Metalurgia proszków

METALURGIA PROSZKÓW

Wypracowanie które przedstawiam ma dotyczyć metali, a konkretnie tego co związane
z tematem metalurgia proszków.
Dział który uczynił topienie i odlewanie stali zbędnym nazywa się metalurgią proszków. Obejmuje on wytwarzanie metalicznych kształtek z proszków metali, związków metalicznych, metaloidów. Celem metalurgii proszków jest przekształcenie tych surowców
w zwarte ciała metaliczne, wykorzystując ich proszki. Dzieje się bez przechodzenia przez stan ciekły. W czasie wygrzewania kształtek które są sprasowane następuje połączenie oddzielnych ziaren proszków.
Za pomocą metalurgii proszków wywarzamy:
- metale trudnotopliwe które mają plastyczną postać,
- metaliczne masy plastyczne do prasowania (amalgamaty dentystyczne),
- węgliki spiekane mające dobre właściwości wytrzymałościowe będące w postaci węglików metali z metalami tworzącymi lepiszcze o strukturze złożonej,
- metale złożone ze składników metalicznych lub w ogóle nie mieszających się, bądź też mieszających się bardzo trudno,
- filtry lub łożyska mające porowatą strukturę,
- materiały w stanie ciekłym gęstopłynne, trudne do odlewania (np. materiały do specjalnych magnesów trwałych).
W czasie spiekania układy jednoskładnikowe spiekają się w temperaturze 2/3  4/5 bezwzględnej temperatury topnienia. Łączenie ziaren następuje tutaj bez fazy ciekłej. Czas spiekania, temperatura są zależne od materiału (np. dla metali trudnotopliwych około pół godziny, zaś kilkugodzinne dla stopów magnesowych). Wyższa temperatura to krótszy czas spiekania, a niższa temperatura to dłuższy czas spiekania.

Przegląd stosowanych pieców, zakres temperatur,
oraz ich zastosowanie.

Typ pieca Zakres temperatur 0C Zastosowanie
komorowy 600 – 10500C - spiekanie łożysk porowatych, stopów żelaza
dzwonowy do 11000C - spiekanie łożysk porowatych, dużych kształtek, stopów żelaza
muflowy 1050 – 14000C - spiekanie dużych bloków, kształtek
z proszków metali
ciągły
a) do 11000C
b) do 15000C - spiekanie łożysk porowatych z brązu
i żelaza, najczystszych metali, metali kombinowanych i redukcji tlenków metali, stopów magnetycznych węglików spiekanych.
sylitowy 1250 – 13500C - spiekanie małych spieków w celach badawczych, redukcja tlenków
węglowy krótko zwarty Do 2000 0C - spiekanie węglików, metali kombinowanych, syntezy węglików metali i twardych materiałów
indukcyjny wielkiej częstotliwości Do 30000C - spiekanie węglików, synteza węglików metali i twardych materiałów
dzwony do spiekania oporowego Do 32000C
- spiekanie metali trudnotopliwych
urządzenie do prasowania na gorąco (spiekania pod ciśnieniem) a) do 6000C
b) do 8000C
c) do 15000C - prasowanie na gorąco metali kombinowanych, stopów łożyskowych
i żelaznych do narzędzi
- prasowanie na gorąco węglików spiekanych, stopów diamentowo metalicznych.

Układy wieloskładnikowe można spiekać z udziałem lub bez udziału fazy ciekłej. Powstaje ona z stopienia jednego lub kilku składników. Ponieważ jest niebezpieczeństwo nadtopienia brzegów i zmiany kształtów nie powinna ona być duża. Dobór atmosfery ochronnej w której przeprowadzany jest proces to ważny warunek dobrego spiekania. Spiekanie i prasowanie można połączyć w jeden proces gdy chce się uprościć oraz przyspieszyć zjawiska technologiczne. Prasuje się w wyższej temperaturze a spieka pod ciśnieniem. Materiał który powstaje jest mało porowaty. Właściwości fizyczne i wytrzymałościowe takiego materiału są lepsze niż przy zastosowaniu tych operacji niż przy rozdzieleniu tych operacji. Trudność tutaj stanowi jednak mała wytrzymałość matryc przy podwyższonej temperaturze. Ze spiekania powstają materiały o ściśle określonym składzie chemicznym oraz wysokim stopniu czystości. Produkowane są przedmioty bez strat na wióry, ścinki, nadlewy i tak dalej.
Produkcja spieków dzieli się na:
- wytwarzanie proszków metali,
- prasownie,
- spiekanie.
Połączenie dwóch powierzchni może nastąpić w temperaturze pokojowej, jeśli tylko uda
się je dostatecznie zbliżyć do siebie (np. poprzez zastosowanie ciśnienia). Muszą one być idealnie czyste oraz płaskie być idealnie płaskie oraz czyste (przy czym metal nie posiada powłok tlenowych które hamują złączenie).
Zbliżenie na odległość atomową dwóch powłok jest nie do wykonania dlatego że:
1. Ziarna proszku mają nieregularną powierzchnię, ich powierzchnia wzajemnego styku jest bardo mała.
2. Od procesu wytwarzania zależy czystość chemiczna proszków, a w powietrzu pokrywają się one powłokami tlenkowymi i gazowymi przeszkadzają one lub uniemożliwiają działanie sił przyciągających.
3. Budowa zewnętrznych warstw atomów wolnej powierzchni metalicznej
jest inna niż zewnętrznych warstw atomów krystalitów znajdujących się
we wnętrzu odlewu. Skutkiem tego siła która przypada na jednostkę rzeczywistej powierzchni styku jest inna od siły która przyciąga krystality wewnątrz odlewu.
Gdy nie powstanie kształtka z proszku metalicznego lecz rozpadnie się można powiedzieć że przez zastosowanie ciśnienia doprowadza się do działania sił przyciągających. Znaczenie również tutaj ma zazębianie się i wiązanie ziaren proszku. Osiągnięta wytrzymałość jest w wielu wypadkach niska ponieważ trzy wyżej wymienione czynniki tylko częściowo prasowanie unieszkodliwia.
Prasowanie polega na:
I Zwiększeniu powierzchni całkowitej styku ziaren proszku przez zbliżenie ich do siebie.
II Zdarciu powłok tlenowych oraz gazowych poprzez tarcie poszczególnych ziaren proszku
o siebie, stykane są czyste powierzchnie metaliczne.
III W czasie wzajemnego nacisku ziaren na siebie następuje częściowe przegrupowanie atomów na powierzchniach styku. Wytrzymałość prasówek proszku metalu prasowanego na zimno zależy od wysokości ciśnienia i plastyczności danego metalu (proszki miękkie: złoto, srebro, miedź; proszki twarde: chrom, tytan, wolfram).
Ciśnienie wywierane na proszek w skutek tarcia ziaren proszku o siebie i matryce
nie jest rozłożone równomiernie w proszku co powoduje nierównomierny rozkład gęstości
w kształtce a dalej nierównomierny skurcz w czasie spiekania. Wiąże się to ze zmniejszeniem
się porów. Po to by zmniejszyć różnice gęstości do prasowanych mas dodaje się składniki które mają zmniejszyć tarcie tj.: grafit, glicerynę eter, alkohol metylowy, stearynę, benzol, aceton, kamforę, benzynę (ich ilość nie przekracza 1%). Stosuje się także dwustronne spiekanie. Matryce
do prasowania produkuje się z stali które są hartowane, zabezpiecz się przed zużyciem przez twarde chromowanie. Stosuje się także wykładanie węglikami spiekanymi matryc które bezpośrednio stykają się z proszkiem prasowanym. Pełne wkładki z węglików spiekanych nadaje się na małe matryce. Wyróżniają się one dużą odpornością na zużycie. Matryce tego typu muszą być szlifowane ponieważ mają małą wytrzymałość na zginanie. Ściany matryc chronione są nakładkami z węglików spiekanych. W matrycach stalowych koniecznością jest luz pomiędzy matrycą i stemplem (wynoszący od 0,2 – 0,5% średnicy prasówki). Zacięcia się stempla mogą być skutkiem zbyt małego luzu, zaś zbyt wielki luz powoduje osadzanie się proszku pomiędzy matrycą a stemplem tworząc rąbek na prasówkach, powodując szybsze zużycie matrycy. Prasowania przeważnie dokonuje się w matrycach ze stali w temperaturach pokojowych. Stosowane ciśnienie to od 1 do 10 ton/cm2. prasy hydrauliczne służą do prasowania na zimno. Matryce ze stali, węgla lub grafitu nagrzewane są elektrycznie w czasie procesu spiekania.
KALIBROWANIE – to proces który polega na zgniataniu kształtek prasowanych na zimno
lub gotowych, podgrzanych spieków. Chcąc określić właściwości proszków dokonuje
się pomiarów gęstości, twardości.... przed procesem zagęszczenia proszki podlegają zabiegom polepszającym stan ich powierzchni, zmniejszającym stopień zanieczyszczeń (przemycie wodą destylowaną, redukcja wodorem w podwyższonej temperaturze). Tak przygotowane proszki są mieszane. Wtedy uzyskiwane są masy kilku składników, mają one jednorodny skład. Mieszanie może odbywać się na mokro lub na sucho (czynniki zwilżające: woda, aceton, węglowodory). Operacja zwilżania może trwać kilka dni. Ciśnienie dochodzi od 100  1000 MP, czasem do 1500 MPa. Przyczyną szybkiego zużycia się matryc jest wysokie ciśnienie. To co powstanie po procesie prasowania uzależnione jest od właściwości proszku, sposobu prasowania oraz kształtu matryc. Proszki metali to materiał wyjściowy stopów, związków metali, metaloidów.
Rozdrabnianie proszków:
- jest mechanicznym oddzielaniem małych cząstek metalu od metalu topionego przez wiórowanie, frezowanie, piłowanie, zdzieranie pilnikiem. Surowce dość kruche są mielone w młynach kulowych. Materiał przed mieleniem kruszy się w prasach wrzecionowych, łamaczach szczękowych, koło tokach. Dobór materiałów na te urządzenia jest uzależniony od rodzaju proszku (min. twarda porcelana, stal wyłożona węglikami spiekanymi). Metale jak: bizmut, antymon, i chrom są tak kruche że ich rozdrabnianie nie sprawia problemu. Stosuje się również sproszkowane stop wstępne – mają one strukturę kruchego związku międzymetalicznego (np. fe – si, fe – al, ni – ti). W czasie mielenia większe części metalu się zaokrąglają, mniejsze osadzają się na kulach i ścianach młyna. Można otrzymać proszek o ziarnach które mają różną wielość. Metody mechaniczne powodują to że produkty są zanieczyszczone, stosuje się je do wyrobu przedmiotów wielokrotnego użytku. Wyprodukowane przedmioty metodami fizykochemicznymi mają duży stopień czystości, są stosowane do specjalnych celów (np. wyroby z wolframu, stopów magnetycznych).
Redukcja chemiczna – niższa jej temperatura tym drobniejszy proszek. Wielkość ziaren jest większa z temperaturą (wzrastającą) oraz czasem trwania redukcji lub zawartością wilgoci w gazie redukcyjnym (wodór, tlenek węgla, amoniak). Tlenek przepychany przez piec w przeciw prądzie gazu redukcyjnego. Technicznie czyste proszki otrzymuje się przez zredukowanie ich tlenków sadzą w piecach gazowych.
Elektroliza – odbywa się w roztworach soli, solach stopionych. Elektroliza w roztworach użyta jest do otrzymywania: ołowiu, miedzi, cyny. Stosuje się w tych procesach wysokie gęstość prądu, szybki obieg elektrolitów, wyższą temperaturę, dodaje niektóre koloidy. W elektrolizie stopione sole stosuje się w wyrobie tantalu, niobu, cyrkonu, wanadu. Od własności fizycznych oraz chemicznych materiałów użytych do produkcji zależy przebieg procesów technologicznych. W metalurgii proszków decydują o doborze warunków w jakich mają przebiegać procesy wytwarzania przedmiotów. Czyste powinny być proszki metali które, są używane do wyrobu przedmiotów użytkowych. Od surowców wyjściowych jest rodzaj oraz postać zanieczyszczeń. Znaczną rolę odgrywa również tutaj proces wytwarzania. Zanieczyszczenie przedostają się do wyrobów z urządzeń, otoczenia jak i z samego surowca podczas procesu wytwarzania. Najczęstsze zanieczyszczenia to: mangan, węgiel, żelazo, tlen, krzem, siarka, fosfor. Po, lub w czasie wytwarzania można częściowo usunąć zanieczyszczenia. Zwiększoną skłonność do utleniania się maja drobne proszki, a to ze względu na dużą powierzchnię (Czasem występuje samozapłon – pirofosforyczność). Studząc proszki tę własność można usunąć bądź zmniejszyć (redukcja powoduje zwiększenie się ziaren). Kształt i wielkość jest charakterystyczna
dla pojedynczego ziarna. Masę proszków określa się poprzez rozkład wielkości ziaren, sypkość, stopień zagęszczenia, prasowalność, objętość zasypu (zasypu z usadem), gęstością zasypu też z usadem. Metodami mechanicznymi otrzymane są ziarna płytkowe (brzegi zaokrąglone lub ostre). Przez rozpylenie powstają ziarna kuliste. Metodami chemicznymi uzyskuje się ziarna o ostrych krawędziach. Po zastosowaniu metody kondensacji par i karbonylkowej powstają ziarna o kształcie kulistym. Metoda elektrolityczna daje proszki dendrytyczne i iglaste. Wielkość ziaren można wyznaczyć przez pomiar mikroskopem (analiza sitową, poprzez absorpcję barwników). Objętość zasypu V: odczytuje się bezpośrednio na podziałce która jest wyrażona w centymetrach sześciennych po luźnym nasypaniu do cylindra pomiarowego 100 gram proszku.
Objętość zasypu z usadem Vu: jak poprzednio, ale proszek zagęszcza się poprzez wstrząsanie ręczne lub mechaniczne. Gęstość zasypu oblicza się jako stosunek masy proszku do objętości proszku, wyraża się tą gęstość w g/cm3.
d = m : v (gęstość zasypu),
du = m : v (gęstość zasypu z usadem).
Sypkość to stosunek ilości proszku jaka jest wsypana przez znormalizowany otwór naczynia mającego pochylone ściany do czasu wsypania.
Prasowalność proszków jest zdolnością do zachowania kształtów i krawędzi nadanych materiałowi w czasie prasowania. Prasowanie odbywa się w matrycach i pod ustalonym ciśnieniem.
Stopień zagęszczenia określany jest przez stosunek gęstości kształtki do gęstości metalu litego, wartość tę wyznacza się w procentach. Duży wpływ na stopień zagęszczenia proszków wywiera rozkład wielkości ziaren. W proszkach porowatych ziarna wypełniają przestrzenie między ziarnami większymi. Bardziej porowaty jest proszek o jednolitej ziarnistości niż proszek o różnej ziarnistości.
*Źródło: „Metalurgia proszków i materiały spiekane” dr R. Kieffer, dr W. Hotop, Katowice 1951 rok, Państwowe Wydawnictwa Techniczne.