Zięba Tomasz

Metalurgia Proszków



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.

Zastosowanie MP

Metodę tą najczęściej wykorzystuje się wtedy ( ale nie

tylko), gdy metody topnienia i odlewania zawodzą. Z tego

powodu metodami metalurgii proszków wytwarzamy:



metale trudno topliwe



spieki metali i niemetali wykazujących znaczne różnice

temperatury topnienia jak np. materiały na styki

elektryczne z wolframu i srebra, szczotki do maszyn

elektrycznych z grafitu i miedzi



materiały porowate na łożyska samosmarujące;



materiały, które w stanie ciekłym są gęstopłynne i trudne

do odlewania jak np. materiały na specjalne magnesy

trwałe.

Zalety metody MP

Metody metalurgii proszków są kosztowne, jednak dzięki ich zastosowaniu można otrzymywać :



materiały o ściśle określonym składzie chemicznym i wysokim stopniu czystości



drobnoziarnistą strukturę materiałów



własności izotropowe



eliminacja lub minimalizacja obróbki maszynowej



eliminacja lub minimalizacja strat materiałów na wióry, nadlewy, ścinki itp.



duża dokładność wymiarowa otrzymanych wyrobów



możliwość stosowania szerokiego wyboru stopów



wysoka jakość powierzchni gotowego wyrobu



otrzymany materiał może podlegać obróbce cieplnej w celu podwyższenia własności

wytrzymałościowych lub odporności na zużycie



zapewniona kontrola porowatości materiału dla wyrobów typu łożyska samo smarowne lub

filtry



możliwość uzyskania wyrobów o skomplikowanych kształtach niemożliwych lub rudnych do

uzyskania innymi metodami



korzystna w przypadku produkcji średnio i wielko seryjnej



oferuje długotrwałą żywotność wyrobów



efektywność kosztowa.
Wady



wysoki koszt, opłacalna tylko przy masowej produkcji (wysoki koszt otrzymywania proszków

oraz drogie urządzenia),



niższe własności mechaniczne ze względu na porowatość materiału.

Opłacalność Metalurgii
Proszków

Porównanie kosztu wyrobów produkowanych metodą metalurgii

proszków (1) oraz innymi technikami (2)

Etapy produkcji



Wytwarzanie proszków metali,



Formowanie proszków



Prasowanie,



Spiekanie,



Ewentualna obróbka wykańczająca

Wytwarzanie proszków
metali



Wytwarzanie proszków obejmuje

zespół

procesów mechanicznych i
fizykochemicznych

, które mają na celu

uzyskanie określonego materiału w
postaci proszku. Proszek może być
produktem mechanicznego rozdrobnienia
materiału bez zmiany jego składu
chemicznego albo też uzyskuje się go
jako produkt reakcji chemicznych z
innych substancji.

Metody wytwarzania
proszków



Metoda mechaniczna

produkcji proszków polega na

rozdrabnianiu materiału w młynach kulowych,

wibracyjnych lub wirowych lub wirowo-udarowych.

Najczęściej uzyskiwanymi ta metoda proszkami są:

proszek w kształcie talerzykowatym, wielościennym

lub odłamkowym.



Metoda fizykochemiczne

produkcji proszków to

metoda polegająca na wytworzeniu proszku metalu

przez działanie na rude metalu węglem, a następnie

rozłożeniu ich w temperaturze wyższej niż wrzenia na

czysty metal. W ten sposób uzyskuje sie proszek

metalu o dużej czystości. Do metod fizykochemicznych

zalicza sie także uzyskiwanie proszków przez redukcje

tlenków lub soli metali w piecach o przeciw prądzie

gazu redukcyjnego. Znana jest także metoda

redukcyjna elektrolitycznej polegająca na redukcji

metalu na katodzie w postaci gąbki, która po

wysuszeniu rozdrabnia sie na proszek.

Metody wytwarzania
proszków



mielenie

w młynach kulowych, kulowo - udarowych,

wibracyjnych, wirowo -udarowych czy kruszarkach -

otrzymany proszek jest drobnoziarnisty, a metody te

stosuje sie do rozdrabniania materiałów kruchych.



obróbka skrawaniem

- piłowanie, szlifowanie, zdzieranie -

metoda ta jest najczęściej stosowana do produkcji

proszków magnezu do celów pirotechnicznych.



rozpylanie

- metoda ta wytwarza sie 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. Metoda ta wytwarza sie

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

Badanie właściwości
proszków



Składu chemicznego - Kontrola składu chemicznego jest prowadzona

typowymi metodami analizy chemicznej.



Kształtu cząstek określa sie 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 sie w określonych przedziałach.

Określa sie masę każdej frakcji i oblicza ich udział w badanej próbce.



Gęstość nasypowa jest to stosunek masy proszku, zsypanego przez

znormalizowany przyrząd, do objętości zajmowanej przez ten proszek. Jest to

cecha proszku o luźnym układzie cząstek.



Sypkość proszku –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. Największa sypkość maja proszki kuliste.



Zagęszczalnośc 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

zagęszczanie proszków



Formowanie proszków polega na jego zagęszczeniu na drodze wywierania

ściskania go w zamkniętej przestrzeni. W zależności od wymaganego kształtu

elementu, własności proszku dobiera sie odpowiednia 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

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.

Zjawiska przy spiekaniu

Zasadnicze zjawiska to:



przemieszczanie się atomów (transport
masy)



dyfuzja powierzchniowa i objętościowa,



płynięcie wywołane ciśnieniem kapilarnym,



parowanie i kondensacja.

Wpływ temp. na jednolitość spieku

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

Spiekanie

Podstawowe warunki spiekania to:

a)

temperatura,

b)

czas spiekania,

c)

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)

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 w głąb fazy stałej

Zestawienie temperatur
spiekania

Obróbka
wykańczająca



Obróbka wykańczająca spieków składa się z:

a)

obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej, wykonywanej w celu

polepszenia własności wyrobów spiekanych, które można

poddać hartowaniu i odpuszczaniu, przesycaniu i starzeniu lub

obróbce cieplno-chemicznej nawęglaniu lub azotowaniu;

b)

utleniania w parze wodnej w celu poprawienia odporności na

korozję i zmiana własności fizycznych i mechanicznych;

c)

kalibrowania, przeprowadzanego na gotowych produktach w

celu uzyskania wyższej dokładności wymiarowej, poddając je

naciskom znacznie niższym niż podczas formowania;

d)

nasycania spieków metalami ( stosowanego w celu

zmniejszenia porowatości spieku, poprzez zanurzenie

porowatego szkieletu w roztopionym metalu lub wygrzewaniu

szkieletu wypełnionego proszkiem nasycającym w piecu) lub

niemetalami;

e)

obróbki plastycznej i skrawaniem, wykonywanej w celu

uzyskania wymaganych cech geometrycznych i własności,

stosowana dla spieków obróbka plastyczna to np. kucie i

walcowanie, a stosowana obróbka skrawaniem to np.

szlifowanie.

Materiały z proszków
spiekanych.



MASOWO PRODUKOWANE WYROBY SPIEKANE ZE

STALI I STOPÓW METALI NIEŻELAZNYCH

a)

Wyroby spiekane ze stali węglowych i

stopowych Umożliwiają znaczne zmniejszenie

pracochłonności, odciążenie obrabiarek,

oszczędności surowców i zmniejszenia ilości

odpadów. Spiekane części maszyn są stosowane w

przemysłach maszynowym i motoryzacyjnym. W

postaci spieków są wytwarzane koła zębate, rolki,

podkładki, nakrętki, zapadki, części amortyzatorów,

gniazda zaworów, łożyska, okucia budowlane,

elementy uzbrojenia, części maszyn biurowych i

maszyn do szycia.

b)

 Wyroby spiekane z miedzi i jej stopów
Miedź oraz brązy lub mosiądze są stosowane do

wyrobu spiekanych części urządzeń i maszyn, okuć

budowlanych. 

Materiały z proszków
spiekanych.



ŁOŻYSKA I FILTRY SPIEKANE

a)

Spiekane łożyska lite
Spiekane łożyska ślizgowe wykazują dobre własności mechaniczne.

a)

Porowate łożyska samosmarowe
Spiekane łożyska porowate są stosowane w układach, w których

nie ma możliwości doprowadzenia dodatkowego smarowania oraz

wykonywania przeglądów okresowych oraz tam, gdzie nie można

dopuścić do wyciekania oleju. Łożyska porowate z dodatkowym

smarowaniem są stosowane w ciężkich warunkach pracy — przy

dużych prędkościach oraz obciążeniach. 

a)

Spiekane filtry porowate
Filtry spiekane o porowatości do 50% cechują się dobrymi

własnościami mechanicznymi, w tym wytrzymałością na

rozciąganie, wytrzymałością na zginanie, a także dużą odpornością

na obciążenia udarowe i działanie wysokiej temperatury. Mogą być

regenerowane przez przepłukiwanie lub przedmuchiwanie oraz

metodami chemicznymi. Są stosowane w przemysłach

zbrojeniowym, lotniczym, motoryzacyjnym, chemicznym i

obrabiarkowym. 

Materiały z proszków
spiekanych.



SPIEKANE MATERIAŁY NARZĘDZIOWE

a)

Spiekane stale szybkotnące

Stale te charakteryzuje

dobra plastyczność, obrabialność mechaniczna, dobra

szlifowalność, duża stabilność wymiarowa. 

b)

Węglikostale spiekane

W zależności od gatunku

węglikostale spiekane są stosowane do wytwarzania narzędzi do

obróbki plastycznej na zimno i na gorąco, narzędzi

wykrojnikowych i części pras w metalurgii proszków. 

c)

Węgliki spiekane Węgliki spiekane charakteryzują się dużą

odpornością na działanie wysokiej temperatury-do ok. 1000

o

C

nie tracą swej dużej twardości i odporności na ścieranie. Mają

też niską ciągliwość i małą wytrzymałość na rozciąganie.

d)

 Ceramiczne materiały narzędziowe
W odróżnieniu od węglików spiekanych materiały te nie

zawierają metalu wiążącego, a ich ciągliwość jest znacznie

mniejsza niż węglików spiekanych. Najważniejszą zaletą

spiekanych materiałów ceramicznych jest możliwość obróbki z

bardzo dużą szybkością skrawania.

Materiały z proszków
spiekanych.



SPIEKANE MATERIAŁY MAGNETYCZNIE TWARDE I
MAGNETYCZNIE MIĘKKIE

a)

Spiekane magnesy trwałe

b)

Spiekane materiały magnetycznie miękkie

 



SPIEKANE STYKI I PRZEWODNIKI ELEKTRYCZNE

a)

Spiekane styki elektryczne

b)

Spiekane przewodniki elektryczne



CERMETALE ŻAROODPORNE I ŻAROWYTRZYMAŁE