WYROBY SPIEKANE

Metalurgia proszków: otrzymywanie części maszyn i narzędzi przez spiekanie proszków metali w stanie stałym

Spieki: wyroby otrzymywane w powyższy sposób, istota spiekania polega na złączeniu pod wpływem ogrzewania poszczególnych ziarn proszku w kompozyt o określonych własnościach mechanicznych i fizykochemicznych

1825 r. - Rosja, bicie monet z platyny, dla których materiałem wyjściowym był proszek uzyskiwany na drodze chemicznej

1909 r. - włókno żarówek z proszku wolframu, tantalu i molibdenu

II wojna światowa - części maszyn

współcześnie - dynamiczny rozwój technologii mającej zastosowanie min. w przemyśle samochodowym, elektrotechnicznym, obrabiarkowym, budowlanym, wyrobów metalowych

Zalety metalurgii proszków w stosunku do tradycyjnych technologii:

• otrzymywanie materiałów o praktycznie dowolnym kształcie co pozwala na znaczne ograniczenie zużycia materiałów i eliminację kosztownej obróbki skrawaniem,

• otrzymywanie materiałów o wysokiej czystości bez domieszek,

• otrzymywanie materiałów bardziej jednorodnych niż otrzymywanych podczas krzepnięcia (uniknięcie wad związanych z procesem krystalizacji),

• można łączyć składniki, których połączenie nie byłoby możliwe innymi metodami ze względu np. na różne temperatury krzepnięcia lub brak wzajemnej rozpuszczalności,

• możliwość otrzymywania materiałów kompozytowych matalowo-ceramicznych, niemożliwych do otrzymania na drodze metalurgicznej,

• stosunkowo prosta technologia.

Wady:

• wysoki koszt, opłacalna tylko przy masowej produkcji (wysoki koszt otrzymywania proszków oraz drogie urządzenia),

• niższe własności mechaniczne ze względu na porowatość materiału.

Proces technologiczny wyrobów metodą metalurgii proszków:

• wytworzenie proszku metalu lub mieszaniny proszków różnych materiałów

Wytwarzane w wyniku mechanicznego lub fizykochemicznego rozdrabniania wyjściowego materiału litego albo reakcji chemicznych lub fizykochemicznych z innych materiałów lub związków chemicznych. Podstawowymi surowcami są proszki czystych metali (żelazo, mangan, miedź), jak zarówno proszki stopów metali (mosiądzów, brązów, stali nierdzewnych).

• przygotowanie proszku:

Ma na celu uzyskanie odpowiedniego wsadu do dalszych operacji technologicznych. Obejmuje:

- sortowanie na różne frakcje ziarnowe,

- mieszanie w odpowiednich proporcjach,

- dodawanie środków poślizgowych i porotwórczych,

- granulacja proszków.

• Formowanie proszków na zimno:

Polega na poddawaniu proszku ściskaniu w zamkniętej przestrzeni, w wyniku czego następuje jego zagęszczenie. Poprzedzone jest wyżarzaniem, które ma na celu podwyższenie ich plastyczności i zdolności do prasowania na drodze redukcji pozostałych tlenków oraz usunięcia zjawiska zgniotu.

Otrzymuje się tzw. wypraski o żądanym kształcie, wymiarach oraz odpowiedniej wytrzymałości niezbędnej do procesu spiekania.

Sposób wyboru metody formowania zależy od plastyczności proszku, zagęszczalności i formowalności:

- prasowanie na zimno w prasach w zamkniętych matrycach,

- prasowanie izostatyczne w komorach wysokociśnieniowych,

- wibracyjne zagęszczanie proszków,

- prasowanie obwiedniowe,

- prasowanie kroczące,

- walcowanie proszków,

- formowanie udarowe,

- kucie na zimno,

- odlewanie gęstwy

• Spiekanie:

Operacja technologiczna polegająca na wygrzewaniu wyprasek w wysokich temperaturach, w wyniku której otrzymuje się kompozyt o określonych własnościach mechanicznych i fizykochemicznych (temp. spiekania jest zwykle niższa od temperatury topnienia najniżej topliwego składnika). Otrzymuje się spieki metali lub spieki ceramiczno-metalowe (cermetale). Spiekanie może przebiegać jako swobodne lub pod działaniem siły, tj. połączone z formowaniem zapewniającym wymagany kształt.

Spiekanie:

- z fazą stałą,

- z formowaniem,

- z fazą ciekłą.

Czynniki mające wpływ na przebieg spiekania i własności otrzymanych proszków:

- granulacja wyjściowych proszków (większa dyspersja cząstek przyspiesza spiekanie i zwiększa własności mechaniczne i elektryczne spieków),

- ciśnienie prasowania (zwiększenie ciśnienia prowadzi do podwyższenia własności wytrzymałościowych spieków),

- temperatura spiekania (wyższa zwiększa gęstość spieków),

- czas spiekania ,

- atmosfera spiekania (spiekanie w atmosferze redukującej prowadzi do otrzymania spieków o większej gęstości niż spiekanie w atmosferze obojętnej).

• Obróbka wykańczająca spieków:

- obróbka cieplna zwykła (hartowanie i odpuszczanie, przesycanie i starzenie),

- obróbka cieplno-chemiczna (nawęglanie lub zaotowanie),

- kalibrowanie,

- nasycenie spieków metalami (spieki o znacznej porowatości),

- obróbka plastyczna (kucie, walcowanie) i skrawaniem (szlifowanie)

• Materiały i wyroby spiekane:

Łożyska i filtry spiekane: (łożyska ślizgowe, filtry, katalizatory, podkładki oraz elementy o dużym współczynniku tarcia)

- spiekane ślizgowe łożyska lite: otrzymywane poprzez prasowanie na gorąco lub nasycanie szkieletu z metali trudno topliwych metalami o niższej temp. topnienia, poprzez zawartość grafitu lub nisko topliwych metali są samosmarowne, stosowane są w podwyższonej i obniżonej temperaturze oraz przy wysokich obciążeniach, które to warunki wykluczają smarowanie

- porowate łożyska samosmarowne: zawierają pory, których objętość może wynosić nawet do 40% całkowitej objętości łożyska, nasyca się je odpowiednim olejem, który poprzez krążenie w porach powoduje wytworzenie warstewki filmu olejowego pomiędzy czopem a panewką, najczęściej stosowanymi materiałami są porowate żelazo, spieki żelazo-grafitowe, brązy grafitowe, łożyska porowate z dodatkowym smarowaniem są stosowane w trudnych warunkach pracy - przy dużych prędkościach oraz obciążeniach

- spiekane filtry porowate: porowatość do 50%, wykonane głównie z proszków brązów cynowych, stali chromowych lub austenitycznych odpornych na korozję, mosiądzów niklowych, srebra i platyny. Cechują się dobrymi własnościami mechanicznymi, dużą odpornością na obciążenia udarowe, wysoką temperaturę. Mogą być regenerowane. Stosowane w przemyśle zbrojeniowym, lotniczym, motoryzacyjnym, chemicznym i obrabiarkowym.

- elementy o wysokim współczynniku tarcia: stosowane jako nakładki w urządzeniach hamulcowych oraz urządzeniach służących do przenoszenia momentu obrotowego materiały te powinny mieć duży współczynnik tarcia, mało zmienny w szerokim zakresie temperatur, wysokie przewodnictwo cieplne, odporność na korozję i zacieranie się. Zawierają składniki metaliczne które sprzyjają wysokiemu przewodnictwu cieplnemu i niemetaliczne zwiększające współczynnik tarcia i przeciwdziałające zacieraniu się.

Materiały elektrotechniczne: (styki elektryczne, szczotki kolektorowe, przewodniki, półprzewodniki)

- spiekane styki elektryczne: wymaga się od nich odporności na iskrzenie, spiekanie i zgrzewanie podczas pracy, mały opór elektryczny. Wytwarzane są z proszków metali i niemetali. Zalety materiałów spiekanych wykorzystano do produkcji spiekanych styków pseudostopowych, w których jeden materiał tworzy trudno topliwy porowaty szkielet o dużej twardości, odporności na ścieranie i dobrych własnościach mechanicznych (wolfram), który jest następnie nasycany drugim metalem o dobrej przewodności elektrycznej i cieplnej (srebro). Mogą być również produkowane metodą prasowania i spiekania proszków odpowiednich metali mieszanych w różnym stopniu, co umożliwia regulację własności użytkowych. Stosowane są również do produkcji styków spiekanych wielowarstwowych. Poprzez zmniejszanie się stężenia materiału tworzącego szkielet możliwa jest prawie ciągła zmiana oporności styku wraz z oddalaniem się od jego czynnej powierzchni.

- spiekane przewodniki elektryczne: elementy aparatury próżniowej, lamp żarowych i elektronowych. Są to elementy z czystego żelaza, czystego niklu, czystej miedzi oraz spieki o regulowanych własnościach fizycznych z proszków mieszanin metali (np. Fe-Ni-Co), spiekane tlenki metali, tlenki metali z metalami, mieszaniny metali i ich tlenków z grafitem.

Materiały o własnościach magnetycznych: (poprzez dobór składu chemicznego mieszanin możliwe jest regulowanie własności magnetycznych)

- spiekane magnesy trwałe (twarde) i miękkie: otrzymywane na drodze spiekania z proszków żelaza, niklu, kobaltu i aluminium. Można otrzymywać magnesy o złożonych kształtach, ściśle określonych wymiarach (nieznaczna obróbka wykańczająca) i odpowiednich własnościach magnetycznych, a sam proces otrzymywania jest znacznie wydajniejszy w porównaniu z odlewaniem. Do wytwarzania rdzeni magnetycznych używa się min. spiekanych proszków żelaza karbonylkowego lub elektrolitycznego oraz spieków zwanych alsiferami (Fe-Si-Al).

Materiały konstrukcyjne: elementy wykonane zarówno ze stali, jak i z metali nieżelaznych takie jak: koła zębate, pierścienie tłokowe, łopatki kompresorów, kołpaki, trójniki, koła wychwytowe, które dla uzyskania wymaganych własności można poddawać różnym rodzajom obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej. Przy masowej produkcji (powyżej 50000 szt.) koszt elementów spiekanych w porównaniu z odlewanymi jest mniejszy. Można otrzymywać materiały umocnione włóknami (kompozyty) o szczególnie wysokiej granicy plastyczności (również przy wysokich temperaturach)oraz odporności na kruche pękanie. Najbardziej popularne to stopy aluminium zbrojone drutem stalowym, zbrojone żelazo tlenkiem aluminium lub włóknami tytanu i molibdenu.

Spiekane materiały odporne na korozję, żaroodporne i żarowytrzymałe:

- spiekane stale odporne na korozję: stale odporne na korozję, wytwarzane metodami metalurgii proszków metodą ASP lub spiekania proszków Fe, Cr, Ni, przez co otrzymuje się stal o bardzo małym stężeniu węgla, bardzo trudną do otrzymania metodą konwencjonalną.

- metale trudno topliwe: możliwe jest otrzymanie czystych metali trudno topliwych, odpornych na korozję i stosowanych do pracy w wysokiej temperaturze: Ta, Nb, Ti, W, Mn . Ze względu na wysokie temperatury topnienia otrzymuje się je w postaci proszku i dopiero następnie podlegają one dalszej przeróbce na drodze prasowania i spiekania. Spiekane materiały trudno topliwe poddaje się obróbce plastycznej na gorąco.

- cermetale żaroodporne i żarowytrzymałe: są to kompozyty ceramiczno-metalowe. Materiałami ceramicznymi są zwykle tlenki, węgliki, krzemki lub borki powodujące zwiększenie odporności na działanie wysokiej temperatury, żaroodporność, odporność na ścieranie w wysokiej temperaturze i dużą twardość.

Spiekane materiały narzędziowe: metalurgia proszków znalazła zastosowanie w produkcji spiekanych materiałów narzędziowych, takich jak: węgliki spiekane metali, węglikostale, stale szybkotnące o bardzo dużym stężeniu węgla i pierwiastków stopowych, cermetali i spieków ceramicznych niemożliwych do wytworzenia innymi metodami. Zastosowania oraz własności spiekanych materiałów narzędziowych zależą min. od składu fazowego oraz udziału cząstek twardych faz, od składu chemicznego materiału wiążącego, od możliwości poddawania materiału obróbce cieplnej. Zaliczamy tutaj:

-spiekane stale szybkotnące: otrzymane metodą ASP polegającą na uzyskaniu proszku stali szybkotnącej przez rozpylanie normalnie wytopionej stali szybkotnącej w strumieniu bardzo czystego azotu, prasowaniu, spiekaniu na gorąco w atmosferze argonu. Otrzymany tak materiał wykazuje się w całej objętości drobnoziarnistą i jednorodną strukturą poddawany jest następnie wyżarzaniu, po którym można wykonywać z niego narzędzia. Stal ta charakteryzuje się bardzo dobrą plastycznością, dobrą obrabialnością mechaniczną, szlifowalnością, dużą stabilnością wymiarową oraz wykazuje większą niż stale konwencjonalne ciągliwość i odporność na odpuszczanie oraz znacznie większą trwałość. Przydatna jest do wykonywania narzędzi o dużych wymiarach i masie oraz złożonym kształcie.

- węglikostale spiekane: cermetale narzędziowe w których objętościowa zawartość węglików wynosi ok. 50%, a osnowę stanowią stale stopowe lub stopy utwardzane wydzieleniowo o strukturze martenzytycznej. Do produkcji wykorzystywane są głównie węgliki tytanu TiC, nie ulegające niemal zupełnie rozpuszczaniu w osnowie stalowej podczas obróbki cieplnej tych narzędzi. Są produkowane dwoma sposobami. Pierwszy polega na uzyskaniu przez spiekanie porowatego szkieletu z proszku węglika tytanu i następnie nasycaniu szkieletu ciekłą stalą. Drugi polega na mieszaniu proszków TiC i stali, prasowanie ich i spiekanie. Materiały te mają ograniczone wymiary a przy tym są bardzo kosztowne, dlatego nie wykonuje się z nich całych narzędzi, tylko zbroi się części bezpośrednio pracujące. Mogą być stosowane wielokrotnie po procesie regeneracji.

- węgliki spiekane: mają strukturę złożoną z twardych węglików związanych osnową nieżelazną. Składniki węglikotwórcze to wolfram, tytan, tantal, molibden, bor, a osnowę stanowi kobalt lub nikiel. Produkowane są w postaci płytek i płytek wieloostrzowych. Wykazują dużą odporność na działanie wysokiej temperatury (1000C) zachowując wysoką twardość oraz odporność na ścieranie. Pozwoliło to na dwukrotne zwiększenie szybkości skrawania w porównaniu ze stalą szybkotnącą Ze względu na materiał wiążący węglików spiekanych nie poddaje się obróbce cieplnej. Ich twardość jest twardością naturalną. Mogą być tylko szlifowane lub docierane. Można nimi obrabiać tak twarde materiały jak białe żeliwa, zahartowaną stal lub nawet szkło.

- węgliki spiekane powlekane: wegliki spiekane pokrywane twardymi warstwami powierzchniowymi. Na płytki z węglików spiekanych nakładana jest superdrobnoziarnista warstwa, o znacznej twardości i odporności na ścieranie. Stosuje się powłoki jedno lub wielowarstwowe np. TiC-TiN-Ti(C,N) i (lub) Al2O3. Węgliki spiekane pokrywane wielowarstwowo odznaczają się lepszymi własnościami eksploatacyjnymi w porównaniu z weglikami pokrytymi jednowarstwowo. Wytwarzane tą metodą są głównie płytki wieloostrzowe jednorazowego użytku.

- ceramiczne materiały narzędziowe: w odróżnieniu od węglików spiekanych nie zawierają metalu wiążącego. Największą ich zaletą jest możliwość obróbki z bardzo dużą szybkością skrawania. Głównym składnikiem jest Al2O3 lub Si3N4 a ostatnio coraz większego znaczenia nabierają tzw. sialony(Si3N4 + Al2O3). Nie stanowią one konkurencji dla węglików spiekanych ale są ich uzupełnieniem.

- supertwarde materiały narzędziowe: należą tutaj azotek boru (BN) oraz polikrystaliczny diament. Płytki polikrystalicznego diamentu, spiekane pod dużym ciśnieniem są nakładane na naroża płytek wieloostrzowych z węglików spiekanych. Z azotku boru mogą być wykonywane całe płytki wieloostrzowe. Są używane do obróbki stali ulepszonych cieplnie, oraz twardych żeliw.

1

1

---