2 Metalurgija Praha (1)

2. Metalurgija praha 2. METALURGIJA PRAHA ..............................................................................1 moguća je masovna proizvodnja dijelova u konačnom obliku (en. net shape) ili blisko konačnom obliku (en. near net shape), bez dodatne obrade skidanjem strugotine .............2 postižu se točnije dimenzije dijelova nego kod većine postupaka lijevanja ..........................2 uniformna sitnozrna struktura ...............................................................................................2 mogu se oblikovati metali koje je teško oblikovati drugim postupcima (žareća nit od volframa za žarulje) ..........................................................................................................2 mali su gubici materijala (oko 3%) .......................................................................................2 moguća je izrada proizvoda od smjese više metala koji nisu međusobno topivi te smjesa metala i keramika (oksidi, vatrootporne keramike) ...........................................................2 moguća je izrada dijelova zadate poroznosti (filtri, ležaji i zupčanici impregnirani uljem za podmazivanje)....................................................................................................................2 automatizacijom procesa mogu se postići velike produktivnosti ..........................................2 visoka je cijena potrebne opreme i alata ...............................................................................2 prahovi metala su skupi ........................................................................................................2 javljaju se specifične poteškoće u skladištenju prahova metala (korozija, opasnost od požara) ..............................................................................................................................2 ograničeni su oblici dijelova koji su mogu izraditi zbog poteškoća lateralnom tečenja praha u kalupu ............................................................................................................................2 javljaju se promjene gustoće, osobito kod dijelova složenih oblika ......................................2 2.1 Osnove metalurgije praha ................................................................................................3 2.2 Postupci sa sinteriranjem ...............................................................................................10 2.3 Postupci bez posebnog sinteriranja ................................................................................16 2.4 Procesi metalurgije praha ..............................................................................................20 Literatura ............................................................................................................................26

Metalurgija praha, (PM ⇐ en. Powder Metallurgy) je tehnologija proizvodnje mehaničkih konstrukcijskih i drugih dijelova od metalnih prahova. Pri tome se odvijaju dva procesa: 1. kompaktiranje – zbijanje metalnog praha u željeni oblik i 2. sinteriranje – povezivanje čestica praha u čvrstu masu. Mehanička su svojstva proizvoda uglavnom jednaka, a nekim slučajevima i bolja od proizvoda istog kemijskog sastava koji su izrađeni rezanjem strugotine, valjanjem ili kovanjem.

01. Uvod II

2

Prednosti

Nedostaci

• 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

• visoka je cijena potrebne opreme i alata • prahovi metala su skupi • javljaju se specifične poteškoće u skladištenju prahova metala (korozija, opasnost od požara) • ograničeni su oblici dijelova koji su mogu izraditi zbog poteškoća lateralnom tečenja praha u kalupu • javljaju se promjene gustoće, osobito kod dijelova složenih oblika

Osnovna su svojstva proizvoda praškaste metalurgije: 1. mala površinska hrapavost (< 63 µm), 2. velika točnost dimenzija (< 0,125 mm), 3. velika složenost oblika, 4. proizvodnost je velik (> 100 dijelova/h) do srednja (> 10, < 100 dijelova/h), 5. proizvedena količina je velika (> 5000 dijelova) do srednja (> 100, < 5000 dijelova), 6. visoki do srednji troškovi. Prema tome, postupci praškaste metalurgije konkuriraju tradicionalnim strojarskim postupcima: skidanju strugotine, preciznom lijevanju, tlačnom lijevanju, kovanju u klupe. U PM se najviše koriste prahovi željeza, čelici i aluminij. Koriste se prahovi od bakra, legura bakra (mjedi, bronce) i super legura (na bazi nikla i kobalta). Također se koriste vatrootporni metali kao što su molibden i volfram. U materijale PM često seuključuju i karbidi metala (wolfram karbid). Tipični su proizvodi PM: zupčanici, lančanici, ležajevi, električni kontakti te različiti dijelovi strojeva (S-2.01). Zbog 2D oblika i potrebe za učinkovitim podmazivanjem, kada se proizvode u velikim količinama, zupčanici i ležajevi su idealni za PM.

(a) primjeri tipičnih proizvoda postupaka praškaste metalurgije (b) gornja prekidna poluga vrtne prskalice, izrađena od bezolovne mjedi – prelaskom s postupka lijevanja u kalupe na postupkom PM postignuta je ušteda od 60 % (c) poklopci glavnih ležaja General Motorsovog motora od 3,8 i 3,1 L (d) pločice za obradu metala rezanjem

Slika S-2.01 Proizvodi netradicionalne strojarske tehnologije

3

Strojarska tehnologija II

Kako bi se ukazalo na izvjesna ograničenja oblika koji se mogu izraditi konvencionalnim postupcima PM, Savez industrije metalurgije praha (MPIF ⇐ Metal Powder Industries Federation) odredio je četiri klase oblika S-2.02.

klasa I klasa II klasa III klasa IV

– jednostavan tanki komad zbijan iz jednog smjera – jednostavan debeo komad koji zahtijeva zbijanje iz dva smjera – komad dvije razine debljine koji se smjera iz dva smjera – komad s više razina debljine, zbija se iz dva pravca s posebnom kontrolom za svaki smjer

Slika S-2. 02 Četiri klase oblika (kružni poprečni presjek)

2.1 Osnove metalurgije praha 2.1.1 Prahovi Prah – fino usitnjene krute čestice. Inženjerski prahovi obuhvaćaju metale i keramike. Geometrijska su im svojstva: • dimenzije i razdioba čestica • oblilik i unutarnja građa čestica • površina čestica

Dimenzije i razdioba čestica Pri određivanju dimenzija i razdiobe čestica prah se prosijava kroz seriju sita različitih dimenzijama kvadratnih otvora (S-2.03). „Broj mesh-a“, MC (en. mesh count – broj otvora) opisuje broj otvora sita po inchu (1 inch = 25,4 mm). Prema tome, sa MC = 100 označava sito koje ima 100 otvora po inchu, odnosno 100 × 100 = 10 000 otvora po kvadratnom inču. U SI jedinicama je to 4 otvora/mm, odnosno 16 otvora/mm 2. Što je veći MC to su sitniji otvori sita i kroz njih će propadati sitnije čestice.

01. Uvod II

4

Slika S-2.03 Čestice praha i sito za sortiranje Proizvode se prahovi dimenzija čestica 10–6 ÷ 0,1 mm. Primjer rezultata analize dimenzija čestica jednog praha prikazan je na S-2.04.

Slika S-2.04 Dimenzije čestica praha

Oblici i građa čestica Oblici i građa čestica u velikoj mjeri ovise o tehnologiji njihove proizvodnje S-2.05.

Slika S-2.05 Čestice praha Tehnološka su svojstva praha: • sposobnost tečenja – ovisi o veličinama i oblicima čestica te dodanim vezivima, a od sposobnosti tečenja ovisi učinkovitost popunjavanja kalupa • sposobnost sabijanja – ovisi o veličinama i oblicima čestica, a od prahova s većim sposobnostima sabijanja se dobivaju proizvodi veće gustoće i čvrstoće • sposobnost sinteriranja – pokazatelj je povećavanja čvrstoće veza među česticama prha, smanjenja poroznosti i povećanja gustoće proizvoda pri sinteriranju

5

Strojarska tehnologija II

Uzajamno trenje i tečenje čestica Uzajamno trenje čestica može se utvrditi prema kutu nagiba hrpe koja se formira pri izlijevanju praha kroz uski lijevak (S-2.06). Veći kutovi ukazuju na veće uzajamno trenje čestica.

Slika S-2.06 Određivanje uzajamnog trenja čestica Opažanja: • manje dimenzije čestica formiraju manji kut – imaju veće uzajamno trenje • čestice praha sfernog oblika imaju najmanja uzajamna trenja • s odstupanjem oblika čestica praha od sfernog rastu njihova uzajamna trenja

Gustoća praha Treba razlikovati: • Stvarnu gustoću – masu neto volumena čestica praha. Neto volumen bi se mogao dobiti taljenje/skrućivanjem praha u krutinu bez pora. • Volumnu gustoću – masu bruto volumena nasutih čestica praha. Bruto volumen je veći od neto volumena zbog prisutnosti praznih prostora između čestica, te je volumna gustoća manja od stvarne gustoće. Faktor pakiranja dobiva se diobom volumne gustoće sa stvarnom gustoćom (koja je veća od volumne). faktor pakiranja = volumna gustoća / stvarna gustoća < 1 Prema tome, faktor pakiranja je uvijek manji od 1. • tipične su vrijednosti faktora pakiranja prahova prije kompaktiranja 0,5 ÷ 0,7 • kada su u prahu prisutne čestice različitih veličina, sitnije čestice se uklapaju u međuprostore koje formiraju veće čestice povećavajući time faktor pakiranja • faktor pakiranja se može povećati vibriranjem praha, što dovodi do većeg slijeganja • tlak kompaktiranja praha u velikoj mjeri povećava faktor pakiranja uslijed preraspoređivanja i deformiranja čestica Poroznost – omjer volumena pora (praznih prostora) prema bruto volumenu. Načelno je: poroznosti + faktora pakiranja = 1 Međutim, određivanje poroznosti komplicira prisutnost pora u samim česticama. Kada su čestice bez pora gornja jednadžba je točna.

01. Uvod II

6

Prahovi materijala koji se koriste u PM su skuplji od komadnih materijala jer se za dobivanje prahova moraju ulagati dodatne energije. U skladu s tim, PM je konkurentna samo u određenim granicama primjena. U provedbi postupaka PM koristi se prahovi različiti kemijskih sastava. 1. Elementarni – sadrže samo jedan kemijski element i koriste se kada je potrebno postići visoku čistoću proizvoda. Uobičajeni su elementarni prahovi od: • željezo, • aluminij i • bakar. 2. Smjese – za dobivanje specijalnih legura, koje je teško dobiti na konvencionalne načine, miješaju se čestice više elementarnih prahova. Primjer su alatni čelici. 3. Predlegirani prahovi – sastav čestica praha odgovara po sastavu leguri koju je teško dobiti miješanjem čestica više elementarnih prahova. Uobičajeni su predlegirani prahovi od: • nehrđajućeg čelika, • određene legure bakra i • brzorezni alatni čelici .

2.1.2 Proizvodnja praha Skoro se svi metali mogu proizvesti u obliku praha, a proizvodnjom se prahova bave specijalizirane tvrtke koje se ne bave izradom dijelova od prahova. U proizvodnji prahova koriste se tri su osnovna postupka: 1. atomizacija 2. kemijski 3. elektrolitički. Dodatno se čestice usitnjavaju mehaničkim postupcima. Koriste se četiri postupka atomizacije (S-2.07): (a) plinom (b) vodom (c) centrifugalna s rotirajućim diskom (d) rotirajućom potrošnom elektrodom Na S-2.08 su prikazana zrna dva praha snimljena na elektronskom mikroskopu.

7

Strojarska tehnologija II

Slika S-2.07 Postupci atomizacije

čestice praha Fe dobivenog atomizacijom plinom iz taljevine

čestica praha Ni superlegure (Udimet 700) dobivenog atomizacijom rotirajuće elektrode

Slika S-2.08 Čestice praha snimljene na elektronskom mikroskopu Sličan je prethodnom postupku automatizacije plinom i postupak prikazan na S-2.09.

01. Uvod II

8

Slika S-2.09 Atomizacija s plinom Postupci su mehaničkog mrvljenja su prikazani slikovitim shemama na S-2.10 (a) među obrtnim valjcima (b) u mlinu s kuglama (c) u mlinu s čekićima

Slika S-2.10 Mehaničko mrvljenje praha Zbog jakog abrazivnog djelovanja prahova, za njihovo se miješanje ne koriste miješalice s rotirajućim propelerima nego samo rotirajuće ili preturajuće komore. Na S-2.11 su prikazani: (a) oblici rotirajućih komora u kojima se miješaju prahovi i (b) miješalica s kuglama za pripremu mješavine metalnih prahova.

oblici komora za miješanje

miješalica s kuglama

Slika S-2.11 Oprema za miješanje prahova

9

Strojarska tehnologija II

Na S-2.12 ilustrirano je o mehaničko legiranje krupnijih čestica nikla s dispergiranim sitnijim česticama. Između čeličnih kugli čestice nikla se spljošćuju i u njihovu se površinu utiskuju dodatne sitne čestice. Tijekom vremena, uslijed ponavljanog spljoštivanja, lomljenja i zavarivanja dodatne sitnije čestice se ravnomjerno raspoređuju u krupnijim česticama nikla.

S-2.12 Mehaničko legiranje čestica nikla

2.1.3 Postupci praškaste metalurgije Tehnologija praškaste metalurgije, uključivo pripremu prahova i doradu komada prikazana je na S-2.13., a postupci su praškaste metalurgije klasificirani na S-2.14.

S-2.13 Tehnologija praškaste metalurgije

S-2.14 Postupci praškaste metalurgije

01. Uvod II

10

2.2 Postupci sa sinteriranjem

S-2.15 Blok shema proizvodnje PM sa sinteriranjem

2.2.1 Konvencionalni postupak prešanje/sinteriranje Po nabavi prahova, kod konvencionalnog postupka PM (prešanje te potom sinteriranje) provede se tri koraka: 1. mješanje – formiranje homogene mješavine prahova • mješavina obuhvaća prahove različitih krupnoća zrna i/ili • prahove različitih kemijskih sastava 2. kompaktiranje – zbijanje mješavine prahova uz oblikovanje zadate geometrije 3. sinteriranje – grijanje kompaktiranog komada do temperature ispod tališta kako bi se uspostavile krute veze čestica i time očvrsnuo komad. Po potrebi, obavljaju se dodatne operacije kojima se povećava točnost, gustoća ili pak neko drugo svojstvo.

redovi: (a) stanje čestica, (b) operacije kolone: (1) miješanje, (2) kompaktiranje, (3) sinteriranje S-2.16 Konvencionalni postupak PM

11

Strojarska tehnologija II

Kompaktiranje u kalupu Kod kompaktiranja se pod visokim tlakom prah zbija i oblikuje željena geometrija: • konvencionalna je operacija kompaktiranja prešanje kod koga naspramni žigovi zbijaju prah koji se nalazi u kalupu • komad nakon prešanja naziva se „zeleni komad“ (en. „green compact“), pri čemu se sa „zeleni“ naglašava kako postupak nije dovršen • čvrstoća zelenog komada je dovoljna da bi se njime moglo rukovati ali je daleko manja od one koja se postiže nakon sinteriranja Zahvati kompaktiranja praha u kalupu uz oblikovanje pločice prikazani su na S-2.17, a uz oblikovanje čahure na slici S-2.18. Na slici S-2.19 prikazani su alati za kompaktiranje praha uz oblikovanje zupčanika s pravim zubima.

(1) punjenje šupljine s prahom automatiziranom hranilicom (en. feeder) (2) početak zbijanja, (3) kraj zbijanja i (4) izbacivanje komada S-2.17 Kompaktiranje praha uz oblikovanje pločice

Slika S-2.18 Kompaktiranje praha uz oblikovanje čahure

01. Uvod II

12

Slika S-2.19 Alati za kompaktiranje zupčanika s pravim zubima Na S-2.20 prikazane su promjene gustoće metalnog praha kod jednostranog djelovanja a) te dvostranog djelovanja: b), c) i d). Opaža se postizanje veće uniformnosti kod dvostranog djelovanja pomoću 1 + 2 žiga s odvojenim gibanjem d) u odnosu na dva žiga c). Načelno je pogodnija veća uniformnost, ali u nekim slučajevima mogu biti poželjne promjenjive gustoće te time i svojstava. Izobare u kompaktiranom prahu bakra s jednostranim djelovanjem prikazane su na S-2.20, e.

Slika S-2.20 Uniformnost kompaktiranog praha Mehanička preša, maksimalne sile 7,3 MN, za kompaktiranje prahova metala prikazana je na slici S-2.21.

Slika S-2.21 Mehanička preša za kompaktiranja praha

13

Strojarska tehnologija II

Sinteriranje komada Zeleni komad se stavlja u peć te u kontroliranoj atmosferi zagrijava do temperature malo ispod tališta praha. • Uobičajeno je zagrijavanje zelenog komada do 70 ÷ 90 % apsolutne temperature tališta metala. • Do sinteriranja i spajanja zrna praha dolazi uslijed smanjivanja površinske energije čestica praha te brzog gibanje sadržanih atoma pri visokim temperaturama u zoni dodira čestica. • Do smanjivanja volumena komada tijekom sinteriranja dolazi uslijed smanjivanja dimenzija pora. Što je vrijeme sinteriranja duže, prah postaje sve čvršće metalurški vezan, dok ne postigne svojstva usporediva sa svojstvima lijevanih ili kovanih materijala istog kemijskog sastava. Faze operacije sinteriranja prikazane su na S-2.22 i S-2.23.

(1) inicijalizirano je spajanje čestica u točkama dodira, (2) točke dodira prerastaju u „vrat“ (en. neck) (3) smanjuju se dimenzije pora između čestica praha (4) u zonama vrata formiraju se granice zrna Slika S-2.22 Faze operacije sinteriranja metalnog praha

(a) prijenos materijala u krutoj fazi, (b) prijenos materijala u tekućoj fazi Slika S-2.23 Mehanizmi sinteriranja metalnog praha

Dodatni postupci Dodatne su operacije obrade nakon sinteriranja komada: 1. mehaničke 2. difuzijske

01. Uvod II

14

U mehaničke operacije spadaju: • dodatno prešanje (en. repressing) – sinterirani se komad preša u zatvorenom kalupu kako bi mu se povećala gustoća i poboljšala svojstva • dimenzioniranje (en. sizing) – sinterirani komad se preša kako bi se uklonile deformacije nastale nakon hlađenja komada prethodno zagrijanog do visoke temperature sinteriranja, te postigla zadata točnost mjera • fino kovanje (en. coining) – u zoni površine komada se utiskuju određeni detalji • obrada rezanjem strugotine – izrada detalja komada koji nisu mogli biti oblikovani pri kompaktiranju, na primjer, zavojnice ili poprečne rupe Poroznost je jedinstveno i nerazdvojivo svojstvo komada proizvedenih postupcima PM. Sadržane pore se mogu iskoristiti kako bi se dobili specijalni proizvodi ispunjavanjem pora difuzijom ulja, polimera ili metala. U difuzijske operacije spadaju: • impregnacija – ispunjavanje pora (šupljina) uljem ili nekim drugim fluidom koji ispunjava pore sinteriranog komada: – uljem se ispunjavaju pore uzajamno pokretnih dijelova (zupčanici, ležajevi) te time (podmazivanjem) smanjuje trenje i trošenje – polimerom u tekućem stanju se ispunjavaju pore kako bi po skrućivanju polimera komad postao nepropustan • infiltracija – ispunjavanje pora (šupljina) komada dodatnim metalom (legurom) – tališta dodatnih metala kojima se pune pore moraju biti niža od tališta osnovnog metala sinteriranog komada – uz grijanje dodatni metal se kapilarno uvlači u pore sinteriranog komada s kojim se nalazi u dodiru – postignuta građa je nakon infiltracije relativno neporozna i uniformnije je gustoće te veće čvrstoće i žilavosti

2.2.2 Hladno izostatičko prešanje Kod hladnog izostatičkog prešanja – CIP (en. Cold Isostatic Pressing) prah se preša pod djelovanjem tlaka fluida od 400 MPa do 1 G Pa. Na slici S-2.24 prikazana je slikovita shema CIP postupka.

(a) kompaktiranje u vlažnom kalupu i (b) kompaktiranje u suhom kalupu Slika S-2.24 CIP postupak – hladno izostatičko prešanje u elastičnom klupu

15

Strojarska tehnologija II

Kod postupka (a) – S-2.24 prahom metala se puni prostor između krute centralne jezgre i stjenke elastičnog gumenog kalupa. Po punjenju, gumeni kalup se spušta u fluid koji se nakon toga tlači. Elastični gumeni kalup kod postupka (b) ne dolazi u dodir s fluidom a tlači se pregradu.

Slika S-2.25 Kompaktiranje cijevi CIP postupkom

2.2.3 Injekcijsko prešanje metala Injekcijsko prešanje metala – MIM (en. Metal Injection Moulding), može se opisati slikovitom shemom – S-2.25.

Slika S-2.24 MIM postupak – injekcijsko prešanje metala Opće su karakteristike MIM postupka: • može se prešati ograničen broj metala: niskolegirani i nehrđajući čelici, legure za meke magnete, mjedi, bronce, , čisti nikal, elektroničke legure željeza s 36 % nikla (Invar) i željeza nikla i kobalta (Kovar), W-Cu te WC • postupak je pogodan za manje komade velike složenosti oblika za proizvodnju srednjih do velike količina • skuplji je od konvencionalnog postupka prešanja u kalup

2.2.4 Kompaktiranje valjanjem

01. Uvod II

16

Postupak sabijanja valjanjem se primjenjuje za izradu zelenih traka S-2.25. Na taj se način izrađuju trake od legura za meke magnete.

Slika S-2.25 Kompaktiranje valjanjem Korak kompaktiranja slijedi sinteriranje u peći S-2.25. Namjena je usmjernih pregrada ravnomjerno raspoređivanje praha po cijeloj širini prešane trake.

Slika S-2.25 Kompaktiranje valjanjem

2.3 Postupci bez posebnog sinteriranja 2.3.1 Kovanje praha Postupku kovanja praha – PF (en. Powder Forging) prethodi izrada zelenog komada konvencionalnim prešanjem u kalupu. Nakon toga slijedi toplo kovanje u zatvorenom ukovnju kako bi se dovoljnom deformacijom metala gotovo potpuno eliminirale pore. Postupak se može primijeniti za metale koji se toplo kuju. Primjena je ograničena na proizvodnju srednjih do velikih dijelova u velikim količinama (npr. automobilska industrija).

2.3.2 Vruće izostatičko prešanje Kod vrućeg izostatskog prešanja – HIP (en Hot Isostatic Pressing) objedinjene su operacije kompaktiranja i sinteriranja. Slikovita shema operacija postupka HIP dana je na S2.26. Na S-2.27 prikazan je dijagram s promjenama tlaka i temperature tijekom operacija postupka HIP.

17

Strojarska tehnologija II

1. kalupa, 2. vakuumizacija u peći, (3) vruće izostatsko prešanje, (4) uklanjanje omotača Slika S-2.26 HIP postupak – vruće izosatatsko prešanje U HIP postupcima se koriste omotači (en. envelope) određenog oblika koji se nakon operacije vrućeg izostatskog prešanja uklanjaju. Omotači se izrađuju • od metalnog lima – kod jednostavnih oblika • ili od stakla – kod složenijih oblika Kod vrućeg izostatičkog prešanja (engl. HIP –) prah se preša i zagrijava. Tijekom procesa tlak se može mijenjati od niskog vakuuma do 2 000 bara, a temperatura od temperature okoliša do 2200 °C.

Slika S-2.27 Operacije HIP postupka – promjene tlaka i temperature Kako bi peć (S-2.28) u kojoj se provodi HIP postupak mogla izdržati visoke tlakove, ona je radijalno i aksijalno ojačana snopovima prednapetih žica.

Slika S-2.28 Peć za provedbu HIP postupaka

01. Uvod II

18

Postupak HIP se primjenjuje za: • uklanjanje poroznosti odljevaka • pomlađivanja (en. rejuvenation) dijelova kojih je tijekom rada došlo do puzanja (na primjer, lopatice turbina) • difuzijsko spajanje različitih metala te metala i keramike Prednosti su HIP postupka: • nogu se uspješno izraditi u konačnom ili gotovo konačnom obliku (en. net shape, near net shape) i komadi komadi složenih geometrija iz teško topivih metala (pri visokim temperaturama i tlakovima dovedeni su u plastično stanje)

Slika S-2.28 Podizač ventila jako opterećenog (en. heavy-duty) dizel motora s volframkarbidnom pločicom proizvedenom HIP postupkkom

2.3.3 Injekcijsko oblikovanje u polučvrstom stanju Od nekoliko injekcijskih postupaka oblikovanja u polučvrstom stanju (engl. Semi-Solid Injection Moulding) najpoznatiji je Thixomoulding® → postupak prešanja iz tjestastog stanja koji objedinjuje elemente tlačnog lijevanja i injekcijskog prešanja plastomera. Ovaj postupak je najprije ispitan i uveden za Mg legure, a mogu se još oblikovati Al i Zn legure. Za razliku od MIM postupka ovdje se ne koristi vezivo za metalni prah i nije potrebno sinteriranje. Faze su postupka Thixomoulding: • reolijevanje (engl. rheocasting) U fazi reolijevanja magneto-hidrodinamičko miješanje legure na rubu skrućivanja omogućuje "tiksotropnu" strukturu tj. strukturu bez dendrita. • ugrijavanje (engl. reheating) U drugoj fazi metalni poluproizvod se indukcijski grije. Kad postigne tjestasto stanje on sadrži jednake dijelove taljevine i krutine. • oblikovanje (engl. forming) U trećoj se fazi s tim tjestastim materijalom formira u odgovarajućem kalupu gotovi dio. Stroj za prešanje u polučvrstom stanju je prikazan slikovitom shemom.

19

Strojarska tehnologija II

Tehničke i ekonomske prednosti Thixomoulding® postupka omogućuju proizvodnju vrlo kompliciranih i raznolikih proizvoda iz područja kompjutorskog hardware-a, mobilnih telefona, raznih optičkih aparata (kamera), automobilske i avio-industrije Prednosti su ovog postupka: povećana točnost i iskoristivost materijala u odnosu na tlačno i precizno lijevanje; daje lagane, visoko čvrste i žilave proizvode, a pri upotrebi magnezijskih legura ostvaruje dobru izolaciju od radio-frekvencijskih valova; daje proizvode visoke kvalitete izrađene na gotovu mjeru s uskim tolerancijama i smanjenim stezanjem materijala, smanjenim zaostalim napetostima i deformacijama proizvoda; omogućuje proizvodnju tankih stjenki do 0,5 mm debljine; daje visoku ponovljivost i kod kompleksnih oblika.

2.3.4 Oblikovanje naštrcavanjem Postupak oblikovanja raspršivanjem (engl. Spray-forming technique) izvodi se kontroliranim naštrcavanjem taljevine materijala, atom po atom, na odgovarajući kalup pomičan u više osi. � Taj je postupak prikladan za predmete manjih dimenzija od teško topljivih materijala koji se izrađuju pojedinačno ili u malim serijama.

01. Uvod II

20

Spray casting (Osprey process) in which molten metal is sprayed over a rotating mandrel to produce seamless tubing and pipe.

2.4 Procesi metalurgije praha • • • • • • • • •

The shape of the compact must be kept as simple and uniform as possible. Provision must be made for ejection of the green compact without damaging the compact. P/M parts should be made with the widest acceptable tolerances to maximize tool life. Part walls should not be less than 1.5 mm thick; thinner walls can be achieved on small parts; walls with length-to-thickness ratios above 8:1 are difficult to press. Steps in parts can be produced if they are simple and their size doesn’t exceed 15% of the overall part length. Letters can be pressed if oriented perpendicular to the pressing direction. Raised letters are more susceptible to damage in the green stage and prevent stacking. Flanges or overhangs can be produced by a step in the die. A true radius cannot be pressed; instead use a chamfer. Dimensional tolerances are on the order of ±0.05 to 0.1 mm. Tolerances improve significantly with additional operations such as sizing, machining and grinding.

Die geometry and design features for powder-metal compaction. Examples of P/M parts, showing poor designs and good ones. Note that sharp radii and reentry corners should be avoided and that threads and transverse holes have to be produced separately by additional machining operations.

21

Strojarska tehnologija II

Examples of P/M parts, showing various poor and good designs. Note that sharp radii and reentry corners should be avoided, and that threads and transverse holes have to be produced separately, by additional operations such as machining or grinding.

01. Uvod II

22

(a) Design features for use with unsupported flanges. (b) Design features for use with grooves.

The use of abrupt transitions in molds for powder injection molding causing non-uniform metal-powder distribution within a part.

2.4.1 Prešanje

Coordinate system and stresses acting on an element in compaction of powders. The pressure is assumed to be uniform across the cross-section. Resultant pressure distribution:

23

Strojarska tehnologija II

(a) Density of copper- and iron-powder compacts as a function of compacting pressure. Density greatly influences the mechanical and physical properties of P/M parts. Source: After F.V. Lenel. (b) Effect of density on tensile strength, elongation, and electrical conductivity of copper powder. (IACS is International Annealed Copper Standard for electrical conductivity.)

2.4.2 Sinteriraranje Heated in a controlled atmosphere to a temperature below its melting point, but sufficiently high to allow bonding of individual particles

Schematic illustration of two basic mechanisms in sintering metal powders: (a) solid-state material transport and (b) liquid-phase material transport. R=particle radius, r=neck radius, and ρ =neck profile radius.

01. Uvod II

24

Sintering temperature and time for various metal powders • Grain growth • Bond • Diffusion • Pore ⇔ • Plastic flow strength shrinkage • Evaporation of volatile materials in the compact • Recrystallization • Increase of sintering time(temperature) ◊ increase of elongation and dimensional change from die size

Effect of sintering temperature and time on (a) elongation and (b) dimensional change during sintering of type 316L stainless steel. Source: ASM International

2.4.3 Usporedba postupaka metalurgije praha

25

Strojarska tehnologija II

Process capabilities of part size and shape complexity for various P/M operations; P/F is powder forging.

Compacting Pressures for Various Metal Powders

Typical mechanical properties of selected P/M materials

01. Uvod II

Mechanical property comparison for Ti-6Al-4V titanium alloy

Literatura 1. Kolumbić Z., Tomac N.: Materijali – podloge za diskusiju; Sveučilište u Rijeci; Filozofski fakultet, Odsjek za politehniku, Rijeka 2005; http://www.ffri.hr/~zvonimir/. 2. Cukor G.: Proizvodne tehnologije; Sveučilište u Rijeci; Tehnički fakultet; http://www.riteh.hr/zav_katd_sluz/zvd_pro_stroj/djelatnici/gcukor_predavanja/, skinuto 24.10.2008.

26