porkohászat

Korszer anyagok 4. fejezet korszer technolgik Porkohszat

4/1

4. PORKOHSZAT A porkohszati eljrsoknl a termket olvaszts nlkl lltjk el: Elszr finom port ksztenek, azt tmrtik (formzzk), vgl magas hmrskleten izztjk (szinterelik). A folyamatot az albbi bra szemllteti:

Elnyei: Lnyegesen alacsonyabb hmrskleten vgezhet, mint az olvaszts. A

szinterels hmrsklete ltalban alacsonyabb az olvadspont ktharmadnl (K). Ez a tny a magasolvadspont kermiknl s fmeknl, pl. a volfrmnl elnys.

A porkohszati eljrsok ltalban ksztermket eredmnyeznek, nincs szksg tovbbi megmunklsra. Ezrt gazdasgosan hasznlhat kzepes olvadspont fmek s tvzetek, pl. vas esetben is.

Lehetv vlik klnleges mikroszerkezetek (pl. porzus anyagok s szemcss kompozitok), valamint nem-egyenslyi sszettel tvzetek ellltsa (lsd mechanikai tvzs).

Htrnyai:

A formzs ltalban drga berendezseket ignyel, ezrt a gazdasgos gyrts csak nagy sorozatoknl valsthat meg.

A porok ellltsa s kezelse esetenknt kltsges. A termk mrete korltozott: technikai okok miatt nem llthatk el olyan

nagymret termkek, mint az olvasztsos technolgik esetben. Legjabban klnsen fontoss vlt a nanomteres tartomnyba es rszecskk ellltsa (lsd ksbb). 4.1 Porkszts

Gondosan ellenrztt krlmnyek kztt trtnik, a kvnt morfolgia, tlagos rszecskemret s megoszls, valamint sszettel elrse cljbl.

Jellegzetes mrettartomny: 0,1-30 m. A nagy fajlagos fellet miatt jelents az elszennyezds lehetsge,

szubmikronos poroknl a rszecskk sszetapadsa (agglomerci).

Eljrsok: Az anyag kmiai jellege s mechanikai tulajdonsgai alapjn nagyon sokfle mdszer ismeretes. A leggyakoribbak:

szilrd fzisban: rls (rideg anyagok esetn) (4.5 fejezet) termikus bonts oxidci, redukci


4/2

folyadk fzisban: oldszer elvons (spray drying) kermiknl szol - gl talakuls lecsapats fmolvadkoknl: atomizls.

gz fzisban: gzok szintzise, plazma eljrsok.

Pldkat a kvetkez fejezetekben ltunk.

A porok jellemzse a rszecske mret megoszls, a morfolgia s az sszettel megadsval trtnik. A korszer kermik alapanyagai drgk. Jellemz adatok: a por ra 100 $ /kg, a vgtermk: 1000 $/kg. 4.2 Formzs

Formzs: a porok tmrtse kompakt, de kis szilrdsg termkk (a porozits: 25-50 trf. %). Eredmnyl knnyen kezelhet, megmunklhat termket kapunk (green compact vagy green body).

A tulajdonkppeni formzs eltt trtnik a por elksztse: a porokat a kvnt arnyban sszekeverik, homogenizljk. Ekkor keverik be a klnfle adalkokat, valamint a formzst megknnyt segdanyagokat. Utbbiak a formzst vagy a szinterelst segtik el. A bekevers gyakran golysmalomban trtnik. A homogenizls elnys a porszemcsk sszetapadsnak cskkentse szempontjbl. A homogn keverk ellltsa a j minsg vgtermk ellltsnak egyik legfontosabb elfelttele.

Mdszerek:


4/3

a) prsels (die pressing)

A port szerves ktanyaggal (gyakran polietiln-glykollal) 30-40 trf.%-ban sszekeverik, majd prsszerszmban prselik. Jellegzetes nyoms: 20-150 MPa. A mdszer egyszer, jl automatizlhat. Htrny: az erhats egytengely, a por rszecskk egymssal s fallal trtn srldsa miatt a tmrds nem egyenletes. gets utn alakvltozs kvetkezhet be.

b) (hideg) izosztatikus prsels (rubber mold pressing) A port gumizacskba tltik, majd folyadkban prselik (a nyoms tipikusan 100 MPa). Elnye: egyenletes tmrds.

c) extrudls (extrusion molding) Kplkeny masszt extrudlnak megfelel nylson keresztl. Rudak, csvek, reges idomok kialaktsra hasznljk, fleg kermik esetben.

d) ntppes nts (slip casting) Vizes szuszpenzit ksztenek, majd ezt porzus (gipsz) formba ntik. A forma beszvja a vizet, a szilrd rsz kivehet. A porceln gyrts si mdszere.

e) frccsnts (injection molding) Kplkeny masszt ksztenek szerves ktanyag (gyakran parafin:viasz 1:1) segtsgvel (15-20 trf. %), majd ezt a szerszmba nyomjk. Bonyolult alak termkek is kszthetk. Az eljrst eredetileg manyagok megmunklsra hasznltk, ma mr elterjedt a kermik esetben is.

A formzs utn a szerves ktanyagot vagy a vizet szrtssal eltvoltjk. A vgtermk minsge szempontjbl a homogenits biztostsa alapveten fontos. 4.3 gets/szinterels (firing / sintering)

Szinterels: a por vagy a kompakt hkezelse a fkomponens olvadspontjnl alacsonyabb hmrskleten, a kvnt szilrdsg elrse cljbl. Ez a termk ellltsnak utols szakasza. A szinterelt anyag (fleg a kermia) csak nagyon nehezen munklhat meg (polrozs, vgs). A szinterels krlmnyei nagyban meghatrozzk a termk mikroszerkezett s gy tulajdonsgait.

A szinterels hajtereje: a felleti energia cskkense. A szilrd testek felleti energija 1 Jm-2 krli rtk. A szinterels bonyolult mechanizmus szerint trtnik, melyben a diffzi jtszik dnt szerepet. A rszecskk rintkezsi pontjnl elszr nyak kpzdik, a prustr nyitott. A szinterels elrehaladtval a prustr bezrdik, majd klnll prusok keletkeznek. Vgl ezek trfogata cskken.

Gyakorlati vonatkozsok: a finom (szubmikronos) por tmr elnys a szinterels sebessge s a

vgtermk tmrsge (prusmentessg) szempontjbl;


4/4

egyes kermik nehezen szinterelhetk. Ezeknl gyakran adalkokkal (a felleti energia cskkentse, szemcsekzi fzis ltrehozsa) ill. nyoms egyidej alkalmazsval segtik el a zsugorodst.

a szilrdsg nvelse rdekben gyakran szksges a szemcsedurvuls megakadlyozsa. Ezt adalkokkal (kivlsok a szemcsehatrokon) vagy a szinterelsi hmrsklet cskkentsvel rik el (nyoms egyidej alkalmazsa).

A zsugorts lpcsi egyfzis anyagban (Al2O3 por)

(R.L. Coble felvtelei, Massachusetts Institute of Technology) a) kt rszecske rintkezsi pontjban keletkezett nyak nvekedst bemutat gmbmodell. b) A

zsugorts kzbens llomsa, amely magba foglalja a zsugortott test sszekapcsold prushlzatt. c) Al2O3 zsugorodsnak kzbens llomsa fnykpfelvtelen 250. d) Al2O3

zsugorodsnak vgllapota fnykpfelvtelen, 250 Mdszerek:

a) Hagyomnyos szinterels (standard pressure sintering)

Izzts magas hmrskleten, levegn vagy vdgz atmoszfrban. Idtartam: lt. rk. Tipikus szinterelsi hmrskletek: Al2O3 14OO - 1650 C, ZrO2 1400 - 1700 C, Si3N4 1800 C.

b) Meleg prsels (hot pressing, HP)

A porok szinterelse egyirny (egytengely) nyoms alatt trtnik. Elnyei: a szinterelsi hmrsklet cskkenthet, kis porozits s finom szemcseszerkezet termk kszthet. Htrny: klnleges anyag (hll) szerszm szksges. A berendezs fbb rszei: prs (30-50 MPa), prsszerszm, fts.


4/5

Melegprs vzlata

a hagyomnyos s a meleg prsels sszehasonltsa, BeO

esetn c) Meleg izosztatikus prsels (hot isostatic pressing, HIP)

A szinterels nagy nyomson s magas hmrskleten trtnik, inert gz (lt. Ar) mint nyomstad kzeg alkalmazsval. Elzetesen elszinterelt (zrt prus) anyagnl tokozs nlkl, egybknt tokozott (encapsulated) anyagon vgzik. Elnyei: alacsonyabb hmrsklet is elegend, mint a hagyomnyos szinterelsnl, prusmentes, finomszemcsj termk kszthet, nincs prsszerszm, szmos olyan por esetn is eredmnyre vezet, mely mskppen nem zsugorthat prusmentesre (SiC, Si3N4). Ipari mretekben elterjedt. Htrnya: bonyolult berendezs szksges. Drga.

Berendezs: nagynyoms munkakamra, gzkompresszor (100 - 300 MPa), gzkezel rendszer, ellenlls-fts (1000 - 2000 0C).

Structure of HIP apparatus

d) Reaktiv szinterels (reaction sintering)

A szinterels kzben kmiai reakci is lejtszdik, pl. Si3N4 elllitsa Si por N2 atmoszfrban trtn izztsval a Si + N2 Si3N4 reakci szerint. Jelents porozits kialakulsa nem kerlhet el.


4/6

e) Folyadkfzis szinterels (liquid phase sintering)

Olyan por keverket szinterelnek ezzel a mdszerrel, melynl az egyik (nhny szzalkban lev) komponens olvadspontja lnyegesen alacsonyabb a msiknl. Az getst az olvadspont feletti hmrskleten vgezve folyadkfilm alakul ki a szilrd szemcsk felletn. Ez elsegti a rszecskk kztti anyagtranszportot. Lehlskor az olvadk kristlyos vagy veg szerkezetben szilrdul meg. Felttel, hogy az olvadk nedvestse a szilrd testet s rszleges oldds is bekvetkezzk.

Pldk: MgO (CaO-SiO2), Si3N4 (MgO adalkkal), kemnyfm (WC-8%Co).

Elnyk: lehetv vlik nehezen szinterelhet anyagok prusmentes zsugortsa; alacsonyabb hmrskleten trtnik, mint a hagyomnyos szinterels. Htrnyok: a magashmrsklet szilrdsg cskken, a kszs (creep) nvekszik. 4.4 A porkohszati mdszerek alkalmazsa

Kermik.- lsd 8. Fejezet.

Magas olvadspont fmek.- els sorban W, Mo, Ta termkek ellltsa.

Kemnyfm szerszmok.- WC-Co kompozitok, lsd 9. Fejezet

Prusos termkek.- szablyozott porozits bronz nken csapgyak (a szinterelt termket olajjal itatjk t), valamint szrk.

Elektromos kontaktus anyagok.- lsd 9. Fejezet.

Szerkezeti anyagok, bonyolult alak alkatrszek - fleg vas, rz, aluminium alap tvzetek esetn, amikor is nagy sorozatok kszthetk gazdasgosan. 4.5 Mechanikai tvzs

A mechanikai tvzs a por kszts klnleges esete: finom porok keverknek rlse, szrazon (inert atmoszfrban vagy vkuumban), nagyenergij golys-malomban. A por keverk egyik alkotja kplkeny anyag, pl. Fe, Ni, Cu, Al, a tbbi sszetev rideg, pl. kermia, intermetallikus vegylet (pl. AlN), vagy ridegen tr fm (pl. Cr). Az intenzv rls kvetkeztben a rszecskk sszehegednek, ridegg vlnak, eltrnek, majd jbl sszehegednek. Sajtos mikroszerkezet alakul ki a por rszecskn bell: kis szemcsk, bennk finom eloszlsban diszperglva a rideg anyag. Az gy ellltott port vagy kzvetlenl hasznljk fel, vagy a hagyomnyos porkohszati mdszerekkel tmrtik, zsugortjk.

A mechanikai tvzst elszr nikkel alap szupertvzetek tulajdonsgainak javtsra hasznltk, jelenleg a kutatsban is egyre nagyobb szerephez jut.


4/7

Mechanizmus

rteges szerkezet rszecskk keletkezse hegeds s trs rvn

vltozsok a rszecske mikroszerkezetben

az j fzis kialakulst fizikai mdszerekkel lehet

igazolni (rntgen, mgneses, Mssbauer spektroszkpia, stb.)


4/8

Berendezsek

Klnfle golysmalmok, melyek mkdsi elvkben, anyagukban s trfogatukban klnbznek. Az rls ideje ltalban hosszabb, mint 10 ra.

a) hagyomnyos golysmalom

b) attritor (Szegvri fle)

200-300/perc, acl golyk (10 mm)

c) bolyg malom

(planetary ball mill)

200-300/perc

d) vibrcis malom 20 Hz (G: goly)

A mechanikai tvzssel ksztett porok mrete nagyon kicsi, fajlagos felletk nagy. Nagyon reakcikpesek, gyakran pirofrosak (a levegvel rintkezve szoba-hmrskleten is meggyulladnak), ezrt kezelsk nagy gondossgot ignyel.

A mechanikai tvzs alkalmazsai

a) Nikkel alap szupertvzetek gyrtsa. Jellegzetes sszettel: Cr 15, Al 4.5, Ti 2.5, Ta 2.0, Mo 2.0, W 4.0, Y2O3 2.2 % (INCONEL MA 6000). A mechanikai tvzssel ksztett porokat porkohszati mdszerekkel dolgozzk fel (formzs, szinterels). Olyan helyeken hasznljk, ahol a magas hmrsklet szilrdsg fontos kvetelmny (pl. turbinalaptok).


4/9

b) Szilrd anyagok "aktivlsa" rlssel (mechano-chemistry) - ipari mretekben.

c) Nem-egyenslyi tvzetek ellltsa elemi porokbl, pl. amorf tvzetek ksztse olyan sszettelekben, melyek olvadkbl nem llthatk el, nanoszerkezet anyagok ksztse, kompozitok ellltsa, stb.

d) Karbidok, boridok, szilicidek ksztse alkotelemeik rlsvel.

e) Reaktv rls: hidridek ksztse fmporok rlsvel H2 atmoszfrban, szilrd-fzisban lejtszd reakcik, pl. CuO + Ca Cu + CaO. HIVATKOZSOK

[1] W.D.Kingery, H.K. Bowen, D.R. Uhlmann: Introduction to Ceramics, Second edition, John Wiley and Sons, New York, 1975

[2] N. Ichinose: Introduction to Fine Ceramics, Academic Press, Boston, 1989 [3] Budincsevits A.: Ipari oxid kermik (A Szilrdtestkutats jabb Eredmnyei 18),

Akadmiai Kiad, Bp., 1987 [4] R.J. Brook (ed.): Processing of Ceramics, Part I-II, (1996) in: R.W. Cahn, P. Haasen, E.J. Kramer (eds.) Materials Science and

Technology - A Comprehensive Treatment, VCH, Weinheim sorozatban Vol. 17A, 17B [5] P.S. Gilman, J.S. Benjamin: Mechanical alloying,

Ann. Rev. Mater. Sci.. 1983 13, 279-300 [6] V.S. Arunachalam, R. Sundaresan: Powder metallurgy, pp. 139-192 s

C.C. Koch: Mechanical milling and alloying, pp. 194-245 in: R.W. Cahn, P. Haasen, E.J. Kramer (eds.) Materials Science and

Technology - A Comprehensive Treatment, VCH, Weinheim sorozatban vol. 15 R.W. Cahn (ed.): Processing of Metals and Alloys 1991

[7] C. Suryanarayana: Mechanical Alloying, pp.49-85 in: C. Suryanarayana (ed.): Non-equilibrium Processing of Materials, Pergamon, Amsterdam, 1999 [8] K.G. Ewsuk (ed.): Compaction science and technology, MRS Bulletin, Dec. 1997 klnszma

porkohászat

Documents