Dr. Stane Jurca dipl. inž. Metalurški inštitut, Ljubljana DK: 669.09 ASM/SLA: W6-72 Problematika kompaktnih sintranih gradiv Članek obravnava kompaktna sintrana gradiva, to je neporozne materiale izdelane iz prahov. Podane so bistvene prednosti sintranih materialov v primerjavi z ulitimi; omenjena so področja, kjer bi lahko izkoristili prednosti, ki jih nudi tehnologija sintranja ter današnje stanje na tem področju. Med sintranimi izdelki so danes gotovo najbolj poznani porozni ležaji (slika 1), katerih gobasto zgradbo napolnimo z oljem, ki se pri ogrevanju močneje širi kot kovina, izstopa zato na površino in tvori poznano drsno blazino. V tem primeru so pore, ki tvorijo več kot petino volumna, sestavni del tega strojnega elementa; pri vseh drugih pri- Slika 1 Struktura sintranega ležaja X 100 merih sintranih izdelkov — izjema so samo še filtri — pa je poroznost nujna posledica izdelave teh predmetov iz prahov. Volumen, ki ga zavzemajo pore v sintranih strojnih in konstrukcijskih elementih je sicer manjši kot pri ležajih, vendar predstavlja v vsakem primeru kompromis med zahtevanimi lastnostmi izdelka in ekonomiko izdelave. Vemo, da je tak kompromis mogoč in da uporabljamo v praksi vrsto sintranih strojnih in konstrukcijskih elementov, ki povsem ustrezajo zahtevam uporabe. Slika 2 dokazuje, da je tehnologija sintranih strojnih in konstrukcijskih elementov dozorela do takšne mere, da je kos oblikovno zahtevnim izdelkom pa tudi materialom s trdnostmi do 150 kp/mm2. Razvoj, ki je šel od poroznih ležajev k vedno višjim gostotam, pa se seveda ni ustavil pri 94 do 95 % teoretske gostote, kar dosežemo danes v metalurgiji prahu pri železu jeklu s standardno tehniko dela, pač pa so se vprašali, kaj bi dosegli z materiali iz prahov, pri katerih bi zmanjšali preostalo poroznost na minimum. Slika 3 Primer »zasintranega« materiala X 200 Prvo vprašanje je, kako sploh doseči minimalno poroznost, to je tako gostoto materiala, ki je blizu teoretske vrednosti. V izjemnih primerih, na primer pri karbidnih trdinah, je to sicer mogoče s sintranjem s tekočo fazo; pri pretežni večini materialov pa tudi dvig temperature in podaljšanje časov sintranja ne poveča bistveno gostote, ker se material »zasintra«, to je, pore dobimo v kristalnih zrnih, kar onemogoča nadaljnje zgoščevanje materiala. Take pore pa lahko odstranimo praviloma edino s predelavo materiala v vročem stanju. Material na sliki 3 je zlitina thermallov, ki vsebuje 67,5 ut. % Ni, 30.0 % Cu in 2.5 % Fe. Sintrali smo ga 24 ur pri 1250° C v vodiku; slika 4 pa kaže, da je sestava materiala popolnoma homogena, kar dokazuje, da je mogoče izdelati homogene mate- Slika 2 Primer oblikovno zahtevnega sintranega izdelka (po prospektu firme Mannesmann). 20 u i-—i lil fr t Material: Thermalloy žarjen pr/ 850 °C v vakuumu sintran 24h pri 1250 °C v vodiku Slika 4 Linijska analiza materiala thermaIIoy < 1 • f : riale iz mešanic raznih prahov v tehnično sprejemljivih časih in temperaturah, čeprav gre za razmeroma majhne deleže posameznih sestavin, v našem primeru železa. V odvisnosti od materiala in tempe- rature so časi, ki so potrebni za homogenizacijo, dolgi od 2 do 48 ur.1 Poznano je, da so prahovi praviloma dražji od kompaktnih kovin; za ilustracijo naj navedemo, da Tabela 1: Magnetske lastnosti materiala orthonol Šarža št. B„' Br/Bm2 H,3 AH' 1 15490 0.990 0.204 0.017 1. Gauss 2 15500 0.984 0.200 0.017 2. pravokotnost 3 15500 0.986 0.202 0.018 3. Oersted 4 15410 0.988 0.208 0.018 4. Oersted 5 15500 0.981 0.195 0.019 6 15600 0.983 0.204 0.019 7 15550 0.986 0.190 0.018 8 15420 0.985 0.198 0.018 9 15680 0.989 0.204 0.020 10 15500 0.990 0.206 0.020 15515 0.986 0.201 0.018 cr 79,74 0.003 0.005 0.001 variabilnost 0.5 % 0.3 % 2.5 % 5.6 % je cena niklja danes približno 80 din/kg, cena nikljevega prahu pa ~ 120 din/kg. Zato je razumljivo, če vprašamo, kaj pridobimo, če izdelamo material iz prahov namesto s poznanimi talilnimi postopki? Na sliki 5 je podana permeabilnost materiala permalloy v odvisnosti od sestave. Podatki nazorno kažejo, da so optimalne vrednosti odvisne od nihanja sestave v mejah ± 0.2 %, torej v mejah, ki so mnogo ožje od običajnih toleranc talilnega postopka, pri katerem na primer niha vsebina niklja v mejah ± 0.75 % in molibdena ± 0.5 %. Na drugi strani pa je poznano, da lahko zatehtamo prahove s točnostjo, ki gotovo omogoča izdelavo zlitin v mejah ± 0.1 %.2 Posledica te točnosti in pa čistih surovin ni le zelo točna, ampak tudi izredno enakomerna sestava od šarže do šarže, kar kažejo podatki s tabele 1 za material orthonol (48.0 % Ni, 0.25 Mn, ostalo Fe)1. Gre za 10 zaporednih šarž po 450 kg v traku debeline 0.05 mm. Bistvena prednost materialov iz prahov je torej kvaliteta; vprašanje pa je, če nudi kvalitetnejši in kvalitetno enakomernejši material tolikšne prednosti, da le-te odtehtajo razliko v ceni surovin in morda tudi izdelavnega postopka. Pri oceni odgovora ne smemo in, seveda, ne moremo mimo dejstva, da je izkoristek ulitega materiala razmeroma nizek; navadno se giblje okrog 60 % pri manjših blokih, ostanek pa izgubimo zaradi lun-kerjev, obdelave površin in odreza. Blok iz prahu pa nima takih napak, oziroma niso toliko pomembne, zato je izkoristek prahu, na primer za trak debeline 0.1 mm, 85 % ter celo 95 % pri palicah in žici1, kar pa v znatni meri kompenzira višjo ceno prahu. 70 60 50. H 30 20 Hlajenje 5°C/min 78 79 80 Ut. % Ni 81 82 Slika 5 Vpliv vsebine niklja in molibdena na permeabilnost zlitine permalloy debeline 0.35 nun1 Pomembno je, da je zrno materiala, ki ga izdelamo iz prahu, lahko znatno manjše od zrn ulitega ter kovanega materiala, — slika 6 — kar pomeni med drugim homogenost po celem volumnu ter lažjo predelavo, kar je posebno pomembno, na primer, pri takih materialih kot so super zlitine in brzorezna jekla. Razlika v kvaliteti blokov je zato ogromna in ker vemo, da že izdelujejo bloke težke 500 do 600 kg, to pomeni, da je na voljo oprema, ki omogoča redno proizvodnjo. Normalna teža ingota brzoreznega jekla v železarni Ravne je, na primer, 250 kg. 30 20 i 10 102 1Da 70° Velikost zrn - število zrn no mrr? Slika 6 Velikost zrn za razne načine izdelave materiala.3 Ingote iz prahu za zlitine s posebnimi lastnostmi stiskajo izostatično, jih sintrajo, nato pa jih predelajo vroče in hladno po standardnih metodah. Za brzorezna jekla pa sta švedski firmi ASEA in ŠTORA razvili poseben postopek, po katerem pripravijo prah ustrezne sestave, tega stisnejo hladno izostatično; vročo predelavo pa nadomestijo z vročim izostatičnim stiskanjem.4 Bistvena prednost brzoreznega jekla izdelanega iz prahu je, da so karbidi razdeljeni izredno enakomerno — slika 7 — material reagira zato hitreje na toplotno obdelavo in je manj občutljiv za razpoke pri brušenju, kar se končno manifestira v daljši življenjski dobi iz njega izdelanih orodij — slika 8. Slika 7 Porazdelitev karbidov v brzoreznem jeklu levo: standardna izdelava desno: material iz prahu Tabela 2: Gostote vroče izostatsko stisnjenih materialov5 temperatura: "C Tlak: bar gostota: % železov prah MH 100.24 1000 1000 99.9 Brzorezno jeklo BRM-2 1100 1000 99.9 Molibden 1350 1000 99.8 Zircaloy 2 900 1400 99 WC-Co/90-10 1350 1000 99.9 A1A 1350 1500 99.9 MgO 1300 1000 98 ZrB2 1350 1000 99.9 Postopek ASEA — ŠTORA seveda ni primeren le za brzorezna jekla, pač pa tudi za druge materiale, kar kaže tabela 2. Na kraju ne smemo pozabiti, da poleg vročega valjanja oziroma iztiskovanja ter vročega izostat-skega stiskanja obstoja tudi vroče kovanje, ki daje enake rezultate; to je gost material izdelan iz prahu. Narava izdelkov za katere potrebujemo posebne materiale in deloma tudi narava izdelkov iz brzoreznih jekel je taka, da moramo izdelati pol- izdelano iz prahu □ konvencionalni izdelek Slika 8 Življenjska doba svedrov iz brzoreznega jekla4: levo: material s trdoto 300 HB desno: material s trdoto 235 HB proizvode, to je trakove, palice profile in žico. Za take oblike pa sta vroče valjanje in iztiskovanje najbolj primerna predelavna načina. Vroče kovanje sintra pa je povezano z razvojem kovanja v zaprtih utopih in vročega preciznega kovanja, ki dajeta končne izdelke, to je strojne in konstrukcijske elemente za dinamične obremenitve, če tu uporabimo sintrane surovce namesto standardnih oblikovancev, močno zmanjšamo težave z orodji, ki so sicer izpostavljena zelo močnim obremenitvam, kar ravno predstavlja izhodišče za razvoj vročega kovanja sintra. Po tem kratkem pregledu prednosti kompaktnih sintranih gradiv je seveda smotrno, če vprašamo v kolikšni meri že uporabljamo te postopke, kar je nedvomno neko merilo uspešnosti: Posebne materiale proizvaja firma Magnetics Inc. (Metals Division), Box 391 Butler, Pa. 16001, USA, ki je po podatkih iz leta 1968 kos šaržam od 15 do 900 kg. Brzorezna jekla iz prahu redno proizvaja ameriška firma Crucible Specialty Metals, Division of Colt Industries Syracuse, N. Y., USA katere produkcija je ~ 550 ton letno;7 švedska firma ŠTORA pa je investirala 11 milj. švedskih kron v obrat s kapaciteto 2300 ton, ki bi po poznanih podatkih tudi že moral obratovati;8 vroče kovanje sintra pa ima vpeljano že več proizvajalcev, med katerimi prednjačijo Japonci. Kaj lahko pokažemo mi na tem področju. Žal ne posebno veliko; nekaj laboratorijskih poskusov s količinami do ~ 700 g, saj večjim izdelkom nismo kos z opremo, ki jo imamo na Metalurškem inštitutu v laboratoriju za metalurgijo prahu. Odveč je najbrže poudariti, da je s tolikšnimi količinami nemogoče vsako resnejše študiranje predelavnosti in s tem lastnosti materialov, saj so laboratorijske razmere predelave bistveno drugačne od tega, kar bi dalo delo na proizvodnih agregatih. Pred kratkim smo s sodelovanjem tovarne Impol izstisnili prvi večji, to je 6 kg težak blok iz srebra z 10 % niklja, kar kaže, da morda le ne bi bilo pretežko osvojiti proizvodnjo tega materiala; vsaj v količinah, ki jo potrebuje naše tržišče. S Kovaško industrijo iz Zreč ter koprskim Tomosom pa smo se lotili vročega kovanja sintra. Ostaja torej celo področje specialnih zlitin in področje brzoreznega jekla. Prepričan sem, da bi bili obe področji za nas zanimivi, če bi izkoristili časovno prednost, ki jo verjetno še imamo in če bi se upali spopasti za evropski trg. Seveda pa ne moremo mimo ugotovitve, da so obrati metalurgije prahu velike kapitalne investicije. Tako na primer stane postroj za hladno in vroče izostatično stiskanje firme ASEA pilotne velikosti, to je za blok teže 10 do 15 kg, 250 milijonov starih din; ekstru-zijska stiskalnica, ki bi bila primerna za nadaljno predelavo teh blokov pa kakih 300 milijonov starih din. To dvoje daje sliko o količini potrebnega kapitala, ki posebno v današnjih razmerah ni majhna. Ni pa rečeno, da tega ne bi zmogli v skupni akciji zainteresiranih podjetij in tega ne bi smeli pozabiti dokler imamo v rokah vsaj tisto, kar se ne da kupiti, to je čas. Literatura: 1. J. D. Bitzer: »Recent Developments in the Production of Strip, Rod, and Wiire by Powder Metallurgy«, Progress in Powder Metallurgy (New York), MPIF, Vol. 25. 1969 2. P/M Newsletter, Vol. 6, No. 4, 1972. Hoganas Corporation, Riverton, N. J., USA 3. C. P. Mueller — L. M. Bianchi: »Consolidation — Powder Metallurgy Versus Melitdng and Casting of High Temperature Alloys, Tool Steels and Specialty Alloys«, predavanje na 7. Plansee Seminarju Reutte, 21—25. VI. 1971 4. ASEA Pamphlet AQ 10-103 E 5. ASEA Broschure AQ 41-101 T 6. Maignetics Bulletiln MF-108 10 M(5)68 7. J. J. Obrzut: »New Tool Steels by Particle Metallurgy« Iron Age Internaitional (Haag), June, p. 34/35, 1971 8. »Improved High-speed Steels«, Metals and Meterials (London), Vol. 4, No. 10, p. 392-394, 1970 ZUSAMMENFASSUNG Unter den gesirrterten Fertigteilen siind diie porosen Lager, bei denen die Poren Bestandteile dieses Maschinen-elementes bilden, besonders bekannt. Bei allen anderen gesinterten Fertigteilen, ausnahme bilden nur noch Filter, sind die Poren eine dringende Folge der Fertigung ddeser Teile aus Pulver und stellen einen Kompromiss zvviischen der verlangten Bigenschaften des Erzeugnisses und der Vftntschaftlichkeit des Erzeugungsverfahrens dar. Mit der iiblichen Verfahrenstechnik konnen etwa 95 % der teore-tilschen Dichte erreileht vverden; die iibrige Porositat kann auf ein Minimum — ausser in Ausnahmefallen — nur mit einer Warmformgebung vermindert werden. Metallpulver ist in der Regel teuerer als der kompakte Metali, deshalb ist es verstandlich, dass das Verfahren nur dort angevvendet wird, wo die technischen Vorteile einen hoheren Preis ab-wagen. Die vvesentliche Vorteile der kompakten Werkstoffe aus Pulver sind vor allem eine genaue Zusammensetzung in Grenzen ± 0.1 gew. %, dass heisst in Grenzen vvelehe viel enger sind als sie miit den Schmelzverfahren erreicht werden konnen, womit ein hoheres Qualitatsniveau erreicht vvird, eilne aussergevvohnlich gleichmassijge Qualitait und ein feines Korn. Diese Vorteile konnen bei den Werks,toffen mit besonderen Eigenschaften bei Super-Legierungen und bedim Schnelldrehstahl ausgeniiitzt werden. Die Einrichtung die uns heute zur Verfiigung steht ermoglicht die Fertigung von 500—600 kg Blocken also eine regelmassige Produktion. Die Literaturangaben zeigen, das edinige Werke edine solehe Produktion schon eingefiihrt haben, und dass es zvveckmassig ware zu iiberlegen, wenn solehes Verfahren niitzlich auch bei uns eingefuhrt werden komite. SUMMARY Among sinitered materials the most known are iporous beariings where pores are a part of this machine part. In al the other sintered products but the filters, the pores are inavoidable consequence of manufacturing these pro-duots from powders and they represent a compromise batween the demanded properties of the product and the profitable manufacturing. By standard techniques the achieved densiities reach the value of 95 %; the residual porosity can be reduced to a minimum with some exceptidis by hot workdng of material. iPowders are regularly more exipensive than compact metals therefore ithe application of povvder metallurgy is profitable only in the fields where technical advantages compensate the higher priče. Essential advantages of the compact materials from powders are maiinly dn compositio-nal accuracy in the range ± 0.1 wt.'%, d. e. in the range which dis much closer than that achieved by melting processes, and which enables higher qualities, in the extraorddnary uniformity of quality, and in fine grain. These advantages can be usefully applied for materials with speoial properties, for su(per-alloys, and for high-speed steels. Equipment available today enables manufacturing ingots from 500 to 600 kg, i. e. this equipment enables regular production. Data show that some manufacturers already initroduced sueh production and therefore it is necessary to decide whether this process can be usefully applied also with us. SAKAIO^EHHE CpeAH npoAyKTOB cneKaHHa 6oAbine Bcero h3bccthm nopHCTtie noAiUHnHHKH, np« n,UiTpoB, npn Bcex ocTaABHLix H3AeAHii cneKaHHa nopbi npeACTaBAHioT co6ofi He-pa3AyMHoe nocAeACTBHe H3roTOBAeHHH 3thx npoAyKTOB H3 nopouiKa h paBHOBecHe MejKAy TpeSoBaHHaMH KOTopue nocTaBAeHM Ha Ka-HeCTBeHLie CBOilCIBa H3AeAHH H SKOHOVHKH hx npOH3BOACTBa. nPH npHMCHCHHH yHH(j)HUHpOBaHHtIH TeXHHKH paSoTbl mokho Tenepb aocrhrhytb TceneHB ao 95 h reoperHHecKoif rycTOTti. Oct3tok ko-pHCTOCTH M03CH0 yMeHbIIIHTI. — C HCKAM^eHHeM HeKOTOpbIX IIAHMe-poB — npH noMomH ropaieii o6pa6oTKH. no npaBHAy nopouiKH Aopoace ot nAOTHHx MeiaAAOB h, no3TOMy IIOHHTHO, Ke b cpaBHeHHH c npeAeAaMH nponeccoB nAa-BAeHHH. KOMnaKTHbie H3ACAHH H3 nopOHIKOB OBAaAaiOT AyMIHHMH kanectbamh, npe3bbihahhoh pabhomephoctbio kanectbehhbix cbohctb h meak03ephhct0ctbk>. 3th npeiiMymecTBa mo>kho noae3ho hcn0ab30- batb aah np0h3b0actba npoayktob cneuhaabhbix cbohctb, npH cynep-cnAaBax h npn np0H3B0ACTBe 6bicTpope>KymeH CTaAH. 06opyAOBaHHe, noTopoe Mbi Tenepb HMeeM b pacnopn>KeHHH, AaeT B03M02KH0CTb BbipaČOTKH CAHTKOB THLHeCTH 500—600 kt., t. e. n03B0AaeT BecTH peryAHpHoe np0H3B0ACTB0. H3BecTHbie AaHHbie yica- 3bIBaiOT, HTO HeCKOAbKO TipeAnpHflTHft y5Ke BBeAO 3TO npOH3BOACTBO. ri03T0My HeAeC006pa3H0 paCCMOTpeTb B03M0>KH0CTb npHMeHHH 3TOra cnocoSa np0H3B0ACTBa TatoKe b Harneft CTpaHe.