1
Univerzitet u Tuzli
Mašinski fakultet
Proizvodni sistemi
Industrijski inženjering
Proizvodne tehnologije‐odabrana poglavlja
Mentor: Dr.sc. Samir Butković doc.
Mr.sc. Adnan Mustafić v.as.
Student: Muhamed Herić dipl.ing.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih
čelika
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
2
Sadržaj:
Popis slika: ............................................................................................................................................... 3
Popis tabela: ............................................................................................................................................ 5
Uvod: ....................................................................................................................................................... 6
1.0 Historija metalurgije praha. ............................................................................................................... 7
1.1 Metalurgija praha. ........................................................................................................................... 11
1.2 Proizvodnja praha. ........................................................................................................................... 13
1.3 Miješanje praha. .............................................................................................................................. 23
1.5 Formiranje oblika. ........................................................................................................................... 27
1.6 Sinterovanje. ................................................................................................................................... 32
1.7. Naknadne odrade. .......................................................................................................................... 39
2.0 Alatni čelici. ..................................................................................................................................... 41
2.1 Historija alatnih čelika. .................................................................................................................... 45
2.2 Metalurgija čestica visoko legiranih alatnih čelika. ......................................................................... 47
2.3. Sinterovanje brzoreznih čelika ....................................................................................................... 50
3.0. Volframovi karbidi. ......................................................................................................................... 60
3.1 Historija razvoja cementnih karbida. .............................................................................................. 66
3.2 Proizvodnja volframovog praha i formiranje oblika. ....................................................................... 68
3.3 Predsinterovanje WC. ...................................................................................................................... 71
3.4 Sinterovanje WC. ............................................................................................................................. 72
Zaključak: ............................................................................................................................................... 76
Literatura: .............................................................................................................................................. 77
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
3
Popis slika:
Slika 1. Wollaston‐ova presa ................................................................................................................... 8
Slika 2. Shematski prikaz izrade dijelova. .............................................................................................. 12
Slika 3. Postupak dobijanja željeznog praha.......................................................................................... 14
Slika 4.Postupak dobijanja titanijevog praha ........................................................................................ 14
Slika 5. Postupak nastajanja praške metala pomoću prskanja vodom. ................................................ 16
Slika 6. Konfiguracija vodenih mlaznica a)prstenasta konfiguracija, b) otvorena V konfiguracija, c)
zatvorena V konfiguracija. ..................................................................................................................... 16
Slika 7. Postupak dobijanja praha pomoću dvo fluidnog prskanja vodom. .......................................... 16
Slika 8. Atomizacija gasom. ................................................................................................................... 17
Slika 9. Centrifugalna atomizacija diskom. ............................................................................................ 18
Slika 10. Atomizacija lukom plazme ...................................................................................................... 18
Slika 11. Atomizacija električnim lukom. ............................................................................................... 19
Slika 12. Princip vakuumske atomizacije. .............................................................................................. 19
Slika 13. Princip ultrasonične atomizacije. ............................................................................................ 20
Slika 14. Horizontalni mlin sa kuglama. ................................................................................................. 21
Slika 15.Princip mljevenja mlinova sa diskovima. ................................................................................. 21
Slika 16. Princip rada vertikalnog mlina sa kuglama. ............................................................................ 21
Slika 17. Oblici zrna dobijeni postupcima proizvodnje praha, a) vodom atominiziran bakar, b) vodom
atominizirano željezo, c) zrakom atominiziran aluminij, d) helijumom atominiziran aluminij, e)
nitrogenom atominiziran brzorezni čelik, f) vakuumom atominizaran IN‐100 super legura, g)
centrifugalno elektrodom amominiziran Rene 95 super legura, h) centrifugalnom kupom atominiziran
aluminij. ................................................................................................................................................. 22
Slika 18. Neki od osnovnih oblika praha. ............................................................................................... 24
Slika 19. Uticaj veličine i oblika čestica na vrijeme miješanja, a) Cu od 200 do 300 µm; Fe, <63 µm
sferni oblik, b) Cu od 200 do 315 µm; Fe od 100 do 200 µm sfeni oblik, c) Cu od 200 do 315 µm; Fe
<63 µm ne regularni oblik čestica, d) Cu od 200 do 315 µm; Fe od 100 do 200 µm ne regularni obli
čestica. ................................................................................................................................................... 25
Slika 20. Moguće raspodjele praha. ...................................................................................................... 25
Slika 21. Osnovni tipovi mješača praha. ................................................................................................ 26
Slika 22. Jedno smjerno i dvo smjerno sabijanje. .................................................................................. 27
Slika 23. Prenos energije kod mehaničkih presa. .................................................................................. 28
Slika 24. Presa sa bregastim mehanizmom. .......................................................................................... 28
Slika 25. I klasa dijelova. ........................................................................................................................ 30
Slika 26. II klasa dijelova. ....................................................................................................................... 31
Slika 27. III klasa dijelova. ...................................................................................................................... 31
Slika 28. IV klasa dijelova. ...................................................................................................................... 31
Slika 29. Dijagram procesa sinterovanja ............................................................................................... 32
Slika 30. Mikrostruktura praha tokom procesa sinterovanja a) sinterovanja u čvrstom stanju (Al2O3),
b) sinterovanje u tečnom stanju (98W‐1Ni‐1Fe) ................................................................................... 33
Slika 31. Tranformacije energije u procesu sinterovanja. ..................................................................... 34
Slika 32. Promjene oblika zrna u procesu sinterovanja. ........................................................................ 34
Slika 33. Dijagram smanjena polaznog komada tokom procesa sinterovanja. ..................................... 35
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
4
Slika 34. Peć za sinterovanje. ................................................................................................................ 35
Slika 35. Obložena sinter zona peći. ...................................................................................................... 36
Slika 36. Izgled sekcija za hlađenje. ....................................................................................................... 37
Slika 37. Različite izvedbe peći sa aspketka na transport komada korz peć. ........................................ 37
Slika 38. Najstariji primjerak martenzitnog alatnog čelika. ................................................................... 45
Slika 39. Čelik iz Damaska. ..................................................................................................................... 45
Slika 40. Proces metalurgije čestica. ..................................................................................................... 47
Slika 41. Toplo izostastko presanje. ...................................................................................................... 48
Slika 42. Razlika između rasporeda primanih karbida. .......................................................................... 48
Slika 43. Rezanje alatnih čelika. ............................................................................................................. 49
Slika 44. Postupak sinterovanja sa injekcionim brizganjem. ................................................................. 50
Slika 45. Pipremljen prah za brizganje, A) metalne četice okružene polimerski vezivom, B) pelet za
injekciono brizganje. ............................................................................................................................. 50
Slika 46. Princip formiranja oblika kod injekcinog brizganja. ................................................................ 51
Slika 47. Uklanjanje vezivnih elemenata pomoću otapala. ................................................................... 52
Slika 48. Reakcija transformacije POM veziva u formaldehic. .............................................................. 53
Slika 49. Uticaj atmosfere na proces temperaturu sinterovanja. ......................................................... 53
Slika 50. Uticaj temperature sinterovanja na mikrostrukturu praha brzoreznog čelika M2. ................ 54
Slika 51. Uticaj temperature sinterovanja na mikrostrukturu, za brzorezni čelik M3:2. ...................... 55
Slika 52. Uticaj temperature sinterovanja na zateznu čvrstoću, a) sinterovanja brzoreznog čelika M2 u
vakuumu, b) sinterovanje brzoreznog čelika M2 u atmosferi nitrogena. ............................................. 57
Slika 53. Uticaj vremena sinterovanja na mehaničke osobine brzoreznih čelika. ................................. 58
Slika 54. Promjena tvrdoće u odnosu na promjentu temperature. ...................................................... 58
Slika 55. Uticaj termičke obrade na tvrdoću brzoreznih čelika. ............................................................ 59
Slika 56. Kristalne strukture WC, sivi kuglice predstavlja atome karbona dok plave kuglice
predstavljaju atome volframa. .............................................................................................................. 60
Slika 57. Fazni dijagram volframovih karbida. ....................................................................................... 60
Slika 58. Mikostruktura WC‐Co legura a) 97WC‐3Co srednja veličina zrna, b) 94WC‐6Co srednja
veličina zrna, c) 94WC‐6Co grubo zrno, d) 85WC‐15Co grubo zrno, e) slobodni grafit u leguri86WC‐8C‐
6Co i f) η faza u leguri85WC‐8C‐7Co. ................................................................................................... 62
Slika 59. Mikrostruktura nekih WC‐TiC‐(Ta.Nb)C‐Co legura, (a) 85WC‐9(Ta,Ti,Nb)C‐6Co legura srednja
veličina zrna, (b) 78WC‐15(Ta,Ti,Nb)C‐7Co legura srednja veličina zrna, (c) 73WC‐19(Ta,Ti,Nb)C‐8Co
legura srednja veličina zrna. .................................................................................................................. 63
Slika 60. Proces proizvodnje dijelova od volframovih kabrida. ............................................................. 64
Slika 61.Udio karbida u pojedinim industrijama. .................................................................................. 67
Slika 62. Rude volframa Scheelite i Wolframite. ................................................................................... 68
Slika 63. Vrste presa kod injekcionog brizganja WC. ............................................................................. 70
Slika 64. Uticaj vezinog materijala na pritisak istiskanja zelenog komada i njegovu poroznost. .......... 70
Slika 65. Uticaj temperature sinterovanja na sastav karbida kao i na skupljanje. ................................ 73
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
5
Popistabela:
Tabela 1. Važniji događaji u historiji metalurgije praha. ....................................................................... 10
Tabela 2. Pritisci sabijanja nekih materijala. ......................................................................................... 30
Tabela 3. Tačke topljenja pojednih lubrikanata. ................................................................................... 36
Tabela 4. Temperature sinterovanja nekih materijala. ......................................................................... 38
Tabela 5. Komparacija osobina čelika. .................................................................................................. 41
Tabela 6. Označavanja alatnih čelika. .................................................................................................... 42
Tabela 7. Komparacija alatnih čelika. .................................................................................................... 49
Tabela 8. Sastav brzorezbog čelika M2. ................................................................................................ 56
Tabela 9. Mehaničke osobine brzoreznog čelika M2. ........................................................................... 56
Tabela 10. Sastva brzoreznog čelika M3:2. ........................................................................................... 56
Tabela 11. Mehaničke osobine brzoreznog čelika M2. ......................................................................... 56
Tabela 12. Mehaničke osobine WC‐Co karbida. .................................................................................... 61
Tabela 13. Označavanje karbida prema C sistemu. ............................................................................... 63
Tabela 14. Označavanje karbida prema ISO sistemu. ........................................................................... 65
Tabela 15. Značajnija oktrića na polju cementnih karbinda .................................................................. 67
Tabela 16. Uticaj sastava legure tvrdih metala na temperaturu sinterovanja. ..................................... 72
Tabela 17. Uticaj pojedinih elemenata na ponašanje karbida tokom sinterovanja. ............................. 74
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
6
Uvod:
Sinterovanja predstavlja jednu od prvih tehnologija za proizvodnju dijelova od
metala. Ono biva zaboravljeno 2000 godina ali kada su iscrpljenje moći klasične metalurgije
čovječanstvo se ponovo okreće prema sinterovanju sa ciljem iskorištenja potencijala koji leži
u nekim materijalima. U ovom seminarskom radu biti će objašnjen proces proizvodnje
dijelova korištenjem tehnologije metalurgije praha. Također će biti riječi o sinterovanju
alatnih čelika, njihovom označavanju, sinterovanju tvrdih metala i njihovim karakteristikama.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
7
1.0 Historija metalurgije praha.
Metalurgija praha se naziva još izgubljena umjetnost. Za razliku od ostalih načina
proizvodnje metalnih dijelova metalurgija praha se javlja u ranoj historiji i biva zaboravljena
sve do 18 stoljeća.
3000 godina prije nove ere prije nego što su razvijene peći pomoću kojih se dostigla tačka
topljenja željeza Egipćani su koristili prah željeza za pravljenje alata. Pomoću drvenog uglja i
zdrobljenih školjki zagrijavali su rudu željeza sa ciljem smanjenja oksida u njoj. Rezultat ovog
procesa je “spužvasto željezo” ili porozno željezo koje bi se udaralo čekićima sa ciljem
zavarivanja čestica metala jednu za drugu.
1200 godina poslije nove ere Inke i njihovi predci su koristili metalurgiju praha za dobijanje
platine. Tehnika se zasnivala na cementaciji zrna platine, koja su prije toga bila isprana iz
rude i ručno razvrstana, dodavanjem oksidacijski otporne legura zlata i srebra sa niskom
tačkom topljenja sa ciljem kvašenja zrna platine. Presovanjem smiješe i žarenjem dobivala se
poluga platine pogodna za dalju obradu.
Između 1750 i 1825 posvećena je pažnja proizvodnji platine. 1775 godine Lewis je otkrio da
kada se legura olova i platine oksidira na visokim temperaturama dobiva se mekana i
obradiva legura. Scheffer je otkrio da kada se platina zagrije zajedno sa arsenom platina
pokazuje znakove topljenja. Ovo otkriće je potvrđeno i od strane Achard‐a koji je opisao
postupak proizvodnje platina‐arsen legure sa zagrijavanjem na samo 600 [oC]. Ovaj način
proizvodnje platine se prvi puta komercijalno koristio 1790 godine za proizvodnju rezervoara
u kemijskoj industriji.
1822 godine proizvedena je prva poluga od platine od 14 [kg] praha platine pomoću serije
operacija. Prah platine se lagano presovao u glinene posude i grijao do usijanja, nakon toga
prah se stavljao u čelične kalupe i presovao pod vijčanom presom. Ovaj proces se ponavljao
više puta dok čvrsta poluga nije proizvedena.
1826 godine u Rusiji prvi puta je izvedena operacija visoko temperaturnog sinterovanja
presovanog praha. Prah platine velike čistoće je presovan u cilindre od livenog gvožđa i koji
su sabijani pomoću vijčane prese. Nakon toga su stavljani u peć sa visokom temperaturom u
trajanju od jednog dana. Rezultirajući proizvod je bio veoma obradiv, zahvaljući tome što se
koristio prah visoke čistoće. Sinterovanje presovanog dijela je uzrokovalo njegovo skupljanje
sa početnih dimenzija φ= 100 [mm] i h=19 [mm] na dimenzija φ= 81 [mm] i h=13 [mm].
1829 godine Wollaston je objavio publikaciju procesa proizvodnje platine koji će kasnije
dobiti ime po njemu. Wollaston je bio prvi koji je shvatio da sve poteškoće koje se susreću u
proizvodnji čvrste platine su u vezi sa prahom koji se koristi, te na osnovu tog zaključka se
usredočio na pripremu praha platine. Otkrio je da se pri zagrijavanju praha bolje rezultati
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
8
postižu ako se to zagrijavanja odvija dok je prah pod pritiskom. Iz razloga što tada dostupne
prese nisu bile dovoljno snažne on je razvio horizontalnu presu koja je prikazana na slici 3.
Slika 1. Wollaston‐ova presa
Wollaston je ovaj proces opisao u devet koraka:
1. Taloženje amonij‐platina‐klorida u rastvoru. 2. Ispiranje taloga praha 3. Meljenje praha bez pritiska sa ciljem očuvanja površinske energije čestica praha. 4. Prosijavanje praha 5. Pranje praha u vodi sa ciljem uklanjanja sve zaostale soli. 6. Separacija finih čestica pomoću sedimentacije, samo najfinije čestice praha se koriste
u procesu. 7. Presovanje mokre mase praha u pologu 8. Lagano sušenje te grijanje na 800 do 1000 [oC]. 9. Kovanje poluge dok je još zagrijana.
Primjenjujući ove korake Wollaston je uspio da proizvode kompaktnu platinu, koja je onda
valjanja u tanke limove sa ciljem uklanjanja zaostalih vodenih džepova.
1830 godine Osann je otkrio da se reducirani metali mogu sinterovati u čvrste dijelove.
Osann je razvio metodu proizvodnje kovanica od praha bakra dobijenog redukcijom
karbonata bakra (Cu2CO3). Također je otkrio da je redukciju najbolje vršiti na nižim
temperaturama. Kontaminaciju praha je sprečavao skladištenjem praha u stakle boce odmah
nakon proizvodnje. Prah je stavljan u kalup u obliku cilindra gdje je presovan pod udarcima
čekića. Zapremina bakra bi se ovim procesom smanjila za 1/6. Sinterovanje se odvijalo na
temperature u blizini tačke topljenja bakra. Sinterovanjem se zapremina smanjila za
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
9
dodatnih 20% ali je sinterovani bakar imao bolje mehaničke osobine nego liveni bakar. Istom
metodom Osann je proizvodivo medalje i novčanice od srebra i olova.
1859 Sainte‐Claire Deville i Debray su uspjeliji da proizvedu gorionik koji je radio na svjetleći
gas i oksigen. Pomoću ovog gorionika uspjeli pokrenu proces fuzije platine. Njihova platina je
imala bolje mehaničke osobine od platine dobijene Wollaston‐ovim procesom.
1870 Gwynn je patentirao materijal za proizvodnju samo podmazivah ležajeva. Materijal se
sastojao od 99% kositara i 1 % nafte. Ove dvije komponente su se miješa i u isto vrijeme
zagrijavale, čvrsta forma smiješe se proizvodila ubrizgivanjem u kalupe pod visokim
pritiscima.
Najveća komercijalna aplikacija metalurgije praha se desila između 1878 I 1898 kada je
početo sa proizvodnjom žarnih niti za sijalice od karbona, osmiuma, vanadijuma, tantala i
volframa
Originalni alati za izvlačenje nisu bili dovoljno tvrdi za izvlačenje žice od volframa te se
pojavila potreba za tvrđim materijalom. Poznato je da volfram u kombinaciji sa karbonom na
visokim temperaturama daju veoma tvrd materijal, ovaj materijal je bio osnova za izradu
veoma tvrdih i postojanih alatnih materijala koji su poznati kao cementirani karbidi. Rani
eksperimenti sa raznim materijala pokazali su da materijal koji se cementira mora imati
slijedeće osobine:
1. Hemijski afinitet za čestice karbida
2. Relativno nisku tačku topljenja
3. Ograničenu osobinu legiranja sa karbidima
4. Veliku duktilnost (istegljivost)
Od svih materijala gornje zahtjeve najbolje je zadovoljavao Kobalt. Prvi radovima na
cementiranju Kobalta su izvedeni u Njemačkoj od strane Lohmann‐a i Voigtländer‐a.
Friedrich Krupp je 1927 je usavršio proces cementiranja karbida i tržištu predstavio „Widia“.
Slijedeći razvoj u metalurgiji praha bio je proizvodnja kompozitnih metala koji su se koristili
za izradu kontakta, elektroda, kontra tegova i kontejnera nuklearnog otpada. Prvi pokušaj da
se proizvedu kompozitni materijali registrova je 1900 godine od strane Viertel i Egly.
Moderni ležajevi uobičajeno napravljeni od bakra, kositara i grafitnog praha i impregnirani
uljem su prvi puta razvijeni u procesu patentiranom od strane Loewendahl I Gilson. Gilson‐ov
osnovni materijal je bila bronca u kojoj su čestice grafita bile uniformno raspoređene.
Proizvođenja je miješanjem praha barka i oksida kalaja sa grafitom. Presovanjem smiješe i
grijanjem na temperaturu na kojoj počinje redukcija oskida bakar i kalaj bi se spajali i davali
bi materijal koji je imao strukturu kao i bronca. Dodatak grafita je bio uniformno raspoređen
kroz strukturu i zauzimao je do 40% zapremine. Poroznost je bila dovoljna da dozvoli
impregnaciju ulja u iznosu od 2%.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
10
Metalni filteri su bili idući korak u razvoju poroznih metala i prvi patent datira iz 1923 od
strane Claus‐a koji je patentirao proces i mašinu za izlivanje poroznih tijela od praškastih
materijala.
Početak masovne proizvodnje automobila omogućio je primjenu metalurgije praha uveliko i
omogućio razvoj novih tehnologija iz ovog područja. Prva komercijalna aplikacija samo
podmazujućih ležajeva počela je 1927 godine. Ležajevi su bili napravljeni od kombinacije
bakra i kalaja koji su davali poroznu broncu koja je imala mogućnost da u svoje pore primi
određenu količinu ulja preko kapilarne privlačnosti. U isto vrijeme počinje primjena
samopodmazivih ležajeva u kućanskim aparatima kao kod ležajeva na kompresorima
hladnjaka.
Od 1940 do početka 1950 metalurgija praha je svoju proizvodnju zasnivala na barku i
samopodmazivim ležajevima. Od tada željezni prah i čelični prahovi postaju dominantni pri
proizvodnju komponenti kao što su zupčanici, bregasti mehanizmi. Dok bakar i dalje
predstavlja značajan materijal u metalurgiji praha sa potrošnjom od 21.000 [t/god], zasjenjen
je sa prahovima na osnovi željeza koji dostižu godišnju potrošnju praha od 315.000 [t/god].
1970 i 1980 postignuti su ogromni napredci u metalurgija praha. Posebno značaj predstavlja postupak proizvodnje alatnih čelika pomoću metalurgije praha i toplo izostatsko presanje čelika. Pomoću ova dva postupka dobijaju homogeniji materijali bez pora. Također 1980 počinje komercijalna primjena ultrabrzog očvršćivanja i injekcionog brizganja. Godina Otkriće Porijeklo
3000 p.n.e Spužvasto zeljezo za pravljenje alata Egipat,Africa, India
1200 Cementacija zrna platine Južna Amerika
1781 Legura platine I arsena Francuska, Njemačka
1790 Proizvodnja posuda od legure platina‐arsen. Francuska
1822 Prah platine spojen u čvrstu polugu Francuska
1826 Visoko temperaturno sinterovanje praha platine. Rusija
1829 Wollaston metod proizvodnje čvrste platine Engleska
1830 Sinterovanje različitih materijala Europa
1859 Proces fuzije platine
1870 Petentiran materijal za kugličaste ležajeve napravljen od metalnog praha ( predk samo podmazujućih ležajeva).
SAD
1878‐1900 Svjetiljke sa žarnim nitima SAD
1900 Kompozitni materijali SAD
1915‐1930 Cementovani karbidi Njemaćka
1920 Samo podmazivi ležajevi SAD
1940 Tehnologija željeznog praha Europa
1970 Toplo izostastsko presanje, proizvodnja alatnih čelika pomoću metalurgije praha.
SAD
1980 Tehnologije brzog očvršćavanja i injekciono brizganje SAD
1990 Kompoziti sa metalnim rešektama, prskanje prha, nano prah, toplo presanje
SAD, Engleska
Tabela 1. Važniji događaji u historiji metalurgije praha.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
11
1.1 Metalurgija praha.
Prema [3] Metalurgija praha ili praškasta metalurgija (eng. Powder Metallurgy,PM) je tehnologija proizvodnje mehaničkih, konstrukcijskih i drugih dijelova od metalnih prahova. Pri tome se odvijaju dva postupka:
kompaktiranje – zbijanje metalnog praha u željeni oblik i sinterovanje – povezivanje čestica praha u čvrstu masu.
Mehanička su svojstva proizvoda uglavnom jednaka, a nekim slučajevima i bolja od
proizvoda istog hemijskog sastava koji su izrađeni odvajanjem strugotine, valjanjem ili
kovanjem.
Prednosti primjene metalurgije praha su:
Moguća je masovna proizvodnja dijelova u konačnom obliku (en. net shape) ili blisko konačnom obliku (en. near net shape), bez dodatne obrade skidanjem strugotine.
Postižu se točnije dimenzije dijelova nego kod većine postupaka lijevanja.
Uniformna sitnozrna struktura.
Mogu se oblikovati metali koje je teško oblikovati drugim postupcima (žareća nit od volframa za žarulje).
Mali su gubici materijala (oko 3%).
Moguća je izrada proizvoda od smjese više metala koji nisu međusobno topivi te smjesa metala i keramika (oksidi, vatrootporne keramike).
Moguća je izrada dijelova zadate poroznosti (filtri, ležaji i zupčanici impregnirani uljem za podmazivanje).
automatizacijom procesa mogu se postići velike produktivnosti
Mane primjene metalurgije praha su:
Visoka je cijena potrebne opreme i alata.
Velika cijena metalnih prahova.
Javljaju se specifične poteškoće u skladištenju prahova metala (korozija, opasnost od požara).
Ograničeni su oblici dijelova koji su mogu izraditi zbog poteškoća lateralnog tečenja praha u kalupu.
Javljaju se promjene gustoće, osobito kod dijelova složenih oblika
Osnovna su svojstva proizvoda praškaste metalurgije:
1. mala površinska hrapavost (< 63 m),
2. velika točnost dimenzija (< 0,125 mm),
3. velika složenost oblika,
4. proizvodnost je velik (> 100 dijelova/h) do srednja (> 10, < 100 dijelova/h),
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
12
5. proizvedena količina je velika (> 5000 dijelova) do srednja (> 100, < 5000 dijelova),
6. visoki do srednji troškovi.
Prema tome, postupci praškaste metalurgije konkuriraju tradicionalnim mašinskim
postupcima: skidanju strugotine, preciznom lijevanju, tlačnom lijevanju, kovanju u klupe.
Slika 2. Shematski prikaz izrade dijelova.
Na slici 1. je predstavljen shematski prikaz tehnološkog procesa koji se odvija pri proizvodnji
dijelova iz metalnog praha. U slijedećim poglavljima će biti opisan svaki od koraka u
proizvodnji.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
13
1.2 Proizvodnja praha.
Osnovu praškaste metalurgije čini prah kao polazna sirovina svakog procesa. Prah se
može proizvesti na jedan od slijedećih metoda:
1. Hemijskim metoda
2. Prskanjem (atomizacija)
3. Mehaničkim metoda
Gotovo svaki materijal se može pretvoriti u prah na jedan od gore nabrojanih načina.
Metoda pravljenja praha zavisi od primjene praha, željenih karakteristika i strukture finalnog
proizvoda.
Hemijska metoda koristi hemijske komponente najčešće okside nekada halide ili druge
metalne soli. Hemijska metoda se izvodi slijedećim postupcima:
Proizvodnja praha iz čvrstog stanja. Najbolji primjer za ovaj način dobijanja praha je
Höganäs‐ov proces. Za Höganäs‐ov process koristi se čista ruda Fe3O4. Ruda se melje na
željenu granulaciju zavisno od željenog finalnog proizvoda. Samljevena ruda se stavlja u
centar cilindričnih keramičkim kontejnera a sa strana je okružena mješavinom koksa i
krečnjaka. Keramički kontejneri su redaju jedan na drugi i postavljaju na pokretna kolica koja
ih prevoze kroz tunel peći. Karbon monooksid nastao iz koksa tranformiše rudu u željezo.
Vrijeme transformacije traje oko 24 [h] na temperaturu od 1200 [oC]. Krečnjak služi za
vezivanje sumpora u koksu koji se oslobađa prilikom paljenja koksa, odnosno da spriječi
kontaminaciju željeza. Željezo mehanički istovara iz kolica te nakon toga melje. Pomoću
magnetnih separatora odvaja se željezo od ostatka komponenti ovog procesa. Konačno
samljeveno željezo se transportuje kroz peć u atmosferi hidrogena. Nakon toga vrši se
separacija praha prema veličini zrna gdje se prevelika zrna ponovno vraćaju u proces.
Proizvodnja praha iz gasovitog stanja. Redukcija iz titanijevih tetrakloridnih para sa
rastopljenim magnezijem. Ovaj proces je još poznat kao Kroll‐ov proces. Na početku
proizvodnje ruda titanijuma Ilmenite (FeTiO3) u sebi sadrži veliki primjese željeza te se
prečišćava sa ciljem smanjenja udjela željeza u rudi. Pročišćenja ruda se stavlja u reaktore
zajedno sa hlorovim gasom i karbonom. Smiješa se zagrijava na temperaturu od 900 [oC]
nakon čega nastaje nečisti titanium dioksid (TiCl4) i karbon monoksid. Sa ciljem daljnjeg
pročišćavanja titanijuma on se stavlja u destilacione rezervoare i zagrijava. Prilikom ovog
proces nečistoće su odvajaju pomoću frakcione destilacije, ovaj postupak uklanja metalne
kloride uključujući i željezo, vanadijum cikronijum, siliciji i magnezij. U trećem koraku se
tianijev tretraklorid u tečnom stanju transportuje u posude reaktora od ne hrđajućeg čelika.
U posude se dodaje magneziji i posude se griju na 1.100 [oC]. Prije početka zagrijavanja u
posude su ubacuje argon sa ciljem uklanjanja zraka iz posuda, odnosno izbjegavanja
kontaminacije titanija sa oksigenom i nitrogenom iz zraka. Magneziji reagira sa titanijem
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
14
kloridom proizvodeći magnezij klorid koji se u procesu separacije odvaja od titanija. Ova
reakcija ostavlja čisti titanij pošto je njegova tačka topljenja iznad tačke spajanja magnezija
sa kloridima. Titan koji nastaje ovim procesom ima ljuskastu strukturu koja je jednim dijelom
sinterovana.
Slika 3. Postupak dobijanja željeznog praha.
Slika 4.Postupak dobijanja titanijevog praha
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
15
Proizvodnja praha iz tečnog stanja. Prah nikla se proizvodi po Sherrit Gordnon‐ovom
procesu i on predstavlja tipičan hidrometalurški proces u kome se odvija redukcija
amonijkove otopine niklsufalta sa hidrogen pri pritisku od 1.38 [MPa] i temperaturi od 200
[oC]. Rastvor niklove soli se dobija ispiranjem Cu‐Ni‐Co rude. Prije nego što se nikl istaloži kao
metalni prah, prvo se odvaja bakar. Za prvo taloženje nikla koristi se katalizator, željezni
sulfat, koji ubrzava ovaj proces te se veoma fine čestice nikla talože u autoklavu. Slijedeći
korak predstavlja dodavanje hidrogena pri temperaturi od 200 [oC] i pritisku od 1,38 [MPa]
nakon čega nastaje dodatno taloženje praha iz rude. Ovaj postupak se ponavlja od 15 do 30
puta. Nakon toga prah se vadi iz autoklava pere i sušu.
Metoda prskanja eng. “Atomization”, materijala je dominanta metoda u produkciji metalnih
prahova i prelegiranih prahova od aluminijima, bronce, željeza, nisko legiranih čelika, ne
hrđajućih čelika, alatnih čelika, super lugura, legura titanijuma i drugih legura i metala.
Trenutni nivo tehnologije prskanja prahova je rezultat razvoja proteklih 50 godina.
Tehnologija se zasniva na koliziji tečnosti i kapljice, što znači da bilo koji metal koji se može
istopiti može se pretvoriti u prah pomoću ove metode. Čestice praha su obično manje od
150 [µm], iako se mogu proizvesti i veće čestica ali se ti postupci ne nazivaju prskanje nego
ispucavanje ili granuliranje.
Neki od osnovnih postupaka prskanja metalnih prahova su:
Dvo fluidno prskanje, postupak u kome se tečni metal razbija u kapljice pomoću gasa, vode
ili ulja pod visokim pritiskom. U slučaju da se rasprskavanje rastopljenog metala vrši pomoću
vode postupak se počinje topljenjem materijala od kojeg se želi dobiti prah. Nakon topljenja
rastopina se sipa u ljevački lonac koji služi kao spremnik rastopine. Na dnu ljevačkog lonca
nalazi se mlaznica pomoću koje se kontroliše doziranje rastopine, oblik mlaza i njegovo
usmjeravanja u sistem za rasprskavanja mlaza. Na slici 5. predstavljen je postupak nastajanja
praha u trenutku kada kapljica vode pogodi mlaz rastopljenog metala. Prilikom sudara
kapljice vode pod visokim pritiskom i niskom temperaturom sa strujom rastopljenog metala
dolazi do naglog povišenja temperature vode. Voda pri normalnim uslovima isparava na 100
[oC], u ovom postupku voda se naglo zagrije na temperaturu preko 1000 [oC] što izaziva
„eksploziju“ kapljice vode odnosno pare, ta eksplozija predaje svoju energiju dijelu mlaza
rastopljenog metala i odvaja ga od glavne struje rastopljenog metala. Da bi se cijela struja
rastopljenog metala pretvorila u prah mlaznice vode se raspoređuju na jedan od tri način
kako je prikazano na slici 6. Nakon samog postupka atomizacije mješavine vode i metalnog
praha se transportuje do centrifugalnih separatora ili do magnetnih separatora, odvojena
voda se filtrira, hladi i vraća ponovo u sistem a prah se dodatno suši i odvodi iz sistema. Na
slici 7. je prikazana cjelokupna shema proces dobijanja metalnog praha pomoću vode.
Željena veličina praha se dobija promjenom pritiska vode, povećanjem pritiska vode
smanjuje se veličina praha.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
16
Slika 5. Postupak nastajanja praške metala pomoću prskanja vodom.
Slika 6. Konfiguracija vodenih mlaznica a)prstenasta konfiguracija, b) otvorena V konfiguracija, c) zatvorena V
konfiguracija.
Slika 7. Postupak dobijanja praha pomoću dvo fluidnog prskanja vodom.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
17
Atomizacija gasom se razlikuje sa mnogo aspekata od atomizacije vodom. Za razliku od
vodene atomizacije gdje se pritiskom vode upravlja procesom otkriveno je da se u procesu
atomizacije gasom odnosom gasa i metala reguliše veličina čestica. Kao mediji pri atomizaciji
gasom najčešće se koriste nitrogen, argon ili zrak. Atomizaciju gasom možemo podijeliti na
atomizaciju sa unutrašnjim miješanjem i atomizaciju sa vanjskim miješanjem. Atomizacija sa
vanjskim miješanjem, kontakt između gasnog medija i rastopljenog elementa se dešava
izvan mlaznice, se koristi kada se proizvodi prah metalnih materijala. Unutrašnje miješanje
se primjenjuje za materijale koji su u tečnoj fazi na sobnim temperaturama. Procesom se
upravlja preko udaljenosti mlaznica, pritiskom zraka, geometrijom mlaznica, brzinom gasa i
rastopljenog medija. Prah koji se dobija ovim postupkom je obično sfernog oblika sa
relativno glatkom površinom. Veći pritisci i manje razmak između mlaznica proizvodi finiji
prah. Pritisci gasa u procesima atomizacije se obično kreću od 14 [bar] do 42 [bar], sa
brzinama gasa od 50 [m/s] do 150 [m/s]. Ova metoda se koristi kada se želi proizvesti prah
od super legura, titanijuma, brzoreznih čelika i drugih metala. Ova metoda se odlikuje nešto
skupljim procesom proizvodnje u odnosu na vodenu atomizaciju iz razloga što se moraju
koristiti skupni inertni plinovi.
Slika 8. Atomizacija gasom.
Centrifugalno prskanje, postupak u kome se tečni metal razbija u kapljice pomoću
centrifugalne sile rotacionog diska, kupe ili elektrode. Kod centrifugalne atomizacije diskom
ili kupom koristi se centrifugalna sila pri razbijanju mlaza rastopine i bacanju kapljica
rastopljenog metala sa diska ili kupe.
Atomizacija pomoću rotirajućeg diska se koristi za proizvodnju praha za lemljenje
elektronskih komponenti. Diskovi se obrću brzinama od 30.000 do 60.000 [o/min] prečnici
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
18
diskova su veoma mali od 40 do 100 [mm] ali i sa tim prečnicima dostiže se kapacitet od 50
do 100 [kg/h]. Atomizacija se obavlja u inertnoj atmosferi.
Slika 9. Centrifugalna atomizacija diskom.
Atomizacija pomoću rotacione kupe se koristi pri proizvodnji praha od cinka, aliminijuma i
magnezija. Za razliku od diska atomizacija kupom se vrši pri brzinama od 3.000 do 10.000
[o/min], a prečnici kupe se kreću od 100 do 200 [mm].
Atomizacija rotirajućom elektrodom je komercijalni postupak koji prevazilazi probleme
nekih materijala na način da rotira metal prije njegovog topljenja, rotirajući element je
topljiva elektroda koja se rotira brzinom od 15.000 [o/min] te se topi pomoću luka. Kapljice
rastopljenog metala centrifugalna sila odbacuje od elektrode koje se hlade i očvršćuju prije
kontakta sa zidovima komora. Ovaj postupak je razvijen do strane kompanije „Nuclear
Metals INC.“ Na slici 10. je prikazan postupak proizvodnje praha pomoću luka plazme, dok je
na slici 11. prikazana postupak proizvodnje praha pomoću električnog luka.
Slika 10. Atomizacija lukom plazme
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
19
Slika 11. Atomizacija električnim lukom.
Atomizacija rotirajućim elektrodama daje određenje prednosti u odnosu na druge proces
proizvodnje praha. Legure titaniju se optimalno proizvode pomoću ove metode, zbog
korozivne prirode rastopljenog titanijuma i poteškoće čuvanja rastopljenog titanija.
Vakuumska atomizacija ili atomizacija rastvorljivim gasom se zasniva na slijedećem principu.
Kada se rastopljeni metal koji je prezasićen sa nekim gasom naglo izloži vakuum dolazi do
širenja gasa u rastopljenom metalu takvim intenzitetom da raspršiva rastopljeni metal i
pretvara ga u prah. Legure nikla, bakra, kobalta, željeza i alminijuma se atomiziraju sa
hidrogenom. Prah je sfernog oblika i veoma čist u poređenju sa drugim metodama
proizvodnje prahova. Osnovna primjena praha proizvedenog pomoću vakuumske
atomizacije je u proizvodnji diskova turbina i geometrijski složenih dijelova pomoću
injekcionog brizganja.
Slika 12. Princip vakuumske atomizacije.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
20
Ultrasonično prskanje, postupak u kome se tečni metal razbija u kapljice pomoću
ulstrasoničnih vibracija. Do ne davno ovaj postupak je predstavljao samo laboratorijske
eksperiment i ako je prijavljen 1960 godine. Zasniva se na principu da se tanki film tečnog
metala podvrgne vibracijama tako jakim da se stvaraju valovi koji postaju sve jači i jači dok u
jednog trenutku kapljica rastopine se ne odvoji od filma. Ovim postupkom se dobijaju
prahovi sfernog oblika. Kao i kod centrifugalne atomizacije glavni nedostak ovog procesa jesu
visoki zahtjevi koji se postavljaju pred materijal po kome se rasprostire film. Taj materijal
mora imati visoku tačku topljenja, biti otporan na abraziju, mora imati odgovarajuće
akustične osobine itd. Za proizvodnju praha koriste se frekvencije u dijapazonu od 20 do 80
[kHz] ovim postupkom se dobijaju slični rezultati kao i kod centrifugalne atomizacije. Za sada
se uglavnom koristi za proizvodnju praha za lemljenje elektronskih komponenti sa
kapacitetima od 20 do 40 [kg/s]
Slika 13. Princip ultrasonične atomizacije.
Mehanički procesi proizvodnje praha se ne koriste mnogo kao ostali spomenuti načini proizvodnje praha. Koristi se kod materijala:
Koji se mogu veoma lako samljeti kao što su čisti antimon ili bizmut
Reaktivnim materijala kao što si berilij i metalni hibridi
Kod materijala kao što su aluminij i željezo kada je potreban prah u obliku pahulja.
Mehaničko mljevenje praha se najčešće vrši pomoću:
1. Horizontalni mlinova sa kuglama.
2. Mlinova sa diskovima.
3. Vertikalnih mlinova sa kuglama.
Najčešći postupak mehaničkog mljevenja metala jeste pomoću horizontalnog mlina sa kuglama, kritični faktori pri ovom načinu proizvodnje praha predstavlja brzina rotacije mlina. Veoma visoka brzina rotacije će prouzrokovati da se materijal i kugle zalijepe za zidove mlina uslijed prevelike centrifugalne sile. Mala brzina će prouzrokovati neznačajno kretanje kugli i materijala.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
21
Slika 14. Horizontalni mlin sa kuglama.
Mlinovi sa diskovima se koriste za mljevenje tvrdih metala. Za razliko od mlinova sa kuglama ovi mlinovi su horizontalni i mljevenje se vrši pomoću horizontalni diskova. Princip mljevenja se odvija pomoću diskova koji se rotiraju. Diskovi se nalaza veoma blizu jedan drugom, tako da sve čestice koje su veće od razmak između diskova bivaju samljevene, pomjeranjem razmaka između diskova reguliše se granulacija praha.
Slika 15.Princip mljevenja mlinova sa diskovima.
Vertikalni mlinovi sa kuglama se koriste dijelom za mljevenje dijelom a dijelom legiranje praha. Zbog velike energije koja se prenese na prah koji se melje dolazi do zavarivanja čestica praha te se obično dodaju dvije vrste praha osnovni materijal i legirajući materijal.
Slika 16. Princip rada vertikalnog mlina sa kuglama.
Na slici 17. su prikazani različiti oblici praha dobijeni gore opisanim postupcima mljevenja
praha. Odabir procesa proizvodnje praha prvenstveno zavisi od materijala koji se melje,
potrebne finoće te oblika zna.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
22
Slika 17. Oblici zrna dobijeni postupcima proizvodnje praha, a) vodom atominiziran bakar, b) vodom atominizirano željezo, c) zrakom atominiziran aluminij, d) helijumom atominiziran aluminij, e) nitrogenom atominiziran brzorezni čelik, f) vakuumom atominizaran IN‐100 super legura, g) centrifugalno elektrodom amominiziran Rene 95 super legura, h)
centrifugalnom kupom atominiziran aluminij.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
23
1.3Miješanjepraha.
Pod pojmom pripreme praha za presanje spajaju se dvije različite operacije
blendiranje i miješanje. Pod blendiranjem smatra se postupak miješanja praha samo jedne
vrste dok se pod miješanjem podrazumijeva miješanje više od jedne vrste praha ili miješanje
praha sa lubrikantima.
Cilj blendiranja praha jeste da se dobije što homogeniji prah. Metoda proizvodnje praha ne
daju prah istih dimenzija tako da kod svake metode postoje nešto krupnije čestice i nešto
sitnije čestice. Tokom proizvodnje, pakovanja, transporta sitnije čestice padaju na dno dok
krupnije ostaju na vrhu i time stvaraju praškasti materijal koji nije pogodan za presanje.
Također krupnije čestice kačaju za sebe sitnije čestice, dolazi do pojave elektrostatičke i Van
der Waals privlačnosti čestica, uslijed kapilarnih napona dolazi do zarobljavanja vlage u
prahu itd. Sve ovo gore nabrojano je razlog za primjenu blendiranja i miješanje praha.
Neki od osnovni parametara koji utiču na miješanja praha su:
1. Vrsta miksera.
2. Zapremina miksera.
3. Geometrija miksera.
4. Unutrašnja površina miksera.
5. Karakteristike unutrašnje obloge miksera.
6. Zapremina praha prije miješanja.
7. Zapremina praha nakon miješanja.
8. Odnos komponenti koje se miješaju.
9. Karakteristike praha.
10. Vrsta, lokacija i broj mjesta doziranja i pražnjenja praha.
11. Rotaciona brzina mješača.
12. Vrijeme miješanja.
13. Temperatura miješanja.
14. Mediji u kome se odvija miješanje.
15. Vlažnost, kada se miješanje odvija u atmosferi zraka.
Od svih gore nabrojanih faktora najznačajniji je faktor predstavlja sam praha odnosno
njegove karakteristike jer on utiče na svih ostalih 14 nabrojanih faktora.
Veličina čestica praha predstavlja najznačajni faktor kod miješanja praha. Generalno pravilo
glasi što je veća ujednačenost čestica praha ili mješavine prahova veća je mogućnost za
dobijanje ujednačene mješavine. Veće čestice imaju tendenciju da se odvajaju od smiješe
tokom miješanja te ako je moguće potrebno ih je odvojiti. Sprečavanja segregacije krupnih
čestica se još rješava primjenom vakuumskog blendiranja ili mehaničke ili termalne
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
24
aglomeracije (tako zvano difuziono spajanje, gdje se kurpne čestice raspoređuju udaljenje
jedna od druge a prostor između njih popunjavaju sitnije čestice.
Oblik čestica također značajno utiče na homogenost smiješe praha. Na slici 18. su predstavljeni neki od osnovnih oblika čestica.
Slika 18. Neki od osnovnih oblika praha.
Na slici 19. je predstavljen koeficijent varijabilnosti (standardna devijacija podijeljena sa prosječnom vrijednošću mjerene osobine, standardna devijacija se opisuje kao statistička vrijednost koja govori koliko koncentracija jedne komponente mješavine varira od stvarne koncentracije koja definiše smjesu) smiješe praha 90% Fe i 10% Cu za različite oblike čestica i različite veličine čestica. Za sferni obli čestica kvalitet smiješe se brzo povećava (manji koeficijent varijabilnosti) ali dolazi do segregacije čestica kako se vrijeme miješanja produžuje. Segregacija se čestica je značajnija što je vrijeme miješanja duže pošto dolazi do akumulacije elektrostatičkog elektriciteta, ovaj problem se obično rješava sa dodavanje malih količina vode u mješavinu.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
25
Slika 19. Uticaj veličine i oblika čestica na vrijeme miješanja, a) Cu od 200 do 300 µm; Fe, <63 µm sferni oblik, b) Cu od 200 do 315 µm; Fe od 100 do 200 µm sfeni oblik, c) Cu od 200 do 315 µm; Fe <63 µm ne regularni oblik čestica, d) Cu od
200 do 315 µm; Fe od 100 do 200 µm ne regularni obli čestica.
Gustina praha predstavlja je dugoročni problem blendiranja i miješanja zbog razlike u gustini
praha koji se procesuira. Čestice praha sa manjom gustinom imaju tendenciju da se skupljaju
na vrhu mase dok gušće čestice tonu na dno.
Kvalitet praha se povećava kako se povećava broj kontakata između različitih komponentni
mješavine. Na slici 20. su predstavljene moguće raspodijele praha. Pod a) je predstavljen
izgled teorijski najhomogeniji raspodjele praha gdje je svaka čestica praha u kontaktu sa
susjednom česticom, pod b) je prikazana aglomerirani prah gdje su čestice praha grupirane i
između grupa postoji značajan prazan prostor, pod c) je predstavljen praktično mogući
ostvariv rezultat miješanja, dok je pod d) predstavljen izgled ne izmiješanog praha. Kvalitet
smiješe se određuje komparacijom sirove smiješe i izmiješana smiješe, sa aspekta na broj
kontaktnih površina.
Slika 20. Moguće raspodjele praha.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
26
Između velikog broja miksera (mješača) koji su dostupni na današnjem tržištu najčešći su: v
mikser i mikser sa duplim konusom. Mikser sa duplim konusom sastoji se od cilindričnog
bubnja koji je skošen na krajevima, koji se rotira oko horizontalne ose, ova rotacija izaziva
kontinuirano kretanja praha unutar miksera koji se ravnomjerno raspoređuje tokom
miješanja. Primjenom ovih mješača ne dolazi do smanjenja veličine zrna praha.
V mješač radi na istom principu kao i mješač sa duplim konusom jedina razlika je u obliku
mješača.
Na slici 21. su predstavljeni osnovni tipovi mješača praha, pod a) mješač sa duplim konusom,
b) V mješač, c) kubni mješač i d) horizontalni mješač.
Slika 21. Osnovni tipovi mješača praha.
Tokom procesa miješanja praha u prah se dodaju lubrikanti koji imaju osnovni zadatak za
smanje trenje prilikom presanja praha u kalupe. Lubrikanti mogu biti u tečnom i čvrstom
stanju, tečnu lubrikatnu su ulja i masti dok se kao čvrsti lubrikanti koriste grafitni prahovi.
Lubrikanti mogu značajno uticati na proces presovanja praha i sinterovanja iz toga razloga
bitno je obezbjediti optimalnu količinu, kompoziciju i strukturu lubrikanta ne samo zbog
smanjenja trena tokom presovanja nego zbog sprečavanja oksidacije praha, održavanja
ravnomjerne gustine praha, održavanja tečenja praha, definisanih promjena dimenzija
tokom sinterovanja i maksimalnih i konzistentnih mehaničkih osobina gotovog komada.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
27
1.5Formiranjeoblika.
Formiranje oblika ili presovanje praha ima slijedeće zadatka:
1. Formiranje oblika finalnog proizvoda
2. Određivanje dimenzija finalnog proizvoda uz korekciju dimenzija zbog promjene
dimenzija prilikom sinterovanja
3. Određivanje željene poroznosti zelenog komada
4. Određivanje adekvatnih mehaničkih osobina zelenog komada zbog manipulacija koje
se odvijaju prije sinterovanja.
Presanje u kalupe je najčešće korišteni metod u formiranju oblika finalnog proizvoda u
metalurgiji praha. Gustina od 90% finalne gustine može se postići presovanjem samo jedan
puta sa trajanjima za manje komada od nekoliko sekundi.
Prah ne reaguje kao fluid na sabijanje, trenje između praha i kalupa i trenje između čestica
praha ometa ravnomjeran prenos pritiska.
Tehnike presovanja se mogu okarakterisati u odnosu na kretanje individualnih elemenata
prese, donji klip, gornji klip i kalup. Sabijanje sa fiksnim kalupom može se podijeliti na
sabijanje sa jednosmjernim dejstvom i sabijanje sa dvosmjernim dejstvom
Slika 22. Jedno smjerno i dvo smjerno sabijanje.
Kod jednosmjernog sabijanja donji klip i kalup su nepokretni i operacija sabijanja se izvodi pomoću gornjeg klipa. Zbog trenja koje se javlja između praha i kalupa kao i trenja između četica smog praha zeleni komad ima veću gustinu na površini nego na dnu. Kod dvosmjernog presovanja jedini nepokretni dio prese je kalup i operacija sabijanja se izvodi sa oba cilindra koja u isto vrijeme sabijaju prah. Ovim načinom sabijanja dobija se ista gustina prana na vrhu i dnu zelenog komada, samo njegov unutrašnji srednji dio ima manju gustinu.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
28
Generalno prese za sabijanje praha se mogu podijeliti na mehaničke i hidrauličke. Kod većine mehaničkih presa glavni izvor energije za sabijanje je motor koji pokreće zamajac. Zamajac je montiran na brzo obrtnu osovinu, kvačilo i kočnica su montirani na drugo vratilo i pomoću njih se kontroliše proces. Da bi se odvio proces sabijanja otpušta se kočnica a aktivira se kvačilo te energija koja je akumulirana u zamajcu se prenosi preko obrtnog momenta na klip prese. Kvačilo se obično aktivira pomoću pneumatski cilindara a deaktivira se pomoću opruga, dok se kočnica aktivira pomoću opruga a deaktivira se pomoću pneumatskih cilindara, ovom izvedbom omogućeno je zaustavljanje prese u slučaju nestanka električne energije odnosno komprimiranog zraka. Prenosni mehanizmi mogu biti jednostepeni i dvostepeni zavisno od potrebne snage prese. Jednostepeni mehanizmi se koriste za prese do 50 [t] sa brzinom od 50 [sabijanja/min]. Dvostepeni prenosni mehanizmi se koriste za prese iznad 50 [t] sa maksimalnim brzinama do 30 [sabijanja/min].
Slika 23. Prenos energije kod mehaničkih presa.
Još jedan tip mehanički presa jesu prese sa bregastim mehanizmom, njihov kapacitet je
ograničen na 100 [t]. Glavno vratilo prese ima dva bregasta mehanizma jedan upravlja
donjim klipom a drugi gornjim klipom. Bregasti mehanizam koji upravlja donjim klipom
također upravlja i doziranjem praha u kalup i izbacivanjem zelenog komada.
Slika 24. Presa sa bregastim mehanizmom.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
29
Hidrauličke prese su dostupne u rasponu od 50 do 1250 [t] kao standardni proizvodi,
također postoje specijalne izvedbe sa kapacitetom od 5000 [t]. Hidrauličke prese mogu
proizvesti duže zelene komade nego mehaničke prese, također su jeftinije od mehaničkih
presa. Maksimalna dunina punjenja praha dok mehaničkih presa je oko 180 [mm] dok kod
hidrauličkih presa ta dubina iznosi 380 [mm]. Maksimalni kapacitet hidrauličkih presa je oko
650 [sabijanja/min]. Hidrauličke prese koje se koriste za presanje dugih dijelova rade sa
nešto sporijom brzim zbog omogućivanja zarobljenom zraku u komadu da izađe kroz otvore
na kalupu. Hidrauličke prese imaju tri brzine rada, visoka brzina sa minimalnom silom i koristi
se za uspostavljanje kontakta između klipa i komada, srednja brzina sa 50% sile prese koristi
se za početni stadiji presanja i spora brzina za finalizaciju sabijanja gdje se koristi puna sila
prese. Kada se sabijaju komadi na određenu debljinu koriste se mehanički prekidači koji
ograničavaju hod klipa. Kada se sabiju komadi na određenu gustinu koristi se pritisak cilindra
kao mjerilo gotovosti procesa, kada pritisak u cilindri dostigne zadanu vrijednost hod klipa se
zaustavlja. Pogonski motor kod hidrauličkih presa su značajnije veći od motora kod
mehaničkih presa. Kod mehaničkih presa zamajac sprema energiju koja se koristi za proces
sabijanja i ta energija se obnavlja tokom procesa punjenja kalupa. Dok kod hidrauličkih presa
motor obezbjeđuje konstantnu energiju i kod sabijanja i kod punjenja kalupa.
Potrebna sila sabijanja se određuje na osnovu pritiska koji je potreban da bi se dio sabio na
određenu gustinu i površine dijela. Grafici sa odnosom pritiska P na gustinu q se određuju
eksperimentalno sabijanje cilindara određene visine L i određenog prečnika D. Za deblje
dijelova sila sabijanja se mora povećati do čak 25% za odnos dužina naspram prečnika 4/1 da
bi se dobila odgovarajuća gustina. Potrebni pritisak sabijanja se može odrediti sa
korekcionim faktorom k preko slijedećeg izraza.
1
gdje je P pritisak sabijanja za duže dijelove a P1 pritisak sabijanja za standardne dijelove (gdje
je L=D). Faktor k se određuje preko izraza:
0,253 1
1
0 1
Za dijelove koji nisu cilindrični određivanje odnosa L/D se vrši preko izraza:
2
gdje je V zapremina tijela a A površina poprečnog presjeka. Sila potrebna za sabijanje se
dobija množenjem pritiska sabijanja i površine poprečnog presjeka komada.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
30
Materijal Pritisak [MPa]
Alminium 70‐275
Mesing 400‐700
Bronca 200‐275
Željezo 350‐800
Tantal 70‐140
Volfram 70‐140
Alminium oksid 110‐140
Ugljik 140‐165
Karbidi 140‐400 Tabela 2. Pritisci sabijanja nekih materijala.
MPIF (Metal Powder Industries Federation) je klasificirala proizvede prema njihovoj kompleksnosti, klasa I proizvodi koji su jednostavni pa do klase IV u kojoj se nalaze najkomplikovaniji proizvodi. Debljina komada i geometrijske karakteristike koje se okomite na smjer sabijanja komada određuju pripadnost određenoj klasi. U klasu I spadaju dijelovi sa geometrijskim osobinama prvog nivoa koji se sabijaju odozgo ili odozdo i imaju manje promjene gustine u komadu. Najveća gustina komada je na vrhu gdje se ostvaruje kontakt između komada i klipa prese a najmanja na dnu. Dijelovi sa završnom debljinom od 7,5 [mm] se mogu proizvesti ovom metodo bez značajnih razlika u gustini.
.
Slika 25. I klasa dijelova.
U klasu II spadaju dijelovi sa geometrijskim osobinama prvog nivoa koji se sabiju na presama
dvosmjernim dejstvom. Najmanja gustima komada je u sredini dok je najveća gustina na
vrhu i dnu komada.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
31
Slika 26. II klasa dijelova.
U klasu III spadaju dijelovi sa geometrijskim osobinama drugog nivoa, različitih debljina koji
se sabijaju na presama sa dvosmjernim dejstovm, odvojene operacije su potrebne za
sabijanje geometrijskih nivoa.
Slika 27. III klasa dijelova.
U klasu IV spadaju dijelovi sa geometrijskim osobinama visokog nivoa, različitih debljina koji
se sabijaju na presama sa dvosmjernim dejstovm, odvojene operacije su potrebne za
sabijanje geometrijskih nivoa.
Slika 28. IV klasa dijelova.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
32
1.6Sinterovanje.
Prema [1] sinterovanje je tehnika koja se koristi za proizvodnju materijala i dijelova sa
kontrolisanom gustinom pomoću metalnih ili keramičkih prahova primjenom termalne
energije.
Prema [2] sinterovanje se može posmatrati kao proces u kome se jedan skup čestica,
presovan pod pritiskom ili jednostavno zarobljen u kućištu, hemijski veže u koherentno tijelo
pod uticajem povišenih temperatura.
Sinterovanje se može podijeliti u dvije vrste sinterovanje u čvrstom stanju i sinterovanje u
tečnom stanju. Sinterovanje u čvrstom stanju se veže za procese sinterovanja kada prah
sabijen u kalupu ne prelazi u tečno stanje tokom sinterovanja dok sinterovanje u tečnom
stanju se veže za procese gdje prah prelazi u tečno stanje tokom sinterovanja. Na slici 29.
predstavljen je dijagram procesa sinterovanja. Na temperaturi T1 odvija sinterovanje u
čvrstom stanju, podizanjem temperature procesa na T3 sinterovanje prelazi u tečno za isti
sastav praha. Uz ove dvije vrste sinterovanja mogu se identificirati još i sinterovanje u
tranzijentnoj tečnoj fazi i viskozno sinterovanje. Viskozno sinterovanje se pojavljuje kada je
zapremina tečnog praha dovoljna velika da prah počinje da teče ali bez promjene oblika zrna
u procesu. Tranzijentno sinterovanje je kombinacija sinterovanja u tečnom i čvrstom stanju.
Primjer tranzijentnog sinterovanja na slici 29. je označen sa temperaturom T2 gdje se proces
odvija iznad eutetske temperature ali ispod solidus linije. Pošto je temperatura T2 iznad
eutetske temperature tečna faza se formira kroz reakciju A i B vrste praha tokom
zagrijavanja. Tokom procesa sinterovanja nestaje tečna faza i ostaje samo čvrsta faza.
Slika 29. Dijagram procesa sinterovanja
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
33
Na slici 30. predstavljena je mikrostruktura parcijalno sinterovanog praha. U oba tipa
sinterovanja u finalnoj fazi dolazi do izolovanja pora, na izolovanje pora koje se javljaju
između čestica praha troši se najviše vremena procesu sinterovanja.
Slika 30. Mikrostruktura praha tokom procesa sinterovanja a) sinterovanja u čvrstom stanju (Al2O3), b) sinterovanje u tečnom stanju (98W‐1Ni‐1Fe)
Pogonska sila sinterovanja jeste redukcija ukupne površinske energije. Ukupna površinska
energija sabijenog praha se izražava sa γA gdje je γ specifična površinska energija a A ukupna
površina sabijenog praha. Redukcija ukupne energije može se predstaviti sa:
Δ Δ Δ
Promjena površinske energije Δγ se odnosi na povećanje gustine sabijenog praha dok se ΔA
odnosi na rast zrna koji se javlja tokom procesa sinterovanja. Veličina zrna praha varira od
0,1 do 100 [µm] površinska energija praha varira od 0,5 do 500 [J/mol], iz ovoga se vidi da je
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
34
proces sinterovanja nisko energetski proces, te je veoma osjetljiv na temperaturu, vrijeme,
pritisak, atmosferu, grijanje, hlađenje itd. Najznačajni faktori su temperatura, vrijeme i
atmosfera.
Slika 31. Tranformacije energije u procesu sinterovanja.
Do sinteriranja i spajanja zrna praha dolazi uslijed smanjivanja površinske energije čestica
praha te brzog kretnja sadržanih atoma pri visokim temperaturama u zoni dodira čestica.
Sam proces sinterovanja može se podijeliti u tri koraka, prvi inicijalizirano je spajanje čestica
u tačkama dodira, drugi tačke dodira prerastaju u „vrat“, treći smanjuju se dimenzije pora
između čestica praha i u zonama vrata formiraju se granice zrna
Slika 32. Promjene oblika zrna u procesu sinterovanja.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
35
Tokom procesa sinterovanja dolazi do smanjenja polaznog komada ili zelenog komada.
Smanjenje zelenog komada je posljedica smanjenja praznog prostora između zrna. Na slici
33. predstavljen je dijagrama smanjenja komada tokom procesa sinterovanja. U polaznom
stadiju sabijeni zeleni komad je porozan prostor između zrna zauzima određen dio njegove
zapremine. Tokom procesa sinterovanja dolazi do spajanja zrna i smanjena slobodnog
prostora između njih što za posljedicu ima i smanjenje komada.
Slika 33. Dijagram smanjena polaznog komada tokom procesa sinterovanja.
Proces sinterovanja se odvija u pećima za sinterovanje, te se odvija u seriji balansiranih faza
koje se razlikuju u temperaturi, vremenu trajanja, atmosferi itd. Peći za sinterovanje su slične
pećima za termičku obradu čelika. Značajna razlika između peći za sinterovanje i peći za
termičku obradu jeste u odabiru atmosfere u kojoj se proces sinterovanja odvija. Sabijani
prah je veoma porozan tako da je veća površina izložena uticaju atmosfere nego kod čvrstog
komada. Temperature sinterovanja su značajno veće nego kod termičke obrade tako da je
mogućnost oksidacije veća. Na slici 34. je predstavljen izgled peći za sinterovanje sa četri faze
kroz koje prolazi zeleni komad. Te četiri faze su zona pregrijavanja, sinter zona, zona sporog
hlađenja i zona brzog hlađenja.
Slika 34. Peć za sinterovanje.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
36
Zona pregrijavanja. Funkcija pregrijavanja jeste uklanjanje lubrikanata iz zelenog komada,
ova zona se zove još zona delubrikacije ili zona sagorijevanja. Lubirkanti koji se obično koriste
su na bazi cinka, aliminiuma, parafina itd. Koriste se zato što imaju veoma nisku tačku
topljenja oko 220 [oC], na žalost temperatura predgriavanja nije oko 430 [oC], nego oko 1010
[oC], zbog poteškoća koje se javljaju pri isparavanju lubrikanata iz praha. Te poteškoće su
vezane za povećanje gustine zelenog komada tokom početka procesa pregrijavanja. Rast
temperature u zoni pregrijavanja je postepen sa ciljem sprečavanja razaranje zelenog
komada. Tokom procesa zagrijavanja zelenog komada u zoni predgrijavanja dolazi do
topljenja lubrikanta i njegovog kretanja kroz pore komada ka površini gdje se njegova
temperatura dodatno povećava nakon čega dolazi do isparavanja lubrikanta. Dužina zone
predgiravanja je obično od 50 do 100% zone sinterovanja. Ova zona se može zagrijavati
pomoću električnih grijača ili pomoću gasa.
Lubrikant Hemiska formula Temperatura topljenja [oC]
Na bazi cinka Zn(C18H35O2)2 130
Na bazi litiuma LiC18H35O2 221
Na bazi parafina C22H46 40 Tabela 3. Tačke topljenja pojednih lubrikanata.
Zona sinterovanja. Funkcija zone sinterovanja jeste da veže indivudualne čestice praha
jednu za drugu. Sinter zona je dizajnirana tako da pred sinterovanja dostigne temperaturu
sinterovanja u što kraćem roku i ostanje u njoj dok se čestice ne povežu jedna sa drugom i
legirajući elementi ne rasporede unutar rešetke praha. Temperatura sinter zone za
konvencionalne željezne prahove je oko 1177 [oC] a za legure nikla i kroma oko 1300 [oC].
Dužina zone sinterovanja je obično do 100 do 200% zone pregrijavanja. Sinter zona u peći
može biti otvorena i obložena. Otvorene zone sinterovanja izlažu ciglu peći i elemente za
zagrijavanje sa atmosferom peći i ne omogućuju kontrolu ugljika u atmosferi. Obložene
sinter zone su dizajnirane sa izolacionim oblogama najčešće od keramike, izvode se u
modularnom principu kako je prikazano na slici 35, prilikom spajanja provjerava se
zapitivanje između modula sa ciljem osiguravanja od kontakta vanjskim zrakom. Sinter zona
se može grijati pomoću električnih grijača ili pomoću plinova. U koliko se zagrijava pomoću
plinova onda se koriste izolovane sinter zone zbog sprečavanja sagorjelog gasa da
kontaminira atmosferu sinter zone.
Slika 35. Obložena sinter zona peći.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
37
Zona sporog hlađenja. Funkcija ove zone u sinter peći jeste da potpomogne razvoj
miksrostrukture odnosno da smanji temperaturni stres koji bi mogao nastati ako bi se
zagrijani komad naglo izloži hladnijoj temperaturi
Zona brzog hlađenja. Funkcija zone brzog hlađenja jeste da ohladio dio ispod temperature
oksidacije, dok se on još nalazi u peći odnosno u zaštićenoj atmosferi, prije nego što izađe iz
peći i stupi u kontakt sa vanjskom atmosferom. Obično se hlađenje vrši pomoću vode i
izvedeno je tako da hladna voda kruži oko sekcija za hlađenje, nije u direktnom kontaktu sa
dijelom, i izmjena toplote se vrši preko zračenja, sa ograničenom izmjenom koja se dešava
provođenjem toplote preko mehanizma za transport predmeta sinterovanja. Zona hlađenja
je duga od 100 do 250% zone sinterovanja.
Slika 36. Izgled sekcija za hlađenje.
Slika 37. Različite izvedbe peći sa aspketka na transport komada korz peć.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
38
Uloga zaštitne atmosfere kod sinterovanja ima slijedeće funkcije:
Sprečavanja ulaska zraka u peć
Sprečavanje oksidacije čestica praha
Upravljanja sadržajem karbona
Uklanjanje viška karbona u nekim aplikacijama
Ravnomjerno uklanjanje toplote tokom hlađenja
Pošto atmosfera sinteovanja značajno utiče na proces, sinterovanja se nikada ne izvodi u
atmosferi zraka ili nekoj drugoj atmosferi koja je bogata oksigenom. Osnovna funkcija
zaštitne atmosfere je ste da zaštiti metalni prah od kontakta sa zrakom, odnsono da spriječi
oksidaciju metalnih prahova. Pored zaštite od oksidacije atmosfera pruža ravnomjernije
grijanje komada tokom sinterovanja kao i ravnomjerno hlađenje tokom procesa hlađenja.
Materijal Temperatura sinterovnja
Aluminij i legure 590‐620
Bronza 740‐780
Mesing 890‐910
Novo srebro 860‐930
Željezo 1120‐1280
Željezo‐bakar 1120‐1280
Željezo‐bakar‐nikl 1120‐1280
Željezo ugljik 1120
Željezo‐bakar‐ugljik 1120
Željezo‐bakar‐ugljik‐nikl 1120
Željezo‐bakar‐nikl‐molibden 1120‐1200
Željezo‐mangan 1280
Željezo‐krom 1200‐1280
Željezo‐mangan‐bakar 1120
Željezo‐krom‐bakar 1200‐1280
Željezo‐kromkarbid >1280
Željezo‐vanadiumkarbid >1280
Željezo‐volframkarbid >1280
Željezo‐mangan‐krom‐molibden‐ugljik >1280
Željezo‐mangan‐vanadij‐molibden‐ugljik >1280
Željezo‐krom‐nikl 1200‐1280
Željezo‐krom 1200‐1280
Volfram legure 1400‐1500
Tvrdi metali 1200‐1400 Tabela 4. Temperature sinterovanja nekih materijala.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
39
1.7.Naknadneodrade.
Komponente koji se proizvode sinterovanjem obično zahtijevaju uže tolerancije,
povećanje mehaničke osobine ili neke druge karakteristike koje se ne mogu dobiti samo
sinterovanjem. Operacije kojima se dobijaju poboljšane osobine dijelova su iste kao i kod
dijelova dobijenim ljevenjem ili kovanjem.
Mašinska obrada sinterovanih dijelova se razlikuje od obrade dijelova dobijenih kovanje ili
ljevenjem iz razloga što sinterovani dijelovi imaju veću poroznost nego dijelovi dobijeni
kovanjem ili ljevenjem. Glavne razlike su:
Kada se obrađuje porozan materijal visina rezanja je veoma značaj faktor pošto pore
u materijalu stvaraju koncentracije naprezanja.
Temperatura rezne oštrice izaziva oksidaciju proznih materijala.
Poroznost površine povećaje vibracije alata.
Gore nabrojane osobine povećavaju potrošnju reznog alata kroz povećano adhezivno
trošenje, oksidaciju alata, povećan zamor alata itd. Na primjer obada sinterovanog
nehrđajućeg čelika se pokazala izuzetno zahtjevna zbog pojave karbida unutar njegovo
strukture kao rezultat nepotpunog sinterovanja. Dijelovi dobijeni sinterovanjem alminijuma
ukoliko lubrikatni nisu u potpunosti uklonjeni u toku predgrijavanja značajno pogoršavaju
njegovu rezljivost. U slučaju sinterovanih bronci koje se uglavnom koriste za izradu
samopodmazujućih ležajeva od krucijalne važnosti je dobiti što bolju površni ali bez
zatvaranja pora. Ovo zahtjeva korištenje najoštrijih alata sa što manje prolaza i sa što
manjom visinom rezanja.
Kao rješenje gore nabrojanih poteškoća preporučuje se da se koriste slijedeća pravila:
Tokarenje. Otkriveno je da alati od karbida daju nabolje osobine prilikom tokarenje
sinterovanih dijelova.
Bušenje. Prilikom bušenja sinterovanih dijelova preporučuje se korištenje karbidnih ili
brzoreznih alata sa malom spiralom.
Narezivanje navoja. Preporučuje se upotreba spiralnih alata iz razloga što oni
odbacuju strugotinu vani i sprečavaju njeno zavarivanje sa predmetom obrade.
Glodanje. Glodanje predstavlja veliki problem za sinterovane dijelove zbog tendencija
alata da „razmaže“ predmet obrade. Preporučuje se upotreba alata sa nezašiljenim
vrhom.
Brušenje, honovanje i poliranje. Ove operacije su obično završne operacije i ne
predstavljaju značajnije probleme za predmet obrade, iz razloga što se samo mali dio
pora zatvori tokom ove obrede. Jedno od rješenja jeste da se ovi zahvati obave na
komadu nakon predgrijavanja, odnosno nakon uklanjanja lubrikanta pa tek onda da
idu na sinterovanje.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
40
Impregnacija uljem ili smolom je moguća zahvaljujući povišenoj poroznosti sinterovanih
dijelova. Ova operacija se koristi kod izrade samo podmazujućih ležajeva. Samopodmazivost
se može ostvariti jednostavnim potapljanjem u ulje duže vrijeme. Istraživanja su pokazala da
se najbolji rezultati dobijaju pomoću vakumske impregnacije. Dijelovi se stavljaju u kupke
koje se postavljaju u vakumsku komoru iz koje se isisava sav zraka, nakon toga u kupke se
sipa ulje, prosto između zrna isisavanjem zraka je postao u potpunosti prazan te taj prosto
sada zauzima ulje. Impregnacija smolama se koristi sa ciljem povećanja gustine dijela to za
posljedicu ima povećanju rezljivost predmeta. Također problemi kod niklovanja proznih
predmeta se riješavaju impregnacijom sa smolama.
Tretman toplotom je veoma značajna dodatna operacija na sinterovanim dijelovima. Uloga
toplotnog tretmana jeste povećanje osobina kao što su tvrdoća, otpornost na zamor, žilavost
itd. Tretman toplotom sinterovanih dijelova je ekvivalent termičkoj obradi livenih ili kovanih
dijelova.
Tretman parom obično koristi za povećanje tvrdoće dijelova dobijenih sinterovanjem željeznih prahova. Tokom ovog procesa sve izložene površine su presvučene sa tvrdim slojem Fe3O4 oksida. Tokom proces dijelovi se prvo griju na temperaturu od 370 [oC] sa ciljem uklanjanja vlage. Nakon toga dijelova se podvrgavaju djelovanjem pare na temperaturi od 510 do 540 [oC]. Željezo u kombinaciji sa oksigenom u pari formira magnetit. Posebnu pažnju treba obratiti na to da dijelovi ne budu podvrgnuti djelovanjem pare dok njihova temperatura ne pređe 100 [oC] inače bi mogli zahrđati uslijed kondenzacije pare.
Niklovanje se koristi za dodjeljivanje osobina površine predmeta koje ne mogu biti dobivene
proizvodnjom predmeta. Predmeti dobiveni sinterovanje su više izloženi koroziji nego
predmeti dobiveni konvencionalnim postupcima. Prije niklovanja nekog predmeta obično se
vrši impregnacija smolom sa ciljem popunjavanja unutrašnjih pora predmeta. Sinterovani
predmeti mogu također biti zaštićeni i pomoću platine ako i dijelovi dobijeni
konvencionalnim postupcima. Također za zaštitu površinskih slojeva može se koristiti još i
bakar, krom i kadmium. Serma Tel Inc kompanija iz SAD je razvila aluminijsko presvlačenje
sinterovanih dijelova koje ne zahtjeva impregnaciju smolom kao ostali postupci i daje bolje
rezultate nego konvencionalni postupci. Predmeti se presvlače u gustoj smješi aluminijevog
praha sa kiselom vodom koja služi kao vezivni element. Viskoznost ove smiješe je tako mala
da se može nanositi kao boja. Mali dijelovi dobijeni sinterovanje se obično presvlače
potapanjem u rastvor, vađenjem iz rastvore te rotacijom pri velikom brzini (od 700 do 1500
[o/min]) koja ima za cilj uklanjanje viška presvlake.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
41
2.0Alatničelici.
Alatni čelici predstavljaju legure željeza koje se koriste za proizvodnju alata i kalupa
koji se koriste za formiranje, oblikovanje i rezanje drugih materijala uključujući čelik, obojene
metale i plastiku. Prema IASC (Iron and Steel Society) alatni čelici se definiše kao:
„Alatni čelici su karbonski, legirani ili brzorezni čelici sposobni da budu otvrdnuti i okaljeni.
Obično se tope u električnih pećima i proizvode pod pravilima za proizvodnu alatnih čelika sa
ciljem zadovoljavanja specijalnih zahtjeva. Mogu se koristiti za proizvodnju ručnih alata ili
alata za odvajanje strugotine, kovanje, formiranje oblika na normalnim i povišenih
temperaturama. Alatni čelici se koriste u širokom spektru aplikacija gdje su otpornost na
trošenje, snaga, žilavost ili druge osobine odabrane ako optimalne performanse“
Ovaj opis govori da tehnologija alatnih čelika prevazilazi tehnologiju ugljeničnih i nisko
legiranih čelika koji se proizvode u većoj tonaži i mogu biti podvrgnuti povećanju tvrdoće
preko kaljenja i termičke obrade. Ugljenični i nisko legirani čelici se proizvode u velikim
razmjerama pomoću električnih peći i kontinuiranog ljevenja. Alatni čelici su specijalni čelici i
zahtijevaju specijalni način proizvodnje zbog visoke koncentracije legura i njihove posebne
mikrostrukture. Velike količine alatnog čelika se koriste u, ne alatnim aplikacija, za
proizvodnju opruga, dijelova motora, ležajeva i magnetnih komponenti zbog svojih odličnih
mehaničkih osobina.
U tabeli 5. su predstavljene karakteristike alatnih čelika u odnosu na druge čelike.
Osobine Ugljenični
čelici Legirani čelici
Nehrđajući čelici
Alatni čelici
Gustina [1000 kg/m3] 7.85 7.85 7.75‐8.1 7.72‐8.0
Modul elastičnosti [GPa] 190‐210 190‐210 190‐210 190‐210
Poisson‐ov odnos 0.27‐0.3 0.27‐0.3 0.27‐0.3 0.27‐0.3
Termalno širenje [10‐6/K] 11‐16.6 9.0‐15 9.0‐20.7 9.4‐15.1
Tačka topljenja [°C] 1371‐1454
Toplotna provodnost [W/m‐K] 24.3‐65.2 26‐48.6 11.2‐36.7 19.9‐48.3
Specifična toplota [J/kg‐K] 450‐2081 452‐1499 420‐500
Eletrična otpornost [10‐9W‐m] 130‐1250 210‐1251 75.7‐1020
Vlačna čvrstoća [MPa] 276‐1882 758‐1882 515‐827 640‐2000
Granica tečenja [MPa] 186‐758 366‐1793 207‐552 380‐440
Relativno produženje [%] 10‐32 4‐31 12‐40 5‐25
Tvrdoća [Brinell 3000 kg] 86‐388 149‐627 137‐595 210‐620
Tabela 5. Komparacija osobina čelika.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
42
Postoji mnogo vrsta alatnih čelika koji se razlikuju po svome hemijskom sastavu i koji se
koriste za različite aplikacije. Postoje mnogi standardi, Američki AISI, Britanski BS, Fransuki
AFNOR, Njemački DIN, Japanski JIS. prema kojima se proizvodi alatni čelik i označava.
Standardni alatni čelici se mogu proizvesti livenjem ili metalurgijom praha. Proizvodnjom
alatnih čelika pomoću metalurgije praha mogu se ostvariti hemijski sastavi koji se ne mogu
dobiti ni jednom drugom metodom proizvodnje čelika. Prema AISI brojni alatni čelici se
klasificiraju u deset glavnih grupa prema polju primjene, hemiskom sastavu i tvrdoći.
Definirajuća osobina AISI oznaka Značajne karakteristike
Vodeno kaljenje W Kaljen vodom
Alatni čelik za hladni rad (< 200 °C)
O Kaljen uljem
A Kaljen zrakom
D Visok sadržaj karbona; Visok sadržaj kroma
Otporan na udare S
Brzorezni čelik T Volframova baza
M Molibdenova baza
Alatni čelik za topli rad (>200 °C) H H1–H19: kromova baza H20–H39: volframova baza H40–H59: molibdenova baza
Čelici za plastične kalupe P P1–P19 nisko ugljenični P20–P39 ostali
Posebne svrhe L Karbon volfram Tabela 6. Označavanja alatnih čelika.
Zbog malog prisustva legura u grupi „W“, vodom kaljen alatni čelik sa 0,6 do 1,4 % C, samo
željezni kabridi su prisutni kod ove grupe čelika. Dodavanjem male količine kroma dobija se
povećanja tvrdoća i povećana otpornost na trošenje. Dodavanjem vanadiuma dobiva se bolja
struktura zrna što za posljedicu ima povećanje žilavosti. Čelici iz grupe „W“ zbog malog
prisustva legura imaju lošu otpornost na omekšavanje pri povišenih temperaturama, te je
upotreba čelika iz grupe „W“ ograničena na hladne mašinske operacije kao što su hladno
presanje, kovanje, obrada drveta itd.
Grupa „O“ uljem kaljeni alatni čelici („O1“,0,9%C, 1,0%M, 0,5%Cr, 0,5%W) više su legirani od
čelika iz grupe „W“ te zbog toga mogu biti kaljeni u ulju, gdje je proces kaljenja dosta blaži, te
se koristi za sprečavanja nastanka pukotina i promjene dimenzija. Koriste se za izradu alata
za probijanje, prosijecanje, presanje itd. Čelici iz grupe „O“ se također koriste za izradu
dijelova kao što su bregasti mehanizmi, čahure, vodilice kao i za izradu priključaka na
mjernim instrumentima. Čelici iz ove grupe imaju veću tvrdoću na niskim temperaturama
zbog viske koncentracije karbona. Kao i čelici iz grupe „W“ nisu predviđeni za rad na
povišenim temperaturama zbog omekšivanja.
Zrak kaljeni alatni čelici pripadaju grupi „A“ („A2“, 0,95‐1,05%C, 4,75‐5,50%Cr, 0,90‐
1,40%Mo, 0,14‐0,50%V), sadrže značajnu količinu legirajućih elemenata posebno kroma,
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
43
molibdena i vanadijuma koji povećavaju tvrdoću čelika. Manje dimenzionalni poremećaji i
niska tendencija pucanja tokom kaljenja zrakom su glave prednosti ovih čelika. Koriste se za
izrade alata za rad na niskim temperaturama pri sječenju, probijanju, prosijecanju itd.
Grupa „D“ predstavlja alatne čelika sa viskom koncentracijom karbona i kroma („D2“,
1,50%C, 12%Cr, 1,0%V, 1,0%Mo). Ovi čelici imaju visoku otpornost na abraziju i trošenje,
koje su obezbjeđenje prisustvom velike čelike količine legiranih karbida pored karbonom
zasićenog martenzita. Primarni karbidi legura koji formiraju etutičku mrežu tokom
očvršćivanja ostaju ne otopljeni tokom austenizacije. Visoka koncentracija kroma koja je
dijelom rastvorena u matrici željeza omogućava formiranje martenzita tokom hlađenja
zrakom. Alati koji se prave od čelika iz grupe „D“ se koriste u aplikacijama gdje potreba
visoka otpornost na abraziju kao što je duboko prosijecanje, presovanja praha, narezivanje
navoja, poliranje, sječenje itd. Rezanje i brušenje čelika iz grupe „D“ predstavlja problem i
veoma je skupo zbog visoke otpornosti na abraziju.
U grupu „H“ spadaju alati koji su izloženi visokim temperatura tokom rada, te postoji
nekoliko vrsta čelika koji sadrže značajno više legura koje omogućavaju zadržavanje tvrdoće
pri povišenih temperaturama. U ovo grupu spadaju čelici koji su prvenstveno legirani
kromom (H13, 0,32‐0,4%C, 5,13‐5,25%Cr, 1,33‐1,4%Mo, 1,0%Si, 1%V), volframom (H22,
0,30‐0,40%C, 0,15‐0,40%Mn, 0,15‐0,40%Si, 1,75‐3,75%Cr, 0,3%N, 10,00‐11,75%W, 0,25‐
0,50%V, 0,5%Cu) i molibdenom (H42, 0,55‐,070%C, 0,15‐0,40%Cr, 0,3%N, 4,50‐5,50%Mo,
5,50‐6,75%W, 1,75‐2,20%V, 0,25%Cu, 0,03%P, 0,03%S)
Čelici iz grupe „T“ i grupe „M“ spadaju u brzorezne čelike koji se koriste za aplikacija brzog rezanja. Molibden grupa „M“ (M2, 0,85‐1,00%C, 4,0%Cr, 2,0%V, 6,0%W, 5,0%M) i volfram (tungesten) grupa „T“ („T1“ 0,75%C, 4,0%Cr, 1,0%V, 18,0%W) imaju otprilike iste performanse. Međutim zbog činjenice da pola težine procentualnog udjela molibdena je potrebno da bi se dobile iste osobine kada se molibden zamijenio volframom alatni čelici na bazi molibdena pružaju značajnije uštede. Iz toga razloga brzorezni čelici koji se danas proizvode i koriste su varijante legiranja molibdenom i ako je brzorezni čelik na bazi volframa prvi proizveden. Brzorezni čelici na bazi volframa također sadrže određene količine kroma, vanadija i kobalta. Velika količina legirajućih elemenata, od koji je većina feritni stabilizatori, je odgovorna za veliku tvrdoću čelika iz grupe „T“. Čelici iz ove grupe se koriste za izradu alata za rezanje, bušenje, glodanje, također se koriste za izradu alata za probijanje i prosjecanje kao i dijelova za visokozahtjevne uređaje kao što ležajevi i dijelovi pumpi u avio industriji. Čelici iz grupe „M“ pored molibdena sadrže nešto volframa, kroma, vanadija i kobalta. Otpornost na trošenje se povećavanja povećanjem udjela ugljika i vanadija. Dodavanjem kobalta povećava se tvrdoća materijala na povišenim temperaturama ali se smanjuje žilavost materijala. Brzorezni čelici na bazi molibdena imaju tendenciju dekarbonacije prilikom pregrijavanja te podešavanje i kontrola temperature austenizacije i atmosfere je kritični problem pri proizvodni brzoreznih čelika iz grupe „M“. U grupu „M“ spadaju također neki od super tvrdih alatnih čelika (M42, 1,10%C, 3,75%Cr, 1,15%V, 1,50%W, 9,50%Mo, 8,0%Co) kod kojih tvrdoća dostiže i do 70 [HRC]. Ovi čelici imaju veći udio karbona i veću količinu karbida što rezultira u velikom zapreminskom udjelu primarnih legirajućih karbida. Dodatno sekundarni legirajući elementi formiraju svoje karbide tokom
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
44
kaljenja. Zbog visokog udjela legurijućih elemenata žilavost je značajno smanjena. Iz toga razloga ovi čelici se termički obrađuju za tvrdoću manju od maksimalne moguće sa ciljem povećanja žilavosti. Postoji nekoliko grupa alatnih čelika za specijalne namjene kao što su čelici otporni na udar grupa „S“, nisko legirani namjenski čelici grupa „L“ i čelici za kalupe grupa „P“. Glavni legirajući element čelika iz grupe „S“ su magnezij i silikon (S1, 0,5%C, 1,5%Cr, 2,5%W). Elementi koji formiraju karbide kao što su krom, volfram i molibden se također dodaju sa ciljem povećanja tvrdoće. Udio karbona je na veoma niskom nivou ispod 0,5% što rezultira malim udjelom karbona u martenzitu. Nisko legirani namjenski čelici iz grupe „L“ (L2, 0,5–1,1%C, 1,0%Cr, 0,2%V ) su uglavnom koriste za izradu dijelova kao što su vratila, bregasti mehanizmi, stezne glave itd. također se koriste za izradu drugih dijelova specijalne namjene gdje tada sadrže manje količine karbida formiranih nikla, molibdena, volframa itd. Čelici za kalupe iz grupe „P“ (P2, 0,10%C maksimalno, 0,1–0,4%Mn, 0,1–0,4%Si, 0,75–1,25%Cr, 0,1–1,5%Ni, 0,15–0,40%Mo) sadrže pored ugljika do 5% kroma i 4% nikla. Zbog malog udjela karbona ovi čelici imaju veoma malu tvrdoću što omogućava izradu kalupa od ovih čelika pomoću hladnog kovanja. U ovu grupu čelika također spadaju čelici sa velikim udjelom kroma do 27% koji pružaju veliku otpornost na koroziju. Čelici iz ove grupe se koriste za izradu kalupa za nisko temperaturno ljevenje kao i za izradu kalupa za ljevenje plastike. Postoji mnogo čelika koji se proizvode po ovom standardu ali također postoji čelici koji ne spadaju ni u jednu od grupa i prodaju se pod svojim komercijalnim imenom kao što je na primjer Böhler brzorezni čelik ‘‘S590’’ (1,3%C, 4,2%Cr, 5,0%Mo, 3,0%V, 6,3%W, 8,4%Co) ili Böhler hladno valjani alatni čelik ‘‘K390’’ (2,45%C, 4,15%Cr, 3,75%Mo, 9,0%V, 1,0%W, 2,0%Co).
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
45
2.1Historijaalatnihčelika.
Za razliku od današnjice gdje se manje od 1% proizvedenog čelika koristi za izradu
alata u prošlosti upotreba čelika je bilja isključivo za izradu alata.
Historisjka otkrića kovačnica i talionica govore da se željezo koristilo i u dalekoj prošlosti.
Ostatci željeznog alata su pronađeni u piramidama koji su stari oko 5.000 godina. Najstariji
primjerak martenzitnog alatnog čelika potiče iz sjeverne Galilee (područje u sjevernom
Izraelu) i potiče iz 13 stoljeća p.n.e. Na slici 38. je prikazan pronalazak i mikrostruktura čelika
od koga je napravljen, koja potvrđuje da je alat kaljen u vodi.
Slika 38. Najstariji primjerak martenzitnog alatnog čelika.
Homer opisuje postupke kaljenja željeznih alata, 900 godine. p.n.e, odnosno proizvodnje
„Wootz čelika“ u indiji koji se primjenjuje od 350 godine p.n.e. Vršili su punjenje malih
glinenih lonaca sa željezom i drvetom ili zelenim listovima te su lonce hermetički zatvarali
glinom. Lonce su nakon toga grijali po nekoliko sati i na taj način dobijali manje grumene
uniformnog čelika. Poznati čelik iz Daska je prvi pruta proizveden u Sirji 300 godine i kasnije
je donesen u Evropu preko krstaša u 11 i 12 stoljeću. U Toledu u Španije kopiran je postupak
iz Damaska i nazvat „Toledo čelik“. Ovi čelici se razlikuju od „Wootz čelika“ po tome što se
tanka traka čelika omotavala oko tanke trake željeza i kovanje zavarivala jedna oko druge te
uvrtala dok je još u usijanom stanju. Ovaj postupak je rezultirao u karakterističnoj šari na
čeličnim mačevima i noževima.
¸
Slika 39. Čelik iz Damaska.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
46
Ovi stari načini proizvodnje alatnog čelika se nisu koristi tokom srednjeg vijeka vjerojatno iz razloga što je količina čelika dobijena ovim procesima bila premala a proces preskup. Tokom srednjeg vijeka razvijen je proces proizvodnje cementiranog čelika, na način da se kovano željezo grijalo u kontaktu sa drvenim ugljem te se dobijao čelik koji se presijavao te nosio naziv „Blister steel“. Cementirani sloj je bio plitak i neravnomjeran. Kasnije je razvijen postupak spajanja kratkih komada ovog čelika te njihovog kovanja sa ciljem povećanja cementiranog sloja. Ovim postupkom povećanj je cementirani sloj ali nisu izbjegnute varijacije u sastavu čelika. 1740 godine Benjamin Huntsman Britanski proizvođač opruga i satova ponovo otkriva načina proizvodnje čelika kao i metalurzi iz Damask i Indije te naziva ovaj čelik livenim čelikom. Za razliku od metalurga iz Damaska i Sirije on je topio ugljenični čelik a ne željezo te dobijao mnogo homogeniju strukturu nego što se dobijala kovanjem. Juluis Baur je 1865 patentirao legiranje čelika pomoću kroma. Slijedeće veliko otkriće u proizvodnji alatnih čelika pripisuje se Robert‐u Mushet koji je 1868 prvi dodao volfram ugljeničnom čeliku i ovaj čelik je poznat kao „Mushet čelik“. Ovaj čelik se sastojao od 2% C, 2,5% Mn, 7% W, i često 0,50% Cr i 1,10% Si. Ovaj čelik je ima veoma dobre osobine i predstavlja prvi brzorezni čelik. Fred W. Taylor i Maunsel White u periodu od 1894 i 1898 godine otkrivaju da grijanjem na
viske temperature, mnogo veće nego do tada, i kaljenjem pomoću zraka volfram‐krom
legure se dobija čelik koji ima odličnu tvrdoću čak i pri povišenim temperaturama. Pri
njihovog otkrića čelik se kalio nakon kovanja na bilo kojoj temperaturi na kojoj se kovanje
završilo.
Dalja unapređenja alatnih čelika nastavaljaju se 1905 godine kada počinje dodavanja
vanadija alatnim čelicima sa ciljem povećanja tvdoće na povišenim temperaturama.
1910 godine O.M Becker opisue sve kristalne faze koje se javljaju u čelicima uključujući do
tada nepoznati ferit, cementit, austenit i martenzit.
1920 godine uvodi se 12 grupa alatnih čelika.
Daljni razvoj se nastavlja u manjim ali kontinuiranim koracima sa ciljem povećanja
mehaničkih karakteristika materijala.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
47
2.2Metalurgijačesticavisokolegiranihalatnihčelika.
Metalurgija čestica alatnih čelika je prvi puta predstavljena 1970 godine od strane
„Crucible Materials Corporation“ i danas je to primarni metod za proizvodnju visokolegiranih
alatnih čelika i alatnih komponenti. Termin metalurgija čestica se odnosni isključivo na
proces metalurgije praha u kojem se gasom atomiziran i prelegiran prah sabija putem toplog
izostatskog presanja. Termin metalurgija čestica se koristi da se razlikuje proces do klasičnog
procesa metalurgije praha koji je upisan u gornjim poglavlju 1.1.
Proces se sastoji od indukcionog topljenja prelegiranog alatnog čelika, atomizacije gasom sa ciljem proizvodnje brzo očvrsnutih sfernih čestica praha, enkapsulacije praha te toplog izostatskog presanja. Toplo izostatsko prešanje (eng. hot isostatic pressing ‐ HIP) spada u postupke koji objedinjuju postupke kompaktiranja i sinteriranja u jednom koraku za razliku od klasičnog postupka. Zbog toga što je na taj način moguće postići potpunu ili teoretsku gustoću. Riječ izostatki potiče iz gelologije „izostazija“ i odnosi se na sabijanje dijelova kore i dijelova plašta, u ovom procesu ova riječ govori da se sabijanje vrši sa svih strana istim pritiskom.
Slika 40. Proces metalurgije čestica.
Za presanje praha koriste se fleksibilni kalupi, a tijekom procesa kontroliraju se parametri temperature, pritiska i vremena. Izrađuje se od materijala koji je deformabilan kod radne temperature (koriste se čelik, nehrđajući čelik, staklo) ovisno o maksimalnoj temperaturi. Spremnik se prije same HIP konsolidacije zagrijava pod vakuumom zbog otplinjavanja, te zabrtvljuje. Presanje praha provodi se u plinskoj atmosferi (argonu ili dušiku) uz istovremeno zagrijavanje. Temperature dosežu 2100 [°C], a pritisak i do 2000 [bar].
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
48
Slika 41. Toplo izostastko presanje.
Ovim postupkom dobijaju se komadi za daljnju obradu, mada u nekim aplikacijama ovim postupkom se dobijaju finalni proizvodi. Češća je praksa da se komadi dobijeni toplim izostatskim presanjem podvrgnu toplom valjanju ili toplom kovanju sa ciljem dobijanja standardnog proizvoda kao i kod ostalih tehnologija proizvodnje čelika. Osnovna razlika između ovog procesa proizvodnje alatnih čelika i konvencionalnih procesa je u uniformnoj raspodijeli primarnih karbida i njihovoj maloj veličini, koji se formiraju u toku procesa atomizacije gasom i samog presanja. Na slici 42. je prikazana razlika u raspodijeli primarnih karbida između alatnog čelika proizvedenog pomoću HIP postupka i alatnog čelika proizvedenog konvencijalnim postupcima.
Slika 42. Razlika između rasporeda primanih karbida.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
49
Struktura dobijena postupkom izostatskog presanja pruža velike pogodnosti proizvođačima
dijelova kao i krajnjim kupcima. Dvije najznačajnije karakteristike koje su postavili visoko
legirane čelike dobivene HIP postupkom iznad visoko legiranih čelika dobijenih
konvencionalnim postupcima su veoma dobra rezljivost i visoka žilavost. Iako se ove osobine
odnose na sve alatne čelika one se posebno ističu kod alatnih čelika legiranih vanadijem gdje
konvencijalna metalurgija daje proizvod nehomogenom mikrostrukturom koja se većinom
sastoji od velikih, nepravilno oblikovanih, primarnih karbida. Na slici 43. se vidi zašto visiko
legirani čelici imaju visoku rezljivost u odnosu na konvencionalno proizvdene alatne čelike.
Veliki krabidi vanadijama predstavljaju termalno obrađenu česticu koja je tvrđa od
konvencionalnog reznog alata te kada alat dođe u kontakt sa takvom česticom trpi veliko
otprećenje, pošto ne može da je presječe kida je iz predmeta obrade i ostavlja krater koji
potrebno izravnati drugim prolazom ako se ne naprave novi kreateri pri novom prelazu.
Slika 43. Rezanje alatnih čelika.
Materijal Tvrdoća [HRC] Udarna žilavost [J] Napon savijanja [Mpa]
Konvencionalni M2 65 18 3819
Konvencionalni M4 64 14 3585
PM M4 65 33 5377
Konvencionalni T15 66 5 2151
PM T15 67 19 466 Tabela 7. Komparacija alatnih čelika.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
50
2.3.Sinterovanjebrzoreznihčelika Sinterovanje brzoreznih čelika intenzivno studirano od prve pojave metalurgije praha, proizvodnja alatnih čelika pomoću metalurgije praha je znatno jeftinije u poređenju sa konvencionalnim postupcima. Međutim zbog visoke složenosti sastava alatnih čelika sinterovanje je izuzetno osjetljivo na parametre sinterovanja. Temperatura optimalnog sinterovanje je veoma uska, na primjer za M2 alatni čelik ona iznosi samo 3 [oC], dok za ostale ćelike ne prelazi 10 [oC].
Slika 44. Postupak sinterovanja sa injekcionim brizganjem.
Prah za brzoreznih čelika se proizvodi najčešće atomizacoj gasom ili vodom. Za razliku od klasičnog postuka umjesto presanje u kalupe pomoću hidrauličkih ili mehaničke presa priprema komada kod proizvodnje brzoreznih alata se vrši pomoću injekcionog brizganja. Injekciono brizganje ima zadatak formiranja oblika predmeta proizvodnje. Kod presovanja metalnih prahova koristi se samo prah i lubrikante dok kod injekcionog brizganja se koristi vezivni elementi kao što su prirodnih vosak, masne kiseline, stearinska kiselina, polyoxi‐alkylen eter i olefin‐ugljikovodici. Smiješe se miješaju u mikserima sa ciljem dobijanja što homogenije smiješe. Nakon miješanja vrši se peletiranje smiješe u odgovarajući oblik pogodan za brizganje, ti oblici mogu biti manji ili duži cilindi, loptice itd.
Slika 45. Pripremljen prah za brizganje, A) metalne četice okružene polimerski vezivom, B) pelet za injekciono brizganje.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
51
Postupak injekcionog brizganja je identičan injekcionom brizganju plastike.
Najrasprostranjeni način formiranja oblika jeste pomoću vijčane prese, koje mogu biti
hidraučne ili električne. Prije samog početka sirovina se zagrijava do temperature topljenja
vezivnog elementa. Rastopljena smiješa se dozira u presu i vijak transportuje materijal duž
njegove ose sabija ga i popunjava kalup alata. Rastopljeni materijal mora biti dovoljno
viskozan da teče pri povišenim pritiscima. Pritisci koji se javljaju prilikom brizganja su oko 60
[MPa]. Nakon popunjavanje kalupa komad se hladi i vadi iz kalupa. Mašine za brizganje su
veoma jednostavnog dizajna, sastoje se od vijka sa Arhimedovom spiralom, brizgaljki i
kontrolnog sistema.
Slika 46. Princip formiranja oblika kod injekcinog brizganja.
Nakon formiranje oblika vrši se uklanjanja vezivnog elementa bez narušavanja oblika koji je
dobijen injektovanjem. Organski polimeri koji drže čestica praha zajedno moraju u što većoj
mjeri biti uklonjeni iz zelenog komada. Uklanjanje veziva je jedan od veoma značajni koraka
pri proizvodnji brzoreznih alata. Nepotpuno uklanjanja vezivnog elementa ima za posljedicu
neknotrolisano smanjenje dijela, pojavu zračnih jastuka unutar komada, površinske pukotine
te pojavu veliki pora unutar komada. Za uklanjanja vezivnog elementa kosti se temperatura,
razrjeđivači i katalizatori u zanosnosti od veziva koje je korišteno. U zadnje vrijeme pojavljuju
se eksperimentalne tehnike kao što je uklanjanje veziva plazmom.
Termalno uklanjanje vezivnog metala zasniva se, kako sama riječ govori, na degradaciji
veziva koje je na bazi polimera sa lakim molekulama koje se tope unutar zelenog komada te
isparavaju sa njegove površine. Vrijeme i temperatura koja se koristiti za uklanjanje veziva je
u zavisnosti od samog veziva koje se koristi. Naglo povećavanja temperatura može dovesti
do pojave isparavanja veziva unutar komada što izaziva pucanje zelenog komada. Posvećenja
toplote se vrši postepeno, 0,5 [oC/min] do temperature od 100 [oC], nakon dostizanja 100
[oC] dio se zadržaje na toj temperaturi oko 4 [h] te se nakon toga temperatura podiže do 400
[oC] sa brzinom povećanja od 1 [oC/min] nakon dostizanja temperature od 400 [oC] dio se
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
52
zadržaje na toj temperaturi u trajanja od 2 [h]. Ukupan proces traje oko 10 [h] i tokom cijelog
procesa dio je izložen struji gasa koja odnosi ispareno vezivo sa površine komada. Sa ciljem
povećavanje efikasnosti procesa primjenjuju se vakuum pumpe koje konstanto usisavaju
ispareno vezivo. Atmosfera u kojoj se odvija uklanjanje ima veoma značajan uticaj na gustinu
te udio karbona i oksigena u komadu.
Uklanjanje vezivnog materijala pomoću otapala ili razrjeđivača je simbolički prikazano na
slici 47. Zeleni komadi se postavlja na poroznu podlogu koja ima mogućnost propuštanja
para razrjeđivača. Razrjeđivači imaju veoma nisku temperaturu isparavanja te se griju
pomoću zagrijane vode koja se grije pomoću električnih grijača. Cio sistem je hermetički
zatvoren sa ciljem sprečavanja kontakta osoblja sa štetnih parama razrjeđivača. Obično se
koriste tečni razrjeđivači kao što su etanol, heksan, heptan i aceton. Razrjeđivači uklanjaju
barem jednu od komponenti veziva te stvaraju pore unutar komada. Ostatak veziva se
uklanja u predsinterovanju komada na temperaturi od 200 do 600 [oC]. Pojavljuje se
tendencija upotrebe vezivnih materijala koji su rastvorljivi u vodi, neki od tih veziva su
polietilen glikol, polietilen okisd, polivinil alkohol. Dosta je lakše rukovati razrjeđivačem na
bazi vode nego organskim razrjeđivačima. Svi gore nabrojani polimeri sadrže oksigen i
nitrogen koji su hidroplini (imaju tenedenciju da se razgrađuju u vodi.). Vrijeme uklanjanja
veziva je u funkciji materijala praha, veličine čestica, geometrije komada, temperature vode,
cirkulacije vode i odnosa vode i mase komada. Sve ove nabrojane funkcije su u relaciji jedan
sa drugom i moraju biti optimizirane za svaki proizvod. Nakon uklanjanja veziva dio se suši
pomoću zraka na temperaturi od 65 do 75 [oC] u trajanju od jednog sata. Sušenje se obično
spaja sa predsinterovanjem. Voda koja se koristi za uklanjanja veziva može biti regenirisana
te se ovi sistemi izvode kao zatvoreni cirkulacioni krugovi.
Slika 47. Uklanjanje vezivnih elemenata pomoću otapala.
Uklanjanje veziva pomoću katalizatora koristi se kod veziva koja imaju osobinu da se razgrađuju na manje molekule u prisustvu katalizatora. Najčešći primjer takvog veziva je POM (Polyoxymethylene). Korištenjem katalizatora polimeri na površini zelenog komada se razgrađuju u monomere i isparavaju pod dejstvom temperature, bez formiranja tečne faze.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
53
Kako isparavaju monomeri sa površine komada otvaraju se pore koje omogućavaju kontakt katalizatora sa polimera unutar zelenog komada te se proces depolimerizacije nastavlja kroz cijeli zeleni komad. Temperatura i katalizator igraju ključnu ulogu u upravljanju procesom uklanjanja veziva. Proces se odvija ispod tačke topljenja katalizatora, obično između 110 do 150 [oC]. Korištenjem relativno niskih temperatura sprečava formiranje tečne faze odnosno sprečava deformaciju zelenog komada. Temperatura pare koja isparava je veoma mala što smanjuje pojavu pukotina. Za 100% čisti POM obično se primjenjuje azotna kiselina, iako je azotna kiselina oksidirajuća supstanca u kombinaciji sa POM formira formaldehid koji je u gasovitom stanju te ne reagira sa metalnih prahovima.
Slika 48. Reakcija transformacije POM veziva u formaldehic.
Nakon ukljanja veziva komad se sinteruje. U poglavlju 1.6 je opisan mehanizam sinterovanja i o njemu u daljem dijelu teksta neće biti riječi, pažnja je posvećena parametrima sinterovanja brzoreznih čelika. Kod sinterovanja brzoreznih čelika atmosfera igra kritičnu ulogu tokom procesa sinterovanja, mora se obezbjediti atmosfera bez prisustva oksigena, ali se ne smiju koristiti inertni gasovi zbog njihove osobine da se zarobe u porama te otežavaju proces smanjenja pora i povećanja gustoće. Za sinterovanje brzoreznih alatnih čelika najčešće se koristi nitrogen ili vakuum. Pokazalo se da, nitrogen pored zaštite od oksidacije, pruža i dodatne povoljnosti kada se koristi kao atmosfera sinterovanja. Nitrogen zamjenjuje X u MX karbidima i stvara M(N,X) karbide koji mnogo stabilniji i smanjuju efekat rasta zrna. Na donjoj slici predstavljan je uticaj atmosfere na temperaturu sinterovanja. Za brzorezni čelika M2 potpuna teoriska gustina je dostignuta na temperaturi sinterovanja 1190 do 1210 [oC] u atmosferi vakuma. Kada se isti čelika sinteruje u atmosferi nitrogena potpuna gustina je dostignuta na 1250 do 1270 [oC].
Slika 49. Uticaj atmosfere na proces temperaturu sinterovanja.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
54
Kod vakumskom sinterovanja potpuna gustina je ostvarena na 1210 [oC] dok kod nitrogenskog sinterovanja 98% teoriske gustine je ostvareno na temperaturi od 1270 [oC]. Pokazalo se da je za optimalni ciklus sinterovanja potrebno brzo zagrijati dio na niže temperature, srednje brzo ga zagrijati na srednju temperaturu procesa, te brzo zagrijati na visoku temperaturu. Presporo zagrijavanje na niskim temperaturama rasipa energiju spremljenu između kontaktnih površina zrna i rezultira u veoma lošoj gustini dijela, dok prebrzo zagrijavanje rezultira u deformacijama i poremećaju oblika komada.
Slika 50. Uticaj temperature sinterovanja na mikrostrukturu praha brzoreznog čelika M2.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
55
Slika 51. Uticaj temperature sinterovanja na mikrostrukturu, za brzorezni čelik M3:2.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
56
Element Maseni udio %
C 0.78‐1.05
Mn 0.15‐0.40
Si 0.20‐0.45
Cr 3.75‐4.50
Ni 0.3
Mo 4.50‐5.50
W 5.50‐6.75
V 1.75‐2.20
Cu 0.25
P 0.03
S 0.03 Tabela 8. Sastav brzorezbog čelika M2.
Tabela 9. Mehaničke osobine brzoreznog čelika M2.
Element Maseni udio %
C 1.15‐1.25
Mn 0.15‐0.40
Si 0.20‐0.45
Cr 3.75‐4.50
Ni 0.3
Mo 4.75‐6.50
W 5.00‐6.75
V 2.75‐3.75
Cu 0.25
P 0.03
S 0.03Tabela 10. Sastva brzoreznog čelika M3:2.
Osobina T (°C) Gustina [×1000 kg/m3] 8.16 25
Poisson‐ov odnos 0.27‐0.30 25
Modul elastičnosti [GPa] 190‐210 25
Tabela 11. Mehaničke osobine brzoreznog čelika M2.
Na slikama 50 i 51 prikazani su različiti stadiji kroz koji prolazi materijal tokom procesa sinterovanja, te uticaj temperature na optimalnost procesa sinterovanja. Na slici 50. za sinterovanja u vakuumu vidi se stadiji kroz koji prolazi prah tokom procesa. Na temperaturi od 1170 [oC] vidi se da je došlo do spajanja zrna ali su pore dosta velike. Na optimalnom temperaturi od 2010 [oC] dolazi do ostvarenja maksimalne gutine komada, smanjenu su pore između zrna, povećanjem temperature 50.c vidi se da dolazi da rasta zrna odnosno deformacije komada.
Osobina T (°C) Gustina [×1000 kg/m3] 8.16 25
Poisson‐ov odnos 0.27‐0.30 25
Modul elastičnosti [GPa] 190‐210 25
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
57
Mehaničke osobine alatnih čelika su također u funkciji temperature sinterovanja kao i vremena trajanja sinterovanja. Na slici 50. predstavljene je dijagram zatezne čvrstoće u odnosu na temperaturu sinterovanja (za alatni čelik M2). Za atmosferu vakuuma najveća zatezna čvrstoća se ostvaruje na temperaturi od 1210 [oC]. Dok kod sinterovanja u atmosferi nitrogena maksimalna zatezna čvrstoća se ostvaruje na temperaturi od 1270 [oC]. Dijagram je urađen na mjerenjima za jedan te isti čelik te sa dijagrama se može vidjeti da je maksimalna zatezna čvstoća komada sinterovanog u vakumu iznosi 752,6 [MPa] dok maksimalna zatezna čvrstoća komada sinterovanog u atmosferi nitrogena iznosi 583,3 [MPa].
Slika 52. Uticaj temperature sinterovanja na zateznu čvrstoću, a) sinterovanja brzoreznog čelika M2 u vakuumu, b)
sinterovanje brzoreznog čelika M2 u atmosferi nitrogena.
Dužina trajanja procesa sinterovanja također ima značajan uticaj na mehaničke osobine materijala. Na slici 52.je prikazan uticaj vremena trajanja procesa sinterovanja na zateznu čvstoću. Nakon predsinterovanja u procesu sinterovanja puna teroiska gustina se dostiže nakon što komad provede u peći samo 10 [min], ali za poboljšanje mehaničkih osobina potrebno je komada zadržati na temperaturi sinterovanja nešto duže. Sa slike se također može vidjeti da sinterovanje komada duže od 2 [h] pogoršava mehaničke osobine komada.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
58
Slika 53. Uticaj vremena sinterovanja na mehaničke osobine brzoreznih čelika.
Performanse alatnih brzoreznih čelika su veoma zavisne od legirajućih elemenatai i termalne obrade. Najčešći legirajući elementi koji se nalaze kod brzoreznih čelika su karbon, volfram, molibden, vanadij i kobalt. Svi brzorezni čelici sadrže također oko 4% kroma koji povećava pogodnost materijala za termalnu obradu. Karbon u brzoreznim čelicima formira primarne karbide sa drugim elementima te time povećava otpornost na habanje. Volfram ili molibden formiraju M6C primarne karbide koji se dijelom rastvaraju tokom termalne ali to stvara podlogu za sekundarno povećanje toplote prilikom kaljenja. U brzoreznim alatima sa visokom koncentracijom molibdena dolazi do formiranja M2C karbida. Vanadij također doprinosi sekundarnom kaljenju ali njegov osnovni zadatak je da formira MC karbide koji povećavaju otpornost na habanje. Kobalt ne formira karbide u brzoreznih čelika ali značajno doprinosi povećanju tvrdoće na visokim temperaturama. Tvrdoća na povišenim temperatura je osnovna karakteristika brzoreznih čelika i zavisi od legirajućih elemenata, otpornosti na otpuštanje, termalne obrade itd. Na slici 54. prikazana je promjena tvrdoće sa promjenom temperature sa koje se može vidjeti da pri povećanju temperature preko 500 [oC] dolazi do opadanja tvrdoće brzoreznih čelika.
Slika 54. Promjena tvrdoće u odnosu na promjentu temperature.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
59
Osnovi proces termalne obrade brzoreznih čelika se sastoji od pregrijavanja na temperaturu od 790 do 845 [oC] gdje dolazi do austenizacije, sa ciljem razgrađivanja dovoljno karbida, kaljenja sa ciljem povećanja tvrdoće te od višestrukog otpuštanja na temperaturi manjoj od temperature kaljenja sa ciljem uklanjanja zaostalog austenita. Na slici 55. prikazana je uticaj gore opisanih koraka na brzorezni čelik M4. Temperatura austenizacije za brzorezni čelik M4 je između 1190 do 1205, dok se otpuštanje čelika vrši na temperaturi od 540 do 550. Prelaženjem gore spomenutim temperatura dolazi do pogoršanja karakteristika čelika, ako bi se temperatura austenizacije povećala došlo do daljnjeg povećanja tvrdoće što bi značajno uticalo na žilavost alatnog čelika. Povećavanjem temperature umirivanja ili otpuštanja čelika dolazi do smanjenja tvrdoće čelika. Odabir temperatura austenizacije, brzine kaljenja te vrste termalne obrade je u zavisnosti od željenih karakteristika čelika i njegove namjene.
Slika 55. Uticaj termičke obrade na tvrdoću brzoreznih čelika.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
60
3.0.Volframovikarbidi. Karbidima se nazivaju spojevi ugljika sa metalima i nemetalima. Najpoznatiji karbidi su volfram krabidi koji spadaju u grupu tvrdih, visoko otpornih materijala kod kojih su čestice karbide spojene ili cementirane sa nekim od mekih metala. Na slici 56. su predstavljene neke od kristalnih struktura u kojima se volramovi karbidi pojavljuju, a) heksagonalni oblik WC, b) kubna struktura WC, c) α‐W2C, d) β‐W2C, e) γ‐W2C_1, f) γ‐W2C_2 i g) ɛ‐W2C.
Slika 56. Kristalne strukture WC, sivi kuglice predstavlja atome karbona dok plave kuglice predstavljaju atome volframa.
Slika 57. Fazni dijagram volframovih karbida.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
61
Stabilne kristalne rešetke su samo W2C, WC i α‐WC, na primjer nedavno otkrivena struktura β‐W2C prilikom mašinske obrade prelazi u α‐WC. Na slici 57. predstavljen je fazni dijagram WC. Maksimalna rastvorljivost karbona u volframu je 0,7% na temperaturi od 271O [oC]. WC fazni sistem je okarakterisan nastankom etutetskih karbida W+W2C i W2C + β‐W2C na temperaturama od 2710 [oC] i 2670 [oC]. β‐WC struktura je stabilna na temperaturama preko 2525 [oC] ispod tih temperatura ona se razgrađuje u W2C i α‐WC Performanse cementnih karbida kao reznih alata leže negdje iznad brzoreznih čelika i ispod kermeta ( eng. Cermet ceramic metal). U poređenju sa HSS cementni karbidi su otporniji na habanje, ali su manje otporni na lomove i slabije provode toplotu. Prvi komercionalno dostupni cementi karbidi su bili karbidi volframa u vezani kobaltom. Legure WC‐Co imaju odlične otpornosti na abraziju te se najčešće primjenjuju u rezanju drugih metala.
Sastav
Veličina zrna
Tvrdoća [HRA]
Gustina [g/cm
3]
Maksimalni dijagonalni
nap
on [Mpa] *
Maksimalni nap
on
sabijan
ja [Mpa]
Modul elastičnosti [Gpa]
Relativna otpornost na
abraziju Koeficijent
term
alnog širenja
[µm/m
K]
Term
alna provodnost
[W/m
K]
200 [°C]
1000
[°C]
97WC‐3Co Srednja 92,5‐93,2 15,3
1590 5860 641 100 4,0 ... 121
94WC‐6Co
Fina 92,5‐93,1 15 1790 5930 614 100 4,3 5,9 ...
Srednja 91,7‐92,2 15 2000 5450 648 58 4,3 5,4 100
Gruba 90,5‐91,5 15 2210 5170 641 25 4,3 5,6 121
90WC‐10Co
Fina 90,7‐91,3 14,6
3100 5170 620 22 ... ... ...
Gruba 87,4‐88,2 14,5
2760 4000 552 7 5,2 ... 112
84WC‐16Co
Fina 89 13,9
3380 4070 524 5 ... ... ...
Gruba 86,0‐87,5 13,9
2900 3860 524 5 5,8 7,0 88
75WC‐25Co
Srednja 83‐85 13 2550 3100 483 3 6,3 ... 71
71WC‐12.5TiC‐12TaC‐4.5Co
Srednja 92,1‐92,8 12 1380 5790 565 11 5,2 6,5 35
72WC‐8TiC‐
11.5TaC Srednja 90,7‐91,5
12,6
1720 5170 558 13 5,8 6,8 50
*Mjerenje napona kada je opterećenje usmjerno longitudinalno toku praha metala. Tabela 12. Mehaničke osobine WC‐Co karbida.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
62
Idealna mikrostruktura WC‐Co legura trebalo bi da sadrži samo dvije faze WC zrna karbida i
kobalt koji veže ta zrna. Sadržaj karbona u ovim legurama mora biti usko kontroliran jer visok
sadržaj karbona rezultuje pojavu slobodnog grafita koji u malim količina nema značajan
uticaj na osobine legura, manjak karbona rezultira u formiranju serije duplih karbida (
Co3W3C ili Co6W6C) poznatih kao η faza koji povećaju krtost legure.
Slika 58. Mikostruktura WC‐Co legura a) 97WC‐3Co srednja veličina zrna, b) 94WC‐6Co srednja veličina zrna, c) 94WC‐6Co grubo zrno, d) 85WC‐15Co grubo zrno, e) slobodni grafit u leguri86WC‐8C‐6Co i f) η faza u leguri85WC‐8C‐7Co.
Legure WC‐co su razvijene početkom 20 godina prošlog stoljeća i uspješno su primijenjene
na operacijama mašinske obrade na livenom gvožđu, obojenim metalima pri većoj brzini
obrade nego što je to bilo moguće sa brzoreznim čelicima. WC‐Co legure imaju slabost što
dolazi do hemiskog nagrizanja ili difuzije prilikom obrade komada. Kao rezultat hemiskog
nagrizanja javlja se ubrzano trošenje alata, ova pojava je vodila ka razvoju WC‐TiC‐Co legura.
Dodavanjem titanijevih karbida povećava hemisku otpornost legure. Titanijevi karbdi WC‐TiC
su dosta krti od volframovih karbida i manje su otporni na abraziju. Iz ovih razloga količina
TiC karbida koja se dodaje u legure volframa se svodi na minimum ne manje od 15%
masenog udjela. Udio karbona u ovim legurama je manje kritičan nego kod WC‐Co i η faza se
ne pojavljuje u mikrostrukturi osim u rijetkim slučajevima kada je udio karbona preveliki.
WC‐CO legure koje sadrže TiC i NbC karbde sa nazivaju više razredne. Dodavanje TaC u WC‐Ti‐Co prevazilazi smanjenje žilavosti koje se javlja zbog TiC karbida. TaC karbidi također smanjuju pojavu kratera i poboljšavaju otpornost na termalne udare. Tantalovi karbidi se najčešće dodaju u formi (Ta.Nb)C iz razloga što je veoma teško razlikovati TaC i NbC karbide u toku proizvodnje legura. Za razliku od WC‐Co legura mikrostruktura WC‐TiC‐(Ta.Nb)C‐Co
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
63
legura ima tri faze WC zrna, WC‐TiC‐(Ta.Nb)C čvrsti rastvor zrna i kobaltno vezivo. Čvrsti rastvor se najčešće može pronaći u jerzgi sinterovanog komada i naznaka je ne potpune difuzije tokom procesa sinterovanja. Na slici 59. su predstavljene mikrostrukture nekoliko WC‐TiC‐(Ta.Nb)C‐Co legura, Sive oštrougaone čestice su WC, tamno sive zaobljenje čestice su čvrsti rastvor karbida dok bijela površina između gore spomenutih karbida predstavlja kobalt koji ih spaja.
Slika 59. Mikrostruktura nekih WC‐TiC‐(Ta.Nb)C‐Co legura, (a) 85WC‐9(Ta,Ti,Nb)C‐6Co legura srednja veličina zrna, (b) 78WC‐15(Ta,Ti,Nb)C‐7Co legura srednja veličina zrna, (c) 73WC‐19(Ta,Ti,Nb)C‐8Co legura srednja veličina zrna.
Posljednjih godina WC‐Co legure sa submikronskom veličinom zrna su razvijene sa ciljem
primjene za izradu alatnih oštrica sa većom žilavosti. U leguru se pored WC karbida nalaze
još karbidi tantala, niobiuma, vanadija, ili kroma (0,25 do 3,0 % masenog udjela). Vanadijevi
karbidi smanjuju rast zrna, kromovi karbidi pojačavaju mehaničke osobine legure pored toga
što i oni smanjuju rast zrna.
C sistem Kategorija primjene
Obrada livenog gvožđa, obojinih metala i nemetalnih materijala
C‐1 Gruba obrada
C‐2 Opšta obrada
C‐3 Završna obrada
C‐4 Fina završna obrada
Obrada ugljeničnih i legiranih čelika
C‐5 Gruba obrada
C‐6 Opšta obrada
C‐7 Završna obrada
C‐8 Fina završna obrada
Druge vrste obrade metala*
C‐9 Alat izložen habanju, bez udara
C‐10 Alat izložen habanju, mali udari
C‐11 Alat izložen habanju, velik udari
C‐12 Alat izložen udarima, mali
C‐13 Alat izložen udarima, srednji
C‐14 Alat izložen udarima, veliki * Alati za probijanj, prosjecanje, alazi za bušenje u građevinskoj, rudarskoj i nafrnoj
industriji, alati u drvnoj industriji te hidrauličke konponente za visoku pritisak.
Tabela 13. Označavanje karbida prema C sistemu.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
64
Industrija karbida u SAD razvija je sistem klasifikacije karbida poznat kao C sistem. Ovaj sistem ne zahtjeva da se karbidi nazivaju imenima proizvođača i ne kazuje ništa o osobina karbida. Također postoji rasprava od samog uvođenja ovog sistema klasifikacije o terminima koji se koriste za opisivanje pojedinim nivo sistema klasifikacije. Pored svih svojih manjkavosti ovaj sistem se uspješno koristi od 1942 godine. ISO sistem klasifikacije je razvijen 1964 godine od strane internacionalne organizacije za standarde preporukom R513 „Aplikacija karbida za obradu metala skidanjem strugotie sa zamjenjivim reznim oštricama“. Dodatno karbidi su podjeljeni u tri grupe:
Visoko legirani volframovi karbidi (oznaka P, plava boja) za obradu čelika
Legirani volframovi karbidi ( Oznaka M, žuta boja, sa manje TiC nego kod P grupe) za više namjensku upotrebu; čelicim, nikl‐mesing super legure i liveno gvožde,
Čisti volframovi karbidi (oznaka K, crvena boja) za rezanje sivog livenog gvožđa, obojenih metalai nemetalnih materijala.
Svaka stepen unutar jedne grupe je označn brojem manji brojevi znače veća tvrdoća čelika a veći brojevi veća žilavost alata. Na slici 60. je predstavljen proces proizvodnje dijelova od volframovih karbida. Svaki korak proces će biti detaljno opisan u nastavku teksta.
Slika 60. Proces proizvodnje dijelova od volframovih kabrida.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
65
Oznakaa)
Aplikacija
Materijal koji se obrađuje Upotreba i radni uslovi
P 01 Čelik i čelični odlivci Završna obrada na tokarskim strojevima i bušilicama, rezanje na velikim brzinama, rezanje sa laminarnom strugotinom, mašinska obrada bez vibracija.
P 10 Čelik i čelični odlivci Tokarenje, urezivanje navoja, glodanje, rezanje na velikom brzinama, kidana i laminarna strugotina.
P 20 Čelik, čelični odlivci, kovani odlivci sa trakastom strugotinom
Tokarenje, glodanje, sa srednjim brzinama obrade i kidanom strugotinom.
P 30 Čelik, čelični odlivci, kovani odlivci sa trakastom strugotinom
Tokarenje, glodanje, srednje i male brzine rezanja, kidana i laminarna strugotina, obrada u nepovoljnim uslovima b).
P 40 Čelik i čelični odlivci sa pješčanin uključima i šupljinama
Tokarenje, blanjanje, male brzine rezanja, kontinuirana strugotina, sa velikim uglovima rezanja pri nepovoljnim uslovima obrade b).
P 50 Čelik i čelični odlivci sa srednjom ili malom žilavosti sa pješčanim uključima i šupljinama.
Za operacije koje zahtijevaju visoko tvrde karbide, tokarenje, blenjanje, sa malim brzinama obrade i velikim uglovima zahvata pri nepovoljnim uslovima obrade na atomatskim strojevima b).
M 10 Čelik, čelični odlovci, maganski čelici, sivi liv, legirani liveni čelici
Tokarenje, srednje i velike brizne rezanja, laminarna i traksta strugotina.
M 20 Čelik, čelični odlovci, austenitni ili maganski čelici, sivi liv, legirani liveni čelici
Tokarenje, glodanje, srednje brzine rezanja, laminarna strugotina.
M 30 Čelik, čelični odlivci, austenitni čelici, sivi liv i temperaturno otporne legure.
Tokarenje, glodanje, blanjanje, srednje brzine rezanja, laminarna i trakasta strugotina.
M 40 Nisko ugljenilni čelici, obojeni metali i lake legure.
Tokarenje, za automatske obradne centre.
K 01 Veoma tvrdo sivo liveno gvožđe, legure alminijuma sa silikonom, čelici sa povećanom tvrdoćom, visoko abrazivne plastike, keramike.
Tokarenje, završna obrada, bušenje, glodanje.
K 10 Sivo liveno gvožđe sa tvrdoćom preko 220 HB, kovano liveno gvožđe sa kidanom strugotinom, kaljeni čelici, legura alminijum sa silikonom, legure barka, plastika, staklo, tvrda guma, porculan, kamen.
Tokarenje, glodanje, bušenje
K 20 Sivo liveno gvožđe sa tvrdoćom preko220 HB, obojeni metali: bakar, mesing, alminijum.
Tokarenje, glodanje, blanjanje, zahtjeva veoma tvrde karbide
K 30 Sivo liveno gvožđe male tvrdoće, presovano drvo.
Tokarenje, glodanje, blanjanje za mašine sa nepovoljnim uslovima rada (b) sa velikim uglovima zahvata,
K 40 Meko i tvrdo drvo, obojeni metali. Tokarenje, glodanje, blanjanje za mašine sa nepovoljnim uslovima rada (b) sa velikim
a) Kod svake kategorija alfabetskih znamenki manji brojevi su za veće brzine rezanja sa manjom visinom rezanja, dok su veći brojevi za manju brzinu rezanja a veću visinu rezanja. Također povećanja numeričke cifre može značiti i povećanje tvrdoće materijala.
b) Ne povoljni uslovi podrazumijevaju: materijali imaju povećanju površinsku tvrdoću od ljevenja ili kovanja, promjenjivu tvrdoću, promjenjivu visinu rezanja, prekide u rezanju ili pojavi vibracija tokom obrade. Tabela 14. Označavanje karbida prema ISO sistemu.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
66
3.1Historijarazvojacementnihkarbida.
Razvoj cementnih karbida počinje sa javljanjem ideje o zamjeni skupih dijamantnih
alata za izvlačenje žice sa volramovim alatima. Ova grupa materijala ima izvanredne osobine,
visoku tvrdoću i veliku otpornost na habanje. Historija cementnih karbida počinje u
Njemačkoj za vrijeme prvog svjetskog rata kada su Lohman i Voigtländer 1914 patentirali prvi
cementi karbid nažalost on nije našao svoju primjenu zbog velike krtosti. Karl Schröter i
Heinrich Baumhauer su 1923 godine patentirali leguru od koje su se pravili alati za izvlačenje
žice.
Nakon aplikacije karbida u alatima za izvlačenje žice pažnja je usmjerena na izradu reznih
alata i dijelova mašina. Cementni karbidi su predstavljeni na tržištu od strane kompanije
Friedrich Krupp AG 1927 godine pod imenom Widia (wie Diamant, kao dijamant), sastojali su
se od 6% kobalta u wolframovom karbidu. Veća prvobitnih otkrića za cemente karbide potiču
iz Njemačke dok se kasnije uključuju SAD, Austria, Šwedska, Japan i druge zemlje.
Modifikacijom prvobitne kompozicije karbida na način zamjene dijela volframovih karbida sa
drugim karbidima, prvenstveno titaniuma i tantala, dovelo je do daljnjih većih otkrića u
ovom polju. Okriće Dr. Paul Schwarzkopf da čvrsti rastvori više od jednog karbida imaju bolje
osobine nego pojedinačni karbidi dovelo je do razvoja više karbidnih reznih alata. Također je
otkriveno da dodavanjem manje količine vanadijumovih i tantalovih karbida kontroliše
diskontuinirani rast zrna.
Simultano sa razvojem volframovih karbida pažnja naučnika je bila usmjerenja slobodnim
legurama zbog zabrinutosti o količini volframa. 1960 godine pojavljuju se nikl molibdenom
vezani titanijevi karbidi, ovaj materijal je naišao na veliku pažnju ali nikada se nije počeo
primjenjivati u širokim aplikacijama. Kako su se javljali pokušaji da se zamijene volframovi
karbidi sve bolji materijali iz ove porodice su se javljali na tržištu. Ovo pokazuje na
superiornost volframovih karbida u odnosu na karbide drugim metala.
Veliki napredak u ovom polju predstavlja razvoj hemijske dispozicije parom (CVD eng.
chemical vapor deposition). Najprije se počeo primjenjivati u Švicarskoj sa razvojem kućišta
za satove otpornih na habanje, ovaj postupak je mnogo jeftiniji od konvencionalnog
postupka proizvodnje karbidnih kućišta otpornih na habanje. Kasnije se počinje primjenjivati
za nanošenje karbidnog sloja na rezne alate što se pokazalo veoma efikasno i rezultovalo je u
produženju životnog vijeka alata. Najnovija tehnika primjene hemiske dispozije pare koristi
se za nanošenje neiskistaliziranih dijamatnih premaza.
I ako su fino zrnasti volframovi karbidi (prečnik zrna 0.5–3.0 [μm]) predstavljeni 1946 godine,
mnoge studije oko veličine zrna se i danas vode. Postoji jaka tendencija upotrebe i sitnijih
zrna sa prečnicima 20–50 [nm]. Jedno od novijih otkrića je i raspoređivanje sitnijih zrna
kobalta u rešetku krupnijih zrna čim se se dobija otpornost na trošenje sitnijih zrna a žilavost
kako kod krupnijih zrna.
Oko 67% proizvedenog tvrdog metala koristi se za mašinsku obradu skidanje strugotine, 13%
odpada na rudarsku industriju i naftnu industriju, na građevinsku industriju odpada 11% dok
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
67
na drvnu industriju 9%. U posljednjih 12 godina zahtjev za cementnim karbidima se
udvostručio. Interesantno je da do sredine 1980 godine udio brzoreznih alata je bio veći
nego udio cementnih karbida. U zadnje vrijeme situacija se obrnula gdje cementni karbidi
imaju 50% ukupnog tržišta alatima, brzorezni alati drže 45%, keramike 4% dok 1% odpada na
polukristalne dijamante (PCD).
Slika 61.Udio karbida u pojedinim industrijama.
Godina Otkriće
1923‐25 WC‐Co
1929‐31 WC‐TiC‐Co
1930‐31 WC‐TaC(VC,NbC)‐Co
1938 WC‐Cr3C2 ‐Co
1948‐70 Sinterovanje WC‐Co od submirkonskog praha
1956 WC‐TiC‐Ta(Nb)C‐Cr3C2 ‐Co
1959 WC‐TiC‐HfC‐Co
1965‐75 Toplo izostatsko presanje
1965‐78 TiC, TiN, Ti(C,N), HfC, HfN i Al2O3 CVD na WC bazu
1968‐69 WC‐TiC‐Ta(Nb)C‐HfC‐Co
1968‐69 WC‐TiC‐Nb(Ta)C‐HfC‐Co
1969‐71 Termomehaničko površinsko otvrdnjavanje
1974‐77 Polikristalni dijamanti na WC bazi
1973‐78 Više karbidni, nitridni, karbon nitridni materijali.
1981 Oksidni premazi
1983‐92 Višelsojni premazi AlON (aluminium oksinitridi)
1992‐95 Sinter toplo izostatsko presanje
1993‐95 Plasma CVD dijamatski premazi
1994 Premazi karbonitridima
1994 Finozrnasta WC/Co aglomeracija u žilavijoj WC/Co rešetci
Tabela 15. Značajnija oktrića na polju cementnih karbinda
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
68
3.2Proizvodnjavolframovogprahaiformiranjeoblika.
Volfram monokarbid je primarna komponenta WC‐Co tvrdih metala i dobija se
karburizacijom volframa pripremljenog pomoću hidrogenske redukcije WO3. Primarni izvori
volframa su CaWO4 (Scheelite) i (Fe,Mn)WO4 (Wolframite). Zbog veoma visoke tačke
topljenja volframa njegova ekstrakcija se češće obavlja hidro procesima nego
pirometalurgškim procesima. Zadatak ekstrakcije je da pretvori volfram iz neke rude u neku
posrednu supstancu kao što je volframova kiselina ili amonijev paravolfram.
Slika 62. Rude volframa Scheelite i Wolframite.
Nakon proizvodnje amonijum paravoflrama on se izlaže hidrogenu gdje se odvaja volfram u
obliku praha. Prah volframa se miješa sa karbonom i grije u atmosferi hidrogena na
temperature od 1400 do 1500 [oC] sa ciljem proizvodnje volframovih karbida veličine od 0,5
do 30 [µm]. Svaka čestica praha se sastoji od velikog broja kristala karbida. Manje količine
vanadija, kroma ili tantala se nekada dodaju u volfram prije karburizacije sa ciljem
proizvodnje veoma finog WC praha <1 [µm].
Najnoviji otkriveni proces proizvodnje volframovih karbida se vrši preko direktne redukcije
ne volframa nego volframovih karbida iz rude Schelite. Ruda se miješa sa oksidima željeza,
alminijumom, ugljikom i karbidima kalcijuma. Na visokim temperatura dolazi do ekzoterme
reakcije (2Al+3FeOAl2O3+3Fe) na temperaturi oko 2500 [oC] proizvodi se rastopljena masa
koja kada se ohladi sadrži karbide volframa raspoređene u željezu. Dodatnom separacijom iz
željeza odvaja se WC iz kristalne rešetke željeza.
Nakon proizvodnje volframovih karbida vrši se meljenje karbida sa ciljem razbijanja inicijalnih
karbida i homogeniziranja karbida i vezivnog materijala. Za meljenje se obično koriste
mlinovi sa kuglama ili vibracioni mlinovi. Pored karbida i vezivnog materijala u mlinove se
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
69
dodaje još i vosak ili polietilen glikol na kraju procesa meljenja. Primarni cilj miljenje jeste
smanjenje čestica praha, pored toga meljenjem se dobija homogena smiješa karbida i
vezivnog materijala tako da se osigurava da će u procesu sinterovanja svaka čestica karbida
biti vezana vezivnim materijalom. Pored toga meljenjem se kreira nova aktivna površina na
karbidima i vezivnim materijalom. Energija koja se oslobađa tokom meljenje je veoma velika
te ju je potrebno odvesti iz procesa. Dodavanjem organskih tečnosti kao što su aceton,
heksan, alkohol itd rješava se problem povišenja temperature tokom meljenja. Prečnik kugli
u mlinovima i vrsta rashladne tečnosti igra veliku ulogu u procesu meljenja karbida,
promjenom prečinka kugli direktno se utiče na finoću praha isti slučaj je i sa rashladnoj
tečnošću.
Prah dobijen sušenjem samljevenih karbda je veoma visoke finoće, prah nije tečan i ima
malu gustinu. Presovanje takvog praha predstavlja veliki problem zbog unutrašnjeg trenja
koje se javlja među česticama. Sa ciljem rješavanja ovog problema usvojena tehnika
granulacije gdje se slobodni aglomerati praha formiraju, koji su gotovo pa pravilnog sfernog
oblika. Jedna od najpopularnih tehnika formiranja granula karbida jeste prskanjem. Nakon
meljenja karbida vosak koji se dodaje stvara zaštitni sloj okolo karbida, organske tečnosti
koje se dodaju stvaraju mokru smiješu praha koju je potrebno osušiti. Procesom prskanja vrši
se sušenje praha i formiranje granula. Mokra smiješa praha se prska u mlaz pregrijanog
inertnog gasa gdje dolazi do sušenja i formiranja granula. Mokra smiješa praha, voska i
organski rastvora se sprema u rezervoar za doziranje. Iz rezervoara smiješa se transporture u
komoru za sušenje pneumatskim putem te se kroz specijalne brizgaljke koje prskaju smiješu
prema gore u komori za sušenje. Pregrijani gas, najčešće nitrogen, prolazi kroz komoru
odozdo prema gore te u kontatku sa prahom zagrijava ga i oslobađa od organskih rastvora.
Struja gasa je orijentirana tako da se stvara ciklonske struje koje skupljaju prah u granule
sfernog oblika. Granule postaju teže od praha i struja zraka nije više dovoljno jaka da ih
transportuje kroz sušač te padaju na dno gdje se skupljaju. Isparene organske tečnosti se
hlade, kondenzuju i ponovo koriste u procesu meljenja. Granule dobivene ovih postupkom
su sve približno iste veličine i sfernog oblika.
Za formiranje oblika dijela koji se želi proizvesti od volframovih karbida koriste se različiti
postupci. Za alate od WC koji se koriste u rudatsvu, građevini i naftnoj industriji formiranje
oblika se vrši na presama jednosmjernog dejstva. Alati za rezanje se također formiraju na
presama jednosmjernog dejstva ali zahtijevaju naknadnu obradu. Hladno izostatsko presanje
se koristi za izradu alata za koji izloženi abraziji. Žice i štapovi od WC se formiraju procesom
izvlačenja. Maksimalna gustina koja se može dostići formiranje oblika jeste oko 65% teorijske
gustine.
Još jedan od metoda formiranja polaznog komada jeste injekciono brizganje. Ovaj postupak
se koristi kada je odnos dužine u odnosu na prečnik veoma visok i koristi se za izradu zelenih
komada alata kao što su boreri, razvrtači, ureznici itd sa prečnicima od 0,5 do 10 [mm] i
dužinama od 10 do 100 [mm]. Primjena ostalih postupaka na izradu ovih tipova alata
rezultira u neravnomjernoj gustini. Prah tvrdih metala ne teče sa lakoćom čak ni pri visokim
pritiscima te se koriste vezivni elementi kao što su polivinil alkohol, poli etilen glikol, vosak,
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
70
sintetička smola itd. Daljni postupka je isti kao i kod injekcionog brizganja brzoreznih čelika
već opisan u poglavlju 2.3. Na slici 63. su predstavljeni osnovni tipovi presa koji se koriste za
formiranje oblika ovim postupkom, dok je na slici 64. predstavljen uticaj količine vezivnog
materijala na pritisak istiskivanja komada. Sa slike se može vidjeti da povećanjem količine
veznog materijala se potrebi pritisak smanjuje ali to za posljedicu ima povećanje poroznosti
komada.
Slika 63. Vrste presa kod injekcionog brizganja WC.
Slika 64. Uticaj vezinog materijala na pritisak istiskanja zelenog komada i njegovu poroznost.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
71
3.3PredsinterovanjeWC.
Kod proizvodnje dijelova od tvrdih metala je nekada potrebo izvršiti mnoge operacije
oblikovanja dijela prije finalnog sinterovanja. Formiranje obilka dobijaju se dijelova
jednostavne geometrije kao što su cilindri, pravougaonici itd koji se obrađuju tehnikama kao
što su tokarenje, glodanje, brušenje itd.
Da bi se ove operacije mogle izvesti bez izazivanja štete na krhkim dijelovima potrebno je
zeleni komad od WC materijala predsinterovati na temperatura od 750 do 1000 [oC] gdje oni
postaju dovoljno jaki da se mogu obrađivati tehnikama odvajanja čestica. Ova naizgled
jednostavna operacija zagrijavanja komada na temperaturu od 750 do 1000 [oC] je
najkomplikovani dio u procesu proizvodnje dijela od volframovih karbida. Čestice kobalta
počinju da se zavaruju jedna za drugu na temperaturi od 100 do 200 [oC], ova reakcija na
ovako niskoj temperaturi je posljedica spremljene energije između čestica kobalta tokom
procesa brizganja te čistih površina čestica dobijenih procesom mokrog meljenja. Dalje
ojačanje komada se nastavlja sa povećanjem temperature ali nije praćeno sa skupljanjem
komada, te se pretpostavlja da su ojačanja koja se javljaju u zelenom komadu samo
posljedica lokalnog zavarivanja čestica kobalta. Za čiste WC‐Co legure temperatura od 800
[oC] je dovoljna da se mogu izvesti operacije obrade komada bez njegovog oštećenja, na ovoj
temperaturi dolazi do manjog smanjenja komada što je posljedica reorganizacije čestica
unutar komada. Poremećaji u kristalnoj rešetci karbida koji su nastali u toku procesa
meljenja rezultuju u zavarivanju kontaktnih površina karbida. Istraživanja su pokazala da na
ovoj temperaturi dolazi do formiranja skeleta od čestica karbida kod legura sa manjim
sadržajem kobalta.
Ako atmosfera oko komada nije inertna može doći do reakcije tokom predsinterovanja,
sadržaj ugljika i oksigena se mijenjaju u toku procesa predsinetoravanja. Ako se proces odvija
u atmosferi hidrogena svi oksidi kobalta i volframa se redukuju. Da bi došlo do 100%
redukcije mora se temperatura podići na minimlano 700 [oC].
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
72
3.4SinterovanjeWC.
U WC‐CO sistemu do eutetičke reakcije dolazi na temperaturi oko 1320 [oC] a
temperatura sinterovanja većine komercijalno dostupnih tvrdih metala je oko 1400 [oC]. Na
temperaturi od 1400 [oC] tečna faza čini oko 15% mase te se sastoji od WC rastvorenog u
kobaltu. Tokom procesa sinterovanja dolazi do velikih promjena, čak i na niskim
temperaturama odnosno na samom početku sinterovanja kobalt se topi i širi preko površine
karbida i stvara vezu među njima. Kako temperatura raste otapaju se površinski slojevi
karbida te se spajaju sa drugim česticama karbida ovim se također obezbjeđuje mehanizam
za reorganizaciju karbidida unutar kobalta odnosno povećanje gustoće WC‐Co metala. Rast
zrna počinje od 800 [oC] pa do 1250 [oC] ispod tačke topljenja.
Maseni udio % Temperatura sitnerovanja
WC TiC Ta(Nb)C Cr3C2 Co [oC]
94 ‐ ‐ ‐ 6 1540
91 ‐ ‐ ‐ 9 1480
89 ‐ ‐ ‐ 11 1460
87 ‐ ‐ ‐ 13 1450
80 ‐ ‐ ‐ 20 1400
75 ‐ ‐ ‐ 25 1380
70 ‐ ‐ ‐ 30 1350
96.5 ‐ ‐ ‐ 3 1640
95 ‐ ‐ 0.5 4.5 1620
93.5 ‐ ‐ 0.5 6 1560
90.5 ‐ ‐ 0.5 9 1500
85.5 ‐ ‐ 0.5 4 1640
81.5 7 3,5 ‐ 8 1560
80 7 3,5 ‐ 6 1620
84 14 ‐ ‐ 6 1600
87 10 ‐ ‐ 6 1590
87 7 ‐ ‐ 8 1560
66 5 ‐ ‐ 9 1620Tabela 16. Uticaj sastava legure tvrdih metala na temperaturu sinterovanja.
Kao i kod ostalih procesa sinterovanja sinterovanje volframovih karbida može biti
sinterovanja u čvrstom stanju i sinterovanja u tečnom stanju.
Istraživanja su pokazala da se više od 50% vezivanja cementih karbida odvija prije etutičke
temperature. Ovo je posljedica napona koji se javljaju između čestice WC i kobalta koji se
javljaju kao spoljedica predsinterovanja, formiranja oblika i samog procesa meljenja i
proizvodnje praha. Kobalt počinje da se rastvara na temperaturi manjoj od 1000 [oC] i
aglomeracija karbida počinje na toj temperaturi. Na temperaturi od 1100 [oC] počinju da se
dešavaju promjene na porama, daljnjim povećanjem temperature finije čestice karbida
počinju da se rastvaraju i kobalt se legira sa volframom i ugljikom. U finalnoj fazi kobalt se
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
73
dodatno topi i privlači čestice karbida još bliže tako da se ostvaruje veoma velika gustina
finalnog proizvoda. Skupljanje dijela tokom procesa sinterovanja kreće se između 17% do
25%. Neki istraživači navode da se potpuna gustina predmeta može dobiti bez nastanka
tečne faze tokom procesa sinterovanja.
Sa tehničke tačke gledišta sineterovanja u tečnoj fazi je privlačnije nego sinterovanje čvrstoj
fazi jer obezbjeđuje brže sinterovanje i kompotno zgušnjavanje bez primjene ikakvih vanjskih
pritisaka. Brže sinterovanje se javlja zbog pojačane difuzije atoma u prisustvu tečne faze koja
olakšava kretanje atoma. Uspješno sinterovanje u tečnoj je uslovljeno :
Niskom temperaturom.
Rastvorljivošću čvrstih karbida u kobaltu.
Kvašenjem čvrstih zrna.
Niska temperatura je potrebna iz razloga da se rastopi vezivni materijal ali da se ne rastope
karbidi u potpunosti. Rastopljivost karbida u kobaltu mora biti veoma mala sa ciljem
očuvanja strukture volframovih karbida odnosno sa ciljem očuvanja mehaničkih osobina
koje karbidi posjeduju. Kvašenje čvrstih zrna podrazumijeva površinsko otapanje karbida i
njegovo vezivanje sa kobaltom. Kod WC‐Co legura sva ti gore nabroja uslova su zadovoljenja
i kobalt predstavlja najčešći vezivni materijal za sinterovanje tvrdih metala iz razloga što lako
otapa površine zrna karbida i dobro se rastvara.
Slika 65. Uticaj temperature sinterovanja na sastav karbida kao i na skupljanje.
Identifikovana su tri stadija tečne faze u toku procesa sinterovanja i to početno fluidno
kretanje kada se dešava reorganizacija čestica, faza rastvora gdje dolazi do povećanja
gustoće legure i finalna faza srastanja gdje se proces usporavao kao i kod sinterovanja u
čvrstoj fazi. Kod cementnih karbida potpuno zgušnjavanje se dešava u prva dva stadija
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
74
produživanje vremena sinterovanja dovodi do mikrostrukturalnih promjena uključujući i
daljni rast zrna.
U prvoj fazi tečnog sinterovanja dolazi do brzog povećanja gustine zbog veoma jakih
kapilarnih napona nastalih prvim formiranjem rastopine. Simultano nastupa i smanjenje pora
iz razloga što čestice nastoje da smanje ukupnu površinsku energiju koja je glavni pogonski
mehanizam reakcije sineterovanja. Povećanje gustine je u funkciji nečistoća, količine
rastopine, veličine čestica, rastvorljivosti rastopina, uglovima kontakta itd. Neki istraživači
procesa sinterovanja navode da je potreba količina rastopine neophodna za neometano
kretanje čestica karbida kroz nju 35% zapreminskog udjela, to znači da je dovoljno otopiti
35% kobalta da bi došlo do reorganizacije karbida i povećanja gustine. Drugi istraživači
navode da je neophodna količina rastopine 50‐60 %. Najvažnija karakteristika ove faze jeste
da se u njoj dobija najveće povećanje gustine sinterovanog komada te dolazi do smanjenja
sinterovanog predmeta čak prije stvaranja prve rastopine što se može vidjeti na dijagramu
na slici 65. Veoma brzo i veoma lako topljenje vezivnog materijala se pripisuje procesu
proizvodnje i pripreme praha. Ako se kobalt i volframa zajedno melju onda čestice kobalta u
toku procesa meljenje presvlače čestice volframa te stvaraju tanki film koji ima veliku
površinsku energiju i potrebna je veoma mala energija da bi se otopio. Jednom kada se
formira rastopina vezivnog materija termodinamičke kapilarne sile djeluju na čestice karbida
i vrše njihovu reorganizaciju. Kako kapilarne sile nastoje da skupe čestice ne slaganje centara
gravitacije čestica stvara obrtni moment na česticama karbida što rotira karbide i dovodi
njihove ravne površine u kontakt. Istraživanja su pokazala da se najbolje mehaničke osobine
dobijaju sa manjim temperatura sinterovanja u prvoj fazi tečnog sinterovannja.
U drugoj fazi preraspored karbida se završava i proces rastvaranja počinje. Za WC‐Co legure
kog kojih se velika gustina ostvaruje u prvoj fazi za očekivati je da mehanizam rastvaranja
bude mnogo jači pogotovo kog legura gdje je udio kobalta manji i nije dovoljan da popuni
praznine nakon reorganizacije karbida. Međutim proces povećanja gustine se nastavlja
mnogo sporije nego u prvoj fazi. Tokom druge faze povećanje gustine je vezano za promjene
zrna karbida koje nastaju na kontaktnim površinama između zrna, rastvaranjem manjih zrna
te pomirenjem granica zrna. Popunjavanje pora se također dešava u drogom stadiju tečnog
sinterovanja, količina pora koja se smanji je proporcionalna povećanju veličine zrna. Na kraju
ove faze pore su efeminirane ili stabilizirane ili su zarobljene unutar sinterovanog komada.
Također zrna formiraju čvrstu rešetku koja sprečavaju dalje povećanje gustine. U tabeli 17.
su prikazani uticaji pojedinih elemenata na ponašanje zrna i pora u toku procesa
sinterovanja.
Efekat Element
Smanjuje rast zrna Ni, Si, B, Sn, Al, As, Sb, Bi, Na, K, S, Ca, Ti, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Fe, Li,U
Povećava rast zrna Ni, Si, B, Sn, Al, As, Sb, Bi, Mg, P, Zn, Ba, zemlja
Fomira pore Si, Al, Ca, Ti, Mg, Fe, N, O
Bez efekata Ni, Si, B, Na, K, S, Ca, Ti, Mg, P, Cu, Zr, Hf Tabela 17. Uticaj pojedinih elemenata na ponašanje karbida tokom sinterovanja.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
75
U zadnjoj fazi sinterovanja nastavljaju se procesi početi u drugoj fazi. Kod većine WC‐Co puna
moguća gustina je ostvarena prije početka krajnje faze i dalje zadržavanje materijala na
temperaturi sinterovanja ne rezultira povećanjem gustine. Strukturne promjene čestica se
počinju da se odvijaju u ovoj fazi kao što su promjena veličine zrna i načina rasporeda, oblik
zrna i raspodjela vezivnog materijala. Dolazi do dodatnog povećanja zrna, manja zrna se
rastvaraju i stapaju sa većim zrnima, povećanja vremena sinterovanja izaziva povećanje rasta
zrna što ima za posljedicu smanjenje kontaktnih površina između zrna što slabi mehaničke
karakteristike komada. Promjene koje se dešavaju u ovoj fazi utiču na otpornost na habanje,
žilavost, magnetne osobine, istegljivost itd. Gustina komada nakon završetka finalne faze je u
funkciji karakteristika pora i gasa zarobljenog u porama. Kako nema više kretanja zrna
smanjenje pora se ne nastavlja. U toku zadnje faze sinterovanja volframovi karbidi imaju
anizotropsku strukturu i formira anizotropni oblik koji se mogu opisati kao ravne trougaone
prizme sa oštrim ivicama.
Iz svega gore opisanog može se zaključiti da na proces sinterovanja najviše utiče:
Atmosfera sinterovanja. Sinterovanja tvrdih metala podrazumijeva zagrijavanje na
temperaturu od 1350[oC] pa do 1650[oC] te do reakcije sa atmosferom može lako
doći. Pogotovo ako se uzme u obzir da su tvrdi metali veoma reaktivni na atmosferu.
Sinterovanje se najčešće odvija u atmosferi hidrogena iz razloga što sav višak ugljika i
oksigena reagira sa hidrogenom i biva odveden iz strukture tvrdog metala.
Temperatura sinterovanja i vrijeme sinterovanja. U tabeli 16. su predstavljene
temperature sinterovanja za pojedine sastave tvrdih metala. Stepen rastvaranja,
kvašenje karbida, rastvaranje karbida u kobaltu, zapremina tečne faze itd su u funkciji
temperature. Vrijeme sinterovanja igra također važnu ulogu ako se predmet premalo
zadrži u peći proces neće biti doveden do kraja komad će biti porozan i neće imati
tražene mehaničke osobine, ako se komad ostavi predugo u peći nastavlja se rast
zrna i smanjuju se mehaničke osobine komada.
Stepen hlađenje i zagrijavanja. Zagrijavanje do temperature topljenja lubrikanata je
veoma važno i potrebno je odnos temperature i vremena pažljivo kontrolirati. Visok
stepen zagrijavanja rezultira u stvaranju para visokog pritiska unutatr strukture
komada što se rezultira u staranju pukotina i šupljina ili čak i kompletnog prelomu
sinterovanog komada.
Uticaj nečistoća. U tabeli 17. su prikazani uticaji nekih od elemenata na ponašanje
tvrdih metala tokom procesa sinterovanja. Ovi elementi uglavnom su zastali iz
procesa proizvodnje praha ili je došlo do kontaminacije tokom samog procesa
sinterovanja.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
76
Zaključak:
Sinterovanje ili davno zabobarvljena umjetnost postalo ponovo moderno početkom
19 stoljeća te je razvijeno u tolikoj mjeri da se pomoću te tehnologije danas proizvode
dijelovi zapanjujućih karakteristika, ne samo od metala nego i od keramika, biomaterijala,
dijamanata itd. Očekuje se da će sa daljnjim razvojem materijala i nano tehnologije dijamant
spasti na drugo mjesto ljestvice tvrdoće.
Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika
Muhamed Herić II‐22‐JJ/11
77
Literatura:
[1.] „Sintering,Densification,Grain Growth and Microstructure“ Suk‐Joong L.Kang. [2.] „Powder Metal Technologies and Applications“ ASM Handbook [3.] „Cemented Tungsten Carbides Production, Properties, And Testing“ Gopal S.
Upadhyaya [4.] „Powder Metallurgy Technology„ G. S. Upadhyaya. [5.] „Metalurgija Praha“ Prof. dr. sc. Božidar Matijević Fakultet strojarstva i brodogradnje
Zavod za materijale [6.] „Lifetime Controlling Defects in Tool Steels“ Christian Rudolf Sohar [7.] „Mechinability of powder metallurgy steels“ A. Šalak, M. Selecká and H. Danninger [8.] „Sintering – Methods And Products“ Volodymyr Shatokha [9.] „Some Critical Issues For Injection Molding“ Jian Wang [10.] „Sintering Densification,Grain Growth, and Microstructure“ Suk‐Joong L.Kang [11.] „Sintering of advanced materials“ Zhigan Zak Fang [12.] www.gigapedia.org [13.] www.efunda.com/
Top Related