Capitolul III
ELEMENTE DE METALURGIA PULBERILOR
3.1. Principiul fabricării materialelor şi produselor sinterizate
O metodă relativ nouă de obţinere a unor aliaje metalice cu propriet ăţi deosebite este cunoscută sub denumirea de metalurgia pulberilor. Metoda const ă în obţinerea unor semifabricate sau produse finite din pulberi metalice supuse unor presiuni şi temperaturi ridicate. Prin metalurgia pulberilor, piesele sunt obţinute f ăr ă ca metalele şi aliajele să treacă prin faza topită. La acest procedeu în prima etap ă se fabrică, prin diferite metode, pulberile metalice care după o dozare, amestecare, omogenizare sunt compactizate prin presare în matri ţe din oţel. Semifabricatele obţinute sunt supuse sinteriz ării respectiv legarea particulelor printr-un tratament specific realizat în atmosfer ă protectoare. Sinterizarea produselor presate este condus ă la temperaturi inferioare temperaturii de topire a componentului principal din amestecul de pulberi. În figura 3.1 se red ă schematic opera ţiile tehnologice de ob ţinere a pieselor prin metalurgia pulberilor. Pulbere metalică
Omogenizare
Compactare
Sinterizare
Operaţii de finisare Fig. 3.1 – Succesiunea operaţ operaţiilor tehnologice în metalurgia pulberilor 68
Metalurgia pulberilor asigur ă materialelor şi produselor sinterizate o compozi ţie precisă, uniformă şi o mare constan ţă proprietăţilor. Spre deosebire de materialele complete, proprietăţile mecanice ale materialelor sinterizate depind în afar ă de compozi ţia chimică de structura aliajului şi de porozitatea materialului sinterizat (fig. 3.2).
Fig. 3.2 – Influenţ Influenţa porozităţ porozităţii ii asupra caracteristicilor mecanice ale unui material sinterizat din pulberi de fier
Cu cât porozitatea este mai mare rezisten ţa la tracţiune, alungirea, duritatea, rezilien ţa vor fi mai mici. Pentru a diminua influenţa negativă a porozităţii se poate alege o tehnologie care să asigure o porozitate fină şi sferoidizarea porilor cum ar fi: dublă predare, presare izostofică, mărirea duratei şi temperaturii de sinterizare, aplicarea sinterizării activate etc. Materialele sinterizate asigur ă însă şi o serie de proprietăţi specifice şi anume: scăderea coeficientului de frecare şi funcţionarea silenţioasă a materialelor de antifric ţiune (datorită proprietăţii de autolubrifiere), duritate şi rezistenţă la uzare mare chiar la temperaturi 69
ridicate (la aliajele dure sinterizate), conductivitate termic ă şi rezistenţă la coroziune (la materialele de contacte electrice), propriet ăţi magnetice superioare (în cazul materialelor magnetice fabricate sin pulberi metalice) şi altele. Este posibil ă înlocuirea unor materiale scumpe şi deficitare cu altele mai ieftine şi u şor de procurat. Prin metalurgia pulberilor se pot obţine materiale şi produse care nu ar putea fi elaborate prin procedeele clasice: wolframul, pseudoaliajele W-Cu, W-Cu-Ag (pentru contactele electrice sinterizate), materialele periilor colectoare pe baz ă de cupru şi grafit (folosite la maşinile electrice). Tehnologia de fabrica ţie a produselor sinterizate este şi avantajoasă, utilajele necesare fiind universale necesitând doar înlocuirea matriţelor de presare şi calibrare. Se pretează la mecanizare, automatizare, robotizare crescând productivitatea muncii. Fa ţă de avantajele amintite pot fi enumerate însă şi
o serie de dezavantaje: pre ţul ridicat de obţinere a pulberilor metalice, limite impuse de
dimensiunea şi complexitatea formei geometrice a piesei determinate de capacitatea utilajelor şi
preţul ridicat al matriţelor, compactitatea mai mic ă şi fragilitatea mai mare a pieselor
sinterizate faţă de cele turnate sau ob ţinute prin deformare plastică. Cu toate acestea montarea pieselor sinterizate din pulberi metalice pe diferite maşini, aparate şi instalaţii poate ridica simţitor performanţele tehnice şi competitivitatea acestora.
3.2. Elaborarea pulberilor metalice
Pulberile metalice sunt particule foarte fine cu dimensiunea cuprinsă între 1 – 1,4 mm. Materialele din care sunt alcătuite pot fi: metale pure, aliaje, compu şi chimici ai metalelor (oxizi, carburi, nituri etc.) compuşi intermetalici sau nemetale (grafit, stearat de Zn etc.). În funcţie de scopul urmărit şi proprietăţile cerute, pulberile se pot folosi în starea lor ini ţială (pur ă) sau în amestecuri de diferite compozi ţii. Metodele de fabricare ale pulberilor metalice pot fi grupate în metode mecanice (de aşchiere, măcinare, când materialul de pornire se găseşte în fază solidă sau pulverizare-atomizare când materialul de pornire se g ăseşte în fază lichidă) şi fizico-chimice (reducerea metalelor din oxizi, electroliza solu ţiilor apoase sau a sărurilor topite etc.). Pulberea metalică utilizată în metalurgia pulberilor trebuie să prezinte următoarele caracteristici: -
compozi ţie chimică adecvată;
-
masă volumică, fluiditate, compresibilitate ridicată;
70
- proprietăţi bune la curgere; analiza granulometrică, forma şi aspectul particulelor; -
variaţii dimensionale minime în timpul sinterizării;
- produsul format să aibă o rezistenţă mecanică bună şi alungire mare.
3.2.1. Tehnologii utilizate pentru producerea pulberilor metalice
Pulberile metalice, fiind în general produse pure, gradul lor de puritate, m ărimea şi forma particulelor sunt determinate de metoda de fabrica ţie. Metodele numeroase folosite în practica industrial ă se clasifică astfel: a. metode mecanice (aşchierea, măcinarea, pulverizarea din faza lichid ă); b. metode fizico-chimice (reducerea
metalelor din oxizi, electroliza, descompunerea
carbonililor din metale etc.).
3.2.1.1. Metode mecanice
1. A şchierea metalelor şi aliajelor este utilizată rar ca metod ă directă pentru fabricarea
pulberilor metalice, deşi cantitatea mare de a şchii ce rezultă în urma prelucr ărilor prin aşchiere a pieselor reprezintă o sursă ieftină de materie primă pentru obţinerea pulberilor metalice (fie în stare fină, fie în stare semifină din care prin măcinare sau alte metode se obţine pulberea). Recuperarea aşchiilor rezultate în urma operaţiilor de prelucrare prin aşchiere (a celor de finisare şi superfinisare) r ămâne o problemă de viitor ce va duce la importante economii de materie primă. În momentul de fa ţă se aplică la scar ă industrială metoda fabricării pulberii de magneziu. Pulberea de magneziu fiind inflamabil ă şi prezentând pericol de explozie se ob ţine astfel: blocul de magneziu (sec ţiune 50-350 mm) este aşchiat cu viteză mică de un cilindru rotativ pe care se înf ăşoar ă în spirală o bandă „pieptene” cu din ţi fini din sârmă de otel călit. 2. M ăcinarea din diferite tipuri de mori (vibratoare
cu bile, cu vârtejuri). Morile
vibratoare cu bile au o că ptuşeală rezistentă la uzur ă (oţel manganos sau aliaje dure sinterizate), iar bilele sunt confecţionate din acelaşi material dur. Gradul de umplere al
71
tamburului de măcinare cu bile şi material de măcinat este de 40-60%. Schi ţa morii vibratoare cu bile este prezentat ă în figura 3.3. Tamburul de măcinare, sprijinit pe arcuri, nu se rote şte, ci execut ă o mişcare vibratoare cu frecvenţa de 900-3000 Hz, de mic ă amplitudine (2-10 mm) datorită maselor excentrice fixate pe arborele principal care este cuplat elastic direct cu motorul electric de antrenare. Pe lângă avantajul obţinerii unei granulaţii fine a pulberii, morile cu bile prezintă şi un randament de măcinare foarte un. Astfel de mori se folosesc pentru ob ţinerea pulberilor fine şi foarte fine de Al, grafit, materiale ceramice, carburi de W şi Ti, ferite pentru magneţi sinterizaţi şi benzi de magnetofoane etc. Un utilaj de mare productivitate şi eficienţă este moara cu vârtejuri prezentată în figura 3.4. Alimentarea acesteia se face cu material pregranulat: a şchii, ş pan, bucăţi de sârmă (Ø 1-1,5 mm, l = 3-4 mm), buc ăţi mici de tablă, pulberi grosolane. Cele dou ă elice 2 se rotesc în sensuri opuse şi imprimă granulelor o energie cinetic ă mare. Astfel granulele se ciocnesc între ele şi cu pereţii tobei 1.
Fig. 3.3. – Moară vibratoare cu bile 1 – tambur de măcinare; 2 – arbore cu excentric; 3 – bile şi pulbere; 4arcuri
Fig. 3.4 – Moara cu vârtejuri 1 – tobă metalică; 2 – elice; 3 – mişcarea granulelor pulberii; 4 – uşă pentru alimentare şi golire
72
Avantajele folosirii acestei mori: se pot măcina metale cu tenacitate ridicat ă (otel moale, Cu, Al); se obţine o pulbere funciar ă de disc cu reborduri ce are o capacitate de presare şi sinterizare foarte bune.
Ca dezavantaje putem aminti: pulberea astfel ob ţinută are o duritate ridicat ă şi un înalt grad de ecruisare; necesit ă un tratament de recoacere în atmosfer ă reductoare; consum energetic ridicat (2,5-3 kWh/kg); productivitate redus ă (10-15 kg/h) Ca urmare a celor ar ătate mai sus metoda se folose şte numai pentru fabricarea unor pulberi înalt aliate (fabricarea magneţilor în tehnica vidului şi industria electrotehnică). 3. Pulverizarea din faz ă lichid ă este
un procedeu cu productivitate foarte ridicat ă (3-
10 t/h) în care granulele au o form ă apropiată de cea sferic ă. Schiţa de principiu este prezentată în figura 3.5.
Fig. 3.5 – Pulverizarea din fază lichidă 1 – oală de transport; 2 – creuzet intermediar; 3 – duză; 4 – camera de pulverizare
Jetul de metal topit ce curge din creuzetul 2 este antrenat de aerul comprimat (5-6 atmosfere), v = 300-400 m/s sau ap ă sub presiune (100-180 daN/cm 2) din cauza 3: astfel metalul este pulverizat şi cade într-un bazin cu ap ă din camera de pulverizare. Aceast ă metodă se foloseşte pentru obţinerea pulberilor din metale pure şi aliaje, dar şi pseudoaliaje ale c ăror componente sunt mişchibile numai în stare lichidă (Cu-Pb, Cu-Fe, AgPb etc.) Pulberea rezultată este oxidat ă la suprafaţă datorită mediului de r ăcire (oxigenul din aer). Cele mai importante cantit ăţi de pulbere se ob ţin din fier, oţeluri slab şi înalt aliate, oţeluri inoxidabile şi superaliaje. 73
Ca variante ale acestei metode se pot aminti: pulverizarea centrifugală, pulverizarea cu jeturi multiple de apă.
3.2.1.2. Metode fizico-chimice
Aceste metode permit obţinerea unor pulberi cu puritate ridicat ă cu fineţe reglabilă de obicei fine (0,1-10 mm), formă determinată şi aptitudine bună de presare. În practica industrială se utilizează următoarele metode: a. Reducerea oxizilor este metoda cea mai r ăspândită la fabricarea pulberilor de fier şi
majoritatea pulberilor de Ni, Cu, Co, W, Mo. Reducerea are loc la temperaturi ridicate în general cu hidrogen, obţinându-se granule cu structur ă spongioasă şi proprietăţi de presare foarte bune. b. Metoda electrochimică se bazeaz ă pe depunerea metalului sau aliajului la catod sub
formă de pulbere ca urmare a trecerii unui curent electric continuu prin solu ţiile apoase ale unor săruri metalice sau ale unor topituri la temperaturi ridicate. Prin alegerea unor parametrii optimi la electroliză (compoziţia electrolitului, temperatura acestuia, densitatea de curent, starea de agitare a electrolitului, vibrarea electrozilor), propriet ăţile pulberilor electrolitice pot fi influenţate în direcţia dorită. Acest procedeu permite ob ţinerea pulberilor de Cu, Sn, Fe, Ag, Nb, Ti, Zr, dar şi pulberi de aliaje (Fe-Ni, Fe-Mo, Fe-Cr, Fe-Ni-Mo) sau combina ţii chimice (boruri, siliciuri). c. Metoda
carbonil deşi este metodă costisitoare asigur ă obţinerea unor pulberi de
calitate necesare în industria electronic ă, nuclear ă, tehnica vidului, unde se cer produse de mare puritate. Metoda const ă în descompunerea carbonililor metalici şi condensarea vaporilor metalici rezultaţi după reacţiile: Fe(CO)5 – Fe + 5CO Ni(CO)5 – Ni + 5CO Oxidul de carbon rezultat este refolosit la sinteza carbonililor metalici în reactoare la temperaturi şi presiuni ridicate. Pe germenii de cristalizare ap ăruţi din faza gazoas ă se depun straturi succesive concentrice formându-se granule sferice cu diametrul 1-10 mm şi structura stratificată. Pulberea obţinută trebuie supusă unui tratament de recoacere în atmosfer ă de hidrogen, reducătoare şi decarburantă, la 500-650°C. În acest fel se ob ţine şi o scădere a durităţii pulberii uşurând operaţia de presare ulterioar ă. Prin această metodă se fabrică pulberi de Fe, Ni, Co, Cr, Mo, W dar şi pulberi aliate Fe-Co, Fe-Mo, Fe-Ni, Ni-Co şi altele. 74
d.
Obţinerea pulberilor din prealiaje are loc prin măcinarea unor prealiaje casante,
pulverizarea unor aliaje topite cu compoziţii corespunzătoare, reducerea unor amestecuri de oxizi ale metalelor cerute, electroliza amestecurilor de s ăruri dizolvate în apă sau a celor topite la temperaturi ridicate şi pron coroziunea intercristalină a unor deşeuri de aliaje (oţeluri inoxidabile şi oţeluri Cr-Ni). Un exemplu de folosire a pulberilor prealiate îl constituie lagărele autolubrifiante de bronz şi grafit.
3.3. Proprietăţile pulberilor metalice. Metode de determinare
Pentru a asigura calitatea produselor ob ţinute din pulberi metalice se pune problema cunoaşterii şi determinării proprietăţilor fizice, chimice şi tehnologice ale acestora. a. Propriet ăţ i fizice
-
Forma granulelor depinde de metoda de fabrica ţie a pulberii şi poate fi: sferică, ovoidală, poliedrică, lamelar ă, acicular ă, dendritică etc. Determinarea formei granulelor se poate face cu lupa sau microscopul;
-
Structura internă a granulelor poate fi compact ă, poroasă, spongioasă şi se apreciază la microscop, înglobând granulele într-o mas ă plastică şi pregătindu-le sub formă de probe metalografice;
-
Calitatea granulelor se refer ă la aspectul suprafeţei care poate fi neted ă, rugoasă, cu cr ă pături, pori, capilare etc. Suprafaţa specifică a pulberii se exprimă în cm2/g şi este cu atât mai mare cu cât pulberea este mai fin ă şi particulele au o suprafa ţă mai rugoasă şi structur ă internă mai poroasă;
-
Mărimea granulelor şi distribuţia granulometrică. La majoritatea pulberilor mărimea particulelor se extinde într-un domeniu dimensional mai larg care se împarte în mai multe clase granulometrice precis definite. Distribu ţia granulometrică se poate exprima sub formă tabelar ă sau sub formă de grafice (fig. 3.6). Determinarea repartiţiei granulometrice se face prin analiza de cernere folosind un set de site standardizate a şezate pe un vibrator electromagnetic.
-
Densitatea materialului pulberii (ρm) reprezintă raportul dintre masa unei probe de pulbere şi volumul efectiv, excluzând volumul porilor dintre granule şi cel din interiorul granulelor. Determinarea experimentală a densităţii reale a pulberilor se poate face cu picnometrul;
75
Fig. 3.6 – Repartiţia granulometrică a două pulberi metalice
b. Propriet ăţ i chimice
-
Compoziţia chimică este dată de cantitatea procentual ă a componentelor dintr-un aliaj sau amestec de pulberi a elementelor înso ţitoare şi a impurităţilor. În special determinarea conţinutului de oxigen;
-
Rezistenţa la coroziune şi oxidare prezintă o mare importanţă practică. În cazul pulberilor de metale sensibile la oxidare este necesar ă aplicarea unui tratament de pasivizare înaintea livr ării pulberii. De asemenea trebuie stabilite condi ţii speciale de depozitare ale materialelor pulverulente cu structura spongioas ă cu tendinţă de a absorbi vapori de apă şi de diferite gaze.
c. Propriet ăţ i tehnologice
-
Densitatea aparentă la umplere (ρu) se calculează f ăcând raportul dintre masa pulberii dintr-un recipient exprimată în grame şi volumul cunoscut al recipientului (cm3);
-
Compactitatea de umplere C u [%] arată cât din volumul ocupat aparent de o pulbere este efectiv umplut cu materialul pulberii. Se calculează: C u
-
=
ρ u
100
[%]
ρ m
Porozitatea de umplere P u = 100 – Cu [%];
76
-
Densitatea de tasare r t [g/cm3] este densitatea aparent ă a pulberii după o scuturare intensă într-un recipient. Ca şi în cazul densităţii de umplere, după tasare se poate calcula compactitatea de tasare C t [%] şi porozitatea de tasare P t [%]. Rezultă deci că această compactitate mică obţinută la vărsarea liber ă a pulberii metalice va trebui mărită ulterior printr-o serie de operaţii: scuturare, vibrare, presare, sinterizare, calibrare prin care produsele sinterizate finite s ă ajungă la o compactitate mai mare apropiată de cea a materialului compact (cu excep ţia produselor poroase).
-
Fluiditatea reprezintă timpul [s] în care o anumit ă cantitate de pulbere (50 g) trece printr-un orificiu calibrat ai unei pâlnii standardizate. Pulberile line au fluiditate ridicată pentru a asigura umplerea rapid ă a cavităţii matriţelor de presare chiar în cazul unei forme geometrice complexe.
-
Presabilitatea (compresibilitatea) arată densitatea comprimatului obţinut prin presarea unei anumite mase de pulberi la o presiune dat ă, într-o matriţă cilindrică. Efectuând mai multe determinări la diferite presiuni de comprimare se stabile şte curba de presare a pulberii respective.
Fig. 3.7 – Diagrama de presare pentru două pulberi metalice cu presabilităţi diferite
Determinând masa [g] şi volumul [cm3] comprimatului cilindric se determină densitatea de presare ρ p [g/cm3]. Curba porneşte din punctul corespunz ător densităţii de umplere ρu şi la presiuni masive se apropie asimptotic de densitatea real ă ρm a materialului pulberii sau amestecului de pulberi pentru care compactitatea de presare C p este 100% şi porozitatea de presare P p este 0%. În practic ă se utilizează presiuni de compactizare de 3-8 tf/cm2 (zona haşurată de pe diagramă). -
Coeficientul de umplere U este necesar la proiectarea şi reglarea matriţelor de presare pentru a asigura introducerea în cavitatea matriţei a cantităţii de pulbere exact necesar ă realizării unei piese cu greutatea şi dimensiunile cerute. 77
-
Stabilitatea formei semifabricatului după compactizare va caracteriza de fapt rezistenţa mecanică a acestuia, care va permite manipularea semifabricatelor de la prese până la intrarea în cuptoarele de sinterizare. Aceast ă proprietate se exprimă prin rezistenţa muchiilor care va fi propor ţională cu presiunea de compactizare. Rezisten ţa muchiilor M se determină prin introducerea în tamburul unui aparat a 5 pastile cilindrice standardizate, care supuse unor rotiri şi căderi un anumit timp vor pierde o anumită cantitate de pulbere ce se va desprinde de pe muchii. M ăsurând masa pastilelor înainte (m1) şi după încercare (m2) se poate calcula rezistenţa muchiilor: M
=
100
100 (m1 m2 ) ⋅
−
−
m1
[%]
(3.1)
3.4. Procesul tehnologic de ob ţinere din pulberi a pieselor şi semifabricatelor
În vederea obţinerii pieselor şi semifabricatelor din pulberi sunt necesare o serie de operaţii: pregătirea pulberilor, formarea, presarea şi sinterizarea acestora.
3.4.1. Pregătirea amestecurilor de pulberi
Realizarea produsului finit cu compozi ţia chimică prescrisă necesită amestecuri de pulberi cărora li se adaug ă lianţi (r ăşini, cear ă, parafină) şi lubrifianţi (uleiuri, glicerină, alcool, acid stearic etc.) pentru u şurarea presării şi uniformizarea densităţii în interiorul semifabricatelor presate. Dozarea componentelor amestecului se realizeaz ă reţetei prescrise prin cânt ărire (metoda gravimetrică), din mai multe sortimente de pulberi metalice, eventual nemetalice, adăugându-se materialele lubrifiante care vor favoriza opera ţia ulterioar ă de formare. Omogenizarea componentelor amestecului urm ăreşte obţinerea unei repartiţii uniforme a componentelor cu ajutorul omogenizatoarelor dublu conice. Acestea sunt prevăzute cu tamburi rotitori de capacităţi cuprinse între 50-500 litri, durata omogenizării fiind 15-30 minute. Verificarea omogenizării se realizează prin metode microscopice, microchimice sau cu ajutorul izotopilor radioactivi. 78
3.4.2. Formarea pieselor şi semifabricatelor
Metodele de formare a pieselor şi semifabricatelor din pulberi se pot clasifica în metode de formare cu aplicarea şi f ăr ă aplicarea presiunii. a. Metode de formare cu aplicarea presiunii
Presarea în matriţe de oţel este cea mai utilizată metodă deoarece asigur ă precizie ridicată şi forme geometrice complexe, o calitate bun ă a suprafeţei semifabricatului, posibilitatea mecanizării şi automatizării procesului. Utilajele de presare sunt presele mecanice şi hidraulice universale, pentru obţinerea produselor diferite fiind necesar ă schimbarea matriţei de presare. Matriţele sunt foarte scumpe din cauza preciziei de execu ţie ridicate, a oţelurilor de scule înalt aliate şi tratate termic, astfel încât tehnologia metalurgiei pulberilor devine rentabilă numai la producţii de serie mare (5000 piese/an). Presarea la cald în matri ţe asigur ă de fapt unirea celor dou ă operaţii, presarea şi sinterizarea. In timpul presării materialul este încălzit până la temperatura de sinterizare astfel că presiunile de compactizare vor fi mai mici decât la presarea la rece. Este necesar ins ă ca materialul din care sunt confec ţionate matriţele să reziste la temperaturi ridicate. Se pot utiliza oţeluri refractare, iar la temperaturi mai mari, grafit sau materiale ceramice. Datorit ă dificultăţilor tehnice, acest procedeu se recomand ă doar la presarea materialelor rigide (boruri, carburi metalice, nitruri etc.). În figura 3.8 se redă schematic procesul de presare simpl ă a pulberilor metalice în matriţă.
Fig. 3.8 – Fazele presării simple a pulberilor metalice 1 – poanson superior; 2 – matriţă; 3 – poanson inferior; 4 – pulbere metalică; P s – presiune superioară; P i – presiune inferioară; 5 – piesă semipresată; 6 – piesă din pulberi metalice presată
79
Sintermatriţarea constă într-o presare obişnuită a pulberilor şi o sinterizare în scopul
obţinerii unor semifabricate cu forma apropiat ă de a piesei finite, care se supun ulterior matriţării la cald. Se realizeaz ă astfel compactităţi mari (98%), structur ă omogenă lipsită de defecte, proprietăţi mecanice ridicate în condi ţiile unei mari complexităţi a formei geometrice (roţi dinţate conice). Extrudarea pulberilor permite obţinerea unor produse cu sec ţiune uniformă, cu lungimi mari şi proprietăţi constante. În variantă clasică pulberile se amestec ă cu un liant fiind extrudate la temperatura mediului ambiant, la temperaturi ridicate nefiind nevoie de adaos. Pentru ridicarea compactităţii se poate utiliza ca material de pornire o capsul ă metalică compactizată în prealabil prin scuturare sau vibrare şi supusă extrudării la cald. Laminarea pulberilor se realizeaz ă prin dozarea şi antrenarea amestecului de pulberi între doi cilindri de laminare. Dacă aceştia sunt aşezaţi în plan orizontal, alimentarea se face prin curgere gravita ţională, iar dacă sunt aşezaţi în plan vertical va fi nevoie de pâlnii cotite sau dispozitive mecanice de alimentare. Acest procedeu asigur ă prin folosirea unor dispozitive de dozare adecvate, fabricarea tablelor bimetalice sau cu mai multe straturi. Presarea izostatică necesită o camer ă de presiune cu pereţi rezistenţi în care se introduce sub presiune un lichid şi cantitatea necesar ă de pulberi (aflat ă într-o formă flexibilă) care va fi supusă for ţelor de compactizare ce vor ac ţiona în mod uniform din toate direc ţiile. b. Metode de formare f ăr ă aplicarea presiunii
Turnarea pulberilor în formă de ipsos se utilizeaz ă pe larg în industria ceramic ă. Metoda constă în turnarea unei suspensii de pulbere metalic ă într-o formă cu pereţi poroşi care va absorbi lichidul suspensiei. Particulele de pulberi din suspensie se depun şi se compactizează pe peretele formei absorbante, viteza de depunere a fazei solide sc ăzând pe măsur ă ce grosimea stratului metalic format creşte. Semifabricatele sunt menţinute în formă 10-16 ore după care sunt scoase şi lăsate în vederea usc ării complete. Presărarea pulberilor f ăr ă tasare se aplică la obţinerea produselor de mare porozitate de tipul filtrelor. Pe o placă suport cu suprafaţa vopsită astfel încât să fie împiedicată sinterizarea semifabricatului se presar ă şi se nivelează un strat de grosime convenabil ă din amestecul de pulberi. Plăcile suport se stivuiesc fiind introduse într-un cuptor de sinterizare. Produsul ob ţinut se desprinde uşor de pe placa suport sub forma de discuri, lamele. Se pot ob ţine şi corpuri filtrante de formă conică sau tronconică prin tehnologia de umplere simplă cu pulbere a unor turme retractare. Compactizarea pulberilor prin vibrare utilizeaz ă vibraţiile cu frecvenţe sonore (2-5000 Hz), timpul de vibrare fiind scurt (10 s) pentru a evita segregarea pulberilor în funcţie de mărimea 80
şi densitatea granulelor. Amplitudinea vibraţiilor trebuie corelată cu înălţimea coloanei de pulbere
ce se vibrează deoarece creşterea peste o anumit ă valoare conduce la sc ăderea densităţii. Alte metode de formare ap ărute recent sunt: presarea cu impulsuri electromagnetice, presarea cu ultrasunete, presarea prin explozie etc. Proprietăţile mecanice şi tehnologice ale pieselor şi semifabricatelor obţinute prin presare vor depinde de compactitatea şi porozitatea acestora. În acest scop se vor determina: -
densitatea aparentă la presare, cu ajutorul balan ţei hidrostatice;
-
uniformitatea densităţii, fie microscopic prin stabilirea mărimii şi cantităţii porilor în diferite zone, fie cu ajutorul razelor X prin înnegrirea neuniform ă a imaginii piesei secţionate pe un film Roentgen;
- porozitatea totală, tot prin metoda cânt ăririi hidrostatice, f ăcându-se impregnarea corpului poros cu un lichid insolubil în ap ă (ulei, parafină); -
conductivitatea electrică care caracterizează compactizarea granulelor prin legăturile care s-au format între acestea;
-
rezistenţa la compresiune şi încovoiere;
-
duritatea semifabricatelor presate, prin metoda Brinell folosind bile cu diametrul mare (5 sau 10 mm);
-
stabilitatea formei semifabricatului după formare (rezistenţa muchiilor descrisă anterior).
3.4.3. Sinterizarea pieselor şi semifabricatelor
Sinterizarea este un proces termic realizat în atmosfer ă controlată în cursul căruia are loc consolidarea completă a pulberilor ca urmare a proceselor de sudare prin difuzie. Încălzirea pentru sinterizare se execut ă la temperaturi superioare celei de recristalizare a constituentului cel mai greu fuzibil din amestecul de pulberi. În mod curent, sinterizarea se execut ă în atmosfer ă reducătoare sau neutr ă (de hidrogen) care reduce peliculele de oxigen de la suprafaţa particulelor favorizând difuzia: MeOn + nH2 → Me + nH2O În figura 3.9, a, b, c, d, e, f , se prezint ă operaţiile de bază ale proceselor de fabrica ţie a pieselor metalice prin metodele metalurgiei pulberilor. Acestea sunt operaţii de presare şi compactare, de presinterizare, sinterizare, combinate cu procese mecanice de înc ălzire, de
81
extrudare, rectificare, tratare prin impregnare, tratare prin nanooxidare. Procesul de realizare a pieselor în formă de sârmă din wolfram thoriat (WThO2), se redă în figura 3.9, a.
Fig. 3.9, a – Procesul de fabricaţie a sistemelor de wolfram
În figura 3.9, b, se redă schema procesului de realizare a pastilelor din carburi metalice pentru scule.
Fig. 3.9, b – Procesul de realizare a pastilelor din carburi metalice
82
În figura 3.9, c, se redă schema procesului de realizare a pieselor din pulbere metalice de cupru.
Fig. 3.9, c – Proces de realizare a bucşelor autolubrifiante cupru-grafit
În figura 3.9, d , se redă schema procesului de realizare a filtrelor poroase din metal.
Fig. 3.9, d – Proces de realizare a fil trelor poroase din bronz, sârmă
În figura 3.9, e, se redă schema procesului de realizare a pieselor din pulberi de fier ordinare.
Fig. 3.9, e – Procesul de realizare a pieselor din pulberi de fier ordinare
În figura 3.9, f , se redă schema procesului de realizare a pieselor din aliaje fier-carbon şi grafit.
83
Fig. 3.9, f – Procesul de realizare a pieselor prin sinterizare din pulberi şi de aliaje feroase cu structură de rezistenţă ridicată
3.4.3.1. Transformări structurale ce au loc în timpul sinterizării
Un corp presat din pulberi metalice formează un sistem termodinamic instabil. În prima etapă a sinterizării, prin încălzire, creşte energia cinetică şi mobilitatea atomilor care încep să se deplaseze ocupând pozi ţii de echilibru mai stabile. Consolidarea particulelor în operaţia de sinterizare se realizeaz ă prin procesele de difuzie ce au loc la suprafa ţa de contact dintre particule, respectiv dintre particule şi pori. Reducerea energiei libere în vederea realizării echilibrului termodinamic se poate obţine prin mărirea suprafeţelor de contact între particulele comprimatului, diminuarea porozităţilor, recristalizarea şi creşterea gr ăunţilor. Au loc de asemenea o serie de interac ţiuni chimice având ca efect reducere peliculelor de oxizi, eliminarea produselor rezultate, descompunerea şi vaporizarea substan ţelor introduse la presare ca lubrifianţi şi liant precum şi alierea prin difuzie a componen ţilor proveniţi din pulberi diferite formându-se soluţii solide şi compuşi intermetalici. Consolidarea şi alierea ce se produc în timpul sinteriz ării pot fi explicate prin teoria punţilor (fig. 3.10). Astfel la începutul sinterizării particulele neconsolidate prezintă doar puncte de contact. La temperatura de sinterizare datorită creşterii mobilităţii atomilor, ei difuzează de la o particul ă la alta stabilind punţi de legătur ă care favorizează sudarea particulelor şi scăderea volumului porilor. Totodată la limitele particulelor are loc formarea unei noi generaţii de gr ăunţi care vor creşte 84
prin deplasarea limitelor având ca efect dispari ţia graniţelor între fostele particule de pulbere, comprimatul transformându-se într-o piesă masivă în care porii devin izola ţi.
Fig. 3.10 – Consolidarea pulberilor la sinterizarea explicată prin teoria punţilor
Durata de sinterizare poate fi micşorată şi gradul de densificare mărit prin apariţia unei faze lichide la temperatura de sinterizare. Aceast ă fază pătrunde şi umple porii comprimatului accelerând toate procesele dependente de difuzie: consolidarea particulelor, eliminarea porozit ăţii, alierea între componenţii diverselor particule. Faza lichidă poate apare în urma topirii unuia sau mai multor constituenţi din amestecul de pulberi sau poate fi infiltrată în porii comprimatului întro etapă a sinterizării când porii au caracter intercomunicant (cazul aliajelor dure de a şchiere pe baza de carburi metalice şi cobalt care poate fi introdus în stare lichid ă prin infiltrare).
3.4.3.2. Parametrii tehnologici ai sinterizării a.
Viteza de încălzire nu prezintă restricţii, în general poate fi mare deoarece piesele sunt mici;
b.
Temperatura de sinterizare se situeaz ă între 2/3-4/5 din temperatura absolut ă de topire a componentului principal din amestecul de pulberi;
85
c.
Durata sinterizării este de ½ -1 h, se stabile şte experimental în funcţie de proprietăţile dorite (structur ă, proprietăţi mecanice, porozitate etc.);
d.
Viteza de r ăcire trebuie să fie mică mai ales la sinterizarea pulberilor din materiale cu c ălibilitate mai ridicată sau a pieselor de forme complexe care ar putea duce la apariţia unor tensiuni interne;
e.
Mediile de sinterizare pot fi neutre (argon sau azot) când au fost folosite pulberi lipsite de oxizi, sau reduc ătoare (hidrogen, amoniac disociat, gaz metan ars par ţial) folosite în cazul pulberilor metalice cele mai frecvent utilizate (Fe, Cu, Al, Sn, bronz etc.). Se mai poate utiliza vidul în cazul materialelor sensibile la oxidare;
Cuptoarele utilizate pentru aplicarea sinteriz ării sunt: cuptoare tubulare cu band ă transportoare, cuptoare tunel cu role transportoare, cuptoare clopot, cuptoare cu induc ţie, cuptoare cu tub de grafit. În general sistemul de înc ălzire este electric cu rezistenţă sau cu inducţie, mai rar cu flacăr ă, iar alimentarea poate fi continuă sau discontinuă. Aceste cuptoare sunt racordate la instalaţii de preparare a mediilor protectoare sau pomp ă de vid.
3.4.4. Operaţii aplicate produselor sinterizate a.
Infiltrarea cu metale sau aliaje topite se aplic ă în cazul în care se urmăreşte creşterea compactităţii prin micşorarea porozităţii şi obţinerea unor proprietăţi mecanice superioare. Pentru infiltrarea pieselor poroase din o ţel se poate utiliza cupru pur aplicând ulterior o c ălire urmată de revenirea scheletului de o ţel carbon, sau un aliaj de cupru cu 8% Mo şi 25 Fe urmată de o durificare prin precipitare pentru aliajul de cupru. Se obţine astfel un ansamblu optim de propriet ăţi: rezistenţă la tracţiune 650 N/mm2 corelată cu proprietăţi bune de plasticitate. Infiltrarea se poate realiza prin absorbţie sau prin scufundare în b ăi de cupru topit la 1100-1200°C.
b.
Îmbinarea cu lubrifianţi lichizi se aplică pieselor sinterizate, poroase pentru a asigura autolubrifierea lagărelor sau pieselor care lucreaz ă prin frecare. Această îmbibare se realizează de obicei prin fierbere în ulei pân ă la încetarea degaj ării bulelor de aer (îmbibare în vid).
c.
Calibrarea se aplică în vederea realizării unei mai mari precizii dimensionale şi constă într-o presare în matriţe de calibrare. În timpul calibr ării este necesar să se asigure o ungere cât mai bun ă folosind lubrifianţi solizi (MoS2) sau lichizi. 86
d.
Tratamentele termice se aplică în funcţie de compoziţia şi structura iniţială a aliajului sinterizat. Apar restricţii doar la utilizarea unor medii lichide de înc ălzire la tratamentele termochimice sau a unor medii de r ăcire, în cazul pieselor cu porozitate mare.
e.
Prelucrarea prin aşchiere este mai dificilă în cazul produselor sinterizate. Se recomandă scule armate cu pl ăcuţe din aliaje dure sinterizate, prelucrare cu viteze mari (80-300 m/min) şi avansuri mici (< 0,3 mm/rot) f ăr ă a folosi lichide de aşchiere.
3.5. Materiale sinterizate şi domenii de utilizare 3.5.1. Aliaje dure sinterizate
Aceste materiale sunt fabricate din pulberi fine de carburi de wolfram şi de titan, utilizând ca liant de sinterizare cobaltul. Pulberile de materii prime se ob ţin prin: reducerea de hidrogen a bioxidului de wolfram, amestecarea pulberii de W cu grafit şi sinteza carburii de W în cuptoare electrice; reducerea cu grafit a oxidului de titan şi sinteza carburii de titan; obţinerea pulberii de cobalt prin reducerea cu hidrogen a oxidului de cobalt. Prin m ăcinare şi sortare se obţin pulberi foarte fine (< 10 mm) care dup ă dozare conform re ţelelor stabilite se omogenizează în mori cu bile în mediu umed timp îndelungat. Urmeaz ă o granulare în prezenţa unui plastifiant (soluţie de cauciuc, parafin ă), compactizarea în matri ţe şi o presinterizare la 750-1000°C în atmosfer ă protectoare de hidrogen sau amoniac disociat. Dac ă este necesar blocurile sau pl ăcuţele pot fi prelucrate prin a şchiere după care are loc sinterizarea finală la 1350-1550°C în cuptoare cu vid. Aliajul astfel ob ţinut are duritate şi rezistenţă la uzare foarte mari, care se men ţin până la temperaturi ridicate. Sculele aşchietoare armate cu plăcuţe din aliaje dure sinterizate sunt superioare celor de o ţel carbon, oţel rapid sau stelit (fig. 3.11) permit realizarea unor viteza de a şchiere mari, crescând deci productivitatea prelucr ărilor prin aşchiere. Lipirea tare a plăcuţelor sinterizate pe un suport de o ţel (scule armate cu aliaje dure) necesită precauţiuni datorită coeficientului de dilataţie termică de două ori mai redus a acestora faţă de oţel, tensiunile rezultate din diferenţa contracţiilor la r ăcire, fiind mari.
87
Fig. 3.11 – Variaţia durităţii cu temperatura a diferitelor materiale de scule aşchietoare
Din aliaje dure sinterizate mai pot fi realizate filiere pentru trefilare, matriţe, poansoane, sape de foraj. În construc ţiile de mecanică fină, coeficientul redus de dilataţie termică confer ă pe lângă rezistenţa la uzare şi constanţă dimensională, materialele sinterizate fiind utilizate la realizarea suprafeţelor de contact a instrumentelor de măsur ă, elemente de ghidare etc. Plăcuţele mineralo-ceramice sunt fabricate din pulbere de alumin ă (98,7% Al2O3, restul fiind SiO2, CaO, Fe2O3). Pulberea se calcineaz ă la 1400-1600°C, se macin ă umed până la o fineţe de 1-2 mm, se presar ă în matriţe de oţel şi se sinterizează la 1700-1800°C timp de 1 or ă. Avantajul acestor pl ăcuţe este duritatea şi rezistenţa ridicată până la 1000-1100°C, dar rezistenţa la încovoiere este mai mic ă decât a aliajelor dure, sinterizate pe baz ă de carburi. Sculele diamantate pentru condi ţii uşoare de lucru se pot fabrica prin înglobarea granulelor de diamant în lianţi organici, r ăşini sintetice, cauciuc dur. Sculele diamantate cu condiţii de exploatare (foraj de mare adâncime, scule de prelucrare a materialelor foarte dure). Ca liant metalic se pot folosi: aliaje sinterizate pe baz ă de Cu, Fe, W, Mo sau pe baz ă de carbur ă de W şi Ti cu liant de Co sau Ni.
88
3.5.2. Materialele refractare metalice sinterizate
Pentru a se putea încadra în categoria materialelor refractare este necesar ca piesele şi semifabricatele sinterizate să îndeplinească o serie de condi ţii: temperatur ă de topire, temperatur ă de recristalizare, ridicate, menţinerea unor proprietăţi mecanice ridicate chiar la temperaturi înalte, rezistenţă la oxidare la temperaturi ridicate, rezisten ţă la şocuri termice, limită de fluaj ridicată chiar la temperaturi foarte mari. În acest scop se utilizeaz ă trei categorii de materiale: a. Metale greu fuzibile (W, Mo, Ta, Nb) se ob ţin prin metalurgia pulberilor prezentând avantajul unor purit ăţi înalte iar la temperatura de lucru la elaborare s ă atingă temperatura de topire. Pulberile de wolfram şi molibden se obţin prin reducerea oxizilor de W sau de Mo cu hidrogen la temperaturi de max. 900°C. Pulberile astfel obţinute cu dimensiuni de 2-8 mm se preseaz ă şi se sinterizează în două etape, o presinterizare la 1200°C iar a doua sinterizare la temperaturi apropiate de cele de topire (3000°C pentru W şi 2200-2400°C pentru Mo) în H2. Semifabricatele sinterizate obţinute se prelucrează în continuare prin tehnologii clasice (forjare, trefilare, laminare şi ştanţare
etc.). Pentru obţinerea sârmelor de W foarte subţiri (0,009 mm) după trefilare se
aplică o dizolvare chimică sau electrochimică în instalaţii speciale. Sârmele de W se utilizează la fabricarea filamentelor lămpilor incandescente, a tuburilor fluorescente, elementelor de încălzire în cuptoare electrice, contactelor electrice din diferite aparate de măsur ă şi control şi altor produse speciale. Sârmele de Mo se utilizeaz ă la fabricarea sus ţinătorilor pentru filamentele lămpilor electrice obişnuite, elementelor de încălzire din cuptoare electrice pentru temperaturi pân ă la 1800°C, elementelor componente din tuburile electronice, tuburile cinescop ale cuptoarelor şi instalaţiilor de prelucrare cu fascicul de electroni şi a altor produse specifice tehnicii de vârf. Sârmele de Ta sunt destinate fabric ării termocuplelor pentru temperaturi înalte, elementelor componente ale aparaturii medicale, utilajelor din industria chimic ă, capsulelor pentru depozitarea izotopilor radioactivi, anozilor tuburilor electronice din staţiile de emisie radio-TV etc. În construcţia reactoarelor nucleare şi în alte domenii speciale se utilizeaz ă produse sinterizate din pulberi de U, Th, Zr sau combina ţii ale acstora. b. Materiale sinterizate refractare pe bază de carburi, boruri, nitruri, siliciuri utilizează ca liant pulberi metalice de Cr, Ni, Mo, Co etc. astfel încât în timpul
89
sinterizării se formează aliaje şi pseudoaliaje cu propriet ăţi complexe (mecanice, termice, electrice, chimice). Un exemplu îl constituie fabricarea prin metalurgia pulberilor a paletelor de turbine cu gaze. c. Materiale refractare pe bază de cermeţi (materiale metalo-ceramice). Cermeţii sunt materiale sinterizate din amestecuri de pulberi metalice şi pulberi ceramice (oxizi refractari, carburi, boruri, siliciuri) utilizând ca liant metalic pulberi de Fe, Ni, Cr, W, Mo, Nb sau prealiaje pe baz ă de Fe. Cei mai utiliza ţi cermeţi sunt pe bază de oxid de aluminiu f ăcând parte din sistemele: Al 2O3-Fe; Al2O3-Ni; Al2O3-Cr; Al2O3-Mo, Al2O3-W; Al2O3-Al (SAP – Sinter Aluminium Pulver) şi altele. Ca oxizi superrefractari mai pot fi utilizaţi: MgO, BeO; ZrO2; TiO2; Cr 2O3 dar şi compuşi de forma 3Al2O3-2SiO2 (mullit); MgO-Al2O3 (spinel); ZrSiO4 (zircon) etc. Domeniile de utilizare ale cerme ţilor sunt: -
ca materiale refractare (teci de termocuple, mufle de cuptoare, inele, tije, dopuri pentru reglarea jeturilor topiturilor metalice, piese pentru rachete şi motoarele acestora etc.);
-
ca materiale de aşchiere pentru armarea sculelor;
-
ca materiale de fricţiune;
-
elemente de încălzire ale cuptoarelor electrice pentru temperaturi ridicate;
-
straturi acoperitoare de protecţie pe alte metale (la sistemele de e şapare ale gazelor fierbinţi, palete de turbine cu regim greu etc.).
3.5.3. Materiale sinterizate poroase
a. Cuzineţii poroşi autolubrifianţi se fabrică din pulberi de fier sau de bronz. Materialele sinterizate cu bază de Fe conţin 0,5-1,5% grafit şi 3-12% Cu pur, iar cele din pulberi de bronz conţin 6% Sn, 6% Zn, 3% Pb şi 1-4% grafit. Porozitatea acestor cuzineţi este 18-30% şi pot absorbi ulei în cantitate de 1,8-3,5% din greutatea piesei. Impregnarea porilor cu ulei asigur ă caracteristici funcţionale foarte bune: coeficient de frecare mic (0,004-0,1), cu rezisten ţă bună la uzare şi tendinţă redusă la gripare, func ţionare silenţioasă şi economie de lubrifiant. Cuzineţii poroşi sinterizaţi sunt ieftini, pot lucra ani de zile f ăr ă întreţinere sau supraveghere asigurând o ungere foarte bun ă. La condiţii grele de încărcare este
90
necesar ă o ungere suplimentar ă, iar în cazul solicit ărilor termice se adaug ă un lubrifiant solid (grafit, MoS2 etc.). Dintre domeniile de utilizare se pot specifica: lagăre ale automobilelor, avioanelor, maşinilor unelte şi maşinilor agricole, maşinilor textile şi în industria alimentar ă, aparatelor de mecanic ă fină, maşinilor şi aparatelor de uz casnic.
b. Filtrele şi electrozii poroşi utilizează materiale sinterizate de porozitate fin ă şi uniformă ce variază în limite largi. În cazul filtrelor se utilizeaz ă pulberi de bronz cu granule sferice, iar pentru utiliz ări deosebite pulberi din o ţel inoxidabil, monel, nichel, wolfram, molibden. În acest fel se asigur ă o rezistenţă mecanică bună chiar la temperaturi ridicate şi rezistenţă la coroziune. Aceste filtre sunt utilizate pentru filtrarea unor lichide sau gaze, ca pl ăci repartizatoare ale paturilor fluidizate şi în transportul pneumatic, plăci opritoare de flacăr ă şi de explozii în instalaţiile de sudare cu gaze etc. Electrozii poro şi se folosesc la fabricarea bateriilor de acumulatoare şi a pilelor electrice moderne. În func ţie de natura electrolitului se folosesc diferite pulberi metalice de nichel şi argint cu granulaţia de 2-10 mm, porozitatea electrozilor metalici ajungând la 70%.
3.5.4. Materiale magnetice sinterizate
Aceste materiale prezintă proprietăţi superioare celor ce se pot realiza la materialele obţinute prin turnare şi deformare plastică. Apelând la metalurgia pulberilor se pot ob ţine diferite tipuri de materiale magnetice cu compozi ţii precise. Se utilizează pulberi de mare puritate cu granulaţie fină ceea ce conduce la ob ţinerea unei structuri fine şi omogene ce asigur ă proprietăţi mecanice şi tehnologice foarte bune. a. Materialele magnetice moi se ob ţin din pulberi fine de fier de mare puritate sau amestecuri de pulberi de Fe şi 2-4% Si; Fe cu 9-11% Si 5-6% Al sau Fe şi 45-55% Ni. Legarea acestor pulberi se realizează prin intermediul unui liant organic ceea ce asigur ă un histerezis magnetic redus şi permeabilităţi magnetice ridicate. b. Materialele magnetice dure utilizate ca materiale pentru magne ţi permanenţi fac parte din sistemele Fe-Al-Ni (Alni) şi Fe-Al-Ni-Co (Alnico). O importanţă tot mai mare o au materialele magnetice pe baz ă de cobalt şi pământuri rare (samariu) SmCo5 N şi cele obţinute din pulberi de oxizi (BaO6Fe 2O3 - baferit). În general
91
structura acestor materiale este eterogen ă alcătuită din faze magnetice fin dispersate într-o matrice nemagnetic ă. Materialul magnetic având granula ţia de ordinul monodomeniilor se amestec ă cu un liant, se compactizeaz ă în matriţe şi se sinterizează la 1300°C în H2 sau în vid timp îndelungat (20 h). Urmeaz ă o recoacere de precipitare şi un tratament termomagnetic (călire în câmp magnetic) urmat de o revenire la 600°C.
3.5.5. Materiale sinterizate pentru contacte electrice
Sunt materiale care se preteaz ă la fabricarea prin procedeele metalurgiei pulberilor deoarece prin metodele clasice, topire, turnare, nu se pot ob ţine (componentele respective nu se aliază între ele). Astfel, se pot realiza combina ţii cum ar fi: Cu-grafit, bronz-grafit, W-Cu, W-Ag, Mo-Ag, Ag-Ni, Ag-CdO etc., care presate şi sinterizate vor realiza conductivităţi electrice şi termice mari, dar şi rezistenţă la deteriorare prin coroziune sau eroziune electric ă. Există două posibilităţi de a obţine acest tip de materiale şi anume: amestecarea pulberilor în propor ţia dorită urmată de presare şi sinterizare sau sinterizarea unui semifabricat poros din componentul greu fuzibil şi impregnarea porilor acestuia cu componentul u şor fuzibil. Produsele realizate pot fi: a. Contacte electrice de rupere utilizate la deschiderea şi închiderea circuitelor electrice. În această categorie se încadreaz ă contactele W-Cu; W-Ag la care se asociază proprietăţile wolframului (densitate mare, tendinţă redusă de sudare, eroziune minimă) cu cele ale argintului sau cuprului (conductivitate termic ă şi electrică ridicată, oxidare lent ă etc.) şi contactele Ag-Ni, Ag-CdO cu sensibilitate redusă la suprasarcină favorizând stingerea rapid ă a arcului la deschiderea curentului. b. Contacte electrice glisante la care datorit ă faptului că păr ţile în contact alunecă una peste alta este nevoie de o bună rezistenţă la uzare, tendin ţă redusă de a produce scântei, coeficient mic de frecare, rezisten ţă la acţiunea arcului electric etc. Se utilizează materiale sinterizate metal-grafit ca metale putând fi utilizate Sn, Zn, Pb, Cu, iar grafitul este în propor ţie de 5,70%. De exemplu pentru periile glisante pe firul de cale a troleibuzelor se poate folosi material poros sinterizat alc ătuit din 95% pulberi de fier şi 5% grafit care se umple prin infiltrare cu sulf topit.
92
3.5.6. Aliaje sinterizate pentru construcţia de maşini
În construcţia de maşini piesele sinterizate ocup ă un loc important în special în industria de automobile (>50%), industria utilajelor electrocasnice (20%) şi maşini de birou (10%), condiţia care se pune fiind alegerea corespunz ătoare a parametrilor de fabricaţie pentru reducerea la minim a porozităţii şi crearea unor piese de rezisten ţă. În acest scop se pot folosi: a. Materiale sinterizate pe bază de fier care utilizează drept pulberi de bază o ţel aliat cu Cr, Ni şi Mo la care se adaug ă pulberi de Cu în propor ţie de 2-3%. Prezen ţa cuprului este favorabilă pentru reducerea porozit ăţii prin formarea unei faze lichide la sinterizare care va determina ob ţinerea unor structuri omogene, cre şterea rezistenţei şi a stabilităţii dimensionale. Astfel se pot realiza piese de tipul bucşelor, camelor, pârghiilor, roţilor dinţate, pistoane, segmen ţi de piston etc. Obţinerea unor proprietăţi optime în exploatare este asigurat ă prin aplicarea unor tratamente termice sau termochimice identice cu cele aplicate pieselor ob ţinute prin tehnologii clasice. b. Materiale sinterizate pe bază de cupru se utilizeaz ă la obţinerea unor benzi cu proprietăţi mecanice şi electrice superioare. Bronzul sinterizat aliat cu Zn (1-2%) sau cu Ni (8-15%) este utilizat pentru piese atât rezistente la coroziune dar şi rezistente la tracţiune atingându-se valori de 45 daN/mm 2. Alamele sinterizate (1030% Zn, restt Cu) îşi găsesc aplicaţii în mecanică fină şi industria electronică. Se mai pot realiza piese din pulberi de alpaca sau bronz, cu beriliu cu propriet ăţi ridicate şi la un preţ de cost cu 50% mai mic decât cel al pieselor ob ţinute prin tehnologii clasice. c. Materiale din aluminiu sinterizat se ob ţin prin extrudarea la cald a pulberilor de aluminiu. Datorită faptului că în timpul extrudării are loc fragmentarea reţelei de oxizi şi înglobarea lor în masa metalic ă de bază, semifabricatele obţinute sub formă de bare con ţin 7-13% oxid de aluminiu. Se mai pot realiza piese cu rezistenţă ridicată de tipul pistoanelor pentru motoare, palete de turbine sau ventilatoare, din pulberi de aluminiu aliat cu Fe, Ni, Cr, Ta, V ob ţinute prin pulverizare.
93
3.5.7. Materiale de fricţiune din pulberi metalice
Aceste materiale trebuie să asigure un coeficient de frecare ridicat, bun ă conductivitate termică, rezistenţă bună la uzare, coeficient de dilatare redus. Sunt utilizate ca garnituri la frânele şi ambreiajele moderne de mare capacitate. Aceste materiale au baza de fier, cupru sau bronz până la 35% şi componenţi nemetalici (grafit, SiO2, Al2O3, azbest etc.). În adăugarea cuprului creşte conductivitatea termică şi este favorizată lipirea prin sinterizare a amestecului pe suportul de oţel al discurilor şi lamelor. Plumbul şi grafitul îmbunătăţesc rezistenţa la uzare, micşorează tendinţa la gripare şi asigur ă o cuplare sau o frânare fin ă, f ăr ă şocuri. Componen ţii nemetalici vor mări coeficientul de frecare şi rezistenţa la uzare. Aplicarea pe suportul de oţel supus în prealabil cupl ării electrochimice se face prin presarea unor pl ăci sau inele din pulberi urmată de o sinterizare sub sarcin ă sau presărare şi presare direct pe suport, urmată de sinterizare şi calibrare.
94
