Zpět na obsah

 

5.         PRÁŠKOVÁ METALURGIE [8], [9]

 V porovnání s ostatními technologiemi zpracování kovových materiálů je prášková metalurgie (PM) relativně mladým odvětvím. Jak název  napovídá, základním meziproduktem v této technologii je kovový prášek. Technologie práškové metalurgie se skládá ze tří fází, viz obr.50.

 

5. 1      Podstata práškové metalurgie

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.

 

Dle požadavků na konečné vlastnosti výrobků se používají 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

 

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.

 

5. 2      Užití technologie práškové metalurgie

Tato technologie se používá v případech, kdy:

Mezi nevýhody práškové metalurgie patří:

 

5. 2. 1 Výrobní postup technologie práškové metalurgie

Výrobní postup se skládá z těchto etap:

1) výroba prášků

2) úprava prášků

3) zhutňování (kompaktizace) prášků

4) spékání čili slinování výlisků z prášků

5) konečná úprava výrobků.

 

 

Ad 1) Výroba prášků

Volba výrobní metody závisí na druhu kovu, jeho množství, požadované čistotě prášku, velikost a tvaru částic a ekonomičnosti postupu. Prášky je možno vyrábět:

 

a) Rozprašování kapalného kovu je nejvhodnější při zpracování předem legovaných prášků. Výhody této technologie výroby:

-         lze použít pro většinu slitin (např. Pb, Zn, Sn, Al, Fe)

-         stejnorodé složení všech částic

-         možnost ovlivnění tvaru, velikosti a struktury částic

-         vysoká čistota prášku a malé ztráty.

 

a) Princip rozprašování

-         vodou – roztavený kov, který vytéká z otvoru zásobníku, je rozprášen na malé kapičky vodou o vysokém tlaku, která ho zároveň chladí a kalí. Směs je dále sušena ve vakuu. Změnou tlaku vody, změnou nastavení trysek a jejich směrem lze měnit tvar a velikost prášku (nepravidelný až kulovitý tvar).

         Získaný prášek má značný obsah kyslíku, vysokou křehkost a tvrdost. U rychlořezných ocelí je jeho struktura tvořena martenzitem, karbidem, austenitem a delta feritem v důsledku vysokých ochlazovacích rychlostí.

         Takto získaný prášek nejde dobře zpracovat, proto je nutné ho žíhat. Žíhací proces u rychlořezných ocelí je značně náročný. Musí se snížit relativně vysoká tvrdost na cca polovinu, a to žíháním v redukční nebo inertní atmosféře. Je třeba snížit i obsah kyslíku o 1/3 a to žíháním ve vakuu. Vodou se nedoporučuje rozprašovat kovy a slitiny, které snadno a rychle korodují.

         Tato technologie se nejvíce používá u nízko a vysokolegovaných ocelí. Mezí výhody vody oproti jiným médiím patří: vysoké ochlazovací schopnosti, nestlačitelnost, je levná a snadno dostupná.

-        plynem – princip technologie rozprašování plynem je obdobná jako u vody. Rozprašovací tlak je nižší. K rozprašování se používá  dusík nebo argon, který zabraňuje oxidaci prášku. Tvar částic je kulový.

 

b) Drcení a mletí tuhého kovu – velice záleží na mechanických vlastnostech mletého (drceného) materiálu, z nichž je nejdůležitější tvárnost mletého kovu. Vlivem spotřeby energie na plastickou deformaci, překonání tření a vlivem ostatních ztrát se snižuje účinnost procesu. Způsob mletí rozhoduje o stupni rozmělnění, jeho průběhu a tvaru částic prášku (u velmi jemných částic hrozí nebezpečí vzájemného třecího svařování). Křehké kovy a slitiny se drtí, je vhodná pro prášky Fe, Mn, Cr, Al, Mn, Cu, Sb, Bi, mosaz, Be, apod.

                   Fe, Ni, Cu, Ag, Al prášky se vyrábějí ve vířivých mlýnech, kde se částečky navzájem otloukají, až má prášek tvar šupinek.

 

 

a) Nejvýznamnější je redukce čisté železné rudy, kdy vzniká železná houba, která se drtí, prosívá, popř. magneticky třídí. Pak následuje žíhání ve vodíkové atmosféře pro snížení obsahu uhlíku a kyslíku a také k odstranění zpevnění. Prášek je levný. Lze získat i prášky Cu, Ag, Fe, Ni, Co, W, Mo, Ti.

 

b) Elektrolytická redukce -  elektrolyticky připravené prášky jsou velmi čisté, mají nepravidelný tvar a jsou drahé. Takto se připravují prášky Fe, Ti, Cr, Nb, V, Ta apod.

 

 

 Úprava prášků

Úprava prášků navazuje na jejich výrobu a způsob úpravy závisí na dalším zpracování. Nejčastěji se jedná o:

- redukci prášků po jejich výrobě a zjištění chemického složení

- sušení prášků (pokud byly vyrobeny rozprašováním vodou)

- prosévání a třídění prášků podle velikosti částic

- míchání prášků podle žádaného složení výrobků

- přidávání dalších složek podle zvláštních požadavků, například přidávání maziva pro zlepšení slisovatelnosti

 

Chemické složení prášků

Žádaného složení lze dosáhnout 2 základními způsoby:

1. smícháním vhodných prášků (Fe prášek + grafit + legované prvky v prášku). Konvenční smíchání základních prášků (výroba obvykle mletím nebo redukcí) umožňuje rychlé a snadné změny složení.

Takto vyrobené prášky nejsou ale vhodné pro kování jako následnou operaci. Mechanické vlastnosti jako tažnost a vrubová houževnatost jsou horší, což způsobuje metalurgická heterogenita. Nestejnorodost se odstraňuje difuzí při vysokých slinovacích teplotách po dlouhou dobu. Difuzní proces se urychluje legujícími přísadami.

 

2. legovanými prášky (rozprášením tekuté slitiny) – vyrábí se rozprášením tekuté slitiny o požadovaném složení (prášek je homogenní, každá částice má stejné složení). Při slinování lze použít nižší slinovací teploty, prášky mají lepší mechanické vlastnosti, lze je tepelně zpracovat a cementovat, mají vyšší tvrdost, což zhoršuje lisovatelnost, proto se prášky žíhají po rozprášení.

 

Prvky ovlivňující vlastnost výrobků:

 

 

Metody zhutňování prášků

 

-         lisování prášků v pevných nástrojích

Při lisování dochází k zhutňování prášku a současně k jeho tvarování základního tvaru budoucího výrobku před jeho spékáním. Způsob lisování, druh lisovacích nástrojů a šíření lisovacího tlaku závisí na velikosti  a tvaru částic, způsobem přípravy prášku, ale i na tření prášku o stěny nástroje.

Tření při lisování se snižuje přidáním maziv do prášků (sterá zinečnatý) nebo přímým mazáním stěn nástroje (koloidní grafit). Mazáním se snižují potřebné tlaky pro dosažení předepsané hustoty a umožňuje rovnoměrnější rozložení hustoty.

Lisovací tlaky jsou závislé především na druhu prášku a na požadovaném stupni zhutnění. Pohybují se v širokém rozmezí od 200 MPa (pro neželezné kovy nebo výrobky s nižší požadovanou hustotou) do 2000 MPa.

 

Lisovací nástroje mohou pracovat :      a) přímočarým pohybem lisovadel

                                                           b) rotačně (válcováním)

                                                           c) vytlačováním kalibrovaným otvorem.

 

-         izostatické zhutňování (lisování)

a) za studena – lisovaný prášek je uzavřen v pouzdru, na který působí tlak přenášený plynem, gumou, plastickou hmotou, nebo kapalinou (hydrostatické lisování). Na pouzdro, ve kterém je prášek uzavřen, jsou kladeny tyto požadavky:

-         za vysokého tlaku se musí chovat jako kapalina (přenáší tlak na prášek izostaticky)

-         za normálního tlaku se musí naopak chovat jako pevná látka (musí udržet svůj tvar i po naplnění těžkým práškem)

-         po slinování se nesní výlisek lepit k pouzdru (snadné vyjmutí, aby se nepoškodil povrch)

Velikost výlisku je omezena pouze velikostí pouzdra a tlakové komory, proto se využívá pro malé série, velké, složité a silnostěnné výlisky, osově symetrické výlisky. Lisování ze všech stran se užívá u tvarově složitějších výlisků. Výlisek se nejdříve předlisuje jednostranně nebo oboustranně do přibližného tvaru. Pak se vloží do válce s kapalinou, nejčastěji olejem, na kterou tlačí píst. Tlak v kapalině působí rovnoměrně ze všech stran výlisku. Tímto postupem je dosahováno nejvyššího zhutnění ve všech směrech. Při válcování prášek ze zásobníku vstupuje mezi válce, které ho stlačují a zhutňují. Výrobkem jsou tyče nebo pásy. Pokud dosažené zhutnění nepostačuje, může být opakováno.

 

b)      za tepla (HIP - Hot Isostatic Pressing) – místo gumového pouzdra se používají pouzdra plechová, tlakové médium je nejčastěji plyn. Na utěsněném pouzdru je připevněna trubka pro plnění práškem a zároveň pro odvzdušnění. Plnění probíhá při normální nebo zvýšené teplotě, případně v inertní atmosféře. Poté jsou pouzdra uložena do palet a následuje předehřev na teplotu blízkou slinovací teplotě. Po složení do izostatického lisu proběhne zhutnění za tepla na požadovanou hustotu. V celém průběhu slinování zůstává teplota konstantní(cca 1200°C), pouze se mění tlak (cca 100 MPa). V místech dotyku částic kovového prášku vznikají za těchto podmínek nová spojení a z vysoce čistého kovového prášku tak vzniká součást s homogenní strukturou a zcela izotropními vlastnostmi. Následné kování a válcování zajistí, že konečný výrobek je bez pórů a má velmi jemnou karbidickou strukturu (velikost karbidů cca. 3-5µm). Tyto konečné výrobky mohou být ve formě drátů, tyčí, plechů nebo profilů. Tváření za tepla má také za následek výrazné zvýšení  houževnatosti, zvýšení bezpečnosti proti lomu, zvýšení odolnosti proti otěru a díky kvalitnímu povrchu s homogenní strukturou lze součást povlakovat. Tento výrobní proces umožňuje vyrábět slitiny s obsahem až 3,4%  uhlíku a celkovým obsahem legujících prvků až 39%.

 

            Výsledná homogenní struktura práškových kovů je bez makroskopických defektů jako jsou lunkry, struskové vměstky a karbidická řádkovitost. Objemové změny při tepelném zpracování jsou díky kvaziizotropním vlastnostem struktury ve všech směrech rovnoměrné a positivní. Za předpokladu dodržení doporučených parametrů jsou změny tvaru a rozměru tepelně zpracovaného dílce nepatrné. V konečném efektu to znamená významné snížení nákladů při menším rozsahu dokončovacích operací hotového výrobku. 

Výhody izostatické zhutňování za tepla:

-         zvyšuje houževnatost (odolnost proti únavě) díky rovnoměrnému rozdělení karbidů a žádným metalurgickým vadám.

-         dovoluje nejvyšší obsahy legur - bez významného ovlivnění mechanických vlastností a zřetelně zlepšenou odolnost proti opotřebení (karbidy MC / VC),

-         zvyšuje rozměrovou stabilitu ,

-         zlepšuje obrobitelnost broušením .

 

            Kompaktizace (zhutnění) prášků se provádí jejich lisováním a následným slinováním (spékáním) za vysokých teplot. Při lisování dojde pouze k mechanickému zaklesnutí práškových částic, jejich vzájemné difúzní spojení nastává až ve fázi slinování. Vedle lisování a slinování se pro kompaktizace prášků využívají rovněž novější postupy, které zajišťují vyšší mechnaické vlastnosti a vyšší homogenitu takto vyrobených slitin. Patří sem např. izostatické lisování za tepla (HIP = hot isostatic pressing), u kterýho je prášek kompaktizován v jedné operaci za současného působení tlaku (tlakový plyn) a vysoké teploty.

Mezi hlavní výhody práškové metalurgie v porovnání s klasickými postupy odlévání a tváření patří zejména fakt,že touto technologií lze zpracovávat materiály, které by jinými postupy byly zpracovatelné velmi obtížně. Patří sem již zmíněné vysokotavitelné kovy a jejich slitiny (W, Mo) nebo materiály, které lze velmi špatně odlévat (Cu-C, Cu-W,atd.). Kromě toho poskytuje PM materiály s jemnou a rovnoměrnou mikrostrukturou s omezeným výskytem vad.

 

 

Ad 4) Spékání (slinování) prášků

Po kompaktizaci prášků, které se provádí lisováním, následuje slinování (spékání) za vysokých teplot. Při lisování dojde pouze k mechanickému zaklesnutí práškových částic, jejich vzájemné difúzní spojení nastává až ve fázi slinování.

Teplota slinování závisí na druhu spojovaného materiálu a na jeho složení. V případě slinování polotovarů vytvořených z jednoho prášku, tj. prášku vyrobeného z jediného materiálu, se volí teplota slinování ve výši asi 80 % teploty jeho tavení. Ke spojování částic prášku dochází difusí.

U polotovarů vytvořených ze směsi prášků může dojít ke spojení prachových částic dvojím způsobem:

·        v prvním případě je teplota slinování nižší než teplota tavení všech složek směsi a ke spojení dochází difusí.

·        ve druhém případě je teplota slinování vyšší než teplota tavení některé nebo některých složek, přičemž alespoň jedna ze složek zůstává v tuhém stavu. Pak dochází ke spojení tuhých částic jejich smáčením kapalnou fází a následující difusí (podobně jako při pájení).

V případě nebezpečí oxidace prášků nebo jejich jiného nežádoucího chemického ovlivnění se slinování provádí v ochranné atmosféře nebo ve vakuu.

 

 

Ad 5) Konečná úprava slinutých výlisků

Slinuté výrobky často ještě nevyhovují na ně kladeným požadavkům. Proto se u nich provádí konečná úprava, která závisí na druhu spékaného materiálu a účelu výrobků. Mezi nejčastější konečné úpravy patří:

- opakované lisování a slinování s cílem zvýšení hutnosti a tím i pevnosti a houževnatosti,

- kalibrování, což je dolisování za studena pro dosažení přesného tvaru a rozměrů,

- nauhličení, které se provádí u ocelových výrobků, které mají být za účelem zvýšení tvrdosti kaleny,

- zaplnění pórů kovem s nižší teplotou tavení, například mědí nebo niklem, za účelem odstranění poréznosti,

- sycení mazivem u výrobků, které mají mít nízký součinitel tření (samomazná ložiska),

- povrchová ochrana proti korozi.

 

 

5.3      Výrobky práškové metalurgie [8]

Výrobky zhotovené technologií práškové metalurgie mohou být vytvořeny z různých materiálů a sloužit různým účelům. Proto je při snaze o systematické uspořádání jejich výčtu možno sestavit přehledy podle různých hledisek. V následujícím přehledu bylo zvoleno hledisko použití výrobků v hlavních technických oborech.

 

- mechanicky namáhané součásti - menší sériově vyráběné součásti, u nichž nejsou kladeny vyšší nároky na pevnost  houževnatost (součásti pro motorová vozidla, do kancelářských strojů, šicích strojů, kuchyňských strojků, ozubená a řetězová kola, pístní kroužky). Materiálem je ocel, ocel s grafitem, ocel s mědí, bronz.

 

- kluzná ložiska - tlustostěnná samomazná ložiska – využívá se poréznosti jejich struktury k získání dlouhodobé samočinné mazací schopnosti. Před montáží do stroje se ložiska sytí olejem.

- tenkostěnná ložiska tlakově mazaná - mají stejný tvar a funkci jako tentýž typ ložisek vyráběný obráběním s tím rozdílem, že umožňuje značnou úsporu materiálu. Nejčastějším materiálem je olověný bronz.

- tenkostěnná ložiska nemazaná - jsou vyrobena ze směsi cínového bronzu a plastu s nízkým součinitelem tření, nejčastěji teflonu, proto nevyžadují žádné mazaní. Nejsou ale vhodná  pro vyšší rychlosti otáčení.

 

- třecí materiály – jedná se o materiály s vynikající odolností proti abrazi a s dobrou tepelnou vodivostí. Důležité jsou také odolnost proti zadření a mechanická pevnost. Používají se u strojních součástí, kde je požadován vysoký součinitel tření (např. pro vysoce zatěžovaná spojková a brzdová obložení dopravních prostředků). Prášková metalurgie spojení kovu (ocel, bronz) a keramické složky (přidává se křemenný prach, karbid křemíku nebo asbest zvyšující tření). Pro dosažení např. měkkého záběru nebo zamezení blokování, se přidává grafit a olovo.

 

- pórovité materiály (kovové filtry a destičky) – jsou to porézní materiály s řízenou velikostí pórů (od jednotek do stovek mikrometrů), využívají k filtraci i k čištění kapalin a plynů. Bývají vyráběny z kovů  jako je ocel, bronz, nikl, stříbro, karbid wolframu, karbid křemíku, korozivzdorné oceli, titan atd.). Jsou relativně houževnaté, vyznačují se dobrou korozní odolností, odolností proti tepelným šokům a proti mechanickému namáhání.

 

- žárovzdorné a žáropevné materiály – používají se pro tepelné motory nebo měřicí techniku.

Do této skupiny patří

- vysokotavitelné kovy, jako wolfram (3 410°C), tantal (2 996 °C), molybden (2 610 °C), niob (2 486 °C), vanad (1 890 °C), chrom (1 875 °C), titan (1 668 °C )

- kysličníky, především Al2O3, a jejich spojení s kovy; například pro výrobu hořáků, pyrometrů a tepelně namáhaných forem se užívá slinutina složená z 30 % Al2O3 a 70 % chromu

- karbidy některých kovů (wolframu, titanu a dalších); například na lopatky spalovacích turbin se užívá slinutina TiC+Ni+Cr

- silicidy, tj. sloučeniny křemíku s některými kovy spojené s dalšími složkami; například pro výrobu tavicích kelímků a trysek raket se užívá slinutina MoSi2 + Al2O3

- boridy, tj. sloučeniny bóru s některými kovy (zirkonem, titanem, chromem, molybdenem); příkladem užití jsou hořáky tryskových a raketových motorů nebo ventilová sedla pístových spalovacích motorů.

 

- magnety – vyrábějí se z kovů nebo jejich kysličníků. Podle magnetických vlastností, které je možno ovlivnit složením, se rozdělují na materiály magneticky měkké a magneticky tvrdé.

Kovové magnety se vyrábějí ze železa nebo ze směsi železa s hliníkem, niklem, kobaltem či molybdenem. Známé jsou magnety označované Alniko, zhotovené z Fe, Al, Ni a Co. Někdy se přidávají i nekovové složky, například křemík.

Nekovové magnety se vyrábějí z kysličníků železa FeO nebo Fe2O3 jejich slučováním s kysličníky jiných kovů (zinek, mangan). Pro jejich označení se užívá názvu ferity. Nejvýznamnější jsou sloučeniny MnOFe2O3 a ZnOFe2O3. Žádný z těchto kysličníků sám není magnetický, jejich sloučenina je feromagnetická.

 

- kontakty – je u nich požadována vysoká elektrická vodivost, vysoká tepelná vodivost, tvrdost a odolnost proti erozi elektrickým obloukem. Tyto vlastnosti jsou do určité míry protichůdné a zpravidla jich není možno dosáhnout použitím jediného kovu.  Pro velká napětí, malé proudy a častá přerušení se užívá wolfram. Pro velká napětí a velké proudy se užívá wolfram s mědí nebo stříbrem. Pro nižší napětí a velké proudy se užívá stříbro s niklem nebo kysličníkem kadmia.

 

- vlákna - vedou proud při vysokých teplotách, proto se nejčastěji zhotovují z wolframu nebo molybdenu. Mají vysokou teplotu taní (wolfram 3 410°C, molybden 2 610 °C), proto se vyrábějí redukcí pevných práškových oxidů vodíkem v tuhém stavu. Vlastní spékání prášků probíhá při teplotách vyšších než 1500°C v případě molybdenu a v případě wolframu dokonce vyšších než 2500°C. Pevné polotovary jsou opakovaně tvářeny za vysokých teplot až do finálních tvarů.

 

 

 

- slinuté karbidy (WC (TiC,TaC) – Co) – jsou to velmi tvrdé kompozitní materiály, u kterých jsou  částice karbidů (WC, TiC, TaC) spojeny dohromady měkkým kobaltem. Výchozími surovinami pro jejich výrobu jsou karbidy wolframu, titanu, chromu, molybdenu, tantalu, niobu a dalších. Ke karbidovým práškům se jako pojivo přidává kobalt.

 

- keramické řezné materiály- základní složkou je umělý korund, kysličník hlinitý Al2O3. Pro zvýšení houževnatosti se přidává karbid wolframu nebo karbid molybdenu.

 

- brusné materiály - těleso kotouče je zpravidla z hliníku. Na jeho funkčním povrchu se pak nalisováním a spékáním vytváří vrstva diamantových brusných zrn s kovovým pojivem.

 

- nitridy a koridy – do této skupiny patří různé sloučeniny dusíku a sloučeniny boru, nitridy a boridy. Nejznámějším materiálem této skupiny je nitrid bóru, uváděný pod obchodním označením borazon.