CAPITOLUL I MATERIALELE DURE IN DEZVOLTAREA TEHNICII 6.1. Scurt istoric al dezvoltarii, producerii si utilizarii materialelor dure Cele mai utilizate aliaje dure indutriale sunt produsele compuse din carburi ale metalelor care, in ordinea importantei sunt: carbura de wolfram, carbura de titan, carbura de tantal sau niobiu sub forma de monocarburi sau carburi complexe. Acestea, compactizate prin sinterizare cu ajutorul unui metal din grupa fierului, cobaltului sau nichelului, formeaza familia de aliaje dure, cunoscute la noi sub denumirea comerciala WIDIA. Familia aliajelor dure sinterizate constituie o categorie de materiale relativ recent realizate si cunoscute, care prin proprietatile lor au revolutionat tehnica utilizarii sculelor si pieselor rezistente la uzura ce se fabrica din ele. Realizate prin tehnici ale metalurgiei pulberilor, fie ca este vorba de carburi sinterizate sau de materiale ceramice, boruri, nitruri, carbonitruri, oxicarbonitruri, orice aliaj dur sinterizat este utilizat datorita proprietatilor sale de duritate ridicata, asociata frecvent cu stabilitatea proprietatilor fizico-mecanice la temperaturi ridicate (800-2500 C). La utilizarea si elaborarea acestor materiale s-a urmarit o cat mai buna dezvoltare a corelatiei duritate-tenacitate, care in cazul unor valori ridicate pentru ambele proprietati conduce la o buna rezistenta la uzura abraziva si soc mecanic. O imagine sugestiva a pozitiei ocupate de fiecare categorie tipica de materiale dure cunoscute si utilizate in prezent,in legatura cu rezolvarea corelatiei duritate-tenacitate in domeniile de existenta ale acestora,rezulta din diagrama prezentata in figura.6.3.

fig.6.3 Dependenta rezistentei la incovoiere de duritate,pentru diferite materiale destinate fabricarii sculelor

1

Principalele aliaje dure destinate fabricarii sculelor aschietoare precum si propritatile materialelor dure sunt prezentate in tabelul 6.2. si respectiv in tabelul 6.3.

Tabelul 6.2.

Tabelul 6.3. For mula Structu ra cristali n Densi Punc tate t [g/cm] de fuziun e [C] Microdu ritate Vickers la 20 C cu sarcina 50 g [kN/mm 2 ] HV0,05 4) Modul de elasticit ate la 20C [kN/m m2] Capac itate calori c la 25C [J/mol C] Coefi cient de dilatar e termic pn la 1200 C X 106 / C 7,7 6,7 6,6 7,2 Rezist ena la oxidar e pn la...C Condu ctivitate termic la 20C [W/m C] 1)

1)

TiC ZrC HfC VC

Cubic Cubic Cubic Cubic

4,92 6,66 12,67 5,48

3067 3420 3950 2700

30 28 28 21

460 350 359 430

33,8 37,7 37,5 32,3

1400 1400 1400 1100

36,4 41,9 29,3 39,3

2

NbC TaC Cr 3C2 Mo2 C WC

Cubic Cubic Ortorombic Hexagonal Hexagonal

7,82 14,4 6,74 9,17 15,77

2

) 3600 4000 1895 2 ) 2486 2776

20 17 13,5 15 17

345 291 380 544 710

36,8 36,7 98,5 60,2 35,8

6,5 6,3 11,7 6,4 4,8

1400 1400 1400 800 800

18,4 22,2 19,2 6,7 29,3

SiC

Cubic sau heB4 C xagona l Al2O Rombo -edric 3 Rombo TiN -edric Dia Cubic mant Cubic

3,22 3,52

2827 2 ) 2350

33,4 49,5 20 28 78,5

481 434 410 256 1140

26,9 52,5 114,7 5,65

5,2 0 5,5

170

100 125

140 8,3 0,8 0,804,8 0 > 1700 140 0 > 1700 14 1000

3,97 3,29 3,51

2051 2950 3 ) 3727

1) 1 kg/m3=10-3 g/cm3 (Densitatea determinat prin metoda razelor X); 1 cal /cm sec C ; 1 m=10 8 / cm ; 1 watt / m C= 418,6 1 1J / mol C = cal /mol C . 4,186 2) Temperatura de descompunere retectic; 3) Sublimarea; 4) Valori sub rezerva variaiei de valorile stoichiomet.

In functie de proprietatile acestor materiale depinde si domeniul de utilizare a lor (pentru scule aschietoare, scule de prelucrare a metalelor prin deformare la rece, scule pentru foraj minier, pentru diferite organe de masini si mai ales la piese larg utilizate in prezent aliajele dure sinterizate pe baza de carburi si materiale ceramice. In ceea ce priveste materialul cu cea mai mare pondere de utilizare in constructia sculelor aschietoare in prezent numit metal dur sau amestec de carburi sinterizate, acesta are structura sa tipica compacta din cele trei faze traditionale: carbura complexa de wolframtitan sau wolfram-titan-tantal cu sistemul de cristalizare cubic; monocarbura de wolfram cu sistemul de cristalizare hexagonal si liantul cobalt 3

(fig 6.4).

Microstructura unui aliaj dur sinterizat traditional,bazat pe carburi. Marime X 1500 Atac Murakami.Notatiile dupa ISO 4499-1979 Astfel, se imbunatatesc continuu continuturile initiale de TiC si WC prin alierea si cu alte carburi, cel mai frecvent carbura de tantal (TaC), sau si mai recent carbura de niobiu (NbC), carbura de vanadiu (VC) si carbura de hafniu (HfC) care sunt introduse in aliaje sub forma de carburi complexe si economisind pe cat posibil tantalul-metal deficitar si foarte costisitor. Prin accesibilitatea pulberilor de carburi avand in particule de dimensiuni de 0,01 pana la 0,1 m (realizate prin procedeul practicat in Europa de firmele Starck, Ciba, Battelle) plecandu-se de la halogenuri metalice, prin reactii in faza gazoasa pentru WC, Mo2C, TaC, TiC, SiC s-au creat premisele producerii unor aliaje superioare calitativ; de exemplu, liate cu cobalt, aceste pulberi submicronice permit, prin sinterizarea clasica sau presarea la cald, obtinerea de materiale cu o structura uniforma cu granulatie structurala foarte fina (mai mica de un m), caracterizata printr-o mare duritate si o rezistenta la uzura remarcabila. Procedeul McKenna practicat pe scara industraiala este bazat pe topirea sub argon a unei bai metalice din grupa fierului in vederea producerii la nivelul sutelor de carburi mixte de tipul WC-TiC sau WC-TiC-TaC de puritati ridicate. In prezent producatorii de aliaje dure din carburi sinterizate aplica ultimele dezvoltari tehnologice: 1. Obtinerea de oteluri rapide subcarburate sintetic. Aceste materiale sunt formate prin sinterizarea impreuna a pulberilor de otel rapid si ale unei monocarburi simple sau complexe. 2. Carburile turnate din sistemul Ti-W-C au fost dezvoltate in S.U.A pe scara industriala, au permis fabricarea de placute aschietoare prin turnarea centrifugala la temperaturi ridicate (2500 C) a unui aliaj bazat pe Ti-W-C.

CAPITOLUL II MATERII PRIME SI TEHNOLOGIA PRODUCERII CARBURILOR METALICE

4

Aliajul dur sinterizat classic este un produs tipic al tehnicilor metalurgiei pulberilor. Produsul de baza consta intr-o imbinare a particulelor fine de carbura de wolfram, rezistente prin duritatea lor mare la abraziune, cu liantul de sinterizare tenace si relative moale, cel mai frecvent utilizat, cobaltul metalic. Carbura de wolfram este in mod frecvent suplimentara sau inlocuita cu carbura de titan, tantal, noibiu, crom, vanadiu, molibden, hafniu ca monocarburi sau carburi complexe, in timp ce cobaltul poate fi de asemenea aliat sau substituit cu nichel sau nichel-molibden sau mai recent ruteniu (Ru). Cobaltul, care este lichid in timpul sinterizarii, patrunde, difuzeaza si inglobeaza toate particulele dure, formand dupa racire o masa metalica compacta, care desi nu este monolitica se comporta ca un monolit. Pentru realizarea unor produse finale, cu multiple utilitati si utilizari, este de mare importanta prima etapa si anume: natura si calitatea materiilor prime, precum si tehnologia de producere a carburilor metalice. In schema din fig 6.1 este aratat fluxul tehnologic clasic si etapele principale ale producerii carburilor metalice. Principalele materii prime utilizate de tehnicile clasice pentru producerea aliajelor dure sinterizate sunt: - trioxidul de wolfram (WO); - acidul wolframic (H2WO4); - paratungstatul de amoniu 5(NH4)2O 12WO3 H2O, unde x=11, pentru cristale aciculare albe, sau x=5, pentru placi transparente; -wolfram metalic-pulbere(W); -bioxid de titan(TiO2); -pulbere de tantal(Ta); fig.6.1.Schema fluxuluitehnologic clasic de producere a pulberilor de carburi metalice

-pentaoxid de tantal(Ta2O5)

- ferotantal-niobiu; - oxid de cobalt(CO3O4); - pulbere de cobalt(Co); negru de fum. Carburile sunt produse fie direct din oxizi, fie din pulberi metalice si sunt amestecate sub forma individuala, fie sub forma de solutii cu pulbere de cobalt. Amestecurile sunt

5

macinate umed pentru completa disparitie a componentelor intre ele cat si a cobaltului respectiv in masa de carburi. Amestecul este apoi uscat, redus si, daca este necesar; si granulat, sub forma de palete. Amestecul de pulberi gata de presare este compactizat sub forma de placute aschietoare, piese de uzura, matrite, filiere etc., in functie de forma finala dorita. Piesele compactizate sunt sinterizate direct la forma finala dorita sau sunt supuse unui proces termic numit dubla sinterizare. Dubla sinterizare consta intr-o presinterizare, urmata de prelucrari mecanice si in final sinterizarea propriu-zisa.

6.2.1. Wolframul carbura de wolfram

Sursele de minereu sunt sursele in care continutul de wolfram este relativ mic (2030% W) minereuri sarace-. Minereuri tipice de wolfram sunt : scheelita CaWO4 si scheelitapowellita, in care mici proportii de molibden inlocuiesc atomii de wolfram CaW(Mo)O4; cuproscheelita ca(Cu)WO4, cunoscute sub denumirea de minereuri albe de wolfram. Alte surse minerale includ : ferberita FeWO4; hubnerita MnWO4 si wolframita Fe(Mn)WO4 si cel mai larg raspandita, cunoscute ca minereuri negre de wolfram. In fabricatia industriala a carburilor de wolfram sunt utilizate pulberi metalice de wolfram de anumite puritati si granulatii. In amestecul de carburi obtinut dupa carburarea pulberii de wolfram se obtin diverse proportii de carburi (WC /W2C) care reflecta si un anumit raport al continuturilor de wolfram si carbon, a carburii de wolfram (%C = 6,13). Aproape universal valabila, practica producerii carburii de wolfram pentru aliaje dure sinterizate a avut ca etape obtinerea pulberii de wolfram metalic si carburarea ei cu negru de fum la aproximativ 14001700C. Anhidrida wolframica (WO3) poate fi utilizata in locul pulberii de wolfram metalic. Utilizat industrial, procedeul Macro, desfasurat pe baza unor reactii de tip aluminotermic la temperature inalte (circa 2500C), permite transformarea directa a minereurilor si materiilor prime in carbura de wolfram(WC)de puritate ridicata. Carbura de wolfram este produsa in general prin carburarea pulberii de wolfram obtinuta de la reducerea trioxidului de wolfram (WO3). Procedeul mentionat mai sus este considerat ca fiind dintre cele mai importante si moderne fabricatii de pulbere de wolfram pornind de la minereu. 70% WO3 provenind din zacaminte bogate din Coreea, Brazilia, China.

6

Prima etapa principala este trecerea de la scheelita la trioxid de wolfram prin urmatoarele operatii clasice ale chimiei minerale: 1. acidul volframic (WO3H2O) impur ; 2. acidul wolframic care se prezinta sub forma solida ; 3. wolfram de amoniu, calcinat la circa 700C, da trioxidul de wolfram sau anhidrida wolframica (WO3). Cea de-a doua etapa principala in reducerea anhidridei wolframice prin hidrogen in cuptor de reducere la circa 900C pentru obtinerea wolframului metalic pulbere. In productia pulberilor de wolfram insa, cele mai frecvente intalnite clase granulometrice sunt cuprinse intre 0,25 m si 10 m, fiind considerate granulatii fine cele situate sub un 1m, medii intre 1m si 3m si grosolane intre 3m si 10m. Pentru producerea pulberii foarte fine de wolfram, sunt utilizate cuptoare rotative, in care permanenta rostogolirii a sarjei face ca particulele de oxid sa fie mai bine expuse la curentul de hidrogen si respectiv sa permita eliminarea mai lesnicioasa a apei. Hidrogenul utilizat este necesar sa fie pur si uscat. Producerea carburii de wolfram porneste de regula de la pulberea de wolfram metalic. Acesta este amestecat uscat cu negru de fum in malaxoare rotative care pot fi echipate cu ciocane sau cu bile, sau prin alte sisteme. In majoritatea cazurilor, carbonul este adaugat cu un excedent de 3-10% fata de cel stoichiometric necesar. Cuptoarele uzual folosite sunt fie cuptoare continuie cu rezistente de molibden sau incalzite prin frecventa medie . Amestecul de pulbere metalica si carbon este incarcat fie liber varsat, fie precomprimat (brichetat) in nacele de grafit ale cuptorului si trecut prin cuptor. Carburarea se face in hidrogen la temperaturi de circa 13751650C. La carburare marimea particulei de carbura este direct proportionala cu temperatura. Carburarea in cuptoare incalzite prin medie frecventa este realizata fie sub hidrogen, fie fara alta atmosfera protectoare decat cea produsa chiar de procesul de carburare. Continutul de carbon stoichiometric de 6,12%, teoretic este urmarit a fi realizat cu strictete pentru a evita aparitia in produsul final sinterizat, a fazei carbon liber sau faza fragila. Este considerata corespunzatoare o carbura care contine %Ctotal = 6,186,22 din care 0,050,1% este carbon liber. In afara de urmarirea compozitiei in fabricatia carburilor de wolfram, se mai verifica marimea particulelor si distributia marimii particulelor. In prezent are tot mai multa importanta metoda directa de producere a carburii de wolfram prin procedeul denumit Macro Process breviat de firma Kennametal Inc. din S.U.A.In acest procedeu un amestec de minereu de wolfram, deseuri de piese sinterizate so oxid de fier este redus prin aluminotermie si simultan carburat prin utilizarea carburii de calciu si a carbonului. Reactivii sunt dozati proportional pentru a dezvolta reactia exotermica autosustinuta pana la circa 2500C. Pentru usurarea operatiei si pentru a permite regularizarea reactiei,sarja este impartita in portii aproximativ egale ca greutate continand si portii de aluminiu. Reactia este realizata intr-un cuptor circular, construit ca sa reziste la temperatura aratata si avand zidaria neutra, data de produsele aflate in reactie. Cuptorul are o deschidere centrala pentru incarcare si evacuare a gazelor de reactie.

7

In functie de minereul utilizat au loc urmatoarele tipuri de reactii aluminotermice : 1. CaWO4+CaC2+AlWC+CaO+Al2O3 2. FeWO4+CaC2+AlWC+CaO+FE+Al2O3 3. Fe(Mn)WO4+CaC2+AlWC+CaO+Fe(Mn) O sarja tipica consta in circa 70 tone reactivi: minereu, oxid de fier, pulbere de aluminiu si carbura de calciu.Completa reducere si carburarea au loc in numai 60 minute si se produc circa 20 tone de WC. Pentru pornirea reactiei, cuptorul este preincalzit la aproape 800C. Reactia este initiala utilizand cateva portii de minereu si material de pornire-un amestec de pulbere fina de aluminiu, oxid de fier, perclorat de potasiu, sulf incalzit prin arc electric. Pe masura ce baia de topitura de fier este formata, se adauga partea cea mai mare a portiilor de sarja. Acestea sunt introduse in ritmul in care este metinuta la un stadiu sigur si controlabil reactia aluminotermica. La sfarsitul reactiei, cuptorul si continutul sau se racesc cu formarea cristalelor grele de WC la baza cuptorului si a zgurii in partea superioara. Masa cristalina contine 65% WC, restul contine fier, mangan si in exces aluminiu metalic impreuna cu mici portiuni de zgura. Masa cristalina este separata de zgura si faramitata, spalata cu apa pentru inalaturarea excesului de carbura de calciu si apoi tratata cu acizi potriviti pentru indepartarea fierului, manganului si aluminiului. Pentru spalarea finala a cristalelor de carbura de wolfram sunt utilizate metode de separare minerala. Astfel, continutul final de fier este mai mic de 0,2%. Carbura de wolfram obtinuta este de regula cu granulatie grosiera si de foarte buna calitate pentru aplicatii specifice sub forma de aliaje dure pentru scule de minerit, scule de foraj si amestecuri in industria suclelor diamantate. In concluzie,cel mai modern procedeu Macro-process-ul este un procedeu direct de producere a monocarburii de wolfram prin reactie aluminotermica in care se folosesc variate surse de minereu si deseuri. Procedeul este rapid, are timp de reactie foarte scurt, produce o completa carburare a wolframului la valorile stoichiometrice ale continutului de carbon liber si elaborand cristale care prin modifocari granulometrice pot fi folosite in compozitii de aliaje dure industriale. 2.2.Titanul.Carbura de titan Majoritatea producatorilor de aliaje dure sinterizate pornesc fabricatia carburilor de titan de la bioxidul de titan TiO2. Acest oxid, relativ usor de obtinut la o puritate satisfacatatoare,este larg utilizat si in industria vopselelor anorganice. El este obtinut din rutil sau ilmenit si contine sulf, fosfor, arsen, siliciu si alcalii ca impuritati avand originea in minereu, sau fiind introduse in timpul prelucrarii chimice. Pentru producerea carburii, totalul cantitatii acestor impuritati nu va depasi 0,1%. Producerea carburii de titan porneste aproape in eclusivitate de la oxid, intrucat pulberea de titan metalic este relativ scumpa. Amestecul de oxid de titan si carbon, in care continutul de TiO2 este cel mai frecvent intre 68,5.69%, se prepara ori prin amestecare uscata, ori prin macinare umeda in utilaje speciale, urmata de o ulterioara uscare. Amestecurile sunt apoi brichetate si carburate de 2100..2300C.

8

Cuptoarele care se folosesc pot fi fie cuptoare tubulare orizontale sau verticale, fie cuptoare cu electrozi trifazici. De asemenea, foarte bune rezultate au dat in productia de carbura de titan cuptoarele de vid incalzite prin curentii de medie sau inalta frecventa. Pentru productia curenta, Ballhausen a construit un cuptor continuu in care oxidul este carburat intre doua role orizontale din grafit care se rotesc una fata de cealalta. Rolele sunt conectate la o sursa de curent. Astfel sarja trecand prin role stabileste contactul electric care produce incalzirea directa prin efectul Joule pana la temperaturi curente de 14001700C. Echipamentul este cunoscut sub denumirea comerciala Gold Donkey. Compactul de carbura de titan rezultat, care de regula este mai consistent decat contactul similar din fabricatia carburii de wolfram, este dezagregat in malaxoare, pulverizat in mori cu bile vibratoare cu vartej si in fine cernut. In timp ce cerburile de wolfram, molibden si tantal pot fi obtinute cu continutul de carbon restrans, avand tolerante de numai 0,02% vanadiu, aceasta performanta este mai dificil de obtinut. Din punct de vedere tehnic, carbura de titan se obtine uzual cu un continut total de carbon de 19-20,5% din care 0,5 pana la 2% se prezinta sub forma de carbon liber. Corespunzator dezechilibrului balantei de carbon, continuturile de oxigen sunt relativ ridicate.

2.4.Alte carburi Fara a fi prea raspandite in compozitia aliajelor dure, carbura de molibden, carbura de zirconiu, carbura de vanadiu si carbura de noibiu sunt considerate ca elemente de compozitie ale aliajelor dure industriale. Carbura de molibden este produsa din pulbere metalica de molibden. Cuptoarele si procedeele sunt identice cu cele utilizate in producerea carburii de wolfram, dar temperaturile de carburare sunt mai joase cu circa 100200C. In privinta carburilor de zirconiu, vanadiu sau niobiu, metoda preferata pentru acestea este carburarea oxozilor in prezenta negrului de fum. Temperaturile cele mai potrivite pentru carburare sunt : 18002200C, pentru ZrC, 11001200C, pentru VC si 13001400C, pentru NbC. Ca si in cazul carburilor de titan este foarte dificil sa se obtina continuturile de carbon apropiate de valorile teoretice, in special in cazul carburii de vanadiu. Metalul si hidrurile lui sub forma de pulberi care se pot obtine la preturi relativ scazute sunt considerate tot mai mult materiale de pornire in productia de carburi de mare puritate.

9

Tabel 2.3.Specificatia principalelor materii prime utilizate in fabricatia aliajelor dure sinterizate din carburi metalice Produsul Specificaia Analiza garantat [%] Analiza tipic [%]

PARAWOLFRAMAT DE AMONIU 5(NH4)2O 12WO 5H2O Volum liber vrsat: 55...70 cm3/100g; Volum tasat: 40...50 cm3/100g; Granulaia medie Fisher: 0,5...65 m fraciuni principale 0,2...5 mFSS 0,2...20 mFSS WO3 Pierderi la calcinare 500C Reziduu de clorurare SiO2 CaO Na2O Al2O3 Fe Mo

88,7-89 11,0-11,3 max. 0,01 max.0,005 max.0,005 max.0,005 max.0,002 max.0,003 max.0,08

88,8 11,1 0,005 0,002 0,002 0,002 0,001 0,001 0,03

ACID WOLFRAMIC

10

H2WO4 Volum liber vrsat: 200...220 cm3/100g; Volum tasat: 120...140 cm3/100g; Reziduu de cloGranulaia Fisher:

0,5...11 mFSS

WO3 Pierderi la calcinare Reziduu de clorare SiO2 CaO Na2O As P Fe Mo

92-92,5 7,5-8

92,0 7,6

max.0,02 max.0,005 max.0,005 max.0,005 max. urme max.0,01 max.0,005 max.0,05

0,01 0,003 0,003 0,002 0,004 0,003 0,01

TRIOXID DE WOLFRAM WO3 Volum liber vrsat: 120...160 cm3/100g; Volum tasat: 60...80 cm3/100g; Reziduu de cloGranulaia Fisher:

0,5...15 mFSS

WO3 Pierderi la calcinare Reziduu de cloru-rare SiO2 CaO Na2O As Fe Mo

min. 99,0 max. 0,2 max. 0,02 max.0,005 max.0,005 max.0,005 urme max.0,005 max.0,05

99,9 0,08 0,01 0,003 0,003 0,002 0,002 0,01

Produsul

Specificaia

Analiza garantat [%]

Analiza tipic [%]

WOLFRAM

11

W Volum liber vrsat: 30...150 cm3/100g; Volum tasat: 15...90 cm3/100g; Granulaia Fisher: 0,4...10 mFSS

W O2 Reziduu de clorurare SiO2 CaO Na2O Al2O3 Cu Fe Mo

max. 0,15; 0,4; 0,75 max. 0,03 max. 0,01 max.0,01 max.0,01 max.0,002 max.0,001 max.0,01 max.0,05

99,87 0,03; 0,2; 0,3 11,1 0,01 0,005 0,003 0,003 0,0005 0,0002 0,007 0,02

CARBURA DE WOLFRAM WC Volum liber vrsat: 25...40 cm3/100g; Volum tasat: 15...23 cm3/100g; Reziduu de cloGranulaia Fisher:

WC Ctotal Cliber Reziduu de cloru-rare W2C Fe Ni

min. 99,7 6,12 0,05 0,05 0,05 max.0,03 max.0,3 max.0,025 max.0,01

99,9 6,12 0,04 0,01 0,02 0,01

0,8...5 mFSS

CARBURA DE WOLFRAM-CARBURA DE TITAN 50/50% Granulaia 3...7 mFSS W 46,5 Ti 40 Ctotal 12,2-12,7 Cliber max. 0,5 O2 Reziduu de max.0,05 clorurare max.0,01 SiO2 max.0,01 CaO max.0,01 Na2O P max.0,05 Fe max.0,05 Mo N

46,12 40,40 12,5 0,25 0,35 0,03 0,005 0,003 urme 0,03 0,06 0,7

12

Produsul

Specificaia

Analiza garantat [%]

Analiza tipic [%]

CARBURA DE WOLFRAM-CARBURA DE TITAN 70/30% Granulaia 3...7 mFSS W 65,5 Ti 24,3 Ctotal 9,8-10,3 Cliber max. 0, 5 O2 Reziduu de clorurare max. 0,05 SiO2 max. 0,01 CaO max.0,01 Na2O max.0,01 Al 2O3 max.0,002 P urme Fe max.0,05 Mo max.0,10 N CARBURA DE TITAN TiC Volum liber vrsat: 1...1,4 cm3/100g; Granulaia Fisher:

65,43 24,35 10,0 0,2 0,27 0,02 0,002 0,003 urme 0,0002 0,02 0,05 0,34

2...6 mFSS

Ti Ctotal Cliber Ca Fe Na S Si N2 O2

79,4 min. 19,2 max.0,5 max.0,03 max.0,2 max.0,03 max. 0,03 max. 0,03 max. 0,2 max. 0,2

79,7 19,5 0,2 0,01 0,05 0,01 0,01 0,01 0,1 0,12

PENTAOXID DE TANTAL Ta2O5 Volum liber vrsat: 0,35...0,55 cm3/g; Granulaia Fisher: 0,5...7 mFSS

Nb Al B Bi 13

max. 200 ppm max. 10 ppm max. 0,1 ppm max. 1 ppm

max. 30 ppm max. 2 ppm max. 0,1 ppm max. 1 ppm

Ca Ce Co Cr Cu Fe K La Li Mg Mn Mo Na Ni Pb

max. 5 ppm max. 3 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 3 ppm max. 5 ppm max. 3 ppm max. 1 ppm max. 5 ppm max. 1 ppm max.5 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm

max.1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 3 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm

Produsul

Specificaia

Si Sn Ti V W Zr PENTAOXID DE NIOBIU Nb2O5 Volum tasat: 0,65...1,2 cm3/g; Granulaia Fisher: Ta Al B Bi Ca Ce Co Cr Cu Fe K La Li Mg Mn

Analiza garantat [%] max.30 ppm max. 3 ppm max.10 ppm max. 3 ppm max. 5 ppm max. 10 ppm

Analiza tipic [%] max. 10 ppm max. 3 ppm max. 10 ppm max. 3 ppm max. 5 ppm max. 10 ppm

0,5...3 mFSS

max. 200 ppm max. 10 ppm max. 0,1 ppm max. 1 ppm max. 10 ppm max. 3 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 3 ppm max. 1 ppm max. 3 ppm max. 1 ppm max. 5 ppm max. 1 ppm

max. 30 ppm max. 1 ppm max. 0,1 ppm max. 1 ppm max.1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm

14

Mo Na Ni Pb Si Sn Ti V W Zr

max.5 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 3 ppm max. 30 ppm max. 3 ppm max.10 ppm max. 3 ppm max. 5 ppm max. 10 ppm

max. 3 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 1 ppm max. 10 ppm max. 3 ppm max. 10 ppm max. 3 ppm max. 5 ppm max. 10 ppm

CARBURA DE TANTAL TaC Granulaia: 2...6 mFSS )C

(Ta,Nb Nb Ti Ctotal Cliber Fe Si Ca Na+K

max. 1 max. 0,1 min. 6,2 max. 0,1 max. 0,1 max. 0,03 max. 0,02 max. 0,02

99,8 0,3 0,03 6,27 0,05 0,06 0,02 0,01 0,01

Produsul

Specificaia

Analiza garantat [%]

Analiza tipic [%]

CARBURA DE TANTAL-NIOBIU cu 20% Nb Granulaia: 2...6 mFSS (Ta,Nb)C Nb Ti Ctotal Cliber Fe Si Ca 15

20 1,5 max. 0,7 min. 7,3 max.0,15 max.0,15 max.0,05 max.0,05

99,54 20,50 0,2 7,41 0,08 0,09 0,03 0,04

Na+K

max.0,05

0,02

CARBURA DE TANTAL-NIOBIU cu 35% Nb Granulaia: 2...6 mFSS (Ta,Nb)C Nb Ti Ctotal Cliber Fe Si Ca Na+K

34,5 1,5 max. 1,5 min. 8,0 max. 0,15 max. 0,15 max. 0,05 max. 0,05 max. 0,05

98,9 34,3 0,8 8,19 0,11 0,09 0,03 0,04 0,02

CARBURA DE TANTAL-NIOBIU 50/50% Granulaia 2...6 mFSS (Ta,Nb)C Ta Nb Ti Ctotal Cliber Fe Si Ca Na+K

min. 97 max. 3,0 max.0,2 max. 0,2 max. 0,07 max. 0,05 max. 0,05

42,58 45,94 2,55 8,90 0,15 0,15 0,05 0,04 0,03

CARBURA DE CROM Cr3C2 Volum liber vrsat (Scott): 1,5...2,1 g/cm3; Granulaie: 3...6 mFSS

Cr Ctotal Cliber Fe Si O2

min. 86,2 min. 13,2 max. 0,3 max. 0,1 max. 0,1 max. 0,2

86,4 13,3 0,2 0,05 0,06 0,1

16

N2 H2

max. 0,1 max. 0,01

0,07 0,006

Produsul

Specificaia

Analiza garantat [%]

Analiza tipic [%]

CARBURA DE ALUMINIU Al4C3 Al Ctotal Fe O2 N2 H2 min. 73,4 min.25,0 max.0,15 max. 0,7 max. 0,5 max. 0,02 73,7 25,8 0,1 0,2 0,2 0,01

CARBURA DE HAFNIU HfC Volum liber vrsat (Scott): 1,7...2,0 g/cm3; Granulaie: 3...4 mFSS

Hf(+Zr) Zr Ctotal Cliber Fe Si O2 N2 H2

min. 93,3 3,0 min. 6,2 max. 0,4 min. 0,02 max. 0,05 max. 0,10 max. 0,15 max. 0,01

93,5 3,0 6,3 0,2 0,01 0,01 0,05 0,10 0,05

CARBURA DE MOLIBDEN Mo2C Volum liber vrsat (Scott): 1,5...2,1 g/cm3; Granulaia 3...6 mFSS

Mo Ctotal Cliber Fe Cu Si O2 N2 H2

min. 93,8 min.5,8 max. 0,2 max. 0,05 max. 0,01 max.0,05 max. 0,2 max. 0,05 max. 0,05

93,95 5,85 0,10 0,03 0,005 0,02 0,05 0,01 0,01

17

CARBURA DE VANADIU VC Volumul liber varsat (Scott): 1,3..1,5 g/cm; Granulatia: 34 mFSS

V Ctotal Cliber Fe O2 N2 H2 Specificatia

min. 81,3 max. 18,4 max. 1,5 max. 0,1 max. 0,3 max. 0,1 max. 0,01 Analiza Garantata [%]

81,5 18,3 1,0 0,05 0,15 0,05 0,005 Analiza Tipica [%]

Produsul

CARBURA DE ZIRCONIU ZrC Volumul liber varsat (Scott) : 1,7.2,1 g/cm Granulatia Fisher: 35 Zr (+Hf) Hf Ctotal Cliber Fe Si O2 N2 H2 . COBALT CO Volum liber varsat : 100,0 15 cm/100 g ; Volum tasat: 58,8 15 cm/100 g Suprafata specifica Rigden: 60 000 cm/cm C (fara % O2) Fe Ni Ca Ba Si min. 99,7 max. 0,06 max. 0,06 max. 0,06 max. 0,06 max. 0,015 min. 87,9 0,01 11,4 max. 0,5 max. 0,05 max. 0,05 max. 0,25 max. 0,20 max. 0,01 88,2 0,005 11,5 0,2 0,01 0,02 0,12 0,10 0,05

18

Mn Zn Cu C O2 Cl

max. 0,005 max. 0,005 max. 0.001 max. 0.02 max. 0.9 max. 0.009

2.6.Caracteristici ale principalelor materii prime si ale produselor intermediare

Fata de materiile prime si carburile amintite pana in prezent, legat de compozitia aliajelor dure sinterizate si de tehnologia elaborarii lor,mai trebuie luate in consideratie urmatiarele materiale : Cobaltul-sub forma de pulbere metalica-este obtinut prin reducerea in hidrogen a oxidului de cobalt. Cel mai frecvent utilizat material este oxidul negru, produs comercial continand aproximativ 70%Co. O calcinare a oxidului in aer 735760C este in mod avantajos utilizata pentru transformarea CoO si Co2O3 in Co3O4 si pentru reducerea simultana a continutului de sulf. Pulberea de cobalt rafinata poate fi obtinuta plecand de la oxalat.Oxidul este redus fie in cuptoare cu impingator, fie in cuptoare rotative. Cele mai uzuale domenii de temperaturi de reducere sunt cuprinse intre 600 si 700C. In general cea mai joasa temperatura de reducere conduce la eleborarea la dimensiunea cea mai fina a marimii particulei pulberii metalice de cobalt. In cazul utilizarii unei temperaturi de circa 550C, se produce o pulbere foarte fina, de regula, care nu necesita o macinare ulterioara, dar care este pirotorica si reclama precautiuni suplimentare ca : depozitarea sub bioxid de carbon. In mod particular tamepraturi mai ridicate decat 800C sunt utilizate in productia pulberii de cobalt pentru unele grupe de aliaje pentru aschiere. Aceasta pulbere redusa la temperaturi mai mari se macina uscat in mori cu bile , circa 24 de ore. In Europa, unii producatori de aliaje dure prefera sa cumpere pulberea de cobalt in loc sa reduca oxidul in propriile lor fabricatii. Negrul de fum este elementul larg raspandit pentru carburarea matalelor sau a oxizilor. Carbonul-begrul de fum in vrac sau presat in calupi, recopt sau nerecopt trebuie sa aiba continutul de cenusa sub 0,2%. Specificatia principalelor materii prime componente si produse utilizate in fabricatia aliajelor dure industriale sunt date in tabelul 2.3.

CAPITOLUL III

19

TEHNOLOGIA PRODUCERII AMESTECURILOR DE CARBURI CU LIANT DE SINTERIZARE.OMOGENIZAREA, GRANULAREA SI LUBRIFIEREA AMESTECURILOR

Prin procesul tehnologic de realizare a produselor sinterizate din carburi metalice, se urmareste rezolvarea optima a compromisului proprietatilor: maxima duritate la o tenacitate suficient de buna, in conditiile unei porozitati minime a materialului. In acest process datorita foarte finei dispersari a amestecurilor de carburi cu cobaltul este posibila umectarea completa a particulelor dure greu fuzibile si inglobarea lor in masa liantului. Aceasta fina dispersare si omogenizare este efectuata cel mai usual in mori cu bile.Macinarea umeda este cel mai mult practicata. Mediul in care se efectueaza aceasta este in functie de compatibilitatea cu materialul macinat: alcool etilic, benzina, tetraclorura de carbon, acetona, dicloretan, tricloretan, benzene sau chiar apa. In timpul macinarii umede, exista tendinta de oxidare datorita reactiei atmosferei morii cu mediul de macinat. Reactia implica si o pierdere de carbon. Influenta diferitilor agenti de macinare asupra amestecurilor de WC-Co prin absorbtia de oxigen sau impurificare cu fier este data in tabelul 3.1[1]. (%O2) redus in hidrogen la 700C% Apa 0,35 0,100 Benzen 0,12 0,045 Aer 0,07 0,033 Hidrogen 0,03 0,015 Apa si hidrogen 0,10 0,040 Influenta agentilor de macinare asupra impurificarii cu Fe si O a amestecurilor WCCo Se poate constata in acelasi timp un raport proportional intre marimea timpului de macinare si dimensiunea particulelor macinate care are ca efect modificarea volumului liber varsat al pulberii si respectiv pulberii tasate.(tabelul 3.2). Amestecul de macinare Cresterea (% Fe) [kg/ora]

20

tabelul 3.2. Distributia granulometrica,volumul liber varsat,volumul tasat al pulberii in functie de diversi timpi de macinare aplicati amestecului 92% WC, 8% Co De remarcat ca, desi nu se inregistreaza o modificare spectaculoasa a marimii medii a granulei la macinare, prin aceasta se obtine o corectare certa a dispersiei granulometrice initiale. Macinarea uscata a pulberilor metalice conduce la descresterea atat a volumului liber varsat cat si a volumului tasat, in timp ce la macinarea umeda ambii parametri mentionati cresc, adica amestecurile devin mai voluminoase. Din cauza uzurii intense produsa in timpul macinarii si in special in cazul macinarii umede, atat bilele cat si captuselile morilor sunt confectionate din otel inoxidabil sau mai preferabil din carbura. Desi bilele utilizate la macinare in mori mai sunt inca confectionate din otel inoxidabil in special pentru pulberi fara TiC in compozitie, ponderea cea mai mare la utilizare este a bilelor din carbura. Timpul de macinare in morile cu bile este de circa 3-8 zile, in functie de tipul de carbura de macinat. Capacitatea maxima a unei mori cu bile este de circa 200-250 kg. Dupa macinare lichidul care a fost folosit ca mediu de macinare este indepartat prin decantare-vidare sau centrifugare. Amestecul de carburi cu liant sub forma de pasta inca umeda, este trecut in nacele si uscat intr-un cuptor continuu, proces care adesea este combinat cu un tratament termic de reducere la 650750C. Sistemul de granulare si lubrifiere da o anumita forma si dimensiune peletelor (granulelor) de pulbere de care depinde comportarea acestora la presare. Pulberile din amestecurile de carburi si cobalt sunt foarte fine granulometric si cu proaste proprietati de curgere in special dupa adaugarea lubrifiantului de presare-parafina.

21

Cap. III SINTERIZAREA 3.1 Generaliti Sinterizarea este tratamentul termic care determin formarea unor legturi ntre particulele unor pulberi metalice n scopul obinerii anumitor caracteristici fizico-metalice superioare ale produsului tratat. Sinterizarea se realizeaz n mod obinuit la o temperatura inferioar punctului de topire a componentului cel mai uor fuzibil. Se disting urmtoarele dou tipuri de sinterizri: 5) sinterizarea sistemelor omogene la care produsul final este omogen; 6) sinterizarea sistemelor eterogene la care produsul final este eterogen. Sinterizarea sistemelor omogene La sinterizarea pulberilor omogene se pot deosebi dou faze de sinterizare. Prima faz cuprinde formarea i creterea punilor, adic a unor zone de contact ntre particule nvecinate de pulbere. Creterea acestor zone de contact n prima faz a procesului de sinterizare conduce la o coeziune mrit a particulelor n corpul piesei care conduce la o cretere brusc a conductibilitii ei fr ca aceasta s fie nsoit i de o contracie dimensional. n timpul celei de a doua faze a sinterizrii, crete densitatea materialului piesei. Piesa se contract, adic volumul porilor scade, iar n condiii favorabile porii dispar aproape n totalitate. Fora motrice n ambele faze o constituie modificarea energiei superficiale a particulelor de pulbere. Energia necesar pentru sinterizare este asigurat de reducerea suprafeelor mari de pulbere. Sunt posibile la sinterizarea materialelor din sistemele omogene, urmtoarele mecanisme: 1. Vaporizare si condensare ulterioar. 2. Difuziune superficial i la limitele dintre particule. 3. Difuziune n volum. 4. Curgere vscoas, curgere Newtonian. 5. Curgere plastic, curgere Bingham.

Sinterizarea sistemelor eterogene Din punct de vedere al fenomenului de sinterizare, R. Kieffer [8, 9]. Descrie schematic patru tipuri diferite de sinterizri ale sistemelor eterogene, depinznd de absena sau prezena fazei lichide n timpul sinterizrii i de caracterul omogen sau eterogen al produsului final. n tabelul 3.1 se prezint tipurile posibile de sinterizare, lundu-se ca exemple, n special din domeniul materialelor metalice dure. Din cele patru posibiliti, cazul I, adic producerea de materiale metalice dure, cristale mixte, pseudoaliaje dure i piese sinterizate din acestea, ct i in cazul IV, ntrirea i densificarea materialelor dure cu liani lichizi n aliaje eterogene dure sinterizate, prezint o importan tehnica deosebit.

22

Cazul I Temperat Sub punctul de ura de topire al sinterizar componentului e A i B

Cazul II Sub punctul de topire al componentului A i B

Produsul final

Exemple de carburi:

AB (soluie A + B solid sau (eterogen) compus omogen) W+CWC ZrC+VC WC+Co TiC WC+grafit TaC+Ni +TaC(Ti,Ta)C WC+TiC(W,Ti )C TiC+VC(Ti,V) C Tab. 2.1 Sinterizarea sistemelor eterogene (Sistem binar A+B)

Cazul III Sub punctul de topire al componentului A, deasupra celui al componentului B AB (soluie solid sau compus omogen) TiC+NiTiCNi

Cazul IV Sub punctul de topire al componentului A, deasupra celui al componentului B A + B (eterogen)

Fig. 3.1 Formarea structurii materialului sinterizat omogen n condiii de miscibilitate mutual a celor doi componeni

Procesele care din punct de vedere al structurii au loc la sinterizarea aliajelor complexe (din mai multe componente), cu aspectul final omogen sau eterogen, sunt prezentate schematic n fig. 3.1 ... 3.3. n fig. 3.1 se arat condiiile de miscibilitate complet a dou faze A i B care dup o omogenizare complet conduce la o structur cu o singur faz (cazul I). n fig. 3.2,a, se prezint grupa din dou tipuri de cristale nemiscibile A i B, n fig. 3.2,b, corpul sinterizat compact fr cretere a granulelor, iar n fig. 3.2,c, un corp cu cretere puternic a granulelor. Dac cele dou componente au o solubilitate reciproc redus, apar n locul tipurilor de cristale pure A i A fazele cristalelor mixte A i B (cazul II). n fig. 3.3,a, se prezint situaia n care componentul B devine lichid, topete cristalul de tip A i are loc un fel de lipire n volum ntre componente. Introducerea componentului B ntre particulele A poate avea loc i pe calea impregnrii. Favorizat de

23

Fig. 3.2 Formarea structurii materialului sinterizat eterogen n condiii de insolubilitate mutual a celor doi componeni.

faza lichid de procese de dizolvare i separare, are loc creterea granulelor chiar i la temperaturi relativ sczute ale aliajului de impregnare, umectare (cazulIV). n figura 3.3,b, se prezint cazul cnd componentul B lichid este preluat de tipul de cristal A n condiiile n formrii de cristale mixte. Cazul clasic pentru acest tip de sinterizare este ntlnit la confecionarea bronzului poros sau sinterizarea materialelor magnetice, unde prealiajul

Fig. 3.3 Formarea produsului final sinterizat omogen: (a) sau eterogen (b) temperatura superioar punctului de al unuia din cei doi componeni

la o topire

lichid este preluat de masa de baz n condiiile formrii de cristale mixte (cazul III). Sinterizarea produselor finale omogene La procesul de sinterizare a produselor finale omogene din carburi, se aplic urmtoarele trei metode larg utilizate i n procesele metalurgiei pulberilor pentru pulberi de metale pure: a) sinterizarea pulberilor din carburi nepresate sau numai compactizate prin vibrare sau scuturare; b) sinterizarea pulberilor compactizate prin presare, extrudare sau turnare; c) sinterizarea sub presiune sau presarea la cald a: 4. pulberilor de carburi dure nepresate (liber vrsate), prepresate sau deja sinterizate; 5. amestecurilor de pulbere de metal sau metaloid cu pulbere de carbon. Kieffer caracterizeaz structura pseudoaliajului W-C-Co astfel: depinznd de coninutul de cobalt, temperatura de sinterizare i timpul de sinterizare, pseudoaliajul sinterizat WC-Co este format dintr-un schelet mai mult sau mai puin dezvoltat, dar neaprat continuu de faze 1 sau 2 (soluii solide de WC-Co) care este mbrcat de un sistem tridimensional de puncte de sudur sau soluii solide de Co (WC dizolvat n Co) ntr-o stare tensionat mecanic. Dup nclzirea comprimatelor de WC-Co, eutecticul ternar W-C-Co format acioneaz superficial ntre ele, rezultnd un efect de contracie a comprimatelor la cel mai mic volum posibil. Solubilitatea cobaltului pentru WC la temperatura de sinterizare, cr i la temperatura ambianei, este dat de diagrama de stare, dar, indiferent de cantitile aflate n

24

soluie, starea de neechilibru caracterizeaz produsele sinterizate. Aceast interpretare a structurii explic creterea rezistenei la rupere prin ncovoiere a pseudoaliajelor WC-Co. Carbura de wofram pur de maximum 50-60 daN/mm2, iar la un adaos de 5-6% cobalt, valorile acesteia cresc la 140-180 daN/mm2. Aceast cretere a rezistenei poate fi explicat foarte bine prin modelul de sinterizare expus mai sus.

25

3.2 Tehnologia de lubrifiere, presinterizare i sinterizare Principalele operaii tehnologice care se desfoar n condiii ce reclam un aport de energie calorica i implicit creterea temperaturii compactului sunt : - delubrifierea (deparafinarea); - presinterizarea; - sinterizarea umeda de rcire pn la temperatura mediului ambiant. n fig. 3.4 este artat o diagram de nclzire pentru sinterizarea plcuelor achietoare din carburi metalice sinterizate, aplicat la un cuptor staionar cu ciclul termic integral tip Degussa. n toate etapele tehnologice, reacia atmosferei cuptorului cu pseudoaliajele este foarte important. Dei aceast reacie are loc la suprafaa pieselor, n domeniul tehnologiei de sinterizare se acord o deosebit atenie condiiei de a avea o atmosfera ,,corect" de sinterizare i aceasta n special n domeniul aliajelor dure sinterizate. Fig. 3.4 Diagram de nclzire pentru sinterizarea plcuelor achietoare n cuptor

Degussa cu ciclul integral ntruct granulele pulberilor chiar i dup operaia de compactizare au suprafaa activ mare, din acest punct de vedere, sunt permanent vulnerabile n legtur cu posibilitatea de a reaciona cu atmosfera cuptorului n special n privina balanei de carbon. Orice dezechilibrare a acestei balane n sensul excesului de carbon conduce la apariia carbonului liber structural, iar orice deficit de carbon duce la apariia fazelor de decarburare(faza ). n acest domeniu, s-au efectuat multe cercetri i s-au publicat multe lucrri [10, 11, 12, 13]. Delubrifierea (deparafinarea) 26

n industria metalelor dure, parafin este frecvent utilizat ca lubrifiant adugat pentru a facilita procesul de presare. Odat presarea efectuat, parafina este eliminat prin tehnica uzuala de volatilizare a parafinei prin nclzirea lent a pieselor compactizate, fie n hidrogen, fie n vid. Este important ca eliminarea parafinei s se efectueze fr a cauza schimbri chimice sau fizice n piesele deparafinate. Denumirea de ,,parafin" este data unui numr relativ mare de substane organice, care sunt obinute, fie prin descompunerea piro-genetic, fie prin distilarea crbunelui brun, lignitic sau rafinarea petrolului. Aceast parafina este aadar un amestec de parafinenormale, izo-parafine, ciclo-parafine i urme de alchil benzen i petrol. Aceast mare variaie n compoziie determin proprietile fizice ale parafinei inclusiv domeniul de topire si volatilizare. Principial, deparafinarea se poate efectua n dou modaliti : n atmosfera de hidrogen sau n vid. n cazul delubrifierii n hidrogen, determinarea exacta a temperaturii de deparafinare se efectueaz experimental in funcie de parafina utilizat. De exemplu, pentru o parafin extras din rafinarea petrolului cu punctul de topire la 43...46 0C i avnd o compoziie 88,5% parafine normale, 2,0% izo-parafine, 9,0% cicloparafine i 0,5% alchil benzen, s-a folosit pentru un anumit tip de cuptor un debit de 3,05 m3N/min. Rezultatele au indicat o extragere lent a parafinei la 1500C i eliminarea urmelor complet la 250...3000C. Atunci cnd parafina este nclzit n apropiere de punctul su de topire, n contact cu aerul, are loc i o oarecare oxidare care produce acizi grai, esteri, aldehide si cetone. Daca nclzirea are loc n atmosfera protectoare sau hidrogen, nu mai are loc nici o descompunere pn la 4000C. n aceste condiii, parafina cracheaz formnd hidrocarburi parafinice inferioare, olefine i carbon liber. Astfel parafinele cu greutate moleculara nalt se vor descompune la temperaturi mai joase dect parafinele cu greutate moleculara joas. n general, aceasta nseamn c parafinele cu punct de topire nalt se descompun mai uor dect parafinele cu punct de topire jos. Daca temperatura crete la circa 400C, probabilitatea descompunerii la carbon sau funingine crete. Daca parafina este adugat satisfctor, prezena sa n compact are o dispersie fin si uniform. Parafina se evapor n funcie de suprafaa expus a compactului la nclzire. Pe msur ce parafina se evapor, ea este nlocuit de alt cantitate ce difuzeaz din interior ctre suprafa. Raportul ntre suprafa i volumul pieselor este de prim importan la determinarea ciclului de deparafinare, temperatur, timp, iar rata de deparafinare trebuie sa fie proporional cu suprafaa expus curentului de hidrogen. Odat transferat parafina n curentul de gaz, acesta trebuie scos din zona de reacie ct mai rapid posibil. n cazul cuptoarelor semicontinue sau continue, cu ciclu de deparafinare i presinterizare sau sinterizare, vaporii de parafin trebuie exhaustai din faz nainte ca aceasta sa ajung la zonele cu temperaturi mai mari de 400C, unde parafina poate iei violent din compact, deteriornd presatul prin exfolieri si spargeri sau poate craca cu formare de carbon liber. n ambele cazuri, calitatea produsului este afectat n sens negativ. In general, la cuptoarele continue cu hidrogen, procesul de deparafinare este controlat prin gradientul de temperatur, tactul de naintare al arjei, debitul de hidrogen i, n ultim instan, prin programarea ciclului de nclzire pentru o anumita mas a arjei.

27

Pentru deparafinare se pot utiliza i cuptoare cu vid, sau o combinaie de deparafinare n hidrogen i continuare a ciclului termic de sinterizare n vid. Msuri similare trebuie luate n legtur cu extragerea parafinei din piese i evacuarea ei din incinta de lucru a cuptorului. Cuptoarele de vid sunt n cea mai mare majoritate cuptoare staionare, unde ciclul de deparafinare este controlat prin rata de nclzire. Cea mai mare grij trebuie acordat ca s se asigure ca parafina s se evacueze din cuptor nainte ca temperatura sa ating temperatura de cracare. n general, este foarte greu s se obin o temperatur uniform n domeniul temperaturilor relativ joase, cerute de deparafinare. Dac urme de parafin rmn n piese, iar acestea sunt nclzite suficient de brusc, parafina poate craca formnd carbon liber si funingine n structura pieselor. Una din cele mai dificile probleme la acest tip de cuptoare este colectarea satisfctoare a parafinei pentru a evita depunerea ei pe unele pri mai reci i cracarea ei ulterioar. n ambele cazuri, n hidrogen sau vid, parafina este evacuat din pies prin suprafaa ei. Din acest motiv, piesele trebuie plasate astfel ca maximum de suprafa s fie expus n atmosfera cuptorului fr a se crea zone de aglomerare sau de unde parafina s nu se poat evacua.

Presinterizare Uneori, in producia de componente din carburi metalice sinterizate, este necesar efectuarea unor operaii de prelucrri mecanice naintea operaiei finale de sinterizare. Aceste prelucrri se fac bineneles dup ce dimensional se cunoate comportarea aliajului la contracia dimensional de la sinterizare. Pentru a fi posibil orice operaie de prelucrare a pieselor fr fisurri sau spargeri datorate fragilitii compactelor, acestea sunt consolidate i ntrite prin presinterizare la 750...10000C, n funcie de compoziia pseudoaliajelor. Aceast simpl, n aparen, operaie de nclzire la 750...1000C este de fapt destul de complicat prin implicaiile ei datorate marii suprafee active a componentelor pulverulente i a dificultilor obinerii exacte a efectului de sinterizare dorit. La presinterizarea n hidrogen a pseudoaliajelor WC-Co, sinterizarea cobaltului ncepe la temperaturi relativ joase (circa 200C). Ulterior, consolidarea este obinut prin creterea temperaturii, dar care nc nu este nsoit i de contracia piesei. Aceasta consolidare este pus pe seama lipirilor locale care au loc ntre particulele de cobalt. Pentru aliajele simple WC-Co, temperaturi de numai 800C fac piesele suficient de consistente, suficient de tari pentru a putea fi prelucrate mecanic. La aceste temperaturi ns numai circa 0,5% din valoarea absolut a contraciei are loc, iar aceasta nseamn ca faza lichid nc nu a aprut i numai o uoar rearanjare a particulelor a avut loc. Se cunoate efectul mcinrii asupra reelei pseudoaliajului, precum i faptul c unele lipiri apar nc de la mcinare [14]. Este posibil i o oarecare difuziune a wolframului i a carbonului n cobalt care duce la rearanjarea unor particule. Din datele experimental rezult c pseudoaliajele ce conin carburi de titan sau tantal necesit temperaturi de presinterizare ceva mai nalte dect ale pseudoaliajelor WC-Co

28

pentru a se obine o consolidare echivalent. Reaciile chimice ce se produc n domeniul de presinterizare implic necesitatea unui control viguros el atmosferei cuptorului. Cnd sunt sinterizate pseudoaliajele n hidrogen, oxizii sunt redui integral. Pentru obinerea acestui efect de reducere 100%, este necesar o presinterizare n hidrogen la minimum 700 0C. Dup cum se tie hidrogenul reacioneaz cu carbura de wolfram n prezena vaporilor de ap sau a oxigenului n domeniul temperaturilor de presinterizare. n cazul unei carburi de wolfram stabile, nu areloc nici o reacie cu hidrogenul uscat. Cu un hidrogen umed poate avea loc reacia : WC+H2O Co+H2+W care conduce n final la decarburare. Viteza de reacie crete n prezena unei carburi mcinate i reacia devine complexa n prezenta cobaltului. La temperaturi sub 825C, cobaltul frneaz reacia dintre carbura de wolfram i ap, aceasta fiind asemntoare cu cea dintre hidrogenul uscat i carbura de wolfram. Peste 825C reacia are loc numai ntre ap i carbura fr nici un efect pentru cobalt. Totui, pe msur ce reacia se desfoar, apar i faze noi de tipul Co 3W3C si Co3W, reacia fiind complex i insuficient de bine clarificat. Studiul reaciilor cu hidrogenul uscat sau umed al pseudoaliajelor coninnd i carbura de titan au artat complexitatea lor i faptul c mai muli factori influeneaz pierderea de carbon din timpul presinterizrii dect la pseudoaliajele simple, WC-Co. Totui, i n acest caz, un rol preponderent l au tot factorii legai de gradul de umiditate al hidrogenului, intensitatea mcinrii, coninutul n WC si TiC al cristalelor mixte, precum i coninutul de cobalt in pseudoaliaj. Presinterizarea se poate realiza i n vid n domeniul de 10-1 pn la 10-2 torri. Cuptoarele de presinterizare n vid, n mod uzual, sunt cuptoare staionare. Temperatura de presinterizsre este similar cu cea utilizat la presinterizarea n hidrogen, acest factor nefiind legat de natura atmosferei cuptorului. Reactiile care au loc n timpul ciclului de incalzire sint generate n compact ca urmare i datorit prezenei oxizilor sau a apei absorbite. n primul rnd nclzirea conduce la nlturarea apei absorbite i care n mod frecvent este mai mare de 0,2% (fig. 3.5). ntr-un cuptor bine conceput, nlturarea vaporilor de ap din cuptor are loc nainte ca temperatura ncrcturii s devina prea nalt nct s permit reacia lor cu carburile din pseudoaliaj. Oxizii din pseudoaliaj (de wolfram sau cobalt) sunt redui pe seama carbonului din bilanul de materiale al amestecului. Pe baza unor calcule termodinamice [15], reducerea oxizilor de cobalt ncepe la aproximativ 3000C, la presiunea de 810-2 torri, n timp ce reducerea wolframului ncepe la aproximativ 4000C. Pierderea de carbon are loc, att pentru aliajele simple WC-Co, ct i pentru cele cu carburi complexe dup tipul de reacie. MeO + C Me + CO.

29

Fig. 3.5 Diagrama de echilibru a sistemului metal/oxid al metalului respectiv n amestec de H2/H2O Pe baze termodinamice, reducerea oricror oxizi de titan la aceste temperaturi de presinterizare i la presiunile sus-amintite este practic imposibil. Indiferent ce metod de deparafinare sau presinterizare este folosit, de obicei piesele sunt scoase n afara atmosferei protectoare n aer pentru prelucrri dup presinterizare sau pentru continuarea ciclului ntr-un alt cuptor de sinterizare (excepie fac cuptoarele cu tot ciclul integral realizat ntr-un singur cuptor). Aa cum am artat, oxizii iniial existeni n piese sunt redui la presinterizare de hidrogen sau, n cazul presinterizrii n vid, oxizii sunt redui pe baza carbonului din bilan. n ambele cazuri, piesele presinterizate sunt curate si lipsite de oxizi. Chiar dac piesele sunt rcite pn la temperatura ambianei n cuptor nainte de scoaterea lor, n atmosfer are loc totui o reacie de reoxidare n contact cu aerul. Intensitatea acestei reacii depinde de civa factori ca : temperatura de presinterizare, durata de meninere la temperatura de presinterizare, temperatura pieselor n momentul scoaterii lor din cuptor etc. Din experimentrile efectuate prin variaia diverilor parametri din cei sus-menionai, se desprind urmtoarele : absorbia de oxigen este uor redus la creterea temperaturii de presinterizare. Acest fapt este i mai evident la amestecurile care au granulae fin (sub 1 m FSS), dect la celelalte. Coninutul de cobalt nu influeneaz absorbia de oxigen la temperatura de presinterizare. Unele proprieti ale pieselor se modific n urma presinterizrii, de pild create consistena i rezistena mecanic a pieselor. n totalitate, suprafaa activ pentru reacia cu oxigenul descrete odat cu creterea temperaturii de presinterizare.

30

In cazul aliajelor cu granulaie fin, la care coninutul relativ mai ridicat de oxigen este asociat att cu mrimea granulaiei cobaltului ct i a carburii de wolfram, la aceste tipuri de amestecuri densitatea presatului este relativ sczut i evident suprafaa disponibil de reacie mare. Aceti doi factori conduc la o cretere a posibilitii de reacie a comprimatului cu oxigenul chiar la temperaturi joase. Sinterizarea Aceasta operaie se poate realiza att n hidrogen ct i n vid. Temperaturile utilizate n mod obinuit pentru realizarea operaiei de sinterizare sunt situate n domeniul 1350C pn la 1550C, n funcie de compoziia pseudoaliajelor sinterizate i mrimea granulometrica a componentelor. Literatura de specialitate [13, 17, 18, 19] conine multe referiri care se fac n legtur cu efectul coninutului de carbon al amestecurilor asupra proprietilor fizice ale materialelor si corectitudinii formei pieselor dup sinterizare. Atenta urmrire i controlul atmosferei de sinterizare este n ultim instan cea care asigur coninutul de carbon corect al pseudo-aliajelor sinterizate, indiferent dac acestea conin sau nu i carburi complexe n compoziie. n cazul sinterizrii in hidrogen, metoda clasic const n mpachetarea pieselor de sinterizat n amestecuri, fie de alumin cu granulaie mare, fie n pulbere de grafit, fie n amestecuri ale acestora. n general, la mpachetarea produselor, se urmresc cu precdere urmtoarele aspecte : - obinerea efectului de carburare sau decarburare dorit prin mpachetare; - mpachetarea s se fac raional i economic pentru o bun utilizare a spaiului de lucru al cuptorului ; - mpachetarea s nu stnjeneasc sau s blocheze micarea arjei n cuptor (n cazul cuptoarelor continue). De obicei, mpachetarea se practic la sinterizarea n hidrogen n cuptoare tubulare sau continue n care arja nainteaz n flux continuu, n contracurent cu circulaia hidrogenului prin cuptor. Sunt situaii frecvente cnd sinterizarea n hidrogen n cuptoare continue se practic fr mpachetare n nacele de grafit acoperite cu capac de grafit. Att la cuptoarele n care se folosete mpachetarea ct i la cele la care nu se folosete, o serie de factori influeneaz atmosfera propriu-zis a cuptorului pentru a o face sa devin nalt carburant sau decarburant. Printre acetia, n afara calitii mpachetrii, atunci cnd aceasta exist, i puritatea initial a hidrogenului utilizat (punct de roua coninut de oxigen n hidrogen), sunt : calitatea tubului cuptorului, gradul de etanare pe care acesta l poate realiza, calitatea materialului din care sunt confecionate nacelele i caracteristicile constructive ale cuptorului. Studiind absorbia carbonului de ctre piesele presate cu un coninut iniial mic de carbon, se vede c o mare rat a absorbiei are loc n timpul cnd faza lichida este prezenta i piesele sunt deja n mare parte densificate. Acest raport de carbon de la exterior ctre interiorul piesei conduce la o larg variaie a coninutului de carbon de la suprafa ctre centrul piesei n urma creia pot rezulta i schimbri structurale cu apariia fazei de decarburare (faza ), sub diverse forme structurale. Daca absorbia de carbon are loc la temperaturi joase, cnd piesele sunt poroase, gradientul carbonului va fi mai puin marcant.

31

Gradientul carbonului poate avea n aliajul dur sinterizat un pronunat efect asupra corectitudinii formei geometrice a pieselor, datorit densitilor care variaz rapid n funcie de variaiile coninutului de carbon al pseudoaliajului. Deci zonele cu coninut sczut de carbon se contract mai mult dect cele cu coninut ridicat de carbon. Pentru a produce o deformare ntr-o piesa de carbur sinterizat, este suficient ca o parte a ei s se sinterizeze mpachetat n alumin, iar cealalt n grafit n cuptor cu hidrogen. Astfel, n structura piesei ce a fost mpachetat n alumin (Al 2O3), va aprea faza de decarburare (faza ), iar n cea mpachetat n grafit carbon liber. Tot la fel se poate ntmpla i n cazul sinterizrii directe n hidrogen, fr mpachetare. Dac atmosfera va fi decarburant (hidrogen umed, debit insuficient etc.), n pies vor aprea structuri cu faza i respectiv carburant n pies vor aprea structuri de carbon liber. Sinterizarea n vid este procedeul modern de sinterizare care a cptat cea mai larg aplicativitate n prezent. Cuptoarele de vid cel mai mult utilizate sunt cuptoare staionare sau cuptoare semicontinue. nclzirea acestora se realizeaz prin inducie cu generator de medie frecvent sau cu rezistene de grafit de diverse forme. n prezent varietatea cuptoarelor de sinterizare este din punct de vedere constructiv foarte larg, un rol deosebit n performanele ce la pot avea jucndu-1 echipamentul auxiliar i pompele de vid ce le deservesc. Vidul sau mai bine zis ,,depresiunea" n aceste cuptoare nlocuiete hidrogenul folosit ca atmosfera protectoare la sinterizare. Presiunile de lucru practicate sunt de circa 0,1 torri, nivel la care poate avea loc i o oarecare pierdere de cobalt prin evaporare. Proporia pierderii la sinterizare variaz, bineneles, i n funcie de compoziia pseudoaliajului. Fat de diagrama de nclzire prezentata in fig. 3.4, atunci cnd aceast pierdere de cobalt este relativ mare, se utilizeaz o sinterizare la care, n domeniul temperaturilor nalte, se introduce o masa de gaz protector (argon) care oprete evaporarea cobaltului. In fig. 3.6 se prezint diagrama unei asemenea sinterizri, realizat cu introducerea de gaz protector in timpul palierului de sinterizare i efectuat pe un cuptor Balzers la firma Hertel Germania.

32

Fig. 3.6 Diagram de sinterizare cu introducere de argon n timpul sinterizrii pentru oprirea volatilizrii cobaltului n cuptor staionar Balzers

n cazul sinterizrilor la care nu se utilizeaz argonul pentru oprirea evaporarii cobaltului, efectul acesteia se resimte dup un numr definit de sinterizri succesive prin prezena cobaltului n porii grafitului talerelor sau ai cptuelii cuptorului sub form de particule de cobalt relativ mari i care modific i degradeaz izolaia cuptorului. O mare influen asupra pieselor sinterizate o are si absorbia de carbon, care se manifest semnificativ n special pentru aliaje cu coninut de cobalt care depete 15% Co. Foarte multe tehnici sunt utilizate pentru reducerea acestui efect la minim [19]. Pentru diminuarea influenei carbonului asupra materialului sinterizat, att talerele, ct i creuzetul i toate accesoriile cuptorului confecionate din grafit sunt supuse unor severe prescripii de calitate. Alte tehnici sunt aplicate pentru a se micora pe ct posibil suprafaa de contact dintre piesele sinterizate i talerele pe care acestea sunt aezate. Pentru a diminua aceasta absorbie de carbon, se folosesc diferite modaliti de aezare a produselor pe talere, prin intermediul unor straturi protectoare de alumina sau grafit sub forma de folii sau negru de fum. 3.3 Instalaii i utilaje de sinterizare Dezvoltate odat cu evoluia tehnologiei de sinterizare, instalaiile i cuptoarele folosite la realizarea produselor sinterizate din pseudoaliaje de carburi dure s-au perfecionat continuu, devenind tot mai complexeceea ce privete construcia lor i tot mai flexibile i multifuncionale n ce privete domeniul tehnologic de utilizare. O lung perioada de timp, n fabricarea aliajelor dure sinterizate s-au utilizat cuptoarele cu tub cilindric de grafit, de tip Tamman, cu atmosfera de hidrogen i care pot lucra pn la circa 1500C. Acest tip de cuptor nu mai face fa n prezent condiiilor impuse de sinterizarea modern. Principalii parametri care trebuie s poat fi determinai si corect controlai de orice instalaie de sinterizare sunt : 1) atmosfera de sinterizare; 2) viteza i ciclul de nclzire a arjei; 3) temperatura de sinterizare ; 4) timpul de meninere la temperatura constant de sinterizare ; 5) viteza de rcire a arjei ; 6) presiunea la care se realizeaz sinterizarea. Printre cuptoarele cele mai frecvent utilizate n prezent la sinterizare, datorit performantelor i flexibilitii lor, sunt cuptoarele cu vid. Acestea pot fi nclzite, fie prin intermediul unor rezistene, fie prin cureni de medie sau nalt frecven. Din punct de vedere al modalitii n care se realizeaz ciclul de sinterizare, se disting urmtoarele tipuri de cuptoare :

33

a. Cuptoare continue sau semicontinue prin care arja amplasat n nite nacele, parcurge progresiv zonele de nclzire ale cuptorului i, n acest fel, realizeaz ciclul termic stabilit al cuptorului. b. Cuptoare staionare cu funcionare discontinu, n care arja este aezat ntr-un susceptor sau creuzet i, fr a se mica din aceasta poziie, prin nclzirea ntregului cuptor, realizeaz, mpreun cu cesta, ciclul termic de sinterizare. Vidul, ca atmosfer protectoare, este considerat ca foarte eficient. Aceasta caracterizare este justificat dac se are n vedere gradul de rarefiere a gazului rezidual din incint, dup pomparea i vidarea ei. Astfel la o presiune de 10 -6 torri, concentraia de gaz mai este nc de 31010 molecule pe cm3. Cu toate acestea, presiunea parial a componentelor de gaz necesar oxidrii este att de sczut ntr-un spaiu vidat, nct la multe metale oxidul nu se formeaz. n cazul utilizrii gazelor inerte la sinterizare (argon sau azot), suma componentelor oxidante nedorite reprezint, dup gradul de puritate al gazului, 10 pina la 100 ppm. La un vid de 10-3 torri, valoarea respectiv ese de 1,5 ppm. Fiecare parte component a aerului se pompeaz difereniat de repede. Din aceasta cauz gazul rezidual, n special n prima faz a pomprii, este mbogit cu vapori de ap. Coninutul n vapori de ap variaz n gazul rezidual dup cantitatea eliminat de vapori de ctre materialul tratat si neetaneitatea aparaturii. Calculele arat c, la un coninut foarte mare de vapori de apa a gazului rezidual (70 respectiv 100% vol.) din 10 -3 torri presiune total, punctele de rou corespunztoare sunt de numai 74C, respectiv 77"C (tabelul 2.2). Aceste consideraii arat c n vid pericolul unei oxidri este practic inexistent. Presiune Punctul de rou, 0C, pentru un coninut de vapori H2O 20% vol. 70% vol. 100% vol. Torri 1 -32 -21 -17 10-1 -55 -43 -40 -2 10 -70 -61 -58 -3 10 -86 -77 -74 10-4 -92 -90 -89 Tab. 2.2 Punctul de rou al gazului rezidual cu coninur de 20, 70 sau 100% vol. vapori de ap pentru presiune de la 1 la 10-4 Torri Dup cum reiese din diagrama de echilibru a sistemului metal/oxid al metalului respectiv, reprezentata in fig. 3.5, la un punct de rou de 75C, nu se oxideaz nichelul, wolframul, staniul si fierul. La acelai punct de rou, oxidarea poate avea, loc numai la temperatur ridicat, astfel, de exemplu, zincul se oxideaz la 400C, cromul la 600C i manganul la 750C. Printre cuptoarele staionare de sinterizare, cu larg utilizare n prezent, se evideniaz trei tipuri cu caracteristici constructive distincte (fig. 3.7) : - cuptoare de vid cu perei calzi (fig. 3.7,a); - cuptoare de vid cu perei calzi i decompresiune (fig. 3.7,b); - cuptoare de vid cu perei reci (fig. 3.7,c). n cuptorul de vid cu perei calzi, materialul de sinterizat se gsete plasat ntr-o retort vidat care este nclzit din exterior.

34

Rezistena electrica de nclzire este de obicei confecionat dintr-un aliaj de Cr-Ni rezistent la temperaturi nalte sau dintr-un aliaj de crom-aluminiu, fier. Corpul nclzitor este, n acest caz, n aer sub presiune atmosferica. Retorta de vid este, de obicei, confecionat dintr-un oel refractar, a crui rezisten scade mult n domeniul temperaturilor nalte. La cuptorul normal cu perei calzi, apsarea presiunii exterioare este suportat de retort. Din cauza pericolului de implozie legat de aceasta, astfel de cuptoare simple cu perei calzi nu pot fi utilizate dect pn la temperaturi de circa 1000C, temperatura de utilizare maxim fiind hotrt i de mrimea i geometria cuptorului. Temperatura maxima de funcionare a acestor cuptoare poate fi urcat pn la C 1100 C, atunci cnd i spaiul dintre retorta i cuptor este vidat la nivelul unui vid mai avansat (10 pn la 20 torri). Astfel, este posibil construirea unor cuptoare de vid cu perei calzi de capacitate mai mare. Pentru mrirea productivitii acestor tipuri de instalaii, acestea se echipeaz cu mai multe retorte, la care, n timp ce o retort se nclzete, perechea ei se rcete. Aceasta utilizare, denumit n tandem, scurteaz durata ciclului pe instalaie i mrete gradul de utilizare a retortelor.

Fig. 3.7 Tipuri de caracteristici de cuptoare staionare in vid: a) cuptor de vid cu perei calzi; b) cuptor de vid cu perei calzi i decompresiune; c) cuptor de vid cu perei reci. Din cauza masei relativ mari de metal de nclzit, aceste cuptoare nu sunt economice. Se utilizeaz mai ales pentru unele tratamente termice n vid sau presinterizare in fig. 3.8 este prezentat un cuptor industrial cu perei calzi. Cuptorul de vid cu perei reci este cel mai utilizat pentru sinterizri. La acesta, materialul de sinterizat i corpul elementului de nclzire este plasat n interiorul unei camere de vid, compus dintr-un rezervor de oel cu perei dubli, parial sau integral rcii cu ap. Deoarece izolaia termic i elementele de nclzire sunt plasate chiar in incinta cuptorului, trebuie sa se in seama att de compatibilitatea reciproc a acestora, ct i fa de restul

35

arjei. Fiind amplasate n zona cald a cuptorului, dac materialele ce vin n contact nu sunt din punct de vedere chimic potrivite, ele se pot combina reciproc. Materialele utilizate cel mai frecvent pentru izolaia termic a cuptoarelor pot fi : materialele ceramice, materialele izolatoare din granit i materialele metalice table radiante. Izolaia ceramic absoarbe umiditate din aer la fiecare aerisire. Din aceasta cauz, timpul de pompare necesar la fiecare arj se prelungete pentru a se obine o anumit calitate la vid, necesara sinterizrii. Ecranele radiante din metal nu au acest dezavantaj, dar, prin rigidizarea lor i prin deformarea i schimbarea cotelor, ele se pot rupe relativ uor (mai ales daca sunt confecionate din molibden sau wolfram). De asemenea, n urma unei funcionri continue i a unei exploatri intensive, ele i schimb nu numai cotele, dar si capacitatea sa de reflexie, care n final influeneaz uniformitatea temperaturii in cuptor.

Fig. 3.8 Cuptor industrial cu perei calzi Cel mai bun izolator cunoscut i utilizat pn n prezent la construcia cuptoarelor de sinterizare este psla din grafit material grafitic sub forma unui postav-estur, suficient de elastic, poros, dar consistent. Acest material nu absoarbe umiditate, astfel nct timpii neproductivi de vidare ai unui cuptor cptuit cu psl de grafit sunt relativ scuri. El rmne clastic i dup nclziri repetate i are cldura specific proprie foarte mic. Grosimea stratului izolator se poate adapta uor oricrei forme constructive pentru prentmpinarea unor pierderi locale de caldur i astfel se pot obine bune uniformiti termice ale cuptoarelor cptuite cu acest izolator. Astfel, n timp ce la tipurile de cuptoare de vid cu perei calzi, temperatura maxim de utilizare este de circa 1100 0C, la cuptorul de vid cu perei reci se pot realiza temperaturi mult mai mari (peste 2 2000C). Cuptoarele de vid cu perei reci pot fi nclzite cu rezistene electrice de tip cromnichel, molibden, tantal, wolfram, grafit masiv sau estura (pnz din grafit) sau prin cureni de medie si nalt frecven. nclzirea cu medie frecventa este cel mai larg utilizat la cuptoarele cu perei reci de sinterizare in vid. In fig. 3.9 este prezentat un cuptor staionar de sinterizare n vid, nclzit prin cureni de medie frecven. Se poate vedea susceptorul creuzetul de grafit plasat n mijlocul 36

cuptorului n care se gsesc piesele din aliaje dure de sinterizat. Creuzetul este izolat cu cteva straturi de psla de grafit, iar n exteriorul izolaiei se gsete spira de cupru rcit cu ap la interior, care joac rol de inductor de medie frecven pentru nclzirea arjei.

Fig. 3.9 Cuptor staionar de sinterizare n vid, nclzit prin cureni de medie frecven, fabricat de firma Balzers, Liechtenstein n toate instalaiile de sinterizare staionare se lucreaz realizndu-se cicluri succesive de nclzire, adic arje individuale. Acestea sunt compuse din mai multe piese nclzite succesiv, inute un anumit timp la temperatura de sinterizare constant, i apoi rcite. n acest tip de producie, reproductibilitatea condiiilor de sinterizare pentru mai multe arje de produse reprezint o problem dificil de rezolvat.

37

n aceast privin, mai avantajoas este utilizarea cuptorului continuu de sinterizare. La acesta, piesele aezate n nacele parcurg aceeai rut prin zonele de temperatur i deci au toate acelai ciclu termic de nclzire. n ultima vreme, s-au construit cuptoarele continue de sinterizare, care lucreaz sub atmosfere protectoare sau hidrogen. De asemenea, s-au construit si cuptoare continue de sinterizare in vid. Acestea sunt folosite pentru sinterizarea pseudoaliajelor ce conin i carburi relativ scumpe, sub forma de carburi complexe de titan, tantal, niobiu sau hafniu. In fig. 3.10 i 3.11 se prezint schema i construcia unei astfel de instalaii continue n vid, n care se realizeaz tot ciclul de deparafinare-presinterizare-sinterizare. Nacelele cu materialul de sinterizat, care sunt transportate prin camera cu ecluze, trec mai nti prin cuptorul de delubrifiere-deparafinare. Transportul este efectuat prin deplasarea ntregului tren de nacele cu ajutorul unui mpingtor ce lucreaz ritmic. Fig. 3.10 Schema cuptorului continuu automat de sinterizare n vid

Degussa (VW Sgr 20/10/120) Germania Durata de timp ntre dou deplasri succesive constituie perioada de timp ce formeaz tactul cuptorului. Depinznd de tactul de naintare, o nacel poate rmne pn la circa 9 ore n zona de deparafinare a cuptorului. n acest timp este obinut o cretere progresiv destul de lent a temperaturii pieselor din nacele i prin aceasta, o bun deparafinare a materialului. Pentru eliminarea vaporilor de parafina, se introduce hidrogen pe la ambele capete ale zonei de deparafinare. Hidrogenul i vaporii de parafin sunt evacuai prin mijlocul zonei ctre separatorul electrostatic de parafin. Acolo parafina este separat, iar hidrogenul este trimis la flacra de

38

a

b Fig. 3.11 Construcia (vederea) cuptorului schematizat in fig. 3.10 veghe unde este ars in mod continuu. Procesul de deparafinare poate fi condus n suprapresiune de hidrogen 760+30 torri sau n subpresiune de hidrogen 300 torri.

39

Dup deparafinare, nacelele sunt transportate prin ecluza ce legtur n cuptorul de vid pentru sinterizare. Ambele ecluze de la capete sunt vidate la nivelul unui vid grosier de circa 4050 torri. Cuptorul de vid este nclzit cu ajutorul unor rezistene de grafit, dispuse de-a lungul axei cuptorului, astfel nct zona de nclzire s fie ct mai uniform n seciune. Nacelele de grafit trec prin cuptorul de vid prin intermediul unei mufle din plci de grafit, vidat, i care asigur i ea o mai bun uniformizare a temperaturii n cuptorul de sinterizare al instalaiei. Dup ce au trecut prin cuptorul de sinterizare n vid, nacelele sunt trimise printr-un tunel cu perei dubli cu rcire forat de ap, ctre prima camera ecluzat, de unde, cu ajutorul unor benzi transportoare sunt scoase pe aceeai ua pe care au intrat. Pe ramura de sinterizare, nacelele pot sta tot pn la 9 ore, astfel c, dup trecerea prin tunelul de rcire, piesele sunt rcite eficient pn la temperatura ambiant. Deoarece cuptorul de sinterizare este vidat la 0,1-0,3 torri, cantitatea de caldur consumat la sinterizare este mult mai mic dect la cuptoarele de sinterizare n hidrogen. Temperatura cuptorului de sinterizare se poate regla i la valori mai sczute, astfel c instalaia s execute numai o presinterizare. Materialul presinterizat poate fi trecut prin ntregul cuptor sau poate fi introdus direct la sinterizare prin camera ecluzat de la sinterizare. Pe un astfel de cuptor (tipul DegussaVW Sgr 20/10/120), se poate realiza o producie continu de circa 15-20 kg piese din aliaj dur sinterizat pe or, n funcie de forma i configuraia pieselor. Instalaia este dotat cu aparatur modern automat de comand i control (cu sistem de alarm n caz de avarie i comutare automat pe purjare cu gaz inert), care face posibil o supraveghere foarte uoara a funcionrii i o mare siguran n exploatare. Astfel de instalaii au fcut posibil realizarea de produse din carburi dure sinterizate la un nivel calitativ superior, cu un mare grad de reproductibilitate al sinterizrii i a performanelor lor. Ele au consumuri energetice mici, la valori mari de producie, fiind deosebit de rentabile.

40

Cap II. FORMAREA LA RECE A PIESELOR 2.1. Preformarea, presarea in matri Procedeul clasic de producere a pieselor din aliaje dure de carburi sinterizate const ntr-o presinterizare urmat de sinterizare. Amestecurile de carburi uscate sau lubrifiate sau compactizate prin presare sub form de corpuri de forme geometrice relativ simple, care sunt apoi presinterizate la temperaturi situate ntre 900...11500C, in funcie de compoziie i de coninutul de liant de sinterizare (cobalt). In prealabil ele sunt supuse unei delubrifieri, adic deparafinri la temperaturi pn la circa 4000C. Dup presinterizare, piesele sunt suficient de consistente pentru a putea fi prelucrate prin achiere cu scule diamantate cu carbur de siliciu sau carburi sinterizate speciale. Acest procedeu de realizare a formei compactului, cu prelucrri dup presinterizare, se mai numete preformare. Dup preformare se face sinterizarea finala la temperatur nalt (1340... 1500C), care conduce la obinerea formei si a proprietilor finale ale pieselor. O varianta moderna de fabricare a pieselor din aliaje dure de carburi sinterizate, larg aplicat n prezent n special la executarea plcuelor achietoare schimbabile sau a pieselor cu tolerane dimensionale strnse, este formarea prin presare in matri urmat de un ciclu de sinterizare direct, fr prelucrri dup presinterizare. In cadrul acestui procedeu, forma produsului este realizat la presare i nu se mai modific n proces dect prin contracia realizat la temperaturi apropiate de temperatura de sinterizare, datorit apariiei fazei lichide a liantului de sinterizare. Contracia se produce n tot volumul piesei la temperatura de aproximativ 1350C (n funcie de coninutul de cobalt si compoziia amestecului). Intr-un timp relativ scurt piesa se contract pn la dimensiuni foarte apropiate de dimensiunile finale. Raportul de dimensiuni realizat prin contracie este de circa 1,2 ori dimensiunea piesei presate, faa de aceeai dimensiune dup sinterizare. Mrimea raportului de contractie este caracteristic pentru fiecare lot de pulbere i se determin la punerea lui in fabricaie. Aceasta mrime trebuie s fie luat n consideraie la construcia matriei de presat, pentru a se putea realiza dimensional cotele dorite ale piesei. Presarea n matria se realizeaz prin simpla sau dubla aciune a poansoanelor asupra pulberii dozate n interiorul matriei. Principalele elemente componente ale unei matrie de presat sunt date n fig. 2.1.

41

Fig 2.1 Matri de presare 1 poanson superior; 2 poanson inferior; 3 maiou; 4 miez; 5 camera de presare a plcuei Procedeele de dozare utilizate n mod curent sunt dozarea gravimetric i dozarea volumetric. Dozarea gravimetric const n determinarea i utilizarea masei pulberii necesare fabricrii piesei. Masa pulberii se determin cu relaia: P tot Cp 1 100 p (2.1) G=Vps 100 p=Vps

n care G este masa pulberii, n g; Vp volumul piesei presate, n cm3; s densitatea aliajului dup sinterizare, n g/cm3; Ptot porozitatea total a corpului presat, n %; p coeficient reprezentnd pierderea de pulbere n timpul presrii (p=1,01-1,02); C p compactitatea corpului presat, n %. Se ia n considerare densitatea piesei sinterizate, ntruct, n cursul tratamentului termic de sinterizare, densitatea se modific prin pierderea lubrifiantului de presare sau chiar din cauza unor reacii de reducere-carburare sau decarburare care pot avea loc. Masa pulberii, rezultat prin calcul, trebuie s fie realizat n mod constant la umplerea matriei de presat. Din acest motiv, presele moderne utilizeaz dozatoare gravimetrice automate care realizeaz, la fabricarea n serie mare a pieselor, mas constant i tolerane strnse dimensionale. Dozarea gravimetric, dei avantajoas prin precizia la care se poate realiza comprimate i prin posibilitatea reglrii automate a dozrii, nu este suficient de productiv pentru fabricaia de serie mare i de mas a pieselor. Pierderile de pulberi la manevrare ct

42

mai ales timpul consumat cu cntrirea, fac ca metoda s aib un domeniu mai restrns de aplicativitate n industrie. Cea mai rspndit este metoda dozrii volumetrice. Din egalarea expresiei masei de umplere a matriei cu expresia masei piesei presate, rezult: Vuu=Vpp (2.2)

de unde, prin nlocuirea volumelor Vu i Vp cu produsul dintre seciunea transversal i nlime, se obine expresia factorului de umplere: U= hu p = [mm] h p u (2.3)

i respectiv expresia analitic a nlimii hu de umplere a matriei:p h u =h p u [mm]

(2.4)

n care hp este nlimea corpului rezultat dup presare, n mm; p densitatea corpului rezultat dup presare, n g/cm3; u densitatea de umplere, n g/cm3. Lund n considerare un factor de corecie de 1..2%, datorat pierderilor sau erorilor de msurare, nlimea de umplere real hu real este: Hu real=(1,01..1,02) hu (2.5)

Presele moderne realizeaz umplerea cu dozatoare volumetrice care sunt simple i au funcionarea rapid, asigurnd o productivitate ridicat i o pierdere relativ mic de pulbere. Dozatoarele volumetrice, acionate mecanic sau pneumatic, permit ca pulberea prin cdere liber s ajung din buncrul presei direct n camera de umplere a matriei care asigur exact volumul de umplere necesar al piesei. Pulberea, care este n exces fa de volumul de umplere, rmne n piesa mobil a dozatorului i este retras odat cu aceasta de pe gura camerei de umplere. Un element esenial la dozarea volumetric l constituie granulaia pulberii i proprietile ei de curgere. n producia pieselor sinterizate din aliaje dure cu tolerane strnse de fabricaie, dozarea volumetric permite obinerea de bune rezultate i productiviti mari, numai cu pulberi care umplu uniform volumul de umplere a matriei i la care densitatea de umplere este constant n ntreaga mas a pulberii din camera matriei. Aceste performane sunt obinute din pulberi bine granulate cu vitez mare de curgere i cu valori constante ale vitezei de curgere. n fig. 2.2 este prezentat dispersia granulometric la sistemul de granul SPRAYDRYING pentru pulberile fabricate de firma EUROTUNGSTENE din Frana, presate pe prese automate cu dozarea volumetric n cazul produciei de plcue achietoare schimbabile.

43

n concluzie, dei dozarea volumetric asigur presrii o bun productivitate i se preteaz la automatizarea operaiei n sine, ea reclam o calitate deosebit a proprietilor de scurgere i mai ale o bun constan a acestora. Procedeul aplicat la ntreprinderea de Mecanic Fin, Bucureti, n fabricaia plcuelor achietoare schimbabile din clasele de precizie ISO 1832 M i u cu sfrmator de achii imprimat pe ambele fee, permite realizarea acestora foarte precis, direct din presarea de pulberi granulate SPRAY-DRYING (tolerane ale diametrului cercului nchis al plcuei ntre 0,005 i 0,13mm).

Fig. 2.2 Dispersia granulometric a paletelor spray draying din fabricaia firmei Eurotungstene din Frana n general densitatea comprimatelor realizate din aceste amestecuri la o presiune dat depind de: - granulaia carburilor componente; - coninutul de cobalt ca liant de sinterizare; - coninutul de liant de presare. Efectul de compactizare (la acelai coninut de Co) asupra densitii comprimatului este dat n diagrama din fig. 2.3 ntruct sinterizarea se produce n prezena unei faze lichide, densitatea comprimatului are o influena mic asupra densitii finale dup sinterizare, precum i asupra proprietilor fizico-mecanice respective. Densitatea comprimatului are ns o mare influena asupra contraciei dup sinterizare.

44

Fig. 2.3 Variaia densitii comprimatului n funcie de presiunea de compactizare a pulberii de diferite granulaii Cunoscnd densitatea teoretica a aliajului sinterizat s i densitatea comprimatului p, se poate calcula contracia liniara C folosind relaia: C= 1 100 n ceea ce privete modul de lucru la realizarea comprimatelor presate bilateral, se observ c la presarea bilateral exist o anizotropie a densitii i din aceasta cauz contracia lineara, msurat pe direcia paralela i respectiv perpendicular pe direcia de presare, difer ntre ele. De exemplu , pentru o pulbere ISO-P30, se obin datele menionate n tabelul 2.1

[ ]

1/2

Presiunea de nlime Densitate Contracia pe Contracia pe presare, P comprimat comprimat, p diametru, nlime Ch[%] 2 2 [daN/cm h[mm] [g/cm ] C[%] 800 12,19 6,78 20,16 20,02 1000 11,19 6,92 19,63 19,28 1200 11,76 7,02 19,09 18,96 1500 11,51 7,18 18,72 18,42 1800 11,32 7,30 18,37 17,84 2000 11,19 7,38 18,1 17,52 2200 11,12 7,43 17,66 17,27 Tab 2.1 Datele de calcul pentru determinarea presabilitii unei pulberi ISO-P30 Ca parametrii de presare se dau grautatea i groimea comprimatului. Greutatea comprimatului se calculeaz cu relaia: Gc=kgVSS

45

n care:

Gc- greutatea comprimatului VS- volumul plcuei sinterizate; kg=1,025 coeficient de corecie pentru coninutul de presare i coninutul de oxigen al pulberii. Grosimea comprimatului se calculeaz n felul urmtor: Se determin contracia msurat perpendicular pe direcia de presare (contracia pe diametru), folosind relaia: DS 100 DS DS diametrul plcuei sinterizate, n mm; DP diametrul comprimatului, n mm. C = 1

n care:

Greutatea putnd fi msurat precis pe orice balan analitic, iar grosimea cu ajutorul unui micrometru, precizia dimensional poate fi obinut cu uurina n producia de serie a plcuelor sau pieselor din aliaje dure sinterizate. n ceea ce privete presarea propriu-zis, aceasta se desfoar cu o anumit caden, care este denumit vitez de presare. Un factor hotrtor la alegerea unei viteze optime l constituie proprietile pulberii i introducerea ei n camera de umplere, urmeaz ndeprtarea dozatorului, apropierea celor dou poansoane i realizarea comprimrii pulberii. Pentru o bun presare, este necesar o meninere a forelor de presare aplicate un timp relativ scurt (30 secunde), care permite att egalizarea tensiunilor interioare ale piesei ct i evacuarea complet a aerului inclus n timpul dozrii. Urmtoarea faz const n extragerea comprimatului din matri, realizat printr-o micare invers direciei de umplere. Prsind matria, comprimatul se relaxeaz determinnd o cretere a dimensiunilor sale cu valori relativ mici, att n direcia presrii ct i perpendicular pe acesta. Pentru evitarea fisurrii comprimatului la extragere, este necesar efectuarea unei micri continue i relativ ncete, identic cu viteza de apropiere a poansoanelor i aplicarea presiunii de presare. Sculele, cu care se realizeaz formarea comprimatelor, sunt numite matrie i poansoane i ele au formele constructive i gradul de complexitate strns legate de formele pieselor de realizat. Forma piesei presate trebuie s permit extragerea sa cu uurin din matri, deoarece altfel se produc distrugeri ale comprimatului la extragerea din matri, prin fisuri, exfolieri sau spargeri. De asemenea, este foarte important ca forma piesei, n ceea ce privete raportul intre nlime i diametru, s se situeze n limite de compactizare acceptabile. Din practica formrii prin presarea pulberilor in matri, este considerat acceptabil raportul intre nlimea hp si diametrul circumscris Dp al presatului ntre valorile: hp/Dp=2,53. Alte cerine se refer la evitarea variaiilor mari ale grosimii pereilor i la nlocuirea unghiurilor dintre muchiile presei cu racordri cu raze ct mai mari posibile. La alezajul matriei se prevede o aanumit nlime de intrare a poansonului, care este de circa 25%

46

din nlimea de umplere a comprimatului. Repartizat n mod egal, att n partea superioar ct i n cea inferioara, nlimea de intrare i respectiv ieire are o conicitate de circa 2. Pentru uurarea intrrii poansoanelor n alezaj, muchia alezajului matriei se teete la 15 pe o nlime de 0,2 mm. Presele mecanice, utilizate la fabricarea pieselor de serie, pot fi cu excentric, cu arbore cotit, cu came sau cu alte tipuri de mecanisme. Cele mai frecvent utilizate sunt presele mecanice cu came pentru presarea n serii mari a plcuelor achietoare. La acest tip de prese, fora total se situeaz de obicei n domeniul 40 140 tone, putnd atinge n anumite cazuri valori mai mari, pn la 350 tone. Presele hidraulice sau mecano-hidraulice s-au extins tot mai mult n ultimul timp n domeniul aliajelor dure sinterizate. Acest fapt se poate justifica prin mai buna flexibilitate a posibilitilor lor, att n privina lungimii i a preciziei curselor realizate, ct i a variaiei vitezelor de presare n fabricaia de piese din carburi metalice sunt utilizate mai mult presele mecanice, pentru repere cu abateri admisibile dimensionale mai mari, i prese hidraulice, pentru repere cu abateri dimensionale admisibile mici i precizie mare.

47