METALURGIJA PRAHA (PM)

Prof. dr. sc. Božidar MatijevićFakultet strojarstva i brodogradnje

Zavod za materijale

Izbor proizvodnog postupka

Izbor proizvodnog postupka za konkretan proizvod neodvojivo je povezan s konstrukcijskim oblikovanjem i izborom materijala. Suvremene metode razvoja proizvoda simultano analiziraju različite konstrukcijsko-proizvodne varijante, mijenjajući konstrukcijske oblike, materijale i način proizvodnje različitim kvantitativnim metodama, uz pomoć informacijskih i CAMS sustava

• skraćenje vremena od ideje do izlaska proizvoda na tržište (Rapid Prototyping and Manufacturing );

• obrada na konačni (ili približno konačni ) oblik (Net or Near Net Shape Forming); povećanje preciznosti izrade;

• produljenje vijeka trajanja proizvoda primjenom tehnologija inženjerstva površina; • sniženje troškova proizvodnje

Za suvremenu proizvodnju osobito su prikladni tzv. nekonvencionalni postupci proizvodnje koji se razlikuju od uobičajenih klasičnih postupaka inženjerstva materijala (ljevački postupci, sinteriranje – postupci prerade polimera) većom raznovrsnošću primjenjivanih materijala, užim tolerancijama izradaka i boljim skladom s glavnim trendovima suvremene proizvodnje. Ovi trendovi obuhvaćaju ostvarivanje sljedećih pet zahtijeva:

Proizvodni proces mora osigurati željenu kvalitetu za zadani materijal, oblik, dimenzije, stanje površine, tolerancije izratka uz minimalne troškove i vrijeme izrade.

Konstruktor treba biti upoznat s mogućnostima dostupnih proizvodnih procesa i njihovom usporedbom odabrati najprikladniji proces. Suvremene metode razvoja proizvoda simultano analiziraju različite konstrukcijsko-proizvodne varijante, varirajući konstrukcijske oblike, materijale i načine proizvodnje

Izbor postupaka proizvodnje neodvojivo je povezan s konstrukcijskim oblikovanjem i izborom materijala

Odnos između postupka proizvodnje, konstrukcije i izbora materijala

• vrsta materijala: materijali prikladni za promatrani proizvodni postupak;• veličina obratka: najmanje i najveće ukupne mjere obratka (volumen ili

masa)• oblik obratka: odnos dimenzija (dužina:širina:visina) i odnos volumena i

površine• kompleksnost obratka: simetričan, nesimetričan, detaljne informacije;• tolerancije izrade• hrapavost površine obratka• detalji na površini, npr. najmanji izvodivi polumjer zakrivljenosti na

uglovima• minimalna veličina serije• brzina proizvodnje: vrijeme potrebno za proizvodnju jednog izratka

(vrijeme proizvodnog ciklusa)• troškovi izrade (po jednom komadu)

Parametri koji utječu na izbor postupkaproizvodnje

Podloge za izbor postupka proizvodnje

CES- računalni program za izbor proizvodnih procesa (CambridgeEngineering Selector, Granta Design Ltd.

Razlozi proizvodnje dijelova postupcima metalurgije praha

Metali s vrlo visokim talištem (kao što su npr. W, Mo, Ta) se vrlo teško proizvode lijevanjem, a često su i krhki u lijevanom stanju. Kompozitni materijali koji se sastoje od dva ili više metala, koji nisu međusobno topivi niti u tekućem stanju ili mješavine metala s nemetalnim materijalima (kao što su npr. oksidi ili vatrootporni materijali) posebno su prikladni za izradu metalurgijom praha.U ovu grupu spadaju: materijali za elektro-kontakte, tvrdi metali (cermets) za alate, frikcijski materijali za kočnice i dr. Konstrukcijski (mehanički) dijelovi koji po količini čine najveću grupu PM proizvoda. Najveći dio njih otpada na dijelove iz željeznog praha ali značajne količine se proizvode također iz prahova: bakra, mjedi, bronce i aluminija, kao i nekih rijetkih metala (berilij, titan). Njihova mehanička svojstva su jednaka ili čak bolja od dijelova jednakog kemijskog sastava, dobivenih valjanjem ili kovanjem.

Porozni materijali, tj. namjerno i kontrolirano porozni materijali, koji služe za neku posebnu svrhu (npr. samopodmazujući ležaji).

Posebnu grupu čine materijali visoke čvrstoće izrađeni iz praha, npr. brzorezni čelici, super legure na bazi Ni ili Co, koji daju svojstva bolja nego ona postignuta lijevanjem ili kovanjem istih legura. Prednost izrade iz praha je bolja iskoristivost (skupih) materijala i jednolično vrlo sitnozrnata mikrostruktura. To rezultira boljom otpornošću na trošenje i duljim vijekom trajanja proizvedenih dijelova.

Shematski prikaz faza izrade dijelova konvencionalnim postupkom PM

Tijek proizvodnje dijelova metalurgijom praha (PM)

Metalurgija praha je tehnološki postupak pomoću kojeg se proizvode čvrsta metalna ili nemetalna tijela (proizvodi) sjedinjavanjem čestica praška jednog ili više metala odnosno nemetala.

Proizvodnja PM proizvoda po industrijskim granama u SAD & Kanadi 1995

Godišnja proizvodnja prahova > 800.000 tona (polovica od toga SAD)

Proizvodnja PM proizvoda prema vrsti materijala u SAD & Kanadi

Primjeri proizvoda

Primjeri sinteriranih dijelova motora

Karakteristična primjena metalnih prahova

Karakteristični oblici čestica prahova

KARAKTERIZACIJA PRAHOVA

1. METALURŠKA SVOJSTVA• Kemijski sastav kemijska analiza• Struktura praškastih čestica metalografski izbrusak strukture• Mikrotvrdoća mjerenje mikrotvrdoće

2. GEOMETRIJSKE KARAKTERISTIKE

• Raspodjela veličine zrna Analiza sita• Vanjski oblik zrna Scaning elektronski mikroskop• Unutarnja struktura zrna (porozitet) metalografski presjek praškastih

čestica

3. MEHANIČKA SVOJSTVA

• Vrijeme (trajanje) tečenja Hall-ov mjerač protoka• Nasipna gustoća Punjenje posude normiranim• Stlačivost Tlačenje normiranog čepa , prikaz krivuljom• “Zelena” čvrstoća Savojna čvrstoća prešanog uzorka pravokutnog presjeka• Elastični povrat otpreska Elastično produljenje prešanog čepa, d=25 mm

Mjerenje veličine zrnaca praha

najčešće se veličina zrnaca praha mjeri mrežicama različitih otvora

Oznaka mrežice (Mesh count- MC)- pokazuje broj otvora na jedinicu dužine

Oznaka mrežice 200 znači da se na dužini od 25,4 mm (inch) nalazi 200 otvora

Čestica praha je definirana kao najmanja više nedjeljiva jedinica. Općenito u PM koriste se čestice veće od čestica dima (0,01…1 µ m), ali manje od zrnaca pijeska(0,1…3 mm). Mnogi metalni prašci su dimenzija sličnih promjeruljudske kose (25….200 µm).

• Atomizacijom, centrifugalna (plin, voda) • Kemijskim postupcima, dekompozicijom ili precipitacijom• Elektrolizom

Proizvodnja praha

Postupak plinske atomizacije

Proizvodnja praha-atomizacija

UREĐAJ ZA MEHANIČKO ISITNJAVANJE PRAHA

Kompaktiranje (prešanje)

• klasično kompaktiranje• injekcijsko prešanje• hladno izostatsko prešanje (CIP)• toplo izostatsko prešanje (HIP)

Klasično kompaktiranje

Klasično kompaktiranje

Klasično kompaktiranje

Raspored gustoće otpreska od Ni praha uz jednosmjerno klasično kompaktiranje s pritiskom od 690 MPa. Niska gustoća pri dnu otpreska je posljedica prešanja samo jednim žigom!

Kompaktiranje kompleksnih dijelova

Kompaktiranje dijela s poprečnim otvorom

Kompaktiranje dijela s različitim visinama

Tlakovi za kompaktiranje razičitih metalnih prahova

110 – 165Ferrites140 - 400Karbidi140 - 165Ugljik110 - 140Aluminium oksid

Ostali materijali70 - 140Volfram70 - 140Tantal

350 - 800Željezo200 - 275Bronca400 - 700Mjed70 - 275Aluminium

Tlak (MPa)Metal