• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Naukowcy z WAT opracowali nowoczesną metodę otrzymywania spieków

    06.02.2010. 18:32
    opublikowane przez: Piotr aewski-Banaszak

    Metalurgia proszków, polegająca na prasowaniu i spiekaniu w wysokiej temperaturze proszków metali lub ceramiki albo też mieszanin proszków metali i ceramiki, jest wydajną technologią otrzymywania elementów maszyn. Od lat stosuje się ją na dużą skalę m.in. w przemyśle motoryzacyjnym i w produkcji artykułów gospodarstwa domowego. Nowoczesną metodę otrzymywania spieków z mieszaniny proszków żelaza i aluminium opracowali naukowcy z Katedry Zaawansowanych Materiałów i Technologii Wydziału Nowych Technologii i Chemii Wojskowej Akademii Technicznej.

    Technologia ta została nagrodzona złotym medalem na 58. Światowych Targach Wynalazczości, Badań Naukowych i Nowych Technik "Brussels INNOVA 2009".

    Innowacyjność metody wynika z faktu, że podczas nagrzewania mieszaniny cząstek proszków żelaza i aluminium zostaje zainicjowana specjalna reakcja syntezy, określanej mianem samorozwijającej się wysokotemperaturowej syntezy (SHS), z wydzielaniem dużej ilości ciepła, co prowadzi do przebudowy miękkich, łatwych do ukształtowania składników wsadu w strukturę specjalnego stopu na osnowie faz międzymetalicznych.
    Stopy takie, nazywane inaczej intermetalami, to tworzywa konstrukcyjne i wielofunkcyjne. Spośród innych dostępnych materiałów inżynierskich wyróżnia je to, że łączą w sobie cechy metali i ceramiki. Znajdują się wśród nich m.in. materiały spiekane na osnowie faz utworzonych przez atomy żelaza i aluminium, w szczególności fazy FeAl, zaliczane do nowej generacji materiałów wielofunkcyjnych.

    Jak podkreśla prof. Zbigniew Bojar, kierujący pracami zespołu, otrzymywane spieki na osnowie FeAl wyróżnia względnie mały koszt wytworzenia i duża dostępność materiałów wsadowych. Ponadto charakteryzuje je wysoka odporność na korozję chemiczną i elektrochemiczną, stosunkowo mała gęstość oraz wysoka odporność na utlenianie i zużywanie ścierne.

    "Stwarza to możliwość zastosowań w podwyższonej temperaturze, w warunkach narażenia na zużywanie w kontakcie z innymi elementami lub cząstkami stałymi zanieczyszczeń i przy oddziaływaniu środowiska korozyjnego" - dodaje prof. Bojar.

    Jednakże, mimo wielu lat badań nad tymi materiałami, prowadzonych w znanych światowych centrach materiałowych, w tej dziedzinie pozostaje wciąż wiele nierozwiązanych problemów poznawczych i technologicznych.

    "Problemem jest m.in. mała plastyczność i kruche pękanie tych stopów w temperaturze pokojowej, zdecydowanie utrudniające proces przetwarzania plastycznego - kucia, prasowania, walcowania półfabrykatów uzyskanych przez tradycyjne odlewanie. Problemem jest także niewystarczająca wytrzymałość mechaniczna stopów Fe-Al w podwyższonej temperaturze, określana jako mała odporność na pełzanie. Przez to obszar aktualnych zastosowań i liczba komercyjnych aplikacji intermetali z układu Fe-Al są nadal ograniczone" - mówi prof. Bojar.

    Kierowany przez prof. Z. Bojara zespół naukowy, w którego skład wchodzą adiunkci: dr inż. S. Jóźwiak, dr inż. T. Durejko, dr inż. K. Karczewski, dr inż. D. Siemaszko oraz doktoranci mgr inż. E. Pocheć, mgr inż. M. Chojnacki i mgr inż. S. Lipiński, opracował i wdrożył w skali ponadlaboratoryjnej wiele modyfikacji metody spiekania materiałów intermetalicznych z udziałem faz z układu Fe-Al, pozwalających na efektywną kontrolę ich struktury i właściwości na etapie produkcji.

    Jak mówi prof. Bojar, nagrodzone technologie obejmują wytwarzanie intermetalicznych spieków Fe-Al o zadanej gęstości, zadanym składzie fazowym i o kontrolowanych właściwościach, np. o podwyższonej plastyczności. W zmodyfikowanych procesach spiekania, wykorzystuje się w tym celu m.in. cyklicznie zmienne obciążenie podczas spiekania oraz przyrostową technikę sterowanego numerycznie komponowania wsadu - z możliwością zmiany np. wzajemnego udziału żelaza i aluminium, zmiany wielkości cząstek proszków wsadowych, czy możliwością dodatkowego wprowadzania cząstek (a nawet nanocząstek) ceramicznych.

    Tym sposobem, w zmodyfikowanych procesach spiekania wytwarzane są nowoczesne wielofunkcyjne materiały gradientowe (o lokalnie zmieniającej się strukturze i właściwościach), a także materiały o kontrolowanej porowatości. Powstałe w ten sposób intermetaliczne spieki Fe-Al mają szansę być wykorzystane w przemyśle energetycznym, m.in. jako elementy kotłów, palników i instalacji energetycznych, samochodowym, petrochemicznym i spożywczym.

    "Próby komercyjnych zastosowań poprzedzone są trwającymi obecnie testami eksploatacyjnymi, m.in. tulei samosmarujących i porowatych filtrów do pracy na gorąco oraz elementów narażonych na intensywną erozję i zużywanie ścierne w kontakcie udarowym, a także w kontakcie dynamicznym w instalacjach przygotowania i transportu mieszaniny pyłowo-powietrznej do kotłów energetycznych o przedłużonej żywotności" - mówią członkowie zespołu badawczego.

    Po udanych próbach zastosowania stopu na osnowie fazy Fe3Al do wykonania łopatek kierujących w proekologicznej konstrukcji niskoemisyjnego palnika stosowanego w kotłach energetycznych, w wybranej elektrociepłowni prowadzone są próby trwałości płytek spieków Fe-Al jako wykładzin młynów do rozdrabniania węgla i wykładzin zasobników pyłu węglowego, a także elementów instalacji przesyłania mieszaniny pyłowo-powietrznej.

    Aplikacje energetyczne to jeden z obszarów perspektywicznych zastosowań, niemniej specyficzne właściwości spieków Fe-Al rokują przydatność tych tworzyw m.in. także w zastosowaniach dla potrzeb przemysłu obronnego, co - obok innych zastosowań - jest przedmiotem prowadzonych w Katedrze projektów badawczych i rozwojowych.

    Źródło:
    PAP - Nauka w Polsce, Elżbieta Szumiec-Zielińska

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Utwardzanie dyspersyjne (umacnianie dyspersyjne) – metoda zwiększania wytrzymałości stopów metali (np. twardości), zwłaszcza w podwyższonych temperaturach, przez wprowadzenie drobnych cząstek fazy nie rozpuszczalnej w osnowie (sieci krystalicznej głównego składnika), np. stabilnych tlenków. Cząstki fazy zdyspergowanej są wprowadzane metodami metalurgii proszków lub przez utlenianie wewnętrzne (np. wytwarzanie SiO2 lub Al2O3 w folii ze stopów miedzi z krzemem lub aluminium). Synteza mechaniczna (MA z ang. mechanical alloying) – metoda otrzymywania stopów z proszków czystych metali w procesie mielenia w wysokoenergetycznych młynkach. Synteza mechaniczna jest powtarzającym się procesem zgrzewania, kruszenia (przełamywania) oraz ponownego zgrzewania. Podczas mielenia mikrostruktura proszków jest rozdrabniana i powstaje duża liczba defektów. Struktura materiału staje się niestabilna i stop może mieć postać roztworu stałego, fazy międzymetalicznej, mieszaniny składników lub materiału amorficznego. Lak – materiał mający właściwość mięknięcia w podwyższonej temperaturze aż do postaci półpłynnej oraz zastygania w temperaturze pokojowej. Po zastygnięciu trwale zachowuje kształt, który miał w trakcie obniżania temperatury i ma dobrą przyczepność do papieru i materiałów tekstylnych (płótna, także nici itp.), przy czym jest stosunkowo kruchy.

    Stop metali (dawniej także: aliaż) – tworzywo o właściwościach metalicznych, w którego strukturze metal jest osnową, a poza nim występuje co najmniej jeden dodatkowy składnik, zwany dodatkiem stopowym. Dodatki są wprowadzane w celu poprawienia wytrzymałościowych właściwości materiału. Zwykle pogarszają plastyczność, przewodnictwo elektryczne, przewodnictwo cieplne. Często zmniejszają również odporność na korozję. Metalurgia proszków – metoda wytwarzania przedmiotów z proszków metali bez topienia ich. Oddzielne cząstki proszków łączą się ze sobą w jednolitą masę podczas wygrzewania silnie sprasowanych kształtek w atmosferze redukującej lub obojętnej. Proces metalurgii proszków jest ekonomiczną metodą wielkoseryjnej produkcji elementów o niewielkich prostych kształtach, w wyniku której uzyskuje się w pełni zwarte sprasowane komponenty. Technologia ta umożliwia uzyskanie jednorodnej mikrostruktury wolnej od niemetalicznych wtrąceń i defektów.

    Właściwości materiałowe – cecha każdego materiału zdefiniowanego jako kompozycja chemiczna w określonych warunkach fizycznych. Zależnie od warunków fizycznych, wartości właściwości materiałowych dla pojedynczego materiału mogą być różne. Nie są to więc właściwości materiału takie, jak np. skład chemiczny. Materiały ognioodporne (ogniotrwałe) – materiały stosowane w urządzeniach przenaczonych do pracy w wysokiej temperaturze albo w obecności ognia. Angielski termin "refractory" odnosi się do żarowytrzymałości, czyli odporności mechanicznej materiału w wysokiej temperaturze, podczas gdy wyróżnia się jeszcze pojęcie żaroodporności, czyli oporności korozyjnej w tych warunkach.

    Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (ang. chemical vapour deposition) jest to jedna z metod obróbki cieplno-chemicznej materiałów. Służy do nanoszenia cienkich powłok na obrabiany materiał w celu zwiększenia/zmiany właściwości fizycznych, chemicznych lub mechanicznych powierzchni obrabianego materiału. Samorozwijająca się synteza wysokotemperaturowa (ang. Self- propagating High-temperature Synthesis) jest to metoda otrzymywania proszków ceramicznych, związków międzymetalicznych i innych, często niemożliwych do uzyskania konkurencyjnymi metodami, jak również jest to technika podobna do spiekania, zwłaszcza przy prowadzeniu tej reakcji w podwyższonych ciśnieniach. Metoda polega na podgrzaniu proszków substratów do odpowiedniej temperatury, po przekroczeniu której reakcja biegnie samoczynnie. Rozpoczęcie reakcji może być realizowane poprzez: miejscową inicjację reakcji z późniejszą jej propagacją poprzez złoże oraz metodą wybuchu termicznego poprzez ogrzewanie objętościowe złoża substratów.

    Badania materiałowe – interdyscyplinarny obszar badań naukowo-technicznych, w którym jest prowadzona analiza wpływu chemicznej i fizycznej struktury materiałów na ich właściwości elektryczne, mechaniczne, optyczne, powierzchniowe, chemiczne, magnetyczne i termiczne (także rozmaite kombinacje tych właściwości) oraz są opracowywane sposoby wytwarzania materiałów o pożądanych właściwościach.

    Badania materiałowe – interdyscyplinarny obszar badań naukowo-technicznych, w którym jest prowadzona analiza wpływu chemicznej i fizycznej struktury materiałów na ich właściwości elektryczne, mechaniczne, optyczne, powierzchniowe, chemiczne, magnetyczne i termiczne (także rozmaite kombinacje tych właściwości) oraz są opracowywane sposoby wytwarzania materiałów o pożądanych właściwościach.

    Stopy magnezu – stopy, w których głównym składnikiem jest magnez. Stopy te cechuje niewielki ciężar właściwy (ok. 30% mniejszy w stosunku do stopów aluminium) i duża wytrzymałość mechaniczna. Te właściwości przesądzają o zastosowaniu tych materiałów w różnych dziedzinach przemysłu, takich jak: samochodowy (kierownice, obudowy manualnych skrzyń biegów,bloków silników), lotniczy, produkcja wózków inwalidzkich, sprzętu sportowego, jak i obudów, np. aparatów fotograficznych. Do wad należą konieczność stosowania inhibitorów podczas produkcji wyrobów (CO2, SF6, SO2 i inne) ze względu na gwałtowne reagowanie płynnego Mg z tlenem oraz niewielka odporność na korozję. Wodorowe zużycie metalu – zjawisko łuszczenia się współpracujących powierzchni metali na skutek wnikania w wysokiej temperaturze wodoru w strukturę tych powierzchni. Prowadzi to do nieodwracalnych zmian, które zdecydowanie przyśpieszają proces niszczenia metali. Efektem jest zniszczenie warstwy wierzchniej oraz tzw. zmęczenie materiału.

    Ołowiowanie – nakładanie na powierzchnię przedmiotów metalowych, głównie stalistopów żelaza, powłoki ołowiu w celu ochrony przed korozją. Powłoki ołowiu stosowane są jako ochrona części aparatury i urządzeń na działanie par i roztworów związków siarki, fluoru i innych chemikaliów (np. elementów akumulatorów) oraz jako podwarstwa pod powłokę cynową. Wysoka toksyczność ołowiu i jego związków powoduje, że ołowiowanie ma przydatność wyłącznie do celów technicznych, jako ochrona elementów stalowych narażonych na agresywne środowiska m.in. w przemyśle chemicznym, eliminując je z wielu zastosowań np. ochrony przedmiotów codziennego użytku. Magnes neodymowy – magnes trwały (magnes stały) wytwarzany ze związku neodymu, żelaza i boru Nd2Fe14B. Produkowany jest metodami metalurgii proszków czyli prasowania sproszkowanych komponentów w polu magnetycznym w podwyższonej temperaturze. Magnesy te wytwarzają bardzo silne pole magnetyczne, co przekłada się na dużą siłę przyciągania. Ich temperatura Curie wynosi od 310 do 330 °C.

    Dodano: 06.02.2010. 18:32  


    Najnowsze