Raport Stiintific si Tehnic - Etapa 2

1

SC Institut de Cercetare si Proiectare Tehnologica

SA CLUJ NAPOCA, B-dul Muncii Nr. 18, 400641 TELEFON: 0264 415244; FAX: 0264 415299;

E-mail: [email protected] ; http://www.tehnomag.eu/ IBAN RO67 TREZ 2165 069X XX00 8597 Trezoreria Cluj, PO Box 1410

RAPORTUL STIINTIFIC SI TEHNIC (RST)

Contract nr. 163 / 20.07.2012

Titlul proiectului:

REALIZAREA UNOR COMPONENTE MECANICE REZISTENTE LA TEMPERATURA SI UZURA PRIN

SINTERIZARE REACTIVA A COMPOZITELOR DE TIP Al-Al2O3 CERMETSINTREACT

ETAPA NR. 2 / 2013

Stabilirea prin testări a parametrilor ce influenţează procesul de sinterizare reactivă a Al şi Al2O3

România

mailto:[email protected]

2

1. INTRODUCERE

Scopul acestei etape este de a stabili prin studii si valida prin experimentari preliminare, influenta principalilor parametrii tehnologici de realizare prin sinterizare a cermetilor in general si particularizat la cermeti de tip Al-Al2O3 sinterizati reactiv.

Astfel in aceasta etapa se determina influenta temperaturii de sinterizare asupra caracteristicilor cermetilor de tip Al-Al2O3, capitol in care se va stabili modul cum se poate reduce temperatura de sinterizare a ceramici oxidice modificand: granulatia materiei prime, porozitatea compactelor, mediul de sinterizare. Reactiile si energiile de reactie necesare desfasurarii proceselor de sinterizare reactiva, vor sta la baza stabilirii prin experimentari a tehnologiei si retetelor de amestecuri care sa ofere conditii optime de realizare a cermetilor de tip Al-Al2O3 si a reperelor din acest material.

Caracteristicile cermetului obtinut depind mai mult de proprietatile aluminei decat de proprietatile aluminiului. Materialele Al-Al2O3 au rigiditate si rezistenta la uzare mari, proprietati care cuplate cu o rezistenta mare la temperaturi inalte, fac posibila utilizarea lor la realizarea unor componente pentru motoare cu ardere interna.

Noutatea pe care o propune proiectul este atât un material nou, cu continut de alumina peste 22 % (cermetii Al - Al2O3 fabricati la aceasta ora sunt cu max. 20 % alumina), pentru realizarea anumitor piese componente ale motoarelor termice cat şi tehnologia de realizare a acestuia prin sinterizarea reactiva, utilizand caldura rezultata din reactia Al cu Fe sau alte metale, in scopul reducerii consumurilor de energie la sinterizarea cerametilor. Având în vedere caracteristicile materialului (temperatura de functionare mare, rezistenţa bună la uzură şi compresiune) putem spune că este oportună cercetarea propusă, obţinându-se piese termorezistente de calitate, la preţ de cost redus.

2. REZUMATUL ETAPEI

Obiectivele propuse pentru aceasta etapă: "Stabilirea prin testări a parametrilor ce influenţează procesul de sinterizare reactivă a Al şi Al2O3" s-au realizat integral, conform Planului de realizare a proiectului. Lucrările realizate în cadrul prezentei etape se înscriu în obiectivele prevăzute în Planul de realizare a proiectului care constau în efectuarea de studii documentare şi testări de laborator privind parametrii care influenţează procesul de sinterizare reactivă a pulberilor metalice şi în special la procesele de sinterizare a cermeţilor.

Caracteristicile finale ale cermeţilor sinterizaţi depind de rezistenţa scheletului metalic sinterizat, de conţinutul componentului metalic şi de gradul de dispersie al componentului oxidic, dar porozitatea rămâne factorul principal care le determină.

Dispersia oxizilor în amestecul de pulberi metalice reduce posibilităţile de contact dintre granulele acestora, astfel încât sinterizarea este frânată, prin împiedicarea recristalizării şi creşterea cristalelor.

Astfel problema practică în cazul sinterizării cermeţilor este de a obţine produse cu porozităţi dorite şi controlabile ştiind că toate fenomenele care provoacă mecanismul sinterizării, cresc în intensitate odată cu creşterea temperaturii, se desăvârşesc în timp şi pot fi influenţate prin presiune.

Pentru desfăşurarea în condiţii controlate a reacţiei exoterme dintre Al si Fe, în prezenta etapă, s-au efectuat studii de documentare privind procesul de sinterizarea reactivă şi parametrii care influenţează acest proces, s-au întreprins activităţi de cercetare preliminara privind influenţa granulaţiei şi concentraţiei componentelor pulverulente, presiunii de compactare (densitatea la crud), temperaturii si mediului de sinterizare şi nu în ultimul rând o analiză a metodelor de obţinere a amestecurilor de aliaje mecanice Fe-Al si a particulelor din Al2O3 şi a influenţei acestora asupra caracteristicilor materialului obţinut, toate acestea concentrându-se la stabilirea unor retete de cermeti de tip Al-Al2O3 cu continut ridicat de alumina (peste 22%).

3. DESCRIEREA TEHNICA SI STIINTIFICA Procesul tehnologic de producere a cermetilor, asa cum s-a prezentat la initierea proiectului,

presupune o analiza a stadiului cercetarilor pe plan national si international, si stabilirea prin experimentari preliminare contributia principalilor factori care influenteaza procesul de sinterizare reactiva a cermetilor si in special al celor cu Aluminiu cu un continut de alumina peste 22%.

In procesul de fabricatie prin metalurgia pulberilor, principalii factori tehnologici care influenteaza caracteristicile finale ale produselor sunt : caracteristicile materiilor prime pulverulente, gradul de omogenizare, caracteristicile tehnologice ale noului amestec, gradul de compactare si regimul de sinterizare.

Rezistenta la rupere si ductilitatea ceramicii metalo – oxidice (cermet Al/Al2O3) ce va fi obtinuta si utilizata in acest proiect, este puternic influentata, printre altele, de caracteristicile fizico – chimice ale particulelor de Al2O3 (dimensiunea granulelor, morfologia, suprafata specifica BET, puritate).

In acest sens, pentru obtinerea unor cermeti Al/Al2O3 cu caracteristici fizico – mecanice superioare, necesare utilizarii acestui material in industria auto, este necesara utilizarea oxidului de

3

aluminiu mai mici de 100 nm, cu particule sferice, puritate ridicata si suprafata specifica BET in domeniul 40...180 m

2/g.

Aceste tipuri de pulbere (cu marimea particulei atat de mica) in conditii normale nu curg, ceea ce in conditii industriale este un impediment (nu asigura umplerea matritei), Amestecurile a caror componente sunt foarte disperse (marimea particulelor foarte diferita), pentru a asigura conditii optime de amestecare (omogenizare) este necesar studiul gradului de omogenizare, si probabil granulare.

3.1 Determinarea caracteristicilor tehnologice ale materiei prime pulverulente Acest fapt presupune utilizarea ca materie primă a unor materiale pulverulente metalice şi

nemetalice care sunt procesate prin procedeele specifice metalurgiei pulberilor (dozare, omogenizare, compactare, sinterizare, tratamente termice post sinterizare iar in unele cazuri operaţii de prelucrare mecanică).

Utilizarea pulberilor în procesul tehnologic de obţinere a cermeţilor prin sinterizare presupune cunoaşterea proprietăţilor tehnologice ale acestora, datorită faptului că acestea intervin decisiv în prelucrarea lor ulterioară.

Principalele proprietăţi tehnologice care caracterizează pulberile metalice si nemetalicesunt: 1. Proprietăţile morfologice, care se referă la forma, calitatea suprafeţei granulelor 2. Proprietătile fizice:

- distribuţia granulometrică; - densitatea aparentă; - viteza de curgere

De aceste proprietăţi depind parametrii proceselor de omogenizare, timpul de umplere al matriţei, proprietăţile compactelor şi în final al produselor sinterizate.

În prezenta lucrare vor fi analizate din punct de vedere al proprietăţilor tehnologice amintite mai sus, pulberile metalice şi nemetalice care intră în componenţa cermeţilor Al-Al2O3.

3.1.1 Stabilirea reţetelor de pulberi si a caracteristicilor fizice ale acestora Compoziţia cermeţilor este dată de compoziţia chimică a elementelor componente. Avand in vedere faptul ca obţinerea cermeţilor de tip Al-Al2O3, cu procentul de peste 20 % Al2O3

nu a fost încă studiat, în aceasta etapă a cercetărilor aportul de Al3O3 va fi realizat prin introducerea in compoziţia amestecului a pulberilor de alumină calcinată în cantităţi de 20, 25 şi 30 % din compoziţia amestecurilor pulverulente.

În compoziţie amestecului este introdusă o cantitate de 5% pulbere de fier cu scopul studierii influenţei fierului asupra caracteristicilor tehnologice la sinterizare precum şi a caracteristicilor cermeţilor obţinuţi.

Pulberea de aluminiu constitiuie materialul de baza al cermeţilor Al-Al2O3, în consecinţă va constitui restul completat pana la totalul de 100% din compoziţia amestecului care va fi experimentat.

În consecinţă se realizeaza următoarele reţete cu compoziţiile: Reţeta 1. Pulbere de alumină A 10 20% Pulbere de fier tip Distaloy SA 5% Pulbere de aluminiu AA 75 rest Reţeta 2. Pulbere de alumină A 10 25% Pulbere de fier tip Distaloy SA 5% Pulbere de aluminiu AA 75 rest Reţeta 3. Pulbere de alumină A 10 30% Pulbere de fier tip Distaloy SA 5% Pulbere de aluminiu AA 75 rest În cadrul experimentărilor s-au efectuat determinări ale morfologiei, caracteristicilor

granulometrice, densităţii aparente şi vitezei de curgere ale pulberilor de alumină Alcoa A 10, pulberii Distaloy SA şi a pulberilor de aluminiu tip AA 75, pe aparatura specifică laboratorului nostru, în scopul obţinerii unor date reale in condiţiile prevăzute de normativele europene si nationale.

Exprimarea compoziţiilor granulometrice ale pulberilor de alumină, fier şi aluminiu sunt centralizate în tabelele 3.1.1, 3.1.2 şi 3.1.3.

În baza rezultatelor obţinute în urma distribuţiilor granulometrice s-au trasat histogramele de distribuţii granulometrice si curbele trecerii cumulate redate (fig. 3.1.1 pentru pulberea de alumină, fig. 3.1.2 pentru pulberea de fier şi 3.1.3 pentru pulberea de aluminiu.

Tab. 3.1.1. Analiza granulometrică a pulberilor de alumină

Tipul pulberii Numarul tesăturii de sârmă (SR ISO 3310-1:2000)

peste 0,212 0,212-0,150 0,150-0,100 0,100-0,063 0,063-0,020 sub 0,020

Rezidiu[%]

Pulbere de Alumina A 10

0 0 0 33,087 63,128 3,59

4

0

20

40

60

80

100

120

<0,020 0,063-0,020 0,100-0,063 >0,100

Marimea ochiurilor sitei [mm]

Tre

ce

rea

cu

mu

lata

[%

]

Fig.3.1.1 Trecerea cumulata a pulberilor de alumina

Tab. 3.1.2. Analiza granulometrică a pulberilor de fier


peste 0,212 0,212-0,150 0,150-0,100 0,100-0,063 0,063-0,020 sub 0,020

[%]

Pulbere de fier Distaloy SA

0,05 0,43 26,44 44,26 27,24 1,58

0

20

40

60

80

100

120

0 <0,020 0,063-

0,020

0,100-

0,063

0,150-

0,100

0,212-

0,150

peste

0,212


Tre

ce

rea

cu

mu

lata

[%

]

Fig.3.1.2 Trecerea cumulata a pulberilor de fier

Tab. 3.1.3. Analiza granulometrică a pulberilor de aluminiu


peste 0,212 0,212-0,150 0,150-0,100 0,100-0,063 0,063-0,020 sub 0,020

[%]

Pulbere de aluminiu AA 75

0 0 0 0 70,20 29,8

0

20

40

60

80

100

120

<0,020 0,063-0,020 0,100-0,063 >0,100


Tre

ce

rea

cu

mu

lata

[%

]

Fig.3.1.3 Trecerea cumulata a pulberilor de aluminiu

3.1.2. Determinarea densitatii aparente Densitatea aparenta este un indice al capacităţii de umplere a cavităţilor, pe care pulberile o

manifestă pe parcursul fazei de alimentare a matriţelor de formare. Ea se exprimă prin masa pe unitatea de volum a unei anumite mărci de pulbere, în condiţii standardizate (ISO 3923-1:2008 şi ISO 3923-2:2008). Din punct de vedere practic, cunoaşterea densităţii aparente este importantă la dimensionarea sculelor pentru compactizare sau alte metode de formare. Astfel, în cazul compactizării, volumul cavităţii matriţei în care se realizează presarea pulberilor trebuie să permită introducerea prin curgere liberă a

5

cantităţii necesare de pulbere. Cu cât pulberea este mai afânată după curgere, adică are o densitate aparentă mai mică, volumul necesar al cavităţii matriţei va fi mai mare.

Densitatea aparentă se determină prin calcul, pe baza rezultatelor experimentale, utilizând un aparat numit fluometru Hall (fig. 3.1.4), prin raportul între masa cantităţii de pulbere care umple recipientul şi volumul recipientului, de regulă de 25 cm

3, cu respectarea prescripţiilor din standardele internaţionale.

Măsurarea masei de pulbere se face cu o balanţă analitică tip de capacitate suficientă, care permite cântărirea probei de pulbere cu o precizie de cel puţin ± 0,05 g.

Fig. 3.1.4. Fluometru Hall

Rezultatele obţinute pentru fiecare pulbere în parte (Al2O3, fier şi alumină) sunt redate în tabelul 3.1.4 şi reprezintă media a trei determinari pentru fiecare din pulberile analizate. Tabelul 3.1.4 Densităţile aparente ale pulberilor de Al2O3, Fier şi aluminiu rezultate în urma determinărilor

Tipul pulberii UM Rezultate

Pulbere de Al2O3* g/cm3 0,79

Pulbere de fier g/cm3 2,71

Pulbere de aluminiu* g/cm3 0,89

* determinarea s-a facut conform standardul ISO 3923-2:2008 Pentru determinarea practică a timpilor de curgere s-a utilizat fluometrul Hall pentru pulberea de

fier şi fluometrul Scott pentru pulberile de alumină şi aluminiu. Valorile rezultate pentru 5 încercări consecutive în condiţii similare sunt prezentate în tabelul

3.1.5, 3.1.6 si 3.1.7 Tab. 3.1.5. Timpul de curgere al pulberii de alumină A 10 determinată pe fluometrul Scott

Proba Timpul de curgere [s/50g]

Proba 1 pulbere A 10 83.1.95

Proba 2 pulbere A 10 84.02




Valoarea medie 83.1.97

Tab. 3.1.6. Timpul de curgere al pulberii de fier determinată pe fluometrul Hall


Proba 1 pulbere Distaloy SA 27.05





Valoarea medie 26.99

6

Tab. 3.1.7. Timpul de curgere al pulberii de aluminiu AA 75 determinată pe fluometrul Scott


Proba 1 pulbere AA 75 105.20





Valoarea medie 105.07

3.1.3. Determinarea gradului de omogenizare a amestecurilor de pulberi Omogenizarea amestecului de materii prime are un rol important in fabricarea cermetilor si este

influentata de proprietatile pulberilor elementale ale amestecului. In cazul particulelor elementale cu forme diferite, marimi ale particulelor diferite, densitati diferite,

amestecul final al acestor particule poate schimba atat compozitia finala cat si densitatea produsului final implicit o structura neuniforma dupa amestecare. Omogenizarea pulberilor se face prin metode de procesare mecanica a amestecurilor de pulberi in vederea imbunatatirii caracteristicilor tehnologice a acestora. Metoda mecanica, cu cel mai mare impact asupra imbunatatirii caracteristicilor tehnologice a amestecurilor de pulberi, este omogenizarea mecanica. Calitatea omogenizarii depinde de densitatea, marimea si forma particulelor componentelor, compozitia granulometrica a amestecului, structura suprafetei particulelor, raportul componentilor in amestec si tipul omogenizatorului. Dupa omogenizare, viteza de curgere a pulberilor omogenizate, se imbunatateste si atinge o valoare optima. O curgere neuniforma a pulberii omogenizate, la umplerea matritei produce o distribuire neuniforma a acesteia in cavitatea matritei.

La toate sistemele care pornesc de la amestecul unor materiale pulverulente si ajung la sisteme finale dorite, proprietatile finale ale sistemului depind direct de omogenitatea amestecului de materii prime. Constanta proprietatilor fizico – mecanice a unor piese prin metalurgia pulberilor se poate asigura numai prin constanta omogenitatii amestecului de materii prime. De aici rezulta importanta mare a determinarii gradului de omogenitate, care trebuie sa fie o expresie cantitativa si caracteristica pentru sistemul dat. Totodata gradul de omogenitate trebuie sa fie un parametru tehnologic bine determinat pentru fiecare sistem si foarte riguros respectat, fiind mai important decit multi parametri tehnologici urmariti cu strictete. In cadrul teoriei omogenizarii, particulele se presupun ca au forma sferica. Aranjamentul particulelor in pozitiile necesare atingerii densitatii maxime implica problema omogenizarii. Aranjamentul la care particulele ocupa pozitiile corespunzatoare premiselor teoretice il vom denumi amestec ,,hiperperfect’’. In practica aranjarea particulelor cat mai apropiat de conditiile teoretice se face prin deplasari intamplatoare individuale. Se poate afirma ca particulele se aranjeaza in concordanta cu teoriile statisticii. In structura aranjamentului nu avem o repetabilitate ca la amestecul hiperperfect ci o structura conform cu teoria statisticii de aranjare a particulelor. Vom denumi acest amestec “perfect”.

Amestecul “perfect” este amestecul care in urma procesului de omogenizare da densitatea de umplere maxima, pentru atingerea densitatii maxime a aranjamentului “hiperperfect” neexistand nici un proces normal de omogenizare.

Amestec practic este amestecul la care densitatea de umplere este sub valoarea densitatii de umplere a amestecului perfect. In amestecurile practice diferentele in:

densitatea materialului particulelor;

repartitia granulometrica;

asperitatile suprafetelor particulelor; duc la procese de segregare abatandu-se si mai mult de la densitatea amestecului “perfect”.

Teoria omogenizarii, face referire la determinarea teoretica prin calcule si grafice, a densitatii de

umplere u a amestecurilor de pulberi compuse din 2 componenti principali, inclusive pentru cazurile limita; a gradului de omogenizare Mp tragandu-se urmatoarele concluzii, necesare la experimentarile preliminare efectuate, si anume:

Desitatea de umplere a unui amestec real este mai mica decat la un amestec “hiperperfect”

si corespunde la un “grad de omogenizare “ M 0,5....0,6;

Daca particulele sunt sferice ori dentritice de marimea mai mare, prin reducerea marimii particulelor mici densitatea de umplere creste.

Densitatile ce se pot obtine practic, luand in considerare limitele si gradul de omogenizare va fi totdeauna mai mic decat maximul teoretic pentru momendul dat.

Amestecul perfect este deci amestecul care in urma procesului de omogenizare duce la o densitate de umplere maxima, pentru atingerea maximului aranjamentului “hiperperfect” neexistand nici un proces normal de omogenizare.

7

Orice amestec la care densitatea de umplere este sub valoarea densitatii de umplere a amestecului “perfect” constituie un amestec “practic”.

In amestecurile practice variatii ale densitatii materialului particulelor, repartitiei granulometrice, forma si starea suprafetei lor duce la procese de segregare deplasandu-se si mai mult de la densitatea amestecului “perfect”.

Putem mari densitatea de umplere a unui amestec plasand particulele mai mici in interstitiile dintre cele mai mari, dar in acelasi timp inrautatim valoarea densitatii de umplere prin indepartarea de amestecul “hiperperfect” datorita neputintei de-a realiza un proces de omogenizare, o repartitie granulometrica, forme perfect sferice, etc.

Experimentarile privind stabilirea unui grad optim de omogenizare pe un anumit tip de omogenizator, pentru un amestec de pulberi (Al; Al2O3; Fe) s-au desfasurat astfel:

Au fost utilizate 2 tipuri de omogenizatoare: triconic si in “V”.

Fig. 3.1.5 Omogenizator in ,,V”

Fig. 3.1.6 Omogenizator triconic

S-au efectuat experimentari separat pe fiecare echipament de omogenizare. Numarul de probe pe fiecare tip de omogenizator este de 27 probe (P1 pana la P27)

Timpii de omogenizare au fost de 5;10 si 15 minute

Vitezele de omogenizare au fost de 35;55 si 85 rot/min. Experimentarile au avut in vedere variatia principalilor parametri: tipul omogenizatorului, gradul

de incarcare, viteza de omogenizare si timpul de omogenizare, astfel incat sa se obtina rezultate certe privind omogenizarea.

Valorile gradelor de omogenizare (in %) pentru fiecare proba au fost determinate prin metoda spectometriei de masa, obtinandu-se procentual fiecare constituient al amestecului cercetat. Datele au fost comparate cu procentele constituientilor din amestecul cercetat, stabilindu-se asfel gradul de omogenizare aferent. In tabelul 3.1.8 este prezentata fisa de probe a experimentarilor

Tabelul 3.1.8

Gradul de Viteza de rotatie (omogenizare) [rot/min]

umplere 35 55 85

omogenizator Timp de omogenizare [min]

[%] 5 10 15 5 10 15 5 10 15

40 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9

60 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18

70 P19 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27

Pentru a avea o privire de ansamblu a experimentarilor s-au trasat graficele din fig.3.1.7, fig.3.1.8, si fig.3.1.9, pentru omogenizatorul triconic si graficele din fig.3.1.10, fig.3.1.11, si fig.3.1.12, pentru omogenizatorul in “V”.

Graficele se prezinta astfel:

Fig. 3.1.7 Variatia gradului de omogenizare M, in functie de viteza de rotatie n si timpul t, pentru un grad de incarcare omogenizator

Fig. 3.1.8 Variatia gradului de omogenizare M, in functie de viteza de rotatie n si timpul t, pentru un grad de incarcare a omogenizator triconic:60%

35

55

85

5

10

15

7370

4149

65

58

37

6564

0

20

40

60

80

M[%]

n[rot/min]

t[min]

35

55

85

5

10

15

82

75

5261 69

5762 75

70

0

20

40

60

80

100

M[%]

n[rot/min]

t[min]

8

triconic:40%

Fig. 3.1.9 Variatia gradului de omogenizare M, in functie de viteza de rotatie n si timpul t, pentru un grad de incarcare a omogenizatorului triconic de 70%

Fig. 3.1.10 Variatia gradului de omogenizare M, in functie de viteza de rotatie n si timpul t, pentru un grad de incarcare a omogenizatorului in ,,V” de 40%



3.1.4. Determinarea experimentala a densităţii aparente şi a vitezei de curgere a

amestecurilor. Pulberile din reţetele: Reţeta 1. Pulbere de alumină A 10 20% Pulbere Distaloy SA 5% Pulbere de aluminiu AA 75 rest Reţeta 2. Pulbere de alumină A 10 25% Pulbere Distaloy SA 5% Pulbere de aluminiu AA 75 rest Reţeta 3. Pulbere de alumină A 10 30% Pulbere Distaloy SA 5% Pulbere de aluminiu AA 75 rest de compoziţiilele granulometrice, densitatile aparente şi vitezele de curgere ale fiecarui

component in parte determinate anterior, au fost supuse procesului de omogenizare. După omogenizare materialele conform reţetelor au fost analizate din punct de vedere al

densităţii de umplere şi al capacităţii de curgere. Pentru determinarea densităţii aparente s-au efectuat cate trei determinări/reţetă, iar pentru

determinarea capacităţii de curgere cinci determinări/reţetă. Rezultatele obţinute în urma determinărilor privind densitatea aparentă a amestecurilor de pulberi

din reţetele 1,2 şi 3 sunt redate în tabelul 3.1.9

35

55

85

5

10

15

60 67

49

6769

53

7577

45

0

50

100

M[%]

n[rot/min]

t[min]

35

55

85

5

10

15

6567

62

7774

5637

60

52

0

50

100

M[%]

n[rot/min]

t[min]

35

55

85

5

10

15

6062

42

78

72

545356

51

0

50

100

M[%]

n[rot/min]

t[min]

35

55

85

5

10

15

5960

53

78

625856

57

53

0

50

100

M[%]

n[rot/min]

t[min]

9

Tab. 3.1.9. Densitatea aparentă a reţetelor 1, 2 şi 3 rezultată în urma determinărilor

Rezultatele obţinute în urma determinărilor privind viteza de curgere a amestecurilor de pulberi

din reţetele 1, 2 şi 3 sunt redate în tabelelul 3.1.10. Tab. 3.1.10. Viteza de curgere a amestecurilor utilizate

La o analiza atenta a acestor grafice se observa ca in general, pentru aceleasi valori ale

parametrilor omogenizarii pe omogenizatorul triconic, s-au obtinut grade de omogenizare mai mari decat pe omogenizatorul in ,,V”.

Valoarea maxima (82%) s-a obtinut la un grad de umplere de 60%, cu o turatie de n = 35 rot/min, la un timp de omogenizare t = 15 min, in omogenizatorul triconic.

In urma efectuarii experimentarilor pe omogenizatorul in ”V”, respectiv triconic, se desprind o serie de concluzii referitoare la operatia tehnologica de omogenizare a amestecurilor de pulberi metalice si ceramice Al-Al2O3-Fe. Astfel, se poate concluziona:

o viteza de rotatie mica (sub 30 rot/min) este ineficienta deoarece particulele nu apuca sa execute o miscare de amestecare prin difuzie mecanica, iar o viteza de rotatie prea mare (peste 70 rot/min) reduce foarte mult gradul de omogenizare datorita cresterii fortei centrifuge;

un grad de umplere prea mic (sub 40%) este ineficient deoarece particulele tind sa se rearanjeze datorita caderii libere din timpul amestecarii, iar un grad prea mare (peste 70%) nu permite particulelor sa difuzeze usor;

un timp de omogenizare prea mic (sub 5 min.) este insuficient pentru realizarea unei omogenizari care sa satisfaca cerintele tehnice, iar o data cu cresterea acestuia (peste 15 min.) are loc o dezomogenizare datorita incarcarii electrostatice.

Omogenizatoarele realizeaza un grad de omogenizare bun

(65÷75%) intr-un timp

de

mixare

mic (5÷15 min.) la grade de incarcare care asigura o productivitate buna a utilajului;

omogenizatorul triconic a dat rezultate experimentale mai bune decat omogenizatorul in “V”, atat ca valoare maxima a gradului de omogenizare (82% fata de 78%), cat si a celorlalte valori luate pe ansamblu.

3.1.5 Compactarea la presiune a probelor preliminare din cermeţi.

Un alt factor foarte important care influenteaza caracteristicile finale ale produselor obtinute prin metalurgia pulberilor este procesul de formare sau compactare a amestecurilor de pulberi. S-au facut experimentari pentru determinarea compresibilitatii amestecurilor de pulberi pentru cele trei retete preliminare propuse: Al-20%Al2O3-5% Fe; Al-25%Al2O3-5% Fe; Al-30%Al2O3-5% Fe.

Compactizarea are ca efect:

Creşterea densităţii aparente a pieselor din amestecuri de pulberi. Această densitate aparentă este reprezentată de raportul dintre densitatea efectivă a pulberii omogenizate presate, care conţine o anumită proporţie de pori, şi densitatea teoretică a materialului respectiv, în stare masivă, atunci cînd este complet lipsit de pori;

Realizarea de legături între particule, care se păstrează şi după relaxarea presiunii de compactizare;

10

Obţinerea unei forme şi a unor dimensiuni ale agregatului de pulberi apropiate de cele finale ale piesei.

In cadrul prezentarii teoretice a procesului de compactare a amestecului de pulberi, realizata in prima parte a, se face o analiza a:

Tehnicii de compactare la presiune

Fenomenelor fundamentale ale compactizarii

Bazelor teoretice ale compactarii

Influentei lubrifiantilor asupra campactizarii In partea a doua, se prezinta experimentarile realizate de compactare la presiune a amestecurilor

de pulberi Al-20%Al2O3-5% Fe; Al-25%Al2O3-5% Fe; Al-30%Al2O3-5% Fe. Experimentarile de compactare au fost efectuate pe o matrita specifica cu diametrul interior de 20

mm si cu o presa hidraulica de laborator, la presiunea de 160 MPa si 200 MPa. Pentru fiecare presiune de compactare, s-au masurat diametrul (dp) si inaltimea (hp) presatelor.

Au fost calculate volumele (V) si densitatile (ρp) presatelor Au fost ridicate curbele de presabilitate (compactizare) si au fost determinate valorile compactitatii la presare.

In figurile 3.1.13 si 3.1.14 sunt prezentate S.D.V-ul de presare si presa hidraulica pe care s-a facut presarea.

Fig. 3.1.13 Matrita de compactizare Fig. 3.1.14 Presa hidraulica de compactare In tabelul 3.1.11 sunt prezentate rezultatele experimentarilor privind presabilitatea amestecurilor utilizate.

Tabelul 3.1.11

Nr.Crt

Tipul retei amestecului de pulberi

Presiunea de compactare (Mpa)

m (g) dp (cm) hp (cm) V (cm3) ρp

(g/cm3)

CP (%)

1. Reteta 1/1 160 4,267 1,995 0,74 2,139 1,995 57,65

2. Reteta 1/1 200 4,899 1,923 0,789 2,290 2,134 61,67

3. Reteta 2/1 160 4,798 1,913 0,724 2,08 2,007 57,62

4. Reteta 2/1 200 4,998 1,92 0,75 2,170 2,303 66,17

5. Reteta 3/1 160 5,518 1,911 0,8 2,293 2,406 68,74

6. Reteta 3/1 200 4,137 1,913 0,669 1,922 2,552 72,91

7. Reteta 1/2 160 4,826 1,934 0,713 2,0935 2,305 66,18

8. Reteta 1/2 200 5,041 1,90 0,76 2,154 2,340 67,63

9. Reteta 2/2 160 4,744 1,98 0,74 2,277 2,038 58,56

10. Reteta 2/2 200 5,010 1,90 0,75 2,125 2,358 67,75

11. Reteta 3/2 160 3,950 2,02 0,591 1,893 2,087 59,62

12. Reteta 3/2 200 4,930 1,910 0,78 2,234 2,207 63,05

In figurile urmatoare sunt redate graficele curbelor de presabilitate, ale amestecurilor de pulberi

din tabelul 3.1.11.

11

Curba de presabilitate

1,900

1,950

2,000

2,050

2,100

2,150

1,6 1,7 1,8 1,9 2,0

Presiunea de compactizare x 1oo [MPa]

Den

sit

ate

a p

resatu

lui

[g/c

m3]

Reteta 1/1

Fig. 3.1.15 – Curba de presabilitate – Reteta 1/1 – Cp=creste de la 57,65% la 61,67%


1,850

1,900

1,950

2,000

2,050

2,100

2,150

2,200

2,250

2,300

2,350

1,6 1,7 1,8 1,9 2,0

Presiunea de compactizare x 100 [MPa]

Den

sit

ate

a p

resatu

lui

[g/c

m3]

Reteta 2/1

Fig.3.1.16 – Curba de presabilitate – Reteta 2/1 – Cp=creste de la 57,62% la 66,17%


2,300

2,350

2,400

2,450

2,500

2,550

2,600

2,650

1,6 1,7 1,8 1,9 2,0


Den

sit

ate

a p

resatu

lui [g

/cm

3]

Reteta 3/1



2,280

2,290

2,300

2,310

2,320

2,330

2,340

2,350

1,6 1,7 1,8 1,9 2,0


Den

sit

ate

a p

resatu

lui [g

/cm

3]

Reteta 1/2

Fig. 3.1.18 – Curba de presabilitate – Reteta 1/2 – Cp=creste de la 66,18% la 67,63%


1,800

1,900

2,000

2,100

2,200

2,300

2,400

2,500

1,6 1,7 1,8 1,9 2,0

Presiunea de compactare x 100 [MPa]

Den

sit

ate

a p

resatu

lui

[g/c

m3]

Reteta 2/2



2,020

2,040

2,060

2,080

2,100

2,120

2,140

2,160

2,180

2,200

2,220

1,6 1,7 1,8 1,9 2,0

Presiunea de compactare x 100 [MPa]

Den

sit

ate

a p

resatu

lui

[g/c

m3]

Reteta 3/2


Se pot concluziona urmatoarele: 1. In cadrul acestei activitati, s-a urmarit comportarea la presare a amestecurilor de pulberi Al -

Al2O3, in retete prestabilite. 2. Densitatile aparente obtinute pentru diferite retete prestabilite sunt cuprinse intre 1,995 g/cm

3

si 2,552 g/cm3, la presiuni de lucru de160 MPa si 200 MPa.

3. S-au ridicat curbele de presabilitate evidentiindu-se un grad de compactitate cuprins intre 57,62% - 72,91%.

12

3.2 Sinterizarea probelor

Cercetarile privind influenta temperaturii de sinterizare asupra caracteristicilor cermeţilor de tip Al-Al2O3 sinterizati s-au axat pe obtinerea unor date concrete asupra modificarilor dimensionale si a densitatii compactelor si determinarea microduritatii probelor sinterizate, parametrii importanti in etapele ulterioare de cercetare.

Din cele trei retete pregatite pentru testari preliminare, au fost realizate probe si supuse sinterizarii la diferite temperaturi pentru a stabilii influenta temperaturii asupra caracteristicilor finale ale procesului.

Metodologia de experimentare privind sinterizarea cuprinde efectuarea urmatoarelor operatii: a) compactarea amestecurilor pulverulente ale celor trei retete la160 si 200 MPa, urmata de

efectuarea masuratorilor pentru determinarea: - caracteristicilor geometrice a probelor compactate. - determinarea densitatii dupa compactare a probelor rezultate. b) sinterizarea compactelor, la doua temperaturi de sinterizare 600 si 650

oC in aer dupa o

diagrama de sinterizare prestabilita, astfel incat sa fie obtinute probe relevante in vederea determinarii: - modificarilor dimensionale dupa sinterizare - determinarea densitatii rezultate dupa sinterizare - determinarea microduritatii. S-au realizat pastile din fiecare reteta, compactizate la 160 MPa si 200 MPa S-a procedat la determinarea caracteristicilelor geometrice prin masurare cu micrometrul iar prin

cantarire masa acestora. S-au determinat densitatea dupa compactare, si cele dupa sinterizare rezultatele acestor

determinari sunt redat in tabelul 3.2.1. si 3.2.2. Sinterizarea, semifabricatelor presate din pulberi este operatia tehnologica de tratament termic, ,

cu o temperatura sub cea de topire a componentului cu temperatura de topire cea mai scazuta din amestecul de pulberi.

Prin aceasta se urmareste consoliderea legaturii dintre granule, prin marirea suprafetelor de contact dintre ele, formarea unor structurii proprii, reducerea continua a porozitatii, ceea ce, in general conduce, in cele mai multe cazuri la densificare si in mod cert, la cresterea substantiala a rezistentei mecanice a presatelor.

Parametrii specifici ai procesului de sinterizare sunt:

temperatura;

durata de menţinere la temperatură;

atmosfera utilizată. - Temperatura de sinterizare se ia 2/3 ÷ 4/5 din temperatura absoluta de topire a componentului

din amestecul de pulberi cu temperatura de topire cea mai scazuta In cazul de fata principalul component este pulberea de aluminiu a carui temperatura absoluta

de topire este de 657 oC.

In consecinta temperatura de sinterizare calculata este de este T = 438 ÷ 526 0C.

Tinand cont de recomandarile din literatura de specialitate ca: - viteza de incalziere pentru piesele mici din aluminiu este de max. 500

0C/ora,

- timpul de mantinere de 30 ÷ 80 minute, - iar viteza de racire la piese mici din Al- pina la 50-80

0C/ora,

si de faptul ca pulberile de aluminiu sunt acoperite cu un strat de oxid de aluminiu, iar in componenta amestecului intra si pulberile de fier si alumina al caror temperaturi de topire sunt cu mult mai mari decat cea a aluminiului sinterizarea pastilelor se va face la 600

0C si 650

oC. Pentru pastilele

cu compozitiile 1, 2 si 3, experimentarile s-au desfasurat urmarind urmatorii parametrii de sinterizare: - Viteza de incalzire: Vi = 300

0C/h

- Temperatura de sinterizare: - T = 600

oC pentru pastilele cu retetele 1,2 si 3 compactate la P =160 MPa;

- T = 600 oC pentru pastilele cu retetele 1,2 si 3 compactate la P =200 MPa;



- Viteza de racire 50 oC/ora

In baza acestor parametrii s-au stabilit diagramele de sinterizare nr.1 si 2, (figurile3.2.1 si 3.2.2).

13

50

150

250

350

450

550

650

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Timpul [h]

Tem

pera

tura

[o

C]

Fig. 3.2.1. Diagrama de sinterizare nr.1 Fig. 3.2.2 Diagrama de sinterizare nr.2

Experimentarile privind sinterizarea probelor compactate la 160 si 200 MPa si sinterizate

la 600 0C Sinterizarea probelor s-a facut intr-un cuptorul electric cu rezistori Caloris CL 1206 in aer (figura

3.2.3). Atmosfera de sinterizare: Aerul din incinta de sinterizare.

a) incarcarea cuptorului b) mentinere la T=600

0C

Fig.3.2.3 Procesul de sinterizare al probelor Dupa sinterizare pastilele au fost analizate din punct de vedere al caracteristicilor dimensionale

precum si a densitatii. In figura 3.2.4. sunt prezentate pastile compactate atat la 160 cat si la 200 MPa sinterizate in aer

Din punct de vedere vizual (probele compactate la 160 si la 200 MPa, sinterizate la 600 oC au un

aspect specific produselor cu suprafetele bine conturate, prezentand o rugozitate specifica conditiilor de compactare si sinterizare impuse. De asemenea prezinta o buna stabilitate a formei in timpul manipularii.

Fig. 3.2.4. Probe compactate la 160 MPa si sinterizate la 600 oC

Temperatura cuptorului [

oC]

14

Rezultatele masuratorilor dimensiunilor si determinarii densitatii probelor compactate la presiuniea de 160 MPa si sinterizate la 600

oC sunt redate in tabelul 3.2.1 si histogramele prezentate in

figurile 3.2.5, 3.2.6, si 3.2.7 Tab. 3.2.1. Rezultate privind determinarea caracteristicilor geometrice si a densitatii probelor

compactate la 160 MPa si sinterizate la 600 0C.

Reteta nr.

P [MPa]

Inainte de sinterizare Dupa sinterizare la 600 oC

Variatii dimensionale si de densitate

Φ1 [mm]

h1 [mm]

m1 [g]

ρc [g/cm

3]

Φ2 [mm]

h2 [mm]

m2 [g]

ρs

[g/cm3]

Δ Φ [mm]

Δ h [mm]

Δ ρ [mm]

1

160

19.31 7,13 4,826 2,312 19,30 7,13 4,762 2,284 -0,01 0 +0,028

2 19,41 7,15 4,770 2,256 19,40 7,14 4,717 2,236 -0,01 -0,01 +0,020

3 19,51 7,12 4,786 2,250 19,32 7,11 4,636 2,225 -0,19 -0,01 +0,025

notatiile utilizate in tabel au semnificatia: - Φ, diametrul pastilei [mm] - h, inaltimea pastilei [mm] - m ,masa cantarita [g] - ρ densitatea calculata [g/cm

3]

- Δ Φ = Φ2 – Φ1 - Δh = h2 – h1

- Δρ = ρ2 – ρ1

19.10

19.15

19.20

19.25

19.30

19.35

19.40

19.45

19.50

19.55

19.60

1 2 3

Reteta

Dia

metu

l [

mm

]

Inainte de sinterizare

Dupa sinterizare

7.09

7.1

7.11

7.12

7.13

7.14

7.15

7.16

1 2 3

Reteta

h [

mm

]

Inainte de compactare

Dupa compactare

Fig. 3.2.5. Influenta temperaturii de sinterizare asupra diametrului. (Probe compactate la P = 160

MPa si sinterizate la 600 0C)

Fig. 3.2.6. Influenta temperaturii de sinterizare asupra inaltimii (Probe compactate la P = 160 MPa

si sinterizate la 600 0C)

2.180

2.200

2.220

2.240

2.260

2.280

2.300

2.320

1 2 3

Reteta

Den

sit

ate

a [

g/c

m3]


Dupa sinterizare

Fig. 3.2.7. Influenta temperaturii de sinterizare asupra densitatii (Probe compactate la P = 160 MPa si sinterizate la 600

0C)

Caracteristicile dimensionale si densitatea probelor compactate la presiunea P = 200 MPa si sinterizate la 600

oC, sunt prezentate in tabelul 3.2.2 si histogramele prezentate in figurile 3.2.8, 3.2.9, si

3.2.10. Tab. 3.2.2. Rezultate privind determinarea caracteristicilor geometrice si a densitatii probelor


Reteta nr.

P [MPa]



Φ1 [mm]

h1 [mm]

m1 [g]

ρc [g/cm

3]

Φ2 [mm]

h2 [mm]

m2 [g]

ρs

[g/cm3]

Δ Φ [mm]

Δ h [mm]

Δ ρ [mm]

1 200 19,00 7,50 5,041 2,340 18,64 7,49 4,954 2,424 -0,36 -0,01 +0,084

15

2 19,15 7,55 5,100 2,318 18,79 7,54 5,005 2,394 -0,36 -0,01 +0,076

3 19,13 7,56 4,930 2,269 18,74 7,48 4,856 2,354 -0,39 -0,08 +0,085

7.40

7.42

7.44

7.46

7.48

7.50

7.52

7.54

7.56

7.58

7.60

1 2 3

Reteta

h [

mm

]


Dupa sinterizare

Fig. 3.2.8. Influenta temperaturii de

sinterizare asupra diametrului. (Probe compactate la P = 200 MPa si sinterizate la 600

0C)



2.150

2.200

2.250

2.300

2.350

2.400

2.450

1 2 3

Reteta

Den

sit

ate

a [

g/c

m3]


Dupa sinterizare

Fig. 3.2.10. Influenta temperaturii de sinterizare asupra densitatiii (Probe compactate la P = 200 MPa si

sinterizate la 600 0C)

Probele sinterizate la 650

0C prezinta adeziuni (rugozitate mare), adica particule de ordinul

micronilor, sferice sau sferoidale „sudate” intim de proba. Acest fenomen este numit fenomen de exudare (figura 3.2.11) Probele prezinta o foarte buna stabilitate a a formei in timpul manipularii. Acest fenomen se manifesta la toate probele supuse sinterizarii la 650

oC.

Fig. 3.2.11. Pastile compactate la 200 MPa si sinterizate la 650 oC

Presupunem ca formarea adeziunilor, cunoscut sub denumirea de fenomen de ex-udare poate fi

explicat prin legaturile care se formeaza intre atomii de oxigen din compozitia chimica a pulberii de fier (care contine cca 0,27% O2) si aluminiul, componentul principal al amestecurilor experimentate. Mentionam faptul ca la probele compactate la 200 MPa fenomenul este mai pronuntat. De asemenea presupunem ca fenomenul de exudare este rezultat al unor reactii exoterme locale (sinterizare reactiva locala) cu formare de Al2O3. In etapele ulterioare se vor intreprinde cercetari si se vor face investigatii pentru lamurirea acestrui fenomen.

In ceea ce priveste caracteristicile dimensionale si densitatea probelor compactate la presiunea P = 160 MPa si sinterizate la 650

oC, sunt redate in tabelul 3.2.3 si histogramele prezentate in figurile

3.2.12, 3.2.13, si 3.2.14

16

Tab. 3.2.3. Rezultate privind determinarea caracteristicilor geometrice si a densitatii probelor compactate la 160 MPa si sinterizate la 650

0C.

Reteta nr.

P [MPa]



Φ1 [mm]

h1 [mm]

m1 [g]

ρc [g/cm

3]

Φ2 [mm]

h2 [mm]

m2 [g]

ρs

[g/cm3]

Δ Φ [mm]

Δ h [mm]

Δ ρ [mm]

1

160

19.10 4.90 3.650 2.629 19.29 5.90 3.680 2.200 -0.10 +1 -0.429

2 19.10 6.60 5.000 2.645 19.10 7.90 4.998 2.210 0.00 +1.3 -0.435

3 19.00 6.70 5.000 2.630 19.30 7.80 4.950 2.170 +0.30 +1.1 -0.460

18.80

18.90

19.00

19.10

19.20

19.30

19.40

1 2 3

Reteta

Dia

metr

ul

[mm

]


Dupa sinterizare

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

1 2 3

Reteta

Inalt

imea [

mm

]


Dupa sinterizare

Fig. 3.2.12. Influenta temperaturii de sinterizare

asupra diametrului. (Probe compactate la P = 160 MPa si sinterizate la 650

0C)

Fig. 3.2.13. Influenta temperaturii de sinterizare asupra inaltimii (Probe compactate la P = 160

MPa si sinterizate la 650 0C)

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

1 2 3

Reteta

Den

sit

ate

a [

g/c

m3]


Dupa sinterizare

Fig. 3.2.14. Influenta temperaturii de sinterizare asupra densitatii (Probe compactate la P = 160 MPa si


Rezultatele masuratorilor dimensiunilor si determinarii densitatatii probelor compactate la presiuniea de 200 MPa si sinterizate la 650

oC a sunt prezentate in tabelul 3.2.4 si histogramele

prezentate in figurile 3.2.15, 3..2.16, si 3.2.17. Tab. 3.2.4. Rezultate privind determinarea caracteristicilor geometrice si a densitatii probelor


Reteta nr.

P [MPa]



Φ1 [mm]

h1 [mm]

m1 [g]

ρc [g/cm

3]

Φ2 [mm]

h2 [mm]

m2 [g]

ρs

[g/cm3]

Δ Φ [mm]

Δ h [mm]

Δ ρ [mm]

1

200

19.10 6.40 5.000 2.690 19.00 7.00 4.97 2.240 -0.10 0.60 -0.450

2 19.10 6.50 4.940 2.645 19.10 7.90 4.89 2.210 0.00 1.40 -0.435

3 19.10 6.60 5.000 2.630 19.30 7.80 4.95 2.170 0.20 1.20 -0.460

17

18.85

18.90

18.95

19.00

19.05

19.10

19.15

19.20

19.25

19.30

19.35

1 2 3

Reteta

Dia

metr

ul

[mm

]


Dupa sinterizare

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

1 2 3

Reteta

Inalt

imea [

mm

]


Dupa sinterizare

Fig. 3.2.15. Influenta temperaturii de

sinterizare asupra diametrului. (Probe compactate la P = 200 MPa si sinterizate la 650

0C)



0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

1 2 3

Reteta

Den

sit

ate

a [

g/c

m3]


Dupa sinterizare

Fig. 3.2.17. Influenta temperaturii de sinterizare asupra densitatii (Probe compactate la P = 200 MPa si


Analiza microstructurii. Analiza metalografica s-a facut pe un microscop optic tip Olimpus GX 51, marire: max.1000,

rezoluţie: 3,36 – 0,37. Pregatirea probelor in vederea acestor analize s-a facut prin slefuire cu discuri abrazive din

electrocorindon cu granulatiile de 45 si 15 μm. Slefuirea s-a facut sub jet de apa pentru a reduce deformarile plastice care ar putea fi induse de deformatiile plastice cauzate de caldura generata prin frecare. Dupa slefuire s-a efectuat lustruirea cu pasta de diamant de 7, 3 si 1 μm. dupa care s-au analizat din punct de vedere al distributiei aluminei in matricea metalica. Pentru o mai buna investigare a microstructurii imaginile au fost prelucrate pe calculator si apoi analizate.

Din figurile 3.2.18, 3.2.19 si 3..2.20 se observa ca la continut scazut de Al2O3 distributia particulelor este vizibila, iar in cazul in care continutul de Al2O3 este ridicat se observa aglomerari, indiferent de marimea particulelor

Analiza probelor cu continut de 20, 25 si 30 % Al2O3 este prezentata in figurile 3.2.18, 3.2.19, 3.2.20

Fig. 3.2 18. Imaginea a probei cu reteta R1 compactata la 160 MPa si sinterizata la 600

0C

Fig. 3.2 19. Imaginea a probei cu reteta R2 compactata la 160 MPa si sinterizata la 650

0C

18

Fig. 3.2.20. Imaginea a probei cu reteta R3 compactata la 200 MPa si sinterizata la 650 0C

Din analiza imaginilor prezentate mai sus se observa ca distributia particulelor de alumină in

matricea de aluminiu este cvasiuniforma. In zonele investigate nu se observa aglomerari mari de particule. Cu toate acestea, se poate observa existenta porozitatii a carei prezente se poate datora compactarii necorespunzatoare, pe de-o parte sau pur si simplu se datoreaza smulgerii particulelor de alumina din matricea de aluminiu in timpul procesului pregatire a probelor prin operatiile de slefuire si lustruire.

In vederea determinarii microduritatii probele sinterizate au fos supuse procedeului de finisare prin slefuire pana cand suprafatele dorite a fi analizate au un aspect de luciu metalic.

Prelucrarea pastilelor s-a realizat pe Instalaţia de şlefuit/lustruit probe metalografice Buhler cu 2 platane, D platan =250 mm, viteza de rotaţie a platanului 150 – 300 rot/ min

Dupa lustruire probele au fost supuse testului de microduritate cu - Microdurimetru Wolpert 402 MVD, F= 10 mN – 20 N

Microduritatea s-au stabilit trei puncte de testare (vezi figura 3.2.21)

Fig. 3.2.21 Punctele de masurare a microduritatii.

Semnificatia notatiilor din fig. 3.2.21: R – raza pastilelor, C – centrul pastilelor, R/2, mijlocul razei pastilelor M = R-2 mm si reprezinta zona de margine a pastilelor Forta de aplicata la testarea microduritatii F = 1.960 mN

Tab. 3.2.22. Proba in timpul testarii microduritatii.

Rezultatele obtinute in urma determinarilor in functie de zonele testate si parametrii de compactare si sinterizare sunt centralizate in tabelul 3.2.5, 3.2.6 iar variatia microduritatii este prezentata in figurile 3.2.23. – 3.2.28.

C R/2

R

M

19

Tab. 3.2.5 Microduritatii probelor cu retetele 1,2 si 3 compactate la P = 160m si 200 MPa si

sinterizate la 600 oC

Reteta P=160 MPa, Tsint 600 oC P=200 MPa, Tsint 600

oC

Microduritatea HV 0,2

C R/2 M C R/2 M

1 26.9 28.9 23 150.7 27.4 43.2

2 40.7 70.8 24.1 25.1 45.1 43.5

3 58.9 48.4 49.2 42.5 44.5 40.9

0

20

40

60

80

100

120

140

160

C R/2 M

Zona de testare

Mic

rod

uri

tate

a [

HV

0,2

]

P = 160 MPa

P = 200 MPa

0

10

20

30

40

50

60

70

80

C R/2 M

Zona de testare

Mic

rod

uri

tate

a [

HV

0,2

]

Compactate la P=160 [MPa]


Fig. 3.2.23. Valorile microduritatii probelor (reteta R1) compactate la 160 si 200 MPa si sinterizate la

600 oC rezultate in urma testarilor

Fig. 3.2.24. Valorile microduritatii probelor (reteta R2) compactate la 160 si 200 MPa si sinterizate la

600 oC rezultate in urma testarilor

0

10

20

30

40

50

60

70

C R/2 M

Zona testata

Mic

rod

uri

tate

a [

HV

0,2

]

Compactate la P = 160 [MPa]

"Compactate la P = 200 [MPa]"

Fig. 3.2.25. Valorile microduritatii probelor (reteta R3) compactate la 160 si 200 MPa si sinterizate la 600

oC rezultate in urma testarilor

Tab. 3.2.6 Microduritatii probelor cu retetele 1,2 si 3 compactate la P = 160m si 200 MPa si


Reteta P=160 MPa, Tsint 600 oC P=200 MPa, Tsint 600

oC

Microduritatea HV 0,2

C R/2 M C R/2 M

1 72.1 57.2 38 44.9 50 46.9

2 58.5 49.6 43.5 44.9 50 42

3 72.1 57.2 38 54.7 50 42

0

10

20

30

40

50

60

70

80

C R/2 M

Zona de testare

Mic

rod

uri

tate

a [

HV

0,2

]

Compactat la P =160 [MPa]

Compactat la P=200 [MPa]

0

10

20

30

40

50

60

70

C R/2 M

Zona de testare

Mic

rod

uri

tate

a [

HV

0,2

]



Fig. 3.2.26. Valorile microduritatii probelor (reteta R1) compactate la 160 si 200 MPa si


Fig. 3.2.27. Valorile microduritatii probelor (reteta R2) compactate la 160 si 200 MPa si


20

0

10

20

30

40

50

60

70

80

C R/2 M

Zona de testare

Mic

rod

uri

tate

a [

HV

0,2

]

Copmactate la P=160[MPa]

Compactate la p=200 [MPa]

Fig. 3.2.28. Valorile microduritatii probelor (reteta R3) compactate la 160 si 200 MPa si sinterizate la 650

oC

Din tabelele 3.2.1 si 3.2.2 precum si din din figurile 3.2.5-3.2.10 se observa faptul ca: - dupa sinterizare la 600

0C, probele sufera modificari din punct de vedere dimensional in

sensul micsorarii acestora, avand ca si consecinta la cresterea densitatii dupa sinterizare. - cresterea densitatii are un caracter mai pronuntat la pastilele compactate la 200 MPa. Referitor la probele compactate la 160 si 200 MPa si sinterizate la 650

0C se constataa ca,

probele prezinta adeziuni (rugozitate mare), adica particule de ordinul micronilor, sferice sau sferoidale „sudate” intim de proba. Acest fenomen este numit fenomen de exudare. Presupunem ca formarea adeziunilor, fenomen cunoscut sub denumirea de de exudare, poate fi explicat prin legaturile care se formeaza intre atomii de oxigen din compozitia chimica a pulberii de fier (care contine cca 0,27% O2) si aluminiul, componentul principal al amestecurilor experimentate. Mentionam faptul ca, fenomenul de exudare se manifesta la toate probele sinterizate la 650

0C (din toate retetele) cu mentiunea ca acest

fenomen este mai pronuntat la probele compactate la 200 MPa. De asemenea presupunem ca fenomenul de exudare este rezultat al unor reactii exoterme locale

(sinterizare reactiva locala) cu formare de Al2O3. In etapele ulterioare se vor intreprinde cercetari si se vor face investigatii pentru lamurirea acestui fenomen.

Din tabelele 3.2.3 si 3.2.4 precum si din din figurile 3.2.12 - 3.2.17 se observa faptul ca dupa sinterizarea la 650

0C, probele, sufera modificari din punct de vedere dimensional in sensul cresterii

inaltimii pastilelor (in unele cazuri si a diametrului), acest fapt avand ca si consecinta la scaderea densitatii dupa sinterizare. Scaderea densitatii are un caracter mai pronuntat la pastilele compactate la 200 MPa.

In privinta microduritatii s-a constatat ca la compactele sinterizate la temperatura de 600 0C

exista o mare variatie a acesteia la toate probele analizate. Acest fapt, credem ca se datoreaza densitatii mici si posibil unei sinterizari insuficiente.

La compactele sinterizate la 650 0C (aproape de temperatura lichidus a aluminiului) se constata

ca dispersia valorilor microduritatii este mai restransa fapt datorat unei mai bune compactitati. Rezultatele obtinute in cadrul acestei etape a proiectului ne determina, ca pentru etapele

viitoare de cercetare sa studiem: - testarea unor retete din aluminiu- Al2O3 - Fe2O3 sau TiO2 in scopul asigurarii conditiilor de

realizare a reactiei reactive prin aportul de oxigen pe care acesti oxizi il detin - marirea temperaturii de sinterizare de la 650

0C grade la 850

0C.

3.3. Studiul fenomenelor de transfer de energie şi de masă care au loc la sinterizarea reactivă a pulberilor metalice

Având în vedere că tratamentul termic de sinterizare reactivă este însoţit de transformări chimice şi structurale importante însoţite de deplasări ale atomilor sub efectul difuziei sau al altor fenomene de transfer de masă, programul experimental configurat îşi propune elucidarea următoarelor aspecte:

- Determinarea deplasării la mică distanţă a diferiţilor atomi metalici şi nemetalici din compoziţia materialelor compozite, în corelaţie cu principalii parametrii ai tratamentului termic de sinterizare reactivă, în special temperatură, durată a tratamentului, concentraţia în elemente de adaos.

- Elucidarea transformărilor structurale produse, în special fazele şi constituenţii structurali nou formaţi ca urmare a reacţiilor chimice şi structurale şi corelarea acestor transformări cu parametrii de tratament aplicaţi.

Probele experimentale folosite au fost produse printr-un itinerariu tehnologic de tip blend-press-sinter a unui amestec de pulberi metalice din aliaj de aluminiu şi pulberi de TiO2.

Pentru stabilirea experimentala a transferului de masa la sinterizarea reactiva s-a optat ca material de formare a viitoarei matrici metalice pentru un aliaj comercial de tip ALUMIX 123. Compoziţia aliajului

21

folosit ca material experimental se prezintă în tabelul 3.3.-1. În figura 3.3.-1. se prezintă poziţionarea aliajului ALUMIX 123, utilizata la realizarea probelor pentru stabilirea transferului de masa in-situ la sinterizarea reactiva pe diagrama binară Al-Cu, fiind evidenţiate poziţiile punctelor critice de topire şi intervalul optim de sinterizare.

Tabelul 3.3.1. Compoziţia pulberilor pentru matricea metalică.

Tip Aliaj sinterizat Cu [%]

Mg [%] Si [%] Zn [%] Lubrifiant [%] Al

Alumix 123 AlCuSiMg 4,5 0,5 0,7 - 1,5 Bal.

Principalul avantaj al acestui aliaj îl constituie un interval larg de temperatură între punctele lichidus şi

solidus (figura 3.3.1), existând astfel posibilitatea determinării prin încălzire la o temperatură corespunzătoare a proporţiei dintre faza lichidă şi cea solidă (figura 3.3.2), în mod obişnuit în intervalul 570-630°C, astfel încât să fie realizat un flux optim al reacţiilor intergranulare care se produc în timpul sinterizării (figura 3.3.1). Ca urmare faza lichidă rezultată din topirea parţială a aliajului pe bază de Al este în măsură să se infiltreze intergranular în interstiţiile granulelor (particulelor ceramice) realizând sinterizarea de tip reactiv şi consolidarea materialului CERMET (figura 3.3.3).

200

300

400

500

600

700

800

900

°C

1 2 3 4 5 6 7 8

% greutate Cu

660,3°

548°

5,65(Al)

(Al)+

L+(Al)

Tsinterizare

Tlichidus

Tsolidus

Tsolvus

Fig. 3.3.1. Diagrama de echilibru Al – Cu şi poziţionarea aliajului experimental ALUMIX 123.

Fig. 3.3.2. Principiul optimizării cantităţii de fază lichidă la sinterizarea experimental ALUMIX 123.

Itinerariul tehnologic al probelor realizate se prezintă în figura 3.3.3.

Por

Particulă cu limite de grăunte

Limite de grăunte

Agregat de pulberi

Curgere vîscoasă + reactii Densificare

Grăunte

Topitură

Fig 3.3.3. Principiul desfăşurării sinterizării cu fază lichidă.

Conform itinerariului tehnologic de producere a probelor sinterizate, pentru realizarea probelor necesare determinarii transferului de masa au fost aplicate următoarele operaţii:

Amestecarea mecanică în stare umedă, în moară planetară timp de 30 de minute a pulberilor metalice ALUMIX 123, cu dimensiunea particulelor de aproximativ 65 microni, şi a pulberii fine

22

(aprox. 4 microni) nemetalice de bioxid de titan (TiO2), în proporţie de 5% şi 10% în greutate. Pulberea metalică conţine lubrifiant steramidă tip HOECHST Microwax C, circa 1,5 % greut.

Presarea unidirecţională cu dublă acţiune, în matriţă, la rece, presiune de compactizare aprox. 200 MPa.

Sinterizarea în atmosferă controlată de argon a presatelor, la diverse nivele de temperatură şi la diverse durate de tratament

La configurarea programului experimental s-au stabilit următorii parametrii ai probelor:

Proporţia adaosului de bioxid de titan (TiO2): 5% şi 10% în greutate

Nivelul temperaturii de sinterizare: 650°C şi 800°C

Durata de tratament termic de sinterizare: 3 ore şi 6 ore În tabelul Tabelul 3.3.2. Se prezintă simbolizarea probelor produse în vederea realizării programului

experimental: Tabelul 3.3.2.

Durata de sinterizare

Temperatură de sinterizare 650°C Temperatură de sinterizare 800°C

Armare 5% Armare 10% Armare 5% Armare 10%

3 ore H G F L

6 ore A D E B

Te

mp

era

tura

[°C

]

Durata [min]

400…420°C

650…800°C

10…20 min

3…6 h

Ardere lubrifiant Sinterizare

Fig. 3.3.4 Diagrama de sinterizare a probelor experimentale

Din analiza rezultatelor cercetarilor existente in domeniul fenomenelor intergranulare la sinterizarea reactiva pentru obtinerea cermetilor oxidici, rezulta ca cele mai multe cercetari sunt legate de

procesarea pulberilor de Al si Ni, amestecate cu pulberea de alumină și un material de umplutură de

sacrificiu, cum ar fi mici sfere de polistiren. Amestecul reactiv se pune într-o matriță și este presat sub

forma de discuri, cilindri, sau orice alta forma dorita. Compactul în matriță va fi incalzit într-un cuptor între

600 și 700 0C. La 660

0C Al se topește, iar Al lichid este extrem de reactiv. Al topit reacționează cu

pulberea de Ni si produce o "flacără solidă". "Flacăra solida" este o zona (un front) de ardere intens

luminoasa separata de amestecul reactant și de produsul solid de ardere. Cu toate acestea, într-un sistem metalo-ceramic sinterizarea reactiva este moderata de ceramica

refractara, totusi, temperatura de ardere este atât de mare încât are loc fuziunea parțială a particulelor,

dând naștere la o rezistență mecanică ridicată a produsului final. Procesul de ardere continuă până când

intreaga pulbere compacta a reacționat. Caldura intensa degajata in timpul reactiei va arde materialele de adaos de sacrificiu, lăsând în urmă porii reziduali care amintesc de formele initiale ale materialelor

respective. Produsul final pastreaza forma matritei și are o structură poroasă cu pulberi ceramice dispersate în matricea metalica. Componenta ceramica a cermetului este refractara, ceea ce permite utlizarea la temperaturi foarte inalte.

În cazul sinterizării reactive a presatelor din amestecuri de pulberi de Al şi bioxid de titan (TiO2) folosite la încercările experimentale preliminare efectuate, pentru stabilirea transferului de masa, reacţiile la tratamentul termic sunt dominate de reducerea bioxidului de titan şi formarea aluminei, producându-se după ecuaţiile de mai jos, in 3 stadii diferite:

- Stadiul I 2Al(s)+3TiO2(s)→ 3TiO(s) + γ-Al2O3(s) Al(s) + → Al(l) 2Al(l)+3TiO2(s)→ 3TiO(s) + γ-Al2O3(s)

- Stadiul al II-lea 3TiO + 11Al (s) → 3Al3Ti + α-Al2O3

3TiO2 + 2Al → 3TiO + α-Al2O3

- Stadiul al III-lea

23

3TiO2 + 2Al → 3TiO + α-Al2O3 3TiO + 11Al (s) → 3Al3Ti + α-Al2O3

Din aceste motive se consideră ca rezultat optim descompunerea în proporţie cât mai mare de bioxid de titan (TiO2) şi formarea fină şi uniform dispersată a următorilor compuşi:

Compusul intermetalic Al3Ti rezultat din difuzia atomilor de Ti în matricea de Al a materialului

Particule de alumină Al2O3, rezultate ca urmare a reducerii bioxidului de titan (TiO2) prin înlocuirea atomilor de Ti cu atomi de Al.

Pentru identificarea structurii rezultate în urma procesului de sinterizarea reactivă şi determinarea transportului de masă rezultat, probele au fost analizate metalografic după cum urmează:

Analiza optica metalografică a fost realizată folosind un microscop optic Olympus BM 51, scopul evidenţierii principalilor constituenţi structurali;

Proporţia de constituienţi din structură a fost determinată folosind aplicatia software AnalySIS FIVE;

Compoziţia chimica zonală a materialului sinterizat şi distribuţia elementelor chimice Al, Cu, Ti, O, N, Mn, Mg a fost determinată cu ajutorul microscopului electronic cu baleiaj FEI QUANTA FEG

Structura microscopica a probelor utilizate sunt redate in lucrare pentru fiecare proba la mariri diferite 50x, 100x, si 500X.In fig.3.3.5 sunt redate microstructurile probelor analizate, marire 50X

Proba A Proba B Proba D

Proba E Proba F Proba G

Proba H Proba L Fig. 3.3.5 Microstructurile probelor de formare in-situ al cermetilor cu Al

Pe aceste microstructuri, folosind aplicatia software AnalySIS FIVE, s-au determinat proporţiile de constituienţi din structură prezentate in figura 3.3.6 prezentata in tabelul de mai jos.

24

a) Proporţia de faza α b) Proporţia de intermetalic

c) Proporţia de eutectic d) Proporţia de pori

Fig 3.3.6 Proportii de constituenti Proba A

Constituent structural Proba Soluţie solidă (faza

α) Intermetalic Eutectic Pori

Proporţia în suprafaţa analizată, %

A 71,43 0.33 24,09 0.42

B 60,74 10,18 34,77 0,71

E 77,35 1,28 19,85 1,87

F 58,65 11,33 27,25 0,31

G 73,02 1,68 17,83 1,36

H 62,21 0,59 21,91 0,25

L 54,34 6,32 40,24 0,30

Rezultatele investigaţiilor prin microscopie electronică cu baleiaj ale probei A sunt prezentate în

figurile 3.3.7 si 3.3.8

Fig. 3.3.-7. Analiza EDX pentru proba A

EDAX ZAF Quantification (Standardless), Element Normalized, SEC Table: Default kV: 30.00 Tilt: 0.00 Take-off: 2.91 AmpT: 12.80 Det Type:SDD Apollo X Res: 126.39 Lsec: 42

Tabelul 3.3.4

Elem Wt % At % K-Ratio Z A F

N K 0 0 0 1,0732 0,133 1,0007

O K 5,05 8,34 0,0101 1,0659 0,1875 1,0017

25

MgK 1,17 1,27 0,0071 1,0275 0,5746 1,0332

AlK 90,74 88,81 0,629 0,9983 0,6944 1,0001

TiK 2,33 1,29 0,0097 0,918 0,4523 1,0002

MnK 0,04 0,02 0,0003 0,9055 0,6751 1,0006

CuK 0,67 0,28 0,0059 0,8972 0,9815 1,0000

a) ME (mărire electronică) 3000x

b) Distribuţia Al c) Distribuţia Ti

d) Distribuţia Cu e) Distribuţia Mg f) Distribuţia Mn

g) Distribuţia O h) Distribuţia N

Fig. 3.3.8 Microstructura electronică şi distribuţia elementelor pentru proba A. Fata de rezultatele obtinute prin aceste testari se poate concluziona:

Aşa cum era de aşteptat Al acoperă mare parte din material, fiind însă mult mai puţin dens în zonele de prezenţă masivă a Ti, unde s-a format intermetalicul Al-Ti;

O parte din (TiO2) a rămas ne-descompus fiind prezent la limitele de grăunţi, fapt atestat de suprapunerea distribuţiilor de Ti şi O, la limite de grăunte.

Având în vedere proporţia redusă de TiO2 descompusă la probele D şi G se poate concluziona că temperatura T=650°C este insuficientă pentru sinterizarea reactivă a compozitelor.

Spectrele Ti şi O sunt complet decuplate, astfel că zonele bogate în Ti nu conţin O şi viceversa, iar atomii de Ti nu se mai află practic niciunde în proximitatea celor de O, ceea ce permite să afirmăm că descompunerea TiO2 este completă.

Din punct de vedere cantitativ în cazul probelor sinterizate la 800°C se constată că pe măsura creşterii duratei de tratament creşte şi cantitatea de intermetalic format. Astfel aşa cum rezultă din compararea rezultatelor, la durate de 6 ore a tratamentului termic proporţia de intermetalic creşte la aproximativ 10% vol. faţă de 6% vol. cât s-a calculat la durata de sinterizare de 3 ore.

26

3.4. Concluzii

Pentru obţinerea cermeţilor de tipul Al-Al2O3 cu densitate de 98-100% si caracteristici fizico-mecanice superioare, folositi la realizarea pieselor care intra in componenta motoarelor din industria auto se va utiliza procedeul sinterizării reactive.

Procesul de sinterizare reactiva a cermetilor este influentat de urmatoarele caracteristici ale materiilor prime si regimurilor de procesare:

Forma si marimea particulelor, cu cat pulberea de alumina este mai fina, reactia de sinterizare este mai usor de controlat intru-cat la un grad de omogenizare corespunzator probabilitatea ca particulele de aluminiu si fier sa fie izolate de un „strat” subtire de ceramica care franeaza procesul de autopropagare a reactiei. Acest fapt necesita utilizarea unor materii prime cu caracteristici bine stabilite, un grad de omogenizare cat mai bun si regimuri de formare cat mai precise pentru a asigura in final o precizie cat ai buna a pieselor si o densificare maxima.

Presiunea de formare a pieselor din cermet de tip Al-Al2O3 cu adaos de fier influenteaza atat regimul de sinterizare cat si densitatea finala a pieselor. Astfel la o presare cu o forta mica, este posibil sa ramana in porii piesei crude aer si care la sinterizare sa produca nitrura de aluminiu AlN, acest fapt va necesita eventuala vidare a matritei la formare sau o presare la presiuni inalte (costuri suplimentare).

Dupa sinterizare au loc modificari din punct de vedere dimensional si al densitatii loturilor de test sinterizate la sinterizate 650

oC comparativ cu cele sinterizate la 600

oC fapt care

conduce la scaderea densitatii. Acest fapt de datoreaza manifestarii fenomenului de exudare, fenomen care poate fi explicat prin legaturile care se formeaza intre atomii de oxigen din compozitia chimica a pulberii de fier (care contine cca 0,27% O2) si aluminiul, componentul principal al amestecurilor experimentate. Presupunem ca fenomenul de exudare este rezultat al unor reactii exoterme locale (sinterizare reactiva locala) cu formare de Al2O3.

Dispersia mare a valorilor microduritatii se datoreaza diversitatii constituentilor din materialele analizate. Valorile mici ale ale microduritatii pot fi explicate prin existenta in substratul analizat a porilor.

Formarea in-situ a Al2O3 in urma reactiei de „aluminotermie” demonstreaza faptul ca in urma reactiei rezulta o cantitate suplimentara de alumina care in aceste conditii va suplimenta compozitia de alumina dorita in piesa.

Stabilirea parametrilor optimi de sinterizare reactiva pentru retetele stabilite este principalul obiectiv care va trebui cercetat in amanuntime si definitivat in etapa urmatoare a cercetarilor noastre. Paralel se va face un studiu comparativ intre caracteristicile pieselor obtinute prin presare la cald si cele obtinute prin presare la rece si sinterizare in atmosfera controlata.

Rezultatele obtinute in etapa II / 2013 au o valoare teoretica demonstrata prin experimentari preliminare, si vor fi folosite ca baza stiintifica in etapele urmatoare ale proiectului. Coordonator de proiect

SC ICPT TEHNOMAG CUG SA

Director General

Director de proiect

ing VASIU Radu

Dr.Ing. SURDEANU Tudor

Documents

Raport Stiintific si Tehnic - Etapa 2