strzałka do góry

Zastosowanie aluminium w metalurgii proszków
Utworzony przez:  Administrator
Data utworzenia:  2016-06-10 09:43:12


Metalurgia proszków była wykorzystywana już 3 000 lat p.n.e. w starożytnym Egipcie do produkcji prostych narzędzi z żelaza, a także w Persji blisko 2 500 lat p.n.e. Żelazna Kolumna z Delhi słynąca z wyjątkowej odporności na korozję powstała w IV wieku p.n.e. w całości z proszku żelaza metodą kucia na gorąco. Gwałtowny wzrost popularności oraz rozwój technik metalurgii proszków nastąpił w XX wieku n.e. Pierwszym znaczącym współczesnym wykorzystaniem proszków była produkcja żarników wolframowych przez Williama D. Coolidge do żarówek Thomasa Edisona. W tym celu proszek wolframowy został sprasowany i poddany procesowi spiekania, a spiek przerobiono plastycznie za pomocą kucia i ciągnienia. Proszki metali od tamtych czasów zaczęły być wykorzystywane w wielu zastosowaniach.

Technologia ta umożliwia produkcję nowych materiałów posiadających wysokie właściwości użytkowe. Aby uzyskać lepszą wytrzymałość, twardość oraz inne korzystne właściwości materiałów, proszki metali, niemetali, związków metali i stopów, zostają poddane obróbce ciśnieniowej (pasowaniu) oraz ogrzewaniu w odpowiedniej temperaturze (spiekaniu). W porównaniu do konwencjonalnej metalurgii, procesy te nie wymagają całkowitego stapiania. Produkty metalurgii proszków zwykle osiagają swój finalny kształt po spiekaniu, podczas gdy wyroby wytworzone przez stopienie i odlewanie przeważnie wymagają znacznej obróbki mechanicznej. Jedynie elementy otrzymywane prostszymi technikami prasowania i spiekania mogą wymagać dodatkowej obróbki - kucia i wyciskania, walcowania na gorąco lub innych nowych procesów umożliwiających uzyskanie lepszych właściwości mechanicznych. Gotowe lub prawie gotowe produkty otrzymywane są bez potrzeby stosowania obróbki wykańczającej niezbędnej przy produktach odlewanych. Metoda ta pozwala uniknąć wad takich jak skurcz odlewniczy, niepożądanie wytrącenia czy nierównomierny rozkład składników.

Proszki produkowane są z metali i stopów o wysokiej czystości poprzez mechaniczne mielenie w młynach lub innymi metodami (m.in. atomizacja, chemiczna redukcja, elektroliza). Proszki o drobnoziarnistej strukturze (nanokrystaliczne, ewentualnie amorficzne), mogą być otrzymane przez stapianie mechaniczne wykorzystując wysokonenergetyczne rozdrabnianie proszków czystych metali, stopów lub związków chemiczych. Produkty wytworzone tą metodą wykazują lepsze właściwości wytrzymałościowe i doskonałą stabilość termiczną. Największy rozwój nastąpił w technologiach atomizacji - rozpylania stopionego strumienia metalu przez sprężony gaz lub ciecz, metoda ta jest obecnie wykorzystywana do produkcji większości proszków metali. Tworzenie wyrobu w metalurgii proszków można przedstawić ogólnie w etapach:

  • wytwarzanie proszków metali,
  • mieszanie, formowanie,
  • prasowanie, zagęszczanie na zimno, 
  • spiekanie,
  • ewentualna obróbka wykańczająca

Metalurgia proszków pozwala uzyskać bardziej dopracowane i jednorodne struktury, a także lepsze parametry gęstości, rozszerzalności cieplnej itd. Jest odpowiednia do produkcji odlewów o dużej dokładności i stabilności cieplnej, dobrych właściwościach antykorozyjnych i tribiologicznych. Wśród zalet można między innymi wymienić:

  • ściśle określony skład chemiczny otrzymywanych materiałów, a także wysoki stopień czystości i drobnoziarnista struktura,
  • kontrola nad wielkością i geometrią ziaren oraz porowatością materiału,
  • obróbka maszynowa może zostać wyeliminowana lub zminimalizowana, dzięki czemu materiał nie jest tracony na wióry, ścinki itp.,
  • gotowe wyroby o dużej dokładności wymiarowej oraz powierzchni wysokiej jakości,
  • otrzymywanie elementów o kształtach złożonych, które mogą być trudne do uzyskania metodami klasycznymi.

Źródło: European Powder Metallurgy Association "Powder Metallurgy Process Video"

W metalurgii proszków można zauważyć dwa główne kierunki rozwoju. Pierwszym jest produkcja wyrobów masowych o złożonych kształtach, dla których koszt produkcji tą metodą jest bardziej ekonomiczny niż w przypadku innych technologii. Drugim kierunkiem rozwoju jest produkcja wyrobów posiadających szczególne właściwości fizyczne, lepsze właściwości technologiczne od materiałów produkowanych metodami konwencjonalnymi.

Proszek aluminium znalazł zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu. Aluminium w postaci proszku lub granulatu o dużej czystości jest wykorzystywany w przemyśle chemicznym do produkcji nieorganicznych i organicznych związkow, np. katalizatora Zieglera (trialkyloglin). Mniej znanym przykładem wykorzystania proszku aluminium jest produkcja chlorowodorotlenku glinu, który jest składnikiem wielu dezodorantów i antyperspirantów.

Zakres zastosowań proszku aluminium obejmuje produkcję farb, lakierów i pigmentów. Producenci pigmentów i pokryć wymagają drobniejszych proszków (sferyczne i nieregularne proszki ze średnią wielkością cząstek kilku mikronów), aby uzyskać wymagane efekty wykończenia powierzchni malowanych w wyrobach lotniczych i motoryzacyjnych. Proszek aluminiowy wykorzystywany jest w produkcji różnorodnych materiałów ściernych i wyrobów ceramicznych.

Dalsze zastosowania proszku aluminiowego to przemysł związany z pirotechniką. Wykorzystywany jest do produkcji fajerwerków, a także jako środek strzałowy. Szczególnie nadaje się do zastosowań, gdzie wymagana jest wysoka czystość, wąski rozkład wielkości cząstek, morfologia sferyczna, na przykład jako składnik materiałów wybuchowych i paliw rakietowych.

Atomizowany proszek aluminium jest używany także w konwencjonalnej metalurgii jako środek redukujący w syntezie wielu metali, np. chromu w procesie aluminotermii, a także jako odtleniacz w produkcji stali. Wysokie ciepło reakcji powstajace w wyniku redukcji tlenków metali (takich jak tlenki żelaza) z aluminium jest wykorzystywane do spawania i celów hutniczych. 

Stopy bazujące na aluminium są zaliczane do najbardziej rozpowszechnionych materiałów konstrukcyjnych. Pierwszy raz proszek aluminium został użyty do zastosowań metalurgicznych przez R. Irmanna. Obecnie stopy aluminium przygotowane metodą metalurgii proszków reprezentuje wiele atrakcyjnych materiałów. Charakteryzuje je niski ciężar właściwy (trzy razy mniejszy od stali), dobra odporność na korozję, wspaniałe właściwości mechaniczne i zmęczeniowe, wysokie przewodnictwo termiczne i elektryczne, dobra skrawalność. Znalazły zastosowanie w motoryzacji, przemyśle lotniczym i kosmicznym. Często wykorzystywane są jako zamiennik materiałów droższych - stopów niklu i tytanu. Stopy aluminium powstałe metodą metalurgii proszków mogą być podzielone pod względem ich właściwości na główne grupy:

  • stopy o wysokiej wytrzymałości na ścieranie i odporności na korozję (Al-Si, Al-Si-Fe, Al-Zn)
  • stopy do zastosowań w wyższych temperaturach (480°C) (Al-Fe-Mo, Al-Fe-Ce, Al-Cr-Zr)
  • stopy o malym cieżarze właściwym i wysokim module elastyczności (Al-Li, Al-Li-Zr, Al-Li-Cu)

Wytrzymałe stopy, o podwyższonej odporności na ścieranie, często w swoim składzie posiadają krzem. Zaletą metalurgii proszków w tym przypadku jest możliwość produkcji stopów z dużą zawartością krzemu. Odporność na ścieranie wyrobów wyprodukowanych tą metodą jest wielokrotnie wyższa niż w przypadku klasycznych stopów. Stosowane są w przemyśle motoryzacyjnym do produkcji tłoków, łożysk wahaczy, tarczy hamulcowych oraz części sprężarek. Oprócz dużej wytrzymałości (550-620 MPa) spełaniają także standardy wysokiej odporności na korozję (w wodzie morskiej), kruche pękanie i rozprzestrzenianie pękania zmeczeniowego.

Stopy wykorzystywane w podwyższonych temperaturach bazują na stopie Al-Fe z dodatkami ceru, molibdenu, wolframu, cyrkonu, wanadu i krzemu. Wyroby wykonane z tych stopów wykorzystywane są w przemyśle lotniczym jako substytut tytanu w konstrukcyjnych częściach samolotów. Ich zaletą było zmniejszenie wagi samolotów militarnych i ultradźwiękowych do 10-12%, a transportowych do 5-10%.

Najnowsza grupa stopów aluminium, to materiały o zmniejszonej wadze i poprawionym module elastyczności. Ich opracowanie zostało spowodowane zwiekszającymi się wymaganiami stawianymi materiałom przez przemysł lotniczy. Spadek wagi może być nawet 10 razy bardziej efektywny niż poprawienie właściwości mechanicznych, takich jak odporność na zmeczenie. W tej grupie stopów głównym dodatkiem stopowym jest Lit, na poziomie 1,5-3,5%, przy którym osiągany jest spadek wagi o blisko 7-12%. Każdy dodatkowy procent masowy Litu w składzie stopu obniża cieżar właściwy materiału o 3% i podnosi moduł elastyczności o blisko 6%. Proszek aluminium jest surowcem wykorzystywanym do produkcji części konstrukcyjnych o różnorodnej geometrii i złożoności, m.in. kół pasowych, zębatych, prowadników prętowych oraz tłoków.

W ostatnich latach wzrasta wykorzystanie proszków metali w stosunkowo nowej metodzie - druku 3D. Sproszkowane metale w tej technologii są nanoszone warstwa po warstwie, selektywnie spiekane i przetapiane laserem, aż do otrzymania wyrobu. Druk 3D pozwala stworzyć modele jednorodne, lżejsze od analogicznie wytwarzanych klasycznymi metodami, przy zachowaniu wszystkich właściwości materiału. Metoda ta staje się alternatywą dla odlewów, ponieważ rozwiązuje problem tworzenia form odlewniczych oraz spawania poszczególnych komponentów, aby uzyskać pojedynczy element.


[1] Dobrzański, L.A. "Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo" WNT, Gliwice–Warszawa (2002)

[2] TALAT Lecture 1401 Aluminium Powder Metallurgy EAA (1944)

[3] TALAT Lecture 1402 Aluminium Matrix Composites Materials EAA (1944)

[4] Michna, Š., Lukáč, I., Louda, P., Očenášek, V. & kol. "Aluminium materials and technologies from A to Z" Adin s.r.o. (2007)

[5] Pater, Z. "Podstawy metalurgii i odlewnictwa" Politechnika Lubelska Lublin (2014)

[6] http://3d-proto.pl/

[7] Publikacje European Powder Metallurgy Association

Komentarze
Napisz komentarz
Aby dodać komentarz musisz się zalogować


g -

Zapisz się na newsletter








Forum Aluminium 2018