Metalurgia proszków jest dziedziną techniki, obejmującą metody wytwarzania proszków metali i materiałów metalowych lub ich mieszanin z proszkami niemetalowymi oraz otrzymywania półproduktów i produktów z tych proszków bez konieczności roztapiania głównego składnika. Elementy z niektórych materiałów, np. metali trudno topliwych, węglików spiekanych, mogą być wytworzone jedynie metodami metalurgii proszków. Technologia metalurgii proszków w wielu przypadkach wykazuje podobieństwo do technologii materiałów

ceramicznych.

Do zalet metalurgii proszków w porównaniu z innymi technologiami można zaliczyć ograniczenie zużycia materiałów, możliwość otrzymywania materiałów, których nie da się wytworzyć innymi metodami, stosowanie niższej temperatury niż w metalurgii konwencjonalnej. Wady metody metalurgii proszków są związane z uzyskiwaniem materiałów o dużej porowatości, a co za tym idzie – o małej wytrzymałości, oraz z trudnościami w uzyskiwaniu produktów o złożonym kształcie ze względu na nierównomierny rozkład ciśnienia w objętości proszku podczas prasowania. Porowatość produktów można wykorzystać, np. w filtrach i łożyskach porowatych (samosmarujących).

Najogólniej w procesie technologicznym produktów metodą metalurgii proszków można wyszczególnić następujące operacje:

-wytworzenie proszku metalu lub mieszaniny proszków różnych materiałów,

-przygotowanie proszku,

-formowanie proszku na zimno,

-spiekanie,

-obróbkę wykończającą.

Metody mechaniczne wytwarzania proszków:

Metodami mechanicznymi przez rozdrabnianie w młynach kulowych, wibracyjnych lub wirowo–udarowych uzyskuje się proszki w kształcie talerzykowatym (proszek Hametag), wielościennym lub odłamkowym. Metody mechaniczne należą do mało wydajnych i mogą być stosowane w zasadzie do rozdrabniania metali i niemetali kruchych. Proszki rozdrobnione w młynach kulowych lub wibracyjnych zwykle są zanieczyszczone materiałem okładzin młyna i kul, co wymaga następnego ich oczyszczania chemicznego.

Wytwarzanie proszków metodą rozpylania:

Rozpylanie polega na rozbijaniu strumienia ciekłego metalu na drobne kropelki przez środek rozpylający działający pod znacznym ciśnieniem. Środkiem tym jest zwykle woda, para wodna, powietrze lub gazy obojętne. Kropelki cieczy zastygają przed opadnięciem na dno zbiornika. Dodatkowo, w metodzie znanej jako DPG poza rozpylaniem stosuje się również mechaniczne rozbijanie strumienia ciekłego metalu za pomocą łopatek – klinów, zamocowanych na wirującej tarczy. W metodzie określanej jako RZ proces rozpylania jest połączony z występującymi w jego trakcie lub stosowanymi później reakcjami chemicznymi utleniania, wypalania węgla lub redukcji.

Metody fizykochemiczne otrzymywania proszków:

Bardzo czyste chemicznie proszki metali, głównie żelaza, o charakterystycznej strukturze warstwowej i o kształcie kulistym otrzymuje się metodą karbonylkową. Polega ona na wstępnym wytworzeniu karbonylków, np. Fe(CO)5, w wyniku działania tlenku węgla na rudę lub złom metalu w reaktorach wysokociśnieniowych. Karbonylki metali, które są cieczami, ogrzewane następnie powyżej tempera-tury wrzenia rozkładają się na czysty metal, osadzający się w chłodzonych zbiornikach, oraz tlenek węgla, służący do wytwarzania następnych porcji karbonylków.

Proszki metali trudno topliwych mogą być uzyskane przez redukcję ich tlenków lub soli, najczęściej w piecach przepychowych w przeciwprądzie gazu redukcyjnego, np. wodoru, lub w piecach zawiesinowych.

Metoda elektrolityczna polega na wydzielaniu metalu na katodzie, najczęściej w postaci gąbki, którą po wysuszeniu rozdrabnia się na proszek. Proszki metali o niskiej temperaturze wrzenia, np. Zn, mogą być wytwarzane metodą odparowywania metalu i następnie kondensacji jego par w zbiorniku, zwanym kondensatorem.

Przygotowanie proszków:

Przygotowanie proszku ma na celu uzyskanie odpowiedniego wsadu do dal-szych operacji technologicznych. Procesy przygotowania wsadu obejmują sortowanie proszku na różne frakcje ziarnowe, mieszanie w odpowiednich proporcjach, dodawanie środków poślizgowych i porotwórczych, a także granulację proszków.

Formowanie na zimno:

Formowanie na zimno polega na poddawaniu proszku ściskaniu w zamkniętej przestrzeni, w wyniku czego następuje jego zagęszczenie. W zależności od kształtu formy oraz własności proszku, w szczególności zaś od jego plastyczności, zagęszczalności i formowalności, dobiera się odpowiednią metodę formowania na zimno, a mianowicie:

-prasowanie na zimno w różnego rodzaju prasach w zamkniętych matrycach (rys. 8.59 ),

-prasowanie izostatyczne w komorach wysokociśnieniowych,

-wibracyjne zagęszczanie proszków

-prasowanie obwiedniowe

-prasowanie kroczące

-walcowanie proszków

-wyciskanie proszków na zimno

-formowanie udarowe,

-kucie na zimno,

odlewanie i napylanie gęstwy, tj. silnie za-gęszczonej zawiesiny proszku materiału pod-stawowego w cieczy z dodatkiem środków zapobiegających aglomeracji ziarn . W wyniku formowania uzyskuje się formówki, np. wypraski, odkuwki, walcówki.

ISTOTA SPIEKANIA

Spiekaniem proszków jest nazywana operacja technologiczna (której poddaje się formówkę lub luźno zasypane ziarna proszku), polegająca na złączeniu pod wpływem ogrzewania poszczególnych ziarn proszku w kompozyt o określonych własnościach mechanicznych i fizykochemicznych. W wyniku spiekania otrzymuje się spieki metali lub spieki ceramiczno–metalowe, zwane cermetalami. Spiekanie może przebiegać jako: swobodne, pod działaniem siły, tj. połączone z formowaniem zapewniającym określony kształt, np. w wyniku prasowania proszków na gorąco, walcowania na gorąco lub kucia na gorąco.

SPIEKANIE Z FAZĄ STAŁĄ

Spiekanie jest wykonywane zwykle poniżej temperatury topnienia głównego składnika. W pierwszym etapie spiekania w fazie stałej ziarna proszku łączą się w wyniku adhezji. Po nagrzaniu na powierzchni ziarn następuje dyfuzja atomów.

SPIEKANIE POŁĄCZONE Z FORMOWANIEM

W przypadku gdy spiekanie jest połączone z formowaniem, zewnętrzne siły powodują dodatkowe odkształcenie plastyczne ziarn proszków metali, któremu – ze względu na wysoką temperaturę – towarzyszą zwykle procesy zdrowienia i rekrystalizacji – statyczne lub dynamiczne.

SPIEKANIE Z FAZĄ CIEKŁĄ

W czasie tzw. spiekania z fazą ciekłą przejściowo lub stale może występować faza ciekła, mimo że temperatura jest niższa od temperatury topnienia głównego składnika. Spiekanie z fazą ciekłą jest zazwyczaj właściwe dla proszków wieloskładnikowych, a roztopieniu ulegają niskotopliwe eutektyki utworzone przez poszczególne

składniki. W pierwszym etapie spiekania z fazą ciekłą tworzy się ciecz zapełniająca pory między ziarnami proszku, ułatwiająca przegrupowywanie się i zwarte ułożenie ziarn. Zk olei następuje rozpuszczanie się w cieczy niektórych drobnych ziarn oraz wydzielanie z cieczy kryształów na dużych ziarnach. W końcu cząstki

stałe zrastają się i spiekają. Spieki otrzymane w wyniku spiekania z fazą ciekłą charakteryzują się strukturą składającą się z równomiernie rozłożonych ziarn fazy stałej w zakrzepłej cieczy.

WŁASNOŚCI SPIEKÓW

W wyniku spiekania uzyskuje się materiał zwarty, jednak zwykle w pewnym stopniu porowaty, o strukturze jedno- lub wielofazowej. Zarówno spiekanie z fazą stałą, jak i ciekłą może prowadzić do uzyskania struktury jednorodnej lub niejednorodnej.

Spieki cechują się:

-zespoleniem poszczególnych ziarn proszku,

-utworzeniem nowych granic ziarn,

-własnościami różnymi od własności formówek,

-zazwyczaj objętością mniejszą od formówek,

-większą gęstością od formówek.

Niekiedy spiekanie może jednak powodować zwiększenie objętości. Zmianę objętości powodowaną spiekaniem należy brać pod uwagę podczas projektowania przez uwzględnienie odpowiednich naddatków formówek.

OPERACJE OBRÓBKI WYKOŃCZAJĄCEJ SPIEKÓW

Obróbka wykończająca spieków obejmuje:

-obróbkę cieplną, (przeprowadzane w celu polepszenia własności mechanicznych i fizycznych – hartowanie , odpuszczanie , starzenie , przesycanie)

-kalibrowanie, (przeprowadzane w celu polepszenia dokładności wymiarów – przy dużo mniejszych naciskach niż formowanie na zimno)

-nasycanie spieków metalami, (przeprowadzane w celu zmniejszenia porowatości )

-obróbkę plastyczną, (przeprowadzane w celu nadania wymaganych cech geometrycznych oraz własności – np. kuciu lub walcowaniu)

-obróbkę skrawaniem. (przeprowadzane w celu nadania wymaganych cech geometrycznych oraz własności – np. szlifowanie)

Metody otrzymywania proszków stali szybkotnących:

Metoda CMII - Consolidated Metallurgical Industries Incorporation - służy do otrzymywania spieków kształtowych ze stali szybkotnących.

Metoda POWDREX - W metodzie tej nie rozpyla się ciekłej stali szybkotnącej, lecz oddzielnie

uzyskuje się proszek stali węglowej i niezbędnych dodatków stopowych przez

kolejne rozpylanie wodą ciekłej stali węglowej i pierwiastków stopowych.

Metoda ASP – polega na uzyskaniu proszku stali szybkotnącej przez rozpylanie normalnie wytopionej stali szybkotnącej w strumieniu bardzo czystego azotu

Metoda STAMP – modyfikacja metody ASP, W metodzie tej rozpylanie

ciekłej stali szybkotnącej gazem obojętnym następuje w komorze poziomej.

Metoda CAP – (wytwarzanie spiekanych stali szybkotnących), stal szybkotnąca wytopiona

w piecu indukcyjnym w powietrzu lub w próżni jest rozpylana odpowiednio azotem

lub argonem.

Formowanie wtryskowe proszku PIM - (powder injection molding)- Umożliwia ona wykorzystanie zalet formowania wtryskowego polimerow do wytwarzania materiałow metalowych, ceramicznych i metalowo–ceramicznych.

WŁASNOŚCI SPIEKANYCH STALI SZYBKOTNĄCYCH

Spiekane stale szybkotnące, w porównaniu ze stalami konwencjonalnymi, wykazują

wiele korzystnych własności technologicznych:

-dobrą plastyczność,

-dobrą obrabialność mechaniczną,

-bardzo dobrą szlifowalność,

-dużą stabilność wymiarową po hartowaniu i odpuszczaniu, w przeważającej liczbie przypadków lepsze własności użytkowe.

Węglikostale spiekane

METODY WYTWARZANIA WĘGLIKOSTALI SPIEKANYCH

Węglikostale spiekane należą do najdroższych tworzyw narzędziowych. Do produkcji tych materiałów spiekanych są wykorzystywane głównie węgliki tytanu TiC, nieulegające niemal zupełnie rozpuszczaniu w osnowie stalowej podczas obróbki cieplnej, której poddaje się narzędzia lub inne elementy wykonane z tych

materiałów.

Węglikostale spiekane są produkowane dwoma sposobami:

-przez spiekanie porowatego szkieletu z proszku węglika tytanu i następnie na-sycaniu szkieletu ciekłą stalą,

-klasycznymi metodami metalurgii proszków przez mieszanie proszków TiC i proszków odpowiedniej stali, prasowanie i następnie spiekanie.

Ze względu na ogromne powinowactwo chemiczne tytanu do tlenu produkcja węglikostali spiekanych wymaga urządzeń z atmosferami ochronnymi lub próżniowych. Wymiary produktów i półproduktów wykonanych z węglikostali spiekanych są ograniczone wymiarami urządzeń produkcyjnych, głównie pras i pieców. Węglikostale spiekane dostarcza się w stanie wyżarzonym w postaci prętów o przekroju kołowym lub kwadratowym, kostek, krążków, tulei lub pierścieni.

OBRÓBKA PLASTYCZNA I CIEPLNA WĘGLIKOSTALI SPIEKANYCH

Węglikostali spiekanych nie można poddać konwencjonalnej obróbce plastycznej polegającej np. na kuciu lub walcowaniu. W temperaturze 1100÷1200°C materiały te można jednak w ograniczonym zakresie odkształcać plastycznie. Narzędzia lub ich elementy wykonuje się z węglikostali spiekanych głównie metodami obróbki wiórowej. Wymagane kształty i wymiary w stanie zmiękczonym można nadawać również metodami elektroerozyjnymi, elektrochemicznymi, ultradźwiękowymi, a także przez szlifowanie.

WŁASNOŚCI I ZASTOSOWANIE WĘGLIKOSTALI SPIEKANYCH

Trwałość narzędzi wykonanych z węglikostali spiekanych jest 10÷20–krotnie większa niż narzędzi wytworzonych z konwencjonalnych stali narzędziowych. Mimo znacznych kosztów produkcji, bardzo korzystne własności eksploatacyjne węglikostali spiekanych sprawiają, że znalazły one duże zastosowanie. Ponieważ jako materiały wytwarzane metodami metalurgii proszków – mają ograniczone wymiary, a przy tym są szczególnie kosztowne, nie wykonuje się z nich całych narzędzi, lecz jedynie zbroi części bezpośrednio pracujące. Elementy wykonane z węglikostali spiekanych łączy się z oprawami i obudowami narzędzi metodami mechanicznymi, przez lutowanie miękkie i twarde, zgrzewanie oporowe, zalewanie w obudowie metalami niskotopliwymi lub żywicami termoutwardzalnymi, a także przez klejenie. Połączenia mechaniczne mogą być wykonane przez wprasowanie na gorąco lub na zimno, skurczowo lub przez zaciskanie śrubami i nitami. W zależności od gatunku węglikostale spiekane są stosowane do wytwarzania narzędzi do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco, narzędzi wykrojnikowych i elementów pras w metalurgii proszków.

Węgliki spiekane

Cermetale narzędziowe uzyskiwane metodami metalurgii proszków, w których objętościowy udział węglików wynosi ok. 50%, a osnowę wiążącą stanowią stale stopowe lub stopy utwardzane wydzieleniowo o strukturze martenzytycznej lub austenitycznej, są nazywane węglikostalami spiekanymi.

OGÓLNY PRZEGLĄD WĘGLIKÓW SPIEKANYCH

Materiałami tradycyjnie wytwarzanymi metodami metalurgii proszków i powszechnie stosowanymi są spiekane węgliki metali. Węgliki spiekane są materiałami składającymi się z węglików metali trudno topliwych, głównie W, a także Ti, Ta i Nb, o udziale objętościowym ok. 65÷95% oraz metalu wiążącego, którym jest zwykle kobalt .

Ponadto mogą być produkowane węgliki spiekane, w których metalem wiążącym jest nikiel, molibden oraz żelazo lub ich stopy z kobaltem.

METODY WYTWARZANIA PROSZKU WĘGLIKÓW

Pierwszy etap produkcji węglików spiekanych polega na wytwarzaniu proszku

węglików. Spośród licznych metod jego wytwarzania można wyróżnić:

-metodę stapiania,

-nawęglanie proszków czystych metali, tlenków lub wodorków metali w stanie

stałym przez spiekanie,

-nawęglanie proszków czystych metali, tlenków lub wodorków metali gazami zawierającymi węgiel,

-wydzielanie z fazy gazowej,

-wytrącanie węglików ze stopionych metali,

-elektrolizę soli.

Węgliki otrzymane różnymi metodami są poddawane zwykle oczyszczaniu

i rozdrabnianiu.

METODY WYTWARZANIA WĘGLIKÓW SPIEKANYCH

Produkty z węglików wytwarza się przez prasowanie i spiekanie oraz prasowanie na gorąco. Coraz większego znaczenia nabierają ponadto inne technologie, po-legające np. na spiekaniu pod ciśnieniem z ogrzewaniem indukcyjnym, wyciskanie prętów i tulejek z proszków z dodatkiem plastyfikatorów oraz odlewanie w zawiesinie. Zwykle węgliki spiekane wytwarza się jedną z trzech metod :

-wielostopniową,

-skróconą,

-jednostopniową.

WŁASNOŚCI WĘGLIKÓW SPIEKANYCH

Własności węglików spiekanych zależą głównie od składu chemicznego i składu fazowego węglików, kształtu i wielkości jego ziarn oraz udziału objętościowego w strukturze.

Węgliki spiekane wykazują dużą odporność na działanie wysokiej temperatury

– do ok. 1000°C nie tracą swej dużej twardości i odporności na ścieranie. Umożliwia to ich stosowanie do skrawania z dużą szybkością.

Wytrzymałość na zginanie węglików spiekanych ulega zwiększeniu ze wzrostem stężenia kobaltu, zwiększeniem udziału węglika tantalu i zmniejszeniem udziału węglika tytanu. Wytrzymałość na zginanie zależy również od wielkości ziarn osnowy i ziarn węglików, przy czym maksymalna wytrzymałość na zginanie odpowiada

określonej wielkości ziarn osnowy zwiększającej się ze zwiększeniem stężenia kobaltu w węglikach spiekanych.

Węgliki spiekane wykazują bardzo dużą wytrzymałość na ściskanie. Wytrzymałość na ściskanie zmniejsza się ze zwiększeniem stężenia kobaltu oraz udziału węglika tytanu.

W licznych zastosowaniach węglików spiekanych wykorzystano ich bardzo dużą odporność na ścieranie, która zależy od składu chemicznego. Największą odporność na ścieranie uzyskują węgliki spiekane WC–Co z małym stężeniem kobaltu. Gatunki te mogą być stosowane wyłącznie w przypadku, gdy w czasie pracy nie

występują uderzenia, a głównym mechanizmem zużycia jest ścieranie. W przypadku, gdy w czasie pracy występują obciążenia udarowe, stosuje się węgliki spiekane o większym stężeniu kobaltu.

MATERIAŁY SUPERTWARDE

Polikrystaliczny syntetyczny diament jest stosowany na narzędzia. Wykazuje on największą twardość ze wszystkich materiałów narzędziowych przy bardzo małej wytrzymałości na zginanie . Podstawową postacią narzędzi z polikrystalicznego diamentu są płytki o niewielkich wymiarach, zwykle o grubości nie

większej od 0,5 mm, niekiedy od 1 mm i pozostałych wymiarach nie większych od kilku mm. Płytki te są łączone z częścią nośną, wykonaną z materiału o mniejszej kruchości, najczęściej z płytką z węglików spiekanych o znormalizowanych wymiarach płytek wieloostrzowych. Narzędzia z polikrystalicznego syntetycznego diamentu są stosowane do toczenia i frezowania aluminium, magnezu, miedzi, cynku i ich stopów, a także innych

stopów metali nieżelaznych, głównie z Si, węglików spiekanych, porcelany i materiałów ceramicznych, gumy, tworzyw sztucznych, drewna, materiałów kompozytowych z tworzyw sztucznych i włókien szklanych, stopów srebra, złota i platyny oraz węgla z dużą prędkością skrawania. Narzędzia z polikrystalicznego syntetycznego

diamentu umożliwiają uzyskanie bardzo gładkich powierzchni obrabianych elementów o Ra= 0,4÷1,7 µm przy kilkudziesięcio- do kilkusetkrotnym wzroście liczby przedmiotów obrobionych jednym narzędziem w porównaniu z narzędziami z węglików spiekanych, ze względu na znacznie mniejsze zużycie ostrza. Natomiast

polikrystaliczny syntetyczny diament nie nadaje się do skrawania stali. Ze względu na reaktywność chemiczną w wysokiej temperaturze wytwarzającej się w czasie skrawania, następuje dyfuzja węgla i jego grafityzacja w stali.

Oznaczenie grupy zastosowania supertwardych materiałów skrawających z diamentu polikrystalicznego rozpoczyna się od liter DP, np. DP–K01. Polikrystaliczny syntetyczny diament jest również stosowany na ciągadła do ciągnienia drutu ze stali nierdzewnych i kwasoodpornych, galwanizowanych stali węglowych, aluminium i miedzi oraz ich stopów, niklu, wolframu, molibdenu, a także innych materiałów. Zastosowanie tych ciągadeł powoduje znaczne zwiększenie wydajności pracy ciągnienia i polepszenia jakości powierzchni drutów.