Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Materiały spiekane
cz. 1
dr inż. Grzegorz Matula
[e-mail]
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Metalurgia Proszków to:
" Konkurencyjna metoda dla procesów
odlewania, kucia i obróbki ubytkowej.
" Stosowana gdy:
-temperatura topnienia jest zbyt wysoka
(W, Mo).
-twardość jest zbyt duża dla obróbki
skrawaniem.
- skala produkcji jest duża.
" Możliwość wytwarzania materiałów
porowatych i kompozytowych niemożliwych do
wytworzenia innymi metodami.
" Dobra zgodność wymiarowa.
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Z pośród produktów wytwarzanych metodami metalurgii
proszków około 70% trafia do przemysłu samochodowego.
Części samochodowe wytwarzane metodami metalurgii proszków
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
1980 1985 1990 1995
2000
Porównanie zmiany cen stali szybkotnących
konwencjonalnych i spiekanych
Cena w relatywnych jednostkach
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Metody wytwarzania proszków
Mechaniczne Fizykochemiczne
z fazy stałej z fazy ciekłej z fazy gazowej elektrolityczna redukowania inne
z roztworów
z roztworów
zdzieranie granulowanie zestalanie
wodnych soli
wodnych
frezowanie rozpylanie
rozkład
ze stopionych ze stopionych
karbonylków
soli soli
rozpylanie i
ścieranie
rozdrabnianie
inne
cieplnie ze
mechaniczne
związków
tłuczenie
chemicznych
rozbijanie
Ogólna charakterystyka metod wytwarzania
proszku
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Ciekły metal
Próżniowy
piec indukcyjny
Wlot gazu
Dysza
gaz
gaz
Strefa
rozprężania
gazu
Proszek
drobnoziarnisty
Zbiornik
Proszek
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Schemat urządzenia do rozpylania metali; 1  kadz
, 2  tygiel,
3  dysza, 4  komora rozpylania, 5  proszek
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Schemat urządzenia do otrzymywania proszków metali przez
rozpylanie metodą DPG; 1  ciekły metal, 2  lejek z dyszą,
3  woda, 4  wirująca tarcza z łopatkami klinami
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
25 m�m
25 m�m
" Proszek stali HS6-5-2 i HS12-1-5-5 firmy Ospray rozpylony
argonem
" wielkość ziarna w 80% poniżej 21m�m
" kształt sferyczny
" zastosowany do wytwarzania stali metodą formowania
gęstwy polimerowo-proszkowej
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
40
30
20
10
0
5 10 15 20 25 30 35
Wielkość ziarna, m�m
Rozkład wielkości ziarna proszku rozpylonego
gazem stali HS12-1-5-5 (T15)
Udział procentowy, %
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Proszek HS6-5-2 Proszek HS12-1-5-5
50 m�m
100 m�m
40
" Proszek firmy H�ganas rozpylony
30
wodą
20
10
" wielkość ziarna poniżej 100m�m
0
20 40 60 80 100 120 " rozwinięta powierzchnia proszku
Wielkość ziarna, m�m
" prasowany pod ciśnieniem 750 MPa
i spiekany
Rozkład wielkości ziarna proszku
stali HS12-1-5-5
Udział procentowy, %
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Etapy wytwarzania spieków
- Wytwarzanie proszku
- Przygotowanie proszku
- Formowanie (prasowanie)
- Spiekanie
- Obróbka wykańczająca
Części maszyn wytworzone przez spiekanie
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Przygotowanie proszku
1. Redukcja tlenków
2. Wyżarzanie
3. Odważenie proszków
4. Dodanie środków poślizgowych
5. Mieszanie
Początek mieszania Koniec mieszania
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Transport proszku
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Formowanie
Ciśnienie prasowania mieści się w
1. Zasypanie matrycy
zakresie 100  900 MPa,
2. Sprasowanie proszku
rezultatem jest powstanie
3. Usunięcie wypraski
kształtki  Green body .
y�Prasowanie w matrycy
y�Prasowanie izostatyczne
y�Walcowanie
Powder Injection Molding (PIM)
dla małych elementów.
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Formowanie
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Schemat prasowania jednostronnego proszków; 1  stempel górny,
2  matryca, 3  proszek, 4  stempel dolny
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Schemat prasowania obwiedniowego proszków; 1  obracający
się stempel, 2  matryca, 3  wypychacz, 4  proszek
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Schemat urządzenia do prasowania kroczącego proszków;
1  podłużna matryca, 2  przesuwający się tłok metalowy,
3  proszek
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Schemat walcowania proszków; 1  walce, 2  lej zasypowy, 3  proszek
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Schemat wyciskania proszków bez osłony; 1  matryca,
2  rura stalowa, 3  popychacz proszku, 4  stempel,
5  uformowany proszek
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Zasada odlewania gęstwy a) forma, b) zalewanie gęstwy,
c) uzyskana kształtka
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Rozpuszczalnik
Proszek
GRANULACJA
Lepiszcze
MIESZANIE
Środek poślizgowy
DEGRADACJA
SPIEKANIE
LEPISZCZA
WTRYSKIWANIE
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
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 d i h
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Schemat prasowania dwustronnego z przeciwbieżnym ruchem
stempli: a) zasypywanie proszku do matrycy, b) prasowanie, c) usuwanie
wypraski; 1 - stempel górny, 2 - stempel dolny, 3 - matryca, 4 - kaseta
zasypowa, 5  wypraska
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Prasowanie dwustronne ze współbieżnym ruchem matrycy: a) zasypywanie
proszku, b) prasowanie, c) usuwanie wypraski; 1 - stempel górny, 2 -
stempel dolny, 3 - matryca, 4 - ruchomy stół matrycy, 5 - kaseta
zasypowa, 6  wypraska
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Schemat rozkładu gęstości w wyprasce przy prasowaniu jednostronnym (a) i
dwustronnym(b): h - wysokość wypraski; strzałki wskazują kierunki działania
stempli względem matrycy
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
17,5
15
12,5
10
7,5
5
2,5
0
10 7,5 5 2,5 10
0 2,5 5 7,5
Odległość od osi, mm
Rozkład gęstości proszku niklu prasowanego
jednostronnie pod ciśnieniem 700 MPa
Wysokość wypraski, mm
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Rozkład gęstości
Na gęstość wypraski wpływ mają:
" Rodzaj proszku,
" Metoda prasowania,
" Ciśnienie prasowania,
" Kształt formy,
Przy spiekaniu:
Rozkład gęstości w przekroju wypraski
prasowanej dwustronnie
" Temperatura i czas spiekania,
" Zastosowana atmosfera
" Obecność fazy ciekłej
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Spiekanie
z�Spiekanie odbywa się w zakresie
temperatur: 0.7~0.9 Tm.
z�Transformacja mechanicznie zespolonych
wyprasek w dużo wytrzymalsze zespolone
metalicznie spieki.
1/ 3
z�Występuje zjawisko skurczu:
r�green
ć� ��
�� ��
Skurcz -� liniowy =�
Vsintered r�green ��
r�sintered ��
Obj.skurcz =� =� Ł� ł�
Vgreen r�sintered
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Piec rurowy do pracy okresowej
" Do spiekania małych serii,
" Do kształtek o małych wymiarach,
" Do temperatury 1000�C
1 - zamknięcie komory załadowczej, 2  termopara, 3  spiekane elementy, 4  elementy grzejne,
5  podłączenie elektryczne pieca, 6  płaszcz wodny, 7  doprowadzenie atmosfery ochronnej,
8  zamknięcie komory wyładowczej
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Piec indukcyjny do pracy okresowej
" Są uszczelniane wodą,
" Umożliwiają spalenie
zużytej atmosfery,
" Nie wymagają wypalenia,
środków poślizgowych,
przed spiekaniem,
" Umożliwiają oszczędne zużywanie
atmosfer.
" Pozwalają uzyskać wysokie
temperatury
1  Zamknięcie komory pieca, 2  komora próżniowa, 3  doprowadzenie prądu,
4 i 5  doprowadzenie i odprowadzenie wody chłodzącej, 6  połączenie z instalacją próżniową
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Piec tunelowy
Część załadowcza,
Część grzewcza,
Część wyładowcza
1  zamknięcie komory załadowczej, komora załadowcza, 3  termopara, 4  podajnik rolkowy,
5  wsad, 6  komora grzewcza, 7  elementy grzejne, 8  komora wyładowcza, 9 płaszcz wodny
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Piec tunelowy
" Transport kształtek odbywa się za pomocą podajników:
-Taśmowych,
-Rolkowych,
" Konieczne jest wypalenie środków poślizgowych
" Duże zużycie atmosfer ochronnych
" Wysoka wydajność
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Prasowanie na gorąco
Metoda stosowana do spieków
o specjalnym przeznaczeniu,
np. dużym współczynniku tarcia,
stosowanych w sprzęgłach
Kształtka sprasowana podczas spiekania
Transport kształtek podajnikiem taśmowym
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Formowanie wtryskowe proszku
Rozpuszczalnik
Proszek
GRANULACJA
Lepiszcze
MIESZANIE
Środek poślizgowy
DEGRADACJA
SPIEKANIE
LEPISZCZA
WTRYSKIWANIE
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Metoda ta wzięła swój początek od formowania wtryskowego
materiałów polimerowych, stosowanego na szeroką skalę do
wytwarzania materiałów termoplastycznych. Umożliwia ona
wykorzystanie zalet formowania wtryskowego polimerów do
wytwarzania materiałów metalowych, ceramicznych i metalowo-
ceramicznych. Wzrost zastosowania formowania wtryskowego
proszku PIM (Powder Injection Molding) jaki przypada na kraje
rozwinięte obejmuje już prawie każdą dziedzinę życia. Szerokie
zastosowania metody wynikają z możliwości wytwarzania elementów o
skomplikowanych kształtach, stosunkowo małej masie i wysoko
rozbudowanej powierzchni, co w przypadku innych metod wytwarzania
materiałów spiekanych jest wyjątkowo trudne lub też niemożliwe.
Dodatkowym atutem tej metody jest niewątpliwie możliwość
pominięcia obróbki plastycznej i ubytkowej, oraz związane z tym
korzyści ekonomiczne i ekologiczne. Formowanie wtryskowe proszku w
porównaniu do innych metod wytwarzania materiałów spiekanych ma
silne tendencje rozwojowe i z pewnością będzie metodą priorytetową
w niedalekiej przyszłości.
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Ford
Wirnik wykonany z SiC Stabilizator pocisku
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Mieszanie Wtrysk Degradacja Spiekanie
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
PIM Materiały ceramiczne
Autolite
Ferro
Ceramco
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
PIM materiały metaliczne
Hitachi
Phillips
Ecrimesa
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
PIM Węgliki
Horn
MoldMaster
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Inne zastosowania metody PIM
disk drive
Panasonic
hair trimmer
Sensor Components
airbag
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Inne zastosowania metody PIM
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Inne zastosowania metody PIM
Orthodontic Bracket
Small and Complicated
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Obróbka spieków
1. Obróbka mechaniczna spieków
" Kalibrowanie
" Obróbka skrawaniem spieków
2. Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna
3. Nasycanie spieków
4. Obróbka powierzchniowa spieków
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
P/M w produkcji masowej
" Małe straty materiału,
2
" Krótki czas przyuczania obsługi,
" Jednorodność maszyn i ich mała ilość,
" Niskie nakłady na oprzyrządowanie produkcji
1
Porównanie składników kosztów jednostkowego wytwarzania dla części:
1  wykonanej z odkuwki, 2  z proszków
Materiały inżynierskie z elementami inżynierii stomatologicznej
Zalety i wady P/M ???
" Teoretycznie nieograniczony wybór stopów, możliwość uzyskania
materiałów o szczególnych właściwościach.
" Wytwarzanie trudno topliwych stopów.
" Wytwarzanie materiałów porowatych na łożyska samosmarujące.
" Ekonomiczny proces przy produkcji masowej.
" Długi czas wygrzewania wpływa na wymiary i kształt wyprasek.
" Zredukowanie strat materiałów.
" Ograniczony rozmiar spieków i kształt.
" Wysoki koszt wytworzenia proszku.
" Wysoki koszt narzędzi.
" Mniejsza wytrzymałość produktów, niż tych wytworzonych w
konwencjonalnych metodach.