Prelucrarea prin agregare cu pulberi

Prelucrarea prin agregare cu pulberi este un procedeu de prelucrare dimensionala care in a cunoscut o larga dezvoltare in toate ramurile industriei in ultimul deceniu. Fata de metalurgia clasica (bazata pe topire si turnare) aceasta prelucrare consta in obtinerea si utilizarea pulberilor metalice, ca atare, sau sub forma produselor sinterizate, caracterizata in esenta prin faptul ca: r9l4lq
- se bazeaza pe fenomenele de sudare a particulelor metalice sub influenta presiunii si caldurii;
- evita topirea si turnarea metalelor sau a aliajelor lor;
- aplica o parte din tehnologia clasica de elaborare a produselor ceramice propriu-zise (de tip portelan, materiale refractare etc.);
- permite obtinerea produselor cu configuratie mai putin complexa direct la forma geometrica si dimensiunile finale, fara alte prelucrari ulterioare.
Procesul de prelucrare prin agregare de pulberi este foarte interesant. Astfel se pleaca de la pulberi de metale (sau combinatii metalice ori chiar metaloide) urmand ca acestea sa fie intim amestecate in proportile necesare care corespund compozitiei chimice a aliajului pe care dorim sa il obtinem.Odata terminate aceste doua procese se trece la pasul urmator: amestecul obtinut este presat in in forma dorita in matrite metalice, iar comprimatele de pulberi, astfel obtinute supuse unui tratament termic adecvat, pentru a obtine corpuri relativ compacte cu proprietati fizico-mecanice dorite.
Acest tratament termic, cunoscut sub numele de sinterizare, are o influenta preponderenta asupra proprietatilor corpurilor obtinute si este de fapt operatia esentiala a intregii tehnologii a prelucrarii prin agregare de pulberi realizandu-se intotdeauna la o temperatura inferioara temperaturii de topire a metalului respectiv sau a componentului cel mai putin refractar dintr-un amestec de pulberi intr-o atmosfera neutra sau in vid ceea ce impiedica oxidarea pulberilor metalice.
Pulberea este materialul format din particule (granule) de metale pure, de aliaje de compusi intermetalici, de compusi chimici ai metalelor sau de amestecuri mecanice ale mai multor componenti si ale caror dimensiuni pot varia intre 0,1 ... 1000 µm. Marimea granulelor utilizate in agregarea pulberilor pe scara industriala este cuprinsa insa in limite mai restranse variind intre 1...400 µm.
Pulberile metalice se caracterizeaza printr-o serie de proprietati fizice si chimice care determina in mare masura proprietatile finale ale produselor obtinute prin agregare de pulberi. Exista urmatoarele proprietati fizice mai importante:
Forma particulelor: se apreciaza pe baza raportului dintre cele trei dimensiuni ale particulelor, distingandu-se trei grupe principale:
- particule fibroase sau aciculare a caror lungime depaseste cu mult celalalte doua dimensiuni (l >=b=Ih);
- particule lamelare, plate a caror doua dimensiuni sunt de acelasi ordin de marime si depasesc cu mult pe cea de a treia (l=Ib>=h);
- particule echiaxiale (sferoidale, poliedrice) la care toate cele trei dimensiuni sunt aproape egale (l=Ib=Ih).

Avantajele utilizarii in tehnica a pieselor sinterizate din pulberi metalice

Eficienta economica a metalurgiei pulberilor se manifesta pe mai multe planuri, antrenand pe langa economiile directe sau indirecte de metal sau energie si urmatoarele aspecte:
-; imbunatatirea performantelor si parametrilor functionali ai utilajelor pe care sunt montate piese sinterizate;
-; marirea productivitatii unor procese tehnologice care folosesc produse ale metalurgiei pulberilor;
-; reconditionarea produselor masive si complexe;
-; recuperarea unor deseuri sub forma de pulberi metalice (oxizi de fier, deseuri de cupru tehnic);
-; valorificarea superioara a metalului.
Avantajele tehnice ale metalurgiei pulberilor sunt:
1. Metalurgia pulberilor are menirea sa completeze nomenclatorul produselor fabricate in industrie;
2. Metalurgia pulberilor ofera, in anumite cazuri, unica solutie rationala, avantajoasa, la elaborarea unor materiale si produse cu proprietati speciale, care nu pot fi obtinute prin procedee tehnologice clasice;
3. Se obtin piese la o calitate superioara, cu un continut minim de metal, cu o productivitate ridicata;
4. Constituie un pas important in domeniul studiului structurii materialelor metalice;
5. Obtinerea unei serii de metale si aliaje cu o temperatura de topire inalta. In prezent metalurgia pulberilor sta la baza obtinerii urmatoarelor tipuri de materiale: metale si aliaje utilizate in electrotehnica; materiale dure pe baza de carburi metalice, nitruri, siliciuri etc.; materiale sinterizate poroase cu caracteristici autolubrifiante; materiale si aliaje de mare puritate, cu o structura fina si omogena, lipsita de defecte, practic imposibil de obtinut prin topire si turnare; materiale cu compozitie foarte variata, fara a lua in considerare solubilitatea reciproca a constituientilor metal-compusi ai metalelor (carbura de wolfram -; cobalt, cermenti), metal -; metaloizi (cupru -; grafit), metal -; mase plastice (fier-bachelita, bronz-teflon).
Pentru o intelegere completa a avantajelor economice ale metalurgiei pulberilor trebuie sa se ia in considerare costurile materialelor si energiei, costurile de fabricatie, manopera, regia si beneficiile. Reducerea costurilor de fabricatie la piesele fabricate prin aceasta tehnologie depinde de complexitatea pieselor. La serii de fabricatie de peste 20000 buc.
Piese elaborate prin metalurgia pulberilor, elementele costului se reduc substantial cu 75% cheltuielile materiale, cu 30% la costul utilajelor, cu 32% la timpul de fabricatie, cu 96% la forta de munca, cu 94% cheltuielile pentru intretinerea utilajelor, iar totalul cheltuielilor se reduce cu peste 40%. Costurile de fabricatie pentru piesele sinterizate sunt determinate in special de costurile sculelor.
Complexitatea si costul sculelor sunt un rezultat direct al configuratiei pieselor care include nu numai un numar de niveluri de presare ci si forme cu gauri si suprafete interioare. O pondere importanta in costul sculelor o are materialul. In mod normal pentru o productie mare de acelasi tip de piesa, sculele sunt facute din carbura de wolfram pentru a reduce uzura. Pentru serii mici este mai rentabil sa se utilizeze scule din otel, al caror cost reprezinta doar 25...50% din costul sculelor de carbura.
Metalurgia pulberilor reduce consumurile de materii prime si energie, coeficientul de utilizare a pulberilor metalice fiind de 98...99%.
Tendintele pe plan mondial se pot grupa astfel: reciclarea deseurilor, dezvoltarea noilor tehnologii ale metalurgiei pulberilor si reducerea consumurilor de metale.

In zilele noastre o importanta deosebita a obtinut metalurgia pulberilor si in reciclarea deseurilor metalice prin transformarea acestora in pulberi metalice valoroase: recuperarea aschiilor de la prelucrarea semifabricatelor metalice a oxizilor de cupru proveniti de la laminarea la cald, a deseurilor, sculelor si pieselor uzate din aliaje dure sinterizate. Obtinerea pulberilor metalice din deseuri de fabricatie are implicatii multiple atat asupra valorificarii superioare a deseului cat si asupra produsului finit. Aschiile de la prelucrarea clasica a pieselor din fonta sau otel constituie, intr-un atelier de mecanica, un deseu de mica valoare pentru retopire sau refolosire. Aschiile recuperate pot fi transformate in pulberi fie prin macinare, formare si sinterizare (pentru piese cu calitate medie), fie prin sinterizarea si forjarea lor, fie prin laminare directa a spanului comprimat (pentru bare cu caracteristici mecanice bune).
Dezvoltarea noilor tehnologii ale metalurgiei pulberilor sunt cai importante pentru economisirea de materii prime. Orientarea actuala este catre fabricarea benzilor continue de metal prin laminarea pulberilor si confectionarea unor benzi din oxizi metalici deformabili, care apoi sunt reduse, sinterizate si laminate. Obtinerea de piese forjate direct din pulberi, pe l anga proprietati superioare, aduce si reale economii de metal, deoarece deformarea facandu-se intr-un regim de volum variabil, se lucreaza fara bavura si la o foarte mare precizie dimensionala, nerealizabila prin procedeul clasic de forjare libera.
Proportia de metal consumat pe plan mondial sub forma de pulbere este variabila, astfel: 0,1% pentru fier si plumb; 1% pentru nichel, cupru, staniu, titan, argint; mai mare de 5% pentru molibden, cobalt; 60...70% pentru wolfram si tantal.
Ca o concluzie la cele prezentate, in continuare sunt prezentate cateva aplicatii ale pulberilor metalice in diferite domenii:
- tehnica spatiala:
- ecrane termice (pulberi de beriliu, wolfram);
- filtre pentru combustibil (pulberi de bronz, otel inoxidabil, nichel);
- piese pentru motoare cu reactie (pulberi de aliaje superioare, zinc);
- combustibil pentru rachete (pulberi de aluminiu, magneziu).
- tehnica militara:
- munitii ( pulberi de grafit);
- miezuri de strapungere a blindajului (pulberi de wolfram, cupru, nichel, cobalt);
- bombe (pulberi de fier); - amestecuri de aprindere, capse (pulberi de grafit, aluminiu);
- proiectile incendiare (pulberi de fier, plumb);
- elemente detonatoare (pulberi de alama, otel inoxidabil);
- bombe incendiare, trasoare, torpile (pulberi de fier, aluminiu, cupru, magneziu, zinc);
- capse detonatoare (pulberi de nichel);
- combustibil solid pentru rachete (pulberi de aluminiu, magneziu).
- tehnica nucleara:
- bare de comanda si reflectoare (pulberi de zirconiu, beriliu, uraniu);
- filtre pentru gaz si apa grea (pulberi de otel inox, aliaje de nichel);
- ecranare raze gama (pulberi de wolfram, nichel, cupru, plumb);
- ecranare pentru neutroni ( pulberi de bor, nichel, fier, plumb).
- medicina:
- amalgam dentar (pulberi de argint, aur, aliaje ale acestora);
- ace chirurgicale ( pulberi de tantal si zirconiu);
- implanturi chirurgicale (pulberi de aliaje de nichel si cobalt);
- tratamente de silicoza ( pulberi de aluminiu);
- productia de insulina (pulberi de zinc).
- prelucrari mecanice:
- prelucrari prin electroeroziune (pulberi de wolfram, cupru, argint);
- prelucrari electrochimice (electrozi pulberi din cupru, argint, wolfram):
- tratamente termice (tuburi de protectie din pulberi de aliaje de platina; ecrane pentru cuptoare din pulberi de aluminiu, wolfram; termocuple din aliaje de wolfram, molibden, platina, rhodiu).
- Echipament industrial:
- lagare si bucse (pulberi de cupru, fier, crom);
- frane placate cu azbest ( pulberi de zinc, grafit);
- cutite de aschiere (pulberi de wolfram, cobalt);
- filtre (pulberi de bronz, nichel, otel inoxidabil);
- materiale de frictiune (pulberi de cupru, zinc, fier, plumb, grafit).

Prepararea amestecurilor de pulberi

Operatia de preparare presupune amestecarea a doua sau mai multor tipuri de pulberi sau a mai multor sorturi din acelasi tip de pulbere cu ingredienti nemetalici. Acestia sunt adaugati pentru cresterea rezistentei pieselor sau pentru lubrifierea particulelor metalice, pentru a diminua frecarea interna din masa pulberii, frecarea pulberii de suprafata interioara a sculelor si uzura sculelor.

1. perfect ordonate; 2. partial ordonate; 3. grupuri ordonate; 4. grupuri distribuite inta mplator; 5.particule distribuite inta mplator; 6. neamestecate
Fig.1.1 Distributia particulelor in amestecurile de pulberi metalice

Astfel trebuie sa se produca un amestec omogen care sa-si mentina caracteristicile in timpul manipularii, presarii si sinterizarii. Distributia particulelor in amestecurile de pulberi metalice poate fi perfecta ordonata (fig.
1.1.1), partial ordonata (fig. 1.1.2), in grupuri distribuite intamplator (fig. 1.1.3 si 1.1.4) cu particule distribuite intamplator (fig. 1.1.5) sau neamestecate (fig. 1.1.6)
Factorii care afecteaza procesul de amestecare a pulberilor metalice sunt: tipul amestecatorului, volumul, geometria si dimensiunile amestecatorului, aria suprafetei interioare a acestuia, volumul pulberii din amestecator inainte si dupa amestecare, raportul de volum al componentilor ce se amesteca, caracteristicile pulberilor metalice si ale adaosurilor, viteza de rotatie a amestecatorului, timpul, temperatura si mediul de amestecare, umiditatea.
Pentru fiecare tip de amestec se vor determina urmatoarele:

- volumul de umplere al pulberii in amestecator;
- cantitatea optima ce se incarca intr-o sarja;
- schimbarile in distributia marimii particulelor in timpul amestecarii (in urma macinarii rezulta pulberi fine, iar prin aglomerare se formeaza particulele grosiere);
- schimbari in suprafetele particulelor (oxidari);
- actiunea abraziva a impuritatilor;
- extragerea amestecului de pulbere din amestecator;
- luarea probelor;
- evolutia omogenitatii.
Viteza curgerii unei pulberi este deosebit de importanta pentru fabricarea prin metalurgia pulberilor a unui numar mare de piese. O curgere necorespunzatoare a pulberii determina o umplere neuniforma a cavitatii matritei. Grafic, proprietatile de curgere a pulberii de fier, tipul NC 100-24, amestecata timp de 15 min. cu diferiti lubrifianti este prezentata in figura 2.1. In primele sapte variante s-au utilizat diferite tipuri de stearat de zinc, apoi lubrifiantul numit Metallus Hoganas si stearatul de cobalt, iar ultimul caz fara lubrifiant.

Fig.2.1 Proprietati de curgere ale pulberii de fier NC100 - 24 amestecata 15 min. cu diferiti lubrifianti