupru se explică prin faptul că datorită plasticităţii ridicate a feritei slab aliate cu cupru, materialul se ecruisează şi scade plasticitatea.

Pe măsura creşterii conţinutului de cupru efectul roluirii asupra modulului de elasticitate scade asemenea alungirii.

La aproximativ 2 % Cu afectul deformării plastice superficiale asupra modulului de elasticitate este nesemnificativ [2].

În intervalul 2-3 % Cu modulul de elasticitate creşte. Această creştere este determinată de structura materialului şi a stratului ecruisat.

Prezenţa în structură a precipitatelor fine de cupru şi a feritei aliate cu cupru face ca tensiunea necesară deformării materialului să crească destul de mult atrăgând după sine şi creşterea modulului de elasticitate.

Creşterea tensiunii este mai pronunţată decât creşterea alungirii materialului deformat având conţinutul de cupru situat în acest interval.

Din rezultatele obţinute în urma a determinării durităţii materialelor sinterizate rulate (figura 6) constatăm că cea mai importantă îmbunătăţire a acestei proprietăţi se dovedeşte a fi a materialelor al căror conţinut de cupru se situează în intervalul 0-1,5 %. Acest fenomen se datorează faptului că soluţia solidă de ferită aliată cu cupru are plasticitate mai ridicată decât o structură formată din soluţie solidă şi precipitate de cupru.

Ca urmare, aceste materiale se deformează şi se ecruisează mai puternic prin roluire, fapt ce determină creşterea durităţii.

Pe măsura creşterii conţinutului de cupru capacitatea de deformare a materialului scade, ceea ce conduce şi la o creştere mai puţin pronunţată a durităţii.

Acest lucru face ca şi efectul deformării plastice superficiale asupra creşterii durităţii să fie din ce în ce mai slab, astfel încât la 3 % Cu duritatea materialelor roluite şi neroluite să nu difere foarte mult.

480

Deformarea plastică superficială are o influenţă deosebită asupra comportării la oboseală a materialelor supuse cercetării. Această influenţă este datorată faptului că prin deformare plastică porii situaţi la

suprafaţa materialului se închid, conducând la reducerea semnificativă a numărului potenţialilor concentratori de tensiuni [3]. De asemenea, ca urmare a deformării plastice superficiale a materialului se realizează o stare de tensiune de compresiune în această zonă care, în timpul solicitării la încovoiere plană alternant simetrică, se suprapune peste tensiunile de întindere reducându-le amplitudinea reală.

În urma determinărilor experimentale s-a constatat o creşterea semnificativă a numărului de cicluri suportate de material până la rupere. De exemplu, la un material obţinut dintr-un amestec de pulbere de fier DWP 200.28+1 % Cu, numărul de cicluri suportate până la ruperea materialului a fost de 0,1·105 pentru materialele care nu au fost supuse roluirii şi de 1,77·105 pentru materialele roluite. Se constată că prin roluire se poate aduce o îmbunătăţire semnificativă a comportării la oboseală.

4. Concluzii

■ Efectul roluirii asupra proprietăţilor materialelor este diferit.

Acest tip de prelucrare conduce la scăderea rezistenţei la tracţiune, a

40

50

60

70

80

90

100

0 1 1.5 2 2.5 3

HR

G

%, Cu

nedeformat

deformat

Fig. 6 Influenţa cuprului şi al roluirii asupra durităţii

materialelor sinterizate

481

alungirii şi la creşterea durităţii, modulului de elasticitate şi a comportării la oboseală.

■ Modul în care roluirea determină proprietăţile materialelor supuse cercetării depinde de conţinutul de cupru şi microstructura fiecăruia.

BIBLIOGRAFIE

[1] Colan, H., Cercetări privind influenţa şi difuzia cuprului în oţeluri şi aliaje de fier – carbon sinterizate, Teză de doctorat, IPCN, Cluj, 1971, pag. 171. [2] Branduşan, L., Contract de cercetare nr. 7003/1997: Cercetări asupra modului de comportare la solicitări variabile (oboseala) a materialelor metalice sinterizate, Faza I/2002. [3] Hamiuddin, Md., Correlation Between Mechanical Proprieties and Porosity of Sintered Iron and Steels – A Review, Powder Metallurgy International vol 18, no. 2, 1986. [4] Salak, A., Development trends in ferrous powder mwtallurgy, Deformation and fracture in Structural PM Materials, vol 1, p. 205-227, 1996.

Prof.Dr.Ing. Liviu BRÂNDUŞAN Departamentul de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor

Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca liviu.brandusan@staff.utcluj.ro

Prof.univ.em.Dr.Ing. George ARGHIR Departamentul de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor

Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca georgearghir@hotmail.com

Preparator Drd. Ing. Gabriel BATIN Departamentul de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor

Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca membri AGIR

482