Universitatea Valahia Targoviste Facultatea Stiinta si Ingineria Materialelor
Tema de casa la disciplina : ”Tehnologii Unitare in Metalurgie”
Profesor: Oprea Florea
Student:
MATERIALE SINTERIZATE, OBTINUTE PRIN PROCEDEE SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
•
Consideratii generale;
•
Materiale de frictiune, sinterizate;
•
Materiale antifrictiune, sinterizate;
•
Bibliografie.
2
CONSIDERATII GENERALE Metalurgia pulberilor, constituie un ansamblu de procedee de punere-n forma, pentru obtinerea unor piese finite din pulberi metalice.
Pulberile, comprimate prin presare, sunt supuse tratamentelor termice prin incalzire sau sinterizare in stare solida, sau partial lichida, dar intotdeauna in prezenta unei faze solide. Produsele astfel obtinute, sunt numite produse sau piese sinterizate. Produsele obtinute prin metalurgia pulberilor, sunt produse cu propietati care nu se pot obtine decat prin aplicarea acestui procedeu.
Procedeul se utilizeaza numai pentru produsele cu propietati corespunzatoare si in conditiile in care exista un avantaj economic in comparatie cu materialele turnate, forjate,aschiate, etc.
Obtinerea acestor produse prin metodele specifice metalurgiei pulberilor, prezinta urmatoarele avantaje economice: •
economie de materie prima si efort;
•
scurtarea perioadei de prelucrare mecanica;
•
obtinerea unor configuratii complicate;
•
productivitate mare;
3
•
propietati perfect reproductibile-n serii mari de produse,etc.
Domeniile de aplicare ale metalurgiei pulberilor sunt numeroase, variate si sedezvolta in mod continuu in toate ramurile industriei si nu numai.
Exista doua mari tipuri de produse obtinute prin metalurgia pulberilor:
•
•
produse la care se inlocuiesc procedeele clasice de obtinere;
•
produse specifice ale metalurgiei pulberilor.
MATERIALE DE FRICTIUNE, SINTERIZATE
Materialele de frictiune sunt destinate sa asigure, in exploatarea unor mecanisme,(in conditii optime de functionare si fiabilitate ale acestora) a unor forte, respectiv cupluri de frecare, prestabilite ca valoare. Materialele de frictiune sinterizate reprezinta una dintre aplicatiie tipice ale metalurgiei pulberilor, cu o mare extindere din punct de vedere al volumului productiei. Au aparut ca o necesitate logica si obiectiva de reunire a calitatilor si eliminare a defectelor materialelor de frictiune existente in momentul aparitiei lor.
Gama de materiale de frictiune existente in momentul aparitiei materialeior sinterizate cuprindea, materialele de frictiune naturale,(lemn, piele), materialele de frictiune metalice,(fonta) si materialele de frictiune ceramice. Principalele caracteristici impuse in exploatare materiaielor de frictiune sunt: •
coeficient ridicat de frecare, stabil intr-un interval larg de temperaturi;
•
rezistenta mecanica, la coroziune, uzare si gripaj ridicate;
•
conductibilitate termica ridicata;
•
grad ridicat de adaptabilitate la forma.
Analiza caracteristicilor impuse in exploatare materiaielor de frictiune conduce la concluzia ca, in mare parte acestea sunt contradictorii si nu pot fi asigurate decat de materialele obtinute prin procedeele specifice metalurgiei pulberilor.
4
Observatie: Materiale de frictiune pe baza de azbest, tip ferodou, sau metalice (fonta, otel, bronz, etc.), nu satisfac integral aceste cerinte.
In conditii grele de functionare, utilizarea materialelor de frictiune cu baza de azbest determina incalzirea puternica a cuplei de frecare datorita conductibilitatii termice scazute a acestui material. Prezenta umiditatii in azbest sau a substantelor organice, ca de exemplu: ulei bitum, cauciuc , conduce la variatia coeficientului de frecare si la uzarea avansata in domeniul temperaturilor ridicate. Materialele metalice de frictiune turnate (fonta, bronz), au tendinta ridicata de gripare si sudare la temperaturi ridicate. In conditii grele de functionare, pierderile prin uzare ale componentelor cuplelor de frecare sunt considerabile iar in conditii usoare, se obtine o valoane scazuta a coeficientului de frecare.
Datorita faptului ca materialele de frictiune sunt destinate sa promoveze frecarea, deci sa determine transformarea unor cantitati de energie mecanica (de obicei mari) si disiparea acestora, o serie de caracteristici termofizice cum ar fi capacitatea calorica si conductibilitatea termica, influenteaza sau chiar determina performantele cuplului de materiale, respectiv ale materialului de frictiune. Materialele de frictiune sunt utilizate in doua situatii generale:
pentru a reduce la zero miscarea relativa a doua elemente ale unui ansamblu (frane, ambreiaje in perioada de sincronizare a miscarii), proces echivalent unei franari dinamice;
•
pentru mentinerea starii de repaus relativ a doua elemente ale unui ansamblu (cuplaje cu frictiune, frane in cazul stationarii in panta sau in etapa premergatoare decolarii aeronavelor, cuplaje de siguranja), proces echivalent franarii statice.
•
In tabelul de mai jos, sunt prezentate cateva caracteristici fizico-mecanice ale unor materiale de frictiune uzuale: Caracteristicile fizico-mecanice ale materialelor de frictiune uzuale Material de frictiune
Temperatura maxima admisa
λ Kg f m/(m s grd)
Kg f m/(Kg grd)
Kg / m 3
a ⋅10 m 2 /s
Fonta cenusie
4.3/5.1
55.1
7.15
1.09-1.30
500
Fonta de
5.1/4.7
51/60.2
7.1
1.41/1.10
700
0
C
6/7.8
39/44
8.9
1.74-2.01
400
0
C
p ⋅10
c p
−3
5
0
C
fr Bronz
5
Azbest /rasini Carbon/grafit
0
0.0765-0.082
97.9-102
2.3-2.5
3.0-3.5
450
10.2-25.5
61.2-81.6
1.5-2.2
14-28
1000 0 C
C
Observatie: Valorile prezentate in tabel sub forma de fractii au urmatoarea semnificatie: numaratorul reprezinta valoarea la 20°C iar numitorul la 300°C.
Materialele de frictiune sinterizate reprezinta, din punct de vedere al compozitiei, amestecuri complexe (pana la noua componente) de pulberi metalice si nemetalice (cu continut de elemente nemetalice de pana la 50 - 60% din volum), consolidate prin presare - sinterizare pana la aproximativ 80% din densitatea teoretica. Toate componentele materialului de frictiune actioneaza asupra proprietatilor fizico - mecanice si tehnico - functionale ale acestuia, atat prin natura elementelor implicate, cat si prin granulatia, distributia, proportia si interactiunile acestor elemente in timpul procesarii sau in functionare. Caracteristicile generale ale materialelor de frictiune sinterizate sunt: •
mare capacitate de inmagazinare si disipare a energiei de franare;
•
coeficienti de frecare cu valori ridicate(0,25-0,5) si mare stabilitate-n functionare;
•
stabilitate la temperaturi ridicate (400 - 700°C);
•
buna adaptabilitate la forma;
•
posibilitatea reglarii si adaptarii caracteristicilor fizico-mecanice si de exploatare prin intermediul compozitiei si structurii.
In functie de rolul pe care il indeplinesc in cadrul materialului de frictiune, componentele metalice si nemetalice ale acestuia pot fi grupate in trei categorii distincte : •
componente care formeaza matricea metalica;
•
lubrifianti;
•
modificatori de frictiune, sau elemente de curatire a suprafetelor.
Functiile indeplinite de matricea metalica, principala componenta a materialului de frictiune, sunt:
6
•
asigura impreuna cu contrapiesa de frecare nivelul coeficientului de frecare;
Observatie: Contrapiesa, component al cuplei de frecare, reprezinta un material metalic compact, frecvent fonta sau otel. •
inglobeaza si mentine, in timpul functional, componentele nemetalice ale materiaiului de frictiune;
•
asigura transferul de la suprafata de frecare, inmagazinarea si disiparea caldurii degajate in timpul frecarii;
•
confera rezistenta mecanica materialului de frictiune.
Observatie : Celelalte componente, reprezentand lubrifianfii si modificatorii de frictiune au rolul de a adapta conditiile de frecare in sensul diminuarii uzarii suprafefelor aflate in contact, simultan cu mentinerea eficacitatii franarii.
In functie de natura materialului utilizat pentru alcatuirea matricei metalice, putem distinge doua grupe principale de materiale de frictiune : •
•
materiale de frictiune cu masa de baza cupru (matricea metalica alcatuita din aliaje ale cuprului), realizate prin metode specifice metalurgiei pulberilor; materiale de frictiune cu masa de baza fier (matrice metailca formata din fier sau aliaje ale acestuia), realizate de asemenea prin metode specifice metalurgiei pulberilor.
Materialele de frictiune din cele doua grupe mentionate difera din punct de vedere al performantelor (caracteristicilor fizico - mecanice si de exploatare), domeniilor de utilizare si al parametrilor tehnologici ai operatiilor din fluxul de fabricate. Avand in vedere proprietatiie fizico - mecanice caracteristice cuprului si fierului, este de prevazut ca prima grupa de materiale va fi caracterizata prin conductibilitate termica si capacitate calorica superioare celor aferente grupei a doua, in timp ce valorile caracteristicilor legate de rezistenta mecanica la rece si la cald vor fi inferioare. Aceste consideratii, alaturi de criteriul pretului unitar, determina delimitarea utilizarii celor doua grupe de materiale: •
in cazul unor aplicajii care implica temperaturi in masa materialului mai mari de 500 - 700°C (frecvent peste 1000°C la suprafata de frecare, Ex : - frane de avion), va fi utilizata matricea din fier;
7
•
pentru aplicatii mai putin dure, optiunea este determinata de alte criterii, intre care pretul de cost are o pondere importanta.
Prin stabilirea unor corelatii riguroase din punct de vedere stiintific, intre compozitia, structura materialului de frictiune si caracteristicile de exploatare ale acestuia, este posibil ca materialul de frictiune sa fie proiectat o data cu restul sistemului din care face parte, astfel incat sa dezvolte optimul caracteristicilor impuse. Se elimina astfel supradimensionarile inutile, atat in domeniul dimensiunilor elementului de frictiune, al naturii materialului acestuia, cat si in domeniul dimensiunilor generale ale sistemului de franare si respectiv al parametrilor de funcionare. Crearea de sisteme extrem de performante este stanjenita in prezent de catre principiul utilizat in proiectare, conform caruia adoptarea unui anume material de frictiune se face dintr-o lista finita de oferte, urmand ca ulterior sa se realizeze o adaptare a sistemului de franare la materialul de frictiune adoptat.
8
In cazul materialelor de frlctiune cu baza Fe , matricea metalica este formata din otel sinterizat, obtinuta prin difuzia in timpul sinterizarii a carbonului din compozitia amestecului utilizat sau din atmosfera de sinterizare, in scheletul de fier format prin presare. Caracteristicile fizico-mecanice ale matricei metalice sunt puternic influentate de catre structura dobandita de aceasta in timpul sinterizarii. Structura matricei este determinata in principal de cantitatea de carbon legat sub forma de cementita. In funcjie de destinatia materialului de frictiune se stabileste structura impusa matricei metalice(feritica, ferito - perlitica, perlitica,etc.) si porozitatea acesteia. Structura feritica este foarte rar utilizata pentru materiale de frictiune datorita caracteristicilor de rezistenta mecanica scazute si deci a unei slabe rezistente la uzare, in anumite regimuri de functionare. Structura feritica prezinta totusi o serie de caracteristici avantajoase, legate de duritatea mica si tenacitatea mare asociate acesteia si anume, o mare capacitate de amortizare a vibratiilor, avand drept rezultat, un coeficient de frecare ridicat si o buna comportare la contactul cu suprafetele rugoase ale contrapieselor. Aceste suprafete introduc vibratii si necesita o adaptare permanenta a formei suprafetei de frecare in contact cu ele, in vederea asigurarii unei arii reale de frecare corespunzatoare. Materialele din aceasta categorie functioneaza corespunzator la temperaturi in masa materialului, mai mici de 600°C. Structura perlitica asigura matricei metalice, si prin aceasta deci materialului de frictiune, o serie de proprietati bazate pe duritate, rezistenta mecanica, la uzare si respectiv rigiditate ridicate. Observatie: Rigiditatea ridicata are drept consecinte imediate slaba adaptabilitate la forma si capacitatea redusa de amortizare a vibratiilor.
Functionarea unui material de frictiune cu matrice metalica, perlitica, este corespunzatoare in cazul aplicatiilor care determina incalzirea materialului de frictiune pana la temperaturi care sa asigure o marire a tenacitatii si deci adaptabilitatii la forma. O structura ferito-perlitica este mai des intalnita, ea imbinand calitatile structurilor feritice si respectiv perlitice si permitand astfel functionarea materialului de frictiune intr-o plaja larga de conditii.
Frecvent, se practica modificarea compozitiei matricei metalice prin aliere cu diferite elemente.
9
Cel mai des utilizat element de aliere este cuprul , adaosurile de cupru(2-5%) avand ca efect, favorizarea unor fenomene care au drept rezultanta: • •
• •
•
•
imbunatatirea compresibilitatii amestecului de pulberi; formarea in timpul sinterizarii a unei faze lichide, cu toate avantajele legate de aceasta; micsorarea cu circa 50°C a temperaturii de sinterizare; cresterea nivelului caracteristicilor fizico-mecanice si de exploatare ale matricei metalice si deci a materialului de frictiune in ansamblu; marirea valorii conductibilitatii termice a matricei si deci a materialului de frictiune; cresterea nivelului rezistentei mecanice si prin aceasta a rezistenjei la uzare a elementului de frictiune, determinate de alierea feritei.
Sinterizarea, se desfasoara in prezenta fazei lichide care se formeaza in sistem preponderent la temperatura de 1094°C. In timpul sinterizarii, in sisternul Fe-Cu se produc efecte volumice ale caror amplitudine este determinate de proportia de cupru si respectiv grafit din compozitie. Observatie: Grafitul, difuzand in fier, poate forma un eutectic ternar Fe-Cu-C, bogat in fier, cu temperatura de topire de aproximativ 1100°C. Acest eutectic determina producerea unei contractari semnificative in timpul sinterizarii, efect care anihileaza tendinta de crestere in volum generata de prezenta cuprului.
Uneori, in locul adaosurilor de cupru efectuate matricii de fier se utilizeaza Cu-Sn sau Cu-Sn-Zn, cu scopul declarat de formare timpurie a fazei lichide si de reducere a temperaturii de sinterizare la 900 - 1000°C. In cazul materiaielor de frlctiune cu baza de cupru, matricea metalica este formata in general din aliaje Cu - Sn (pentru aplicatii destinate frecarii uscate) sau Cu - Zn (pentru aplicatii destinate functionarii in ulei). Matricea formata din aliaje Cu - Sn este generata prin menjinerea la temperatura de sinterizare a amestecului pulverulent dozat, care contine cele doua componente. In acest fel, obtinerea compozitiei bronzului de staniu se realizeaza prin alierea cu staniu, la temperatura de sinterizare, a pulberii de cupru, spre deosebire de matricile Cu - Zn la care, in timpul procesului de sinterizare, consolidarea sistemului are loc ca urmare a interactiunilor dintre particule de pulbere prealiate. Adaosurile de grafit in materialele de frictiune cu baza de cupru maresc adaptabilitatea acestora la forma, rezistenta la uzare si franare lina. Pentru a-si indeplini rolul, pulberile care formeaza matricea metalica trebuie sa aiba densitate aparenta mica, suprafata specifica mare si compresibilitate ridicata.
10
Puritatea acestor materiale nu reprezinta un factor restrictiv atat timp cat variatiile sale nu atrag dupa sine o alterare a comportarii la formare sau sinterizare. •
MATERIALE SINTERIZATE
ANTIFRICTIUNE,
Tehnoiogia de realizare a materialelor antifrictiune sinterizate, comporta urmatoarele etape: • pregatirea incarcaturii; • formarea; sinterizarea; • impregnarea cu ulei; • calibrarea. •
Pentru realizarea materialelor antifrictiune, cu baza de fier , se utilizeaza pulberi obtinute prin una dintre metodele: reducere; • pulverizare; • macinare in mori cu vartejuri; • electroliza, sau • carbonil. • Alegerea pulberii si deci a metodei de obtinere a acesteia se face in functie de caracteristicile impuse in exploatare produsului final si de ratiuni tehnico-economice. Ca particularitati ale fluxuiui tehnologic general de fabricatie a materialelor antifrictiune cu baza de fier trebuiesc remarcate urmatoarele: placarea particulelor de grafit se face cu cupru sau nichel prin metode chimice • sau electrochimice; formarea produselor se realizeaza preponderent prin presare; • in cazul in care se vizeaza obtinerea unei porozitati in limiteie 15 - 35%, • optima pentru materialele antifrictiune sinterizate care lucreaza in regim de autoungere, se practica varianta de comprimare intr-o singura etapa. Pentru produse cu porozitate mai redusa este necesara repetarea operatiei de presare sau utilizarea si a altor metode de comprimare, intre etape fiind necesare operatii de recoacere intermediara. Cresterea rezistentei materialelor metalografitice in general se reatizeaza prin succesiuni ale operatiilor de presare-sinterizare, presare la cald, extruziune sau sinterizare in prezenta fazei lichide.
11
Valoarea presiunii utilizate in operatia de comprimare depinde de rezistenta mecanica si plasticitatea materialului pulberii, prezenta lubrifiantului, geometria matritelor, densitatea finala irnpusa etc. Comprimarea amestecurilor pulverulente cu baza de fier in vederea obtinerii unei porozitati de 15 - 20% ,se va realiza la presiuni de 590 - 690 MPa. Legat de marea diversitate a conditiilor in care sunt destinate sa fu nctioneze materialele cuplelorde frecare, prin metalurgia pulberilor au fost create o multime de compozitii, corespunzand diferitelor destinatii: •
pentru functionare in prezenta lubrifiantilor;
•
pentru functionare in absenta lubrifiantilor, in aer sau in vid;
•
pentru functionare la temperaturi si viteze de frecare ridicate;
•
pentru functionare-n medii corosive, etc.
Sinterizarea produselor antifrictiune cu baza de fier se realizeaza la temperaturi in domeniul 1050 - 1200°C, in medii reducatoare. Observatie: Frecvent, in fluxul tehnologic general de fabricatie a materialelor antifrictiune sinterizate apar operatii suplimentare, ca de exemplu: prelucrari termice, termochimice, mecanice, etc.
12
Bibliografie:
•
Mihai Cojocaru, “Producerea si procesarea pulberilor metalice”, Editura: Matrix Rom, Bucuresti, 1997.
•
Goras-Ciuca,”Lucrari practice de metalurgia pulberilor”,1984.
13
