SINTERIRANI MATERIJALISinteriranje je postupak spajanja čestica praha reakcijama u čvrstom stanju. Samo kod sustava s više komponenata mogu nastupiti tekuće faze. Sinteriranjem se proizvode materijali (kompoziti) od sastojaka koji se drugim tehnološkim postupcima ne daju spajati ili se spajaju vrlo teško. Mješavina sastojaka u obliku prašine (veličina zrna 0,001 do 0,5 mm) najprije se stlači (hladno ili vruće) visokim tlakom (100 do 1000 MPa) u konačni oblik, a zatim se pri visokim temperaturama sinterira (difuzijski stopi). Mehanička su svojstva proizvoda uglavnom jednaka, a u nekim slučajevima i bolja od proizvoda istog kemijskog sastava koji su izrađeni obradom odvajanjem čestica, valjanjem ili kovanjem. Kompletan postupak proizvodnje dijelova naziva se i “Metalurgija praha”.Za proizvodnju dijelova najviše se koriste prahovi željeza, čelici, aluminij, bakra, legura bakra (mjedi i bronce), molibdena, volframa, i karbida metala. Konvencionalni postupak sinteriranja provodi se u tri koraka:1. miješanje – formiranje homogene mješavine prahova po kriteriju različitih krupnoća zrna i po kriteriju različitih kemijskih sastava,2. kompaktiranje – zbijanje mješavine prahova uz oblikovanje zadane geometrije,3. sinteriranje – grijanje kompaktnog komada do temperature ispod tališta kako bi se uspostavile krute veze čestica i time očvrsnuo komad. Temperature sinteriranja su za:

- Bakrene legure 600°C do 800°C,- Željezne legure 1000°C do 1300°C,- Karbide volframa, molibdena, tantala

1400°C do 1600°C,- Mo, W, Ta i dr. 2000°C do 2900°C.

Veličinom zrna sastojaka, tlakom pri tlačenju i temperaturom sintetiziranja postiže se željena poroznost sinteriranog materijala. Kao glavna sirovina u metalurgiji praha upotrebljava se prah različitog sastava, čistoće, oblika i veličine čestica. Prema kemijskom sastavu to je prah od metala, legura, metalnih spojeva, a ponekad i od nemetala. Čistoća se izražava u postocima. Prema načinu proizvodnje prah može biti raznolikog oblika npr. u obliku kuglica, pahuljica, ljuskica i iglica. Po veličini razlikujemo vrlo grubi, grubi sitan i vrlo sitan prah.

Zgušćivanje praha može biti prešanjem, valjanjem i istiskivanjem. Najčešće se primjenjuje obostrano prešanje. Kod praha treba razlikovati stvarnu gustoću praha (masu neto volumena čestica praha) i volumnu gustoću (masu bruto volumena nasutih čestica praha). Faktor pakiranja dobiva se diobom volumne gustoće sa stvarnom gustoćom.faktor pakiranja = volumna gustoća / stvarna gustoća < 1

Poroznost je omjer volumena pora (praznih prostora) prema bruto volumenu.Načelno je:poroznost + faktor pakiranja = 1Elementarni prahovi sadrže samo jedan element. Smjese se koriste za dobivanje specijalnih legura (npr. alatni čelici). Predlegirani prahovi koriste se kod legura čiji je sastav teško dobiti miješanjem čestica više elementarnih prahova.

Sinteriranje (hrv. srašćivanje) je spajanje čestica pri visokoj temperaturi. Može uslijediti na temperaturi ispod temperature tališta (cca 2/3 Tt) u krutom stanju difuzijom atoma ali se u nekim stadijima sinteriranja može javiti i talina. Veza

1

među česticama ostvaruje se stvaranjem "vrata" na mjestu kontakta: Za sinteriranje se obično upotrebljavaju električne prolazne peći. Otpresci složeni u ladice na jednoj strani umeću se u peć, prolaze kroz nju i vade se na drugoj strani kao sinterirani. Pri izlazu iz peći nalazi se komora za hlađenje. Zaštitna atmosfera u pećima za sinteriranje sprečava oksidaciju. Najčešće se upotrebljava redukcijska atmosfera, ili se sinteriranje obavlja u vakuumu. PRIMJENA SINTERIRANIH MATERIJALAMetali s visokim talištem su prvi proizvodi metalurgije praha, jer visoko talište nije omogućavalo njihovu proizvodnju putem taljenja. Metali s visokim talištem naginju spajanju s plinovima i pri višim temperaturama nisu postojani na zraku. Volfram se najviše upotrebljava za izradu niti za električne žarulje i za elektrode za varenje (TIG). Upotrebljava se i za izradu grijačih tijela za električne peći. Molibden koji se odlikuje dobrim mehaničkim svojstvima i pri višim temperaturama primjenjuje se za izradu lima i žica za elektronske cijevi. Legiran s titanom, niobijem ili vanadijem prikladan je za izradu dijelova izloženih visokim naprezanjima i pri temperaturama do 1000 °C.Tantal je vrlo otporan na kiseline i druge kemikalije, a služi za izradu posuda, grijača i hladnjaka u kemijskoj industriji. Legure tantala služe i za izradu mlaznica raketnih motora. Strojni dijelovi Dijelovi od željeza i čelika najmasovniji su proizvodi metalurgije praha. Uglavnom se radi o raznim malim strojnim dijelovima, najčešće složenog oblika. Tolerancije su u granicama ±0,2 mm.Dijelovi od aluminija i magnezija i njihovih slitina nalaze sve veću primjenu, jer se primjenom sinteriranja postiže povećanje čvrstoće pri višim temperaturama u odnosu na lijevane proizvode.Dijelovi od mjedi rade se sinteriranjem kada se traži žilavost i otpornost prema koroziji.Tarni materijaliSinterirani tarni materijali imaju bolja svojstva od drugih materijala. Disk kočnice imaju tarni materijal na bazi metalo-keramike.Porozni materijaliKoriste se za izradu metalnih filtera, za zaustavljanje čestica većih od 0,005 mm, i za

uklanjanje vode iz benzina. Porozni materijali koriste se i za osiguranje manometara od tlačnih udara u cjevovodima, te za izradu poroznih tijela za hlađenje i grijanje. Materijali za kontakteMetalurgija praha omogućila je da se za dijelove za kontakte spoje svojstva dobre električne vodljivosti s otpornošću na zavarivanje. Prema sastavu i načinu upotrebe ovi materijali dijele se na četiri skupine:

- Legure srebra (Ag-Ni, Ag-CdO, Ag-Cr2O3,

- Legure metal-grafit (Cu-grafit, Ag-grafit),

- Legure volframa (W-Cu, W-Ag)- Kovani volfram, prešani volfram i legure

sa sadržajem volframa preko 90 %. Postupcima metalurgije praha (sinteriranjem) proizvode se i materijali za vakuumsku tehniku i materijali za magnete. Materijali za obradu i oblikovanje Prvu grupu čine tzv. Tvrdi metali, a ti se materijali dijele u tri osnovne skupine:1- tvrdi metali za obradu (P, M, K),2- tvrdi metali za oblikovanje bez obrade odvajanjem čestica,3- tvrdi metali za primjenu u rudarstvu. Postupcima metalurgije praha (sinteriranjem) proizvode se i dijelovi od rezne keramike (velika otpornost trošenju pri povišenim temperaturama), karbidi za navarivanje (zaštita alata od trošenja), brusni alati (dijamantne brusne ploče), vatrostalni materijali (oksidi, karbidi, silicidi, boridi i nitridi) i materijali za nuklearnu tehniku (zaštita protiv zračenja, konstrukcijski materijali i nuklearna goriva). Keramički materijali, općenito, anorganski su materijali sastavljeni od metalnih i nemetalnih elemenata spojenih ionskim i/ili kovalentnim vezama. Općenito keramički materijali su tvrdi i krhki s malom žilavošću i duktilnošću, obično su dobri toplinski i električni izolatori.Keramika ima visoko talište i veliku kemijsku postojanost. Manji dio keramičkih materijala može se primijeniti za konstrukcijske dijelove i tada su poznati kao: tehnička keramika, inženjerska keramika ili konstrukcijska keramika Keramički se materijali odlikuju i velikom tlačnom čvrstoćom.

2

Čvrstoća keramike ovisi o:- Kemijskom sastavu,- Mikrostrukturi,- Stanju površine.

Ostali utjecajni faktori su i temperatura i okolina, vrsta naprezanja i način djelovanja naprezanja. Osnova za proizvodnju konstrukcijske keramike je prah. Dobiveni prah se dalje prerađuje u gotovi keramički proizvod kroz slijedeće faze:

1. Priprava sirovine, (utvrđivanje sastava te miješanje i granuliranje),

2. Oblikovanje sirovca, (suho prešanje, hladno izostatičko prešanje – CIP, injekcijsko prešanje),

3. Sinteriranje,4. Završna obrada, (brušenje dijamantnim

alatima, lepanje, honanje, poliranje, elektroerozija, rezanje i obrada laserom).

Glavne vrste konstrukcijske keramikeNa temelju sastava razlikuju se dvije glavne skupine konstrukcijske keramike:

1. Oksidna – glavni predstavnici: Al2O3, ZrO2, Al2TiO5

2. Neoksidna – glavni predstavnici: SiC, Si3N4, B4N, AlN, kubični BN

U usporedbi s metalnim materijalima konstrukcijska keramika posjeduje slijedeća svojstva:

- Višu tvrdoću (osobito pri povišenim temperaturama),

- Višu tlačnu i savojnu čvrstoću (osobito pri povišenim temperaturama),

- Veću otpornost na puzanje,- Viši modul elastičnosti – krutost,- Manju toplinsku i električnu vodljivost –

bolja izolacijska svojstva,- Veliku otpornost na trošenje,- Manju gustoću,- Manju toplinsku rastezljivost,- Kemijsku inertnost,- Dugoročnija sigurnija opskrba

sirovinama za njezinu proizvodnju. Nedostaci konstrukcijske keramike općenito su:

- Mala žilavost – velika krhkost,- Mala otpornost na toplinski udar,- Niska vlačna čvrstoća,- Veliko rasipanje vrijednosti za

mehanička svojstva,- Visoki troškovi sirovina i postupaka

oblikovanja,

- Veza keramika – metal i keramika – keramika još nije zadovoljavajuće riješena.

Područje primjene keramikeKeramika se primjenjuje za

- izradu dijelova izloženih abrazijskom trošenju, koroziji i eroziji (kuglični i klizni ležaji, mlaznice, brtveni prsteni, ploče, vodilice itd.),

- izradu reznih alata,- Izradu dijelova toplinskih motora i

plinskih turbina TVRDI METALIU grupu neoksidne keramike mogu se uvrstiti i keramički materijali poznati po svom povijesnom imenu “tvrdi metali”. Kod tvrdih metala izražena su metalna svojstva (toplinska i električna vodljivost, i sl.).Mikrostruktura tvrdih metala sastoji se od visokog udjela karbida (volframa, titana i tantala, koji su međusobno najčešće povezani kobaltom). Dobra svojstva tvrdih metala:

- Visoko talište,- Visoka tvrdoća i otpornost na trošenje,- Visoki modul elastičnosti, visoka tlačna

čvrstoća i čvrstoća na povišenim temperaturama,

- Dobru postojanost na temperaturne promjene,

- Dobru prionjivost s metalnim taljevinama,

- Otpornost na koroziju,- Visoku toplinsku i električnu vodljivost.

Primjena tvrdih metalaTvrdi metali primjenjuju se za izradu:

- Reznih alata,- Alata za probijanje,- Dijelova strojeva (valjaka, košuljica …)

Tvrdi metali za rezne alate podijeljeni su u tri grupe:

- Tvrdi metali grupe K (za obradu materijala s kratkom strugotinom),

- Tvrdi metali grupe M (za obradu svih materijala),

- Tvrdi metali grupe P ( za obradu materijala s dugom strugotinom)

Polimeri je naziv za skupno ime za prirodne i sintetske tvari i materijale kojih je osnovni sastojak sustav makromolekula (polimerne molekule).

3

Riječ polimer je složenica od grčkih riječi poly i meros te obilježava tvar koja se sastoji od mnogo čestica sastavljenih na specifičan način.Za građu polimera značajne su one organske molekule koje mogu dovesti do makromolekularnih struktura.Svojstva polimera ovise o nizu parametara od kojih su najvažniji:

- Kemijski sastav,- Pravilnost u rasporedu lanaca

makromolekula,- Vrsta i veličina supstituenata,- Vrsta i broj ogranaka (grana),- Pojava umrežavanja, - Prisutnost vodikovih veza,- Molekularna masa, …

Polimere je moguće sistematizirati s obzirom na:- Postanak (prirodni ili pretežno sintetski),- Kemijski sastav (organski (pretežno) ili

anorganski, - Postupak polimerizacije (stupnjevita ili

lančana)- Svojstva (npr. ponašanje pri povišenim

temperaturama)- Primjenu

Prema ponašanju pri zagrijavanju polimere možemo svrstati u tri grupe:Plastomeri – pri zagrijavanju mekšaju, a pri ponovom dovođenju na nižu, primjerice na sobnu temperaturu, ponovo postaju čvrsti.Elastomeri – imaju izraženo svojstvo elastičnosti, a oblikovati se mogu (prije dovršenog umrežavanja, odnosno vulkanizacije) u omekšanom stanju.Duromeri – pri zagrijavanju (nakon prerade) ne mogu omekšati. Uz navedene tri skupine spominju se i tzv. elastoplastomeri (termoplastični elastomeri).Ova skupina polimera odlikuje se mogućnošću prerade kao plastomeri, a ima izraženo svojstvo elastičnosti kao elastomeri. Za praktičnu primjenu polimere je smisleno sistematizirati (klasificirati) na temelju:

- Načina dobivanja,- Ponašanja pri zagrijavanju,- Svojstava i primjene.

SVOJSTVA POLIMERNIH MATERIJALASa stajališta konstrukcijske primjene osobitu pozornost privlače mehanička svojstva polimernih proizvoda.Uporabna svojstva polimernih proizvoda odlučujuće su ovisna o proizvodnim postupcima i uvjetima jer pri istim kemijskom sastavu

polimernog materijala, proizvod može pokazivati razlike.U okviru funkcijskih i uporabnih svojstava materijala susreću se slijedeće skupine svojstava:

- Mehanička,- Tribološka,- Toplinska,- Električna,- Svojstva postojanosti, ...

Mehanička svojstva kod polimernih materijala dijele se prema trajanju i načinu djelovanja opterećenja.Kao kratkotrajno opterećenje definira se ono opterećenje pri kojem od početka ispitivanja (opterećivanja) pa do kraja ispitivanja (opterećivanja), odnosno loma ne prođe niti znatno više, niti znatno manje od jedne minute.

Dijagram “naprezanje – istezanje” polimernih materijala s linearnim (lančastim) makromolekulama.

Kod određivanja modula elastičnosti postupno se povećava opterećenje (sila koja djeluje na ispitno tijelo) te se mjeri pripadno produljenje. Crtanjem dijagrama “opterećenje – produljenje” može se uočiti linearno područje (proporcionalni omjer opterećenja i produljenja), te se za to područje izračunavaju vrijednosti modula elastičnosti.

4

Pri dugotrajnom statičkom opterećenju javlja se puzanje materijala. Pri dugotrajnom dinamičkom opterećenju javlja se umor materijala. Značajke kojima se mogu dobro opisati navedene pojave su “statička izdržljivost” i “dinamička izdržljivost. Statička izdržljivost je ono najveće dugotrajno statičko naprezanje, koje materijal (bez loma ili dosizanja neke granične deformacije) može izdržati praktički beskonačno dugo.Dinamička izdržljivost je ono najveće dinamičko naprezanje koje materijal može izdržati praktički beskonačno veliki broj ciklusa (bez pojave loma).

Kemijska postojanost polimernih materijala je bolja u odnosu na druge konstrukcijske materijale. Bit bolje kemijske postojanosti vezan je uz slijedeća obilježja:1. Do agresivnog djelovanja na neki materijal dolazi ako postoji afinitet između nekog materijala i nekog medija. Ako afinitet ne postoji ili je slab, radi se o polimernom materijalu postojanom prema djelovanju dotičnog medija.2. Procesi djelovanja agresivnog medija na polimerne materijale sporiji su od procesa djelovanja agresivnih medija na druge konstrukcijske materijale.3. Neki procesi djelovanja agresivnih medija na polimerne materijale su povratni (npr. bubrenje, koje se javlja pri izlaganju vodi).Posljedica upijanja vode je promjena mehaničkih svojstava (npr. smanjenje tvrdoće, čvrstoće i modula elastičnosti te povećanje žilavosti).Tarna – tribološka svojstva polimernih materijala podrazumijevaju: mali faktor trenja i dobru otpornost na trošenje.Bit dobrih triboloških svojstava polimernih materijala je u tome da:

1. Nema mikrozavarenih spojeva,2. Udubine neravnina popunjavaju se

proizvodima trošenja polimernog materijala,

3. Postoji neosjetljivost prema stranim česticama.

Toplinsko – mehanička svojstva polimernih materijala govore nam o ponašanju pri zagrijavanju uz istodobno djelovanje mehaničkog opterećenja.Kod plastomera, koji pri zagrijavanju mekšaju, može se govoriti o temperaturi omekšavanja.Kod duromera, koji ne omekšavaju, u slučaju istodobnog djelovanja topline i mehaničkog opterećenja ponašanje se ocjenjuje putem promatranja postojanosti oblika.

5