Akademia Górniczo-Hutnicza

1. METALURGIA PROSZKÓW – WIADOMOŚCI OGÓLNE
Metalurgia proszków jest technologią wytwarzania wyrobów i półwyrobów ze sproszkowanych metali, mieszanek metali
z niemetalami lub z proszków stopowych bądź częściowo stopowych. Cechą charakterystyczną tej technologii jest to, że w
procesie produkcji wyrobów metalowych nie zachodzi konieczność przeprowadzania materiału w stan ciekły. Zalety i wady
metalurgii proszków w porównaniu z konwencjonalną metalurgią.
Proszek – materiał sypki składający się z cząstek o wymiarach liniowych zazwyczaj nie większych od 1 mm. W produkcji
wyrobów o złożonym składzie chemicznym można korzystać z mieszanek proszków różnych materiałów albo z proszków
stopowych (całkowicie lub częściowo).
Mieszanką proszków nazywa się proszek otrzymany przez dokładne zmieszanie ze sobą dwóch lub więcej proszków.
ZALETY:
WADY:
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
 możliwość wytwarzania materiałów, których inną
technologią nie można otrzymać
 możliwość
sterowania
własnościami
fizycznymi,
chemicznymi i mechanicznymi materiału w bardzo
szerokim zakresie poprzez odpowiedni dobór proszku i
zastosowanie odpowiednich parametrów technologicznych
procesu
 możliwość
uzyskania
materiału
o
określonej
zaprojektowanej strukturze
 składnikami mieszaniny proszków mogą być metale,
niemetale, związki chemiczne lub pierwiastki, mogą
wykazywać rozpuszczalność w stanie stałym, ciekłym lub
całkowity brak rozpuszczalności, ponadto mogą dość
znacznie różnić się temperaturą topnienia, jak i gęstością,
 niemal całkowite wykorzystanie surowców
 możliwość seryjnego wytwarzania elementów z dużą
dokładnością przy niewielu operacjach technologicznych
 technologia przyjazna dla środowiska - nieznaczna ilość
odpadów, nie powoduje zanieczyszczenia powietrza i
wody
 problemy z wytwarzaniem wyrobów o skomplikowanym
kształcie
 materiały spiekane charakteryzują się dużą porowatością
 własności plastyczne i wytrzymałościowe spiekanych
wyrobów gotowych są z reguły gorsze niż elementów
obrobionych plastycznie,
 technologia ta jest uzasadniona ekonomicznie tylko w
przypadku produkcji masowej
Wszystkie materiały wytwarzane technologią metalurgii proszków można podzielić na dwie zasadnicze grupy:
 wyroby konkurencyjne,
 wyroby bezkonkurencyjne.
O wyrobach konkurencyjnych można mówić wówczas, gdy metalurgia proszków jest jedną z alternatywnych technologii
wytwarzania. Natomiast, gdy jest ona jedyną metodą wytwarzania określonego wyrobu gotowego, otrzymujemy wyroby
bezkonkurencyjne. Należą do nich wyroby o znacznej porowatości ( łożyska samosmarujące, filtry), pseudostopy, węgliki
spiekane, materiały otrzymywane z metali o najwyższej temperaturze topnienia, cermetale, materiały o najwyższej twardości.
W przypadku wyrobów konkurencyjnych o wyborze metody decydują wymagania, właściwości stawiane wyrobom gotowym
oraz koszty wytwarzania.
Spiekane materiały konstrukcyjne można podzielić ze względu na podstawowy składnik metaliczny:
 spieki na bazie żelaza – stanowią obecnie ponad 90% masy wytwarzanych corocznie na świecie spiekanych materiałów
konstrukcyjnych (spieki z czystego żelaza, spiekane stale węglowe, spiekane stale stopowe oraz wysokostopowe)
 spieki na bazie miedzi (spiekana miedź, spiekane brązy, spiekane mosiądze)
 spieki na bazie aluminium (SAP - spiek aluminium utwardzony dyspersyjnie)
Największym konsumentem wyrobów gotowych uzyskiwanych na drodze metalurgii proszków jest przemysł motoryzacyjny.
Jego udział w całkowitej produkcji spiekanych materiałów wynosi około 70 %. Obok przemysłu samochodowego ważnymi
odbiorcami tych materiałów są: przemysł maszynowy (elektronarzędzia, maszyny do szycia, maszyny włókiennicze i inne)
konsumujący ok. 13 %, przemysł energetyczny i elektrotechniczny – ok. 10 % oraz inne gałęzie przemysłu (radiotechniczny,
chemiczny, precyzyjny) – ok. 7 %. Można powiedzieć, że nie ma obecnie gałęzi przemysłu, w której wyroby spiekane nie
miałyby zastosowania.
2. PROCES TECHNOLOGICZNY WYTWARZANIA WYROBÓW METALOWYCH
TECHNOLOGIĄ METALURGII PROSZKÓW
Proces technologiczny wytwarzania wyrobów metalowych technologią metalurgii
proszków składa najczęściej się z następujących etapów:
 wytwarzanie proszków metali lub stopu
 przygotowanie mieszaniny proszków /a/
 formowanie (prasowanie) /b/
 spiekanie /c/
 obróbka wykończająca
Wytwarzanie proszków obejmuje zespół procesów mechanicznych i
fizykochemicznych, które mają na celu uzyskanie określonego materiału w
postaci proszku. Proszek może być produktem mechanicznego rozdrobnienia
Laboratorium z metaloznawstwa i materiałoznawstwa – Metalurgia proszków
2
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
materiału bez zmiany jego składu chemicznego albo też uzyskuje się go jako produkt reakcji chemicznych z innych substancji.
Podział metod wytwarzania proszków metali.
mechaniczne
-
mielenie
kruszenie
rozbijanie
obróbka skrawaniem
fizyko-mechaniczne
- rozpylanie
- granulacja
fizyczne
- odparowanie
i kondensacja
chemiczne
- redukcja tlenków
i innych związków
- dysocjacja tlenków
i innych związków
- korozja
międzykrystaliczna
- samorozpad
- hydrogenizacja
i dehydrogenizacja
fizyko-chemiczne
- redukcja
metalotermiczna soli
- redukcja roztworów
wodnych soli
wodorem
- redukcja roztworów
wodnych soli przez
wypieranie
- elektroliza roztworów
wodnych soli
- elektroliza stopionych
soli
- synteza i dysocjacja
karbonylków
- ZCL - ŻEL
Wybór odpowiedniej metody wytwarzania proszków zależy od własności, jakich oczekuje się od produktu oraz od kalkulacji
ekonomicznej:
 mielenie w młynach kulowych, kulowo - udarowych, wibracyjnych, wirowo - udarowych czy kruszarkach - otrzymany
proszek jest drobnoziarnisty, a metody te stosuje się do rozdrabniania materiałów kruchych.
 obróbka skrawaniem - piłowanie, szlifowanie, zdzieranie - metoda ta jest najczęściej stosowana do produkcji proszków
magnezu do celów pirotechnicznych.
 rozpylanie polega na rozbiciu na krople strugi ciekłego metalu lub metalu stopionego lokalnie w wyniku działania
sprężonych gazów lub cieczy, sił mechanicznych lub ultradźwięków. Metodą tą wytwarza się proszki żelaza, stali,
aluminium, stopów cynku, cyny i ołowiu.
 metoda parowania i kondensacji. Proces otrzymywania proszku polega w pierwszym etapie na przeprowadzeniu litego
metalu w stan gazowy, natomiast w drugim stadium – na wywołaniu kondensacji par metalu na chłodzonych
powierzchniach. Metodą tą wytwarza się proszki metali cechujących się wysoką prężnością par w stosunkowo niskiej
temperaturze - cynk, magnez, kadm i beryl.
 redukcja związków metali, głównie tlenków w ośrodku stałym (koks, węgiel drzewny) lub gazowym (wodór, gaz
konwertorowy) polega na wywołaniu reakcji chemicznych prowadzących do uzyskania czystego metalu lub jego tlenku
niższego rzędu.
 metalotermia – redukcja związków metali (tlenków, halogenków) innymi metalami, które wykazują większe
powinowactwo do metaloidu w warunkach prowadzonego procesu niż redukowany metal. Redukcji metalotermicznej
poddaje się przede wszystkim związki metali ziem rzadkich.
 synteza i dysocjacja karbonylków – w początkowym etapie związek chemiczny MeB reaguje z tlenkiem węgla.
Produktem reakcji jest karbonylek metalu Me(CO)X w stanie gazowym. W drugiej fazie karbonylek ulega dysocjacji
termicznej związanej z wydzielaniem czystego metalu i tlenku węgla powracającego ponownie do reakcji ze związkiem
metalu. Metoda stosowana jest głównie do produkcji proszków niklu i żelaza.
Przygotowanie proszków ma na celu nadanie mu wymaganych cech fizykochemicznych i technologicznych.
Przygotowanie proszków polega najczęściej na: wyżarzaniu, rozsianiu ich na frakcje ziarnowe oraz mieszaniu. Wyżarzanie ma
na celu usunięcie z powierzchni cząstek proszku tlenków, a także innych domieszek (w atmosferze redukującej), bądź też
rekrystalizację materiału (w atmosferze obojętnej). Najczęściej wyżarza się proszki otrzymane na drodze mielenia, metodą
elektrolityczną i karbonylkową.
Rozsianie proszku na poszczególne frakcje jest konieczne z uwagi na to, że proszki stosowane w produkcji materiałów
spiekanych muszą mieć ściśle określony skład ziarnowy. Do rozsiania proszków stosuje się zestaw sit używanych w analizie
sitowej. Mieszanie ma na celu równomierne rozłożenie poszczególnych składników mieszaniny w całej masie proszku.
Mieszaniu poddaje się proszki tego samego metalu różniących się wielkością i kształtem cząstek albo proszki różnych pod
względem chemicznym składników. Mieszanie ma na celu również równomierne rozprowadzenie substancji ułatwiających
prasowanie, zwanych środkami poślizgowymi lub substancji porotwórczych. Mieszanie przeprowadza się na sucho lub na
mokro (w alkoholu, benzynie, kamforze lub wodzie) w odpowiednich mieszalnikach. Najczęściej stosowane są mieszalniki
dwustożkowe lub w kształcie litery „V”.
Proces formowania ma na celu uzyskanie z proszku kształtki, zwanej wypraską, o określonym kształcie i wymiarach oraz
odpowiednich właściwościach wytrzymałościowych gwarantujących ich trwałość głównie podczas transportu.
Metody formowania:
Laboratorium z metaloznawstwa i materiałoznawstwa – Metalurgia proszków
3
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie





prasowanie w sztywnych matrycach
prasowanie izostatyczne na zimno i na gorąco
prasowanie na ciepło
prasowanie na gorąco – stanowi połączenie w jednym zabiegu prasowania i spiekania
walcowanie na zimno i na gorąco – to metoda pozwalająca na otrzymanie wyrobów o jednorodnej gęstości, których
długość znacznie przewyższa szerokość i grubość.
 prasowanie udarowe – polega na zagęszczeniu proszku w matrycy w wyniku oddziaływania fali wybuchu bezpośrednio
na proszek lub za pośrednictwem stempla
 wibracyjne zagęszczanie proszków – metoda stosowana do otrzymywania elementów o skomplikowanych kształtach z
proszków twardych, trudno prasujących się.
 odlewanie z gęstwy
 wyciskanie past proszkowych – metoda stosowana do otrzymywania kształtek o dużej długości i niewielkich
wymiarach poprzecznych z proszków twardych, trudno prasowalnych.
 formowanie wtryskowe
Wybór metody formowania zależy od wielu czynników, ale przede wszystkim od kształtu wyrobu lub półwyrobu, własności
materiału, z którego wykonano proszek oraz względów ekonomicznych.
W praktyce stosowane są następujące metody prasowania:
 prasowanie jednostronne – stosuje się gdy stosunek wysokości do średnicy wypraski jest mniejszy lub równy 1, a w
przypadku tulei gdy stosunek wysokości do grubości ścianki tulei jest mniejszy lub równy 3. Podczas prasowania
jednostronnego nacisk na proszek jest wywierany jedynie przez stempel górny, podczas gdy matryca oraz stempel
dolny są nieruchome.
 prasowanie dwustronne – stosuje się gdy stosunek wysokości do średnicy wypraski jest większy od 1, a w przypadku
tulei gdy stosunek wysokości do grubości ścianki tulei jest większy od 3. Podczas prasowania dwustronnego nacisk na
proszek jest wywierany przez stempel górny i dolny, podczas gdy matryca jest nieruchoma.
 prasowanie swobodne (z wykorzystaniem sił tarcia) polega na umożliwieniu w czasie prasowania przemieszczania się
korpusu matrycy względem powierzchni wypraski. Pociąga to za sobą przemieszczenie się przyległych do matrycy
warstw proszku i lepsze zagęszczenie prasowanego materiału. W tym celu stosowane są matryce podtrzymywane
sprężynami lub specjalnymi tulejkami.
 prasowanie sterowane – w metodzie tej następuje współbieżny z ruchem stempla górnego ruch matrycy. Stempel dolny
pozostaje nieruchomy. Matryca przesuwa się dwukrotnie wolniej niż stempel górny, co daje efekt ruchu względnego
matrycy w stosunku do obydwu stempli.
Na przebieg procesu prasowania oraz gęstość uzyskanych wyprasek wpływ mają:
 charakterystyka proszku (kształt, wielkość cząstek proszków i stan ich powierzchni oraz twardość materiału, z którego
został wykonany proszek)
 stosowanie środków poślizgowych – środki poślizgowe wpływają na zmniejszenie współczynników tarcia
zewnętrznego i wewnętrznego, zmniejszenie ciśnienia wypychania wypraski z matrycy, zmniejszenie skłonności do
przyczepiania się cząstek proszku do ścianek matrycy, a tym samym zmniejszają ich zużycie
 wymiary wyprasek
 parametry procesu prasowania (ciśnienie prasowania, szybkość prasowania, czas działania nacisku)
Spiekanie jest jednym z głównych procesów technologicznych metalurgii proszków, któremu poddawany jest proszek luźno
zasypany do form lub sprasowane kształtki. Proces spiekania można definiować zarówno poprzez podanie procesów
technologicznych, jak również poprzez opisanie zjawisk fizykochemicznych:
 spiekanie technologiczne jest to zabieg cieplny składający się z nagrzewania, wygrzewania w temperaturze 0.7, 0.8
temperatury topnienia podstawowego składnika w skali bezwzględnej i następnego chłodzenia,
 spiekanie jest procesem, w którym zachodzą jakościowe i ilościowe zmiany styków między cząsteczkami proszku
wskutek zwiększonej ruchliwości atomów, wywołanej podwyższeniem temperatury (wg Balszina).
Podczas procesu spiekania w materiale zachodzą złożone procesy fizykochemiczne, które umożliwiają otrzymanie materiału
zwartego, choć często nie pozbawionego porowatości, o własnościach zbliżonych do własności materiału litego.
Źródłem sił napędowych procesu spiekania są zmiany energii powierzchniowej wynikające z dążenia materiału do osiągnięcia
najmniejszej energii. Materiał porowaty posiada dużą powierzchnię właściwą i proporcjonalną do niej odpowiednio wysoką
wartość energii powierzchniowej. Jednak w miarę przebiegu procesu spiekania powierzchnia właściwa porów ulega
zmniejszeniu w wyniku wygładzania ich powierzchni, koagulacji i sferoidyzacji, przez co proces spiekania przebiega coraz
wolniej.
Na przebieg procesu spiekania materiału mają wpływ następujące czynniki:
 parametry procesu - czas i temperatura spiekania, atmosfera spiekania,
 struktura i własności materiału, w tym: budowa krystalograficzna, wielkość ziarna, stopień utlenienia, napięcie
powierzchniowe, przemiany alotropowe, współczynnik dyfuzji.
Podczas procesu spiekania zmianie ulegają nie tylko wymiary wyrobu proszkowego, ale także jego gęstość, porowatość oraz
własności wytrzymałościowe, elektryczne, magnetyczne.
Podczas procesu spiekania zachodzą następujące procesy:
Laboratorium z metaloznawstwa i materiałoznawstwa – Metalurgia proszków
4
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie





parowanie i kondensacja
dyfuzja powierzchniowa
dyfuzja objętościowa i na granicach ziarn
płynięcie lepkościowe i plastyczne
zdrowienie i rekrystalizacja
Obróbka wykończająca spieków obejmuje operacje służące do nadania gotowemu wyrobowi ostatecznych właściwości
użytkowych. Należy tutaj zaznaczyć, że jest ona wykonywana tylko w przypadkach koniecznych, gdyż wpływa na wzrost
kosztów wytwarzania. W ramach obróbki wykańczającej spieków najczęściej stosuje się następujące zabiegi:
 Infiltracja - proces polegający na nasycaniu porowatego szkieletu trudno topliwego składnika łatwo topliwym metalem
lub stopem. Rozróżnia się następujące metody przeprowadzenia infiltracji :
- infiltracja kapilarna polega na tym, że dowolna część powierzchni szkieletu styka się z cieczą nasycającą, która
wskutek działania sił kapilarnych zostaje wciągnięta i wypełnia wszystkie pory,
- infiltracja zanurzeniowa polega na całkowitym zanurzeniu spieczonego szkieletu w ciekłym metalu lub stopie,
przy czym działanie kapilarne powoduje wciągnięcie stopionego metalu w głąb materiału,
- infiltracja poprzez nałożenie na porowaty szkielet odpowiedniej ilości metalu lub stopu nasycającego, który po
nagrzaniu do odpowiedniej temperatury ulega roztopieniu i wnika w pory szkieletu
Metalami najczęściej stosowanymi w procesie infiltracji są: miedź i jej stopy, srebro, cyna, cynk i ołów. Przy
zastosowaniu infiltracji uzyskuje się materiały o lepszych właściwościach mechanicznych w porównaniu z materiałami
otrzymywanymi metodą prasowania i spiekania. Nasycanie metalem w niektórych przypadkach może prowadzić do
zabezpieczenia spieku przed korozją.
 Kalibrowanie spieków - proces ponownego prasowania materiału przeprowadzony po procesie spiekania. Głównym
celem stosowania tej operacji jest uzyskanie wysokich tolerancji i odpowiedniej gładkości powierzchni zewnętrznych
wyrobu gotowego. Operacja ta umożliwia otrzymanie wymiarów z dokładnością do 0,045 mm na powierzchniach
równoległych do osi kalibrowania. Natomiast powierzchnie prostopadłe do kierunku kalibrowania ulegają jedynie
nieznacznemu wygładzeniu. Dodatkowym następstwem kalibrowania spieków jest wzrost twardości powierzchni, który
może sięgać nawet kilkudziesięciu procent.
 Obróbkę skrawaniem materiałów spiekanych przeprowadza się wówczas, gdy istnieje taka konieczność, czyli brak
możliwości nadania wyrobom odpowiedniego kształtu innymi metodami. Dotyczy to: otworów umieszczonych w
kierunku nie równoległym do kierunku prasowania, podcięć, występków, otworów gwintowych. Konieczność
formowania materiału jako kształtki, z której dopiero uzyskuje się pożądane wyroby. W zakresie obróbki skrawaniem
stosuje się: toczenie, frezowanie, wiercenie, rozwiercanie, gwintowanie i szlifowanie. Kucie na gorąco łączy w sobie
najlepsze cechy obróbki plastycznej i metalurgii proszków. Proces ten polega na odkształceniu na gorąco w matrycach
przedkuwek, które wcześniej otrzymano metodami formowania na zimno i spiekania. Po przeprowadzeniu tej operacji
uzyskuje się znacznie lepsze właściwości wyrobów gotowych w porównaniu do wyrobów otrzymanych na drodze
metalurgii proszków. Kucie stwarza możliwość wykonania wyrobu o kształcie oraz wymiarach najbardziej zbliżonych
do zaprojektowanego wyrobu gotowego. Po odpowiednio przeprowadzonej operacji praktycznie można osiągnąć
gęstość spieku równą gęstości teoretycznej.
 Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna – głównym celem stosowania obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej jest
wywołanie odpowiednich zmian w mikrostrukturze materiału, a w wyniku tych zmian polepszenie właściwości
fizycznych i mechanicznych. Warunki umożliwiające stosowanie tych procesów określone są układem równowagi
składników spieku i ich składem chemicznym.
Obróbka cieplna spieków najczęściej obejmuje następujące operacje: hartowanie, odpuszczanie, przesycanie, starzenie.
W wielu przypadkach wyroby proszkowe hartuje się z temperatury spiekania, eliminuje to konieczność powtórnego
nagrzewania oraz obniża koszty wytwarzania.
Obróbka cieplno-chemiczna materiałów spiekanych najczęściej polega na: nawęglaniu, azotowaniu lub cyjanowaniu.
Poprzez zastosowanie jednej z tych operacji można uzyskać wzrost twardości i odporności na ścieranie warstwy
powierzchniowej spieku przy zachowaniu ciągliwości rdzenia.
 Impregnacja - wypełnienie porów spieku materiałem niemetalicznym, np. olejem, żywicą.
Laboratorium z metaloznawstwa i materiałoznawstwa – Metalurgia proszków
5
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
3. PRZEBIEG ĆWICZENIA
Formatowanie kształtek – prasowanie
1
3
Po odważeniu 8 próbek (4 próbki z danego proszku po 6 gramów każda) zostały sprasowane w
matrycy cylindrycznej o średnicy stempla 15 mm.
4
2
Matryca z ruchomym stemplem do
wytwarzania wyprasek:
1 – stempel górny, 2 – stempel dolny,
3 – matryca, 4 – wypraska.
Nr
próbki
Ciśnienie
Wymiary
prasowania
Siła
F  4 wysokość średnica
prasowania
P
F
πd
h
d
Objętość
Masa
m
VS 
  d  hS
2
S
4
3
Gęstość
rzeczywista
m
ρ
V
Gęstość względna
ρw 
ρ
 100
8,92
Porowatość
p  100  ρw
1
2
3
4
[kN]
10
30
60
90
[MPa]
0,85
2,55
5,10
7,63
[mm]
6,50
5,40
4,75
4,35
[mm]
15,00
15,00
15,01
15,02
[g]
6,01
6,01
6,06
5,93
[cm ]
1,15
0,95
0,84
0,77
[g/cm3]
5,23
6,30
7,21
7,69
[%]
58,66
70,61
80,83
86,25
[%]
41,34
29,39
19,17
13,75
1
2
3
4
10
30
60
90
0,85
2,55
5,09
7,63
6,65
5,95
5,20
4,65
15,01
15,01
15,02
15,02
5,93
5,86
5,99
5,91
1,18
1,05
0,92
0,82
5,04
5,57
6,50
7,17
56,50
62,40
72,88
80,42
43,50
37,60
27,12
19,58
Zestawienie wyników w postaci wykresów
Laboratorium z metaloznawstwa i materiałoznawstwa – Metalurgia proszków
6
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
100
80
w[%]
60
gęstość względna po sprasowaniu pierwszego proszku
40
5
gęstość względna po sprasowaniu drugiego proszku
20
0
0
2
4
6
8
10
P [MPa]
Laboratorium z metaloznawstwa i materiałoznawstwa – Metalurgia proszków
7