tehn pieselor siterizate paunoiu

Upload: dana-roman

Post on 31-Oct-2015

328 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

  • Universitatea Dunrea de Jos din Galai

    Galai - 2010

  • Departamentul pentru nvmnt la Distan i cu Frecven Redus Facultatea de Mecanica Specializarea Inginerie Economica Industriala Anul de studii III/ Forma de nvmnt IFR

  • iii

    CUPRINS

    Pag. Cuprins ... iii 1. Introducere 1 1.1. Obiectul i domeniile de aplicaii ale pieselor sinterizate . 1 1.2. Definirea tehnologiei . 2 1.3. Avantajele tehnologiei .. 4 2. Fabricarea pulberilor metalice . 5 2.1. Procedee mecanice de fabricare .. 5 2.1.1. Mcinarea ....... 5 2.1.1.1. Mcinarea n mori cu bile .... 6 2.1.2. Pulverizarea . 7 2.1.2.1. Pulverizarea cu ap ...... 8 2.1.2.2. Pulverizarea cu gaz ...... 9 2.2. Procedee chimice de fabricare 11 2.2.1. Reducerea .... 11 2.2.1.1. Reducerea cu carbon 11 2.3. Electroliza soluiilor de sruri 13 3. Proprieti ale pulberilor metalice 15 3.1. Generaliti . 15 3.2 Mrimea particulelor de pulbere 17 3.2.1. Metode de msurare a mrimii particulelor 18 3.2.1.1. Metoda cernerii 18 3.2.1.2. Metoda microscopic ... 19 3.2.1.3. Metoda conductivitii electrice .. 19 3.2.1.4. Metoda sedimentrii 20 3.3. Forma particulei. Metode de determinare . 21

  • iv

    3.4. Proprieti chimice 22 3.5. Proprieti tehnologice ale pulberilor 23 3.5.1. Fluiditatea 23 3.5.2. Densitatea pulberii .. 24 3.5.3. Compresibilitatea pulberii .. 26 4. Formarea pulberilor .. 29 4.1. Introducere .... 29 4.2. Presarea axial a pulberilor ... 29 4.2.1. Mecanisme de densificare .. 30 4.2.2. Calculul presiunii axiale . 30 4.2.3. Forta de eliminare si revenirea elastica a semifabricatului

    presat ... 32 4.2.4.Tehnologia presrii ...... 34 4.2.4.1. Alimentarea matriei ... 34 4.2.4.2. Presarea pulberii . .... 36 4.2.4.3. Eliminarea semifabricatului presat ...... 38 4.2.5. Proiectarea formei presatului . 38 4.2.6. Controlul calitii presatelor . . 41 4.2.7. Prese pentru presarea n matri a pulberilor .. 42 4.3. Presarea izostatic ...... 43 4.4. Procedee de presare cu energii ridicate . 46 4.4.1. Deformarea cu explozivi brizani ... 46 4.4.2. Deformarea cu impulsuri magnetice .. 47 4.4.3. Presarea electrohidraulic .. 47 4.5. Procedee de formare far aplicarea presiunii 48 4.5.1. Turnarea n forme de ipsos . 48 4.5.2. Sinterizarea selectiv cu laser . 49 5. Sinterizarea 51 5.1. Definirea tratamentului de sinterizare.................... 51 5.2. Stadiile procesului de sinterizare 52 5.3. Tehnologia tratamentului de sinterizare ......................................... 55 5.3.1. Parametri tratamentului de sinterizare ............................ 55

  • v

    5.3.2. Medii protectoare ............................ 56 5.4. Definirea conceptului de sinterizabilitate. Indici de apreciere .. 57 5.4.1. Influena proprietilor iniiale ale pulberii ..... 57 5.4.2. Influena proprietilor presatelor ... 58 5.4.3. Influena parametrilor sinterizrii ... 59 5.5. Utilaje de sinterizare ... 59 6. Procede de formare a pulberilor pentru obinerea pieselor cu densitate

    ridicat .. 61 6.1. Presarea la cald a pulberilor .......................................................... 61 6.1.1. Particulariti constructive ale echipamentelor

    de presare ........................................................................ 61 6.1.2. Puterea necesar pentru nclzire 64 6.2. Injectarea pulberilor metalice . 66 6.2.1. Definirea tehnologieie de injectare a pulberilor metalice 66 6.2.2. Caracterizarea amestecurilor de pulberi utilizate

    la injectare ....................................... 67 6.2.3. Tehnologia injectrii pulberilor metalice ........................ 68 6.2.3.1. Amestecarea ...................................................... 68 6.2.3.2. Injectarea ............................................................ 69 6.2.3.3. Delubrifierea ...................................................... 71 6.2.3.4. Sinterizarea ........................................................ 74 6.2.4. Proiectaea formei pieselor injectate din pulberi .. 75 6.2.5. Maini pentru injectarea pulberilor metalice .. 75 6.3. Forjarea pieselor sinterizate .. 76 6.3.1. Materiale pentru forjarea pulberilor.... 78 6.3.2. Tehnologia forjrii .. 79 6.3.2.1. Presarea pulberii .............................................. 79 6.3.2.2. Sinterizarea ...................................................... 80 6.3.2.3. Forjarea ............................................................ 81 6.4. Presarea izostatic la cald .. 83 6.4.1. Echipamentul pentru presare izostatic la cald .............. 84

  • vi

    7. Operaii secundare aplicate pieselor sinterizate 87 7.1. Prelucrri mecanice de deformare . 87 7.2. Tratamente termice de suprafa 90 7.2.1. Impregnarea 90 7.2.2. Infiltrarea 90 7.2.3. Colorarea 90 7.2.4. Tratamentul cu abur 91 7.2.5. Placarea ... 91 7.3. Tratamente termice 91 7.4. Prelucrri prin achiere . 92 7.5. Debavurarea .. 92 7.6. Procedee de asamblare ... 93 7.6.1. Brazarea .. 93 7.6.2. Sudarea 95 7.6.3. Asamblarea prin difizie ... 95 8. Aplicaii specifice pieselor sinterizate . 99 8.1. Materiale sinterizate de nalt porozitate .. 99 8.1.1. Elemente de tehnologia materialelor sinterizate

    permeabile .......... 100 8.1.2. Proprieti specifice materialelor poroase permeabile 100 8.1.3. Utilizarea materialelor poroase permeabile 102 8.2. Buce sinterizate autolubrifiante 104 8.2.1. Materiale utilizate n construcia bucelor sinterizate . 107 8.2.2. Elemente de tehnologie specifice bucelor sinterizate 108 8.3. Piese de rezisten sinterizate . 109 9. Aspecte economice n fabricarea pieselor sinterizate 111 Bibliografie .. 113

  • Introducere

    1

    CAPITOLUL 1

    INTRODUCERE

    1.1. OBIECTUL I DOMENIILE DE APLICAII ALE PIESELOR SINTERIZATE

    Un material se consider economic dac ndeplinete urmtoarele condiii: 1. corespunde cerinelor tehnice; 2. prelucrarea lui se face fr dificultate; 3. i se pot aplica prelucrri ulterioare, mecanice i/sau termice; 4. preul lui i al piesei fabricate din el este ct mai sczut posibil. Din categoria materialelor economice fac parte i materialele sinterizate,

    materiale care stau la baza fabricrii pieselor sinterizate. n accepiunea general expresia piesa sinterizat definete o component

    fabricat din materiale care n stare primar sunt sub form de pulbere sau de granule.

    Dac se consider drept criteriu de clasificare a tehnologiilor de formare, starea primar a materialului utilizat, atunci conform standardului german DIN 8580, tehnologia de obinere a pieselor sinterizate face parte din grupa D a tehnologiilor de formare a materialelor (figura 1.1).

    Fig. 1.1. Clasificarea tehnologiilor de formare a materialelor (DIN 8580)

    TEHNOLOGII DE FORMARE A

    MATERIALELOR

    A. Din faz gazoas sau din vapori

    C. Din condiii de ionizare prin elctro-depuneri

    B. Din lichid, suspensie sau past

    D. Din faz solid (granule sau pulbere)

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    2

    1.2. DEFINIREA TEHNOLOGIEI Tehnologia de obinere a pieselor sinterizate se ocup de transformarea pulberii metalice ntr-o component mecanic ca urmare a aplicrii unor procedee de formare i sinterizare. Procesul de obinere a pieselor sinterizate cuprinde trei operaii principale: amestecarea, formarea i tratamentul termic de sinterizare (figura 1.2).

    n funcie de cerinele dimensionale i de exploatare ale piesei sinterizate se stabilete pulberea metalic i aditivii (lubrifiani, elemente de aliere, liani) ce urmeaz a fi folosii.

    Operaia de amestecare are ca scop obinerea unui amestec ct mai omogen i uniform.

    Pulberea este amestecat cu lubrifiani de tipul stearailor sau parafinelor. Cantitatea de lubrifiant este cuprins ntre 0,51,5% din cantitatea total de amestec. Principala funcie a lubrifianilor este de a reduce frecarea dintre pulbere i pereii matriei i de a reduce fora necesar eliminrii semifabricatului din matri.

    Elementele de aliere sunt introduse ca o alternativ la pulberilor prealiate. Introducerea acestora sub form de pulbere garanteaz pe de-o parte meninerea naltei compresibiliti a pulberii de fier, iar pe de alt parte este nlturat duritatea pe care elementele de aliere o confer pulberilor prealiate. Cel mai utilizat element de aliere este pulberea de grafit.

    Lianii mresc adeziunea dintre particule mbuntind comportarea la presare a pulberilor.

    Operaia de formare se poate desfura la cald sau la rece, cu prezena sau fr prezena presiunii. Metoda cea mai utilizat n obinerea pieselor pentru construcia de maini este presarea la rece n matri. n urma presrii rezult un semifabricat care are aceeai form cu piesa final. Rezistena acestuia este sczut pentru c ntre particulele de pulbere nu exist dect coeziune mecanic. Aceasta rezisten garanteaz posibilitatea transportului i mnuirii semi-fabricatelor n condiii de siguran.

    Valoarea presiunii aplicate asupra pulberii este cuprins ntre 150-800 MPa. n funcie de tipul pulberii folosite, densitatea semifabricatului presat poate s ajung la 93% din densitatea ei teoretic.

    Utilizarea presrii la cald, la temperaturi de 130-1500C, conduce la creterea densitii semifabricatului cu pn la 0,2 g/cm3. Totodat, semifabricatele obinute prin presare la cald au o rezisten mult mai mare n comparaie cu semifabricatele presate la rece, acestea putnd fi prelucrate mecanic nainte de sinterizare.

    Presarea izostatic conduce la obinerea unor piese de densitate uniform i ridicat datorit aplicrii aceleiai presiuni pe toate direciile. Presarea are loc n matrie flexibile, metalice sau din cauciuc, care sunt supuse presiunii unui fluid. Presarea poate avea loc la rece sau la cald.

  • Introducere

    3

    Injectarea pulberilor metalice este cea mai nou tehnologie de obinere a pieselor sinterizate. Procedeul asigur fabricarea unor piese de form complex, de precizie i de densitate ridicat. Grosimile pereilor pieselor pot s fie sub 1 mm iar diametrele gurilor poate fi de ordinul fraciunilor de milimetru. Costurile unitare ale pieselor sunt mai mari n comparaie cu cele ale pieselor obinute prin procedeele de presare amintite mai sus de aceea tehnologia se recomand pentru serii de fabricaii mari i de mas.

    Sinterizarea este tratamentul termic care se desfoar n atmosfer

    controlat, la o temperatur mai sczut dect punctul de topire al componentului principal din pulbere. Pentru aliajele de fier, temperatura de sinterizare este cuprins de obicei ntre 1100-11500C. Timpul de sinterizare este cuprins ntre 10 i 60 min.

    Principalele mecanisme la sinterizare sunt difuzia de suprafa i de volum. Prin difuzie, se obine o pies cu structur cristalin, poroas. Datorit fenomenelor termice, porii din material se rotunjesc i porii mici dispar n favoarea celor mai mari.

    Pulberi metalice elementare sau aliate

    Aditivi ( lubrifiani, elemente de aliere, liani)

    Formare la cald (presare izostatic, presare

    n matri, extrudare)

    Formare la rece (presare n matri, presare

    izostatic, laminare, injectare)

    Produs final

    Operaii secundare (calibrare, represare, impregnare, achiere,

    forjare, tratamente termice i de

    suprafa)

    Fig. 1.2. Schema tehnologiei de obinere a pieselor sinterizate

    Amestecare

    Sinterizare

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    4

    Sinterizarea se desfoar n afara zonei de presare, utiliznd de obicei cuptoare tip tunel. Prezena atmosferei de protecie este obligatorie pentru evitarea oxidrii semifabricatelor.

    n urma tratamentului termic de sinterizare, piesa capt o structur uniform i proprietile mecanice necesare n exploatare.

    Operaiile secundare se aplic pentru: mbuntirea preciziei i calitii suprafeei, modificarea formei, mbuntirea proprietilor stratului superficial, mbuntirea caracteristicilor mecanice, realizarea proprietilor de auto-lubrifiere, protecia anticoroziv, asamblare.

    1.3 AVANTAJELE TEHNOLOGIEI

    n ultimii 30 de ani au fost aduse importante mbuntiri procesului tehnologic de obinere a pieselor sinterizate. Aceste mbuntiri confer tehnologiei urmtoarele avantaje:

    - utilizarea complet a materiei prime n comparaie cu alte procedee de fabricare n care utilizarea materialului se face n proporie de maxim 50%

    - consum energetic redus; - obinerea de piese de forme complexe de precizie ridicat, mergnd

    pn n clasa IT3, i calitate bun a suprafeei, eliminnd astfel prelucrrile mecanice necesare altor procedee de fabricare;

    - reproductibilitate ridicat, chiar i n cazul pieselor complicate ca form;

    - flexibilitate n proiectare i n fabricare. Utilizarea CAD-CAPP-CAM asigur o proiectare rapid a echipamentelor, a utilajelor i tehnologiilor de presare i sinterizare. Echiparea utilajelor de presare cu adaptoare asigur importante economii n pregtirea fabricaiei;

    - proprieti izotrope datorit structurii; - proprieti mecanice superioare: duritate ridicat, mergnd pn la 60-

    65 HRC, rezistena la rupere i impact, proprieti la uzur i alungire suficiente, rezisten la oboseal;

    - structura fin i controlat; - obinerea unor proprieti noi, unice. Aceste proprieti sunt legate de

    prezena porilor n structur i sunt reprezentate de capacitatea de autolubrifiere i de filtrare.

    - cost sczut pentru serii de fabricaii mari n comparaie cu tehnologiile de forjare, turnare sau achiere.

  • Fabricarea pulberilor metalice

    5

    CAPITOLUL 2

    FABRICAREA PULBERILOR METALICE

    Procedeele de fabricare ale pulberilor metalice determin att proprietile

    acestora ct i preul lor de cost. Principalele metode de obinere a pulberilor metalice sunt cele mecanice,

    chimice i electrochimice. n tabelul 2.1 se prezint principalele metode de fabricare a pulberilor:

    Tabelul 2.1. Procedee principale de fabricare a pulberilor Procedee mecanice Procedee Procedee

    din stare solid din stare lichid chimice electrochimice Mcinarea n mori clasice

    Pulverizarea cu ap Reducerea direct a minereurilor

    Electroliza soluiilor de sruri

    Procedeul Hamentag

    Pulverizarea cu gaz Reducerea deeurilor metalice

    Procedeul Carbonil Cteva din ele vor fi prezentate n continuare.

    2.1 PROCEDEE MECANICE DE FABRICARE Procedeele mecanice de obinere a pulberilor metalice se desfoar fie n stare solid fie n stare lichid. Ultimele sunt de o deosebit importan mai ales pentru producia de serie a pulberilor.

    2.1.1 MCINAREA Procedeul de mcinare este cea mai veche metod de obinere a pulberilor ceramice, metalice i nemetalice . Utilizarea ei pentru dezintegrarea materialelor metalice este mai limitat datorit plasticitii acestora, excepie fcnd feroaliajele i compuii intermetalici pentru care s-a dovedit c metoda este eficient. Fenomenele generale care produc dezintegrarea materialelor n stare solid sunt: apariia unor nuclee de generare a fisurilor, propagarea fisurilor i ruperea, n urma creia se formeaz noi particule de dimensiuni mai mici. O

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    6

    Fig. 2.1. Schema unei instalaii de mcinare cu bile: 1. carcas; 2. tambur; 3. ua de nchidere;

    4. bile i material; 5. roata dinat de antrenare; 6. burduf; 7. container de

    transport; 8. crucior; 9. in

    scdere ulterioar a mrimii particulelor se produce numai cnd procesele evideniate mai sus se reproduc. Mrimea particulelor de pulbere depinde de material i de parametrii de lucru. Cu ct particulele sunt mai mici cu att este mai dificil mcinarea lor datorit rspunsului elastic i elasto-plastic al particulelor la solicitrile mecanice externe.

    2.1.1.1. MCINAREA N MORI CLASICE CU BILE n figura 2.1 se prezint schema de principiu a funcionrii morilor cu bile, schem care este valabil att pentru instalaiile industriale ct i de laborator. Mcinarea n mori clasice cu bile se recomand pentru obinerea pulberilor din materiale casante, din feroaliaje, din metale dure sau din oxizi metalici. O schem a instalaiei de mcinare se prezint n figura 2.1. Elementul principal al morii este tamburul de mcinare. Diametrul tamburului este cuprins ntre 200 i 1600 mm. El este prevzut cu o cptueal rezistent la uzur, executat din ceramic, din oel manganos sau din aliaj dur sinterizat. Bilele sunt executate din aceleai materiale dure sau foarte dure.

    Gradul de umplere al tamburului de mcinare, incluznd bilele i materialul de mcinat este

    cuprins ntre 40-60%. Viteza de rotaie este principalul parametru de lucru al procesului, a crui schem se prezint n figura 2.2. La o vitez optim bilele sunt situate n partea de sus a tamburului de unde cad asupra materialului. O vitez mic va menine bilele n partea inferioar a tamburului i astfel nu se va produce impactul dintre ele i material. O vitez de rotaie prea mare va creea fore centrifuge mari la nivelul particulelor care astfel vor fi mpiedicate s ia contact cu materialul. n general viteza optim de mcinare variaz proporional cu inversul rdcinii ptrate a diametrului tamburului. Pulberile obinute prin mcinare sunt neregulate ca form, ecruisate i au proprieti sczute de presare i sinterizare.

  • Fabricarea pulberilor metalice

    7

    La utilizarea morilor clasice cu bile pulberea se impurific cu materiale desprinse din corpurile de mcinare i cptueala morii. n timpul funcionrii morii datorit cldurii ce se degaj, exist pericolul aprinderii pulberilor din materiale cu afinitate mare fa de O2. Pentru evitarea exploziilor i reducerea nclzirii excesive a morii se poate trece prin tambur un curent de atmosfer protectoare (N2, Ar, etc.) sau

    toba rotativ este stropit n permanen cu ap.

    Mcinarea n mori planetare cu bile se folosete pentru obinerea unor cantiti mai mici de pulbere, la scar experimental. n figura 2.3 se prezint o astfel de moar. Diferena dintre mcinarea n mori clasice i mcinarea n mori

    planetare const n utilizarea suplimentar a unui suport pe care sunt prini un numr de tamburii de mcinare. Suportul mpreun cu tamburii execut o micare de principal de rotaie iar tamburii au o micare suplimentar de rotaie n jurul axelor lor. n felul acesta bilele primesc o micare accelerat care este de 10...20 ori mai mare dect acceleraia gravitaional. Bilele pot fi executate din agat, nitrur de siliciu, corindon sinterizat, oxid de zirconiu, carbur de wolfram, oel inoxidabil. Particulele mcinate pot ajunge pn la 1 m.

    2.1.2. PULVERIZAREA

    Pulverizarea este o metod mecanic de obinere a pulberilor metalice care const n dezintegrarea unei vane de metal lichid sub aciunea unei surse de energie nalt. n general, sursa de energie poate s fie produs de jeturi sau aburi de lichid sau gaz, de o for centrifug sau capilar sau de ultrasunete. Pulverizarea se desfoar n dou etape. n prima etap, pulberea se obine prin topire, pulverizare i solidificare-rcire. n cea de-a doua etap, pulberea este uscat (eventual), tratat termic, cernut i preparat pentru a corespunde cerinelor productorului de piese sinterizate. Materiile prime necesare producerii pulberilor prin pulverizare sunt deeurile metalice sau nemetalice. De exemplu, pentru obinerea pulberilor de fier se recomand deeurile de oel cu coninut sczut de carbon i cu nivele ct mai reduse de Ni, Cu, Sn, W, Mo, Cr i P. Manganul este permis pn la 0,4-0,5% i este n mod obinuit redus prin topirea aliajului. Tot prin topire se reduc

    Fig. 2.2. Schema de principiu a procesului de mcinare

    Fig. 2.3. Instalaie de mcinat planetar (Fritch, Germania)

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    8

    Al i Si care sunt elemente ce afecteaz calitatea pulberii. Deeurile trebuie s fie uscate i pe ct posibil s nu fie acoperite cu ulei.

    2.1.2.1. PULVERIZAREA CU AP Pulverizarea cu ap este la ora actual cea mai important metod de

    fabricare a pulberilor metalice, n special a celor pe baz de fier. Materia prim este selectat n vederea topirii. Topirea se poate realiza n

    cuptoare cu arc electric, prin inducie, cu plasm sau cu laser. Dup elaborare cuptorul este basculat iar materialul lichid este dearjat n

    plnia de turnare de unde prin orificiul calibrat al unei duze ceramice curge n duza de pulverizare (figura 2.4).

    Duza de atomizare are rolul de a forma un con de ap sub presiune (pn la 300 bari n vrful conului), care la impactul cu vna de metal lichid produce dezintegrarea acesteia.

    Dup pulverizare apa este reciclat i introdus napoi n proces. Pulberea este extras cu o pomp din turnul de atomizare i dup ce a trecut printr-o sit este trimis la instalaia de deshidratare.

    Pulberea deshidratat cade pe un transportor cu band care o dirijeaz la instalaia de uscare.

    Dup uscare se face o prim cernere pentru separarea pulberii grosiere de cea fin. Pulberea grosier este omogenizat i este supus apoi unui tratament termochimic. Dup acest tratament pulberea este concasat, cernut i stocat. Aceste etape sunt valabile i pentru fraciunea de pulbere fin. Mrimea i forma particulelor sunt influenate direct de parametrii procesului de pulverizare. Principalii parametrii sunt: - unghiul conului de pulverizare, . Cu ct acest unghi este mai mic cu att particulele tind spre o form sferic;

    Fig. 2.4. Schema procesului de pulverizare cu ap

  • Fabricarea pulberilor metalice

    9

    - presiunea i viteza apei. Creterea presiunii i a vitezei apei conduc la scderea diametrului particulelor. k = v d sin (2.1) unde k este o constant care depinde att de material ct i de parametrii constructivi ai duzei de atomizare.

    n figura 2.5 se prezint cteva imagini ale unor pulberi obinute prin pulverizare cu ap.

    a b

    Reacia metalului pulverizat cu apa este factorul limitativ . Pulverizarea cu ap este de aceea aplicat la metalele si aliajele cu afinitate sczut fa de oxigen. Coninutul rezidual de oxigen este dependent de elementul de aliere i se recomand s fie cuprins ntre 0,08-0,15%.

    2.1.2.2. PULVERIZAREA CU GAZ

    n cazul pulverizrii cu gaz, vna de metal lichid este dezintegrat sub form de particule cu ajutorul unui curent de gaz care poate fi: aer, azot, heliu sau argon. n funcie de temperatura de topire a materialului, procesul se poate desfura pe direcie orizontal sau vertical. Pulverizarea cu gaz pe direcie orizontal se recomand pentru materialele la care temperatura de topire este sczut. Pulverizarea pe vertical (figura 2.6) se recomand pentru materialele cu puncte de topire ridicate. Jetul vertical de metal topit este transformat n particule de un curent de gaz puternic de presiune egal cu 12 MPa i a crui vitez ajunge pn la 2 Mach (720 m/s) n duza de pulverizare. n majoritatea cazurilor unghiul sub care gazul interacioneaz cu metalul este de 40o. Gazul

    Fig. 2.5. Forme ale particulelor de pulbere obinute prin pulverizare cu ap: a-bronz; b-fier (Atomising Systems, Ltd., Anglia)

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    10

    este eliminat din camera de pulverizare prin intermediul unui ciclon unde totodat particulele fine se depun. Gazul este apoi recirculat. Din cauza vitezei relativ mici de rcire a particulelor, camerele de atomizare au dimensiuni mari, o instalaie complet de atomizare putnd ajunge pn la 20 m. Eficiena procesului este similar cu cea a pulverizrii cu ap. Mrimea particulelor este cuprins ntre 20-300 m.

    Particulele de pulbere obinute au o form sferic i frecvent prezint caviti ca urmare a gazului produs n proces.

    Pulverizarea cu aer a fost primul procedeu din gama procedeelor de atomizare aplicat pentru obinerea pulberilor de fier. Metalul topit utilizat pentru pulverizare conine fier i pn la 3,5% C. Vna de metal topit este dezin-tegrat de o serie de jeturi laterale de aer. Particulele fine cad ntr-o incint n care se afl ap i se solidific. Particulele au suprafaa oxidat i pulbe-rea conine pn la 6% O2. Pulberea este filtrat i uscat pentru procesarea ulterioar. Particulele sunt dure i pentru a le putea utiliza la formare trebuie s fie supuse unui tratament de recoacere. Pentru acesta pulberea este introdus ntr-un cuptor cu vatr pitoare i este nclzit la 1100oC. Carbonul coninut n pulbere reduce particulele oxidate

    conform reaciei: 3Fe3C + Fe3O4 12Fe + 2CO + CO2 (2.2)

    Monoxidul de carbon care rezult ca urmare a reaciei dintre carbon i oxigen servete ca atmosfer de protecie. Concomitent n cuptor se introduce i un gaz protector (hidrogen) pentru un mai bun control al procesului. Pulverizarea cu aer este folosit de asemenea, pentru obinerea pulberilor de aluminiu i a aliajelor de aluminiu, cupru, i aliajelor de cupru, metale preioase, staniu i plumb. Pulverizarea cu gaz inert se aplic pentru obinerea pulberilor din metale nalt aliate cum ar fi oelurile inoxidabile, oelurile de scule, superaliajele pe baz de nichel, cobalt ca i din aliajele de aluminiu. Factorii limitativi ai procesului sunt temperatura de topire a materialului i legat de aceasta tipul creuzetului utilizat.

    Fig.2.6. Forma particulelor la pulverizarea cu gaz

  • Fabricarea pulberilor metalice

    11

    2.2. PROCEDEE CHIMICE DE FABRICARE 2.2.1. REDUCEREA Principalele procedeele de fabricare chimice presupun reducerea compuilor metalici cum ar fi oxizi, carbonai, nitrai cu gaze (n general hidrogen) sau cu elemente chimice solide (carbonul sau metalele reactive). n majoritatea cazurilor compusul metalic care urmeaz s fie redus se afl n stare solid. n cazul soluiilor, de exemplu: de nichel sau cobalt, reducerea are loc n prezena hidrogenului, prin procedeele hidro-metalurgice. Dac reacia are loc n stare solid sau ca urmare a interaciunii solid-gaz nu mai este posibil nici-o purificare a materialului pulverulent. De aceea materia prim trebuie s fie suficient de pur. Pe de alt parte compusul care urmeaz s fie redus trebuie s fie constituit din particule suficient de mici pentru a favoriza reaciile cinetice i de a reduce astfel timpul total al procesului. 2.2.1.1. REDUCEREA CU CARBON Unul dintre cele mai importante metode de obinere pe scar industrial a pulberilor de fier este reducerea direct a magnetitei (Fe3O4) cu carbon. Magnetita este un minereu bogat n fier i se gsete n cantiti suficiente n nordul Suediei. Metoda de transformarea a acestui minereu n pulbere a fost dezvoltat n Suedia, ncepnd cu anul 1910 de ctre firma Hgans. Pulberea de fier spongioas rezultat este unul din materialele de baz utilizat n obinerea pieselor sinterizate pentru construcia de maini i mai mult de jumtate din producia anual de pulberi se obine prin aceast metod. Magnetita i amestecul reductor sunt uscate n cte un cuptor rotativ (3), (figura 2.7). Amestecul reductor este apoi separat magnetic iar magnetita este sfrmat (4) i cernut (5). Cele dou materiale sunt n continuare dearjate automat n retortele ceramice (7). Retortele cu nveliul din carbur de siliciu, au un diametru interior de 40 cm i nlimea de 50 cm i la interior sunt compuse din dou tuburi concentrice. n tubul exterior i interior se toarn amestecul reductor (19). n spaiul dintre cele dou tuburi se toarn magnetita (18).

    Retortele suprapuse cte 4 i grupate n numr de 25, sunt dirijate cu ajutorul unor vagonei n cuptorul tunel de reducere care are o lungime de 280 m i unde temperatura crete treptat pn la 1200oC.

    Pe msura creterii temperaturii, cocsul ncepe s ard formnd CO, care la rndul lui va reduce magnetita n fier i se va transforma n CO2.

    CO2 reacioneaz cu cocsul rmas formnd din nou CO, care va intra din nou n reacie.

    Se pot scrie urmtoarele reacii de reducere:

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    12

    Fe3O4 + CO 3FeO + CO2 FeO + CO Fe + CO2 (2.3) CO2 + C 2CO

    Aceste reacii continu pn cnd toat magnetita este redus la fier i cea

    mai mare parte a cocsului arde.

    Fig. 2.7. Schema fluxului tehnologic de obinere a pulberilor prin procedeul Hgans:

    1. minereu de fier; 2. amestec reductor de cocs i carbonat de calciu; 3. uscare; 4. sfrmare; 5. cernere; 6. separare magnetic; 7. umplerea tuburilor ceramice; 8. reducerea amestecului n cuptoare tunel la 1200oC; 9. descrcare; 10. sfrmare primar; 11. depozitare; 12. sfrmare; 13. separare magnetic; 14. mcinare i

    cernere; 15. recoacere n cuptoare cu band la 800-900oC; 16. egalizare; 17. mpachetare; 18. minereu de fier; 19. amestecul reductor.

    n paralel cu recoacerea, carbonatul de calciu reacioneaz cu sulful care rezult din arderea cocsului. Dup reducere, retortele sunt rcite n cuptor pn la 250oC.

    Un ciclu complet de reducere const dintr-o prenclzire (45 ore), o meninere la temperatura de 1200oC (30 ore) i o rcire (40 ore). n final, n interiorul retortelor se va gsi un tub de fier spongios cu o porozitate de 75%, cocs nears i sulf. Tuburile formate din fier sunt n mod automat extrase din retorte (9), sunt sfrmate i mcinate n mai multe etape obinndu-se particule mai mici de 3 mm (10). Retortele sunt curate i sunt ncrcate din nou pentru o nou arj.

  • Fabricarea pulberilor metalice

    13

    Pulberea grosier este temporar depozitat (11). n continuare pulberea este separat magnetic (12), mcinat (13) pn la obinerea unor particule mai mici de 150 m i cernut (14). Pulberea este recoapt apoi ntr-un cuptor tunel (cu o lungime de 15 m) la o temperatur de 800-1500oC n hidrogen. Dup reducere, pulberea aglomerat este mcinat fin i colectat n silozuri speciale (16) de unde este divizat n loturi de 60-120 tone. Loturile urmeaz apoi s fie livrate pentru pregtire amestecurilor de formare. Pulberea obinut prin reducere are aspect spongios i bune proprieti de presare i sinterizare (figura 2.8).

    2.3. ELECTROLIZA SOLUIILOR DE SRURI

    Producerea pulberilor prin electroliz are la baz neutralizarea ionilor metalici dintr-o baie electrolitic la trecerea curentului electric prin soluie. Materialul se dizolv la anod i se depune la catod (figura 2.9).

    Fig. 2.9. Schema procesului de electroliza

    Prin aceast metod se obin pulberi de nalt puritate de cupru, fier, titan i beriliu.

    Pentru pulberile de cupru electroliza se desfoar n incinte metalice de volume egale cu ~ 5 m3. Temperatura bii electrolitice este de ~ 50oC i conine

    Fig. 2.8. Forma particulelor la reducerea cu carbon

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    14

    5-35 gl-1 de Cu++ i 120-250 gl-1 de acid sulfuric, intensitatea curentului fiind de 7500-10000A. Anodul i catodul sunt fabricai din cupru electrolitic pur.

    Depozitul de pulbere de Cu se formeaz la catod, urmnd a fi splat de acid i uscat la 100oC. n aceast stare este mcinat fin i recopt pentru nlturarea duritii.

    Pulberea de fier electrolitic se obine din soluiile de FeSO4 sau FeCl2 dar datorit costului ridicat al metodei este folosit numai n aplicaii speciale.

    Pulberile formate prin acest procedeu sunt ca form dendritice sau spongioase (figura 2.10). Densitile de curent, concentraia ionilor din soluie, temperatura bii i circulaia de curent sunt factori care afecteaz procesul. Metoda nu este folosit la obinerea pulberilor din metale aliate. Forma particulelor asigur remarca-bile proprieti de presare i ca rezultat o rezisten ridicat n stare presat. Acest lucru este avantajos n fabricarea bucelor de bronz cu pereii subiri, periilor Cu-C i a materialelor de friciune.

    Fig. 2.10. Imaginea unei pulberi de Cu electrolitic

  • Proprietile pulberilor metalice

    15

    Fig. 3.1. Elementele caracteristice ale unei mase de pulberi

    CAPITOLUL 3

    PROPRIETILE PULBERILOR METALICE 3.1 GENERALITI

    Pulberea este compus dintr-un amestec de particule de diferite forme i dimensiuni. Aceste particule pot fi amorfe sau cristaline. Particulele cristaline pot fi compuse dintr-un singur cristal, din mai multe cristale sau din gruni cristalini. La rndul lor grunii cristalini pot fi compui dintr-o faz sau mai multe faze. Pulberea se prezint sub forma unui aglomerat (figura 3.1). ntre particulele de pulbere se observ prezena porilor.

    Pentru obinerea unei piese sinterizate de obicei se folosesc amestecuri de pulberi. O pulbere este de baz, iar celelalte au rol tehnologic sau/i asigur rolul funcional al piesei. Un amestec de pulberi poate fi caracterizat fie prin prisma proprietilor individuale ale particulelor, fie prin prisma prop-rietilor globale ale acesteia.

    Aceste proprieti pot fi mprite n fizice, chimice, tehnologice i mecanice. n cadrul proprietilor fizice, (tabelul

    3.1) cea mai important caracteristic este fineea particulei. Fineea pulberii poate fi evaluat, fie prin msurarea dimensiunilor geometrice sau a proieciilor particulelor, fie prin considerarea unor proprieti fizice cum ar fi masa particulelor, viteza de sedimentare, etc. n cazul msurrii proprietilor fizice, particulele se consider sferice definindu-se o serie de mrimi echivalente.

    n caracterizarea pulberilor, forma particulelor este de asemenea important. Conform standardelor interne i internaionale termeni ca nodular,

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    16

    dendritic, acicular, fibros, sferoidal, neregulat sau granular sunt n mod curent utilizai pentru caracterizarea calitativ a formei particulelor (figura 3.2).

    Tabelul 3.1. Proprietile principale ale unei mase de pulberi

    Proprieti fizice Proprieti chimice Proprieti tehnologice

    Proprieti mecanice

    Mrimea particulelor

    Coninutul de metal de baz

    Densitatea aparent Duritatea

    Forma particulelor Coninutul de alte metale dizolvate

    Densitatea n stare tasat

    Tensiunea la curgere

    Distribuia mrimii particulelor

    Coninutul de substane insolubile

    Fluiditatea Coeficientul de ecruisare

    Suprafaa specific Coninutul de carbon Stabilitatea formei Modulul de elasticitate la o

    anumit densitate Densitatea la zero

    porozitate Coninutul de oxigen Coeficientul lui

    Poisson la o anumit densitate

    Coninutul de P sau S

    Fig. 3.2. Tipuri reprezentative de particule

  • Proprietile pulberilor metalice

    17

    Alturi de forma i fineea pulberii, proprietile chimice i tehnologice sunt importante n aprecierea calitii unei pulberi. Stabilirea celei mai bune pulberi pentru o aplicaie innd cont de caracteristicile ei este un factor determinant pentru reducerea costurilor de producie, asigurarea rolului funcional, siguran n exploatare i nu n ultimul rnd fiabilitate ndelungat.

    3.2. MRIMEA PARTICULELOR DE PULBERE n funcie de tipul i parametrii procesului de fabricare a pulberilor, mrimea particulelor componente poate varia n limite largi. Mrimea particulelor determin n principal capacitatea de sinterizare a pulberilor. Din punct de vedere al mrimii particulelor, pulberile se clasific n: pulberi grosiere cu dimensiunea particulelor mai mare de 150 m; pulberi medii cu dimensiunea particulelor cuprins ntre 40-150 m; pulberi fine cu dimensiunea cuprins ntre 10-40 m i pulberi foarte fine cu dimensiunea particulelor sub 10 m.

    Fig. 3.3. Parametrii caracteristici ai particulelor de pulbere

    Pentru aprecierea mrimii particulelor se pot folosi diversele elemente caracteristice ale acestora (figura 3.3). La o particul sferic mrimea particulei poate fi apreciat printr-un singur parametru i anume diametrul D. La o particul sub form de disc, mrimea particulei este caracterizat de doi parametri: diametrul D i limea discului B. Cu ct forma particulelor este mai complicat cu att numrul de parametri ce caracterizeaz mrimea particulelor este mai mare dar este mai dificil metoda de determinare a acesteia. Pentru particula din figura 3-c, dimensiunea poate fi apreciat prin patru parametri i anume: limea maxim orizontal F numit i diametrul Ferret; nlimea maxim H; lungimea celei mai mari corzi, MC; diametrul IC al unui cerc egal ca arie cu aria proiectat a particulei. Pentru aprecierea mrimii particulei din figura 3-d se folosete parametrul diametru echivalent definit astfel:

    Dech = ( 4 A / ) 1/2 (3.1)

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    18

    Dech = ( 6 V / ) 1/3 (3.2) unde: A este mrimea ariei proiectate a particulei; V volumul particulei. Exist mai multe metode de determinare a mrimii particulelor de pulbere, metode care dau o imagine global asupra acestui parametru. Cele mai utilizate metode se prezint n continuare.

    3.2.1. METODE DE MSURARE A MRIMII PARTICULELOR Metodele de msurare a mrimii particulelor pot fi clasificate n: metode

    de numrare, metode de sedimentare, metode de clasificare i metode bazate pe mprtierea sau difracia luminii.

    Metodele de msurare prin numrare pot fi mprite n metode directe dac particulele sunt msurate ele nsele i metode indirecte dac mrimea particulelor este apreciat folosind proiecia sau imaginea acestora. De exemplu, microscopia este o metod indirect de msurare prin numrare.

    Metodele de sedimentare se bazeaz pe determinarea vitezei de cdere liber a particulelor aflate ntr-un cmp gravitaional sau centrifugal.

    Separarea particulelor n diferite clase de dimensiuni i msurarea fraciunilor din fiecare clas se realizeaz prin metodele de clasificare, utiliznd de exemplu analiza prin cernere.

    Metodele bazate pe mprtierea sau difracia luminii sunt din ce n ce mai folosite n determinarea mrimii particulelor datorit domeniului larg i a vitezei ridicate de msurare.

    3.2.1.1. METODA CERNERII

    Metoda cernerii este cea mai veche, cea mai simpl i cea mai ntrebuinat metod de msurare. Metoda este utilizat pentru msurarea mrimii particulelor n domeniul 20-125 m folosind site din srm esut. Acest domeniu poate fi extins pn la 5 m folosind site microscopice. Mrimile ochiului sitelor (deschiderea) sunt standardizate i urmresc o progresie geometric cum ar fi 4 2 sau numerele Renard, R 10 (R = 5, 10, 20).

    Sitele sunt caracterizate de mrimea reelei, care reprezint numrul de ochiuri pe unitatea de lungime. Un numr mare implic o deschidere mic (un ochi mic) a reelei, de exemplu sita 400 corespunde la o deschidere de 38 m a ochiului. Deschiderea ochiului indic un diametru echivalent att pentru sitele circulare ct i pentru cele rectangulare.

    Sitele sunt fabricate prin esere din fire, prin perforare sau prin electro-eroziune. Sitele esute au ochiurile rectangulare. Celelalte tipuri au ochiurile fie circulare, fie rectangulare.

  • Proprietile pulberilor metalice

    19

    n instalaiile de cernere cu vibraii sitele sunt plasate pe vertical, ncepnd cu dimensiunea cea mai mic de sus n jos. Pulberea este aezat pe sita superioar. Sitele sunt supuse apoi la vibraii, rezultnd clasificarea pulberii analizate.

    Instalaiile de cernere cu jet de aer i sonice extind domeniul de utilizare a cernerii uscate pn la 10 m. n instalaiile de cernere cu jet de aer materialul este supus unui curent de aer a crui presiune foreaz particulele s treac prin sit. n instalaiile de cernere sonice, o coloan vertical i oscilatorie de aer antreneaz la rndul ei pulberea ntr-o micare pe vertical, particulele fiind forate s treac prin sitele instalaiei.

    La cernerea n condiii umede se utilizeaz un set de site cufundate ntr-un lichid. Cernerea se desfoar aplicnd asupra masei de pulbere fin, vibraii, ultrasunete, presiuni sau combinaii ale acestora. Dup cernere este obligatorie uscarea fraciunilor n vederea cntririi.

    3.2.1.2. METODA MICROSCOPIC

    Analiza microscopic face parte din categoria metodelor de msurare prin numrare, metod n care fiecare particul este observat i msurat. Alturi de mrimea particulelor, analiza microscopic poate oferii informaii despre forma particulelor, starea suprafeei particulelor i starea lor de aglomerare. Pe lng acestea, costul mic al msurtorilor i manipularea uoar a probelor constituie avantaje ale metodei. Dezavantajele metodei sunt legate de timpul mare de lucru datorit necesitii msurrii unui numr foarte mare de particule care poate ajunge la cteva mii, elaborarea greoaie a probelor i erori de msurare datorate suprapunerii sau aglomerrii particulelor.

    3.2.1.3. METODA CONDUCTIVITII ELECTRICE Metoda const n determinarea mrimii particulelor n funcie de scderea conductivitii electrice a unui electrolit la trecerea particulelor aflate n suspensie n fluid, printr-o fant. Schema metodei este prezentat n figura 3.4. Conform figurii 3.4, o incint (2) din sticl, prevzut cu o fant este plasat ntr-o alt incint (1) n care se gsete o cantitate de electrolit (1% sare i restul ap). Doi electrozi, unul sub form de sit, situat n incinta (1) i altul filiform situat n incinta (2) formeaz un circuit electric. Incinta (2) este cuplat la o pomp pentru a se asigura circulaia electrolitului. Metoda de msurare presupune parcurgerea urmtoarelor etape: se stabilete un anumit curent ntre cei doi electrozi; pulberea se introduce n electrolit n incinta (1). Se pornete pompa i datorit presiunii se realizeaz o circulaie a electrolitului i a particulelor. La trecerea particulelor individuale prin fant se produce o scdere a conductivitii electrice. Scderea conductivitii este proporional cu

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    20

    volumul particulei i ca urmare se vor genera o serie de impulsuri. Se nregistreaz automat timpul de trecere prin fant (figura 3.4).

    Fig. 3.4.. Schema de msurare n metoda conductivitii electrice

    Se determin diametrul particulelor innd cont c nlimea crestelor este egal cu rdcina cubic din diametrul particulei. Prin calibrarea i stabilirea corespunztoare a mrimii fantei (aproximativ 1,6 din mrimea celei mai mari particule) se pot obine date n domeniul 27:1, limita minim a mrimii particulei msurabile fiind de 0.5 m. Metoda este independent de forma particulei i nu este influenat de conductivitatea materialului particulei. Analiza mrimii particulelor prin metoda conductivitii electrice este nsoit de o serie de surse de erori i anume: - Depunerea particulelor n camera exterioar cauzeaz abateri n determinarea mrimii particulelor fine. Aceast problem este mai evident n cazul materialelor de densitate mare cum ar fi cele de fier sau wolfram;

    - Exist posibilitatea aglomerrii particulelor la intrarea n fant. Dou tipuri de erori pot s apar la ptrunderea n fant a dou sau mai multe particule dup cum ele sunt dispuse orizontal sau vertical. Aceste erori pot s fie minimizate utiliznd soluii extrem de diluate; - Nu trebuie s existe reacii chimice ntre particule i fluid; - Semnalul electric trebuie s fie constant. 3.2.1.4. METODA SEDIMENTRII Metoda sedimentrii gravitaionale

    Metoda sedimentrii se aplic pentru msurarea mrimii particulelor fine cu dimensiunile cuprinse ntre 5-60 m. Particulele n suspensie ntr-un fluid (lichid sau gaz) se depun cu o vitez dependent de mrimea acestora i de

  • Proprietile pulberilor metalice

    21

    vscozitatea fluidului. Cunoscnd viteza de depunere se poate determina mrimea particulei.

    Metoda sedimentrii centrifugale Datorit timpului mare de depunere metoda de sedimentare gravitaional nu mai poate fi aplicat la pulberile cu diametrul sub 5 m. Pentru aceste particule se recomand utilizarea sedimentrii centrifugale, n care cmpul gravitaional este nlocuit cu cmpul forelor centrifuge .

    3.3 FORMA PARTICULEI. METODE DE DETERMINARE Forma particulei depinde de procedeul de fabricare al pulberii. De forma particulei depind proprietile de presare i de sinterizare ale amestecului de pulberi. Cteva forme reprezentative ale particulelor de pulbere se prezint n figura 3.5.

    Fig. 3.5. Variaia formei particulelor n funcie de mrimea lor

    Din figur se observ c odat cu scderea mrimii particulei forma acesteia tinde s devin sferic.

    Particulele de aceeai form i mrime pot avea o rugozitate a suprafeei dife-rit. Mrimea rugozitii poate fi determinat utili-znd analiza fractal. materialului particulei.

    Pulberile se caracterizeaz printr-o su-prafa specific mare. Aceasta este cu att mai mare cu ct pulberile au o form neregulat sau/i sunt mai fine. Trebuie precizat c o suprafa specific mare determin proprieti bune de sinterizare.

    O metod de determinare a suprafeei specifice este metoda rezistenei ntmpinat de un gaz la trecerea printr-o pies din pulbere (figura 3.6).

    O pies cilindric presat din pulberi este plasat ntr-un tub n care circul un gaz sub presiune. Datorit rezistenei pe care o ntmpin gazul la trecerea prin piesa din pulbere, la ieire, presiunea PE este mai mic dect

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    22

    presiunea de la intrare, PI. Diferena de presiune, P este o msur a suprafeei specifice a pulberii i este cu att mai mare cu ct suprafaa specific este mai mare. Considernd o curgere vscoas, ecuaia Darcy furnizeaz debitul Q al

    fluidului care trece prin materialul poros n funcie de diferena de presiune P i vscozitatea fluidului :

    Q =

    LAP (3.3)

    unde L i A sunt reprezentate n figura 3.6. Parametrul este coeficientul de permeabilitate.

    Mrimea suprafeei specifice pe baza ecuaiei Kozeny-Carman rezult sub forma:

    S = ( )2/1

    2

    3

    t 1511

    (3.4) unde: este porozitatea. Suprafaa specific care rezult prin aplicarea relaiei (3.4) este convertit ntr-un diametru echivalent. Metoda de analiz este limitat la dimensiuni ale particulelor ntre 0,5-50 m.

    3.4. PROPRIETI CHIMICE Pulberile pot conine o serie de impuriti care rezult n urma proceselor

    de fabricaie sau ca urmare a mnuirii i depozitrii acestora. Pulberile elementare sunt materiale n general pure i analizele chimice

    urmresc numai determinarea cantitilor de impuriti. La pulberile aliate sau prealiate analizele chimice urmresc att determinarea cantitilor de impuriti ct i a compoziiei aliajelor.

    Impuritile din pulberi se pot prezenta sub form de particule inde-pendente (SiO2, Al2O3, grafit, P, Mn), n combinaii chimice sau aliaje cu metalul de baz (oxizi, cementit) sau sub form de lichide sau gaze (ap, aer, hidrogen, oxid de carbon) adsorbite. Cantitatea de impuriti din pulberile de fier este cuprins ntre 0,2-0,3 %.

    Impuritile conduc la o serie de fenomene nedorite n procesele de presare i sinterizare (modific capacitatea de presare, gripeaz matriele, cauzeaz deformaii exagerate la sinterizare sau reacii chimice secundare). n

    Fig. 3.6. Schema determinrii suprafeei specifice prin msurarea permeabilitii

  • Proprietile pulberilor metalice

    23

    multe cazuri acestea sunt situate la suprafa modificnd esenial microstructura i proprietile finale ale pieselor sinterizate.

    n practic se folosesc patru metode diferite de determinare a compoziiei i a coninutului de impuriti:

    1. Metode convenionale de analiz chimic. Acestea metode sunt folosite n principal pentru determinarea coninutului de elemente de aliere;

    2. Determinarea pierderilor de greutate n hidrogen la temperatur ridicat ca urmare a reducerii oxizilor;

    3. Determinarea constituenilor reziduali dup dizolvarea pulberi n acid clorhidric. n acest mod se determin cantitatea de oxizi i silicai nereductibili;

    4. Determinarea coninutului total de oxigen.

    3.5. PROPRIETAI TEHNOLOGICE ALE PULBERILOR

    3.5.1. FLUIDITATEA Fluiditatea reprezint capacitatea de curgere a unei mase de pulberi i caracterizeaz frecarea dintre particulele ei. Cunoaterea fluiditii este necesar la dimensionarea matrielor i a sistemelor de alimentare i pentru reglarea timpului de alimentare cu pulbere a matrielor.

    Capacitatea de curgere a pulberii este reprezentat de cantitatea de pulbere care curge n unitatea de timp printr-o plnie cu orificiul calibrat. Plnia poart denumirea de floumetrul Hall i dimensiunile orificiului calibrat sunt de 2,54 mm pentru pulberile care curg liber i de 5 mm pentru pulberile care manifest o frecare interparticule mare .

    Fluididatea se exprim ca timpul de curgere prin fluometru a unei cantiti de 50 g de pulbere. Timpii de curgere mici sunt caracteristici pulberilor cu frecri interparticule mici i vor determina umplerea rapid i complet a cavitilor matrielor chiar dac acestea au form complex. La pulberile fine timpii de curgere sunt mari datorit frecri interparticule mari. Aceaste frecari conduc, la pulberile fine, la anularea acestei proprietai, i ridic o serie de probleme tehnologice.

    mbuntirea capacitii de curgere se face prin adugarea unei cantiti de lubrifiant. Utilizarea ns a unei cantiti mai mari de lubrifiant are,

    R

    H

    Fig. 3.7 . Schema determinrii unghiului conului de frecare

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    24

    ca i n cazul utilizrii pulberilor oxidate, efecte negative la operaiile de presare i sinterizare.

    Unghiul conului de frecare este, alturi de fluiditate, o msur a frecrii interparticule. Unghiul conului de frecare (figura 3.7) este unghiul conului format prin curgerea unei cantiti de pulbere pe o suprafa plan, utiliznd fluometrul Hall. El este dat de relaia: tg = H / R (3.5) n care H si R au semnificaia din figur.

    3.5.2. DENSITATEA PULBERII

    Densitatea este o proprietate fizic important de care se leag capacitatea de presare i sinterizare a unei pulberi sau a unui amestec de pulberi. Exist trei moduri de a caracteriza densitatea unei pulberi i anume:

    - densitatea aparent, a; - densitatea n stare tasat, tas; - densitatea teoretic, t .

    Densitatea aparenta, a reprezint raportul dintre masa m a pulberii si volumul V ocupat de aceasta, cnd pulberea este lsat s curg liber ntr-un recipient.

    Densitatea aparent este dependent de caracteristicile particulelor de pulbere (form, dimensiune, starea suprafeei i compoziia granulometric) i caracterizeaz capacitatea de mpachetare a particulelor. Cu ct particulele sunt mai fine i/sau mai neregulate, cu att densitatea aparent este mai mic. Pe de alt parte, un amestec de fraciuni de pulbere format din particule fine i grosiere (particulele fine vor ocupa spaiile libere dintre particulele grosiere) va avea o densitate aparent mai mare i va asigura o capacitate de mpachetare mai mare cu efecte pozitive asupra densificrii prin presare.

    Tabelul 3.2. Proprieti tehnologice ale unor tipuri de pulberi Nr. Crt.

    Tipul pulberii

    Densitatea aparent, a, [ g/cm3]

    Fluiditatea [ s/50g]

    1. D.W.P. 2,5 2,7

  • Proprietile pulberilor metalice

    25

    Densitatea aparent a pulberii trebuie s fie constant pentru a se realiza reproductibilitatea procesului de presare. La sinterizare, o densitate aparent mic a pulberii va produce o contracie mare a piesei care va conduce n final la introducerea unor operaii secundare pentru atingerea preciziei cerute.

    Densitatea n stare tasat, tas este cea mai mare densitate care poate fi obinut cnd o cantitate de pulbere este vibrat de o for exterioar. Ea este dependent de frecarea interparticule. Vibrarea poate fi fcut manual sau mecanic.

    Densitatea teoretic a amestecului de pulbere, t, este densitatea masei de pulbere n condiiile n care porozitatea este eliminat complet. Pentru deter-minarea acestei mrimi se folosete relaia:

    t = M M M MV V V Vn L

    n L

    1 2

    1 2

    + + + ++ + + +

    ...

    ... [g/cm3] (3.6)

    n care: M1Mn - masa fiecrui element din compoziia pulberii; - ML - masa de lubrifiant din amestec; - V1 Vn - volumul ocupat de fiecare element n parte n masa de pulbere; - VL - volumul ocupat de lubrifiant n amestec.

    n tabelul 3.3 se prezint densitile i volumele specifice teoretice pentru diverse tipuri de materiale i pulberi.

    Se observ c densitatea teoretic a pulberii influeneaz proprietile pulberii presate. De aceea unele substane mai dense dect fierul mbuntesc densitatea la aceiai presiune, altele mai puin dense micoreaz densitatea n special la presiuni mari. Este cazul lubrifianilor care au un efect pozitiv la presiuni medii de compactare dar negativ la presiuni mari.

    Tabelul 3.3. Densitile teoretice ale unor materiale utilizate la presarea pulberilor

    Material Densitate teoretic la porozitate zero, [g/cm3]

    Volumul teoretic specific [ cm3/g]

    Fier pur 7,8680 0,1271 Siliciu pur 2,3000 0,4348

    FeO 5,3000 0,1754 Grafit 2,2400 0,4464

    Aluminiu 2,7000 0,3704 NC 100-24 7,7960 0,1283 SC 100-26 7,8045 0,1281

    ASC 100-30 7,8575 0,1273 Cupru electrolitic 8,9500 0,1117

    Nichel pur 8,9020 0,1123 Stearat de zinc 1,0000 1,0000

    Parafina sintetica 1,0000 1,0000

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    26

    Fig. 3.8. Schema pentru determinarea compresibilitii pulberilor: a-etapele de presare;

    b-diagrama tipic de compresibilitate

    3.5.3. COMPRESIBILIATEA PULBERII

    Pentru obinerea preciziei pieselor sinterizate trebuie alese acele pulberi care n urma presrii i sinterizrii conduc la cele mai mici modificri dimensionale. La rndul lor aceste modificri sunt rezultatul distribuiei densitii n volumul semifabricatului presat distribuie care este dependent de presiunea aplicat masei de pulbere.

    Variaia densitii unei mase de pulberi cnd aceasta este presat ntr-o matri rigid caracterizeaz compresibilitatea.

    Determinarea com-presibilitii se face pe baza unor standarde intern-aionale (ASTM B 351-92; MPIF Standard 45; ISO Standard 3927) i naionale (STAS 9098) i are la baz schema prezentat in figura 3.8.

    La aceeai presiune, valoarea com-presibilitii exprimat prin dependena densitate-pre-siune este diferit n funcie de natura pulberii i con-stituie factorul principal n proiectarea matrielor de presare i n alegerea utilajelor. Dependena densitate-presiune se prezint sub forma curbei de compresi-bilitate.

    Curba de compresibilitate pornete din punctul corespunztor densitii de umplere u egal cu valoarea densitii aparente a i la presiuni foarte mari, se apropie asimptotic de densitatea teoretic t a materialului pulberii sau al amestecului de pulberi.

    Conform standardelor cel mai simplu mod de a determina compresi-bilitatea unei pulberi este de a reprezenta grafic evoluia densitii msurat pe semifabricatul presat dup eliminarea din matri, n funcie de presiunea aplicat (figura 3.8). Pentru pulberile care trebuie s conduc la o densitate ridicat a semifabricatelor presate se recomand ca domeniul presiunilor de ncercare s fie cuprins ntre 200-700 MPa. Presiunile standard sunt de 4,2 t/cm2 sau 600 MPa.

    O alta metod de determinarea a compresibilitii const n evaluarea densitii pulberii presate din interiorul matriei sub aciunea forei de presare.

  • Proprietile pulberilor metalice

    27

    Fig.3.9. Curbe de compresibilitate cu lubrifiere n volum i pe suprafa

    Determinarea dependenei densitate-presiune se poate face pe de alt parte la greutate constant sau la nlime constant. Utilizarea metodei la nlime constant corespunde cel mai bine cazului real de presare avnd n vedere c nlimea este un parametru constructiv a piesei respective. Astfel la aceeai nlime a piesei, greutatea ei final ei poate regla n funcie de densitatea obinut prin presare. Se menioneaz c la realizarea curbelor de compresibilitate trebuie s se foloseasc lubrifiant. Lubrifiantul are un rol foarte important n micorarea forelor de frecare dintre particule i dintre acestea i pereii matriei, conducnd la obinerea unor comprimate de densitate uniform.

    Lubrifierea se poate face n volum sau pe suprafa. Ca urmare determinarea compresibilitii se poate face cu lubrifiere n volum sau cu lubrifiere pe suprafaa (figura 3.9). Lubrifierea pe suprafa se recomand pentru presarea pulberii la presiuni ridicate sau pentru semifabricatele deja sinterizate care necesit operaii suplimentare de represare sau calibrare. Exist o valoare a cantitii de lubrifiant care dac este depit conduce la apariia unor fenomene de inhibiie n timpul procesului de sinterizare. Compresibilitatea n majori-tatea cazurilor caracterizeaz corect comportarea la deformare a pulberii. n cazurile n care raportul dintre suprafaa de frecare i suprafaa de presare este ridicat, aprecierea comportrii la deformare prin prisma compresibilitii poate conduce la o subestimare a presiunii de presare necesare realizrii unei densitii medii.

    Din punct de vedere al compresibilitii pulberile de fier se clasific n: I. normal compresibile; II. nalt compresibile; III. super compresibile.

    Aceast clasificarea are la baz valoarea densitii care se obine pentru diferite presiuni de presare. Astfel pulberile super compresibile ating o valoare mare a densitii pentru presiuni mici de presare. De exemplu, densitatea de 6,5 g/cm3 se obine la o presiune de 310 MPa. Aceeai densitate se obine la o

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    28

    presiune de 370 MPa pentru o pulbere nalt compresibil i la o presiune de 450 MPa pentru o pulbere normal compresibil. Dou implicaii majore rezult asupra ncrcrii sculelor de presare i n alegerea utilajelor de presare din punct de vedere energetic. n figur, nivelul de densificare Nd se definete ca raportul dintre densitatea de presare i densitatea teoretic a masei de pulbere (figura 3.10).

    Fig. 3.10. Curbe de compresibilitate pentru pulberile: a. normal compresibile;

    b. nalt compresibile; c. super compresibile. n final, analiza proprietilor unei pulberi este o activitate complex care

    necesit consum mare de manoper i timp. Pentru fiecare caz n parte trebuie folosite acele tipuri de teste care pun n

    eviden proprietile principale ale pulberii, proprieti care influeneaz calitatea piesei sinterizate.

  • Formarea pulberilor

    29

    CAPITOLUL 4

    FORMAREA PULBERILOR 4.1 INTRODUCERE Pentru transformarea amestecului de pulberi ntr-o pies compact se folosesc o serie de metode de formare. Formarea este a doua operaie din procesul tehnologic de obinere a pieselor sinterizate i se poate desfura la rece sau cald n prezena sau absena presiunii. Cele mai importante metode de formare sunt prezentate n tabelul 4.1

    Tabelul 4.1. Metode de formare a pulberilor Metode convenionale Metode speciale

    Formare i sinterizare simultan

    Sinterizare n stare liber vrsat

    Sinterizare sub presiune Rapid-prototyping

    Formare i sinterizare Presarea axial Presarea izostatic la rece Presarea izostatic la cald

    Presarea cu impulsuri magnetice

    Presarea cu impulsuri electrohidrodinamice Presarea prin explozie

    Formare, sinterizare i calibrare

    Calibrare, Represare, Forjare,

    Deformare orbital, Injectarea pulberilor metalice

    Presarea izostatic la cald

    Extrudare la rece Extrudare la cald

    Laminare

    Alegerea uneia din metodele prezentate mai sus trebuie s conduc la obinerea celor mai bune proprieti mecanice , tehnologice i de exploatare ale pieselor sinterizate.

    4.2 PRESAREA AXIAL A PULBERILOR Presarea axial a pulberilor este cea mai important i cea mai utilizat metod de formare n fabricarea pieselor din pulberi pentru construcia de maini.

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    30

    Pentru piesele din construcia de maini cu excepia filtrelor i lgrelor autolubrifiante densitatea semifabricatelor presate trebuie s fie ridicat. Acest lucru asigur proprieti de rezisten bune n stare presat i ceea ce este foarte important conduce la schimbri dimensionale mici n urma tratamentului de sinterizare.

    4.2.1. MECANISME DE DENSIFICARE A PULBERILOR

    Fora exterioar aplicat induce gradat n masa de pulbere metalic o presiune axial care determin densificarea materialului. Densificarea materialului este nsoit de o serie de fenomene numite mecanisme de densificare (tabelul 4.2).

    Tabelul 4.2. Mecanisme de densificare Mecanismul Interaciunea

    pulbere-matri Rearanjarea particulelor

    Deformarea particulelor

    Consecine Rotaie asupra Frecare Plastifiere

    particulelor Alunecare

    Factori de influen

    Starea suprafeei matriei i a particulei

    Duritatea matriei i a particulei

    Starea suprafeei pulberii Geometria pulberii

    Tensiunea de curgere a materialului

    La presiuni mici, sub 0,03 Mpa ca urmare a interaciunii pulbere-pulbere se produce primul fenomen de rearanjare a particulelor. Aceste fenomen se traduce prin rotaia i alunecarea particulelor unele fa de altele. Nu se poate vorbi de nici-o coeziune ntre particule, contribuia acestui fenomen la densificare fiind de numai 5-10%. Pe msur ce poansonul ptrunde n matri se produce deformarea plastic a particulelor individuale care are ca efect micorarea porilor i apariia coeziunii mecanice dintre particule.

    n final, deformarea plastic a ntregii mase de pulberi va conduce la obinerea semifabricatului de forma i dimensiunile dorite i la obinerea unei anumite densiti a acestuia. Procesul de densificare este frnat de o serie de factori fizici i mecanici i anume: frecarea dintre pulbere i pereii matriei, ecruisarea materialului ca urmare a deformrii plastice a particulelor i scderea tensiunilor tangeniale maxime la nivelul particulelor.

    4.2.2. CALCULUL PRESIUNII AXIALE

    Forele de frecare de la nivelul pereilor matriei reduc gradul de densificare al pulberii, opunndu-se forei exterioare aplicat de poansonul de

  • Formarea pulberilor

    31

    presare. Cu creterea distanei de la suprafaa frontal a poansonului, n masa de pulbere, presiunea axial transmis scade. Acest lucru devine cu att mai evident cu ct raportul nlimea coloanei de pulbere diametrul matriei este mai mare.

    Pentru calculul presiunii axiale se consider presarea unei pulberi ntr-o matri circular cu diametrul interior, 2r. Poansonul superior a intrat n matri i a presat pulberea la o anumit densitate. Coloana de pulbere presat se mparte imaginar ntr-un numr de discuri, de nlime suficient de mic. La distana x de la faa poansonului se izoleaz un astfel de disc de nlime dx (figura 4.1).

    Tensiunea axial care acioneaz la nivelul feei superioare a discului este a(x). Datorit frecrii dintre suprafaa lateral a discului i peretele matriei, tensiunea axial a(x+dx), care acio-neaz la nivelul feei inferioare a discului va fi mai mic dect tensiunea a(x). Se face n continuare ipoteza c fora de frecare este proporional cu tensiunea axial a(x) i cu aria lateral a discului. n aceste condiii se va calcula urmtorul bilan energetic. Fora care acioneaz la nivelul feei superioare a discului este: Fasup = r2 a(x) . (4.1) Fora care acioneaz la nivelul feei inferioare a discului este: Fainf = r2 a(x+dx) . (4.2)

    Fora de frecare care se manifest pe faa lateral a discului este: Ff = 2r dx a(x) . (4.3)

    Scriind echilibrul forelor rezult:

    a(x+dx) - a(x) = - 2 dx a(x) / r . (4.4)

    Prin integrare se va obine:

    a(x) = a(0) rx

    e2

    . (4.5)

    Fig. 4.1. Schema determinrii presiunii axiale la presarea pulberilor n matri

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    32

    Dac se noteaz cu A, aria seciunii i cu M, perimetrul, atunci relaia

    (4.5) mai poate fi scris i sub forma:

    a(x) = a(0) AMx

    e

    . (4.6) innd cont i de raportul f dintre presiunea axial i cea radial, atunci relaia (4.6) devine:

    a(x) = a(0) AMxf

    e

    . (4.7) Se noteaz cu K1 i K2, urmtoarele expresii: K1 = f . (4.8)

    K2 = AMx . (4.9)

    Exponentul, K1 este de natur fizic i K2 este de natur geometric. Cu aceste notaii expresia (4.7) devine: a(x) = a(0) 21 KKe . (4.10) Aa cum rezult din relaia de mai sus, tensiunea axial este dependent att de geometria semifabricatului (exponentul K2) ct i de factorii de proces (exponentul K1). Cel mai important parametru geometric este raportul nlime/diametru al semifabricatului presat. La presarea semifabricatelor de nlime mic i de diametru mare se obin tensiuni ridicate care necesit fore mari de presare. Pentru reperele cu nlimea mai mic de 6 mm, presarea n matri nu se mai recomand. Efectul lubrifierii este de reducere a valorii densitii semifabricatelor chiar dac determin scderea forelor de frecare.

    4.2.3. FORA DE ELIMINARE I REVENIREA ELASTIC A SEMIFABRICATULUI PRESAT

    O consecin direct a prezenei tensiunii radiale reziduale, r, n materialul presat este necesitatea utilizrii unei fore mari pentru eliminarea semifabricatului din matri. Se consider un semifabricat presat de nlime h, plasat ntr-o matri cu diametrul interior, 2r. Coeficientul de frecare la nivelul peretelui matriei este . n aceste condiii fora de eliminare este dat de relaia:

  • Formarea pulberilor

    33

    Felim = 2 r h r , (4.11) iar presiunea exercitat de poansonul inferior asupra semifabricatului este: Pinf = Felim / r2 = r 4 h / 2 r, (4.12) Din relaia de mai sus rezult c presiunea, Pinf, care acioneaz asupra prii inferioare a semifabricatului este cu att mai mare cu ct raportul nlime diametrul semifabricatului (h/2r) este mai mare. Fora de eliminare este de asemenea direct proporional cu coeficientul de frecare . La nceputul procesului de eliminare, coeficientul de frecare , i corespunztor fora de eliminare Felim, prezint un maxim (frecare de adeziune) peste valoarea normal (frecare de alunecare) a acesteia (figura 4.2). n anumite cazuri aceast valoare poate depi chiar valoarea forei de presare. Rezult dou consecine: a. la nivelul suprafeei inferioare a semifabricatului apare o redensificare; b. un poanson inferior lung i zvelt, chiar dac rezist forei de presare, se va deforma sau se va rupe sub aciunea forei de eliminare. Dac peretele matriei de presare este nefinisat sau insuficient lubrifiat, atunci pot apare suduri la rece ntre semifabricat i peretele matriei, recunoscute dup creterea excesiv a presiunii de eliminare i apariia fenomenului de stick-slip. O alt consecin a prezenei presiunii radiale reziduale apare la eliminare, n momentul n care semifabricatul trece de suprafaa frontal a matriei. Partea superioar a semifabricatului se des-tinde elastic, n timp ce partea inferioar este nc sub influena presiunii reziduale radiale. Tensiunea de alunecare orizontal care apare n aceast situaie poate genera ruperea transversal a semifabricatului. Pentru a elimina efectul tensiunii de alunecare i apariia ruperilor n semifabricat, se recomand fie teirea, fie rotunjirea muchiei matriei la intrare. Revenirea elastic a semifabricatului dup eliminare se definete cu formula:

    = i

    fi

    LLL , (4.13)

    unde: Li este una din dimensiunile matriei; Lf este dimensiunea final corespunztoare a semifabricatului.

    Fig. 4.2. Aliura curbei de eliminare a semifabricatului presat din matri

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    34

    Revenirea elastic este mare n direcie transversal i minim n direcie axial. 4.2.4. TEHNOLOGIA PRESRII Tehnologia de presare al pulberilor poate fi divizat n trei etape:

    I. alimentarea matriei; II. presarea pulberii; III. eliminarea semifabricatului din matri.

    4.2.4.1 Alimentarea matriei Pulberea este adus n zona de presare de dispozitivul de alimentare i ea curge n cavitatea matriei sub greutatea proprie. Cu ct seciunea matriei este mai complex cu att alimentarea este mai dificil de realizat. n marea majoritate a cazurilor la presarea axial a pulberilor metalice dimensiunile particulelor sunt cuprinse ntre 0,15-0,20 mm. Pentru o curgere i alimentare corect a matriei cu pulbere trebuie ca cea mai mic dimensiune a seciunii transversale a matriei s fie teoretic mai mare dect dimensiunea celei mai mari particule de pulbere. Alimentarea se poate face, fie n matrie cu nlime de umplere reglabil fie n matrie cu nlime fix de umplere. Umplerea matriei se face prin treceri succesive ale dispozitivului de alimentare peste matri. Micare se face n aa fel nct pulberea s se depun n straturi ct mai subiri i uniforme. Dimensiunea orificiului de curgere i timpul de curgere depind de tipul pulberii. n cazul utilizrii matrielor cu nlime constant diametrul orificiului dispozitivului de alimentare este egal cu diametrul zonei active a matriei i nlimea egal cu cea de umplere. Introducerea n cavitatea matriei a unei cantiti constante de pulbere se face prin mai multe procedee. Umplerea prin curgerea liber a pulberii. Este metoda utilizat n majoritatea cazurilor de alimentare pentru obinerea semifabricatelor presate, inclusiv la cele cu suprafee conice i la cele care necesit pentru presare poansone inferioare multiple. Poziia de umplere este realizat fie prin micarea matriei (figura 4.3) fie prin micarea poansonului inferior. Pentru c matria se mic prima pentru realizarea cavitii de umplere, i apoi n etapa a doua se deplaseaz alimentatorul pentru dozarea pulberii,

  • Formarea pulberilor

    35

    alimentatorul eate prevzut cu o mn mecanic pentru eliminarea semifabricatului de pe pres. Prezena aerului n camera de umplere poate avea efecte negative asupra calitii semifabricatului presat.

    Fig. 4.3. Schia alimentrii prin curgere liber

    Umplerea prin aspiraie n acest metod, alimentatorul este adus n zona orificiului matriei, nainte ca poansonul sau placa s se deplaseze pentru realizarea cavitii de umplere (figura 4.4). Curgerea cantitii de pulbere are loc atunci cnd poansonul sau placa s-au deplasat. Datorit lipsei aerului n cavitatea matriei, semifabricatul presat va avea o densitate uniform. Pentru c alimentatorul se deplaseaz primul pe placa matriei, i apoi n etapa a doua are loc deplasarea matriei pentru formarea cavitii de umplere, semifabricatul presat poate fi eliminat de pe pres de ctre alimentator, fr a se folosi o mn mecanic.

    Fig. 4.4. Schia alimentrii prin curgere liber

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    36

    4.2.4.2. PRESAREA PULBERII Presarea este cea de-a doua faz a tehnologiei de presare i se poate desfura pe prese mecanice, hidraulice sau mecano-hidraulice. Gradientul de densitate care apare la presare poate fi minimizat adoptnd un anumit sistem de presare. Elementele componente ale procesului de presare sunt prezentate n figura 4.4.

    Fig. 4.4. Elementele componente ale procesului de presare

    n funcie de modul de aplicare a presiunii asupra pulberii, presarea poate fi: unilateral sau cu simpl aciune, bilateral sau cu dubl aciune, cu matri mobil i cu matri mobil cu micare controlat (figura 4.5) La presarea unilateral (figura 4.5a ) att matria ct i poansonul sunt fixe, presiunea aplicndu-se masei de pulbere prin intermediul poansonului superior mobil.

    ntr-o pies presat unilateral, densitatea maxim se obine la nivelul suprafeei de contact dintre poansonul superior i pulbere i scade pe nlime fiind minim la nivelul suprafeei de contact cu poansonul inferior. La presarea bilateral (figura 4.5, b), presiunea se transmite pulberii prin ambele poansoane care sunt mobile. Simetria distribuiei presiunii conduce la simetria distribuiei densitii faa de suprafaa de mijloc a semifabricatului. n aceast zon, numit zon neutr, densitatea are valoare minim.

    Distribuia simetric a densitii previne distorsiunea piesei care poate apare la sinterizare. Aceeai simetrie a distribuiei densitii se obine i n cazul presrii cu matri mobil (figura 4.5, c) La acest tip de presare matria se sprijin pe o serie de elemente elastice (arcuri, cauciuc, etc). n timpul procesului de presare, matria este antrenat n micare ca urmare a frecrii care apare ntre pulbere i peretele matriei. Fora se transmite prin intermediul poansonului superior.

  • Formarea pulberilor

    37

    a. b.

    c. d.

    Fig.4.5. Sisteme de presare: a-unilateral; b-bilaterala: c-cu matri mobil;

    d-cu matri mobil cu micare controlat

    O variant mbuntit a acestei metode este presarea cu matri mobil cu micare controlat (figura 4.5, d). n acest caz, micarea matriei este controlat folosind sisteme hidraulice sau mecanice (acionare cu came). n funcie de presiunea aplicat prin intermediul poansoanelor distribuia densitii pe nlime poate fi modificat n limite largi. Zona neutr poate ocupa orice poziie n funcie de configuraia piesei.

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    38

    4.2.4.3. ELIMINAREA SEMIFABRICATULUI PRESAT

    Pentru eliminarea semifabricatului presat din matria de presare se folosesc dou sisteme: prin micarea poansonului inferior sau prin micarea matriei (figura 4.6).

    Eliminarea prin micarea poansonului inferior se aplic la piesele de configuraie simpl. Dup presare, poansonul superior se retrage iar cel inferior se deplaseaz n sus eliminnd semifabricatul. n timpul fazei de eliminare, matria este fix.

    Fig. 4.6. Sisteme de eliminare a semifabricatelor presate din matri: a-prin micarea

    poansonului inferior; b-prin micarea matriei Eliminarea prin micarea matriei este metoda cea mai utilizat de extragere a semifabricatului din matri. Dup presare, poansonul superior se retrage iar matria se deplaseaz n jos conducnd la eliminarea semifabricatului. n timpul fazei de eliminare, poansonul inferior este fix.

    4.2.5. PROIECTAREA FORMEI PRESATULUI Mai mult dect oricare sector de fabricaie, proiectantul nu trebuie s se

    mulumeasc cu realizarea unei configuraii funcionale a piesei. El trebuie s aib n vedere specificul fabricaiei i s proiecteze o pies inand seama n acelai timp i de configuraia tehnologic raional.

    La proiectarea formei semifabricatelor realizate din pulberi trebuie avut n vedere :

  • Formarea pulberilor

    39

    - semifabricatul presat trebuie s poat fi eliminat uor din matri, fr a se deteriora;

    - elementele active ale matriei trebuie s aib suficient rezisten pentru a face fa solicitrilor mecanice ridicate i repetate din timpul fabricrii.

    Principalele indicaii ce urmeaz (vezi tabelul 4.3) sunt utile n proiectarea formei semifabricatelor n cazurile cele mai utilizate n practic.

    1. Grosimea pereilor: Grosimea minim a pereilor este dictat de forma i dimen-siunile piesei finale. Grosimea minim recomandat este de 1,52 mm. 2. Formele sferice: Formele sferice complete nu pot fi obtinue n presarea convenional, datorit faptului c poansonele necesare pentru formare s-ar termina cu o muchie ascuit. De aceea formele sferice se execut fie prin modificarea constructiv a acestora (tabelul 4.3) fie cu un prag de min. 0,25 mm la nivelul diametrului.

    3. Treptele: Treptele simple sau pragurile care nu depesc 15% din nlimea total a semifabricatului pot fi realizate de suprafeele frontale ale poansonelor, profilate corespunztor. n aceleai condiii pot fi realizate teiri sau adnciri. Nu se folosesc poansoane monobloc pentru obinerea treptelor mai mari datorit variaiilor de densitate de la o treapt la alta. Pentru aceste piese, pentru obinerea unor densiti uniforme, este necesar utilizarea unor poansoane multiple, fiecare poanson materializnd o treapt. Diferena dintre o treapt i alta, n direcie radial, pe raz, se recomand a fi de min. 1,5 mm. 4. Caractere alfanumerice: Orice caracter alfanumeric poate fi obinut prin presare pe suprafeele frontale ale semifabricatelor, orientate perpendicular pe direcia presrii. Ele se pot obine i pe alte suprafee dac acestea au nclinarea corespunztoare condiiei de eliminare. 5. Conicitile: Suprafeele nclinate se recomand s se termine cu o poriune paralel cu direcia presrii, de max. 0,25 - 0,5 mm, pentru a prevenii impactul dintre elementele active. Suprafeele conice pentru piesele de rezisten ridicat se recomand a fi evitate.

    6. Flanele: Flanele de diametru mic pot fi realizate uor. n cazul flanelor de diametru mare se pot folosi poansoane suplimentare pentru a evita deteriorarea flanei la elimina-re. Pentru flanele de grosime mare se recomand ca suprafeele laterale s fie nclinate cu unghiuri mici de 2-3P0P.

    7. Gurile: Gurile n direcia presrii se pot obine simplu cu ajutorul unor dornuri. Se pot obine de asemenea guri nfundate, guri n trepte, guri nclinate sau guri cu diferite forme care sunt dificil de realizat pe maini-unelte. Diametrul maxim al gurilor este limitat de grosimea pereilor. Diametrul minim depinde de adncimea gurii. Acesta nu trebuie s fie mai mic de 20% din adncimea gurii; practic se poate obine un diametru de min. 2 mm.

    8. Filete i raze: Filetele nu se pot obine n presarea axial. Razele la col se prefer s fie nlocuite cu teituri.

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    40

    Tabelul 4.3. Soluii constructive n proiectarea formei pieselor sinterizate Nr. crt.

    INDICAII TEHNOLOGICE

    FORMA NETEHNOLOGIC

    FORMA TEHNOLOGIC

    1.

    La muchiile exterioare nu sunt posibile rotunjiri.

    2.

    Teirea muchiilor se execut pe ct posibil la un unghi mai mic de 30.

    3.

    Muchiile interioare se vor rotunji, iar cele exterioare se vor forma pe ct posibil dreptunghiular

    4.

    Se vor evita profilele Z datorit imposibilitii de presare. Se prevede o prelucrare mecanic.

    5.

    Se recomand un numr sczut de trepte succesive. Se recomand: un unghi de degajare pentru bosajul superior; d 34 mm; h 1,2e; 7

    6.

    Se vor evita canalele subiri i adnci. Se recomand: e P/3 i e 23 mm

    9. Teiturile: Teiturile sunt preferabile razelor. Unghiurile mai mici de

    30P0P fa de orizontal sunt obinute fr probleme. Unghiurile ntre 30-45P0P

    300500

    e

    P

    e e

    h h

    d d

  • Formarea pulberilor

    41

    trebuie s se termine cu o zon plan de min. 0,25mm. Unghiurile peste 45P0P trebuie evitate.

    Tabelul 4.3. Soluii constructive n proiectarea formei pieselor sinterizate - continuare Nr. crt.

    INDICAII TEHNOLOGICE

    FORMA NETEHNOLOGIC

    FORMA TEHNOLOGIC

    7.

    La piesele cu alezaj poligonal se vor evita unghiurile ascuite. Se recomand o raz r = 0,51 mm

    8.

    La piesele conice se recomand o poriune cilindric la vrf e 0,5mm

    9..

    La piesele sferice se prevede o poriune cen-tral cilindric, l 2 mm

    4.2.6. CONTROLUL CALITII PRESATELOR

    Semifabricatul obinut prin presare, trebuie s corespund din punct de

    vedere calitativ urmtoarelor condiii: - suprafeele s fie netede, fr zgrieturi, muchiile ntregi, fr tirbituri; - s nu prezinte fisuri; - la controlul vizual nu trebuie s se remarce zone cu porozitate mrit; - densitatea trebuie s corespund cu cea din desenul semifabricatului

    presat; - dac presatul are forma unui corp de rotaie, coaxialitatea suprafeelor

    interioare i exterioare trebuie s fie cuprinse n limite admisibile. Controlul primelor trei condiii se face prin examinarea vizual cu ajutorul

    lupei. Densitatea se controleaz n funcie de complexitatea piesei, la cele

    complexe pe zone i la cele simple global. La piesele de forma simpl, se poate nlocui controlul densitii prin controlul greutii, atunci cnd dimensiunile lor se ncadreaz n limitele de tolerane admise.

    r

    e

    l

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    42

    Controlul vizual se face cu 5-10% din semifabricate, iar cel dimensional la 1% din lot.

    Dar cele mai multe ori, rebuturile de presare, dac apar, nu sunt izolate, ci frecvente tocmai datorit unor cauze obiective i deci combaterea lor necesit revizuirea ntregului flux tehnologic care le precede, precum i revizuirea utilajului.

    4.2.7. PRESE PENTRU PRESAREA N MATRIA A PULBERILOR

    Pentru obinerea pieselor prin presare n matri se utilizeaz curent prese

    mecanice, hidraulice sau mecano-hidraulice, cu o singur sau cu mai multe micri cu fore de presare ntre 1,5-1500 tf, sau chiar mai mult. Ele trebuie s ndeplineasc urmtoarele condiii:

    - s asigure fore de presare suficient de mari n direciile de lucru; cnd poansonul inferior servete numai la scoaterea presatului din matri, fora lui poate sa fie numai 50% din cea de presare, dar numai mica;

    - s se poat regla precis i n limite largi att cursa ct i viteza micrii n gol, a micrii de presare i a micrii de scoatere;

    - s se poat regla adncimea de umplere a matriei, att prin schimbarea poziiei poansonului inferior, ct i prin deplasarea matriei propriu-zise;

    - s se poat sincroniza micrile poansoanelor la presarea pieselor cu mai multe trepte, condiie absolut necesara pentru realizarea unor presate omogene;

    - numrul curselor de lucru s se poat regla n limite largi; - construcia presei sa fie rigid; prile componente ale preselor sunt

    confecionate din oeluri aliate i fonte de nalt rezisten; - s aib rezisten mare la uzur determinat de abrazivitatea pulberilor.

    Prile mobile, lubrifiate sau nu, ntre care ar putea s curg pulbere, s fie protejate prin aprtori speciale;

    - s fie uor de manipulat i ntreinut; - s aib productivitate.

    Presele mecanice sunt cele mai utilizate la fabricarea n serie, avnd cea mai mare productivitate. Sistemele de acionare a acestor prese pot fi cu excentric, arbore cotit, mecanism cu articulaii, came, sau o combinaie a acestora. Fora lor nu depete 250 tf.

    Presele cu excentric, de obicei cu o singura micare, corespund fabricrii reperelor de nlime mic. Presele cu arbore cotit permit presarea bilaterala a unor repere mai nalte i mai complicate.

    Presele cu came se caracterizeaz mai ales prin posibilitatea acionrii independente att a poansoanelor, ct i a matriei. Presele cu came, ca de altfel toate presele cu micri multiple, simplific dispozitivul de presare i prin asta scade preul de cost al produsului. Profilul camelor poate fi astfel realizat, nct micrile diferitelor elemente ale matriei, precum si ale dispozitivelor de dozare

  • Formarea pulberilor

    43

    i de scoatere, s se desfoare dup un program care s corespund celui mai avantajos mod de presare. Combinnd sistemul de acionare cu came cu alte sisteme tot mecanice (excentric, prghie articulat sau arbore cotit) se obin prese care reunind principalele avantaje ale sistemelor, i mresc domeniul de utilizare.

    Presele hidraulice sunt utilizate pentru fore cuprinse intre 100-5000 tf. Utilizarea lor este justificata att prin faptul ca pot realiza curse lungi, cat si prin viteza mica de presare. Printr-o reglare judicioasa a presei se pot obine productiviti acceptabile. Utilizarea mai multor mecanisme piston-cilindru permite realizarea a tot attea micri independente, necesare mai ales la fabricarea pieselor complicate.

    Presele hidraulice pot fi modificate pentru funcionare automat, sau cu comand manual, asigurnd productiviti de 16-10 buc/min.

    Presele mecano-hidraulice cele mai utilizate se caracte-rizeaz prin acionarea hidraulic a poansonului superior i mecanic a poansonului inferior. Prezena celor dou moduri de acionare asigur preselor de acest tip cumularea avantajelor fiecreia. Utilizarea acionrii hidraulice d posibilitatea stabilirii precise a mrimii forei de presare i a meninerii ei un timp determinat.

    4.3. PRESAREA IZOSTATIC

    Presarea izostatic este o metod de formare n care amestecul de pulberi

    plasat ntr-o matri elastic este supus la presiunea unui fluid pe ntreaga lui suprafa, astfel nct are loc o compactare uniform a materialului n toate direciile cu efecte pozitive asupra repartiiei i valorii densitii i a rezistenei mecanice; dac fluidul este un gaz, varianta este denumit izostatic, n timp ce dac fluidul este un lichid, operaia este cunoscut sub numele de presare hidrostatic. Procesul fizic fiind acelai, termenul de izostatic se folosete n ambele cazuri.

    La presarea izostatic la rece se utilizeaz dou metode: - presarea n pung umed (figura 4.7). n acest caz, matria elastic umplut cu pulbere (de cele mai multe ori vidat) este plasat ntr-o incinta de presiune i este eliminat dup fiecare ciclu de presare. Dup nchiderea incintei are loc presurizarea. O supap special asigur eliminarea aerului din incinta. Dup atingerea presiunii de lucru urmeaz o faz de meninere pentru uniformizarea presiunii n masa de pulbere. Urmeaz etapa de depresurizare care se face controlat. Matria este apoi scoas din incinta, manual sau mecanic i semifabricatul presat este eliminat din matri.

    Timpul de lucru este n funcie de mrimea incintei i de posibilitile tehnice ale sistemului de presare i poate fi cuprins ntre 5 i 60 min. - presarea n pung uscat (figura 4.8). n acest caz, matria elastic este plasat definitiv n incinta de presiune. Metoda este mai productiv dar nu asigur o presare total izostatic, din dou motive:

  • Tehnologia pieselor sinterizate

    44

    - matria de presare trebuie nchis la captul de alimentare cu pulbere i de eliminare a semifabricatului cu elemente metalice;

    - existena n matri a unor poansoane metalice pentru realizarea alezajelor interioare

    Presarea izostatic ofer cteva avantaje n comparaie cu presarea n matri. Un prim avantaj este legat de forma i dimensiunile semifabricatelor ce se pot obine i anume: - absena frecrii dintre pulbere i pereii matriei permite presarea unor repere cu perei subiri, cu raport mare nlime/diametru.

    - modul de transmitere a presiunii de presare asigur realizarea unor suprafee profilate sau a filetelor.

    Fig. 4.7 - Presarea n pung uscat Fig.4.8 Presarea n pung umed

    Singura restricie legat de dimensiunile semifabricatelor este dimen-

    siunea incintei (camerei) de presare. Cele mai mari sisteme de presare au un diametru al incintei de 2 m, o nlime de 3-4 m i lucreaz la o presiune de 400 MPa. Un al doilea avantaj este legat de omogenitatea distribuiei densitii pe nlimea semifabricatului presat. Aceast caracteristic important este rezultatul absenei frecrii dintre pulbere i pereii matriei i a modului de transmitere a presiunii de presare.

    Omogenitatea distribuiei densitii explic de ce densitatea semifabricatelor presate izostatic este mai mare dect a celor presate axial, la aceiai valoare a presiunii aplicate.

    Rezult totodat o rezisten la rupere n stare presat mai mare i o reproductibilitate a contraciei la sinterizare mai bun, cu efect benefic asupra creterii stabilitii dimensionale.

    Cel de-al treilea avantaj major este legat de absena fazei de eliminare corespunztoare presrii n matri. Acest lucru este important mai ales pentru semifabricatele cu rezisten la rupere mic, ca de exemplu materialele ceramice. Pentru astfel de materiale, la presarea n matri, presiunea de lucru este limitat

  • Formarea pulberilor

    45

    de tensiunea de alunecare care apare n faza de eliminare, tensiune care produce ruperea semifabricatului cnd acesta prsete matria. Tensiunea de alunecare este proporional cu tensiunea radial rezidual, care la rndul ei crete cu creterea presiunii de presare. Astfel, pentru materialele ceramice se recomand ca presiunea de presare s nu depeasc 100 MPa la presarea axial n matri. Pentru presarea izostatic nu exist din acest punct de vedere nici o restricie.

    Alte avantaje sunt legate de reducerea sau chiar eliminarea lubrifianilor ca urmare a absenei frecrii dintre pulbere i pereii matriei i costul relativ sczut al matrielor care permite o fabricaie economic chiar i pentru o singur pies.

    Dezavantajele presrii izostatice sunt toleranele dimensionale i rugozitile mari n poriunile formate de matria flexibil i productivitatea sczut determinat de nchiderea i deschiderea incintei de formare ca faze ale operaiei de presare. Presarea izostatic se poate desfura la rece sau la cald. Mediul de transmitere a presiunii pentru presarea la rece este apa, uleiul, glicerina, etc., iar pentru presarea la cald, gazele inerte. La presarea la rece, matriele sunt executate din materiale elastice de tipul cauciucului iar la presarea la cald, matriele sunt executate din tabl subire de oel inoxidabil.

    n figura 4.9, se prezint fazele presrii izostatice ale unei piese pline. n figur: 1. capac elastic; 2. manet; 3. pulbere; 4. punga cilindric elastic; 5. cilindru perforat.

    n cazul presrii unui tub schema de presare este cea din figura 4.10.

    Fig. 4.9. Fazele presrii izostatice a unei piese pline: a. punga umplut cu pulbere;

    b. presarea

    Fig. 4.10. Fazele presrii izostatice a unei piese tubulare

    Aceasta se deosebete de precedenta prin aceea c n centru este dispus un

    miez metalic 2 ce este centrat la extremiti prin cele dou inele de material plastic 1