NAPREDNE TEHNOLOGIJE MATERIJALA

Prof. dr. sc. Božidar Matijević Fakultet strojarstva i brodogradnje

Zavod za materijale

Shematski prikaz faza izrade dijelova konvencionalnim

postupkom PM

Elementi ili predlegirani

metalni prah Dodaci

grafit, sredstva za podmazivanje

• Prešanje u kalupu

• Izostatsko prešanje

• Injekcijsko prešanje

• Valjanje

• Ekstruzija

• Atomizacijom, centrifugalna (plin, voda)

• Kemijskim postupcima, dekompozicijom ili precipitacijom

• Elektrolizom

• Mehaničko

Miješanje

Toplo kompaktiranje Hladno kompaktiranje

Sinteriranje

Izostatsko prešanje

Dodatni postupci:

- fino kovanje

- obrada rezanjem

- infiltracija

Dodatni završne obrade:

- toplinska obrada

- valjanje

- impregniranje

- platiranje

- zagrijavanje u pari Gotov obradak

Proizvodnja praha

(e)

(a) through (d) Some common bowl geometries for mixing or blending powders. (e) A

mixer suitable for blending metal powders. Since metal powders are abrasive, mixers

rely on the rotation or tumbling of enclosed geometries as opposed to using aggressive

agitators. Source: Courtesy of Gardner Mixers, Inc.

Miješanje

Kompaktiranje

• Prešanje u kalupu (klasično)

• Injekcijsko prešanje

• Izostatsko prešanje

• Valjanje

• Ekstruzija

Toplo kompaktiranje Hladno kompaktiranje

Izostatsko prešanje

Klasično kompaktiranje

Klasično kompaktiranje

Klasično kompaktiranje

Raspored gustoće

otpreska od Ni praha uz

jednosmjerno klasično

kompaktiranje s

pritiskom od 690 MPa.

Niska gustoća pri dnu

otpreska je posljedica

prešanja samo jednim

žigom!

Kompaktiranje kompleksnih dijelova

Kompaktiranje dijela s

poprečnim otvorom

Kompaktiranje dijela s

različitim visinama

Compaction

(a) Compaction of metal powder to form a bushing. The pressed-powder part is called

green compact. (b) Typical tool and die set for compacting a spur gear. Source:

Courtesy of Metal Powder Industries Federation.

Density as a Function of Pressure and the Effects of Density on Other

Properties

Manufacturing, Engineering & Technology, Fifth Edition,

by Serope Kalpakjian and Steven R. Schmid.

ISBN 0-13-148965-8. © 2006 Pearson Education, Inc.,

Upper Saddle River, NJ. All rights reserved.

(a) Density of copper- and iron-powder

compacts as a function of compacting

pressure. Density greatly influences the

mechanical and physical properties of P/M

parts. (b) Effect of density on tensile strength,

elongation, and electrical conductivity of

copper powder. Source: (a) After F. V. Lenel,

(b) IACS: International Annealed Copper

Standard (for electrical conductivity).

Tlakovi za kompaktiranje razičitih metalnih

prahova

Metal Tlak (MPa)

Aluminium 70 - 275

Mjed 400 - 700

Bronca 200 - 275

Željezo 350 - 800

Tantal 70 - 140

Volfram 70 - 140

Ostali materijali

Aluminium oksid 110 - 140

Ugljik 140 - 165

Karbidi 140 - 400

Ferrites 110 – 165

Injekcijsko prešanje

Ovaj je postupak poznat je pod kraticom PIM ( powder

injection molding). Kod ovog postupka sjedinjene su

prednosti različitih tehnologija. Od klasične PM preuzeta

je mogućnost višestrukog legiranja mješanjem i

prešanjem najrazličitijih prašaka kao i mogućnost

proizvodnje dijelova od ne livljivih ili visoko taljivih metala

i njihovih slitina. Od prerade polimera koristi se

mogućnost izrade proizvoda složenog oblika ovim

postupkom.

Injekcijsko prešanje

Postupak počinje predmiješanjem metalnog

praha s organskim vezivom ( termoplastična

mješavina voska, polimera, ulja i maziva) .

Nakon miješanja i granuliranja smjesa se

ubrizgava u kalup. Nakon prešanja vezivo

se uklanja otapanjem i/ili zagrijavanjem.

Završni korak je sinteriranje. Tipični prah za

PIM je okruglastog oblika, a veličina čestica

( 10…20 m) je manja nego kod

konvencionalnog prešanja (50…150 m).

Zbog prisustva veziva u otpresku ( do 40%

volumena) dolazi do značajnog smanjenja

dimenzija sinteriranjem ( do 20 % linearno).

Ovim postupkom proizvode se poglavito

manji, složeniji otpresci boljih eksploatacijskih

svojstava u usporedbi s klasičnim

kompaktiranjem u prvom redu zbog više

gustoće.

Visokotlačno injekcijsko prešanje praškastih smjesa (PIM)

• injekcijsko prešanje metalnih čestica (MIM)

• injekcijsko prešanje keramičkog praha (CIM)

Materijali obradivi PIM tehnologijom

• niskolegirani, visokolegirani i nehrđajući čelici

• blago magnetični materijali

• nelivljivi i visokotaljivi metali

• tvrdi metali

• legure na bazi nikla, titana i kobalta

• keramika

• smjese različitih materijala

• Alatni i brzorezni čelici

• Blago magnetične legure – željezo-fosforne,željezo-silicij, željezo-nikal i željezo-kobalt

legure

• Neželjezni materijali – Ti → visoka čvrstoća, mala masa, korozijska postojanost;

uporaba u medicini i stomatologiji, za izradu nakita i satova

– Legure Cu i Al → visoka toplinska vodljivost; primjena za izradu rashladnih profila

• Tvrdi metali

• Visokotemperaturna legure na bazi W, Co i Ni

Mikro MIM

• Dijelovi s dimenzijama u području mm ili manje

• Masa do nekoliko mg

• najviše se proizvode za uporabu u minijaturnim uređajima koji se koriste u kemijskom inženjerstvu, mikro reaktorima, izmjenjivačima topline, kao i za izradu mikro tehnologijskih sustava, npr. malih ''podmornica'' koje putuju kroz krvotok čovjeka kako bi dostavile lijek direktno na oboljelo mjesto

• Polazna sirovina: kombinacija finih prašaka i specijalnog veziva na bazi različitih voskova i polimera

Primjena dijelova izrađenih MIM postupkom

• Visoki troškovi sirovog materijala najčešće male dimenzije MIM dijelova

• Za veći broj potrebnih dijelova zbog opravdanja visokih troškova alata

• Za izradu:

– dijelova vatrenog oružja

– kućišta i narukvica satova od nehrđajućeg čelika

– okvira naočala

• Najveće područje primjene: automobilska industrija

– sustavi za paljenje i upravljanje

– reduktori

– motori

– senzori

– ventili ležajevi

• Zrakoplovna industrija

– dijelovi motora

• Ortodoncija i stomatologija

– aparatići za zube

– krune zuba od Ti legura

Usporedba MIM i konkurirajućih postupaka

• The ceramic powder injection moulding, so-called CIM is a material

variant of the powder injection molding.

• With this procedure can be complex components made of ceramics

manufacture.

• As with the metal injection molding, this method is also especially for

complex components economically.

10 0 102 103 104 105 106 107

Broj komada

Injekcijsko prešanje keramičkog praha (CIM)

Strojna obrada

Brza izrada prototipa

Tro

škovi

Injekcijsko prešanje keramičkog praha (CIM)

Izostatičko = iz svih smjerova jednako

Dvije varijante:

• Hladno izostatičko prešanje (Cold Isostatic Pressing – CIP)

- samo uz primjenu tlaka

• Toplo (vruće) izostatičko prešanje (Hot Isostatic Pressing – HIP)

- promjena tlaka pri visokim temperaturama

- temperatura od sobne do 2200°C

- tlak od niskog vakuuma do 2000 bara)

Postupci izostatskog prešanja

Hladno izostatsko prešanje

Hladno izostatsko prešanje

39

Figure: Schematic diagram of cold isostatic pressing, as applied to

forming a tube. The powder is enclosed in a flexible container around a

solid-core rod. Pressure is applied isostatically to the assembly inside a

high-pressure chamber

Toplo izostatsko prešanje

Toplo izostatsko prešanje (Hot Isostatic Pressing)

Faze HIP postupka

1. evakuiranje radnog prostora

2. punjenje inertnim plinom, koji

prenosi tlak sa svih strana (obično

Ar) do 300 bara

3. zagrijavanje na željenu

temperaturu sinteriranja

4. držanje na temperaturi sinteriranja

5. ohlađivanje

Shematski prikaz postupka toplog izostatskog prešanja praha

U području metala HIP postupak nalazi primjenu za:

• denzifikaciju odljevaka tj. zgušnjavanje

• podmlađivanje (engl. rejuvenation) dijelova: (npr. lopatica turbina) koji

su u radu bili izvrgnuti puzanju;

• difuzijsko spajanje različitih metala, metala i keramike te različitih

keramičkih materijala.

Uklanjanje poroznosti odljevka od legure GD ZnAl 4 postupkom vrućeg

izostatičkog prešanja:

mikrostruktura u lijevanom

stanju s poroznostima

mikrostruktura nakon primjene

HIP postupka – uklonjena

poroznost

Rotor za rad pri visokim temperaturama od industrijske keramike

izrađen postupkom vrućeg izostatičkog prešanja

45

Valjanje

Sinteriranje

Parts are heated to ~80% of melting temperature.

Transforms compacted mechanical bonds to much

stronger metal bonds.

Many parts are done at this stage. Some will require

additional processing. 47

Figure: Sintering on a microscopic scale: (1) particle bonding is initiated at contact points; (2) contact points grow into "necks"; (3) the pores

between particles are reduced in size; and (4) grain boundaries develop between particles in place of the necked regions.

48

Sintering Sequence

Parts are heated to 0.7~0.9 Tm.

Transforms compacted mechanical bonds to much

stronger metallic bonds.

SINTERIRANJE

Sintering Time and Temperature for

Metals

52

Semi-Solid Injection Moulding – Thixomolding

• daje lagane, visoko čvrste i žilave proizvode, a pri upotrebi

magnezijskih legura ostvaruje dobru izolaciju od radio-

frekvencijskih valova,

• daje proizvode visoke kvalitete izrađene na gotovu mjeru s

uskim tolerancijama i smanjenim stezanjem materijala,

smanjenim zaostalim napetostima i deformacijama proizvoda,

• omogućuje proizvodnju tankih stijenki do 0,5 mm debljine,

• daje visoku ponovljivost i kod kompleksnih oblika.

Thixomolding proces ima slijedeće prednosti

Laminarno strujanje materijala

kod Thixomolding postupka

Torbulentno strujanje materijala

kod lijevanja u kalupe

Potrošnja Mg u zapadnoj Europi za tlačno lijevanje

Potrošnja Mg u Americi za tlačno lijevanje

Shematski prikaz stroja za oblikovanje u polučvrstom stanju

Dijelovi izrađeni tehnologijom "Thixomoulding

Kućište CCD monitora za endoskopsku kirurgiju

Kućište modema

Kotač printera

Kućište TV, 36” (77cm)

Kućište Sony LCD projektora

Dijelovi električnih alata (bušilica, …)