4 postupci pm

4. POSTUPCI METALURGIJE PRAHA

2Proizvodne tehnologije G. Cukor

Uvod Metalurgija praha (engl. PM Powder Metallurgy) koristi

se za proizvodnju iroke palete konstrukcijskih komponenata, samopodmazujuih leajeva i reznih alata.

PM konkurira sljedeim postupcima proizvodnje: nodularni lijev, precizni lijev, tlano lijevanje, kovanje i obrada rezanjem.


Uvod Mjesto primjene postupaka PM:

Metali s vrlo visokim talitem (kao to su npr. W, Mo, Ta) se vrlo teko proizvode lijevanjem, a esto su i krhki u lijevanom stanju.

Kompozitni materijali koji se sastoje od dva ili vie metala, koji nisu meusobno topivi niti u tekuem stanju ili mjeavine metala s nemetalnim materijalima (kao to su npr. oksidi ili vatrootpornimaterijali) posebno su prikladni za izradu metalurgijom praha.U ovu grupu spadaju: materijali za elektro-kontakte, tvrdi metali za alate, frikcijski materijali za konice i dr.

Porozni materijali, tj. namjerno i kontrolirano porozni materijali, koji slue za neku posebnu svrhu (npr. samopodmazujui leaji).


Uvod

Konstrukcijski (mehaniki) dijelovi koji po koliini ine najveu grupu PM proizvoda. Najvei dio njih otpada na dijelove iz eljeznog praha, ali znaajne koliine se proizvode takoer iz prahova bakra, mjedi, bronce i aluminija, kao i nekih rijetkih metala (berilij, titan). Njihova mehanika svojstva su jednaka ili ak bolja od dijelova jednakog kemijskog sastava, dobivenih valjanjem ili kovanjem.

Materijali visoke vrstoe izraeni iz praha, npr. super legure na bazi Ni ili Co, koji daju svojstva bolja nego ona postignuta lijevanjem ili kovanjem istih legura. Prednost izrade iz praha je bolja iskoristivost (skupih) materijala i jednolino vrlo sitnozrnata mikrostruktura. To rezultira boljom otpornou na troenje i duljim vijekom trajanja proizvedenih dijelova.


Prah Vrste prahova:

elementarni, tj. po kemijskom sastavu od samo jednog elementa,

mijeani s drugim prahovima razliitog kemijskog sastava (tzv. predlegirani prahovi).

Veliine i oblici estica praha:

10-60,1 mm


Prah Proizvodna svojstva praha:

sposobnost teenja (popunjavanja kalupa) ovisi o veliini i obliku estica praha kao i vrsti dodanog veziva;

sposobnost sabijanja ovisi o veliini i obliku estica (prah koji se da bolje sabiti daje bolju vrstou i veu gustou otpreska);

sposobnost sinteriranja govori o mogunosti otpreska da povisi vrstou meu esticama, i to je jo vanije, da povea gustouproizvoda (smanji poroznost).


Komora Metalne estice

Taljevina

Vodeni sprej

Inertni plin Vakuum

Vreteno

Rotirajua potrona elektroda

Stacionarna elektroda (W)

Sakuplja

a) b)

Metode proizvodnje metalnog praha atomizacijom

Metode proizvodnje metalnog praha mrvljenjem

a) b) c)

Prah Proizvodnja praha:

atomizacija,

redukcija,

elektrolitiko taloenje,

mrvljenje,

mehaniko legiranje.


Prah

SEM fotografija Fe estica praha dobivenog atomizacijom

(iz taljevine)

SEM fotografija estica praha Ni superlegure (Udimet 700) dobivenog atomizacijom

(metoda rotirajue elektrode)


Klasifikacija postupaka metalurgije praha

Sa sinteriranjem

Injekcijsko preanje metala

Konvencionalno preanje u kalupu

Hladno izostatiko preanje

Hladna ekstruzija

Sabijanje valjanjemPOSTUPCI METALURGIJE

PRAHA

Bez sinteriranjaThixomoulding

Vrue preanje

Vrue izostatiko preanje

Vrua ekstruzija

Oblikovanje natrcavanjem

Kovanje praha


Konvencionalni "preaj i sinteriraj" postupak

Shematski prikaz faza izrade dijelova metalurgijom praha konvencionalnim "preaj i sinteriraj" postupkom

Elementi ili predlegirani metalni prah

Dodaci(grafit, sredstva za podmazivanje

kalupne upljine)

Mijeanje

Preanje u kalupu

Sinteriranje

Gotovi dio

Dodatni postupci: fino kovanje obrada rezanjem infiltracija

Dodatne zavrne obrade: toplinska obrada valjanje impregniranje platiranje tretiranje parom

Konstrukcija alata za esto izraivane

dijelove


Konvencionalni "preaj i sinteriraj" postupak Preanje u kalupu

Gornji ig

Donji ig

Prah

Kalup

Izbaciva

Kompaktan

oblik

(kontejner za dobavu)

(zeleni)

Gornji ig

Kalup

Donji ig

ipka za voenje + jezgrenik

PM zupanik (zeleni) L

p0

x

dx

px

x

x

D

px + dpx



a) b) c) d)

Varijacija gustoe (g/cm3) kod zbijanja metalnog praha u razliitim kalupima: a) jednostrano preanje; b), c) i (d) dvostrano preanje. U sluaju d) postie se vea uniformnost gustoe preanjem pomou dva iga s odvojenim kretanjima u usporedbi s c).



Mehanika prea 7,3 MN (825 t) za preanje metalnog praha u kompaktan oblik


Konvencionalni "preaj i sinteriraj" postupak Sinteriranje

"Zeleni" preani predmet stavlja se u pe i u kontroliranoj atmosferi zagrijava do temperature malo ispod toke taljenja praha.

Atomi se pomiu po povrini zrna praha do toaka spoja pojedinihzrna uspostavljenih kod prethodnog preanja.

to je vrijeme sinteriranja due, prah postaje sve vre metalurki vezan, dok ne postigne svojstva usporediva sa svojstvima lijevanih ili kovanih materijala istog sastava.


Konvencionalni "preaj i sinteriraj" postupak Sinteriranje

Shematski prikaz dva mehanizma sinteriranja metalnih prahova: a) transport materijala u krutoj fazi, b) transport materijala u tekuoj fazi, R polumjer

estice, r polumjer vrata, p polumjer profila vrata

R

r

p

Formiranje vrata difuzijom

Udaljenost izmeu sredita estica se smanjuje, estice su vezane

Formiranje vrata u parnoj fazi transporta materijala

estice su vezane, nema skupljanja (udaljenost sredita je konstantna)

a) b)


Konvencionalni "preaj i sinteriraj" postupak Dodatni postupci

Fino kovanje (engl. coining) slui za dobivanje tonih mjera i ispravljanju deformacija od toplinske obrade, a takoer i za poveanje gustoe izratka.

Obrada rezanjem slui za izradu onih detalja koji nisu mogli biti izvedeni u fazi preanja (npr. poprene rupe).

Infiltracija je proces kojim se upljine (pore) jednog PM proizvoda za vrijeme sinteriranja ispunjavaju nekim metalom ili legurom nieg talita nego to je talite osnovnog materijala.


Izostatiko preanje Izostatiko iz svih smjerova jednako preanje.

Postoje dvije varijante postupka:hladno izostatiko preanje (engl. CIP Cold Isostatic Pressing) koje se izvodi samo uz primjenu tlaka,

vrue izostatiko preanje (engl. HIP Hot Isostatic Pressing) koje se izvodi uz primjenu tlaka pri visokim temperaturama (pri tome dolaze u obzir temperature od sobne do 2200 C i tlakovi od niskog vakuuma do 2 000 bara).


Izostatiko preanje CIP postupak: shematski prikaz

ep

Komora

Kruta jezgra

PrahFleksibilna stjenkaGraninik

Fluid


Izostatiko preanje HIP postupak: shematski prikaz

EVAKUIRANJE I OTPLINJAVANJE

RADNOG PROSTORA

PUNJENJE TLANIM MEDIJEM

ELEKTROOTPORNO ZAGRIJAVANJE

DRANJE OHLAIVANJE(uz jednolino i

polagano snienje temperature i tlaka)

Tlak 1380 barTemp. 2100 C Plin ekspandira do

tlaka 1380 bar Visoka temperaturaini materijalplastinim izavaruje pore

(plin Ardo 300 bar)

Vrijeme, h

Tem

pera

tura

, C

Tlak

, bar

0

2100 C

1380 bar


Izostatiko preanje HIP postupak: pe

Da bi pe mogla izdrati visoke tlakove, ona je osigurana aksijalno i radijalno namotanim snopovima prednapetih ica.


Izostatiko preanje HIP postupak: primjena

Uklanjanje poroznosti odljevaka

Pomlaivanje (engl. rejuvenation) dijelova koji su u radu bili izvrgnuti puzanju (npr. lopatica turbina)

Difuzijsko spajanje razliitih metala te metala i keramike

mikrostruktura u lijevanom stanju s

poroznostima

mikrostruktura nakon primjene HIP postupka uklonjena poroznost

a) b)


Izostatiko preanje HIP postupak: prednost

HIP postupak ne ovisi o obliku (koji i poslije postupka ostaje isti), tako da se i kompleksni proizvodi iz teko topljivih metala (jer su HIP-ovanjem pri visokim temperaturama dovedeni u plastino stanje) mogu uspjeno obraditi na konani ili gotovo konani oblik (engl. net shape ili near net shape). Za takav proces potreban je omot (engl. envelope) odreenog oblika

koji je obino od metalnog lima (kod jednostavnih oblika) ili od stakla (kod kompleksnih oblika) i koji se poslije HIP-ovanja odstranjuje.


Injekcijsko preanje metala engl. MIM Metal Injection Moulding

Bazni prah Legirajui elementi

MijeanjeVosak Polimer

Umijeavanje veziva

Stroj za injekcijsko oblikovanje

Kalup

Otapanje veziva + sinteriranje u prolaznoj pei

Gotovi dijeloviDodatni postupci

veliko smanjenje volumena(do 20% linearnog skupljanja)


Injekcijsko preanje metala Ope karakteristike MIM-a:

ogranieni broj materijala koji se moe preati (niskolegirani i nehrajui elici, legure za meke magnete, mjedi, bronce, WC, isti Ni, elektronike legure (Invar i Kovar) te W-Cu kompoziti);

postupak je ogranien na relativno male proizvode vrlo sloenog oblika za srednje do velike koliine proizvodnje;

skuplji je od konvencionalnih postupaka preanja u kalup.


Sabijanje valjanjem

Slobodne estice praha

Sabijeni prah

Valjak

Postupak se primjenjuje za oblikovanje odreenih mekomagnetskih legura i kompozitnih materijala.


Thixomoulding Od nekoliko injekcijskih postupaka oblikovanja u

poluvrstom stanju (engl. Semi-Solid Injection Moulding) najpoznatiji je Thixomoulding

Ovaj postupak je najprije ispitan i uveden za Mg legure, a mogu se jo oblikovati Al i Zn legure.

Za razliku od MIM postupka ovdje se ne koristi vezivo za metalni prah i nije potrebno sinteriranje.

postupak preanja iz tjestastog stanja koji objedinjuje elemente tlanog lijevanja i injekcijskog preanja plastomera.


Thixomoulding Faze Thixomoulding postupka:

reolijevanje (engl. rheocasting),

ugrijavanje (engl. reheating) i

oblikovanje (engl. forming). U fazi reolijevanja magneto-hidrodinamiko mijeanje legure na rubu

skruivanja omoguuje "tiksotropnu" strukturu tj. strukturu bez dendrita.

U drugoj fazi metalni poluproizvod se indukcijski grije. Kad postigne tjestasto stanje on sadri jednake dijelove taljevine i krutine.

U treoj se fazi s tim tjestastim materijalom formira u odgovarajuem kalupu gotovi dio.


Thixomoulding

Pomini nosa kalupa

Otpresak

Meuspremnik "tiksotropne" legure (s masom legure potrebnom za jedanulijevni ciklus) Lijevak

Indukcijski grijai

Dopremni mehanizam

Zatitna atmosfera (Ar)

Mlaznica

Nepovratni ventil Cilindar za

taljenjePuni vijak Mehanizam za vrtnju

punog vijka i ubrizgavanje "tiksotropne" legure

Shematski prikaz stroja za oblikovanje u poluvrstom stanju


Thixomoulding Proizvodi:

tehnike i ekonomske prednosti Thixomouldingpostupka omoguuju proizvodnju vrlokompliciranih i raznolikih proizvoda iz podruja kompjutorskog hardware-a, mobilnih telefona, raznih optikih aparata (kamera), automobilske i avio-industrije.


Thixomoulding Prednosti Thixomoulding postupka:

poveana tonost i iskoristivost materijala u odnosu na tlano iprecizno lijevanje;

daje lagane, visoko vrste i ilave proizvode, a pri upotrebi magnezijskih legura ostvaruje dobru izolaciju od radio-frekvencijskih valova;

daje proizvode visoke kvalitete izraene na gotovu mjeru s uskim tolerancijama i smanjenim stezanjem materijala, smanjenim zaostalim napetostima i deformacijama proizvoda;

omoguuje proizvodnju tankih stjenki do 0,5 mm debljine;

daje visoku ponovljivost i kod kompleksnih oblika.


Oblikovanje natrcavanjem Postupak oblikovanja rasprivanjem (engl. Spray-forming

technique) izvodi se kontroliranim natrcavanjem taljevine materijala, atom po atom, na odgovarajui kalup pomian u vie osi.

Taj je postupak prikladan za predmete manjih dimenzija od teko topljivih materijala koji se izrauju pojedinano ili u malim serijama.


Kovanje praha engl. PF Powder Forging

Pri PF-u predoblik je dobiven primjenom konvencionalnog preanja u kalupu i tada je toplo formiran u zatvorenim ukovnjima radi postizanja dovoljne deformacije materijala koja eliminira gotovo svu poroznost.

Postupak je potencijalno primjenjiv za sve materijale koji se toplo kuju.

Primjena je ograniena na velike koliine proizvodnje (npr. automobilska industrija), za srednje do velike dijelove.


Usporedba nekih postupaka metalurgije praha

2,211(B)

>220(E)

2,222(C)

1,111(A)

Trokovi, $/kg(ocjena)

ista kao kod kovanih

vea nego kod kovanih9095% kovanih

8090% od kovanihMehanika svojstva

AABDGustoa(ocjena)

0,038(B)

0,635(E)

0,075(C)

0,025(A)

Dimenzijske tolerancije(ocjena)

5000(A)

Koliina proizvodnje(ocjena proizvodnosti)

PFHIPMIMKonvencionalno

preanje i sinteriranje

Karakteristika

Primjenjivost postupaka metalurgije praha

Ocjene: A izvrsno, B vrlo dobro, C dobro, D dovoljno, E loe; Trokovi: A najnii, E najvii

4 postupci pm

Documents