tiinta i Ingineria MaterialelorConf.dr.ing. OLH ArthurElemente de metalurgie a pulberilor

Aceste tehnologii, spre deosebire de cele clasice, bazate pe procesele de topire, turnare i deformare plastic a metalelor, constau n obinerea i utilizarea pulberilor metalice, ca atare, sau sub forma produselor compactizate i sinterizaten esen, prelucrarea prin agregare de pulberi const din urmtoarele etape principale: -obinerea pulberilor metalice sau combinaii metalice i metaloide;-amestecarea pulberilor de diferite tipuri;-tratamentul termic al semifabricatelor i pieselor rezultate prin compactizare;-prelucrri mecanice de rectificare i superfinisare.

Mcinarea materialelor n vederea fabricrii pulberilor metalice se realizeaz n mori cu bile sau mori vibratoare cu bile.

Obinerea pulberilor prin pulverizare

Fig.7.2 Procedee de pulverizare: A cu jeturi lichide; b- pe disc rotativ; C prin atomizare

Pulverizarea din stare lichid pentru fabricarea pulberilor metalice este cel mai productiv procedeu, care permite producerea unor pulberi de calitate n condiii de eficien economic. Sunt practicate mai multe variante, dintre care cele mai utilizate sunt pulverizarea cu jeturi lichide i pulverizarea cu disc rotitor. Pulverizarea cu jeturi lichide (fig.7.2.A) const n destrmarea, cu ajutorul a 6...8 jeturi lichide dispuse circular, a unui jet de metal lichid, care se scurge dintr-un creuzet. Pulverizarea cu disc rotitor (fig.7.2.B) se bazeaz pe destrmarea unui jet de metal lichid 2, topit ntr-un creuzet 1, la impactul cu un disc 3, a crui turaie este de 1000...1500 rot/min. Turaia este parametrul care determin granulaia pulberii.Pulberile obinute prin pulverizare au urmtoarele caracteristici:- granulaie relativ uniform;- sunt compacte;- au form sferoidal. Pulberile astfel obinute sunt acoperite de o pelicul de oxid, ceea ce presupune o operaie ulterioar de reducere a acestuia

Obinerea pulberilor prin atomizare. Atomizarea se bazeaz pe pulverizarea metalului lichid cu un jet de aer de mare presiune (fig.7.2.C). Metalul topit ntr-un creuzet 1 urc n tubul capilar 2. Presiunea aerului la ieirea din duza 3 este n jur de 10 MPa i datorit depresiunii create aspir metalul n jet i l pulverizeaz pe peretele 5. Pulberea metalic (oel, cupru, bronz, alam, aluminiu) este colectat ntr-un rezervor 6. Pulberile obinute prin atomizare au caracteristici asemntoare celor obinute prin pulverizare, cu precizarea c prezint pori.

Obinerea pulberilor prin electroliz Electroliza permite obinerea pulberilor metalice prin alegerea adecvat a parametrilor procesului de electroliz, astfel nct metalul s se depun la catod sub form de pulbere. Electroliza se poate face din soluii apoase ale srurilor metalului respectiv (cupru, staniu, fier, argint) sau din topitura srurilor metalului (tantal, uraniu, niobiu, titan, zirconiu). Factorii care influeneaz forma sub care se depune pulberea sunt: concentraia electrolitului, temperatura, densitatea de curent, agitarea electrolitului, micarea sau vibrarea electrozilor.

Caracteristicile pulberilor metalice Pulberea este materialul alctuit din particule (granule) de metale pure, aliaje, de compui intermetalici sau de amestecuri mecanice ai mai multor componeni. Dimensiunile granulelor pot varia n limitele 0,1...1000 m. Mrimea granulelor utilizate n agregarea pulberilor pe scar industrial, este ns cuprins n limite mai restrnse, 1...400 m.Pulberile metalice se caracterizeaz printr-o serie de proprieti fizico-mecanice i chimice care determin n mare msur proprietile finale ale produselor obinute prin agregarea acestora. Dintre aceste proprieti sunt mai importante urmtoarele:

a) Forma particulelor, apreciat pe baza raportului dintre cele trei dimensiuni ale particulelor. Dup form, particulele de pulberi pot fi :- fibroase sau aciculare, - lamelare (plate), la care lungimea i limea sunt de acelai ordin de mrime i depesc cu mult grosimea - echiaxiale (poliedrice sau sferoidale), la care toate cele trei dimensiuni sunt aproximativ egale b) Calitatea suprafeei, care poate fi neted i regulat sau neregulat (rugoas).Majoritatea pulberilor au suprafa neregulat, ceea ce uureaz de altfel tendina de agregare (compactare).c) Structura intern a particulelor se poate prezenta sub aspect spongios, dendritic sau compact; uneori, n interior, granulele de pulberi pot prezenta macropori nchii sau deschii. d) Repartiia granulometric. De regul, se obin pulberi ncadrate ntr-o grup dimensional, neexistnd posibilitatea de obinere a pulberilor cu dimensiuni uniforme.e) Volumul de umplere Vu este volumul ocupat de 100 g de pulbere vrsat liber ntr-un vas de msurare.f) Densitatea de umplere u, n g/cm3.g) Densitatea de presare p, n g/cm3

Obinerea comprimatului

Procedee de obinere a comprimatelor din pulberi

Compactarea prin presare n matrie Dozarea amestecului din pulberi n cavitatea matriei se face foarte precis prin metoda gravimetric (prin cntrire), dar aceasta nu este operativ n producia de serie i se aplic foarte rar. De regul, se aplic dozarea volumetric, folosindu-se dozatorul automat care introduce pulberea n cavitatea de umplere a matriei. Cavitatea de umplere a matriei este proiectat conform coeficientului de umplere i cantitii de pulbere necesar pentru realizarea piesei. Urmeaz compactarea prin coborrea poansonului

n urma presrii se obin compactate ce au suficient rezisten mecanic spre a fi manevrate. n cazul n care rezistena mecanic nu este suficient (pulberi cu microduritate mare, greu compactibile), manevrarea se face pies cu pies sau presarea se face n matrie din grafit, iar compactatele se introduc n cuptor pentru sinterizare cu tot cu matri.Problema central a operaiei de compactare a pulberilor este asigurarea uniformitii densitii de compactare n ntreg volumul piesei. Densitatea de compactare este influenat de forma granulelor, fracia granulometric i presabilitatea pulberii utilizate, tehnica de compactare, nlimea compactatului, frecarea dintre particule, dintre pulbere i pereii matriei. Cea mai mic variaie a densitii de compactare se obine cu pulberi spongioase, care se deformeaz n timpul procesului de presare, fapt care contribuie la umplerea corespunztoare a spaiului. Cea mai mare variaie a densitii de compactare rezult n cazul pulberilor aciculare.

Viteza de presare trebuie s fie suficient de mic pentru a permite evacuarea aerului dintre granule. n caz contrar, se formeaz n interiorul compactatului perne de aer care provoac fisurarea la retragerea poansoanelor sau fisurarea piesei la sinterizare.La extragerea compactatului din matri, se produce revenirea elastic lateral a compactatului, care poate provoca fisurarea acestuia. Pentru uniformizarea tensiunilor de relaxare elastic i evitarea fisurrii, matriele sunt prevzute cu o degajare uor conic sau nclinat n zona de ieire. Aceast zon nu va afecta volumul util al compactatului, ci numai volumul de umplere al matriei. Fora necesar pentru extragerea din matri atinge 20...40% din valoarea forei de compactare. Este influenat benefic de natura i proporia lubrifiantului.

Sinterizarea comprimatelor

Etapele sinterizrii: 1 - difuzie n volum; 2 - difuzie la limita de contact a granulelor;3 - difuzie de suprafa; P - fore rezultate din aciunea tensiunii superficiale

n prima etap a sinterizrii, prin nclzire crete mobilitatea atomilor i se manifest fenomenul de difuzie de suprafa (fig.7.4). Atomii se deplaseaz pe suprafaa granulelor ctre punile de legtur i astfel, ncepe un proces de netezire a suprafeelor ctre forma de energie superficial minim, de sferoidizare a porilor mai mari i nchidere a porilor mici. Prin nclzire, crete mobilitatea atomilor i se manifest fenomenul de difuzie de suprafa. Atomii se deplaseaz pe suprafaa granulelor ctre punile de legtur i astfel ncepe un proces de netezire a suprafeelor, ctre forma de energie superficial minim, de sferoidizare a porilor mai mari i nchidere a porilor miciConcomitent apare i difuzia la limita de contact a granulelor. Apoi, la temperaturi mai mari, ncep i fenomenele de difuzie n volum. La temperaturi joase este predominant difuzia de suprafa, iar la temperaturi nalte este predominant difuzia n volum. La temperaturi nalte apare i fenomenul de recristalizare i cretere rapid a grunilor nou formai.

Sinterabilitatea, neleas ca fiind proprietatea unui material pulverulent de a se transforma ntr-o pies cu proprieti mecanice corespunztoare, este influenat de mrimea granulelor pulberii i de parametrii de sinterizare. Cu ct granulele sunt mai mici, cu att se creeaz mai multe puni de legtur, suprafaa total este mai mare, avnd o energie superficial mai mare i n consecin procesul de difuzie este mai activ, se obin piese mai compacte, cu structur fin i contracie minim.

Domenii de utilizare a pulberilor metalice

Exemple de piese sinterizate i microstructuta acestora

a) folosirea pulberilor metalice pentru depuneri anticorozive, refractare sau rezistente la uzur, pe suport metalic din font, oel sau aliaje neferoase;b) utilizarea pulberilor metalice din oeluri rapide i aliaje dure n procesele de presare-sinterizare i de presare izostatic pentru obinerea de semifabricate destinate executrii de scule i matrie;c) aplicaiile pulberilor pe baz de cupru, fier i aluminiu pentru confecionarea materialelor de friciune sau antifriciune poroase cu autolubrifiere (lagre, plcue pentru discuri de frn etc.);d) diverse produse realizate prin sinterizare, de exemplu filtre pentru gaze i lichide, obinute din pulberi de oeluri anticorozive, nichel, bronz, alam etc., precum i magnei din pulberi de fier aliate cu pulberi de siliciu (FeSi), cu nichel (FeNi), cu cobalt (FeCo) i cu molibden (FeMo);e) utilizarea pulberilor metalice n tehnica obinerii de cermei utilizai n industria aero-spaial i nuclear; f) aplicaii foarte largi cu pulberi metalice pe baz de nichel (Ni-Cr-Si;Ni-Cr; Ni-Si; Ni-B-Si), carburi (WC-Co) i pe baz de crom-nichel pentru depuneri pe suprafee metalice, n vederea obinerii de piese metalice cu proprieti de rezisten la uzare, duritate, rezistene la oboseal, la coroziune, refractaritate etc.