PROPRIETATILE MATERIALELOR GRANULARE.

MATERIALE sI TEHNOLOGII PRIMARE 1.

LUCRAREA DE LABORATOR NR.

PROPRIETĂŢILE MATERIALELOR GRANULARE.

În tehnica actuala sunt utilizate în domenii foarte variate produse metalurgice obtinute printr-o tehnologie principial deosebita de tehnologia clasica, bazata pe turnarea materialului metalic în semifabricate sau în lingouri care sunt supuse ulterior deformarii plastice. Aceasta alternativa este oferita de metalurgia pulberilor, în care produsele se obtin din pulberi metalice amestecate uneori si cu pulberi nemetalice si/sau lianti, prin procedee de presare si încalzire fara topire (sinterizare). Obtinerea pieselor prin metalurgia pulberilor este utilizata pe scara larga pentru :

- producerea pieselor mici si cu forme complicate a caror obtinere prin turnare nu este rentabila nici din punct de vedere al consumurilor (de materiale, manopera etc.) nici din punct de vedere al preci 19219j919t ziei;

- producerea pieselor care prin natura functionarii trebuie sa aiba o structura poroasa (filtre, diafragme, cuzineti cu autolubrifiere);

- obtinerea în stare pura a metalelor si aliajelor greu fuzibile, materiale la care topirea si turnarea nu numai ca sunt dificil de realizat dar conduc la o impurificare inadmisibila;

- obtinerea unor materiale ai caror componenti nu se aliaza în mod natural (pseudoaliaje pentru contacte de tip W -Ag, W - Cu, Mo - Ag, Mo -Cu, materiale metalice grafitate de tip Cu - grafit, Fe - grafit, bronz - grafit si cermeturi care asociaza în structura lor o faza metalica ductila cu o faza ceramica refractara si dura - oxizi, carburi s.a.).

11.1 Obtinerea si caracteristicile pulberilor metalice

Deoarece majoritatea metalelor nu sunt fragile pentru a putea fi aduse în stare de pulbere prin sfarâmare si macinare, pentru obtinerea pulberilor metalice sunt necesare metode speciale. Printre acestea se numara:

- metode chimice ca de exemplu precipitarea din solutii apoase pentru obtinerea pulberii de Cu, Fe, Ni, Ag, Sn, folosind ca reducator hidrogenul sau un metal reactiv (Al, Zn). Pulberile obtinute prin metode chimice sunt foarte fine, moi si cu tendinta de aglomerare;

- metode fizico - chimice ca de exemplu: electroliza solutiilor apoase pentru obtinerea pulberii de Cu sau electroliza sarurilor topite pentru obtinerea pulberii de Zr; reducerea cu hidrogen la temperaturi înalte a oxizilor sau oxalatilor aplicata pentru obtinerea pulberii de Fe, Ni, Co, Cu, sau descompunerea carbonililor metalici si condensarea vaporilor metalici rezultati. Pulberile obtinute prin metode fizico - chimice sunt foarte pure, cu finete reglabila, - de obicei foarte fine (0,1 ... 10 mm) - si cu aptitudine buna de presare;

- metode fizico - mecanice, ca de exemplu, granularea prin agitare în timpul solidificarii sub racire fortata aplicata pentru obtinerea pulberii de Al, Cd, Zn, Sn. În aceasta categorie intra si metoda cea mai rapândita pentru obtinerea pulberilor metalice si anume metoda atomizarii sau pulverizarii. Prin aceasta metoda un jet de metal lichid iesit dintr-o duza fina este divizat în picaturi fine si se solidifica rapid sub actiunea unui curent de gaz, aer comprimat sau abur. Pulberile obtinute prin granulare si atomizare au forma apropiata de cea sferica, granulatia de ordinul zecilor de microni si suprafata putin oxidata superficial.

- metode mecanice , care includ macinarea uscata si macinarea umeda; aceste metode sunt aplicabile metalelor si aliajelor fragile (Mn, Cr, Sb, Bi, si aliaje magnetice). Pulberile obtinute prin metode mecanice au granulatie mare, sunt durificate si au aptitudine redusa de presare, dar aceasta poate fi uneori ameliorata prin tratament termic.

Proprietatile produselor obtinute prin metalurgia pulberilor precum si procesele care se produc în etapele de fabricatie (presare - sinterizare) sunt determinate de caracteristicile dimensionale si de forma ale particulelor de pulbere. Aceste caracteristici conditioneaza suprafata specifica si reactivitatea fizico - chimica marita a materialului în stare pulverulenta.

11.1.1 Caracteristicile superficiale ale materialelor purverulente

Pulberile reprezinta o stare avansata de divizare a materialelor, cu particule neconsolidate, discrete, de dimensiuni submilimetrice, caracterizate printr-o crestere enorma a ariei suprafetei specifice.

Aria suprafetei specifice a unui material constituit din particule de dimensiune d, reprezinta suma suprafetelor particulelor din unitatea de volum (suprafata specifica S_v) sau din unitaatea de masa (suprafata specifica S_m). Relatia între dimesiunea particulelor si aria suprafetei specifice a materialului este :

S_v S_p n_v sau S_m S_p n_m

unde S_p reprezinta suprafata exterioara a unei particule, iar n_v si n_m numarul de particule al caror volum însumat este egal cu unitatea sau a caror masa însumata este egala cu unitatea. Se demonstreaza usor ca în cazul particulelor de forma geometrica regulata (sferica sau cubica) suprafata specifica este independenta de forma particulei si este data de relatia:

S_v 6/d cm²/cm³ respectiv S_m 6/d r cm²/g

Pentru particule de forma neregulata, deviatia de la forma sferica sau cubica este luata în consideratie prin introducerea unui factor de forma a supraunitar, asa încât expresia suprafetei specifice devine:

S_v a/d cm²/cm³ respectiv S_m a/d r cm²/g

Întrucât factorul de forma creste cu cât se accentueaza neregularitatea formei particulelor de pulbere, rezulta ca suprafata specifica a unui material pulverulent este cu atât mai mare cu cât dimensiunea particulelor este mai mica si forma lor mai neregulata.

Dimensiunea particulelor este exprimata prin diametrul d, daca particulele sunt echidimensionale sau prin diametrul echivalent d_e, pentru particulele de forma neregulata. Diametrul echivalent se defineste ca diametrul sferei cu acela si raport suprafata/volum ca si particula data de forma neregulata, deci :

d_e d/a

Determinarea dimensiunii particulelor din material pulverulent se efecteaza prin metode adecvate marimii acestora. Pariculele grosiere pot fi masurate prin cernere prin site standardizate, în gama de dimensiuni pâna la 38 mm. Particulele sub aceasta dimensiune pot fi masurate microscopic sau prin masurarea vitezei de sedimentare, conform ecutiei Stokes :

unde r este raza particulei în suspensie; r_{1 si} r - densitatea particulei, respectiv a mediului; h - vâscozitatea mediului; g - acceleratia gravitationala.

În general pulberea obtinuta printr-o anumita metoda nu are particulele riguros de aceeasi dimensiune, ci prezinta o varietate de dimensiuni. Caracterizarea optima a pulberii din punct de vedere dimensional este facuta în acest caz prin analiza granulometrica. Un exemplu de astfel de analiza este prezentat în figura 11.1. Pentru o pulbere constituita dintr-un amestec de particule de diverse dimensiuni, suprafata specifica se determina ca medie ponderata a suprafetei specifice a diverselor fractii granulometrice.

Rolul suprafetei specifice în determinarea comportarii pulberilor rezulta din natura fizica speciala a suprafetelor libere. Terminarea brusca a retelei cristaline conduce la un aranjament deosebit al atomilor din stratul superficial, care cu orbitalele lor numai pe jumatate completate, tind sa atraga alti electroni. Aceasta conduce la o reactivitate marita a suprafetei si sta la baza unor fenomene ca adsorbtia, cataliza, coroziunea, oxidarea, germinarea si cresterea cristalelor. De asemenea terminarea brusca a retelei cristaline conduce la formarea a numeroase imperfectiuni structurale. Aceste imperfectiuni de pe suprafata libera a particulelor sunt consecinta devierii atomilor din pozitiile lor ideale ale retelei cristaline, creindu-se astfel dislocatii, defecte de împachetare, muchii, trepte, intrânduri s.a. , figura 11.2. La ridicarea tempraturii un numar din ce în ce mai mare de atomi parasesc suprafata accentuând rugozitatea acesteia. În acest mod se creeaza chiar pe suprafetele presupuse plane, trepte a caror adâncime este de ordinul zecilor sau chiar sutelor de diametre atomice. Aspectul rugos al suprafetelor libere, caracterizat prin prezenta defectelor superficiale si starea de nesaturare electronica a atomilor din stratul superficial sunt cauzele reactivitatii marite, care conditioneaza interactiunile dintre suprafetele libere din materialele pulverulente si substantele gazoase sau lichide cu care vin în contact sau chiar interactiunile între particulele solide din pulbere.

Figura 11.1 Histograme ale distributiei granulometrice

a - material cu gama larga de dimensiuni ale particulelor;

b - material cu gama îngusta de dimensiuni ale pariculelor

Figura 11.2 Modelul imperfectiunilor de pe suprafata libera a unui cristal

11.1.2 Modul de împachetare a particulelor în materialele pulverulente

Modul de aranjare reciproca în spatiu a particulelor dintr-o pulbere este numit mod de împachetare. Gradul de împachetare poate fi caracterizat cantitativ prin densitatea aparenta si marimile conexe cum sunt volumul specific aparent, densitatea relativa, volumul relativ si porozitatea.

Densitatea aparenta r_a este raportul dintre greutatea, G unei cantitati de pulbere în stare simplu varsata sau dupa tasare si volumul, V ocupat (volum care include atât particulele cât si golurile) :

r_a G/V , g/cm³.

Volumul specific aparent V_a este volumul unitatii de masa de pulbere în stare simplu varsata sau tasata si este egal cu inversul densitatii aparente.

Densitatea relativa r_r este raportul dintre densitatea aparenta a pulberii si densitatea materialului respectiv compact. Aceasta marime are evident, totdeauna valori subunitare; din acest motiv densitatea relativa este numita si fractie de împachetare f:

r_r f r_a r

Volumul relativ V_r este inversul densitatii relative si are totdeauna valori supraunitare; volumul relativ exprima de câte ori volumul ocupat de materialul pulverulent este mai mare decât volumul ocupat de aceasi cantitate de material compact :

V_r r_r r r_a

Porozitatea sau fractia de goluri n reprezinta raportul între volumul golurilor V_g si volumul aparent al pulberii V_a (acesta din urma încluzând atât volumul golurilor V_g cât si volumul particulelor de pulbere V_p):

n V_g/V_a sau n r_r

Realizarea unui mod de împachetare dens a particulelor de pulberi presupune o mobilitate reciproca mare a particulelor. Aceasta mobilitate a pulberii este caracterizata cantitativ prin viteza de curgere, care se exprima prin cantitatea de pulbere care se scurge în unitatea de timp în anumite conditii printr-un orificiu calibrat. Din punct de vedere tehnologic viteza de curgere a pulberilor determina tipul de umplere a matritelor pentru presare si influenteaza productivitatea în instalatiile automate.

Toate marimile enumerate, care caracterizeaza gradul de împachetare al particulelor într-o pulbere, depind de forma si dimensiunile particulelor precum si de starea suprafetei particulelor.

Particulele sferice de aceasi dimensiune se împacheteza în mod compact la fel ca atomii în retelele cristaline de maxima compactitate (CFC, HC), porozitatea teoretica fiind de 26 %. Practic însa modul de împachetare al particulelor este mai putin compact, porozitatea atingând valori de 35 ... 45 %. Aceasta se datoreaza rugozitatii suprafetei libere a particulelor de pulbere si reactivitatii lor superficiale, care favorizeaza adeziunea între particule cu împiedicarea miscarii reciproce libere care sa le permita aranjarea în modul cel mai compact. Pe masura ce dimensiunea particulelor pulberii scade, suprafata specifica creste si ca urmare fenomenele de frecare si adeziune devin mai importante. Acest lucru are are ca efect formarea unor aglomerate care la rândul lor se asociaza în agregate , figura 11.3.

Aglomeratele sunt grupari de particule de pulberi legate între ele prin forte superficiale de adeziune. În cazul formarii aglomeratelor gradul de împachetare în materialul pulverulent si viteza de curgere a acestuia sunt determinate de dimensiunea, distributia si forma aglomeratelor si nu de dimensiunea si forma particulelor individuale de pulbere.

Agregatele sunt grupari de aglomerate slab legate între ele care pot fi dezintegrate usor prin actiuni mecanice. Agregatele tind sa se formeze în operatiile de obtinere a amestecului unor pulberi de naturi diferite prin omogenizare în mori cu bile sau în mori vibratorii. Formarea lor poate fi împiedicata prin introducearea în amestecuri a unor lubrifianti.

Particulele de forma neregulata si asimetrica au tendinta foarte accetuata spre aglomerare si agregare ceea ce împidica realizarea unei împachetari compacte. Porozitatea pentru asemenea pulberi poate atinge valori extrem de ridicate, pâna la 95 %.

Pentru a se realiza compactitatea optima este necesar sa se aleaga în mod adecvat forma si dimensiunile particulelor de pulbere si modalitatea de compactizare. Compactizarea se realizeaza prin vibrare sau sub presiune. Particulele de forma regulata si dimensiune identica, în special particule sferice, se compactizeaza rapid având o viteza de curgere mare, spre deosebire de particulele de dimensiuni diferite si forma neregulata care necesita un timp mult mai lung pentru compactizare.

O densitate de împachetare avansata a pulberilor poate fi obtinuta prin amestecarea unor pulberi de dimensiuni diferite în asa mod încât interstitiile dintre particulele de dimensiune mare sa fie ocupate de particule de dimensiune medie si asa mai departe. Raportul dintre particulele de marimi succesive trebuie sa fie mai mare de 7 : 1 pentru ca patrunderea în interstitii sa fie posibila. Realizarea densitatii maxime de împachetare reclama utilizarea a pîna la 4 sorturi de pulbere de dimensiuni diferite.

11.2 Transformari structurale la presarea si sinterizarea pulberilor

Transformarea unui amestec neconsolidat de pulberi într-o piesa compacta si rezistenta se realizeaza prin operatiile tehnologice de presare a pulberilor în matrite si sinterizare (încalzire fara topire) a produsului presat. În mod obisnuit cele doua operatii se executa succesiv, dar ele pot fi executate si simultan (presare la cald sau sinterizare sub presiune).

  11.3 Formarea agregatelor prin legarea particulelor de pulbere prin forte superficiale de adeziune si gruparea aglomeratelor