1. METALURGIA PROSZKÓW - WIADOMOŚCI OGÓLNE

Metalurgia proszków jest technologią wytwarzania wyrobów i półwyrobów ze sproszkowanych metali, mieszanek metali z niemetalami lub z proszków stopowych bądź częściowo stopowych. Cechą charakterystyczną tej technologii jest to, że w procesie produkcji wyrobów metalowych nie zachodzi konieczność przeprowadzania materiału w stan ciekły. Zalety i wady metalurgii proszków w porównaniu z konwencjonalną metalurgią.

Proszek - materiał sypki składający się z cząstek o wymiarach liniowych zazwyczaj nie większych od 1 mm. W produkcji wyrobów o złożonym składzie chemicznym można korzystać z mieszanek proszków różnych materiałów albo z proszków stopowych (całkowicie lub częściowo).

Mieszanką proszków nazywa się proszek otrzymany przez dokładne zmieszanie ze sobą dwóch lub więcej proszków.

ZALETY:

WADY:

możliwość wytwarzania materiałów, których inną technologią nie można otrzymać możliwość sterowania własnościami fizycznymi, chemicznymi i mechanicznymi materiału w bardzo szerokim zakresie poprzez odpowiedni dobór proszku i zastosowanie odpowiednich parametrów technologicznych procesu możliwość uzyskania materiału o określonej zaprojektowanej strukturze składnikami mieszaniny proszków mogą być metale, niemetale, związki chemiczne lub pierwiastki, mogą wykazywać rozpuszczalność w stanie stałym, ciekłym lub całkowity brak rozpuszczalności, ponadto mogą dość znacznie różnić się temperaturą topnienia, jak i gęstością, niemal całkowite wykorzystanie surowców możliwość seryjnego wytwarzania elementów z dużą dokładnością przy niewielu operacjach technologicznych technologia przyjazna dla środowiska - nieznaczna ilość odpadów, nie powoduje zanieczyszczenia powietrza i wody

problemy z wytwarzaniem wyrobów o skomplikowanym kształcie materiały spiekane charakteryzują się dużą porowatością własności plastyczne i wytrzymałościowe spiekanych wyrobów gotowych są z reguły gorsze niż elementów obrobionych plastycznie, technologia ta jest uzasadniona ekonomicznie tylko w przypadku produkcji masowej

Wszystkie materiały wytwarzane technologią metalurgii proszków można podzielić na dwie zasadnicze grupy:

• wyroby konkurencyjne,

• wyroby bezkonkurencyjne.

O wyrobach konkurencyjnych można mówić wówczas, gdy metalurgia proszków jest jedną z alternatywnych technologii wytwarzania. Natomiast, gdy jest ona jedyną metodą wytwarzania określonego wyrobu gotowego, otrzymujemy wyroby bezkonkurencyjne. Należą do nich wyroby o znacznej porowatości ( łożyska samosmarujące, filtry), pseudostopy, węgliki spiekane, materiały otrzymywane z metali o najwyższej temperaturze topnienia, cermetale, materiały o najwyższej twardości. W przypadku wyrobów konkurencyjnych o wyborze metody decydują wymagania, właściwości stawiane wyrobom gotowym oraz koszty wytwarzania.

Spiekane materiały konstrukcyjne można podzielić ze względu na podstawowy składnik metaliczny:

• spieki na bazie żelaza - stanowią obecnie ponad 90% masy wytwarzanych corocznie na świecie spiekanych materiałów konstrukcyjnych (spieki z czystego żelaza, spiekane stale węglowe, spiekane stale stopowe oraz wysokostopowe)

• spieki na bazie miedzi (spiekana miedź, spiekane brązy, spiekane mosiądze)

• spieki na bazie aluminium (SAP - spiek aluminium utwardzony dyspersyjnie)

Największym konsumentem wyrobów gotowych uzyskiwanych na drodze metalurgii proszków jest przemysł motoryzacyjny. Jego udział w całkowitej produkcji spiekanych materiałów wynosi około 70 %. Obok przemysłu samochodowego ważnymi odbiorcami tych materiałów są: przemysł maszynowy (elektronarzędzia, maszyny do szycia, maszyny włókiennicze i inne) konsumujący ok. 13 %, przemysł energetyczny i elektrotechniczny - ok. 10 % oraz inne gałęzie przemysłu (radiotechniczny, chemiczny, precyzyjny) - ok. 7 %. Można powiedzieć, że nie ma obecnie gałęzi przemysłu, w której wyroby spiekane nie miałyby zastosowania.

2. 
   PROCES TECHNOLOGICZNY WYTWARZANIA WYROBÓW METALOWYCH TECHNOLOGIĄ METALURGII PROSZKÓW

Proces technologiczny wytwarzania wyrobów metalowych technologią metalurgii proszków składa najczęściej się z następujących etapów:

• wytwarzanie proszków metali lub stopu

• przygotowanie mieszaniny proszków /a/

• formowanie (prasowanie) /b/

• spiekanie /c/

• obróbka wykończająca

Wytwarzanie proszków obejmuje zespół procesów mechanicznych i fizykochemicznych, które mają na celu uzyskanie określonego materiału w postaci proszku. Proszek może być produktem mechanicznego rozdrobnienia materiału bez zmiany jego składu chemicznego albo też uzyskuje się go jako produkt reakcji chemicznych z innych substancji.

Podział metod wytwarzania proszków metali.

mechaniczne	fizyko-mechaniczne	fizyczne	chemiczne	fizyko-chemiczne
mielenie kruszenie rozbijanie obróbka skrawaniem	rozpylanie granulacja	odparowanie i kondensacja	redukcja tlenków i innych związków dysocjacja tlenków i innych związków korozja międzykrystaliczna samorozpad hydrogenizacja i dehydrogenizacja	redukcja metalotermiczna soli redukcja roztworów wodnych soli wodorem redukcja roztworów wodnych soli przez wypieranie elektroliza roztworów wodnych soli elektroliza stopionych soli synteza i dysocjacja karbonylków ZCL - ŻEL

Wybór odpowiedniej metody wytwarzania proszków zależy od własności, jakich oczekuje się od produktu oraz od kalkulacji ekonomicznej:

• mielenie w młynach kulowych, kulowo - udarowych, wibracyjnych, wirowo - udarowych czy kruszarkach - otrzymany proszek jest drobnoziarnisty, a metody te stosuje się do rozdrabniania materiałów kruchych.

• obróbka skrawaniem - piłowanie, szlifowanie, zdzieranie - metoda ta jest najczęściej stosowana do produkcji proszków magnezu do celów pirotechnicznych.

• rozpylanie polega na rozbiciu na krople strugi ciekłego metalu lub metalu stopionego lokalnie w wyniku działania sprężonych gazów lub cieczy, sił mechanicznych lub ultradźwięków. Metodą tą wytwarza się proszki żelaza, stali, aluminium, stopów cynku, cyny i ołowiu.

• metoda parowania i kondensacji. Proces otrzymywania proszku polega w pierwszym etapie na przeprowadzeniu litego metalu w stan gazowy, natomiast w drugim stadium - na wywołaniu kondensacji par metalu na chłodzonych powierzchniach. Metodą tą wytwarza się proszki metali cechujących się wysoką prężnością par w stosunkowo niskiej temperaturze - cynk, magnez, kadm i beryl.

• redukcja związków metali, głównie tlenków w ośrodku stałym (koks, węgiel drzewny) lub gazowym (wodór, gaz konwertorowy) polega na wywołaniu reakcji chemicznych prowadzących do uzyskania czystego metalu lub jego tlenku niższego rzędu.

• metalotermia - redukcja związków metali (tlenków, halogenków) innymi metalami, które wykazują większe powinowactwo do metaloidu w warunkach prowadzonego procesu niż redukowany metal. Redukcji metalotermicznej poddaje się przede wszystkim związki metali ziem rzadkich.

• synteza i dysocjacja karbonylków - w początkowym etapie związek chemiczny MeB reaguje z tlenkiem węgla. Produktem reakcji jest karbonylek metalu Me(CO)X w stanie gazowym. W drugiej fazie karbonylek ulega dysocjacji termicznej związanej z wydzielaniem czystego metalu i tlenku węgla powracającego ponownie do reakcji ze związkiem metalu. Metoda stosowana jest głównie do produkcji proszków niklu i żelaza.

Przygotowanie proszków ma na celu nadanie mu wymaganych cech fizykochemicznych i technologicznych. Przygotowanie proszków polega najczęściej na: wyżarzaniu, rozsianiu ich na frakcje ziarnowe oraz mieszaniu. Wyżarzanie ma na celu usunięcie z powierzchni cząstek proszku tlenków, a także innych domieszek (w atmosferze redukującej), bądź też rekrystalizację materiału (w atmosferze obojętnej). Najczęściej wyżarza się proszki otrzymane na drodze mielenia, metodą elektrolityczną i karbonylkową.

Rozsianie proszku na poszczególne frakcje jest konieczne z uwagi na to, że proszki stosowane w produkcji materiałów spiekanych muszą mieć ściśle określony skład ziarnowy. Do rozsiania proszków stosuje się zestaw sit używanych w analizie sitowej. Mieszanie ma na celu równomierne rozłożenie poszczególnych składników mieszaniny w całej masie proszku. Mieszaniu poddaje się proszki tego samego metalu różniących się wielkością i kształtem cząstek albo proszki różnych pod względem chemicznym składników. Mieszanie ma na celu również równomierne rozprowadzenie substancji ułatwiających prasowanie, zwanych środkami poślizgowymi lub substancji porotwórczych. Mieszanie przeprowadza się na sucho lub na mokro (w alkoholu, benzynie, kamforze lub wodzie) w odpowiednich mieszalnikach. Najczęściej stosowane są mieszalniki dwustożkowe lub w kształcie litery „V”.

Proces formowania ma na celu uzyskanie z proszku kształtki, zwanej wypraską, o określonym kształcie i wymiarach oraz odpowiednich właściwościach wytrzymałościowych gwarantujących ich trwałość głównie podczas transportu.

Metody formowania:

• prasowanie w sztywnych matrycach

• prasowanie izostatyczne na zimno i na gorąco

• prasowanie na ciepło

• prasowanie na gorąco - stanowi połączenie w jednym zabiegu prasowania i spiekania

• walcowanie na zimno i na gorąco - to metoda pozwalająca na otrzymanie wyrobów o jednorodnej gęstości, których długość znacznie przewyższa szerokość i grubość.

• prasowanie udarowe - polega na zagęszczeniu proszku w matrycy w wyniku oddziaływania fali wybuchu bezpośrednio na proszek lub za pośrednictwem stempla

• wibracyjne zagęszczanie proszków - metoda stosowana do otrzymywania elementów o skomplikowanych kształtach z proszków twardych, trudno prasujących się.

• odlewanie z gęstwy

• wyciskanie past proszkowych - metoda stosowana do otrzymywania kształtek o dużej długości i niewielkich wymiarach poprzecznych z proszków twardych, trudno prasowalnych.

• formowanie wtryskowe

Wybór metody formowania zależy od wielu czynników, ale przede wszystkim od kształtu wyrobu lub półwyrobu, własności materiału, z którego wykonano proszek oraz względów ekonomicznych.

W praktyce stosowane są następujące metody prasowania:

• prasowanie jednostronne - stosuje się gdy stosunek wysokości do średnicy wypraski jest mniejszy lub równy 1, a w przypadku tulei gdy stosunek wysokości do grubości ścianki tulei jest mniejszy lub równy 3. Podczas prasowania jednostronnego nacisk na proszek jest wywierany jedynie przez stempel górny, podczas gdy matryca oraz stempel dolny są nieruchome.

• prasowanie dwustronne - stosuje się gdy stosunek wysokości do średnicy wypraski jest większy od 1, a w przypadku tulei gdy stosunek wysokości do grubości ścianki tulei jest większy od 3. Podczas prasowania dwustronnego nacisk na proszek jest wywierany przez stempel górny i dolny, podczas gdy matryca jest nieruchoma.

• prasowanie swobodne (z wykorzystaniem sił tarcia) polega na umożliwieniu w czasie prasowania przemieszczania się korpusu matrycy względem powierzchni wypraski. Pociąga to za sobą przemieszczenie się przyległych do matrycy warstw proszku i lepsze zagęszczenie prasowanego materiału. W tym celu stosowane są matryce podtrzymywane sprężynami lub specjalnymi tulejkami.

• prasowanie sterowane - w metodzie tej następuje współbieżny z ruchem stempla górnego ruch matrycy. Stempel dolny pozostaje nieruchomy. Matryca przesuwa się dwukrotnie wolniej niż stempel górny, co daje efekt ruchu względnego matrycy w stosunku do obydwu stempli.

Na przebieg procesu prasowania oraz gęstość uzyskanych wyprasek wpływ mają:

• charakterystyka proszku (kształt, wielkość cząstek proszków i stan ich powierzchni oraz twardość materiału, z którego został wykonany proszek)

• stosowanie środków poślizgowych - środki poślizgowe wpływają na zmniejszenie współczynników tarcia zewnętrznego i wewnętrznego, zmniejszenie ciśnienia wypychania wypraski z matrycy, zmniejszenie skłonności do przyczepiania się cząstek proszku do ścianek matrycy, a tym samym zmniejszają ich zużycie

• wymiary wyprasek

• parametry procesu prasowania (ciśnienie prasowania, szybkość prasowania, czas działania nacisku)

Spiekanie jest jednym z głównych procesów technologicznych metalurgii proszków, któremu poddawany jest proszek luźno zasypany do form lub sprasowane kształtki. Proces spiekania można definiować zarówno poprzez podanie procesów technologicznych, jak również poprzez opisanie zjawisk fizykochemicznych:

• spiekanie technologiczne jest to zabieg cieplny składający się z nagrzewania, wygrzewania w temperaturze 0.7, 0.8 temperatury topnienia podstawowego składnika w skali bezwzględnej i następnego chłodzenia,

• spiekanie jest procesem, w którym zachodzą jakościowe i ilościowe zmiany styków między cząsteczkami proszku wskutek zwiększonej ruchliwości atomów, wywołanej podwyższeniem temperatury (wg Balszina).

Podczas procesu spiekania w materiale zachodzą złożone procesy fizykochemiczne, które umożliwiają otrzymanie materiału zwartego, choć często nie pozbawionego porowatości, o własnościach zbliżonych do własności materiału litego.

Źródłem sił napędowych procesu spiekania są zmiany energii powierzchniowej wynikające z dążenia materiału do osiągnięcia najmniejszej energii. Materiał porowaty posiada dużą powierzchnię właściwą i proporcjonalną do niej odpowiednio wysoką wartość energii powierzchniowej. Jednak w miarę przebiegu procesu spiekania powierzchnia właściwa porów ulega zmniejszeniu w wyniku wygładzania ich powierzchni, koagulacji i sferoidyzacji, przez co proces spiekania przebiega coraz wolniej.

Na przebieg procesu spiekania materiału mają wpływ następujące czynniki:

• parametry procesu - czas i temperatura spiekania, atmosfera spiekania,

• struktura i własności materiału, w tym: budowa krystalograficzna, wielkość ziarna, stopień utlenienia, napięcie powierzchniowe, przemiany alotropowe, współczynnik dyfuzji.

Podczas procesu spiekania zmianie ulegają nie tylko wymiary wyrobu proszkowego, ale także jego gęstość, porowatość oraz własności wytrzymałościowe, elektryczne, magnetyczne.

Podczas procesu spiekania zachodzą następujące procesy:

• parowanie i kondensacja

• dyfuzja powierzchniowa

• dyfuzja objętościowa i na granicach ziarn

• płynięcie lepkościowe i plastyczne

• zdrowienie i rekrystalizacja

   

Obróbka wykończająca spieków obejmuje operacje służące do nadania gotowemu wyrobowi ostatecznych właściwości użytkowych. Należy tutaj zaznaczyć, że jest ona wykonywana tylko w przypadkach koniecznych, gdyż wpływa na wzrost kosztów wytwarzania. W ramach obróbki wykańczającej spieków najczęściej stosuje się następujące zabiegi:

• Infiltracja - proces polegający na nasycaniu porowatego szkieletu trudno topliwego składnika łatwo topliwym metalem lub stopem. Rozróżnia się następujące metody przeprowadzenia infiltracji :

• infiltracja kapilarna polega na tym, że dowolna część powierzchni szkieletu styka się z cieczą nasycającą, która wskutek działania sił kapilarnych zostaje wciągnięta i wypełnia wszystkie pory,

• infiltracja zanurzeniowa polega na całkowitym zanurzeniu spieczonego szkieletu w ciekłym metalu lub stopie, przy czym działanie kapilarne powoduje wciągnięcie stopionego metalu w głąb materiału,

• infiltracja poprzez nałożenie na porowaty szkielet odpowiedniej ilości metalu lub stopu nasycającego, który po nagrzaniu do odpowiedniej temperatury ulega roztopieniu i wnika w pory szkieletu

Metalami najczęściej stosowanymi w procesie infiltracji są: miedź i jej stopy, srebro, cyna, cynk i ołów. Przy zastosowaniu infiltracji uzyskuje się materiały o lepszych właściwościach mechanicznych w porównaniu z materiałami otrzymywanymi metodą prasowania i spiekania. Nasycanie metalem w niektórych przypadkach może prowadzić do zabezpieczenia spieku przed korozją.

• Kalibrowanie spieków - proces ponownego prasowania materiału przeprowadzony po procesie spiekania. Głównym celem stosowania tej operacji jest uzyskanie wysokich tolerancji i odpowiedniej gładkości powierzchni zewnętrznych wyrobu gotowego. Operacja ta umożliwia otrzymanie wymiarów z dokładnością do 0,045 mm na powierzchniach równoległych do osi kalibrowania. Natomiast powierzchnie prostopadłe do kierunku kalibrowania ulegają jedynie nieznacznemu wygładzeniu. Dodatkowym następstwem kalibrowania spieków jest wzrost twardości powierzchni, który może sięgać nawet kilkudziesięciu procent.

• Obróbkę skrawaniem materiałów spiekanych przeprowadza się wówczas, gdy istnieje taka konieczność, czyli brak możliwości nadania wyrobom odpowiedniego kształtu innymi metodami. Dotyczy to: otworów umieszczonych w kierunku nie równoległym do kierunku prasowania, podcięć, występków, otworów gwintowych. Konieczność formowania materiału jako kształtki, z której dopiero uzyskuje się pożądane wyroby. W zakresie obróbki skrawaniem stosuje się: toczenie, frezowanie, wiercenie, rozwiercanie, gwintowanie i szlifowanie. Kucie na gorąco łączy w sobie najlepsze cechy obróbki plastycznej i metalurgii proszków. Proces ten polega na odkształceniu na gorąco w matrycach przedkuwek, które wcześniej otrzymano metodami formowania na zimno i spiekania. Po przeprowadzeniu tej operacji uzyskuje się znacznie lepsze właściwości wyrobów gotowych w porównaniu do wyrobów otrzymanych na drodze metalurgii proszków. Kucie stwarza możliwość wykonania wyrobu o kształcie oraz wymiarach najbardziej zbliżonych do zaprojektowanego wyrobu gotowego. Po odpowiednio przeprowadzonej operacji praktycznie można osiągnąć gęstość spieku równą gęstości teoretycznej.

• Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna - głównym celem stosowania obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej jest wywołanie odpowiednich zmian w mikrostrukturze materiału, a w wyniku tych zmian polepszenie właściwości fizycznych i mechanicznych. Warunki umożliwiające stosowanie tych procesów określone są układem równowagi składników spieku i ich składem chemicznym.

Obróbka cieplna spieków najczęściej obejmuje następujące operacje: hartowanie, odpuszczanie, przesycanie, starzenie. W wielu przypadkach wyroby proszkowe hartuje się z temperatury spiekania, eliminuje to konieczność powtórnego nagrzewania oraz obniża koszty wytwarzania.

Obróbka cieplno-chemiczna materiałów spiekanych najczęściej polega na: nawęglaniu, azotowaniu lub cyjanowaniu. Poprzez zastosowanie jednej z tych operacji można uzyskać wzrost twardości i odporności na ścieranie warstwy powierzchniowej spieku przy zachowaniu ciągliwości rdzenia.

• Impregnacja - wypełnienie porów spieku materiałem niemetalicznym, np. olejem, żywicą.

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA

1. Formatowanie kształtek - prasowanie

Po odważeniu 8 próbek (4 próbki z danego proszku po 6 gramów każda) zostały sprasowane w matrycy cylindrycznej o średnicy stempla 15 mm.

Nr próbki	Siła prasowania F	Ciśnienie prasowania	Wymiary		Masa m	Objętość	Gęstość rzeczywista	Gęstość względna	Porowatość
											wysokość h	średnica d
		[kN]	[MPa]	[mm]	[mm]	[g]	[cm^3]	[g/cm^3]	[%]	[%]
1	10	0,85	6,50	15,00	6,01	1,15	5,23	58,66	41,34
2	30	2,55	5,40	15,00	6,01	0,95	6,30	70,61	29,39
3	60	5,10	4,75	15,01	6,06	0,84	7,21	80,83	19,17
4	90	7,63	4,35	15,02	5,93	0,77	7,69	86,25	13,75
1	10	0,85	6,65	15,01	5,93	1,18	5,04	56,50	43,50
2	30	2,55	5,95	15,01	5,86	1,05	5,57	62,40	37,60
3	60	5,09	5,20	15,02	5,99	0,92	6,50	72,88	27,12
4	90	7,63	4,65	15,02	5,91	0,82	7,17	80,42	19,58

2. Zestawienie wyników w postaci wykresów

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Laboratorium z metaloznawstwa i materiałoznawstwa - Metalurgia proszków 5

1

3

4

2

Matryca z ruchomym stemplem do wytwarzania wyprasek:

1 - stempel górny, 2 - stempel dolny, 3 - matryca, 4 - wypraska.

gęstość względna po sprasowaniu pierwszego proszku

5

gęstość względna po sprasowaniu drugiego proszku

---