UNIVERZITET U TUZLI
MAŠINSKI FAKULTET PROIZVODNO MAŠINSTVO
SEMINARSKI RAD Tehnologija presovanja metalnih prahova Sinterovanje keramike
Ime i prezime: Broj indeksa: Odsjek: Datum:
Džibrić Namik , Ibričić Jasenko II-303/08 , II-427/10
Proizvodno Mašinstvo 12.07.2011 god
SADRŽAJ 1.0 Uvod.................. Uvod.............................. ........................ ......................... .......................... ........................... ......................... .................................. ..............................3 .......3 sinterovanja........................ .......................... ........................... ........................... ......................... ..................4 ......4 1.1. Važni proizvodi sinterovanja........... 2.0 Generalni principi sinterovanja...............................................................................5 3.0 Davanje Davanje forme...................... forme.................................... .......................... .......................... ........................... ................................ ................................ .............6 6 3.1. Presovanje.......... Presovanje......................... ............................. ........................... .......................... ......................... ............................ .............................. ...................6 .....6 3.2. Lijevanje............. Lijevanje.......................... .......................... ......................... ............................. ................................ ............................ .......................... ...................8 ......8 ....................................... ............................ ........................... ............................... .......................8 .....8 3.3. Plastično davanje forme ......................... 4.0 Denzifikacija, vitrifikacija i rast zrna.......................................................................9 4.1 Mehanizmi sinterovanja......... sinterovanja..................... ......................... ......................... ................................ ................................ .......................1 ...........10 0 4.2 Rast Zrna.................... Zrna.................................. ............................ ........................... ........................... ............................. ........................... .......................10 ...........10 5.0 Keramika............ Keramika......................... ......................... ........................ ......................... .......................... ......................... .................................... ...........................12 ...12 5.1. Sinterovanje Al 2O3.......................... ....................................... ............................... .............................. ........................... ............................1 .............13 3 5.2. Faze prilikom procesa sinterovanja keramike....................................................17 6.0 Zaključak........................... ........................................ ............................. .............................. ............................ ........................... ............................. ................19 19
7.0 Literatura………………………………………… Literatura…………………………………………………………………… ……………………………………….20 …………….20
2
1.0 Uvod
Sinterovanje pred stavlje termički tretman slobodno nasutog ili prethodno presovanog
metalnog praha koji se izvodi na temperaturi ispod tačke topljenja glavne komponente metalnog praha s ciljem dobijanja dijela odgovarajuće čvrstoće i dimenzija. Sinterovanje je tradicionalni postupak koji se koristi za proizvodnju predmeta od keramike, i uveliko se koristi u metalurgiji prahova.
Prilikom sinterovanja se prvo pomiješaju zrnasti i praškasti materijal koji se dalje podvrgavaju povišenoj temperaturi i samim time spajaju. Za razliku od livenja, gde se svi polazni materijali tope, ovde se ne tope svi polazni materijali, prosto rečeno se "peku" . Oblik predmeta se može dobiti na dva načina i to presovanjem ili na taj način da se prah ubaci u kalup i onda pusti da se osuši. Mora se obezbijedit da se materijal makar malo drži zajedno (kohezija), ako to nije slučaj onda se pribjegava upotrebi "ljepila".
Slika 1. Zupčanici proizvedeni sinterovanjem
3
Generalno sinterovanje je efektivno i isplativo ako se smanji poroznost, poveća čvrstoća i temperaturna provodljivost. Sam proces sinterovanje se odvija u pećima, koje dovode materijal na temperat uru nešto nižu od topljenja osnovnog (glavnog) materijala. Osnovna odlika sinterovanja jest da dijelovi polaznog materijala ne mijenjaju svoju makroskopsku strukturu. Prilikom sinterovanja se polazni komad smanji, tj. dolazi do popunjavanja i priblizavanj a teoretskoj gustini. Procesom sinterovanja se postiže izuzetno velika gustina i jako komplicirani predmeti. Tehnologija je izuzetno skupa, misli se na nabavnu cijenu postrojenja za sinterovanje.
1.1. Važni proizvodi sinterovanja Dijelovi poput rezne keramike ili keramičkih magneta
Metalni gotovi dijelovi ili dijelovi za formiranje u velikim serijama;
Prije svega u autoindustriji, npr. ležajevi ili školjke ležajeva, klizni ležaji, dijelovi za motore ili pogone, rešetke, filteri i trajni magneti;
Dijelovi alata ili ploče za rezanje od tvrdih metala ;
Zubna tehnika koristi sinterovanja za proizvodnju keramičkih zubi, ili navlaka ;
Slika 2. Rezna pločica od sinterovanog tvrdog metala sa specijalnom presvlakom
4
Razvijanje i optimiziranje novih metalnih prahova proširuje stalno područja primjene za sinterovane dijelove ( proizvodnja automobila, kućanske mašine, majstorske mašine, i
ureĎaji za urede). Proizvodnja šupljih kuglastih struktura se omogućuje sinterovanjem stiropornih kuglica koje imaju sloj metalnog praha.
2. Generalni principi sinterovanja Sinterovanje je efektivno kada proces smanji poroznost i pove ća osobine kao što su
čvrstoća, toplotnu provodljivost, no u drugim slučajevima je korisno da se poveća čvrstoća zadržavajući konstantnu apsorbljivost gasova. Tokom procesa pečenja i poslije toga, velična zrna se smanjuje i postaje sferična. Promjena u slobodnoj energiji koja omogućuje da se ostvari zgušnjavanje je smanjenje površinske i slobo dne energije odstranjivanjem meĎuveze izmeĎu čvrstog i gasovitog agregatnog stanja. Time formira nove, ali s ni žom energijom, čvrsto -čvrste meĎuveze. Totalno smanjenje slobodne energije koje se pojavljuje tokom sinterovanja. Na mikroskopskom nivou, promjena materijala je pod uticajem promjene u pritisku i razlici slobodne energije preko
zakrivljenje površine. Ove promjene su zbog površinske energije. Ako je veličina čestice, i posljedično radi jus zakrivljenja, mala, onda ovi uticaji mogu biti velikih razmjera. Promjena je velika kada je radijus zakrivljenja od nekoliko mikrona ili manji,
što je jedno od glavnih razloga zašto se većina tehnologija keramike bazira na korištenju finozrnastih mater ijala. Na osnovu teorema evaporizacije-konverzacije možemo demonstrirati da površina čestice teži da se prebaci u područje vrata bazirano na razlici izmeĎu pritiska gasa i područja vrata. Za osobine kao što su čvrstoća i provodljivost, granično područje kojim se čestice vezuju skupa sa veličinom zrna su odlučujući faktori. Varijable koje mi možemo kontrolirati za bilo koji materijal su temperatura i inicijalna veličina zrna, gdje je pritisak pare ovisan o temperaturi. Kroz vrijeme varijable postaju radijus čestice i pritisak gasa. Izvor energije za procese u čvrstim stanjima je promjena u slobodnoj ili hemijskoj potencijalnoj energiji izmeĎ u vrata i površine čestice. Ova energija pravi transfer mater ijala na najbrži mogući način. A ko bi se transfer desio iz zapremin e čestice ili granice zrna izmeĎu čestica onda bi došlo do redukcije čestica i
razaranja pora. Eliminiranja pora se brže odvija za proces sa puno pora uniformne veličine i većeg poroziteta gdje je udaljenost za difuziju na granici manja. Oksidi, np r. , su finozrnaste čestice koje čak pri početku procesa termičkog tretmana, povećavaju veličinu zrna i pora. Za kasnije etape procesa granice i rešetkasta difuzija iz granice postaju važni. Da bi se kontrolirao proces sinterovanja, temperatura je veoma važan čimbenik, pošto se granica zrna i volumenska difuzija oslanjaju uveliko na temperaturu, veličina i distribucija zrna u materijalu, kompozicija materijala i sama okolina sinterovanja se treba kontrolirati; stopa sinterovanja se mijenja sa vremenskom konstantnom. Pojedine prednosti sinterovanja su: 5
1. Mogućnost velike čistoće za početni materijal i njihova velika uniformnost; 2. Očuvanje čistoće zbog ograničavajuće prir ode pojedinih procesa proizvodnje; 3. Stabilizacija detalja ponavljajućih operacija kontroliranjem ulazne veličine zrna ; 4. Neprisutstvo vezujućeg kontakta izmeĎu segregiranih čestica praha ili uključaka ; 5. Nije potrebna deformacija da se dobije d irekcionalna elongacija čestica; 6. Mogućnost staranja materijala jednolične kontroliranje poroznosti;
3. Davanje forme Prilikom davanje forme cilj nam je da napravimo ravnomjernu raspodjelu mase u
čitavom sirovom dijelu. Na proces kojim ćemo da formiramo sirovac utiču vrsta materijala, forma željenog dijela, ciljani broj dijelova cijena. U principu imamo tri procesa davanja forme: 1. Presovanje
2. Lijevanje
3. Plastično davanje forme
3.1. Presovanje 3.1.1. Suho i vlažno presovanje U odnosu na vlažnost postoje dvje mogućnosti davanje forme presovanjem: suho i vlažno presovanje. Kod suhog presovanja je udio vode u sirovini manji od 7%. Ova metoda je posebno prikladna za proizvodnju velikih serija. Alati za formiranje su veoma
skupi i isplate se samo kod velikih serija. Složena priprema prahova i ograničenja prilikom geometrije dijelov a su uz moguće razlike u gustoći (unutrašnja nehomogenost, lunkeri) dalji nedostatci. No uz to imamo i prednosti, kao što su velika reproduktivnost, velika tačnost kao i automatsko odvijanje procesa. Alternativa suhom presovanju je vlažno presovanje kod kojeg je udio vode preko 12%. Ovaj način presovanja omogućuje dobijanje komplikovanih geometrija i ravnomjernu podjelu gustine. No potrebno je sušiti sirovi dio koji dobijemo. Pored toga presovani dijelovi od granulata koje se mrvi od vlage posjeduju manju g ustoću a samim tim manju čvrstoću nego dijelovi koji su suhopresovani.
Slika 3. Proces suhog presovanja 6
3.1.2 Uniaksijalno presovanje
Za proizvodnju pločastih tijela koristi se često metoda uniaksijalnog presovanja. Pritisak presovanja se prilikom procesa prenosi na tijelo samo u jednom smijeru. Osobine tečenja praha (oblik zrna, funkcija raspodjele zrna) su od velikog značaja, jer od nj e
ovisi sposobnost zgušnjavanja. Pomoćna sredstva kao što su ulja i vosak poboljšavaju klizanje i zgušnjavanje. Na smanjenje materijala prilikom sušenja i pečenja se utiče pretežno preko homogenosti gustine. Različite vrijednosti gustoće na istom presovanom dijelu nastaju pretežno zbog trenja mase na alatci za formiranje. Zbog toga je potrebno pri povećanom odnosu L/D (L – debljina dijela, D- dijametar ) imati protupritisak ili pokretne zidove sa strane. Dalji problem nastaje pri prevelikom pritisku presovanja. Kada vadimo presovani dio iz
forme mogu nastati lokalni površinski naponi, koji nakon svog otpuštanja često dovode do pukotina u obliku kratera na dijelu. Unatoč tome se uniaksijalno presovanje razvilo u velikoserijski proces.
Slika 4. Uniaksijalno presovanje (jednostrano, obostrano)
7
3.1.3. Izostatsko presovanje Kod izostatskog presovanja je pritisak presovanja jednak u svim smijerovima. Ova metoda je prikladna za manje dijelove s a velikom izotropnošću i ravnomjernom
gustoćom, uz to je prilično jeftin za komplikovane prototipove i proizvodnju u malim serijama.
Slika 5. Izostatičko presovanje
3.2. Lijevanje Pored presovanja se koristi i lijevanje za davanje forme. Za to nam je potreban šliker
koji je sposoban za lijevanje (pretežno sa organskim dodacima), koji posjeduju udio vode ili nekog drugog sredstva za rastvaranje od 30%. Pomoću šupljeg lijevanja dobijamo šuplja tijela sa ravnomjernom debljinom zida. Za masivne dijelove je prikladno lijevanje u jezgri (npr. gipsane forme). Za specijalne upotrebe se koriste postupci lijevanja pod pritiskom, mlazno lijevanje i folijsko lijevanje, sa kojima dobijamo radne dijelove posebne geometrije i posebnih osobina.
3.3. Plastično davanje forme Za dijelove izrazito složene geometrije je plastično formiranje često najbolje riješenje. Tu pripadaju ekstruzija i PIM metoda: zagrijani puž pritišće sirovi materijal u formu. Osnovni materijal koji se prilikom ovog procesa koristi se vrlo razlikuje od normalnog praha za sinterovanje.
8
4. Denzifikacija, vitrifikacija i rast zrna Sinterovanje u praksi je kontroliranje denzifikacije i rasta zrna. Denzifikacija je proces smanjenja poroznosti, što znači da povećavamo gustoću. Rast zrna je proces kretanja
granice zrna i Ostwaldovog „sazrijevanja“ da bi se povećala prosječna veličina zrna. Pošto mnoge osobine ( Mehanička čvrstoća, snaga električnog loma i dr) profitiraju iz velike relativne gustoće kao i male veličine zrna, mogućnost kontroliranja o vog procesa je od velike tehničke bitnosti.
Slika 5. Šema Ostwaldovog sazrijevanja
Ostwaldovo sazrijevanje se pojavljuje u nehomogenim rastvorima (u čvrstom ili tekućem stanju), ako imamo fazne precipitate u rastvoru, energetski faktori će uzrokovati da veći precipitati rastu, privlaćeči materijal iz manjih precipitata, koji se smanjuju. Pošto je denzifikaciji prahova potrebna velika temperatura rast zrna se prirodno javlja tokom sinterovanja.
Redukcija ovog procesa je ključ za mnoge tehnologije keramičkog inžinjerstva. Da bi se desila denzifikacija na velikoj brzini bitno je da se ima količina tekuće faze velike veličine, zatim je bitna kompletna rastvorljivost čvrste faze u tekućoj, i navlaživanje čvrste faze pomoću tečne. Kada tekuća faza navlaži čvrste čestice, svaki prostor izmeĎu čestica postaje kapilar u kojem se razvija znatan pr itisak. Za submikronske veličine zrna, kapilari sa dijametrom od 0.1 do 1 mikron razviju pritisak od 175 do 1750 psi za silikatne tekućine, dok je za metale kao što je tekući kobalt pritisak od 975 do 9750 psi. Denzifikaciji je potreban konstantan kapilarni pritisak gdje sama rastvorna precipitacija pretvorbe materijala ne bi dovela do denzifikacije. Za dalju
denzifikaciju, dodatna kretanja čestica dok čestica prolazi kroz rast zrna i promjenu oblika zrna, se dešava. (1PSI=6874,76 Pa)* Smanjenje bi se do bila kada bi tekućina ušla izmeĎu čestica i povećala pritisak na
tačkama dodira što bi uzrokovalo da se materijal odmakne od područja kontakta približujući centre čestica jedne drugima. Sinterovanje materijala u tečnoj fazi uključuje finozrnastu čvrstu fazu koja stvara potrebni kapilarni pritisak proporcijalan prečniku i uz to koncentracija tekućine mora stvoriti potrebni kapilarni pritisak unutar svog dometa, inače bi proces stao. 9
Stopa vitrifikacije je ovisna o veličini pore, viskoznosti i količini prisutne tekuće faze što uzrokuje na viskoznost ukupnog rastvora, i površinskog napona. Temperaturna ovisnost kontrolira proces denzifikacije jer na već im temperaturama viskoznost se smanjuje i povećava sadržaj tekuće faze. Stoga kada se izvrše promjene kompozicije i samog procesiranja, to će uticati na proces vitrifikacije.
4.1 Mehanizmi sinterovanja
Sinterovanje se odvija pomoću difuzije atoma kroz mikrostrukturu. Ovu difuziju uzrokuje gradijent hemijskog potencijala – atomi se kreću iz područja sa veći m hemijskim potencijalom u područje sa nižim. Različite putanje koji atomi uzmaju da bi stigli iz jedne tačke u drugu su mehanizmi sinterovanja. Pe t najčešćih mehanizama su: Površinska difuzija – Difuzija atoma duž površinu čestice Transport pare – Isparavanje atoma koji se kondenzuju na drugoj površini Rešetkasta difuzija iz površine – Atomi iz površine difuziraju kroz rešetku Difuzija na granici zrna – Atomi iz granice zrna difuziraju kroz rešetku Plastična deformacija – Dislokacijska kretanja izazivaju tok materije
TakoĎe se trebaju razlikovati zgušnjavajuće i ne -zgušnjavajuće mehanizme. Prva tri su mehanizmi koji ne zgušnjavaju – oni uzimaju atome iz površine i preureĎ uju ih u druge površine ili dijelove iste površine. Ovi mehanizmi jednostavno premještaju materiju unutar poroznosti i na uzrokuju smanjenje pora. Zadnja dva mehanizma su zgušnjavajuća – atomi se pomjeraju iz mase prema površini pora i time eliminiraju
poroznost i povećavaju gustoću primjerka. 4.2 Rast Zrna
Rast zrna se dešava zbog kretanja atome duž granice zrna. Konveksne površine imaju veći hemijski potencijal nego konkavne i stoga granice zrna će se kretati prema centru zakrivljenosti. Kako manje čestice obično imaju veći radijus zakrivljenosti ovo rezultira da manja zrna gube a tome dajući ih većim i time se smanjuju (Ostwaldovo sazrijevanje). Veća zrna rastu na račun manjih. Rast zrna se u jednostavnom modelu može predstaviti na slijedeći način.
G – finalna prosječna veličina zrna; G0 – početna prosječna veličina zrna ; t – vrijeme;
10
m – faktor izmeĎu 2-4
K je faktor koji definiramo na slijedeći način: K = K 0exp ( − Q / RT )
Q – molarna energija aktivacije; R – je idealna gasna konstanta ; T – apsolutna temperatura; K0 – konstanta ovisna o vrsti materijala granicu zrna možemo smanjiti na dva načina :
jonskim rastvorom i finozrnastim česticama druge faze.
Slika 6. Rast zrna prilikom procesa sinterovanja
11
5. Keramika Keramika je jedan od najstarijih materijala sa širokim područjem primjene. Već u s tarom dobu su glina i kasnije porculan imali veliku ulogu u svakodnevnici. Danas su pored
klasičnih poznate i važne tzv. “tehničke keramike”. Radi se o keramičkim proizvodima koji se proizvode za tehničke primjene. Odlikuju se posebnim osobinama, kao npr. Velika otporno st na habanje, velikom tvrdoćom, izdržljivosti na velikim temperaturama, dobrom sposobnošću provoĎenja toplote ili kao dobri elektroizolatori. Neke keramike imaju pored toga i osobine poluprovodnika (FeO, ZnO, SiC) ili sposobnost supraprovodnika (YBa2Cu3O7- x). Generalno su keramički materijali anorganski,
nemetalni i po pravilu polikristalni. Oni su pretežno tvrdi i krti zbog njihovih jonskih i kovalentnih veza. Keramike se daju podjeliti na grupe silikatnih, oksidnih i neoksidnih keramika. Silikatnim kera mikama pripadaju tehnički p orculani, steatit, korderit i mulitne keramike.
Glavni sastavni dijelovi su glina i kaolin, kao i feldspat i kvarcni kamen kao nosač silikata
Oksidne keramike sadrže oko 90% jednofaznog ili jednokomponentnog metalnog oksida. Naj važniji zastupnici su aluminijumoskid (Al2O3), magnezijumoksid (MgO), Cirkonijumoksid (ZrO2), aluminijumtitanat (Al2TiO5) i piezokeramika.
Grupi neoksidnih keramika pripadaju karbidi (silicijumkarbidi sa različitim metodama proizvodnje, borkarbid) i nitridi (silicijumnitrid, aluminijumnitrid, silicijumaluminijumoksinitrid). Veliki udio kovalentnih veza daje ovim materijalima dobre
mehaničke osobine i pri veoma velikim temperaturama. Pojedinačni keramički proizvodi posjeduju raznovrsne osobine. Shodno tome imamo mnogobrojne postupke proizvodnje, ovisno tipu dijela, vrsti materijala, cijeni i broju serije.
Slika 7. Tipične temperature sinterovanja 12
5.1. Sinterovanje Al 2O3 Sinterovanje Al 2O3 keramike je možda najteži posao na koji se nailazi u toku njene
izrade. Za sinterovanje se uglavnom koriste tunelske i periodične komorne peći.
Slika 8. T unelske peći
Tunelske peći imaju prednost zbog održavanja ujednačenije temperature za vrijeme ciklusa sinterovanja i ekonomičnije su za veću proizvodnju. Medjutim,periodične peći uspješno se upotrebljavaju kada se radi o relativno malim količinama robe ili kada su u pitanju razni sastavi koji zahtijevaju pojedinačna sinterovanja. Sinterovanje proizvoda na bazi visokog sadr žaja glinice vrši se na temperaturama izmeĎu 1400 i 1900 Celzijusovih stepena, pri čemu je stvarna temperatura sinterovanja
odreĎena procentualnim učešćem glinice, reakcionom sposobnošću glinice, kao i izborom i k oličinom dodatnih materijala (topitelja). Sinterovanje Al 2O3-keramike predstavlja termički aktiviran process ugušćavanja
kompaktnog praha .Ugušćavanje kompaktnog praha kod temperature ispod tačke topljenja (sinterovanje) praćeno je stezanjem, odnosno sman jivanjem praznina(pora) izmedju čestica i njihovim eliminisanjem. Više od bilo kojeg drugog svojstva, stezanje je karakteristika procesa sinterovanja.
13
Linearno stezanje može da iznosi 5-20% zavisno od vrste upotrijebljene glinice granulometrije u polazno m materijalu i postupka oblikovanja. Tačno odabrani uslovi sinterovanja za odre Ďeni sastav moraju se kontrolisati i treba ih se tačno pridržavati. Ako je temperature suviše niska u svakom komadu ostane odredjeni sadržaj preostalih pora, koje utiču na mehaničku čvrstoću, sposobnost voĎenja toplote, kvalitet površine i to štetno. U slučaju prekoračenja optimalne temperature sinterovanja ne može se više svesti stvoreni porozitet, ali se zapaža rast kristala koji ima štetne posljedice za mnoge osobine i mora s e izbjegavati, izuzimajući odreĎene slučajeve kad su veliki kristali poželjni. Posebna pažnja mora se posvetiti izboru odgovarajuće ambalaže (podloge) za sinterovanje
Al 2O3 - keramike.
Većina uobičajenih keramičkih vatrostalnih materijala za izradu am balaže kao što su mulit i cirkon napadaju Al 2O3 - keramiku za vrijeme sinterovanja, tako da je nužno upotrijebiti ambalažu od smjese sa visokim procentom Al2O3 ili zaštititi robu od dodira sa ambalažom nasipanjem sloja elektotopljenog korunda. Veliki komadi moraju biti postavljeni na ravne površine, jer proizvodi sa visokim sadržajem glinice imaju tendenciju omekšavnja na temperaturama sinterovanja i poprimaju oblik vatrostalne ambalaže na kojoj su postavljeni.To je naročito važno kada se zahtijevaju visoke tolerancije.
Slika 9. A mbalaža keramike
Budući da Al2O3 - keramika ima relativno dobru otpornost na toplotne udare, period hlaĎenja u ciklusu sinterovanja (pečenja) može biti tako Ďe brz i jednostavnog 14
oblika.Trajnost obloge peći ovdje predstavlja presudni faktor kod tačnog odreĎivanja brzine vo Ďenja perioda predgrijavanja i hla Ďenja. Zona visoke temperature u kojoj nastupa vitrifikacija (sinterovanje) je u svakom pogledu najvažnija. Za razliku od konvencionalnih keramickih proizvoda, Al 2O3 - keramika se sastoji od pretežno od kristala Al2O3 sa relativno malom količinom drugih kristala i vrlo neznatnom količinom staklaste faze. Proces vitrifikacije, kao stvaranje medijuma za meĎ ukristalne veze u proizvodu, čini se da je neophodno imati odreĎenu količinu stakla i da je
neophodno izabrati takvu završnu temperature sinterovanja, koja je dovoljna da se staklo učini aktivnim, a da istovremeno ta temperature bude dovoljno niska, da bi se spriječilo previsoko pečenje ili deformacija.Ispravni put daje odabi ranje minimalne korektne temperarure i njeno održavanje u dovoljnom trajanju da bi reakcija bila potpuna.
Slika 9. Dijagram sinterovanja 15
Sinterovanje čistog Al2O3 praha odgovara u načelu sinterovanju čvrste faze. Topljene faze koje često možemo primjetiti su posljedica nečistoća i aditiva. Transport masa se odvija preko mehanizama difuzije koji su veoma ovisni o temperaturi. Potrebna energija aktiviranja je za Al2O3 ovisno o mehanizmu i autoru od oko 480 kJ/mol i 770 kJ/mol. Kod oksidnih čvrstih tijela poput Al2O3 je potrebna temperatura za aktiviranje difuzije između 80% i 90% od temperature topljenja. Rast zrna kao i vrata su poput smanjenja upravljani pomoću vrem ena i temperature. Temperatura, pri kojoj
proces sinterovanja počinje, se može vidjeti u krivoj sinterovanja. U njoj se prikazuje smanjenje u ovisnosti od temperature. Krivu pravimo pomoću dilatometra.
Slika 10. Dijagram sinterovanja
16
5.2. Faze prilikom procesa sinterovanja keramike 5.2.1 Sinterovanje bez učešća tečne faze Kod čvrstofaznog sinterovanja je temperatura ispod tačke topljenja svih faza koje učestvuju u procesu. Sinterovanje se odvija pomoću procesa difuzije, isparavanja i mehanizama kondenzacije ili u slu čaju djelovanja vanjskog pritiska pomoću tečenja kristalne faze. Tokom procesa smanjujemo slobodnu energiju sistema reduciranjem
površinske energije i energije na granici zrna. U realnim sistemima su za razliku od idealnih modela su specifične energije površine i granice zrna ovisne i od kristalografskih smijerova. Sinterovanje je kontinuiran proces kojime drastično mijenjamo mikrostrukturu keramike. Stoga je logično da proces podjelimo u različite stadije. Svaki stadij sinterovanja je opisan jednim idealnim geometrijskim modelom, koji je prilagoĎen trenutnoj mikrostrukturi materije.
5.2.1.a Početni stadij U ovoj fazi sinterovanja imamo poroznost, pa se čestice mogu preraspodijeliti. Na tačkama dodira nastaju veze, i pore dobijaju okrugli oblik. Greške u materijalu i naponi se razgrauju. Mehanizmi transporta mase se mogu odvijati sa ili bez skupljanja. Na slijedećoj slici imamo primjer oba procesa. Bez skupljanja: 1. Isparavanje kondenzacija 2. Površinska difuzija 3. Zapreminska difuzija sa površine Sa skupljanjem: 4. Zapreminska difuzija granica zrna 5. Difuzija graničnih površina duž granice zrna 6. Kristalno- plastično tečenje
Mehanizmi isparavanja i kondenzacije igraju generalno gledajući podreĎenu ulogu. Kod keramičkog sinterovanja dominiraju pretežno mehanizmi difuzije. Površinska, granična i zapreminska difuzija se razlikuju u prvom redu po svojoj brzini. Koncentracija šupljina veoma utiče na difuziju. Veća je na savijenim površinama (grla sa malim radijusim a) nego u unutrašnjosti zrna. Kroz ove odnose koncentracija se uzrokuje difuzija praznina koja je povezana sa kretanjem materijala u suprotnom smijeru .
17
5.2.1.b Glavni stadij
U ovom stadiju rastu grla, dok se čestična zrna približavaju jedna drugom. Geom etrija materijala se mijenja i susjedna grla se preklapaju jedan u drugog. Na početku je još poprilično velika poroznost (oko 20%). Broj pora se smanjuje na osnovu smanjenja pora i koalescentnosti. Paralelno gra Ďenju zatvorene poroznosti, dolazi do rasta kristala, tako da se pojedinačne čestice ne mogu više razlikovati.
5.2.1.c Završni stadij Kod ovog stadija se tijelo gusto sinteruje. Rast zrna staje zbog nečistoća, pora i stranih uključaka nakon dolaska do odreĎene veličine zrna. Ako tokom rasta zrna po re uĎu u unutrašnjost kristala, mogu se odstraniti samo preko vrlo spore zapreminske difuzije i stoga ostaju u strukturi.
Kod mnogobrojnih struktura možemo promatrati jak diskontinuiran rast pojedinih zrna, što se opisuje kao sekundarna rekristalizacija. Nehomogena početna gustoća i raspored zrna potpomažu ovo ponašanje kao i koalescencija pora.
5.2.2 Sinterovanje sa tečnom fazom Prilikom sinterovanja sa tečnom fazom se dodaju aditivi koji pomažu sinterovanju i zagrijavaju se na temperaturu veću od temperature solidusa sistema materijala, tako da doĎe do nastanka tečnih faza. Razlikujemo slijedeće vrste nastanka topljene faze : Ograničeno topljenje jednog homogenog mater ijala za sinterovanje (stakleni
prah);
Topljenje jedne faze u heterogenom materijalu za sinterovanje bez reakcije (npr. faze sa eutektičkim sastavom); Nastanak topljene faze u jednom heterogenom materijalu kao posljedica hemijske reakcije;
Veliko zgušnjavanje je pod uticajem slijedećih faktora:
Veliki udio tečne faze;
Rastvorlj ivost čveste faze unutar tečne faze ;
Vlaženje čvrste faze tečnom fazom;
Proces sinterovanja sa tečnom fazom se takoĎ e dijeli u tri stadija.
18
5.2.2.a Početni stadij U početnom stadiju, uz prisutnost tečnosti, možemo posmatrati premještanje čestica što dovodi do povećanja gustoće pakovanja. Smanjenje probe je od većeg značaja što je veći volumen tečne faze i smanjuje se kroz veliku početnu gustoću i neravnomjerno formirane čestice. 5.2.2.b Glavni stadij
Čim se smanji brzina smanjenja prilikom razmiještanja čestica smanji, nastupaju procesi rastvaranja i ponovnog nastajanja čveste faze, što je povezano sa daljim zgušnjavanjem. Veća zrna rastu na račun manjih jer oni imaju veću rastvorljivost. Ovaj proces, koji zovemo Ostwaldovo zrenje, dovodi do manjeg broja, ali većih zrna na većem razmaku. Dodatno se pore elimiraju zbog promjene forme zrna uzrokovane difuzijom i zrna se približavaju jedna drugom.
5.2.2.c Završni stadij U posljednjem stadiju, koje se zove Skeletno sinterovanje, odvija se samo sporo
zgušnjavanje. Ovo se može ostvariti samo pomoću sinterovanja čvrste faze, ako prije nego što doĎemo do finalne gustoće doĎe do vezivanja izme Ďu zrna. Ovaj proces je veoma spor i odvija se ponajviše preko difuzije na granici zrna.
6. Zaključak Sinterovanje je metod pravljenja predmeta iz praha, grijanjem materijala u peći za sinterovanje ispod njegove temperature topljenja (sinterovanje u čvrstom stanju) dok njegove čestice ne prilijepe jedna uz drugu. Sinterovanje se tradicionalno koristi za proizvodnju keramičkih predmeta, ali se isto koristi u oblasti metalurgije prahova. Predstavlja jedan od najboljih postupaka za metalurgiju, ali se isplati tek u velikoserijskoj proizvonj i. U maloserijskoj, pojedinačnoj primjeni nije uopšte rentabilna zbog visoke nabavne cijene.
Osnovni princip sinterovanja jeste da sjedini datu mješavinu u jednu kompaktnu cjelinu koja će kao takva nakon tretmana, potpuno zadovoljiti date kriterije. Sinterovanje je efektivno kada proces smanji poroznost i poveća osobine kao što su čvrstoća, poluprovidnost i toplotnu provodljivost, no u drugim slučajevima je korisno da se poveća čvrstoća zadržavajući konstantnu apsorbljivost gasova. 19
7.0 Literatura
German, Randall M. Sintering Theory and Practice Kang, Suk-Joong L. Sintering Schatt, Werner. Sintervorgänge – Grundlagen Uticajnosti faktora temperature i pritiska na sinterovanje, Skula Admir 2011 Green, Hannink, Swain - Transformation Toughening of Ceramics Schatt, Werner; Wieters, Klaus-Peter; Kieback, Bernd Pulvermetallurgie www.wikipedia.com
20
