Sprawozdanie z ćwiczenia

Spieki i kompozyty

Dariusz Borowski

WIMiR

grupa 7

zespół 1

W miarę rozwoju techniki pojawiła się nowa technologia wytwarzania stopów dzięki której wyprodukowanym materiałom można nadawać specjalne własności elektryczne, mechaniczne, magnetyczne, żaroodporne, chemiczne, itd.

Metodą metalurgii proszków, bo o niej mowa, wyrabia się części samochodowe i samolotowe, części przedmiotów domowego użytku, magnesy trwałe, łożyska ślizgowe, styki elektroniczne, koła zębate, koła maszyn liczących i urządzeń rejestrujących, itp.

W metalurgii proszków stosuje się proszki następujących materiałów: miedzi, niklu, ołowiu, aluminium, cyny, mosiądzu, stali narzędziowej, nichromu, wolframu, molibdenu, korundu, stali nierdzewnej.

Technologia ta, poza niewielkimi kosztami produkcji i małym zużyciem tak materiałów jak i energii, posiada liczne zalety takie jak:

• możliwość formowania gotowych elementów bez potrzeby obróbki mechanicznej,

• możliwość automatyzacji procesu wytwarzania,

• możliwość wytwarzania tworzyw o składzie i strukturze nieosiągalnej innymi metodami (np. brąz-grafit, wolfram-kobalt, wolfram-srebro, materiały SAP)

Wyroby wytwarzane metodą metalurgii proszków można podzielić na trzy grupy:

• spieki na bazie żelaza: spiekane stale węglowe lub stopowe

• spieki na bazie metali nieżelaznych (łożyska, styki, komutatory):

• spieki na bazie miedzi - brązy, mosiądze cynkowe, niklowe.

• spieki metalowe-ceramiczne (SAP, kompozyty, materiały cierne)

Są to spieki zaliczane do materiałów kompozytowych, wytwarzane na osnowie żelaza lub miedzi. Obecnie wytwarzane są również spieki zwane cermetalami składające się z tlenku metalu i osnowy metalowej.

Do tej grupy zaliczamy również SAP, jest to spiekany proszek aluminium stosowany na osłony prętów paliwowych reaktorów lub tłoki silników spalinowych.

Własności proszków

Proszki z materiału o takim samym składzie chemicznym mogą wykazywać wyraźne różnice w swych własnościach, jeśli zostały wytworzone różnymi metodami (patrz. rys poniżej). Dlatego znajomość własności proszków jest niezbędnym warunkiem prawidłowego opracowania technologii produkcji części spiekanych.

Proszki charakteryzują się:

1. własnościami fizycznymi: kształtem, wielkością i rozkładem cząstek, powierzchnią właściwą, gęstością piknometryczną, mikrotwardością;

2. własnościami chemicznymi: zawartością metalu podstawowego, składni stopowych, zanieczyszczeń, gazów, obecnością powłok tlenkowych;

3. własnościami technologicznymi: gęstością nasypową, gęstością nasypową z usadem, sypkością, zagęszczalnością i formowalnością.

Te własności proszków należy określić przed przystąpieniem do dalszych etapów procesu technologicznego. Metalurgia proszków posiada cztery główne etapy technologiczne: otrzymywanie proszków, przygotowanie proszków do zagęszczania, formowanie kształtek (np. prasowanie) oraz spiekanie.

Prasowanie- jest to proces ,w którym w efekcie „zgniatania” luźnych cząstek proszku pod odpowiednim ciśnieniem w matrycach, otrzymujemy wypraski. Podczas prasowania następuje przegrupowanie proszku (odkształcenie dla plastycznych lub sprężystych, kruszenie dla kruchych) w efekcie którego dochodzi do zagęszczenia struktury.

Do prasowania używamy matryc z ruchomym stemplem.

1.matryca

2.stempel górny

3.stempel dolny

4.wypraska

Prasowanie umożliwia nam również nadanie wyprasce odpowiedniego kształtu.

m(masa), d(średnica), h(wysokość)= z pomiarów. V=∏r²h

δteoretyczne=8.92 [gm/mc³] p(porowatość)=1-względneδ

Spiekanie- jest to proces nadający wyprasce odpowiednią trwałość i gęstość. W trakcie spiekania zmniejszeniu ulega energia swobodna proszku i energia odkształcenia nagromadzona w defektach sieci. Prowadzi to do zmian strukturalnych takich jak sferoidyzacja i objętościowe zmniejszenie porów, tworzenie szyjek między cząsteczkami proszku, poligonizacji i rekrystalizacji w objętości cząstek proszku. Dzięki temu następuje redukcja defektów sieci wakancji atomów między węzłowych i dyslokacji. Wszystkie powyższe zjawiska muszą przebiegać w odpowiednio wysokiej temperaturze gdyż wymagają dużej ruchliwości atomów. Temperatura ta nie powinna być jednak niższa niż temperatura topnienia przeważającego składnika. Podczas spiekania wymagane jest stosowanie atmosfery ochronnej, aby zapobiec utlenianiu wyprasek. Najczęściej stosowaną atmosferą ochronną jest atmosfera wodorowa.

Węgliki spiekane- jest to odrębna grupa wyrobów metalurgii proszków.

Wytwarza się je w postaci spieków węglików wysokotopliwych, spojonych metalem wiążącym jako osnową. Najczęściej stosuje się tutaj węgliki wolframu ,tytanu, tantalu, wanadu, chromu oraz molibdenu. Metalem wiążącym natomiast jest kobalt lub nikiel. Z węglików spiekanych wykonuje się płytki nalutowywane na ostrza narzędzi wykonanych ze stali. Węgliki dzielimy na cztery grupy S, U, H, G. Do S i U należą gatunki wolframowo-tytanowe, a do H i G wolframowe.

Część doświadczalna

Sposób przeprowadzenia badania:

Z dostarczonego proszku miedzi przygotować sześć odważek, po 6 g każda. Następnie wykonać po dwie wypraski przy nacisku prasowania 1 t , 3 t i 6 t. Zmierzyć średnicę i wysokość wyprasek. Zważyć wypraski. Przeprowadzić obliczenia gęstości i porowatości wyprasek. Przeprowadzić spiekanie w temperaturze 800°C, przez 30 minut w atmosferze ochronnej. Dokonać pomiarów średnicy, wysokości i masy spieków. Przeprowadzić obliczenia gęstości i porowatości spieków. Określić w procentach względną zmianę średnicy, wysokości i objętości kształtek.

W zamieszczonej poniżej tabeli znajdują się wartości charakterystycznych cech wyprasek wytworzonych i przebadanych w laboratorium:

Obliczone wielkości potrzebne do badania:

S = 28,34 mm² - pole przekroju próbki

F₁= 10 kN p₁= 0,58 MPa

F₂= 30 kN p₂= 1,76 MPa

F₃= 60 kN p₃= 3,52 MPa

WYPRASKI
nr. Próbki	ciśnienie prasowania [MPa]	m1 [g]	d1 [mm]	h1 [mm]	V1 [cm³]	δ1 [g/cm³]	δ 1wzg. [%]	p1 [%]
1 2	0,58	5,89 5,89	15,02 15,04	7,71 7,65	1,369 1,358	4,3 4,34	47,99 48,43	52,01 51,57
3 4	1,76	5,90 5,88	15,04 15,04	6,15 6,15	1,091 1,901	5,4 5,38	60,26 60,04	39,74 39,96
5 6	3,52	5,92 5,90	15,04 15,04	5,24 5,19	0,930 0,930	6,36 6,4	70,98 71,42	29,02 28,58

Poniżej znajduje się tabelka wartości charakterystycznych cech spieków z wyprasek wykonanych i przebadanych w laboratorium:

SPIEKI
nr. prób.	ciśnienie prasowania [MPa]	m2 [g]	d2 [mm]	h2 [mm]	V2 [cm³]	δ2 [g/cm³]	δ 2wzg. [%]	p2 [%]
1 2	0,58	5,85 5,82	13,79 13,96	6,86 6,86	1,024 1,054	5,71 5,52	63,22 61,60	36,28 38,4
3 4	1,76	5,88 5,86	14,08 14,05	5,65 5,63	0,879 0,872	6,74 6,72	75,22 75	24,78 25
5 6	3,52	5,86 5,86	14,3 13,21	4,97 4,89	0,797 0,774	7,35 7,57	82,03 84,48	17,97 15,52

Nr Próbki	ciśnienie prasowania [MPa]	ZMIANA
				m1-m2 ⋅ 100% m1	d1-d2 ⋅100% d1	h1-h2 ·100% h1	V1-V2 ·100% V2
		1 2	0,58	0,679	8,32	11,02	25,2
				1,188	7,11	10,32	22,38
		3 4	1,76	0,338	6,38	8,13	19,43
				0,340	6,58	8,45	20,07
		5 6	3,51	1,013	4,9	5,15	14,3
				0,677	5,51	5,7	15,96

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że po spieczeniu kształtek powstałych w wyniku prasowania zwiększa się ich gęstość, oraz twardość, a nieznacznie zmniejszają gabaryty. Materiał spiekany staje się bardziej odporny na ścieranie, posiada większą odporność, ale staje się jednocześnie bardziej kruchy. Dzięki swoim własnościom materiały uzyskane metodą spiekaną znajdują coraz częstsze zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu, jako narzędzia, elementy konstrukcyjne, części maszyn itd.

---