Właściwości i zastosowanie materiałów spiekanych na bazie żelaza

producent proszku: Höganäs AB,

***)

producent proszku: QMP Metal Powders GmBH;

Z porównania przedstawionego w tabeli 2.1 wynika, że czyste proszki żelaza cechują się wyższą zieloną wytrzymałością, czyli odpornością na uszkodzenia wypraski w stanie niespieczonym, w porównaniu do proszku stopowego. Proszek redukowany o najbardziej rozwiniętej powierzchni ma najwyższą zieloną wytrzymałość wypraski.

2.1.3. Właściwości i zastosowanie materiałów spiekanych na bazie żelaza

Właściwości części wytwarzanych technikami metalurgii proszków zależą od składu chemicznego użytej mieszanki proszkowej oraz uzyskanego w procesie wytwórczym składu fazowego materiału, a także od morfologii faz tworzących materiał.

Wpływ rodzaju proszku oraz dodatków stopowych na właściwości materiałów spiekanych z proszków żelaza i stali przedstawiono w rozdziale 2.1.2.2.

Pory w spiekach można traktować jako jedną z faz, która występuje w gazowym stanie skupienia [18]. W zależności od udziału porowatości w strukturze spieków

możemy podzielić je na wysokoporowate, o gęstości pośredniej oraz o wysokiej gęstości. Porowatość spieków determinuje ich właściwości mechaniczne.

Wymaganą wysoką porowatość spieku można zaprojektować przede wszystkim poprzez dobór właściwego proszku i ewentualne zastosowanie środków porotwórczych.

Największe porowatości formowanych kształtek uzyskuje się stosując proszki w wąskim przedziale rozmiaru cząstek o strukturze gąbczastej i strzępiastym kształcie cząstek. Natomiast stosowanie cząstek proszku o kształcie kulistym daje równomierną i otwartą porowatość. Porowatość otwartą (czynną) stanowią pory łączące się ze sobą i z powierzchnią zewnętrzną wyrobu. Pory zamknięte (odizolowane od siebie) powstają w procesie zasypywania i prasowania proszku. Wraz ze wzrostem ciśnienia prasowania maleje całkowita porowatość wyrobu, przy czym zmniejsza się udział porowatości otwartej, natomiast wzrasta udział porowatości zamkniętej. Spiekanie nie wpływa w tak znacznym stopniu na porowatość wyrobu jak proces prasowania, ale poprzez zmianę temperatury oraz czasu spiekania można kształtować ją w pewnym zakresie [18].

Wysokoporowate metalowe materiały spiekane przeznaczone są m.in. do czyszczenia/filtrowania, uspokajania przepływu i odolejania cieczy oraz gazów lub do wytwarzania katalizatorów. Porowatość otwarta filtrów spiekanych z proszków zawiera się zazwyczaj w przedziale 25-40%, a całkowita nie przekracza 50%, gdyż przy większej porowatości wytrzymałość mechaniczna materiału jest niewystarczająca.

Filtry o porowatości większej niż 50% wytwarza się z włókien metalowych. Do wyrobu filtrów używa się głównie proszki lub włókna z brązów cynowych, stali odpornych na korozję oraz mosiądzów wysokoniklowych. Podstawowymi zaletami filtrów spiekanych jest wysoka dokładność oczyszczania, odporność na wysokie temperatury i korozyjne działanie czynnika filtrowanego, łatwość regeneracji oraz dobra obrabialność. Filtry spiekane mogą być poddawane wszelkiego rodzaju procesom obróbki mechanicznej, takim jak toczenie, frezowanie, wiercenie, itp. Spawanie materiałów spiekanych jest zbliżone do spawania podobnych materiałów litych, z wyjątkiem niedogodności spowodowanej dużą ilością porów. Rozmiar porów decyduje o dokładności oczyszczania płynów podczas filtracji. Filtry spiekane z proszków umożliwiają oczyszczanie z cząstek o średnicy od 2 µm. Regeneracja filtrów odbywa się poprzez przepłukiwanie lub przedmuchiwanie oraz metodami chemicznymi [18, 42, 43].

Metalowe filtry spiekane stosowane są między innymi do [43]:

− usuwania ciał obcych w przewodach paliwowych pomiędzy zbiornikiem a pompą (ochrona wtryskiwacza),

− usuwania cząstek w elementach hydraulicznych,

− filtrowania tlenku deuteru (ciężkiej wody) w reaktorach nuklearnych w celu usunięcia radioaktywnych cząsteczek,

− filtrowania wody w wysokiej temperaturze przy wysokim ciśnieniu w przemyśle tekstylnym, np. przy produkcji włókien sztucznych,

− filtrowania paliwa w lotnictwie.

Trzeba jednak zaznaczyć, że spiekane materiały wysokoporowate nie są stosowane tylko do oczyszczania cieczy. Wykorzystuje się je także jako przegrody do regulowania ciśnienia gazu oraz jego osuszania lub nagrzewania, w zabezpieczeniach przed cofaniem płomieni w palnikach instalacji gazowych, w aparatach do rozpylania cieczy lub napowietrzania płynów i inne [18].

Szczególnym zastosowaniem materiałów spiekanych, w którym porowatość jest cechą pożądaną, są porowate łożyska ślizgowe. Uzyskuje się je w wyniku prasowania i spiekania. Udział porów wynosi w tym przypadku od 10 do 35%. Po nasyceniu spieku olejem pory stanowią magazyn środka smarującego, który uwalniany jest w czasie pracy. Łożyskami są najczęściej spieki na bazie żelaza, brązu lub innych stopów miedzi.

Do spieków na bazie żelaza można dodawać grafit lub ołów, co polepsza ich właściwości ślizgowe, ale jednocześnie pogarsza właściwości wytrzymałościowe.

Dodatek miedzi polepsza natomiast właściwości wytrzymałościowe spieków na osnowie żelaza i jednocześnie pozwala na zwiększenie prędkości ślizgania i obciążenia łożyska. Obecnie w wielu ośrodkach naukowych i przemysłowych trwają intensywne badania nad efektywnością pracy łożysk spiekanych, która zależy z jednej strony od udziału porowatości oraz morfologii i wielkości uzyskanych kapilar, a z drugiej od właściwości środków smarujących [17, 18, 44].

Kolejną grupą materiałów spiekanych są części o gęstości pośredniej i wysokiej, w których porowatość nie jest atutem, ponieważ wyraźnie wpływa na pogorszenie właściwości wytrzymałościowych. Części o gęstości pośredniej, mieszczącej się w zakresie od 6 do 7,2 g/cm³, można wytwarzać poprzez prasowanie i spiekanie.

Kilkunastoprocentową porowatością i gęstością do 7 g/cm³ cechują się części produkowane z tzw. „twardych” proszków. Proszki „twarde” to proszki żelaza lub stali,

w których występuje znaczna ilość zanieczyszczeń, głównie niemetalicznych, które obniżają prasowalność. Przekładem takiego proszku jest produkowany przez firmę Höganäs AB proszek żelaza MH 100.24. Właściwości wytrzymałościowe i plastyczne części wytwarzanych z tego typu proszków można porównać do żeliw. Stanowią one w dużej mierze zamienniki części odlewanych. Stosowane są na mniej odpowiedzialne elementy, np. w przemyśle motoryzacyjnym na koła zębate pomp olejowych, gniazda zaworów; w przemyśle budowlanym jako zapadki zamków, klamki, tuleje; w przemyśle zbrojeniowym wykorzystywane są jako spusty, części zamków czy celowniki [18, 44].

Jednokrotne prasowanie proszków o niskiej prasowalności przy ciśnieniu 400-700 MPa i spiekanie w temperaturze 1050-1250^oC, pozwala uzyskać wyroby o gęstości 7 g/cm³ i wytrzymałości na rozciąganie ok. 220 MPa [18]. Przykłady części spiekanych wykorzystywane w przemyśle budowlanym pokazano na rys. 2.9.

a) przekładania windy b) element zamku

Rys. 2.9. Przykład części spiekanych stosowanych w przemyśle budowlanym [44]

Dla uzyskania gęstości powyżej 7,2 g/cm³ wykorzystuje się wysokoplastyczne proszki żelaza (o dużej czystości) oraz zabiegi dogęszczania na zimno lub na gorąco.

Dla podwyższenia właściwości wytrzymałościowych wprowadza się natomiast dodatki stopowe.

Największym odbiorcą stalowych części spiekanych jest przemysł samochodowy.

Zazwyczaj zastępują one elementy produkowane dotychczas metodą odlewania, kucia lub obróbki ubytkowej. Za przykład mogą służyć: koła zębate, koła łańcuchowe, synchronizatory, różnego rodzaju dźwignie oraz popychacze, liczne części silników, skrzyni biegów, układu przeniesienia napędu, amortyzatorów, układu hamulcowego, kierowniczego, elementy pomocniczych napędów elektrycznych. Zgodnie z danymi przedstawionymi przez Ciasia i Sułkowskiego, w 2005 roku w produkowanych w USA pojazdach było 19,5 kg części spiekanych, w Europie 9 kg, a w Japonii 8 kg. Części te są najczęściej produkowane ze stali niskostopowych z dodatkami Cu, Ni i Mo, a coraz częściej również ze stali zawierających Cr, Mn oraz Si [3]. Na rys. 2.10 przedstawiono przykłady zastosowania części spiekanych w samochodzie osobowym.

Rys. 2.10. Przykłady zastosowania elementów wytworzonych technikami metalurgii proszków w samochodzie osobowym, na podstawie [44]

Spiekane stale odporne na korozję, w szczególności stale ferrytyczne, znalazły zastosowanie na uchwyty lusterek wewnętrznych, elementy wycieraczek, połączenia kołnierzowe układu wylotowego, pierścienie sensora ABS, elementy mocujące czujników stężenia tlenu w gorących spalinach HEGOS (z ang. Hot Exhaust Gas Oxygen Sensor) [5, 45].

Innym ciekawym rozwiązaniem jest propozycja zastosowania odpornych na korozję materiałów spiekanych na bazie proszków stali 316L oraz 434L na okładki ogniw paliwowych, których głównym zadaniem jest zapewnianie równomiernego rozprowadzania reagentów na powierzchniach elektrod (rys. 2.11). Dotychczas w tym celu w litych materiałach wycina się kanały o różnych kształtach. W przypadku materiału porowatego, nierówności powierzchni stanowią kanały doprowadzające i odprowadzające media. Wpływ poszczególnych faz w materiale spiekanym (ferrytu i austenitu) decyduje o właściwościach mechanicznych oraz odporności na korozję okładek ogniw. Pięćdziesięcioprocentowy udział fazy austenitycznej pozwala na ponad dziesięciokrotne podwyższenie odporności materiału na korozję i znaczne obniżenie

układ wydechowy układ napędowy

zawieszenie i układ hamulcowy

silnik

wartości gęstości prądu korozyjnego w porównaniu do materiału o strukturze ferrytycznej [46].

Rys. 2.11. Elementy ogniwa paliwowego typu PEMFC [46]

Właściwości mechaniczne materiałów spiekanych kształtuje się nie tylko poprzez dobór paramentów wytwarzania (prasowanie, spiekanie i dogęszczanie) oraz rodzaj i skład chemiczny proszków, ale można nimi w znaczny sposób sterować także poprzez zastosowanie odpowiedniej obróbki cieplnej, tj. hartowanie i odpuszczanie oraz cieplno-chemicznej, np. nawęglanie, węgloazotowanie. Trzeba jednak pamiętać, że materiały spiekane ze względu na występującą w nich porowatość zachowują się odmiennie od materiałów litych. Dobór parametrów obróbki musi zostać dostosowany do charakterystyki danego wyrobu proszkowego, jego składu chemicznego i fazowego (udziału porowatości w strukturze). Na rys. 2.12 przedstawiono wpływ gęstości oraz obróbki cieplno-chemicznej, poprzez azotonawęglanie, na twardość wyrobów spiekanych.

Mieszanka INOP mix 7 PS - wysokie spiekanie

0

Mieszanka INOP mix 7 PS - azotonawęglanie

0

Rys. 2.12. Zależność twardości od gęstości wyrobów spiekanych na bazie proszku Astaloy Mo:

a) po operacji wysokiego spiekania, b) po azotonawęglaniu [21]

Przykłady wyrobów spiekanych, których technologię wytwarzania opracowano w Instytucie Obróbki Plastycznej, głównie dla przemysłu motoryzacyjnego, maszynowego i budowlanego, pokazano na rys. 2.13.

Rys. 2.13. Przykład części wytwarzanych metodami metalurgii proszków w Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu [47]

Cyunczyk w swojej monografii przedstawił orientacyjny zakres wytrzymałości na rozciąganie najczęściej produkowanych spieków żelaznych i stalowych, w porównaniu z wytrzymałością konwencjonalnych stopów żelaza (rys. 2.14) [18].

Rys. 2.14. Porównanie wytrzymałości na rozciąganie spieków żelaznych i stalowych z konwencjonalnymi stopami żelaza [18]