Probleme ale metalurgiei pulberilor si materiale compozite

Probleme ale metalurgiei pulberilor si materiale compozite .

1. Consideratii generale .

Aceste doua categorii de produse prelucrate atat sub forma de piese cat si componente structurale se deosebesc in principal de produsele metalice clasice prin faptul ca materialul masiv nu se mai obtine prin solidificarea topiturii ca piesa sau lingou.

Metalurgia pulberilor este utilizata azi pe scara larga ca o alternativa tehnologica mai avantajoasa sau alteori chiar ca singura modalitate posibila de obtinere a unor produse, in urmatoarele cazuri :

a-      producerea de piese metalice mici si cu forme complicate a caror obtinere prin tehnologiile clasice nu e rentabila nici din punct de vedere al consumului de material metalic, nici a preciziei dimensionale ;

b-      obtinerea de piese si semifabricate cu caracteristici microstructurale net avantajoase si cu proprietati superioare comparativ cu cele ale materialului prelucrat prin tehnologia clasica, ca efect al unei granulatii mai fine, al unui grad mai avansat de dispersie al particulelor de incluziuni sau faze secundare, precum si al unor segregatii mai slab manifestate ;

c-      producerea pieselor prin care natura functionarii trebuie sa aiba o structura poroasa

d-     obtinerea in stare ductila a unor metale si aliaje greu fuzibile ;

e-      obtinerea unor materiale ai caror componenti nu se aliaza in mod natural : pseuodoaliajele ( pentru contactele electrice de tip W-Ag, W-Cu, Mo-Ag ) , materiale grafitizate pentru electrotehnica ( Cu-grafit, Fe-grafit ) ;

f-       obtinerea de materiale oxidice si din alti compusi sinterizati : materiale mineralo-ceramice, refractare, rezistente la uzura si coroziune pentru scule, duze, ajutaje si mai nou pentru constructia motorului ceramic.

Caracteristicile pulberilor sunt independente de modalitatile de obtinere printre care se numara :

metode chimice de precipitare din solutii apoase folosind ca reducator hidrogenul sau unul din metalele reactive (Al, Zn) ;

metode fizico-chimice de electroliza a solutiilor apoase pentru obtinerea pulberii de Cu, electroliza a sarurilor topite pentru obtinerea pulberilor de Zn, reducerea cu hidrogenul a oxizilor pentru obtinerea pulberii de Fe, Ni, Co.

metode mecanice de macinare uscata si umeda. Prin acest procedeu se obtin pulberi din aliaje fragile, cu granulatie mare ele fiind dure si cu capacitate redusa de presare.

metode fizico-mecanice de granulare prin agitare in timpul solidificarii sub racire fortata. Astfel se obtin pulberi de Al, Zn, Cd.

2. Presarea si sinterizarea .

Presarea se realizeaza la prese mecanice sau hidraulice la presiune de ordinul 1000-20000 daN/cm². Pentru a se realiza o presare uniforma, in amestecul initial de pulberi neconsolidate se pot adauga lianti ( rasini, ceara, parafina ) sau lubrifianti ( glicerina, uleiuri, benzen, alcool etc. ) utilizati drept aditivi de sinterizare cu rolul de a micsora frecarile dintre particule. In timpul operatiei de presare in amestecul de pulberi se produc procese de reorientare a particulelor prin alunecarea reciproca si procese de deformare plastica si sudare. Deformarile elastice a acestor particule dispar dupa presare producandu-se o dilatare brusca a comprimatelor iesite din matrita. Fenomenul este cunoscut sub denumirea de postelastic si are urmari serioase, chiar catastrofale, pentru comprimatele realizate din pulberi cu capacitate redusa de deformare, la care dilatarea de cateva procente poate duce la distrugerea comprimatelor.

Pulberile metalice de oxizi si carburi se pot presa si sinteriza si cu lianti organici care se elimina in etapa de sinterizare. Sinterizarea este operatia de incalzire a comprimatului presat fara topire la o anumita temperatura, temperatura de sinterizare, in vederea consolidarii definitive.

Consolidarea particulelor in cursul sinterizarii se realizeaza prin procese de difuzie la suprafata de contact intre particule si pori, precum si prin procese de curgere plastica, produse de tensiunile elastice ce nu au fost eliminate prin efectul postelastic. Temperatura si durata sinterizarii au rol interschimbabil in asigurarea unui anumit grad de densificare, dar intensitatea efectului celor doi parametrii tehnologici este diferita. Timpul de sinterizare t necesar pentru realizarea unui grad de densificare propus este :

t a ( r³/D

unde r este raza particulelor de pulbere din comprimat, iar D este coeficientul de difuzie care creste exponential cu temperatura T  :

D D e^{-E/ ( RT )} ; t a ( r³/D ) devine t a ( r³/D e^{-E/ ( RT )} )

Rezulta ca durata de sinterizare poate fi micsorata atat prin ridicarea temperaturii cat si prin utilizarea unor pulberi :

t a ( r³ e^{-E/ ( RT )} /D

Durata de sinterizare poate fi micsorata si prin gradul de densificare marit prin prezenta unei faze lichide la temperatura de sinterizare ( rezultata fie prin topirea unui component din amestecul de pulberi, fie prin infiltrare ) .