Zagadnienia wybrane:

spiek, proszek, stopowy całkowicie, stopowy częściowo, mieszanka, por, porowatość

1. Spiek

Spiek, aglomerat, półwyrób lub wyrób gotowy otrzymany z proszków przez spiekanie (metalurgia proszków). Zależnie od doboru składników rozróżnia się: spieki proste, jednoskładnikowe oraz spieki złożone, wielofazowe.

Do najważniejszych spieków złożonych zalicza się: pseudostopy, spieki ceramiczno-metalowe (cermet), spieki grafitowo-metalowe (łączące własności grafitu z własnościami metalu, którym bywa najczęściej miedź, żelazo lub brąz) oraz spieki diamentowo-metalowe.

Spiekanie, proces polegający na ogrzewaniu sproszkowanych lub drobnoziarnistych substancji do temperatury bliskiej temperaturze topnienia, bez doprowadzenia ich do stanu ciekłego. W wyniku spiekania następuje nadtopienie powierzchni i sklejenie poszczególnych ziaren w porowatą masę. Spiekanie pozwala na połączenie składników, których złączenie innymi metodami jest niemożliwe. Stosuje się je w przemyśle ceramicznym i metalurgicznym.

W czasie spiekania układy jednoskładnikowe 4/5 bezwzględnej temperatury spiekają się w temperaturze 2/3 topnienia. Łączenie ziaren następuje tutaj bez fazy ciekłej. Czas spiekania, temperatura są zależne od materiału (np. dla metali trudnotopliwych około pół godziny, zaś kilkugodzinne dla stopów magnesowych). Wyższa temperatura to krótszy czas spiekania, a niższa temperatura to dłuższy czas spiekania.

Układy wieloskładnikowe można spiekać z udziałem lub bez udziału fazy ciekłej. Powstaje ona ze stopienia jednego lub kilku składników. Ponieważ jest niebezpieczeństwo nadtopienia brzegów i zmiany kształtów nie powinna ona być duża. Dobór atmosfery ochronnej w której przeprowadzany jest proces to ważny warunek dobrego spiekania.

Produkcja spieków dzieli się na:

• wytwarzanie proszków metali,

• prasownie,

• spiekanie.

Prasowanie polega na:

• zwiększeniu powierzchni całkowitej styku ziaren proszku przez zbliżenie ich do siebie,

• zdarciu powłok tlenowych oraz gazowych poprzez tarcie poszczególnych ziaren proszku, o siebie, stykane są czyste powierzchnie metaliczne.

• w czasie wzajemnego nacisku ziaren na siebie następuje częściowe przegrupowanie atomów na powierzchniach styku.

Wytrzymałość prasówek proszku metalu prasowanego na zimno zależy od wysokości ciśnienia i plastyczności danego metalu (proszki miękkie: złoto, srebro, miedź; proszki twarde: chrom, tytan, wolfram). Ciśnienie wywierane na proszek w skutek tarcia ziaren proszku o siebie i matryce nie jest rozłożone równomiernie w proszku co powoduje nierównomierny rozkład gęstości w kształtce a dalej nierównomierny skurcz w czasie spiekania. Wiąże się to ze zmniejszeniem się porów. Po to by zmniejszyć różnice gęstości do prasowanych mas dodaje się składniki które mają zmniejszyć tarcie tj.: grafit, glicerynę eter, alkohol metylowy, stearynę, benzol, aceton, kamforę, benzynę (ich ilość nie przekracza 1%).

Matryce do prasowania produkuje się z stali które są hartowane, zabezpiecz się przed zużyciem przez twarde chromowanie. Stosuje się także wykładanie węglikami spiekanymi matryc, które bezpośrednio stykają się z proszkiem prasowanym. Pełne wkładki z węglików spiekanych nadaje się na małe matryce. Wyróżniają się one dużą odpornością na zużycie. Matryce tego typu muszą być szlifowane ponieważ mają małą wytrzymałość na zginanie. Ściany matryc chronione są nakładkami z węglików spiekanych. W matrycach stalowych koniecznością jest luz pomiędzy matrycą i stemplem (wynoszący od 0,2 - 0,5% średnicy prasówki). Zacięcia się stempla mogą być skutkiem zbyt małego luzu, zaś zbyt wielki luz powoduje osadzanie się proszku pomiędzy matrycą a stemplem tworząc rąbek na prasówkach, powodując szybsze zużycie matrycy. Prasowania przeważnie dokonuje się w matrycach ze stali w temperaturach pokojowych. Stosowane ciśnienie to od 1 do 10 ton/cm2. Prasy hydrauliczne służą do prasowania na zimno. Matryce ze stali, węgla lub grafitu nagrzewane są elektrycznie w czasie procesu spiekania.

Spiekanie i prasowanie można połączyć w jeden proces gdy chce się uprościć oraz przyspieszyć zjawiska technologiczne. Prasuje się w wyższej temperaturze a spieka pod ciśnieniem. Materiał który powstaje jest mało porowaty. Właściwości fizyczne i wytrzymałościowe takiego materiału są lepsze niż przy zastosowaniu tych operacji niż przy rozdzieleniu tych operacji. Trudność tutaj stanowi jednak mała wytrzymałość matryc przy podwyższonej temperaturze. Ze spiekania powstają materiały o ściśle określonym składzie chemicznym oraz wysokim stopniu czystości. Produkowane są przedmioty bez strat na wióry,

ścinki, nadlewy, i tak dalej.

2. Proszek

Proszki metali to materiał wyjściowy stopów, związków metali, metaloidów.
Rozdrabnianie proszków jest mechanicznym oddzielaniem małych cząstek metalu od metalu topionego przez wiórowanie, frezowanie, piłowanie, zdzieranie pilnikiem. Surowce dość kruche są mielone w młynach kulowych. Materiał przed mieleniem kruszy się w prasach wrzecionowych, łamaczach szczękowych, koło tokach. Dobór materiałów na te urządzenia jest uzależniony od rodzaju proszku (min. twarda porcelana, stal wyłożona węglikami spiekanymi). Metale jak: bizmut, antymon, i chrom są tak kruche że ich rozdrabnianie nie sprawia problemu. Stosuje się również sproszkowane stop wstępne - mają one strukturę kruchego związku międzymetalicznego (np. Fe - Si, Fe - Al, Ni - Ti). W czasie mielenia większe części metalu się zaokrąglają, mniejsze osadzają się na kulach i ścianach młyna. Można otrzymać proszek o ziarnach które mają różną wielość. Metody mechaniczne powodują to że produkty są zanieczyszczone, stosuje się je do wyrobu przedmiotów wielokrotnego użytku. Wyprodukowane przedmioty metodami fizykochemicznymi mają duży stopień czystości, są stosowane do specjalnych celów (np. wyroby z wolframu, stopów magnetycznych).

Redukcja chemiczna - niższa jej temperatura tym drobniejszy proszek. Wielkość ziaren jest większa z temperaturą (wzrastającą) oraz czasem trwania redukcji lub zawartością wilgoci w gazie redukcyjnym (wodór, tlenek węgla, amoniak). Tlenek przepychany przez piec w przeciw prądzie gazu redukcyjnego. Technicznie czyste proszki otrzymuje się przez zredukowanie ich tlenków sadzą w piecach gazowych.

3. Mieszanka

Mieszanki muszą cechować się odpowiednim stężeniem dopasowanym do danego zastosowania.

4. Por

Pusta przestrzeń w strukturze materiału.

5. Porowatość

Porowatość całkowita spieku jest to wyrażony w procentach stosunek objętości porów otwartych i zamkniętych do całkowitej próbki.

Porowatość otwarta jest to wyrażony w procentach stosunek porów otwartych, tzn. wolnych przestrzeni między ziarnami i cząstkami w spieku połączonych wzajemnie i z atmosferą, do całkowitej objętości próbki.

Wychodząc z różnicy D − R, która wskazuje o ile masa l cm³ ciała nieporowatego jest większa od masy l cm³ ciała porowatego, wiadomo, że dla całkowitego zapełnienia porów l cm³ porowatego i przekształcenia go w ten sposób w ciało nieporowate należy dodać D − R

nieporowatej substancji o gęstości równej D.

Objętość V tej ilości nieporowatej substancji otrzymuje się przez podzielenie jej masy przez gęstość:

Otrzymana wielkość stanowi sumaryczną objętość porów otwartych i zamkniętych

zawartych w 1 cm3 spieku. Wyrażając ją w procentach otrzymuje się całkowitą porowatość P:

Porowatość otwartą Po oblicza się ze wzoru:

Znając porowatość całkowitą P i otwartą Po można określić procentową zawartość porów zamkniętych w spieku P,

P_z = P - P₀

---