Metalurgia proszków

WPROWADZENIE
I. WYTWARZANIE PROSZKÓW METALI
1. METODY MECHANICZNE
2. METODY CHEMICZNE
3. METODY FIZYKOCHEMICZNE
II. PRASOWANIE PROSZKÓW METALI
III. SPIEKANIE PROSZKÓW METALI
WPROWADZENIE
Proces metalurgii proszków umożliwia uzyskanie różnych kształtów, takich jak: diamentowy, klinowy, prostokątny lub kolisty.
Metalurgią proszków nazywamy metodę wytwarzania metali z ich proszków, bez przechodzenia przez stan ciekły. Oddzielne ziarna proszków łączą się ze sobą w jednolitą masę podczas wygrzewania silnie sprasowanych kształtek w atmosferze redukującej lub obojętnej. Proces metalurgii proszków jest ekonomiczną metodą wielkoseryjnej produkcji elementów o niewielkich prostych kształtach, w wyniku której uzyskuje się w pełni zwarte sprasowane komponenty. Technologia ta umożliwia uzyskanie jednorodnej mikrostruktury wolnej od niemetalicznych wtrąceń i defektów. Produkty PM charakteryzują się wyjątkowymi właściwościami mechanicznymi i odpornością na zużycie, dzięki czemu znajdują szerokie zastosowanie w różnych branżach, takich jak m.in. przemysł lotniczy i kosmonautyczny, przemysł drzewny (zęby pił) itp.
Metodę tą najczęściej wykorzystuje się wtedy, gdy metody topnienia i odlewania zawodzą. Z tego powodu metodami metalurgii proszków wytwarzamy:
• metale trudno topliwe jak np. wolfram, molibden, tantal, iryd;
• spieki metali i niemetali wykazujących znaczne różnice temperatury topnienia jak np. materiały na styki elektryczne z wolframu i srebra, szczotki do maszyn elektrycznych z grafitu i miedzi;
• materiały porowate na łożyska samosmarujące;
• materiały, które w stanie ciekłym są gęstopłynne i trudne do odlewania jak np. materiały na specjalne magnesy trwałe.
Metody metalurgii proszków są kosztowne, jednak dzięki ich zastosowaniu można otrzymywać materiały o ściśle określonym składzie chemicznym i wysokim stopniu czystości. Dzięki tej metodzie można produkować przedmioty bez strat materiałów na wióry, nadlewy, ścinki itp.
Produkcja spieków dzieli się na trzy etapy; 1) wytwarzanie proszków metali, 2) prasowanie, 3) spiekanie.

I. WYTWARZANIE PROSZKÓW METALI
W zależności od przeznaczenia proszków oraz rodzaju surowców wyjściowych stosuje się różne sposoby wytwarzania. Dzielą się one zasadniczo na dwie grupy:
• mechaniczne sposoby wytwarzania, polegające na rozdrobnieniu materiałów przez mielenie, piłowanie, rozpylanie itp.
• Procesy chemiczne i fizykochemiczne, jak np. kondensacja par metalu, redukcja chemiczna tlenków, elektroliza itp.
Często stosuje się metody obu grup, np. proszki uzyskane w drodze chemicznej mogą być jeszcze rozdrobnione mechanicznie lub proszki wykonane mechanicznie mogą w dalszym procesie podlegać oczyszczaniu chemicznemu (redukcji).
1. METODY MECHANICZNE
MIELENIE. Polega na kruszeniu materiału w prasach lub łamaczach, a następnie mieleniu w młynach kulowych z porcelany z kulami porcelanowymi lub ze stali. W pewnych przypadkach stosuje się nawet wykładziny z węglików spiekanych; w takich młynach kule wykonane są z twardych metali spiekanych. Najlepsze wyniki mielenia otrzymuje się przy przerabianiu materiałów kruchych. Wytworzone w ten sposób proszki mają duże znaczenie przemysłowe.
Mielenie może odbywać się również w młynach wirowo-udarowych. W komorze takiego młyna wirują w przeciwnych kierunkach dwa śmigła z twardych stopów. Materiały porywane przez śmigła i wirujący gaz ulegają rozdrobnieniu przy uderzaniu o siebie. W celu zabezpieczenia wytwarzanych proszków przed utlenieniem lub wybuchem wprowadza się do wnętrza komory gaz ochronny obojętny lub redukujący (gaz świetlny, azot). Mielenie w takich młynach ma nawet zastosowanie do materiałów plastycznych.
ROZPYLANIE. Polega na rozdrobnieniu wypływającego z dyszy ciekłego metalu za pomocą strumienia gazu lub cieczy. Wypływający z dyszy cienki strumień metalu wraz z otaczającym go strumieniem wody wpada na wirujące noże tarczy, które rozbijają go na drobne, szybko krzepnące cząstki.
Poprzez regulowanie ciśnienia metalu, wody oraz prędkości obrotowej tarczy, można uzyskać proszki o różnych wymiarach ziaren. W metodach rozpylania często stosuje się dodatkowo rozdrabnianie mechaniczne.
Pomimo wydajnej pracy tego typu urządzeń, otrzymany w ten sposób produkt zawiera zanieczyszczenia materiału wyjściowego, dlatego stosowany jest głównie do wyrobu produktów masowego użytku.
2. METODY CHEMICZNE
REDUKCJA ZWIĄZKÓW CHEMICZNYCH W PODWYŻSZONEJ TEMPERATURZE. Odbywa się w piecach z atmosferą redukującą w podwyższonej temperaturze. W urządzeniach tych redukowany tlenek jest umieszczony w łódeczkach metalowych, przesuwanych ruchem ciągłym przez długą komorę pieca w przeciwnym kierunku do ruchu gazu redukującego jakim najczęściej jest wodór.
Ponieważ zbyt wysoka temperatura spowodowałaby rozrost ziarn i spiekanie proszków w jednolitą masę, proces ten przebiega w znacznie niższej temperaturze od topnienia tlenku metalu. Metoda ta ma zastosowanie do wytwarzania proszków wolframu, molibdenu, niklu, kobaltu i miedzi.
REDUKCJA STOPIONYCH SOLI. Tą metodą można otrzymać proszki berylu, tytanu, cyrkonu, niobu, tantalu i uranu poprzez stopienie pod znacznym ciśnieniem pewnych soli tych metali z metalami alkalicznymi (sód, potas) lub metalami ziem alkalicznych (magnez, wapń). Najczęściej stosowanymi solami są: chlorki, fluorki lub sole podwójne. Uzyskany w wyniku redukcji produkt ługuje się w wodzie (filtruje), a następnie oczyszcza.
WYTWARZANIE WĘGLIKÓW. Polega na ogrzewaniu proszków metali zmieszanych z drobną sadzą w temperaturze 1300 2200 C. W ten sposób wytwarza się proszki węglików molibdenu, wolframu, tytany i inne. Często wytwarza się węgliki przez nawęglanie tlenków metali, które następnie zostają mechanicznie rozdrobnione. Wytworzone ta metodą proszki stosowane są do wyrobów materiałów twardych.
3. METODY FIZYKOCHEMICZNE
W drodze procesów fizykochemicznych otrzymuje się proszki o wyższej czystości. Procesy te polegają na zestalaniu par metali (kondensacji) co prowadzi do uzyskania proszków jeszcze drobniejszych niż w procesie rozpylania.
Metoda ta ma duże zastosowanie w wyrobie proszków cynku. Tlenek cynku jest redukowany węglem, a odparowujący cynk ulega następnie zestalaniu w postaci drobnego proszku, który pokrywa się cienką błonką tlenku, zabezpieczającą go przed spieczeniem.
METODA KARBONYLKOWA. Polega na działaniu pod znacznym ciśnieniem tlenku węgla na rudy żelaza lub niklu. Efektem reakcji są ciekłe związki, tzw. karbonylki. Do wytwarzania proszków stosowane są głównie czterokarbonylek niklu lub pięciokarbonylek żelaza. Związki te w podwyższonej temperaturze nie są trwałe i ulegają łatwo rozkładowi na metal i tlenek węgla. Metal wydziela się w postaci proszku w specjalnych zbiornikach, a uwolniony gazowy tlenek węgla powraca znowu do procesu.
Metoda ta stosowana jest głównie do żelaza i niklu, jakkolwiek inne metale tworzą także karbonylki. Uzyskane tą metodą proszki odznaczają się znaczną czystością, dlatego stosuje się je do wyrobu ważniejszych materiałów, jak np. materiały magnetyczne, próżniowe, elektryczne itp. Ze względu na ich dobrą prasowalność stosowane są również do wytwarzania produktów o złożonych kształtach.
METODA ELEKTROLITYCZNA. W zależności od stanu i rodzaju elektrolitu rozróżnia się dwie odmiany:
- metoda wydzielania proszków z roztworów wodnych soli - stosuje się do wytwarzania proszków niklu, kobaltu, żelaza, srebra, miedzi.
- metoda wydzielania proszków ze stopionych w podwyższonej temperaturze soli metali- stosuje się do uzyskiwania tantalu, niobu, wanadu, cyrkonu, toru, tytanu i uranu
W zależności od warunków elektrolizy uzyskuje się albo kruchy osad na katodzie,
rozdrabniany później mechanicznie, albo proszek opadający na dno wanny.
Metoda ta jest jedną z częściej stosowanych w przemyśle.
WYTRĄCANIE ELEKTROCHEMICZNE. Proszek metalu jest wydzielany z roztworu soli przez wytrącanie go innym metalem, np. za pomocą miedzi wytrąca się srebro z roztworu wodnego azotanu srebra.
Uzyskane w ten sposób proszki podlegają zwykle dalszemu rozdrabnianiu w młynach. Jest to metoda od dawna stosowana do wyrobów proszków srebra, złota, platyny i cyny.
W przypadku uranu, toru, cyrkonu i berylu stosuje się wytrącanie proszków w podwyższonej temperaturze ze stopionych soli tych metali.
DYSOCJACJA TERMICZNA. Polega na uzyskiwaniu proszków metali ze związków nietrwałych w wyższej temperaturze przez dysocjację termiczną.
METODY SOECJALNE. Mają zastosowanie w specjalnych przypadkach , takich jak np. rozdzielanie (destylacja) stopów składających się z metali różniących się temperaturą topnienia i ciśnieniem pary.

II. PRASOWANIE PROSZKÓW METALI
Połączenie się czystych, pozbawionych powłok tlenkowych i dostatecznie płaskich ziaren może się odbyć w temperaturze pokojowej, jeśli nastąpi zbliżenie powierzchni ziaren na odległość atomową. Jednak w praktyce nie daję się zrealizować takich warunków, nawet przy największych ciśnieniach, wskutek czego łączenie proszków dokonuje się w innych warunkach.
Poprzez sprasowanie proszków uzyskuje się zbliżenie krystalitów, powiększenie powierzchni ich styku oraz czyszczenie powierzchni styku przez mechaniczne zdarcie tlenków z sąsiadujących ze sobą cząstek.
Na skutek tarcia, w momencie przesuwania się ziaren po sobie, następuje podwyższenie temperatury, co sprzyja bezpośredniemu łączeniu się cząstek w temperaturze pokojowej oraz powoduje mechaniczne zazębianie się ziaren.
Wyniki procesu prasowania są uzależnione od właściwości proszku oraz od sposobu prasowania i kształtu matryc. Ciśnienie wywierane na proszek nie rozchodzi się równomiernie w całej masie proszku, co powoduje nierównomierny rozkład gęstości w kształtce i jest przyczyną nierównomiernego skurczu, spowodowanego zmniejszaniem się porów. W zależności od warunków technologicznych spieku, skurcz liniowy dochodzi do 30%, a objętościowy do 50%. Do prasowanych mas dodaje się składniki zmniejszające tarcie (grafit, stearyny, gliceryny, alkohol, eter, aceton, benzol, benzynę, kamforę w ilościach nie przekraczających 1% mas) oraz stosuje się dwustronne prasowanie w celu zmniejszenia różnic gęstości.
Za pomocą pras, pod znacznym ciśnieniem z proszków formuje się kształtki. Rozróżniamy prasowanie jednostronne lub dwustronne.
Bezpośrednio przed procesem zagęszczania proszki metali podlegają zabiegom polepszającym stan ich powierzchni, a nawet zmniejszającym stopień zanieczyszczeń (np. przemywanie woda destylowana oraz redukcja wodorem w podwyższonej temperaturze). Następną operacją jest mechaniczne mieszanie w mieszalnikach lub młynach kulowych. Mieszanie może przebiegać na sucho lub na mokro. Czynnikiem zwilżającym może być: woda, węglowodory, aceton itp. Czas trwania tej operacji może dochodzić do kilku dni.
Prasowanie odbywa się następnie w matrycach stalowych przy użyciu pras o napędzie mechanicznym lub hydraulicznym zazwyczaj w temperaturze pokojowej.
Ciśnienie stosowane zwykle w procesach technologicznych wynosi zwykle 1000 10000 at, a czasem dochodzi do 15 000 at, jednak wysokie ciśnienie prasowanie jest przyczyną zużywania się matryc.


III. SPIEKANIE PROSZKÓW METALI
Spiekanie jest to proces polegający na obróbce cieplnej uformowanych w matrycach kształtek, mający na celu trwałe powiązanie poszczególnych ziaren proszku słabo dotychczas zespolonych ze sobą.
Układy jednoskładnikowe spieka się w temperaturze wynoszącej 2/3 do 4/5 bezwzględnej temperatury topnienia. Łączenie ziaren następuje bez przechodzenia przez fazę ciekłą.
Układy wieloskładnikowe można spiekać bez udziału fazy ciekłej lub z jej udziałem. Faza ciekła powstaje ze stopienia jednego lub kilku składników, ilość jej jest jednak niewielka ze względu na niebezpieczeństwo nadtopienia brzegów lub zmiany kształtów produktu. Ważnym warunkiem dobrego spiekania jest dobór atmosfery ochronnej, w której przeprowadza się proces. Do tego celu stosowane bywają atmosfery redukujące, obojętne lub nawet próżnia, w zależności od rodzaju materiału i zamierzonego wyniku spiekania.

W celu uproszczenia i przyspieszenia procesów technologicznych w pewnych przypadkach łączy się prasowanie i spiekanie w jedną operację. Jest to prasowanie w podwyższonej temperaturze lub spiekanie pod ciśnieniem. Uzyskany w ten sposób materiał jest w małym stopniu porowaty, a jego własności fizyczne i wytrzymałościowe są znacznie lepsze niż w przypadku stosowania rozdzielnych operacji prasowania i spiekania. Zasadniczą trudność w zastosowaniu tej metody stanowi mała wytrzymałość matryc w podwyższonej temperaturze.