Powder Metallurgy
Content
METALURGIJA PRAHA (PM)
Prof. dr. sc. Božidar Matijević Fakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Izbor proizvodnog postupka
Izbor proizvodnog postupka za konkretan proizvod neodvojivo je povezan s konstrukcijskim oblikovanjem i izborom materijala. Suvremene metode razvoja proizvoda simultano analiziraju različite konstrukcijsko-proizvodne varijante, mijenjajući konstrukcijske oblike, materijale i način proizvodnje različitim kvantitativnim metodama, uz pomoć informacijskih i CAMS sustava Za suvremenu proizvodnju osobito su prikladni tzv. nekonvencionalni postupci proizvodnje koji se razlikuju od uobičajenih klasičnih postupaka inženjerstva materijala (ljevački postupci, sinteriranje – postupci prerade polimera) većom raznovrsnošću primjenjivanih materijala, užim tolerancijama izradaka i boljim skladom s glavnim trendovima suvremene proizvodnje. Ovi trendovi obuhvaćaju ostvarivanje sljedećih pet zahtijeva: • skraćenje vremena od ideje do izlaska proizvoda na tržište (Rapid Prototyping and Manufacturing ); • obrada na konačni (ili približno konačni ) oblik (Net or Near Net Shape Forming); povećanje preciznosti izrade; • produljenje vijeka trajanja proizvoda primjenom tehnologija inženjerstva površina; • sniženje troškova proizvodnje
Izbor postupaka proizvodnje neodvojivo je povezan s konstrukcijskim oblikovanjem i izborom materijala Proizvodni proces mora osigurati željenu kvalitetu za zadani materijal, oblik, dimenzije, stanje površine, tolerancije izratka uz minimalne troškove i vrijeme izrade. Konstruktor treba biti upoznat s mogućnostima dostupnih proizvodnih procesa i njihovom usporedbom odabrati najprikladniji proces. Suvremene metode razvoja proizvoda simultano analiziraju različite konstrukcijsko-proizvodne varijante, varirajući konstrukcijske oblike, materijale i načine proizvodnje
Odnos između postupka proizvodnje, konstrukcije i izbora materijala
Parametri koji utječu na izbor postupka proizvodnje
• vrsta materijala: materijali prikladni za promatrani proizvodni postupak; • veličina obratka: najmanje i najveće ukupne mjere obratka (volumen ili masa) • oblik obratka: odnos dimenzija (dužina:širina:visina) i odnos volumena i površine • kompleksnost obratka: simetričan, nesimetričan, detaljne informacije; • tolerancije izrade • hrapavost površine obratka • detalji na površini, npr. najmanji izvodivi polumjer zakrivljenosti na uglovima • minimalna veličina serije • brzina proizvodnje: vrijeme potrebno za proizvodnju jednog izratka (vrijeme proizvodnog ciklusa) • troškovi izrade (po jednom komadu)
Podloge za izbor postupka proizvodnje
CES- računalni program za izbor proizvodnih procesa (Cambridge Engineering Selector, Granta Design Ltd.
Razlozi proizvodnje dijelova postupcima metalurgije praha
Metali s vrlo visokim talištem (kao što su npr. W, Mo, Ta) se vrlo teško proizvode lijevanjem, a često su i krhki u lijevanom stanju. Kompozitni materijali koji se sastoje od dva ili više metala, koji nisu međusobno topivi niti u tekućem stanju ili mješavine metala s nemetalnim materijalima (kao što su npr. oksidi ili vatrootporni materijali) posebno su prikladni za izradu metalurgijom praha.U ovu grupu spadaju: materijali za elektro-kontakte, tvrdi metali (cermets) za alate, frikcijski materijali za kočnice i dr. Konstrukcijski (mehanički) dijelovi koji po količini čine najveću grupu PM proizvoda. Najveći dio njih otpada na dijelove iz željeznog praha ali značajne količine se proizvode također iz prahova: bakra, mjedi, bronce i aluminija, kao i nekih rijetkih metala (berilij, titan). Njihova mehanička svojstva su jednaka ili čak bolja od dijelova jednakog kemijskog sastava, dobivenih valjanjem ili kovanjem.
Porozni materijali, tj. namjerno i kontrolirano porozni materijali, koji služe za neku posebnu svrhu (npr. samopodmazujući ležaji). Posebnu grupu čine materijali visoke čvrstoće izrađeni iz praha, npr. brzorezni čelici, super legure na bazi Ni ili Co, koji daju svojstva bolja nego ona postignuta lijevanjem ili kovanjem istih legura. Prednost izrade iz praha je bolja iskoristivost (skupih) materijala i jednolično vrlo sitnozrnata mikrostruktura. To rezultira boljom otpornošću na trošenje i duljim vijekom trajanja proizvedenih dijelova.
Shematski prikaz faza izrade dijelova konvencionalnim postupkom PM
Tijek proizvodnje dijelova metalurgijom praha (PM)
Metalurgija praha je tehnološki postupak pomoću kojeg se proizvode čvrsta metalna ili nemetalna tijela (proizvodi) sjedinjavanjem čestica praška jednog ili više metala odnosno nemetala.
Proizvodnja PM proizvoda po industrijskim granama u SAD & Kanadi 1995
Godišnja proizvodnja prahova > 800.000 tona (polovica od toga SAD)
Proizvodnja PM proizvoda prema vrsti materijala u SAD & Kanadi
Primjeri proizvoda
Primjeri sinteriranih dijelova motora
Karakteristična primjena metalnih prahova
Karakteristični oblici čestica prahova
KARAKTERIZACIJA PRAHOVA 1. METALURŠKA SVOJSTVA
• Kemijski sastav • Struktura praškastih čestica • Mikrotvrdoća kemijska analiza metalografski izbrusak strukture mjerenje mikrotvrdoće
2. GEOMETRIJSKE KARAKTERISTIKE
• Raspodjela veličine zrna Analiza sita • Vanjski oblik zrna Scaning elektronski mikroskop • Unutarnja struktura zrna (porozitet) metalografski presjek praškastih čestica
3. MEHANIČKA SVOJSTVA
• Vrijeme (trajanje) tečenja Hall-ov mjerač protoka • Nasipna gustoća Punjenje posude normiranim • Stlačivost Tlačenje normiranog čepa , prikaz krivuljom • “Zelena” čvrstoća Savojna čvrstoća prešanog uzorka pravokutnog presjek • Elastični povrat otpreska Elastično produljenje prešanog čepa, d=25 mm
Mjerenje veličine zrnaca praha
najčešće se veličina zrnaca praha mjeri mrežicama različitih otvora Oznaka mrežice (Mesh count- MC)- pokazuje broj otvora na jedinicu dužine
Oznaka mrežice 200 znači da se na dužini od 25,4 mm (inch) nalazi 200 otvora Čestica praha je definirana kao najmanja više nedjeljiva jedinica. Općenito u PM koriste se čestice veće od čestica dima (0,01…1 µ m), ali manje od zrnaca pijeska (0,1…3 mm). Mnogi metalni prašci su dimenzija sličnih promjeru ljudske kose (25….200 µm).
Proizvodnja praha
• Atomizacijom, centrifugalna (plin, voda) • Kemijskim postupcima, dekompozicijom ili precipitacijom • Elektrolizom
Postupak plinske atomizacije
Proizvodnja praha-atomizacija
UREĐAJ ZA MEHANIČKO ISITNJAVANJE PRAHA
Kompaktiranje (prešanje)
• • • •
klasično kompaktiranje injekcijsko prešanje hladno izostatsko prešanje (CIP) toplo izostatsko prešanje (HIP)
Klasično kompaktiranje
Klasično kompaktiranje
Klasično kompaktiranje
Raspored gustoće otpreska od Ni praha uz jednosmjerno klasično kompaktiranje s pritiskom od 690 MPa. Niska gustoća pri dnu otpreska je posljedica prešanja samo jednim žigom!
Kompaktiranje kompleksnih dijelova
Kompaktiranje dijela s poprečnim otvorom
Kompaktiranje dijela s različitim visinama
Tlakovi za kompaktiranje razičitih metalnih prahova
Metal
Aluminium Mjed Bronca Željezo Tantal Volfram Ostali materijali Aluminium oksid Ugljik Karbidi Ferrites 110 - 140 140 - 165 140 - 400 110 – 165
Tlak (MPa)
70 - 275 400 - 700 200 - 275 350 - 800 70 - 140 70 - 140
Prof. dr. sc. Božidar Matijević Fakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Izbor proizvodnog postupka
Izbor proizvodnog postupka za konkretan proizvod neodvojivo je povezan s konstrukcijskim oblikovanjem i izborom materijala. Suvremene metode razvoja proizvoda simultano analiziraju različite konstrukcijsko-proizvodne varijante, mijenjajući konstrukcijske oblike, materijale i način proizvodnje različitim kvantitativnim metodama, uz pomoć informacijskih i CAMS sustava Za suvremenu proizvodnju osobito su prikladni tzv. nekonvencionalni postupci proizvodnje koji se razlikuju od uobičajenih klasičnih postupaka inženjerstva materijala (ljevački postupci, sinteriranje – postupci prerade polimera) većom raznovrsnošću primjenjivanih materijala, užim tolerancijama izradaka i boljim skladom s glavnim trendovima suvremene proizvodnje. Ovi trendovi obuhvaćaju ostvarivanje sljedećih pet zahtijeva: • skraćenje vremena od ideje do izlaska proizvoda na tržište (Rapid Prototyping and Manufacturing ); • obrada na konačni (ili približno konačni ) oblik (Net or Near Net Shape Forming); povećanje preciznosti izrade; • produljenje vijeka trajanja proizvoda primjenom tehnologija inženjerstva površina; • sniženje troškova proizvodnje
Izbor postupaka proizvodnje neodvojivo je povezan s konstrukcijskim oblikovanjem i izborom materijala Proizvodni proces mora osigurati željenu kvalitetu za zadani materijal, oblik, dimenzije, stanje površine, tolerancije izratka uz minimalne troškove i vrijeme izrade. Konstruktor treba biti upoznat s mogućnostima dostupnih proizvodnih procesa i njihovom usporedbom odabrati najprikladniji proces. Suvremene metode razvoja proizvoda simultano analiziraju različite konstrukcijsko-proizvodne varijante, varirajući konstrukcijske oblike, materijale i načine proizvodnje
Odnos između postupka proizvodnje, konstrukcije i izbora materijala
Parametri koji utječu na izbor postupka proizvodnje
• vrsta materijala: materijali prikladni za promatrani proizvodni postupak; • veličina obratka: najmanje i najveće ukupne mjere obratka (volumen ili masa) • oblik obratka: odnos dimenzija (dužina:širina:visina) i odnos volumena i površine • kompleksnost obratka: simetričan, nesimetričan, detaljne informacije; • tolerancije izrade • hrapavost površine obratka • detalji na površini, npr. najmanji izvodivi polumjer zakrivljenosti na uglovima • minimalna veličina serije • brzina proizvodnje: vrijeme potrebno za proizvodnju jednog izratka (vrijeme proizvodnog ciklusa) • troškovi izrade (po jednom komadu)
Podloge za izbor postupka proizvodnje
CES- računalni program za izbor proizvodnih procesa (Cambridge Engineering Selector, Granta Design Ltd.
Razlozi proizvodnje dijelova postupcima metalurgije praha
Metali s vrlo visokim talištem (kao što su npr. W, Mo, Ta) se vrlo teško proizvode lijevanjem, a često su i krhki u lijevanom stanju. Kompozitni materijali koji se sastoje od dva ili više metala, koji nisu međusobno topivi niti u tekućem stanju ili mješavine metala s nemetalnim materijalima (kao što su npr. oksidi ili vatrootporni materijali) posebno su prikladni za izradu metalurgijom praha.U ovu grupu spadaju: materijali za elektro-kontakte, tvrdi metali (cermets) za alate, frikcijski materijali za kočnice i dr. Konstrukcijski (mehanički) dijelovi koji po količini čine najveću grupu PM proizvoda. Najveći dio njih otpada na dijelove iz željeznog praha ali značajne količine se proizvode također iz prahova: bakra, mjedi, bronce i aluminija, kao i nekih rijetkih metala (berilij, titan). Njihova mehanička svojstva su jednaka ili čak bolja od dijelova jednakog kemijskog sastava, dobivenih valjanjem ili kovanjem.
Porozni materijali, tj. namjerno i kontrolirano porozni materijali, koji služe za neku posebnu svrhu (npr. samopodmazujući ležaji). Posebnu grupu čine materijali visoke čvrstoće izrađeni iz praha, npr. brzorezni čelici, super legure na bazi Ni ili Co, koji daju svojstva bolja nego ona postignuta lijevanjem ili kovanjem istih legura. Prednost izrade iz praha je bolja iskoristivost (skupih) materijala i jednolično vrlo sitnozrnata mikrostruktura. To rezultira boljom otpornošću na trošenje i duljim vijekom trajanja proizvedenih dijelova.
Shematski prikaz faza izrade dijelova konvencionalnim postupkom PM
Tijek proizvodnje dijelova metalurgijom praha (PM)
Metalurgija praha je tehnološki postupak pomoću kojeg se proizvode čvrsta metalna ili nemetalna tijela (proizvodi) sjedinjavanjem čestica praška jednog ili više metala odnosno nemetala.
Proizvodnja PM proizvoda po industrijskim granama u SAD & Kanadi 1995
Godišnja proizvodnja prahova > 800.000 tona (polovica od toga SAD)
Proizvodnja PM proizvoda prema vrsti materijala u SAD & Kanadi
Primjeri proizvoda
Primjeri sinteriranih dijelova motora
Karakteristična primjena metalnih prahova
Karakteristični oblici čestica prahova
KARAKTERIZACIJA PRAHOVA 1. METALURŠKA SVOJSTVA
• Kemijski sastav • Struktura praškastih čestica • Mikrotvrdoća kemijska analiza metalografski izbrusak strukture mjerenje mikrotvrdoće
2. GEOMETRIJSKE KARAKTERISTIKE
• Raspodjela veličine zrna Analiza sita • Vanjski oblik zrna Scaning elektronski mikroskop • Unutarnja struktura zrna (porozitet) metalografski presjek praškastih čestica
3. MEHANIČKA SVOJSTVA
• Vrijeme (trajanje) tečenja Hall-ov mjerač protoka • Nasipna gustoća Punjenje posude normiranim • Stlačivost Tlačenje normiranog čepa , prikaz krivuljom • “Zelena” čvrstoća Savojna čvrstoća prešanog uzorka pravokutnog presjek • Elastični povrat otpreska Elastično produljenje prešanog čepa, d=25 mm
Mjerenje veličine zrnaca praha
najčešće se veličina zrnaca praha mjeri mrežicama različitih otvora Oznaka mrežice (Mesh count- MC)- pokazuje broj otvora na jedinicu dužine
Oznaka mrežice 200 znači da se na dužini od 25,4 mm (inch) nalazi 200 otvora Čestica praha je definirana kao najmanja više nedjeljiva jedinica. Općenito u PM koriste se čestice veće od čestica dima (0,01…1 µ m), ali manje od zrnaca pijeska (0,1…3 mm). Mnogi metalni prašci su dimenzija sličnih promjeru ljudske kose (25….200 µm).
Proizvodnja praha
• Atomizacijom, centrifugalna (plin, voda) • Kemijskim postupcima, dekompozicijom ili precipitacijom • Elektrolizom
Postupak plinske atomizacije
Proizvodnja praha-atomizacija
UREĐAJ ZA MEHANIČKO ISITNJAVANJE PRAHA
Kompaktiranje (prešanje)
• • • •
klasično kompaktiranje injekcijsko prešanje hladno izostatsko prešanje (CIP) toplo izostatsko prešanje (HIP)
Klasično kompaktiranje
Klasično kompaktiranje
Klasično kompaktiranje
Raspored gustoće otpreska od Ni praha uz jednosmjerno klasično kompaktiranje s pritiskom od 690 MPa. Niska gustoća pri dnu otpreska je posljedica prešanja samo jednim žigom!
Kompaktiranje kompleksnih dijelova
Kompaktiranje dijela s poprečnim otvorom
Kompaktiranje dijela s različitim visinama
Tlakovi za kompaktiranje razičitih metalnih prahova
Metal
Aluminium Mjed Bronca Željezo Tantal Volfram Ostali materijali Aluminium oksid Ugljik Karbidi Ferrites 110 - 140 140 - 165 140 - 400 110 – 165
Tlak (MPa)
70 - 275 400 - 700 200 - 275 350 - 800 70 - 140 70 - 140
