Prášková metalurgie – maturitní otázka

 

Otázka: Prášková metalurgie

Předmět: Strojírenská technologie

Přidal(a): n1c3ooo

 

Princip – Prášková metalurgie je technologie, při které jsou zhotovovány polotovary nebo hotové výrobky spojováním kovů nebo kovů s nekovy ve formě prášků působením tlaku a tepla při teplotách nižších, než je teplota tavení alespoň jedné ze spojovaných složek.

• Výrobky práškové metalurgie nacházejí uplatnění zejména v automobilovém průmyslu, strojírenství, leteckém průmyslu, lékařství, naftařském průmyslu

 

Použití – není možno dané materiály zpracovat jinou technologií – spojování dvou spolu neslévatelných komponent

• Hospodárnější výroba-zpracování mat. s vysokým bodem tavení, sériová výrova
• Vysoké požadavky na čistotu materiálu

 

Speciální případy – kovy s vysokou teplotou tavení Mo, W, Ta, Nb.

• velmi rozdílné teploty tavení, žádná nebo malá rozpustnost komponent v tekutém stavu – slinuté karbidy, kovové uhlíky
• velké rozdíly v měrné hmotnosti – ložiska z kovu a grafitu, disperzní slitiny.
• špatná slévatelnost (zabíhavost, staženiny) – permanentní magnety FeNiAl
• Třískové obrábění není možné – vysoce legované křehké oceli…

 

VÝHODY – umožňuje vyrábět součástky velmi složitých tvarů, často bez nutnosti finálního obrábění – značná úspora materiálu i energie

• Výhodou práškové metalurgie je získání výrobků se speciálními vlastnostmi (žárupevnost, otěruvzdornost apod.) nebo výrobků s vysokou porezitou
• Možnost výroby nových materiálů, založených na kombinaci kovových a nekovových složek a na kombinaci prvků, které se nedají připravit jinými metodami
• Dosažení přesného chemického složení

 

NEVÝHODY – menší hutnost a tím i pevnost a houževnatost vyrobených materiálů

• vysoké náklady na nástroje
• tvar je dán možnostmi lisovací techniky, velikost výrobku závisí na maximální lisovací síle zařízení a zákonech šíření tlaku v prášku

 

PRÁŠKY

• Výchozí surovinou jsou prášky čistých kovů nebo jejich sloučenin (oxidy, karbidy, nitridy) nebo nekovové prášky (grafit)
• Na vlastnosti prášku má vliv tvar, velikost, stav povrchu, chemická čistota
• Rozměrová a tvarová přesnost vyráběných součástek je ovlivněna především druhem prášku a jeho charakteristickými vlastnostmi („zabíravost“ prášku, jeho vlhkost, mazání, tvarová složitost součásti).
• Maximální rozměry jsou určeny druhem prášku, požadovanou hustotou a kapacitou lisu.

 

Základní výrobní pochody

• Výroba a úprava prášku
• Lisování (tvarování) prášku do tvaru výrobku
• Slinování (spékání) výlisků
• Konečná úprava (kalibrování, kování, pájení, povrchové úpravy)

 

3 základní postupy výroby:

• PRÁŠEK -> ZHUTŇOVÁNÍ -> SLINOVÁNÍ 
  • nejjednodušší, nejekonomičtější
  • zhutnění max 80 %, u menších, tvarově jednodušších výlisků lze dosáhnout většího zhutnění
• PRÁŠEK -> ZHUTŇOVÁNÍ -> SLINOVÁNÍ -> KALIBROVÁNÍ 
  • vyšší rozměrová přesnost výlisků, vyšší hustota a menší pórovitost
  • během kalibrování dochází k zpevňování
• PRÁŠEK -> ZHUTŇOVÁNÍ -> SLINOVÁNÍ -> KALIBROVÁNÍ -> SLINOVÁNÍ 
  • teplota prvního slinování je nižší – po kalibraci proběhne druhé slinování (vyžíhání) -> snížení vnitřního napětí, uzavření trhlinek, součást má vyšší pevnost, vyšší hustotu, lepší rozměrovou stabilitu

 

VÝROBA PRÁŠKŮ

1) Mechanické (fyzikální-mechanické) 

• A) drcení a mletí tuhého kovu (mlýny kulové, vířivé, vibrační ..), 
  • nejvhodnější pro křehké materiály
  • Nejznámějšími mlýny je mlýn kulový, kde se buben otáčí na gumových válcích takovou rychlostí, aby kalené koule umístěny uvnitř mlýnu, nebyly unášeny odstředivou silou, ale jen zvedány a přehazovány
  • mlýn planetový, kdy se úderová energie reguluje rychlostí otáčení mlecích nádrží (planet).
  • je mlýn vířivý, který materiál rozmělňuje nárazem na ramena vrtulí, které se otáčejí proti sobě velkou rychlostí.
  • Attritor se skládá z vertikálního bubnu, uvnitř kterého se otáčí hřídel s kolmými rameny. Ramena mezi sebou svírají pravý úhel a při otáčení předávají energii mlecím koulím. Pohyb koulí způsobuje zmenšení velikosti prachových částic mezi koulemi, mezi koulemi a stěnou attritoru a mezi koulemi, otáčející se hřídelí a rameny.

• B) rozprašování tekutého kovu (vodou, plynem)
  • Tenký proud tekutého kovu je strháván velmi rychle proudícím vzduchem nebo vodou
  • Kapičky padají do nádrže s vodou, kde ztuhnou a poté se vybírají, suší a prosévají
  • Méně používaná metoda
  • Dýzování
    • Roztavený kov je naléván do nálevky, poté v dýze rozfoukáván netečným (inertním) plynem, který zabraňuje vzniku sloučenin s práškem
  • Rozstřikování taveniny vodou

 

2) Výroba prášku chemickým způsobem

• Nejčastěji se používá reduxe (oxidů vodíkem, uhlíkem, čpavkem
• redukcí vodíkem (pro výrobu nejčistějších prášků)
• redukcí uhlíkem (chceme získat materiál s velkou tvrdostí a vysokou teplotou tání)

 

3) Výroba prášku elektrochemickým způsobem (vysoká čistota)

• Anoda se rozpouští a vylučuje se ve formě prášku nebo tenkého povlaku, který je velmi křehký na katodě
• Nevýhodou je, že u tohoto způsobu je velká spotřeba elektrické energie
• Elektrolýza – ve vodním roztoku, v rozpuštěných solích

 

Lisování prášků

• Princip-Podstata spočívá ve vyvození velkého tlaku na materiál, který je uložen v lisovacím nástroji
• Účelem lisování je dát kovovému prášku nebo směsi přibližný tvar výrobku a relativní hustotu, požadovaného tvaru, rozměrů výrobků z prášků se dosáhne zhutňováním.
• Seskupení, Deformace, Změna objemu 

 

Metody zhutňování prášků:

• A) lisování prášků v pevných nástrojích
  • Lisovací nástroje mohou pracovat:
  • přímočarým pohybem lisovadel (lisováním)
  • rotačně (válcováním)
  • vytlačováním kalibrovaným otvorem
• B) izostatické zhutňování (lisování) – za studena, za tepla
  • Další dělení:
    • jednostranné (zhutnění je nerovnoměrné, největší zhutnění je pod pístem),
    • oboustranné (zhutnění je rovnoměrnější, často používaná metoda)
    • všestranné (zhutnění je rovnoměrné, prášek je uložen v gumovém pouzdře, který je obklopen kapalinou – využití pascalova zákona).

 

LISOVÁNÍ PRÁŠKŮ ZA TEPLA:

• Válcováním – tímto způsobem se zhotovují dlouhé pásy tlusté 0,1 – 1 mm. Podstata spočívá  v tom, že se prášek nasype do zásobníku, který je umístěn nad otáčejícími se válci, které unášejí prášek do mezery mezi válci, kde ho zpracují v ohebný, pevný pás, který může plynule probíhat pecí, kde dojde ke zpevnění. Poté nastává obvykle převálcování
• Vytlačováním – tímto způsobem se zhotovují tyče a dráty kruhového nebo jiného průřezu nejčastěji z měkkého materiálu (Al, Mg, Ag). Podstata spočívá v nasypání prášku do válce, který má ve dně otvor, kterým se materiál velkým tlakem vytlačuje. Je-li materiál dobře tvárný, je vytlačovaná tyč dokonale hutná.

 

ÚPRAVA PRÁŠKŮ

• Třídění – dle velikosti zrna (přeséváním, vyplavováním, promýváním apod.).
• Magnetické čištění – z feromagnetických prášků dojde k odstranění nemagnetických příměsí.
• Tepelné zpracování – např. žíhání na měkko.
• Míchaní – pro výrobu směsi složení a různé velikosti částic,
• Přidávání dalších složek podle zvláštních požadavků (např. Přidání maziva pro zlepšení slisovatelnosti)

 

SLINOVÁNÍ

• Pomocí slinování dosáhnou prášky dalšího zhutnění tepelným zpracováním a tím dosáhnou požadované pevnosti, tvrdosti, tažnosti a jiných vlastností.
• Odstraní se póry, dojde ke zhutnění a difúznímu spojení prášků
• Polotovary vytvořené z jednoho prášku – 80% teploty tavení – difuze

 

Polotovary vytvořené ze směsi prášků:

• A) teplota slinování je nižší než teplota tavení všech složek směsi a ke spojení dochází difuzí
• B) teplota slinování je vyšší než teplota tavení některé nebo některých složek, dochází ke spojení tuhých částic jejich smáčením kapalnou fází a následující difuzí

 

Slinování se dělí do dvou základních kategorií:

• slinování tuhé fáze  – zcela tuhý stav při slinovací teplotě
• slinování kapalné fáze– vzniká tavenina
• Při spékání dochází k rekrystalizaci, póry mezi prášky se zmenšují a zaoblují, což se projeví dalším smrštěním a vzrůstáním objemové váhy.
• Zhutnění bude tím větší, čím víc se teplota spékání přiblíží teplotě tavení
• Spékání se provádí v elektricky vytápěných pecích, ve kterých buď proudí ochranný plyn, nebo jsou vakuové, aby nedošlo k oxidaci
• Na vzduchu se spékají pouze drahé kovy
• Slinovací pece: Podle ochranného plynu, Podle ohřevu, Podle provozu
  • Dělí se podle: provozu, ohřevu, ochranné atmosféře

 

Dodatečné úpravy

• opakované lisovaní (dolisování) a slinování – výrobky, u kterých je přípustná porezita se slinují obvykle 1x, při vyšších nárocích se provádí slinování vícekrát, nejčastěji 2x.
• kalibrování (dolisování za studena) – chceme-li dosáhnout přesného tvaru a rozměrů, použije se nižších lisovacích tlaků
• další opracování –obrábění (minimální úběr materiálu, např. broušení)
• povrchové úpravy– např. pokovování

 

VÝROBKY PM

• Konstrukční (strojní) součásti
  • mechanicky namáhané součásti
  • kluzná ložiska
  • třecí materiály
  • pórovité materiály (kovové filtry a destičky)
  • žárovzdorné a žáropevné materiály
• Nástrojové materiály
  • slinuté karbidy
  • keramické řezné materiály
  • brusné materiály
  • polykrystalický diamant
  • nitridy
• Elektrotechnické součásti 
  • Magnety
  • Kontakty
  • Vlákna

 

Slinuté karbidy

• Nejznámější materiál vyráběný práškovou metalurgií
• Základním karbidem pro výrobu všech sk je karbid wolframu, pojícím kovem je kobalt
• Výroba-směs je podrobena mletí, kde probíhá rozdrcení výchozích karbidů a smíchání daných složek směsi
• Mletí probíhá v organické kapalině-aceton z důvodu zabránění ohřevu a oxidaci směsi
• Slinování výlisků zahrnuje odstraňování maziva, zhuštění a rozvoj mikrostruktury a může probíhat v ochranné atmosféře vodíku nebo ve vakuu
• Povlakování slinutých karbidů – opatření řezných nástrojů velmi tenkým povlakem z tvrdého materiálu se provádí za tímto účelem: zvýšení řezných rychlostí z důvodu vyšší tepelné odolnosti, zvýšení životnosti břitů, zvýšení odolnosti proti opotřebení

Vlastnosti: vysoká tvrdost, odolnost proti tlaku a opotřebení, malá roztažnost, dobrá tepelná vodivost a dostatečná tvrdost při vysokých teplotách

Použití: Břitové destičky pro vrtáky, soustruž. nože, frézy, průvlaky, pěchovací nástroje, lisovací nástroje.

 

Hlavní technologické a konstrukční zásady

Na technologičnost má vliv: volba výchozího materiálu, volba materiálu součásti, počet vyráběných kusů, volba tvaru, přesnosti rozměrů, jakosti povrchu ploch a pracnost montážních prací, celkové konstrukční pojetí výrobku nebo součásti.

 

Výška válcového výlisku nemá být větší než dvojnásobek až trojnásobek jeho průměru

Součásti s kruhovým průřezem lisujeme pouze ve směru podélné osy.

Při lisování pouzder je třeba dodržet poměr délky pouzdra k tloušťce jeho stěny. Tento poměr je závislý na hustotě.

Hrany součástí se navrhují bez zkosení nebo zaoblení

Hrany ložiskových pouzder musí být zkoseny pro usnadnění zalisování.

Pokud jsou součásti vyrobené z prášků vystaveny korozivním účinkům prostředí, musí být povrchově chráněny

 

Konečné úpravy

• Infiltrování– provádí se u součástí, které mají být vodotěsné. Části se nainpregnují nízkotavitelnými kovy např. Mědí
• parní úprava – způsobí oxidaci povrchu částeček, která zvětší tvrdost a zlepší antikorozní ochranu částečným ucpáním pórů na povrchu
• vytvrzení – provádí se u součástí s dostatečným obsahem uhlíku, kdy provádíme kalení, které zvýší tvrdost.