mechanics.pl

Przeglądaj wersję html pliku:

materialoznastwo II - Nowacki - wszystko

I. Formowanie elementów z proszków metali

Przygotowanie proszków

Prasowanie matrycowe

Inne metody formowania

II. Spiekane kompozyty z osnową metaliczną

Metalurgia proszków

Rodzaje

Umocnienie materiałów komp. Zbrojonych

Dyspersyjnie

cząstkami

Metody wytwarzania spieków kompozytów z osnową metaliczną

III. Struktura właściwości i zastosowania wybranych spiekanych
kompozytów z osnową metaliczną

Umacniane dyspersyjnie

Zbrojone cząsteczkami

Węgliki spiekane

Węglikostale

Spieki metali na styki elektryczne

Spieki metaliczno-diamentowe

Spiekane materiały cierne

I.1. Przygotowanie proszków

Właściwości chemiczne i fizyczne użytych proszków oraz
właściwości ich spieków zależą od:

dokładności wymieszania proszków (metal podst. + pierwiastki stopowe
+ dod. poślizgowe)

czystości chemicznej

rozmiarów cząstek poszczególnych składników

Przygotowanie polega na:

wyżarzaniu redukującym proszków w atmosferze wodoru w temp. 400-800OC
w celu usunięcia powierzchniowych warstw tlenków

odważeniu porcji proszków metali i środków poślizgowych

mieszaniu w mieszalnikach lub młynach

Proszki metali plastycznych mieszane są zazwyczaj w mieszalnikach
łopatkowych i stożkowych. Proszki metali twardych i kruchych miesza
się w młynach kulowych.

Na sucho miesza się proszki o równej gęstości. Następuje wtedy
zaokrąglenie cząstek, wygładzenie ich powierzchni i zwiększenie
gęstości nasypowej.

Na mokro (+spirytus, benzyna lub woda) miesza się proszki o różnych
gęstościach w celu uniknięcia segregacji.

I.2 Prasowanie matrycowe

Prasowanie jest formowaniem proszku w zamkniętej przestrzeni matrycy
pod wpływem ciśnienia.

(rys prasownika)

Proszek w komorze matrycy w wyniku nacisku stempla zachowuje się w
przybliżeniu tak jak ciecz. Przez tarcie stykających się cząstek
oraz ścian matrycy nie jest spełnione prawo Pascala i ciśnienie
wywierane na boczne ścianki jest mniejsze od ciśnienia stempla:
pb=(0,3÷0,4)p gdzie: pb – ciśnienie na ścianki, p – ciśnienie
stempla. Spadek ciśnienia powoduje zmniejszenie gęstości wypraski.
Różnice w gęstości można zmniejszyć przez:

środki poślizgowe

smarowanie ścianek matrycy

zastąpienie prasowania jednostronnego – dwustronnym

Podczas prasowania proszku plastycznego wyróżnia się stadia:

przemieszczania cząstek względem siebie

odkształcenia sprężystego cząstek

odkształcenia plastycznego cząstek

Podczas prasowania proszku kruchego zamiast odkształcenia plastycznego
występuje kruszenie cząstek.

Wzajemne przesuwanie się i ruch obrotowy cząstek względem siebie
powoduje dopasowywanie się ich i stopniowy wzrost gęstości. W stadium
tym od powierzchni zaczynają odrywać się tlenki. Dalszy wzrost
ciśnienia powoduje odkształcanie się cząstek. Cząstki
odkształcają się najpierw na powierzchni a następnie odkształcenie
przesuwa się w głąb cząstek. Ciągle odrywają się i pękają
tlenki. Odsłonięcie czystych powierzchni metalicznych prowadzi do
tworzenia zgrzein między cząstkami. Wraz ze wzrostem ciśnienia
rośnie gęstość wypraski. Przyrost gęstości jest największy dla
małych ciśnień, a dla p>1000 jest równy praktycznie zero.

Po odciążeniu wypraska rozpręża się nieco zaklinowując w
ściankach matrycy. Aby ją wyjąć należy przyłożyć tzw. siłę
wypychającą. Rozprężenie wypraski zależy od rodzaju proszku,
środków poślizgowych i ciśnienia prasowania.

Gęstość wypraski zależy od:

A) właściwości proszku

B) sposobu i warunków prasowania

C) rodzaju stosowanych środków poślizgowych

A) Zagęszczalność proszku zależy od:

Rozmiaru i kształtu jego cząstek

Twardości

Stopnia utlenienia

Zawartości gazów

Najlepiej zagęszczają się proszki o średnich rozmiarach, ponieważ w
proszkach drobnych występuje b. duże tarcie podczas prasowania, a w
przypadku proszków grubych – mniejsze wypełnienie komory zasypowej.

Najlepiej zagęszczają się proszki o kulistym kształcie. Duża
twardość, wysokie utlenianie i duża zawartość gazów zmniejszają
zagęszczalność.

B) Stosuje się 4 metody prasowania:

Jednostronne – wywieranie jednostronnego nacisku stemplem górnym na
proszek w matrycy. Powoduje to różnice w rozkładzie ciśnień w
wyprasce a co za tym idzie – różna gęstość (największa pod
stemplem górnym).

Dwustronne – wywieranie dwustronnego nacisku stemplem górnym i dolnym
na proszek w matrycy. Rozkład ciśnień jest bardziej równomierny.
Wypraska ma najmniejszą gęstość w połowie wysokości.

Swobodne – odmiana prasowania dwustronnego na prasach działających
jednostronnie. Proszek prasowany jest stemplem górnym. Matryca jest
podparta na sprężynach i w skutek tarcia cząstek proszku przesuwa
się ruchem względnym do stempla dolnego, powodując wzrost gęstości
wypraski.

Sterowane – Matryca porusza się w tym samym kierunku co stempel dolny
ale 2x wolniej, co daje efekt ruchu względnego matrycy w stosunku do
obu stempli.

Prasowanie dwukrotne zapewnia szczególnie dużą gęstość wypraski
(ok. 95% gęstości materiału nieporowatego). Składa się z 4 etapów:

prasowania wstępnego pod ciśnieniem 400-600 MPa

spiekania wstępnego krótkookresowego – zwiększa gęstość i
zmniejsza twardość

prasowania końcowego pod ciśnieniem ok. 600 MPa

spiekania końcowego

Otrzymanie takiej gęstości metodą jednostronną wymaga użycia
ciśnień ok. 900-1000 MPa co powoduje intensywne zużywanie stempli i
matryc.

Prasowanie z drgającą matrycą o amplitudzie ok. 0,01 mm wraz z
jednoczesnym oddziaływaniem na proszek ultradźwięków o
częstotliwości 21-22 kHz zwiększa gęstość wypraski w miejscach
oddalonych od powierzchni stempli.

Na gęstość wypraski mają wpływ:

ciśnienie (+prędkość jego przyrostu, +czas jego działania) – im
większe ciśnienie i dłuższy czas jego działania tym większa
gęstość

stosunek wysokości do średnicy wypraski (h/d) – im większy tym
trudniej osiągnąć zamierzoną gęstość

C) Środki poślizgowe mają za zadanie:

zwiększenie gęstości wypraski przy określonym ciśnieniu

zmniejszenie ciśnienia przy założonej gęstości wypraski

zmniejszenie różnic ciśnienia w wyprasce

zmniejszenie przylepienia się ziaren do ścianek matrycy ->
zmniejszenie siły wypychania

Osiąga się to, ponieważ środki poślizgowe zmniejszają tarcie
między ziarnami proszku a ściankami matrycy oraz między cząstkami
samego proszku. Najczęściej używane środki poślizgowe (ok. 0,2-1,0%
zawartości w proszku) to smary, wazelina, oleje, wosk, parafina oraz
materiały aktywne powierzchniowo (stearynian cynku, kwas stearynowy,
kwas oleinowy). Podczas podgrzewania proszku do temp. spiekania środki
poślizgowe ulegają degradacji. W efekcie nie wpływają na proces
spiekania, zwiększają jedynie porowatość spieku.

I.3. Inne metody formowania:

prasowanie izostatyczne – opis poniżej

prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) – stosowane do formowania
wyrobów o jak najniższej porowatości. Stosowane do proszków trudno
zagęszczających się. Ciśnienie wywiera gaz (najczęściej
obojętny). Prasowanie zachodzi w wysokiej temp. aby zapewnić większą
plastyczność proszku. Formy wytwarza się z materiałów
żaroodpornych o dużej plastyczności w temp. prasowania.

prasowanie z przesuwającą się matrycą – stempel zagęszcza luźno
zasypany proszek w matrycy rynnowej. W czasie 1 cyklu matryca przesuwa
się o szerokość stempla. Stosuje się do formowania prętów i taśm
o większej długości i znacznej grubości, oraz z bimetali.

walcowanie proszków – luźno zasypany proszek dostaje się do
przestrzeni między walcami, gdzie ulega ściskaniu. Stosuje się do
wytwarzania taśm płaskich lub z bimetali. Taśmy te mają dużą
porowatość więc ich grubość nie przekracza 6 mm.

prasowanie udarowe – zagęszczenie następuje w wyniku oddziaływania
fali wybuchu bezpośrednio na proszek lub poprzez stempel. Czas = 1/1000
sekundy, p= ok. 10000 MPa. Otrzymuje się wypraski w kształcie
prętów, rur. Mają dużą gęstość i dobrą wytrzymałość.

prasowanie matrycowe na gorąco – połączenie prasowania i spiekania
w jednym procesie. Otrzymuje się spieki nieporowate o wysokich
właściwościach mechanicznych. Stosuje się do proszków trudno
topliwych.

wyciskanie proszków – przez odpowiednio ukształtowaną dyszę
wyciska się gęstą pastę – proszek z plastyfikatorem (zlepiaczem).
Następnie wyrób suszy się i spieka gdzie odparowuje plastyfikator.

formowanie wibracyjne – luźno zasypany proszek zagęszcza się
wibratorami o częstotliwościach 8-15 Hz (mechaniczne) lub 50-20000 Hz
(elektromagnetyczne)

odlewanie proszków – do wyrobów o skomplikowanym kształcie, z
proszków trudno prasujących się i drobnoziarnistych. Silnie
zagęszczoną zawiesinę (proszek + dodatki poprawiające lejność)
odlewa się do porowatej formy (wchłaniającej ciecz). Odlew podsusza
się, wyjmuje z formy, suszy i spieka. Otrzymuje się wyroby o
gęstości do 98% materiału nieporowatego.

natryskiwanie proszków – do cienkościennych skorup. Natryskiwanie za
pomocą pistoletu zawiesiny proszku w cieczy łatwo parującej z
dodatkiem żywic organicznych. Następnie kształtkę spieka się.

Prasowanie izostatyczne zagęszczanie w formie z materiału plastycznego
przez oddziaływanie ciśnienia hydrostatycznego. Ciśnienie wywierane
jest równomiernie na wszystkie ścianki formy przez wodę lub inną
ciecz zgodnie z prawem Pascala. Trójosiowy stan naprężenie zapewnia
b. dobre i równomierne zagęszczenie. PI na mokro – po zagęszczeniu
wyjmuje się formę z prasy i usuwa z niej wypraskę. PI na sucho –
forma pozostaje w prasie a wypraska jest usuwana za pomocą wypychacza.

PI zapewnia:

małe naprężenia w wyprasce

zmniejszenie ilości środków poślizgowych

jednorodność materiału wypraski

możliwość obróbki mechanicznej wypraski

brak ograniczenia kształtu i rozmiarów wypraski

większą plastyczność wypraski.

II.1. Metalurgia proszków zapewnia:

dyfuzyjne połączenie osnowy ze zbrojeniem

duże możliwości doboru rodzaju, postaci i rozmiarów zbrojenia

Wytwarza się kompozyty:

porowate i nieporowate

umocnione dyspersyjnie i zbrojone cząstkami

Podział spiekanych kompozytów (SK) o osnowie ze względu na rodzaj
zbrojenia:

metal-metal (osnowa-zbrojenie)

metal-ceramika

metal-polimery

SK z osnową metaliczną:

umacniane dyspersyjnie są używane na tworzywa konstrukcyjne o dużej
żaroodporności i żarowytrzymałości

zbrojone cząstkami - używane są na tworzywa o dużej twardości,
dobrych właściwościach ciernych, określonej gęstości,
przewodności cieplnej i elektrycznej oraz na szybkotnące narzędzia
skrawające. Zbrojenie prawie nie zmienia wytrzymałości kompozytu, ale
poprawia wymienione własności fizyczne.

nasycane metalami lub polimerami należą do spieków nieporowatych.
Porowata osnowa zostaje nasycona w celu nadania jej określonej
właściwości (przewodność, wł. cierne).

II.2. Rodzaje spiekanych kompozytów z osnową metaliczną:

konstrukcyjne:

łożyskowe z osnową Cu-Sn-Pb

Cu-Sn-Pb z dodatkiem MoS2, WS2 lub innych

Cu-Sn-Pb z dodatkiem krzemionki i grafitu (stały współczynnik tarcia,
dobra odporność cierna)

Odporne na ścierania z osnową Cu-Sn zbrojone Al2O3 lub SiO2 i innymi

Żaroodporne i żarowytrzymałe Al.-AL2O3 wytwarzane z powierzchniowo
utlenionego Al.

AL2O3-Cr, AL2O3-Cr-Mo

Żaroodporne i żarowytrzymałe TiC-(15-40%)Ni-(5-15%)Cr

Spiekane kompozyty metal-metal lub metal-niemetal np. W-Cu, W-Ag, Mo-Ag,
Cu-grafit, Cu-Sn-Pb-(5-70%)grafit, Cu-Al2O3

Reakcyjnie spiekane kompozyty umacniane dyspersyjnie tlenkami,
fosforkami, borkami.

narzędziowe:

WC-Co z dodatkami mat. wysokotopliwych TiC, NbC, TaC, VC

Materiały ścierne o osnowie Al lub brązu zbrojone AL2O3, SiO2

spieki metaliczno-diamentowe o osnowie brązu, żelaza (Fe-Ni, Fe-Ni-Cr)
molibdenu i wolframu (Mo-Cu-Co, W-Cu-Ni)

spieki Al2O3-Ni, Th-O2, Al2O3-Fe i spieki Al2O3 z metalami (Al2O3-Cr,
Al2O3-Cr-Mo)

II.4. Metody wytwarzania spiekanych kompozytów z osnową metaliczną

Metalurgia proszków umożliwia:

dużą dokładność wymiarową wyrobów

małe koszty w produkcji seryjnej

wytwarzanie kompozytów o b. zróżnicowanym składzie chemicznym

wytwarzanie kompozytów o ściśle kontrolowanej strukturze

wytwarzanie kompozytów o właściwościach niemożliwych do uzyskania
inną metodą

dobre połączenie różnych składników

dowolne komponowanie składu chemicznego, struktury i właściwości
wyrobu

wytwarzanie kompozytów konstrukcyjnych, narzędziowych i funkcjonalnych

wytwarzanie wyrobów o różnej gęstości przy tym samym składzie
chemicznym

Procesy metalurgii proszków składają się z etapów:

przygotowanie proszków osnowy i zbrojenia

mieszanie proszków aż do uzyskania jednorodnej mieszaniny

formowanie wyrobu

spiekanie w fazie stałej lub z udziałem fazy ciekłej

obróbki cieplnej i mechanicznej, nasycania olejami, żywicami oraz
niskotopliwymi metalami i ich stopami

(Inny sposób: spiekanie izostatyczne a następnie dogęszczanie metodą
HIP lub prasowanie wybuchowe)

Wytwarzanie SK z osnową metaliczną zbrojonych włóknami:

wymieszanie proszku osnowy (np. stal żaroodporna, nadstop, metal
wysokotopliwy)

wygrzewanie mieszaniny osnowy i zbrojenia (np. HfO2 Th O2, HfB2, HfN,
HfC, TaC) w temp. ok. 800OC w atmosferze wodoru

prasowanie hydrostatyczne pod ciśnieniem ok. 200 Pa

spiekanie w próżni

ponowne prasowanie hydrostatyczne pod ciśnieniem 500-1400 Pa

ponowne spiekanie w próżni

Tak wytworzone kompozyty mają w temp. 900OC 10x większą
wytrzymałość Rm niż osnowa

Zbrojenie wprowadza się następującymi metodami:

pośrednią – wymieszanie cząstek osnowy ze cząstkami zbrojącymi
– stosowane najczęściej do kompozytów z osnową metaliczną i
zbrojeniem z tworzywa sztucznego. Cząstki zbrojenia wprowadza się do
osnowy podczas mieszania proszków.

bezpośrednią, w wyniku

spiekania cząstek osnowy, których powierzchnia została pokryta
warstwą tlenków – do kompozytów z osnową Al lub jego stopów.
Proszek utlenia się przed prasowaniem co daje warstwę tlenku Al2O3 na
powierzchni. Podczas prasowania warstwa ta dzieli się dając cząstki
zbrojenia

Spiekania połączonego z utlenianiem jednego ze składników –
synteza tlenków zbrojących podczas spiekania. Aby to osiągnąć
miesza się metal osnowy z metalem tlenkotwórczym, prasuje się, a
następnie spieka w atmosferze zawierającej tlen.

Mechanicznej syntezy (mechanicznego stopowania - MA) – zbrojenie
tlenkami w wyniku procesów mechanicznych i chemicznych zachodzących w
materiale po wprowadzeniu energii kinetycznej w młynach
wysokoenergetycznych. Proces składa się z przygotowania mieszaniny
proszków, mielenia wysokoenergetycznego przez kilkanaście godzin,
formowania obróbką plastyczną na gorąco, wyżarzania
rekrystalizującego.

Spiekania reakcyjnego – zbrojenie tworzy się w wyniku reakcji
zachodzących między składnikami proszku (czystymi metalami). W wyniku
tych reakcji tworzy się faza międzymetaliczna o korzystnych
właściwościach eksploatacyjnych. Podczas spiekania mieszaniny
złożonej z proszków elementarnych A i B etapami tworzy się faza
międzymetaliczna: 1)mieszania proszków, 2)dyfuzja prowadząca do
roztworu stałego AB, 3)faza ciekła – eutektyka A-B, 4)dyfuzja w
fazie ciekłej, 5)krystalizacja z fazy ciekłej do międzymetalicznej,
6)utworzenie końcowej fazy międzymetalicznej AB.

STRUKTURA, WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIA WYBRANYCH SPIEKANYCH
KOMPOZYTÓW Z OSNOWĄ METALICZNA

1. SPIEKANE KOMPOZYTY Z OSNOWĄ METALICZNĄ UMACNIANE DYSPERSYJNIE

są to stopy ODS. Znajdują zastosowanie w warunkach pracy w wysokiej
temperaturze i przy dużych obciążeniach mechanicznych. Do najbardziej
rozpowszechnionych należą materiały metalowo-ceramiczne
Al.-(10-20%)Al2O3 – SAP. Blachy, płyty i profile z tych materiałów
są wytwarzane przez prasowanie i spiekanie mieszanek proszków Al.-A
l2O3 lub powierzchniowo utlenionych proszków Al. Przy dobrych
właściwościach mechanicznych w temp. pokojowej i temp. podwyższonej
SAP znajduje zastosowanie na tłoki, głowice silników spalinowych,
łopatki turbin, piasty wałów sprężarek silników odrzutowych.

Kompozyty metaliczne umocnione dyspersyjnie mają znacznie wyższą
temperaturę rekrystalizacji niż stopy metali z których wytworzono
osnowę. temperatura ta w przypadku metali nie przekracza ½ temp.
topnienia T<0,5 Ttop. W przypadku kompozytów umocnionych dyspersyjnie
jest ona bliska temp. topnienia T≈0,8 Ttop.

2.MIKROSTRUKTURA SPIEKANYCH KOMPOZYTÓW Z OSNOWĄ METALICZNĄ ZBROJONYCH
CZĄSTKAMI

można podzielić je na: - cermetale (spieki ceramiczno-metaliczne), -
węgliki spiekane (spieki węglików wolframu i innych metali wysoko
topliwych z kobaltem, niklem i żelazem).

Spiekane kompozyty z osnową metaliczną zbrojone cząstkami znajdują
zastosowanie jako materiały o specjalnych właściwościach
uzyskiwanych w wyniku odpowiedniego połączenia metalicznej osnowy i
zbrojenia. Zbrojeniem są w tym przypadku cząstki o rozmiarach znacznie
większych w porównaniu z rozmiarami cząstek w kompozytach umacnianych
dyspersyjnie. Najczęściej średni rozmiar to 0,001mm do 0,02 mm.
materiały używane na osnowę: Co, Ni, Fe, Cu i ich stopy, na
zbrojenie: WC, TiC, TaC, NbC, VC, SiC, BN, diament. Zbrojenie modyfikuje
właściwości kompozytu przez sumowanie swoich właściwości z
właściwościami osnowy. O właściwościach kompozytu będą
decydowały właściwości składników i ich objętość względna, i w
efekcie mikrostruktura materiału. Spiekane kompozyty z osnową
metaliczną zbrojone małymi cząstkami znajdują zastosowanie jako
tworzywa narzędziowe, a z dużą objętością względem osnowy jako
tworzywa konstrukcyjne.

3. PODSTAWOWE GRUPY

A. Węgliki spiekane.

Ze względu na budowę zalicza się je do spiekanych kompozytów z
osnową metaliczną zbrojonych cząstkami. Stanowią spieki twardych
węglików metali wysokotopliwych: WC, TiC, TaC, NbC, VC oraz
metalicznej osnowy. Duża twardość wymienionych węglików 1900-2500HV
decyduje o dużej odporności na zużycie cierne węglików spiekanych.
Jednak wysoka kruchość nie pozwala na zastosowanie ich jako
materiałów narażonych na dynamiczne oddziaływanie obciążeń
zewnętrznych. Grupy węglików spiekanych: * WC-Co – narzędzia do
skrawania żeliwa i materiałów niemetalicznych, skał, narzędzia do
obróbki plastycznej; * WC-TiC-Co – narzędzia do skrawania stali.

Proces technologiczny węglików spiekanych: - wytworzenie proszków
węglików metali wysokotopliwych WC, TiC, TaC w wyniku nawęglania
tlenków metali; - wytworzenie mieszaniny proszków przez długotrwałe
mieszanie w młynach kulowych; - formowanie mieszaniny proszków
węglików metali i kobaltu w kształtki lub płyty; - spiekanie w
atmosferze redukującej wodoru, gazu ziemnego lub próżni w
temp.800-1000’C; - wyjęcie kształtek; * ostrzenie kształtek przez
szlifowanie karborundem, węglikiem boru lub diamentem; - spiekanie
końcowe w atmosferze redukującej w temp.1400-1600’C; - ponowne
ostrzenie kształtek przez szlifowanie karborundem jeżeli zachodzi taka
konieczność. Inne metody formowania: * prasowanie izostatyczne na
zimno lub gorąco; * prasowanie matrycowe na gorąco; * wyciskanie i
spiekanie.

Struktura węglików spiekanych: - pierwotny węglik wolframu WC o
średnicy ziarna 0,001-0,002mm, - pierwotny węglik wolframu WC o
średnicy ziarna 0,004-0,006mm, który uległ rekrystalizacji podczas
spiekania; - roztwór stały wolframu, kantalu, węgla w kobalcie;.

Węgliki spiekane znajdują zastosowanie jako materiały na narzędzia
do skrawania stopów żelaza, stopów nieżelaznych, materiałów
niemetalicznych oraz narzędzi do obróbki plastycznej. Gatunki o
wysokiej zawartości kobaltu coraz częściej są wykorzystywane jako
materiały konstrukcyjne elementów maszyn od których jest wymagana
duża odporność na ścieranie, szczególnie w podwyższonych
temperaturach, np. elementy łożysk ślizgowych i tocznych.

B. Węglikostale.

Należą do grupy spiekanych kompozytów z osnową metaliczną zbrojnych
cząstkami o właściwościach pośrednich między stalami
narzędziowymi a węglikami spiekanymi. Mają 10-20-krotnie większą
odporność na zużycie niż stal szybkotnąca. Osnowa w węglikostalach
odpowiada składem chemicznym stali konstrukcyjnej do ulepszania
cieplnego, stali austenitycznej odpornej na korozję. Fazę węglikową
stanowią węgliki tytanu TiC. Węglikostale charakteryzują się
znacznie większą ciągliwością niż węgliki spiekane, a
jednocześnie dużą odpornością na zużycie cierne. Mogą być
wytwarzane metodą: * prasowania i spiekania mieszaniny proszków
węglika i stali; * nasycania roztopioną stalą spieczonego wstępnie
porowatego szkieletu z węglika. Węglikostale Ferro-Titanit
charakteryzują się: - możliwością obróbki mechanicznej gdy ich
osnowa znajduje się w stanie zmiękczonym, - umocnieniem osnowy w
wyniku przemiany martenzytycznej, - dużą odpornością na zużycie
cierne i korozję; - możliwością wielokrotnej regeneracji metodą
obróbki cieplnej i skrawania.

C. Spieki metali na styki elektryczne.

Materiały na styki elektryczne charakteryzują się dobrą
przewodnością elektryczną i cieplną, odpornością na utlenianie,
zgrzewanie, korozję. Metodą metalurgii proszków można wytwarzać
styki elektryczne o składzie chemicznym i właściwościach
nieosiągalnych innymi metodami. Wykonuje się je w formie nakładek
spajanych z rdzeniem. Można wyróżnić: - styki o strukturze
pseudostopów, - styki ślizgowe, - styki wolframowe nieiskrzące. styki
o strukturze pseudostopów wykonuje się następującymi metodami: -
prasowanie mieszaniny proszków, spiekanie w temperaturze niższej niż
temperatura topnienia najniżej topliwego składnika; - zalanie ciekła
miedzią luźno zasypanego do formy proszku; - prasowanie na gorąco
mieszaniny proszków. Spiekane styki metalowo-węglowe wytwarza się
metodą prasowania i spiekania albo prasowania na gorąco.

D. Spieki metaliczno-diamentowe.

Stanowią grupę spiekanych tworzyw narzędziowych przeznaczonych na
elementy narzędzi tnących, wiertniczych i szlifierskich. Mają dużą
twardość, odporność na zużycie, w miarę dobrą ciągliwość. Są
używane do obróbki materiałów twardych i trudnoobrabialnych. Są
stosowane jako nakładki albo segmenty narzędzi do obróbki końcowej
innych cermetali, w tym węglików spiekanych. Osnową spieków
metaliczno-diamentowych w zależności od wymagań dotyczących
twardości, odporności na zużycie ścierne są: stopy miedzi, żelaza,
w tym stale nierdzewne, stopy metali o wysokiej temperaturze topnienia i
cermetale WC-Co, WC-Ni i WC-TiC-Co. Są wytwarzane metodą: - prasowania
i spiekania mieszaniny proszku osnowy metalicznej i diamentu; -
nasycania porowatych spieków metaliczno diamentowych metalem osnowy; -
prasowania na gorąco mieszaniny proszku osnowy metalicznej i diamentu.

E. Spiekane materiały cierne.

Są kompozytami ceramiczno-metalicznymi przeznaczonymi na wykładziny
sprzęgieł i hamulców w układach silnie obciążonych i narażonych
na oddziaływanie wysokiej temperatury, przekraczającej 600’C. W tych
warunkach są jedynymi materiałami spełniającymi wymagania dobrej
wytrzymałości mechanicznej, odporności na działanie wysokiej temp.,
stabilności procesu tarcia. Spieki cierne wykonuje się w postaci
segmentów lub nakładek zgrzewanych, spiekanych lub nalutowanych na
podkładki. W skład spiekanych materiałów ciernych wchodzą: Cu, Sn,
Pb, Fe, grafit, SiO2. Spiekane materiały cierne produkowane jako
płytki o twardości 20-60HB stosowane są jako nakładki w sprzęgłach
i hamulcach, pracujących w oleju lub na sucho, w pojazdach lub
maszynach o bardzo wysokiej sprawności.

Spieki metali

Materiały spiekane otrzymuje się metodą metalurgii proszków która
pozwala na uzyskanie dużego stopnia czystości i jednorodności,
oszczędnośc materiału, możliwość otrzymywania materiałów
metalicznych i ceramicznych oraz cermetali. W metodach metalurgicznych
przetapianie metalu zwykle powoduje jego zanieczyszczenie (utlenienie,
rozpuszczenie gazów). W czasie krystalizacji tworzy się segregacja
składu chemicznego, struktury i ciężarowa. Występują nadlewy i
konieczna jest obróbka mechaniczna. W metalurgi proszków tego nie ma.

Istota kompozytów wytwarzanych metodą metalurgii proszków

Znajdują one szerokie zastosowanie w wielu przemysłach np.:

- w przemyśle motoryzacyjnym na łożyska ślizgowe, krzywiki
popychaczy, elementy sprzęgieł, łożyska zaworowe;

- w przemyśle maszynowym łożyska ślizgowe, koła zębate, dźwignie,
filtry i krzywiki;

- w przemyśle budowlanym zapadki zamków, łożyska klamek, klucze,
rolki, segmenty zębate, tuleje;

- w przemyśle elektrotechnicznym łożyska ślizgowe, styki, elektrody,
pierścienie ślizgowe, koła i segmenty zębate, nabiegunniki;

- w przemyśle zbrojeniowym elementy broni.

W produkcji kompozytów metalurgia proszków pozwala na:

-duże dokładności wymiarowe wyrobów;

- redukcja kontów wytwarzania szczególnie w produkcji seryjnej;

- wytwarzanie kompozytów kompozytów bardzo różnorodnym składzie
chemicznym;

- wytwarzanie kompozytów kompozytów ściśle kontrolowanej jednorodnej
strukturze drobnoziarnistej lub nanokrystaliczna.

Kierunki rozwoju metalurgii proszków:

- produkcja wyrobów masowych;

- produkcja wyrobów o szczególnych właściwościach fizycznych;

proces wytwarzania spiekanych kompozytów metalicznych:

- przygotowanie mieszaniny proszków;

- formowanie wyrobu;

- spiekanie w fazie stałej lub z udziałem fazy ciekłej;

- obróbka końcowa.

Wytwarzanie proszków metodami chemicznymi:

- redukcja tlenków;

- metody elektro-chemiczne.

Metody mechaniczne:

1.metody chemiczne wirowo-udarowe- redukcja tlenków (metali)
otrzymujemy porowate proszki;

2. metody dektochemiczne- metoda galwaniczna (wysoka gęstośc prądu)
duże naprężenie prądu- otrzymujemy proszki o kształcie
dendrytycznym;

3. metody mechaniczne- rozpylenie cieczy- otrzymujemy proszki o
kształcie kulistym;

4. metody fizyczne- polegają na odparowaniu i kondensacji- wytwarzane
proszki metali niskotopliwych; otrzymujemy proszki płaskie śilnie
utwardzane

proszki określane są na trakcje.

Trakcja- pewien przekład wymiaru cząstek proszku

Do wytwarzanie spieków uzywamy proszków o wielkości 0,001-0,040mm.
Następnie proszki te są oczyszczane: odsiarczanie, odfosforowanie,
odtlenianie. Następnie formujemy wyrób.

Metody formowania:

prasowanie matrycowe na zimno;

prasowanie matrycowe na gorąco;

prasowanie izostatyczne na gorąco:

prasowanie izostatyczne na zimno.

Mniej ważne metody:

walcowanie;

wyciskanie;

odlewanie;

natryskiwanie.

Ad a) na zimno- po prasowaniu na zimno uzyskujemy materiał o
chropowatości 10-60%. Jest małe zagęszczenie.

Ad d) prasowanie izostatyczne pozwala na prasowanie proszków twardych.

Ad b) na gorąco- pod wpływem siły występuje ściskanie proszku
jednocześnie przez proszek przepływa prąd elektryczny ogrzewając go.

Prasowanie z przesuwającą się matrycą.

Ad e) walcowanie proszków- wytwarza się blachy do 5mm.

- wyciskanie proszków;

- formowanie wibracyjne;

- odlewanie proszków;

- natryskiwanie proszków (można natryskiwać pistoletem).

Spiekanie- ma na celu zagęszczenie nadanie ostatecznych właściwości
wyrobu, prowadzone jest w wysokiej temperaturze, fazie stałej temp.
Sprężania 0,7 temp. Topnienia proszków ok.800-900°C.

Procesy w czasie spiekania:

- powiększenie całkowitej powierzchni styku cząstek;

- odprężenie i rekrystalizacja;

- procesy dyfuzyjne prowadzące do zgrzanie się sąsiednich cząstek
proszku wzrostu gęstości i wytrzymałość. Efektem tych procesów
jest skurcz.

Porowatość- zależność porowatości całkowitej i zamkniętej od
czasu spiekania wypraski z proszku miedzi w temp.900°C.

Spiekanie z udziałem fazy ciekłej np. żelazo-miedzi podczas spiekania
w 1100°C miedź się topi i pokrywa cząstki żelaza.

Drogą metalurgi spieków można wytwarzać:

spieki produkowane masowo;

spieki porowate np. samosmarujące, filtracyjne i na podłoża
katalizatorów;

spieki nieporowate: samosmarujące których pory wypełnione są
tworzywem polimerowym albo stopami niskotopliwymi.

spieki wysokotopliwe;

cermetale i węgliki spiekane;

ceramika specjalna;

spieki na materiały cierne.

Ad 1. spieki na bazie żelaza, miedzi; tą metodą wytwarzamy masowo:
koła zębate, części broni strzeleckiej, drobne elementy maszyn (
tulejki, sworznie). Mogą być one później kalibrowane aby miały
tolerancje. Ze stopów miedzi wytwarza się cześci maszyn
elektrycznych.

Ad 2. spieki porowate mają 30-40% wyjątkowo 80%

Spieki:

- samosmarujące są porowatymi elementami łożysk i ślizgowych
których pory wypełnione są olejem, w czasie pracy olej wydostaje się
na powierzchnie i smaruje. Po pracy powraca. Zastosowanie- tam gdzie nie
da się wprowadzić smarowania (gospodarstwo domowe: odkurzacze,
miksery). Maszyny elektryczne (silniki) małe ciśnienie prasowania,
niskie temperatury spiekania, małe czasy.

- materiały filtracyjne wytwarzane są tak żeby uzyskać wysoka
wielkośc porów. Zalety: wytrzymałość filtrów, żaroodporność,
mają dobre parametry filtracyjne, są bardzo proste w montażu.
Możliwe są do regeneracji, można je czyścić kwasach,
rozpuszczalnikach.

Wykonanie: małe ciśnienie prasowania, luźny zasyp proszkow, krotkie
czasy spiekania i niskie temperatury. Po wykonaniu element zanurza się
w goracym oleju.

Wiązania kowalencyjne jonowe- o bardzo wysokiej energii, równowaga
elektrostatyczna. Rodzaj wiązań, trwałośc decyduje o dalszych
właściwościach.

Moduł tlenku glinu 390*10 9 Pa

Gęstość stal 7,8 g/cm3

E/ς E- względny moduł sprężystości; ς- gęstośc.

Twardość tworzyw ceramicznych- są twarde maja wiązania kowalencyjne
i jonowe (wysoka energia wiązań).

Wiązania kowalencyjne:

- są wiazaniami kierunkowymi, odkształcenie plastyczne jest
niemożliwe;

- mają niewielką ilość systemó poślizgu.

Twardości wybranych materiałów ceramicznych ceramicznych skali
Knoop’a:

-diament C 10000 Knoop

- węglik boru B4C 2800 Knoop

- weglik krzemu SiC 2500 Knoop

- weglik wolframu WC 2100 Knoop

- korund HN2O3 2100 Knoop

- Kwarc SiO2 800 Knoop

- szkło 550 Knoop

Wytrzymałość na pekanie – mało plastyczna jest ceramika i mało
odporna.

Wytrzymałośc na rozciąganie- mała.

Wytrzymałość na ściskanie- bardzo wysoka ok. = 15x większa niż na
rozciąganie.

Odporność na udar cieplny- mała

Im większy moduł sprężystości tym tworzą się wieksze
naprężenia.

σr= E*ε gdzie ε=α*ΔT czyli σr= E* α*ΔT

tworzywa ceramiczne mają bardzo małą przweodnośc cieplną.

Pełzanie tworzyw ceramicznych

Ze względu na wysoką temperature topnienia tworzywa ceramiczne są
bardzo odporne na pełzanie.

Struktura ceramiki- tworzywa ceramiczne mają strukture komórki NaCl
(chlorek sodu), krzemionki i krzemianu.

Struktura szkieł- szkła są zbudowane z krzemionki. Mają budowe
krystaliczna uporządkowaną. Szkło ma budowe amorficzną. W czasie
chłodzenia szkło zwiększa swoja lepkość.

Zastosowanie:

- budownictwo;

- motoryzacja;

- w wysoko wytrzymałych konstrukcjach pracujących na ściskanie np.
zbiorniki typu akwaria;

- aparatura chemiczna, próżniowa, przemysłu spożywczego;

- gospodarstwo domowe;

- sztuka użytkowa.

Właściwości szkła:

Właściwości:1) skład;2) cena;3) gęstość;4)wytrzymałość na
ściskanie-Rc;5) moduł Younga;6)temperatura mięknięcia;7)odpornośc
na szoki cieplne;

Szkło sodowo- wapniowe:

1)SiO2-70%;CaO-10%;Na2O-15%;2)1000USD/tona;3)2,48g/cm3;4)1000MPa;5)75GPa
;6)950°C;7)80°

szkło borwo-krzemianowe:

1)SiO2-80%;B2O3-15%;Na2O-5%;2)1400USD/tona;3)2,43g/cm3;4)1250MPa;5)75GPa
;6)1100°C;7)280°

szklo sodowo-wapniowe- tanie, pospolite szklo, latwe do formowania.

Szklo borowo-krzemianowe- duza udarnośc, duża wytrzymałość na szoki
cieplne (PYREX)

Formowanie szkła:

Szklo możemy formowac tylko wtedy gdy ma ono odpowiednio małą
lepkość.

Metody formowania:

walcowanie szkła- uzyskujemy tafle średniej jakości, do zwykłych
szkieł dziennych;

wytwarzanie tafli szklanej w wyniku płynięcia szkła na powierzchni
innej cieczy napiecia powierzchniowe powoduja, że tafla jest bardzo
gładka przewaznie płynie po powierzchni cyny.

prasowanie- do elementów elementów dużych przekrojach.

dmuchanie szkła.

ciągnienie szkła- wytwarzamy włókna szklane- cel otrzymywanie
włókien- mają lepsze właściwości na rozciąganie.

Szkło hartowane

RSR R naprężenie rozciągające, S naprężenia ściskające

Stan osiągnięty po obniżeniu temperatury- stan SRS ma dla szkła stan
krystaliczny. Naprężenia rozciągające zmniejszją naprężenia
ściskające..

W wyniku hartowania został zmieniony układ naprężeń. Naprężeń
warstwach zewnętrznych otrzymaliśmy naprężenia ściskające, a w
warstwie rdzeniowej rozciągające.

Zalety szkła hartowanego:

lepsza wytrzymałość na rozciąganie i zginanie (pozornie);

szkło hartowane po stłuczeniu rozsypuje się na drobne niekaleczące
kawałki.

Denitryfikacja- oszklenie, usunięcie struktury amorficznej, nadanie
struktury krystalicznej.

Sposób wytwarzania dewitryfikatów. Prekursorem są szkła
światłoczułe. Szkła światłoczułe zawierają w swoim składzie
małe dodatki miedzi, srebra lub złota, w ilości od 10-3 do 10-12%.
Dodatki tych metali pozostaja w roztworze. Jeżeli nastąpi wzrost
wiązki świetlnej to następuje wydzielenie się tych cząstek to
wydzielenie daje efekt rozproszenia i przyciemnienia.

Warunki przejścia ze struktury amorficznej szkła do struktury
krystalicznej:

podwyższenie temperatury- aktywacja cieplna;

utworzyć zarodki krystalizacji.

Nowoczesne dewitryfikaty zawierają w swojej strukturze zarodki
krystalizacji (mogą to być czastki metali lub tlenki metali). W
wyniku wygrzewania takich szkieł pojawia się proces krystalizacji na
istniejących wydzieleniach.

Właściwości i zastosowanie:

większa wytrzymałośc mechaniczna;

większa udarność;

wieksza odpornośc na szoki cieplne.

Stosowane na :

nietłuczące się naczynia;

w budowie maszyn na elementy łożysk ślizgowych, elementy pomp
hydraulicznych hydraulicznych inny elementy odporna na korozję i
ścieranie.

Składniki ceramiki glino- krzemianowej:

glina- zawiera nawet do 90% związku tzw. Kaolinitu (Al2O3*2SiO2*2H2O)

kwarc- SiO2

skaleń- niskotopliwy składnik np. skład skalenia

sodowego Na2O*Al2O3*SiO6.

Przykłady wyrobów:

materialy budowlane (cegla, plyty stropowe)

ceramika sanitarna

ceramika kwasoodporna (rury kanalizacyjne, kamionka)

ceramika laboratoryjna

ceramika stołowa

-porcelana (50% gliny, do 40%kwarcu,skalen)

-porcelit,

-fajans

f) ceramika ognioodporna (szamotowa, magnetydowa)

g) ceramika elektrochemiczna

wytwarzanie wyrobów ceramicznych glino-krzemianowych:

przygotowanie surowców (rozdrobnienie)

przygotowanie mas (odważenie i wymieszanie surowców, woda)

formowanie

suszenie

wypalanie

szkliwienie

ponowne wypalanie

zdobienie farbami ceramicznymi

wypalanie po zdobieniu

kontrola jakości, sortowanie

Badania tworzyw ceramicznych:

badanie porowatości otwartej i zamkniętej

badanie porowatości całkowitej

badanie gęstości teoretycznej i pozornej

Charakterystyka tworzyw ceramicznych:

cegła

ceramika żaroodporna

porcelana kamionka porcelit

im wiecej gliny, tym łatwiej się formuje i tworzywo jest bardziej
żaroodporne.

Im więcej skalenia tym łatwiej tworzywo się zageszcza w czasie
spiekania i wypalania.

Cegła- składniki: glina , kwarc (piasek),skaleń. Proporcje: 50%
gliny,20% piasku,25%skalenia. Właściwości swoje uzyskuje poprzez
stosowanie zanieczyszczonej gliny. Cegła jest wypalana w stosunkowo
niższej temperaturze, dlatego daje się dużo skalenia.

Materiały żaroodporne- mają inny skład: zawierają glinę do 30%,
złom szamotowy zmielony. Inne formowanie niż cegły dogęszczana jest
na prasach. Jest silnie zagęszczona, temperatura wypalania 1350°C.
wyroby wieloszamotowe- gliny do 10% , szamot mielony- reszta.
Temperatura wypalania 1450°C.

Wyroby magnezytowe- składają się z tlenku magnezu, w ilości 97-100%.
Jako surowiec noci nazwę magnezytu spieczonego, lepiszcze
organiczne0-3%MgO-peryklas- otrzymywany przez prażenie magnezytu-
MgCO3. temperatura spiekania 1600°C.

Materiały ceramiczne żaroodporne- mają żaroodporność do 1580°C.
żaroodporność materiałów ceramicznych jest to temperatura
wierzchołek stoku wykonanego tego materiału dotknie podstawy (stożek
pirometryczny)

Skład porcelany- ok. 50% gliny i po 25% kwarcu i skalenia .

Wyróżniamy porcelane:

Miekka- więcej skalenia;

Twardą więcej kaolinitu.

Porcelane twardą stosuje się na wyroby stołowe, dekoracyjne,
laboratoryjne, elektrochemiczne.

Porcelana miekka wyroby dekoracyjne i stołowe.

Porcelana jest tym bardziej szlachetna im jest bielsza i im bardziej
cienka.

Jest wypalana w wysokich temperaturach. Miekka 1280°C, zaś twarda
1410°C.

Stosując na porcelanę nieco zanieczyszczoną glinę otrzymujemy
kamionkę. Porcelit- kamionka (porcelana) o zawartości do 2% tlenków
żelaza.

Właściwości:

cena tony wyrobu masowego- 360-1400USD;

gęstość 2,3-2,5 g/cm3;

niski moduł sprężystośi 70GPa;

wytrzymałość na ściskanie 350MPa;

temperatura mięknięcia ok. 1200°C;

odporność na szoki termiczne 220°C.

Spieki ceramiczne- czyste tlenki, azotki, borki. Są kruche mają małą
ciągliwość. Nie mogą pracować na zginanie i rozciąganie.
Zastosowanie:

tworzywa konstrukcyjne- maszyny cieplne, turbiny, dysze, tygle do
topienia metali;

materiały odporne na ścierania- elementy łożysk ślizgowych,
tocznych;

materiały narzędziowe;

materiały na elementy żaroodporne.

Potencjalne zalety spieków ceramicznych:

stosując te tworzywa można podnieść temperature na wlocie turbiny do
1400°C- wzrost sprawności;

mają złe przewodnictwo cieplne

mała gęstość (do2,5xod gęstości stopów)- zmniejszenie masy;

materiały te występują wszędzie wszędzie są one tanie (ale nie
przy tym stanie techniki);

łatwość wytwarzania elementó;

silniki spalinowe (w 100% ceramiczne) nie wymagają chłodzenia-2,5x
lżejszy od normalnego, można podwyższyć temperature opalania.

Metody formowanie spieków ceramicznych:

prasowanie matrycowe jedno lub dwu stronne, na zimno lub na gorąco;

wyciskanie;

prasowanie izostatyczne (hydrostatyczne) na zimno i na gorąco;

odlewanie gęstw (gęstwa- zawiesiny proszków ceramicznych) pod
ciśnieniem normalnym lub podwyższonym

Charakterystyka materiałów ceramicznych:

korund-α- Al2O3- monokryształ (szafir-korund, zabarwiony na niebiesko
przez wprowadzenie tlenku tytanu;rubin- korund zabarwiony na czerwono,
szmergiel- tlenek glinu zanieczyszczony tlenkami żelaza- materiał
ścierny). Tlenek glinu stosowany na narzędzia i materiały
konstrukcyjne, żaroodporne, np., elementy turbin, sprężarek, tygle
itp.; materiały odporne na ścieranie- elementy łożysk ślizgowych.
Korund jest bardzo odporny na działanie metali alkalicznych np.osłony
żarników. Korund daje możliwość przepuszczania fal magnetycznych i
elektromagnetycznych np. osłony anten radiowych. Spieki korundu muszą
być nieporowate i drobnoziarniste. Zwiekszenie wielkości ziarna
powoduje gwałtowny spadek właściwości spieku.

F

r

”

®

ô

N

ţ

਀&䘋

&

H

 

¶

Ć

਀&䘋

-

”

Ş

Ľ

Đ

č

਀&䘋 摧愊;᠀ych.

SiSiC- nasycony krzemem węglik krzemu- jest to jedyny materiał o
dobrym przewodnictwie cieplnym. Stosowany na elementy wymienników
ciepła. Sposób wytwarzania – kształ…tki z SiC spiekamy w
skrzyniach podobnych do laboryzatora w proszkach Si+C

Sialon

Podział spieków ceramicznych ze względu na odporność cieplną i
odpornośc na utlenianie:

ceramika tlenkow np. korund- wybitna odporność na utlenianie, gorsza
odporność cieplna i wytrzymałość;

ceramika beztlenkowa np. Si2N4 gorsza odporność na utlenianie, bardzo
dobrs wytrzymałość i odporność cieplna.

Stwierdzono że α- Al2O3 i Si2N4 wykazują prawie nieograniczona
rozpuszczalność. Wytworzono spieki ceramiczne bedace „krzyżówką
„ obu związków , czyli α- Al2O3 i Si2N4. otrzymany związek nazwano
salon.zwiazek ten skupil zalety obu powyższych związków,
zmniejszając równocześnie ich wady.

Sposób wytwarzania- wyroby są formowane z proszków po czym
następuje spiekanie reakcyjne.

Zastosowanie- jak dla powyższych ceramik

Kompozyt- materiał makroskopowo jednorodny składający się z
połączonych kompozytów kompozytów mający nowe właściwości w
stosunku do kompozytów.

Przykłady kompozytów- płytki bimetalowe np. Fe-Cu, połączenie kilku
faz; α-faza magnetyczna,β-faza piezoelektryczna ( układ połączony
do woltomierza i umieszczony w polu magnetycznym odkształca się faza
α, więc też odkształca się faza β, powodując przepływ prądu.

Wytrzymałośc kompozytów

σk=σz+σ0=Ez*ε*vz+E0* ε*(1-vz)

gdzie:

σk- maksymalne naprężenie zrywające kompozyt

vz- udział obciążenia

moduł sprężystości kompozytu:

Ek=Ez-vz+E0*(1-vz)

W kompozytach zbrojonych włókien naprężenie jest prawie wyłącznie
przenoszone przez zbrojenie.

Krytyczna wielkość włókna:

Długość krytyczna jest to minimalna długość włokna, która może
przenieśc maksymalną wartość obciążenia σmax, jak włókno
ciągłe (długie)

Podział kompozytów:

1)kompozyty zbrojone dyspersyjnie

2) kompozyty zbrojone czystkami

3) kompozyty zbrojone włóknem

kompozyty zbrojone włóknem- włókna przenoszą obciążenia

cienkie włókna są wolne od wad struktury, nie mają wad
powierzchniowych powierzchniowych mają bardzo małe dyslokacje.

Włókna zbrojące:

włókno szklane- włókna szklane E- są to włóna bezalkaliczne (maja
mało tlenków alkalicznych) dzięki czemu nie chłoną wilgoci.

Włókno szklane-S- włókno o podwyższonej wytrzymałości.

Wytrzymałość włokna E:

RM=1300-1800MPa

E=77GPa

ς=2,5g/cm3

stosowane może być jako:roving-pasmo składające się z kilkuset
włókien

Włókna karbonizowane- dwa rodzaje HM i HS,(HS-węglowe, HM-grafitowe),
wytworzone z prekursora węglowego. HS- włókna wysokowytrzymałe,
HM-włókna wysokomodułowe.

Parametry włokna HS:

Rm=3000-4000MPa

E=235GPa

ς=1,8g/cm3

Spieki metali

Materiały spiekane otrzymuje się metodą tzw. Metalurgi proszku,
która pozwala na:-uzyskanie dużego stopnia czystości i jednorodności
-oszczędności materiału(wykorzystujemy w 100%,nie ma odpadów)
–możliwości otrzymania materiałów metalicznych, ceramicznych,
cermetalicznych. W metalach metalurgicznych przetapianie metalu powoduje
zwykle zanieczyszczenie (utlenianie, rozpuszczanie gazów) w czasie
krystalizacji tworzy się segregacja składu chemicznego, struktury
czasami ciężarowe. Wreszcie występują nadlewy i konieczna jest
obróbka mechaniczna. W metalurgii proszków tego nie ma. Istota
wytwarzanych metodą metalurgii proszków.-w przemyśle motoryzacyjnym
na: łożyska ślizgowe, krzywiki popychaczy, elementy sprzęgieł,
łożyska zaworowe, gniazda na zawory, koła zębate pomp olejowych,
pierścienie tłokowe, tłoczki hamulców. –w przemyśle maszynowym
na: łożyska ślizgowe, koła zębate, dźwignie, filtry i krzywiki.
– w przemyśle ,budowlanym: zapadki zamków, łożyska klamek, klucze,
segmenty zębate, tuleje, rolki. W przemyśle elektrotechnicznym na:
łożyska ślizgowe, styki, elektrody, pierścienie ślizgowe, koła i
segmenty zębate, nabiegunniki. Przemysł zbrojeniowy-elementy broni.
Kierunki rozwoju metalurgii proszków 1produkcja wyrobów masowych
2produkcja wyrobów o szczególnych właściwościach fizycznych. Ad1.
chodzi o to aby produkt był tani, nawet można obniżyć jego
wytrzymałość ale żeby spełniało swoją rolę. Nie koniecznie musi
być wykonane metodą spiekania metali. Ad2. SA to elementy które musza
być dobrej jakości, cena nie gra roli. Wyroby nie są masowej
produkcji. Tą metodą produkuje się np. kompozyty o bardzo złożonym
składzie fazowym, powierzchni porowatej. Metoda które nie odlejemy np.
wolfram (cienki jak włos) wytwarzanie spieków proces wytwarzania
spieków: 1przygotowanie mieszaniny proszków 2formowanie wyrobu
3spiekanie w fazie stałej lub z udziałem fazy ciekłej 4obróbka
końcowa: kalibrowanie, obróbka cieplna, galwaniczna. Metody
wytwarzania proszków 1chemiczne –redukcja tlenków(proszki
wysokotopliwe) 2elektro-chemiczne –galwanizacja
3mechaniczne-rozpylanie cieczy –wirowo udarowe 4fizyczne-polega na
odparowaniu. Kształt proszków zależy od: -metody wytwarzania
(redukcja tlenków-proszki gąbczaste, galwaniczne; rozpylanie-proszki o
kształcie kulistym; proszki wirowo –udarowe daje proszek
płaski(talerzowaty. Proszki dzielą się na frakcje frakcja pewien
podział wymiaru czastek proszku. Do wytwarzania spieków stosujemy
proszki o wielkości 0,001-0,040mm. Następnie proszki są oczyszczane:
odsiarczane, odfosforozywane, odwęglane, odtleniane w wodorze.
Następnie formujemy wrób: -prasowanie matrycowena zimno –prasowanie
matrycowe na goraco –prasowanie izostatyczne na zimno –prasowanie
izostatyczne na zimno –prasowanie izostatyczne na gorąco
–walcowanie –wyciskanie –odlewanie –roztryskiwanie

Etapy dwustronnego prasownia przy automatycznym zasypie
proszku:a-zasypywanie proszku b-prasowanie c-wypychanie: 1dozownik,
2matryca 3stempel dolny 4rdzeń, 5stempel górny,6wypraska. Ciśnienie
prasowania wynosi najczęściej 500-700 Mpa porowatość materiału
10-40%. Proszki nieelastyczne prasujemy matrycowo na gorąco w temp.
500-1850C w zależności od proszku metalu. Prasownie
izostatyczne(proszki twarde, nie plastyczne) lub hydrostatyczne. HIP-hot
izostatic pressing- prasownie isostayczne na goraco. Forma metalowa lub
szklana(jednorazowa). Uzyskuje się dobre materiały tą metodą.

Spiekanie ma na celu zagęszczenie, nadanie ostatecznych właściwości
wyrobu. Spiekaniew wysokich temp w fazie stałej około T=0,7 Tt-temp
topnienia w skali bezwzględnej. Procesy w czasi spiekania
1powiększenie całkowitej powierzchni styku cząstek 2odprężenie i
rekrystalizacja 3procesy dyfuzyjne prowadzące do zgrzania sąsiednich
cząstek proszku, wzrost gęstości i wytrzymałości. Efektem tych
procesów jest również skurcz. Mamy porowatość otwartą i
porowatość zamknietą. Spiekanie z udziałem fazy ciekłej drogą
metalurgi spieków 1spieki produkowane masowo 2spieki porowate np.
samosmarujące, filtracyjne i na podłoże katalizatorów 3spieki
nieporowate np. samosmarujące które pory wypełnine są tworzywem
polimerowym albo stopami niskotopliwymi (brąż,babit) 4spieki metali
wysokotopliwych 6ceramika specjalna 7spieki na materiały cierne. Spieki
produkowane masowo-spieki na bazie żelaza lub miedzi, tą metoda
wytwarza się masowo koła zębate, cześci broni strzeleckiej. Ze
stopów miedzi wytwarza się elementy maszyn elektrycznych. Spieki
porowate-najczęściej porowatość 30-40% wyjątkowo do 80%
porowatości. Spieki samosmarujące są porowatymi elementami łożysk
ślizgowych których pory wypełnine SA olejem . w czasie pracy olej
wydziela się na zewnątrz a po pracy wraca do spieku. Zastosowanie tam
gdzie nie da się dotrzeć lub nie da się zrobić układu smarującego.
Tasmy bimetalowe taśmy o dużej wytrzymałości otrzymywane w metalurgi
proszków.

Taśmy bimetalowe stanowią materiał na łożysk ślizgowych (po
odpowiednim wycięciu i ukształtowaniu) są to taśmy o podłożu stali
zapewniające odpowiednią trwałość pokryty od strony spiekania
cienką warstwą miedzi na którą nasypywany jest proszek najczęściej
brązu ołowiowego, walcowany z niewielkim zagęszczeniem tak aby
została porowatość ok. 25% i spiekamy w piecu. Często po spiekaniu
przeprowadza się ponowne walcowanie i spiekanie. Zastosowanie –w
silnikach okrętowych i spalinowych. Spieki smarujące nieporowate są
to spieki porowate nazywane stopami łożyskowymi. Spieki metali
wysokotopliwych(wolfram,molibden,tantal) sposób otzrmywania:
1wytwarzana mieszanina wolframu z lepiszczem (tworzywem polimerowym)
2przez oczko kształtujące przeciągany jest prad o średnicy 5-10mm
podczas spiekania wyparowuje polimer. 3z pręta formowany jest drut w
wyniku wielokrotnego kucia na gorąco oraz przeciągania przez oczka
odpowiedniej wielkości. Tworzywa ceramiczne ceramika jeat tworzywem
najstarszym a zarazem najnowocześniejszym tworzywem. Ceramika (z
greckiego ceramos- materiał wypalony) ceramika tradycyjna oparta na
glinokrzemianie. Ceramika nowa obejmuje materiały ceramiczne
konstrukcyjne i specjalne. Ceramika tradycyjna obejmuje surowce i wyroby
przemysłu garncarskiego kamionka, porcelana, cegły. Surowcem jest
glina, która jest mieszaniną różnych tlenków ale podstawowym jest
kaolinit Al2O3*2*SiO2O2*2H2O .surowce w ceramice nowy –materiały
wysokotopliwe (łopatki turbin gazowych, dysze, narzędzi szybkotnące)
ceramika składa się z bardzo czystych tlenków, węglików, azotków
węgla pod postacią diamentu, grafitu lub fulerenu i innych związków
o mniejszym. Struktura ceramiki tradycyjnej fazy krystaliczne osadzone
są w fazie amorficznej właściwości tworzyw ceramicznych –moduł
sprężystości- wysoki ponieważ mają

wiązania kowalencyjne i jonowe. Kowalencyjne są o bardzo wysokiej
energii. Moduł sprężystości 209 Gpa moduł sprężystości tlenku
glinu 390Gpa

Gęstość stali ro=7,8 g/cm3

korundu (Al2O3) ro=3,9 g/cm3

moduł względny stali 27

korundu 100

twarde ponieważ mają wiązania kowalencyjne i jonowe-wiązania
kowalencyjne są wybitnie kierunkowymi – odkształcenie jest
niemożliwe-niewielka ilość systemu poślizguPrzykłady twardości tw.
ceramicznych -diament 10000 HV

-węglik boru 2800-węglik krzemu 2500-węglik wolframu 2100-korund
2100-kwarc 800-szkło 550

-wytrzymałość na pękanie: mała-wytrzymałość na rozciąganie:
mała-wytrzymałość na ściskanie: bardzo duża-odporność na udar
cieplny: mała-odporność na pełzanie: bardzo dużaStruktura
ceramiki-struktura komórki NaCl - struktura komórki SiO2

(rys x2)

Szkło – ceramika niekrystaliczna – ma strukturę amorficzną
(strukturę krzemionki)

(rys x3)

Wykres energii:-a struktura amorficzna-k kryształ-l ciecz

(rys)

zastosowanie szkła:-budownictwo-motoryzacja (przenosi
obciążenia)-konstrukcje pracujące na ściskanie (akwaria)-elementy
konstrukcji – kadłuby-aparatura chemiczna, próżniowa, przemysłu
spożywczego-sztuka użytkowa

Formowanie szkła

Formujemy szkło o małej lepkości

(rys)

Metody formowania:-walcowanie (rys)-płynięcie szkła po powierzchni
innej cieczy (np. roztopionej cyny) (rys)-prasowanie (rys)-dmuchanie
(np. bombki) (rys)-ciągnienie (np. włókna szklane) (rys)

Szkło hartowane i chłodzone obustronnie -po zbiciu nie ma ostrych
krawędzi i tłucze się na małe kawałki-ma podwyższoną
wytrzymałość na rozciąganie bo Rm = Rmsz + σs (σs - naprężenia
ściskające powstałe w wyniku hartowania w zewnętrznych warstwach
tafli szklanej) (rys)

Dewitryfikacja – odszklenie, pozbawienie struktury szklistej, czyli
nadanie struktury krystalicznej

Sposób wytwarzania dewitryfikatów

Pierwszymi dewitryfikatami były szkła światłoczułe (z dodatkiem Cu,
Ag, Au w ilości 10-3 ÷ 10-12 % -> wydzielają się jako cząsteczki
rzędu nanometrów powodując zaciemnienie szkła).-1 krok – drgania
atomów – spowodowane przez podgrzanie

2 krok – zarodki krystalizacji (metale ze szkieł światłoczułych,
tlenki) – zarodkowanie heterogeniczne. W wyniku wygrzewania rozpoczyna
się proces krystalizacji na tych zarodkach.

Właściwości dewitryfikatów (w stosunku do struktury
szklistej)-wyższe Rm -wyższa udarność -wyższa odporność na szoki
cieplne

Zastosowanie:-nietłukące się naczynia-elementy łożysk ślizgowych,
pomp hydraulicznych

Ceramika glino – krzemianowa (tradycyjna)Składniki – surowce:

-glina – zawiera do 98% kaolinitu o strukturze warstwowej (AlHO3 *
2SiO2 * 2 H2O)-kwarc SiO2

-skaleń – składnik niskotopliwy – sodowy: Na2O * Al.2O3 * 6SiO2

Przykłady wyrobów z ceramiki tradycyjnej:-materiały budowlane
(cegła, płyty stropowe, okładzinowe)-ceramika sanitarna (wanny,
pisuary, stoły do sekcji)-ceramika kwasoodporna (rury kanalizacyjne,
drenarskie, c. laboratoryjna, kamionka)-ceramika stołowa (porcelana,
porcelit, fajans)-ceramika ognioodporna (wyroby magnezytowe,
szamotowe)-ceramika elektrotechniczna (oporniki

Proces wytwarzania ceramiki:

(pozycje 1-5 np. dla cegły, pozycje 1-10 np. dla porcelany, porcelitu,
fajansu)-przygotowanie surowców (rozdrobnienie, kruszenie,
mielenie)-przygotowanie mas (odważenie i zmieszanie surowców z H2O dla
uplastycznienia)-formowanie-suszenie-wypalanie-szkliwienie-ponowne
wypalanie-zdobienie farbami ceramicznymi-ponowne wypalanie-kontrola
jakości i sortowanie

Im więcej gliny zawiera ceramika tym łatwiej się formuje i jest
bardziej żaroodporna.

Im więcej skalenia tym łatwiej się zagęszcza podczas wypalania.

Składy:-porcelana – 50% glina, 30-40% kwarc, reszta skaleń-cegła
– 50% glina, 25% kwarc, 25% skaleń-wyrób szamotowy – do 50% gliny,
złom szamotowy (wypalony, zmielony)-wyroby wieloszamotowe – do 10%
gliny, reszta szamot mielony temp. wypalania 1450OC-wyroby magnezytowe
– tlenek magnezu 97-100%, 0-3% lepiszcze organiczne

Tlenek magnezu jest trwały, jego temp. wypalania to ok. 1600OC

magnezyt spieczony MgO

magnezyt na wyroby MgCO3

Materiały żaroodporne – mają żaroodporność 1580OC.
Żaroodporność – temperatura w której wierzchołek stożka
wykonanego z danego materiału dotknie płaszczyzny podstawy.

(rys)

Porcelana

Porcelana miękka ma więcej skalenia porcelana twarda - kaolinitu.

Z porcelany twardej wyrabia się: wyroby stołowe, ceramikę sanitarną,
laboratoryjną. Z porcelany miękkiej tylko wyroby stołowe i
dekoracyjne

Kamionka – porcelana z zanieczyszczeniem FeO powyżej 4%

Porcelit – porcelana zanieczyszczona 2% FeO, ma żółty kolor

Właściwości porcelany-360 – 1400 $ za tonę-2,3 –2,5 g/cm3-E = 70
GPa-Rm – 350 MPa-Rg – 45 MPa-Temp. mięknienia – 1200OC-Odp. Na
szoki termiczne 220O

Charakterystyka tworzyw

Badania tworzyw ceramicznych:-badanie porowatości otwartej i
zamkniętej-badanie porowatości całkowitej-badanie gęstości
teoretycznej i pozornej

Spieki ceramiczne

Potencjalne zalety spieków ceramicznych:-kruche-specjalne konstrukcje
minimalizujące obciążenia zginające-tworzywa na maszyny cieplne,
układy wydechowe, rakietowe-materiały odporne na ścieranie: elementy
łożysk-materiały na elementy żaroodporne

Zalety:-można podwyższyć temp. na wlocie turbiny do 1400OC-źle
przewodzą ciepło: małe straty ciepła, niskie wymagania odnośnie
chłodzenia-mała gęstość-łatwo dostępne i tanie pierwiastki (Al.,
Si, O, N, C)-dobry materiał na silniki: lżejszy, wymaga mniej
chłodzenia

książka nowackiego

I. Formowanie elementów z proszków metali-Przygotowanie
proszków-Prasowanie matrycowe

-Inne metody formowania

II. Spiekane kompozyty z osnową metaliczną

-Metalurgia proszków-rodzaje

-Umocnienie materiałów komp. Zbrojonych-Dyspersyjnie-cząstkami-Metody
wytwarzania spieków kompozytów z osnową metaliczną

III. Struktura właściwości i zastosowania wybranych spiekanych
kompozytów z osnową metaliczną-Umacniane dyspersyjnie

-Zbrojone cząsteczkami-Węgliki spiekane-Węglikostale-Spieki metali na
styki elektryczne-Spieki metaliczno-diamentowe-Spiekane materiały
cierne

I.1. Przygotowanie proszków

-Właściwości chemiczne i fizyczne użytych proszków oraz
właściwości ich spieków zależą od:-dokładności wymieszania
proszków (metal podst. + pierwiastki stopowe + dod.
poślizgowe)-czystości chemicznej-rozmiarów cząstek poszczególnych
składników Przygotowanie polega na:-wyżarzaniu redukującym proszków
w atmosferze wodoru w temp. 400-800OC w celu usunięcia powierzchniowych
warstw tlenków-odważeniu porcji proszków metali i środków
poślizgowych-mieszaniu w mieszalnikach lub młynach

Proszki metali plastycznych mieszane są zazwyczaj w mieszalnikach
łopatkowych i stożkowych. Proszki metali twardych i kruchych miesza
się w młynach kulowych.

Na sucho miesza się proszki o równej gęstości. Następuje wtedy
zaokrąglenie cząstek, wygładzenie ich powierzchni i zwiększenie
gęstości nasypowej.

Na mokro (+spirytus, benzyna lub woda) miesza się proszki o różnych
gęstościach w celu uniknięcia segregacji.

I.2 Prasowanie matrycowe

Prasowanie jest formowaniem proszku w zamkniętej przestrzeni matrycy
pod wpływem ciśnienia.

(rys prasownika)

Proszek w komorze matrycy w wyniku nacisku stempla zachowuje się w
przybliżeniu tak jak ciecz. Przez tarcie stykających się cząstek
oraz ścian matrycy nie jest spełnione prawo Pascala i ciśnienie
wywierane na boczne ścianki jest mniejsze od ciśnienia stempla:
pb=(0,3÷0,4)p gdzie: pb – ciśnienie na ścianki, p – ciśnienie
stempla. Spadek ciśnienia powoduje zmniejszenie gęstości wypraski.
Różnice w gęstości można zmniejszyć przez:-środki poślizgowe

-smarowanie ścianek matrycy-zastąpienie prasowania jednostronnego –
dwustronnym

-Podczas prasowania proszku plastycznego wyróżnia się stadia:

-przemieszczania cząstek względem siebie-odkształcenia sprężystego
cząstek-odkształcenia plastycznego cząstek

Podczas prasowania proszku kruchego zamiast odkształcenia plastycznego
występuje kruszenie cząstek.

Wzajemne przesuwanie się i ruch obrotowy cząstek względem siebie
powoduje dopasowywanie się ich i stopniowy wzrost gęstości. W stadium
tym od powierzchni zaczynają odrywać się tlenki. Dalszy wzrost
ciśnienia powoduje odkształcanie się cząstek. Cząstki
odkształcają się najpierw na powierzchni a następnie odkształcenie
przesuwa się w głąb cząstek. Ciągle odrywają się i pękają
tlenki. Odsłonięcie czystych powierzchni metalicznych prowadzi do
tworzenia zgrzein między cząstkami. Wraz ze wzrostem ciśnienia
rośnie gęstość wypraski. Przyrost gęstości jest największy dla
małych ciśnień, a dla p>1000 jest równy praktycznie zero.

Po odciążeniu wypraska rozpręża się nieco zaklinowując w
ściankach matrycy. Aby ją wyjąć należy przyłożyć tzw. siłę
wypychającą. Rozprężenie wypraski zależy od rodzaju proszku,
środków poślizgowych i ciśnienia prasowania.

Gęstość wypraski zależy od:

A) właściwości proszku

B) sposobu i warunków prasowania

C) rodzaju stosowanych środków poślizgowych

A) Zagęszczalność proszku zależy od:

Rozmiaru i kształtu jego cząstek

Twardości

Stopnia utlenienia

Zawartości gazów

Najlepiej zagęszczają się proszki o średnich rozmiarach, ponieważ w
proszkach drobnych występuje b. duże tarcie podczas prasowania, a w
przypadku proszków grubych – mniejsze wypełnienie komory zasypowej.

Najlepiej zagęszczają się proszki o kulistym kształcie. Duża
twardość, wysokie utlenianie i duża zawartość gazów zmniejszają
zagęszczalność.

B) Stosuje się 4 metody prasowania:-Jednostronne – wywieranie
jednostronnego nacisku stemplem górnym na proszek w matrycy. Powoduje
to różnice w rozkładzie ciśnień w wyprasce a co za tym idzie –
różna gęstość (największa pod stemplem górnym).-Dwustronne –
wywieranie dwustronnego nacisku stemplem górnym i dolnym na proszek w
matrycy. Rozkład ciśnień jest bardziej równomierny. Wypraska ma
najmniejszą gęstość w połowie wysokości.-Swobodne – odmiana
prasowania dwustronnego na prasach działających jednostronnie. Proszek
prasowany jest stemplem górnym. Matryca jest podparta na sprężynach i
w skutek tarcia cząstek proszku przesuwa się ruchem względnym do
stempla dolnego, powodując wzrost gęstości wypraski.-Sterowane –
Matryca porusza się w tym samym kierunku co stempel dolny ale 2x
wolniej, co daje efekt ruchu względnego matrycy w stosunku do obu
stempli.

Prasowanie dwukrotne zapewnia szczególnie dużą gęstość wypraski
(ok. 95% gęstości materiału nieporowatego). Składa się z 4
etapów:-prasowania wstępnego pod ciśnieniem 400-600 MPa-spiekania
wstępnego krótkookresowego – zwiększa gęstość i zmniejsza
twardość-prasowania końcowego pod ciśnieniem ok. 600 MPa-spiekania
końcowego

Otrzymanie takiej gęstości metodą jednostronną wymaga użycia
ciśnień ok. 900-1000 MPa co powoduje intensywne zużywanie stempli i
matryc.

Prasowanie z drgającą matrycą o amplitudzie ok. 0,01 mm wraz z
jednoczesnym oddziaływaniem na proszek ultradźwięków o
częstotliwości 21-22 kHz zwiększa gęstość wypraski w miejscach
oddalonych od powierzchni stempli.

Na gęstość wypraski mają wpływ:-ciśnienie (+prędkość jego
przyrostu, +czas jego działania) – im większe ciśnienie i dłuższy
czas jego działania tym większa gęstość-stosunek wysokości do
średnicy wypraski (h/d) – im większy tym trudniej osiągnąć
zamierzoną gęstość

C) Środki poślizgowe mają za zadanie:-zwiększenie gęstości
wypraski przy określonym ciśnieniu-zmniejszenie ciśnienia przy
założonej gęstości wypraski-zmniejszenie różnic ciśnienia w
wyprasce-zmniejszenie przylepienia się ziaren do ścianek matrycy ->
zmniejszenie siły wypychania

Osiąga się to, ponieważ środki poślizgowe zmniejszają tarcie
między ziarnami proszku a ściankami matrycy oraz między cząstkami
samego proszku. Najczęściej używane środki poślizgowe (ok. 0,2-1,0%
zawartości w proszku) to smary, wazelina, oleje, wosk, parafina oraz
materiały aktywne powierzchniowo (stearynian cynku, kwas stearynowy,
kwas oleinowy). Podczas podgrzewania proszku do temp. spiekania środki
poślizgowe ulegają degradacji. W efekcie nie wpływają na proces
spiekania, zwiększają jedynie porowatość spieku.

I.3. Inne metody formowania:

-prasowanie izostatyczne – opis poniżej-prasowanie izostatyczne na
gorąco (HIP) – stosowane do formowania wyrobów o jak najniższej
porowatości. Stosowane do proszków trudno zagęszczających się.
Ciśnienie wywiera gaz (najczęściej obojętny). Prasowanie zachodzi w
wysokiej temp. aby zapewnić większą plastyczność proszku. Formy
wytwarza się z materiałów żaroodpornych o dużej plastyczności w
temp. prasowania.-prasowanie z przesuwającą się matrycą – stempel
zagęszcza luźno zasypany proszek w matrycy rynnowej. W czasie 1 cyklu
matryca przesuwa się o szerokość stempla. Stosuje się do formowania
prętów i taśm o większej długości i znacznej grubości, oraz z
bimetali.-walcowanie proszków – luźno zasypany proszek dostaje się
do przestrzeni między walcami, gdzie ulega ściskaniu. Stosuje się do
wytwarzania taśm płaskich lub z bimetali. Taśmy te mają dużą
porowatość więc ich grubość nie przekracza 6 mm.-prasowanie udarowe
– zagęszczenie następuje w wyniku oddziaływania fali wybuchu
bezpośrednio na proszek lub poprzez stempel. Czas = 1/1000 sekundy, p=
ok. 10000 MPa. Otrzymuje się wypraski w kształcie prętów, rur. Mają
dużą gęstość i dobrą wytrzymałość. -prasowanie matrycowe na
gorąco – połączenie prasowania i spiekania w jednym procesie.
Otrzymuje się spieki nieporowate o wysokich właściwościach
mechanicznych. Stosuje się do proszków trudno topliwych.-wyciskanie
proszków – przez odpowiednio ukształtowaną dyszę wyciska się
gęstą pastę – proszek z plastyfikatorem (zlepiaczem). Następnie
wyrób suszy się i spieka gdzie odparowuje plastyfikator. -formowanie
wibracyjne – luźno zasypany proszek zagęszcza się wibratorami o
częstotliwościach 8-15 Hz (mechaniczne) lub 50-20000 Hz
(elektromagnetyczne)-odlewanie proszków – do wyrobów o
skomplikowanym kształcie, z proszków trudno prasujących się i
drobnoziarnistych. Silnie zagęszczoną zawiesinę (proszek + dodatki
poprawiające lejność) odlewa się do porowatej formy (wchłaniającej
ciecz). Odlew podsusza się, wyjmuje z formy, suszy i spieka. Otrzymuje
się wyroby o gęstości do 98% materiału nieporowatego.-natryskiwanie
proszków – do cienkościennych skorup. Natryskiwanie za pomocą
pistoletu zawiesiny proszku w cieczy łatwo parującej z dodatkiem
żywic organicznych. Następnie kształtkę spieka się.Prasowanie
izostatyczne zagęszczanie w formie z materiału plastycznego przez
oddziaływanie ciśnienia hydrostatycznego. Ciśnienie wywierane jest
równomiernie na wszystkie ścianki formy przez wodę lub inną ciecz
zgodnie z prawem Pascala. Trójosiowy stan naprężenie zapewnia b.
dobre i równomierne zagęszczenie. PI na mokro – po zagęszczeniu
wyjmuje się formę z prasy i usuwa z niej wypraskę. PI na sucho –
forma pozostaje w prasie a wypraska jest usuwana za pomocą wypychacza.

PI zapewnia:-małe naprężenia w wyprasce-zmniejszenie ilości
środków poślizgowych-jednorodność materiału wypraski-możliwość
obróbki mechanicznej wypraski-brak ograniczenia kształtu i rozmiarów
wypraski-większą plastyczność wypraski.

II.1. Metalurgia proszków zapewnia:-dyfuzyjne połączenie osnowy ze
zbrojeniem-duże możliwości doboru rodzaju, postaci i rozmiarów
zbrojenia Wytwarza się kompozyty:-porowate i nieporowate-umocnione
dyspersyjnie i zbrojone cząstkami

Podział spiekanych kompozytów (SK) o osnowie ze względu na rodzaj
zbrojenia:-metal-metal (osnowa-zbrojenie)-metal-ceramika-metal-polimery

SK z osnową metaliczną:-umacniane dyspersyjnie są używane na
tworzywa konstrukcyjne o dużej żaroodporności i
żarowytrzymałości-zbrojone cząstkami - używane są na tworzywa o
dużej twardości, dobrych właściwościach ciernych, określonej
gęstości, przewodności cieplnej i elektrycznej oraz na szybkotnące
narzędzia skrawające. Zbrojenie prawie nie zmienia wytrzymałości
kompozytu, ale poprawia wymienione własności fizyczne.-nasycane
metalami lub polimerami należą do spieków nieporowatych. Porowata
osnowa zostaje nasycona w celu nadania jej określonej właściwości
(przewodność, wł. cierne).

II.2. Rodzaje spiekanych kompozytów z osnową metaliczną:

konstrukcyjne:-łożyskowe z osnową Cu-Sn-Pb -Cu-Sn-Pb z dodatkiem
MoS2, WS2 lub innych

Cu-Sn-Pb z dodatkiem krzemionki i grafitu (stały współczynnik tarcia,
dobra odporność cierna)

Odporne na ścierania z osnową Cu-Sn zbrojone Al2O3 lub SiO2 i innymi

Żaroodporne i żarowytrzymałe Al.-AL2O3 wytwarzane z powierzchniowo
utlenionego Al.

AL2O3-Cr, AL2O3-Cr-Mo

Żaroodporne i żarowytrzymałe TiC-(15-40%)Ni-(5-15%)Cr

Spiekane kompozyty metal-metal lub metal-niemetal np. W-Cu, W-Ag, Mo-Ag,
Cu-grafit, Cu-Sn-Pb-(5-70%)grafit, Cu-Al2O3

Reakcyjnie spiekane kompozyty umacniane dyspersyjnie tlenkami,
fosforkami, borkami.

narzędziowe:

WC-Co z dodatkami mat. wysokotopliwych TiC, NbC, TaC, VC

Materiały ścierne o osnowie Al lub brązu zbrojone AL2O3, SiO2

spieki metaliczno-diamentowe o osnowie brązu, żelaza (Fe-Ni, Fe-Ni-Cr)
molibdenu i wolframu (Mo-Cu-Co, W-Cu-Ni)

spieki Al2O3-Ni, Th-O2, Al2O3-Fe i spieki Al2O3 z metalami (Al2O3-Cr,
Al2O3-Cr-Mo)

II.4. Metody wytwarzania spiekanych kompozytów z osnową metaliczną

Metalurgia proszków umożliwia:

dużą dokładność wymiarową wyrobów

małe koszty w produkcji seryjnej

wytwarzanie kompozytów o b. zróżnicowanym składzie chemicznym

wytwarzanie kompozytów o ściśle kontrolowanej strukturze

wytwarzanie kompozytów o właściwościach niemożliwych do uzyskania
inną metodą

dobre połączenie różnych składników

dowolne komponowanie składu chemicznego, struktury i właściwości
wyrobu

wytwarzanie kompozytów konstrukcyjnych, narzędziowych i funkcjonalnych

wytwarzanie wyrobów o różnej gęstości przy tym samym składzie
chemicznym

Procesy metalurgii proszków składają się z etapów:

przygotowanie proszków osnowy i zbrojenia

mieszanie proszków aż do uzyskania jednorodnej mieszaniny

formowanie wyrobu

spiekanie w fazie stałej lub z udziałem fazy ciekłej

obróbki cieplnej i mechanicznej, nasycania olejami, żywicami oraz
niskotopliwymi metalami i ich stopami

(Inny sposób: spiekanie izostatyczne a następnie dogęszczanie metodą
HIP lub prasowanie wybuchowe)

Wytwarzanie SK z osnową metaliczną zbrojonych włóknami:

wymieszanie proszku osnowy (np. stal żaroodporna, nadstop, metal
wysokotopliwy)

wygrzewanie mieszaniny osnowy i zbrojenia (np. HfO2 Th O2, HfB2, HfN,
HfC, TaC) w temp. ok. 800OC w atmosferze wodoru

prasowanie hydrostatyczne pod ciśnieniem ok. 200 Pa

spiekanie w próżni

ponowne prasowanie hydrostatyczne pod ciśnieniem 500-1400 Pa

ponowne spiekanie w próżni

Tak wytworzone kompozyty mają w temp. 900OC 10x większą
wytrzymałość Rm niż osnowa

Zbrojenie wprowadza się następującymi metodami:

pośrednią – wymieszanie cząstek osnowy ze cząstkami zbrojącymi
– stosowane najczęściej do kompozytów z osnową metaliczną i
zbrojeniem z tworzywa sztucznego. Cząstki zbrojenia wprowadza się do
osnowy podczas mieszania proszków.

bezpośrednią, w wyniku-spiekania cząstek osnowy, których
powierzchnia została pokryta warstwą tlenków – do kompozytów z
osnową Al lub jego stopów. Proszek utlenia się przed prasowaniem co
daje warstwę tlenku Al2O3 na powierzchni. Podczas prasowania warstwa ta
dzieli się dając cząstki zbrojenia-Spiekania połączonego z
utlenianiem jednego ze składników – synteza tlenków zbrojących
podczas spiekania. Aby to osiągnąć miesza się metal osnowy z metalem
tlenkotwórczym, prasuje się, a następnie spieka w atmosferze
zawierającej tlen.-Mechanicznej syntezy (mechanicznego stopowania - MA)
– zbrojenie tlenkami w wyniku procesów mechanicznych i chemicznych
zachodzących w materiale po wprowadzeniu energii kinetycznej w młynach
wysokoenergetycznych. Proces składa się z przygotowania mieszaniny
proszków, mielenia wysokoenergetycznego przez kilkanaście godzin,
formowania obróbką plastyczną na gorąco, wyżarzania
rekrystalizującego.

Spiekania reakcyjnego – zbrojenie tworzy się w wyniku reakcji
zachodzących między składnikami proszku (czystymi metalami). W wyniku
tych reakcji tworzy się faza międzymetaliczna o korzystnych
właściwościach eksploatacyjnych. Podczas spiekania mieszaniny
złożonej z proszków elementarnych A i B etapami tworzy się faza
międzymetaliczna: 1)mieszania proszków, 2)dyfuzja prowadząca do
roztworu stałego AB, 3)faza ciekła – eutektyka A-B, 4)dyfuzja w
fazie ciekłej, 5)krystalizacja z fazy ciekłej do międzymetalicznej,
6)utworzenie końcowej fazy międzymetalicznej AB.

STRUKTURA, WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIA WYBRANYCH SPIEKANYCH
KOMPOZYTÓW Z OSNOWĄ METALICZNA

1. SPIEKANE KOMPOZYTY Z OSNOWĄ METALICZNĄ UMACNIANE DYSPERSYJNIE

są to stopy ODS. Znajdują zastosowanie w warunkach pracy w wysokiej
temperaturze i przy dużych obciążeniach mechanicznych. Do najbardziej
rozpowszechnionych należą materiały metalowo-ceramiczne
Al.-(10-20%)Al2O3 – SAP. Blachy, płyty i profile z tych materiałów
są wytwarzane przez prasowanie i spiekanie mieszanek proszków Al.-A
l2O3 lub powierzchniowo utlenionych proszków Al. Przy dobrych
właściwościach mechanicznych w temp. pokojowej i temp. podwyższonej
SAP znajduje zastosowanie na tłoki, głowice silników spalinowych,
łopatki turbin, piasty wałów sprężarek silników odrzutowych.

Kompozyty metaliczne umocnione dyspersyjnie mają znacznie wyższą
temperaturę rekrystalizacji niż stopy metali z których wytworzono
osnowę. temperatura ta w przypadku metali nie przekracza ½ temp.
topnienia T<0,5 Ttop. W przypadku kompozytów umocnionych dyspersyjnie
jest ona bliska temp. topnienia T≈0,8 Ttop.

2.MIKROSTRUKTURA SPIEKANYCH KOMPOZYTÓW Z OSNOWĄ METALICZNĄ ZBROJONYCH
CZĄSTKAMI

można podzielić je na: - cermetale (spieki ceramiczno-metaliczne), -
węgliki spiekane (spieki węglików wolframu i innych metali wysoko
topliwych z kobaltem, niklem i żelazem).

Spiekane kompozyty z osnową metaliczną zbrojone cząstkami znajdują
zastosowanie jako materiały o specjalnych właściwościach
uzyskiwanych w wyniku odpowiedniego połączenia metalicznej osnowy i
zbrojenia. Zbrojeniem są w tym przypadku cząstki o rozmiarach znacznie
większych w porównaniu z rozmiarami cząstek w kompozytach umacnianych
dyspersyjnie. Najczęściej średni rozmiar to 0,001mm do 0,02 mm.
materiały używane na osnowę: Co, Ni, Fe, Cu i ich stopy, na
zbrojenie: WC, TiC, TaC, NbC, VC, SiC, BN, diament. Zbrojenie modyfikuje
właściwości kompozytu przez sumowanie swoich właściwości z
właściwościami osnowy. O właściwościach kompozytu będą
decydowały właściwości składników i ich objętość względna, i w
efekcie mikrostruktura materiału. Spiekane kompozyty z osnową
metaliczną zbrojone małymi cząstkami znajdują zastosowanie jako
tworzywa narzędziowe, a z dużą objętością względem osnowy jako
tworzywa konstrukcyjne.

3. PODSTAWOWE GRUPY

A. Węgliki spiekane.

Ze względu na budowę zalicza się je do spiekanych kompozytów z
osnową metaliczną zbrojonych cząstkami. Stanowią spieki twardych
węglików metali wysokotopliwych: WC, TiC, TaC, NbC, VC oraz
metalicznej osnowy. Duża twardość wymienionych węglików 1900-2500HV
decyduje o dużej odporności na zużycie cierne węglików spiekanych.
Jednak wysoka kruchość nie pozwala na zastosowanie ich jako
materiałów narażonych na dynamiczne oddziaływanie obciążeń
zewnętrznych. Grupy węglików spiekanych: * WC-Co – narzędzia do
skrawania żeliwa i materiałów niemetalicznych, skał, narzędzia do
obróbki plastycznej; * WC-TiC-Co – narzędzia do skrawania stali.

Proces technologiczny węglików spiekanych: - wytworzenie proszków
węglików metali wysokotopliwych WC, TiC, TaC w wyniku nawęglania
tlenków metali; - wytworzenie mieszaniny proszków przez długotrwałe
mieszanie w młynach kulowych; - formowanie mieszaniny proszków
węglików metali i kobaltu w kształtki lub płyty; - spiekanie w
atmosferze redukującej wodoru, gazu ziemnego lub próżni w
temp.800-1000’C; - wyjęcie kształtek; * ostrzenie kształtek przez
szlifowanie karborundem, węglikiem boru lub diamentem; - spiekanie
końcowe w atmosferze redukującej w temp.1400-1600’C; - ponowne
ostrzenie kształtek przez szlifowanie karborundem jeżeli zachodzi taka
konieczność. Inne metody formowania: * prasowanie izostatyczne na
zimno lub gorąco; * prasowanie matrycowe na gorąco; * wyciskanie i
spiekanie.

Struktura węglików spiekanych: - pierwotny węglik wolframu WC o
średnicy ziarna 0,001-0,002mm, - pierwotny węglik wolframu WC o
średnicy ziarna

0,004-0,006mm, który uległ rekrystalizacji podczas spiekania; -
roztwór stały wolframu, kantalu, węgla w kobalcie;.

Węgliki spiekane znajdują zastosowanie jako materiały na narzędzia
do skrawania stopów żelaza, stopów nieżelaznych, materiałów
niemetalicznych oraz narzędzi do obróbki plastycznej. Gatunki o
wysokiej zawartości kobaltu coraz częściej są wykorzystywane jako
materiały konstrukcyjne elementów maszyn od których jest wymagana
duża odporność na ścieranie, szczególnie w podwyższonych
temperaturach, np. elementy łożysk ślizgowych i tocznych.

B. Węglikostale.

Należą do grupy spiekanych kompozytów z osnową metaliczną zbrojnych
cząstkami o właściwościach pośrednich między stalami
narzędziowymi a węglikami spiekanymi. Mają 10-20-krotnie większą
odporność na zużycie niż stal szybkotnąca. Osnowa w węglikostalach
odpowiada składem chemicznym stali konstrukcyjnej do ulepszania
cieplnego, stali austenitycznej odpornej na korozję. Fazę węglikową
stanowią węgliki tytanu TiC. Węglikostale charakteryzują się
znacznie większą ciągliwością niż węgliki spiekane, a
jednocześnie dużą odpornością na zużycie cierne. Mogą być
wytwarzane metodą: * prasowania i spiekania mieszaniny proszków
węglika i stali; * nasycania roztopioną stalą spieczonego wstępnie
porowatego szkieletu z węglika. Węglikostale Ferro-Titanit
charakteryzują się: - możliwością obróbki mechanicznej gdy ich
osnowa znajduje się w stanie zmiękczonym, - umocnieniem osnowy w
wyniku przemiany martenzytycznej, - dużą odpornością na zużycie
cierne i korozję; - możliwością wielokrotnej regeneracji metodą
obróbki cieplnej i skrawania.

C. Spieki metali na styki elektryczne.

Materiały na styki elektryczne charakteryzują się dobrą
przewodnością elektryczną i cieplną, odpornością na utlenianie,
zgrzewanie, korozję. Metodą metalurgii proszków można wytwarzać
styki elektryczne o składzie chemicznym i właściwościach
nieosiągalnych innymi metodami. Wykonuje się je w formie nakładek
spajanych z rdzeniem. Można wyróżnić: - styki o strukturze
pseudostopów, - styki ślizgowe, - styki wolframowe nieiskrzące. styki
o strukturze pseudostopów wykonuje się następującymi metodami: -
prasowanie mieszaniny proszków, spiekanie w temperaturze niższej niż
temperatura topnienia najniżej topliwego składnika; - zalanie ciekła
miedzią luźno zasypanego do formy proszku; - prasowanie na gorąco
mieszaniny proszków. Spiekane styki metalowo-węglowe wytwarza się
metodą prasowania i spiekania albo prasowania na gorąco.

D. Spieki metaliczno-diamentowe.

Stanowią grupę spiekanych tworzyw narzędziowych przeznaczonych na
elementy narzędzi tnących, wiertniczych i szlifierskich. Mają dużą
twardość, odporność na zużycie, w miarę dobrą ciągliwość. Są
używane do obróbki materiałów twardych i trudnoobrabialnych. Są
stosowane jako nakładki albo segmenty narzędzi do obróbki końcowej
innych cermetali, w tym węglików spiekanych. Osnową spieków
metaliczno-diamentowych w zależności od wymagań dotyczących
twardości, odporności na zużycie ścierne są: stopy miedzi, żelaza,
w tym stale nierdzewne, stopy metali o wysokiej temperaturze topnienia i
cermetale WC-Co, WC-Ni i WC-TiC-Co. Są wytwarzane metodą: - prasowania
i spiekania mieszaniny proszku osnowy metalicznej i diamentu; -
nasycania porowatych spieków metaliczno diamentowych metalem osnowy; -
prasowania na gorąco mieszaniny proszku osnowy metalicznej i diamentu.

E. Spiekane materiały cierne.

Są kompozytami ceramiczno-metalicznymi przeznaczonymi na wykładziny
sprzęgieł i hamulców w układach silnie obciążonych i narażonych
na oddziaływanie wysokiej temperatury, przekraczającej 600’C. W tych
warunkach są jedynymi materiałami spełniającymi wymagania dobrej
wytrzymałości mechanicznej, odporności na działanie wysokiej temp.,
stabilności procesu tarcia. Spieki cierne wykonuje się w postaci
segmentów lub nakładek zgrzewanych, spiekanych lub nalutowanych na
podkładki. W skład spiekanych materiałów ciernych wchodzą: Cu, Sn,
Pb, Fe, grafit, SiO2. Spiekane materiały cierne produkowane jako
płytki o twardości 20-60HB stosowane są jako nakładki w sprzęgłach
i hamulcach, pracujących w oleju lub na sucho, w pojazdach lub
maszynach o bardzo wysokiej sprawności.