METALURGIA PROSZKÓW: Dział który uczynił topienie i odlewanie stali zbędnym nazywa się metalurgią proszków. Obejmuje on wytwarzanie metalicznych kształtek z proszków metali, związków metalicznych, metaloidów. Celem metalurgii proszków jest przekształcenie tych surowców w zwarte ciała metaliczne, wykorzystując ich proszki. Dzieje się bez przechodzenia przez stan ciekły. W czasie wygrzewania kształtek które są sprasowane następuje połączenie oddzielnych ziaren proszków. Metodę tą najczęściej wykorzystuje się wtedy ( ale nie tylko), gdy metody topnienia i odlewania zawodzą.

Metalurgią proszków nazywamy metodę wytwarzania metal i z ich proszków, bez przechodzenia przez stan ciekły. Oddzielne z iarna proszków łączą s ię ze sobą w jednol itą masę podczas wygrzewania s i lnie sprasowanych kształtek w atmosferze redukującej lub obojętnej.

Metodami metalurgii proszków wytwarzamy: przedmioty z metali trudno topliwych 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.Korzyści wynikające z zastosowania metalurgii proszków w zastępstwie konwencjonalnej metalurgii:

można otrzymać materiały których innymi metodami wytworzyć się nie da, własności fizyczne i chemiczne otrzymanych wyrobów można regulować w szerokim zakresie, można uzyskać materiał o określonej, zaprojektowanej i wolnej od segregacji strukturze, o

kontrolowanej niejednorodności lub o kontrolowanej anizotropii, porowatość i przepuszczalność wyrobów może się zmieniać w szerokich granicach.

WYROBY KONKURENCYJNE: Wyroby z żelaza, stali węglowej i stopowej, stopy miedzi. Takie wyroby, które można otrzymać również innymi metodami (odlewy, obróbka plastyczna, mechaniczna).WYROBY BEZKONKURENCYJNE: Spieki o celowo zaprojektowanej dużej porowatości otwartej, spieki kompozytowe metalowo-ceramiczne:•Wyroby konstrukcyjne o podwyższonej wytrzymałości mechanicznej (metale i stopy zbrojone dyspersyjną fazą ceramiczną)•Spieki z przeważającą ilościowo fazą ceramiczną (np. materiały narzędziowe)•Wyroby cierneSą to takie wyroby, które można uzyskać tylko przy użyciu technologii metalurgii proszków.

OTRZYMYWANIE PROSZKÓW: Wytwarzanie proszków obejmuje zespół procesów mechanicznych i fizykochemicznych, które mają na celu uzyskanie określonego materiału w postaci proszku. Proszek może być produktem mechanicznego rozdrobnienia materiału bez zmiany jego składu chemicznego albo też uzyskuje się go jako produkt reakcji chemicznych z innych substancji.

Mielenie: (metoda mechaniczna, z fazy stałej) w młynach kulowych, kulowo -udarowych, wibracyjnych, wirowo -udarowych czy kruszarkach -otrzymany proszek jest drobnoziarnisty, a metody te stosuje się do rozdrabniania materiałów kruchych.

Młyn kulowy to odmiana młyna, w którym funkcję mielników spełniają kule o różnych średnicach, wykonane z twardego materiału o dużej gęstości, takiego jak stal, czy ceramika. Młyny tego typu służą do mielenia na sucho lub mokro surowców średniotwardych i miękkich - stosuje się je do przeróbki rud a także w przemyśle cementowym, ceramicznym i w energetyce (spalanie pyłu węglowego). Metodą Coldstream („The Coldstream Process") można wytwarzać proszki materiałów

zarówno kruchych, jak i plastycznych. Za pomocą wysoko sprężonego gazu (p>7 MPa) materiał wsadowy

(wióry, odcinki drutu, odłamki) jest wprowadzany do komory rozprężnej poprzez dyszę Venturiego. Materiał poruszający się z prędkością rozchodzenia się dźwięku w powietrzu, ulegając znacznemu ochłodzeniu wskutek adiabatycznego rozprężenia gazu, zwiększa swoją kruchość. W komorze rozprężnej znajduje się płyta pancerna, na którą trafia wsad ulegając rozbiciu. Grube cząstki są oddzielane i podobnie jak gaz uczestniczą ponownie w procesie rozdrabniania. Wielkość cząstek gotowego proszku wynosi ok. 5 μm. Metodę stosuje się do wytwarzania proszków stali szybkotnącej, super stopów oraz węglików ze złomu węglikowego.

Rozpylanie (metoda mechaniczna z fazy ciekłej) polega na rozbiciu na krople strugi ciekłego metalu lub metalu stopionego lokalnie w wyniku działania sprężonych gazów lub cieczy, sił mechanicznych lub ultradźwięków. Metodą tą wytwarza się proszki żelaza, stali, aluminium, stopów cynku, cyny i ołowiu. Metoda rozpylania: Struga metalu wpływa do dyszy pod pewnym ciśnieniem, tam trafia na silne prąd gazu albo cieczy który powoduje rozdrobnienie na strugi na drobne kropelki metalu, które krzepną przed opadnięciem na dno zbiornika. Proszki otrzymane ta metodą są kuliste lub nieregularne. Kształt cząstek zależy od napięcia powierzchniowego, gęstości i lepkości materiału, energii powierzchniowej na granicy międzyfazowej metal-ciecz i od parametrów metody (np. temp. rozpylania). Im większe napięcie pow. i mniejszy współczynnik lepkości tym kształt cząstek jest bardziej kulisty. Na kształt ma też wpływ czas od powstania kropli do momentu zetknięcia się z podłożem. Jeżeli chcemy uzyskać proszek kulisty należy podgrzać metal do wyższej temp. i do rozpylania stosować gorący gaz (czas do zakrzepnięcia jest dłuższy). Im większe napięcie powierzchniowe tym większa musi być różnica między szybkościami przepływu strugi, rozpylacza i metalu. Metoda RZ – jest kombinowaną dwuetapową metodą metodą wytwarzania proszku żelaza. W pierwszym etapie następuje rozpylanie ciekłej surówki powietrzem lub parą wodną, a w drugim poddaje się wytworzony proszek utlenionej surówki wyżarzaniu, podczas którego zachodzi redukcja za pomocą węgla zawartego w surówce, powstałych podczas rozpylania tlenków żelaza.

Gęstość nasypowa: jest to stosunek masy proszku, zsypanego przez znormalizowany przyrząd, do objętości zajmowanej przez ten proszek. Jest to cecha proszku o luźnym układzie cząstek. Możliwe jest także wyznaczanie gęstości nasypowej z usadem.Mps –masa proszku swobodnie zasypanego do formy [g]Vpl – objętość proszku swobodnie zasypanego do formy [cm3]

Zagęszczalność proszku: podatność proszku do zmniejszania objętości w wyniku prasowaniaw matrycy. Pomiar polega na określeniu zmian gęstości wyprasek wytworzonychw matrycy cylindrycznej w zależności od ciśnienia prasowania. Ρw – gęstość względna wypraski ( stosunek gęstości wypraski do gęstości materiału, z którego wytworzony jest proszek, %)Pmin – najmniejsze ciśnienie, przy którym gęstość względna wypraski ρw jest równa 65%, N/mm2

ANALIZA WIELKOŚCI PROSZKÓW: Analiza sitowa: najbardziej rozpowszechniona metoda to analiza sitowa, która umożliwia podział proszku na frakcje, czyli partie o rozmiarach cząstek mieszczących się w określonych przedziałach. Określa się masę każdej frakcji i oblicza ich udział w badanej próbce.Metoda sedymentacji: proces opadania zawiesiny ciała stałego w cieczy w wyniku działania siły grawitacji lub sił bezwładności. Sedymentacji ulegają zawiesiny o gęstości większej niż gęstość cieczy. Sedymentacja prowadzi więc do rozdziału substancji niejednorodnych, a kryterium podziału jest gęstość.

FORMOWANIE I PRASOWANIE PROSZKÓW Formowanie proszków polega na jego zagęszczeniu na drodze wywierania ściskania go w zamkniętej przestrzeni. W zależności od wymaganego kształtu elementu, własności proszku dobiera się odpowiednią metodę formowania. Uformowane kształtki posiadają spoistość, wynikającą z połączenia poszczególnych cząstek proszku siłami adhezji, lecz ich wytrzymałość jest niska. Poniżej podano najczęściej używane metody formowania:.•prasowanie w matrycach zamkniętych, •prasowanie izostatyczne, •prasowanie kroczące (z przesuwającą się matrycą), •walcowanie, •wyciskanie, •odlewanie i natryskiwanie, •specjalne metody formowania (formowanie i prasowanie dynamiczne i pulsacyjne, prasowanie w polu magnetycznym).

Prasowanie na zimno:•jednostronne, •z pływającą (swobodną) matrycą, •dwustronne z przeciwbieżnym ruchem stempli, •dwustronne ze współbieżnym ruchem matrycy.Schemat prasowania jednostronnego: a) zasypywanie proszku do matrycy, b)prasowanie, c)usunięcie wypraski; 1 -stempel prasujący (ruchomy), 2-stempel dolny (stały),3-matryca, 4-kaseta zasypowa, 5-wyrzutnik, 6–wypraska o wymiarach di h

Połączenie formowania ze spiekaniem (na gorąco)Połączenie operacji formowania (prasowania w matrycy zamkniętej)ze spiekaniem znajduje zastosowanie do wytwarzania wyrobów o niskiej porowatości i wysokiej wytrzymałości z proszków metali trudnotopliwych i ceramicznych. Procesy spiekania przebiegają intensywnie pod ciśnieniem, a ponadto podwyższona temperatura pozwala na obniżenie nacisku prasowania. Ewentualne stosowanie atmosfer ochronnych zapobiega utlenianiu proszków.

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA WŁAŚCIWOŚCI WYPRASKIZjawiska podczas zagęszczania proszków:

Możliwie najściślejsze układanie się cząstek proszku w wyniku załamywania się i likwidacji mostków, względnych obrotów i przemieszczeń cząstek, prowadzących do częściowego zapełnienia mniejszymi cząstkami luk pomiędzy cząstkami większymi

Mechaniczne zazębianie się cząstek, szczególnie o rozbudowanej powierzchni i nieregularnym kształcie

Trwałe, powierzchniowe odkształcenie cząstek, któremu towarzyszy usuwanie powłok tlenkowych, co prowadzi do utworzenia „czystych’ metalicznych kontaktów między cząstkami

Zgniot materiału przejawiający się zwiększeniem jego twardości

Smarowanie: Do prasowanych mas dodaje się składniki zmniejszające tarcie (grafit, stearyny, gliceryny, alkohol, eter, aceton, benzol, benzynę, kamforę w ilościach nieprzekraczających1% mas) w celu zmniejszenia tarcia i ułatwienia poślizgu między cząstkami proszku i powierzchniami narzędzi. Dodatkowo ułatwienie poślizgu między cząstkami proszku ułatwiające zagęszczenie wypraski.

Środki poślizgowe wprowadza się celem polepszenia prasowalności proszku. Wpływają one na: 1)zmniejszenie tarcia wewn. i zewn. ; 2)zmniejszenie ciśnienia wypychania ; 3)zmniejszenie skłonności przyczepiania się cząstek do ścianek matrycy. ; Środki poślizgowe dzieli się na dwie grupy: 1)obojętne (wazelina, gliceryna, parafina) ; 2)powierzchniowo-aktywne (kwas stearynowy, oleinowy, itp.). ; Środki poślizgowe wprowadza się do mieszanek zazwyczaj w postaci roztworów w organicznych rozpuszczalnikach, które przy suszeniu wymieszanego wsadu odparowują. Istnieją dwie możliwości wprowadzania środków poślizgowych: 1)smarowanie ścianek matrycy ; 2)wprowadzanie środków poślizgowych do proszku i wymieszanie. ; Ilość wprowadzonych środków poślizgowych zależy od wielkości cząstek proszku, ciśnienia prasowania i wielkości powierzchni tarcia. Środki poślizgowe obojętne wpływają jedynie na współczynnik tarcia i nie uczestniczą w samym procesie odkształcania cząstek proszku. Środki powierzchniowo aktywne oprócz zmniejszenia tarcia wpływają na ułatwienie deformacji cząstek proszku. Środki poślizgowe nie powinny obniżać własności technologicznych oraz zmieniać składu chemicznego porowatego materiału.

Rozkład gęstości w wypraskach: Najwyższą gęstość uzyskuje się w warstwach górnych przylegających w czasie prasowania do stempla przez który przenoszony jest nacisk. W miarę oddalania się od powierzchni stempla gęstość maleje. Na rozkład gęstości prasowanej kształtki wpływają jej wymiary. Im mniejszy jest stosunek h/d tym bardziej równomierny jest rozkład gęstości. Bardziej równomierny rozkład gęstości uzyskuje się przy dwustronnym prasowaniu

Parametry procesu prasowania – zasadniczy wpływ na gęstość i wytrzymałość wyprasek posiadają: 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 cząstek i gęstość nieznacznie wzrasta. Celem uzyskania wysokiej gęstości i niedopuszczenia do zbyt dużego zużycia narzędzi stosuje się dwukrotne prasowanie i spiekanie.

SPIEKANIESpiekanie polega na wygrzewaniu proszku lub uformowanej kształtki przez określony czas, w odpowiedniej temperaturze i atmosferze. W efekcie otrzymuje się materiał spiekany, który odznacza się pewną spoistością (w przypadku spiekania proszku) lub wyższą wytrzymałością niż uformowana kształtka. Zasadnicze zjawiska to:

przemieszczanie się atomów (transport masy) dyfuzja powierzchniowa i objętościowa, płynięcie wywołane ciśnieniem kapilarnym, parowanie i kondensacja.

Przyczyna: nadwyżka energii układu cząstek proszku (duża powierzchnia właściwa).Obniżenieenergii układu: poprzez zmniejszanie się powierzchni swobodnych cząstek (tworzenie szyjek łączących poszczególne cząstki, wygładzanie nieregularnych powierzchni swobodnych oraz sferoidyzacja i zmniejszania się pustek aż do ich zanikania)

Podstawowe warunki spiekania to: temperatura, czas spiekania, skład chemiczny atmosfery pieca.

W zależności od zastosowanej temperatury rozróżnia się spiekanie: w fazie stałej, 0,7 -0,8 temperatury topnienia metalu spiekanego z udziałem fazy ciekłej, temperatura jest tak dobrana, że niektóre składniki mieszanki proszkowej

przechodzą w stan ciekły. z udziałem zanikającej fazy ciekłej. ma miejsce, gdy składniki mieszanki proszkowej tworzą roztwory

w stanie stałym (np. Fe -Cu, Fe -P, Cu -Sn). Zachodzi wtedy dyfuzja składnika ciekłego w głąb fazy stałej.

Bardzo ważną rolę w początkowym stadium odgrywają procesy parowania i kondensacji oraz dyfuzja powierzchniowa, które powodują zmianę kształtu porów (wygładzają powierzchnię). Zmiany kształtu spowodowane są odparowaniem materiału z powierzchni wypukłych i kondensacją na powierzchniach wklęsłych. Proces parowania i kondensacji przebiega coraz wolniej w miarę upływu czasy. Ten mechanizm transportu materii może doprowadzić do zagęszczenia spieku przy przenoszeniu materii z zewn. warstw poprzez pory do środka próbki (konieczna obecność porów połączonych jakie istnieją w początkowym stadium spiekania). Przenoszenie materii od powierzchni poprzez pory do środka próbki może odbywać się także drogą dyfuzji powierzchniowej .

Proces dyfuzji powierzchniowej zachodzi już przy temp. wyższych od 0,3 temp. topnienia i szybkość jego silnie wzrasta z podwyższeniem temp. Dyfuzja powierzchniowa odgrywa rolę w procesie sferoidyzacji porów zamkniętych. W przypadku dyfuzji powierzchniowej mamy do czynienia z chaotycznym ruchem pojedynczych atomów lub defektów znajdujących się na powierzchni ziaren. Zakres dyfuzji powierzchniowej i jej wpływ na przebieg spiekania zależy nie tylko od temperatury i znacznego rozwinięcia powierzchni w układzie. Decyduje o tym także chemiczny stan powierzchni ziaren. Rola tego procesu jest szczególnie istotna w przypadku spiekania proszków substancji o wiązaniach kowalencyjnych, gdzie aż do bardzo wysokich temperatur jedynym znaczącym mechanizmem dyfuzji jest właśnie dyfuzja powierzchniowa.

Dyfuzja objętościowa i po granicy ziaren Występowanie gradientu stężenia wakancji powoduje zaistnienie skierowanego znoszenia wakancji zgodnego z udziałem tegoż gradientu. Przenoszenie masy powoduje zbliżanie się środków ziaren do siebie przy jednoczesnym powiększaniu powierzchni granic styku międzyziarnowego. Ponieważ w ten sposób masa zapełnia pory, za pomocą tego mechanizmu możliwe jest osiągnięcie stanu spieku polikrystalicznego niezawierającego porów. Po zapoczątkowaniu procesu dyfuzji gradient stężenia wakancji, a tym samym i strumień, uległby zmniejszeniu, a proces zbliżania się środków ziaren zahamowaniu, gdyby w układzie nie istniały stałe źródła wytwarzające wakancje w pobliżu wklęsłej powierzchni szyjki, a w pobliżu środka kontaktów międzyziarnowych miejsca, w których wakancje ulegają

zniszczeniu. Istnienie tych źródeł i upływów utrzymuje w toku całego procesu określony gradient stężenia wakancji, a proces dyfuzji i tym samym proces zbliżania się środków ziaren do siebie osiąga pewien stan ustalony. Na przebieg omawianych procesów istotny wpływ ma droga transportu masy. W rachubę wchodzi dyfuzja poprzez objętość ziaren lub wzdłuż granic międzyziarnowych. Ogólnie biorąc, dyfuzja na granicach ziaren dominuje nad dyfuzją objętościową do temperatury rzędu 0,5- 0,6 bezwzględnej temperatury topnienia danego związku.

Przenoszenie masy poprzez fazę gazowąJeżeli spiekanie odbywa się w bardzo wysokich temperaturach, to w spiekających się układach występować mogą niepomijalne prężności lotnych produktów dysocjacji termicznej, sublimacji, utleniania lub redukcji faz stałych i ciekłych. Umożliwia to przenoszenie masy poprzez fazę gazową. Szczególnie tworzenie się lotnych niższych tlenków, może prowadzić do znacznego przenoszenia masy poprzez fazę gazową. Mniejsze znaczenie dla przenoszenia masy tą drogą ma natomiast tworzenie się niższych węglików, ponieważ są one mało lotne w temperaturach spiekania.

OBRÓBKA WYKAŃCZAJĄCA SPIEKÓW składa się z: obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej, wykonywanej w celu polepszenia własności wyrobów

spiekanych, które można poddać hartowaniu i odpuszczaniu, przesycaniu i starzeniu lub obróbce cieplno-chemicznej nawęglaniu lub azotowaniu;

utleniania w parze wodnej w celu poprawienia odporności na korozję i zmiana własności fizycznych i mechanicznych;

kalibrowania, przeprowadzanego na gotowych produktach w celu uzyskania wyższej dokładności wymiarowej, poddając je naciskom znacznie niższym niż podczas formowania;

nasycania spieków metalami ( stosowanego w celu zmniejszenia porowatości spieku, poprzez zanurzenie porowatego szkieletu w roztopionym metalu lub wygrzewaniu szkieletu wypełnionego proszkiem nasycającym w piecu) lub niemetalami;

obróbki plastycznej i skrawaniem, wykonywanej w celu uzyskania wymaganych cech geometrycznych i własności, stosowana dla spieków obróbka plastyczna to np. kucie i walcowanie, a stosowana obróbka skrawaniem to np. szlifowanie.