TEHNOLOGII DE REALIZARE A PIESELOR SINTERIZATE; STRUCTURA SI PROPRIETATILE MATERIALELOR SINTERIZATE.

MATERIALE sI TEHNOLOGII PRIMARE 1.

LUCRAREA DE LABORATOR NR.

TEHNOLOGII DE REALIZARE A PIESELOR SINTERIZATE; STRUCTURA sI PROPRIETĂŢILE MATERIALELOR SINTERIZATE.

12.1 Transformari structurale la presarea pulberilor

Amestecul de pulberi, corect dozat din punct de vedere al naturii si granulatiei particulelor si omogenizat, este transformat prin presare īntr-un "comprimat" avānd forma viitoarei piese. Presarea se executa, de obicei īn matrite prin diferite procedee tehnologice, scopul operatiei fiind cel de obtinere a unui semifabricat cu forma si dimensiuni stabile, precum si rezistenta mecanica suficienta necesara manipularilor ulterioare. Īntroducerea īn amestecul initial de pulberi a liantilor (rasini, ceara, parafina) sau a lubrifiantilor (uleiuri, glicerina, acid stearic sau stearati, eter, benzen, acool, apa distilata ) micsoreaza frecarile īntre particulele de pulbere si favorizeaza o presare uniforma. Compactizarea si consolidarea amestecurilor de pulberi īn cursul operatiilor de presare se realizeaza prin urmatoarele procese care se produc īn structura pulberii :

- reorientarea particulelor, alunecarea lor reciproca si umplerea golurilor;

Acestea sunt procese care tind sa asigure amestecului de pulberi īmpachetarea cea mai densa posibila la dimensiunile si forma data a particulelor. Īn aceasta etap&# 525h71f 259; a presarii particulele īsi pastreaza individualitatea, dar volumul specific aparent si porozitatea amestecului scad, iar densitatea creste.

- deformarea plastica a particulelor individuale si sudarea lor prin presiune;

Aria S a suprafetei pe care se realizeaza sudura īntre particule, figura 10.4, depinde de presiunea aplicata si de caracteristicile (limita de curgere) materialului pulberii. Prin sudarea prin presiune a particulelor de pulbere se realizeaza nu numai cresterea densitatii comprimatului ci si consolidarea lui propriu-zisa, īntrucāt zonele de legatura īntre particule sunt stabile si au rezistenta mecanica a materialului masiv.

Īn aceasta etap&# 525h71f 259; a presarii, īn structura comprimatului se produce un īnceput de pierdere a individualitatii particulelor cu efecte asupra cresterii densitatii comprimatului care se mentine, īnsa la valori mici comparativ cu densitatea materialului compact.

Pentru pulberile nemetalice (oxizi, carburi s.a.) - īn cazul īn care se preseaza si sinterizeaza fara adaos de pulberi metalice cu rol de liant, capabil de deformare plastica - īn etapa de presare nu are loc sudarea prin presiune a granulelor. Īn acest caz, consolidarea particulelor si asigurarea rezistentei mecanice necesare a comprimatului cere utilizarea unor lianti organici, care se vor elimina īn etapa de sinterizare.

Deformatiile elastice, la extragerea semifabricatului din matrita, pot determina relaxari mari, fenomen denumit efect post - elastic. Pentru comprimatele din pulberi metalice efectul postelastic este foarte mic. El devine foarte important īn cazul īn care deformarea este neuniforma sau īn cazul pulberilor din materiale cu capacitate redusa de deformare plastica. Īn aceste cazuri utilizarea liantilor devine obligatorie.

1.2 Transformari structurale la sinterizarea comprimatelor

Comprimatele constituite din pulberi partial consolidate prin presare se transforma īn corpuri masive, prin sinterizare; sinterizarea reprezinta o operatie de īncalzire īn cursul careia se produce consolidarea completa a pulberilor prin procese de sudare prin difuzie. Īncalzirea pentru sinterizare se executa la tempratura de 2/3 ... 4/5 din temperatura de topire a componentului cel mai greu fuzibil din amestecul de pulberi. Pentru īmpiedicarea oxidarii interne a comprimatului operatia de sinterizare se executa īn atmosfera controlata (reducatoare sau neutra) sau īn vid. Īn mod curent sinterizarea se executa īn atmosfera de hidrogen, care prezinta avantajul ca produce reducerea peliculelor de oxizi de la suprafata particulelor comprimatului, asigurāndu-se astfel suprafete curate pentru difuzie.

  Procesele prin care se realizeaza consolidarea particulelor īn operatia de sinterizare sunt procese de difuzie la suprafata de contact īntre particule si pori. Īntr-o anumita masura contribuie si procesele de curgere plastica produse de tensiunile care nu s-au relaxat prin efect post - elastic precum si fenomenele de evaporare - condensare de la suprafata particulelor.

Fig. 12.2 Etapele consolidarii particulelor comprimatului īn cursul sinterizarii

a - etapa initiala (punti de legatura punctiforme. porozitate nemodificata, particule distingibile); b - etapa intermediara (punti de legatura pe suprafete mari de contact, reducerea porozitatii cu pastrarea caracterului intercomunicant al porilor, graunti noi recristalizati, pierderea individualitatii particulelor de pulbere); c - etapa finala (pori izolati, material consolidat, cresterea grauntilor recristalizati)

Procesele care au loc īn etapa sinterizarii sunt :

- marirea suprafetelor de contact īntre particulele comprimatului;

- diminuarea porozitatii;

- recristalizarea si cresterea grauntilor.

Īn paralel cu acestea are loc si:

- reducerea peliculelor de oxizi, eliminarea gazelor si a lichidelor adsorbite, eliminarea produselor rezultate din reducerea, descompunerea si vaporizarea substantelor introduse la presare ca lubrifianti si lianti;

- alierea prin difuzie a componentilor proveniti din particule de pulberi diferite, cu formarea de faze noi.

Din punct de vedere al distributiei porilor īn cursul sinterizarii se disting trei etape :

- etapa initiala īn cursul careia puntile de legatura īntre particule au caracter punctiform (fig. 12.2 a), porozitatea nu se modifica neavānd loc o contractie, iar particulele individuale de pulbere ramān distingibile;

- etapa intermediara īn cursul careia puntile se largesc (fig. 12.2 b); are loc o contractie prin apropierea centrelor īntre particule, iar porii formeaza o retea de canale intercomunicante;

- etapa finala īn care porii devin izolati (fig. 12.2 c). Īntrucāt disparitia interconectivitatii īntre pori elimina posibilitatile de transport atomic prin evaporare condensare si, partial prin difuzie superficiala, procesele de densificare a materialului scad īn acesta etapa.

Rzulta ca parametrii tehnologici principali ai operatiei de sinterizare sunt temperatura si timpul.

Īn privinta gradului de densificare, acesta depinde de destinatia produsului sinterizat. Astfel īn timp ce piesele solicitate mecanic sau piesele sinterizate pentru contacte electrice impun o densificare maxima (porozitate 0.1 ... 0.2 %), pentru cuzinetii cu autolubrifiere se urmareste o densificare redusa cu pastrarea interconectivitatii porilor (porozitate 30 ... 40 %).

Durata de sinterizare poate fi micsorata si gradul de densificare poate fi marit prin prezenta unei faze lichide la temperatura de sinterizare. Faza lichida patrunde si umple porii comprimatului, accelerānd toate procesele dependente de difuzie care se produc īn cursul sinterizarii, respectiv consolidarea particulelor, eliminarea porozitatii, alierea īntre componentii diverselor particule. Sunt posibile doua cazuri de sinterizare cu faza lichida :

- sinterizarea normala cu faza lichida īn care, la temperatura de sinterizare, unul sau mai multi componenti ai amestecului de pulberi se topesc;

- faza lichida provine din exterior si se infiltreaza īn porii comprimatului īntr-o etapa timpurie a sinterizarii cānd porii au caracter intercomunicant.

Sinterizarea cu faza lichida asigura densitati ridicate ale pieselor, cu conditia ca faza lichida sa fie foarte fluida la temperatura de sinterizare si sa aiba o tensiune superficiala mica īn raport cu particulele celorlalti constituenti ai amestecului de pulberi, pentru a le umecta. Exista numeroase sisteme plurifazice atāt metalice cāt si metaloceramice, care se sinterizeaza usor datorita formarii unei faze lichide. Materialele dure pe baza de carburi metalice pentru armarea sculelor aschietoare - constituite din amestec de WC, TiC cu pulbere de cobalt - intra īn aceasta categorie; la temperatura de sinterizare cobaltul (care joaca rol de liant īn etapa de presare) este lichid.

Un ultim efect al fenomenelor de difuzie care se produc īn cursul sinterizarii este alierea componentilor proveniti din diferite particule ale amestecului de pulberi, asa īncāt produsul sinterizat se transforma īntr-un aliaj. Alierea prin difuzie īn cursul sinterizarii este accelerata īn prezenta unei faze lichide.

12.3 Structura proprietatile si utilizarile produselor sinterizate

Produsele sinterizate se deosebesc de produsele obtinute prin tehnologiile clasice (turnare, deformare plastica) prin porozitatea reziduala si prin finetea granulatiei.. Aceste deosebiri structurale provoaca si deosebirile de proprietati īntre un material produs prin presare si sinterizare din pulberi si acelasi material obtinut prin tehnologii clasice.

12.3.1 Porozitatea īn produsele sinterizate

De prima importanta īn determinarea proprietatilor unui produs sinterizat este porozitatea remanenta si evident, densitatea acestuia. Īn timp ce un metal sau aliaj obtinut prin topire si turnare are o densitate prescrisa care īi este specifica, prin metalurgia pulberilor se pot obtine pentru unul si acelasi material densitati foarte diferite īn produsul sinterizat, functie de porozitatea remanenta a acestuia. Īntrucāt gradul de consolidare al pulberilor dupa operatia finala de sinterizare este direct determinat de densitatea realizata, rezulta ca toate proprietatile dependente de gradul de consolidare (rezistenta mecanica, duritate, conductibilitate electrica s.a.) variaza functie de densitatea produsului sinterizat.

Astfel, prin metalurgia pulberilor se pot obtine piese cu porozitate mare (intre 10 si 40 %), cu pori interconectati care permit impregnarea cu uleiuri lubrifiante. Astfel de piese (cuzineti, filtre, diafragme), confectionate din Cu, bronz, Fe - Cu, Fe - grafit, bronz - grafit sunt autolubrifiante si sunt utilizate īn constructia micromotoarelor, a automobilelor si diferitelor utilaje din industria textila, chimica, constructoare de masini etc. Piesele poroase autolubrifiante reprezinta un domeniu specific de produse ale metalurgiei pulberilor, īntrucāt o porozitate ridicata si controlabila este imposibil de obtinut prin tehnologii clasice.

Īn numeroase alte utilizari ale produselor obtinute prin metalurgia pulberilor se urmareste dimpotriva realizarea unei densitati ridicate si deci a unei porozitati minime, corelate cu un grad de consolidare avansat. Din aceasta categorie fac parte urmatoarele produse :

-pseudoaliaje pentru contacte electrice carora li se impune o conductibilitate electrica si termica ridicata, rezistenta mecanica si duritate (pentru asigurarea rezistentei la uzura). Aceste materiale apartin sistemelor W -Ag, W - Cu, Mo - Cu, si constitue, de asemenea un domeniu specific metalurgiei pulberilor deoarece metalele componente fiind insolubile īn stare lichida nu se pot alia prin tehnologii clasice. Tot pseudoaliaje sunt si materialele realizate din amestecuri de Cu - grafit, bronz - grafit etc.

- cermeturile sunt materiale obtinute prin sinterizarea unor amestecuri de pulberi metalice si ceramice (oxizi, carburi etc). Se obtin astfel materiale dure pentru armarea sculelor aschietoare si a filierelor a caror structura consta din particule de carburi dure (WC, TiC) dispersate īntr-o masa ductila (Co, Ni). O structura similara o au cermeturile cu oxizi cum sunt materialele pentru contacte electrice de tip CdO - Ag si aliajele de aluminiu durificate. Acestea din urma sunt cunoscute sub denumirea de SAP (Sintered Aluminium Powders) si sunt cermeturi ce contin 8 ... 15 % Al₂O₃; particulele de oxid de aluminiu formeaza o dispersie īn masa metalica rezultata prin consolidarea pulberii de aluminiu. si aceasta categorie de produse constitue un domeniu specific al metalurgiei pulberilor, structurile respective fiind imposibil de obtinut prin tehnologiile clasice.

-materialele oxidice sinterizate, care se subdivid īn :

a. - materiale mineralo - ceramice dure obtinute prin sinterizarea unor oxizi metalici refractari si rezistenti la uzura si coroziune (Al₂O₃, ZrO₂ ). Aceste materiale sunt utilizate pentru duze si ajutaje īn industria petroliera, precum si pentru armarea sculelor aschietoare.

b. - materiale sinterizate pentru combustibili nucleari, constituite din oxizi ai metalelor radioactive (UO₂, PuO₂), carburi (UC, ThC₂, PuC) sau nitruri (UN, PuN).

c. - materiale magnetice de tip ferit (MeO Fe₂O₃) obtinute prin sinterizarea unui amestec de pulbere de oxid de fier (Fe₂O₃ ) si de pulbere de oxid al unui metal bivalent (NiO, CaO, CuO, ZnO, BaO). Specific acestor materiale este faptul ca la sinterizare oxizii interactioneaza chimic īntre ei formānd o substanta noua, feritul, cu o retea cristalina proprie si proprietati magnetice speciale fiind de acelesi tipuri cunoscute : feritele moi (permeabilitate magnetica mare si pierderi dielectrice mici) de Ni, Zn si Cu; sunt utilizate pentru miezuri magnetice, antene, memorii si feritele dure (inductie remanenta mare si cāmp coercitiv mare) de Ba, utilizate ca magneti permanenti.

- metale si aliaje refractare īn stare ductila. Obtinerea semifabricatelor pentru prelucrari ulterioare sau obtinerea directa a pieselor finite din o serie de metale greu fuzibile (W, Nb,Mo, Ir) se realizeaza īn mod economic prin sinterizare. Prin metalurgia pulberilor se asigura acestor produse un grad de puritate chimica imposibil de realizat prin procedeele clasice , fapt esential īntrucāt puritatea conditioneaza īn majoritatea cazurilor de mai sus, ductilitatea materialului. Aceste ratiuni impun metalurgia pulberilor si la fabricarea produselor din beriliu, care nu este un metal greu fuzibil dar, care se fragilizeaza prin impurificare īn timpul operatiilor clasice de topire si turnare.

12.3.2 Granulatia īn produsele sinterizate

Granulatia fina realizabila īn produsele obtinute prin metalurgia pulberilor constitue un argument important īn favoarea acestei tehnologii īn numeroase cazuri cānd metalurgia pulberilor nu reprezinta singura alternativa, produsele putānd fi obtinute si prin tehnologii clasice. Īn aceasta categorie se situeaza aliajele aluminiului de mare rezistenta mecanica necesare īn constructia de masini si mai ales īn industria autovehiculelor si aeronautica. Tendinta moderna este de a īnlocui procedeul clasic de obtinere a semifabricatelor din astfel de aliaje , prin deformarea plastica a unor lingouri turnate cu deformarea plastica a unor semifabricate obtinute prin sinterizarea pulberilor obtinute prin atomizare. Etapele procesului tehnologic sunt : elaborarea aliajului, obtinerea pulberii prin metoda atomizarii (pulverizarii), presarea pulberii, preīncalzirea comprimatului īn atmosfera neoxidanta pentru eliminarea gazelor, presarea la cald si prelucrarea prin deformare plastica a produsului sinterizat.

Explicatia faptului ca aceasta tehnologie conduce la obtinerea de piese cu proprietati superioare consta īn faptul ca vitezele de solidificare realizabile la atomizare sunt cu cāteva ordine de marime superioare celor realizabile prin tehnologiile clasice. Aceasta are drept consecinta finisarea dimensiunii si structurii interne a dendritelor, o dispersie mai mare a particulelor de faze secundare si o deplina dizolvare a acestor faze la tratamentul termic. Un efect remarcabil este si posibilitatea maririi gradului de aliere cu mentinerea capacitatii de deformare plastica a aliajului depasind īn numeroase cazuri limitele de solubilitate indicate īn diagramele de echilibru.

UNIVERSITATEA PETROL-GAZE DIN PLOIEsTI

CATEDRA T.C.U.P.

DISCIPLINA: MATERIALE sI TEHNOLOSII PRIMARE

ANUL: II IEDM - IDD

SEMESTRUL 1    DATA .......... ..... ......

FIsA LUCRĂRII NR. 12

Tema Tehnologii de realizare a pieselor sinterizate; structura =i propriet[\ile materialelor sinterizate.

Definiti, explicati si dezvoltati termenii si notiunile:

pseudo-aliaje;

cermeturi;

materiale oxidice sinterizate;

metale si aliaje refractare īn stare ductila;

metoda atomizarii (pulverizarii).

Īntocmit Verificat:

Nume

Prenume

Grupa

Semnatura