Prášková metalurgie

Podstata práškové metalurgie

Prášková metalurgie je technologie, při které jsou zhotovovány polotovary nebo hotové výrobky spojováním kovů nebo kovů s nekovy ve formě prášků působením tlaku a tepla při teplotách nižších než je teplota tavení alespoň jedné ze spojovaných složek.

Užití technologie práškové metalurgie

Tato technologie se používá v případech, kdy

- není možno dané materiály zpracovat jinou technologií, jako například v případech spojování komponent, které se spolu neslévají

- je tato technologie hospodárnější než jiné, jako například při zpracování materiálů s vysokým bodem tavení nebo při sériové výrobě drobných součástí

- tato technologie dává lepší výsledky než technologie ostatní, jako například při požadavku vysoké čistoty materiálů, požadavku dosažení přesného chemického složení nebo potřeby dosažení zvláštní struktury (poréznost).

Nevýhodami práškové metalurgie jsou

- menší hutnost a tím i pevnost a houževnatost vyrobených materiálů

- vysoké náklady na nástroje.

Výrobní postup technologie práškové metalurgie

Výrobní postup se skládá z několika etap:

- výroba prášků

- úprava prášků

- lisování prášků

- spékání čili slinování výlisků z prášků

- konečná úprava výrobků.

Výroba prášků

Prášky je možno vyrábět způsoby

- fyzikálními    - drcením a mletím, které se užívají zejména u Cu, Fe, Al, Cr, Mn

                         - rozprašováním tekutého kovu vzduchem nebo vodou, které se užívá zejména u Pb, Zn, Sn, Al, Fe

                         - kondenzací par, která se užívá zejména u Zn, Cd

- chemickými, založenými na redukci rud, které se užívají zejména u Cu, Ag, Fe, Ni, Co, W, Mo, Ti.

Úprava prášků

Úprava prášků navazuje na jejich výrobu a způsoby úpravy závisejí na dalším zpracování. Nejčastěji se jedná o

- redukci prášků po jejich výrobě rozprašováním vzduchem

- sušení prášků po jejich výrobě rozprašováním vodou

- prosévání a třídění prášků podle velikosti částic

- míchání prášků podle žádaného složení výrobků

- přidávání dalších složek podle zvláštních požadavků, například přidávání maziva pro zlepšení lisovatelnosti.

Lisování prášků

Účelem lisování prášků je dosažení částečně zhutněného základního tvaru budoucího výrobku před jeho spékáním. Způsob lisování, druh lisovacích nástrojů a lisovací tlak závisejí na spékaném materiálu, rozměrech, tvaru a účelu výrobků. Tlaky se proto pohybují v širokém rozmezí od 200 do 2000 Mpa.

Lisovací nástroje mohou pracovat

- přímočarým pohybem, tedy lisováním v užším smyslu slova

- rotačně, tedy válcováním

- vytlačováním kalibrovaným otvorem.

Přímočaré lisování může probíhat

- z jedné strany (obr. a)

- z obou stran (obr. b)

- ze všech stran. (obr. c)

Jednostranné lisování se užívá u výlisků z dobře lisovatelných prášků a u nízkých výlisků, protože u lisovníku je zhutnění největší, ve vzdálenějších místech je zhutnění menší.

Oboustranné lisování se užívá u vyšších výlisků. Zhutnění v místech přímého působení lisovníků je větší než zhutnění uprostřed výlisku.

Lisování ze všech stran se užívá u tvarově složitějších výlisků. Výlisek se nejdříve předlisuje jednostranně nebo oboustranně do přibližného tvaru. Pak se vloží do válce s kapalinou, nejčastěji olejem, na kterou tlačí píst. Tlak v kapalině působí rovnoměrně ze všech stran výlisku. Tímto postupem je dosahováno nejvyššího zhutnění ve všech směrech.

Při válcování prášek ze zásobníku vstupuje mezi válce, které ho stlačují a zhutňují. Výrobkem jsou tyče nebo pásy. Pokud dosažené zhutnění nepostačuje, může být opakováno.

Při vytlačování kalibrovaným otvorem jsou vytvářeny polotovary tyčového tvaru.

Spékání (slinování) prášků

Spékáním se rozumí tepelné působení na polotovar zhotovený předchozím lisováním, obecněji zhutněním.

Teplota slinování závisí na druhu spojovaného materiálu a na jeho složení. V případě slinování polotovarů vytvořených z jednoho prášku, tj. prášku vyrobeného z jediného materiálu, se volí teplota slinování ve výši asi 80 % teploty jeho tavení. Ke spojování částic prášku dochází difusí.

U polotovarů vytvořených ze směsi prášků může dojít ke spojení prachových částic dvojím způsobem. V prvním případě je teplota slinování nižší než teplota tavení všech složek směsi a ke spojení dochází difusí. Ve druhém případě je teplota slinování vyšší než teplota tavení některé nebo některých složek, přičemž alespoň jedna ze složek zůstává v tuhém stavu. Pak dochází ke spojení tuhých částic jejich smáčením kapalnou fází a následující difusí (podobně jako při pájení).

V případě nebezpečí oxidace prášků nebo jejich jiného nežádoucího chemického ovlivnění se slinování provádí v ochranné atmosféře nebo ve vakuu.

Konečná úprava slinutých výlisků

Slinuté výrobky často ještě nevyhovují na ně kladeným požadavkům. Proto se u nich provádí konečná úprava, která závisí na druhu spékaného materiálu a účelu výrobků. Nejčastějšími konečnými úpravami jsou

- opakované lisování a slinování s cílem zvýšení hutnosti a tím i pevnosti a houževnatosti

- kalibrování, což je dolisování za studena pro dosažení přesného tvaru a rozměrů

- nauhličení, které se provádí u ocelových výrobků, které mají být za účelem zvýšení tvrdosti kaleny

- zaplnění pórů kovem s nižší teplotou tavení, například mědí nebo niklem, za účelem odstranění poréznosti

- sycení mazivem u výrobků, které mají mít nízký součinitel tření (samomazná ložiska).

- povrchová ochrana proti korozi.

Výrobky práškové metalurgie

Výrobky zhotovené technologií práškové metalurgie mohou být vytvořeny z různých materiálů a sloužit různým účelům. Proto je při snaze o systematické uspořádání jejich výčtu možno sestavit přehledy podle různých hledisek. V následujícím přehledu bylo zvoleno hledisko použití výrobků v hlavních technických oborech.

Konstrukční (strojní) součásti

Mechanicky namáhané součásti

Do této skupiny patří zpravidla menší sériově vyráběné součásti, u nichž nejsou kladeny vyšší nároky na pevnost  houževnatost. Příkladem mohou být součástky pro motorová vozidla, do kancelářských strojů, šicích strojů, kuchyňských strojků a dalších jako různé páčky, ozubená a řetězová kola, pístní kroužky. Materiálem je ocel, ocel s grafitem, ocel s mědí, bronz.

Kluzná ložiska

Kluzná ložiska vyráběná práškovou metalurgií jsou trojího typu:

- tlustostěnná samomazná ložiska

- tenkostěnná ložiska tlakově mazaná

- tenkostěnná ložiska nemazaná.

U tlustostěnných ložisek se využívá poréznosti jejich struktury k získání dlouhodobé samočinné mazací schopnosti. Ložisko se vyrobí s 10 až 25 % porézností tak, aby póry byly propojené a na vnitřním povrchu ložiska otevřené. Před montáží do stroje se ložiska sytí olejem. V provozu olej z pórů vzlíná do místa styku ložiska s čepem a maže. Tato ložiska se užívají v případech, kdy je přístup k ložisku omezen nebo kdy není možno během provozu zařízení spoléhat na kvalifikovanou obsluhu. Příkladem mohou být malé elektromotorky, kuchyňské strojky, textilní stroje, některá zařízení automobilů. Nejčastějším materiálem je ocel, ocel s grafitem, bronz, bronz s grafitem.

Tenkostěnná ložiska tlakově mazaná vyrobená práškovou metalurgií mají stejný tvar a funkci jako tentýž typ ložisek vyráběný obráběním. Prášková metalurgie ale při jejich výrobě umožňuje významnou úsporu materiálu. Konstrukce ložiska je dvouvrstvá, kovový prášek je v potřebné tloušťce vrstvy zevnitř nalisován na ocelový podklad (plášť). Po slinutí se jemně obrábí pouze vnitřní povrch ložiska. Nejčastějším materiálem je olověný bronz.

Tenkostěnná ložiska nemazaná jsou vyrobena ze směsi cínového bronzu a plastu s nízkým součinitelem tření, nejčastěji teflonu. Tato ložiska nevyžadují žádné mazaní. Nejsou ale vhodná  pro vyšší rychlosti otáčení. Konstrukce ložiska je podobná jako u tenkostěnných tlakově mazaných ložisek.

Třecí materiály

U některých strojních součástí je požadován vysoký součinitel tření. Příkladem jsou obložení brzd a spojek. Prášková metalurgie umožňuje výrobu takových materiálů spojením kovu a keramické složky, zvyšující tření. Kovovou složku tvoří ocel nebo bronz, přidává se křemenný prach, karbid křemíku nebo asbest. Pro dosažení zvláštních vlastností, například měkkého záběru nebo zamezení blokování, se přidává grafit a olovo. Takto zhotovené materiály mají součinitel suchého tření 0,25 až 0,5 (litina má 0,1 až 0,2).

Pórovité materiály (kovové filtry)

Kovové filtry jsou destičky zhotovené s velikostí pórů odpovídající velikosti oddělovaných částic. Materiálem je ocel, bronz, nikl, stříbro, ale také karbid wolframu nebo karbid křemíku. Prášek se lisuje do tvaru destiček nebo se válcuje do tvaru pásu a následně spéká. Někdy se prášek spéká bez stlačení ve volně nasypané vrstvě. Kovové filtry se užívají k jemnému filtrování kapalin a vzdušin, například benzinu, nafty, technických plynů. Někdy se užívají jako tlumicí element v hydraulických a pneumatických systémech.

Žárovzdorné a žáropevné materiály

Žárovzdornými materiály se rozumí takové, které odolávají vysokým teplotám a nebortí se, žáropevnými takové. které jsou schopny při vysokých teplotách přenášet silové zatížení. V současné technice jsou zmíněné vlastnosti často požadovány. Příkladem mohou být tepelné motory nebo měřicí technika.

Do této skupiny patří

- vysokotavitelné kovy, jako wolfram (3 410°C), tantal (2 996 °C), molybden (2 610 °C), niob (2 486 °C), vanad (1 890 °C), chrom (1 875 °C), titan (1 668 °C )

- kysličníky, především Al2O3, a jejich spojení s kovy; například pro výrobu hořáků, pyrometrů a tepelně namáhaných forem se užívá slinutina složená z 30 % Al2O3 a 70 % chromu

- karbidy některých kovů (wolframu, titanu a dalších); například na lopatky spalovacích turbin se užívá slinutina TiC+Ni+Cr

- silicidy, tj. sloučeniny křemíku s některými kovy spojené s dalšími složkami; například pro výrobu tavicích kelímků a trysek raket se užívá slinutina MoSi2 + Al2O3

- boridy, tj. sloučeniny bóru s některými kovy (zirkonem, titanem, chromem, molybdenem); příkladem užití jsou hořáky tryskových a raketových motorů nebo ventilová sedla pístových spalovacích motorů.

Elektrotechnické součásti

Magnety

Magnetické materiály se vyrábějí z kovů nebo jejich kysličníků. Podle magnetických vlastností, které je možno ovlivnit složením, se rozdělují na materiály magneticky měkké a magneticky tvrdé.

Kovové magnety se vyrábějí ze železa nebo ze směsi železa s hliníkem, niklem, kobaltem či molybdenem. Známé jsou magnety označované Alniko, zhotovené z Fe, Al, Ni a Co. Někdy se přidávají i nekovové složky, například křemík.

Nekovové magnety se vyrábějí z kysličníků železa FeO nebo Fe2O3 jejich slučováním s kysličníky jiných kovů (zinek, mangan). Pro jejich označení se užívá názvu ferity. Nejvýznamnější jsou sloučeniny MnOFe2O3
a ZnOFe2O3. Žádný z těchto kysličníků sám není magnetický, jejich sloučenina je feromagnetická.

Kontakty

Elektrické kontakty jsou součásti, od nichž jsou požadovány vysoká elektrická vodivost, vysoká tepelná vodivost, tvrdost a odolnost proti erozi elektrickým obloukem. Tyto vlastnosti jsou do určité míry protichůdné a zpravidla jich není možno dosáhnout použitím jediného kovu.

Pro velká napětí, malé proudy a častá přerušení se užívá wolfram.

Pro velká napětí a velké proudy se užívá wolfram s mědí nebo stříbrem.

Pro nižší napětí a velké proudy se užívá stříbro s niklem nebo kysličníkem kadmia.

Kartáče

Od kartáčů točivých elektrických strojů je požadována vysoká elektrická vodivost a dobré kluzné vlastnosti. Pro malé proudy se užívá kartáčů grafitových. Pro velké proudy se kartáče vyrábějí práškovou metalurgií z mědi a grafitu, kterého obsahují až 50 %.

Vlákna

Elektrická vlákna vedou proud při vysokých teplotách. Proto se nejčastěji zhotovují z wolframu nebo molybdenu. Tyto kovy jsou pro svoji vysokou teplotu tavení (wolfram 3 410°C, molybden 2 610 °C) klasickými postupy velmi obtížně zpracovatelné.

Nástrojové materiály

Do této skupiny jsou zařazeny materiály na obráběcí a tvářecí nástroje, kterých je pro jejich vlastnosti někdy užíváno i v jiných případech.

Slinuté karbidy

Slinuté karbidy se vyrábějí se z karbidů wolframu, titanu, chromu, molybdenu, tantalu, niobu a dalších. Ke karbidovým práškům se jako pojivo přidává kobalt.

Keramické řezné materiály

Základní složkou keramických řezných materiálů je umělý korund, kysličník hlinitý Al2O3. Pro zvýšení houževnatosti se přidává karbid wolframu nebo karbid molybdenu.

Brusné materiály

Práškové metalurgie se užívá při také výrobě speciálních brusných kotoučů. Těleso kotouče je zpravidla z hliníku. Na jeho funkčním povrchu se pak nalisováním a spékáním vytváří vrstva diamantových brusných zrn s kovovým pojivem.

Nitridy a boridy

K novějším nástrojovým materiálům patří různé sloučeniny dusíku a sloučeniny boru, nitridy a boridy. Nejznámějším materiálem této skupiny je nitrid bóru, uváděný pod obchodním označením borazon.