ANDRZEJ CIAS, HANNA FRYDRYCH, TADEUSZ PIECZONKA

Zarys metalurgii proszków

KSIAZKA POMOCNICZA DLA 'NAUCZYCIELAI UCZNIA

Wy'danie pierwsze

IKJWarszawa 1992

Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne 'I

l

L

Poszczególne rozdzialy opracowali:T. Pieczonka: l, 2, 5A. Cias: 3, 5H. Frydrych: 4

Okladke projektowal: Jan Sarnecki

Redaktor: Dorota Mazur-Du/ebaRedaktor techniczny: Krzysztof Kowa/skiKorektorzy: Malgorzata Krygier, Jo/allta Syska

W ksiazce omówiono technologie metalurgii proszków metali, metody WYlY"I'.,,'"proszków oraz ich wlasciwosci. Ksiazka zawiera wiadomosci o podstawach Il'IIII" \ I

nych wytwarzania i scalania proszków, a ponadto o wykorzystaniu i zastoSlly"IIII""produktów metalurgii proszków, Opracowanie stanowi ksiazke pomocnicz;, tlili 11,1111cieli i uczniów,

ISSN 83-02-04315-X

Ministerstwo EdUka

.~'~~j" '

..;.,~ ~

(i;; ,(.,,\.~ ,'

.... ,~

l rai: ,_ v".-L.. ,.J ",r.~ . rj ..-'." ,. ,-

...I y ~I . Co.

:itr7. .pedagogfczn;

Ksiazka dotowana przez

@ Copyright by Wydawnictwa Szkolne iWarszawa 1992

Wydawnictwa Szkolne l Pedagogiczne Warszawa 1992 r.Wydanie pierwsze.Ark. wyd. 16.0. ark. druk. 17,0Papier druk. sa t, kI. V, 70 g, 61X86 cm.Oddano do skladania 5 pafdzterntka 1989 r.Podpisano do druku w lipcu 1992 r.Druk ukonczono w lipcu 1992 r.Skiad Dolnoslaskie Zaklady Graficznew Walbrzychu, z. 2712-1-1-02009 27.10.89 r.Druk ZGK 5 Btm Z. 9019

l, Technologia metalurgii proszków

I I. Wprowadzenie

Zasoby surowcowe Ziemi ulegaja wyczerpaniu i fakt ten musi bycIIwzgl~dniany przez nowoczesna technike. Dalszemu rozwojowi gos-poda rI.wzemuswiata towarzyszyc bedzie bowiem ograniczony dostepdo surowców i energii. Dazenie do spelnienia wymaganych warunkówIl'chllicznych przy minimalizowaniu kosztów wytwarzania wyrobówI1Il'lalowychjest jednym z warunków postepu technicznego. RozwójIl'chlliki w istotny sposób zalezy od rozwoju nowych i lepszychlIIaterialów. Metalurgia proszków stwarza wobec wymienionych pro-hll-mÓwduze mozliwosci, niestety ich wykorzystanie, zwlaszcza w Pol-Sl'l~.wajduje sie dopiero w poczatkowym stadium.

M('lalurqia proszków ~st technologia~wytwarzania~-Lpól-wyrobów ze sproszkowanych metaliy mieszanek J1!.etali,mieszanekmetali z niemetalami lub ~ proszków st~ojY.y.cb badz cz~iowostopowych. Cec.Qacbarakte!Y~.tyfznatej technologii jest to, ze wJ?ro-n:sie produkcji wyrgbów metalowYCh~O<fzCkoniecZIlQSc prze-prowadzania cafegoprodukta w stan <;:i,ekJy.WyrgQWYK-QDaIly-1;echnikamclalurgii proszków nazywa sie. wy!oQem'spieJW1JXl1!.lab.-JaQtko

spiekiem.Ze wzgledu na postac surowców metalurgia proszków wykazuje

w porównaniu z konwencjonalna metalurgia ogniowa szereg korzysci:. dzieki metalurgii proszków mozna wytwarzac materialy, których

inna technika sie nie otrzyma,. wlasnosci fizyczne i chemiczne otrzymywanych wyrobów mozna

regulowac w wyjatkowo szerokim zakresie,. mozna uzyskac material o okreslonej, zaprojektowanej i wolnej od

segregacji strukturze, o kontrolowanej niejednorodnosci lub o kon-.Irolow,tnej anizotropii,

. porowatosc i przepuszczalnosc wyrobów moze sie zmieniac w szero-kIch granicach.

9

/\bWymienione zalety odnosza sie przede wszystkim do tzw. bezko/l-

kurencyjnych zastosowan metalurgii proszków, czyli do przypadków.gdy jest to jedyna metoda wytworzenia okreslonego materialu. Jednakze metoda ta inoze byc Jedna z alternatywnych otrzymywaniawyrobów; wówczas metalurgia proszków jest konkurencyjna w st081111ku do innych metod produkcji wyrobów metalowych. O wyborzekOl1kretnejmetody nadawania ksztaltu wyrobom metalowym powi.nien decydowac rachunek ekonomiczny. "

fmW.swwe-l;alery metalu.!gii proszków zarówno, gdy chodzi o je.!bezkonkurencyjne) jaki konkurencyjne zastosowania,. zWlazane s"z mozliwoscia seryjnego wytwarzania elementów metalowych z duz"dokladnoscia, podczas wykonyWania hiewielu operacji technologieznych, przy niewielkim jedn6stk-owymzuzyciu energii i niemal calkowi.tym wykorzystaniu surowców. )

Rozpatryja-c konkurencyjne zastosowanie metalurgii proszkó\\mozna wykazac, 'Z~ tedmOIogia ta wyraznie góruje nad innymi.zwlaszcza jesli uwzgledni sie stopien wykorzystania surowców orazstopien jednostkowego zuzycia energii ("rys.1.1).Wprzypadku obróbkiskrawaniem wykorzystuje sie 40+ 50% masy surowców, reszte za-mieniajac na odpady~topien wykorzysta.rna.sUtQwcó\y'!! ~<;;hDQlogii

1{

1L

Stopien wykorzystaniamaterialu, %

95

I{~,. I. I. ~1"pieI1 wykorzystania surow-ców i zuzycia energii w produkcji wyro-hÓ\\ l11~talowych róznymi metodami

Zuzycie energii,I1JIkg gotowego wyrobu

lO

111\lalllrgi~ pro~zkówosi~~a_p<:~~?m_95%, ;( nawet j:szez~ wyz"''r1II0lla WIeC te tecnnologle uznac za bez6dpadowa. Z n:-IIwYZSZYIlI10pllll'I\1 wykorzystania surowców zwiazane jest najnizsze zuzym'

11111l'lIod przeróbki rudy az do wytworzenia spiekanej czesci staloweJlIywa sie okolo 29 MJ na 1 kg gotowych wyrobów. Jesli natomiast

~III / ysta sie z metod konwencjonalnychzwiazanychz wytopieniem01,111pl/.eróbka plastyczna wlewka i obróbka skrawaniem, to zuzycie111\lVII wynosi 66 + 82 MJ na 1 kg gotowych wyrobów. Materialo-I I IIngooszczednosc technologii metalurgii proszków stanowia o tym,

I IHllwY7szetempo wzrostu produkcji wyrobów metalowych cechuje\\ 1""lIll' produkcje elementów spiekanych (rys. 1.2).

250Wyroby spiekane

.::VIlir'".... 200

~~~150-'§ ~~~

lir

~ .~ 100- 1:1..

-~e) ""

~"50et!;!:!....VI'"'<~~

Odlewanie cisnieniowe

Kucie

Odlewanie zeliwa szarego

Odlewanie zeliwa cio,qliwego

O1976 '78 'BO '82 '84

Rys. 1.2. Trendy produkcji wyrobów metalowych róznymi metodami

III

i

Kolcjm! zalete metalurgii proszków stanowi mozliwosc dalekoposunietej automatyzacji prQdukcji wyrobów spIekanych oraz ichmontazu. Znaczne obnizenie robocizny przyczynia sie do zmniejszeniakosztów wytwarzania.'Na rysunku 1J3 porównano koszt produkcjipIerscienia zebatego metodami metalurgii proszków'i obróbka skra-W.lllIl~II1.Przewaga metalurgii proszków jest _~zczególniewyraznaw pll~ pild~II porÓwnania kosztów robocizny.

I )lId.ll~ \IWYl/Ylllllk o jakim mtll'ZYwspomnil:c, zwi"zany jest nit:

1 I

Tulejkazebata . metalurgia pro57kuw

. I II ,Ul' wystarczajaco rozwiniete metody laczenia spld IIW,I

I ol, 11"1uzasadniona ekonomicznie tylko w przypadku wil'l~op' I produkcji.

.D obróbka skrawani/.,,,

Produkcja roczna = 650000sztuk I ' II, hl~loryczny

II]

l. I IIIII.'I~' proszków uwaza sie za nowoczesna technologie, na-, I 111\ lody zwiazane z wytapianiem metali, obróbka plastyczna

, Ih~, ,krawaniem nazywa sie metodami tradycyjnymi lub kon-, 11111,IIIIYIIH. W tym kontekscie trudno pogodzic sie z faktem, zeI dllll'.11 proszków jest znacznie starsza technika wytwarzania

hll IIll'lalowych niz inne sposoby. Pierwsze slady swiadczace

I ',III' 1111111mdod metalurgii proszków pochodza bowiem sprzedII II IV,I~'lY lat, kiedy to wytwarzano elementy z zelaza na dlugoI ~011I11ruowaniem pieców do wytapiania stali. Bron Egipcjan

d, II I()O()p.n.e. zostala wytworzona metoda kucia gabczastegol" llowllld z gabczastego zelaza wykonana jest 6,5 tonowa11111111,1w Ncw Delhi pochodzaca z roku 300 n.e. W owym czasie

,11110111"111\'/,nali metod wytapiania surówki i stali oraz nie umieli~1\~,11 lIa tyle wysokiej temperatury, aby stopic zelazo.

t~lIl, lIII/Y za poczatek metalurgii proszków uwazaja badania nadI 1'1 III Wollastona i Sobolewskiego prowadzone okolo 1820 roku.,\ 1111,1011n.:dukowal chloroplatynian amonowy (NH4}zPtCI6 sub-I 1111Iii uWJcraj,/ca wegiel (prawdopodobnie cukrem). Uzyskiwal

1111 "posÓh czern platynowa, z której wykonywal wypraski. TeI, Illt I 1I.I~rzcwal do temperatury czerwonego zaru i kul na goraco.

,\ 1\ 1I11.lCIl'uzyskiwal produkt, który mozna bylo obrabiac mechani-lIII db nadania mu odpowiedniego ksztaltu. Sobolewski wytwarzal1111..posÓh miedzy innymi monety platynowe.

,I pOcze/lck metalurgii proszków we wspólczesnym rozumieniu~'II I\'rminu uwaza sie powszechnie prace Coolidge'a (1905 r.) nadIII~11111111wolframowymido zarówek.

1'01l:llki metalurgii proszków w Polsce zwiazane sa z pracamiliii III.owymi profesora Wlodzimierza Trzebiatowskiego opublikowany-Iiii \\ ItH" rok u. Prace poswiecone byly spiekom miedzi i zlota.l'II I \I '11\ /ukladem wykorzystujacym w produkcji technologie meta-

1: 1,2 1 : 2,6 1 : 1,8 1 : 14,1 1 / u

Koszty Zuzycie Koszty Koszty Caik Ali' '/'1narzedzi materialu matenalu robocizny produkt}/

Rys. 1.3. Porównywanie kosztów produkcji tulejki zebatej technika metahlrlll1p' III ,

ków i na drodze obróbki skrawaniem

tylko z e.50nomiczna s~ p:..o~kcji, lecz równiez~J>roblclllnllochronysr9dowiska. W Jym wzgledzie metalurgie proszków mO/liiiuznac za technologie wzorcowa:;-ytwarza nl-eznacinerrosCiodpado,...nie powoduje zanie~yszczenia powIetrza T wody. y

Naprzeciw wymienIonych zalet, które zaoecyaowaly o burzliwYIIIrozwoju metalurgii proszków w ostatnim czasie w najbardziej upr/l'myslowionych krajach swiata, stoja jednakze pewne wady:. nie opanowano jeszcze technologii seryjnej produkcji duzych wyro

bów o skomplikowanym ksztalcie,. najczesciej stosowane zageszczanie proszku metoda prasowa 11la

w matrycach zwiazane jest ze znacznymi ograniczeniami odnosz,/cymi sie do ksztaltu i wielkosci wyrobów,

. proszki metali i stopów o wysokim powinowactwie do tlenu lub. o ekstremalnie wysokiej czystosci mozna obrabiac tylko przy duzym. nakladzie kosztów,

. wytwarzanie proszków jest obecnie jeszcze klopotliwe i drogie,

. wlasnosci plastyczne i wytrzymalosciowe spieków sa z reguly gorszl'niz elementów obrobionych plastycznie,

12 13

lurgii proszków w Polsce byla Huta Baildon, w której w 1936 rokuzapoczatkowano produkcje weglików spiekanych pod nazwa "Baildo-nit". Obecnie w Polsce produkowane sa proszki metali i wyrobyspiekane w nastepujacych miejscowosciach: Trzebinia, Katowice, Lo-mianki k. Warszawy, Radom, Gliwice, Warszawa, Gdansk, Skawina.

W swiecie obserwuje sie powrót do prastarej techniki przeróbkirud zelaza zwiazanej z tak zwana "zimna redukcja". Poniewazmaksymalne temperatury procesu sa znacznie nizsze niz w wielkimpiecu, to mozliwe sa duze oszczednosci surowców energetycznych.Rzutuje to na korzystny bilans ekonomiczny produkcji wyrobówstalowych z gabki zelaznej bedacej produktem zimnej redukcji.

1.3. Pojecia podstawowe

Przez pojecie proszku w metalurgii proszków rozumie sie materialsypki, skladajacy sie z czastek o wymiarach liniowych zazwyczaj niewiekszych od l mm. W produkcji wyrobów o zlozonym skladziechemicznym mozna korzystac albo z mieszanek proszków róznychskladników materialu, albo z proszków stopowych (calkowicie lubczesciowo). Mieszanka nazywa sie proszek otrzymany przez dokladnezmieszanie ze soba dwóch lub wiecej proszków. Proszek stopowycalkowicie cechuje sie tym, ze kazda jego czastka wykazuje taki samsklad chemiczny, natomiast proszek stopowy czesciowo zlozony jestz czastek, które nie osiagnely pelnej jednorodnosci. Przyklademczastki proszku stopowego calkowicie jest czastka, która stanowijednorodny roztwór staly, natomiast czastka skladnika podstawowegopokryta powloka ze skladnika stopowego jest elementarna czesciaproszku stopowego czesciowo.

Podstawowymi zabiegami prowadzacymi do scalania proszków saoperacjeformowania i spiekania. Przez pojet:ie.!()rmowall;arozumie sieprzeksztalcanie proszku w cialo o przewidywanym ksztalcie i wymia-rach. Jesli na proszek znajdujacy sil( w zhiorniku wywierane sapodczas formowania sily zewnetrzne, to zahieg taki nazywa sieprasowaniem. Prasowanie jest podstawowym sposobem formowaniaw metalurgii proszków. Produktcm procesII formowania jest Jormów-Iw. Formówka otrzymana w wynikII prasowania jest nazywanaI!'ypraska.

14

Proces spiekania polega na scalaniu proszku lub formówki przezwygrzewanie jej w temperaturze nizszej od temperatury topnieniaglównego skladnika. W efekcie spiekania otrzymuje sie pólfabrykatlub wyrób zwany spiekiem.

Cecha charakterystyczna niektórych proszków oraz niemal wszyst-kich wyprasek i spieków jest obecnosc w ich strukturze porów. Poremjest mikroskopowa, trójwymiarowa luka w materiale czastki proszku,wypraski lub spieku. Porowatoscia nazywa sie stosunek objetosciporów do calkowitej objetosci porowatego ciala. Ze wzgledu naporowatosc materialów wazna jest ich gestosc, przez która rozumie siestosunek masy do objetosci, przy czym w objetosci uwzglednione sarówniez luki w materiale. W metalurgii proszków bardzo czestokorzysta sie z pojecia gestosci wzglednej, która opisuje stosunekgestosci materialu porowatego do gestosci materialu litego, wyrazonyzazwyczaj w procentach. Oczywiscie chodzi tu o. material porowatyrózniacy sie od litego tylko obecnoscia porów, a nie skladem chemicz-nym fazy stalej.

1.4. Podstawowe procesy metalurgii proszków

I

I

j

W asnosci wyrobów s iekanych okreslone s rzez trz r1J-PYear~etr~ kcl.lliLz...tY~~ gruP--9__nOSI SIe do-surow.cQw+-.natQmiastdwie pozos~al~_.sa.. zwLa--~a.l!eHb~osreQ.~ig,...z.. tecl!.nqlow- m.e.talurgiil?rosZKÓ~ do.tyczCtpowiem.. z!!Eie&ó~~wa!:lia ~pi~ania. Zalez-nosci, jakie wystepuja miedzy tymi trzema grupami parametrówi wlasnosciami spieków sa pokazane schematycznie na rys. 1.4.

ProcesJechnologicznv wytwarzania wyrobów metalowych metodametalurgii JZroszków sklada sie najczesciej z nastepuiacyCh.. zasadni-czych e!!pów: - -- -1. o1r:ZYl!!ywaniaprogku metalu lub stopu, ewentualnie mieszaniny

proszków,2. prasowania (formowania),3. spiekania,4. obróbki wykonczajacej.

Skla~czny oraz sQosób wytwprzeni':lproszku S'Iczynnikamiksztaffiila<::YIE.iwszystki~jego wlasnosci. Jako surowce w metalurgiiproszków stQ.~uiesie ~lównie:

15

II'"'t

Rys. 1.4. Warunki wytwarzania i wlasnosci wyrohÓw spiekanych

- proszki metali i stopów,- -proszKi grafitu i diamentu,

- proszki niemetali, zwane równiez ceramicznymi (tlenki, azoll,1borki, wegliki, krzemki).

ProJ:.l&prasowaniamozna realizowac róznymi metodami. WyroInia sie wiec -miedzy innymi prasowanIe: jednostronne, dwustronIlI'hydrostatyczne, wielokrotne, na zimno i na goraco. PodstawowYIIIparametrem procesu prasowania jest wielkosc cisnienia, jakie ,Jl'~1wywierane na zageszczony proszek. ,

Przebieg procesu spiekania mo~e takze podlegac róznym schenwtom. Mozpa w.lE.óznic:spiekanie posrednie, bezposred.nie,w obecnoslIfazy cjpklej, aktywow~wnY.!!ll_parame.1r~mi pmce§.u sl?iekanwsa.Jgmp.eJ:atura,E-alL rodz.lJLa!.'!!2s!:rL--

Do glównych zabiegów wykanczajacych naleza w dziedzinie ml"talurgii proszków:

· infiltracja, czyli wypelnianie porów metalem lub stopem o nizszl'ltemperaturze topnienia niz temperatura topnienia materialu osnowy;

16

NI

"II}IIf' 'I~I, V.." 'u'

. 111r'(/(/, czyli wypelnianie porów spieku materialem nll'IIHlil!!III "I' olejem, zywica;

. "", 1'lVlll/ie,czyliwywieraniecisnieniana spiekw celu podwyI

1111 't HO wlasnosci;

. ''''11'1/1111',czyli doprasowywanie w celu nadania spiekowi wyma.II wymiarów.

dl ~ 1,lznaczyc, ze operacje obróbki wykanczajacej sa wykony-I Ho w przypadkach koniecznych, gdyz sa one kosztowne i tym

1111larznie podrazaja produkcje wyrobów spiekanych. Daze-II ~1111L'w warunkach przemyslowych udaje sie najczesciej zaspa-

I" ,I wytwarzanie wyrobów spiekanych wedlug mozliwie najprost-II .llll'matów technologicznych i przy równoczesnej rezygnacji~IIlIywania zabiegów wykanczajacych. Osiagniecie takiego celu

1IIIIIwlone w przypadku, gdy korzysta sie z surowców - proszkówl, I II'dniej jakosci. Ewentualny wzrost kosztów produkcji prosz-

II wysokiej jakosci rekompensowany jest bowiem z nadwyzka'nlllosriami, jakie uzyskuje sie podczas ich przerobu na material

I II ~ III Y .

Whrl'w wspomnianej uwadze o unikaniu koniecznosci pro wadze-I I I ,hlegÓwwykanczajacych, obserwuje sie ostatnio wzrost znaczenia

'I V,olm:joperacji wykanczajacej, jaka jest kucie spieków. Zastoso-11111Il'J metody obróbki plastycznej w metalurgii proszków stworzy-

,. IlllIlltWOSCwytwarzania bezporowatych spieków o bardzo korzyst-II ,dl wlasnosciach, przy równoczesnym zniesieniu ograniczenia wiel-~11',11wyrobów. Kucie spieków, jesli tylko moze konkurowac z trady-

1"}'1I1kuciem przedkuwek, jest metoda bardziej oplacalna. GlównieIqw powodu metoda jest coraz powszechnej stosowana.

I ", (aówni konsumenci wyrobów spiekanych

Masa proszków zelaza i stali stanowi ok. 90% masy proszkówwvyslkich metali uzywanych do produkcji spieków. Pozostale ok.Inu,u przypada na proszki metali niezelaznych. Najwiekszymi produ-n nlami spieków zelaznych i stalowych sa (1985 rok):

USA - ok. 220 000 ton;Japonia - ok. 65 000 ton;I~FN - ok. 25 000 ton.

17

WLASNOSCIPROSZKOW WARUNKIPRASOWANIA WARUNKIS

Sklad t;emiczny,Cisnienie prasowania Temperaturczystosc

IWielkoSf ,cza.stek,rozktadSposób przylozenia Czaswielkosci cza,stek,

ksztalt cza.stek nacisku

Stan powierzchni Wielkosc i ksztalt Atmosferacza.stek wyprasek Sposob SIlleka

wania , chlodz,Wtasnosci technologiczne Srodki poslizgowe k.af}iapod cis,

I Inne

-------- I

WLASNOSCI SPIEKÓW II

WLASNOSCICHEMICZNE WLA SNO$CIFIZYCZNE WLASNOSCIMECHASklad chemiczny, CZljstosc, Porowatosc Twardosi:zawartosi: gazów

Wlasnosci elektryczne Wljtrzymalosc m lVIIOdpornosi: na korozje, wzglednie magnetyczne me, wf/.dluzeme, wIJIpiroforycznoscEmisyjnosc matosi: na zginan't'

Wlasnosci elektroche'- matosi: na zmecz,.n,miczne, katalityczne Absorpcja promieniowania

Wytrzymalosc na pI'lOdpornosc na Scl t'(1wtasnosci slizgowwzglednie ciernf'

Podane liczby nie sa duze w porównaniu z wielkosciami charaktery-zujacymi rozmiary produkcji stali, lecz nalezy miec na uwadze to, zesrednia masa spieku jest niewielka (ok. 40 gramów) i ze jest tonajczesciej wyrób finezyjny.

Najwiekszym konsumentem wyrobów spiekanych ~~ 'przemysl~aniOclrntlOWYlfys:-1.5).POiiom - produkcji wyrobÓw sQieJ:eagychwykazuje-wyrazny -zwiazek z wiel1a'-SC!ltprodukcji samochod~w.Udzial czesci spiekanych w samochodzie osobowym stanowi ok. 1%

-Jego m~,_a sredma masajetlhego eIeme~tu spi~~tni~od100 gl W 19~ roku w USA na Jeden samochód przypadalo srednio 12kilogramów wyrobów spiekanych, wobec 4,8 kg w Japonii i 3,3 kgw krajach EWG. Obecnie w niektórych samochodach produkowanychw Stanach Zjednoczonych znajduje sie 18 kilogramów wyrobówspiekanych.

W popularnym samochodzie produkowanym w RFN markiVolkswagen-golf znajduje sie ok. 3,5 kg czesci spiekanych: ok. 2,3 kgw silniku, ok. 0,9 kg w skrzyni biegów i ok. 0,3 kg w mechanizmachjezdnych. Spiekanymi elementami silnika sa: kólka zebate wspólpracu-jace z paskiem zebatym, kólka zebate pompy olejowej, pierscieniegniazd zaworów. Spieki w skrzyni biegów to: tarcze dociskowe,elementy zabierajace, synchronizatory. W mechanizmach jezdnychz materialów spiekanych wykonane sa elementy amortyzatorów.

Obok przem~lu samo~hodoweg.(;},któI:-yzuzywaole 70%. masy:) wszystkich produkowanych spie~ó-",~waznymi odbiorcami tych ma-

terialów sa: rzem sl maszynowy np. elektronarzedzia, maszyny doszycia i inne) konsumujacy ok. 70,przemysl energetyczny i elektro-techniczny - ok. 10% oraz inne galezie przemyslu (np. przemyslprodukujacy sprzet biurowy) - ok. 7 %.

Polska nalezy do krajów, w których óbs-~uje sie wzrost zaintere-sowania metalurgia proszków, jako jedna z technologii produkcjiwyrobów metalowych. Istnieje jednak przekonanie, ze udzial wyrobówspiekanych z obszaru konkurencyjnych zastosowan metalurgii prosz-ków powinien byc znacznie wiekszy. Przemawiaja za tym przedewszystkim wzgledy ekonomiczne. W Polsce sa produkowane równiezwyroby bedace przykladami bezkonkurencyjnych zastosowan meta-lurgii proszków. W pródukcji weglików spiekanych i styków elektrycz-nych kraj nasz jest liczacym sie producentem.

Znaczenie metalurgii proszków w polskim przemysle najlepiej

e».~()ojN»....ooe

IH

charakteryzuja rozmiary produkcji proszków metali i spieków. Poda-ne ponizej liczby nalezy traktowac jako wielkosci szacunkowe. W Pol-sce produkuje sie rocznie ok. 1300 t proszku zelaza, 500 t proszkumiedzi, 350t proszków brazów, mosiadzów, olowiu i cyny oraz ok.350t proszków metali wysokotopliwych. Produkcja spiekanych czescimaszyn o osnowie zelaza wynosi ok. 1300 t, natomiast weglikówspiekanych - ok. 600 t. Nalezy zaznaczyc, ze w Polsce produkowanesa równiez proszki innych metali oraz wiele innych wyrobów spieka-nych.

amortyzacji urzadzen, robocizny, kosztów administracji zakladu i zys-ku producenta. Stwierdzono takze, ze jednostkowy koszt wytwarzaniaspiekanych czesci maszyn jest zalezny zarówno od rozmiarów produk-cji (rys. 1.6), jak i od masy pojedynczego elementu (rys. 1.7).

1.6. Rachunek kosztów w metalurgii proszków

c:"~ 0,80.....'"'"

§Z0,60

1,00

Problem kosztów, materialo- i energooszczednosci technologiimetalurgii proszków pojawil sie juz w poprzednich podrozdzialach.Zaznaczono, ze w przypadku konkurencyjnych zastosowan metalurgiiproszków rachunek ekonomiczny najczesciej wskazuje wlasnie na tetechnologie produkcji wyrobów metalowych. Nalezy jednakze zazna-czyc, ze metalurgia proszków moze nie znalezc uzasadnienia ekono-micznego w odniesieniu do produkcji maloseryjnej. Szacunkowomozna podac, ze zaleznosc kosztów jednostkowych od wielkosciprodukcji czyni metalurgie proszków metoda nieoplacalna, gdy liczbaprodukowanych elementów jest mniejsza od 5 tysiecy sztuk.

Koszt produkcji spiekanych elementów metalowych zalezy odkosztów: surowca, prasowania, spiekania, obróbki wykanczajacej,

0,40

o,ml ~~~~~~~__________

0,1 0,2 o,J 0,4 0,5 0,6 LF 0,8 o,gMasa elementu,kg

Rys. 1.7. Koszt produkcji jednego kilograma spieków w zalez-nosci od masy pojedynczego elementu

1

1

KosztyI narzedzi

~'""'".....Ul'"-6QJ

0 ,.....~~

- Wielkosc produkcji - Rys. 1.6. Zaleznosc kosztu jednostko-wego produkcji wyrobów spiekanychod wielkosci proaukcji

Rozwazmy przyklad obrazujacy udzialy poszczególnych kosztóww calkowitym koszcie produkcji typowego elementu stalowego wytwa-rzanego technika metalurgii proszków (tabl. 1.1). Rozpatrywanymelementem jest pierscien tp 56x14 mm z osmioma otworami t/J7 (rys.1.8)produkowany w iI0~GI50000 sztuk. Masa. elementu wynosi 115 g.Sklad chemiczny mieszanki proszków jest nastepujacy: Fe + 2% Cu+ 0,8% grafitu + 0,6% srodka poslizgowego. Nacisk prasy podczasprasowania osiaga maksymalna wartosc 830 kN, natomiast tempera-tura spiekania wynosi 1160°C.

Koszt produkcji jednej sztuki opisywanego pierscienia w zaleznosciod rozmiarów produkcji, wyrazony w umownych jednostkach, obra-zuje wykres zamieszczony na rys. 1.9.

Wykorzystanie mozliwosci metalurgii proszków uzaleznione jestod wspóldzialan miedzy konstruktorami urzadzen, pracownikamiplacówek badawczych, producentami i odbiorcami czesci spiekanych.

20 21

4. Technologia wykonywania spieków

4.1. Prasowanie

4.1.1. Przygotowanie proszków

Procesy przygotowania proszków do prasowania maja duze zna-czenie w calej technologii otrzymywania materialów spiekanych.Praktycznie we wszystkich przypadkach konieczne jest odpowiednieprzygotowanie wyjsciowego proszku dla nadania mu wymaganychwlasnosci fizykochemicznych i technologicznych. Przygotowanieproszków do prasowania polega najczesciej na wyzarzaniu, rozsianiu

~ :a.afrakcje oraz mieszaniu. a l.-Wyzarzanie ma na celu usuniecie z powierzchni czastek proszku

tlenków, a takze innych domieszek, badz rekrystalizacje materialu.Temperatura wyzarzania stanowi najczesciej 0,5-;.-0,6 temeeratury( w skali bezwzglednej).iop~ater~akiej:!;ojest ~anyproszek. W tej temperaturze czastki proszku spiekaja sie bardzo slabo,a w przypadku powstania gabki mozna ja latwo rozdrobnic.

Wyzarzanie proszku odbywa sie w atmosferze redukujacej, gdy maono na celu usuniecie tL'''ków z powierzchni czastek proszku. Moznastosowac równiez atmosfere obojetna, jezeli wyzarzanie ma na celurekrystalizacje materia/u. Przykladowo, utleniony proszek miedziwyzarza sie w temperaturze 350-;.-400oC,a utleniony proszek zelazaw temperaturze 650-;.-750oC.

Najczesciej wyzarza sie proszki otrzymane w drodze mielenia,metoda elektrolityczna i karbonylkowa. Ta grupa proszków zawieraznaczne ilosci tlenków i rozpuszczonych gazów, natomiast czastkiproszków otrzymanych poprzez mielenie sa utwardzane wskutekzgniotu. Proszki otrzymane w wyniku redukcji tlenków wyzarzane satylko wtedy, gdy wymagana jest duza ich czystosc.

Rozsianie proszku na poszczególne frakcje jest konieczne z uwagina to, ze proszki stosowane w produkcji materialów spiekanych muszamiec scisle okreslony sklad ziarnowy. Do rozsiania proszków stosujesie zestaw sit uzywanych w analizie sitowej.

Wlasnosci gotowych wyrobów w duzej mierze zaleza od równo-miernosci rozlozenia poszczególnych skladników mieszaniny prosz-ków wyjsciowych. Dlatego przebieg procesu mieszania ma bardzo duzeznaczenie. Oprócz mieszania róznych pod wzgledem chemicznymskladników stosuje sie takze mieszanie proszków tego samego metalurózniacych sie wielkoscia i ksztaltem czastek, np. proszek zelazaotrzymany metoda rozpylania miesza sie z proszkiem .elektrolitycz-nym.

Mieszanie ma na celu równiez równomierne rozprowadzeniew masie proszku substancji ulatwiajacych prasowanie, zwanych srod-kami poslizgowymi lub substancji porotwórczych. Mieszanie przeprowa-dza sie w odpowiednich mieszalnikach. Najczesciej stosowane samieszalniki dwustozkowe, typu "pijanej beczki" lub w ksztalcie litery"V" (rys. 4.1 i 4.2). Jezeli mieszanie laczy sie równoczesnie z rozdrab-

TTRys. 4.1. Schemat mieszalnikówI mieszalnikw ksztalcie o,V",2 mieszalnikw ksztalcie prostopadloscianu, 3 micszalnikI)pll "pijanej beczki"

nianiem proszku stosuje sie mlyny kulowe i wibracyjne.Mozna równiezprowadzic proces mieszania na mokro - w alkoholu, benzynie,kamforze lub wodzie, co pozwala uzyskac bardziej równomiernyrozklad poszczególnych skladników w mieszaninie proszków, jakrówniez zapobiega rozpylaniu najdrobniejszych czastek proszkuw wolnej przestrzeni mieszalnika.

4.1.2. Zjawiska wystepujace w procesie prasowania

.E.rocesprasowania ma na celu glównie uzyskanie wyprasek o okre-slonym ksztalcie i wymiarach oraz odpowiednich wlasnosciach wy:

104

'.

'I

.1

l

lilii!!'Rys. 4.2. Mieszalnik stozkowy.

trzymalosciowYC~gwaran~ujacYChich trwalosc glównie podczas trans-portU. -

Prasowanie proszku odbywa sie w stalowych matrycach. Odwazo-na lub odmierzona ilosc proszku po zasypaniu do matrycy zageszcza-na jest pod naciskiem stempla (rys. 4.3). Sprasowana ksztaltka jestnastepnie wypychana z matrycy. Podczas prasowania"pros~ek za~ypa-ny luzno do matrycy zmniejsza czesto owu- lubtrzykrotnie swojaobjerosc, ulegajac zageszczeniu. PowIerzchnia styku czastek pJ;'Qszkupo luznym zasypamu do matrycy jest niewielka, ponadto licznie

105

Rys. 4.3. Schemat matrycyJ - korpus matrycy, 2 stempel prasujacy, 34 - prasowany proszek

stempel dol",

4

J

powstajace "mostki" (rys. 4.4) powoduja zwiekszenie porowatosciwarstwy zasypanego proszku. Porowatosc tej warstwy jest uzalezniona\Jd ksztaltu i wielkosci czastek proszku.

W przypadku drobnoziarnistych proszków o nieregularnymksztalcie czastek moze ona dochodzic do 90%. Zmniejszenie porowa-

Rys. 4.4. Mostki powstajace podczas zasypu proszku do matrycyCI)proszek rzeczywisty, b) proszek modelowy [22]

tosci zasypanego do matrycy proszku mozna uzyskac przez odpowied-ni dobór jego ziarnistosci, np. mieszajac proszek gruboziarnistyz drobnoziarnistym, którego czastki wchodza w luki pomiedzy czast-kami duzymi. Proszki o bardziej nieregularnym ksztalcie i rozwinietejpowierzchni charakteryzuja sie wieksza powierzchnia styku miedzyczastkami przy tej samej porowatosci w porównaniu z proszkamiIÓ6

, r

.~

I

, ,:l~

F

l.I

ItIl

j:~.

) I. lJ

1ll

,

kulistymi. Mozna wiec stosowac nizsze cisnienia prasowania, abyuzyskac trwala wypraske, która nie ulegnie zniszczeniu w czasiewypychania.

Podczas procesU"prasowania proszków zachodza nastepujace zja-wiska:

. zblizanie czastek proszku na odleglosci umozliwiajace dzialanieadhezji,

. powiekszenie powierzchni styków czastek proszku przez wzajemneich przemieszczanie i deformacje plastyczna,

. zdzieranie powlok tlenkowych przez wzajemne tarcie sasiadujacychze soba czastek, powodujace odsloniecie czystych aktywnych po-wierzchni metalicznych,

. lokalne punktowezgrzewanieczastekw wyniku odksztalceniaplastycznego i podwyzszenia temperatury, umozliwiajacego dyfuzjepowierzchniowa.Proces prasowania mozna podzielic na dwa etapy. W poczatko-

wym stadium prasowania w warunkach niskiego cisnienia nastepujezalamywanie i likwidacja "mostków" utworzonych w czasie zasy-

pywania oraz scislejszeulozenie czastek dzieki ich wzajemnym posliz-gom i obrotom.

W tej fazie procesu duzy wplyw na uzyskana gestosc wypraski maksztalt czastek i tarcie miedzy przemieszczajacymi sie czastkami.Rozklad gestosci w wypraskach prasowanych pod niskim cisnieniemjest bardzo nierównomierny. Wystepuja duze róznice, zwlaszcza mie-dzy materialem przylegajacym do scian matrycy, a srodkiem wypraski.

W drugim etapie prasowania pod wyzszym cisnieniem ma miejsceodksztalcenie plastyczne czastek proszku. Deformacja czastek proszkuzaczyna sie w miejscach styku poszczególnych czastek, a nastepnierozprzestrzenia sie na cala ich objetosc. Podczas prasowania proszkówwykonanych z materialów kruchych nie wystepuje deformacja plas-tyczna, ale kruszenie czastek.

Oba etapy prasowania czesto nakladaja sie i odksztalcenie plas-tyczne moze rozpoczac sie juz podczas wzajemnego przemieszczaniasie czastek. .

~ W rzeczywistych ukladach czastek proszków dla zapewnieniadaglego ich zageszczania konieczne jest, aby istniejace w miejscachstyków naprezenia przewyzszaly granice plastycznosci w przypadkumetali plastycznych lub granice wytrzymalosci dla metali kruchych.

107

Poniewaz w czasie zageszczania proszku powiekszaja sie powierz-chnie styków miedzyczasteczkowych oraz nastepuje umocnienie ma-terialu wskutek zgniotu, dla uzyskania dalszego wzrostu gestosciwypraski konieczny jest ciagly przyrost cisnienia 'prasowania. Jednymz wazniejszych zagadnien procesu prasowania jest ustalenie zaleznoscimiedzy gestoscia uzyskanych wyprasek, a cisnieniem prasowania.Zaleznosc taka przedstawia rys. 3.16.

Najwiekszy przyrost gestosci ma miejsce w poczatkowym etapieprasowania, nastepnie przyrosty gestosci wraz ze wzrostem cisnieniaprasowania maleja i po przekroczeniu okreslonej wartosci cisnieniapraktycznie nie obserwuje sie dalszego wzrostu gestosci. Taki charak-ter zaleznosci gestosci wyprasek od cisnienia prasowania wiaze sie zezwiekszeniem powierzchni styków miedzyczasteczkowych, a tym sa-mym ze wzrostem wytrzymalosci porowatej ksztaltki, a takze z utwar-dzeniem czastek proszku zwiazanym ze zgniotem, co z kolei utrudniadalsze odksztalcenie plastyczne. Poniewaz na przebieg procesu praso-wania ma wplyw bardzo wiele czynników, to dla kazdego rodzajuproszku nalezy sporzadzic krzywe zaleznosci gestosci od cisnieniaprasowania. Na podstawie tych krzywych mozna ustalic wielkosccisnienia niezbednego do uzyskania wypraski o zadanej gestosci.

Podstawowym zagadnieniem procesu prasowania jest ustalenieilosciowejzaleznosci miedzy gestoscia wyprasek a cisnieniem prasowa-nia. Jedna z pierwszych zaleznosci opracowal Balszin. Wyprowadzoneprzez niego równanie prasowania ma nastepujaca postac:

19p = - m IgfJ + IgPmaxgdzie:

I) - cisnienie prasowania,

f1l11ax- cisnieniekoniecznedo calkowitegozageszczeniamaterialu,III - wspólczynnik charakteryzujacy wlasnosci proszku,ji - wzgledna objetosc wypraski;

fJ '= ~ 'l

Vw - objetosc wypraski,

~ - objetosc materialu zageszczonego do gestosci teoretycznej.Istnieje równiez wiele równan empirycznych opisujacych zaleznosc

gestosci wyprasek od cisnienia prasowania, np.

lOS

19 d = a 19 p + b

w którym: d - gestosc wypraski,a, b - stale charakteryzujace wlasnosci proszku.

4.1.3. Czynniki wplywajace na gestosc wyprasek

Przebieg procesu prasowania oraz gestosc uzyskanych wyprasekzaleza od:. charakterystyki proszku,. stosowanych srodków poslizgowych,. wymiarów wyprasek,. parametrów procesu prasowania.

Istnieje bardzo wyrazna zaleznosc zdolnosci do zageszczaniaproszku podczas prasowania od twardosci materialu, z którego zostalwykonany. Proszki wykonane z metali plastycznych, takich jak:srebro, miedz latwo poddaja sie prasowaniu, natomiast prasowanieproszków metali twardych (chrom czy molibden) wzglednie zwiazkówmetali trudno topliwych jest bardzo utrudnione. Wiaze sie to ze ')"sklonnoscia tych materialów do deformacji plas.tycznej.Ogólnie moz-na przyjac, ze im jest wyzsza twardosc materialu, z którego wykonanoproszek, tym nizsza jest gestosc wyprasek prasowanych pod tymsamym cisnieniem.

Na gestosc wyprasek uzyskana po prasowaniu maja takze wplyw:ksztalt, wielkosG czastek i stan ich powierzchni.

Proszki drobnoziarniste o nieregularnym ksztalcie czastek charak-teryzuja sie duzym wspólczynnikiem tarcia wewnetrznego, co powodu-je wieksze straty cisnienia prasowania na pokonanie sil tarcia. Dlategoim drobniejszy jest proszek i ma bardziej rozwinieta powierzchnieczastek, tym nizsza gestosc uzyskuje sie po prasowaniu w tych samychwarunkach. Równiez im wiekszy jest stopien utlenienia proszku, tymnizsza jest gestosc uzyskanych z niego wyprasek.

Czestym przypadkiem w metalurgii proszków jest prasowaniemieszanek proszków zlozonych z dwóch, lub wiecej skladników.Wplyw dodatków na zgeszczalnosc mieszaniny proszków zalezy odich: rozdrobnienia, twardosci, wlasnosci smarujacych, np. do proszkuzelaza czesto jest dodawana miedz lub grafit, który dziala jak srodekposlizgowy i tym samym polepsza zgeszczalnosc proszku.

]09

~ f '"' r ~ f: '" (y''''L ~,

Ogólnie mozna stwierdzic, ze proszki stopowe zageszczaja siegorzej podczas prasowania w porównaniu z proszkami czystychmetali.

W praktyce prasowania stosuje sie srodki poslizgowe, którepowoduja wzrost gestosci uzyskanych ksztaltek. Srodki poslizgowewplywaja na: zmniejszenie wspólczynników tarcia zewnetrznego i we-wnetrznego, zmniejszenie cisnienia wypychania wypraski z matrycy,zmniejszenie sklonnosci do przyczepiania sie czastek proszku doscianek matrycy, a tym samym zmniejszaja jej zuzycie. Srodki posliz-p:owe dzieli sie na dwie grupy:. obojetne (wazelina, gliceryna, parafina itd.),. powierzchniowoaktywne (kwas stearynowy, oleinowy, stearyniany

cynku, litu itd.).Srodki poslizgowe zazwyczaj wprowadzamy do mieszane~ w postaciroztworów w rozpuszczalnikach organicznych (benzyna, benzen, czte-rochlorek wegla). Stearyniany i kwas stearynowy moga byc wprowa-dzane równiez w postaci proszku.

Istnieja dwie mozliwosci wprowadzania srodków poslizgowych:. smarowanie scian matrycy,. wprowadzenie srodków poslizgowych do proszku i wymieszanie.Srodki poslizgowe obojetne wplywaja jedynie na wspólczynnik tarciai nie uczestnicza w samym procesie odksztalcania czastek proszku.Srodki powierzchniowoaktywne, oprócz obnizenia wspólczynnika tar-cia, ulatwiaja deformacje czastek proszku. Poniewaz srodki poslizgowepogarszaja takie wlasnosci technologiczne proszku, jak gestosc nasy-powa i sypkosc wprowadza sie je w niewielkich ilosciach - od 0,5 do1,5%. '

Zwiekszenie wysokosci wyprasek powoduje wzrost strat cisnieniana pokonanie sil tarcia, a tym samym obniza gestosc uzyskanychelementów.

Oprócz cisnienia na przebieg procesu prasowania i uzyskanagestosc wplyw ma równiez szybkosc prasowania i czas dzialanianacisku. Mniejsza szybkosc prasowania i wytrzymanie wypraski podmaksymalnym obciazeniem przez kilkanascie sekund powodujewzrost jej gestosci o kilka procent.

Otrzymanie wypraski o wysokiej gestosci, rzedu 95% gestosciteoretycznej, wymaga stosowania wysokiego cisnienia prasowania, comogloby spowodowac przedwczesne zuzycie matryc. Dlatego w celu

110

uzyskania znacznej gestosci stosuje sie dwukrotne prasowanie i spieka-nie. Spiekanie miedzy pierwszym a drugim prasowaniem prowadzi dousuniecia skutków zgniotu i obniza twardosc czastek sprasowanegowstepnie materialu, co pozwala na osiagniecie wysokich gestosci podrugim zabiegu prasowania pod nizszym cisnieniem.

4.1.41Cis_ni~nie wypychania, rozprezenie wyprasek I

Koncowym etapem prasowania jest wypchniecie wypraski z matry-cy za pomoca dolnego stempla.

Przez cisnieniewypychania rozumie sie sile konieczna do wypchnie-cia wypraski z matrycy, odniesiona do jednostki powierzchni bocznejwypraski. Cisnienie wypychania jest proporcjonalne do cisnieniaprasowania i zalezy od wspólczynnika tarcia czastek proszku o sciankimatrycy i wspólczynnika Poissona. W przypadku proszków plastycz-nych miekkich cisnienie wypychania jest wieksze niz w przypadkumaterialów twardych, kruchych. Cisnienie wypychania wzrasta wrazze zwiekszeniem wysokosci wypraski, natomiast dodatek srodkówposlizgowych obniza je. Duzy wplyw na wartosc cisnienia wypychaniama takze gladkosc scianek i sztywnosc konstrukcji matrycy.

Rozprezenie wypraski okresla zmiany jej wymiarów pod wplywemnaprezen wewnetrznych po odciazeniu i po wypchnieciu z matrycy.Zmiany wymiarów zgodnych z kierunkiem prasowania (rozprezenieosiowe) dochodza do 576%, a w kierunku prostopadlym do niegowynosza 173% (rozprezenie promieniowe).Wielkosci rozprezen okresla sie wzorami:

lII

w których:ro i rp - rozprezenie osiowe i promieniowe,HI i Dl - wysokosc i srednica wypraski po wypchnieciu jej z matrycy,Ho i Do- wysokosc i srednica wypraski znajdujacej sie w matrycy

przed usunieciem cisnienia prasowania.Znajomosc zaleznosci rozprezenia od wlasnosci proszków, skladu

mieszanki i warunków prasowania ma duze znaczenie praktyczne

111

podczas projektowania matryc dla wlasciwego doboru wymiarówkomory matrycy.

Rozprezenie moze ni.ejednQkrotnie doprowadzic do powstaniapekniec lub rozwarstwienia wypraski. Rozprezenie wyprasek zalezy odwielkosci i ksztaltu czastek proszku, stopnia utlenienia, twardoscimaterialu, z którego jest wykonany proszek oraz od cisnienia praso-wania i dodatku srodków poslizgowych. Rozprezenie wzrasta wrazz podwyzszeniem twardosci prasowanego materialu, zmniejszeniemwielkosci czastek proszku i zwiekszeniem zawartosci tlenków. Rozpre-zenie wyprasek mozna zmniejszyc przez dodatek srodków poslizgo-wych powierzchniowoaktywnych.

4.1.5. Rozklad gestosci w wypraskach

Czesc cisnienia prasowania zostaje zuzyta na pokonanie sil tarciawewnetrznego i tarcia zewnetrznego. Przez tarcie wewnetrzne rozumiesie tarcie miedzy poszczególnymi czastkami proszku, natomiast tarciezewnetrzne jest to tarcie proszku o scianki matrycy.

Straty cisnienia na tarcie zewnetrzne zaleza od:. wspólczynnika tarcia miedzy czastkami proszku a sciankami matry-

cy,. sklonnosci do laczenia sie tych dwóch materialów,. gladkosci scianek matrycy,. wysokosci i srednicy wypraski,. stosowanych srodków poslizgowych.

Jak wynika z danych eksperymentalnych straty cisnienia napokonanie sil tarcia zewnetrznego zawieraja sie w granicach 60-;.-90%.Oprócz tarcia czastek proszku o scianki matrycy duza role odgrywatakze tarcie wewnetrzne. Wspólczynnik tarcia wewnetrznego jestwyzszy od wspólczynnika tarcia proszku o scianki matrycy i nie zalezyw zasadzie od cisnienia prasowania. Natomiast na wielkosc stratcisnienia na pokonanie sil tarcia wewnetrznego bardzo duzy wplywma ksztalt i wielkosc czastek proszku.

Bardzo waznym ze wzgledów praktycznych nastepstwem tarciawewnetrznego jest trudnosc w przemieszczaniu sie czastek proszkuw kierunku prostopadlym 'do dzialania nacisku podczas prasowania.Moze to doprowadzic do obnizenia gestosci w niektórych czesciach

l 12

wypraski. Dlatego nie nalezy prasowac ksztahek o profilu zmieniaja-cym sie w kierunku prasowania.

Straty cisnienia na pokonanie sil tarcia mozna zmniejszyc w znacz-nym stopniu (do 40%) wprowadzajac srodki poslizgowe. Poniewazwskutek strat na pokonanie sil tarcia cisnienie maleje w miareoddalania sie od powierzchni stempla prasujacego, rozklad gestosciw wypraskach jest nierównomierny. Najwyzsza gestosc uzyskuje siew warstwach górnych przylegajacych w czasie prasowania do stempla,przez który przenoszony jest nacisk. W miare oddalania sie odpowierzchni stempla prasujacego gestosc wypraski maleje.

Na rozklad gestosci w prasowanej ksztaltce duzy wplyw maja jej

wymiary. Im mniejszy jest stosunek ~ (H - wysokosc, D - srednica),

tym bardziej równomierny jest rozklad gestosci na przekroju wypras-ki. Najwieksze róznice gestosci wystepuja w poblizu scian matrycy,natomiast wzdluz osi wypraski efekt zmniejszenia zageszczenia jest. . .znaczme mmeJszy.

Bardziej równomierny rozklad gestosci uzyskuje sie podczas dwus-tronnego prasowania, kiedy na prasowany proszek jest wywieranynacisk przez stempel górny i dolny. Rozklad gestosci w wypraskachprasowanych jednostronnie i dwustronnie przedstawiono na rys. 4.5.

Prasowanie dwustronne stosuje sie gdy H > 1 lub w przypadkuDl'

1\l.

Rys. 4.5. Rozklad gestosci wzdluzwysokosci wyprasek wykonanychz proszku Cu [22]I proszek Cu prasowany jednostronnie.

2 - proszek Co + srodek poslizgowy praso-

wany jednostronnie. 3 - proszek prasowOlnydwustronnie

2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5Odleglosc od tloka l mm

x - Zarys metalurgii lU

prasowania tulei ~ > 3 (S- grubosc scianki tulei). W praktyce czesto

stosuje sie prasowanie z wykorzystaniem sil tarcia, nazywane prasowa-niem swobodnym. Wprawdzie tarcie jest glówna przyczyna niejedno-rodn~kladu gestosci w przekroju wyprasek, ale równoczesniemozna je wykorzystac do zmniejszenia tej niejednorodnosci. Polega tona umozliwieniu w czasie prasowania przemieszczania sie korpusumatrycy wzgledem powierzchni wypraski. Pociaga to za soba prze-illieszczenie sie przyleglych do matrycy warstw proszku i lepszezageszczenie prasowanego materialu. W tym celu stosowane sa mat-ryce podtrzymywane sprezynami (rys. 4.6c) lub specjalnymi tulejkami. .ciernymI.

ej

tRys. 4.6. Podstawowe sposoby prasowania(/) jednostronne, b) dwustronne, c) swobodne, d) sterowane

W praktyce sa stosowane. 4 podstawowe sposoby prasowania:jednostronne, dwustronne przeciwbiezne, swobodne i sterowane (rys.4.6).

4.1.6. Technika prasowania

Dozowanie proszku

Dozowanie proszku w praktyce przemyslowej odbywa sie najczes-ciej automatycznie objetosciowo lub masowo. Metoda objetosciowegodozowania polega na wypelnieniu matrycy proszkiem o odpowiedniejobjetosci ze specjalnego dozownika. Dokladnosc dozowania objetos-ciowego zalezy od stabilnosci takich wlasnosci proszku, jak gestoscnasypowa i sypkosc.

114

W dozowaniu ciezarowym odwazke proszku potrzebna do wyko-nania zadanej ksztaltki oblicza. sie ze wzoru:

M = V. d, . e . kl' k2

gdzie:M - masa proszku,V - objetosc gotowego wyrobu,d, - gestosc teoretyczna materialu, z którego wykonany jest

proszek, dQ - gestosc wzgledna wypraski. e = d'IkI - wspólczynnik charakteryzujacy straty proszku w czasie praso-

wania; ki = 1,005+1,01,k2 - wspólczynnik ujmujacy ubytek masy w czasie spiekania, k2

= 1,01+1,03.W przypadku prasowania mieszaniny zlozonej z kilku róznych

proszków gestosc teoretyczna oblicza sie w sposób nastepujacy:100

.

1\

l

d =I a b n

d + d + ." + da b n

gdzie:a,b...n _ zawartosc poszczególnych skladników w procentach maso-

wych,da,db...dn- teoretyczna gestosc poszczególnych skladników.V

T

Zasady projektowania matryc

Stosowane obecnie matryce skladaja sie z duzej liczby czesciw zaleznosci od ksztaltu wypraski i sposobu prasowania. Jednak

podstawowymi czesciami kazdej matrycy sa: korpus, stempel górnyi dolny. Oprócz tych podstawowych czesci w matrycy mozna wyróznicrózne detale pomocnicze, konieczne do umocowania ich na prasie,trzpienie do formowania otworów itp. Podczas konstruowania matrycnalezy uwzgledniac nastepujace wymagania:. jednakowa gestosc w calej objetosci wypraski,. najprostszy sposób wypychania wypraski,. odpowiednio dlugi czas pracy matrycy.

Poniewaz konstrukcja matrycy zalezy od ksztaltu i wymiarów

liS

Iproszków w oslonach moze odbywac sie równiez w podwyzszonejtemperaturze.

Metalowe oslony chronia proszek przed utlenianiem, zapobiegajazgrzewaniu wyciskanego materialu z matryca. Materialy stosowane naoslony powinny charakteryzowac sie wlasnosciami plastycznymi zbli-zonymi do wlasnosci wyciskanego proszku, nie moga równiez reago-wac z proszkiem. Takie wymagania w zaleznosci od wlasnosciwyciskanego proszku spelniaja, np. miedz, mosiadz, miekka stal. Powyciskaniu oslony usuwane sa w sposób mechaniczny lub przezstrawienie w roztworach nie reagujacych z wyciskanym materialem.

4.3. Spiekanie

Spiekanie jest jedl!Y!!1z podstawowych procesów technologicznychmetalurgii proszków, któremu poddawany jes~ proszek luzno zasypy-wany do form lub sprasowane ksztaltki. _Podc~a_s_t~go zabieguw spiekanym materiale zachodza procesy fizykochemiczne,lc1órepowoduja zblizenie Tego-wlasnosci do_wlasnosci materialu litego.. Spiekanie moze byc definiowane. w dwojaki sposób:.-- przez podanie procesów technologicznych,

przez opisanie zjawisk fizykochemicznych.Pomimo tego, ze spiekanie jest zabiegiem stosowanym i znanym,

od dawna nie zostalo jednoznacznie zdefiniowane. Jest ono procesemzlozonym, na którego przebieg ma wplyw wiele czynników; sa to:. warunkiprocesu- temperatura, czas, atmosfera,. struktura i wlasnosci spiekanego materialu, takie jak: budowa

kr'YSja1Qg@!!~~a,wspólczynniki dyfuzji, wspólczynnik 1~R.kQs~i~napiecie powierzchnIowe, przemIany alotropowe, wielkosc ziarna,stopien utlenie.nia.Technologicznespiekanie jest okreslone jako zabieg cieplny sklada-

jacy sie z nagrzania, wygrzania w temperaturze 0,7~0,8 temperaturytopnienia podstawowego skladnika w skali bezwzglednej (Tp) i naste-pnego chlodzenia.

Natomiast sposród wielu definicji charakteryzujacych zjawiskazachodzace podczas spiekania najbardziej ogólna wydaje sie definicjaBalszina, która okres1a spiekanie jako ,jakosciowe i ilosciowe zmiany

126

\

.1

.

Jstyków miedzy czasteczkami wskutek zwiekszonej ruchliwosci ato-mów wywolanej podwyzszeniem temperatury".

Glówne parametry charakteryzujace spiek i zmieniajace sie pod-czas spiekania to:. wymIary,. gestosc i porowatosc,. wlasnosci wytrzymalosciowe,.. wlasnosci elektryczne i magnetyczne.

W praktyce tak ustala sie parametry procesu spiekania, abynastapil wzrost gestosci i obnizenie porowatosci, czemu towarzyszyzmniejszenie wymiarów ksztaltek, czyli ich skurcz. Proces spiekaniamozna zakonczyc z chwila uzyskania wymaganych wlasnosci, takichjak: gestosc, wytrzymalosc, twardosc - dla elementówkonstrukcyj-nych oraz opór elektryczny, wlasnosci magnetyczne dla materialówstykowych i magnetycznych. Analizujac od strony teoretycznej processpiekania nalezy uwzglednic nastepujace zagadnienia:. sily napedowe,

· mechanizmy transportu materii dzialajace w czasie spiekania.Zródlem sil napedowycb procesu spiekania sa zmiany energii

powierzchniowej wynikajace z dazenia materialu do osiagi1ie-cianaj-mniejszej energii. Material porowaty charakteryzuje sie duza -powierz-chnia wlasciwa i proporcjonalna do niej odpowiednio wysoka wartos-cia energii powierzchniowej.

lI

aj bj

d)

Rys. 4.16. Schemat spiekania trzech czastekproszku [14]: a) stan wyjsciowy przed spie-kaniem, b) tworzenie szyjek, c) sferoizydacjaporu, d) zarastanie poru

Iproszków w oslonach moze odbywac sie równiez w podwyzszonejtemperaturze.

Metalowe oslony chronia proszek przed utlenianiem, zapobiegajazgrzewaniu wyciskanego materialu z matryca. Materialy stosowane naoslony powinny charakteryzowac sie wlasnosciami plastycznymi zbli-zonymi do wlasnosci wyciskanego proszku, nie moga równiez reago-wac z proszkiem. Takie wymagania w zaleznosci od wlasnosciwyciskanego proszku spelniaja, np. miedz, mosiadz, miekka stal. Powyciskaniu oslony usuwane sa w sposób mechaniczny lub przezstrawienie w roztworach nie reagujacych z wyciskanym materialem.

4.3. Spiekanie

Spiekanie jest jednym z podstawowych procesów technologicznychmetalurgii proszków, któremu poddawany jest proszek luzno zasypy-wany do form lub sprasowane ksztaltki. _Podc~~ _t~go zabieguw spiekanym materiale zachodza procesy fizykochemiezne, którepowoduja zblizenie Tego wlasnosci do wlasnosci materialu litego.. Spiekariie moze byc definioWane w dwojaki sposób:.- przez podanie procesów technologicznych,

przez opisanie zjawisk fizykochemicznych.Pomimo tego, ze spiekanie jest zabiegiem stosowanym i znanym,

od dawna nie zostalo jednoznacznie zdefiniowane. Jest ono procesemzlozonym, na którego przebieg ma wplyw wiele czynników; sa to:. warunkiprocesu- temperatura, czas, atmosfera,. struktura i wlasnosci spiekanego materialu, takie jak: budowa

krys1alQgraficzna, wspóiczynniki dyfuzji, wspólczynnik lepkQ.sg~napiecie powierzdifilowe, przemiany alotropowe, wielkosc-ziarna,stopien utlenienia.Technologicznespiekanie jest okreslone jako zapieg cieplny sklada-

. jacy sie z nagrzania, wygrzania w temperaturze 0,7+-0,8 temperaturytopnienia podstawowego skladnika w skali bezwzglednej (Tp) i naste-pnego chlodzenia.

Natomiast sposród wielu definicji charakteryzujacych zjawiskazachodzace podczas spiekania najbardziej ogólna wydaje sie definicjaBalszina, która okres1a spiekanie jako ,jakosciowe i ilosciowe zmiany

126

\

I

Istyków miedzy czasteczkami wskutek zwiekszonej ruchliwosci ato-mów wywolanej podwyzszeniem temperatury".

Glówne parametry charakteryzujace spiek i zmieniajace sie pod-czas spiekania to:. wymIary,. gestosc i porowatosc,. wlasnosci wytrzymalosciowe,.' wlasnosci elektryczne i magnetyczne.

W praktyce tak ustala sie parametry procesu spiekania, abynastapil wzrost gestosci i obnizenie porowatosci, czemu towarzyszyzmniejszenie wymiarów ksztaltek, czyli ich skurcz. Proces spiekaniamozna zakonczyc z chwila uzyskania wymaganych wlasnosci, takichjak: gestosc, wytrzymalosc, twardosc - dla elementówkonstrukcyj-nych oraz opór elektryczny, wlasnosci magnetyczne dla materialówstykowych i magnetycznych. Analizujac od strony teoretycznej processpiekania nalezy uwzglednic nastepujace zagadnienia:. sily napedowe,

· mechanizmy transportu materii dzialajace w czasie spiekania.Zródlem sil napedQwy.ch procesu spiekania sa zmiany energii

powierzchniowej wynikajace z dazenia materialu do osiagniecia naj-mniejszej energii. Material porowaty charakteryzuje sie duza powierz-chnia wlasciwa i proporcjonalna do niej odpowiednio wysoka wartos-cia energii powierzchniowej.

I,

a) b)

d)

Rys. 4.16. Schemat spiekania trzech czastekproszku [14]: a) stan wyjsciowy przed spie-kaniem, b) tworzenie szyjek, c) sferoizydacjaporu, d) zarastanie poru

_W miare postepu spiekania zmniejszasie powierzchniawlasciwaporów wskutek wygladzania ich powierzchni, .sferoidyzacji i koagu-lacji, a tym samym sily napedowe równiez maleja i proces przebiegacoraz wolniej. Z teoretycznego punktu widzenia proces spiekaniapowinien postepowac az do osiagniecia przez material minimumenergii, tzn. gdy powierzchnia wlasciwa osiagnie najmniejsza w danychwarunkach wartosc.

Na rys. 4.16 przedstawione sa kolejne etapy procesu spiekaniatrzech czastek w ksztalcie kul: powst<:l,nieszyjek_pomiedzy czastkami,sferoidyzacja i zarastanie poru.

Charakterystyczna cecha procesu zageszczania materialu jestzmniejszenie szybkosci zageszczania podczas izotermicznego spieka-nia. Na 4.17 sa przedstawione typowe krzywe obrazujace zmiany

70o

Rys. 4.17. Wplyw temperatury i czasu spie-kania na gestosc spieków wykonanych z pro-szku niklu [6]

200 1,00 600czas spiekania, min

gestosci wzglednej ksztaltek wykonanych z proszku niklu, spiekanychw róznej temperaturze.W miare podwyzszaniatemperatury zwiekszasie szybkosc zageszczania spieków. Szybkosc zageszczania jest naj-wieksza w poczatkowym etapie procesu i maleje w miare uplywuczasu.

Krzywe izotermiczne skurcz'l w krótkich przedzialach czasu spie-kania obrazuja funkcje

l2~

~V

Vktn

"

,I{

II

w których:~V

k b" '

- - s urcz o ~etosClOWY,Vt - czas,n i k - stale.

Zwiekszenie cisnienia prasowania2 a tym samym w~J.:.()stgesJQ.scipoczatkowej, doprowadza do uzyskania wiekszej gestosci kon.cowej.Natomiast szybkosc zageszczania spieków jest tym mniejsza, imwieksza jest gestosc poczatkowa (rys. 4.18). S c.D

, '(

Dalsze podwyzszenie temperatury po dlugim spiekaniu izotermicz-nym, kiedy nie obserwuje sie praktycznie skurczu, powoduje ponownezwiekszenie szybkosci zageszczania. Szy.hkosc zageszczania spiekówzalezy od powierzchm2Y.@§ciweiproszku. Im drobniejszy jest proszek,

, ~ wiekszy jest skurcz. Proszki o nieregularnej buaowieczastek,11p:otrzymane przez redukcje tlenków lub w drodze elektrolizy, spiekajasie latwiej w porównaniu z proszkami o regularnym, zblizonym dokulistego ksztalcie czastek. Tlenki pokrywajace powierzchnie czastekproszku utrudniaja proces zageszczania.,Dlatego wskazane jest stoso-wanie atmosfer ochronnych - redukujacych.

~ - Zarys metalurgii 129

), , ),'

o?:.'oc>

.....6e'E 1J:

a'(

1

2

;1

3 ......... ---- 6DDl1Pa

o

Rys. 4.18. Wplyw cisnienia praso- ","4, e I ---- 400 MPai wania na zmiany wymiarów ksztal- 5tek podczas spiekania [6]

'".

I

(

4.3.1. Procesy zachodzace podczas spiekania

Mechanizm transportu materii miedzy poszczególnymi czasteczka-mi proszku podczas jego spiekania nie zostal dotychczas jednoznacz-nie wyjasniony. Badania doprowadzily jedynie do opracowania kilkuteorii, majacych na celu wyjasnienie dwóch podstawowych zagadnien:. powstawania i powiekszania sie szyjek miedzy spiekanymi czastka-

mI,. zmiany wymiarów spieków wskazujacych na zmniejszenie sie ich

porowatosci.Procesu spiekania nie mozna opisac przyjmujac tylko jeden

mechanizm transportu materii. .EQd~~§ §mekania zachodza nastepu-Jace procesy:. parowanie i kondensacja,. dyfuzja powierzchniowa,. dyfuzja na granicach ziarn,. dyfuzja objetosciowa~~. plyniecie lep~ó~bi'8~P:( plastyczne,. zdrowienie i rekrystalizacja.

Zakres poszczególnych etapów zalezy od rodzaju i wlasnoscimaterialu oraz warunków spiekania.

Parowanie i kondensacja oraz dyfuzja powierzchniowanie wplywaj~na znaczne zmniejszenie objetosci porów, natomiast powoduja zmianeich ksztaltu i "wygladzenie" powierzchni. Zmiany te sa spowodowaneodparowaniem materialu z powierichni wypuklych i kondensacja napowierzchniacn wkleslych. Jest to zwiazane z róznymi preznosciamipar metalu nad jego- p~ierzchnia wklesla i wypukla. W stanierównowagi w danej temperaturze preznosc par nad powierzchniawklesla jest nizsza od preznosci pary nad powierzchnia plaska lubwypukla.

Dyfuzja powierzchniowa zachodzi juz w temperaturze ponizej 0,3bezwzglednej temperatury topnrema mateIialu, z jakiego jest wykona-

..IlYPTOszeQte.nsywnosc dyfuzji znacznie wzrasta z podwyzszeniemtemperatury. Ruch-atomów-na powierzchni ód miejsc wypuklych dowkleslych zwiazany jest z istnieniem gradientu potencjalu chemicznegouwarunkowanego krzywizna tej powierzchni. Dyfuzja powierzchnio-wa, podobnie jak parowanie i kondensacja, odgrywa istotna rolew procesie sferoidyzacji porów.

130

\Dominujacymi mechanizmami prowadzacymi do zmniejszenia ob-

jetosci porów, a tym samym wzrostu gestosci spieków, sa dyfuzjaobjetosciowa i na granicach ziarn. Udzial dyfuzji na granicach ziarni dyfuzji objetosciowej w procesi~ spiekania zalezy od temperaturyi wielkosci czastek proszku. W nizszej temperaturze i w przypadkumalych rozmiarów czastek glówna role odgrywa przewaznie dyfuzjana granicach ziarn.

W sieci krystalicznej metalu istnieje pewna ilosc nieobsadzonych .

przez atomy wezlów, tzw. wakancji, których koncentracja zmienia siez temperatura zgodnie z równaniem

w którym:R - stala gazowa, { ~I . lU

T - temperatura w skali bezwzglednej,Qw - energia aktywizacjitworzenia wakancji.Przemieszczenie atomów w sieci odbywa sie na zasadzie wymianyz wakancjami, przy czym wspólczynnik dyfuzji D zalezy od koncentra-cji wakancji Cw

D = CwDw1.

Dw - wspólczynnik dyfuzji wakancji.WspólczynnikDwzalezy od temperatury w sposób nastepujacy:

Q,RT

gdzie:Q, _ energia aktywizacji ruchu wakancji.Na tej podstawie temperaturowa zaleznoscmoze byc przedstawiona w postaci:

_' Qw + Q,RT

D = Doe

w kton.:j:Do - wielkosc niezalezna od

wspólczynnika dyfuzji

QRT

temperatury.

13\

W przypadku wakancyjnego mechanizmu dyfuzji energia akt y-~acji _Q jeli! równa sumie_ energi( Jlktyw~cji tworzenia wakancjii energii aktywacji ruchu wakancji. Dla wiekszosci metali Qw stanowiok. jedna trzecia Q. Mozna przyjac, ze Qtjest równe energii aktywacjidyfuzji na granicach ziarn, gdzie koncentracja wakancji jest wysokai Qw ~ O.Tak wiec w przyblizeniu przyjmuje sie, ze energia aktywacjidyfuzji na granicach ziarn równa sie 0,6-;.-0,7 Q. .

Aby w jednorodnym pod wzgled_em~hemicznym materiale zacho-dzil proces zageszczania wskutek dyfuzji musi istniec róznica koncen-tracji wakancji. Na rys. 4.19 przedstawiono schematycznie dyfuzyjne

1

Rys. 4.19. Schemat dyfuzyjnych mechanizmów spiekania dwóch czas-tek

I - dyfuzja powierzchniowa,2 dyfuzja po granicach ziarn. J dyfuzja objetosciowa/ ujsciemwakancjina granicyziarn.4 - dyfuzjaobjetosciowaz ujsciemwakancjinawypuklych powierzchniach czastek

mechanizmy spiekania dwóch czastek, strzalkami zaznaczajac drogimigracji wakancji.

W poblizu wkleslej powierzchni szyjki powstalej miedzy dwiemaczastkami koncentracja wakancji zwieksza sie o wartosc

AC= 2yy" CR T.r o

gdzie:y - napiecie powierzchniowe,v.. - objetosc atomowa,r - promien krzywizny powierzchni,Co ~ koncentracja wakancji w poblizu powierzchni plaskiej.W zwiazku z tym powstanie strumien dyfuzyjny w kierunku wyrówna-nia stezenia wakancji. Wakancje dyfunduja od obszaru szyjki dogranic ziarn albo do wypuklej powierzchni czastek. Towarzyszy temu

132

ruch atoniów w kierunku przeciwnym doprowadzajacy do zwiekszeniawymiarów szyjki. Zmiany wymiarów szyjki powstalej miedzy dwiemaspiekanymi czastkami brazu widoczne sa na rys. 4.20.

Podczas spiekania pOLowategQ materialu zródlo wakancji stanowiamale pory i powier~chnie wklesle.Ujsciami dla wakancji sa: duze pory,

J granice ziarn, a takze plaskie lub wypukle powierzchnie. W przypad-1 ku, gdy ujsciem dla wakancji jest wypukla powierzchnia czastek~ zachodzi jedynie zwiekszenie szyjek i sferoidyzacja porów, nie wyste-t puje natomiast skurcz spiekanego materialu. Skurcz ma miejsce wted~

gdy \lisciemdla wakancji sa granice ziarn. - -W praktyce procesy spiekania porowatych ksztaltek stanowiacych

zbiór duzej liczby czastek proszku zachodza znacznie szybciej niz towynika z wartosci wspólczynników dyfuzji. Wiaze sie to z tym, zespiekaniu poddaje sie czastki o duzej koncentracji defektów sieciowychpowstajacych w trakcie wytwarzania proszków, a takze w wynikuzgniotu w procesie prasowania. Oznacza to, ze koncentracja wakancjijest wieksza, a tym samym zwieksza sie wartosc wspólczynnika dyfuzji.

Podczas analizowania procesów zageszczania materialu nalezy-

T _szyjki powstalej pomiedzy dwiema spieka-

-- .... -~~~;~.":~" ---

. L,'" _"'f'>.'u,--,~~....

- -- -- - - -.b) temperatura spiekan.ia -:- 7800C, czas _

~ -60 min.

rt/fj

,. ", /,."'~ t~

.' ,f" ~-l... . . .,'-,

"'.' " ,., ,~~"'., 'i,")

",

II

\1i',.Ia

..~.,;r

III

i~~/iH

..~; .,~~

I')-:- ~~!~

... ------ej temperatura spiekania - 780°C, czas _ 240 min.

takze uwzglednic plyniecie plastyczne i lepkosciowe pod wplywemnaprezen powstalych w miejscach styków miedzyczasteczkowych,

których rzad wielkosci wynosi ~. Mechanizm transportu materiir

poprzez plyniecie zalezy od struktury materialu spiekanych czastek.W przypadku cial bezpostaciowych, takich jak szklo lub termoplasty-czne zywice syntetyczne wystepuje plyniecie lepkosciowe. Plyniecielepkosciowe polega na grupowym przemieszczaniu atomów, a wspól-czynnik lepkosci '1 jest stala materialowa okreslajaca szybkosc tegoprocesu. Zaleznosc miedzy wspólczynnikiem lepkosci '1 i wspólczynni-kiem dyfuzji D jest nastepujaca:

,,/1 aD

~ ~ - kT~..,;..J, ~~g,dzie:

a - odleglosc miedzyatomowa,k - stala Boltzmanna,T - temperatura w oK.

W przypadku cial krystalicznych plyniecie materialu moze bycwywolane dyfuzyjnym pelzaniem wg mechanizmu Herringa-Nabbarro.Dyfuzyjne pelzanie polega na ukierunkowanym przemieszczaniu wa-kancji w wysokieftemperaturze od obszarów, gdzie panuja naprezeniarozciagajace do powierzchni swobodnych (np. powierzchni próbki) lubdo obszaru, gdzie panuja naprezenia sciskajace. Ten ruch wakancji jestzwiazany z ruchem atomów w przeciwnym kierunku (rys. 4.21).Takie

_J__

-1--Rys. 4.21. Schemat ruchu wakancji i atomów zgodnie z nledlHnizmem Herringa - Nabbaro

ruch wakancji- - - ruchatomów

J ,c,

ukierunkowane przemieszcz.enieatomów, doprowadzajace do makros-kopowej deformacji, uwarunkowane jest istnieniem gradientu koncen-tracji wakancji.

W przypadku cial krystalicznych zaleznosc miedzy wspólczynni-kiem lepkosci '1 i wspólczynnikiem dyfuzji D ma postac:

1 Da3

'1 k113gdzie:L - charakterystyczny wymiar liniowy odpowiadajacy np. srednicyszyjki lub wielkosci ziarna; ogólnie przyjeto, ze jest to liniowy wymiarodpowiadajacy odleglosci od zródla do ujscia wakancji.

W procesie izotermicznego spiekania wraz z przedluzeniem czasuszybkosc plyniecia zmniejsza sie w zwiazku ze zmniejszeniem siel

koncentracji wakancji. W miare postepu spiekania zanikaja dodatko-we wakancje powstale w procesie otrzymywania proszków i ichformowania, zmienia sie równiez koncentracja wakancji w szyjce

w zwiazku z jej wzrostem (C ~ !).r. Poniewaz podczas formowania ksztaltek czastki proszku ulegaja

zgniotowi, to w trakcie procesu spiekania nastepuje zdrowienie i rekry-stalizacja materialu. Rekrystalizacja rozpoczyna sie w miejscach najba-rdziej odksztalconych, tj. w miejscach styku czastek. Poczatkowoprocesy rekrystalizacji zachodza w obrebie poszc~ególnych czastek,a nastepnie- wraz ze wzrostempowierzchnistykówmiedzyczastecz-kowych - granice ziarn przemieszczaja sie od jednej do drugiejczastki. Ten proces nazywa sie rekrystalizacja miedzyczasteczkowa.Rekrystalizacje miedzyczasteczkowa utrudniaja pory oraz warstwytlenków znajdujace sie na powierzchni czastek.

Pierwszy etap procesu rekrystalizacji odbywa sie w temperaturze0,4-;.-0,5Tp' a rekrystalizacja miedzyczasteczkowa zaczyna sie w tem-peraturze 0~7-;.-0,8 T p' Ustalono równiez, ze proces rekrystalizacjizachodzi juz w pierwszym stadium spiekania i nie ma zasadniczegowplywu na zageszczanie materialu.

4.3.2. Spiekanie materialów jednoskladnikowych

Proces spiekania materialów jednoskladnikowych mozna podzielicna trzy stadia:

136

-

. poczatkowestadium wzrostu powierzchnistyków miedzyczastecz-kowych,

. posrednie stadiuro zaroykania sie i zanikania poróW,. koncowe stadium koagulacji i zaniku izolowanych porów.

przykladoWo zmiany zachodzace w miare postepu spiekaniaw strukturze spiekanej miedzi widoczne sa na rys. 4.22. W poczatkO-wym stadium spiekania istnieje duza liCZba polaczonych porów.powierzchnie stykóW miedzyc )fiteczkoWych sa niewielkie i w tytnczasie zachodzi ciagly ich wzrost.

Dominujacym mechanizmem transJ'0rtu materii doprowadzaja-

cym do wzrostu gestosci w tym stadium jest dyfuzja obje

..tosciowa.

. -- -.----

Wskutek duzej krzywizny powierzchni czastek oraz istniejacychw miejscach stykóWnaprezen, w przyleg\ychobszarach materialuistniejenadmiar wakancji. Róznicekoncentracji wakancji doprowa-dzaja do powstaniastrumieniaatomów przemieszczajacychsie w kie-runku powierzchnipowstalegozlacza miedzyczasteczkamiz równo-czesnymruchem wakancjiw kierunku przeciwnym.W tym stadiumspiekaniapewneznaczeniemoZ<miec takze dyfuzjapowierzchniowa.która doprowadza do wygladzeniapowierzchniporów.

... '" -..: .a;.J3 _~':'-:~

~ ."

iI

l

lI

tr~-, ..........----

.".. 4.21.Zm"" ",cl,.d_ w ,,,.kt."" k"taU,k wyko.,."h z p,,"'" ""'.,,,podczas spiekania:ci) 800 CII h.

I , ,

h) 900"C/6 h

.

.

. ,.~. . ,.' ~

.:dI'",!l'

W druwl stadium spiekania zachodzi ciagle zmniejszanieliczbyporów, któremu towarzyszy stopniowa ich koagulacja. Wiekszoscporów jest rozmieszczona na granicach ziarn. Zmienia sie wzajemnyudzial porów otwartych i zamknietych. Gdy calkowita porowatoscobnizy sie do wartosci ok. 10%, wieksza czesc stanowia pory zamknie-te. TransQo[t materii w tym stadium odbywa sie na zasadzie dyfuzjiobjetosciowej i po granicach ziarn (rys. 4.23).

Rys. 4.23.Schematporu znajduja-cego sie na granicy ziarn

dyfuzja po 'granicachziarn

dyfuzja objetosciowa

..

Granicaziarna.

"

W koncowym stadium spiekania ma miejsce koagulacja i zanikporów. Pory o wymiarach mniejszych od pewnej krytycznej wielkoscizanikaja, przy równoczesnym wzroscie wiekszych. Spowodowane jestto róznicami koncentracji wakancji w poblizu porów o róznychwymiarach. Przykladowo, jezeli sasiaduja ze soba dwa pory o promie-niach krzywizny r1>r2, to koncentracja wakancji wokól poru wieksze-go bedzie mniejsza od koncentracji wakancji wokól poru malego, czyliCI<C2.Wskutek tego wa~a!lcje beda dyfundowac w kierunku duzegoporu, doprowadzajac do dalszego wzrostu jego objetosci, podczas gdymaly por bedzie stopniowo zanikal (rys. 4.24).

Takie rozwazanie mozna odniesc do przypadku poru znajdujacegosie w poblizu granicy ziarn, gdzie koncentracja wakancjijest niewielka.lm wieksza jest odleglosc poru od granicy ziarn, tym dluzsze sa drogidyfuzji objetosciowej i dluzszy czas konieczny do calkowitego zanikuporu.

C1< Cz

Rys. 4.24. Koagulacja porów- ruch wakancji

- - ruch atomów

aj .. .- o ~, "-Il -. ... ·.~. .t.., .

,.

.'1

. , .. -.- lO. f..Co ·"

. .... ".. .... . ...,~..., ~.'

.. .. ..., ... . ,...,. .....

II.o

~ ....o. .'.0 .

tfl". .~., ..,.. ...

..~.. .-:. .. '.fo

~" :.~ 4 __. ..- '. ..' ". .,. .

... I..~.. .. ."'. .'" .. t.. .'. ......... . .. .. ..

..l .'. l'._" "0 ·. ..:, c. '.. . ... .'. : -e ..- .; ·. ... ~.'. ... .8 .: 5.... .. I .. . .'.

...

C, .. . .

. ., ' .

. o . .

.,. .7. ....~... .......... .fII._., . .. '. r

f. .:';' ., .

..

... . , ... . .... ...' ,oL.~

~ ... ~.

'..'. . .. . .. .. .'

'., . 8.#. ... .,.' ..~ ".. ., &. . .., .

...

W koncowym stadium spiekania, wskutek rozrostu ziarna, czescporów moze znalezc sie wewnatrz duzych ziarn w duzej odleglosci odgranic, które stanowia ujscie dla wakancji dyfundujacych od obszarówprzyleglych do porów. Takie pory beda zanikac bardzo wolno,poniewaz drogi dyfuzji sa dlugie. Dlatego podczas spiekania zanikajaprzede wszystkim pory pozostajace w bezposrednim kontakcie z gr,ani-cami ziarn lub w ich najblizszym sasiedztwie.

Na rys. 4.25 sa pokazane przykladowo fragmenty struktury spiekuwykonanego z proszku zelaza karbonylkowego po spiekaniu w tempe-raturze 850°C przez 480 godzin. Widoczny jest calkowity zanik porów\V pohlizu granic ziarn (rys. a) - granica dwóch ziaren,rys, b) - skupiska kilku ziaren).

Ogólnie mozna stwierdzic, ze wielkosc ziarna proszku ma znaczacywplyw na kinetyke zaniku porów r tym samym na wzrost gestoscipodczas spiekania. Im bardziej drobnoziarnisty jest proszek, tymwiekszy przyrost gestosci obserwuje sie w danych warunkach spieka-ma.

I-lO

.

4.3.3.R.zrost ziarn .. _teriale I." "m

W m.teri.le polikrystaliCZOympod wplywem podWyzsZo.ej tem-

peratury nastepuje rozrost ziarn. SzybkoSCrozrostu zi.ma jest odwrot-nie proporcjonalna do sred.iej sredoicy ziarna i moze byc wyrazo.anastepujaCym wzorem:

D2 _ D 2 ::::: KtOo5o

w którym:Do _ poczatkowa srednica ziarna,D _ srednica ziarna po uplywie czasu t,K _ stala zalezna od wlasnosci materialu.Granice ziarn paemieszczaja sie 'CdWSzew ki<runku srodka icbkrzywizny. oznac'Cd to, ze ziarna o liczbie boków wiekszej od szesciubeda zwiekszac swoje wyroiary, a ziarna o liczbie boków mniejszej odszesciu beda sie zmniejszac.

141

.. S.

I .

:.l.. .

WYkorzystUjac w}'Dikjobserwagi lDikroskopoWYchustalono, zewielkoscziarna w IOaterialePOrowatymjest zawsu Dlniejszaw POrów.naniu z wielkoscia ziarna materialu litego wrzarzonego w identycz.nych warunkach. Zwiazane jest to z hamuja<YD1wplywem POrów narozrost ziarn, co przedstaWia Wzór:

W którym:

D - srednia srednica ziarna,d - srednia srednica porów,

f - ulamek objetosciowy porów w próbce.

POdczas rozpatrYwania wplywu POrowatosci na rOZrost ziarn.nalezy UWZgledniczmiany ilosci, WJrniarówi ksztaltu Porów w trakcieprocesu spiekani.. POniewaz jest to Zlnniejszanie liCZbyPOrów OrazZWiekszanie ich sredniego wymiaru, hamujacy wplyw Porów na

roZrost ziarn zgodnie z Pndan}'Dl równaniem bedzie lDial tendenge

malejaca.

Zanik porowatosci i rozrost ziarn Pndczas spiekania materialówPOrowatych sa prOcesami prubiegajacYIDi równoczesnie i wzajemnieoddzia/ywuja"Y1ni na siebie. W niskiej temperaturu i w krótkichPlZedzia1ach czasu spiekania zagesZCZaniusPieków'towarzyszy nie.wielki rozrost ziarn. W koncow}'Dl etapie spiekania w WYsokiejternperaturu i po dlugim czasie moze WYstapic bardzo znacznyrozrost ziarn. Gdy w IOateriale spiekan}'Dl wyjsciowe ziarno jestwieksze nizby to wYnikaloze WZoru,poczatkowemu stadiUll]szybkie.go zageszCZanianie towarzyszy rozrost ziarn, który jest hamowanywskutek obecnosci dUZejilosci poJaczonych porów.

W miare spiekania Zlnniejszasie liczba Porów, a ich srednj WYJniarwzrasta. W tjrn momencie sredni wYIDiarziarn odpowiada ista;ejacejilosci i wielkosci porów. NieznaCZnelDiejscoweZlnniej8ZeniePOrowa.tosci moze stworzyc warunki sPrzyjajace PrulDiCS2czeniusie w dan}'DllDiejscugranicy ziarn. Spowoduje to POWstaniedUZegoziarna otoczo.nego duza liCZbaziarn o mniejszych WYlDiarach.Ziarno takie sZYbkorozrasta sie poch1aniajac sasiednie drobne ziarn.. Nastap; bardzosz'ybki rOZrostnieWielkiejliCZbyziarn, który bedzie POstepowal az doca1kOwitego zaniku wyjsciowej drobnOziarnistej struktury. Jest tobardzo niekorzystne zjawisko, gdyZ POwstale POry beda izolowanewewnatrz nowo powstalych duzych ziarn, a dalszy ich zanik bedziebardzo POWolny.

D ==4d

3f

142

43.4. Spiekanie materialów wieloskladnikowych

~zajemne spieka~ie czastek róznych materialów jest procesembardziej zlozonym w porównaniu ze spiekaniem materialów jedno-skladnikowych, gdyz równoczesnie z procesami transportu materii doobszaru miejsca styku nastepuje wyrównanie skladu chemicznegow spiekanych czastkach.;Poniewaz procesy samodyfuzji i heterodyfuzjicharakteryzuja sie tym samym wakancyjnym mechanizmem, istniejescisla wzajemna zaleznosc obu tych procesów. To wzajemne powiaza-nie procesów samodyfuzji i heterodyfuzji ma wplyw na kinetykespiekania, tj. wzrost powierzchni styków miedzy czastkami.

W materialach porowatych oprócz miejsc bezposredniego stykumiedzy czasteczkami istnieja jeszcze powierzchnie swobo4ne i w zwia-zku z tym proces homogenizacji jest bardziej zlozony. Transportmaterii moze odbywac sie na drodze dyfuzji objetosciowej albopowierzchniowej, wzglednie przez faze gazowa (parowanie i konden-sacja). W celu latwiejszego przesledzenia podstawowych procesów

_ towar~yszacy~h.spieka~iu cz~stek wy~o~anych z rózny~h materi,alów,. zostame omOWlOnespIekame matenalow dwuskladmkowych.tfMa-

terialy takie mozna podzielic nastepujaco:. poszczególne skladniki wykazuja calkowita wzajemna rozpuszczal-

nosc w stanie stalym (np.: Cu-Ni, Fe-Ni, Cu-Ag, W-Mo itd),. poszczególne skladniki wykazuja ograniczona wzajemna rozpusz-

czalnosc w stanie stalym (np.: Fe-Cu, Cu-Zn, Cu-Sn itp),. poszczególne skladniki nie rozpuszczaja sie w sobie w stanie stalym

(np.:Cu-C, W-Cu,Cu-Pb itp). rPodobnie, jak to ma miejsce podczas spiekania materialów jedno-

skladnikowych zwiekszenie powierzchni styków miedzy czastkami.. dwóch róznych materialów, tworzacych roztwory stale, jest nastep-

stwem przesycenia wakancjami obszaru w poblizu tych styków i po-wstania strumienia wakancji skierowanego od tej powierzchni, np. dogramcy Ziarna.

W procesie spiekania materialów jednoskladnikowych strumienio-wi wakancji towarzyszy strumien atomów jednego rodzaju materialuskierowany w kierunku przeciwnym, a dyfUzyjne przemieszczanie sieatomów uwarunkowane jest istniejacym gradientem koncentracji wa-kancji.r Natomiast podczas spiekania materialów, które tworza roz-twory stale, ciagle procesy dyfuzji wywolane sa nie tylko róznicami

143

koncentracji wakancji, lecz takze nierównomiernym rozmieszczeniematomów obu skladników. Procesy dyfuzji okreslane sa czastkowymiWspólczynnikamidyfuzji tych skladników, np. DA i Dn. Róznicew wartosciach czastkowych wspólczynników dyfuzji w duzym stopniuwarunkuja kinetyke spiekania takich materialów. Jezeli np. wspólczyn-nik dyfuzji DA jest wiekszy od wspólczynnika dyfuzji Dn mozewystapic tzw. efekt KirkendalIa, poniewaz podczas spiekania czastekmaterialu A i materialu B strumien atomów A skierowany w kierunkuczastki B bedzie wiekszy od strumienia atomów B skierowanegow kierunku czastki A. W nastepstwie nierównosci strumieni dyfuzyj-nych, przy wakancyjnym mechanizmie dyfuzji, w czastce A powstanadodatkowe wakancje, które moga koagulowac tworzac pory. Podczasgdy w czastece A pojawia sie dOdatkowe pory pochodzenia dyfuzyj-nego, objetosc czastki B zwiekszy sie. Schematycznie przedstawiono tona rysunku 4.26.

Rys. 4.26. Schemat spiekania cza-stek dwóch materialów A i B o nie-ograniczonej rozpuszczalnosciw stanie stalym

Powstanie dodatkowych porów w wyniku róznic w wartosciachczastkowych wspólczynników dyfuzji doprowadza do calkowitegozahamowania skurczu materialu podczas spiekania, a nawet moze bycprzyczyna pecznienia, czyli wzrostu objetosci spieków. Tego rodzajuzjawisko wystepuje np. podczas spiekania mieszaniny proszków mie-dzi i nik10Najwiekszy skurcz obserwuje sie dla czystych skladników;w miare zwiekszania ilosci niklu skurcz maleje. Przy zawartosci nikluwiekszej od 20% wystepuje pecznienie spieków.

Zwiazane jest to z róznicami w szybkosci dyfuzji POszczególnychskladników. WSpólczynnik dyfuzji miedzi do niklu jest wiekszy okolodwukrotnie od Wspólczynnika dyfuzji niklu do miedzi. Doprowadzi to144

do powstania dodatkowych porów w czastkach miedZI, ODBiLI.,......calkowitej gestosci spieku i zwiekszenia jego wymiarów.

[Przedluzenie czasu spiekania, umozliwiajace ujednorodnienie ma-terialu, prowadzi do ponownego wzrostu gestoscU Wplyw skladuchemicznego na proces zageszczania bedzie tym wyrazniejszy, im

wieksze~a róznice we wspólczynnikach dyfuzji poszczególnych sklad-ników.1Zmniejszeniu porowatosci poczatkowej towarzyszy wiekszywzrost wymiarów próbek. przy porowatosciach poczatkowych wiek-szych od 25-;-30% nie obserwuje sie pecznienia spieków./Zwiazane jestto istnieniem bardzo malej ilosci styków miedzyczasteczkowych, cow Altzej mierze utrudnia przebieg procesów dyfuzji.

{ W przypadku mieszaniny proszków metali, które wykazuja ograni-czona rozpuszczalnosc w stanie stalym, na krzywych obrazujacychzaleznosci skurczu od zawartosci poszczególnych skladników mogawystapic pewne ekstrema (max i min), zwiazane z powstaniem nowychfaz. Wlasnosci tego rodzaju spieków zaleza od: stopnia ujednorodnie-nia w obszarze ograniczonych roztworów stalych, porowatosci, stanupowierzchni miedzyfazowych, ksztaltu, wielkosci czastek oraz iloscinicrozpuszczalnych skladników-=.J

Spiekanie czastek nierozp'Ezczajacychsie w sobie materialów1 I B jest mozliwe tylko wtedy, gdy nowo powstala powierzchnia

rozdzialu A-B charakteryzuje sie mniejsza energia powierzchniowa niz,uma energii powierzchniowych materialów A i B, czyli:

v.dl'IC:'Y i I rJ.1I - energia powierzchniowamaterialów A i B,'Y Ul energia powierzchniowa powstalej w miejscu styku powierz-

chni rozdzialu A-B.Jezeli ten warunek nie zostanie spelniony, to spiekanie czastek

1 I /J nie nastapi, gdyz wiazaloby sie to z podwyzszeniem energiipowierzchniowej. Spiekaniu miedzy soba moga ulegac tylko czastkiIl~l(Osamego materialu A-A i B-B.

Mechanizm i kinetyka spiekania materialów nie tworzacych roztwo-filII' w stanie stalym jest rózny dla dwóch przypadków okreslonych1111,,1\puj;!cymi zaleznosciami:

1° rJ.AB <lIII

-11 I

2° etAB >I-I II

-11 I

.I.iJ. ," 1111'111111'''11 145

W pierwszymPrzypadku podczas spiekania nastepuje POkrycieczastki materia/u B, charakteryzujacegOsie wiekszaenergia powierz-chniowa,materialemA o mni~szejenergiiPOwierzchniowej(rys.4.27).Powierzchnia czastki B moze zostac pokryta warstwa materialuA zarówno wskutekd~i POwierzchniowej,jak i paroWaniai kon-.~

/ \I \I II I

/\ (' \~J0 - ~l o

Rys. 4.27. Schemat spiekania czastek dwóch materialów A i B nil'tworzacych roztworów w stanie stalym

, densalji. Nastepnyetap spiekaniapolega na zwiekszeniupowierzchnistyku miedzy czastka A a czastka B pokryta warstwa materia/u A,któremu towarzyszyZlUniejszenieogólnejpowierzchni,a tym samymi energii powierzchniowej.Kinetyka tego etapu jest podohna dokinetyki spiekania czastekmaterialówjednoskladnikowych,Z ta jed-nak róznica, ze obszar szyjki bedziezapelnial sie materialem, którywskutekdyfuzjiobjetosciow~naP/YWanie z dWóch,a tylko z jednejczastki. Spiekanie rozpatrywanych czastek powinno zakonczyc siez chwila powstania sferycznejczastki, w srodku której zn'liduje siepierwotna czastka B.

W drugim przypadku, gdy".. > laB - ".1 proces spiekania mainny przebieg.Tak jak w poprzednim przypadku proces spiekania

A B

Ry~ 4.28. Schemat spiekania czastek dwóch ma-terialów A i B nie tworzacych roztworów w st,l-nie stalym

'46

uwarunkowany jest zmniejszeniem energii swobodnej i wiaze siez powstapjem miedzy spiekanymi czastkami szyjek wypelnionychmaterialem A i B (rys. 4.28).Proces transportu materii w obszar szyjkiuwarunkowany jest, tak samo jak w przypadku spiekania materialówjednoskladnikowych, róznicami koncentracji wakancji miedzy obsza-rem szyjki a pozostalymi czesciami spiekanych czastek.

4.3.5. Spiekanie w obecnosci fazy cieklej

Wzajemne spiekanie dwóch materialów moze zachodzic w warun-kach, kiedy w miejscu styku spiekanych czastek pojawi sie faza ciekla.Faza ci~~la powstanie wtedy, gdy temperatura spiekania jest wyzszaod temperatury topnienia jednego ze skladników.

Pojawienie sie cieczy w spiekanym materiale powoduje wystapienieszeregu zjawisk, wplywajacych na przebieg procesu spiekania, takichjak: zwilzanie fazy stalej przez ciecz i rozplywanie cieczy po powierz-chniach czastek, wnikanie cieczy w pory miedzy czastkami, rozpusz-czanie fazy stalej w cieczy i ponowne wydzielanie. Zjawiska tewplywaja na ogól korzystanie na intensyfikacje procesu spiekaniai umozliwiaja uzyskanie spieków o bardzo malej porowatosci konco-weJ.

Zmiany energii calego ukladu sa wynikiem zmian energii napowierzchniach poszczególnych faz. W materiale dwuskladnikowym,zlozonym z ziarn fazy stalej oraz fazy cieklej, spiekanym w gazowejatmosferze ochronnej wystepuja nastepujace powierzchnie miedzyfa-I.owe:. fazastala- faza stala,IIIfaza stala - faza ciekla,.. faza stala - faza gazowa,. laza ciekla- faza gazowa.

rworzenie sie poszczególnych powierzchni miedzyfazowych jestII ..!l'winne od wartosci energii powierzchniowej na granicy tych faz.Pow<ilawarbrrda przede wszystkim powierzchnie miedzyfazowe o naj-m/lWISl.l~Jl'nl'rgii. Ogólnie mozna stwierdzic, ze podczas spiekania'''"lcll.t! h~'di"ll'd;,;iy' dn stanu, w którym jego calkowita energ.iaII: 1.1V /I Il w h ISl IUIJ111n it'jsl.;l.

I'lIdl II" "pll'~iI/lII'/lIdllllll'/lllai"Y lll'kll" dl'l vd"lilll "/IlU '1'1111 111011

..I

zjawisk~zwilzania fazy stalej przez Giecz.Zwilzanie charakteryzowane'L'sl w sposób ilosciowy za pomoca dwóch katów:. skrajnego kata zwilzania Q (rys. 4.29),. dwusciennego kata zwilzania cp (rys. 4.31).

Wartosci tych katów zaleza od energii powierzchniowych napowierzchniach poszczególnych faz. Skrajnym katem zwilzaniaw ukladzie trójfazowym: faza stala - faza ciekla - faza gazowa,nazwano kat zawarty miedzy sladami pla~zczyzn poprowadzonychstycznie do powierzchni rozdzialu fazy stalej z faza ciekla i fazy cieklejz faza gazowa w punkcie styku wszystkich trzech faz (rys. 4.29).W warunkach równowagi cosinus skrajnego kata zwilzania wynosi:

cos f3 = (Xsa - (XSC(XCG

gdzie:(XSG- energia powierzchniowa na granicy rozdzialu faza stala - faza

gazowa,(XSC- energia powierzchniowa na granicy rozdzialu faza stala - faza

ciekla,(XCG- energia powierzchniowa na granicy rozdzialu faza ciekla

- faza gazowa.Jezeli skrajny kat zwilzania Q. = O,to ma miejscecalkowitezwilzaniefazy stalej przez ciecz, przy kacie Q = 1800wystepuje calkowity brak

Paza gazowa

Rys. 4.29. Skrajny kat zwilzania

zwilzania. Umownie przyjmuje sie, ze faza stala jest zwilzana przezciecz, jezeli kat zwilzania Q ma wartosc mniejsza od 900. Od' wartoscikata Q zalezy rodzaj sil dzialajacych miedzy czastkami fazy stalej.W przypadku dobrego zwilzania faza ciekla sciaga czastki wzajemniedo siebie (rys. 4.30a), natomiast przy braku zwilzania czastki beda odsiebie odpychane (rys. 4.30b).

Dwuscienny kat zwilzania cpw materiale dwufazowym: polikrysta-liczna faza stala - faza ciekla jest katem zawartym miedzy powierz-

14X

aj\. li/

I//1\'"

Rys. 4.30. Sily dzialajace miedzy czastkami fazy stalej rozdzielonymi fazaciekla [14J: a) dobra zwilzalnosc, b) brak zwilzalnosci

b)

rhniami miedzyfazowymi utworzonymi przez ciecz z dwoma sasiadu-,.,cymi ziarnami fazy stalej w punkcie przeCiecie tych powierzchni

/ granica ziarn (rys. 4.31). W warunkach równowagi cosinus kata ~wynosI:

cp l (Xss

cos = 2" = :2 (Xsc!{dzie:

-x"" energia powierzchniowa na granicy ziarn fazy stalej.Jczeli (Xscjest mniejsze od polowy (Xss, to ciecz bedzie wnikac

W/(I/lIZcalej granicy miedzy ziarna fazy. stalej, oddzielajac je i tworzacd\\ Il' powierzchnie miedzyfazowe

(wla stalego z ciecza. Im mniejszy Paza \W'"I dwuscienny kat zwilzania, tym ciekta ~I IXSC1.11wIl:; ciecz penetruje miedzy ziar-/1.11111 I:IIY stalej, co ma znaczny Pazastala\\ pl~w na powstawarie szkieletu ........

I III. rosi liarn fazy stalej. DlategoI hl o)l u/yskac drobnoziarnista stru-

~1111\ /lla Il'ria lów spiekanych zIId l.rll'lI1 fil/Y cieklej nalezy zapew-

lIII dohn, Iwilzalnosc fazy stalej Rys.4.31. Dwusciennykat zwilzaniapl 't ('11'(.1

r~d p'O('L''' sp/l'kania / udzialem fazy cieklej skladaj., sir fin~ nil 1111 (Lip}

pl "VI "POWoI/lII' l/:'IiI('k fal Y lilak" W...kllll'k Il-p~ mnO\\'I'VO pl\/l11I11III . In \

Pazastata

. rozpuszczanie ziarn fazy stalej w cieczy i ponowne wydzielanie,

. spiekanie szkieletu utworzonego z ziarn fazy stalej.Na rys, 4.32 pokazano hipotetyczna krzywa ilustrujaca wplyw

czasu spiekania na zmiane gestosci spieków. Na krzywej zaznaczonozakresy odpowiadajace kolejnym etapom spiekania. poszczególneetapy moga sie czesciowo nakladac i przebiegac równoczesnie w zalez-nosci od rodzaju materialu.

100,III

I - plyni~cie lepkosciowecieczy1/- rozpuszczanie i wydzielanie

//1- spiekanie w fazie stalej

l 10 100 1000czas spiekania, godz.

Rys. 4.32. Kinetyczna krzywa skurczu podczas spieka-nia z udzialem fazy cieklej

Najintensywniejsze zageszczenie ma miejsce w pierwszym etapie.Zage-s~~zenje_przez lepkosciowe plyniecie ~ieczy wystepuje przedewszystkim w materialach, w których faza stala nie rozpuszcza Siew cieczy. Moze równiez wystepowac w poczatkowym stadium spieka-nia materialów, w których faza stala rozpuszcza sie w cieczy. Warun-kieg1koniecz!1ymzageszczania .przez lepkosciowe plyniecie jest dobrazwilzalnosc fazy stalej przez ciecz, Z chwila stopienia SkladiiikaIafWiejtopliwego w spiekaaym materiale, ciecz wnika w pory miedzy czastkg:--mi fazy ~taleji pokrywa powierzchnie tych czastek. Zanikaja miedzyfa-zowe powierzchnie fazy stalej z gazem, a tworza sie powierzchnierozdzialu: faza stala - ciecz i ciecz - gaz. Czastki fazy stalej zostajajakby zawieszone w fazie cieklej, Poniewaz ciecz dazy do zajeciamozliwie malej objetosci, to czastki fazy stalej przemieszczaja sie wrazz ciecza w kierunku srodka spiekanej ksztaltki powodujac jej skurcz.

150-

Przegrupowanie czastek fazy stalej wskutek lepkosciowego plynie-cia zachodzi tylko wtedy, gdy zostana one rozdzielone przez fazeciekla. Ma to miejsce w przypadku, gdy dwuscienny kat zwilzania jestbliski zeru. Jezeli kat ten ma duza wartosc, to ciecz nie bedzie wnikacmiedzy wszystkie ziarna fazy stalej, bardzo szybko powstanie szkieletfazy stalej i dwa pierwsze etapy spiekania zostaja praktycznie w krót-kim czasie wyeliminowane, a dalszy proces zageszczania zachodzibardzo wolno.

Jezeli istnieje dobra zwilzalnosc fazy stalej przez ciecz, to przyodpowiedni~j ilosci fazy cieklej moze nastapic calkowite zageszczeniematenalu w wyniku samego procesu lepkosciowego plyniecia cieczy.-

Dnlgi etaR spiekania materialu w obecnosci fazy cieklej mozezachodzic, gdy:. istnieje znaczna rozpuszczalnosc fazy stalej w cieczy,. wystepuje wystarczajaca ilosc cieczy (co najmniej 5% objetoscio-

wych),. wartosc dwusciennego kata zwilzania jest bliska lub równa O.

Wskutek przenikania cieczy wzdluz granic ziarn fazy stalej posz-czególne ziarna-zostaja od siebie oddzielone. W tym stadium nastepujerozpuszczenie w cieczy malych ziarn, dyfuzja atomów fazy' stalejw cieczy i'ponowne wydzielenie na powierzchni ziarn wiekszych. Takwiec ma miejsce rozrost ziarn duzych kosztem ziarn malych. NastepujerÓwniezwygladzeniei zmniejszeniepowierzchnirozdzialu fazy stalej/ dccza. Material z wypuklychpowier~chniroz'puszczasie i wydzielapOllownie W miejscach wkleslych.

W trzecim etapie spiekania, gdy wskutek nieodpowiedniej zwilzal-IIO"l"ziarna fazy stalej utworza sztywny szkielet, proces zageszczaniaIIw.lrllnkowany jest procesami samodyfuzji, tak jak ma to miejsce\'- puypadku materialów jednoskladnikowych. Spiekanie z wystapie-llilIII fazy cieklej stosuje sie dla takich materialów, jak: Cu-Pb, W-Cu,\\ ")I. WC-Co, Cu-Sn-grafit, Fe-Cu itp.

I th. SI_ickanie aktywowane

I~tl'wOWllllieprocesu spiekania polega na intensyfikacji zmian\' ,"'''IIOStlspiekanych ksztaltek wskutek dzialania dodatkowych czyn-I\I~ow Mt'tody aktywizacji spiekania dzieli si~ na dwie p,rllpy' fai'YCi'IIl'I llllllllllll'

I I

. infiltracja polegajaca na calkowitym zanurzeniu spieczonego szkie-letu w cieklym metalu lub stopie, przy czym dzialanie kapilarnepowoduje wciagniecie stopionego metalu w glab materialu (rys.4.33b). Metoda ta jest bardzo wygodna w praktyce. Wade jejstanowi to, ze pory szkieletu sa wypelniane ciecza ze wszystkichstron równoczesnie, zamykajac w ten sposób droge wyjscia dlagazów zapelniajacych pory;

. infiltracja przez nalozenie na porowaty szkielet odpowiedniej iloscimetalu lub stopu nasycajacego, który po nagrzaniu do odpowied-niej temperatury ulega roztopieniu i wnika w pory szkieletu (rys.4.33c).Sposród wielu czynników ulatwiajacych przebieg procesu infiltracji

nalezy wymienic nastepujace:. mozliwie duze róznice w temperaturze topnienia trudno i latwo

topliwego skladnika,. wzajemna rozpuszczalnosc obu skladników powinna byc jak naj-. . .

mme]sza,. podczas infiltracji nie powinny tworzyc sie nowe skladniki struktu-

ralne, takie jak: eutektyki, roztwory stale, fazy miedzymetaliczne,które przez wzrost objetosci lub gestoplynnosci hamuja procesinfiltracji;

. nalezy unikac zanieczyszczen powlok tlenkowych na powierzchniszkieletu fazy stalej,

. jezeli metal latwo topliwy tworzy stopy z materialem szkieletu,nalezy stosowac stopy o skladzie, jaki uzyskuje sie w temperaturze,w której odbywa sie proces infIltracji,

. zalecane jest prowadzenie procesu infiltracji w prózni, szczególniew przypadku zlej zwilzalnosci.Jedna z wad procesu infiltracji jest to, ze nie mozna uzyskac

materialów o dowolnym skladzie chemicznym, gdyz zawartosc trudnotopliwego skladnika ograniczona jest porowatoscia szkieletu. Mini-malna porowatosc trudno topliwego szkieletu wynosi 13+15%, gdyzprzy nizszej porowatosci wiekszosc stanowia pory zamkniete niepolaczone z powierzchnia. Natomiast maksymalna porowatosc niemoze przekroczyc 40+ 60%, poniewaz przy wyzszej porowatosciszkielet nie ma odpowiedniej wytrzymalosci.

W wyniku procesu infIltracji otrzymuje sie materialy o lepszychwlasnosciach mechanicznych w porównaniu z materialami otrzymany-

154

11\1metoda prasowania i spiekania. Metode infiltracji wykorzystuje sie~ produkcji styków elektrycznych, materialów lozyskowych, stali1I.,o;ycanejmiedzia i innymi metalami, materialów ceramiczno-meta-III .nych itp.

'\.K. Atmosfery spiekania

I.c wzgledu na koniecznosc ochrony wyrobów spiekanych z pro-~IJWmetali przed utlenianiem, spiekanie wykonuje sie w atmosferach

l" hronnych. Atmosfery spiekania sa redukujace i obojetne. WybórIllIIosfery spiekania zalezy od wymagan stawianych materialom-llIlkanym i wzgledów ekonomicznych. Najkorzystniejsza atmosferaI "ukujaca jest czysty suchy wodór. Jednakze jest on stosunkowoIIIIV,'i w skali przemyslowej czesciej stosuje sie zdysocjowany amo-

III I~. lO-krotnie tanszy Qd wodoru.Dysocjacja amoniaku zachodzi w temperaturze 750+800°C

IIbccnosci katalizatora, którym sa ksztaltki szamotowe wypelnione11I..drobnionym niklem. Otrzymana mieszanina gazów zawiera objeto-,IIIIWO75% H2 i 25% N2.

Podczas stosowania wodoru lub zdysocjowanego amoniaku nalezy1'-IIII,rytaco mozliwosci odweglenia spieków. Z tych wzgledów do"lIl"kaniaelementów stalowy.cho zawartosci wegla powyzej 0,3% oraz

yprasek z miedzi i jej stopów z duza iloscia grafitu stosowane saIllIIosfery otrzymane z czesciowego spalania gazu ziemnego. SkladII yo;kanej atmosfery zalezy od stosunku ilosci powietrza do ilosci1111tilllU. Przy objetosciowym stosunku obu reagujacych gazów od'1 I do 2,7:1 otrzymuje sie endogaz, a przy stosunku od 6:1 do 8:1

('I/:o{jaz.Glównymi skladnikami tych gazów sa: CO, H2' CH4, N2.'lIIosfcra spiekania jest równiez konwertorowany gaz ziemny otrzy-

"'IIIY W wyniku reakcji:

CH4 + H20 = 3 H2 + CO

. ollwcrtorowany gaz ziemny stosuje sie przede wszystkim w ZwiazkuIl uli.lcckim.

Atmosfere redukujaca stanowi takze tlenek wegla, np. w przypad-~II o;p,ckania materialów na osnowie miedzi. Atmosfery obojetne.LIIIOWIIItakk gazy, jak: azot, argon, hel. Jako atmosfere ochronna11111'11,1 roWlUl~l traktowac prózni\(.

4.3.9. Piece do spiekania

Konstrukcja pieców stosowanych do spiekania materialów poro-watych powinna umozliwic przeprowadzenie procesu w atmosferachspiekania. Wymagany jest równiez bardzo równomierny rozkladtemperatury w strefie grzania oraz dokladna kontrola temperatury. Zewzgledu na charakter pracy pieców rozróznia sie dwa typy konstruk-CJI:. piece do pracy okresowej (dzwonowe, muflowe),. piece do pracy ciaglej (rolkowe, tasmowe).

W praktyce przemyslowej stosuje sie piece elektryczne oporowelub indukcyjne, badz piece gazowe.

Na rysunku 4.34 pokazany jest schemat pieca dzwonowego.Komo-re spiekania stanowi stalowy dzwon 1 ustawiony na trzonie pieca.

Ogrzewanie dzwonu odbywa sie za po-moca elementów grzejnych 2, umiesz-czonych na wewnetrznej powierzchniceramicznego dzwonu 3, którym po-kryty jest dzwon stalowy. Gaz stano-wiacy atmosfere spiekania jest dopro-wadzany do komory spiekania przewo-dami.4. Po zakonczeniu spiekania zew-netrzny ceramiczny dzwon moznaprzeniesc na nastepny piec i tym sa-mym skrócic czas nagrzewania drugie-go pieca oraz czas chlodzenia pierwsze-go. Zaleta tego typu pieców jest prosta

Rys.4.34.Schematpiecadzwono- konstrukcja i mozliwosc spiekania ma-wego[6J terialów zawierajacych srodki poslizgo-

we lub skladniki stopowe intensywnieparujace podczas spiekania, bez obawy uszkodzenia elementów grzej-nych. Wade tych pieców stanowi stosunkowo niska temperaturapracy, nie przekraczajaca 1150cC oraz niewielka wydajnosc w porów-naniu z piecami innych konstrukcji.

W produkcji masowej powszechnie sa stosowane piece rolkowei tasmowe do pracy ciag/ej o duzej wydajnosci. Sa to przewaznie pieceelektryczne oporowe. W piecach tych lódki ze spiekanym materialemprzesuwaja sie z komory zaladowczej przez strefe grzewcza i chlodni-

4

t

156

cza do komory wyladowczej (rys.4.35).Dzieki zastosowaniu drzwiczekz zaslona gazowa, która zapala sie automatycznie przy otwieraniupieca i uniemozliwia dostanie sie powietrza do wnetrza, mozliwe jestladowanie i wyladowanie wsadu podczas pracy w podwyzszonej

3 4

Rys. 4.35. Schemat pieca tasmowego [IJl komora wstepnegopodgrLcwania.2 komora spiekania.3 chlodnica.4 tasmu

temperaturze w atmosferze wodoru. Piece tasmowe moga pracowacw temperaturze do 1200cC.Wydajnosc pieców do spiekania o dziala-niu ciaglym jest wysDka i wynosi ok. 300 kg/godz.

Piec tasmowy do spiekania w atmosferze endogazu pokazano narys. 4.36.

.......

Rys. 4.36. Produkcyjny piec o dzialaniu ciaglym

I'" '

. wytrzymaloscina rozciaganie i zginanie,

. wlasnosci technologicznych.Podstawowa wlasnoscia okreslana we wszystkich materialach

spiekanych jesT gestos-c. Gestosc wyprasek i spieKow -okresla_siemetoda geometryczna lub na podstawie prawa Archil!ledesa~ tj.przez wazenie badanych próbek w powietrzu i w wodzie (wgPN-71/H-04934). Metoda geometryczna jest stosunkow() malo do-kladna i mozna stosowac ja tylko wtedy, gdy wypraska lub spieJcmaregularny ksztalt i objetosc mozna obliczyc na podstawie wymiarówuzyskanych z pomiarów sruba mikrometryczna. Nastepnie dzielimymase próbki przez jej objetosc i obliczamy gestosc wyrazonaw Mg/m3.

Zn:1C'.znieclokladniejsza iest me!o.dJLQparta.-!lapr~~hiInede-sa, W tej _metodzie objetosc \yyQ.faskilub spieku oblicza sie z rózIlic;ymasy próbki wazonej w powietrzu i wwoozle. Ponie;~ podczaswazeniawoda wnika w pory znajdujace SIe-w strukturze próbki,uzyskana wartosc jest zanizona. Aby temu zapobiec próbki przedwazeniem w wodzie nasyca sie odpowiednim olejem albo specjalnymimieszaninami oleju i innych skladników. Wówczas przy obliczaniugestosci nalezy uwzglednic mase oleju znajdujacego sie w porach.Gestosc wyprasek lub spieków oblicza sie ze wzoru

d = mpdc(mo - mw)

w którym:d - gestosc próbki,mp - masa próbki,mo - masa próbki nasyconej olejem,mw - masa próbki nasyconej olejem wazonej w wodzie,de - gestosc cieczy.

Aby okreslic porowatosc calkowita wypraski lub spieku nalezy,

znajac gestosc teoretyczna d" obliczyc gestosc wzgledn~, e = * 'JOO%.I

Porowatosc calkowita warazona w % ohlicza sie ze wzoru

Pc = JOO - e

Porowatosc otwarta Po oblicza sie w nastepujacy sposób:

Po = (mo - mp) de . 100%(mo - mw) do161

j

1JJ

1~

w którym:do - gestosc oleju uzytego do nasycenia próbki. Porowatosc zamknietaP" stanowi róznice miedzy Pc i Po.

Druga czesto kontrolowana wlasnoscia spieków jest ich twardosc.Ze wzgledu na obecnosc porów w strukturze pomiary wykonane zapomoca stozka diamentowego moga byc obarczone duzym bledem.Jezeli nie ma trudnosci z odczytem srednicy odcisku, to pomiartwardosci spieków wykonuje sie metoda Brinella. W przypadku gdypory utrudniaja pomiary srednicy odcisku mozna zastosowac metodeRockwella lub przeprowadzic pomiar glebokosci odcisku kulki o sred-nicy 2,5 lub 5 mm, pod obciazeniem 612,5 N.Sposób wykonywania pomiarów twardosci materialów spieka-nych reguluja: normy: PN-69/H-04940 oraz PN-79/H-04355,PN-74/H-04360, PN-74/H-04360 i PN - 70/H - 04362.

Pomiary wytrzymalosci na rozciaganie spieków przeprowadza siezgodnie z norma PN-75/H-04937, stosujac próbki wykonane w trakcienormalnej produkcji, z zastosowaniem zwyklych parametrów procesutechnologicznego. Znormalizowana próbka do badan wytrzymaloscio-wych jest pokazana na rys. 4.39. Cecha szczególna próbki wytrzyma-

aj

3281:!:O,5

. 89.7:!:o,5

Rys. 4.39. Próbka wytrzymalosciowa

losciowej jest zwezenie w srodku dlugosci pomiarowej wynoszace 0,25 -mm. Zwezenie to wykonuje sie w celu "narzucenia" miejsca zerwaniapróbki. W przypadku braku zwezenia, wskutek obecnosci poróww strukturze, zerwanie moze nastapic poza dlugoscia pomiarowa.Podczas próby rozciagania okresla sie wytrzymalosc na rozciaganiei wydluzenie na dlugosci pomiarowej 25 mm.

1631I

Wytrzymalosci na rozciaganie oblicza sie ze wzoru

RmFm

=-:4

w którym:F. _ maksymalna sila odczytana podczas próby rozciagania,N,A _ przekrój poprzeczny próbki, mm2. .

Wytrzyma/Dsc na zginanie wyrobóW otrzymanych metoda meta-lorgii proszków okresla sie zgodnie z norma PN_70/H-04942. Dopomiaru wytrzymaloSCina zginanie stoSowane sa próbki o Wymiarach6x6x4Omm wykonane w tych samych warunkach technologicznych cowyroby spiekane. Schemat próbY jest przedstawiony na rys. 4.40.

Rys. 4.40. Schemat próby zginaniaI tlok prasy, 2 _ wspomik, 3 - badana próbka, 4 - stól prasy

WytrzymalosC na zginanie okresla wzór

R = 37,5 . ~g a2b

w którym:a _ grubosC próbki, mm,b _ szerokosc próbki, mm,Fm - sila niszczaca, N.

Technologiczne badania wlasnosci Wytrzyma!oSCiowychmaja nacelu ustalenie wlasnosci materialów spiekanych w warunkach, w ja-kich danY element bedzie pracowac. W tym przypadku Wytrzymaloscspieków okresla sie na podstawie, np.: ubytku masy, powstalychpekniec i wykruszen itp. .

164 --

,I

\,

\,

I

IIJ

b) ejp p

Rys. 4.41. Badania technologiczne wlasciwosci wytrzymalosciowych spieków [23]:a) próba przepychania, b) próba zginania zeba, c) próba zginania, d) próba zginaniadzwignil - badana próbka, 2 - przepychacz - stempel, 3 - rolki, 4 - pryzma. 5 trzpien z plyta

W zaleznosci od: charakteru pracy, rodzaju obciazenia i ksztaltuspieku sa stosowane rózne próby, przykladowo przedstawione na rys.4.41.

4.8. Bezpieczenstwo i higiena pracy przy produkcji spieków

Ze wzgledu na specyficzne warunki pracy i stosowany materialwyjsciowy, jakim sa proszki, w zakladach przemyslowych metalurgiiproszków zawsze istnieje niebezpieczenstwo wybuchu i pozaru. Przy- -czynami wybuchów i pozarów moga byc:

. atmosfery redukujace stosowane podczas spiekania,

. wystepowanie pylów metali w powietrzu,

. sklonnosc drobnych proszków metali magazynowanych w zbiorni-kach do samozapala:-;9 sie.Szczególna uwage nalezy poswiecic pracy pieców i innych urzadzen

pracujacych z atmosferami ochronnymi zawierajacymi wodór, któryzmieszany z tlenem tworzy mieszanine wybuchowa. Wszystkie zaworyi rurociagi przewodów gazowych powinny byc dokladnie sprawdzonena szczelnosc. Zawory powinny byc latwo dostepne i widocznieoznaczone. Kazde doprowadzenie gazu, stanowiacego atmosfere spie-kania, do pieca powinno byc oddzielone od glównego przewodugazowego zwrotnym zaworem bezpieczenstwa. Budynek, w którymznajduje sie hala piecowa, powinien byc mozliwie lekkiej konstrukcjii nic zawierac innych pomieszczen. Przy stosowaniu atmosfer zawiera-

165