19. WYROBY SPIEKANE
    (METALURGIA PROSZKÓW)

1. Rozwój i zalety technologii spiekania

Metoda otrzymywania części maszyn i narzędzi przez spiekanie proszków metali w stanie stałym nosi nazwę technologii spiekania, a otrzymane wyroby nazywamy spiekami. Technologia spiekania ma stosunkowo krótką historię rozwoju, mimo że otrzymywanie pewnych wytworów z proszków, a zwłaszcza ozdób ze spiekanych drobnych ziarn złota, było znane już w bardzo dawnych czasach. W roku 1825 bito w Rosji monety z platyny, których materiałem wyjściowym był proszek uzy­skiwany chemicznie, co można uważać za początek współczesnej technologii spiekania. Szybki rozwój przemysłu elektrotechnicznego przyspieszył rozwój technologii spiekania (w roku 1909 otrzymywano włókno żarówek z proszku wolframu, tantalu i mo­libdenu). Po I wojnie światowej technologia spiekania znalazła zastosowanie do produkcji narzędzi, a w czasie II wojny światowej na drodze technologii spiekania zaczęto otrzymywać części maszyn; technologia ta uległa następnie dynamicznemu rozwojowi głównie z rozwojem przemysłu motoryzacyjnego. Poza przemysłem mo­toryzacyjnym, który w niektórych krajach odbiera ponad połowę wyrobów spiekanych, znajdują one zastosowanie w przemyśle elektrotechnicznym, wyrobów metalowych, w przemyśle obrabiarkowym, budowlanym (okucia budowlane). Można powiedzieć, że nie ma obecnie gałęzi przemysłu, w której wyroby spiekane nie miałyby za­stosowania.

Technologia spiekania ma w stosunku do metod tradycyjnych następujące zalety:

1. Otrzymane elementy mają dokładny kształt, co pozwala na eliminację kosztownej i pracochłonnej obróbki skrawaniem. W związku z tym mniejsze są też straty materiało­we, nie przekraczające 7-^ 10%.

2. Można otrzymać materiał o dużej czystości bez domieszek, których nie można niejednokrotnie usunąć w procesie metalurgicznym.

3. Wyroby spiekane są bardziej jednorodne, gdyż nie zachodzą zjawiska segregacji nieuchronnie związane z procesami krystalizacji, a także nie powstają i inne wady procesu krzepnięcia.

4. Technologia spiekania jest stosunkowo prosta i wymaga mniej wysokokwalifiko­wanych pracowników w porównaniu z metodami obróbki skrawaniem.

5. Można otrzymać połączenie tych składników, których nie można byłoby otrzymać na drodze topienia z uwagi na duże różnice w temperaturach krzepnięcia lub brak wzajemnej rozpuszczalności.

6. Spiekanie pozwala otrzymać materiały kompozytowe metalowo-ceramiczne, nie­możliwe do otrzymania w procesie metalurgicznym.

Technologia spiekania jest jednak opłacalna tylko przy masowej produkcji z uwagi na wysoki koszt otrzymywania proszków oraz drogie urządzenia. Należy ponadto zwrócić uwagę, że właściwości mechaniczne wyrobów spiekanych są jednak niższe z uwagi na pewną porowatość materiału.

2. Technologia wyrobów spiekanych

Technologia części maszyn z proszków metali składa się z następujących zabiegów:

1) przygotowanie proszków,

2) prasowanie,

3) spiekanie,

4) obróbka wykańczająca.

Metody przygotowania proszku. Podstawowymi surowcami do produkcji wyrobów spiekanych są zarówno proszki czystych metali (żelaza, miedzi, manganu), jak i proszki stopów metali (brązów, mosiądzów, stali nierdzewnych). Mogą być one wytwarzane metodami mechanicznymi lub fizykochemicznymi. Przez pojęcie mechaniczne metody otrzymywania proszków rozumiemy takie procesy technologiczne, przy których materiał wyjściowy ulega pod działaniem sił zewnętrznych rozdrobnieniu bez zmiany swego składu chemicznego. Do metod fizykochemicznych natomiast zaliczamy takie procesy technologiczne, w czasie których pod wpływem przemian fizykochemicznych zachodzą­cych w rozdrabnianym materiale otrzymuje się proszek, który z reguły różni się swym składem chemicznym od materiału wyjściowego.

Do mechanicznych metod wytwarzania proszku zalicza się:

1) rozdrabnianie metalu w różnego rodzaju młynach kulowych, wirowo-udarowych, młotkowych;

2) rozdrabnianie na drodze obróbki skrawaniem, w wyniku czego otrzymuje się metal w postaci wiórów lub opiłków;

3) rozpylanie ciekłego metalu wodą lub gazem pod określonym ciśnieniem;

4) granulacja polegająca na wlewaniu ciekłego metalu do wody, w wyniku czego metal krzepnie, tworząc bardzo drobne cząstki.

Do bardziej rozpowszechnionych fizykochemicznych metod otrzymywania proszków należą:

1) redukcja tlenków, która należy do bardzo ekonomicznych metod otrzymywania proszków, gdyż pozwala wykorzystać jako materiał wyjściowy rudy lub odpadowe tlenki z procesu hutniczego;

2. elektroliza z wodnych roztworów lub stopionych soli jest drugą co do znaczenia metodą otrzymywania proszku (jest ona jednak stosunkowo droga z uwagi na małą wydajność procesu i duże zużycie energii elektrycznej);

3) rozkład karbonylków to metoda pozwalająca otrzymać proszki o dużej czystości (jest ona jednak kosztowna);

4) kondensacja par metali na zimnej powierzchni;

5) metoda elektroerozyjna do chwili obecnej jeszcze nie całkowicie opracowana.

Prasowanie. Właściwe prasowanie poprzedzają operacje przygotowawcze, jak wyża­rzanie, przesiewanie i mieszanie.

Wyżarzanie proszków ma na celu zwiększenie ich plastyczności na drodze redukcji pozostałych w tych proszkach tlenków oraz usunięcia zjawiska zgniotu. Przeprowadza się je w atmosferze gazów redukujących lub w próżni w temperaturze wynoszącej 0,4 ÷ 0,6 temperatury topnienia proszku.

Przesiewanie za pomocą odpowiedniego układu sit ma na celu rozdzielenie proszków na klasy o różnej wielkości cząstek. Pozwala to następnie na właściwe ustalenie w mieszaninach proszkowych procentowego udziału frakcji o określonej wielkości cząstek.

Mieszanie proszków ma na celu wytworzenie jednorodnej mieszaniny i jest ono czynnością bardzo ważną, gdyż od właściwego wymieszania zależy w dużym stopniu późniejsza jakość wyrobów spiekanych.

Przygotowaną mieszaninę proszkową prasuje się następnie w celu otrzymania półfab­rykatów, tzw. wyprasek, o żądanym kształcie i wymiarach oraz o odpowiedniej wy­trzymałości koniecznej dla dalszego procesu spiekania. Prasowanie przeprowadza się najczęściej w stalowych prasownikach (schemat prostego prasownika pokazano na rys. 19.1). Kształt i wymiary wyrobów spiekanych są ograniczone możliwościami praso­wania i z tego względu jest ono zasadniczą operacją, decydującą o możliwości otrzymy­wania wyrobów spiekanych. Ponadto wpływa ono w sposób istotny na właściwości wyrobów spiekanych. Przy prasowaniu proszku początkowo następuje zapełnienie luk pomiędzy cząstkami i uzyskuje się najbardziej zwarte ułożenie cząstek. Dalsze zagęsz­czenie układu cząstek następuje na drodze ich odkształcenia. Poszczególne stadia procesu zagęszczania proszku w czasie prasowania podaje rys. 19.2. W praktyce wszystkie te etapy nakładają się na siebie; zarówno odkształcenie niektórych cząstek zachodzi już przy małych naciskach, jak i przesunięcia cząstek zachodzić mogą przy naciskach dużych.

Rys. 19.1. Schemat prasownika: 1 — matryca, 2 — górny stempel, 3 — dolny stempel, 4 — pro­szek

Rys. 19.2. Przebieg prasowania proszku: 1 — chao­tyczne ułożenie cząstek, 2 — najgęstszy układ czą­stek, 3 — układ odkształconych cząstek

Prasowniki do prasowania proszków składają się z trzech zasadniczych elementów: z matrycy oraz górnego i dolnego stempla. Matryca kształtuje boczne powierzchnie wypraski, a dolny stempel zapobiega wysypywaniu się proszku z matrycy oraz kształtuje dolną powierzchnię wypraski, stempel górny zaś kształtuje górną powierzchnię wypraski. Ponadto w prasowniku mogą być jeszcze inne dodatkowe urządzenia, jak np. trzpienie do kształtowania otworów. Schemat prasownika do dwustronnego prasowania z nieru­chomą matrycą podano na rys. 19.3, a schemat prasownika z ruchomą matrycą do dwustronnego prasowania podaje rys. 19.4.

Rys. 19.3. Schemat prasownika do dwustronnego prasowania z nieruchomą matryca; a) zapełnienie matrycy proszkiem, b) prasowanie, c) wypychanie wypraski, 1 — matryca, 2 — stempel dolny, 3 — stempel górny, 4 — wypraska

Rys. 19.4 Schemat prasownika do dwustronnego prasowania z ruchomą matrycą: a) zapełnienie matrycy proszkiem, b) prasowanie, c) wypychanie wypraski, 1 — matryca, 2 — stempel dolny, 3 — stempel górny, 4 — wypraska

Ponieważ opisana technologia prasowania narzuca pewne ograniczenia zarówno co do kształtu, jak i wielkości otrzymywanych wyprasek, rozwinęły się inne specjalne metody formowania, jak: prasowanie hydrostatyczne, odlewanie gęstwy, walcowanie proszku, wyciskanie, kształtowanie wibracyjne i kształtowanie z dużymi szybkościami (kształtowanie dynamiczne).

Spiekanie. Spiekanie polega na wygrzewaniu wyprasek w wysokich temperaturach, w czasie którego ze sprasowanego proszku otrzymuje się spiek o właściwościach zbliżonych do właściwości litego materiału. Jest to zasadniczy etap produkcji, z tego względu wzbudza on największe zainteresowanie, jednak do chwili obecnej nie ma jeszcze ogólnej teorii ujmującej całokształt zjawisk zachodzących w czasie spiekania. Spiekanie przeprowadza się w ochronnej atmosferze lub w próżni, w celu zabezpieczenia materiału przed utlenieniem. Temperatura spiekania jest zwykle niższa od temperatury topnienia najłatwiej topliwego składnika.

Na przebieg spiekania i na właściwości otrzymanych wyrobów spiekanych mają wpływ następujące czynniki:

1) granulacja wyjściowych proszków; zwiększenie stopnia dyspersji cząstek przy­spiesza proces spiekania i powoduje także podwyższenie właściwości mechanicznych i elektrycznych otrzymanych spieków;

2) ciśnienie prasowania, które w sposób istotny wpływa na przebieg spiekania; zwiększenie ciśnienia prasowania prowadzi do podwyższenia właściwości wytrzymało­ściowych spieków;

3) temperatura spiekania; im wyższa temperatura spiekania tym większa jest gęstość spieków;

4) czas spiekania; wygrzewanie wyprasek w stałej temperaturze powoduje począ­tkowo szybki, a następnie bardziej powolny wzrost gęstości wyprasek, powoduje to podwyższenie właściwości mechanicznych spieków;

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

1. Materiały i wyroby spiekane

Z ważniejszych wytworów otrzymywanych na drodze spiekania wymienić można następujące:

1) spieki porowate,

2) materiały elektrotechniczne,

3) materiały o specjalnych właściwościach magnetycznych,

4) materiały konstrukcyjne,

5) spieki metali trudno topliwych,

6) spieki narzędziowe.

Spieki porowate. Spiekane materiały porowate znajdują zastosowanie do wyrobu łożysk ślizgowych, filtrów, katalizatorów, podkładek oraz elementów o dużym współ­czynniku tarcia.

Otrzymywanie łożysk ślizgowych na drodze spiekania znane jest od lat czterdziestu. Zalety tego rodzaju łożysk powodują, że stanowią one poważną pozycję w ogólnej produkcji wyrobów spiekanych. Wiadomo, że optymalną strukturę stopów łożyskowych stanowią twarde cząstki rozmieszczone w miękkiej osnowie. Materiał o tego rodzaju strukturze najłatwiej właśnie otrzymać na drodze spiekania. Spiekane łożyska mają bardzo dobre właściwości ślizgowe. W istniejących porach krąży w czasie pracy łożysk smar, ułatwiając wytworzenie warstwy olejowej między czopem a panewką, co powoduje samosmarowność tego rodzaju łożysk. W wielu przypadkach może być zbędne doprowadzenie smaru z zewnątrz, co ma istotne znaczenie np. w trudno dostępnych węzłach kontrakcyjnych maszyn. Porowatość łożysk wynosi 10 ÷ 35%. Spiekane łożyska są cichobieżne w odróżnie­niu od łożysk tocznych. Ich technologia jest prosta i nie wymaga obróbki skrawaniem. Prosty jest również montaż i eksploatacja. Materiały na łożyska spiekane nie zawierają składników deficytowych, są więc w odróżnieniu od materiałów odlewanych tanie.

Początkowo na spiekane łożyska używano brązów zbliżonych składem do brązów odlewniczych. Stopniowo wprowadzono do tego rodzaju łożysk składniki polepszające ich właściwości przeciwcierne, przede wszystkim grafit. Współczynnik tarcia takich łożysk był 7 ÷ 8-krotnie mniejszy niż babbitów, tak że prawie całkowicie nie powodowały one zużywania się czopów. Następnie jako tańszego materiału, użyto na łożyska porowatego żelaza oraz spieków żelazo-grafitowych. Obecnie najczęściej stosowanymi spiekanymi materiałami łożyskowymi są: porowate żelazo, spieki żelazo-grafitowe (l ÷ 3% grafitu i 99 ÷ 97% żelaza) oraz brązy grafitowe (86 ÷ 88% miedzi, 9 ÷ 10% cyny i 2 ÷ 4% grafitu). Stosowane są również spiekane łożyska na osnowie aluminium o składzie 10% miedzi, 3% grafitu (reszta aluminium).

Filtry ze spiekanych materiałów mają duże zastosowanie w przemyśle chemicznym. Filtry takie wykonuje się z proszków materiałów odpornych na korozję, jak: brązów, stali nierdzewnej, niklu, srebra i platyny, a także metali trudno topliwych lub ich stopów. Dzięki dużej porowatości szybkości filtracji są bardzo duże, co przy prostocie ich otrzymywania sprawia, że rozwój otrzymywania tego rodzaju filtrów jest bardzo szybki. Oprócz tego spieki, a zwłaszcza porowate żelazo, stosowane są jako materiały uszczelnia­jące w postaci różnego rodzaju podkładek do połączeń rur, muf, kołnierzy przewodów itp.

Spieki są również bardzo dobrym materiałem na elementy, które powinny mieć duży współczynnik tarcia, jak nakładki w urządzeniach hamulcowych oraz urządzeniach do przenoszenia momentu obrotowego. Materiały używane na takie nakładki powinny mieć duży współczynnik tarcia, możliwie mało zmienny w szerokim zakresie temperatur, dużą odporność na ścieranie przy dostatecznej wytrzymałości, dobre przewodnictwo cieplne oraz odporność na korozję i na zacieranie się. Z uwagi na to, że wymienione właściwości są niejednokrotnie przeciwstawne i wzajemnie się wykluczające, tylko na drodze spieka­nia można otrzymać materiał w pełni odpowiadający tym różnorodnym wymaganiom. Tego rodzaju spieki zawierają składniki metaliczne i niemetaliczne, przy czym składniki metaliczne sprzyjają wysokiemu przewodnictwu cieplnemu, a materiały niemetaliczne (dwutlenek krzemu, tlenek aluminium) zwiększają współczynnik tarcia i przeciwdziałają zacieraniu się.

Materiały elektrotechniczne. Bardzo ważną dziedziną zastosowania wyrobów spieka­nych jest elektrotechnika oraz środki łączności. Pozwoliły one nie tylko wyeliminować drogie deficytowe materiały, ale umożliwiły produkcję nowych tworzyw o unikatowych właściwościach, których otrzymanie tradycyjnymi metodami nie byłoby możliwe. Z mate­riałów spiekanych produkuje się styki elektryczne, które powinny mieć wysokie przewodni­ctwo elektryczne i cieplne, wysoką temperaturę topnienia i odporność na korozję, wysoką wytrzymałość mechaniczną oraz odporność na działanie elektroerozyjne. Właśnie, spiekanie ze sobą różnych składników pozwala na otrzymanie materiałów o takich właściwościach.

Materiały o specjalnych właściwościach magnetycznych. Na drodze spiekania otrzy­muje się głównie materiały magnetycznie twarde (magnesy trwałe). Otrzymywanie magnesów na drodze spiekania ma wiele zalet w porównaniu z odlewaniem. Proces jest znacznie wydajniejszy, mniejsze są straty materiałowe, a otrzymane spieki wymagają już tylko bardzo nieznacznej obróbki wykańczającej. W obecnej chwili na spiekane magnesy używa się stopów żelazo-nikiel-aluminium (alni, alniko, magniko) utwardzanych dysper-syjnie. Właściwości spiekanych magnesów są lepsze niż magnesów odlewanych; są one również mniej kruche i łatwiejsze w obróbce mechanicznej. Należy jednak zwrócić uwagę, że obecność porów nieco pogarsza właściwości magnesów.

Materiały konstrukcyjne. Technologię spiekania stosowano początkowo tylko do takich elementów, których otrzymanie innymi sposobami nie było możliwe. W miarę jednak rozwoju, z uwagi na swoje zalety, technologia spiekania zaczęła konkurować z innymi gałęziami technologii i stosowana jest do otrzymywania wielu elementów konstrukcyjnych wykonanych zarówno ze stali, jak i z metali nieżelaznych. Z ekonomicznego punktu widzenia, z uwagi przede wszystkim na koszt prasowników, jest ona opłacalna dopiero przy masowej produkcji powyżej 50 tyś. sztuk. Porównanie kosztów produkcji na drodze odlewania z następną obróbką oraz spiekania w zależności od wielkości produkcji podano na rys. 19.5. Jest rzeczą oczywistą, że na skutek obecności porów właściwości spieków są nieco niższe niż elementów odlewanych, niemniej jednak w wielu przypadkach produkuje się elementy o porowatości 5^-20%, nie uważając pewnego obniżenia właściwości mechanicznych za niedopuszczalne. Z elementów wykonywanych na drodze spiekania można wymienić koło zębate, pierścienie tłokowe, łopatki kompresorów, kołpaczki, trójniki, koła wychwytowe. Dla uzyskania wymaganych właściwości elementy takie można poddawać różnym rodzajom obróbki zarówno cieplnej, jak i cieplno-chemicznej.

Bardzo ważną dziedziną zastosowania technologii spiekania jest otrzymywanie materiałów umocnionych włóknami: tworzywa te noszą nazwę materiałów kompozytowych.

Umocnienie metali włóknami prowadzi do otrzymania materiału o szczególnie wysokiej granicy plastyczności również i w wysokich temperaturach oraz odporności na kruche pękanie. Jednym z pierwszych materiałów kompozytowych była miedź umoc­niona włóknami wolframowymi lub molibdenowymi. Od dwudziestu lat rozwijają się stopy aluminium zbrojone drutem stalowym. Zbrojenie żelaza tlenkami aluminium lub włóknami tytanu i molibdenu pozwala zwiększyć jego wytrzymałość 3- lub 5-krotnie.

Rys.19.5. Zależność kosztów elementów odlewanych (1) i spiekanych (2) od wielkości produkcji
(wg Kiparisowa i Libiensona)

Spieki metali trudno topliwych. Technologia spiekania odgrywa istotną rolę w otrzy­mywaniu i dalszej przeróbce takich metali jak: wolfram, molibden, taniał, niob i cyrkon. Metale te mają ważne znaczenie we współczesnej technice, a zwłaszcza w jej najnowszych gałęziach: technice atomowej i rakietowej. Ze względu na wysokie temperatury topnienia otrzymuje sieje w postaci proszku i dopiero następnie podlegają one dalszej przeróbce na drodze prasowania i spiekania.

Spieki narzędziowe. Duże znaczenie spośród wyrobów spiekanych mają spiekane materiały narzędziowe, z których spiekane węgliki omówiono w punkcie 13.7. Ponadto produkowane są spieki diamentowo-metaliczne przeznaczone do obróbki szlifowaniem.

1

6

---