10. PRÁŠKOVÁ METALURGIE. - způsob ovlivňuje i vlastnosti výrobku

Transkript

1 10. PRÁŠKOVÁ METALURGIE je moderním a rozvíjejícím se oborem - rozšíření II. světová válka - přednosti : využití %, získání výrobků specielních vlastností (jež jinými metodami nelze získat), spojení kovu a nekovu - celkový výrobní cyklus : výroba prášků (polotovaru), zhutňování, slinování ev. dokončovací operace 10.1 Výroba prášků - způsob ovlivňuje i vlastnosti výrobku Fyzikálně mechanické způsoby mechanické - jako konečná nebo doplňující operace - různé mlecí agregáty a tělesa - za sucha i za mokra - vysokoenergetické způsoby (attritory /obr. 10.1/, Cold-stream) - zpevňování, vyčerpání plastických vlastností, křehké mikrotrhliny - disperznost závisí na podmínkách (zastavuje se - spojování částic) rozprašování tekutého kovu /obr. 10.2/ - nejproduktivnější, nejlevnější - plyn, tekutina, odstředivá síla - velikost částic závisí na podmínkách (viskozita taveniny, velikost rozprašovací energie) - chemický vliv prostředí (voda, vzduch, inertní plyn, vakuum) - natavení polotovarů elektrickým obloukem, plazmou neb elektronovým paprskem - vliv čistoty kondenzace z plynné fáze - kovy s nízkou tenzí par (sublimace) - Zn,Mo - Chemické a elektrochemické způsoby Obr. 10.1: Schéma attritoru /1- základ, 2-stojan, 3-mlecí válec, 4- hřídel, 5-chladící kapalina, 6- oběh, 7-mlecí kuličky, vsázka a kapalina/ chemická redukce a rozklad - významné pro získávání prášků z chudých rud ev. odpadů - př. železo z rud a okují (redukce koksem při C - železná houba) - vysoce jakostní prášek Fe a Ni rozkladem pentakarbonylu železa a tetrakarbonylu niklu - vznik průchodem CO přes chudé nositele (tlak až 30 MPa, teplota C) - zkapalnění a rozklad za zvýšených teplot - uzavřený cyklus - výsledkem jemné částice (2-15 µm) talířového typu vysoké čistoty - pro získání prášků titanu se používají silné redukční látky (Ca, Na) nebo se častěji provádí redukce chloridů - možno využít odpadů (TiCl 4 se za vyšších teplot redukuje na chloridy nižšího typu a kovový titan) elektrolytické způsoby - elektrolýza se může provádět z vodných roztoků nebo roztavených solí - prášky vysoké čistoty, velikost a tvar závisí na podmínkách - lze čistit a zpracovávat odpady, vyšší energetická náročnost - různé typy katod selektivní rozpouštění - viz koroze po hranicích zrn NiCr ocelí Obr. 10.2: Schéma zařízení pro stříkání prášků /1-pánev s taveninou, 2-keramická výlevka, 3- tryska, 4-chladící nádoba/ 10.2 Hodnocení prášků a jejich úprava morfologie, rozměry, distribuce, chemické složení, vnitřní struktura - Třídění - granulometrické složení (frakce) - mechanické - prosévání nad 40 µ 1

2 sedimentace (usazování) - rychlost klesání v kapalině závisí na objemu, tvaru a hustotě částice i na viskozitě kapaliny vzdušná separace plyn, viz výše + urychlení v silovém poli Čistění - využití rozdílných vlastností částic - elektrostatické magnetické odplyňování - ve vakuu nebo redukce (pro oxidační vrstvy) pomocné látky - zlepšení technologických vlastností (obvykle zhoršení tekutosti prášku) - stearáty zinku - plastifikátory - odstranění před slinováním (pórovitost) Míšení a homogenizace - sjednocení vlastností v objemu - obvykle mechanické (vhodné za mokra - netvoří se aglomeráty) - vysokoenergetické (mechanické legování - např. Cold-stream) souvisí s úpravou tvaru a vnitřní struktury částic - Úprava tvaru a velikosti částic - globulitické dobrá tekutost a lisovatelnost, špatná slinovatelnost - velikost (mletí neb aglomerace) - technologické vlastnosti prášků: sypná hustota, tekutost, lisovatelnost, slinovatelnost 10.3 Zhutňování Zhutňování (formování) - dodává tvar, rozměry a předběžné vlastnosti výrobku - s použitím tlaku nebo bez tlaku - za tepla nebo za studena - Obr. 10.3: Schéma stádií lisování prášků /1-zásyp, 2-přemístění částic prášků, 3-5 zhutňování vlivem deformace částic prášků/ S použitím tlaku - lisování - nejčastější - v průběhu lisování změny hustoty i změna vlastností částic prášků /obr. 10.3/ - sypná hustota - kontakt částic nedokonalý (cca 10-6 povrchu - póry více jak 50 %) - závisí na tvaru, velikosti a distribuci částic i jejich vlastní pórovitosti - sypné těleso je přechodem mezi kapalinou a tuhým tělesem - hydrostatický tlak nerovnoměrný (tření na styku částic i částic s formou) - anizotropie vlastností výrobku stadia lisování - změny v celém objemu i v jednotlivých částicích - hustota závisí na lisovacím tlaku /obr. 10.4/ - lisovací tlak závisí na tvaru částic i na jejich vlastní Obr. 10.4: Závislost poměrné hustoty na lisovacím tlaku struktuře tj. na "tření" částic a jejich plastických vlastnostech - nerovnoměrnost rozložení tlaku způsobuje elastické radiální napětí ve výlisku - při vytlačování z formy je třeba toto překonat (nebezpečí poškození) - snaha o homogenní pole - dvojstranné lisování - razníky dle výšky výlisku (zajištění stejného zmenšení objemu - maziva a plastifikátory - 2

3 technologie - plnění (podle hmotnosti nebo objemu) - lisování (stálý tlak nebo stálá výška výlisku) - technologičnost výrobků - poměr D/H = ne kolmé otvory a zápichy, ostré přechody průřezů - různé druhy ohřevů - izostatické lisování - pomocí kapaliny nebo plynu (všestranné) přes elastické pouzdro - problematika pouzdra (udržení tvaru, chování jako kapalina, nesmí reagovat, levné) - jednoduché kaučuk i kovové - za tepla i za studena - výhody: rovnoměrnost tlaku, hrubé i jemné částice i vysoké tvrdosti, odstranění třecích sil o stěnu formy) - pro předlisky není nutné pouzdro (forma) - vysoký stupeň zhutnění (přibližuje se teoretické hustotě) válcování - pásy, plechy - nižší počet průchodů, nízká rychlost válcování (0,05-1,0 m.s x nižší), vyšší slinovací teplota (rychlost difúze) - možnost plynulého válcování - výroba vícekomponentních pásků (výstelky ložisek), těžkotvařitelných (magnetofonové pásky) ap. protlačování - profily, tyče, trubky ap. - za studena i za tepla - nižší rychlosti - za studena obvykle plastifikátor - v keramice (tažení % škrobový maz, bentonity) - kovové parafin - za tepla polotovary nebo prášky - hutné výrobky (vlivem tváření rušení oxidických filmů) vysokými rychlostmi (explozí) - tlaková vlna na píst nebo pouzdro - silná plastická deformace, zvýšení teploty, rovnoměrnější zhutnění kování - prášku nebo předslinovaného výrobku - dosahuje se hustot skoro teoretických - dříve infiltrace nebo dvojité lisování a slinování - dnes zpracování výlisku 80 % hustoty - výrobní postup (sled operací, druhy ohřevů, výhody) - Bez použití tlaku Obr. 10.5: Schéma keramického lití /1-dělená forma, 2-výrobek, 3-zbytek suspenze (břečky)/ 10.4 Slinování jednodušší zařízení - menší série, větší výrobky - volné slinování ve formě (zásyp) - velké smrštění - materiál formy nesmí reagovat (dělící nátěry) zhutnění vibrací - viz předchozí + vibrace (rozrušení vytvořených konglomerátů částic) - dle podmínek určité maximum keramické lití /obr. 10.5/ - stabilita suspenze (kaše, břečka) - pórovitá forma (odsátí vody) - postup pro duté nebo plné výrobky - vysoká rovnoměrná pórovitost, nižší rozměrová přesnost (smrštění sádrové formy) - nákladovost (formy, doba) horké lití - plastifikátor tekutý za vyšších teplot (nad 60 0 C) - odstranění před slinováním Slinování (spékání, sintrování) - tepelné zpracování pod teplotou tání obvykle při 0,65-0,80 homologické teploty složky s nejvyšší teplotou tavení - působením teploty dochází ke vzniku styčných ploch ev. slitin i k odstranění zpevnění částic - někdy se používá dvoustupňového procesu (předslinování a vlastní slinování), příp. slinování za tlaku - převyšuje-li slinovací teplota teplotu tání jiné složky ev. eutektika mluvíme o slinování za vzniku kapalné fáze - jedná se o difúzní děje (teplota a čas) - hodnocení slinování obvykle pórovitost ev. hustota - stadia (prolínají): Obr. 10.6: Schéma stádií slinování dvou sférických částic tvorba a růst mezičásticových rozhraní zmenšování objemu spojitých pórů zmenšování izolovaných pórů jednosložkové - obecné závislosti (vliv času a teploty) - schéma modelu tvorby a růstu spojů (dvě ideální kulové částice) /obr. 10.6/ - - vliv povrchového napětí (kapilárních sil) - snaha o zmenšení povrchu (na vnějším tlakové napětí, v krčku tahové) - viskózní tečení u amorfních látek - tlak par nad zakřiveným povrchem - obdobné (vypuklé plochy sublimace, vyduté -krček- kondenzace) 3

4 - analogický tok vakancí - v oblasti tahového napětí (krček) zdroj vakancí - anihilátory vakancí tlakové oblasti, povrch, hranice zrn - opačný průběh tok atomů - anihilace vakancí závisí na koeficientu difúze - nejvyšší povrchová (vysoká koncentrace poruch), objemová nižší - modely migrace vakancí - skutečné částice - stadium zmenšování pórů - obdobně jako u částic snížení povrchové energie - povrch póru zdrojem vakancí - sferoidizace a zmenšování - vliv délky difúzní dráhy - vliv velikosti pórů (koncentrační spád vakancí - přerozdělování) vícekomponentní systémy - složitější problematika (různá rozpustnost, různý difúzní koeficient, různá teplotní pnutí ap.) - kladné i záporné ovlivnění - obecně snaha o vyrovnání koncentrací (gradientů - minimum volné energie) - př. binárních systémů (závislost na teplotě a čase) - různý koeficient difúze (Kirkendalův jev - např. Cu do Ni vyšší-póry v Cu) - částečná rozpustnost (míra smrštění závisí na vlastnostech fází) - nerozpustné (závisí na povrchovém napětí mezifázového rozhraní - spoj možný, když je toto nižší než volné) - za vzniku kapalné fáze - nižší aktivační energie v tekuté fázi - pro difúzi přes tuto fázi nutná minimální rozpustnost - rychlejší a intenzivní zmenšení pórovitosti, větší smrštění - kapilární síly vyplní póry - důležitá smáčivost tekuté fáze - infiltrace - dodatečné přidávání komponenty s nízkou teplotou tání do pórovitého skeletu (nasycování) - bez smrštění i polymerní materiály - způsoby infiltrace 10.5 Výrobky práškové metalurgie ekonomický ukazatel - úspory materiálu, náklady obrábění, náklady surovin - ev. jinými způsoby nevyrobitelné - více operací (vyšší přesnost, hustota) vyšší náklady - následné operace (třískové obrábění, tepelné a chemicko-tepelné zpracování, povrchové úpravy) Výrobky všeobecného použití: jednoduché bez vyšších nároků požadované mechanické neb jiné vlastnosti na bázi železa - prášek (technologické vlastnosti, úpravy) - Fe 0,1 %C, R m= MPa, A = 15 % - ovlivnění mechanických a technologických vlastností přísadami (litina, grafit, měď) - R m až 550 MPa, A = 1-7 % - problematika legování dalšími prvky (Mn, Ni, Mo, Cr - afinita ke kyslíku) - předlegování neb feroslitiny - ostatní kovy na bázi Cu, Al ap. Kluzné materiály samomazná ložiska - rovnoměrná pórovitost 1/3 otevřená - mazivo ropné produkty ev. polymerní - kovový skelet (CuPb, Fe, Al) - vytváření mazací vrstvy ložiska s plynným polštářem - pórovitost - vyšší rychlosti pro vysoké teploty - pevná maziva (grafit, sulfidy, selenidy ap.- vyšší součinitel tření) - teploty dle základní báze (Fe C, Bz C) - použití i pro nízké teploty, agresivní prostředí ev. prostředí bez zbytků maziv (textil, tisk) - ložiska grafitová - teflonová ložiska infiltrovaná nebo slinovaná (slinování C) výstelky pístní kroužky - Třecí materiály požadavky: stálý součinitel tření, nízké opotřebení - kompozity - kovová matrice (pevnost, tepelná vodivost) - zvýšení koeficientu tření (silikáty, oxidy) - bránící zadírání (grafit, sulfidy, nízkotavitelné kovy) - za sucha neb mazané - různé poměry složek - nejtěžší podmínky žáropevné keramické kompozity (cermety), použití do C, součinitel tření 0,3-0,7 - pro systém důležitost třecí dvojice - Filtry a porézní materiály kovové - pevnost, rozsah pórovitosti, necitlivost k nárazům - tlakové ztráty - sférické prášky zhutňované bez použití tlaku (rovnoměrné póry, pórovitost až 50 %) - ostrohranné (dendritické) prášky (nerovnoměrné póry, pórovitost až 70 %) - vyšší pórovitost ("kypřící" látky, rozkládající se za vyšší teploty např. (NH 4) 2CO 3) - pórovitost 90 až 98 % místo částic vlákna (neuspořádané) neb tkaniny (uspořádané) - kosmický průmysl pokovená viskózová vlákna - nejen filtry, NiCd články, katalytické procesy ap. Vysokotavitelné kovy např. W a Mo - vysoká transitní teplota, vliv čistoty surovin, obvykle plastifikátory - slinování přímým ohřevem průchodem elektrického proudu (Coolidgeova metoda - předslinování C, vlastní C) - další zpracování - použití - Řezné a brusné materiály 4

5 Obr. 10.7: Kvasibinární diagram soustavy WC-Co /T a-teplota slinování, X-složení slitiny s 6 %W/ kompozity na bázi metalických sloučenin a kovů - rychlořezné oceli - zabránění likvačním jevům - problematika: špatná lisovatelnost, afinita ke kyslíku - možnost zvýšení podílu karbidických částic slinuté karbidy - hexagonální karbid WC + kubický karbid TiC + kobalt ev. + další - důležitá morfologie částic a podíl kobaltu - rozdělení dle účelu (obrábění) - technologie (homogenizace prášků, lisování, slinování s tekutou fází /obr. 10.7/ C) - vysoká smrštivost - obvykle předslinování (pórovitost 60 % - obrobitelné) abrazivní výrobky a cermety brusiva (Al 2O 3, SiC, nitridy, boridy) oxidokarbidové kompozity - řezná keramika na bázi Al 2O 3 + dopované kovem Disperzně zpevněné soustavy /obr. 10.8/ princip podobný precipitačnímu zpevnění (zachování do 0,3-0,4 homologické teploty) - rozdíl: fáze nevzniká rozpadem tuhého roztoku, je stabilní a do systému vnesena (zachování do 0,5-0,8 homologické teploty) - vlastní efekt závisí na vlastnostech fáze, velikosti a rozložení i množství částic - pro vytvoření stabilní dislokační struktury obvykle částice nm, vzdálenost nm, tj objemových % - představitelem disperzně zpevněný hliník (SAP) - Al-Al 2 O 3 ev. Al-Al 4 C 3 - mletí v oxidačním resp. redukčním (grafit) prostředí (vmílání částic) - zpevnění a udržení za vyšších teplot - cena - podobně Ni slitiny (zpevňující fáze ThO 2 - dlouhodobé pevnosti při C) - Elektrokontaktní materiály vysokoproudé (silnoproudé) - přenesení výkonu (vznik oblouku, natavení) - většinou W,Mo + Cu,Ag - smíchání prášků ev. infiltrace do skeletu slaboproudé - přechodový odpor (koroze, přenos hmoty) - např. Ag disperzně zpevněný CdO ev. Ag + Ni kluzné - (grafit + měď) Magnetické materiály kovové Obr. 10.8: Závislost meze pevnosti různých hliníkových materiálů na teplotě /1-99 % měkký hliník, 2-slitina AlZnMgCu 1,5, 3-SAP s 10 % Al 2O 3, 4-Al s 10 % C (Al 4C 3)/ - měkké - čisté Fe (nízká koercitivní síla, vysoké magnetické sycení) - pentakarbonylové Fe (dvojnásobné lisování + slinování ve vodíkové atmosféře o C) - tvrdé (permanentní) - AlNiCo (8 %Al, 15 %Ni, 23 %Co, 4 %Cu, 1 %Ti) - neobrobitelné, špatně slévatelné (likvace, staženiny) FeAl + kovy (homogenizace, slinování C, smrštění 8-10 %, tepelné zpracování) - oxidické ferity - nízká hmotnost, vysoký měrný odpor - kationty Fe 2+ a Fe 3+ + další kovy Co,Ni,Zn,Mg ap. - magneticky měkké i magneticky tvrdé přechod záměnou dvojmocných a trojmocných iontů - nutnost dokonalé homogenizace (několikanásobné předslinování a drcení) - slinovací teploty C (měkké) resp C (tvrdé) - 5