Click here to load reader

CURS 14 - Materiale ingineresti compozite si sinterizate

  • View
    5

  • Download
    1

Embed Size (px)

Text of CURS 14 - Materiale ingineresti compozite si sinterizate

sinterizate; Sa cunoasca clasificarea si structura materialelor sinterizate.
14.2 Materiale compozite - Generaliti
Pentru a incadra si compara materialele compozite si
sinterizate incercam sa facem o posibila clasificare a materialelor solide cu destinaie tehnic si aceasta poate fi urmatoarea:
metale i aliaje;
textile; polimeri;
sinterizate; compozite.
Materialele solide pot fi grupate, din avand in vedere structura electronic i cristalin, în trei categorii i anume:
Materiale cristaline: policristaline: aliaje feroase; aliaje neferoase;
monocristaline: metale; oxizi; carburi; nitruri; materiale semiconductoare i optoelectrice;
microcristaline: aliaje supuse unor tratamente termice
semicristaline: materiale polimerice;
agregate de pulberi presate; materiale compuse rezultate prin acoperirea suprafeelor cu
substane metalice sau nemetalice; materiale stratificate, obinute prin asamblare succesiv sau
simultan.
Materialele compozite fac parte din aceast ultim categorie. În cadrul generaiei de materiale noi care înlocuiesc corespunztor
metalele, având în vedere caracteristicile i perspectivele lor de viitor, o atenie deosebit se cuvine a fi acordat materialelor compozite,
denumite, pân nu demult, materiale plastice consolidate. Materialele compozite sunt primele materiale a cror dispunere structural intern
o concepe omul, nu numai în înlnuirea lor molecular, ci conferindu-
le rezistene favorabile în direcii refereniale. Ca o definiie general, materialele compozite sunt amestecuri
de dou sau mai multe componente, ale cror proprieti se completeaz reciproc, rezultând un material cu proprieti superioare
celor specifice fiecrui component în parte. Astfel, aceste componente vor coopera, deficienele unora fiind suplinite de calitile altora,
conferind ansamblului proprieti pe care nici un component nu le poate avea.
Din punct de vedere tehnic, noiunea de materiale compozite se refer la materialele care posed urmtoarele proprieti de baz:
sunt create artificial, prin combinarea diferitelor componente (sunt excluse compozitele naturale sau cele aprute fr intenia de
a crea un compozit, cum ar fi lemnul, fonta cenuie, etc.); reprezint o combinare a cel puin dou materiale deosebite din
punct de vedere chimic, între care exist o suprafa de
separaie distinct; prezint proprieti pe care nici un component luat separat nu le
poate avea. Problemele aprute în încercarea de a defini cât mai
exact materialele compozite sunt o dovad a domeniului extrem de larg pe care îl ocup acest tip de materiale, domeniu aflat într-o rapid i
continu extindere. În prezent, sunt utilizate deja într-o mare diversitate de
domenii ale ingineriei i sunt în curs de dezvoltare metode de fabricaie îmbuntite. Aprute în timpul celui de-al doilea rzboi mondial, au
evoluat în direcia înlocuirii metalelor acolo unde exigenele referitoare la caracteristicile mecanice sunt atât de mari încât nu pot fi satisfcute
de acestea. Avantajul major, esenial al compozitelor const în
posibilitatea modulrii proprietilor i obinerea în acest fel a unei
game foarte variate de materiale, a cror utilizare se poate extinde în aproape toate domeniile de activitate tehnico-mecanic.
14.3 Clasificarea i structura materialelor compozite
În cele mai multe cazuri, compozitul cuprinde un material de
baz, matricea, în care se afl dispersat un material complementar sub
form de particule sau fibre, iar principalele proprieti care se
Pag. 3
urmresc s se obin sub o form îmbuntit sunt: rezistena la rupere, rezistena la uzare, densitatea, rezistena la temperaturi înalte,
duritatea superficial, stabilitatea dimensional, capacitatea de amortizare a vibraiilor.
Varietatea mare de materiale compozite face ca la clasificarea acestora s fie luate în considerare mai multe criterii, dupa cum
urmeaza:
a. dup starea de agregare a matricei i a materialului dispersat:
compozite tip lichid-solid (suspensii); compozite tip lichid-lichid (emulsii);
compozite tip gaz-solid (structuri “fagure”, aerodispersii); compozite tip solid-solid (metal-carbon, metal-particule ceramice,
metal-fibre metalice, metal-fibre ceramice, polimeri-fibre, carbon- carbon).
b. dup natura matricei: compozite cu matrice metalic (aluminiu, cupru, nichel,
magneziu, superaliaje, aliaje de aluminiu, cupru, etc.); compozite cu matrice organic (polimeri);
compozite cu matrice din carbon; compozite cu matrice ceramic (carbur de siliciu, nitrur de
siliciu).
c. dup configuraia geometric a materialului complementar: compozite cu fibre discontinue;
compozite cu fibre continue; compozite cu particule mari (grafit, oxizi, nitruri, carburi, aliaje),
acestea având dimensiuni mai mari de 1 µm i diferite forme; compozite cu microparticule, la care materialul dispersat în
matrice reprezint 1...15%, iar diametrul mediu al particulelor este max, 0,1 µm;
compozite lamelare stratificate.
O clasificare mai general a materialelor compozite, care le prezint într-un mod sintetic, are la baz utilizarea concomitent a dou
criterii, i anume particularitile geometrice ale materialului complementar i modul de orientare a acestuia în matrice. Matricea are
rolul de a uni fibrele în modul cel mai favorabil pentru a rezista la solicitrile mecanice pe care fiecare tip trebuie s le suporte. Se poate
deduce c avem de-a face cu nite materiale cu rezisten anizotrop i care deschid mari posibiliti pentru a concepe un material specific
pentru fiecare aplicaie concret. Materialele plastice consolidate au caliti mecanice importante
i caracteristici care le identific: absena coroziunii, rezisten mare la
oboseal i la oc, densitate joas. Cu acestea s-au realizat produse cu întrebuinare vast: ambarcaiuni de agrement si competitii, plci
ondulate translucide, instalaii i depozite pentru industria chimic i alimentar, cisterne, etc.
Pag. 4
Dezvoltarea unor noi procedee de fabricaie a permis sporirea proporiei de fibre pân ce s-a ajuns la o inversare a raportului
fibre-matrice, din care au rezultat materiale cu caliti mecanice pe care metalele le pot atinge numai mrginind limita stabilitii
aliajelor. Acestea sunt compozitele avansate. Cu aceste materiale se constituie structurile cu cea mai bun relaie rezisten-greutate
cunoscute pân în prezent.
14.4 Structuri compozite tip sandwich
Pentru a combina rigiditatea i rezistena mecanic mari în aceeai construcie uoar, au fost realizate structurile complexe de tip
sandwich. Ele sunt formate dintr-un strat central plat, tip fagure, sau cu
un profil alveolar ondulat si doua suprafete rigide care perimetreaza stratul central.
Structurile sandwich pot avea aplicaii în domenii obinuite precum industria ambalajelor (cartonul ondulat), dar i în domenii de
vârf reprezentate prin industriile aeronautic i aerospaial unde se folosesc piese de tipul susintorului rotativ al elicopterului, realizat
dintr-un ansamblu complex de materiale compozite.
Diverse tipuri de structuri sandwich:
a - cu stratul central plat; b - tip fagure; c - profil ondulat
14.5 Materiale sinterizate - Generaliti
Sinterizarea este un proces de sudare, densificare i recristalizare prin activitatea termic a unor aglomerate de pulberi,
proces ce se desfoar la o temperatur sub cea de topire a componentului principal din amestecul de pulberi.
Fazele care determin mecanismul obinut produselor sintetizate sunt urmtoarele:
formarea legturilor de tip punct;
Pag. 5
creterea legturilor tip punct i formarea suprafeelor de contact; creterea cristalelor noi, sferoidizarea i dispariia porilor.
Schema fazelor mecanismului de obinere a produselor sinterizate
În timpul sintetizrii au loc i alte transformri, cum sunt: modificarea (creterea) conductivitii electrice, datorit
consolidrii zonelor de contact între fostele ganule ale pulberii;
topirea (în unele cazuri) a unui component secundar; reducerea filmelor de oxizi de pe suprafaa granulelor - care sunt
reacii chimice care pot aprea între componenii amestecului de pulberi sau între gazele protectoare sau anumii componeni;
recristalizarea: adic redarea pieselor metalice durificate proprietile normale de plasticitate;
alierea componentelor i formarea unui aliaj mai mult sau mai puin omogen.
În prima etap a sinterizrii, prin înclzire crete energia cinetic i mobilitatea atomilor, care încep s se deplaseze ocupând
poziii de echilibru mai stabile. Apoi începe s se manifeste fenomenul de difuzie de suprafa, prin deplasarea pe suprafeele granulelor a
atomilor cu mobilitate maxim, situai pe prile proeminente ale acestora. Astfel începe o netezire a suprafeelor granulelor i a porilor,
precum i o închidere treptat a unor goluri mai mici între granule.
Concomitent începe i difuzia intergranular. La temperaturi mai înalte este predominant difuzia de volum, care are loc în interiorul
grunilor cristalin.
faze metalice, incluziuni nemetalice (grafit, oxizi, sulfuri) i pori. Analiza microstructurii pieselor presupune determinarea urmtorilor parametri:
mrimea i distribuia fazelor, coninutul in carbon combinat, incluziunile, transformrile structurale, fenomenele de carburare i
decarburare, porozitatea i distribuia porozitii, gradul de legtur,
Pag. 6
stabil permite corespunztor asigurarea proprietilor mecanice i fizico-chimice dorite.
Structura pieselor sinterizate se poate determina vizual (macrostructura) sau cu ajutorul microscopului metalografic sau
electronic (microstructura).
I. Microstructura pieselor sinterizate din cupru i din aliaje
pe baz de cupru În timpul sinterizrii pieselor din cupru pur are loc schimbarea
formei porilor i reducerea volumului lor, care determin reducerea energiei totale de suprafa. În cupru procesele de difuzie sunt
responsabile pentru sinterizare i densificare, difuzia de volum fiind mecanismul predominant. Procesul de sinterizare are loc în trei stadii:
Creterea legturilor între particule, procesul de densificare desfurându-se dup o lege exponenial de timp;
Densificarea propriu-zis, cu recristalizarea i dispariia limitelor de separare între particule;
Creterea porilor izolai, sferoidizarea lor i încetinirea procesului de densificare.
Sinterizarea bronzului are loc în prezena fazei lichide,
când au loc urmtoarele etape: formarea unei faze lichide interstiiale care determin rearanjarea
particulelor însoit de o contracie rapid; disoluia i reprecipitarea fazelor secundare care determin
densificarea; coalescena însoit de dispariia fazei lichide.
Pulberile cu dimensiuni mici ale particulelor permit obinerea unei omogeniti maximum posibile dup formarea fazei lichide i
eliminarea posibilitii apariiei unor goluri mari în piese. Utilizarea unei durate mici de sinterizare, sub 5 minute, produce în cazul bronzului, o
structur de material tipic nesinterizat, constând din particule nealiate. Prelungirea duratei de sinterizare pân la 13 minute are ca efect
continuarea transformrilor de faz cu formarea de bronz α,
sferoidizarea polilor i izolarea lor. Grafitul i bisulfura de molibden introduse în lagrele din bronz sinterizat rmân dup sinterizarea
sub forma unor incluziuni în masa de baz de bronz α. Porozitatea
uniform i porii sferoidizai indic o buna sinterizare a alamelor.
II. Microstructura pieselor sinterizate din fier i din aliaje pe baz de fier
La înclzire i rcire, transformrile de faz ale fierului sunt însoite de un intens fenomen termic de absorbie sau degajare de
cldur. În afara temperaturilor critice, care corespund transformrilor
Pag. 7
de faz, fierul prezint la 768 0 C are o transformare magnetic i anume
fierul α trece în fier β, transformare însoit numai de modificri
interatomice, distribuia reciproc a atomilor în reeaua cristalin
rmânând neschimbat. Microstructura unei piese sinterizate din Fe α pur prezint pori
i gruni de fier α ale cror dimensiuni cresc cu mrimea timpului
de sinterizare, în cazul meninerii constante a temperaturii de
sinterizare. Particulele mari apar ca urmare a fenomenului de recristalizare, iar structura este feritic.
Sinterizarea aliajelor fier-cupru implic urmtoarele fenomene: formarea legturilor fier-fier în faz solid;
formarea legturilor fier-cupru în faz solid; topirea cuprului;
difuzia cuprului; solubilitatea i precipitarea fierului în cupru topit.
În funcie de cantitatea de cupru adugat i de tratamentul termic aplicat dup sinterizare, în structura acestor piese poate s
apar sau nu cupru liber, ca o faz secundar în masa de baz de fier. Cuprul care nu se dizolv apare în structur sub forma unor structuri
mari. Porozitatea de difuzie apare ca urmare a difuziei reciproce a cuprului i fierului, în special în coninuturi de cupru, mai mari
decât limita de solubilitate. Pentru a elimina porozitatea de difuzie se
recomand utilizarea pulberilor de aliate.
III. Microstructura pieselor sinterizate din aliaje fier-grafit Ca urmare a introducerii grafitului în fier se pot obine
materiale sinterizate cu diferite proprieti i structuri. Variind compoziia chimic, temperatura, timpul de sinterizare i viteza de
rcire, structura materialelor sinterizate fier-grafit se poate regla în limitele largi, putându-se obine urmtoarele combinaii de structuri:
ferit cu grafit liber, ferit-perlit, ferit-perlit-grafit, ferit-perlit- grafit-cementit, ferit-perlit-cementit, ferit-cementit-perlit,
perlit-cementit-ledeburit. În timpul sinterizrii amestecurilor fier- grafit, dizolvarea grafitului în fier are loc în soluie solid i nu ca
urmare a gazeificrii sub form de monoxid de carbon. Ferita este constituentul structura cel mai moale al
aliajelor fier-grafit, având o duritate cuprins între 80…100 HB. Fierul α
se transform în fier γ i se formeaz cu carbonul o soluie solida cu, 14% C, numit austenit. Aceasta are o duritate relativ joas astfel c,
la o rcire sub 910 0 C, fierul γ trece în fier α, iar austenita se
descompune în cementit i ferit. Aceste produse de
descompunere formeaz un amestec alctuit din apte pri de ferit i o parte o cementit sub forma unor lamele fine rspândite
uniform în ferit. O asemenea structur se numete perlit, iar perlita
Pag. 8
lamelar are o duritate ridicat, cuprins între 180…200 HB. Studierea transformrilor de faz care au loc în aliajele fier-
grafit la înclzire i rcire se face dup diagrama de fier-carbon împrit în dou pri: domeniul aliajelor cu un coninut de carbon
peste 2,14% - domeniul oelurilor - i domeniul aliajelor cu coninutul de carbon peste 2,14% - domeniul fontelor. Dac grafitul este introdus
în piese sinterizate sub 1% sau dac în procesul de sinterizare are loc o
decarburare, atunci se formeaz structura ferito-perlitic. Prin
coborârea temperaturi de sinterizare la 950…1000 0 C sau prin
sinterizarea cu viteze mari se poate separa cementita structural liber. Ea se poate pune în eviden prin atac cu picrat de sodiu care o
coloreaz în negru. Formarea reelei de cementit are loc i ca urmare a carburii materialelor sinterizat datorit componenilor carburani din
gazul protector. La rcirea cu vitez mic se obine o structur perlitic fin, iar la rcirea cu viteze mari, structura este martensitic.
IV. Microstructura pieselor sinterizate din aliaje fier-grafit- cupru
Adaosurile de cupru la oelurile sinterizate sunt utilizate adesea deoarece ele activeaz procesul de sinterizare prin formarea
unei faze lichide, mrind astfel rezistenele mecanice i stabilitatea
dimensiunilor pieselor i obinându-se piese cu structuri mai omogene. Adaosul cuprului are de asemenea un efect de mrire a activiti
carbonului i de descretere a solubilitii lui. Se mrete i viteza de carburare, o dat cu cantitate de perlit din structur i se încetinete
difuzia carbonului în fier, cu împiedicarea formrii cementitei libere. Descompunerea austenitei este întârziat, ceea ce face posibil
formarea unei structuri cu perlit lamelar mult mai fin. Structurile infiltrate cu cupru au o mai complex aparen
decât aliajele simple fier-cupru sau fier-cupru-carbon, deoarece pân la 20% infiltrantul adugat, nu numai c umple porii scheletului,
dar i reacioneaz formând aliaje cu particule de fier. Elemente ca manganul, cobaltul sau nichelul prezente în compoziia infiltrantului pot
produce reacii secundare cu fierul sau cu carbonul.
V. Microstructura pieselor sinterizate din categoria oeluri
aliate Oelurile aliate sinterizate se realizeaz din amestecuri de
pulberi, aliaje semialiate i aliaje complet aliate. Sinterizarea acestor oeluri implic difuzia carbonului, topirea cuprului i difuzia
acestuia, dizolvarea nichelului în cupru topit i difuzia cuprului în fier solid.
Difuzia nichelului este rapid la limita suprafeei grunilor i de-a lungul limitei dintre gruni i mai înceat în interiorul grunilor
Pag. 9
de fier. În structura oelurilor aliate sinterizate sunt vizibile zone bogate în nichel datorit difuziei incomplete. Marginile acestor zone dizolv
uneori carbonul suficient, astfel încât la rcirea normal de la temperatura de sinterizare s se formeze o structur martensitic.
Dac oelurile sinterizate conin nichel, molibden i cupru, atunci difuzia cuprului i molibdenului sunt relativ rapide, pe când
cea a nichelului este mai înceat, conducând la obinerea a numeroasei
zone bogate în nichel, zone de austenit netransformat, înconjurate de zonele martensitice (atunci când conintul de carbon este suficient).
Gradul de sinterizare a pieselor din oeluri aliate poate fi estimat prin gradul de difuzie a elementelor de aliere.
VI. Microstructura pieselor sinterizate din categoria carburilor
Materialel sinterizate dure sunt compuse din carburi ale metalelor
greu fuzibile si un liant de tip metal sau aliaj, faza greu fuzibil depsind 50 % volum. Materialel dure pot fi clasificate in funcie de prezena sau
absena wolframului in compoziia lor, in urmtoarele grupe : materiale dure care conin wolfram sub form de monocarbur
sau in soluii solide ale acesteia cu alte carburi;
materiale dure fr wolfram.
Materiale dure sinterizate cu baz carbura de wolfram
Materialele dure sinterizate cu baza carbura de wolfram pot fi clasificate astfel:
materiale dure sinterizate bazate pe monocarbur, WC-Co ;
Pag. 10
materiale dure sinterizate formate din multicarburi, WC-TiC-Co, WC-TiC-(Ta,Nb)C-Co;
Materiale dure sinterizate bazate pe monocarbur, WC-Co Realizate in deceniul al treilea al secolului XX de ctre Schroter, in
Germania si comercializate sub denumirea de WIDIA (wie Diamant - ca diamantul) au cunoscut si cunosc in continuare o larg utilizare atat in
execuia sculelor aschietoare destinate prelucrrii fontelor, a unor
materiale cu aschie scurt si a aliajelor neferoase, cat si pentru realizarea unor piese de uzur. Sunt mult mai rezistente comparativ cu
aliajele celorlalte grupe si conin cobalt in proporii foarte diferite, variind in limitele 3–25 % mas.
Materiale dure sinterizate bazate pe multicarburi - WC-TiC-Co Introducerea in compoziia materialului sinterizat dur WC-Co a carburii
de titan TiC asigur o crestere considerabil a rezistenei la oxidare, concomitent cu mrirea duritii si a refractaritii, datorit formrii
soluiei solide WC-TiC. Materialele dure din aceast grup sunt utilizate pentru prelucrarea prin aschiere, in general a materialelor care dau
span continuu si mai ales a oelurilor. Conductibilitatea termic mai sczut a acestor materiale comparativ cu cea a aliajelor WC-Co si
susceptibilitatea redus la sudare a spanului, produs in timpul prelucrrii, de partea activ a sculei, reprezint, de asemenea, avantaje
ale acestei categorii de materiale .
Materiale dure sinterizate bazate pe multicarburi - WC-TiC- TaC(NbC)-Co
Superioritatea materialelor dure din aceast grup, fa de celelalte prezentate, se manifest numai in condiiile in care carburile de titan si
tantal se regsesc in masa de baz sub form de soluie solid saturat sau suprasaturat alturi de monocarbura de wolfram.
Materiale dure sinterizate bazate pe multicarburi - WC- TaC(NbC)-Co
Materialele din aceast grup au destinaii care difer in funcie de proporia carburii de tantal. La valori relativ sczute ale acesteia (1 … 3
%) sunt destinate executrii sculelor pentru prelucrarea fontelor cu crust dur. La o proporie intre 3 … 10 % carbur de tantal, sculele se
utilizeaz la prelucrarea fontelor si oelurilor moi. Pentru proporii mai mari de TaC in stare pur sau TaC(NbC), datorit scderii considerabile
a duritii, nu se mai realizeaz scule aschietoare .
Materiale dure sinterizate cu baza carbura de wolfram, liate cu alte metale in afar de cobalt
In afara materialelor dure sinterizate din carburi metalice cu liant cobalt, mai sunt utilizate in industrie, pe scar mai restrans, materiale
speciale cu ali liani metalici. Astfel cobaltul a fost inlocuit cu fier, nichel sau aliaje ale acestora. Un mare numr de variante de liani metalici
sunt folosii ca inlocuitori ai cobaltului in materiale sinterizate dure experimentale destinate cercetrilor de dezvoltare intreprinse de diversi
productori. Astfel mai sunt utilizate aliaje Ni-Cu, Ni-Cr, Ni-Mo, Co-W,
Pag. 11
Co-Cu, Co-Mo, Co-Cr, Co-Mo-Cu,Fe-Ni-Cr etc. Carbura de wolfram liat cu fier sau nichel prezint nu mai mult de 60 % din rezistena la rupere
a aceleiasi carburi liate numai cu cobalt. Aceast inferioritate a fierului sau nichelului se poate explica prin inalta lor solubilitate in faz solid
pentru carbura de wolfram si chiar tendina lor de a forma carburi duble fragile de tip NixWyC sau FexWyC .
Materiale dure fr wolfram, pe baz de carburi metalice
Inlocuirea total a carburii de wolfram din materialele dure poate fi realizat in urmtoarele moduri :
utilizarea carburilor simple de titan, zirconiu, vanadiu, tantal sau a soluiilor solide binare sau ternare ale acestora;
utilizarea de nitruri, boruri, siliciuri oxizi sau carburi ale nemetalelor (carbura de bor sau siliciu ); Astfel s-au obinut aliaje
dure de tip Titanit S (TiC-MoC-Ni), RAMET (cu baza TaC), TiC-VC cu carbur de titan in exces;
Performanele impuse de aceste noi clase de materiale sinterizate trebuie analizata din prisma cerinelor impuse materialelor dure
destinate prelucrrilor prin aschiere
Pentru determinarea mrimii i distribuiei fazelor disperse în
produsele sinterizate se folosete analiza stereometric (ramur a geometriei care se ocup cu msurarea volumului corpurilor solide).
Aceast metod d indicaii prin tehnici cantitative de msurare i numrare asupra urmtoarelor caracteristici: mrimea, numrul,
formarea, orientarea i distribuia particulelor i a porilor. Mrimea particulelor sau a porilor se definete, în general,
prin dimensiunea medie determinat direct la aparatele automate de
analiz. De mai mare importan practic este îns cunoaterea legii
de repartiie a porilor dup mrime, lege care evideniaz întregul spectru de dimensiuni ocupat de acetia.
Pag. 12
Reperele obtinute prin sinterizare au, de obicei, în funcie de
procesul tehnologic, structuri orientate…