Metody proszkowe i ich praktyczne zastosowanie

KLASYFIKACJA METOD WYTWARZANIA PROSZKÓW
Proszki są wytwarzane w wyniku mechanicznego lub fizykochemicznego rozdrabniania wyjściowego materiału litego albo reakcji chemicznych lub fizykochemicznych – z innych materiałów lub związków chemicznych.

METODY MECHANICZNE WYTWARZANIA PROSZKÓW
Metodami mechanicznymi przez rozdrabnianie w młynach kulowych, wibracyjnych lub wirowo–udarowych uzyskuje się proszki w kształcie talerzykowatym (proszek Hametag), wielościennym lub odłamkowym.
Metody mechaniczne należą do mało wydajnych i mogą być stosowane w zasadzie do rozdrabniania metali i niemetali kruchych. Proszki rozdrobnione w młynach kulowych lub wibracyjnych zwykle są zanieczyszczone materiałem okładzin młyna i kul, co wymaga następnego ich oczyszczania chemicznego.
Najczęściej stosowanym urządzeniem do mechanicznego rozdrabniania proszków jest młyn wirowo–udarowy typu Hametag. W bębnie młyna dwa stalowe śmigła obracające się w przeciwnych kierunkach z dużą prędkością powodują powstawanie wirów powietrza, które porywają cząstki wsadu metalowego w postaci pociętego drutu, wiórów i innych odpadków. Rozdrobnienie cząstek następuje w wyniku uderzania ich o śmigła i ściany bębna oraz o siebie.
Gaz wdmuchiwany do bębna przez wentylator unosi proszek, kierując go przez segregator do osadnika. Proszek jest odbierany okresowo do hermetycznych zasobników.

WYTWARZANIE PROSZKÓW METODĄ ROZPYLANIA
Rozpylanie polega na rozbijaniu strumienia ciekłego metalu na drobne kropelki przez środek rozpylający działający pod znacznym ciśnieniem. Środkiem tym jest zwykle woda, para wodna, powietrze lub gazy obojętne. Kropelki cieczy zastygają przed opadnięciem na dno zbiornika. Dodatkowo, w metodzie znanej jako DPG poza rozpylaniem stosuje się również mechaniczne rozbijanie strumienia ciekłego metalu za pomocą łopatek – klinów, zamocowanych na wirującej tarczy. W metodzie określanej jako RZ proces rozpylania jest połączony z występującymi w jego trakcie lub stosowanymi później reakcjami chemicznymi utleniania, wypalania węgla lub redukcji.

METODY FIZYKOCHEMICZNE OTRZYMYWANIA PROSZKÓW
Bardzo czyste chemicznie proszki metali, głównie żelaza, o charakterystycznej strukturze warstwowej i o kształcie kulistym otrzymuje się metodą karbonylkową. Polega ona na wstępnym wytworzeniu karbonylków, np. Fe(CO)5, w wyniku działania tlenku węgla na rudę lub złom metalu w reaktorach wysokociśnieniowych. Karbonylki metali, które są cieczami, ogrzewane następnie powyżej temperatury wrzenia rozkładają się na czysty metal, osadzający się w chłodzonych zbiornikach, oraz tlenek węgla, służący do wytwarzania następnych porcji karbonylków.
Proszki metali trudno topliwych mogą być uzyskane przez redukcję ich tlenków lub soli, najczęściej w piecach przepychowych w przeciwprądzie gazu redukcyjnego, np. wodoru, lub w piecach zawiesinowych.
Metoda elektrolityczna polega na wydzielaniu metalu na katodzie, najczęściej w postaci gąbki, którą po wysuszeniu rozdrabnia się na proszek.
Proszki metali o niskiej temperaturze wrzenia, np. Zn, mogą być wytwarzane metodą odparowywania metalu i następnie kondensacji jego par w zbiorniku, zwanym kondensatorem.

PRZYGOTOWANIE PROSZKU
Przygotowanie proszku ma na celu uzyskanie odpowiedniego wsadu do dalszych operacji technologicznych. Procesy przygotowania wsadu obejmują sortowanie proszku na różne frakcje ziarnowe, mieszanie w odpowiednich proporcjach, dodawanie środków poślizgowych i porotwórczych, a także granulację proszków.

METODY FORMOWANIA PROSZKÓW NA ZIMNO
Formowanie na zimno polega na poddawaniu proszku ściskaniu w zamkniętej przestrzeni, w wyniku czego następuje jego zagęszczenie. W zależności od kształtu formy oraz własności proszku, w szczególności zaś od jego plastyczności, zagęszczalności i formowalności, dobiera się odpowiednią metodę formowania na zimno, a mianowicie:
• prasowanie na zimno w różnego rodzaju prasach w zamkniętych matrycach,
• prasowanie izostatyczne w komorach wysokociśnieniowych,
• wibracyjne zagęszczanie proszków,
• prasowanie obwiedniowe,
• prasowanie kroczące,
• walcowanie proszków,
• wyciskanie proszków na zimno,
• formowanie udarowe,
• kucie na zimno,
• odlewanie i napylanie gęstwy, tj. silnie zagęszczonej zawiesiny proszku materiału podstawowego w cieczy z dodatkiem środków zapobiegających aglomeracji ziarn.
W wyniku formowania uzyskuje się formówki, np. wypraski, odkuwki, walcówki.

PRODUKTY SPIEKANE Z MIEDZI I JEJ STOPÓW
Szeroko są stosowane produkty spiekane z miedzi i jej stopów. Wytwarza się je z mieszaniny proszków Cu, Sn lub Zn albo proszków stopowych, np. Cu–Pb lub Cu–Zn. Miedź oraz brązy lub mosiądze są stosowane do wytwarzania spiekanych elementów urządzeń i maszyn, okuć budowlanych, w medalierstwie.

ŁOŻYSKA I FILTRY SPIEKANE
Metody metalurgii proszków umożliwiają wytwarzanie produktów, których nie można wytworzyć innymi metodami. Do produktów tych należą między innymi:
• łożyska lite,
• łożyska porowate,
• filtry spiekane.

SPIEKANE ŁOŻYSKA LITE
Spiekane łożyska ślizgowe wykazują dobre własności mechaniczne. Spiekane łożyska lite zwykle są wytwarzane przez prasowanie na gorąco lub nasycanie szkieletu z metali trudno topliwych metalami o niższej temperaturze topnienia. Są stosowane w podwyższonej i obniżonej temperaturze oraz przy wysokich obciążeniach, które to warunki wykluczają smarowanie olejami.
Spiekane łożyska lite o odpowiednim udziale grafitu lub miękkich metali niskotopliwych są samosmarowe. Najczęściej wytwarza się je z żelazografitu lub miedziografitu. Żelazo może być częściowo zastąpione przez Cu, Pb, Sn lub Zn, natomiast miedź – przez Sn, Zn, lub Pb. Może być stosowany również brąz ołowiowy o stężeniu 10÷40% Pb. W zależności od warunków pracy łożyska ślizgowe mogą zawierać także 0÷60% Cu, 0÷70% Ni, 0÷70% Co, 0÷30% Cr, 0÷10% Al, 0÷10% Mo, do 50% grafitu oraz 0÷40% węglików lub borków metali.

POROWATE ŁOŻYSKA SAMOSMAROWNE
W przeciwieństwie do licznych materiałów spiekanych, w tym także łożysk litych, charakteryzujących się dużą gęstością, niektóre produkty, takie jak łożyska samosmarowne, są wytwarzane jako porowate. Pory istniejące wewnątrz materiału są połączone ze sobą, tworząc kapilarne kanaliki. Objętość porów sięga 50% całkowitej objętości łożysk. Łożyska porowate (PN-H-97044:1996) są wytwarzane z proszków metali, najczęściej ze stopów żelaza lub miedzi, m.in. z brązów cynowych, do których mogą być dodawane proszki niemetali, np. grafitu. Najczęściej
łożyska te produkuje się w postaci cienkościennych tulei lub tulei z kołnierzami, a także w postaci baryłkowatej. Są również wytwarzane taśmy porowate, nakładane następnie na podkładki stalowe i zwijane w półpanewki.
Łożyska porowate nasyca się odpowiednim olejem, który w czasie pracy smaruje wał lub oś. Występuje wówczas równowaga między siłami wysysania oleju a siłami kapilarnymi porów, dzięki czemu olej nie wycieka, a po zaprzestaniu pracy natychmiast jest wciągany w głąb łożyska.
Spiekane łożyska porowate są stosowane w układach, w których nie ma możliwości doprowadzenia dodatkowego smarowania oraz wykonywania przeglądów okresowych oraz tam, gdzie nie można dopuścić do wyciekania oleju. Łożyska porowate z dodatkowym smarowaniem są stosowane w ciężkich warunkach pracy – przy dużej prędkości oraz obciążeniu.

SPIEKANE FILTRY POROWATE
Do produktów spiekanych o porowatości do 50% należą filtry. W zależności od warunków pracy, głównie od temperatury, wykonuje się je z proszków brązów cynowych, stali chromowych lub austenitycznych odpornych na korozję albo mosiądzów niklowych, a także z proszków innych metali. Spiekane mogą być również włókna metali.
Porowate filtry spiekane umożliwiają oczyszczanie z cząstek o średnicy 10–3÷10–4 mm. Gazy są oczyszczane z zanieczyszczeń mechanicznych, a także w pewnym stopniu osuszane. Za pomocą porowatych filtrów możliwa jest również regulacja ciśnienia gazów. Ciecze są oczyszczane głównie z zanieczyszczeń mechanicznych.
Filtry spiekane o porowatości do 50% cechują się dobrymi własnościami mechanicznymi, w tym wytrzymałością na rozciąganie, wytrzymałością na zginanie, a także dużą odpornością na obciążenia udarowe i działanie wysokiej temperatury. Mogą być regenerowane przez przepłukiwanie lub przedmuchiwanie oraz metodami chemicznymi. Są stosowane w przemysłach zbrojeniowym, lotniczym, motoryzacyjnym, chemicznym i obrabiarkowym.

SPIEKANE STALE ODPORNE NA KOROZJĘ
Spośród materiałów spiekanych pewne znaczenie techniczne zyskały stale odporne na korozję, wytwarzane metodami metalurgii proszków, np. metodą ASP lub spiekania proszków Fe, Cr, Ni. Metody te umożliwiają wytworzenie stali o bardzo małym stężeniu węgla, bardzo trudnych do otrzymania metodą konwencjonalną.

SPIEKANE METALE TRUDNO TOPLIWE
Metody metalurgii proszków umożliwiają otrzymanie czystych metali trudno topliwych, np. Ta, Nb, Ti, odpornych na korozję, albo W lub Mo stosowanych do pracy w wysokiej temperaturze, szczególnie w elektrotechnice i elektronice. Spiekane metale trudno topliwe poddaje się obróbce plastycznej na gorąco, np. młotkowaniu, ciągnieniu drutów, kuciu lub walcowaniu.

CERMETALE ŻAROODPORNE I ŻAROWYTRZYMAŁE
Liczną grupę spieków żaroodpornych i żarowytrzymałych stanowią kompozyty ceramiczno–metalowe. Materiałami ceramicznymi są zwykle tlenki, węgliki, krzemki lub borki. Powodują one zwiększenie odporności na działanie wysokiej temperatury i niewrażliwość własności wytrzymałościowych na zmianę temperatury, żaroodporność, dużą twardość i odporność na ścieranie w wysokiej temperaturze. Jako materiały żaroodporne mogą być stosowane węgliki spiekane oraz tlenki spiekane.
Do omawianej grupy materiałów należą również metale umacniane dyspersyjnie przez obcą fazę twardą i żaroodporną, jak np. wolfram spiekany z niewielkim dodatkiem tlenku sodu, wapnia lub aluminium, dwutlenku krzemu albo dwutlenku toru, zapobiegające nadmiernemu rozrostowi ziarn i pełzaniu wolframu. Podobnie jest spiekany chrom z dodatkiem tlenku itru. Metoda SAP (spiekanie proszku aluminium) jest stosowana w produkcji spieków Al+Al2O3. Udział tlenków w tych spiekach sięga 15%, zwykle wynosi jednak 5÷11%. Obecnie, oprócz aluminium, metodą tą są wytwarzane m.in. spieki U+UO2, Fe+Al2O3, Fe–Cr+Al2O3, Fe+Fe2O3 i Ni+Al2O3.

SPIEKANE MATERIAŁY NA OSNOWIE NIKLU I ŻELAZA UTWARDZANE WYDZIELENIAMI TLENKÓW
Od ponad 30 lat materiały na osnowie niklu, żelaza i aluminium są wytwarzane metodami metalurgii proszków przez mechaniczne stopowanie i utwardzanie dyspersyjne tlenkami MA ODS (mechanical alloying – oxides dispersion – strengthened). Materiały te po raz pierwszy zastosowano na elementy turbin gazowych silników lotniczych, a później na turbiny przemysłowe, w tym łopatki, dysze, komory spalania. Obecnie są stosowane na liczne elementy w różnych gałęziach przemysłu, włączając świece żarowe silników Diesla, elementy pieców do obróbki cieplnej, jak osłony, kosze, palety, szyny ślizgowe dla palet stalowych, paleniska kotłów węglowych i olejowych, osłony termoelementów, elementy do obróbki ciekłego szkła.
Proszki metali o odpowiednio dobranym składzie chemicznym oraz strukturze wytwarzane są metodą mechanicznego stopowania w młynach z poziomymi kulami lub między pionowymi tarczami ściernymi. Następuje łączenie na zimno cząsteczek proszków o różnym składzie, tj. Ni, Ti i Al, a równocześnie pękanie innych cząstek. Powoduje to stabilizację zarówno rozmiarów jak i składu chemicznego proszku. Z kolei następuje mieszanie proszku wytworzonego metodą stopowania mechanicznego jako osnowy o średniej wielkości 150 μm (w udziale ok. 15%) z proszkiem niklu o rozmiarach 4÷7 μm (w udziale ok. 64%), proszkiem chromu o rozmiarach 150 μm (w udziale ok. 20%), a także z ok. 2% Y2O3 o rozmiarach ok. 25 nm.
Materiały te wytwarzane są jako pręty, płyty, blachy, rury, druty, kształtki i odkuwki. Ich własności zależą od struktury ziarn, a także od obecności drobnoziarnistych wydzieleń tlenków. Zwykle po wytwarzaniu stosuje się wyżarzanie w temperaturze 1315°C. Ziarna mają wydłużoną strukturę związaną z technologią wyciskania lub odkształcenia i zapewniają wysokie własności mechaniczne w podwyższonej temperaturze. Jeżeli w wyniku staranności technologicznej zapewniona jest równoosiowa struktura ziarn w płaszczyźnie blachy, w jej płaszczyźnie występują niemal izotropowe własności.
W tablicy podano przykładowo składy chemiczne kilku komercyjnych materiałów spiekanych wytwarzanych tą technologią. Materiały te mogą być spawane elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych, wiązką elektronową lub laserowo, a także zgrzewane w próżni lub lutowane dyfuzyjnie.

Bibliografia:
Leszek A. Dobrzański – „Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo”