Produse sinterizate
Metalurgia pulberilor este o metodă de producere a pieselor și uneltelor pentru mașini prin sinterizarea pulberilor metalice în stare solidă, iar componentele rezultate sunt denumite produse sinterizate. Deși fabricarea anumitor articole din pulberi (în special bijuterii realizate din granule fine de aur sinterizate) este cunoscută de mult timp, dezvoltarea tehnologiei moderne de sinterizare este relativ recentă. Începutul simbolic al abordării moderne a sinterizării este considerat a fi anul 1825, când în Rusia au fost bătute monede de platină folosind pulbere obținută chimic.
Dezvoltarea rapidă a industriei ingineriei electrice a accelerat dezvoltarea metalurgiei pulberilor. În 1909, filamentele becurilor au fost fabricate din pulberi de tungsten, tantal și molibden, ceea ce a reprezentat un pas important în utilizarea pulberilor metalice în tehnologie. După Primul Război Mondial, sinterizarea a început să fie utilizată în producția de unelte, iar în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, piesele de mașini au fost obținute din ce în ce mai mult prin sinterizare.
După război, tehnologia s-a dezvoltat dinamic, în special odată cu dezvoltarea industriei auto, care în unele țări reprezintă mai mult de jumătate din produsele sinterizate. În afară de industria auto, produsele sinterizate sunt utilizate, printre altele, în ingineria electrică, industria produselor metalice, industria mașinilor-unelte și industria construcțiilor (de exemplu, fitinguri). În termeni practici, este dificil să se identifice o industrie în care produsele sinterizate nu sunt utilizate.
Acest articol s-a bazat pe manualul „Metaloznawstwo” al profesorului Stanisław Rudnik. Conținutul următor este doar o prezentare generală a subiectului. Celor interesați de acest subiect le recomandăm să aprofundeze literatura de specialitate.
De ce sinterizarea este uneori mai bună decât topirea
Cel mai evident avantaj al sinterizării este capacitatea de a obține componente cu o formă foarte precisă, adesea atât de apropiată de forma finală încât prelucrarea costisitoare și laborioasă poate fi redusă. Acest lucru duce la pierderi mai mici de material, care în această tehnologie nu depășesc de obicei aproximativ 7-10%.
Sinterizarea facilitează, de asemenea, producția de materiale de înaltă puritate, fără impurități, care uneori nu pot fi eliminate în procesele metalurgice convenționale. Materialele sinterizate nu suferă fenomenele de segregare tipice cristalizării aliajelor și, prin urmare, nu prezintă defectele caracteristice procesului de solidificare. Un alt avantaj important este posibilitatea de a combina componente care nu ar putea fi combinate prin topire, de exemplu, din cauza diferențelor mari de temperatură de solidificare sau a lipsei de solubilitate reciprocă. Acest lucru facilitează, de asemenea, producerea de materiale metal-ceramice (compozite), care sunt practic imposibil de obținut în metalurgia clasică.
Limitarea este economia de scară: tehnologia de sinterizare este profitabilă în principal în producția de masă, datorită costului ridicat al obținerii pulberilor și al echipamentelor și uneltelor scumpe. De asemenea, trebuie reținut faptul că proprietățile mecanice ale materialelor sinterizate sunt de obicei mai scăzute decât cele ale materialelor solide, deoarece materialele sinterizate păstrează o anumită porozitate. În funcție de aplicație, porozitatea poate fi un dezavantaj (când capacitatea de încărcare este importantă), dar poate fi folosită în mod deliberat și ca caracteristică funcțională (de exemplu, în rulmenții autolubrifianți).
Pulberi metalice ca materii prime
Materiile prime de bază pentru producția de produse sinterizate sunt pulberile metalice pure (de exemplu, fier, cupru, mangan) și pulberile de aliaje (de exemplu, bronzuri, alame, oțeluri inoxidabile). Pulberile pot fi produse prin metode mecanice sau fizico-chimice. Metodele mecanice implică fragmentarea materialului prin forțe externe fără a-i modifica compoziția chimică, în timp ce în metodele fizico-chimice, pulberea este produsă ca urmare a transformărilor fizico-chimice și, de regulă, diferă în compoziție de materialul de bază.
Metodele mecanice includ măcinarea metalului în mori (de exemplu, mori cu bile, mori cu impact vortex, mori cu ciocane), măcinarea prin prelucrare (așchii, pilituri), uscarea prin pulverizare a metalului lichid cu apă sau gaz sub presiune și granularea, care implică turnarea metalului lichid în apă, unde se solidifică în particule fine. Metodele fizico-chimice utilizate mai frecvent includ reducerea oxizilor (economică deoarece permite utilizarea minereurilor sau a oxizilor reziduali din procesul de topire), electroliza din soluții apoase sau săruri topite (importantă, dar costisitoare din cauza consumului de energie și a eficienței reduse), descompunerea carbonililor (producând pulberi foarte pure, dar scumpe), condensarea vaporilor metalici pe o suprafață rece și metodele de electroeroziune, care au rămas mult timp subdezvoltate din punct de vedere istoric.
Înainte de formarea pulberii, se efectuează operațiuni pregătitoare, care influențează puternic calitatea produselor. Recoacerea crește plasticitatea pulberilor prin reducerea oxizilor reziduali și eliminarea zdrobirii; se efectuează într-o atmosferă reducătoare sau în vid, la o temperatură de 0,4-0,6 din punctul de topire al pulberii. Cernerea permite separarea în fracțiuni de diferite dimensiuni ale particulelor și permite controlul compoziției granulometrice a amestecurilor. Amestecarea are ca scop obținerea unui amestec cât mai omogen posibil – calitatea acestuia determină repetabilitatea ulterioară a densității pieselor turnate și a parametrilor produselor sinterizate.
Formarea pieselor turnate
Amestecul de pulbere preparat este presat pentru a obține produse semifabricate, adică piese turnate, cu forma și dimensiunile dorite și rezistența necesară pentru transport și sinterizare ulterioară. Cel mai adesea, presarea se efectuează în prese din oțel. Forma și dimensiunile produselor sinterizate sunt în mare măsură limitate de capacitățile de presare, motiv pentru care această operațiune determină dacă o anumită piesă poate fi fabricată folosind metoda pulberii.
O presă tipică constă dintr-o matriță și pistoale superioare și inferioare. Matrița modelează suprafețele laterale ale piesei turnate, pistonul inferior împiedică pulberea să se împrăștie și modelează suprafața inferioară, iar pistonul superior formează suprafața superioară. Presa poate avea elemente suplimentare, cum ar fi știfturi pentru modelarea găurilor. Există sisteme de presare cu două fețe cu o matriță fixă și soluții cu o matriță mobilă, care facilitează ejectarea piesei turnate.
Procesul de compactare a pulberii în timpul presării are loc în etape. Mai întâi, particulele umplu golurile și se aranjează din ce în ce mai compact, urmărind o dispunere cât mai densă posibil. Compactarea ulterioară are loc prin deformarea particulelor și deplasarea reciprocă a acestora. În practică, aceste mecanisme se suprapun: unele particule se deformează chiar și la presiuni mai mici, iar deplasările pot avea loc și la presiuni ridicate. Deoarece presarea afectează densitatea inițială a piesei turnate și distribuția porozității, aceasta influențează în mod direct procesul de sinterizare și proprietățile produsului finit.
Metode alternative de formare atunci când presarea nu este suficientă
Presarea clasică într-o matriță impune limitări geometrice (în special în direcția forței) și poate duce la o distribuție neuniformă a densității în turnare. Din acest motiv, au fost dezvoltate metode speciale de formare care permit modelarea elementelor cu proporții diferite, obținerea unei densități mai uniforme sau realizarea detaliilor dificil de produs într-o presă simplă.
Materialele citează presarea hidrostatică, turnarea sub presiune, laminarea pulberilor, extrudarea, formarea prin vibrații și formarea dinamică cu rate de deformare ridicate ca exemple de astfel de metode. În practică, alegerea metodei este un compromis: pe de o parte, scopul este de a obține un detaliu „neprelucrat”, iar pe de altă parte, trebuie luate în considerare costurile sculelor, toleranțele necesare, repetabilitatea densității și modul în care metoda de formare specifică afectează sinterizarea ulterioară.
Sinterizare
Sinterizarea implică încălzirea pieselor turnate la temperaturi ridicate, în timpul căreia pulberea comprimată este transformată într-un produs sinterizat cu proprietăți similare celor ale unui material solid. Aceasta este o etapă esențială a producției și, prin urmare, atrage cel mai mult interesul, dar, în același timp, s-a subliniat de mult timp că nu există o singură teorie generală care să acopere întreaga gamă de fenomene de sinterizare. Procesul se desfășoară într-o atmosferă protectoare sau în vid pentru a proteja materialul de oxidare, iar temperatura de sinterizare este de obicei mai mică decât punctul de topire al componentei care se topește cel mai ușor.
Procesul de sinterizare și proprietățile materialelor sinterizate sunt influențate în primul rând de: granularea pulberii (o dispersie mai mare accelerează sinterizarea și favorizează o creștere a proprietăților mecanice și electrice), presiunea de presare (creșterea acesteia crește de obicei rezistența materialelor sinterizate), temperatura de sinterizare (cu cât temperatura este mai ridicată, cu atât densitatea materialului sinterizat este mai mare) și timpul de recoacere (la o temperatură constantă, densitatea crește rapid la început și apoi mai lent, ceea ce afectează proprietățile). Atmosfera procesului este, de asemenea, importantă: sinterizarea într-o atmosferă reducătoare are ca rezultat materiale sinterizate cu o densitate mai mare decât sinterizarea într-o atmosferă inertă.
După sinterizare, se utilizează adesea finisarea, în special atunci când sunt necesare toleranțe mai stricte sau o mai bună netezime a suprafeței. Componentele structurale pot fi, de asemenea, supuse tratamentului termic și tratamentului termochimic pentru a crește rezistența la uzură și oboseală sau pentru a îmbunătăți capacitatea de încărcare. Acesta este motivul pentru care metalurgia pulberilor este uneori considerată o tehnologie de fabricație completă: de la pulbere, prin formare și sinterizare, până la ajustarea finală a dimensiunilor și structurii.
Introducere în metalurgia pulberilor: de la pulberi, prin presare, până la sinterizare și aplicații tipice (material în limba engleză).
Materiale și produse sinterizate
Printre cele mai importante produse sinterizate se numără materialele sinterizate poroase, materialele pentru inginerie electrică, materialele cu proprietăți magnetice speciale, materialele structurale, metalele refractare sinterizate și uneltele sinterizate. Materialele sinterizate poroase sunt deosebit de caracteristice și sunt utilizate pentru lagăre de alunecare, filtre, catalizatori, șaibe și componente cu un coeficient de frecare ridicat.
Rulmenții sinterizați au proprietăți de alunecare foarte bune, deoarece lubrifiantul circulă în porii existenți în timpul funcționării. Acest lucru facilitează formarea unui film de ulei între jurnal și carcasa rulmentului și produce un efect de autolubrifiere; în multe cazuri, lubrifierea externă poate fi inutilă, ceea ce este important în cazul componentelor mașinilor greu accesibile. Porozitatea rulmenților sinterizați este de obicei de 10-35%, iar un avantaj suplimentar este funcționarea lor silențioasă în comparație cu rulmenții cu role. Tehnologia lor este simplă, adesea nu necesită prelucrare, iar instalarea și funcționarea sunt facilitate. Materialele utilizate pentru rulmenții sinterizați nu conțin componente rare, motiv pentru care sunt mai ieftine decât soluțiile turnate în multe aplicații.
Istoric, pentru rulmenții sinterizați s-au utilizat bronzuri cu compoziții similare bronzurilor turnate, iar apoi s-au introdus aditivi pentru a îmbunătăți proprietățile antifricțiune, în principal grafit. Se indică faptul că coeficientul de frecare al acestor rulmenți ar putea fi de 7-8 ori mai mic decât cel al babbittului, iar uzura jurnalelor era neglijabilă. Fierul poros și materialele sinterizate din fier-grafit au fost introduse ca alternative mai ieftine. Cele mai utilizate materiale pentru rulmenți includ fier poros, materiale sinterizate din fier-grafit cu un conținut de grafit de aproximativ 1-3% (restul fiind fier) și bronzuri de grafit cu o compoziție de aproximativ 86-88% Cu, 9-10% Sn și 2-4% grafit. Există, de asemenea, rulmenți sinterizați pe bază de aluminiu, de exemplu, cu o compoziție de aproximativ 10% Cu și 3% grafit (restul fiind Al).
Filtrele din materiale sinterizate sunt utilizate pe scară largă în industria chimică. Acestea sunt fabricate din pulberi de materiale rezistente la coroziune, cum ar fi bronzuri, oțeluri inoxidabile, nichel, argint și platină, precum și metale refractare sau aliajele acestora. Datorită porozității ridicate, ratele de filtrare pot fi foarte mari, ceea ce, combinat cu simplitatea fabricării, favorizează dezvoltarea rapidă a acestui tip de filtru. Materialele sinterizate (în special fierul poros) sunt utilizate și ca materiale de etanșare sub formă de șaibe pentru îmbinări de țevi, cuplaje, flanșe și conducte.
Materialele sinterizate sunt, de asemenea, un material bun pentru componente cu un coeficient ridicat de frecare, cum ar fi plăcuțele de frână și componentele de transmisie a cuplului. Astfel de aplicații necesită un coeficient de frecare ridicat și stabil într-un interval larg de temperaturi, rezistență ridicată la abraziune cu rezistență suficientă, conductivitate termică bună și rezistență la coroziune și uzură. Deoarece aceste cerințe sunt uneori contradictorii, sinterizarea facilitează producerea unui material „compozit” din faze metalice și nemetalice: componentele metalice favorizează conductivitatea termică, în timp ce componentele nemetalice (de exemplu, SiO2 sau Al2O3) cresc coeficientul de frecare și reduc uzura.
Produse sinterizate funcționale și structurale
Produsele sinterizate sunt importante în ingineria electrică și comunicații, deoarece au făcut posibilă înlocuirea materialelor scumpe și rare și producerea de materiale plastice cu proprietăți unice. Un exemplu clasic sunt contactele electrice, care trebuie să ofere simultan conductivitate electrică și termică ridicată, punct de topire ridicat și rezistență la coroziune, rezistență mecanică ridicată și rezistență la electroeroziune. Combinarea diferitelor componente în procesele de pulverizare facilitează obținerea unui astfel de set de caracteristici.
Sinterizarea este utilizată și pentru obținerea de materiale cu proprietăți magnetice speciale, în special materiale magnetice dure, adică magneți permanenți. În comparație cu turnarea, producția de magneți prin sinterizare este mai eficientă, duce la pierderi mai mici de material și necesită, de obicei, doar o finisare minoră. Aliajele de fier-nichel-aluminiu (AlNiCo, AlNiCo, Magnico) întărite prin dispersie sunt indicate ca materiale pentru magneți sinterizați; se subliniază că proprietățile magneților sinterizați sunt mai bune decât cele ale magneților turnati, iar fragilitatea lor este mai mică, deși prezența porilor poate afecta ușor parametrii magnetici.
În domeniul materialelor de construcție, sinterizarea a fost utilizată inițial în principal pentru componente care nu puteau fi fabricate prin alte mijloace, dar, în timp, tehnologia a început să concureze cu turnarea și prelucrarea în producția de piese tipice pentru mașini. Din punct de vedere economic, în principal din cauza costului preselor, tehnologia este de obicei profitabilă numai pentru producția în serie – materialele indică un prag de peste 50.000 de piese. Proprietățile pieselor sinterizate sunt ușor inferioare celor ale pieselor turnate, dar, în practică, se produc adesea piese cu o porozitate de 5-20%, considerând că o astfel de scădere a proprietăților este acceptabilă în schimbul beneficiilor de producție. Exemple de componente sinterizate includ angrenaje, inele de piston, pale de compresor, capace de butuc, tee și roți de prindere; dacă este necesar, aceste componente pot fi supuse unui tratament termic suplimentar sau unui tratament termochimic.
Metale refractare, unelte sinterizate și compozite armate
Tehnologia de sinterizare joacă un rol special în producția și prelucrarea metalelor refractare, cum ar fi tungstenul, molibdenul, tantalul, niobiul și zirconiul. Aceste metale sunt importante în tehnologia nucleară și a rachetelor, printre altele, și datorită punctelor lor de topire foarte ridicate, sunt adesea obținute sub formă de pulbere și abia ulterior presate și sinterizate pentru a obține forma și densitatea necesare.
Materialele sinterizate pentru scule sunt, de asemenea, foarte importante. În plus față de carburi sinterizate (de obicei discutate separat ca grup de materiale pentru scule), există materiale sinterizate din diamant-metal destinate șlefuirii. În astfel de materiale, este esențial să se combine o fază abrazivă foarte dură cu o matrice care permite transferul sarcinii și stabilizarea granulelor abrazive, ceea ce este fezabil din punct de vedere tehnologic în abordarea cu pulbere.
O direcție importantă în dezvoltarea metalurgiei pulberilor o reprezintă materialele compozite, adică metalele armate cu fibre. Armarea cu fibre permite o rezistență la curgere deosebit de ridicată chiar și la temperaturi ridicate și crește rezistența la rupere fragilă. Exemple includ cupru armat cu fibre de tungsten sau molibden, aliaje de aluminiu dezvoltate armate cu sârmă de oțel și fier armat cu oxizi de aluminiu sau fibre de titan și molibden, care pot crește rezistența acestuia de până la 3-5 ori. În acest sens, metalurgia pulberilor este un instrument nu numai pentru modelare, ci și pentru proiectarea arhitecturii materialului.
Produse sinterizate – rezumat
Tehnologia de sinterizare (metalurgia pulberilor) permite producerea de componente din pulberi metalice în stare solidă, adesea într-o formă foarte similară cu cea finală, ceea ce reduce prelucrarea și pierderile de material. Punctul său forte constă și în posibilitatea de a obține o puritate și o omogenitate ridicate, precum și de a combina componente care sunt dificil sau imposibil de combinat prin topire, inclusiv producția de materiale metal-ceramice.
Factorii cheie pentru calitatea materialelor sinterizate sunt: metoda de obținere și preparare a pulberilor, condițiile de presare (care determină densitatea materialului presat) și parametrii de sinterizare (temperatura, timpul și atmosfera). Costul pulberilor și al echipamentelor rămâne o limitare, motiv pentru care tehnologia este cea mai rentabilă în producția de masă, iar proprietățile mecanice ale materialelor sinterizate pot fi mai scăzute din cauza porozității.
Potențialul metalurgiei pulberilor este cel mai bine vizibil în aplicații în care porozitatea este un avantaj sau oferă beneficii funcționale, cum ar fi rulmenții și filtrele autolubrifiante, precum și în materiale cu cerințe complexe, uneori contradictorii (materiale de frecare, contacte electrice, magneți permanenți). Tehnologia joacă, de asemenea, un rol important în prelucrarea metalelor refractare, a materialelor pentru scule și a compozitelor armate cu fibre, unde permite proiectarea „arhitecturii” materialului.
