PM2 Metalurgia Pulberilor&Materiale Sinterizate Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 2/83 INTRODUCERE 1.1. Noiuni i definiii Metalurgiapulberilor(engl.Powdermetalurgy,abreviatP/M)reprezintocategoriedefabricaiebazat pe urmtoarele clase de tehnologii : -producerea de pulberi, adic divizarea fin a unui solid; -realizarea de materiale sub form de: semifabricat sau produs finit folosind ca materie prim pulberile, pe baza unor tratamente termo-mecanice.Evoluiile n plan tehnologic au fcut ca termenul generic de metalurgia pulberilor s fie depit. Astfel pe lngcategoriiledematerialepecareseconcentreaznmodclasicmetalurgiapulberilor,adicn principalmetalele(feroasesauneferoase),aufostdezvoltateconsiderabilaplicaiifolosindmateriale nemetalice. Exemple remarcabile sunt materialele refractare nemetalice, compozitele, cermeii, materialele ceramicecuutilizaretehnic,materialeleintermetalice.a.,motivpentrucarereferirealametalurgie,n sensul de su primar de producere a materialelor metalice, apare deja desuet.Deasemeneanafardeproducereaiprocesareapulberilor,camaterialdivizatlanivelmacrosau microscopic,suntdincencemaifolositeparticulecudimensiunicaracteristicefoartereduse,mergnd pn la nivel nanometric.Dinacestemotiveliteraturadespecialitatedinspaiulanglo-saxonnlocuietedincencemaifrecvent termenulclasicpowdermetalurgycucelmaicuprinztordeparticulatematerials,materialeprodusedin particule. Producerea acestor materiale face de regul apel la procesarea la cald, aplicndu-se un tratament de sinterizare prin care particulele sunt unite pentru a forma un materialmasiv, de unde rezult termenul generic de materiale sinterizate, folosit mai frecvent n limba romn. Pe parcursul evoluiei sale istorice producia bazat pe solide fin divizate sub form de particule a suferit mutaiiimportante.Astfelproporiaactivitiloravndcaobiectivproducereademateriiprimei semifabricate de diverseforme a sczut n favoareafabricrii n serie mare de produse finite, sauct mai aproape de forma finit termen tehnologic consacrat n limba englez sub numele de near-net-shape. 1.1. Importanta tehnic si economic a aplicrii metalurgiei pulberilor. Extindereafolosiriitehnologiilorbazatepemetalurgiapulberilor,reflectatprincretericonstantede volumidevaloareaproduselorrealizate,aavutcaprincipalfactormotorposibilitatearealizriiunor piese de nalt calitate i n condiii economice.Aplicareatehnologiilorbazatepemetalurgiapulberilorconferavantajeimportante,dintrecarepotfi menionate: 1. Posibilitatea realizrii unor piese de complexitate ridicat, printr-un numr redus de faze sau operaiuni la dimensiuni i forme geometrice apropiate de cele finale (engl. ,,near-net-shape). 2. Limite strnse ale toleranelor n condiii favorabile economic. n acest sens preciziile realizate sunt n general superioare celor rezultate prin turnare sau deformare plastic la cald (forjare), fiind comparabile cu cele rezultate prin achiere pe maini unelte sau deformarea plastic la rece. Eficiena economic superioar altor procedee se manifest ns pentru piese de complexitate ridicat i producie de serie mare, care s justifice costurile unor scule i utilaje complexe. 3. Coeficient ridicat de utilizare a materialului n comparaie cu alte categorii de tehnologii. Aa cum se observ din figura 1, metalurgia pulberilor realizeaz cea mai bun utilizare a materialului depind cu mult achierea pe maini unelte (engl. machining), la care rezult o cantitate important de achii, nsumnd uneori mai mult de jumtate din volumul semifabricatului. De asemenea n comparaie cu turnarea sunt eliminate complet reelele de turnare i spre deosebire de deformarea plastic la rece sau la cald nu apar bavuri sau deeuri. Utilizarea materialului poate fi complet n cazul n care piesa rezult la form final (engl. net-shape), atunci cnd nu mai sunt necesare prelucrri suplimentare. Acest avantaj devine important mai ales la procesarea materialelor scumpe, de genul metalelor refractare, a aliajelor cu Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 3/83 proprieti conductoare sau magnetice speciale, a oelurilor de scule sau inoxidabile etc. Reducerea costurilor prin economie de material devine de asemenea semnificativ n cazul unor serii mari sau la producia de mas. 4. Realizarea de compozitii precise, uniforme, reproductibile. Determinarea compoziiei materialului este de regul realizat prin cntrirea i amestecarea mecanic a unor pulberi de puritate ridicat, procese tehnologice suficient de precise ca s confere siguran n realizarea compoziiei finale bine determinate i stabile. De asemenea procesarea termic se face de regul n stare solid sau predominant solid, prin transfer de substan la mic distan, fiind eliminate practic oxidrile, antrenarea de impuriti. Rezult o structur mult mai omogen chimic sau structural, fa de turnare unde diferenele de densitate sau de solubilitate ale diferitelor componente, temperaturile nalte, solidificarea neuniform, contactul cu oxigenul sau cu cptuelile refractare duc la o calitate mult mai redus a materialului.5. Posibilitatea realizrii de materiale cu compozitii i structuri speciale, a cror elaborare este dificil sau imposibil prin procedee clasice. Exemple remarcabile n acest sens sunt aa numitele pseudo-aliaje, care nu se pot realiza prin topire, componentele avnd densiti i temperaturi de topire mult diferite, precum sistemele W-Cu sau W-Cu-Ag pentru realizarea de aliaje conductoare termorezistente. De asemenea pot fi produse metale refractare ca de exemplu wolframul sau molibdenul, aliaje amorfe, carburi dure sau materiale ceramice speciale, sau se pot combina materiale cu caracter diferit, metalic i ceramic. Astfel se pot realiza compozite cu matrice metalic i ranforsant ceramic, care se elaboreaz foarte dificil i la caliti reduse prin metalurgia topiturii. Pot fi de asemenea produse materiale funcionale, ca de exemplu cele cu gradient de proprieti (proprieti diferite ale stratului superficial) sau cele cu porozitate controlat (filtre, spume metalice, amortizoare etc.). 45758590950102030405060708090100%Achiere Deformare la cald Deformare la rece Turnare Metalurgia pulberilor Figura 1. Coeficientul de utilizare a materialului pentru diferite tehnologii de fabricare. 6. Procedeele folosite n MP asigur o productivitate ridicat fiind astfel recomandate pentru producia de serie mare i mas. Productivitatea ridicat este conferit de urmtoarele trsturi specifice : -Utilizarea unor scule de tip matri, mai ales n operaiunile de formare a agregatelor de pulberi, cum ar fi compactizarea sau injecia; -Dezvoltarea unor utilaje speciale de nalt productivitate, precum presele cu caden ridicat destinate compactizrii sau cuptoarele de tip tunel pentru tratamentul de sinterizare; Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 4/83 -Avnd n vedere productivitatea ridicat a operaiunilor tehnologice folosite mai frecvent, exist posibilitatea realizrii unor linii tehnologice cu utilaje n flux, care s evite stagnarea semifabricatelor i s elimine locurile nguste (engl. bottle-necks) din producie; -Caracteristice operaiunilor tehnologice, care presupun aplicarea pe durate relativ scurte a unor presiuni sau temperaturi ridicate, precum i caracterul repetitiv, faciliteaz aplicarea mecanizrii, automatizrii sau robotizrii, reducnd implicit costurile cu manopera; 293641477401020304050607080MJ/kgMetalurgiapulberilorTurnare Deformare la rece Deformare la cald Achiere Figura 2. Consumul specific de energie pentru diferite tehnologii. 7. Posibilitatea realizrii de semifabricate i piese finite n firme cu producie general, fr specializare pe metalurgia pulberilor, prin folosirea unor utilaje universale, de exemplu: prese mecanice sau hidraulice, cuptoare de tratamente termice n vacum sau cu atmosfer controlat, amestectoare, mori etc. 8. Consum energetic sczut pentru unitatea de produs, comparativ cu principalele categorii de tehnologii. Analiza datelor prezentate n figura 2 permite formularea urmtoarelor concluzii: -Energia consumat pentru fiecare kilogram de material procesat prin metalurgia pulberilor este mai puin de jumtate din cea necesar achierii cu maini unelte, la care energia mecanic necesar ndeprtrii de achii este considerabil;-Consumul mai redus de energie mecanic este i explicaia pentru un bilan mai favorabil dect la deformarea la rece, unde sunt necesare presiuni mecanice ridicate, care s depeasc limita de curgere a materialului;-Fa de deformarea la cald, temperaturile de procesare sunt comparabile, dar energia mecanic folosit la compactizarea pulberilor este mult mai redus dect cea necesar de exemplu la forjare. -Procesarea termic a pulberilor se face n general n stare solid, nefiind necesar topirea, motiv pentru care temperaturile sunt mai reduse dect n cazul turnrii, la care realizarea strii lichide este practic obligatorie. nclzirea mai redus fa de topire este responsabil pentru consumuri energetice mai reduse. Din a). Acest fapt este unul dintre motivele pentru care volumul i valoarea produselor realizate prin metalurgia pulberilor are o cretere superioar celorlalte tehnologii de procesare. Apariia i dezvoltarea procedeelor de fabricaie bazate pe metalurgia pulberilor s-a realizat n competiie cucelelalteprocedeeclasice,dominanteactualmentenproduciaactual:turnare,deformareplasticla cald sau la rece, achiere pe maini unelte .a. Creterea ponderii tehnologiilor bazate pe MP rezult dintr-Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 5/83 unnumrsporitdeaplicaiipentrucareacesteadevinatractive.Principalelemotivelepentrucarese recurge din ce n ce mai mult la fabricaia bazat pe pulberi sunt reprezentate n figura 3. Figura 3. Principalele motive ale utilizrii tehnologiilor MP [2]. Cele3motiveprincipalepentrucarelarealizareauneiaplicaiiserecurgelaalegereauneitehnologii bazate pe metalurgia pulberilor sunt: -Caracteruleconomic,carerezidnfaptulcseproducecuproductivitateridicat,nseriemare sau de mas, n condiii de costuri sczute i la precizii ridicate. Tipic pentru aceast situaie este producia de componente auto (roi dinate, pinioane, came, biele), piese de feronerie, componente diverse pentru aparatur medical sau de birou etc. -Caracteruldesuperioritateconferitdeutilizareametalurgieipulberilorconstdinrealizareaunui materialcustructuriproprietisuperioarecelorobinuteprinaltetehnologii.Spreexemplu compozitelecumatricedealuminiuarmatecuparticuleceramiceproduseprinmetalurgia pulberilorsecaracterizeazprintr-odistribuiemaiuniformaparticulelorceramicenmatricea metalic, fa de cazul producerii prin turnare, fapt care mbuntete ductilitatea i tenacitatea. -Caracteruldeunicitatealeuneiaplicaiiesteconferitdefaptulcprocedeulbazatpemetalurgia pulberiloresteuniccarepoatefiadoptat,alteprocedeealternativeneexistndsaufiindfoarte anevoioase.Estecazulplcuelorachietoaredincarburimetalicenglobatenmatricedecobalt, carenusepotrealizaprinalteprocedee,saualfilamentelordinmetalerefractare(wolfram, molibden, tantal). Motivulcarestlabazadezvoltriiuneiaplicaiipoatefiunicsaumultiplu.Deexempluproducerea instrumentelor medicale din oel inoxidabil se face mai economic i mai precis dect prin alte procedee, dar n acelai timp structura rezultat este superioar, fiind mai omogen i mai rezistent la coroziune, aadar aceast aplicaie beneficiaz simultan de caracterul economic i cel de superioritate .Caracter de unicitate Caracter de superioritate (microstructur i proprieti) Caracter economic Carburi de wolfram Filamente de W, Mo Filtre Compozite metalice cu particule Superaliaje Oeluriinoxidabile Piese mecanice complexe din oel slab aliat Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 6/83 Deasemeneamotivulproduceriifiltrelormetaliceprinmetalurgiapulberiloresteunicitatea,metodele alternativefiindmultmaianevoioase.nacelaitimpadoptareatehnologiilorbazatepeMPducela rezultate superioare, microstructura fiind ameliorat, aplicaia beneficiaz i de caracterul de superioritate. n afara unor certe avantaje, tehnologiile bazate de MP au unele limitri care au mpiedicat pn n prezent extinderea lor la nivelul celor clasice. Principalele dezavantaje sunt urmtoarele: -Costul ridicat al pulberilor, a cror producie n condiii de calitate ridicat i n volum mare, implic procedee complicate, consumuri energetice ridicate i materii prime scumpe; -Limite impuse formei si dimensiunii pieselor care pot fi realizate. Faptul c materiile prime folosite sunt reprezentate de pulberi, care sunt formate n cavitile nchise ale unei matrie, face ca anumite forme de piese s nu poat fi realizabile. De asemenea forele sau presiunile ridicate care trebuiesc aplicate acestor pulberi, permite doar producerea de piese n general mai mici dect n cazul altor procedee;-Costuri ridicate ale sculelor i utilajelor, care trebuie s asigure simultan presiuni mari, precizii ridicate i productivitate nalt; -Prezena n structura final a materialelor a porilor poate reduce unele proprietati mecanice sau termo-fizice.oGolurile din material fac ca seciunea portant a pieselor s fie mai mic, astfel c rezistena mecanic scade.oPorii constitue n acelai timp amorse de fisur, ridicnd probabilitatea iniierii de fisuri i implicit reducnd rezistena la oboseal.oPrezena porilor reduce de asemenea seciune efectiv prin care de deplaseaz fluxul de cldur sau cel de electroni, iar conductivitate termic sau electric scade pe msura creterii porozitii.on jurul porilor din interiorul materialelor magnetice se formeaz micro-poli magnetici, astfel nct cmpul magnetic rezultat este discontinuu i de valoare mai redus; 1.2. Istoric Tehnologiilebazatepemetalurgiapulberilorsuntcunoscutencdinantichitate,dupuniichiardin preistorie, aplicaiile metalurgiei pulberilor fiind identificate ca prelucrri tehnologice, realizate n absena topirii.Astfelincaii,egipteniisaugeto-daciirealizaubijuteriiporninddelapulberedeaurseparatdin nisipul aurifer, care era apoi supus forjrii libere (deformare la cald prin ciocnire). nepocafieruluisepracticareducereaminereuluideFe(reducereaoxizilordeFe)nclzitprininsuflare deaer,obinndu-sefiersubformdeburei,cuunvolumfoartemaredepori,acetibureifiindapoi forjai la forma dorit. nacestmodsepresupunecafostrealizatnjurulanului415coloanadeFelaKutbMinar(Delhi), avnd o greutate de aproximativ 6,5 tone. O alt ipotez presupune c aceast coloan a fost realizat, cel puin parial din fier meteoritic. Insensmoderntehnologiapulberilorapareinsec.alXIX-lea,cndodatcudezvoltareadiferitelor procedeechimiceaupututfirealizatencantitimici,diferitepulberimetalice,consolidateapoisub form masiv prin deformare plastic la cald. Anul1910amarcatrealizareauneiaplicaiidemareimportanbazatepemetalurgiapulberilor: producerea din pulberi de ctre Coolidge a filamentelor ductile de wolfram pentru becul cu incandescen aluiEdison,ceeaceapermisfabricareanmasiextindereailuminatuluielectric.Srmeleductileau permisproduciademasiformareaspiralatafilamentelor,astfelncteleaudevenitmaieficientei mai fiabile.Descoperirea n 1923 de ctre Schroeter a materialelor sinterizate pe baz de carbur de wolfram nglobate nmatricetenacedecobaltareprezentatunmomentepocalncretereaproductivitiiprelucrrilorprin achieresauprindeformareplastic.Deasemeneaacestematerialestaulabazaunoraplicaiicare presupun rezisten la uzare i stabilitate termic a proprietilor. Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 7/83 Deceniul1930-1940amarcatdezvoltareaunoraplicaiiimportantepebazdecupru,cadeexemplu contacteleelectricecupru-grafit,lagrelecufrecareredusdinbronzcugrafitsaucelecuautolubrifiere din bronz poros impregnat cu ulei. Anii 1950 reprezint momentul dezvoltrii la scar larg, industrial, a tehnologiilor bazate pe metalurgia pulberilor, acestea ctignd proporii semnificative n producerea pieselorcomplexe din aliaje structurale pe baz de fier, sau devenind chiar preponderente n unele domenii. 1.3. Principalele categorii de materiale sinterizate i domeniile prioritare de dezvoltare ale metalurgiei pulberilor Pulberile sau materialele sinterizate sunt actualmente folosite n toate domeniile produciei industriale, cu tendina de clar de a-i crete volumul de producie sau chiar a deveni preponderente n unele ramuri.Industria abrazivilor folosete ca i materie prim pulberi din materiale minerale cu duritate ridicat nglobate n liani, formnd diverse tipuri de discuri pentru polizare, tiere sau rectificare. Pulberile n suspensii lichide sunt destinate unor prelucrri avansate (lustruire, lepuire etc.). Industria automobilului a devenit un beneficiar important al materialelor sinterizate pentru piese de forme complexe, produse n serii mari sau chiar n mas. Pot fi remarcate roile dinate sau inelele de sincronizare pentru cutii de vitez, camele sau roile de curea pentru distribuie, tijele de legtur, supapele, bielele, componente pentru sistemele de siguran (centuri, contacte pentru senzori), lagre de alunecare, componentele electrice de dimensiuni mici etc.Industria aerospaial folosete pe scar larg piese supuse la temperaturi ridicate, aflate n contact cu gaze de arderele, produsele de motoarele cu reacie, realizate din materiale refractare, foarte dificil de produs sau procesat prin topire sau deformare plastic. Pot fi amintite n acest context: ecrane termice, diuze, turbine, palete etc. Industria chimic utilizeaz pe scar larg materiale cu porozitate controlat sub form de filtre,pentru separarea unor substane, catalizatori pentru facilitarea contactului dintre substane, schimbtoare de cldur pentru nclzirea sau rcirea unor fluide etc.O alt categorie de produse o reprezint coloranii i vopselele de diverse tipuri care conin n general pigmeni sub form de pulberi, aflate n suspensie n lacuri, uleiuri sau alte materiale de natur polimeric. n mod similar sunt produse o serie de cerneluri cu utilizare n tipografie sau birotic.Pulberile ceramice, metalice sau intermetalice stau la baza acoperirilor dure destinate creterii rezistenei la uzare sau reducerii coeficienilor de frecare, depuse cu ajutorul unor energii concentrate: arc electric, laser, fascicol de electroni etc. n domeniul construciilor civile se folosesc pe scar larg materiale produse din pulberi de natur ceramic nglobate n liani organici care formeaz izolaii asfaltice sau etanri.Industria electrotehnic este beneficiarul unor materiale pe baz de cupru sau argint care pstreaz n mare msur conductivitatea electric tipic acestor metale, dar permit ameliorarea rezistenei la uzare i a stabilitii termice, proprieti critice pentru funcionarea contactelor electrice cu acionare frecvent sau a conectorilor. Grafitul sau wolframul, care se caracterizeaz prin stabilitate termic a proprietilor, nu pot fi combinate prin procedee clasice de elaborare cu argintul sau cuprul, singura variant fezabil fiind pe baza unui amestec de pulberi. n industria electronic sunt folosite frecvent carcase sau radiatoare care au ca rol rcirea componentelor microelectronice prin conducie termic (engl. heat sink), ceea ce impune folosirea aliajelor de aluminiu aflate n contact intim cu componentele. Faptul c aceste aliaje metalice au o dilataie termic sensibil mai mare, poate produce distrugerea pieselor electronice prin traciune mecanic. Un remediu eficient este folosirea compozitelor cu matrice de aluminiu armate cu particule ceramice, la care dilataia termic este mult redus, conductivitatea termic rmnnd la valori ridicate. Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 8/83 Tehnologiile de tratament termic beneficiaz de utilaje complexe, avnd componente produse din pulberi. O categorie de componente o reprezint izolaiile termice, pe baz de particule ceramice i cu porozitate ridicat, cealalt categorie fiind termocuplele sau elementele de nclzire din aliaje refractare sau pe baz de metale rare, cu compoziii complexe, practic imposibil de realizat prin metalurgia topiturii. Produsele de feronerie de tipul nchiztoarelor, cheilor, prghiilor etc. beneficiaz de nalta productivitate a tehnologiilor din metalurgia pulberilor, care se manifest la producerea unor piese de form complicat, care trebuiesc s fie realizate n serii mari i condiii de precizie ridicat. n domeniul construciilor de maini principala aplicaie o reprezint sculele achietoare pe baz de carburi metalice sinterizate, a cror utilizare a devenit preponderent n raport cu oelurile rapide. Alte aplicaii interesante se refer la realizarea lagrelor din materiale antifriciune, a izolaiilor fonice, garniturilor cu proprieti antistatice sau de ecranare, pieselor complexe pentru transmisie mecanic etc. Industria prelucrtoare beneficiaz de materiale cu proprieti mecanice ridicate pentru realizarea de matrie sau scule, n general pe baz de cermei sau carburi metalice, lagre de alunecare pentru sarcini mari etc. Medicina i stomatologia modern face apel n mare msur la materiale avansate, avnd compoziii i structuri foarte complexe. Astfel de materiale stau la baza unor aliaje de tipul oelurilor inoxidabile, pe baz de titan sau molibden pentru implanturi sau endoproteze. De asemenea o serie de acoperiri destinate creterii biocompatibilitii, precum cele de hidroxiapatit folosesc tehnologii bazate pe pulberi: Instrumentarul medical folosit se bazeaz pe componente precise i de form complex, presupunnd proprieti fizico-mecanice ridicate, ceea ce recomand n multe situaii folosirea materialelor sinterizate. Asamblrile nedemontabile prin sudare sau lipire folosesc electrozi sau adaosuri de lipit a cror compoziie este realizat prin amestecarea de pulberiLubrifianii i unsorile consistente pentru etanri rezistente la uzare conin diverse adaosuri introduse sub form de particule. n metalurgie, tehnologiile bazate pe pulberi permit recuperarea metalelor, de exemplu a celor rezultate din achiere. De asemenea amestecarea mecanic a pulberilor sau adugarea lor n topitur reprezint o metod curent de aliere. Materialele magnetice avansate sunt produse prin aliere sau microaliere complex, structura fin i uniform fiind critic pentru proprietile finale a unor componente: de relee, magnei, miezuri de bobin sau transformatoare etc. n domeniul nuclear au fost dezvoltate o serie de materiale specifice, care pe lng stabilitatea la temperaturi sau presiuni ridicate prezint rezisten la radiaii ionizante, acestea avnd efect de fragilizare asupra materialelor clasice. Din aceste motive cptuelile, filtrele saureflectoarele de radiaii sunt realizate pe baza unor metale sau componente rare, a cror prelucrare este dificil prin tehnologiile clasice. Industria petrochimic beneficiaz de aportul unor materiale cu proprieti superioare de duritate i rezisten la uzare excepional, pe baz de pulberi de diamant sau alte materiale ultradure, realizate prin sinterizare sau alte procedee conexe, pentru fabricarea elemenetelor active ale sculelor de foraj. La procesarea hidrocarburilor sunt folosite pe scar larg filtre i catalizatori din categoria materialelor sinterizate cu porozitate controlat. Industria fabricrii aparaturii de birotic utilizeaz n cantiti mari componente precise, de dimensiuni mici i forme complicate (came, cuplaje, roi de curea, elemente de transmisie), care satisfac criteriul economic de producere prin metalurgia pulberilor. Pirotehnia presupune realizarea unor reacii exoterme foarte puternice ntre anumite componente folosite la fabricarea explozivilor sau detonatorilor. O condiie pentru realizarea acestor reacii este ca elementele componente s se afle n contact pe suprafee ct mai largi. Acest fapt conduce la prepararea amestecurilor Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 9/83 de pulberi, tiut fiind ca sub form fin divizat materialele au suprafee laterale mult mai mari i implicit un front de reacie mult mai mare, dect sub form masiv. 1.4. Clasificarea tehnologiilor de producere a materialelor sinterizate PULBERE (Procedeu de fabricaie) PRELUCRARE PROPRIETI Material: Microstructur, Compoziie Particule: Dimensiuni, Form Formare: Presare, Extrudare, Laminare Consolidare: Sinterizare, Forjare, Presare la cald Compoziie: Densitate, Conductivitate, Magnetism Microstructur: Rezisten mecanic, Ductilitate, Tenacitate Figura 4. Stadiile realizrii materialelor sinterizate. Realizarea materialelor sinterizate presupune parcurgerea a 3 stadii importante, reprezentate schematic n figura de mai sus: -Primul dintre stadii este concentrat pe producerea pulberilor, caracterizate prin compoziia chimic i microstructur, amndou proprieti intriseci legate de materialul de baz. Proprietile pulberilor, n special cele de natur tehnologic, sunt puternic influenate de forma i dimensiunile particulelor. Toate aceste caracteristici ale pulberilor sunt la rndul lor influenate de procedeul de producere al pulberilor.-Prelucrarea pulberilor grupeaz o serie de operaii tehnologice, avnd ca scop realizarea unei anumite aplicaii practice. De obicei operaiunile pot fi preliminare, de formare a pulberilor n semifabricate (formarea prin presare, extrudare, laminare de pulberi etc.) sau operaiuni de consolidare a materialelor prin unirea particulelor i formarea unui material masiv. -Stadiul final al realizrii unei aplicaii l reprezint valorificarea proprietilor realizate, unele dependente de compoziie i relativ independente de microstructur (densitate, magnetism, conductivitate etc.), altele n primul rnd dependente de microstructur (ductilitate, rezisten mecanic etc.).Tehnologiile bazate pe metalurgia pulberilor au cunoscut o diversificare foarte mare, mai ales pe parcursul evoluiei moderne. O prezentare sintetic a principalelor itinerarii de fabricare este redat n figura 5.Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 10/83 Un itinerariu tehnologic complet conine n mod tipic urmtoarele grupe de operaiuni: -Producerea materialelor de diverse compoziii (metal pur sau aliaj, ceramic, compus intermetalic etc.) sub form de pulbere, la anumite dimensiuni i forme ale particulelor. n scop tehnologic mai potfiadugateialtemateriale,precumlubrifianii,pentrureducereafrecrilorcusculele,sau diferiilianicaresproducgrupareamaimultorparticulesubformdegranule.Producerea pulberilorestederegulresortulunorfirmemari,specializate,caredispundeinfrastructura complex necesar divizrii solidului n cantiti mari i condiii de calitate superioar.-Dac pulberile folosite ntr-o aplicaie sunt de mai multe compoziii, ele suntamestecate mecanic (engl.mechanicalblending)laenergiimici,saupoatefirealizatuneorichiaritransformarea structural a pulberilor iniiale, dac energia mecanic de amestecare are valori mari. n acest ultim cazpulberearezultatdiferfundamentalcastructurdeceainiialivorbimdeoaliere mecanic(engl.mechanicalalloying).Opartedintreoperaiuniledepregtireapulberilorpotfi realizate i de ctre utilizator, n conformitate cu aplicaia dezvoltat. Figura 5. Clasificarea general a tehnologiilor din metalurgia pulberilor. -O grup foarte important de operaiuni o reprezintformarea pulberilor, acestea fiind grupate n agregate de pulberi avnd form apropiat celei finale a probei. Pot fi distinse dou categorii mari de procedee: cele la rece i cele la cald.oFormarealareceserealizeazlatemperaturambiantsaucelmultla100-150Ci producederegullegturislabedeadeziunentreparticule.Formarealarecesefacede regulprinpresare,frliantlamaterialecuoarecareplasticitate,iarlacelefragilecu ajutorulunuiliantpolimericdetiptermoplast.Uneoriformarealarecepoatefirealizat chiar fr presiune, printurnarea ntr-o form poroas a unei suspensii depulberi sau prin Formare Amestecare Materii prime Pulbere: Metal, aliaj, ceramic, nemetale etc. Aditivi: lubrifiani, liani etc. Amestecare, aliere mecanic, granulare Formare la cald: presare, izostatic, extrudare,sintermatriare, pulverizare, cu energii concentrate (laser, microunde) Formare la rece: compactizare, injectare n matri, izostatic, laminare, cu energii concentrate (laser) fr presiune, prin turnare Sinterizare Sinterizare vid, atmosfer controlat Prelucrari optionale Operaiuni de procesare la densitate maxim calibrare, presare, resinterizare, sintermatriare, infiltrare metalOperaiuni de finisare achiere, tratament termic, acoperiri, tratamente superficiale, impregnare cu polimer, impregnare cu ulei Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 11/83 presrarealiberapulberiipeunsubstrat. Procedeeledeformarelarecesuntactualmente celemairspndite,maialessubformacompactizriiprinpresarenmatriapulberilor sau folosindu-se injectrea n matri a granulelor de pulbere cu liant polimeric. oFormarealacaldsedesfoarlaotemperatursuficientderidicat,astfelnctntre particuleserealizeazlegturimultmaiputernice,comparabilecuceleexistenten materialelemasive.Formarealacaldpoateaveacarezultatrealizareastructuriifinalea materialului,caracterizatprintr-oproporieredusaporiloriproprietiridicate, nemaifiindnecesarealteoperaiunideconsolidare.Dezvoltareaprocedeelorcarepermit formareadirectlastarefinal,geometricistructural,reprezintdireciaprincipala cercetriipentruperfecionareatehnologiilordeproducereamaterialelorsinterizate. Complexitateaprocedeeloricosturileridicatealeutilajelorfacacesteprocedeesfie actualmente mai puin folosite, dar potenialul lor de dezvoltare este considerabil. -Formareapulberilorestengeneralurmatdeuntratamenttermicdeconsolidare,maialesdac legturilerealizatentreparticulesuntslabe.Acesttratamentpoartnumeledesinterizare(engl. sintering, fr. frittage, germ. Sintern), fiind aplicat la temperaturi inferioare celei de topire, eventual nzonamixtsolid-lichid,rezultatulfiindformareaunorlegturiiputernicentreparticule, reducereasemnificativaporiloricretereaproprietilor.Dacformareas-aproduslacald,iar particulelesuntdejabinelegate,sinterizareapoatelipsi,sauaplicareasasefacedoarpentru desvrirea consolidrii materialului. -nmodfacultativpotfiaplicateoperaiunisecundaredeomarediversitatepentruameliorarea proprietilor piesei: oDinpunctdevederemicrostructuralpotfiaplicateprocedeecaresduclaeliminarea porilor,prindeformriplasticevolumice,tratamentetermicesautermo-mecanice,precum iprininfiltrarecumetaleuorfuzibile.Atuncicndstructurarezultatlaoperaiile anterioarenuesteceamaifavorabilpotfiaplicatetratamentetermicedecliresau recoacere, n funcie de proprietile finale urmrite. oPrecizia geometric a pieselor poate fi ameliorat prin prelucrri mecanice de achiere, de reguldoarnzonelecarecerprecizieridicat,prindeformriplasticelarecelocalizate superficial numite calibrri etc.ombuntireaunorproprietisuperficialesaufuncionale,protejareaanticorozivsau obinereaunuiaspectcomercialpoatefirealizatprinimpregnriculubrifianisau polimeri, tratamente superficiale, acoperiri etc. 1.5. Caracteristicile pulberilor pentru materiale sinterizate Pulberilefolositecaimateriiprimepentruproducereamaterialelorsinterizateaunmodtradiional naturpreponderentmetalicinmsurmaimicnaturceramic.Aplicaiilemoderneapruten ultimii ani au introdus utilizarea de pulberi compozite (fiecare particul coninnd att o parte metalic, ct iunaceramic),precumipulberidenaturintermetalic.Dinpunctdevederestructural,nafarde particuleavndstructurmicroscopicsimilarceleintlnitelamaterialeleclasice,suntdincencemai folosite pulberile de dimensiuni foarte mici, denumite i particule coloidale, de ordinul zecilor sau sutelor denanometri,saupulbericaredeiaudimensiunimicrometrice,auostructurfoartefin,dindomeniul nanostructural.Aacumrezultdinfigura6dimensiunilecelemaifrecventealeparticulelorfolositepentruproducerea materialelor sinterizate se situeaz n domeniul cuprins ntre zecimi de milimetri i zecimi de nanometri. Spre deosebire de materialele masive, solidul fin divizat sub form de pulbere prezint unele caracteristici paradoxale, care l fac s aibe un comportament specific: Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 12/83 -Comportareintermediarntresolidilichid;carelfacescurg,asemntorunuilichid,darn general mai anevoios. Din aceste motive umple uor formele i faciliteaz o formare facil; -Este compresibil, asemntor gazelor, dar spre deosebire de acestea n mod ireversibil; 020040060080010001,E-10 1,E-09 1,E-08 1,E-07 1,E-06 1,E-05 1,E-04 1,E-03 1,E-02Dimensiunea particulei [m]Suprafa specific [m2/cm3]Pulberi Coloizi Molecule1 m 1 nm 1 mmMetalurgia pulberilor & Materiale sinterizate Figura 6. Variaia suprafeei specifice a particulei n funcie de dimensiune. -Dupprelucraresecomportcaiunsolidmasiv,cuproprieticorespunztoare,eventualreduse ntr-o oarecare msur de prezena porilor. -Particulele pulberilor, mai ales cele celor fine, sunt uor antrenate de curenii de aer, crend probleme legate de manevrare, protecia mediului i personalului. Comportamentulspecificestecauzatnmaremsurdeoenergiespecificdevaloaremare.Dacse presupunepentruparticuleoformsferic,suprafaaparticuleinfunciadediametruldestedatde expresia: 2d S = t (1) Volumul particulei sferice se calculeaz prin: 63dV= t(2) Suprafaa specific a particulei de form sferic poate fi calculat prin raportul dintre suprafa i volum: d ddVSs6632== =tt(3) Reprezentarea variaiei energiei specifice n funcie de dimensiunea particulei se prezint n figura 6. Aa cum se poate observa pe msura ce particula devine mai mic suprafaa sa specific crete rapid, ajungnd Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 13/83 lavaloriconsiderabilepentruparticulelefoartemici.Rezultcunmaterialoarecareareosuprafade contact cu mediul exterior din ce n ce mai mare pe msur ce este tot mai fin divizat. Aceastsuprafaaspecificmareaparticulelormici,careducelaenergiispecificemari,stlabaza comportrii diferite a pulberilor n comparaie cu materialele masive. Pulberile fine sunt mult mai instabile avndotendinaaccentuatsprestrilecuenergiemaimic,produseprinaglomerareasauunirea particulelor, atunci cnd suprafaa de contact cu mediul este mai mic. 1.6. Terminologia specific pulberilor n figura 7 sunt prezentate principalele elementede terminologie folositepentru caracterizareapulberilor n sensul de solid fin divizat. Astfel unitatea elementar a pulberii este reprezentat de particul.Particulaareomicrostructurspecificmaterialuluidebaz,careesteformatdingrunicristalini, similar materialului masiv.nanumitecondiiiparticulesepotgrupaspontannaglomerri,maialesncazulpulberilorde dimensiuni mici, produse de exemplu de umezeal, sau n mod deliberat mai multe particule pot fi unite n scop tehnologic de un liant polimeric, formnd granule de dimensiuni milimetrice. Figura 7. Terminologia de caracterizare a pulberilor. 1.7. Principalele categorii de materialele sinterizate i proprietile lor Dezvoltareaaplicaiilordematerialelorsinterizatearelabazattconsiderentecomercialelegatede costuriledeproducere,ctioseriedeproprietistructuralesaufuncionalepecareacestealeau.Aa cumrezultdinfigura8proprietileunuimaterialsinterizatsuntorezultantcomplexa3factori principali,fiecaredintreacetiafiindputernicinfluenatdeprocedeuldeproducere(procesare)a materialului:-Compoziiaunuimaterialsinterizatpoatefimultmaibinecontrolatdectlaaltecategoriide procedee,attcavalorialediferitelorelementedealiere,cticaomogenitatentoatezoneleunei piese.Pulberilediferitecareformeazmateriaprimaunuimaterialsinterizatpotficntritecu precizie i amestecate omogen. Faptul c se pot combina n proporii diferite elemente care nu pot fi aliatenmodobinuit(cuprugrafit,cupruwolframetc.)permiteproducereadematerialecu proprieti speciale, care nu se pot obine prin alte tehnologii. Pulbere Particul Aglomerat Granul Grunte Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 14/83 -Microstructura unui material sinterizat este n general superioar calitativ. n comparaie cu turnarea de exemplu, procesarea se face preponderent sau chiar exclusiv n stare solid, ceea ce evit formarea dezonecuconcentraiidiferite,segregaiiialteneomogeniti.Temperaturiledeprocesaren generalmaimicireducmultefectelenegativeprodusedeoxidaresaudecarburare,iargranulaiile materialului sunt n general mai fine.-Porozitateaesterezultatulfolosiriicamaterieprimapulberilor,fiindprezentnmajoritatea materialelorsinterizate.Efectulporilorestengeneralconsideratafinegativ,dereducerea proprietilormecanice,aconductivitiitermicesauelectrice,denrutireaproprietilor magnetice.Dinacestemotiveaufostdezvoltateprocedeederealizarealadensitiicomplete,care eliminpraticnntregimeporii,darlacosturisensibilmairidicate,fiindrezervateaplicaiilor speciale.Eliminareaporozitiiarecaefectcretereaproprietilorlanivelurisuperioarecelorale materialelorelaborateprinmetodeclasice.Porozitateapoateaduceibeneficii,fiinddezvoltato categorie de materiale cu porozitate controlat destinate producerii de filtre, catalizatori, amortizoare de zgomot, schimbtoare de cldur, structuri ultrauoare din spume metalice etc., care se produc n la calitate superioar prin metalurgia pulberilor. Figura 8. Dependena proprietilor materialelor sinterizate. Principalelecategoriidematerialesinterizatecares-auimpusafideintereslascarindustrialsunt urmtoarele: -Aliaje feroase folosite pentru diferite componente mecanice produse n serii mari, sub forma oelurilor nealiate sau slab aliate, care ofer o combinaie favorabil de proprieti mecanice ridicate i cost redus. Dintre ramurile beneficiare ale acestor materiale se numr industria componentelor auto, productorii de aparate electrocasnice sau de birotic, feronerie i n general utilizatorii de came, roi de lan sau dinate, organe de asamblare, prghii i alte elemente de transmitere a micrii etc. -Aliaje neferoase cu proprieti funcionale diverse: magnetice, optice, termice, electrice, de compatibilitate cu mediul etc. Aceste aplicaii beneficiaz de posibilitile de realizare a unor compoziii precise i variate, prin alierea complex a unor metale neferoase cu larg utilizare: cupru, aluminiu, nichel, titan, crom, argint, staniu etc. -Metale refractare cu faze inerte n dispersie pentru utilizare n aparatura electric sau de iluminare, caracterizate prin stabilitate termic i diverse proprieti funcionale. Din aceast categorie se remarc materialele pe baz de wolfram sau molibden care se produc aproape exclusiv sub form sinterizat, sub form de fire sau table subiri, tehnologiile alternative prin topire fiind practic imposibile.-Ceramici oxidice folosite mai ales ca urmare a proprietilor de izolare termic i electric, care le fac atractive pentru producerea de aparatur electric de nalt tensiune sau utilaje de procesare termic.Proprieti CompoziieMicrostructurPorozitate Procesare Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 15/83 -Cermei i carburi metalice utilizate pentru aplicaiile n care sunt critice rezistena la uzare i eroziune, asociate stabilitii termice a acestor proprieti. Astfel aceste materiale care se produc practic exclusiv din pulberi sunt cele mai folosite la realizarea de scule achietoare sau elemente active pentru utilajele de minerit sau sape de foraj n industria extractiv. Alte utilizri importante sunt reprezentate de sculele pentru construcii sau prelucrarea lemnului, poansoanele sau plcile de tiere pentru deformarea plastic a metalelor, bile de supape, piese de uzur pentru diferite maini i utilaje etc. -Compozite cu matrice metalic sunt realizate prin nglobarea unor elemente de armare ceramice n interiorul unei matrici metalice pe baz de aluminiu, magneziu, titan, cupru, nichel etc. Efectul ranforsrii cu elemente ceramice const n creterea semnificativ a proprietilor mecanice asociat unei greuti specifice reduse sau realizarea unor proprieti funcionale deosebite cum ar fi conductivitate termic ridicat, dilataie termic sczut, rezisten sporit la arc electric etc.-Materiale structurale cu rezisten la coroziune recomandate pentru piesele cu expunere ndelungat n medii corozive, de tipul oelurilor inoxidabile sau superaliajelor. n acest caz tehnologiile bazate pe metalurgia pulberilor sunt de natur s produc compoziii mai omogene i granulaii mai fine, condiie important pentru ameliorarea rezistenei la coroziune. -Materiale cu porozitate controlat, mai ales din categoria celor funcionale, folosite pentru filtre de lichide sau gaze, lagre cu autolubrifiere, amortizoare de zgomot pentru instalaiile de aer comprimat, schimbtoare de cldur pentru fluide, catalizatori etc. n ultimul timp apariia spumelor metalice, materiale cu porozitate mergng pn la 90%, au permis utilizarea lor ca materiale structurale ultrauoare, izolatori pentru sunete, structuri de amortizare a vibraiilor sau de protecie la ocuri, panouri decorative rezistente la foc etc. Materialele sinterizate s-au impus n numeroase aplicaii practice ca urmare a proprietilor diverse n care exceleaz. Principalele proprieti care au contribuit la promovarea utilizrii lor sunt urmtoarele: a) Proprietile mecanice ridicate, care caracterizeaz n general materialele structurale, utilizate pentru calitile lor portante ca i componente de maini i utilaje diverse. Aa cum s-a artat anterior materialele sinterizate au ptruns n acest domeniu n special datorit costurilor sczute n cazul produciei de serie mare. Acesta este cazul mai multor categorii de oeluri precum oelurile carbon (Fe-C), oelurile cu cupru (Fe-Cu-C), cele cu nichel (Fe-Ni-C), oelurile cu aliere complex n proporii sczute (Fe-Ni-Mo-Mn-Cr-C), oelurile de scule (Fe-Co-Cr-W-V-C) etc. Pe de alt parte sinterizatele s-au impus n aplicaii care mbin proprietile mecanice ridicate cu alte proprieti interesante cum ar fi greutatea specific sczut, rigiditatea sporit, rezistena la temperatur ridicat, rezistena la uzare. Greutatea specific sczut asociat proprietilor mecanice ridicate este util n cazul industriei aeronautice, automobilelor, materialelor sportive etc., unde componentele trebuie s fie n acelai timp rezistente i uoare. Dintre de materiale sinterizate care ndeplinesc aceste condiii pot fi evideniate: -Aluminiul i aliajele sale mai ales cele de tip Al-Sn, Al-Fe, Al-Cu-Mg, Al-Li .a. -Compozitele cu matrice metalic de aluminiu armate cu particule ceramice de SiC i Al2O3. Armarea cu particule ceramice are ca efect creterea proprietilor mecanice ale aliajului metalic. Materialele structurale cu rigiditate sporit sunt folosite ca i carcase sau supori pentru aparatur sensibil la vibraii, datorit proprietilor de amortizare. Alte utilizri posibile sunt la producerea echipamentelor sportive, mai ales a bicicletelor. Astfel armarea aliajelor de aluminiu cu particule ceramice duce la creterea important a rigiditii matricei metalice, modulul rezultant fiind practic media ponderat a modulelor de rigiditate a celor 2 componente. Dintre cele mai reprezentative clase de materiale sunt compozitele Al - SiC, Al Al2O3. Rezistena la temperatur ridicat este necesar atunci cnd anumite componente trebuie s asigure conservarea unor proprieti mecanice la temperaturi nalte i n completare s fie rezistente la oc termic, oxidare sau coroziune.Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 16/83 Aceste cerine sunt acoperite de cteva clase de materiale ceramice avansate, produse practic exclusiv din pulberi folosite la utilajele pentru procesare termic, precum tecile de termocuple, tuburile de protecie ale arztoarelor i nclzitoarelor, dispozitivele i accesoriile pentru sudare etc.: -Ceramici pe baz de nitrur de siliciu (Si3N4), sau n combinaie cu alumin, de tip sialon (Si3N4 Al2O3), sau carbur de siliciu (Si3N4 SiC); -Ceramici pe baz de alumin (Al2O3) sau n combinaie cu silica (Al2O3 SiO2), cromia (Al2O3 Cr2O3), carbur de titan (Al2O3 TiC), zirconia (Al2O3 ZrO2); magnezia (MgOAl2O3) numit i spinel Din categoria materialelor metalice folosite pentru aplicaii la sarcini mecanice i temperaturi ridicate, n condiii de solicitri variabile, realizate la caracteristici microstructurale superioare prin tehnologii din metalurgia pulberilor, pot fi amintite:-Nichel i superaliaje pe baz de nichel cu diverse elemente de aliere, precum Co, Cr, Ti, Al, Mo, Nb; -Platina (Pt); -Niobiul (Nb) sau superaliaje ale niobiului (Nb-W-Ta); -Molibdenul (Mo), aliajele de molibden (Mo-Cu), (Mo-Ti-Zr) sau compozitele de molibden (Mo-La2O3); -Wolframul (W), aliajele de wolfram (W-Re, W-Mo, W-Cu, W-Ni-Fe, W-Ni-Cu) sau compozitele de wolfram (W-La2O3); Rezistena la uzare asociat unor proprieti mecanice ridicate este necesar diverselor scule de prelucrare prin achiere sau deformare plastic, la cald sau rece. Acoperirea acestor aplicaii este asigurat n mare msur de cteva categorii de materiale sinterizate:-Carburi metalice, n special cele de wolfram (WC) sau n amestecuri complexe WC-TaC-TiC-VC, nglobate n matrice de cobalt (Co), reprezentnd actualmente cea mai important i rspndit categorie de materiale pentru achiere; -Zirconia (ZrO2) sau compui pe baz de zirconia cu alte ceramice (Al2O3, Y2O3, CaO), cu duriti apropiate diamantului i conductivitate termic foarte redus. Aceste materiale au i rol de barier termic, sub form de acoperiri, realizate prin aplicarea cu energii concentrate a unor pulberi;-Nitrur de aluminiu (AlN) sau compui AlN - Y2O3 b) BiocompatibilitateaMaterialelesinterizatepermitproducereadematerialecuoomogenitatesuperioaracompoziieii granulaiimultmaifine,ceeaceleconferproprietisuperioarencontactculichidelebiologice, comparativcuceleproduseprinmetodeclasice.Dintrematerialelesinterizatecuutilizarefrecventese remarc: -Materiale pe baz de titan, sub form de titan pur (Ti), aliaje de titan (Ti-Al-V), compui intermetalici Ti-Al (TiAl, Ti3Al) sau compozite de titan (Ti-TiC) -Materiale biocompatibile pe baz de cobalt-crom (Co-Cr-W-C sau Co-Cr-Mo) c) Rezistena la coroziune Materialele sinterizate rezistente la coroziune sunt preferate celor fabricate prin tehnologii clasice datorit fineii structurale i omogenitii compoziiei, care promoveaz o stabilitate chimic mult mai bun, tiut fiind c de regul zonele de sensibilizare la coroziune sunt cele de la limitele grunilor mari, acolo unde Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 17/83 prezena unor elemente de aliere poate fi mai redus. Dintre aliajele metalice sau intermetalice care exceleaz prin rezistena la coroziune atmosferic sau la diveri compui chimici se numr: -Oelurile inoxidabile (Fe-Cr, Fe-Cr-Ni, Fe-Cr-Ni-Mo), -Nichelul i aliajele sale (Ni-Fe, Ni-Cu, Ni-Cr-Mo) sau materialele intermetalice Ni-Al (NiAl, Ni3Al) d) Rezistena la oxidareAplicaiile care presupun expunerea la temperaturi ridicate n atmosfere poluate sau medii agresive, cum ar fiuniiagenichimicisauaburulsupranclzit,impunutilizareadematerialecurezistenlaoxidare sporit.Dintreacesteaserealizeazprinmetalurgiapulberilor,dinmotivedeunicitatetehnologicsau superioritate a proprietilor, urmtoarele categorii de materiale: -Carbura de siliciu (SiC); -Superaliajele, mai ales cele pe baz de nichel sau cobalt; e) Proprietile magnetice Toate cele 3 elemente care prezint feromagnetism, adic fierul, cobaltul i nichelul, permit producerea i prelucrarea mai facil din pulberi, astfel nct o mare parte a materialelor cu proprieti magnetice sunt din categoria celor sinterizate. Cele mai frecvente materiale magnetice sinterizate sunt cele pe baz de fier: -Fier (Fe), fier-siliciu (Fe-Si), fier-nichel (Fe-Ni), fier-fosfor (Fe-P),-Aliajeledefiercualierecomplex:fier-nichel-cobalt(Fe-Ni-Co)avnduncoeficientdedilataie termic apropiat sticlei, pulberea Sendust (Fe-Al-Si) cu permeabilitate magnetic ridicat, Alnico (Fe-Al-Ni-Co), pentru producerea de magnei permaneni puternici cu punct Curie ridicat (aprox. 800C) etc. f) Proprietile electrice Proprietile electrice ale materialelor se refer la efectul lor asupra curentului electric, putndu-se manifesta ca i conductori electrici, izolatori electrici, semiconductori sau materiale supraconductoare. n categoria conductorilor electrici sinterizai ponderea o reprezint materialele pe baz de metale cu conductivitate electric ridicat: -Cupru i aliajele de cupru (Cu-Ni, Cu-Cr), compozitele de Cu (Cu-Al2O3), pseudoaliaje pe baz de cupru (Cu-W, Cu-grafit), cupru spinodal (Cu-Ni-Sn) la care separrile la scar nanometric duc la creteri spectaculoase ale proprietilor mecanice; -Argint (Ag), aliaje de argint (AgPd-Cu), compozite de argint (Ag-CdO); Materialele izolatoare sinterizate sunt de obicei ceramice de natur oxidic: -Oxizi ai unor metale: Ytria (Y2O3, ) Silica (SiO2), Zirconia (ZrO2), Alumina (Al2O3);-Titanai (compui pe baz de TiO2 cu oxizi de Ca, Ba, Pb, Sr, Zn sau Zr) g) Proprietile optice Proprietile optice se refer la modul de transmitere sau reflectare a luminii, culoare, textur, aspect exterior etc.Din categoria materialelor sinterizate se remarc pentru calitile de culoare i aspectul exterior plcut aurul sau aliajele sale (Au-Cu-Ag). Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 18/83 Pentru reflectarea luminii prin acoperiri aplicate pe diverse substraturi se folosesc argintul sau aluminiul (oglinzi pentru corpuri de iluminat). h) Proprietile termice Avnd n vedere similaritile dintre propagarea cldurii i cea a curentului electric, o parte din materialele conductoare sau izolatoare electric se vor gsi ca i materiale cu comportare asemntoare fa de propagarea cldurii: -Materiale sinterizate conductoare de cldur sunt de natur metalic, mai frecvent pe baz de cupru: alam (Cu-Zn), bronz (Cu-Sn), bronz compozit (Cu-Sn-C, Cu-Sn-Fe-C) etc. -Materialele izolatoare termic sunt mai ales ceramice oxidice produse din pulberi: Silica (SiO2), Zirconia (ZrO2), Alumina (Al2O3), Magnezia (MgO) -Materialele sinterizate cu dilataie termic redus sunt din categoria aliajelor metalice: Invar (Fe-Ni), Kovar (Fe-Ni-Co) etc. O categorie interesant o reprezint compozitele cu matrice de aluminiu, metal cu dilataie termic important, care prin nglobarea de particule ceramice de carbur de siliciu sau alumin i reduce foarte mult dilataia. i) Transparena la radiaii: Materialele transparente la radiaii i gsesc utilizarea la aparatura de investigaie care folosete radiaii de tipul razelor X, electronilor sau neutronilor, fiind pe baz de beriliu (Be) sau aliaje de beriliu (Be-Al). Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 19/83 2.PRODUCEREA PULBERILOR Divizareafinasoliduluipentruproducereadepulberiurmeaznmultesituaiiunitinerariutehnologic demarecomplexitate,avndnvederecrealizareamaterialelorsinterizatepresupunedeobiceicondiii superioare de calitate a pulberilor, att n ceea ce privete compoziia chimic, microstructura materialului, ctilegatdeforma,dimensiuneasaudistribuiagranulometricaparticulelor.nmodobinuitmateria prim folosit pentru producerea de pulberi se ncadreaz n urmtoarele categorii: -Metale i aliaje metalice: majoritatea pulberilor produse se ncadreaz n aceast categorie, existnd omarevarietateaacestora,practictoatemetalelesaualiajelecuutilizareindustrialfiind disponibile sub aceast form. Avnd n vedere c cea mai mare partea aplicaiilor se bazeaz pe utilizareadealiajeimaipuinpemetalepure,nproducereadesinterizates-audezvoltat2 concepte diferite de realizare a compoziiei necesare: oAmestecareamecanicapulberilordinmetalepure,nproporiadorit,amesteculde pulberifiindapoiprocesatprinmetodespecifice.Tipicpentruaceastabordareestede exemplu producerea majoritii oelurilor pentru aplicaii structurale, realizarea compoziiei necesarefcndu-seprinamestecareadepulberidefier,cupru,grafitetc.Aceastsituaie prezint o serie de avantaje, existnd o mare flexibilitate n determinarea compoziiei finale aaliajului,iarpulberileauomaibunpresabilitate,fiindrecomandateoperaiunilorde formare de tipul compactizrii; oRealizarea de pulberi prealiate, elementele de aliere fiind introduse n stare topit naintea produceriipulberii,astfelnctparticulelecomponentesuntomogene,avndcompoziia finalaaliajuluidorit.Asemeneasituaiisentlnesclaproducereadecomponentedin oeluriinoxidabilesauamaterialelorporoasedinbronz,calitateamicostructurala materialului obinut fiind superioar fa de metodele clasice; -Combinaiimetal-nemetal:estecazulpulberilorncarefiecareparticulcomponentconinemai multecomponente,deexempluelementedearmareceramicentr-omatricemetalic,pentru producereadecompozite,sauparticuledincarburdewolframcucobalt(WC-Co)pentru realizarea de scule achietoare;-Compui chimici sau intermetalici: n prima situaie se afl un mare numr de materiale ceramice avansate(oxizi,nitruri,carburi,borurietc.)utilizatepentruaplicaiilatemperaturiridicatesau rezistentelauzare,precumnitruradesiliciu(Si3N4),alumina(Al2O3),carburadesiliciu(SiC), nitrura de aluminiu (AlN), zirconia (ZrO2) etc. Avnd n vedere larga diversitate de pulberi folosite, au fost dezvoltate numeroase procedee de producere, folosind diverse tipuri de energie. O clasificare sumar a metodelor de divizare a solidului n particule fine de material evideniaz urmtoarele mari categorii: -Metodebazatepefragmentaremecanic,numiteimetodemecanice,energiamecanicfiindcea folosit pentru divizarea materialelor fragile; -Fabricareaprindepunereelectrolitic,similaracoperirilorgalvanice,darlaaliparametriide proces, materialul depus fiind foarte poros, sub form de burete metalic, care este ulterior prelucrat prin alte procedee; -Producerea pe baz de reacii chimice: cuprinde o gam foarte larg de reacii chimice, aplicate de obicei unui minereu sau unei materii prime uor disponibile, produsul de reaciefiind un material divizat sau sub form poroas; Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 20/83 -Metodeprinatomizaredemetallichid:principialestevorbadetopireaunuimaterial,dupcare urmeaz formarea unor picturi fine de lichid i apoi solidificarea lor.2.1. Producerea pulberilor prin fragmentare mecanic ncazulacestormetodemateriaprimsedivizeazpnlastadiuldepulberefrschimbarea strii solide de agregare i fr schimbarea compoziiei chimice. Deidinpunctdevedereprincipialproducereaestesimpl,cele4procesefizicefundamentale care concur la fragmentarea mecanic sunt complexe, delimitarea lor fiind dificil, fiecare dintre ele putnd fi preponderente la o anumit tehnologie de fragmentare: a.Fragmentarea prin impact presupune aplicarea instantanee a unei energii mecanice care producefisuriifragmenteazastfelmaterialulnparticulededimensiunimaimici. Aplicarea solicitrii la impact se face prin diferite elemente ajuttoare, cum ar fi bilele de mcinare, ciocanele concasoarelor etc.; b.Procesul de atriiune const n reducerea dimensiunii unei particule prin aplicarea unei micri de frecare ntre particule sau ntre particul i un element de ajuttor, cum ar fi bilele folosite n morile de mcinare; c.Forfecareaseconcretizeaznrupereaprinclivajcaurmareaforfecrii(tierii) materialului.Fragmentareaprinforfecareproducepulberegrosolan,avndode utilizare mai redus la fabricarea materialelor sinterizate moderne; d.Fragmentareaprincompresiuneestecaracterizatdeaplicareaunorsarcinide compresiune la materialele suficient de fragile. Dintre metodele de fragmentare mecanic se evideniaz n practic urmtoarele: Achierea; Mcinarea, care se realizeaz n mori cu bile, de tip cilindric, vibratoare sau n atritoare; Sfrmarea n concasoare, ntre valuri sau alte procedee de fragmentare preliminar; Automcinarea n vrtejuri de suspensii n fluide, folosit cu precdere pentru obinerea de pulberi fine; 3.1.1. Producerea pulberilor prin achiere are ca rezultat o pulbere de calitate sczut, cu particulele de dimensiuni mari, neomogene ca form i compoziie. Achierea se realizeaz de regul folosind lichide de rcire-ungere, existnd posibilitatea contaminrii pulberii rezultate. Particulele au de fapt forma unor achii cu muchii tioase, motiv pentru care manevrarea lor este anevoioas i costisitoare. Mcinarea ulterioar pentru obinerea unor pulberi mai fine este dificil, materialele supuse achierii fiind ductile. Figura 9. Aspectul pulberilor de magneziu realizate prin achiere. Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 21/83 Pulberi mai fine se pot obine la oelurile pentru automate cu coninut crescut de fosfor, sulf, mangan sau plumb,careproducfragmentareaachiei,sauncazulfontelorcenuii,cndprezenafiloanelordegrafit produce de asemenea achii scurte. Dinacestemotiverefolosireadeeurilorrezultatedinprelucrrileprinachiereestepracticexclus,iar producerea de pulberi prin achiere este limitat la materiale pentru care nu exist metode alternative, cum este cazul magneziului, care este foarte uor oxidabil i poate produce chiar explozii, astfel nct este adus subformdepulbereprinpilirepemainispeciale.Aspectulunorpulberidemagneziurealizateprin aceast metod se prezint n figura 9. 3.1.2.Fabricareapulberilorprinmcinareserealizeazcelmaifrecventnmoricubile,fiind preponderente fragmentarea prin impact i ntr-o oarecare msur prin atriiune. Metodele care favorizeaz impactulsunteficientemaialeslamaterialelefragile,cumsuntferoaliajele,metaleledure,diverse prealiaje casante, ceramicele, catozii poroi rezultai prin electroliz sau la unele materiale pulverizate din topitur,caresuntnstarefragilcaurmarearciriirapide.Pentrumaterialeleductilesuntpreferate metodele de fragmentare la care atriiunea este preponderent, impactul putnd produce sudarea la rece i aglomerarea particulelor.Unele metale ductile, ca de exemplu titanul, care formeaz hidruri prin reacii reversibile, pot fi fragilizate temporarprincombinarecuhidrogen,dupfragmentarehidrogenulfiindnlturat,procedeulfiind denumit prin hidrurare-dehidrurare. Mcinareaestengeneralproductivieficient,fiindfolositlascarindustrial,darprezintiunele dezavantajelegatedeposibilitateacontaminriiprinmaterialuluidesprinsdinbileledemcinaresaude pericolulexplozieilamaterialeleuoroxidabile.Pentrueliminareaacestorpericolesefolosescbiledin materialecarenuproduccontaminripericuloase,sepracticmcinareanatmosfereinertesauseevit nclzirea excesiv prin prevederea unor sisteme de rcire. Utilajele de mcinare sunt de mai multe tipuri: a)Morile de mcinare cilindrice sunt tipurile cele mai simple i mai frecvent folosite, fiind formate dintr-o cuv cilindric rotit n jurul axului principal. Efectul de fragmentare este realizat de o cantitate bine determinat de bile, antrenate n rotaie, care produce n principal fragmentarea prin impact. Schema simplificat este prezentat n figura 10; Figura 10. Schema de mcinare n mori cilindrice cu bile. Bile Pulbere Roat conductoare Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 22/83 Principalul parametru care controleaz regimurile de mcinare al morii cilindrice cu bile este turaia n cu care este rotit cuva cilindric, fiind important raportul dintre turaia efectiv i o turaie critic nc. corespunznd situaiei n care fora centrifug produs de rotaie echilibreaz greutatea proprie a ncrcturii (materialul procesat i bilele). Distingem urmtoarele situaii: oTuraia efectiv este mult mai mic dect cea critic (n 0,6 nc): ncrctura alunec uor fa de cilindru, nefiind antrenat n rotirea cuvei, existnd practic doar atriiune (frecare), iar eficiena mcinrii este astfel foarte redus;oRotirea cuvei se face la turaii n 0,6 nc, provocnd rostogolirea bilelelor, care nu sunt ns antrenate pe pereii cilindrului. Atriiunea rmne preponderent, iar eficiena sczut, dei pulberile rezultate sunt fine; oRegimurile folosite n practic se caracterizeaz prin turaii efective n = 0,75...0,8 nc, astfel nct are loc antrenarea ncrcturii pe pereii cuvei i cderea ei liber, producnd fragmentarea prin impact. Situaia este prezentat schematic n figura 10. oLa turaii mari n nc are loc antrenarea total, ncrctura rmne lipit de pereii cilindrului datorit forei centrifuge de valori mari, astfel nct nu mai are loc fragmentarea. Rezult c turaii prea mari de mcinare nu sunt eficiente, dei aparent ele creaz energii mecanice mai mari. Calcululanaliticalturaieioptimedemcinaresaudeterminareaaltorparametriicareinflueneaz mcinarea sunt dificile, motiv pentru care n practic se folosesc diferite formule i reguli empirice: oTuraia critic a unei mori cilindrice cu diametrul D [m] se calculeaz aproximativ prin relaia: .] min / . [2 , 42rotDnc =oRaportul dintre diametrului cuvei i lungimea sa (D/L) influeneaz de asemenea comportamentului morii. Astfel pentru un raport D/L >35 este preponderent fragmentarea prin impact, crescnd frecvena ciocnirilor dintre copurile de mcinat i material. Dac D/L v2) duce la scderea presiunii statice (P1T1 T2 X/D S/S0 L/L0 t Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 73/83 Principalele faze ale sinterizrii n faz solid sunt: 1.Stadiuliniial,descurtduratcaracterizatprincreterearapidapunilordelegturntre particule; 2.Stadiul intermediar de lung durat, n care se produce finisarea porilor: a.iniial porii se grupeaz ntr-o reea comunicant de pori cilindrici; b.pe msur de porozitatea scade sub 8% din volum, porii devin nchii i iau forma sferic; 3.Stadiulfinal,caracterizatprincretereagranulaieimaterialuluiincetinireadensificrii materialului.Dacsinterizareaarelocngaz,acestarmneninteriorulporilorsfericinchii, blocnd scderea loc, astfel nct densitatea final a materialului este mai mic; Mecanismele de transport ale materialului prin difuzie sunt de 2 tipuri: -Transport de suprafa Transport n mas n cazultransportului de suprafa, deplasarea atomilor se face doar la suprafaa particulelor,astfel nct nu se modific dispunerea particulelor i nu are loc contracia materialului.Dou fenomene principale concur la producerea transportului de suprafa: Difuziasuperficialamaterialului,localizatexclusivlasuprafaaparticuleloritipic temperaturilor mai joase. Acest tip de difuzie este preponderent n cazul sinterizrii unor materiale precum fierul; Osuccesiuneevaporarecondesareamaterialuluinspaiulporilordintreparticule,carese produce mai ales la materialele cu o stabilitate mai redus, de exemplu plumbul; Transportulnmasestepredominantlatemperaturidesinterizaremairidicate,transportuldesubstan fcndu-se din miezul particulei spre zona de formare a puntiei de legtur dintre particule. Spre deosebire de transportul de suprafa, are loc o contracie la nivel macroscopic al piesei. Fenomene fizico-structurale care realizeaz transportul n mas sunt: Difuzia volumic; Difuzia la limitele de gruni cristalini; Curgerea plastic, care este caracteristic pulberilor compactizate, n fazele iniiale ale sinterizrii, atuncicndexistdensitatemarededizlocaii.Acestsituaieaparecaurmareaecruisrii materialului, produs la deformarea plastic a particulelor, de obicei la compactizare; Curgereavscoasreprezintodeplasaredesubstancaracteristicmaterialeloramorfedetipul sticlelor sau materialelor plastice. Ea se mai ntlnete n cazul sinterizrii metalelor, atunci cnd la limitele de gruni apare o faz lichid; 4.1.3. Sinterizarea amestecului de pulberi Sinterizareapulberilorprealiate,cndtoateparticulelecomponenteauaceaicompoziiechimic, reprezint n practic o situaie mai puin ntlnit, deoarece folosirea amestecului de pulberi ofer cteva avantaje importante: -Flexibilitateacompoziieimaterialuluiprodus,prinamestecareaunorcantiticorepunztoarede pulberidenaturidiferite.Unexempludesntlnitnaplicaiiestecelaloelurilorslabaliate,pentru care compoziia final se realizeaz cu precizie prin amestecarea a diferite proporii de pulberi de fier, grafit, cupru etc. -Presare mai uoar, deoarece metalale pure sunt n general mai ductile dect aliajele lor; -Densitatemaimareirezistenmecanicmaibunacompactizatelor,datoritdensitiide mpachetare mai bun a pulberilor de mrimi diferite. Acest concept este folosit i n cazul pulberilor de aceiai compoziie, dar cu dimensiuni diferite ale particulelor. -Pulberile se pot amesteca practic n orice proporii, existnd posibilitatea formrii unor structuri unice, inclusiv prin combinarea unor materiale foarte mult diferite, precum metalul i ceramica, ca n cazul compozitelor cu matrice metalic armate cu particule ceramice. Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 74/83 -O densificare mai bun i o granulaie mai fin. Aceasta poate fi realizat atunci cnd n material apar diferene de compoziie chimic, mai ales dac una dintrecomponente are efect de frnare a creterii granulaiei; SinterizareaunuiamestecdepulberidiferiteAiBpoatecunoatectevasituaiidistincte,prezentaten tabelul 3. Tabelul 3. Tipuri de sinterizare ale amestecurilor de pulberi. Schema de sinterizareTipExemple 1B+A B+AIncluziuni inerteAl - SiC 2B+A B+Dizolvarea lui B n AW - Ni 3B+A Dizolvarea lui A n BTi - Al 4B+A +InterdizolvareOeluri 5B()+A() B()+LFuziune eutecticWC - Co 6B()+A()A+BReacie solid-solidAl2O3 + TiO2 Al2TiO3 7B+G BGReacie solid-gaz3 Si + 2 N2 Si3N4 4.2Sinterizarea cu faz lichid Condiia esenial de realizare a sinterizrii cu faz lichid este ca lichidul format s umecteze faza solid. Acest fapt se produce de obicei cnd solidul e solubil n lichid.Adouacondiiederealizareasinterizriicufazalichidestecasolidulspoatdifuzanlichid. Transferul de substan este mult mai rapid dect la sinterizarea n faz solid.Variantele sinterizrii cu faz lichid sunt: -Sinterizare cu faz lichid de tip Supersolidus (Engl. Supersolidus Liquid Phase Sintering) -Sinterizare cu faz lichid temporar (Engl. Transient Liquid Phase Sintering) -Sinterizare reactiv (Engl. Reactive Sintering) -Sinterturnare (Engl. Sinter-Casting ) 4.2.1. Sinterizare cu faz lichid de tip Supersolidus Aceast variant de tratament folosete pulberi prealiate (toate particulele au aceai compoziie) i presupune obligatoriu existena unui aliaj avnd intervalul de topire ntre punctele solidus i lichidus suficient de larg. Acest tratament se aplic pulberilor ale cror particule sunt acoperite cu pelicule compacte de oxid, care astfel blocheaz difuzia atomilor, astfel nct legtura dintre particule poate fi fcut doar prin infiltrarea lichidului prin pelicula de oxid. Tratamentele de sinterizare de acest tip duc la o bun densificare. Exempledeaplicareaacestuitratamentexemplulreprezintaliajelepebazdealuminiu,nfigura54 fiind reprezentat zona optim de sinterizare a unui aliaj avnd un coninut de 4,5% cupru, sau producerea oelurilor de scule i inoxidabile. Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 75/83 4.2.2. Sinterizare cu faz lichid temporar Aceastvariantdetratamentfoloseteamestecdepulberi,unuldintrecomponenteavndotemperatur de topire sczut, sub valoarea temperaturii de sinterizare.Lichidulformatiniialestetotalsolubilnsolid,iarulterioreldispareiformeazunaliaj.naceast situaiedeaflproducereabronzurilor(Cu-Sn),cndpulbereadestaniulesteceacaresetopeteiapoi este nglobat n particulele solide de cupru, realiznd alierea. 200 300 400 500 600 700 800 900 C 12345678 % greutate Cu 660,3 548 5,65 (Al) (Al)+u L+(Al) Tsinterizare Tlichidus Tsolidus Tsolvus Figura 54. Intervalul de sinterizare cu faz lichid al unui aliaj Al 4,5% Cu. 4.2.3. Sinterizarea reactiv Sinterizareareactivfoloseteamesteculdepulberi,unuldintrecomponentetopindu-se,fiindmaiuor fuzibil, iar lichidul format reacioneaz cu solidul formnd un nou compus. Prezena fazei lichide poate fi temporar,dactemperaturacompusuluinouformatestemaimaredecttemperaturadesinterizare.n general formarea noului compus este exoterm astfel nct induce sinterizarea. Un exemplu de producere a materialelor intermetalice prin sinterizare reactiv se produce dup reacia: Al + 3Ni Ni3Al 4.2.4. Sinterturnarea Aplicareaacestuiprocedeu(engl.sintercasting)asigurodensificarecompletamaterialuluirezultat. ntr-o prim etap se realizeaz, prin sinterizare n faz solid, un schelet solid poros. Ulterior,dintr-osursexterioardelichid,sinterizatulporosesteinfiltrat.nunelevariantetehnologice este posibil o reacie ntre solid i lichidul infiltrat, aa cum se ntmpl de exemplu la infiltrarea cu siliciu lichid a pulberii de diamant compactizat. Alte exemple de producere a materialelor prin sinterturnare se ntlnete la sistemele: FeCu, CrCu, Co-Cu, SiCAl, TiC-Ni, WAg, W-Cu, CdO-Ag, WC-Cu, WC-Ag etc. Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 76/83 5.2.5. Fenomene fundamentale la sinterizarea cu faz lichid Sinterizareacufazlichidareavantajecerte,precumodensificaremaibun,uneorichiarcomplet,i durate mici de sinterizare, chiar sub 15 minute.Un dezavantaj important este posibilitatea creterii granulaiei materialului, motiv pentru care cunoaterea mecanismelor specifice prezint este de cea mai mare importan. Condiiaesenialpentrurealizareaacestuitipdesinterizareestecalichidulformatsumectezefaza solid. Acest fapt este ilustrate de numrul mare de materiale realizate n acest mod: WC-Co, W-Cu, Cu-Sn, W-Ni-Fe, Fe-P, TiC-Ni, Fe-Cu-C (sunt evideniate componentele care se topesc n timpul sinterizrii i care umecteaz componentele rmase solide). n zona de contact a topiturii cu solidul aconeaz trei tipuri de energii superficiale care se afl n echilibru (figura 55): SV = SL + LV cos n relaia de mai sus s-a notat: SV energia superficial solid-vapori SL energia superficial solid-lichid LV energia superficial lichid-vapori - unghiul de contact lichid-solid (a) Lichidul umecteaz solidul. (b) Lichidul nu umecteaz solidul. Figura 55. Nivelul de umectare al solidului de ctre topitur. Din acest punctul de vedere al unghiului de contact dintre solid i lichid, care determin de fapt dac exist umectare, sunt posibile 2 situaii: LV SV SL LV - SV + SL < 0 LV SV SL LV - SV + SL > 0 Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 77/83 90 n situaia cnd lichidul nu umecteaz solidul; Un asemenea caz se nregistreaz mai ales la valorimarialeSL,situaiecareseregsete,deexemplu,lacontactuldintreunmaterialsolidde tip ceramic i o topitur metalic.Valoareaunghiuluiesteinfluenatdeomulimedefactori,faptcareexprimcaracterulcomplex realizrii tehnologiei de sinterizare cu faz lichid. Etapele sinterizrii cu faz lichid sunt urmtoarele (figura 56): (a)(b) (c)(d) Figura 56. Etapele sinterizrii cu faz lichid. Compactizatul este realizat din amestec de pulberi, coninnd mai multe componente cu temperaturi de topire diferite; nprimetapcomponentulintroduscaiaditiv,fiindmaifuzibil,setopeteiumecteaz componentului de baz, care se afl n stare solid; Are loc dizolvarea fazei solide n lichidul format, pn la saturarea acestui lichid; Figura 57. Reprezentarea schematic a dizolvrii i precipitrii din soluie. Faza lichid devine mijloc de transport pentru faza solid: grunii mici se dizolv n lichid, iar din lichid se precipit material pe grunii mari. Dizolvarea grunilor mici i precipitarea din soluie a Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 78/83 materialuluidizolvatpegruniimaripoartnumeledematurizareOstwald(engl.Ostwald ripening),denumirecareexprimfenomenulprincare,atuncicndparticulelededimensiuni diferite se afl dispersate ntr-un lichid, transportul de material se petrece de la grunii mici la cei mari, datorit diferenei de solubilitate dintre gruni mari i cei mici (figura 57); Creterea grunilor mari, care se unesc ntre ei prin puntie, duce la formarea unui schelet solid. 4.3Tehnologia sinterizrii Caracterulspecialaltratamentuluidesinterizarepresupunecontrolulstrictalinteraciuniicumediul ambiant, motiv pentru care o atenie special este acordat atmosferelor de sinterizare. Rolul acestora este multiplu: Protecia mpotriva oxidrii sau contaminrii; ndeprtare lubrifianilor sau lianilor; Reducerea oxizilor; Controlul compoziiei materialelor produse (de exemplu coninutul n carbon). ntre materialele sinterizate i mediul de tratament sunt posibile diverse reacii: Realizarea unui aport de mas transferat din atmosfer spre material:oCarburare; oNitrurare; oOxidare. Preluarea n atmosfer a unei mase de material: oReducerea de oxizi (pn 1,5% din masa materialului sinterizat); oDecarburare. nfunciedeobiectiveletehnologiceurmrite,atmosfereledesinterizarepotaveadiversecaractere predominante, ele putnd fi: Oxidante, datorit coninutului de CO2, H2O sau O2; Neutre, pe baz de gaz inert sau vid; Reductoare, avnd coninut predominant de CO sau H2; Hidratante: pe baz H2 sau NH3; Dehidratante: Ar, vid; Nitrurante: N2, NH3; Carburante: metan (CH4), propan (C3H8); Decarburante, prin coninutul de CO2, H2O, sau O2. n privina compoziiilor de atmosfere uzuale, aerul se folosete foarte rar, doar pentru materiale rezistente la oxidare, precum ceramicele sau metalele preioase. n practica sinterizrii se folosesc 6 tipuri principale de atmosfere: Pe baz de H2;, avnd un caracter reductor pronunat, dar scumpe datorit msurilor de siguran necesare; Din amoniac disociat, un substitut mai economic pentru H2; Cu gaz inert, mai ales argon (Ar), iar pentru aplicaii speciale un gaz mai scump, heliul (He). Fa de unele materiale azotul (N2) se comport de asemenea ca un gaz inert; Vidul, o variant dincen mai folosit la scar industrial, ca urmare a progreselor din domeniul echipamentelor i aparaturii de control; Pe baz de gaz natural, varianta cea mai folosit la scar industrial. Dintre atmosferele pe baz de gaz natural se disting 2 categorii: AtmosferedetipEndo,produseprinconversiacataliticagazuluinaturalnaer,rezultndo atmosfer uor reductoare, coninnd H2, N2 i CO; Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 79/83 AtmosferedetipExotermic,produseprinardereparialagazuluinaturalnaer,rezultnd asemeneaunamestecdeH2,N2iCO,cucaracterneutru,carenuserecomandtotuila componente uor oxidabile (Cr, Ti, Zn). n afara de eficien i de caracterul lor chimic, alegerea atmosferelor este influenat i de costul acestora, o comparaie n acest sens fiind prezentat n figura 58. PRETURI RELATIVE ALE ATMOSFERELOR DE SINTERIZARE00,20,40,60,811,2Hidrogen Pe baza de azot Amoniac disociat Gaz ENDO Gaz EXOCost relativ Figura 58. Costurile relative ale atmosferelor de sinterizare. ncazulsinterizriipieselordinaliajeferoase,prezintimportanmodificareaconinutncarbonpe parcursul tratamentului, prin reglarea fenomenelor de carburare-decarburare, descrise prin ecuaia de mai jos:(Fe + C in solutie) (s)+ 3H2O (g) Fe (s) + CO(g) +H2 Avnd n vedere c majoritatea pulberilor de fier conin n masur mai mic sau mai mare oxizi, reducerea acestora reprezint un obiectiv important al tratamentului de sinterizare al oelurilor de calitate superioar. Reaciile de reducere sunt descrise de ecuaiile de mai jos: Fe2O3 (s) + 3H2 (g) 2Fe (s) + 3H2O Fe2O3 (s) + 3CO (g) 2Fe (s) + 3CO2 Dinpunctdevederepracticcaracterulreductoralatmosfereiestecontrolatprindebitulipresiunile pariale ale H2 i CO.Tratamenteledesinterizareserealizeaznarje,folosindcuptoarecucamer,similarecelor convenionale de tratament termic, iar pentru producii de serie mare n cuptoare de tip tunel. Construciaunuicuptordetiptunelesteprezentatschematicdefigura59.Diverselefazeale tratamentuluidesinterizare,precumarderealubrifiantului,sinterizareapropriu-zis,tratamentultermic, rcirea etc. sunt realizate prin zone de temperatur diferite ale cuptorului.Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 80/83 Fazele tehnologice sunt realizate de ctre piese prin parcurgerea continu a ntregului cuptor de la zona de ncrcare la cea de descrcare. Figura 59. Schema principial a unui cuptor de sinterizare de tip tunel.. 4.4Sinterizarea selectiv cu laserDezvoltateasinterizriiselectivculaser(engl.SelectiveLaserSinteringSLS)s-afcutiniialcai metod de prototipare rapid (engl. rapid prototyping), pornind de la fiiere de tip CAD, pentru realizarea unor prototipuri metalice sau ceramice cu proprieti mecanice superioare celor realizate n mod clasic din polimeri. Perfecionarea acestor tehnologii a permis creterea continu a proprietilor mecanice. Dac iniial piesele rezultateeraudestinatedoarprocedurilordeprototiparerapid,nfazadeconcepieidepregtirea fabricaiei,ulterioreleaupututfifolositeefectivcaicomponentedeutilajesauscule,stndlabaza conceptului de fabricare rapid a sculelor (engl. rapid tooling). De exemplu, actualmente pot fi produse elemente active foarte complexe pentru matriele de injecie a maselor plastice. Duratele de fabricaie prin sinterizarea selectiv cu laser sunt mult reduse, uneori la cteva ore, fa de metodele de prelucrare clasice prin achiere, iar inseriile rezultate permit cteva mii de cicluri de injecie . Principial,pulberiledenaturmetalicsauceramicesuntuniteprinlegturi,maimultsaumaipuin puternice, sub aciunea unui fascicol laser. n funcie de modul de realizare a acestei legturi, metodele de procesare pot fi directe sau indirecte. 5.4.1.Metode directe de sinterizarea selectiv cu laserMetodeledirecte,secaracterizeazprinfaptulcfascicolullaserarecaefectmbinareadirecta particulelor metalice, fr a fi folosit un liant temporar. Sinterizareadirectpoateproducembinareaparticulelornstaresolid,caurmareauneinclziri puternice, la temperaturi apropiate celei de topire, care accelereaz puternic difuzia, folosindu-se pulberi prealiate (cu un singur component).Sinterizarea pulberilor cu un singur component se poate face i prin topire local, cnd nclzirea se face laotemperaturintermediarpunctelorsolidusilichidus,daraceastsituaieiducedeobiceio granulaie grosolan a materialului.Unexempludesinterizarerapidnstaresolidlreprezintaliajeledetitan,pentruproducereaunor materiale poroase cu aplicaie biomedical (figura 60). Rezistori electrici Elemente de nclzire Intrare atmosfer Zon de ncrcare Zon de prenclzire Zon de sinterizare Zon dercire lent Zon de descrcare Ieire atmosfer Termocupl Intrare Ieire Band transportoare Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 81/83 Figura 60. Structura unui aliaj de titan realizat prin sinterizare selectiv cu laser. Metodeledirecteseapliciamestecurilordepulberi,unadintrecomponenteleamesteculuifiinduor fuzibilitopindu-secaurmareairadieriicufascicolullaser,acioneazcaunliant,iarcealalt component este greu fuzibil i reprezint elementul structural de rezisten.Parametrii procesrii sunt reglai astfel nct nclzirea amestecului de pulberi s sefac la o temperatur TSmaimaredectceadetopireacomponenteiuorfuzibileT2,darinferioarpunctuluidetopireal componentei greu fuzibile T1.Fenomenele produse la sinterizarea direct ale pulberilor cu dou componente au urmtoarea succesiune: Topirea componentului folosit ca liant, sub aciunea energiei furnizate de fascicolul laser; Umectarea de ctre liant a materialului structural, condiie indispensabil a succesului operaiunii; Infiltrarea liantului printre particulele solide; Rearanjarea particulelor de material structural; Densificarea materialului i reducerea porilor, nsoit de precipitarea unor faze i contracia piesei produse. Tabelul 4. Amestecuri de pulberi folosite la sinterizarea direct. Compoziia amestecului de pulberi Temperaturile de topire T1/T2 [C] Ni/Sn1455/232 Fe/Sn1540/232 Cu/Sn1083/232 Fe/Cu1540/1083 Ni/Cu1455/1083 Reglareaenergieitransferatedectreradiaialaserprezintomareimportanpentrucalitateafinala materialului: Valoripreamicialeenergieirealizeazdoarotopireparialaliantului,producndporozitate excesiv; Valoripreamarialeenergieipotproducesupranclziriichiartopiriparialealecomponentului mai greu fuzibil, ceea ce duce la deformaii ale piesei fabricate. Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 82/83 n tabelul 4 sunt prezentate cteva amestecuri de pulberi folosite la sinterizarea direct: Pentruconsolidareaulterioaramaterialului,suntuneoriaplicatetratamentesuplimentaredesinterizare clasice sau infiltrri cu metale topite. 5.4.2.Metode indirecte de sinterizarea selectiv cu laserMetodeledesinterizaresenumescindirecte,atuncicndparticulelesuntlegatentreelesubaciunea fascicolului laser prin intermediul unui polimer. n acest scop, fiecare particul a pulberii este n prealabil acoperit cu o pelicul subire din polimer termoplastic.Legturadefinitivntreparticuleserealizeazulterior,printr-untratamentdesinterizareclasic,dup arderea polimerului de legtur. Porozitatea ridicat a piesei rezultate este redus prin infiltrarea de metal topit. (a) (b) Figura 61. Aspectul unor piese sinterizate dup metoda indirect: (a) dup sinterizarea n cuptor;(b) dup infiltrarea cu aliaj de cupru. Succesiunea fazelor de realizare a unei sinterizri indirecte tipice este urmtoarea: nclzire prin fascicol laser a pulberii, la aproximativ 150C, pentru topirea polimerului termoplastic folosit ca i liant; Particulele metalice sunt lipite prin intermediul polimerului, rezultnd un semifabricat crud cu porozitate de pn la 45% porozitate; Tratament termic complex, n cuptor cu atmosfer controlat, avnd ca i obiective: o Arderea polimerului la aproximativ 300C; o Sinterizarea semifabricatului la temperaturi de peste 700C, care realizeaz legturi sub form de puntie ntre particulele metalice (figura 61 a); oPiesa rezultat are o porozitate ridicat, motiv pentru care este infiltrat cu aliaje pe baz de cupru la temperaturi de peste 1000C (figura 61 b); Metalurgia Pulberilor & Materiale Sinterizate 83/83 Structura final a materialului se caracterizeaz printr-o proporie de aproximativ 60% material structural, de obicei oeluri bogat aliate, restul fiind reprezentat de aliajul infiltrat. Porozitatea este eliminat, ceea ce confer proprieti mecanice ridicate. 5.4.3.Tehnologia de sinterizare selectiv cu laserSinterizarea selectiv cu laser se realizeaz pe echipamente speciale, de mare complexitate, controlate de computer. Compunerea unui asemenea utilaj este urmtoarea (figura 62): Un laser de putere care furnizeaz energia necesar procesului; Fascicolul laser este focalizat printr-un sistem optic specializat; Dupfocalizare,fascicolulestebaleiatasupraunuipatdepulbere,printr-unsistemcontrolatde computer.Informaianecesarbaleieriiestefurnizatdeunfiierdedateprodusdeunsistem CAD; Pulbereasupussinterizriiestenivelatdeunmecanismspecialdedepunere,peomascu deplasare vertical, pentru a forma o suprafa orizontal plan, asupra creia acioneaz fascicolul laser; Figura 62. Schema de principiu a unei instalaii de sinterizare selectiv cu laser. Operaiunea de expunere efectiv a pulberii la sinterizare sub influena radiaiei laser se desfoar dup urmtoarele faze: Mecanismul de depunere a pulberii realizeaz nivelarea patului de pulbere; Fascicolullaserbaleiazosuprafabinedeterminatapatuluidepulbere,iarnzoneleiradiate particulele pulberii sunt unite ntre ele, fie direct, fie indirect prin intermediul unui polimer; Masa care susine patul de pulbere este cobort cu o distan de aproximativ 100 m, iar sistemul dedepunerealpuberiidepuneunnoustrat,inclusivdeasuprazoneisinterizateanteriorde fascicolul laser; Are loc o nou baleiere a fascicolului laser, care sinterizeaz un alt strat de pulbere. Noul strat este mbinat i cu stratul anterior baleiat; Fiecarenoubaleierecreazunnoustratalpiesei,careesteastfelprodusprinnsumareaunor felii de cte 100 m.