Strona głównaStrona głównaseparatorFAQ

FAQ

zębatka 3115371 04

Zapraszamy do zapoznania się z odpowiedziami na najczęściej zadawane pytania dotyczące naszych usług. Ich spis znajdziesz poniżej.

PYTANIA I ODPOWIEDZI – METALURGIA PROSZKÓW SPIEKANYCH

Zgodnie z polską normą PN-EN ISO 3252:2002 „metalurgia proszków jest dziedziną metalurgii, która zajmuje się wytwarzaniem proszków metalicznych lub wyrobów wykonanych z tych proszków z dodatkiem lub bez dodatku proszków niemetalicznych z zastosowaniem procesów formowania i spiekania" bez przeprowadzania całego produktu przez stan ciekły. Surowcem do wytwarzania wyrobów metodami metalurgii proszków jest proszek - „zbiór oddzielnych cząstek zazwyczaj o wymiarze mniejszym niż 1 mm”. Oddzielne ziarna proszków łączą się ze sobą w jednolitą masę podczas wygrzewania silnie sprasowanych kształtek w atmosferze redukującej lub obojętnej. Uzyskuje się w ten sposób materiał o własnościach izotropowych. Poza tym spiekanie umożliwia uzyskanie materiałów o ściśle określonym składzie chemicznym, strukturze, porowatości, wysokim stopniu czystości.

Zalety:

  1. Wyroby charakteryzują się tym, że można nadawać im żądane właściwości fizyczne i chemiczne, które regulowane są w wyjątkowo dużym zakresie, odpowiednio dobranymi parametrami produkcji.

  2. Materiały mogą posiadać ściśle określony skład chemiczny o wysokim stopniu czystości, drobnoziarnistej strukturze materiałów i właściwościach izotropowych.

  3. W porównaniu z innymi technologiami występuje ograniczenie zużycia materiałów na wióry, nadlewy, ścinki itp., duża dokładność wymiarowa otrzymanych wyrobów, minimalizacja obróbki maszynowej.

  4. Odmienność procesów technologicznych pozwala na operowanie niższymi temperaturami, gdzie temperatura spiekania nie przekracza temperatury topnienia przeważającego składnika. Oznacza to, że wszystkie lub prawie wszystkie procesy przebiegają w fazie stałej.

  5. Można wytwarzać materiały lub gotowe wyroby, omijając procesy topnienia, odlewania, przeróbki plastycznej, skrawania itp., przy zastosowaniu odpowiednich parametrów procesu technologicznego. Właściwości tych materiałów mogą być podobne lub różne od materiałów o podobnym składzie, uzyskanych drogą topnienia, przeróbki plastycznej, skrawania itp. Możliwość ominięcia wysokotemperaturowego topnienia wykorzystywana jest w przypadku wytwarzania metali trudnotopliwych.

  6. Procesy technologiczne przetwarzania proszków pozwalają na dużą stabilność składu chemicznego tworzywa. Gotowy produkt może mieć skład chemiczny wejściowego proszku lub mieszaniny włókien i proszków, które są w bardzo ścisłych tolerancjach. Składnikami mieszanin wejściowych mogą być proszki metali, niemetali, pierwiastki lub związki chemiczne.

  7. Technologia spiekania umożliwia łączenie ze sobą składników różniących się znacznie temperaturami topnienia lub gęstością (W - Cu, Al - Pb, Al - U itp.). Można łączyć także materiały o uzupełniających się właściwościach, tworząc nowe kompozycje o nie istniejących dotychczas cechach.

  8. Z proszków spiekanych można uzyskać gotowe materiały o kontrolowanej porowatości sięgającej nawet powyżej 50% objętości, które są wykorzystywane na łożyska samosmarujące, filtry lub katalizatory.

 

Wady:

  1. Porowatość jest cechą nieuniknioną tej technologii. Powoduje ona zmniejszenie wytrzymałości mechanicznej i odporności na korozję. Porowatość musi być tak dobrana, by gwarantowała prawidłową eksploatację części w danych warunkach.
  2. Trudności powstają przy uzyskaniu produktów o złożonym kształcie i dużych gabarytach ze względu na nierównomierny rozkład ciśnienia w objętości proszku podczas prasowania.
  3. Technologię tę można uważać jako konkurencyjną dla jednych grup wyrobów, dla innych jako bezkonkurencyjną. Konkurencyjną w stosunku do technologii topnienia i obróbki skrawaniem może być korzystna w przypadku produkcji średnio i wielko seryjnej, głównie w przypadku skomplikowanych kształtek: kół zębatych, zapadek itp. W odniesieniu do materiałów specjalnych, np.: metali trudnotopliwych, ceramiki, cermetali, styków elektrycznych i materiałów porowatych, jest ona bezkonkurencyjna bez względu na koszty produkcji.

Metodą spiekania można wykonywać drobne elementy stalowe maszyn i urządzeń dla przemysłu motoryzacyjnego np. koła zębate, rolki, podkładki, nakrętki, części amortyzatorów, gniazda zaworów. Wykorzystanie techniki spiekania pozwala zmniejszyć pracochłonność, obciążenie obrabiarek i ilość powstających odpadów. Bardzo szeroko rozpowszechnione są spieki proszków miedzi i jej stopów. Najczęściej miedź spiekana jest łączona z proszkami cyny (brązy cynowe) i cynku (mosiądze) oraz ołowiu (brązy ołowiowe). Przykładem zastosowań tych materiałów są łożyska ślizgowe, w których na stalową panewkę nasypuje się proszek brązu ołowiowego, (10- 40%) prasuje i spieka. Tak otrzymane łożyska są przeznaczone do pracy przy wysokich obciążeniach.


Metodami metalurgii proszków można wytwarzać zarówno wyroby masowe z proszków: żelaza, stali, metali i stopów metali nieżelaznych, jak i materiały o wyższych lub specjalnych własnościach: żaroodporne, żarowytrzymałe, odporne na korozję, magnetyczne, półprze- wodnikowe, nadprzewodzące, narzędziowe, cierne, ścierne, ślizgowe, stykowe, paliwowe i konstrukcyjne dla energetyki jądrowej, porowate, izolacyjne i inne spełniające nawet najwyższe wymagania. Metodami tymi można uzyskać zarówno materiały jednorodne, jak i wielofazowe kompozyty, materiały ceramiczno-metalowe oraz materiały umacniane dyspersyjnie fazą obcą lub włóknami.

Współcześnie wyroby wytwarzane metodami metalurgii proszków znajdują szerokie zastosowanie m.in.:

  • w przemyśle motoryzacyjnym na: łożyska ślizgowe, elementy sprzęgieł, gniazda na zawory, koła zębate, pierścienie tłokowe, tłoczki hamulców, elementy amortyzatorów, elementy rozrządu i rozrusznika, dźwignie skrzyni biegów;
  • w przemyśle maszynowym na: łożyska ślizgowe, koła zębate, filtry, krzywki, korbowody;
  • w przemyśle budowlanym na: okucia budowlane, klucze, segmenty zębate, tuleje, rolki;
  • w przemyśle elektrotechnicznym na: łożyska ślizgowe, styki, elektrody;
  • w przemyśle zbrojeniowym: elementy broni.

 

Można zaobserwować dwa kierunki rozwoju metalurgii proszków

  • produkcja wyrobów masowych;
  • produkcja wyrobów o szczególnych właściwościach fizycznych.

W pierwszym przypadku zastosowanie metalurgii proszków pozwala wytwarzać masowo gotowe wyroby z pominięciem procesów topnienia, odlewania, przeróbki plastycznej i obróbki skrawaniem

- głównie z żelaza, miedzi oraz ich stopów.

Drugi kierunek rozwoju metalurgii proszków, tzn. wyroby o szczególnych właściwościach fizycznych wykorzystuje następujące cechy charakterystyczne tej technologii:

  • 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, Al-U, Cu-grafit;
  • możliwość wytwarzania wyrobów o różnej gęstości z tym samym składem chemicznym;
  • możliwość nasycania porów spieku metalami, polimerami i olejami;
  • możliwość wytwarzania wyrobów z materiałów wysokotopliwych.

Wykorzystanie cech metalurgii proszków pozwala wytwarzać wyroby o wysokiej odporności na zużycie, niskim współczynniku tarcia, ściśle określonych właściwościach elektrycznych, magnetycznych, cieplnych, żaroodporności, odporności na promieniowanie jonizujące i innych. Właściwości tych wyrobów są możliwe do osiągnięcia wyłącznie poprzez wykorzystanie metod produkcyjnych typowych dla metalurgii proszków.

Przetwarzanie proszków na materiały lub gotowe wyroby może być prowadzone w taki sposób, aby otrzymać materiał (wyrób) o gęstości równej teoretycznej, ale można również wytwarzać te materiały w postaci porowatej, o porowatości sięgającej nawet 50 % objętości i więcej. Pozwala to na uzyskiwanie z proszków łożysk porowatych samosmarnych, filtrów, katalizatorów, itp.

Stosując umacnianie dyspersyjne fazą obcą lub umacnianie (zbrojenie) włóknami, możemy polepszyć niektóre właściwości mechaniczne materiałów wytwarzanych z proszków, między innymi ich wytrzymałość w podwyższonych temperaturach i odporność na pełzanie. Pozwala to na zastosowanie materiałów do pracy w temperaturach przewyższających ich temperatury rekrystalizacji, a często bliskich temperaturom topnienia, jak również uzyskiwać znacznie bardziej wytrzymałe materiały w zakresie temperatur pokojowych.


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 metalurgii proszków 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.

Porowatość materiału określa wielkość i ilość pustych przestrzeni wewnątrz materiału. Puste przestrzenie są obszarami, w których nie ma materiału stałego. Pory wypełnione są innym ciałem stałym, cieczą, powietrzem lub inny gazem. Porowatość określa się liczbowo jako stosunek sumarycznej objętości tych pustych przestrzeni (porów) do objętości całego ciała.

Pory w spiekach można traktować jako jedną z faz materiału, chociaż występuje ona w innym stanie skupienia (faza gazowa). Zatem udział objętościowy oraz kształt porów w istotny sposób wpływają na właściwości spieku.

Wyróżnia się porowatość całkowitą, zamkniętą (bierną) i otwartą (czynną). Porowatość otwartą stanowią pory łączące się ze sobą i z powierzchnią zewnętrzną wyrobu. Porowatość otwarta jest ciągłym "szkieletem" fazy gazowej przenikającym fazę stałą. Porowatość zamknięta nie tworzy takiego szkieletu, lecz składa się z odizolowanych od siebie porów. Porowatość całkowita jest sumą objętości porów otwartych i zamkniętych. Pory zamknięte powstają już w procesie prasowania proszku.

Ze wzrostem ciśnienia prasowania maleje całkowita porowatość wyrobu, a z nią maleje także porowatość otwarta, natomiast wzrasta udział porowatości zamkniętej. W porach zamkniętych zostaje zaprasowany i skompresowany gaz. Podczas nagrzewania do temperatury spiekania ciśnienie zamkniętego gazu rośnie proporcjonalnie do przyrostu temperatury. Zatem w trakcie spiekania występują w materiale dwie przeciwstawne tendencje: jedna prowadząca do skurczu w wyniku działania sił napięcia powierzchniowego i druga prowadząca do pęcznienia w wyniku rozprężania gazu zamkniętego w porach. Przewaga drugiej tendencji uwidacznia się po przekroczeniu pewnego krytycznego ciśnienia prasowania (krytycznej gęstości wypraski), charakterystycznego dla danego proszku, ale jednocześnie zależnego od temperatury i czasu spiekania. Sprasowywanie proszku prowadzi nie tylko do

zmniejszenia udziału porowatości całkowitej w materiale, ale również do zmiany rozkładu wielkości porów w wyprasce. Ze wzrostem ciśnienia prasowania rozkład ten zmienia się tak, jak gdyby zachodziło kolejne eliminowanie porów od największych do coraz mniejszych. Tendencja ta przejawia się wyraźniej w przypadku porów położonych między cząstkami proszku, a w mniejszym stopniu dotyczy porów występujących wewnątrz cząstek.

Ciśnienie prasowania jest niewątpliwie najważniejszym czynnikiem regulującym porowatość wyrobu - ale nie jedynym. Wielkość i rodzaj porowatości można regulować również przez 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 zamiast jednej frakcji, o wąskim zakresie rozmiarów cząstek, prowadzi z reguły do uzyskania mniejszej porowatości spieku. Odpowiedni dobór trzech parametrów, a mianowicie: ciśnienia prasowania proszku, temperatury oraz czasu spiekania, może doprowadzić albo do spadku porowatości podczas spiekania, albo do utrzymania jej wartości na tym samym poziomie, może też wywołać wzrost porowatości w trakcie spiekania.

Jeżeli w toku procesu spiekania gęstość materiału rośnie, to ogólna liczba porów się zmniejsza, ale kosztem porów najmniejszych. Liczba porów dużych wzrasta w wyniku koalescencji porów małych. Po spiekaniu obserwuje się nawet pory większe od porów istniejących po prasowaniu.

Metalurgia proszków sprzyja uzyskiwaniu materiałów o dużej porowatości, a przez to odpowiedniemu obniżeniu wytrzymałości, chociaż może to mieć korzystne znaczenie w niektórych technicznie uzasadnionych przypadkach.

Właściwości spieku o porowatej strukturze są określone poprzez:

  • właściwości materiału, z którego zbudowana jest osnowa spieku,
  • porowatość i parametry stereologiczne pustek.

 

Wytwarzanie spiekanych części maszyn o wysokich właściwościach wytrzymałościowych wymaga otrzymania gęstości zbliżonej do gęstości litego materiału, czyli możliwie małej porowatości. Stosuje się w tym celu różnorodne technologie. Wiele z nich wykorzystuje kształtowanie plastyczne jako jeden z etapów na drodze do uzyskiwania odpowiednich właściwości. Są to między innymi technologie, na które składają się następujące po sobie kolejno procesy: formowania proszku, wstępnego spiekania, kształtowania plastycznego na zimno lub gorąco oraz końcowej obróbki cieplnej (ponownego spiekania lub wyżarzania).

Obróbka plastyczna materiałów porowatych jest jedną z głównych metod uzyskiwania wyrobów o określonych właściwościach technologicznych i użytkowych, łącząc w sobie osiąganie żądanej dokładności wymiarowo-kształtowej z wymaganą wytrzymałością oraz plastycznością.

Wyroby spiekane o dużej porowatości (spełniające rolę filtrów, diafragm i katalizatorów) otrzymuje się z proszku nieprasowanego, a tylko wstrząsanego w formach, w których poddaje się go następnie spiekaniu. Stosuje się formy grafitowe, ceramiczne lub stalowe chromowane. Uzyskuje się w ten sposób materiał o porowatości dochodzącej do 85%. Wyroby o jeszcze większej porowatości, sięgającej do 97%, można otrzymać tylko z włókien metalowych, filcowanych bez nacisku, a następnie spiekanych.

Odpowiednią porowatość spieku można zaprojektować przede wszystkim przez dobór właściwego proszku i ewentualne zastosowanie środków porotwórczych. Przy doborze proszku należy wziąć pod uwagę fakt, że największą porowatość formowanych kształtek uzyskuje się, stosując proszki o wąskim przedziale rozmiaru cząstek i jednocześnie o strukturze gąbczastej oraz strzępiastym kształcie cząstek. Z drugiej strony, stosowanie proszków o cząstkach kulistych daje bardziej równomierną i otwartą porowatość. Ponadto, podczas spiekania kształtek wykonanych z proszków kulistych występuje mniejszy skurcz materiału niż w przypadku proszków o nieregularnych cząstkach. W celu otrzymania bardzo dużej porowatości proszki miesza się z substancjami porotwórczymi (wypełniaczami), które w procesie spiekania zostają usunięte z

materiału. Stosuje się tutaj między innymi węglan amonu, polikaprolaktam, mocznik i metylocelulozę.

Małą i średnią porowatość spieków, nieprzekraczającą 50%, uzyskuje się, wywierając na proszek przed spiekaniem nacisk (ciśnienie) na zimno. Spieki o znikomej porowatości i nieporowate otrzymuje się, stosując zagęszczanie proszku na gorąco, stanowiące samodzielną operację konsolidacji proszku lub następujące po wstępnym zagęszczeniu na zimno.

Porowatość wywiera wpływ na zachowanie się części spiekanych podczas niektórych operacji wykonywanych po spiekaniu:

  • obróbka cieplno-chemiczna: penetracja aktywnych gazów do wnętrza kanałków łączących pory daje znacznie większą głębokość warstwy w porównaniu z materiałami litymi o tym samym składzie (w przypadku materiałów litych zamiast penetracji występuje dyfuzja w stanie stałym);
  • porowatość otwarta może być pokryta tlenkami żelaza podczas obróbki w przegrzanej parze wodnej, a w wyniku obróbki następuje poprawa niektórych właściwości mechanicznych oraz zwiększenie odporności na korozję;
  • procesy pokrywania galwanicznego (w celu zwiększenia odporności na korozję) wymagają odtłuszczenia powierzchni i uszczelnienia porów otwartych (np: szkłem wodnym).

 

W czasie spiekania początkowa porowatość wypraski wynosząca 10 ÷ 40 % zmniejsza się do 5 ÷ 15 %. Zmiany te prowadzą do porowatości otwartej. Podczas spiekania pory otwarte mogą przekształcać się w zamknięte. Szybkość zmian porowatości oraz gęstości rośnie wraz ze wzrostem temperatury spiekania. Przemiany te decydują o końcowych właściwościach spieku. Jednak w przypadku dużej gęstości wypraski zmiany porowatości są mniej intensywne. W pierwszej fazie spiekania następuje zwiększenie wymiarów wypraski, co jest wynikiem wyzwolenia się naprężeń własnych i procesu rekrystalizacji.

Wzrost gęstości i porowatości, które zależy od wielkości gniotu obniża też odporność korozyjną (również stali 18/8, 2H13). Dla dobrej odporności korozyjnej materiał nie powinien mieć porowatości większej niż 2 ÷ 3 %.

Różne warianty procesu technologicznego prowadzą do uzyskania spieków bądź to porowatych, bądź też nieporowatych.

Porowatość otwartą kształtek (wypraski lub spieku) określa się zgodnie z PN-EN ISO 2738:2001. Porowatość otwarta jest to stosunek objętości porów połączonych i wychodzących na powierzchnię do całkowitej objętości kształtki, wyrażony w procentach. Porowatość otwartą spieku można obliczyć według odpowiednich wzorów.

Określenie porowatości otwartej kształtek można przeprowadzić przez nasycanie olejem. Kształtkę porowatą zanurza się w oleju (o lepkości około 200 sekund w skali Saybolsa w temperaturze 38 °C) i przetrzymuje w temperaturze 82 ± 10 °C przez minimum 4 godziny, a następnie chłodzi w oleju o temperaturze pokojowej.

W celu dobrego nasycenia, ciśnienie w naczyniu z chłodnym olejem powinno być niskie (około 50 bar), czas wytrzymywania kształtki w naczyniu około 10 minut.

Prawidłowo dokonana analiza struktury spieku, a często i wypraski, jest niezwykle pomocna w projektowaniu właściwości tych wyrobów i ustalaniu odpowiednich parametrów technologicznych oraz materiałowych. Istotnym zagadnieniem w przypadku materiałów porowatych jest uzyskanie prawidłowego i pełnego obrazu porowatości. W tym celu wykorzystuje się technikę mikroskopii optycznej (w świetle odbitym) oraz elektronowej mikroskopii skaningowej.

Przygotowanie porowatych próbek do badań metalograficznych jest technicznie trudniejsze niż przygotowanie zgładu z materiału litego i wymaga dodatkowych zabiegów. Podczas mechanicznej obróbki próbek (cięcie, szlifowanie, docieranie, polerowanie) dochodzi z reguły do zafałszowania rzeczywistego obrazu porów w wyniku następujących zjawisk:

  • zasklepiania porów w wyniku plastycznego odkształcenia miękkiego materiału osnowy spieku;
  • wypełniania porów cząstkami środka ścierającego;
  • wykruszania obrzeża porów w materiałach twardych i kruchych.

 

Dwa pierwsze zjawiska prowadzą do zaniżenia udziału porowatości w obrazie metalograficznym, natomiast trzecie zmienia kształt i powiększa rozmiar poszczególnych porów. Rzeczywisty obraz porów fałszuje często tzw. "rozciąganie porów" przez grubsze ziarna ścierne pozostałe w porach ze stopniowym zmniejszeniem ziarna past polerskich.

Obraz porowatości może zostać również zniekształcony przez chemiczne lub też elektrochemiczne trawienie zgładu, gdyż odczynniki trawiące wnikają w pory i w tych miejscach powodują proces przyspieszonego rozpuszczania materiału.

Przykładami wyrobów otrzymywanych metodą prasowania i spiekania są grupy materiałów:

  • spieki o celowo zaprojektowanej dużej porowatości otwartej (np. filtry gazowe)
  • elementy cierne(np. tarcze sprzęgieł);
  • metalowe produkty spiekane konstrukcyjne w produkcji masowej (np. stalowe koła zębate, elementy zamków do drzwi, części dla przemysłu motoryzacyjnego. Szeroko stosowane są również wyroby z metali nieżelaznych np. brązy na pierścienie łożysk samosmarnych;
  • spieki ceramiczne i metalowe na narzędzia;
  • spieki kompozytowe metalowo-ceramiczne na metalowe elementy konstrukcyjne o podwyższonej wytrzymałości mechanicznej (np. łopatki turbin ze stopu tytanu +SiC);
  • wyroby z wolframu i innych metali trudnotopliwych, (np. spawalnicze elektrody wolframowe);
  • proszkowe wyroby magnetyczne (np. materiały magnetycznie twarde -magnesy izotropowe segmentowe z ferrytu baru).

 

O właściwości wyrobów z proszków spiekanych decyduje gatunek materiału zastosowanego na proszek, technologia i parametry wytwarzania oraz porowatość wyrobu. Przedstawione poniżej zastosowanie pokazuje jak olbrzymie możliwości występują w tej technologii. Począwszy od bardzo wytrzymałych o niemal zerowej porowatości materiałów narzędziowych, do słabych wytrzymałościowo materiałów o wysokiej porowatości ale specjalnych cechach materiałów filtracyjnych, samosmarujących.

Materiały narzędziowe. Metalurgia proszków pozwala wytwarzać gatunki stali, których nie można otrzymać metodami konwencjonalnymi, np. stali o bardzo dużej zawartości węgla (ponad 2 %). Wśród materiałów tej grupy najszybciej rozwijają się spieki narzędziowe, szczególnie spiekane gatunki stali szybkotnącej o objętości względnej 25 - 35 % węglików w stanie wyżarzonym.

Spieki ze stali szybkotnącej wytwarzane są z proszków otrzymywanych metodą rozpylania stali o odpowiednim składzie chemicznym gazami obojętnymi lub wodą. Spiekana stal szybkotnąca w konfrontacji z gatunkami konwencjonalnymi charakteryzuje się bardziej równomiernym rozkładem składników strukturalnych i drobniejszym ziarnem. W gatunkach spiekanej stali szybkotnącej obserwuje się w porównaniu ze stalami konwencjonalnymi:

  • większy wzrost twardości po hartowaniu i odpuszczaniu, przy większej wytrzymałości na zginanie i ciągliwości;
  • spiekana stal ma większą odporność na odpuszczanie.

 

Ze stali szybkotnącej metodą metalurgii proszków można wytwarzać krążki o średnicy do 600 mm, pręty okrągłe o średnicy do 380 mm. Metodami konwencjonalnymi ze stali szybkotnącej nie można wyprodukować tak dużych półwyrobów hutniczych o dobrych właściwościach, z powodu dużej segregacji węglików uniemożliwiającej ich zastosowanie do wytwarzania narzędzi. Koszty wytwarzania spiekanych stali szybkotnących są dwu- do trzy razy większe niż koszty wytwarzania stali konwencjonalnej, lecz trwałość narzędzi ze stali spiekanych jest znacznie większa w porównaniu ze stalami tradycyjnymi.

Ważną grupa materiałów narzędziowych są:

  • węgliki spiekane - cechują się dużą twardością i odpornością na wysokie temperatury;
  • cermetale - stosuje się na narzędzia, elementy rakiet, silników odrzutowych, do obrób-ki najtwardszych materiałów;
  • spieki ceramiczne - zagęszcza się je pod wysokim naciskiem lub wybuchowo, cechuje je mała zdolność do lutowania.

 

Materiały konstrukcyjne. Są najliczniejszą grupą wyrobów wytwarzanych z proszków i znajdują zastosowanie we wszystkich gałęziach przemysłu.

 

Materiały tarciowe. Stosowane są do pracy w hamulcach, sprzęgłach, przekładniach. Są to wyroby wykonane na bazie brązu z ołowiem, grafitem a przy dużych naciskach na bazie żelaza-miedzi z grafitem lub tlenkiem krzemu.

 

Spieki magnetyczne. Spiekane metale magnetycznie twarde wytwarza się z proszków Fe, Al, Ni, Cu i Ti. Stosuje się trzy metody wytwarzania magnesów:

  • prasowanie i spiekanie proszku stopowego;
  • prasowanie i spiekanie mieszaniny proszków elementarnych (nie stosuje się do proszku Al);
  • prasowanie i spiekanie mieszaniny proszków elementarnych metali i proszku stopów Al-Fe i Al- Ni.

 

Magnesy spiekane poddawane są obróbce cieplnej. Materiały magnetyczne miękkie najwyższej jakości, np. rdzenie proszkowe w cewkach indukcyjnych obwodów małej i dużej częstotliwości, są produkowane wyłącznie metodami metalurgii proszków.

 

Spieki samosmarujące. Spieki na elementy łożysk ślizgowych są grupą materiałów wyt- warzanych wyłącznie metodami metalurgii proszków. Materiały te, ponieważ zawierają w porach środek smarujący ciekły lub stały, mają właściwości samosmarujące. Spiekane materiały na elementy łożysk ślizgowych można po-dzielić na dwie grupy:

  • materiały porowate;
  • materiały nieporowate.

 

Zaletami tych materiałów są:

  • dobre właściwości ślizgowe w warunkach niedostatecznego smarowania, np. przy ruchu wahadłowym, małej prędkości obrotowej, braku smarowania;
  • możliwość pracy w miejscach niedostępnych oraz w urządzeniach pozbawionych nadzoru;
  • cichobieżność i brak wycieków oleju w czasie pracy;
  • brak konieczności obsługi łożyska;
  • niska cena łożyska;
  • brak konieczności filtrowania oleju.

 

Do wad spiekanych materiałów łożyskowych należą:

  • mała wytrzymałość w porównaniu z materiałami nieporowatymi;
  • wrażliwość na naciski krawędziowe i pracę udarową;
  • ograniczenie maksymalnej prędkości ślizgania do 3,5 m/s i nacisku jednostkowego do 15 MPa.

 

Od materiałów łożyskowych nasycanych olejem przeznaczonych do pracy z dużymi prędkościami ślizgania i małymi naciskami jednostkowymi wymaga się porowatości 25 - 35 %. Wraz ze zmniejszeniem się prędkości ślizgania i wzrostem nacisku jednostkowego, wymagana porowatość materiałów łożyskowych maleje do 10 - 18 %.

Samosmarujące łożyska porowate (rys. 6.22) są wykonane z:

  • spieków na osnowie żelaza z potencjalnymi dodatkami grafitu (0,5 - 4 %) i miedzi (5 - 25%);
  • spieków na osnowie miedzi o składzie brązów cynowych (10 % Sn) z dodatkiem grafitu (0,5 - 4 %).
  • Szczególnym rodzajem materiałów łożyskowych nieporowatych są zwijane w kształty użytkowe taśmy bimetali stal-brąz wytwarzane wg następującego schematu:
  • luźne zasypanie proszku Cu-Sn-Pb na taśmę stalową;
  • spiekanie;
  • walcowanie (do gęstości 90 % gęstości teoretycznej);
  • spiekanie;
  • walcowanie do gęstości większej niż 97 % gęstości teoretycznej.

 

Spiekane materiały filtracyjne. Spiekane filtry metaliczne mają wiele zalet w porównaniu z innymi materiałami filtracyjnymi, jak: piasek filtracyjny, wata, karton i bibuła filtracyjna. Są to:

  • duża dokładność filtrowania (do 0,0001 mm);
  • łatwość nadania żądanego kształtu i prosta regeneracja;
  • dobre właściwości mechaniczne;
  • odporność cieplna i chemiczna.

 

Filtry metaliczne są stosowane w wielu dziedzinach, np. w układach hydraulicznych obrabiarek, układach olejowych silników wysokoprężnych, w układach odpylania gazów i wentylacji, w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym, chemicznym. Spiekane filtry metaliczne o dużej porowatości otwartej Po 50 % używane są na kierownice gazu w nowoczesnych układach pomiaru prędkości przepływu gazu i w wirnikach ssąco-tłoczących promieniowych układów wentylacyjnych. Materiałami używanymi na filtry są, w zależności od środowiska, temperatury pracy, warunków przepływu:

  • proszki brązu;
  • proszki Cr, Ni, Mo i Fe oraz ich stopy;
  • proszki Cu, Ni i Zn oraz ich stopy.

 

Średnice cząstek proszku na filtry mają rozmiary: 0,06 - 0,1; 0,1 - 0,2; 0,2 - 0,3 mm. Są stosowane trzy sposoby wytwarzania filtrów:

  • prasowanie pod małymi ciśnieniami (50 - 200 MPa) i spiekanie;
  • zasypanie proszku do formy, lekkie ubicie i spiekanie w formie;
  • walcowanie i spiekanie taśm, następnie zwijanie lub przycinanie taśm do odpowiednich kształtów.

 

Porowatość filtrów zależy od:

  • rozmiarów cząstek proszku, środków porotwórczych;
  • ciśnienia prasowania;
  • temperatury i czasu spiekania.

 

Z proszków o ziarnistości większej niż 0,2 mm wytwarza się filtry o dużej porowatości (powyżej 30 %). Stosuje się też środki wiążące cząstki metalu - np. chlorki metali w granicach około 2 - 4 % mas. Wypełniają one przestrzenie między cząstkami i mają istotny wpływ na porowatość wyrobu po ich odparowaniu w czasie spiekania. Dążąc do uzyskania dużej porowatości stosuje się również prasowanie pod małymi ciśnieniami lub luźny zasyp proszku.

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.

Tylko wyroby z proszków spiekanych pozwalają na celowe zaprojektowanie materiału o dużej porowatości otwartej. Przykładem mogą być łożyska samosmarowne porowate– charakteryzujące się bardzo wysoką porowatością. Pory wewnątrz materiału tworzą kapilarne kanaliki, których objętość stanowić do 50 %całkowitej objętości łożyska. Najczęściej używanym surowcem do produkcji tych elementów to stopy żelaza lub miedzi z dodatkiem proszków niemetalu lub grafitu. Podczas pracy eksploatacyjnej łożyska te są nasycane olejami, które smarują pracujący wał. Samosmarowne może być łożysko teflonowe, w którym na porowatą warstwę brązu ołowiowego nakłada się teflon (PTFE) w postaci pasty, która wypełnia pory i zapewnia cieniutką warstwę ślizgową samosmarowną, z podłożem z brązu które nadaje dobre własności wytrzymałościowe. Wyroby takie są stosowane w urządzeniach, w których nie ma możliwości smarowania lub jest utrudnione, np. ze względu na konieczność bezwzględnej czystości (drukarki, kserografy), lub warunki pracy (np. niska temperatura).

Również filtry porowate wykonuje się ze spieków proszków różnych metali i stopów np. brązów cynowych, stali chromowych i austenitycznych lub mosiądzów niklowych o porowatości do 50%. Umożliwiają one oczyszczanie z cząstek o średnicy 10-3÷10-4mm. Filtry te posiadają dobre własności wytrzymałościowe tj. wytrzymałość na rozciąganie i zginanie, obciążenia udarowe i działanie wysokiej temperatury, odporność chemiczną. Mogą być oczyszczane przez przedmuchanie lub metodami chemicznymi.

Materiałami narzędziowymi wytwarzanymi metodami metalurgii proszków są to stale szybkotnące, materiały węglikowe, ceramika narzędziowa. Np. spiekane stale szybkotnące – posiadają lepsze właściwości skrawne od stali konwencjonalnych, zwłaszcza dotyczy to obróbki stali trudnoskrawalnych przy większych prędkościach skrawania. Wynika to z ich jednorodnej struktury. Metalurgia proszków pozwala na wytwarzanie stali o większym stężeniu węgla i pierwiastków stopowych niż w stalach konwencjonalnych. Pozwala to na zachowaniu porównywalnej do stali konwencjonalnych, ciągliwości przy uzyskiwaniu większej twardość co skutkuje większą odpornością na ścieranie. Jednocześnie stale szybkotnące tak otrzymywane nie posiadają pasmowości ułożenia węglików poprawiając tym ciągliwość materiału. Posiadają również lepszą obrabialność mechaniczną i podatność na obróbkę cieplną i dużą stabilność wymiarową.

Spieki ze stali szybkotnących należą do tej nielicznej grupy wyrobów spiekanych, które w przeważającej ilości wytwarza się nie jako gotowe detale, lecz w postaci dużych półwyrobów, takich jak: pręty.

Produkcja spiekanych stali szybkotnących jest dość skomplikowana i stąd koszty wytwarzania tych materiałów są prawie trzykrotnie większe niż w przypadku stali produkowanych konwencjonalnie. Jednak wyższą cenę stali spiekanych rekompensuje z nadwyżką większa trwałość wykonanych z nich narzędzi.

Przez spiekanie można produkować nie tylko stale o składzie chemicznym zbliżonym do składu stali konwencjonalnych, ale również gatunki niemożliwe do wytworzenia metodami konwencjonalnymi. Przykładem jest wysokowęglowa i wysokostopowa stal spiekana typu PM 7-7-7-10, zawierająca aż 2,3% węgla.

Ze spiekanego bloku ze stali szybkotnącej można bezpośrednio wykonać narzędzia, gdyż struktura materiału w przekroju bloku jest jednorodna i drobnoziarnista. W spiekanej stali nie stwierdza się segregacji węglików i nie ma potrzeby stosowania obróbki plastycznej w celu

poprawienia struktury, co jest niezbędne w przypadku stali szybkotnących wytwarzanych metodą konwencjonalną. Obróbkę plastyczną stosuje się jedynie w celu nadania wyrobom wymaganych kształtów i wymiarów.

Są również znane metody wytwarzania spieków w postaci gotowych narzędzi ze stali szybkotnących. Gotowe narzędzia, czyli spieki kształtowe, o dużym stopniu zagęszczenia materiału, uzyskuje się w procesie dwuetapowym, składającym się z prasowania proszku na zimno (w matrycy lub izostatycznie) i spiekania w próżni. Spiekane wyroby są poddawane obróbce cieplnej, obróbce cieplno-chemicznej analogicznej do obróbki stali konwencjonalnych, po której następuje jedynie ostrzenie i szlifowanie narzędzi.

Narzędzia wykonane ze spiekanych stali wykazują lepsze właściwości skrawne od wykonanych z analogicznych gatunków stali konwencjonalnych, szczególnie przy dużej prędkości skrawania stali trudno obrabialnych.

Stale nierdzewne wytwarzane techniką metalurgu proszków znajdują w ostatnich latach coraz szersze zastosowanie. Jest to grupa materiałów o szczególnych właściwościach, bowiem głównym kryterium ich użycia jest odporność na działanie czynników chemicznych, natomiast cechy mechaniczne traktowane są jako drugorzędne.

Wytwarzanie wyrobów z proszków stali nierdzewnych jest trudniejsze niż z proszków żelaza. Proszki stali nierdzewnych są mniej plastyczne ze względu na zawartość składników stopowych, a więc gorzej się zagęszczają przy prasowaniu. Wypraski mają gorsze właściwości mechaniczne - szczególnie podczas wytwarzania kształtek o dużej porowatości (np. filtrów). Ponadto trudniejsza jest realizacja operacji spiekania, która wymaga atmosfery o wysokiej czystości i pozbawionej wilgoci. muszą, więc być stosowane piece do spiekania spełniające te warunki.

Proszkowe materiały narzędziowe to również:

  • węgliki spiekane; cermetale;
  • spieki ceramiczne.

 

Cermetale (również metalodiamentowe o spoiwie metalowym lub WC, TiC) stosuje się na narzędzia, elementy rakiet, silników odrzutowych, do obróbki najtwardszych materiałów.

Spieki ceramiczne (nie zawierające spoiwa metalowego) zagęszcza się działając wysokim naciskiem lub wybuchowo. Przykładem może być borazon (azotek boru), który otrzymuje się podobnie jak diament syntetyczny, przy ciśnieniu 10 GPa w 20000C. Materiały te cechuje mała zdolność do lutowania.

Struktura każdego spieku narzędziowego składa się w części lub w całości z faz bardzo twardych. Do takich faz należą: węgliki metali przejściowych, tlenki, azotki, borki i krzemki różnych pierwiastków oraz diament.

Spieki narzędziowe zaczęto produkować już przed II wojną światową, a były nimi węgliki spiekane, które do dziś stanowią najważniejszą grupę wśród materiałów narzędziowych, gdyż wykonuje się z nich około 50% narzędzi skrawających w przemyśle światowym.

Najbardziej rozpowszechnionymi spiekami narzędziowymi są materiały, w których faza twarda w postaci węglików metali przejściowych jest spojona metalową fazą wiążącą. W tej grupie materiałowej dominują dwa rodzaje spieków, różniące się udziałem objętościowym fazy węglikowej, a mianowicie:

  • spiekane stale szybkotnące zawierające 20-35% objętości węglików;
  • węgliki spiekane, w których udział objętościowy węglików wynosi 65-98%.

 

Głównym składnikiem wszystkich węglików spiekanych jest węglik wolframu (WC), którego udział masowy w produkowanych w Polsce węglikach spiekanych wynosi od 56 do 94%. Z monowęglikowych spieków WC-Co wytwarza się narzędzia do obróbki plastycznej, części urządzeń odporne na ścieranie oraz elementy narzędzi górniczych. Narzędzia do obróbki skrawaniem wykonuje się zwykle ze spieków wielowęglikowych WC-TiC-TaC(NbC)- Co, w których udział masowy TiC + TaC(NbC) dochodzi nawet do 35%. Wprowadzenie zarówno węglika tytanu, jak i węglika tantalu zmniejsza skłonność narzędzi do zgrzewania się

z obrabianym materiałem, a dodatek węglika tantalu zwiększa wytrzymałość na zginanie węglików spiekanych i ich twardość w wysokiej temperaturze.

Właściwości użytkowe węglików spiekanych zależą nie tylko od składu fazowego, ale również od wielkości krystalitów fazy węglikowej i dokładności jej wymieszania z osnową kobaltową oraz stopnia zagęszczenia kompozytu. Im drobniejsze są krystality węglikowe i mniejsza porowatość szczątkowa wyrobu, tym większa jest twardość i wytrzymałość na zginanie węglików spiekanych.

Węgliki spiekane produkowane technologią dwuetapową wykazują resztkową porowatość wynoszącą od kilku setnych do kilku dziesiątych procenta. Taka porowatość jest niedopuszczalna w wyrobach, od których oczekuje się dużej wytrzymałości mechanicznej i bardzo dobrych właściwości eksploatacyjnych. W tym przypadku trzeba sięgnąć do technologii jednoetapowej, polegającej na prasowaniu na gorąco. Na gorąco można prasować albo w matrycach węglowych, albo izostatycznie w formach odkształcalnych. Lepsze wyniki uzyskuje się przez prasowanie izostatyczne na gorąco Otrzymywane w ten sposób wyroby można uznać za nieporowate, gdyż szczątkowa porowatość nie przekracza 0,001-0,0001% .

Duże znaczenie w zakresie wzrostu wydajności i jakości obróbki skrawaniem mają nowoczesne, wysokowydajne narzędzia skrawające, umożliwiające skrawanie z dużymi prędkościami przy zastosowaniu obrabiarek sterowanych numerycznie. Do taki materiałów należą wytwarzane przez prasowanie i spiekanie stale szybkotnące, węgliki spiekane i ceramika narzędziowa, w mniejszym zakresie materiały supertwarde: azotek boru i polikrystaliczny diament syntetyczny. Materiałom na takie narzędzia stawiane są wysokie wymagania: duża twardość, gwarantującej małe zużycie ścierne narzędzia, duża wytrzymałości na zginanie i zachowywania tej własności w wysokich temperaturach niezbędne przy zwiększaniu posuwu i głębokości skrawania. Budowa struktury i jej jednorodność, podwyższona zawartość węgla stali narzędziowych zapewnia wytwarzane w technologii metalurgii proszków.

W produkcji proszków można wyodrębnić pięć etapów technologicznych:

  • wytwarzanie proszków;
  • przygotowanie zestawów proszkowych (mieszanek);
  • zagęszczanie proszków (np. metoda prasowania);
  • spiekanie półwyrobów;
  • obróbka wykańczająca.

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.

 

Metody mechaniczne należą do mało wydajnych i mogą być stosowane w zasadzie do rozdrabniania metali i niemetali kruchych. Proszki rozdrobnione w młynach kulowych lub wibracyjnych zwykle są zanieczyszczone materiałem okładzin młyna i kul, co wymaga następnego ich oczyszczania chemicznego. Najczęściej stosowanym urządzeniem do mechanicznego rozdrabniania proszków jest młyn wirowo-udarowy typu Hametag.

Rozpylanie polega na rozbijaniu strumienia ciekłego metalu na drobne kropelki przez środek rozpylający działający pod znacznym ciśnieniem. środkiem tym jest zwykle woda, para wodna, powietrze lub gazy obojętne. Kropelki cieczy zastygają przed opadnięciem na dno zbiornika. W metodzie DPG poza rozpylaniem stosuje się również mechaniczne rozbijanie strumienia ciekłego metalu za pomocą łopatek –klinów, zamocowanych na wirującej tarczy. W

metodzie RZ proces rozpylania jest połączony z występującymi w jego trakcie lub stosowanymi później reakcjami chemicznymi utleniania, wypalania węgla lub redukcji.

Procesy chemiczne to redukcja związków chemicznych w podwyższonej temperaturze w piecach z atmosferą redukującą. Jest tu redukowany tlenek przesuwany ruchem ciągłym przez komorę pieca w przeciwnym kierunku do ruchu gazu redukującego jakim najczęściej jest wodór. Z uwagi na to iż 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.

Metodą redukcji stopionych soli można otrzymać proszki berylu, tytanu, cyrkonu, niobu, tantalu i uranu poprzez stopienie pod znacznym ciśnieniem 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.

Metody chemiczne wytwarzania węglików polegają na ogrzewaniu proszków metali zmieszanych z drobną sadzą w temperaturze 1300 - 2200 oC. 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.

W procesach 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 elektrolityczna dość często stosowana obejmuje dwie odmiany wytwarzania proszków:

  • 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.

Wytrącanie elektrochemiczne polega na wydzielaniu proszku metalu 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.

 

Wybierając metodę wytwarzania proszku trzeba wziąć pod uwagę koszty jego wytwarzania, wydajność metody, rodzaj surowców oraz wymagane właściwości fizyczne, chemiczne i technologiczne. Im więcej spośród wymienionych wymagań spełnia dana metoda, tym bardziej jest ona przydatna do wytwarzania proszków, w praktyce jednak stosuje się bardzo często kombinacje różnych metod. Przykładowe łączenie metod to np. proszki wytworzone metodą chemiczną mogą być jeszcze rozdrobnione mechanicznie lub proszki rozdrobnione metodą mechaniczną mogą w dalszym procesie podlegać oczyszczaniu chemicznemu (redukcji).

Kształty cząstek wytwarzanego proszku są związane z metodami ich wytwarzania.

Proszek otrzymany za pomocą, odpowiednich metod najczęściej nie jest jeszcze gotowy do zasypania, więc musi być odpowiednio przygotowany. Najpierw tworzy się mieszankę proszkową, zestawioną z odpowiednich frakcji ziaren o różnych wymiarach, co pozwala na uzyskanie wysokiej gęstości zasypowej. Mieszanka ta może mieć jednolity skład chemiczny lub składać się z różnorodnych składników. Jest ona przygotowywana zwykle przez producenta proszków lub indywidualnie przez wytwórcę wyrobów spiekanych. Zanim przystąpi się do formowania detalu

następuje dodanie nieznacznych ilości środków poślizgowych, w celu zmniejszenia sił tarcia pomiędzy ziarnami metalu, a także w celu zredukowania sił tarcia pomiędzy prasowanym materiałem, a ścianami matrycy. Dodanie ich obniża gęstość teoretyczną mieszanki. Jest konieczne uwzględnienie wpływu tego składnika podczas projektowania narzędzia.

W wielu przypadkach dodaje się też składniki stopowe (grafit, miedź, nikiel, molibden, itd.). Ich obecność pozwala na tworzenie się w spiekanym materiale struktur stopowych, co w konsekwencji pozwala na późniejsze wpływanie na właściwości gotowego wyrobu. Następny proces to wymieszanie proszku oraz dodatków. Podczas mieszania, które wymaga określonego czasu, następuje ujednorodnienie mieszanki oraz ścieranie i zaokrąglanie krawędzi cząstek, co poprawia gęstość nasypową. Jeżeli cząstki proszku są utlenione (np. w czasie składowania), to przed utworzeniem mieszanki należy przeprowadzić wyżarzanie w atmosferze redukującej (zwykle stosuje się wodór) w temperaturze 400  800 oC.

Dzięki wprowadzaniu domieszek można uzyskać lepsze właściwości spieków gotowych, np. zwiększona twardość dzięki wprowadzeniu miedzi, niklu, molibdenu. Węgiel można wprowadzać w postaci sproszkowanego specjalnego grafitu. Inne dodatki stopowe można wprowadzać w odmienny sposób.

 

Podczas mieszania proszku żelaza ze środkiem poślizgowym oraz dodatkami stopowymi ma miejsce, interesujące ze względów technologicznych zjawisko. W tym procesie zwiększa się gęstość usypowa mieszanki w miarę wzrostu czasu mieszania. Zjawisko to można wykorzystać, jeśli zachodzi konieczność poprawy gęstości usypowej mieszanki, gdy wymaga tego np. korekta wymiarów stosowanego w procesie wytwarzania narzędzia.

Szczególnie niekorzystne są małe przekroje komory zasypowej, tworzą się mostki, segregacja mieszanki, co w konsekwencji daje zróżnicowanie gęstości i właściwości wyrobu.

Część ciśnienia prasowania zostaje zużyta na pokonanie sił tarcia wewnętrznego i tarcia zewnętrznego. Przez tarcie wewnętrzne rozumie się tarcie pomiędzy poszczególnymi cząstkami proszku, natomiast tarcie zewnętrzne to tarcie proszku o ścianki matrycy. Straty ciśnienia na tarcie zewnętrzne zależą między innymi od zastosowanych środków poślizgowych (grafit, stearyny, gliceryny, alkohol, eter, aceton, benzol, benzynę, kamforę w ilościach nie przekraczających 1% mas).

Zanim przystąpi się do formowania detalu następuje więc dodanie nieznacznych ilości środków poślizgowych, w celu zmniejszenia sił tarcia pomiędzy ziarnami metalu, a także w celu zredukowania sił tarcia pomiędzy prasowanym materiałem, a ścianami matrycy. Dodanie ich obniża gęstość teoretyczną mieszanki. Jest konieczne uwzględnienie wpływu tego składnika podczas projektowania narzędzia. Podczas mieszania proszku żelaza ze środkiem poślizgowym oraz dodatkami stopowymi ma miejsce, interesujące ze względów technologicznych zjawisko. W tym procesie zwiększa się gęstość usypowa mieszanki w miarę wzrostu czasu mieszania. Zjawisko to można wykorzystać, jeśli zachodzi konieczność poprawy gęstości usypowej mieszanki, gdy wymaga tego np. korekta wymiarów stosowanego w procesie wytwarzania narzędzia.

Podczas prasowania część środka poślizgowego, który zawarty jest w mieszance zostaje wyciśnięta z mieszanki na pogranicze jej styku ze ściankami matrycy, co powoduje zmniejszenie sił tarcia w procesie prasowania. Pozostała część pozostaje szczelnie zamknięta ziarnami proszku metalowego. W trakcie prasowania daje to efekt ciśnienia hydrostatycznego, które utrudnia zagęszczanie (prasowanie).

Dodatek środka poślizgowego poprawia jednorodność gęstości wypraski oraz zmniejsza potrzebne dla uzyskania określonej gęstości ciśnienie prasowania, a także siłę wypychania wypraski z matrycy, co podwyższa trwałość narzędzi. Efekty te występują zwłaszcza gdy smukłość wyprasek jest duża. Sprzyja również zmniejszeniu skłonności przyczepiania się ziarn do ścianek matrycy i jej zużycie. Zbyt duża ilość środka poślizgowego jest jednak niekorzystna, gdyż może spowodować zmniejszenie gęstości wypraski i obniżenie jej wytrzymałości (wskutek utrudnienia tworzenia połączeń adhezyjnych pomiędzy cząstkami proszku). Środek poślizgowy jest usuwany w drodze odparowania podczas początkowego etapu spiekania.

Środki poślizgowe dzieli się na dwie grupy:

  • obojętne (wazelina, gliceryna, parafina, itp.);
  • powierzchniowo-aktywne (kwas stearynowy, oleinowy, stearyniany cynku, litu, wapnia, itd.).

 

Środki poślizgowe wprowadza się do mieszanek zazwyczaj w postaci roztworów w organicznych rozpuszczalnikach (benzyna, benzen, czterochlorek węgla), które przy suszeniu wymieszanego wsadu odparowują. Stearyniany i kwas stearynowy mogą być wprowadzone w postaci proszków.

Istnieją dwie możliwości wprowadzania środków poślizgowych:

  • smarowanie ścianek matrycy;
  • wprowadzanie środków poślizgowych do proszku i wymieszanie.

Połączenie się czystych, pozbawionych powłok tlenkowych i dostatecznie płaskich ziaren proszku 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.

Prasowanie proszków na kształtki przeprowadza się w matrycach. Określona ilość proszku po zasypaniu do matrycy zagęszczana jest naciskiem stempla, a następnie wypychana z matrycy.

Podczas prasowania proszek nasypany luźno do matrycy zmniejsza często dwu- lub trzykrotnie swoją objętość ulegając zagęszczaniu. Proszek zajmuje tylko 1/6 ÷ 2/5 objętości matrycy w zależności od jego gęstości nasypowej. Powierzchnia styku ziarn po luźnym zasypaniu jest bardzo mała, ponadto licznie powstające „mostki” powodują zwiększenie porowatości nasypanego proszku. Porowatość warstwy luźno zasypanego proszku jest uzależniona od kształtu i wielkości cząstek proszku. Dla drobnoziarnistych proszków o nieregularnym kształcie cząstek może ona dochodzić nawet do 90%. Zmniejszenie porowatości zasypanego proszku można uzyskać przez odpowiedni dobór ziarnistości proszku, np. mieszając proszek gruboziarnisty z drobnoziarnistym, którego cząstki wchodzą w luki pomiędzy dużymi cząstkami.

Bardzo istotne znaczenie ma również powierzchnia styku między cząstkami proszku. Proszki o bardziej nieregularnym kształcie i rozwiniętej powierzchni, charakteryzują się większą powierzchnią styku pomiędzy cząstkami przy tej samej porowatości w porównaniu z proszkami kulistymi. Można więc stosować niższe ciśnienia prasowania, aby uzyskać trwałą wypraskę, która nie ulegnie zniszczeniu w czasie wypychania.

Podczas prasowania proszku zachodzą następujące zjawiska:

  • zbliżanie ziarn proszku na odległości umożliwiające działanie adhezji,
  • powiększenie styku ziarn proszku przez wzajemne ich zbliżanie,
  • powiększenie styku ziarn przez odkształcenie plastyczne,
  • zdzieranie powłok tlenkowych przez wzajemne tarcie sąsiadujących ze sobą ziarn powodujące odsłonięcie czystych, aktywnych powierzchni metalicznych,
  • 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,
  • powstanie lokalnych punktów” ciśnieniowo-topliwych” o podwyższonej temperaturze, umożliwiających dyfuzje powierzchniową.

 

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, a dalej nierównomierny skurcz w czasie spiekania. W zależności od warunków technologicznych

spieku, skurcz liniowy dochodzi do 30%, a objętościowy do 50%. W celu zmniejszenia różnic gęstości do masy sproszkowanej dodaje się środki poślizgowe oraz stosuje się dwustronne prasowanie.

 

Za pomocą pras, pod znacznym ciśnieniem z proszków formuje się kształtki. 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. 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 czasem dochodzi do 15 000 at, Tak wysokie ciśnienie prasowania jest przyczyną zużywania się matryc.

Stosuje się następujące metody formowania (otrzymywania kształtek z materiału rozdrobnionego):

  • prasowanie w matrycach zamkniętych;
  • prasowanie izostatyczne;
  • prasowanie kroczące (z przesuwającą się matrycą);
  • walcowanie;
  • kucie;
  • wyciskanie;
  • odlewanie i natryskiwanie;
  • specjalne metody formowania (formowanie i prasowanie dynamiczne i pulsacyjne prasowanie w polu magnetycznym, wibracyjne, obwiedniowe).

Na proces prasowania, właściwości i gęstość uzyskanych wyprasek wpływają:

 a. Charakterystyka proszków;

Gęstość wyprasek przy jednakowym ciśnieniu prasowania zależy od wielkości cząstek. Im bardziej drobnoziarnisty proszek, tym gęstość wypraski niższa. Proszki drobnoziarniste charakteryzują się dużym współczynnikiem tarcia wewnętrznego, co wywołuje straty ciśnienia prasowania. Na proces prasowania wpływa również kształt cząstek i stopień utlenienia. Im bardziej rozwinięta powierzchnia cząstek i stopień utlenienia większy, tym niższa jest gęstość wyprasek.

 b. Stosowanie mieszanek proszków;

Na własności prasowalnicze ma wpływ dodatków. Szczególnie są zależne od ich rozdrobnienia, twardości i własności smarujących, np. do żelaza często dodaje się miedź i grafit, który działa jako środek poślizgowy zwiększając zagęszczenie proszków. Ogólnie proszki stopowe posiadają gorsze własności prasowalnicze niż czyste metale.

 c. Wymiary wyprasek;

Wzrost wysokości wypraski sprzyja zwiększenie strat na pokonanie tarcia i wymaga wzrostu ciśnienia prasowania, np. przy prasowaniu żelaza Hametag zwiększenie stosunku h/d z 1 do 3 wymaga dla osiągnięcia takiej samej gęstości zwiększenia ciśnienia ponad dwa razy. Duże wartości stosunku h/d, sprzyjają nierównomiernej gęstości na przekroju wypraski.

 d. Stosowanie środków poślizgowych;

Ilość wprowadzonych środków poślizgowych zależy od wielkości cząstek proszku, ciśnienia prasowania i wielkości powierzchni tarcia (powierzchni styku proszku ze ściankami matrycy).

Środki poślizgowe obojętne wpływają jedynie na współczynnik tarcia i nie uczestniczą w samym procesie odkształcenia ziarn proszku. Środki powierzchniowo-aktywne oprócz zmniejszenia tarcia wpływają na ułatwienie deformacji cząstek proszku. Drobiny środka

poślizgowego wnikają w mikroszczeliny na powierzchni cząstek i ułatwiają odkształcenie plastyczne.

Przy ocenie wpływu środków poślizgowych na proces prasowania należy uwzględnić ich oddziaływanie na gęstość nasypową, sypkość mieszanek, własności wyprasek i spieków. Środki poślizgowe nie powinny obniżać własności technologicznych oraz zmieniać składu chemicznego porowatego materiału

 e. Parametry procesu prasowania;

Na gęstość i wytrzymałość wyprasek wpływa: szybkość prasowania i czas działania nacisku. Mniejsza szybkość prasowania powoduje uzyskanie wyprasek o wyższej gęstości. Wytrzymanie pod obciążeniem doprowadza do większych odkształceń plastycznych na stykach ziarn i gęstość nieznacznie wzrasta. Praktycznie stosuje się czas działania 20-30 sek., co wywołuje wzrost gęstości wyprasek, np. dla Fe o 2-3%. Otrzymanie wyprasek o wysokiej gęstości rzędu 95%, wymagałoby stosowania wysokich ciśnień, np. dla Fe do 10 T/cm2 (1000 MPa). Natomiast w warunkach produkcyjnych ciśnienie prasowania nie powinno przekraczać 5 do 6 T/cm2 (500-600 MPa). Celem uzyskania wysokiej gęstości i nie dopuszczenia do zbyt dużego zużycia narzędzi stosuje się dwukrotne prasowanie i spiekanie.

Końcowa gęstość uzyskanego elementu zależy przede wszystkim od ciśnienia pierwszego i drugiego prasowania. Spiekanie pomiędzy pierwszym a drugim prasowaniem doprowadza do usunięcia zgniotu, co umożliwia osiągnięcie wysokich gęstości po drugim prasowaniu.

 f. Metoda prasowania;

W zależności od wymaganego kształtu elementu, własności proszku dobiera się odpowiednią metodę formowania. Każda metoda formowania ma swoje ograniczenia co do kształtu wypraski. Wynikają one z samej zasady działania metody, ale także i z zachowania się proszku (jego właściwości) w czasie procesu.

 

Proszki plastyczne, dobrze zgęszczalne i formowalne, pozwalają na łatwiejsze kształtowanie skomplikowanych kształtek, aniżeli proszki twarde i kruche. Wynika stąd konieczność doboru metody formowania nie tylko pod względem przyszłego kształtu, ale i pod kątem właściwości proszków, które mają być formowane. Możliwości wyboru metod formowania na zimno proszków i włókien są liczne.

Wytrzymałość wyprasek związana jest z wzajemnym zazębianiem się oraz działaniem międzyatomowych sił przyciągania, których wielkość uzależniona jest od powierzchni styku między cząstkami. Wzrost powierzchni styku cząstek zwiększa wytrzymałość wypraski. O wzajemnym przyleganiu cząstek decyduje ich odkształceniem plastycznym. Wypraski wykonane z materiału o większej plastyczności będą więc posiadały większą wytrzymałość w porównaniu z wypraskami wykonanymi z materiału twardego (przy tym samym ciśnieniu prasowania), gdyż przy tym samym ciśnieniu prasowania w wyprasce z materiału plastycznego będzie większa powierzchnia styków międzycząsteczkowych w porównaniu z materiałem twardym. Ponadto rozprężenie (im twardszy materiał, tym większe rozprężenie) po wypchnięciu jej z matrycy doprowadza do zmniejszenia powierzchni styków. Warstwy tlenków i obecność zbyt dużej ilości środków poślizgowych utrudniają tworzenie się metalicznych złącz, a tym samym obniżają wytrzymałość wyprasek.

Wytrzymałość wyprasek zależy też od ciśnienia prasowania. W miarę wzrostu ciśnienia prasowania rośnie gęstość wyprasek, a tym samym i ich wytrzymałość. Duży wpływ na wytrzymałość wyprasek ma również wielkość i kształt ziarn proszku. Proszki drobnoziarniste o rozwiniętej powierzchni charakteryzujące się niską gęstością nasypową, dają wypraski o wyższej wytrzymałości w porównaniu z proszkami o regularnym kształcie i grubym ziarnie sprasowanymi na taką samą gęstość. Własności wyprasek wykazują anizotropię, co wynika z nierównomiernego rozkładu naprężeń podczas prasowania. Ponieważ siły działające zgodnie z kierunkiem prasowania są większe od sił działających w kierunku promieniowym, odpowiednio wyższe są także własności wypraski w kierunku zgodnym z kierunkiem prasowania. Wzrost ciśnienia prasowania wpływa także na zmniejszenie anizotropii. Anizotropia wzrasta w przypadku proszków metali o mniejszej plastyczności.

Spiekiem nazywa się uformowaną z proszku kształtkę lub luźno zasypany proszek czy włókna, poddane procesowi spiekania, w czasie którego nastąpiło złączenie (scalenie) poszczególnych ziaren proszku w materiał o określonych właściwościach mechanicznych i fizycznych.

Jak wynika z powyższego, spiek może być uprzednio uformowany w jednym z procesów formowania na zimno i następnie poddany spiekaniu, które występuje w tym wypadku jako oddzielna operacja technologiczna (i oddzielne zjawisko fizykochemiczne), albo też formowanie może zachodzić bezpośrednio w czasie spiekania, czyli, że dwa różne procesy technologiczne współdziałają równocześnie w tworzeniu spieku o określonych właściwościach. Istnieją tylko dwie zasadnicze odmiany procesu spiekania, a mianowicie:

  1. bez działania dodatkowej siły (swobodne);
  2. z działaniem dodatkowej siły (aktywizatora), przy czym istnieje kilka istotnych wariantów stosowania siły. 

W drugim przypadku spiekanie połączone jest najczęściej z procesem formowania gotowego wyrobu pod względem jego kształtu.

Istotną cechą procesów spiekania z działaniem dodatkowej siły jest ruchliwość atomów występująca w zakresie temperatur procesów, pozwalająca na transport materiału pod ukierunkowanym działaniem siły zewnętrznej. Daje to w rezultacie dobre scalenie proszków (złącza metaliczne), znacznie lepsze i jakościowo inne aniżeli w procesach formowania na zimno.

Spiekanie jest to proces wygrzewania proszku lub kształtki w temperaturze, w której zachodzą w materiale ilościowe i jakościowe zmiany styków cząstek, przebiegające na skutek transportu materiału. Spiekanie odbywa się z reguły poniżej temperatury topnienia przeważającego składnika, w czasie spiekania może jednak wystąpić przejściowo lub stale faza ciekła, powstała z niskotopliwych składników eutektyk itp. Stąd dzielimy spiekanie na spiekanie z fazą ciekłą i spiekanie w fazie stałej.

W wyniku spiekania otrzymuje się materiał zwarty, choć często nie pozbawiony porowatości, o właściwościach fizycznych zbliżonych do właściwości materiałów otrzymywanych innymi metodami (np. przez walcowanie). Uzyskiwana przez spiekanie mikrostruktura, a co za tym idzie i właściwości spieku, mogą być albo podobne do właściwości materiału uzyskanego konwencjonalnymi metodami (o tym samym składzie chemicznym), albo też różne, niedające się osiągnąć innymi metodami. Jako składniki struktury może występować jedna faza lub wiele faz, niezależnie od warunków wzajemnej rozpuszczalności. Zarówno spiekanie w stanie stałym, jak i spiekanie z występującą stale czy przejściowo fazą ciekłą mogą w rezultacie dawać struktury jednorodne lub niejednorodne.

Przy spiekaniu zachodzą następujące powiązane ze sobą procesy:

  1. zwiększenie ruchliwości atomów,
  2. zmiana powierzchni styku cząstek (stosunek powierzchni styku do powierzchni całkowitej zazwyczaj wzrasta),
  3. usunięcie naprężeń w miejscach styku,
  4. rekrystalizacja,
  5. przemieszczanie cząstek,
  6. zmiana sumarycznej powierzchni cząstek,
  7. zmiana właściwości mechanicznych na skutek ilościowych i jakościowych przemian strukturalnych.

Z wymienionych powyżej zjawisk, jedne wpływać mogą na powiększenie, a inne na zmniejszenie powierzchni styku cząstek. Głównym procesem zwiększającym powierzchnię styku przy spiekaniu jest przemieszczanie się atomów. Do zjawisk zwiększających powierzchnię styku należą ponadto usuwanie naprężeń i zmiany w samych cząstkach.

W wyniku spiekania uzyskuje się materiał zwarty, jednak zwykle w pewnym stopniu porowaty, o strukturze jedno- lub wielofazowej. Zarówno spiekanie z fazą stałą, jak i ciekłą może prowadzić do uzyskania struktury jednorodnej lub niejednorodnej.

Spieki cechują się:

  • zespoleniem poszczególnych ziarn proszku,
  • utworzeniem nowych granic ziarn,
  • własnościami różnymi od własności wyprasek,
  • zazwyczaj objętością mniejszą od wyprasek,
  • większą gęstością od wyprasek.

Niekiedy spiekanie może jednak powodować zwiększenie objętości. Zmianę objętości powodowaną spiekaniem należy brać pod uwagę podczas projektowania przez uwzględnienie odpowiednich naddatków wyprasek.

Temperatura spiekania jest bardzo istotnym aktywizatorem procesu spiekania. Powoduje ona zwiększenie ruchliwości atomów (osłabienie sił przyciągania), powiększenie objętości, wzrost współczynnika rozszerzalności cieplnej, współczynnika Poissona i innych.

Ruchliwość atomów cząstek powierzchniowych jest znacznie większa od ruchliwości atomów położonych wewnątrz ziaren, a to ze względu na sąsiedztwo mniejszej liczby atomów. Stąd też procesy spiekania (przemieszczania atomów i transportu materiału) rozpoczynają się na ogół od po-wierzchni cząstek. Ruchliwością atomów powierzchniowych można wytłumaczyć wiele zjawisk, np. obniżenie temperatury topnienia wraz ze zwiększeniem dyspersji proszku, zwiększenie szybkości rozpuszczania i samej rozpuszczalności ze wzrostem dyspersji itp., na co wskazują liczne doświadczenia.

W celu uzyskania właściwości mechanicznych wypraska zostaje poddana spiekaniu. Spiekanie polega na wygrzewaniu surowych wyprasek w temperaturze niższej od temperatury topnienia przeważającego składnia. Podstawowymi parametrami wpływającymi na proces spiekania są:

  • temperatura i czas;
  • charakterystyka geometryczna cząstek proszku;
  • skład chemiczny mieszanki proszków;
  • gęstość wyprasek;
  • skład chemiczny atmosfery spiekania.

 

Im wyższa jest temperatura spiekania tym krótszy może być czas potrzebny do osiągnięcia określonego stopnia zaawansowania procesu spiekania. Miarą postępu tego procesu jest rozwój połączeń między cząstkami proszku wyrażający się wzrostem wytrzymałości materiału spiekanego.

Ze wzrostem czasu spiekania właściwości mechaniczne początkowo szybko rosną, a później ten wzrost jest wolniejszy, natomiast gęstość spieków wzrasta w sposób umiarkowany przez cały okres.

Wpływ temperatury na procesy spiekania jest powiązany z przemianami fazowymi w materiale i dominującej roli dyfuzji objętościowej. Pewien poziom wytrzymałości spieki żelaza osiągają już w zakresie ferrytycznym, stąd wpływ obniżonego współczynnika dyfuzji przy przejściu ze stanu ferrytycznego w austenityczny nie jest tak duży.

Spiekanie wykonuje się, zazwyczaj, w piecach elektrycznych, pozwalających na uzyskanie odpowiedniej temperatury i zapewniających równocześnie konieczną (najczęściej redukującą) atmosferę lub próżnię podczas spiekania.

Każdy rodzaj proszku lub mieszaniny proszków wymaga odpowiedniej temperatury spiekania. Istnieje możliwość wyboru różnych temperatur spiekania (w ograniczonym zakresie) dla danego materiału, z równoczesnym dostosowaniem czasu do temperatury spiekania: im niższa temperatura spiekania, tym dłuższy jego czas potrzebny dla uzyskania zbliżonych właściwości. W czasie spiekania następuje złączenie proszków lub proszku i włókien w kompozyt o właściwościach

mechanicznych i fizycznych odpowiadających w przybliżeniu stosunkowi procentowemu gęstości spieku do jego gęstości teoretycznej.

 

Ponadto, podczas spiekania mogą zachodzić reakcje chemiczne (utleniania lub redukcji w zależności od składu atmosfery pieca) oraz proces rekrystalizacji (gdy podczas formowania kształtek cząstki proszku uległy odkształceniom plastycznym), a także inne zjawiska, np. wzajemne rozpuszczanie się składników mieszanki proszków, przemiany fazowe, itp.

W piecu do spiekania stosuje się gaz ochronny, od którego oczekuje się spełnienia kilku funkcji, niekiedy pozostają one ze sobą w sprzeczności.

Gaz ochronny powinien:

  • chronić części poddawane spiekaniu przed utlenianiem;
  • niekiedy redukować tlenki zawarte w proszku;
  • powinien zapobiegać odwęglaniu materiałów zawierających węgiel, względnie nawęglaniu materiałów.

 

Spiekanie jest jednym z głównych etapów procesu technologicznego metalurgii proszków i włókien. Przeprowadza się je zazwyczaj w piecach ogrzewanych elektrycznie w atmosferach ochronnych, zwłaszcza redukcyjnych. Stosowanie atmosfer ochronnych podyktowane jest koniecznością zabezpieczenia wyprasek przed utlenieniem, które hamuje proces spiekania i umacnianie wyprasek wskutek tworzenia się na powierzchni cząstek warstw tlenkowych.

Za swoisty rodzaj atmosfery można uważać próżnię. Próżnia jest zalecana podczas spiekania z udziałem fazy ciekłej. W próżni polepsza się zwilżalność cząstek stałych fazą ciekłą, co intensyfikuje zagęszczanie materiału. Mniej przydatna jest próżnia w przypadku spiekania w fazie stałej. Próżni nie można stosować podczas spiekania materiałów wieloskładnikowych zawierających metal o niskiej temperaturze wrzenia, na przykład wyprasek z proszku mosiądzu. W próżni nastąpiłoby całkowite odparowanie cynku i po spiekaniu pozostałby szkielet miedziany. Próżnia chroni wprawdzie wypraski przed utlenieniem, ale nie zapewnia redukcji tlenków pokrywających cząstki proszku. Jednak spiekanie w piecach próżniowych jest kosztowne i mało wydajne i z tego powodu ten rodzaj atmosfery jest rzadko stosowany. W przypadku spiekania materiału redukującego się w technicznej temperaturze spiekania korzystniejsze, a przede wszystkim tańsze jest prowadzenie procesu w atmosferze redukującej.

Jako atmosferę redukującą stosuje się najczęściej wodór. Atmosfera z czystego wodoru jest jedną z najbardziej rozpowszechnionych atmosfer spiekania. W przypadku małej produkcji wodór jest pobierany z butli (sprężony), natomiast duże zakłady są wyposażone we własne wytwórnie wodoru elektrolitycznego. Wodór jest gazem palnym i wybuchowym, wymaga szczególnych zabezpieczeń oraz uwagi w czasie obsługi pieców spiekalniczych. Dobrym zamiennikiem wodoru jest zdysocjowany amoniak NH3. W niektórych przypadkach używa się atmosfer ochronnych z oczyszczonego gazu obojętnego - azotu lub gazów szlachetnych (argonu, helu).

Ze względu na dużą powierzchnię właściwą, proszki pochłaniają wiele gazów. Szybkie nagrzewanie wyprasek powoduje usuwanie z nich gazów i wzrost ciśnienia, co może powodować pękanie spieków i hamowanie procesu spiekania. Atmosfery ochronne nie zawsze zapobiegają tym szkodliwym zjawiskom, z uwagi na to, że gazy ochronne same ulegają sorpcji. Korzystne jest w takiej sytuacji prowadzenie procesu w próżni, chroniącej wypraski nie tylko przed utlenieniem, lecz również wpływającej na dysocjację tlenków. Dodatkowo spiekanie w próżni pozwala na zwiększenie intensywności parowania lotnych domieszek i ich usunięcie.

 

Usunięcie gazów podczas spiekania w próżni i dysocjacja tlenków lub niekiedy redukcja zmieniają rodzaj styków między cząstkami proszku (styki niemetaliczne przechodzą w styki metaliczne), co powoduje zwiększenie prędkości dyfuzji atomów metali w kierunku powierzchni styku ziaren.

Na końcowe właściwości wyrobu wpływają parametry charakteryzujące i sterujące procesem technologicznym wytwarzania. Najważniejsze z nich to:

a. Właściwości proszków jako materiału wyjściowego takie jak:

Właściwości metalurgiczne:

  • skład chemiczny oraz występujące zanieczyszczenia;
  • struktura ziarnowa;
  • mikrotwardość.

Właściwości geometryczne:

  • rozkład ziaren;
  • kształt ziaren;
  • wewnętrzna struktura ziaren (porowatość).

Właściwości mechaniczne:

  • sypkość;
  • gęstość usypowa;
  • prasowalność, wytrzymałość, sprężystość wypraski.

 

Istnieje powiązanie pomiędzy podanymi właściwościami, a sposobami (parametrami) wytwarzania proszków. Niektóre z właściwości zależą głównie od parametrów wytwarzania np.:

  • struktura i mikrotwardość ziaren zależą od składu chemicznego;
  • prasowalność proszków zależy od mikrotwardości, porowatości i wielkości ziaren;
  • wypraski wytworzone z proszków o rozwiniętej powierzchni ziaren mają wyższą wytrzymałość od wyprasek wykonanych z proszków, których ziarna mają regularne kształty;
  • proszki o ziarnach większych i kształtach regularnych sypią się lepiej niż proszki drobne o bardziej rozwiniętej powierzchni.

 

 b. Parametry procesu, takie jak:

  • skład chemiczny mieszanki proszków;
  • gęstość wyprasek;
  • temperatura i czas spiekania.
  1. Wyroby i półprodukty otrzymywane metodą metalurgii proszków charakteryzują się tym, że można nadawać im żądane właściwości fizyczne i chemiczne, regulowane w wyjątkowo dużym zakresie, odpowiednio dobranymi parametrami produkcji. Parametry ciśnienia, temperatury spiekania, wskutek procesów fizykochemicznych związanych z transportem materiału, mogą wpływać szczególnie w czasie spiekania swobodnego na objętość wyrobu. 
  2. Specyfika metody metalurgii proszków pozwala na uzyskanie materiałów jednorodnych, wielofazowych, kompozytów ceramiczno  metalowych, materiałów umacnianych dyspersyjne fazą obcą lub włóknami.
  3. Odmienność procesów technologicznych pozwala na operowanie niższą temperaturą. Temperatura spiekania nie przekracza temperatury topnienia przeważającego składnika. Oznacza to, że wszystkie lub prawie wszystkie procesy przebiegają w fazie stałej.
  4. Przy zastosowaniu odpowiednich parametrów procesu technologicznego można wytwarzać materiały lub gotowe wyroby, omijając procesy topienia, odlewania, obróbki plastycznej skrawania itp. Właściwości ich mogą być podobne lub różne od materiałów o podobnym składzie, uzyskanych drogą topienia, obróbki plastycznej, skrawania. Możliwość ominięcia wysokotemperaturowego topienia wykorzystywana jest w przypadku wytwarzania metali trudno topliwych (wolframu, molibdenu, tantalu).
  5. W metodzie metalurgii proszków istnieje możliwość sterowania właściwościami materiałów wyjściowych (włókien, proszków), a także parametrami poszczególnych operacji technologicznych, prowadzących do uzyskania finalnego produktu o zamierzonych właściwościach.
  6. Procesy technologiczne przetwarzania proszków pozwalają na dużą stabilność składu chemicznego tworzywa. Gotowy produkt może mieć skład chemiczny wyjściowego proszku lub mieszaniny włókien i proszków w bardzo ścisłych tolerancjach. Składnikami mieszanin wyjściowych mogą być proszki metali, niemetali, związki chemiczne lub pierwiastki.
  7. Można łączyć ze sobą składniki różniące się znacznie temperaturą topnienia lub gęstością (W-Cu, Al-Pb, Al-U itp.), a także składniki wykazujące rozpuszczalność w stanie ciekłym, tworzące eutektyki lub wykazujące całkowity brak rozpuszczalności. Można łączyć ze sobą także materiały o uzupełniających się właściwościach, tworząc nowe kompozycje o nie ist- niejących dotychczas cechach.
  8. Przetwarzając proszki na gotowe materiały można uzyskać gęstość bliską teoretycznej lub porowatość sięgającą nawet powyżej 50% objętości (łożyska samosmarujące, filtry, katalizatory).
  9. Niektóre właściwości materiałów proszkowych można polepszyć przez umacnianie dyspersyjne fazą obcą lub umacnianie (zbrojenie) włóknami, np. odporność na pełzanie, wytrzymałość w podwyższonej temperaturach. Wzrost właściwości mechanicznych i eksploatacyjnych umożliwia zastosowanie obróbek spieków, np. ulepszanie cieplne, nawęglanie, azotowanie, węgloazotowanie (stosowane szczególnie do spieków o gęstościach powyżej 6,5 g/cm3).
  10. Technologia spiekania wyrobów z proszków nie jest bez wad. Wybór jej zależy od ekonomiki procesu i optymalnych parametrów wyrobu finalnego. Porowatość jest cechą nieuniknioną tej technologii. Dla wyrobów |takich jak łożyska samosmarujące i filtry, jest to cecha konieczna, ale należy brać pod uwagę, że wpływa ona na zmniejszenie wytrzymałości mechanicznej i odporności na korozję, utrudnia uzyskiwanie wyrobów cienkościennych. Porowatość musi być tak dobrana, by gwarantowała prawidłową eksploatację części w danych warunkach pracy.
  11. Technologię tę można uważać dla jednych grup wyrobów jako konkurencyjną, dla innych jako bezkonkurencyjną. Konkurencyjną w stosunku do technologii topienia i obróbki skrawaniem może być w przypadku długiej serii skomplikowanych kształtek: kół zębatych, zapadek itp. W odniesieniu do materiałów specjalnych, np. metali trudno topliwych, cermetali, węglików spiekanych, ferrytów, styków elektrycznych, materiałów metalicznych zbrojonych włóknami i materiałów porowatych, jest ona bezkonkurencyjna niezależnie od kosztów produkcji. Spieki stosuje się nie tylko w wielu gałęziach przemysłu maszynowego ale również stanowią ważny element w produkcji broni i amunicji, stawiającej bardzo wysokie wymagania techniczne. Najwcześniej metodą prasowania i spiekania wykonywano pierścienie wiodące do pocisków artyleryjskich, rdzenie pocisków, części mechanizmów spustowych jak języki spustowe, denka magazynków. Spieki znalazły zastosowanie w produkcji wielu typów zapalników. Obudowy tarcz wirujących, tarcze wirujące i pierścienie mechanizmów bezwładnościowych stanowiących elementy zapalników amerykańskich są obecnie produkowane wyłącznie ze spieków. Znane są również próby zastosowania spieków alu- minium na komorę zamkową karabinów M16.
  12. W porównaniu ze stalami konwencjonalnymi spiekane stale szybkotnące wykazują następujące zalety:
  • lepsze własności użytkowe (można dowolnie dobierać skład tych stali przez mieszanie w odpowiednich proporcjach proszków węglików: WC, VC, TiC, Mo2C, NbC oraz osnowy);
  • brak segregacji węglików;
  • brak pasmowości;
  • bardzo dobrą szlifowalność;
  • dobrą plastyczność (nawet przy zawartości węglików do 40%objętości nadają się do obróbki plastycznej);
  • dobrą obrabialność mechaniczną;
  • dużą stabilność wymiarowa po hartowaniu i odpuszczaniu;
  • tą metodą wytwarza się także bardzo duże narzędzia o masie od kilkunastu do kilkudziesięciu kilogramów;
  • narzędzia wykonane z wysokiej jakoś i stali szybkotnącej wyprodukowanej metodą metalurgii proszków odznaczają się,5-3 razy większą trwałością niż narzędzia wykonane ze stali szybkotnącej otrzymanej metodą tradycyjną.

Wykańczanie spieku obejmuje takie operacje, jak: szlifowanie, kalibrowanie, obróbka cieplna, cieplno-chemiczna i inne obróbki nadające cechy użytkowe.

Są to głównie

1. Obróbka mechaniczna, w tym: kalibrowanie, drugie prasowanie i poprawa kształtu, obróbka skrawaniem. 

2. Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna. 

3. Nasycanie spieków olejem, metalami polimerami w celu: 

  • zamknięcia porów otwartych;
  • zwiększenia wytrzymałości na rozciąganie;
  • poprawy odporności korozyjnej;
  • likwidacji przepuszczalności dla cieczy i gazów;
  • nadania powierzchni spieku określonych właściwości ślizgowych (własności samosmarujące), odporności na ścieranie oraz zmniejszenia jej współczynnika tarcia.

 

 

1. Obróbka powierzchniowa. 

2. Obróbka plastyczna. 

Końcowe właściwości wyrobu i pole tolerancji wykonania będą więc określały jego operacje technologiczne wykańczające.

Wyroby spiekane można podzielić na dwie grupy:

  • wyroby konkurencyjne;
  • wyroby bezkonkurencyjne.

 

Pierwszą grupę stanowią spiekane wyroby z żelaza, stali węglowych, stali stopowych, brązów i mosiądzów, możliwe do uzyskania również innymi technikami (odlewnictwo, przeróbka plastyczna, obróbka skrawaniem). W tym przypadku konkurencyjność technologii spiekania wynika przede wszystkim z przyczyn ekonomicznych, chociaż 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). Mogą one również posiadać zwiększoną odporność i wytrzymałość na korozję i ścieranie w przypadku spiekania proszków stalowych o specjalnym składzie chemicznym.

 

Do drugiej grupy wyrobów, nazywanych bezkonkurencyjnymi, zalicza się materiały których nie a się wytworzyć inna technologią:

1. Spieki o celowo zaprojektowanej dużej porowatości otwartej, która jest warunkiem ich użyteczności jako filtrów, łożysk samosmarnych, powłok ablacyjnych, katalizatorów itp., 

2. Spieki kompozytowe najczęściej łączące w sobie metal i ceramikę, do których należą: 

  • 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, w których ceramika przeważa ilościowo nad składnikiem metalicznym, stosowane głównie na narzędzia używane w obróbce skrawaniem i w przeróbce plastycznej;
  • wyroby cierne produkowane z kompozytów zawierających metale, grafit oraz składniki ceramiczne (w niektórych wyrobach stosuje się dodatek żywic syntetycznych);
  • spieki pseudostopowe, wytwarzane z metali nierozpuszczających się nawzajem w sobie w stanie stałym, a często i w stanie ciekłym, z których wykonuje się głównie styki
  • elektryczne, szczotki kolektorowe - ze względu na posiadane odporność na iskrzenie, spiekanie oraz zgrzewanie podczas pracy oraz w przypadku styków pracujących głównie w zwarciu, tzn. głównie przewodzących prąd, ze względu na niską rezystywność.

 

3. Wyroby ze spiekanego wolframu i innych metali trudno topliwych. 

4. Proszkowe wyroby magnetyczne (magnesy) spiekane i niespiekane.