Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης ΕΙΣΑΓΩΓΗ στη ΜΗΧΑΝΟΥΡΓΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 7: ΚΟΝΙΟΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ ΑΣΠΑΙΤΕ / Τμήμα Εκπ. Μηχανολόγων Μηχανικών Σελίδα 7-1 – 3 η Έκδοση -06/2015 7. ΚΟΝΙΟΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ 7.1 Εισαγωγικά στοιχεία Η κονιομεταλλουργία (powder metallurgy –P/M) ανήκει, όπως και η χύτευση, στις αρχέγονες ή πρωτογενείς κατεργασίες (primary forming processes). Η πρώτη ύλη της κονιομεταλλουργίας είναι μεταλλική σκόνη η οποία συμπιέζεται σε κατάλληλες μήτρες και στη συνέχεια θερμαίνεται χωρίς να λιώσει, ώστε να αποκτήσει την τελική μορφή και τις επιθυμητές ιδιότητες,. Παρόλο που η τεχνική της συμπίεσης κόνεων για τη δημιουργία αντικειμένων με μία ορισμένη τελική μορφή δεν είναι καινούργια (παλαιότεροι πολιτισμοί χρησιμο- ποιούσαν αυτή την τεχνική, όπως δείχνουν ευρήματα στην Αίγυπτο και την Ινδία και αντικείμενα από πολύτιμα μέταλλα κατασκευασμένα από τους Ινκας), οι πρώτες τεχνικές εφαρμογές της κονιομεταλλουργίας επιτεύχθηκαν στις αρχές του 20 ου αιώνα και αφορούσαν τη μορφοποίηση σκόνης βολφραμίου για την παραγωγή νηματιδίων ηλεκτρικών λυχνιών. Η επόμενη μεγάλη εφαρμογή έγινε στη δεκαετία 1920-1930 με την παραγωγή κοπτικών εργαλείων (σκληρομέταλλα). Σήμερα η μέθοδος χρησιμοποιείται για την παραγωγή εξαρτημάτων, όπως γρανάζια, κάμες, φίλτρα, δακτύλιοι εδράνων, στηρίξεις μηχανών κ.α. Η κονιομεταλλουργία είναι ιδιαίτερα ανταγωνιστική ως προς τη χύτευση ή τη σφυρηλάτηση για την παραγωγή αντικειμένων πολύπλοκης μορφής από κράματα υψηλής αντοχής και σκληρότητας. Το κύριο πλεονέκτημά της είναι η δυνατότητα κατασκευής αντικειμένων διαφόρων μεγεθών πολύ κοντά στην τελική μορφή με μικρή ή σχεδόν καμιά κατεργασία αποπεράτωσης (near net-shape manufacturing), με προφανείς συνέπειες τη μικρή απώλεια πρώτης ύλης και την εξοικονόμηση ενέργειας. Χρησιμοποιώντας συμβατικό εξοπλισμό συμπίεσης (πρέσες) κατασκευάζονται αντικείμενα με βάρος από ελάχιστα γραμμάρια μέχρι 50 kp. Το 70 % των προϊόντων της κονιομεταλλουργίας αφορά την αυτοκινητοβιομηχανία. Πρακτικά, κάθε μέταλλο, κράμα ή μείγμα υλικών (περιλαμβανομένων συνδυασμών που δεν είναι διαθέσιμοι σε σφυρήλατες ή χυτές μορφές) μπορεί να παραχθούν με κονιομεταλλουργία. Τα υλικά αυτά μορφοποιούνται στις απαιτούμενες πυκνότητες, που κυμαίνονται από τις χαμηλές πυκνότητες των πορωδών εδράνων μέχρι τις υψηλές πυκνότητες δομικών αντικειμένων, με μηχανικές ιδιότητες που συγκρίνονται με αυτές
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης ΕΙΣΑΓΩΓΗ στη ΜΗΧΑΝΟΥΡΓΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 7: ΚΟΝΙΟΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ
ΑΣΠΑΙΤΕ / Τμήμα Εκπ. Μηχανολόγων Μηχανικών Σελίδα 7-1 – 3η Έκδοση -06/2015
7. ΚΟΝΙΟΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ 7.1 Εισαγωγικά στοιχεία
Η κονιομεταλλουργία (powder metallurgy –P/M) ανήκει, όπως και η χύτευση, στις
αρχέγονες ή πρωτογενείς κατεργασίες (primary forming processes). Η πρώτη ύλη της
κονιομεταλλουργίας είναι μεταλλική σκόνη η οποία συμπιέζεται σε κατάλληλες μήτρες και
στη συνέχεια θερμαίνεται χωρίς να λιώσει, ώστε να αποκτήσει την τελική μορφή και τις
επιθυμητές ιδιότητες,.
Παρόλο που η τεχνική της συμπίεσης κόνεων για τη δημιουργία αντικειμένων με
μία ορισμένη τελική μορφή δεν είναι καινούργια (παλαιότεροι πολιτισμοί χρησιμο-
ποιούσαν αυτή την τεχνική, όπως δείχνουν ευρήματα στην Αίγυπτο και την Ινδία και
αντικείμενα από πολύτιμα μέταλλα κατασκευασμένα από τους Ινκας), οι πρώτες τεχνικές
εφαρμογές της κονιομεταλλουργίας επιτεύχθηκαν στις αρχές του 20ου αιώνα και
αφορούσαν τη μορφοποίηση σκόνης βολφραμίου για την παραγωγή νηματιδίων
ηλεκτρικών λυχνιών. Η επόμενη μεγάλη εφαρμογή έγινε στη δεκαετία 1920-1930 με την
παραγωγή κοπτικών εργαλείων (σκληρομέταλλα). Σήμερα η μέθοδος χρησιμοποιείται για
την παραγωγή εξαρτημάτων, όπως γρανάζια, κάμες, φίλτρα, δακτύλιοι εδράνων, στηρίξεις
μηχανών κ.α.
Η κονιομεταλλουργία είναι ιδιαίτερα ανταγωνιστική ως προς τη χύτευση ή τη
σφυρηλάτηση για την παραγωγή αντικειμένων πολύπλοκης μορφής από κράματα υψηλής
αντοχής και σκληρότητας. Το κύριο πλεονέκτημά της είναι η δυνατότητα κατασκευής
αντικειμένων διαφόρων μεγεθών πολύ κοντά στην τελική μορφή με μικρή ή σχεδόν καμιά
κατεργασία αποπεράτωσης (near net-shape manufacturing), με προφανείς συνέπειες τη
μικρή απώλεια πρώτης ύλης και την εξοικονόμηση ενέργειας. Χρησιμοποιώντας
συμβατικό εξοπλισμό συμπίεσης (πρέσες) κατασκευάζονται αντικείμενα με βάρος από
ελάχιστα γραμμάρια μέχρι 50 kp. Το 70 % των προϊόντων της κονιομεταλλουργίας αφορά
την αυτοκινητοβιομηχανία.
Πρακτικά, κάθε μέταλλο, κράμα ή μείγμα υλικών (περιλαμβανομένων συνδυασμών
που δεν είναι διαθέσιμοι σε σφυρήλατες ή χυτές μορφές) μπορεί να παραχθούν με
κονιομεταλλουργία. Τα υλικά αυτά μορφοποιούνται στις απαιτούμενες πυκνότητες, που
κυμαίνονται από τις χαμηλές πυκνότητες των πορωδών εδράνων μέχρι τις υψηλές
πυκνότητες δομικών αντικειμένων, με μηχανικές ιδιότητες που συγκρίνονται με αυτές
Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης ΕΙΣΑΓΩΓΗ στη ΜΗΧΑΝΟΥΡΓΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 7: ΚΟΝΙΟΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ
ΑΣΠΑΙΤΕ / Τμήμα Εκπ. Μηχανολόγων Μηχανικών Σελίδα 7-2 – 3η Έκδοση -06/2015
άλλων μορφών του υλικού. Επιπλέον, οι κατεργασίες κονιομεταλλουργίας χρησι-
μοποιούνται στη μορφοποίηση πυρίμαχων μετάλλων και κραμάτων και υλικών όπως
τιτανίου και βηρυλλίου κ.λπ., που δεν είναι εύκολο να μορφοποιηθούν οικονομικά με
άλλες συμβατικές μεθόδους. Στον Πίνακα 7.1 συνοψίζονται τα πεδία εφαρμογής της
κονιομεταλλουργίας και τα αντίστοιχα υλικά (σκόνες) που χρησιμοποιούνται.
Πίνακας 7.1: Πεδία εφαρμογής της κονιομεταλλουργίας (προέλευση: German, 1996)
Τα βασικά μειονεκτήματα της κονιομεταλλουργίας είναι το μεγάλο αρχικό κόστος
του εξοπλισμού (μηχανές - εργαλεία) και το κόστος του ακατέργαστου υλικού, της σκόνης
(με βάση το βάρος), που μπορεί να είναι μέχρι και διπλάσιο από αυτό του στερεού υλικού.
7.2 Φάσεις κονιομεταλλουργίας Η αλληλουχία των διεργασιών στην κονιομεταλλουργία παρουσιάζεται συνοπτικά
στο Σχήμα 7.1 και μελετάται στη συνέχεια. Τυπικά, οι φάσεις για τη μορφοποίηση με
κονιομεταλλουργία είναι:
• η παραγωγή της σκόνης (powder production),
• η ανάμιξη των κόνεων, δηλαδή η παραγωγή του προδιαγεγραμμένου μείγματος
μεταλλικής σκόνης (blending),
• η συμπίεση της σκόνης, συνήθως σε μήτρα (compaction),
Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης ΕΙΣΑΓΩΓΗ στη ΜΗΧΑΝΟΥΡΓΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 7: ΚΟΝΙΟΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ
ΑΣΠΑΙΤΕ / Τμήμα Εκπ. Μηχανολόγων Μηχανικών Σελίδα 7-3 – 3η Έκδοση -06/2015
• η θερμική κατεργασία (πυροσυσσωμάτωση) του συμπιέσματος σε ελεγχόμενη
ατμόσφαιρα και θερμοκρασία (sintering),
• κατεργασίες αποπεράτωσης (finishing), όταν αυτές απαιτούνται.
Σχήμα 7.1: Αλληλουχία διεργασιών στην κονιομεταλλουργία. (προέλευση: Χρυσολούρης, 2001) Σημειώνεται ότι σε πολλές από τις νεότερες τεχνικές Ρ/Μ η συμπίεση και η
πυροσυσσωμάτωση πραγματοποιούνται σε μία φάση.
7.3 Παραγωγή των κόνεων Οι μεταλλικές σκόνες με την επιθυμητή κοκκομετρία και σχήμα που
χρησιμοποιούνται στην κονιομεταλλουργία παρασκευάζονται με διάφορες χημικές,
φυσικές (μηχανικές) μεθόδους. Η πρώτη ύλη συνήθως είναι συμπαγές υλικό, άλατα,
ορυκτά ή χημικές ενώσεις Οι περισσότερες μεταλλικές σκόνες μπορούν να παραχθούν με
διάφορες μεθόδους και η επιλογή του τρόπου παραγωγής καθορίζεται από τις επιθυμητές
ιδιότητες της σκόνης. Το μέγεθος των σωματιδίων συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 0,1-1000
μm. Τα κύρια μεγέθη που περιγράφουν τη μορφή της σκόνης είναι η κοκκομετρία (particle
size), η κατανομή μεγέθους (size distribution) και το σχήμα (shape) των σωματιδίων. Οι
συνηθέστερες μέθοδοι παραγωγής κόνεων είναι οι ακόλουθες.
Χημικές μέθοδοι
Σκόνες Fe, Cu, Μα και W λαμβάνονται με αναγωγή των αντιστοίχων οξειδίων, σκόνες Fe
και Νi με θερμική διάσπαση κάποιας ένωσής τους, σκόνη Τi με αναγωγή από τήγμα
άλατός του. Επίσης, σκόνες Fe, Cu και Be παρασκευάζονται με ηλεκτρόλυση και σκόνες
Νi και Cu με καταβύθιση από διάλυμα.
Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης ΕΙΣΑΓΩΓΗ στη ΜΗΧΑΝΟΥΡΓΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 7: ΚΟΝΙΟΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ
ΑΣΠΑΙΤΕ / Τμήμα Εκπ. Μηχανολόγων Μηχανικών Σελίδα 7-4 – 3η Έκδοση -06/2015
Μηχανικές μέθοδοι
Η πιο διαδεδομένη μηχανική μέθοδος είναι η κονιοποίηση με ψεκασμό τηγμένου μετάλλου.
Κατά τη μέθοδο αυτή το τηγμένο μέταλλο εξαναγκάζεται να διέλθει από ακροφύσιο
μικρής διαμέτρου. Κατά την έξοδο προσβάλλεται από ρεύμα πεπιεσμένου αέρα και
στερεοποιείται σε τεμαχίδια μικρού μεγέθους, συνήθως σφαιρικού σχήματος.
Τυπικές μορφολογίες κόνεων που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές Ρ/Μ