NOȚIUNI PRIVIND METALURGIA PULBERILOR I.1. INTRODUCERE Metalurgia pulberilor (MP) reprezintă un ansamblu de tehnologii specifice, prin care pulberile… [308142]

CAPITOLUL I

NOȚIUNI PRIVIND METALURGIA PULBERILOR

I.1. INTRODUCERE

Metalurgia pulberilor (MP) [anonimizat], printr-[anonimizat] o temperatură mai mică decât temperatura elementului majoritar. [anonimizat]. Operațiile derulate în vederea obținerii unei piese prin MP sunt prezentate în fig. I.1 [133].

Fig. I.1. Procesul de fabricare a unei piese prin MP [53, 133]

După cum se poate observa din fig. I.1 procesul de fabricare a unei piese prin MP cuprinde 4 etape principale [133]:

Omogenizarea materialelor inițiale ([anonimizat]);

Formarea, [anonimizat] ([anonimizat], extrudare, laminare etc.);

Sinterizarea, operație prin care piesele capătă rezistență și care poate fi realizată în atmosferă controlată sau în vacuum;

[anonimizat]: calibrare, resinterizare, forjare, impregnare, densificare, etc.

I.2. [anonimizat] [133].

[anonimizat] o serie de avantaje precum [131, 133]:

Minimizarea sau eliminarea prelucrărilor prin așchiere datorită obținerii de piese aproape sau chiar la dimensiuni finale;

Reducerea deșeurilor prin utilizarea a ≈97% din materia primă;

Permite o gamă variată de sisteme de aliaje;

[anonimizat], vor prezenta proprietăți mecanice ([anonimizat], etc.) superioare;

Se pot realiza piese cu porozitate controlată (autolubrifiante sau infiltrate);

[anonimizat], ar fi imposibil de realizat;

Posibilitatea înlocuirii unor materiale deficitare;

Suprafața halelor redusă;

Costul de producție mai scăzut.

[anonimizat] I.1. se poate observa diferența dintre consumul total pentru o piesă fabricată prin MP și aceeași piesă fabricată prin tehnologii clasice (turnare, prelucrare prin așchiere).

Tabelul I.1.

Consumul de energie pentru piesele fabricate prin MP [131]

Așa cum se poate observa din tabelul I.1., consumul de energie pentru fabricarea unei piese prin MP este cu 43,85% mai mic față de consumul de energie pentru fabricarea aceleiași piese prin forjare și prelucrare prin așchiere.

Pentru fabricarea unei cantități de 312 grame de piese finite din materialul Sint D-11 prin MP este necesară o cantitate de 328 [anonimizat] o pierdere de 16 [anonimizat] 260 de grame pierdute în cazul fabricării a 300 de grame de piese din materialul 16MnCr5 prin forjare și prelucrare prin așchiere [133].

I.3. METODE DE OBȚINERE A PULBERILOR METALICE

În vederea obținerii pulberilor metalice se pot practica mai multe metode și anume:

[anonimizat]:

A1. Metoda dezintegrării prin măcinare;

A2. Metoda Pulverizării.

A1. Metoda dezintegrării prin măcinare

Această metodă are aplicabilitate în special la materialele dure și casante, dar se poate aplica și la alte categorii de materiale metalice cu plasticitate mai mare cum ar fi feroaliajele sau compușii intermetalici.

Echipamentele utilizate pentru dezintegrarea prin măcinare pot fi:

Mori cu ciocane;

Mori cu bile;

Mori cu știfturi;

Mori cu tambur rotitor;

Mori vibratoare;

Mori planetare cu bile;

Atritoare.

Cele mai uzuale echipamente utilizate pentru elaborarea pulberilor metalice sunt morile cu bile, morile planetare cu bile și atritoarele.

Pentru cantități mari de material se utilizează morile cu bile. Acestea au diametrul tamburului cuprins între 200 și 1600 mm care este executat dintr-un material rezistent la uzare. Bilele utilizate la măcinare sunt realizate din materiale dure și extradure. Volumul de umplere al tamburului unei mori cu bile este cuprins între 40-60%, acesta fiind alcătuit atât din material cât și din bile.

În fig. I.2 este prezentată schema unei instalații de măcinare cu bile iar în fig. I.3 se prezintă principiul procesului de măcinare.

Fig. I.2. Schema unei instalații de măcinare: 1. carcasă; 2. tambur;

3. ușa de închidere; 4. bile și material; 5. roata dințată de antrenare; 6. burduf;

7. container de transport; 8. cărucior; 9. șină [72]

Fig. I.3. Principiul procesului de măcinare: 1. material; 2. bile; 3. cilindru;

4. role de conducere [72]

Morile planetare cu bile se utilizează pentru cantități mai mici de material datorită volumului mic al incintelor de măcinare, care este cuprins între 12-500 ml, conform specificațiilor pentru morile planetare cu bile marca Fritsch.

În fig. I.4. se prezintă o vario moară planetară Pulverisette 4 care prezintă două posturi de lucru, iar în fig. I.5 sunt prezentate boluri respectiv bile utilizate în procesul de măcinare.

Fig. I.4. Vario moară planetară Pulverisette 4, Fritsch

Fig. I.5. Boluri și bile din materiale diferite și bol pentru măcinare în atmosferă controlată, Fritsch

Cele mai importante variabile în procesul de măcinare sunt:

Materialul bolurilor (incintelor) de măcinare;

Materialul bilelor de măcinare;

Raportul material/bile;

Tipul măcinării: uscată, umedă sau criogenică;

Agenții de control de proces;

Atmosfera de măcinare: inertă sau oxidantă;

Timpul de măcinare;

Temperatura de măcinare;

Modul de lucru: prin frecare sau prin lovire;

Turația morii.

Așa cum se poate constata din fig. I.4 respectiv I.5, pentru asigurarea atmosferei inerte se pot utiliza boluri care au capacul prevăzut cu două valve pentru a putea fi introdus argonul.

Pentru evitarea supraîncălzirii bolurilor de măcinare există sisteme de măsurare a temperaturii și presiunii din interiorul acestora. În fig. I.6 se prezintă sistemul GTM pentru măsurarea temperaturii și presiunii din interiorul bolurilor de măcinare.

Fig. I.6. Sistem GTM, Fritsch pentru monitorizarea temperaturii și presiunii

din interiorul bolurilor de măcinare

Acest sistem este compus dintr-un receptor care este conectat la un calculator, respectiv dintr-un bol care are un capac special prevăzut cu un emițător. Este foarte util pentru stabilirea timpilor intermediari de măcinare, mai ales atunci când se dorește ca măcinarea să se realizeze la o anumită temperatură.

Un alt echipament utilizat pentru măcinare este atritorul, prezentat în fig. I.7.

Fig. I.7. Schema unui atritor [1]

Acesta funcționează la turații cuprinse între 60 rot/min., în cazul celui utilizat la nivel industrial și poate ajunge la turații de 300 rot/min., în cazul celui de laborator. Avantajul acestuia constă în faptul că puterea este transmisă direct la sistemul de agitare a bilelor și nu este utilizată pentru rotirea sau vibrarea containerului.

A2. Metoda Pulverizării

Pulverizarea constă în obținerea pulberilor metalice prin dezintegrarea unei topituri metalice sub acțiunea unei surse de energie. În funcție de sursa de energie pulverizarea poate fi: cu apă, cu gaz și prin centrifugare [47].

Pulverizarea cu apă se utilizează cu precădere la obținerea pulberilor pe bază de fier. Schema instalației de pulverizare este prezentată în fig. I.8.

Fig. I.8. Schema instalației de pulverizare cu apă: 1. topitură; 2. cuptor; 3. sursa de presiune; 4. turnul de pulverizare; 5. pulbere; 6. apă; 7. jet [22, 47]

Așa cum reiese din fig. I.8 procesul constă din următoarele etape:

Materia primă se va topi în cuptor (2) care poate fi: cu arc electric, prin inducție, etc.;

Topitura metalică va trece prin duza ceramică prevăzută cu un orificiu calibrat;

Jetul de apă va fi pulverizat sub forma unui con, cu o presiune de aproximativ 300 bari, iar la contactul cu metalul lichid acesta din urmă se va dezintegra. Unghiul format între jetul de apă și metalul lichid este foarte important, în sensul că, la valori mici ale acestui unghi particulele tind să capete formă sferică. De asemenea, dimensiunea particulelor este influențată de viteza și presiunea apei și anume, aceasta scade odată cu creșterea vitezei și presiunii.

Pulverizarea cu gaz

Constă în dezintegrarea metalului lichid sub acțiunea unui curent de gaz, fig. I.9.

Fig. I.9. Schema instalației de pulverizare cu gaz: 1. topitură; 2. cuptor cu inducție; 3. duză; 4. turnul de pulverizare; 5. sursă de gaz; 6. pulbere fină;

7. pulbere [22, 47]

Gazul este pulverizat cu o viteză de aproximativ 720 m/s iar unghiul de intersecție al gazului cu metalul lichid este de 40o. Gazul este recirculat și odată cu el antrenează și particule fine de pulbere care sunt depuse (6).

Compania germană Krupp a dezvoltat un procedeu de pulverizare criogenică folosind ca și agent de pulverizare argon sau azot la o temperatură de -200 oC. Pulberile obținute prin acest procedeu sunt mult mai pure comparativ cu cele obținute prin atomizare cu apă.

Pulverizarea prin centrifugare

Acest procedeu constă în pulverizarea metalului topit dintr-un recipient, pe o placă sau disc rotit cu viteză ridicată. Un exemplu de pulverizare prin centrifugare îl reprezintă electodul rotitor, fig. I.10.

Fig. I.10. Schema de pulverizare cu electrod rotitor [22, 47]

Particulele obținute prin acest procedeu sunt sferice având suprafața netedă iar dimensiunea particulelor este cuprinsă între 50-400 µm.

Metode chimice

Dintre metodele chimice, cele mai întâlnite sunt: metoda reducerii, metoda electrolitică și metoda carbonil.

B1. Metoda reducerii

Această metodă este utilizată pe scară largă, mai ales în cazul în care materia primă provine din minereuri sau deșeuri rezultate în urma prelucrărilor chimice sau metalurgice. Agenții reducători pot fi: carbonul solid, metale sau combinații ale acestora respectiv gaze, care nu trebuie să reacționeze cu metalul rezultat în urma procesului de reducere.

În funcție de stabilitatea oxizilor diferitelor metale procesul de reducere poate dura mai mult sau mai puțin. În fig. I.11 este prezentată afinitatea față de oxigen respectiv tendința de reducere a unor metale.

Fig. I.11. Afinitatea față de oxigen a unor metale [22, 47]

Așa cum se observă din fig. I.11, cele mai susceptibile metale pentru procesul de reducere sunt Cu, Ni, Co, Mo, W și Fe, restul metalelor fiind mai dificil de supus procesului de reducere.

Ca și agenți gazoși pot fi amintiți: monoxidul de carbon, hidrogenul și metanul. Reacțiile care au loc în cadrul procesului de reducere a oxizilor metalici sunt [22, 47]:

(I.1)

(I.2)

(I.3)

B2. Metoda electrolitică

Constă în trecerea curentului electric continuu prin soluțiile apoase ale sărurilor metalelor sau prin topitura acestora la temperatură ridicată. Astfel, materialul se topește la anod și se depune sub formă de pulbere la catod.

În cazul obținerii pulberilor de Cu, metoda electrolitică este cea mai răspândită. Se poate utiliza și în cazul fierului, doar dacă se doresc pulberi de mare puritate, deoarece în acest caz, procedeul este foarte scump. Pulberile obținute prin acest procedeu au un grad de compactizare respectiv de sinterizare ridicat. Pulberile de Fe obținute prin electroliză au formă spongioasă (ca un burete) pe când pulberile de Cu au formă dendritică, așa cum se poate observa în fig. I.12.

Fig. I.12. Imagine SEM a pulberii de Cu obținută prin electroliză (1500X) [20]

B3. Metoda carbonil

Prin această metodă se pot obține pulberi de puritate ridicată și cu granulație fină. Se utilizează în cazul acelor metale care formează cu oxidul de carbon compuși chimici numiți carbonili.

În cazul obținerii pulberii de Fe carbonil, la o temperatură de aproximativ 200 oC și presiune foarte ridicată (150-200 daN/cm2) sub acțiunea oxidului de carbon se formează pentacarbonilul de Fe – Fe(CO)5 care se va descompune conform relației de mai jos:

(I.4)

Oxidul rezultat în urma reacției este reutilizat pentru obținerea pentacarbonilului de Fe. Astfel, se formează particule sferice de pulbere cu dimensiunea cuprinsă între 1-10 µm. Pulberea astfel obținută prezintă duritate foarte mare (aproximativ 850 HV) dar după un tratament de recoacere reducătoare și decarburantă în mediu de H2 duritatea scade semnificativ.

În tabelul I.2. sunt prezentați carbonilii și proprietățile lor [22].

Tabelul I.2.

Carbonilii și proprietățile lor [22]

Tabelul I.2. (continuare)

Carbonilii și proprietățile lor [22]

I.4. PROPRIETĂȚILE PULBERILOR METALICE

Pentru a se asigura calitatea prescrisă a pieselor obținute din pulberi metalice este bine să se cunoască proprietățile materialelor pulverulente inițiale.

Așadar, pulberile metalice prezintă 3 tipuri de proprietăți și anume: proprietăți fizice, proprietăți chimice și proprietăți tehnologice.

Dintre proprietățile fizice se pot aminti [22]:

Forma particulelor;

Densitatea reală;

Structura internă;

Calitatea și dimensiunea suprafeței particulelor;

Dimensiunea particulelor;

Microduritatea particulelor.

În funcție de procedeul de obținere particulele de pulbere pot avea forme diferite, așa cum rezultă din fig. I.13.

Fig. I.13. Forme ale particulelor de pulbere [22]

Forma particulelor micronice poate fi determinată cu ajutorul lupei, microscopului optic sau stereomicroscopului.

În cazul particulelor nanometrice/submicronice cele mai uzuale echipamente pentru determinarea formei sunt: microscopul electronic cu scanare (SEM, Scanning Electron Microscope) și microscopul electronic cu transmisie (TEM, Transmission Electron Microscope, HR-TEM, High-Resolution Transmission Electron Microscope).

Particulele de pulberi metalice care au o microduritate ridicată influențează negativ durabilitatea matrițelor de presare dar și presabilitatea pulberilor.

În funcție de dimensiunea particulelor pulberile pot fi [71]:

Micronice (>1µm);

Submicronice (100nm-1µm);

Nanometrice (<100 nm).

Pulberile cu dimensiunea particulelor cuprinsă în intervalul granulometric [20-300] µm sunt utilizate în mod curent în practica industrială.

Comparativ cu pulberile micronice, utilizarea pulberilor submicronice și nanometrice s-a dovedit a fi benefică în fabricarea pieselor, datorită proprietăților diferite pe care acestea le prezintă. Diferența dintre proprietățile nanopulberilor și pulberile micronice rezultă din reactivitatea mult mai ridicată a nanopulberilor [71].

În tabelul I.3 respectiv I.4 sunt prezentate standarde respectiv echipamente utilizate pentru determinarea dimensiunii particulelor de pulbere.

Tabelul I.3.

Standarde pentru determinarea dimensiunii și distribuției granulometrice a particulelor de pulbere [71]

Tabelul I.3. (continuare)

Standarde pentru determinarea dimensiunii și distribuției granulometrice a particulelor de pulbere [71]

Tabelul I.4.

Echipamente și tehnici adecvate de determinare a dimensiunii particulelor de

pulberi [5, 71]

Conform standardului ISO 13320 (1999) se recomandă principiul difracției undei laser pentru determinarea dimensiunii și a distribuției granulometrice a pulberilor submicronice respectiv nanometrice.

Conceptul măsurării mărimii particulelor cu ajutorul razelor laser se bazează pe teoria lui Gustav Mie (dezvoltă în anul 1908, denumită și teoria Lorenz-Mie), care a evidențiat efectul de împrăștiere a radiației electromagnetice de către particule.

Gradul de împrăștiere a radiației electromagnetice depinde de raportul dintre mărimea particulelor și lungimea de undă a radiației electromagnetice. Schema de principiu a metodei de măsurare bazată pe difracția razelor laser (Low Angle Laser Light Scattering-LALLS) este prezentată în figura I.14 [140, 141].

Fig. I.14. Împrăștierea razelor laser de către o particulă de apă [136, 137]

Distribuția poate fi exprimată prin divizarea numărului total N de particule în grupuri (δN1, δN2…..δNn), astfel încât fiecare grup δNi de particule se studiază ca dimensiuni într-un interval Di, centrat pe o valoare a diametrului δDi (1,2,3….n), toate particulele fiind considerate teoretic sferice [61, 71].

Astfel, pot fi definite următoarele funcții de repartiție ce corespund următoarelor tipuri de distribuție:

distribuție numerică F( Dj ) =

distribuție de lungime F( Dj ) =

distribuție de suprafață F( Dj ) =

distribuție volumică F( Dj ) =

Funcțiile de frecvență corespunzătoare tipurilor de distribuții enumerate anterior se exprimă prin valorile lor pe fiecare interval centrat pe valoarea Di corespunzător grupului de particule δNi (i = 1,2,….n ) după cum urmează:

distribuție numerică fi= δNi/N

unde δNi reprezintă numărul de particule al grupului centrat pe valoarea Di a diametrului, iar N numărul total de particule.

distribuție de lungime fi= δLi/L

unde Li reprezintă lungimea particulelor grupului δNi, iar L lungimea totală a particulelor.

distribuție de suprafață fi= δSi/S

unde Si reprezintă suprafața particulelor grupului δNi, iar S suprafața totală a particulelor.

– distribuție volumică fi= δVi/V

unde Vi reprezintă volumul particulelor grupului δNi, iar V volumul total al particulelor.

În continuare se vor prezenta două echipamente pentru determinarea distribuției granulometrice a pulberilor.

Echipamentul NANOSIGHT LM 10, figura I.15, permite vizualizarea particulelor submicronice și nanometrice.

Etapa pregătirii probei de analizat este foarte importantă întrucât soluția compusă din lichidul dispersant și pulbere trebuie să prezinte o diluție optimă. În cazul în care se presupune existența unor particule mai mari de 1 μm este bine să se utilizeze filtre pentru a elimina aceste particule. Dacă se constată prezența aglomeratelor nedorite în proba de analizat este bine ca aceasta să fie dispersată prin diferite metode, una din metodele foarte utile fiind ultrasonarea.

Fig. I.15. Sistem de analiză a nanoparticulelor NANOSIGHT LM 10 [134]

În fig. I.16 se prezintă principiul de măsurare iar în fig. I.17 se observă celula laser și fasciculul laser.

Fig. I.16. Principiul de măsurare al echipamentului NANOSIGHT LM 10 [134]

Fig. I.17. Celula laser și fasciculul laser [134]

În fig. I.18 se observă etapele parcurse pentru determinarea distribuției granulometrice după ce s-a pornit echipamentul.

a) b)

c)

Fig. I.18. Etapele determinării distribuției granulometrice: a) particule în mișcare browniană; b)traiectoriile particulelor urmărite; c) distribuția particulelor [134]

Determinarea distribuției particulelor se realizează în 3 etape și anume:

după injectarea suspensiei în celula laser și pornirea analizei se va face captură de imagine în timp real (film), în care se observă particulele în mișcare browniană (fig. I.18 a);

în momentul analizei programul urmărește traiectoria particulelor în funcție de o particulă selectată inițial de către operator (fig. I.18 b);

se vor calcula distanțele medii parcurse de particule de-a lungul traiectoriei, determinându-se raza hidrodinamică a fiecărei particule din raza de vizualizare (fig. I.18 c).

În fig. I.19 este prezentată analiza distribuție nanoparticulelor de pulbere de Au obținute prin piroliză laser.

a)

b)

Fig. I.19. Distribuția granulometrică a unei pulberi de Au

În exemplul din fig. I.19 se pot observa atât particulele aflate în mișcare browniană cât și rezultatul analizei sub formă grafică, astfel că dimensiunea medie a particulelor este de aproximativ 60 de nm.

Echipamentul BROOKHAVEN 90 PLUS permite analiza dimensiunii particulelor de pulbere în orice tip de suspensie. Dimensiunile de particule ce pot fi măsurate se înscriu în intervalul 2nm-3μm.

Echipamentul are încorporat un calculator folosind sistemul de operare Windows pe care este instalat programul aferent.

Caracteristici tehnice:

Coeficient de difuzie: 10-6 – 10-9 cm2/sec

Acuratețe: ±1 – 2 % cu probe monodispersate;

Repetabilitate: ±1 – 2 % cu probe fără praf (dust free sample)

Laser: 15 mW laser solid

Volum probă: 0.5—3 ml

Control temperatură: 5o – 75o

Timp de măsurare: 1-2 minute

Pregătirea probelor se face relativ simplu după cum urmează:

se umple cuveta cu lichid dispersant specific probei de analizat (apă distilată, etilen glicol, etc.) până la nivelul indicat, figura I.20;

Fig. I.20. Cuveta aparatului

proba ce trebuie analizată va fi diluată cu un ordin de 0,0001 la 1% volum;

se pune proba ce trebuie analizată în cuvetă după care se va introduce în aparat;

după aceasta, utilizând programul aferent aparatului se vor seta parametrii analizei.

De regulă proba ce trebuie analizată va fi supusă procesului de ultrasonare pentru a sparge eventualele aglomerate.

În fig. I.21 se prezintă rezultatul analizei pentru o pulbere de wolfram măcinată mecanic timp de 35 de ore.

Fig. I.21. Analiza distribuției granulometrice a pulberii de W obținută prin măcinare mecanică timp de 35 de ore

Așa cum se observă din fig. I.21 dimensiunea particulelor este de aproximativ 44 de nm rezultând astfel că pulberea este nanometrică.

Proprietățile chimice ale pulberilor metalice sunt [22, 53, 72]:

Compoziția chimică;

Rezistența la coroziune;

Rezistența la oxidare.

Proprietățile tehnologice ale pulberilor sunt [22, 53, 72]:

Densitatea aparentă de umplere;

Compactitatea de umplere;

Compactitatea de presare;

Porozitatea de umplere;

Densitatea de tasare;

Fluiditatea;

Sinterizabilitatea;

Presabilitatea.

I.5. FORMAREA PIESELOR DIN PULBERI METALICE

Etapa formării pieselor din pulberi metalice este foarte importantă întrucât în cadrul acesteia se realizează configurarea piesei, denumită piesă crudă, care prezintă forma piesei finale.

Formarea pieselor din pulberi se poate realiza prin mai multe metode și anume [22, 53, 72]:

Presare axială în matriță;

Presare izostatică;

Injecție în matriță;

Extrudare;

Laminare;

Forjare;

Turnare liberă.

O parte din aceste metode precum presarea în matriță, presarea izostatică, injecția în matriță și extrudarea pot fi realizate și la cald.

Cea mai utilizată metodă de formare este presarea axială în matriță deoarece aceasta asigură obținerea de piese crude cu porozitate scăzută și totodată este o metodă simplă și economică.

Presarea axială se poate realiza cu simplă sau cu dublă acțiune.

Presarea axială cu simplă acțiune, fig. I.22 se realizează prin aplicarea unei forțe poansonului superior, în timp ce poansonul inferior și matrița sunt fixe. În cazul presării axiale cu dublă acțiune, fig. I.23, forța este aplicată atât poansonului superior cât și celui inferior.

Fig. I.22. Presarea axială cu simplă acțiune [72, 109]

Fig. I.23. Presarea axială cu dublă acțiune [72, 109]

Densitatea pieselor crude obținute prin metoda presării în matriță este influențată de mai mulți factori și anume [72, 109]:

forța de presare;

viteza de presare;

forma granulelor pulberii și distribuția granulometrică;

înălțimea de umplere la forța de presare constantă și suprafața de presare constantă;

natura pulberilor;

cantitatea și calitatea lubrifianților utilizați la presare;

timpul de compresiune;

metoda de presare;

gradul de ecruisare a pulberilor.

Pentru asigurarea unei distribuții uniforme a presiunii respectiv pentru a ușura scoaterea comprimatului din matriță, în amestecul de pulberi se adaugă lubrifianți. Aceștia, utilizați în proporție de 0,2-1% au următoarele efecte [72, 109]:

compresibilitatea pulberilor prezintă o ușoară creștere;

sunt eliminate defectele;

se reduce forța de scoatere a comprimatului;

se reduc frecările între elementele active ale matriței și pulbere;

se elimină riscul gripării matrițelor.

Adăugarea lubrifianților în masa amestecului de pulbere se poate realiza astfel:

sub formă de pulbere, prin omogenizarea uscată cu pulberea metalică;

în stare lichidă prin amestecare cu pulberea metalică;

sub formă de soluții în apă sau solvenți organici care, după omogenizarea cu pulberea metalică vor fi evaporați.

În tabelul I.5 se prezintă o serie de lubrifianți utilizați la fabricarea pieselor din pulberi.

Tabelul I.5.

Lubrifianți utilizați la compactizarea pulberilor metalice [109]

Epruvetele utilizate pentru stabilirea proprietăților unui material vor fi realizate folosind matrițe cu dimensiunile conforme standardelor în vigoare pentru încercările la care v-a fi supus materialul respectiv.

De exemplu, pentru elaborarea epruvetelor pentru determinarea rezistenței mecanice la tracțiune se vor utiliza matrițe conform standardului MPIF 10 sau ISO 2740.

Astfel, în fig. I.24 se prezintă forma și dimensiunile unei epruvete pentru încercarea la tracțiune.

Fig. I.24. Forma și dimensiunile epruvetelor de tracțiune [30]

Conform [12], viteza de presare este un parametru ce nu trebuie neglijat în cadrul operației de presare în matriță. Astfel, s-a studiat influența vitezei de presare în cazul unei pulberi de Fe tip DWP 200 de proveniența Ductil SA Buzău. În fig. I.25 este prezentată evoluția densității la crud respectiv a porozității în funcție de viteza de presare pentru o pulbere de Fe presată axial cu simplă acțiune.

Fig. I.25. Evoluția densității și a porozității la crud în funcție de viteza de presare [12]

Din graficul din fig. I.25 se poate observa faptul că densitatea la crud crește odată cu creșterea vitezei de presare, iar porozitatea scade, fiind complementară densității.

Pentru acest experiment s-a utilizat o matriță cilindrică având diametrul de Φ=12 mm respectiv o mașină electromecanică de încercări mecanice LBG. La fiecare viteză s-a utilizat aceeași presiune și anume 400 MPa.

În cazul pulberilor submicronice și nanometrice procesul de formare este dificil, întrucât, așa cum reiese din fig. I.26, compactibilitatea pulberilor scade odată cu scăderea dimensiunii particulelor.

Fig. I.26. Influența dimensiunii particulelor asupra compactibilității pulberilor metalice [71]

În consecință, pentru presarea pulberilor submicronice și în special a celor nanometrice se utilizează presiuni foarte mari, de ordinul GPa.

Dintre procedeele de compactizare prin presare a nanopulberilor, pot fi amintite următoarele:

Compactizarea în matriță cu poansoane diamantate, fig. I.27;

Fig. I.27. Matriță cu poansoane diamantate: 1. poansoane diamantate; 2. matriță din oțel; 3. arcuri speciale; 4. pârghie [40, 71, 84]

Presiunea de compactizare poate atinge valori de aproximativ 5GPa și se măsoară prin metoda fluorescenței, cu ajutorul unui senzor de presiune din rubin (Φ = 10 µm) care este poziționat în amestecul de pulberi. Compactizarea se poate face atât la temperatura ambiantă cât și la temperaturi ridicate.

Compactizarea prin presare criogenică, fig. I.28 asigură obținerea de piese în stare crudă, care prezintă porozitate foarte scăzută, dimeniunea porilor fiind de ordinul nanometrilor.

Fig. I.28. Echipament pentru compactizare prin presare criogenică a nanopulberilor: 1.poanson Bridgman; 2.poanson mobil; 3.matriță; 4.cilindru de răcire; 5.element de încălzire; 6.nanopulbere de compactizat; 7.termocuplu; 8.poanson fix; 9, 16, 18. elemente de rigidizare; 10.element izolator de căldură; 11.element de încărcare a sarcinii prin fricțiune; 12.element de poziționare și transfer de căldură; 13.piston de presiune; 14.cameră vidată; 15.pistoane de transmitere a presiunii prin fricțiune; 17.disc izolator termic; 19.inel de poziționare [71, 115]

Compactizarea prin presare criogenică se poate realiza în prezența lubrifianților gazoși sau lichizi.

I.6. SINTERIZAREA PULBERILOR METALICE

Etapă imediat următoare formării, sinterizarea reprezintă tratamentul termic efectuat la o temperatură inferioară punctului de topire a componentului principal, prin care piesa în stare crudă capătă rezistență mecanică. În această etapă, particulele de pulbere se sudează între ele formând așa numitele punți de sinterizare.

Semifabricatul supus sinterizării poate să fie un corp format prin diferite metode, așa cum s-a prezentat în paragraful I.5 sau poate să fie sub formă de pulberi liber vărsate sau tasate într-o matriță.

Tratamentul termic de sinterizare prezintă o serie de variabile, după cum urmează [22, 30, 72, 109]:

Temperatura de sinterizare reprezintă cea mai importantă variabilă în procesul de sinterizare. Aceasta trebuie să atingă o valoare cuprinsă între 2/3-4/5 din temperatura de topire a elementului majoritar;

Viteza de încălzire respectiv de răcire sunt importante din punctul de vedere al asigurării unei dilatări sau contracții cât mai uniforme ale piesei. În cazul sinterizării rezistive este bine să se practice viteze de încălzire/răcire de maxim 20 oC/min. Există însă și procedee de sinterizare care pot ajunge la viteze de încălzire de 200-300 0C/min cum este cazul sinterizării cu descărcare în plasmă (Spark Plasma Sintering – SPS);

Timpul de menținere la temperatura de sinterizare care poate să fie de ordinul orelor sau zecilor de ore în cazul sinterizării rezistive sau poate fi de ordinul minutelor în cazul sinterizării activate (SPS);

Durata sinterizării se poate stabili în funcție de viteza de încălzire și de palierele efectuate pe parcursul încălzirii;

Atmosfera de sinterizare poate să fie: oxidantă (aer, CO2); reducătoare (H2, CO, CH4, NH3); carburantă (CO, CH4, propan, etc.); de nitrurare (NH3) sau neutră (vid, argon, etc.).

În fig. I.29 se prezintă un cuptor de sinterizare cu încălzire rezistivă respectiv în fig. I.30 se prezintă ciclograma aferentă tratamentului termic.

Fig. I.29. Cuptor de tratament termic cu încălzire rezistivă, Carbolite CWF 1200

Fig. I.30. Ciclograma unui tratament termic de carburare-sinterizare [30]

Așa cum se poate observa din fig. I.29, în cuptor s-a introdus o cutie special concepută, pentru a se asigura atmosfera de carburare respectiv sinterizare pentru un proces de carburare-sinterizare. Cutia este prevăzută cu două țevi care au la capete robineți, unul pentru admisia iar celălalt pentru evacuarea gazelor. În momentul carburării robinetul de evacuare este închis, capacul cutiei fiind prevăzut cu un orificiu pentru flacăra de carburare (fig. I.29 dreapta).

Conform figurii I.30 se pot observa parametrii utilizați în procesul de carburare-sinterizare și anume: viteza de încălzire/răcire între 5-10 oC/min, atmosferă neutră (argon) până la 910 oC apoi, la 910 oC timp de 45/90 minute atmosferă carburantă de CH4 după care procesul continuă tot în atmosferă neutră (argon). Se pot observa 3 paliere și anume: primul de deliere – în care se va elimina lubrifiantul, al doilea de carburare iar al treilea de sinterizare.

Pentru elaborarea materialelor nanostructurate se utilizează cu precădere sinterizarea cu încălzire cu microunde (Microwave Sintering- MWS), sinterizarea cu descărcare în plasmă (Spark Plasma Sintering – SPS) respectiv sinterizarea în doi pași (Two Steps Sintering -TSS).

Sinterizarea cu încălzire cu microunde (Microwave Sintering – MWS)

Comparativ cu încălzirea rezistivă, care se realizează din exteriorul piesei spre interior, în cazul MWS încălzirea se realizează de la interior spre exterior.

Procesul de încălzire este rapid și eficient deoarece căldura se transmite în toată masa piesei prin transferul pe cale electromagnetică a energiei [26, 114].

Avantajele oferite de încălzirea cu microunde față de încălzirea rezistivă [26, 114] sunt:

Timp de încălzire redus, în consecință scade costul energiei;

Viteze de încălzire ridicate;

Control riguros al temperaturii datorită diminuării inerției termice a incintei;

Impact pozitiv asupra mediului înconjurător;

Îmbunătățirea produselor, prin sinteze chimice îmbunătățite respectiv temperaturi de reacție scăzute.

În funcție de interacțiunea materialelor cu microundele, acestea se pot clasifica în trei categorii, fig. I.31: materiale transparente, care interacționează foarte puțin sau chiar deloc cu microundele (ex. cuarțul); materiale care absorb microundele (ex. carbonul amorf); materiale care reflectă microundele (materialele utilizate la fabricarea carcaselor pentru cuptoarele cu microunde, ex. aluminiul).

Fig. I.31. Interacțiunea materialelor cu microundele [26]

Pentru a fi supuse încălzirii cu microunde, materialele trebuie să fie susceptibile la microunde. Comparativ cu metalele care reflectă microundele, materialele ceramice au o bună susceptibilitate la încălzirea cu microunde.

Există două tipuri de instalații de sinterizare cu încălzire cu microunde și anume:

Instalație mono – mode, fig. I.32 care se utilizează pentru piese de dimensiuni mici.

Caracteristicile tehnice ale instalației MWS mono-mode sunt:

Puterea de ieșire maximă ajustabilă: P = 1250 W;

Frecvența de lucru: f = 2450 MHz ± 10 Hz;

Tensiunea anodică 3500 V;

Sursă de alimentare magnetron răcită cu apă;

Dispozitiv magnetron răcit cu apă la presiunea de 3 bar;

Volumul maxim din magnetron .

Fig. I.32. Instalație de sinterizare cu încălzire cu microunde mono-mode [114]

Instalație multi-mode (fig. I.33), este utilizată și la cuptoarele cu microunde casnice. Avantajul acesteia este că nu necesită adaptarea impedanței sarcinii întrucât ghidul de undă este prevăzut cu un deflector care poate să fie fix sau rotativ și care asigură distribuția energiei microundelor în tot volumul camerei de încălzire. De asemenea, nu este asigurată o intensitate mare a câmpului electromagnetic și o distribuție uniformă a acestuia, în interiorul cuptorului fiind multe unde reflectate.

Caracteristicile tehnice ale instalației MWS multi-mode sunt:

Puterea de ieșire maximă ajustabilă: P = 1250 W;

Frecvența de lucru: f = 2450 MHz ± 10 Hz;

Tensiunea anodică 3500 V;

Sursă de alimentare magnetron răcită natural;

Dispozitiv magnetron răcit cu aer.

Fig. I.33. Instalație de sinterizare cu încălzire cu microunde multi-mode [114]

Sinterizarea cu descărcare în plasmă (Spark Plasma Sintering – SPS)

Procedeul SPS se caracterizează prin generarea instantanee a plasmei între particulele de pulbere, prin descărcare electrică, cu ajutorul unui generator de impulsuri de curent continuu. Particulele de pulbere capătă rol de anod și catod iar între ele au loc descărcări de curent electric care au ca efect curgerea plastică a materialului. În ultimele decenii, procedeul SPS a devenit foarte utilizat, în special la fabricarea următoarelor materiale: ceramice, cermeți, metale, materiale dure, materiale compozite, pseudoaliaje, materiale cu gradient structural și funcțional, etc. [33, 37-39, 50, 67, 83, 97, 107, 108, 119,129]. Procedeul este asistat de o operație de presare uniaxilă pe verticală, care are ca scop accelerarea sinterizării. Cele mai importante avantaje ale SPS sunt: viteze mari de încălzire (peste 200 oC/min) și automat timpi de încălzire reduși, timpi reduși de menținere la temperatura de sinterizare; temperaturi de sinterizare mai scăzute; obținerea de piese cu microstructură fină [97, 119].

Din câte s-a arătat în cadrul formării pieselor crude din pulberi nanometrice, paragraful I.4, pentru a obține porozitate cât mai mică este nevoie de echipamente complicate și scumpe. Procedeul SPS asigură simultan atât compactizarea cât și sinterizarea și, din acest motiv este pretabil pentru obținerea pieselor nanostructurate. Atât matrița cât și elementele active ale ei sunt confecționate din grafit. Schema de principiu a unei instalații SPS este prezentată în fig. I.34, iar în fig I.35 se prezintă o imagine din timpul sinterizării.

Fig. I.34. Reprezentarea schematică a unei instalații SPS [97]

Fig. I.35. Imagine în timp real din timpul sinterizării (T=950 oC) (Instalație realizătă de colectivul Universității Tehnice din Cluj Napoca, Facultatea de Ingineria Materialelor și a Mediului)

Sinterizarea în doi pași (Two Steps Sintering – TSS)

Reprezintă o tehnologie de sinterizare avansată, care asigură stagnarea creșterii grăunților, obținându-se astfel materiale nanostructurate. Procedeul constă în încălzirea la o temperatură apropiată de temperatura de sinterizare, menținerea la această temperatură o perioadă foarte scurtă (câteva minute) urmată apoi de răcirea până la o temperatură cu 100-200 oC mai mică (depinde de material) și menținerea la această temperatură un timp mai îndelungat (de ordinul orelor și zecilor de ore). În lucrarea [100] se prezintă sinteza unor materiale ceramice BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3−δ, din pulberi cu particule foarte fine, prin procedeul TSS. În acest caz s-au practicat următoarele etape [100]: încălzire până la temperatura de 1450 oC cu viteza de 5 oC/min; menținere timp de 1 minut la această temperatură pentru obținerea unei densități intermediare; răcirea până la temperatura de 1300 oC cu o viteză de 15 oC/min și menținerea la această temperatură timp de 20 de ore. În urma tratamentului prin TSS s-a obținut o porozitate de 3,13% și o dimensiune a grăunților cristalini de 184 nm.

În fig. I.36 se prezintă comparativ cele 4 tipuri de sinterizare și anume sinterizare convențională (SC), MWS, SPS și TSS.

Fig. I.36. Ciclograme de sinterizare

Din cele 4 tipuri de sinterizare, doar în cazul SPS nu este obligatorie operația de formare a pulberilor (compactizare, injecție, etc.).

În cazul TSS, dat fiind faptul că se utilizează pulberi foarte fine respectiv nanometrice, operația de formare impune utilizarea anumitor lianți. S-a amintit în fig. I.26 faptul că, odată cu scăderea dimensiunii particulelor de pulbere scade compactibilitatea.

De asemenea, cele două tipuri de sinterizare SC și TSS au durate mult mai mari de menținere la temperatura de sinterizare și viteze mult mai mici de încălzire comparativ cu sinterizarea MWS și SPS.