Metalurgia pulberilor este o ramură nouă și importantă a tehnicii și tehnologiei moderne, a cărei apariție a fost determinată de necesitatea de a… [306033]

CAPITOLUL I

METALURGIA PULBERILOR

I. 1 Metalurgia Pulberilor

Metalurgia pulberilor este o ramură nouă și importantă a tehnicii și tehnologiei moderne, a cărei apariție a fost determinată de necesitatea de a obține materiale cu caracteristici deosebite care nu se pot obține prin procedee clasice. [anonimizat], [anonimizat], a instrumentelor electrice de măsură, a televizoarelor și chiar in industria aeronautică nu pot fi concepute fără utilizarea pieselor și materialelor speciale obținute din pulberi metalice.

Procesul tehnologic de fabricație a [anonimizat], forjare, matrițare, așchiere, etc. ajungîndu-[anonimizat], costisitoare și de lunga durată. [anonimizat], [anonimizat].

Procesul tehnologic de fabricație a pieselor sinterizate cuprinde următoarele faze:

[anonimizat], staniu, plumb, grafit, lubrifianti si lianti;

Omogenizarea pulberilor sau a unui amestec de pulberi cu compozitia dorita;

Obtinerea prin presare sau alte metode a compimatelor din pulberi metalice;

[anonimizat]-o admosfera protectoare;

Calibratea pieselor sinterizate;

Prelucrarea mecanica sau alte prelucrari de finisare a pieselor sinterizate;

Impregnarea cu uleiuri sau aliaze usor fuzibile a pieselor sinterizate;

Controlul și receptia produselor sinterzate;

In figura următoare este prezentat schematic procesul tehnologic de obtinere a pieselor sinterizate.

Fig. 1 Procesul tehnologic de obținere a pieselor sinterizate [2]

Această metodă asigură produselor și materialelor sinterizate o compozitie precisă și uniformă. [anonimizat], cum ar fi wolframul.

[anonimizat] o [anonimizat], [anonimizat]. Important și avantajos este și faptul că utilajele necesare in tehnologia de fabricație a produselor sinterizate sunt universale la schimbarea reperului sau produsului fiind necesară numai inlocuirea matriței de presare și de calibrare. [anonimizat], automatizarea și robotizarea fabricației sunt usor realizabile și duc la cresterea productivității muncii.

Preparare a amestecului din care urmează a fi realizate piesele sinterizate necesită mixarea a doua sau mai multor tipuri de pulberi sau a mai multor sorturi din acelas tip de pulbere cu ingredenți nemetalici. [anonimizat] a [anonimizat] a sculelor și uzura sculelor.

I. 2 Principul metodei și proprietățile pulberilor

Pulberearea prezintă principală componentă din materia primă folosită la elaborarea pieselor prin tehnologia compactarii pulberilor metalice. (alături de aditivi, lubrefianți, etc.)

Pulberea se poate defini ca o multitudine de particule sau granule având dimensiuni mici (sub 1 mm), de regulă sub 400 μm (1 -400 μm pentru metale).

Esența procesului de obținere a produselor din pulberi metalice o constituie operațiile de formare (cu sau fără presare) și de sinterizare, care determină apariția și creșterea suprafețelor de contact și stabilirea legăturilor interatomice între particule (fig. 1.1).

Fig. 1.1. Formarea legăturilor între granulele pulberii.[3]

Conducerea corectă a procesului de formare a legăturilor de consolidare, de care depinde esențial calitatea produselor, implică cunoașterea si controlul unor proprietăți ale pulberilor.

Proprietățile pulberilor se pot clasifica in 3 grupe:

1. Proprietăți fizice;

2. Proprietăți chimice;

3. Proprietăți tehnologice;

1. Proprietățile fizice:

a) Forma exterioara a granulelor de pulbere;

b) Calitatea suprafeței particulelor;

c) Suprafața specifică a granulei;

d) Repartiția granulometrică;

e) Mărimea particulei granulei;

Forme exterioare a granulelor de pulbere (fig 1.2)

Fig 1.2 Forme exterioare a granulelor de pulbere [4]

Forme de pulberi privite la microscop.(fig 1.3)

Fig 1.3 Forme de pulberi [4]

Calitatea suprafetei particulelor de pulbere:

Neteda;

Neregulata;

Poroasa;

Colturoasa;

Cu fisuri;

Fig 1.4 Calitatea suprafeței particulelor privite la microscop.[4]

c) Suprafața specifică a granulei;

Este determinată de raportul dintre suprafața și greutatea unei cantități de pulbere măsurate in condiții de laborator. Suprafața specifică a granulei se masoara in .

Raportul creste odată cu scaderea dimensiunii granulelor. Raportul creste cu cît suprafața granulelor este mai neregulată.

Repartiția granulometrica respectă standardul EN 2395 ,ISO 3995-95;

Repartitia granulometrica este determinată de proporția din fiecare fractie de pulbere raportată la masa totală.

Marimea orificiilor sitelor folosite pentru cernerea pulberii are următoarele valori 40 um (0,040mm) ,43, 63, 71, 80, 100, 125, 150, 200, 250, 300. 350, 400.

2. Proprietăți chimice.

Compozitia chimica;

Rezistența la coroziune și la oxidare;

3.Proprietăți tehnologice:

a) Densitatea aparentă de umplere;

b) Densitate relativă de umplere (compactitatea de umplere);

c) Densitatea de scuturare (tasare);

d) Factorul de umplere ( Fu);

e) Fluiditate, (capacitate de curgere,vitezade curgere);

f) Presabilitatea (compresibilitate);

g) Stabilitatea formei presatului.

I.2.1 Densitatea aparentă de umplere

Densitatea aparentă se exprimă prin masa pe unitatea de volum a unei anumite mărci de pulbere, în condiții standardizate (SRISO 3923-1 și SRISO 3923-2, doar atunci cînd pulberea curge liber). Din punct de vedere practic, cunoașterea densității aparente este importantă la dimensionarea sculelor pentru compactizare sau alte metode de formare. Astfel, volumul cavității matriței în care se realizează presarea pulberilor trebuie să permită introducerea prin curgere liberă a unei cantități necesare de pulbere. Cu cât pulberea este mai afânată după curgere, adică are o densitate aparentă mai mică, volumul necesar al cavității matriței va fi mai mare.

La compactizarea pulberilor, reducerea de volum se face în primă instanță prin rearanjarea particulelor, iar reducerea de volum va fi cu atît mai mare cu cît densitatea aparentă după curgere este mai mică, raportat la densitatea teoretică a materialului respectiv. Acest raport dintre densitatea aparentă a pulberilor și densitatea teoretică a materialului determină valorile curselor de presare, la valori cu atît mai mari cu cît acest raport are valori mai mari.

Se noteaza cu ρa = [g/cm3] .

Dispozitivele folosite pentru determinarea aparenta de umplere sunt Fluometru (a) sau Volumetru Skott (b). Figura 1.5.

Figura 1.5 a) Fluometru, b) Volumetru Skott.[4]

I.2.2 Densitate relativă de umplere (compactitatea de umplere).

Se definește ca raportul dintre densitatea aparentă (ρa) de umplere (determinată cu fluometru) și densitatea reală a materialului din care este compusă pulberea ρm.

Notatie Cu % = 100

Compactitatea constitue un criteriu important pentru evaluarea litatilor unor materiale, intrucat există o stransă corelație intre această proprietate și caracteristicile de rezistență, durabilitate, capacitate de izolare termica și fonică.

I.2.3 Densitatea de scuturare (tasare)

Prin tasarea sub șocuri mecanice, în condiții standardizate (SR ISO 3953-93), volumul de umplere al unei cantități de pulbere date se micșorează, respectiv densitatea aparentă a pulberii crește. Cunoașterea valorii densității de tasare este importantă în proiectarea matrițelor de presare a pulberilor deoarece permite reducerea gabaritului lor.

Se noteaza cu ρt = [g/cm3]

Dispozitiv utilizat: dispozitivul de scuturare (fig. 1.6).

Densitatea de scuturare se definește ca fiind masa unității de volum a unei pulberi dintr-un recipient ,tasată în condiții specifice. Practic se raporteaza masa a 100 g de pulbere la volumul în cm3 ocupat de aceasta într-un cilindru gradat după tasare prin scuturare timpde 3 minute.

Fig. 1.6 Dispozitv de scuturare [5]

I.2.4 Factorul de umplere ( Fu)

Se defineste ca raportul dintre înălțimea pulberii liber vărsată (hu) în matriță și înălțimea

presatului (hp) măsurată după scoaterea din matriță.

Se noteaza cu Fu = [%]

Fig. 1.7 Schema principiului presarii. [4]

I.2.5 Fluiditatea (capacitate de curgere, viteza de curgere).

Capacitatea de curgere este o caracteristică tehnologică a unei mase de pulbere iar importanța ei este dată de influența pe care o are asupra productivității operației de presare a produselor din pulberi. Ea determină durata de alimentare cu pulbere a matrițelor și are o influență directă asupra unui ciclu de presare a produselor.

Evaluarea capacității de curgere a unei mase de pulbere, denumită și fluiditate, se determină prin măsurarea timpului necesar trecerii libere a unei cantități determinate de pulbere, printr-un orificiu calibrat (STAS 8651-88). Fluiditatea se notează cu Fla, și se determină cu relația:

Fla = (m/t), [g/s]

în care: t- timpul de curgere liberă a masei de pulbere ,,m’’ prin orificiul calibrat, [s];

m – masa pulberii, [g].

Dispozitivul folosit este fluometru. (fig. 1.5a )

Se defineste ca timpul necesar în secunde, masurat cu un cronometru, pentru ca 50 g de pulbere (uscată) să treacă prin orificiul standardizat al pâlnei fluometrului.

I.2.6 Presabilitatea (compresibilitate)

Este o proprietate tehnologică importantă pentru fabricarea pieselor prin procedeele metalurgiei pulberilor. În principiu compresibilitatea caracterizează capacitatea unei mase de pulbere de a fi compactizată (densificată) sub acțiunea presiunii de compactizare. Cunoscându-se presabilitatea unei anumite pulberi se poate determina densitatea pe care o asigură o anumită presiune de compactizare, precum și scăderea de volum a masei de pulbere, ca urmare a presării. Este proprietatea ce caracterizează comportamentul unei pulberi la operația de presare într-o matriță la diferite presiuni exterioare de compactizare.

Din punct de vedere cantitativ, presabilitat2936ea poate fi exprimată prin valoarea densității obținute la o anumită presiune de compactizare aplicată. Determinările experimentale conduc practic la trasarea curbei de presabilitate (compresibilitate), de regulă, în coordonatele: densitatea comprimatului (presatului) – presiunea de compactizare (fig. 1.9). Curba pornește din punctul corespunzător densității aparente a pulberii, iar la presiuni de compactizare mari , tinde spre valoarea densității teoretice a materialului pulberii, respectiv spre compactitatea de 100% și porozitate nulă.

Fig. 1.8 Matrița pentru determinarea presabilității [6]

Fig. 1.9 Se prezintă curba de presabilitate [6]

I.2.7 Stabilitatea formei presatului

Conform SR EN2395 și ISO395-9 se determină rezistenta muchiilor semifabricatului si pierderea de material.

I.3 Principalele caracteristici ale metalurgiei pulberilor

Metalurgia publerilor are menirea să completeze nonmenclatorul produselor fabricate in industrie, ea oferind in anumite cazuri, unica solutie rationala, avantajoasa, la elaborarea unor materiale si produse cu proprietăți special, care nu pot fi obtinute prin procedee tehnologice clasice. Se obtin astfel piese la o calitate superioara, cu un continut minim de metal, cu o productivitate ridicata. Prin obținerea unei serii de metale si aliaje cu o temperatura de topire ridicata.

In prezent metalurgia pulberilor sta la baza obtinerii urmatoarelor tipuri de material:

metale si aliaje utilizate in electrotehnica;

materiale dure pe baza de carburi metalice, nitruri, siliciuri etc.;

materiale sinterizate poroase cu caracteristici autolubrifiante;

materiale și aliaje de mare puritate, cu o structură fină și omogenă;

materiale cu o compozitie foarte variata, fară a lua in considerare solubilitatea reciprocă constituenților metal-compuși și metalelor (carbura de wolfram-cobalt), metal- metaloizi (cupru – grafit), metal – mase plastice (fier-bachelita, bronz – teflon).

In perioada actuala tendintele pe plan mondial se pot grupa astfel:

reciclarea deseurilor;

dezvoltarea noilor tehnologii ale metalurgiei pulberilor;

reducerea consumului de materiale.

Tehnologiile de procesare a pulberilor duc la creșterea productivității și eficienței economice, datorită consumului redus de materii prime, energie și muncă fizică. Importanța tehnică și economică aplicării metalurgiei pulberilor rezultă din câteva avantaje importante:

coeficient ridicat de utilizare a materialului prin eliminarea pierderilor tehnologice;

asigurarea unei compoziții precise și uniforme ;

posibilitatea obținerii pieselor sinterizate la dimensiunile și forma geometrică finală;

posibilitatea obținerii unor materiale și produse cu proprietăți speciale, ce nu pot fi elaborate prin procedee clasice ;

posibilitatea înlocuirii unor materiale scumpe ;

posibilitatea de automodificare a proceselor ;

ciclul tehnologic de folosire duce la eliminarea utilajelor și liniilor de prelucrare cu defecte economice privind reducerea consumului de energie și manoperă .

Obținerea pieselor metalice prin diferitele tehnologii duce la clasificarea acestora:

piese realizate prin tehnologii clasice (turnarea, deformare plastică,prelucrăriprin așchiere) dar la care se utilizează cantități mari de materiale, energiei și forță de muncă, în raport cu metalurgia pulberilor, care simplifică procesul de producție, pierde foarte puțină materie primă și elimină în cea mai mare parte așchierea ;

piese care nu se pot executa prin tehnologii clasice, datorită refractarității înalte sau combinațiilor structural complexe, condițiilor de porozitate sau alte situații în care metalurgia pulberilor suplinește tehnologiile clasice ;

combinații între metale și nemetale și game diverse de compozite specific numai metalurgiei pulberilor.

Efectele pozitive ale metalurgiei pulberilor au dus la o dezvoltare rapidă pe plan mondial astfel încât se poate reda evoluția pieselor din pulberi de fier, oțel sau cupru în lume. Exemple de produse obținute prin metalurgia pulberilor se pot arăta în figurele 1.10 a si 1.10 b .

Fig. 1.10 a Exemple de piese obtinute prin metalugia pulberilor.[7]

Fig 1.10b Roți dințate obtinute prin metalugia pulberilor. [7]

Cel mai mare consum de materiale obținute prin metalurgia pulberilor fiind în Japonia se poate arăta distribuția acestora în cele mai importante domenii industriale astfel, se utilizează peste 80% produse obținute prin metalurgiea pulberilor în construcția de autovehicule iar ponderi mai mici în mașini electrice , mașini industriale sau alte utilizări, figura 1.11.

Fig 1.11.Distribuția de materiale sinterizate în domeniile industriale [8]

În Romania a fost introdusă pe un plan scăzut în industria constructoare de mașini, electrotehnică, mecanică fină etc. Primele cercetări în domeniul metalurgiei pulberilor au fost în activitatea ICEM la începutul anului 1960, unde au început cercetări asupra materialelor poroase pe bază de fier, fier- grafit, cu sau fără adaosuri de cupru, plumb și alte elemente de aliere. Cercetarea a dovedit utilizarea produselor obținute sub formă de pulberi sau direct în producție sub forma unor produse sinterizate.

Primele cercetări au provenit din partea industriei electrotehnice și constructoare de mașini. Fabricația periilor electrice necesită pulberi de cupru de calitate corespunzătoare iar în construcția de mașini necesitatea unor piese autolubrifiante. Prin urmare se fac cercetări în domeniile amintite ce au dus la trecerea în fază industrială, la Sinterom Cluj- Napoca cât și la Universitatea din Craiova.

Dezvoltarea industriei și introducerea pe scară largă de aliaje dure sinterizate în ramurile constructoare de mașini a determinat o activitate de cercetare amănunțită în baze de cercetare. Creșterea anuală a cantității de materiale sinterizate și pieselor de rezistență obținute prin metelurgia pulberilor se înregistrează în industria constructoare de mașini, tabelul 1.

Tabelul 1 Utilizarea pieselor din pulberilor metalice[8]

Cercetările asupra metalurgiei pulberilor în țară sunt modeste față de țările puternic industrializate, domeniul fiind considerat o posibilitatea de explorare pentru tinerii cercetători.

I.3.1 Avantajele principale ale metalurgiei pulberilor

Metalurgia pulberilor asigură realizarea mai completă a tendințelor modeme de producție

fabricarea în masă, consumul relativ mic de energie la fabricarea pieselor de calitate înaltă, utilizarea completă a materialului inițial, automatizarea, introducerea controlului static al calității.

De exemplu, la fabricarea roții dințate din pulberi metalice coeficientul de utilizare a materialului este de 95%, consumul energetic – de 29 MJ/kg. La piesele turnate acești indici au

valorile de 90% și 30 – 38 MJ/kg, iar după prelucrare mecanică 40 – 50% și 66 – 82MJ/kg. [1]

Roțile dințate sinterizate posedă caracteristici de rezistență înalte, condiții bune de

lubrifiere. Metalurgia pulberilor permite fabricarea pieselor cu forme complicate, uneori imposibil

de fabricat prin alte metode, prin producerea roților cu dimensiuni finale, elimină sau minimizează prelucrarea ulterioară. Roțile dințate sinterizate au porozitate controlată pentru asigurarea autolubrifierii (cavitatea porilor reprezintă buzunare în care se acumulează lubrifiant).

În tabelul 2 este prezentată o analiză comparativă multicriterială a diverselor metode de

fabricare a pieselor metalice.

Tabelul 2. Metalurgia pulberilor comparativ cu alte tipuri de fabricare [1]

Pentru proiectarea corectă a formelor de presare a roților dințate din pulberi metalice, trebuie luate în calcul procesele care au loc în cavitatea de formare a piesei sub acțiunea presiunii. La deplasarea pulberii sub acțiunea presiunii exercitate de poanson, fiecare granulă are tendința de a evita această presiune, deplasându-se în direcția rezistenței minime. Ea se deplasează nu numai în direcția presării, ci și spre mijlocul matriței, astfel apare o scufundare a straturilor orizontale de pulberi de forma unui con aplatizat sau a unei calote.

La un reper presată unidirecțional cu simplă acțiune, cea mai mare densitate se află în zona

periferică de sub poansonul de presare, iar cea mai mica în zona periferică din apropierea zonei de închidere a matriței. Diferențele de densitate depind de înălțimea pulberii ce urmează a fi compactată, de calitatea suprafețelor matriței și a părților sculelor solicitate la frecare (miezurile pentru formarea orificiilor), de comportarea pulberii la curgere, mărimea frecării interioare, deformabilitatea pulberii. Sculele utilizate au o construcție simplă, de aceea poate fi folosit orice tip de presă hidraulică.

În cazul dublei acțiuni, presiunea acționează pe ambele poansoane, inferior și superior, ceea ce determină o descreștere a densității în direcția propagării presiunii numai în jumătate din înălțimea piesei presate, obținându-se distribuții aproximativ uniforme. În starea finală, în mijlocul piesei presate rămâne o zonă dependentă de înălțimea totală a piesei, cu densitatea mai mult sau mai puțin redusă față de densitatea totală a piesei. Această zonă se recunoaște printr-un aspect mai mat, deoarece granulele s-au deplasat mai puțin față de peretele matriței, datorită frecării lor pe acești pereți, se numește zona neutră și este întotdeauna în centrul piesei, fiindcă conul de presiune este simetric față de ambele poansoane.

De amintit că duritatea roților dințate obținute prin presare din pulberi metalice este foarte mică. Pentru a mări duritatea lor, piesele sunt sinterizate. În acest caz ele sunt încălzite până la o temperatură mai joasă decât punctul de topire al metalului, de regulă, în medii de gaze dirijate.

In multe cazuri lubrifierea clasică în baie de ulei este dificilă sau imposibilă. În acest caz, în amestecul de pulberi metalice se adaugă lubrifianți solizi, aleși în funcție de condițiile de funcționare, de tipul pulberii etc. Pe lângă faptul că lubrifiază flancurile dinților, lubrifianții sunt substanțe chimice utilizate în metalurgia pulberilor pentru a determina o distribuție uniformă a presiunii în timpul compactării pulberilor și pentru a ușura ejecția presatului din matriță.

Ca și dezavantaj este faptul ca apare datorită utilizării lubrifianților și lianților carbonul rezidual ce afectează proprietățile fizice, mecanice și chimice ale pieselor sinterizate; oxizii ce influențează proprietățile tehnologice ale pieselor sinterizate; în zona de răcire a cuptorului, în timpul eliminării lubrifianților se formează reziduuri solide sau lichide.

Pentru fabricarea roților dințate cu destinație generală se utilizează pulberi metalice slab aliate, obținute prin metode mecanice de pulverizare cu apă sau ulei prin metode chimice de reducere (prin recoacere de difuzie). Grație avantajelor pe care le posedă roțile dințate sinterizate, actualmente pe piața producătorilor activează firme recunoscute, printer care: Powder Metalhirgy Company, ASCO Sintering, ARC Metals Corp. (SUA), Hoeganaes Corporation Europe GmbH (Germania, SUA, Belgia, Suedia), Mitsubishi Materials PMG Corporation (Japonia), în total peste 100 de firme. Printre ele se evidențiază Compania americană ASCO Sintering care, cu o experiență în domeniu de peste 50 de ani, este lider în fabricarea pieselor cu configurații complicate din pulberi feroase și neferoase: oțeluri slab aliate, oțeluri aliate, cupru, bronz, fier magnetic moale etc. (fig. 1.12).

Fig.1.12. Roți dințate fabricate din pulberi metalice. [8]

I.3.1.1 Fabricarea roților dințate de dimensiuni mici prin sinterizare din pulberi metalice.

Pentru producerea componentelor se utilizează procesul de microfabricare prin sinterizare din pulberi metalice. Procesele de dozare a materialului și de presare sunt identice cu cele din metodele convenționale.

În fig. 1.13 a, b, c, d se prezintă mostre de microroți dințate sinterizate din pulberi metalice. Se atestă o calitate înaltă a flancurilor dinților și a suprafețelor de bazare ale roților dințate.

Avantajul de bază pe care îl are tehnologia fabricării roților dințate prin sinterizare, sunt

automatizarea proceselor de presare și sinterizare, fapt ce asigură o productivitate înaltă.

Fig. 1.13 [1]

Fabricarea microsistemelor este încă deosebit de costisitoare. De exemplu, un microreductorul planetar în trei trepte, destinat unui microsistem cu destinație medicală, a costat

200000 dolari SUA. În concluzie se poate afirma cu certitudine că dezvoltarea microtehnologiilor moderne va reduce simțitor costul microsistemelor care își găsesc noi și noi utilizări. [1]

I.3.2 Avantajele si dezavantajele procesarii prin metode

specifice metalurgiei pulberilor

Avantajele

Sinterizarea necesită temperaturi inferioare temperaturii de topire a componentului principal;

Produsele finite au compozitie precise și uniforma, asigurand constanta proprietatilor in toata masa piesei;

Consumurile de materiale reduse;

Este posibilă inlocuirea materialelor scumpe cu materiale obținute prin metalurgia pulberilor;

Se pot obține materiale noi, imposibil de opținut prin metode clasice, WCu, AgCd;

Permite obținerea materialelor poroase cu dimensiuni și orientare dirijată;

Procesarea pieselor se poate realiza la cote si forme finite;

Pierderile de material nu depasesc 5-10%;

Utilaje și tehnologii simple;

Invesții reduse;

Permite automatizarea proceselor;

Productivitate mare, apoximativ 10-20 piese pe minut, aproximativ 15000 piese pe zi;

Numar de muncitori redus, 4-6 muncitori pe tura;

Se pot obține materiale de puritate chimica ridicată;

Investiția spatiu–utilaj mai mică;

Prețul de cost pe produs mai redus;

Dezavantajele:

Procedeul este avantajos pentru serii de fabricație mari, minim 2000-2500 la piese complicate, 10000-15000 piese mici complexitate redusă;

Pulberile pot avea preț de cost ridicat;

Forma exterioară și dimensiunea pieselor este limitată:

Raprtul inaltime / diametru nu poate depăși valoarea de 2-2,5;

Secțiunea in plan transversal nu poate depași s=100-150 mm2;

Nu este posibilă execuția pieselor cu forme complicate;

Compactitatea nu este de 100% ;

Porozitatea 3, 5, 10, 15 %, procedeele speciale pot reduce porozitatea la 0%,

I. 4 Economicitatea tehnologilor prin agregare de pulberi

Tehnologiile de prelucrare prin agregare de pulberi, comparativ cu procesele de turnare și de deformare plastică, asigură o utilizare mai intensivă a metalului și o importantă economie de metal, prin reducerea accentuată a adaosurilor de prelucrare prin așchiere.

Aceste avantaje devin evidente, in special in cazul materialelor metalice scumpe și deficitare, de exemplu superaliaje pe bază de nichel și cobalt, aliaje de titan, oțeluri anticorozive și refractare, oțeluri rapide etc. Este concludent, în acest sens, cazul fabricării discurilor pentru motoarele turboreactive pentru aviație din superaliaje pe bază de nichel, când, tehnologiile de topire prin inducție (TIV), de retopire cu arc sub vid (RAV) și a prelucrării lingourilor retopite prin forjare liberă și matrițare, urmate de prelucrări prin așchiere, necesită consumuri de metal foarte mari (pentru o piesă finită de 11 kg se pornește inițial de la un semifabricat de 200 kg, așa după cum rezultă din figura 1.14. [9]

Fig. 1.14 Gradul de utilizare a metalului la fabricarea discurilor de turbină din superaliaje pe bază de nichel prin tehnologia convențională.[9]

Comparație între costurile de producție la fabricarea discurilor de turbină din superaliaje pe bază de nichel prin procedeele convențional și neconvențional, reprezentata in fig 1.15.

Fig 1.15. [9]

În figura 1.15 este reprezentată comparativ structura costurilor de producție la fabricarea discurilor de turbină din superaliaje pe bază de nichel prin procedeul convențional (turnare si forjare), respectiv forjare convențională si compactare izostatică (procedeul HIP), din care rezultă eficiența economică a tehnologiei de prelucrare prin agregare de pulberi.

CAPITOLUL II

FLUXUL TEHNOLOGIC DE OBȚINERE A PIESELOR PRIN COMPACTAREA PULBERILOR

II.1 Fluxul tehnologic de obtinere a pieselor prin compactarea pulberilor

În seria procedeelor de prelucrare dimensională a metalelor au pătruns, din ce în ce mai mult tehnologiile de prelucrare prin agregare de pulberi metalice, care, în ultimele două decenii, au dobândit largi aplicații în toate ramurile industriei. Aceste tehnologii, spre deosebire de cele clasice – bazate pe procesele de topire, turnare și deformare plastică a metalelor- constau în obținerea și utilizarea pulberilor metalice, ca atare, sau sub forma produselor compactizate și sinterizate.

În esență, prelucrarea prin agregare de pulberi constă din următoarele etape principale:

obținerea pulberilor de metale (sau combinații metalice și metaloide);

amestecarea pulberilor de diferite tipuri;

compactizarea (în general prin presare) a pulberilor omogenizate, în anumite forme și dimensiuni;

tratamentul termic al semifabricatelor și pieselor rezultate prin compactizare;

prelucrări mecanice de rectificare și superfinisare.

Pulberea este materialul alcătuit din particule (granule) de metale pure, aliaje, de compuși intermetalici sau de amestecuri mecanice ale mai multor componenți și ale căror dimensiuni pot varia în limitele 0,1…1000 μm. Mărimea granulelor utilizate în agregarea pulberilor, pe scară industrială, este însă cuprinsă în limite mai restrânse (1…400 μm).

După scopul urmărit, tehnologiile de obținere a produselor din pulberi sunt aplicate pentru:

– realizarea de produse din materiale metalice ce nu pot fi elaborate și prelucrate prin tehnologiile clasice de topire-turnare;

– realizarea de produse (din materiale care pot fi prelucrate prin topire) care nu mai necesita prelucrari ulterioare (roți dințate, came, tacheți, pistoane, segmenți, magneți).

După compactitatea lor se pot obține: piese cu porozitate mare si produse cu densități ridicate.

A. Piesele cu porozitate mare (10 – 40%) au diferite destinatii: filtre metalice (din oțel inoxidabil), electrozi poroși (din Ni, Ag), cuzineți poroși autoungători (din bronz);

B. Produsele cu densitati ridicate, cu grad de consolidare ridicat pot fi:

– pseudoaliaje pentru contacte electrice (W-Ag, W-Cu, Mo-Cu) carora li se impune o conductibilitate termică și electrica ridicate, rezistență la uzură și nu se pot obtine prin turnare;

– cermeturile obținute din pulberi metalice și ceramice (oxizi, carburi) din care se confectionează placuțe pentru scule așchietoare (WC, TiC, Co) sau contacte electrice (CdO-Ag);

– materiale mineralo-ceramice dure (din oxizi metalici refractare ) utilizate pentru duze și pentru armarea sculelor așchietoare;

– materiale sinterizate pentru combustibili nucleari (oxizi, carburi, nitruri ai metalelor radioactive: UO2, PuO, UC ThC2, PuN), moderatori sau reflectori de neutroni;

– materiale magnetice de tip ferit: MeOFe2O3 (metal bivalent: Ni, Ca, Cu, Zn, Ba);

– magnet sinterizat din fier, aluminiu-nichel-cobalt (Alni, Alnico);

– materiale cu proprietăți deosebite: pastile pentru termistoare (CuO, Mn, S2Ag) sau varistoare (CSi);

– compactele cu diamante (materiale compozite: cobalt, carburi, diamante utilizate la confectionarea sapelor de foraj, filierelor etc.);

– metale și aliaje refractare (W, Nb, Mo) in stare ductilă (puritate chimica imposibil de realizat prin procedeele clasice);

– materiale de fricțiune care se elaboreaza pe baza de fier, cupru sau bronz cu pana la 30% componenti nemetalici. Se folosesc pentru ambreiaje, frane sub formă de segmente aplicate sau prin aderenta rezultata in timpul sinterizarii. [3]

Schema generală de fabricare a pieselor din pulberi metalice este prezentată in fig. 2.1

Fig. 2.1 Schema generală de fabricare a pieselor din pulberi metalice. [4]

Etapele obținerii pieselor prin compactarea pulberilor metalice :

1. Elaborarea pulberilor:

– pulbere brută ;

2. Pregătirea amestecului de pulberi:

-Sortare;

-Cernere;

-Dozare;

-Omogenizare

3. Obținerea pulberei finite;

4. Formarea semifabricatelor;

5. Sinterizarea (0,8-0,85 din temperature de topire a componetei principale);

6. Operații post sinterizare;

-Represare;

-Infiltrare;

-Calibrare;

-Sudare;

-Prelucrare mecanică.

II.1.2 Produse ale metalurgiei pulberilor

Prin tehnologiile Metalurgiei pulberilor se realizează 3 clase de produse:

1. materii prime:

a) pulberi : metalice : -pentru piese sinterizate;

nemetalice : -pentru electrozi desudură;

-pentru tăiere cu flacără;

-pentru acoperiri prin metalizare;

-pentru defectoscopie;

-pentru pirotehnie;

-pentru purificarea magnetică a semințelor;

b) lubrefianți;

c) aditivi;

2. produse finite;

3. semifabricate: -table și benzi laminate;

-lingouri (din pulberi presate);

-produse extrudate;

II.1.3 Folosirea pulberilor in industrie

Pulberi metalice și nemetalice:

•pulberi pentru coloranți;

•pulberi abrazive;

•pulberi pentru învelișul electrozilor de sudură;

•pulberi magnetice pentru copiatoare, defectoscoape, fluide magnetice;

•pulberi destinate industriei alimentare;

•pulberi destinate agriculturii;

•pulberi pentru materiale compozite ca elemente de ranforsare;

•pulberi pentru tăiere cu flacără oxigaz sau plasmă;

•pulberi destinate materialelor stomatologice (amalgam);

•pulberi piroforice pentru explozi;

Pulberi pentru materiale avansate, noi și speciale:

•materiale compozite ranforsate cu particule cu matrice metalică sau ceramică;

•materiale de fricțiune;

•materiale rezistente la uzare;

•materiale rezistente la coroziune (inoxidabile);

•materiale rezistente la temperaturi înalte (superaliaje);

•materiale poroase (filtre);

•materiale schimbătoare de ioni;

•spume metalice;

•materiale pentru tehnologii electrotehnice : -elemente de încălzire;

-contacte electrice;

-electrozi pentru electroeroziune;

•materiale magnetice (moi și dure);

•materiale pentru scule (matrițe, scule de așchiere, de rectificare, materiale compozite armate pentru scule,etc.);

•aliaje grele;

•materiale amorfe;

•materiale nanocristaline

•materiale nucleare;

•compuși intermetalici; [4]

II.2 Procedee de elaborare a pulberilor metalice

În prezent există un număr apreciabil de procedee și tehnici de obținere a pulberilor metalice, care depind de natura materialelor metalice de pornire, de tehnicile de prelucrare ulterioară a pulberilor, de forma și caracteristicile pulberilor și de calitatea pieselor formate prin agregare de pulberi.

In functie de specificul lor, metodele de elaborare a pulberilor se impart in doua grupe:

mecanice:

metoda dezintegrării prin așchiere;

metoda măcinării în mori;

metoda pulverizării din fază lichidă;

fizico-chimice :

metoda reducerii oxizilor sau altor compuși (halogenuri) ai unor metale cu ajutorul reducătorilor gazoși sau solizi;

metoda electrolitică, presupune electroliza soluțiilor apoase sau a sărurilor metalelor;

metoda carbonil, presupune descompunerea compușilor chimici ai unor metale denumite carbonil (se obțin metale foarte pure);

metoda precipitării unor soluții sau din topitură a unor metale (hidrurare, dehidrurare);

metode special – coroziune intercristalină, evaporare –condensare, etc.

Dintre aceste procedee și tehnici sunt de menționat următoarele:

Măcinarea în mori cu bile și vibratoare. Procedeul utilizează morile cu bile clasice, pentru obținerea unui număr restrâns de pulberi, cum sunt pulberile de feroaliaje, de metale dure, de prealiaje casante, la măcinarea așchiilor de fontă sau oțel casante. Măcinarea în mori vibratoare cu bile se aplică în special la fabricarea pulberilor fine de aluminiu, a carburii de wolfram și de titan sau a pulberii fine de grafit.

Metoda carbonil se aplică pentru obținerea pulberilor metalice din fază gazoasă (pulberi de Fe, Ni, Co, Cr, Mo, W, ș.a.). Prin tratarea metalului respectiv, în anumite condiții de temperatură și presiune cu CO, se obține carbonilul metalului

Carbonilul rezultat are proprietatea de a se vaporiza la temperaturi foarte scăzute, descompunându-se în pulbere de metal și CO.

Prin descompunerea unui amestec de carbonil se pot obține direct pulberi de aliaje (Fe-Co, Fe-Ni, Fe-Mo, Ni-Co). Pulberile rezultate prin această metodă sunt foarte fine și deosebit de pure, fiind utilizate în special pentru obținerea materialelor magnetice sinterizate.

Metoda electrolitică permite, de asemenea, obținerea de pulberi de mare puritate, chiar și în cazul utilizării de materii prime mai puțin pure. Metoda se bazează pe elecroliza soluțiilor de săruri metalice, rezultând prin depunerea metalului un catod poros, care se transformă în pulbere prin măcinare. Dezavantajul principal al metodei îl constituie costul ridicat al pulberii.

Pulverizarea din fază lichidă în curent de gaz (procedeul atomizării) constă în pulverizarea unui jet de metal lichid în curent de aer sau gaz inert (argon) într-o incintă închisă etanș. Prin acest procedeu se obțin, de regulă, pulberi sferoidale, cu o productivitate mare (3-10 t/h). În cazul obținerii de pulberi sferoidale (fig. 2.2.a si 2.2.b) de înaltă puritate din oțeluri anticorosive și refractare, rapide sau superaliaje pe bază de nichel, cobalt ș.a., se utilizează procedeul de pulverizare în jet de argon.

Fig.2.2.a [10] Fig. 2.2.b[11]

Procedeul constă, în esență, în topirea aliajului într-un cuptor de inducție, în vid. După topirea aliajului, în recipientul de lucru vidat, în prealabil, se introduce argon, până la presiunea atmosferică și aliajul topit se evacuează, pe la fundul cuptorului de inducție, printr-o pâlnie intermediară, confecționată din material refractar, încălzită cu o rezistență electrică până la 13000C, de unde se scurge apoi sub forma unui jet continuu în dispozitivul de pulverizare cu jeturi de argon. Aici, sub acțiunea jeturilor de argon, jetul de metal topit este spart în picături fine, care în cădere în recipientul de lucru, se solidifică și se răcesc, rezultând pulberea care se colectează în containerul de la baza instalației (fig. 2.3)

Fig. 2.3 [9]

Fig. 3 Instalație de pulverizare (atomizare) în jet de argon:

1 – pompe de vid;

2 – cuptor de inducție în vid cu evacuare prin vatră;

3 – pupitru de comandă;

4 – dispozitiv de atomizare (ajutaj);

5 – alimentare cu argon;

6 – recipient de lucru;

7 – evacuarea argonului;

8 – container de colectare a pulberilor.

Instalația este dotată cu sisteme de vidare, recirculare și purificare a argonului.

Încărcătura metalică a cuptorului cu inducție în vid este alcătuită, de preferință, din bare sau lingouri de aliaje topite și turnate în vid, având compoziția chimică a pulberilor metalice. Schema de principiu a pulverizării cu gaz inert este dată în fig. 2.4, din care rezultă că procesul este determinat de un complex de factori :

a) Proprietățile metalului lichid: compoziția chimică, vâscozitatea η, tensiunea superficială σ, gradul de supraîncălzire, viteza de curgere a metalului lichid, diametrul jetului de lichid d și lungimea jetului F.

b) Parametrii agentului de atomizare: presiunea p, viteza de curgere v, debitul Q al gazului, un-ghiul de înclinare al jetului de gaz α, lungimea jetului de gaz E și diametrul ajutajului prin care iese jetul de gaz.

c) Parametrii incintei de pulverizare: înălțimea spațiului de atomizare H, diametrul interior al incintei, mediul de răcire. Unul din elementele active ale instalației de atomizare este ajutajul de pulverizare. În practică, se utilizează o diversitate de tipuri de ajutaje, alegerea acestora fiind determinată de proprietățile fizico-chimice ale aliajului lichid, de caracteristicile pulberii (formă, finețe) și de compoziția granulometrică a acestora. Pentru atomizarea aliajului greu fuzibil (fonte, oțeluri, aliaje pe bază de nichel și cobalt) sunt recomandate ajutajele cu jet turbionar convergent, la care introducerea gazului în camera de alimentare a jetului se face tangențial, iar jetul de metal lichid are forma unui con convergent, care atacă jetul sub un unghi α (fig. 2.4). Diametrul jetului de gaz poate fi reglat în limitele 0,25…1,0 mm.

Finețea particulelor de pulbere crește cu mărimea presiunii gazului, a unghiului α, cu temperatura metalului lichid și cu scăderea diametrului de metal lichid d, diametrul jetului de gaz și lungimii jetului de metal F. Unghiul α, în cazul atomizării aliajelor greu fuzibile, variază între 18° și 28°.

Fig. 2.4 Schema de principiu a pulverizării cu gaz inert.

Pulverizarea centrifugală cu fascicul de electroni (procedeul EBDR – Electron Beam Rotating Disc). Instalația (fig. 2.5) este alcătuită dintr-o cameră de topire 1, prevăzută cu manta de răcire, în care se face vid înaintat, în care are loc topirea electrodului consumabil 2, în contact cu fasciculele de electroni, obținute cu ajutorul unor tunuri electronice (electron guns) 3.

Fig. 2.5 [9]

Fig. 2.5 Schema instalației de pulverizare prin procedeul centrifugal cu fascicul de electroni (EBDR):

1 – cameră de topire;

2 – electrod consumabil;

3- racord la tunuri de electroni;

4 – disc rotativ;

5 – placă de deviere;

6 – cameră de colectare;

7 – container;

8 – instalație de vidare;

9 – instalație de forță;

10 – circuit de apă de răcire.

Picăturile de metal, rezultat din topirea barei, cad pe discul rotativ 4, care practic este un creuzet din cupru, cu pereți dubli răciți cu apă, supus mișcării de rotație. Metalul lichid colectat în creuzet este dispersat sub acțiunea forței centrifuge sub formă de picături fine în toate direcțiile, rezultând, prin solidificare, pulberea metalică. Pulberea colectată la baza camerei de topire este aspirată apoi în colectorul 6, de unde este trecută în containerul 5.

Un parametru tehnologic important al acestui procedeu este viteza de rotație a creuzetului, care determină traiectoria picăturilor de metal lichid și finețea pulberilor (în mod obișnuit se lucrează cu turații cuprinse intre 2000 si 8000 rot/min).

II.2.1 Pregatirea și omogenizarea pulberilor metalice

Pentru realizarea produselor (pieselor) prin metoda agregarii de pulberi se utilizeaza o singură pulbere sau amestecuri de pulberi.

Inainte de utilizare, pulberile se supun unei operații de sortare după marimea particulelor; operația se realizează cu ajutorul sitelor vibratoare, in instalații pneumatice de sortare sau in instalații bazate pe sedimentarea pulberilor in mediu lichid (in cazul pulberilor cu granulatie foarte fină).

Omogenizarea pulberilor metalice are ca scop repartitia cat mai uniforma a componetelor.

Amestecurile de pulberi metalice se obtin prin aplicarea succesiva a doua operatii:

Operatia de dozare a pulberilor componente ale amestecului; se realizeaza cu ajutorul unor balante cu cadran sau a unor balante automate;

Operatia de omogenizare a amestecului de pulberi se realizeaza cu ajutorul unor omogenizatoare speciale, uneori (in cazul cand raportul cantitatilor de pulberi ce intra in amestec este mare, iar densitatile de umplere ale pulberilor componente sunt mult diferite) in prezenta unui lubrifiant (alcool, benzina, apa etc.). In compozitia pulberilor se adauga uneori lianti, lubrifianti, activanti de sinterizare.

In figura 2.6 sunt prezentate diferite tipuri de amestecatoare:

amestecator de tip cilindru;

amestecator de tip cub ;

amestecator dublu conic;

amestecator in formă de Y;

Fig. 2.6 [4]

In figura 2.7.a si 2.7.b sunt prezentate amestecatore de tip dublu conic, ele sunt cele mai des intalnite in procesul de omogenizare a pulberilor metalice.

Fig. 5.7.a [4]

Fig 5.7. b [4]

II.3 Realizarea semifabricatelor prin compactarea pulberilor

Operația de formare are ca scop realizarea din pulberi metalice a unor semifabricate compacte, care sa poată fi supuse cu usurinta tratamentului de sinterizare. In practică, pentru executarea acestei operatii se utilizeaza doua categorii de procedee: procedee de formare prin presarea pulberilor și procedee de formare fară presare.

Din prima categoria fac parte următoarele procedee:

prin presare in matrită;

prin presare izostatica (compresiune uniformă, triaxială);

prin extrudare, prin laminare, configuratia pieselor presate poate fi simplă sau complexă (roti dintate).

Cele mai utilizate procedee de formare fara presare sunt:

formarea prin varsare simpla fară tasare;

formarea prin varsare simpla și compactizare prin vibrare;

formarea prin turnare in forme de ipsos (care absoarbe lichidul suspensiei de pulberi – barbotine).

Procesul tehnologic de fabricare a produselor prin agregare de pulberi comportă următoarele operații principale:

pregătirea pulberii sau a amestecurilor de pulberi pentru formare;

formarea semifabricatelor sau produselor;

sinterizarea semifabricatelor;

operații suplimentare;

controlul produselor sinterizate.

II.4 Matrițe și poansoane, principii de proiectare si functionare

Matrițele se execută din oțel de scule slab sau înalt aliat sau din carburi metalice.

Dispozitivele de presare sunt reprezentate în principal de matriță, poansoane, miezuri, adaptoare.

Se recomandă:

poansoanele să aibă duritateîn zona de lucru mai mică decât a matrițelor cu 3 – 5 unități HRC;

călirea superficială (CIF), realizând astfel durificarea suprafeței, miezul rămânând mai moale și tenace;

rugozitatea suprafețelor de lucru să fie 0,05 –0,100μm.

Se recomandă la proiectarea unei piese:

raportul înălțime/diametru să nu depășească valoarea 2,5 în cazul pieselor cu pereți subțiri și 4 pentru piesele cu pereți groși (h/D);

variațiile dimensionale pe înălțime să fie cât mai mici;

înlocuirea unghiurilor diedre dintre suprafețele în contact cu porțiuni de racord cu rază cât mai mare;

evitarea variației bruște a grosimii pereților care la sinterizare pot deforma sau fisura piesa;

forma trebuie să permită scoaterea din matrițăa piesei;

găurile de formă complicată se vor înlocui cu găuri cilindrice cu diametrul minim 2 mm.

Sucesiunea fazelor compactizării este prezentată în figura 2.8

Se introduce poasonul inferior în cavitatea matriței. Se pozitionează matrița la înălțimea de umplere hu prin folosirea suportului distanțier între matrița și piciorul poasonului inferior. Se toarnă eșantionul de pulbere în cavitatea matriței, asigurîndu-se distribuția uniformă a pulberii..

Se poziționează poansonul superior și se așează matrița cu poasoanele între platanele presei. Se aplică o forța preliminară, după care se îndepărtează suporții de spațiere de la matriță. Dacă matrița este susținută de arcuri sau alt dispozitiv similar, nu este necesar să se mai aplice o forță preliminară.

Se aplică forța finală de presare cu o viteza constantă.

Se extrage presatul din matriță .

Fig 2.8. Succesiunea fazelor tehnologice ale operațiunii de compactizare [6]

Fazele de presare unilaterala a pulberilor și extragerea piesei prin rotirea matriței cu 180o este prezentata in fig 2.9.

Fig 2.9. [4]

Fazele de obtinere a unei busce prin presarea pulberilor este prezentata in figura 2.9.

Fig 2.9 [4]

Principiul compactarii pulberilor la cald. (Procedeul prin presare-sinterizare)

Asigură o compactitate mare a semifabricatelor presate. Matrița este dintr-un material refractar, grafit sau material ceramic, se încălzește la temperatura de sinterizare a materialului compactat si printr-un procedeu simultan de presare și sinterizare se obțin piese finite. Acest principiu se folosește la presarea materialelor rigide ca oxizi, carburi, boruri, nitruri etc.

Principiul presarii la cald a pulberilor metalice este prezentat in fig. 2.10. [4]

Pentru a se reduce frecarea în timpul scoaterii pieselor formate din matriță, pulberile se amestecă cu lubrifianți (stearați de zinc, staniu, calciu, stronțiu etc.) în proporție de 0,5-1%. Uneori, în amestecul de pulberi se folosesc și lianți în proporție de 1-5%, care au rolul de a mări adeziunea între particulele de pulbere.

Pentru presarea pulberilor în matriță se utilizează prese mecanice și hidraulice de mare putere. Cel mai frecvent se folosesc presele mecanice, cu forțe de presare ce nu depășesc 2500 kN și care au randamente ridicate ( aproximativ 10-30 piese/ minut). Presele de formare a pulberilor se caracterizează prin automatizarea înaltă a operațiilor de umplere cu pulbere a matriței, presarea și scoaterea piesei formate. Piesele formate prin presare se supun operației de sinterizare, care se realizează prin încălzire la o temperatură egală sau superioară temperaturii de recristalizare, practic la 0,75…0,80 din temperatura de topire a componentului principal. În urma sinterizării, se mărește rezistența mecanică prin formarea unei legături continue în masa produsului.

II.4.1 Principul obtinerii pieselor sinterizate prin presare izostatică.

Procesele de presare izostatică (HIP = Hot Isostatic Pressing) au găsit în ultimul deceniu largi aplicații, depășindu-se faza experimentărilor de laborator și de pilot, prin realizarea de unități industriale, cu performanțe tehnice deosebite și productivitate înaltă.

În esență, presarea izostatică este un procedeu de prelucrare termomecanică, care constă în aplicarea unor presiuni izostatice foarte ridicate (500…10000 bar), cu ajutorul unui mediu fluid (lichid sau gaz) pe fețele unui corp metalic, în scopul compactării acestuia. Procedeul se aplică atât la compactarea pulberilor metalice sau nemetalice introduse în capsule (containere) din tablă, cât și pieselor turnate, din oțeluri și alte aliaje speciale, în scopul îndepărtării sulfurilor rezultate din turnare.

Presarea izostatică se aplică cu rezultate remarcabile la compactarea pulberilor din oțeluri rapide, anticorozive și refractare, superaliaje pe bază de nichel, precum și a carburilor dure și a materialelor compozite. În privința compactării pieselor turnate de precizie, este de reținut că acest procedeu a găsit, în prezent, largi aplicații în tehnologiile de obținere a pieselor din superaliaje pe bază de nichel și aliaje de aluminiu și titan, destinate în special industriei aeronautice. Utilajul de bază – presa izostatică – este un recipient (fig. 2.11) de înaltă presiune 1, închis la ambele capete cu saboții de închidere 2 și 3, în care se introduce mediul de presare izostatică, de regulă un gaz inert (argon), la presiuni cuprinse între 500 și 10000 de bar. Piesele supuse compactării (containerul cu pulberi sau piesele turnate), introduse în recipientul de presiune pe un suport-grătar 7, sunt încălzite la temperatura optimă de compactare cu ajutorul unei rezistențe electrice, protejată la exterior cu ecranul termic 4. Temperatura elementului de încălzire rezistivă este controlată cu ajutorul mai multor termoelemente 8, introduse radial, prin peretele recipientului de presiune, în scopul înregistrării gradienților de temperatură pe verticală.

Presiunea izostatică din interiorul recipientului se transmite uniform pe toate fețele piesei de compactat.

Fig.1.11 [9]

In fig. 1.11 este prezentată schema de principiu a unei prese izostatice :

1 – recipient de presiune;

2 și 3 – saboți de închidere;

4 – ecran termic;

5 – rezistență electrică;

6 – container cu pulbere;

7 – suport cu grătar;

8 – termoelement.

Presarea izostatică se poate realiza la rece sau la cald. Ca fluid de presiune, în cazul presării izostatice la rece, se utilizează apa, uleiul sau aerul. La presarea izostatică la cald, agregatul de presiune este un gaz inert (argon sau heliu). Fluidul de presiune este introdus în recipientul 1 cu ajutorul pompelor de mare presiune (pentru lichide) sau cu ajutorul compresoarelor (pentru gaze).

Ca elemente de încălzire rezistivă se folosesc, în funcție de temperatura de încălzire și de fluidul de presiune, rezistențe din aliaje Ni-Al-Fe, molibden, kanthal sau de grafit. Rezistențele din molibden și grafit se folosesc la temperaturi înalte (1400…1800° C) și în atmosferă de gaz inert., în special la compactarea pulberilor și pieselor turnate din superaliaje pe bază de nichel. Rezistențele din aliaje Ni-Al-Fe se utilizează la temperaturi de maximum 1000° C, fiind destinate prelucrării aliajelor de aluminiu și titan. Este de menționat că s-au realizat și prese cu încălzire inductivă care prezintă avantajele unei fiabilități ridicate și posibilitatea aducerii într-un timp foarte scurt la temperatura de regim.

II.5 Sinterizarea semifabricatelor

Sinterizarea este procesul prin care o masă de particule, care a suferit etapa de formare, se consolidează intr-un corp solid sub influența caldurii (echivalează cu un tratament termic).

Tratament termic ce are drept scop creșterea rezistenței mecanice dintre particule prin realizarea de punți, de legături între acestea.

Este o operatie de baza, in procesarea pulberilor ce reprezintă consolidarea materialului “crud” prin tratament termic în scopul măririi rezistenței, durității, proprietăților mecanice în ideea obținerii unor produse cu caracteristici cât mai apropiate (sau chiar superioare dacă e posibil) de cele obținute prin procedee clasice. Sinterizarea poate avea loc in stare solidă sau cu fază lichidă.

Sinterizarea pulberilor monocomponente se efectuează intotdeauna in stare solidă (temperatura de sinterizare este inferioară temperaturii de topire).

Sinterizarea pulberilor policomponente poate fi in stare solidă sau cu faza lichidă (temperatura de sinterizare duce la topirea unui component secundar). Favorizează realizarea unei rețele continue și uniforme în jurul componentului solid (de exemplu, cobaltul leaga granule de carburi de Wolfram si titan – dure și fragile). In timpul sinterizarii mai pot avea loc și alte fenomene, reacții chimice (reducerea oxizilor pe suprafețe, formarea de componenți noi), alierea componenților.

Parametrii tehnologici ai procesului de sinterizare sunt:

– temperatura de sinterizare (Ts) care se determină conform relatiei:

2/3 Tt < Ts < 4/5 Tt

In care Tt reprezinta temperatura absoluta de topire a componentului principal al pulberii sau al acelui component cu temperatura cea mai inaltă de topire.

Viteza de incalzire și cea de răcire sunt dictate de rațiuni economice, dar sunt limitate de posibilitatea apariției tensiunilor interne (au efecte negative in exploatarea produselor).

Durata sinterizării influentează desfasurarea proceselor și proprietățile pieselor, (duritatea și rezistența cresc cu durata procesului) variaza de la cateva minute pînă la 30 h. In durata de sinterizare sunt incluse: timpul de incalzire, timpul de mentinere și timpul de racire.

Mediul de sinterizare (atmosfera protectoare) influentează procesele superficiale (pulberile au suprafața specifică foarte mare). Din punct de vedere chimic, mediul protector poate fi reducator, neutru, oxidant sau carburant. Mediile neutre sunt formate din argon, azot, heliu și dioxid de carbon. Mediile reducătoare cele mai folosite pot fi alcatuite din hidrogen, oxid de carbon, amoniac disociat, metan. Ca mediu neutru de sinterizare se preferă vidul.

Utilajele pentru sinterizare sunt formate din cuptoare și instalații de preparare a mediilor protectoare. Ele pot funcționa continuu sau discontinuu. Incalzirea poate fi electrică cu rezistenta sau cu inductie. [3]

Sinterizarea se bazeaza pe 5 fenomene distincte:

-adeziunea particulelor;

-recristalizarea;

-restaurarea rețelelor;

-creșterea grăunților;

-difuzia și autodifuzia.

Sinterizarea este dependentă de o serie de factori ca:

-temperatura de sinterizare;

-timpul de sinterizare;

-viteza de încălzire și răcire(vî, vr);

-atmosfera de sinterizare (H2, vid, NH3, Ar – neutră, reducătoare, carburantă, decarburantă).

II.5.1 Cuptoare folosite la sinterizarea pieselor

Cuptorul tunel cu bandă transportoare (fig. 1.12) are un regim continuu de funcționare și randament productiv ridicat. Piesele presate sunt încălzite până la sinterizare într-un cuptor tubular cu rezistență electrică, de regulă, în mediu de gaz protector (azot, argon), fiind deplasate, de pe o platformă de încărcare, în camera de lucru, cu ajutorul unei benzi transportoare. După procesul de sinterizare, piesele sunt evacuate din cuptor printr-o ușă amplasată în partea opusă a zonei de încărcare. Cuptorul este prevăzut cu sisteme de reglare automată a temperaturii de lucru și a vitezei de deplasare a benzii transportoare. Este cel mai des tip de cuptor intalnit in procesul de sinterizare.

Schema unui cuptor tunel folosit la sinterizare este prezentata in fig.1.12.

Fig. 1.12 [4]

Pentru sinterizare, se utilizează cuptoare speciale și instalații anexe pentru prepararea mediilor protectoare. Cuptoarele trebuie să îndeplinească unele condiții: asigurarea unor temperaturi precise în diferite zone de lucru, siguranță în exploatare, randamente înalte, consumuri reduse de energie.

Dintre cuptoarele frecvent utilizate pentru sinterizarea pulberilor sunt de reținut :

a) Cuptorul tip clopot (fig. 1.13) se utilizează la sinterizarea pieselor mari și a discurilor de fricțiune. Pentru încălzire, se folosesc elemente rezistive din grafit, molibden sau tantal, cu care se pot obține temperaturi foarte înalte (1400… 2400°C). Deși sunt cuptoare discontinue, agregatele de acest tip au randamente productive foarte înalte datorită ciclurilor scurte de lucru și a gradelor ridicate de automatizare. Cuptorul este prevăzut, de asemenea, cu sisteme de reglare automată a temperaturii și a ciclului de lucru. Cuptoarele de acest gen pot lucra în atmosferă controlată de gaz inert (Ar sau He) sau în vid, fiind utilizate, în afara proceselor de sinterizare a pulberilor, și la tratamente termice.

Fig. 1.13 [9]

In figura 1.13 este prezentat un cuptor de sinterizare tip clopot cu încălzire rezistivă :

1 – clopot interior din oțel refractar;

2 – încărcătură;

3 – jgheab de închidere cu ulei;

4 – placă de bază;

5 – jgheab de închidere cu nisip fin;

6 – recipient (clopot) exterior;

7 – rezistență electrică;

8 – inel de ridicare.

b) Cuptorul cu încălzire inductivă (fig. 1.14) asigură încălzirea rapidă, temperaturi înalte (max. 2200 oC) și posibilitate de lucru în aer, în vid sau în atmosferă de gaz inert. Frecvența de lucru pe circuitul de medie frecvență este cuprinsă în gama 500…4000 Hz. Cuptoarele cu inducție pot fi folosite atât pentru sinterizarea pulberilor cât și pentru tratamente termice.

Fig. 1.14

In figura 1.14 este prezentat un cuptor cu inducție pentru sinterizări și tratamente termice :

1 – izolație;

2 – inductor;

3 – creuzet;

4 – vizor;

5 – capac;

6 – racord electric.

In figura 1.15 este prezentată schematic pulberea metalică in diferite stări, in funcție de etapele procesului tehnologic.

Fig 1.15. [12]

CAPITOLUL III

PROIECTAREA UNEI MATRIȚE DE COMPACTARE A PULBERILOR METALICE

III. Proiectarea unei matrițe pentru compactarea pulberilor metalice

III.1 Principii de proiectare a matriței

Matrița pentru compactarea pulberilor metalice are aceleași caracteristici ca și dispozitivul de presare și reprezintă ansamblul care are rolul de fixare a elementelor matriței, de a asigura procesul de presare dar și de scoatere a semifabricatului după terminarea procesului de presare.

Matrițele pentru compactare se pot imparți, dupa principiul de functionare in urmatoarele grupe :

matriță pentru compactare cu acțiune simpla;

matriță pentru compactare cu acțiune dublă și matriță fixă;

matriță pentru compactare cu acțiune dublă și matriță mobilă;

matriță pentru compactare cu acțiune dublă și matriță retractabilă.

Matrițele se execută din oțel de scule slab sau înalt aliat sau din carburi metalice.

Dispozitivele de presare sunt reprezentate în principal de matriță, poansoane, miezuri, adaptoare.

Se recomandă:

-poansoanele să aibă duritatea în zona de lucru mai mică decât a matrițelor cu 3 – 5 unități HRC;

-călirea superficială (CIF), realizând astfel durificarea suprafeței, miezul rămânând mai moale și tenace;

-rugozitatea suprafețelor de lucru să fie 0,05 –0,100μm.

Se recomandă la proiectarea unei piese:

raportul înălțime/diametru să nu depășească valoarea 2,5 în cazul pieselor cu

pereți subțiri și 4 pentru piesele cu pereți groși (h/D);

variațiile dimensionale pe înălțime să fie cât mai mici;

înlocuirea unghiurilor diedre dintre suprafețele în contact cu porțiuni de racord

cu rază cât mai mare;

evitarea variației bruște a grosimii pereților care la sinterizare pot deforma sau

fisura piesa;

forma trebuie să permită scoaterea din matrițăa piesei;

găurile de formă complicată se vor înlocui cu găuri cilindrice cu diametrul

minim 2 mm.

III.2 Determinarea proprietăților pulberii metalice

III.2.1 Determinarea densității aparente a pulberilor

Densitatea aparentă se exprimă prin masa pe unitatea de volum a unei anumite mărci de pulbere, în condiții standardizate (SRISO 3923-1 și SRISO 3923-2, doar atunci cînd pulberea curge liber). Din punct de vedere practic, cunoașterea densității aparente este importantă la dimensionarea sculelor pentru compactizare sau alte metode de formare. Astfel, volumul cavității matriței în care se realizează presarea pulberilor trebuie să permită introducerea prin curgere liberă a unei cantități necesare de pulbere. Cu cât pulberea este mai afânată după curgere, adică are o densitate aparentă mai mică, volumul necesar al cavității matriței va fi mai mare.

La compactizarea pulberilor, reducerea de volum se face în primă instanță prin rearanjarea particulelor, iar reducerea de volum va fi cu atît mai mare cu cît densitatea aparentă după curgere este mai mică, raportat la densitatea teoretică a materialului respectiv. Acest raport dintre densitatea aparentă a pulberilor și densitatea teoretică a materialului determină valorile curselor de presare, la valori cu atît mai mari cu cît acest raport are valori mai mari.

Aceasta metoda se aplică pulberilor metalice care curg liber printr-un orificiu circular cu diametrul de 2,5 mm.

Principiul de lucru consta in cântărirea unei parti din pulbere care în stare liber vărsată umple complet un recipient de volum cunoscut. Pentru umplerea recipientului cu volum cunoscut, prin curgere liber vărsată se folosește o pâlnie plasată la mica distanță deasupra recipientului. Raportul dintre masa pulberii și volumul ocupat de pulbere reprezintă densitatea aparentă. Mărimile de calcul determinate experimental sunt prezentate în tabelul 3.1.

Tabelul 3.1

Pentru acele pulberile care nu curg liber, densitatea aparentă poate fi determinată utilizând metoda volumetrului Scott, conform prescripțiilor din standardul SRISO 23923.

Determinările experimentale.

Densitatea aparentă se poate determină prin calcul, pe baza rezultatelor experimentale, utilizând un aparat numit fluometru (fig 3.1), prin raportul între masa cantității de pulbere care umple recipientul și volumul recipientului, de regulă de 25 cm3, cu respectearea prescripțiilor din standardele menționate.

Aparatura necesară pentru a determina densitatea aparentă.

Determinările experimentale bazate pe curgerea liberă folosesc un set de 2 pîlnii, una cu diametrul orificiului de 2,50+0.2 mm, iar cealaltă cu un orificiu de diametru 5 0+0.2 mm. Aspectul general și dimensiunile acestor pâlnii se prezintă în figura 3.1b. Recipientul folosit pentru colectarea pulberii în curgere liberă se recomandă a avea capacitatea de 25 cm3±0,05 cm3, iar diametrul interior să fie de 30 mm± 1 mm. Poziționarea pâlniei și a recipientului se realizează printr-un stativ vertical cu baza orizontală, insensibil la vibrațiile produse de manevrările experimentale. Stativul trebuie să permită menținerea orificiului pâlniei la aproximativ 25 mm deasupra suprafeței superioare a recipientului și coaxial cu acesta.

Recipientul și pâlniile trebuie realizate dintr-un material metalic nemagnetic, rezistent la coroziune, cu o grosime și o duritate suficientă pentru a evita orice deformații sau uzuri importante. Suprafețele interne ale recipientului și pâlniilor trebuie lustruite. Cântăririle se fac cu o balanță de capacitate suficientă, care permite cântărirea probei de pulbere la o precizie de ±0,05 g.

Figura 3.1[13] Standul pentru determinarea densității aparente:(a) fluometrul; (b) geometria pâlniei.

Compozitia chimica a pulberii de Cu.

Caracteristici fizice a pulberii de Cu:

fractia granulometrica < 212 µm 70 %

viteza de curgere Vc = 36 [s/100g]

densitatea aparenta ρa = 4.15 [g/cm3] [14]

Interpretarea rezultatelor:

Densitatea aparentă se calculează cu relatia:

ρa = g/cm3

ρa= 4.15 g/cm3

III.2.2 Determinarea presabilitatii pulberilor metalice

Presabilitatea pulberilor reprezintă o proprietate tehnologică importantă pentru fabricarea pieselor prin procedeele metalurgiei pulberilor. În principiu compresibilitatea caracterizează capacitatea unei mase de pulbere de a fi compactizată (densificată) sub acțiunea presiunii de compactizare. Cunoscându-se presabilitatea unei anumite pulberi se poate determina densitatea pe care o asigură o anumită presiune de compactizare, precum și scăderea de volum a masei de pulbere, ca urmare a presării.

Din punct de vedere practic, cunoașterea presabilității unei pulberi este importantă sub mai multe aspecte:

Variația de volum a masei de pulberi produsă în urma presării va fi determinantă

pentru dimensionarea sculelor de compactizare, atât din punct de vedere al curselor de presare, cât și al dimensiunii părților active;

O presabilitate mai mare a unei pulberi va produce pe lângă o densitate mai mare

și un presat cu rezistență mecanică superioară, care poate fi mai ușor manipulat în cursul procesării;

Densitatea presatului obținută în urma compactizării va avea o influență

semnificativă și asupra calității finale a pieselor. Astfel, o densitate mai mare a presatului respectiv o proporție mai redusă a porilor, va mări de asemenea densitatea finală a materialului piesei realizată prin sinterizare și va produce implicit proprietăți mecanice superioare.

Densitatea mai mare a semifabricatului presat influențează modificările

dimensionale produse în timpul sinterizării și precizia piesei sinterizate.

Pe parcusul creșterii forței de presare, procesul de compactizare parcurge mai multe etape:

Rearanjarea particulelor, care astfel reduc spațiile existente între ele.

Creșterea forței de presare conduce la deformații elastice localizate în punctele

de contact ale particulelor cu înmagazinarea în presat a unei energii elastice reziduale. Apar deformații plastice localizate, avînd ca efect mărirea suprafețelor de contact dintre particule și reducerea volumului porilor, concomitent cu producerea unor „suduri reci” pe aceste suprafețe de contact;

Creșterea în continuare a presiunii aplicate duce la creșterea proporției de

material supus deformației plastice și curgerii prin refularea materialului, treptat, până la cuprinderea întregului volum al particulelor. Zonele de contact dintre particule se măresc si dimensiunea porilor scade. Continuarea procesului de presare cu presiuni de compactizare peste anumite valori nu mai are efect de densificare, materialul comportându-se ca un solid compact supus unor tensiuni elastice.

Din punct de vedere cantitativ, presabilitatea poate fi exprimată prin valoarea densității obținute la o anumită presiune de compactizare aplicată. Determinările experimentale conduc practic la trasarea curbei de presabilitate (compresibilitate), de regulă, în coordonatele: densitatea comprimatului (presatului) – presiunea de compactizare (fig. 3.2). Curba pornește din punctul corespunzător densității aparente a pulberii, iar la presiuni de compactizare mari , tinde spre valoarea densității teoretice a materialului pulberii, respectiv spre compactitatea de 100% și porozitate nulă.

Fig 3.2 [6]

Realizarea probelor.

Determinarea practică a presabilității pulberilor metalice se face după mai multe metode practice, în general standardizate. În principiu aceste metode urmăresc evaluarea densității pulberilor aflate în stare presată, respectiv „densitatea la crud” ca urmare a compactizării în matrițe de construcție normalizată și în condiții tehnologice bine determinate.

Metodele prezentate în standarde recomandă evaluarea gradului de compactizare a unei pulberi metalice prin presare uniaxială cu dublă acțiune într-o matriță. Eșantioanele de pulbere pot fi presate fie la o singură presiune specificată, fie pentru mai multe valori specificate ale presiunii. După scoaterea din matriță se determină densitatea presatului. Densitatea obținută în primul caz reprezintă compresibilitatea pulberii la presiunea specificată. Densitățile obtinute în al doilea caz pot fi utilizate pentru a trasa curba de compresibilitate a pulberii.

Aparatura necesara pentru determinarea presabilitatii pulberilor metalice.

Matrița pentru realizarea presatelor cilindrice sau de secțiune dreptunghiulare conține o placă activă din carburi sinterizate sau din oțel de scule și două poasoane (fig.3.3). Matrița cilindrică trebuie să permită obținerea unor presate cu diametrul între 20 și 26 mm si înălțimea raportată la diametru între 0,8 si 1. Matrița pentru probe cu secțiune dreptunghiulară trebuie să permită obținerea unor comprimate de 30 mm x 12mm și cu grosime cuprinsă între 5 și 7 mm.

Presarea se efectuiază pe o presă care trebuie sa asigure valori ale forței de presare de minimum 500 kN cu o precizie de min. ±1% si sa permită o crestere constantă a forței de cu o viteză de max. 50 kN/s.

Figura 3.3 Matriță pentru compactizarea probei standardizate cilindrice:

(a) desenul elementelor active.

(b) Secțiune in perspectivă. [6]

Pentru ridicarea curbei de compresibilitate a pulberii se recomandă ca presiunile de compactizare aplicate să fie de 200, 400, 500, 600 si 800 N/mm2. Dacă compresibilitatea se determină la o singura presiune, aceasta va fi de preferință evaluată la una din aceste valori ale presiunii de compactizare.

Această metodă nu se aplică pulberilor din materiale fragile, precum aliajele dure sau materialelor ceramice.

Calculul densității presatului.

Pentru fiecare valoare a presiunii de compactizare aplicate, se măsoară cu micrometrul, diametrul dp și înălțimea hp a presatului.

Pentru piese cilindrice, volumul probei se calculează cu relația:

hp = 2.4 cm

dp = 2.4 cm

=10.83 cm3

Se cântărește masa m(g) a presatului cu balanța analitică de precizie;

Se calculează densitatea presatului cu relația:

a = = 4.15 g/cm3

Compactitatea la presare este dată de raportul dintre densitatea presatului ρp și densitatea teoretică ρt a materialului pulberii.

Densitatea teoretica a Cu : 8.96 g/cm3

Cp = 46.2 %

Presiunea de compactare recomadată pentru fabricarea pieselor din Cu este de 205-230 N/mm2 .

III.3 Calculul volumului util al reperului ce urmeaza a fi produs

Fig 3.4 Piesa pentru care se face proiectarea matriței

Reperul ce urmează a fi produs este o piesă de tip bucșă de ghidare. Producția va fi de 100 000 bucati pe an.

Volumul util necesar se va calcula pentru cazul utilizarii pulberilor de Cu, cu proprietățile determinate anterior, prin efectuarea probelor de laborator.

Densitatea aparentă :

ρa= 4.15 g/cm3
Masa de pulbere necesara obtinerei unei singure piese :

Mp = 228 g (Solid Edge, Physical Properties)

Volumul ocupat de pulbere in stare liber varsata:

V = cm3

V = = 54.93 cm3

Volumul piesei finite :

Vp = 25.52 cm3 (Solid Edge, Physical Properties)

h0 = 40 mm

Determinarea inaltimii pulberii varsate liber in matrita.

Piesa se va impărți pe 2 tronsoane.

Inaltimea ocupata de pulbere in stare liber varsata in matrita, in sectorul cu diametrul de ( tronsonul 1) este calculate cu relatia:

h= cm

Masa de pulbere necesară obținerei părții superioare a piese :

Mp = 105 g (Solid Edge, Physical Properties)

Volumul ocupat de pulbere in stare liber varsata pe tronsonul 1:

V = cm3

V = = 25.30 cm3

h= = 1.06 cm

S = Aria suprafeței poansonului superior.

S = 2386.28 mm2 23.86 cm2

Inălțimea ocupată de pulbere in stare liber varsată in matriță, in sectorul cu diametrul de ( tronsonul 2)este:

h= cm

Masa de pulbere necesară obtinerei tronsonului 2 :

Mp = 123 g (Solid Edge, Physical Properties)

Volumul ocupat de pulbere in stare liber varsata:

V = cm3

V = = 29.63 cm3

h= = 7.55 cm

S = Aria suprafetei frontale.

S = 392,7 mm2

Inalțimea totală ocupata de pulbere liber varsată in matriță este egala cu suma inăltimilor tronsoanelor piesei .

h = 10.6mm + 75.5 mm

h = 86.1 mm

Determinarea factorul de umplere .

Se defineste ca raportul dintre înălțimea pulberii liber vărsată (hu) în matriță și înălțimea presatului (hp) măsurată după scoaterea din matriță.

Se notează cu Fu = [%].

Fu = 215 %

Inăltimea de centrare a poansonului superior in matrita :

hs= 4÷5 mm; adoptam hs = 5mm.

Inăltimea minima a matritei :

H = h + hs

H = 86.1mm + 5mm = 91.1mm; Adoptăm 92mm.

III.4 Calculul de verificare al unor elemente componente

Elementele component ale matritei, care in mod normal se supun verificarii (in functie de solicitari), sunt elemetele active: poansoanele, placile active și unori plăcile de capăt. Poansonele se verifică la flambaj și compresiune. Pentru prima verificare trebuie cunoscută lungimea poansonului, care rezultă in funcție de grosimea placilor prin care poansoanele trec și de distanța de siguranța intre cele doua pachete.

Daca se cunoaste forta care actioneaza pe poansone si forma sectiunii transversale a acestuia, date care sunt cunoscute in cazul de fata, aceste verificari nu ridica probleme deosebite.

III.4.1 Calculul forței de presare

P =

P= 205 MPa

Fp = forta cu care apasa poansonul superior.

S = Aria suprafetei frontale a poansonului superior.

S = 2386.28 mm2

Fp = P S

Fp = 489 188 N

III.4.2 Calculul grosimii pereților a placii active

Dimensionarea grosimii pereților se face din punt de vedere al verificării rezistenței

acestora la deformare, utilizand cazul tuburilor cu pereti grosi. Presiunea interioara prin care se incarcă placa activa este dată de presiunea de compactare a pulberii.

Figura 3.5 Distributia tensinilor in cilindri cu pereti grosi. [15]

Pi – presiunea interioasa;

R1 – raza peretelui interior al tubului;

R2 – raza peretelui exterior al tubului ;

t – tensiuni tangentiale;

r – tensiuni radiale.

R2 = R1 ;

R1 = 30 mm;

Rm – ≤ 800/ mm2

(Oțelel inoxidabil, DIN 17006 X 46 Cr 13)

(STAS Romania 40Cr130) [16]

Pi =205 N/mm2; (presiunea recomandată pentru compactarea pieselor din pulbere de Cu)

R2 = 30 = 38.9 mm 40 mm;

Pentru a se asigura o bună exploatare in siguranță a plăcii active dar și a matriței vom dubla valoarea lui R2. Prin urmare R2 = 80 mm, rezultă in consecință că diametrul exterior al plăcii active va fi Dex= 160 mm.

III.4.3 Verificarea la flambaj, compresiune și strivire a poansonelor

Verificarea la flambaj se va face pentru poansonul superior ce are dimensiunile :

d = 50 mm (diametrul cel mai mic de pe lungimea poansonului)

lf = 85 mm

Fp = 489 188 N = 489.18 KN (49.8 tone-forță)

lf = lungimea de flambaj

Se calculează aria:

A = d2

A= 502 = 1963.49 mm2

Se calculează momenul de inerție minim pentru inel ( Imm):

Imm = d4 = 306 796.15 mm4

Se calculează raza de inerție minimă (imin):

imin = = 12.5

Se calculează :

= = 6.8

0 = 86 (Rezistența materialelor. Noțiuni fundamentale)

Constatam ca ≤ 0 este necesara folosirea relatiilor Tetmauer-Iasinki

f = a – b =

a = 470 N/ mm2

b = 2.3 N/ mm2

f = 447.92 MPa;

c = = 1.79

Unde :

f este tensiunea normal la flamabaj;

a, b sunt coeficenți de flambaj stabiliți pe cale experimentală in funcție de material;

c este coeficient de sigurantă;

Din verificarea efectuată se constată că poansonul superior nu flambează in cazul aplicării forței maxime de 489.18 KN.

Verificarea la compresiune se face cu formula:

c= ≤ ac [MPa]

Unde:

F este forța de deformare transmisă prin poanson;

A este aria minimă a secțiunii transversale;

ac este rezistența admisibilă la compresiune ;

c este tensiunea efectivă de compresiune.

c= = 249.14 N/mm2

c ≤ ac

Verificarea la strivire a poansoanelor se calculează cu formula:

σstr = ≤ σastr

Unde :

; N (635.9 KN);

Ss este aria suprafetei frontale superioare a poansonului ;

σastr este efortul unitar admisibil de strivire pentru materialul din care este construit poansonul .

σstr= = 266.5 N/mm2

Observam că poansonul rezistă la compresiune, flambaj si strivire.

III.4.4 Adoptarea dimensiunilor nominale și stabilirea abaterilor elementelor active

Dimensiunile nominale și abaterile pentru elementele active sunt dispuse pe desenele de execuție.

III.4.5 Alegerea materialelor pentru matrită

Oțelurile folosite pentru executarea matriței trebuie sa aibă rezistență ridicată la uzură, pot fi oțeluri de scule, carburi metalice sinterizate sau oțeluri aliate.

La proiectarea matriței vom folosi oțeluri de scule, sunt oțeluri carbon caracterizate prin rezistență mare la șoc termic și mecanic și o bună rezistență la coroziune.

Oțelurile carbon de scule sunt oțeluri de calitate cu 0.5 – 1.4 % C, obținute prin deformare plastică la cald (laminare, forjare tragere) sub formă de bare trase la rece in stare recoapta : SR EN ISO 4957:2002 : C70U; C80U; C90U; C105U; C120U.( Standart vechi :OSC7; OSC8; OSC9; OSC10; OSC11; OSC13; – STAS 1700- 80)

La un conținut egal in carbon, după calire se realizează o duritate asemanatoare oțelurilor aliate. Călibilitatea lor, mult mai redusă dă posibilitatea obținerii de scule cu duritatea superficială ridicată și miez tenace, caracteristică importantă in cazul unor scule ca poansoanele, matrițele pentru refulare la rece și pistoanele pentru ciocane pneumatice.

Caracteristica mecanica principală a otelurilor carbon de scule care asigură in bună parte majoritatea caracteristicilor de exploatare a sculelor este duritatea și tenacitatea.

Criteriile de bază la alegerea materialelor metalice sunt : duritatea, călibilitatea, stabilitatea la cald, tenacitatea, rezistența la uzare, stabilitatea dimensională. De asemenea , se vor avea in vedere proprietățile tehnologice: așchiabilitatea, susceptibilitatea la supraincalzire.

Așchiabilitatea și deformabilitatea sunt maxime după recoacerea de globalizare.

Aceiași scula se poate executa din mai multe materiale : oteluri carbon, oteluri aliate, carburi metalice sinterizate. Aceiași operație tehnologică se poate executa cu scule din diverse materiale, alegerea se face in funcție de scop, posibilități, preț de cost, aprovizionări, etc.

Factorii care determină alegerea optimă de catre proiectant a unui material pentru o anumită sculă sunt cei ce determină:

duritatea corelată cu productivitatea;

tehnologicitatea;

costurile.

Caracteristica principală a materialelor de scule este compozitia chimic care impreună cu tratamentele termice aplicate, asigura proprietați optime de exploatare:

duritate;

rezistență la uzare;

rezistență la lovire;

călibilitate;

rezsitență bună la coroziune.

Oțelurile din această categorie sunt destinate fabricării diverselor scule utilizate in

operațiile de prelucare la rece a produselor metalice sau nemetalice. Pentru a evita oxidarea suprafeței ce vine in contact cu pulberea metalică sau nemetalică de presat, ceea ce ar duce la impurificarea piesei obținute prin presare cu diferiți oxizi, elementele dispozitivului (poansoanele și matrița) se execută din oteluri de scule pentru prelucrarea la rece.

Pentru buna funcționare a dispozitivului de presare, se alege pentru confecționarea părtilor active (poansoane, placi active) si corpul matriței propiu-zis otel inoxidabil, (DIN 17006: X 46 Cr 13; STAS Romania 40Cr130) , inalt aliat, pretratat, rezistent la coroziune, proprietăți de așchiere bune, fiind un otel recomandat pentru matrite si stante. (Catalog Meusburger),

In tabelul 3.2 sunt prezentate propietatile otelului X 46 Cr 13:

Tabelul 3.2, sunt prezentate proprietățile oțelului folosit la fabricarea părților active. [16]

Principalele utilizări ale oțelului otelului X 46 Cr 13 cu o duritate de 55 HRC sunt : scule solicitate la lovituri și socuri mari, care necesita tenacitate mare și o duritate mare, matrițe, scule de tăiere și indoire la cald etc. (Catalog Meusburger).

In etapele următoare se vor prezentate desenele de execuție cuprinzind dimensiunile, tolerantele, condițiile de abatere de la forma geometrică, condițiile tehnice și materialele utilizate pentru elementele component ale dispozitivului de compactat proiectat:

poanson superior;

poanson inferior;

poanson extractor;

matrita.

Alegerea materialului din care se confectionează elementele componente :

Poansoane și plăci de tăiere – X 46 Cr 13

Coloane si bucșe de ghidare -C15

Placă de bază -GS 300 SR EN 10293 (OT 50)

Placă port-poanson -GS 300 SR EN 10293

Placa superioara -GS 300 SR EN 10293

Șuruburi -C45

Știfturi de poziție -C45

Concluzii

Metalurgia pulberilor se impune ca o tehnologie rapidă și economică pentru obținerea unor produse cu proprietăți prestabilite, cu matrice metalică, aliaje sau combinații de nemetale, într-o multitudine de forme geometrice simple sau complexe.

În tările puternic industrializate este o tehnologie ce poate înlocui cu succes tehnologiile clasice. Cea mai mare aplicabilitatea o are în Japonia și America de Nord. Europa de Vest acordă o importanță mare asupra producerii și utilizării pulberilor începând din 1995.

În țara noastră dezvoltarea procedeului este modestă, întâlnindu-se în piese necesare industriei constructoare de mașini și alte mici piese de feronerie.

Activitatea în domeniul pulberilor metalice cunoaște o creștere în toate țările dezvoltate datorită noilor descoperiri tehnice și tehnologice.

Un factor important al progresului științific și tehnologic al lumii în care trăim este descoperirea, cercetarea și bineînțeles utilizarea unor materiale avansate sau creșterea performanțelor materialelor deja cunoscute.