TECHNOLOGIA MATERIAŁÓW METALICZNYCH - LABORATORIUM		2010/2011
Katarzyna Plebanek, Krzysztof Szpak		Rok III	Grupa 2
			Zespół
Numer Ćwiczenia 6	Zagęszczanie proszków metali	Ocena

I. Cel ćwiczenia

Praktyczna identyfikacja skutków zagęszczania proszków metali. Badania wpływu ciśnienia prasowania na gęstość formowanych wyprasek.

II. Wstęp teoretyczny

Metalurgią proszków nazywamy metodę wytwarzania metali z ich proszków, bez przechodzenia przez stan ciekły. Oddzielne cząstki proszków łączą się ze sobą w jednolitą masę podczas wygrzewania silnie sprasowanych kształtek w atmosferze redukującej lub obojętnej.

Proces metalurgii proszków jest ekonomiczną metodą wielkoseryjnej produkcji elementów o niewielkich prostych kształtach, w wyniku której uzyskuje się w pełni zwarte sprasowane komponenty. Technologia ta umożliwia uzyskanie jednorodnej mikrostruktury wolnej od niemetalicznych wtrąceń i defektów, dlatego produkty metalurgii proszków charakteryzują się wyjątkowymi właściwościami mechanicznymi i odpornością na zużycie. Dzięki temu znajdują szerokie zastosowanie w różnych branżach, takich jak przemysł lotniczy i motoryzacyjny.

Rys. 1. Przykłady wyrobów otrzymanych metodą metalurgii proszków

Proces technologiczny

Zasadnicze etapy procesu wytwarzania wyrobów metalowych metodą metalurgii proszków to:

• otrzymywanie proszku metalu i przygotowanie,

• prasowania (formowania),

• spiekanie,

• obróbka wykańczająca.

Rys. 2. Uproszczony schemat produkcji masowej produktów z proszków żelaza i stali. a) wytwarzanie proszków, b) przygotowywanie proszków, c) formowanie i spiekanie, d) obróbka wykańczająca.

Formowanie

Formowanie proszków polega na jego zagęszczeniu na drodze ściskania go w zamkniętej przestrzeni. W zależności od wymaganego kształtu elementu i własności proszku dobiera się odpowiednią metodę formowania. Uformowane kształtki posiadają spoistość, wynikającą z połączenia poszczególnych cząstek proszku siłami adhezji, lecz ich wytrzymałość jest niska. Wśród najczęściej wymienianych metod formowania można znaleźć: prasowanie w matrycach zamkniętych, prasowanie izostatyczne, prasowanie kroczące (z przesuwającą się matrycą), a także walcowanie, wyciskanie, odlewanie i wtryskiwanie. Na uwagę zasługują również specjalne metody formowania, gdzie wymienić można chociażby formowanie i prasowanie dynamiczne i pulsacyjne lub prasowanie w polu magnetycznym.

Spiekanie

Spiekanie jest jednym z podstawowych procesów technologicznych metalurgii proszków. Polega on na obróbce cieplnej uformowanych w matrycach kształtek, mający na celu trwałe powiązanie poszczególnych ziaren proszku słabo dotychczas zespolonych ze sobą. Układy jednoskładnikowe spieka się w temperaturze wynoszącej 2/3 do 4/5 bezwzględnej temperatury topnienia spiekanego materiału. Łączenie ziaren następuje bez przechodzenia przez fazę ciekłą. Układy wieloskładnikowe można spiekać bez udziału fazy ciekłej lub z jej udziałem. Faza ciekła powstaje ze stopienia jednego lub kilku składników, ilość jej jest jednak niewielka ze względu na niebezpieczeństwo nadtopienia brzegów lub zmiany kształtów produktu. Ze względu na konieczność ochrony wyrobów spiekanych z proszków metali przed utlenianiem, spiekanie wykonuje się w atmosferach ochronnych. Należy tu nadmienić, iż wyróżniamy atmosfery redukujące (np. H₂) i obojętne (N₂, Ar₂, He₂). Jako atmosferę obojętną można traktować także próżnie. Podstawowymi parametrami procesu spiekania jest temperatura, czas i rodzaj wykorzystanej atmosfery.

Własności wyrobów spiekanych

Własności wyrobów spiekanych określone są przez trzy grupy parametrów. Jedna z tych grup odnosi się do surowców, natomiast dwie pozostałe są związane bezpośrednio z technologią metalurgii proszków, dotyczą bowiem zabiegów prasowania i spiekania.

Skład chemiczny oraz sposób wytwarzania proszku są czynnikami kształtującymi wszystkie jego własności. Jako surowce w metalurgii proszków stosuje się głównie:

• proszki metali i stopów,

• proszki grafitu i diamentu,

• proszki niemetali, zwane rownież ceramicznymi (tlenki, azotki i borki, węgliki, krzemki).

Proces prasowania można realizować różnymi metodami. Wyróżnia się więc między innymi prasowanie: jednostronne, dwustronne, hydrostatyczne wielokrotne, na zimno i na gorąco. Podstawowym pararnetrem procesu prasowania jest wieikość ciśnienia jakie jest wywierane na zagęszczony proszek.

Przebieg procesu spiekania może także podlegać różnym schematom. Mozna wyróżnić: spiekanie pośrednie, bezpośrednie, w obecności fazy ciekłej, aktywowane. Głownymi parametrami procesu spiekania są temperatura, czas, rodzaj atmosfery.

III. Przebieg ćwiczenia

1. Przygotować 4 naważki proszku aluminium w ilości 0,4g.

2. Po wsypaniu proszku Al do pojemnika przeprowadzić prasowanie stosując odpowiednio naciski 4, 6, 8 I 10 kN dla kolejnych naważek.

3. Każdorazowo po prasowaniu zmierzyć wysokość wypraski.

IV. Opracowanie wyników

1. Schemat aparatury i urządzeń stosowanych podczas przeprowadzania ćwiczenia

Rys. 3. Maszyna wytrzymałościowa

Rys. 4. Prasa

Rys. 5. Elementy prasy

2. W oparciu o uzyskane dane doświadczalne:

• obliczyć objętość oraz gęstość wyprasek

• zależność gęstości ρ = f(P – ciśnienie prasowania)

• zależność siły potrzebnej do wypchnięcia pastylki F_w = f(P – ciśnienie prasowania)

IV. Wnioski

Przyłożona siła zewnętrzna wywiera nacisk formujący, powodując przesunięcie ziaren względem siebie, co jest określane jako poślizg masy prasowalniczej. Przemieszczenie się cząstek masy prasowalniczej w formie prowadzi do zagęszczenia proszku.

Przy niskich ciśnieniach prasowania, występują zjawiska prowadzące do gęstego upakowania ziaren proszku. Są to:

• przegrupowanie cząstek w wyniku poślizgu nie uporządkowanych ziaren względem siebie, obrót cząstek, załamanie mostków połączone z zapełnianiem dużych pustek. Wzajemne zbliżanie się do siebie ziaren powiększa oddziaływanie sił adhezji w wyniku czego powstaje układ o wysokim stopniu koordynacji;

• wzrost ciśnienia prasowania prowadzi do intensyfikacji zjawisk wyżej wymienionych (odkształcenia plastyczne i sprężyste ziaren proszku, rozdrobnienie aglomeratów oraz początek pękania i kruszenia ziaren). Następuje dalsze upakowanie ziaren i zapełnienie pustek tzw. „okruchami”. Zagęszczanie proszku wzrasta ze wzrostem ciśnienia;

• przy dalszym wzroście ciśnienia, ze względu na daleko już posunięte zagęszczenie, możliwe jest tylko nieznaczne przemieszczenie ziaren, dalsze kruszenie cząstek pierwotnych (znaczne przyrosty ciśnienia powodują już tylko nieznaczny wzrost zagęszczenia proszku).

Duży wpływ na stopień zagęszczenia proszków wywiera rozkład wielkości ziaren. W proszkach porowatych ziarna wypełniają przestrzenie między ziarnami większymi. Bardziej porowaty jest proszek o jednolitej ziarnistości niż proszek o różnej ziarnistości.

Pewną równomierność zagęszczenia można osiągnąć m. in. przez właściwe zaprojektowanie kształtu wypraski, ze względu na przebieg prasowania. Złe zaprojektowanie może pociągać za sobą znaczące straty ciśnienia, prowadzące do znacznych niejednorodności zagęszczenia. Zwiększenie zagęszczenia można uzyskać przez wprowadzanie środków poślizgowych. Środki poślizgowe ułatwiają poślizg cząstek względem siebie oraz względem ścian matrycy, zmniejszając zewnętrzne i wewnętrzne siły tarcia (czyli ułatwiają też wypychanie uformowanej wypraski z formy).