Temat 8. Nauka o materiałach. Materiały polimerowe i spiekane

Transkrypt

1 Temat 8 Nauka o materiałach Materiały polimerowe i spiekane

2 Historyczny rozwój ważniejszych materiałów polimerowych

3 Rozwój światowej produkcji materiałów polimerowych

4

5

6 Ze względu na własności reologiczne związane z procesami technologicznymi przetwórstwa, materiały polimerowe dzieli się na elastomery i plastomery Materiały polimerowe można sklasyfikować ze względu na różne kryteria. Ze względu na własności reologiczne związane z procesami technologicznymi przetwórstwa, materiały polimerowe dzieli się na elastomery i plastomery Elastomery to materiały polimerowe, które przy małych naprężeniach wykazują duże odkształcenie (do 1000%), gdyż ich temperatura zeszklenia jest niższa od temperatury pokojowej, a więc zakres temperatury użytkowania znajduje się w stanie wysokosprężystym. Materiały polimerowe wykazujące bardzo małe odkształcenia (mniejsze niż 1%) nazywane są plastomerami, a zaliczają się do nich termoplasty (amorficzne i krystaliczne) i duroplasty (chemoutwardzalne i termoutwardzalne).

7 Materiały polimerowe można sklasyfikować w trzech grupach zastosowań: MASOWE (np. PE, PP, PVC, PS), KONSTRUKCYJNE (np. ABS, PBT, PET, PA, POM, PC, PMMA, PPS), SPECJALNE (np. o dużej wytrzymałości PAEK, PI, przewodzące prąd elektryczny, wzmacnianie włóknami, biodegradowalne).

8 Klasyfikacja materiałów polimerowych w zależności od reakcji ich otrzymywania oraz struktury

9

10

11 Schematy polireakcji: a) polimeryzacji, b) polikondensacji, c) poliaddycji

12 Polimeryzacja polimeryzacji między monomerami tego samego typu, zwanymi homopolimerami, o wiązaniu nienasyconym podwójnym, np. w polietylenie

13 Kopolimeryzacja kopolimeryzacji między dwoma lub więcej różnymi rodzajami monomerów, np. w bipolimerach w tym syntetycznych kauczukach, jak styren butadien BS, lub terpolimerach między trzema różnymi rodzajami monomerów, np. takimi jak akrylonitryl butadien styren ABS, stosowany np. na hełmy i obudowy telefonów, lub bipolimerach, takich jak chlorek winylu octan winylu VCVAC

14 Polikondensacja polikondensacji, w przypadku gdy w monomerze nie występuje wiązanie nienasycone, a w wyniku reakcji powstaje produkt uboczny, taki jak woda, jak np. podczas powstawania bakelitu z fenolu, lub poliamidu PA 66 (nylonu 6.6)

15 Poliaddycja poliaddycji, tj. polireakcji o cechach polimeryzacji i polikondensacji, lecz bez wydzielania się produktu ubocznego, w której często uczestniczą dwa różne monomery, a proces przebiega stopniowo, często z przegrupowaniem atomów w cząsteczce monomeru, umożliwiającym wzrost łańcucha polimeru; typowymi przykładami są reakcje otrzymywania poliuretanów, żywic epoksydowych lub polikaproamidu stanowiącego podstawę do otrzymywania poliamidów, a także metylofenolu

16 Wulkanizacja gumy W przypadku wykorzystania (m + n) atomów siarki do połączeń między łańcuchami, w procesie wulkanizacji uzyskuje się zmienne własności elastyczne termoutwardzalnego kauczuku Przy zbyt dużej liczbie takich połączeń powstaje natomiast kruchy i twardy ebonit.

17

18 Schemat polimerów o strukturze a) liniowej, b) rozgałęzionej, c) usieciowanej

19

20

21 Sekwencje podstawowych jednostek monomerycznych w kopolimerach a) statystycznych (bezładnych), b) przemiennych, c) blokowych, d) sczepionych

22

23

24 Schemat a) c) tworzenia się w polimerach łańcuchów liniowych o różnych kształtach (krawędzie stożków wskazują możliwe położenie następnych atomów węgla)

25 Spoistość polimerów Siły działające między molekułami Podatność łańcucha na wyginanie Wewnątrz łańcucha: siły kowalencyjne Pomiędzy łańcuchami: Wodorowe Van der Waalsa Zależy od: Wiązań, stopnia usieciowania Stopnia krystalizacji Temperatury Rodzaju i wielkości grup bocznych

26 Elastomery

27

28 Typowe przebiegi krzywych odkształcenia materiałów polimerowych a) kruchych, b) termoplastycznych, c) elastomerów Schemat krzywej rozciągania poliamidu PA 66 jako typowego materiału polimerowego termoplastycznego

29

30

31 Temperatura

32

33 Właściwości mechaniczne polimerów

34

35

36 Schemat typowych procesów formowania materiałów polimerowych termoplastycznych: a) wytłaczanie, b) rozdmuchiwanie, c) wtryskiwanie, d) termoforming (kształtowanie termiczne), e) kalandrowanie, f) przędzenie

37 Wszystkie polimery mogą być poddawane spienianiu, jednak najczęściej wykorzystuje się: poliuretany, polistyreny, PĆW, polietyleny, polipropylen, naturalne kauczuki, kauczuk butadienowo-styre-nowy (SBR). W celu uzyskania tworzyw konstrukcyjnych i specjalistycznych, spienianiu poddaje się: polimetakryloimidy, silikony, polietery sufonowe i kompozyty.

38 Schemat typowych procesów formowania materiałów polimerowych termoutwardzalnych: a) prasowanie, b) prasowanie z przetłoczeniem (transferowe)

39

40 Zastosowania termoplastów: przykłady Obudowa grzałki PP Zawór instalacji wodnej - PP Rura instalacji hydr.- PP Opakowanie białe piankowe PS Front pralki automat. PVC

41 Obudowa grzałki PP Zawór instalacji wodnej - PP Rura instalacji hydr.- PP Opakowanie białe piankowe PS Front pralki automat. PVC

42 Obudowa telefonu komórkowego- ABS Osłona zestawu wskaźników w sam. - PMMA Obudowa elektronarzędzia-pa Wlew chłodnicy PA Koła napędu kasety- PA Klosz reflektora - PC

43 Obudowa telefonu komórkowego- ABS Osłona zestawu wskaźników w sam. - PMMA Obudowa elektronarzędzia-pa Wlew chłodnicy PA Koła napędu kasety- PA Klosz reflektora - PC

44 Kopułka rozdzielacza zapłonu - PF

45

46 Metalurgia Proszków Nauka o materiałach Połączenie metody wytwarzania materiału z jednoczesnym nadawaniem kształtu gotowego wyrobu Produkcja wyrobów dzieli się na następujące podstawowe etapy: wytwarzanie proszków metali, mieszanie proszków, prasowanie wyprasek, spiekanie, ewentualna obróbka wykańczająca

47 wg: L. Dobrzański

48 CZĘŚCI MASZYN WYTWARZANE MP

49 WYROBY SPIEKANE TYLKO MP

50 Proszki

51 mielenie wg: L. Dobrzański

52

53 Proszek mielony Proszek mielony wg: L. Dobrzański

54 Proszek frezowany wg: L. Dobrzański

55

56 Proszek redukowany Proszek rozpylany wg: L. Dobrzański

57 Rozpylanie z fazy ciekłej wg: L. Dobrzański

58 Proszek redukowany

59

60 Metoda elektrolityczna wg: L. Dobrzański

61

62 W zależności od warunków elektrolizy uzyskuje się albo kruchy osad na katodzie, rozdrabniany później mechanicznie, albo proszek opadający na dno wanny. Metoda ta jest jedną z częściej stosowanych w przemyśle Proszek metalu jest wydzielany z roztworu soli przez wytrącaniego innym metalem, np. za pomocą miedzi wytrąca się srebro z roztworu wodnego azotanu srebra. Uzyskane w ten sposób proszki podlegają zwykle dalszemu rozdrabnianiu w młynach. Jest to metoda od dawna stosowana do wyrobów proszków srebra, złota, platyny i cyny. W przypadku uranu, toru, cyrkonu i berylu stosuje się wytrącanie proszków w podwyższonej temperaturze ze stopionych soli tych metali.

63 Proszek karbonylkowy Metoda polega na działaniu pod znacznym ciśnieniem tlenku węgla na rudy żelaza, niklu lub innych metali. Efektem reakcji są ciekłe związki, tzw. Karbonylki. Do wytwarzania proszków stosowane są głównie: Czterokarbonylek niklu Ni(CO)4 Pięciokarbonylek żelaza Fe(CO)5. Związki te w podwyższonej temperaturze nie są trwałe i ulegają łatwo rozkładowi na metal i tlenek węgla. Metal wydziela się w postaci proszku w specjalnych zbiornikach, a uwolniony gazowy tlenek węgla powraca znowu do procesu. MeaBb + cco = bb + Mea(CO)c Mea(CO)c = ame + cco Metoda ta stosowana jest głównie do żelaza i niklu, jakkolwiek inne metale tworzą także karbonylki. Uzyskane tą metodą proszki odznaczają się znaczną czystością, dlatego stosuje się je do wyrobu ważniejszych materiałów, jak np. materiały magnetyczne, próżniowe, elektryczne itp. Ze względu na ich dobrą prasowalność stosowane są również do wytwarzania produktów o złożonych kształtach.

64 METODY SPECJALNE Mają zastosowanie w specjalnych przypadkach, takich jak np. rozdzielanie (destylacja) stopów składających się z metali różniących się temperaturą topnienia i ciśnieniem pary. WYTRĄCANIE ELEKTROCHEMICZNE Proszek metalu jest wydzielany z roztworu soli przez wytrącanego innym metalem, np. za pomocą miedzi wytrąca się srebro z roztworu wodnego azotanu srebra. Uzyskane w ten sposób proszki podlegają zwykle dalszemu rozdrabnianiu w młynach. Jest to metoda od dawna stosowana do wyrobów proszków srebra, złota, platyny i cyny. W przypadku uranu, toru, cyrkonu i berylu stosuje się wytrącanie proszków w podwyższonej temperaturze ze stopionych soli tych metali.

65

66 Wytwarzanie granulatu - śrutu

67 PRZYGOTOWANIE PROSZKÓW wg: L. Dobrzański

68 Mieszanie proszków Do prasowanych mas dodaje się składniki zmniejszające tarcie (grafit, stearyny, gliceryny, alkohol, eter, aceton, benzol, benzynę, kamforę w ilościach nieprzekraczających1% mas) w celu zmniejszenia tarcia i ułatwienia poślizgu między cząstkami proszku i powierzchniami narzędzi. Dodatkowo ułatwienie poślizgu między cząstkami proszku ułatwiające zagęszczenie wypraski. Mieszanie przebiega w młynach kulowych zapewniających odpowiednią agregację cząstek.

69 Struktura luźno zasypanego proszku

70 Formowanie i prasowanie proszków Formowanie proszków polega na jego zagęszczeniu na drodze wywierania ściskania go w zamkniętej przestrzeni. W zależności od wymaganego kształtu elementu, własności proszku dobiera się odpowiednią metodę formowania. Uformowane kształtki posiadają spoistość, wynikającą z połączenia poszczególnych cząstek proszku siłami adhezji, lecz ich wytrzymałość jest niska. Poniżej podano najczęściej używane metody formowania: 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). wg: L. Dobrzański

71 Prasowanie

72 Schemat prasowania jednostronnego: a) zasypywanie proszku do matrycy, b) prasowanie, c) usunięcie wypraski; 1 -stempel prasujący (ruchomy), 2-stempel dolny (stały), 3-matryca, 4-kaseta zasypowa, 5-wyrzutnik, 6 wypraska o wymiarach

73 Automatyzacja procesu prasowania

74

75 Zjawiska podczas prasowania proszku

76

77 Ograniczenia kształtu wyprasek wg: L. Dobrzański

78 Prasowanie izostatyczne

79 Prasowanie izostatyczne na zimno

80 Spiekanie 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 wytrzymałościąniż uformowana kształtka. Zasadnicze zjawiska to: a. rekrystalizacja zgniecionych styków cząstek proszków b. przemieszczanie się atomów (transport masy)dyfuzja powierzchniowa i objętościowa, c. płynięcie wywołane ciśnieniem kapilarnym, parowanie i kondensacja. Przyczyna: nadwyżka energii układu cząstek proszku (duża powierzchnia właściwa).obniżenie energii układu: poprzez zmniejszanie się powierzchni swobodnych cząstek (tworzenie szyjek łączących poszczególne cząstki, wygładzanie nieregularnych powierzchni swobodnych oraz sferoidyzacja i zmniejszania się pustek aż do ich zanikania)

81 Mikrostruktura spiekanego proszku Cu; a) przed spiekaniem,b) po spiekaniu w temperaturze 1000 K,c) po spiekaniu w temperaturze 1050 K,d) po spiekaniu w temperaturze 1130 K

82

83

84 Podstawowe parametry spiekania TEMPERATURA, CZAS SPIEKANIA, SKŁAD CHEMICZNY ATMOSFERY PIECA. W zależności od zastosowanej temperatury rozróżnia się spiekanie: a. w fazie stałej, 0,7-0,8 temperatury topnienia metalu spiekanego b. z udziałem fazy ciekłej, temperatura jest tak dobrana, że niektóre składniki mieszanki proszkowej przechodzą w stan ciekły. c. 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 w głąb fazy stałej.

85 Temperatura spiekania

86 Budowa spieku w zależności od układu równowagi

87

88 Schemat pieca do spiekania

89

90

91 Zmiany wymiarowe podczas spiekania

92 Struktura spieków

93

94 Spiekane części maszyn

95

96 Porównanie kosztu wyrobów produkowanych metodą metalurgii proszków (1) oraz innymi technikami (2)

97 Przykład zastosowania metalurgii proszków w przemyśle motoryzacyjnym

98 Węgliki spiekane Nowoczesne spiekane materiały narzędziowe ze względu na charakter ich pracy oraz złożoność mechanizmów zużycia, którym podlegają ostrza narzędzi skrawających, powinny spełniać liczne wymagania, do których należą między innymi: wysoka twardość, duża udarność, odporność na złożone zużycie (adhezyjne, dyfuzyjne, ścierne i cieplne), odporność na wysoką temperaturę, duża wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, skręcanie i zginanie, wysoka odporność na zmęczenie mechaniczne i cieplne, dobra przewodność cieplna i pojemność cieplna, stabilność krawędzi skrawających, dobra ciągliwość

99 Schemat procesu technologicznego wytwarzania materiałów spiekanych MA ODS wg: L. Dobrzański

100 Metale wysokotopliwe WOLFRAM Żarnik żarówki - wolfram Rdzenie do pocisków podkalibrowych

101 Technologia włókna żarnika żarówki z wolframu Wytwarzanie proszku wolframu Redukcja trójtlenku wolframu wodorem Prasowanie na zimno Pręty o przekroju 8x8x20 mm Ciśnienie 250 MPa, środki poślizgowe, równomierny zasyp, prasowanie jednostronne Przeróbka plastyczna Młotkowanie w temperaturze 1700 C Gęstość po obróbce 19 g/cm3 Ciągnienie na ciągarce ławowej na średnicę 0,65 mm w temperaturze 1000 C (smarowanie grafitem) Ciągnienie na ciągarce bębnowej na średnicę 0,007 mm w temperaturze 700 C (smarowanie grafitem) nagrzewanie oporowe Czyszczenie elektrochemiczne 20% ług sodowy, płukanie Spiekanie wstępne Temperatura C, czas 1h,atmosfera wodór,(usunięcie powłok tlenkowych i środków poślizgowych) Gęstość po spiekaniu g/cm3 Nawijanie skrętek Nawijanie drutu wolframowego na rdzeń Wyżarzanie odprężające Rozpuszczanie rdzenia i płukanie Skrętki podwójne wykonuje się przez powtórne nawijanie i trawienie rdzenia Spiekanie zasadnicze Temperatura 3000 C, czas 1h, spiekanie oporowe atmosfera wodór,(urządzenie dzwonowe ) Gęstość po spiekaniu 17-18,5 g/cm3

102 Materiały cierne

103 Łożyska samosmarujące

104 Styki elektryczne Gatune k WM20 WS25 Zawartość składników [%] W Cu Ag Gęsto ść [Mg/ m 3 ], Min. Tward ość [HB], Min. - 14, ,9 160

105 Klasyfikacja materiałów magnetycznych

106 Spiekane magnesy do silniczków prądu stałego

107 RODZAJE WYROBÓW SPIEKANYCH WYROBY SPIEKANE Wyroby konkurencyjne do innych technologii wyroby z czystego żelaza stale węglowe stale stopowe stopy miedzi stopy niklu stopy kobaltu

108 Eksponaty części maszyn wytworzone z proszku żelaza Koła zębate pompy olejowej Napęd wycieraczek Dźwignia napędu w maszynie do szycia Tłoczek amortyzatora Koło rozrządu Sitko do maszynki do mielenia

109 RODZAJE WYROBÓW SPIEKANYCH WYROBY SPIEKANE Wyroby bezkonkurencyjne Spieki o celowo zaprojektowanej dużej porowatości otwartej (łożyska samosmarujące) Spieki kompozytowe metalowoceramiczne (dysze gazowe ) Spieki z metali wysokotopliwych (żarniki, rdzenie pocisków) Materiały magnetyczne (ferryty)

110 Eksponaty, części wytwarzane tylko metalurgią proszków Szczotka do silnika Rdzeń pocisku Magnesy silniczka Żarnik żarówki Wkład filtrujący Łożysko samosmarujące

111 RODZAJE WYROBÓW SPIEKANYCH WYROBY SPIEKANE Wyroby konstrukcyjne o podwyższonej wytrzymałości Spieki z przeważającą ilościowo fazą ceramiczną (węgliki spiekane) Wyroby cierne (klocki hamulcowe) Spieki pseudostopowe (styki elektryczne)

112 Eksponaty części wytworzone metalurgią proszków o specjalnych właściwościach Okładzina klocka hamulcowy Ostrze noża tokarskiego

113