INŻYNIERIA MATERIAŁOWA Technologie materiałowe I Instrukcja do laboratorium Temat: Metalurgia proszków 1. Wprowadzenie Pod pojęciem materiały spiekane rozumie się materiały, które wytwarza się metodami metalurgii proszków. Definicja: Metalurgią proszków nazywamy metodę wytwarzania metali z ich proszków, bez przechodzenia przez stan ciekły. Oddzielne ziarna proszków łączą się ze sobą w jednolitą masę podczas wygrzewania silnie sprasowanych kształtek w atmosferze redukującej lub obojętnej. Możliwe jest wytwarzanie produktów i półproduktów, głównie z proszków metali ale także z proszków metali i niemetali. Dziedzina ta jest szczególnie interesująca ze względu na możliwość konkurowania z takimi technologiami jak: odlewanie, obróbka plastyczna, obróbka skrawaniem. Ale także może stanowić jedyną możliwą metodę wytwarzania wyrobów z takich materiałów jak metale wysokotopliwe, stopy składników o różnych temperaturach topnienia czy materiały o specyficznych własnościach. Do istotnych cech materiałów otrzymywanych tą metodą należy zaliczyć: Możliwość uzyskania materiałów o ściśle określonym składzie chemicznym i wysokim stopniu czystości drobnoziarnistą strukturę materiałów własności izotropowe duża dokładność wymiarowa otrzymanych wyrobów możliwość stosowania szerokiego wyboru stopów wysoka jakość powierzchni gotowego wyrobu możliwość poprawy własności (podwyższenia własności wytrzymałościowych, odporności na zużycie, odporności korozyjnej) materiału poprzez obróbkę cieplną, cieplno-chemiczną czy plastyczną możliwość projektowania i kontrolowania porowatości materiału (łożyska samosmarowne lub filtry) możliwość uzyskania wyrobów o skomplikowanych kształtach większa żywotność wyrobów z tych materiałów Technologia wytwarzania Proces technologiczny wytwarzania materiałów i wyrobów z proszków metali można podzielić na następujące operacje:
wytwarzanie proszków metali oraz badanie ich właściwości formowanie proszków prasowanie, spiekanie, ewentualna obróbka wykańczająca Wytwarzanie proszków obejmuje zespół procesów mechanicznych i fizykochemicznych, które mają na celu uzyskanie określonego materiału w postaci proszku. Metodami mechanicznymi produkcji proszków nazywamy rozdrabnianie w młynach kulowych, wibracyjnych lub wirowych lub wirowo-udarowych. Najczęściej uzyskiwanymi ta metodą proszkami są: proszek w kształcie talerzykowatym, wielościennym lub odłamkowym. Metoda rozpylania produkcji proszków polega na rozproszeniu strumienia ciekłego metalu na drobne kropelki przez czynnik rozpylający, którym jest zazwyczaj woda, para wodna, powietrze lub gazy obojętne pod wysokim ciśnieniem. Do czasu opadnięcia na dno zbiornika cząstki metalu ulegają zastygnięciu. Metody fizykochemiczne produkcji proszków to metoda karbonylkowa, polegająca na wytworzeniu karbonylków metalu przez działanie na rudę metalu węglem, a następnie rozłożeniu ich w temperaturze wyższej niż wrzenia na czysty metal. W ten sposób uzyskuje się proszek metalu o dużej czystości. Do metod fizykochemicznych zalicza się także uzyskiwanie proszków przez redukcje tlenków lub soli metali w piecach o przeciwprądzie gazu redukcyjnego. Znana jest także metoda redukcyjna elektrolitycznej polegająca na redukcji metalu na katodzie w postaci gąbki, którą po wysuszeniu rozdrabnia się na proszek. Wybór odpowiedniej metody wytwarzania proszków zależy od własności, jakich oczekuje się od produktu oraz od kalkulacji ekonomicznej: mielenie w młynach kulowych, kulowo - udarowych, wibracyjnych, wirowo - udarowych czy kruszarkach - otrzymany proszek jest drobnoziarnisty, a metody te stosuje się do rozdrabniania materiałów kruchych.
obróbka skrawaniem - piłowanie, szlifowanie, zdzieranie - metoda ta jest najczęściej stosowana do produkcji proszków magnezu do celów pirotechnicznych. rozpylanie - metodą tą wytwarza się proszki żelaza, stali, aluminium, stopów cynku, cyny i ołowiu. metoda parowania i kondensacji. Proces otrzymywania proszku polega w pierwszym etapie na przeprowadzeniu litego metalu w stan gazowy, natomiast w drugim stadium na wywołaniu kondensacji par metalu na chłodzonych powierzchniach. Metodą tą wytwarza się proszki cynku, magnezu, kadmu i berylu. elektroliza - wodny roztwór lub stopiona sól metalu ulega elektrolizie wskutek przepływu prądu stałego - Cu, Fe, Ag, Ni, Mn i inne proszki o wysokiej czystości synteza i dysocjacja karbonylków w początkowym etapie związek chemiczny MeB reaguje z tlenkiem węgla. Produktem reakcji jest karbonylek metalu Me(CO)X w stanie gazowym. W drugiej fazie karbonylek ulega dysocjacji termicznej związanej z wydzielaniem czystego metalu i tlenku węgla powracającego ponownie do reakcji ze związkiem metalu. Metoda stosowana jest głównie do produkcji proszków niklu i żelaza. Jest kosztowna i niebezpieczna. Badanie właściwości proszków obejmuje m. in. badanie własności fizycznych i technologicznych: Składu chemicznego Kontrola składu chemicznego jest prowadzona typowymi metodami analizy chemicznej. Kształtu cząstek określa się za pomocą mikroskopu optycznego. Od kształtu cząstki zależy sypkość proszku oraz jego podatność w procesach formowania. Oznaczanie wielkości cząstek proszku najbardziej rozpowszechniona metoda to analiza sitowa, która umożliwia podział proszku na frakcje, czyli partie o rozmiarach cząstek mieszczących się w określonych przedziałach. Określa się masę każdej frakcji i oblicza ich udział w badanej próbce. Gęstość nasypowajest to stosunek masy proszku, zsypanego przez znormalizowany przyrząd, do objętości zajmowanej przez ten proszek. Jest to cecha proszku o luźnym układzie cząstek. mps masa proszku swobodnie zasypanego do formy [g] Vpl objętość proszku swobodnie zasypanego do formy [cm3] Sypkość proszku Xp określa czas przesypywania masy próbki przez lejek o ustalonym kształcie. W praktyce jest to czas przesypywania 50 gramowej próbki proszku przez lejek Halla z otworem ø2,5, wyrażona w sekundach. Znajomość sypkości umożliwia określenie czasu potrzebnego na wypełnienie proszkiem matrycy. Największą sypkość maja proszki kuliste.
ts czas przesypywania w sekundach f współczynnik korygujący C cecha lejka, tj. czas wylewania się 100 cm3 wody destylowanej w sekundach. Prawidłowa wartość to 25±2 s Zagęszczalność proszku podatność proszku do zmniejszania objętości w wyniku prasowania w matrycy. Pomiar polega na określeniu zmian gęstości wyprasek wytworzonych w matrycy cylindrycznej w zależności od ciśnienia prasowania. Formowalność proszku zdolność proszku do zachowania kształtu w wyniku prasowania w matrycy. Oznaczenie polega na określeniu minimalnej i maksymalnej miejscowej gęstości wypraski wykonanej w specjalnej matrycy. 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. Poniżej podano najczęściej używane metody formowania. Podstawowe sposoby zagęszczania proszku a) prasowanie w matrycy; b) prasowanie w formie elastycznej lub plastycznej (wielostronny nacisk); c) walcowanie Zjawiska podczas zagęszczania proszków: Możliwie najściślejsze układanie się cząstek proszku w wyniku załamywania się i likwidacji mostków, względnych obrotów i przemieszczeń cząstek, prowadzących do częściowego zapełnienia mniejszymi cząstkami luk pomiędzy cząstkami większymi Mechaniczne zazębianie się cząstek, szczególnie o rozbudowanej powierzchni i nieregularnym kształcie Trwałe, powierzchniowe odkształcenie cząstek, któremu towarzyszy usuwanie powłok tlenkowych, co prowadzi do utworzenia czystych metalicznych kontaktów między cząstkami Zgniot materiału przejawiający się zwiększeniem jego twardości 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 wytrzymałością niż uformowana kształtka.
TEMPERATURA SPIEKANIA [ C] ŻELAZO/ STAL 1100-1300 STOPY ALUMINIUM 590-620 MIEDŹ 750-1000 MOSIĄDZ 850-950 BRĄZ 740-780 METALE WYSOKOTOPLIWE 1200-1600 Przykłady wyrobów spiekanych Masowe produkty spiekane Do grupy tej zaliczyć można takie elementy jak koła zębate, rolki podkładki, nakrętki, zapadki, części amortyzatorów, gniazda zaworów, okucia budowlane itp. Ich zaletą w porównaniu do detali skrawanych jest zwiększona odporność i wytrzymałość na korozję i ścieranie. Bardzo szeroko stosowane są spieki proszków żelaza oraz miedzi i jej stopów. Wytwarza się z nich części maszyn, okucia budowlane i medale. Najczęściej miedź spiekana jest z proszkami Sn i Zn lub w postaci proszków ze stopów miedzi Cu-Pb i Cu-Zn. Łożyska samosmarowne porowate. Cechą charakterystyczną materiałów na te łożyska jest bardzo wysoka porowatość. Pory wewnątrz materiału tworzą kapilarne kanaliki, których objętość stanowi do 50 % całkowitej objętości łożyska. Najczęściej używanym surowcem do produkcji tych elementów to stopy żelaza, miedzi z dodatkiem proszków niemetalu lub grafitu. Łożyska te są produkowane w postaci cienkościennych tulei lub tulei z kołnierzami. Podczas pracy eksploatacyjnej łożyska te są nasycane olejami, które smarują pracujący wał. Stosowane są one w układach gdzie nie można doprowadzić dodatkowego smarowania oraz tam gdzie nie można dopuścić do wycieku oleju. Filtry porowate. Elementy spiekane o porowatości do 50 % znajdują zastosowanie jako filtry. Umożliwiają one oczyszczanie z cząstek o średnicy 10-3 - 10-4 mm. Stosowane są także w przypadku gazów do osuszania i filtrowania a czasami do regulacji ciśnienia. Do wytwarzania tych filtrów stosuje się w zależności od warunków pracy (przede wszystkim temperatury) proszki różnych metali i stopów. Najczęściej wykonuje się je z brązów cynowych, stali chromowych i austenitycznych lub mosiądzów niklowych. Filtry te posiadają dobre własności wytrzymałościowe tj. wytrzymałość na rozciąganie i zginanie, obciążenia udarowe i działanie wysokiej temperatury. Mogą być oczyszczane przez przedmuchanie lub metodami chemicznymi. Znalazły one zastosowanie w przemyśle zbrojeniowym, lotniczym, motoryzacyjnym i chemicznym Spiekane magnesy trwałe. Technika proszków spiekanych pozwala na mieszanie proszków a co za tym idzie możliwość projektowania ich własności magnetycznych. Magnesy trwałe spiekane produkuje się z proszków żelaza, niklu, kobaltu i aluminium w operacji prasowania na zimno oraz prasowania i spiekania. Prasowanie na gorąco wykorzystuje się do produkcji magnesów o skomplikowanych kształtach i ściśle określonych własnościach z proszków żelaza, tytanu, aluminium, i kobaltu. Własności wytrzymałościowe magnesów spiekanych są
bardzo niskie. Dodatkowo poddawane są one hartowaniu w temperaturze 1050-1250 C i następnie odpuszczaniu w temperaturze 600-650 C. Spiekane styki elektryczne. Proszki spiekane zostały zastosowane na styki elektryczne tj. szczotki kolektorowe ze względu na posiadane odporność na iskrzenie, spiekanie oraz zgrzewanie podczas pracy oraz w przypadku styków pracujących głównie w zwarciu, tzn. głównie przewodzących prąd, ze względu na niską rezystywność. Zalety proszków spiekanych wykorzystywane są w produkcji spiekanych styków pseudostopowych. Powstają one poprzez spieczenie porowatego szkieletu z trudnotopliwych proszków metali tj. wolfram i molibden, o dużej wytrzymałości mechanicznej i odporności na ścieranie. Następnie nasyca się je metalem o dużej przewodności elektrycznej tj. miedź czy srebro. Spiekane stale szybkotnące. Stale szybkotnące są narzędziowymi stalami wysokostopowymi zawierającymi do około: 1,6% węgla, 18% wolframu, 9% molibdenu, 5% wanadu i 10% kobaltu. W przypadku wytwarzania tych stali metalurgia proszków jest metodą konkurencyjną w stosunku do tradycyjnego wytapiania. W porównaniu ze stalami konwencjonalnymi spiekane stale szybkotnące wykazują następujące zalety lepsze własności użytkowe (można dowolnie dobierać skład tych stali przez mieszanie w odpowiednich proporcjach proszków węglików: WC, VC, TiC, Mo 2 C, NbC oraz osnowy) brak segregacji węglików brak pasmowości. bardzo dobrą szlifowalność, dobra plastyczność (nawet przy zawartości węglików do 40% objętości nadają się do obróbki plastycznej) dobra obrabialność mechaniczną, duża stabilność wymiarowa po hartowaniu i odpuszczaniu. Techniką metalurgii proszków można wytwarzać elementy z każdej ze stali szybkotnących, jednak szczególnie opłacalna jest produkcja w przypadku stali zawierających najwięcej drogich pierwiastków stopowych. Produkcja polega na prasowaniu proszków stopowych na zimno lub gorąco. W przypadku stosowania prasowania izostatycznego można produkować bloki stali szybkotnącej o masie dochodzącej do 1800 kg. Tą metodą wytwarza się także bardzo duże narzędzia o masie od kilkunastu do kilkudziesięciu kilogramów. Narzędzia wykonane z wysokiej jakości stali szybkotnącej wyprodukowanej metodą metalurgii proszków odznaczają się 1,5-3 razy większą trwałością niż narzędzia wykonane ze stali szybkotnącej otrzymanej metodą tradycyjną. Węgliki spiekane jest to grupa narzędziowych materiałów spiekanych, w których strukturze od 70 do 90% objętości zajmują węgliki metali, a resztę stop wiążący. Metal wiążący to kobalt lub w węglikach spiekanych wyższej klasy - stop kobaltu z rutenem. Wersja oszczędnościowa - zamiast kobaltu, tańsze metale - nikiel i żelazo. Twarda faza; węglik wolframu (WC), a także węgliki innych metali: tytanu (TiC), tantalu (TaC), niobu (NbC), molibdenu (MoC), chromu (Cr 3 C 2 ). Własności węglików spiekanych zależą od składu chemicznego, wielkości ziarna i udziałów objętościowych składników. Cechy charakterystyczne węglików to: odporność na działanie temperatury, duża wytrzymałość na ściskanie, duża twardością, duża odpornością na ścieranie,
wytrzymałość na zginanie, która jest bardzo zależna od składu chemicznego i ziarnistości struktury. 2. Zadania do wykonania podczas zajęć laboratoryjnych Ćwiczenie 1 Technologia wytwarzania -Identyfikacja proszków kształt i wielkość ziaren, metoda wytwarzania -Badanie własności proszków gęstość nasypowa, przesypywalność -Prasowanie porównanie wyprasek po prasowaniu z różną siłą Ćwiczenie 2 Wyroby - Przykłady wyrobów: - węglik spiekany, -koło zębate -styki elektryczne - Porównanie własności materiałów litych i spiekanych stal szybkotnąca Literatura 1. Aleksander Cyunczyk; Podstawy inżynierii spieków metalowych 2. Władysław Rutkowski; Metalurgia proszków 3. Leszek Dobrzyński; Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach