UNIVERZITET U TUZLIMAINSKI FAKULTET

SEMINARSKI RAD

TEMA: SINTEROVANJE METALNIH PRAHOVAPREDMET: TEHNOLOGIJA PRESOVANJA METALNIH PRAHOVA

Ime i prezime: Mirnes Mei Predmetni profesor:Dr.sc Butkovi Samir

Broj indeksa: II-458/11

Odsjek: Proizvodno mainstvo

Datum:

Sadraj:1.Uvod32.1 Defekti reetke u realnim kristalima42.1.1 Vakancije52.1.2 Dislokacije62.1.3 Kretanje dislokacija83.1 Difuzija83.1.1. Mehanizmi difuzije94.1 Granica zrna105.1 Sinterovanje125.1.1 Sinterovanje u vrstoj fazi125.1.2 Obrazovanje i rast kontakata125.1.3 Procesi densifikacije156.1 Zakljuak157.1 Literatura178.1 Popis slika18

1. Uvod

Proces sinterovanja se odvija pri zagrijavanju disperznih smjea prahova.Stepen adhezije estica praha u kontaktu raste sa vremenom,tako da poetna slobodno nasuta masa praha polako prelazi u kompakt koji ima odreenu fiziku vrstou.Gustina mase praha i pod uslovima povoljne temperature i vremena trajanja procesa.Pri definisanju procesa sinterovanja uoavaju se dva prilaza,bilo opisivanjem fizikih promjena koje se odvijaju u toku procesa,bilo opisivanjem tehnikih i industrijskih procesa koji se koriste.[1] Sinterovanje je tehnika koja se koristi za proizvodnju materijala i dijelova sa kontrolisanom gustinom pomou metalnih ili keramikih prahova primjenom termalne energije.[2] Sinterovanje je proces u kome se jedan skup estica,presovan pod pritiskom,hemijski vee u koherentno tijelo pod uticajem povienih temperatura.

Sinterovati se mogu svi metali kao i mnogi nemetalni materijali.Sinterovanje praha u osnovi obuhvata dva fenomena: adheziju ili zavarivanje povrina estica promjenu oblika estica

U najoptijem smislu se smatra da ukoliko doe do i najmanjeg ovravanja agregata estica praha,sa ili bez odvijanja procesa zgunjavanja (densifikacije),dolazi i do sinterovanja.

2.1 Defekti reetke u realnim kristalima

Za dobijanje sinterovanih materijala koriste se disperzni prahovi,koji se dobijaju u uslovima pri kojima se obrazuju razliite vrste defekata.Stepen defektnosti kristalne reetke praha raste i pri procesima oblikovanja.Na odstupanja praha od termodinamike ravnotee utiu razvijenost slobodne povrine,postojanje mikronaprezanja usljed pomjeranja atoma iz normalnih poloaja u reetci,defekti tipa dislokacija,vika vakancija, defekti pakovanja i dr.U procesu temperaturnog tretmana dolazi do smanjenja slobodne povrine uz istovremeno oporavljanje defekata kristalne reetke.Mnoga svojstva metala ne zavise samo od osobenosti njihove kristalne strukture,ve i u znaajnoj mjeri i od koncentracije i vrste prisutnih defekata.Karakteristike kristalnih materijala elastina konstanta,gustina,taka topljenja,naprezanje,specifina toplota kao i koeficijent termikog irenja zavisne su od vrste strukture kristalne reetke.Na slici (1) su prikazani osnovni tipovi kristalnih reetki.Slika 1. Vrste kristalnih struktura metala

a) Povrinski centrirana kubna reetka

b ) Prostorno centrirana kubna reetka

c) Heksagonalna kristalna reetkaDefektima kristalne reetke moemo smatrati svako odstupanje od idealne strukture kristalne reetke.U zavisnosti od kristalne strukture i tipa veze mogue su razliite vrste defekata.Sveukupnost defekata i njihov prostorni raspored u kristalu naziva se substrukturom.Defekti reetke mogu da se podijele na: Takaste (vakancije,otkijev defekt,Frenkelov defekt) Linijske (dislokacije) Povrinske (granice subzrna,granice zrna,greke slaganja)

2.1.1 VakancijeVakancije predstavljaju najednostavnije greke kristalne reetke.U sutini to su prazna mjesta (vakancije), tj. neposjednuti vorovi kristalne reetke.

Slika 2. Vakancije i intersticijski atomRazlikujemo vakancije po otkiju, kada atom poslije naputanja svog mjesta u reetki odlazi na povrinu kristala, i vakancije po Frenkelu, pri emu takav atom ostaje unutar reetke kao intersticijski atom, tj. atom umetnut izmeu vorova kristalne reetke.Obrazac za proraun koliine [NF] vakancije po Frenkelu:

gdje je:N-broj atoma u kristaluN'-broj nezauzetih vorovaWF-energija potrebna za obrazovanje Frenkelovog defektaT-temperatura

Obrazac za koncentraciju vakancija po otkiju:

- Bolcmanov mnoiteljWS-energija neophodna za obrazovanje vakancije po otkijuEnergija aktivacije (W) za metale iznosi 1 eV, odakle se dobija da je koncentracija vakancija pri 1000 K reda veliine 10-5.Koncentracija vakancija se poveava sa poveanjem temperature i pri smanjenju energije aktivacije.

2.1.2 Dislokacije

Jednodimenzijske greke (dislokacije) nastaju nagomilavanjem niza takastih defekata. Svojstva kao to je mehanika vrstoa,vrlo su osjetljiva na realno stanje kristala.Naime, eksperimentalni podaci dobijeni za jainu zatezanjem na velikim monokristalima pokazali su veliko neslaganje izmeu teorijskih i eksperimantalno dobijenih vrijednosti za jainu materijala.Zakljueno je da otpornost pri plastinoj deformaciji ne zavisi od prosjenih vrijednosti gotovo savrene reetke,ve i od individualnih svojstava greaka u njima.Dislokacija se moe smatrati kao linijska greka kristalne reetke koja dijeli deformisano od nedeformisanog podruja.Osnovni tipovi dislokacija su ivina i zavojna.Dislokacije se karakteriu na jedinstven nain preko veliine Burgersorovog vektora.Burgersorov vektor je razlika u veliini klizanja koja je nastala u razdvojenim podrujima pomou dislokacione linije i naziva se jo i jainom dislokacije.

Slika 3. a) Zavojna dislokacija b) Ivina dislokacija

Ivina dislokacija nastaje zbog formiranja dodatne ravni smjetene izmeu redovnih vertikalnih ravni.Burgersov vektor je upravan na dislokaciju.Zavojna dislokacija nastaje pomjeranjem jednog sloja kristala u odnosu na drugi.Burgersov vektor jednak je meuatomskom rastojanju.Obrazac za energiju ivine dislokacije:

Obrazac za energiju zavojne dislokacije:

gdje je:G-modul savijanjav-Poasonov koeficijentr1-vei poluprenik cilindrar0-manji poluprenik cilindra

2.1.3 Kretanje dislokacija

Segment dislokacije se moe pomjeriti u svojoj ravni klizanja ili normalno na nju.Pomjeranje u ravni klizanja poveava povinu koja je klizala,a proces koji dovodi do toga naziva se klizanje dislokacija.Klizanje dislokacija normalno na ravan klizanja se naziva uspinjanjem.Ovaj proces zahtjeva transport materijala difuzijom vakancija ili intersticija.Elementarni mehanizam uspinjanja sastoji se u sljedeem.Atom koji se nalazi na iviciekstra ravni dislokacije moe biti na dva naina "otkinut" sa svog mjesta:1) Vakancija moe difundovati ka dislokaciji i "zauzeti" mjesto odgovarajueg atoma,pri emu ovaj prelazina slobodno atomsko mjesto.2) Atom se moe "otkinuti" sa ivice ekstra ravni,prei u intersticijski poloaj i dalje difundovati kroz reetku.Ivina dislokacija istovremeno predstavlja "izvor" i "potiskiva" vakancija ili intersticija.

3.1 Difuzija

Difuzija je spontani transport materije i energije pod uticajem odgovarajueg gradijenta iz zone vie u zonu nie energije ili koncentracije.Prvi Fikov zakon kae da je fluks JN proporcionalan gradijentu koncentracije.

JN-broj atoma koji prou kroz jedinicu povrine u jedinici vremenaD-konstanta difuzijeKonstanta difuzije za relativno uske intervale temperatura zavisi od temperature po jednaini:

E-aktivaciona energija za ovaj procesk-Bolcmanova konstanta

Drugi Fikov zakon se izvodi iz jednaine kontinuiteta i on glasi:

D-konstantan koeficijent difuzijeN-koncentracijaDa bi jedan atom mogao difundovati,on mora savladati potencijalnu energetsku barijeru koju proizvode njegovi susjedi.Ako je potencijalna barijera visine E,atom e imati dovoljnu "toplotnu energiju"da pree "preko" samo za dio exp(-E/kT) od ukupnog vremena.Ako je v karakteristina frekvenca atomskih vibracija, onda je vjerovatnoa (p) da e atom u toku jedne sekunde imati dovoljnu "toplotnu energiju" da pree preko barijere, data sa:

Veliina (p) se naziva frekvencom preskakanja.3.1.1. Mehanizmi difuzije

Mehanizmi zamjene: Direktna zamjena Kruna zamjenaTo su mehanizmi pomou kojih se najprije pokuavalo objasniti difuziju.Bili su teko prihvatljivi, jer bi u gusto pakovanim sloenim strukturama uzrokovali privremene velike distorzije reetke te iz tog razloga bila bi potrebna neprihvatljivo velika koliina energije aktivacije za taj proces.Za sada nema eksperimentalne potvrde da takav mehanizam uope postoji.Mehanizmi koji ukljuuju takaste defekte: Intersticijski mehanizam-atomi prelaze iz jednog intersticijskog poloaja u drugi. Kod tog mehanizma obino je jedna vrsta atoma manja od druge. Drugi nain difuzije podrazumjeva da atomi naizmjenino prelaze iz intersticijskog u supstitucijski poloaj, pa ponovo u intersticijski. Trei mehanizam je pomou praznina.U metalima i legurama blizu take topljenja koncentracija praznina je oko 10-3 do 10-4 to omoguava atomima da se relativno esto nau u blizini praznine i da preskoe na prazno mjestoMehanizam gomile:Na niskim temperaturama, uslijed bombardiranja primjerice neutronima, javlja se mehanizam naguravanja.

Slika Mehanizmi difuzije: 1.direktna zamjena, 2.kruna zamjena, 3.pomou praznina, 4.intersticijski mehanizam prvi nain, 5. intersticijski mehanizam drugi nain, 6.mehanizam gomile

4.1 Granica zrna

Granice zrna predstavljaju povrinske greke kristalne reetke.U poreenju sa takastim i linijskim grekama, povrinske greke predstavljaju sloenije naruavanje kristalne reetke koje zahvata veu zapreminu.Tu pripadaju granice subzrna,granice zrna i greke u slojevima.Granice subzrna su granice izmeu oblasti sa uzajamno malom razlikom u orijentaciji kristalne reetke.Pri malim razlikama u orijentaciji,struktura granica je relativno savrena i ni u emu nije naruena osim ravnomjerno rasporeenim ivinim dislokacijama.Slika 4. Granice subzrnato se vie razlikuju orijentacije mree, tj. to je ugao vei udaljenost izmeu susjednih dislokacija se smanjuju, tj. dislokacije se zgunjavaju.Ako poraste razlika u orijentaciji odnosno ugao dvaju susjednih zrna, dislokacije se meusobno pribliavaju,da bi se najzad spojile te tako nastale granice nazivamo granicama zrna.Pored ovih javljaju se i druge greke (vakancije,intersticijali).Granice zrna imaju veliki uticaj na mehanike, fizie i hemijske osobine metalnih prahova. Hemijske reakcije korozija i oksidacija prvenstveno se odvijaju po granicama zrna.Kao posljedica veeg stepena naruavanja kristalne grae, takoe je i difuzija koja je po granicama zrna bra nego unutar zrna.Temperatura topljenja granica zrna je nia nego u dijelu kristala sa pravilnim rasporedom atoma, te se metali i legure poinju topiti na granici zrna.Kretanje dislokacija, koje je osnovni mehanizam za plastinu deformaciju metala i legura obino se zaustavlja na granicama zrna.

Slika 5. Granice zrna

5.1 Sinterovanje

Prema Balinu definicija sinterovanja je sljedea: Sinterovanjem se naziva kvantitativna i kvalitativna promjena prirode kontakta izmeu estica praha, izazvana toplotnom pokretljivou atoma, ili jona i uzajamnim djelovanjem estica sa atmosferom sinterovanja, koje je praeno poveanjem kontaktne povrine, smanjenjem poroznosti i poveanjem mehanike vrstoe sinterovanog kompakta.Sinterovanje je veoma kompleksan fenomen u kojem se vie procesa simultano deava. Sama sutina procesa sinterovanja je dobiti to je mogue gui materijal na to je mogue nioj temperaturi.

Prema karakteru prisutnih faza moe se izvriti podjela na: sinterovanje u vrstoj fazi sinterivanje u prisustvu tene faze

5.1.1 Sinterovanje u vrstoj fazi

Sinterovanje u vrstoj fazi je sloen proces koji ukljuuje simultano dejstvo vie mehanizama prijenosa materijala,kao i ureivanje i promjenu oblika estica.Procesi koji se odvijaju u realnom sistemu estica praha su tijesno povezani sa neravnotenim stanjem kristalne reetke s obzirom na znaajnu slobodnu povrinsku energiju praha, mikronaprezanja, koncentraciju i vrstu neravnotenih defekata.Generalno pri sinterovanju, disperzni sistem u obliku slobodno nasutog praha ili ispreska, koji posjeduje veliku slobodnu energiju, prelazi u termodinamiki stabilnije stanje. Promjena termodinamikog stanja sastoji se u smanjenju spoljanjih i unutranjih povrina te smanjenju koncentracije defekata strukture.U svim sluajevima dolazi do kretanja materijala u veoj ili manjoj mjeri razliitim mehanizmima transporta.U realnim uslovima sinterovanje je posljedica odvijanja vie razliitih procesa koji se u zavisnosti od temperature, vremena i drugih parametara, esto istovremeno odvijaju.Proces sinterovanja podjeljen je na tri stadijuma: obrazovanje i rast kontakata (poetni stadijum) brzo skupljanje (densifikacija, srednji stadijum) lagano pribliavanje konanoj gustini (krajnji stadijum)5.1.2 Obrazovanje i rast kontakata

-poetak sinterovanja karakterie porast povrine kontakata izmeu estica.Tenja sistema za smanjenjem ukupne povrine uslovie da dvije kugle u kontaktu, prolazei kroz razliita meustanja obrazuju esticu (kuglu) radijusa , slika(6).Slika 6. Stadijumi sinterovanjaObrazovanje vrstog kontakta i stvaranje vrata izmeu estica je posljedica djelovanja Laplasovog pritiska uslovljenog krivinom, koji u optem sluaju glasi:

povrinski pritisaka1 i a2 najmanji i najvei radijus krivine povrineMehanizmi koji se koriste za objanjenje sutine obrazovanja kontaktnih vratova izmeu estica su: viskozni i plastini tok, isparavanje-kondenzacija i difuzioni (povrinska, zapreminska i difuzija po granicama zrna ).

Slika 7. Mehanizmi sinterovanja(1) povrinska difuzija,(2) ,(5),(6) zapreminska difuzija,(4) difuzija du granice zrna, (3)transport mase kroz gasnu fazuTransport materijala pri sinterovanju kristalnih tijela, kao to je ve napomenuto, moe se odvijati nekim od difuzionih mehanizama ili plastinim tokom, tj. klizanjem dislokacija pod uticajem naprezanja ili termike energije.

5.1.3 Procesi densifikacije

Predstavljaju procese koji dovode do smanjenja ukupne poroznosti u toku srednjeg stadijuma sinterovanja.Za proces zgunjavanja potreban je transport mase (prenos mase) bilo atom po atom, ili generalni plastini tok (koji ukljuuje klizanje i kretanje dislokacija).Izuavanje veze izmeu meusobno povezane (otvorene), zatvorene i ukupne poroznosti pokazuju da pri sinterovanju zatvorena poroznost ini izuzetno mali dio ukupne poroznosti, dok kod veine sistema otvorene pore egzistiraju sve do kraja procesa sinterovanja.Kako nije dokazan transport materijala povrinskom difuzijom u srednjem stadijumu sinterovanja ostaje zakljuak da materijal kojim se popunjavaju pore ne dolazi sa povrine uzoraka, ve ravnomjerno iz mase uzorka, odnosno sa granice zrna.Smatra se da je difuzija du granica zrna i difuzija atoma od granice zrna ka porama dominantan mehanizam sinterovanja.Pore nastavljaju da se skupljaju samo u sluaju kad su povezane sa granicom zrna.Mehanizmi nestanka pora koje su u dodiru sa granicom zrna: difuzija du granice zrna sa spoljanje povrine ili sa same granice difuzija kroz zapreminu metala, bilo sa spoljanje povrine bilo sa granice zrnaDifuzija atoma kroz reetku od granica zrna ka povrini ili pori uslovljena je postojanjem povrinskih sila naprezanja.Sile naprezanja na povrini pora efektivno stavljaju kompakt u uslove kompresivnih naprezanja, to u osnovi znai da su same granice zrna napregnute. Proces zapreminske difuzije dovodi do relaksacije naprezanja.Iz mnogobrojnih eksperimenata potvreno je da u srednjem i zavrnom stadijumu sinterovanja dominira mehanizam difuzionog toka atoma od granice zrna ili dislokacija, ili slobodnih povrina ka porama.

6.1 Zakljuak

Na kraju slijedi sumiranje svih vanih faktora koji utiu na proces sinterovanja u vrstom stanju. Vano ih je sve razmotriti i uzeti u obzir prilikom sinterovanja kako bi se dobio eljeni materijal to vee gustine i za to je mogue krae vrijeme.1. Temperatura-poveanjem temperature pospjeuje se mehanizam difuzije materijala to dovodi do densifikacije odnosno samim tim utiemo na proces sinterovanja.2. Poetna gustina -vea prvobitna gustina, po pravilu znai postojanje manje pora koje treba eliminisati. Poeljno je da poetni materijal ima to veu gustinu prije procesa sinterovanja.3. Uniformnost prvobitne strukture-Ono to je jo vanije od poetne gustine je mikrostrukturna uniformnost i nepostojanje aglomerata.4. Atmosfera- za sinterovanje je vano odabrati atmosferu gasa koji se teko rastvara u jedinjenju koje se sinteruje.

7.1 Literatura

1.Mirjana Mitkov,Duan Boi,Zoran Vujovi,Metalurgija praha,Beograd,19982. Zhigang Zak Fang,Sintering of advanced materials,Woodhead,20103.Dafer Kudumovi,Materijali I,Tuzla,2010

8.1 Popis slika

Slika 1: Vrste kristalnih struktura metalaSlika 2: Vakancije i intersticijski atomSlika 3: a) Zavojna dislokacija b) Ivina dislokacijaSlika 4: Granice subzrnaSlika 5: Granice zrnaSlika 6: Stadijumi sinterovanjaSlika 7: Mehanizmi sinterovanja18