Unikalne właściwości wyrobów w metalurgii proszków

Rosnące zapotrzebowanie na materiały o unikalnych właściwościach, których nie posiadają tradycyjne tworzywa konstrukcyjne przyczyniło się do rozwoju metalurgii proszków.

Wszystkie metale i stopy o znaczeniu technicznym można uzyskiwać w postaci proszku. Charakterystyczne właściwości fizyczne jak i chemiczne otrzymanego proszku, mogą się różnić zależnie od zastosowanej metody wytwarzania. Różnica w technologii wytwarzania proszków odmiennymi metodami ma wpływ na przebieg i parametry procesu technologicznego ich wytwarzania oraz w rezultacie na właściwości wyrobów z proszków, na ich koszt oraz wydajność procesu. Możliwość sterowania właściwościami dotyczy zarówno materiałów wyjściowych jak i stosowanych procesów do ich przetwarzania na gotowy wyrób. Takimi metodami można uzyskać zarówno materiały jednorodne, jak i wielofazowe stopy i kompozyty, materiały umacniane dyspersyjnie fazą obcą lub włóknami oraz różnorodne materiały ceramiczno-metalowe. Zastosowanie umacniania dyspersyjnego fazą obcą lub zbrojeniem włóknami, możemy poprawić niektóre właściwości mechaniczne materiałów wytwarzanych z proszków, między innymi ich wytrzymałość w podwyższonych temperaturach i odporność na pełzanie.

Metalurgia proszków pozwala więc na:

– wytwarzanie materiałów, których inną techniką się nie otrzyma,

– regulowanie właściwości fizycznych, chemicznych i mechanicznych otrzymywanych wyrobów w dość szerokim zakresie,

– wytwarzanie wyrobów w szerokich granicach porowatości, a tym samym o różnym zastosowanie np. na łożyska samosmarne, filtry oczyszczające gazy.

Technologia metalurgii proszków pozwala wytwarzać wyroby masowe z proszków: żelaza, stali, metali i stopów metali nieżelaznych z pominięciem procesów topnienia, odlewania, przeróbki plastycznej i obróbki skrawaniem.

Ważnym kierunkiem rozwoju metalurgii proszków jest wytwarzanie wyrobów z materiałów o specjalnych właściwościach do których możemy zaliczyć wyroby żarowytrzymałe, żaroodporne, odporne na korozję, narzędziowe, cierne o niskim współczynniku tarcia, ślizgowe, stykowe, magnetyczne, o ściśle określonych właściwościach elektrycznych półprzewodnikowe, nadprzewodzące, konstrukcyjne dla energetyki jądrowej, porowate, izolacyjne i inne.

Kierunek ten daje możliwość:

• dowolnego doboru składu chemicznego wyrobu w wy­niku zmieszania komponentów nie rozpuszczających się wzajemnie, różniących się znacznie temperaturami topnienia, czy też metali z niemetalami, np. W-Cu, Al-Pb, Cu-grafit, niemożliwych do wytwarzania w procesie metalurgicznym,
• wytwarzania wyrobów o różnej gęstości przy tym samym składzie chemicznym, a tym samym różniących się właściwościami mechanicznymi,
• wytwarzania wyrobów z materiałów wysokotopliwych,
• nasycania porów spieku metalami, polimerami i olejami.

Wyroby otrzymywane metalurgią proszków można więc podzielić na dwie grupy:

• wyroby konkurencyjne,
• wyroby bezkonkurencyjne.

Wyroby konkurencyjne stanowią spiekane wyroby z żelaza, stali węglowych, stali stopowych, brązów i mosiądzów, które można uzyskać również innymi technikami (odlewnictwo, przeróbka plastyczna, obróbka skrawaniem). Konkurencyjność technologii spiekania wynika przede wszystkim z przyczyn ekonomicznych. Technologia ta wyraźnie góruje nad innymi, zwłaszcza jeśli uwzględni się stopień wykorzystania surowców oraz stopień jednostkowego zużycia energii (rys. 1). Stopień wykorzystania surowców w technologii metalurgii proszków osiąga poziom 95%, a nawet jeszcze wyższy i można uznać tę metodę jako bezodpadową, gdyż w przypadku obróbki skrawaniem wykorzystuje się 40÷50% masy surowców, resztę zamieniając na odpady. Niektóre wyroby spiekane (zwłaszcza nieporowate) mogą dodatkowo wykazywać lepsze właściwości użytkowe, niż wyroby tradycyjne o takim samym składzie materiału (np. narzędzia ze spiekanej stali szybkotnącej).

Rys. 1. Stopień wykorzystania surowców i zużycia energii w produkcji wyrobów metalowych różnymi metodami.

Drugą grupę stanowią wyroby bezkonkurencyjne, jest to szeroka grupa, których wytwarzanie inną technologią jest niemożliwe lub bardzo trudne, należą do nich:

1. Spieki o celowo zaprojektowanej dużej porowatości otwartej stosowanych na filtry, łożyska samosmarne, powłoki ablacyjne, katalizatory itp..
2. Spieki kompozytowe metalowo – ceramiczne jak np.:

• wyroby konstrukcyjne o znacznej wytrzymałości mechanicznej, zwłaszcza w podwyższonej temperaturze, wykonane z metali i stopów umocnionych dyspersyjną fazą ceramiczną, a także z metali i stopów zbrojonych włóknami,
• spieki cermetaliczne, stosowane na narzędzia używane w obróbce skrawaniem i w przeróbce plastycznej,
• wyroby cierne produkowane z kompozytów, które zawierają metale, grafit oraz składniki ceramiczne,
• spieki pseudostopowe, wytwarzane z metali nierozpuszczających się nawzajem w sobie w stanie stałym, a nawet i w stanie ciekłym, wykonuje się głównie styki elektryczne.

3. Wyroby ze spiekanego wolframu oraz innych metali trudnotopliwych i stopów wysokostopowych.
4. Proszkowe wyroby magnetyczne (magnesy) spiekane i niespiekane.

Określone właściwości wyrobów z proszków spiekanych są możliwe do osiągnięcia poprzez wykorzystanie metod produkcyjnych typowych dla metalurgii proszków. Właściwości każdego spieku zależą głównie od składu chemicznego i skła­du fazowego materiału wyjściowego oraz od morfologii faz tworzących materiał. Pory w spiekach można traktować jako jedną z faz materiału, chociaż występuje ona w innym stanie skupienia (faza gazowa). Oznacza to, że udział objętościowy oraz kształt porów w istotny sposób wpływają na właściwości spieku. Gęstość wy­praski zwiększa się ze wzrostem ciśnienia prasowa­nia proszku zwiększając tym samym właściwości mechaniczne wyrobu (rys. 2).

Rys. 2. Wpływ ciśnienia prasowania (na zimno) proszku ze stali kwasoodpornej 08H13 na gęstość wypraski; 1 - 1400 MPa, 2 - 1200 MPa, 3 - 1000 MPa, 4 - 800 MPa

Ciśnienie prasowania proszków stosowane w praktyce przemysłowej nigdy nie przekracza wartości krytycznej, jeśli wyrób ma być poddany spiekaniu swobodnemu. Prasowane pod ciśnie­niem większym od krytycznego, podczas późniejszego spiekania swobodnego, sprzyja deformacji kształtu, rozwarstwieniu lub pękaniu.

Wypraski o gęstości większej od krytycznej można jednak skutecznie spie­kać w procesie pod ciśnieniem wewnętrznym. Realizuje się to poprzez zamykanie je w formach, które nie ulegają odkształceniu w warunkach spiekania. Spiekane w ten sposób wypraski zachowują swe wymiary i pierwotny kształt. Energia sprężonego gazu jest wtedy wykorzystana do sferoidyzacji po­rów spieku i przyspieszenia procesu spiekania.

Ciśnienie prasowania jest ważnym czynnikiem regu­lującym porowatość wyrobu. Innym sposobem regulacji porowatości i właściwości wyrobu jest dobór właściwego proszku. Większą porowa­tość całkowitą i większy w niej udział porowatości zamkniętej uzyskuje się, sto­sując strzępiaste i gąbczaste proszki zamiast proszków kulistych. Proszki gąb­czaste mają już pewną porowatość w swej masie. Stosowanie kilku frakcji proszku, odpowiednio dobranych (rys. 3) zamiast jednej frakcji, o wąskim zakresie rozmiarów cząstek, prowadzi z reguły do uzyskania mniejszej porowa­tości spieku.

Rys. 3. Wypełnienie przestrzeni w proszku; a) monofrakcyjnym b) wielofrakcyjnym

W znacznie mniejszym stopniu na porowatość wpływa spiekanie. Parametrami mogącymi zmieniać porowatość i rozkład porów podczas spiekania są temperatura oraz czas spiekania. Ostateczny stopień zmian porowatości wyrobu zachodzący podczas spiekania jest zależny od zastosowanego ciśnienia prasowania w relacji z temperaturą i czasem spiekania.

Jak wynika z powyższej analizy porowatość jest główną cechą wyrobów z proszków spiekanych. Z porowatością związana jest odporność korozyjna, gęstość wyrobu, a z gęstością właściwości mechaniczne wyrobu (rys. 4, 5).

Rys. 4. Zależność wytrzymałości względnej od gęstości względnej wyrobów spiekanych z proszków metali i stopów [4]; 1 - prasowanie statyczne na zimno, 2 - formowanie udarowe, 3 - prasowanie i kucie na gorąco

Rys. 5. Zależność wytrzymałości na rozcią-ganie od gęstości spieku z proszku żelaza SC 100.26 z różnym dodatkiem węgla

Porowatość wyrobów proszkowych powoduje, że ich odporność korozyjna jest znacząco niższa niż litych materiałów. Aby przeciwdziałać temu zjawisku niezbędne jest zmniejszenie porowatości przez przynajmniej dwukrotne prasowanie z następującą po nim przeróbką plastyczną na gorąco. Dla dobrej odporności korozyjnej materiał nie powinien mieć porowatości większej niż 2÷3%.

Istnieje grupa wyrobów gdzie wytrzymałość mechaniczna jest mniej istotna. Należą do nich filtry posiadające wysoką porowatość sięgającą 50%. Wyroby te w zależności od potrzeb możemy otrzymywać np. z proszków z brązów cynowych lub stali wysokostopowych odpornych na korozję. Tylko tak wytwarzane filtry potrafią oczyszczać gazy z cząsteczek o średnicy 10^-3÷10^-4 mm.

Po drugiej stronie budowy strukturalnej (o minimalnej porowatości) wyrobów z proszków spiekanych znajdują się wyroby specjalne o małej zawartości węgla, o wysokiej czystości stopy metali trudnotopliwych (Ta, Nb, Ti, W, Mo) odpornych na korozję, do pracy w wysokiej temperaturze. Są to materiały bardzo trudne do otrzymania metodami konwencjonalnymi.

Ta grupa wyrobów to również materiały narzędziowe z węglików spiekanych i stali szybkotnących niemożliwych do wytworzenia innymi sposobami, gdzie wyeliminowano takie wady budowy jak segregacja, pasmowość węglików.

Źródło

1. Cyuńczyk A.: Podstawy inżynierii spieków metalowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2000.
2. Dobrzański L., Matula G.: Podstawy metalurgii proszków i materiały spiekane. Open Access Library. Volume 8 (14) 2012.
3. Hoganas A. B., Poradnik metalurgii proszków. Tom II. Wytwarzanie spiekanych materiałów żelaznych, Hoganas 1997.
4. Leszczyński V. i inni: Technologie wytwarzania części dokładnych z proszków spiekanych metali. Obróbka Plastyczna Metali, nr 1, 2005.
5. Ludyński Z., Nowak W.: Spieki ciężkie – technologia i właściwości.Metalurgia Proszków, nr 2, 1995.
6. Nowacki J.: Spieki metali w budowie maszyn. Wyd. Politechniki Łódzkiej, Łódź 1997.
7. Nowacki J., Spiekane metale i kompozyty z osnową metaliczną, WNT, Warszawa, 2005.
8. Mazurkiewicz A.: Technologie specjalne kształtowania materiałów. Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom, 2009.
9. Rutkowski W.: Projektowanie właściwości wyrobów spiekanych z proszków i włókien. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa, 1977.
10. Wiśniewska-Weinert H. i inni: Technologie wytwarzania części dokładnych ze spiekanych materiałów proszkowych. Obróbka Plastyczna Metali t. XVII nr 3, 2006.