Stane Jurca dipl. inž. Metalurški institut Ljubljana
DK: 621.762 ASM/SLA H 10—54
Nekaj o metalurgiji, prahu in o njenem prihodnjem razvoju
V članku so navedeni osnovni podatki o sedanjem stanju metalurgije prahu ter o gradivih P/M* na osnovi železa. Na kratko so omenjene možnosti ■ uporabe; bistvo članka pa je v opisu prihodnjega razvoja tehnologije prahu, ki odpira tudi za nas izredno zanimiva delovna področja.
* Oznaka P/M pomeni izdelek ali gradivo iz prahu.
Metalurgija prahu je razen vlivanja najstarejša metalurška veščina, katero pa so drugi postopki potisnili v ozadje tako, da se je pričel njen moderni razvoj šele nekako v začetku našega stoletja. Morda bi lahko vzeli za mejnik Lowendahlovo zamisel oziroma predlog iz leta 1908, da bi izdelovali porozne ležaje, vendar bi bil ta datum gotovo po-
slika 1
Poraba železovega in bakrovega prahu v USA od 1945 do 1970. leta. Po podatkih MPIF
polnoma arbitraren. Nesporno pa je doživela metalurgija prahu svoj prvi industrijski vzpon med drugo svetovno vojno, ko so Nemci zaradi pomanjkanja bakra izdelovali vodilne obroče topovskih granat iz sintranega železa, prepojenega s parafi-nom, in pa, da je po vojni prevzela primat v tej panogi Amerika, kjer je dozorela metalurgija prahu v novo tehnično in ekonomsko zelo pomembno tehnologijo.
Slika 3
Nekaj strojnih in konstrukcijskih delov P/M
plamensko rezanje
elektronika in magneti 4'/, ostalo 4,5 V.
Slika 2
Poraba železovega prahu v posameznih delovnih področjih. Po podatkih MPIF
kmetijski in vrtni stroji
kovinski izdelki, orodja
računski stroji
Ta razvoj najbolje ponazorujejo podatki njihovega združenja MPIF — Metal Powder Industries Federation — o porabi železovega in bakrovega prahu, katerega navajamo na sliki 1.
ostalo 3*/.
Slika 4
Poraba strojnih in konstrukcijskih delov P/M v posameznih industrijskih vejah. Po Ajmerican Machinist, October 24, 1966
V letu 1966 so porabili Amerikanci kakih 100 tisoč ton železovega prahu, kar ustreza nekako 1 °/6 njihove železarske proizvodnje. Slika 2, ki se opira na nekoliko starejše podatke2 pa pove, da je šlo skoraj 60 % tega prahu v različne strojne in konstrukcijske dele, medtem ko so preostalo količino porabili predvsem za izdelavo elektrod in za plamensko rezanje.
Pri teh strojnih in konstrukcijskih delih P/M, katere prikazuje slika 3, gre večinoma za drobne izdelke, katerih teže navadno ne presegajo nekaj sto gramov. Poglavitna prednost pred klasičnim t izdelki je njihova nizka cena, saj poročajo, da so izdelki iz prahu navadno za 30 do 50 % cenejši in da celo prihranki 90 % niso ravno redki. Pretežno jih porabi avtomobilska industrija, saj vsebuje na primer vsak Chryslerjev avtomobil do 100 izdelkov P/M, vendar — kot kaže slika 4 — predstavljajo tudi drugi potrošniki pomembno tržišče3.
Na tako konkurenčnem in zahtevnem tržišču kot je v ZDA, ni mogoče improvizirati. Tehnologija prahu je lahko prodrla ne le zaradi znane ekonomske prednosti, v primerjavi s strojno izdelavo, ampak tudi zaradi zaupanja v kvaliteto izdelkov in materialov P/M. Konstrukterjem je danes na voljo že kakih 30 kvalitet železnih oziroma jeklenih sin-tranih gradiv, okoli 20 vrst nerjavnega jekla in nad 30 barvnih kovin oziroma zlitin.
Prav zaradi tako široke izbire gradiv nastajajo nove možnosti za uporabo sintranih izdelkov; zlasti avtomobilska industrija teži za tem, da bi uvedla sintrana gradiva na račun sive in temprane
. Slika 5
Vrhunski izdelki P/M za avtomobilsko industrijo (material Fe-Cu-C, tolerance do ± 0,01 mm). Po Materials Engi-neering, July 1967
litine. Iz razumljivih razlogov je ta razvoj počasen, toda tu ne gre samo za previdno osvajanje novega, ampak tudi za premostitev nekih tehnoloških težav. Takšni izdelki, na primer deli avtomobilskih menjalnikov, so večji in tehtajo tudi po nekaj kilogramov, to pa nujno zahteva večje in efektivnejše proizvodne agregate. Če namreč računamo, da potrebujemo za stiskanje železovega prahu tlak kakih 5 mp/cm2, lahko na 300 mp stiskalnici, ki pa so
danes še zelo redke, stisnemo predmet s presekom do približno 50 cm2. Tak predmet pa lahko telita zaradi zahtevanih razmerij med premerom in višino stiskanca kvečjemu do približno 2 kg. Podob' ne razmere so tudi pri pečeh za sintranje, ki so grajene za majhne kose in dajejo največ nekaj sto kilogramov izdelkov na uro. V teh okvirih je možno izdelati prave mojstrovine — slika 54 •—■ samo zaradi povečanega obsega proizvodnje pa ne moremo pričakovati toliko večje porabe prahu, kakršno nakazuje diagram na sliki 1. Optimizem, kot ga izraža projicirana krivulja, se lahko opira le na nova spoznanja in na nove tehnološke postopke.
Posebno pomembna pridobitev zadnjih let so gotovo novi kvalitetni prahovi, ki omogočajo cenejše in kvalitetnejše delo. Tako ponujajo danes z bakrom infiltrirani železov prah, za katerega trdijo, da je delo z njim znatno cenejše kot delo z dose-daj navadno mešanico obeh prahov, oziroma kot infiltriranje. Na trgu so tudi prahovi z zboljšano stisljivostjo, zaradi katere dosežejo višje trdnosti in tesnejše tolerance, kar olajšuje toplotno obdelavo izdelkov P/M.
Za nadaljni razvoj tehnologije prahu pa je bistvena ter izredno pomembna uvedba liidrostatič-nega oziroma izostatičnega stiskanja prahov.
Slika 6
Postroj za hidrostatično stiskanje prahov. Po The Iron Age, August 23, 1961.
Tabela 1*
— Mehanske lastnosti železnih oziroma jeklenih gradiv P/M
Material	PMPA oznaka	Gostota g/cm3	Stanje	5„ kp/cm2	6, kp/cm2	5 %	Trdota
99 Fe min	F-0000-N	5,7—6,1	sintrano	13	10	5	20 HRh
99 Fe min	F-0000-S	7,0	sintrano	25	18	11	10HRb
99 Fe min	F-0000-T	7,3	sintrano	28	18	12	20 HRB
99 Fe min	F-0000-U	7,5	sintrano	29	19	30	22 HRb
99 Fe-lC	F-0010-P	6,1—6,5	sintrano	24	19	1,0	50 HRb
99 Fe-lC	F-0010-P	6,1—6,5	top. obdel.	33		0,5	90 HRb
99 Fe-lC	F-0010-S	7,0	sintrano	42		3,0	
99 Fe-lC	F-0010-S	7,0	top. obdel.	45		0,5	100 HRb
99 Fe-lC	F-0010-T	7,3	sintrano	48		3,0	
99 Fe-lC	F-0010-T	7,3	top. obdel.	89		2,5	105 HRb
Fe-1,5 Ni-0,5 Mo-0,6 C	FN-0206-S	6,8	sintrano	49	41	2,5	80 HRb
Fe-1,5 Ni-0,5 Mo-0,6 C	FN-0206-S	6,8	top. obdel.	63	56	0,5	25 HRC
Fe-1,5 Ni-0,5 Mo-0,6 C	FN-0206-T	7,2	sintrano	63	50	2,5	95 HRb
Fe-1,5 Ni-0,5 Mo-0,6 C	FN-0206-T	7,2	top. obdel.	98	84	0,5	35 HRC
90 Fe-10 Cu	FC-1000-N	5,8—6,2	sintrano	21	18	0,5	
90 Fe-10 Cu	FC-1000-N	5,8—6,2	top. obdel.	38		1,0	30 HRC
92 Fe-7 Cu-1 C	FC-0710-N	5,8—6,2	sintrano	35	28	0,5	70 HRB
92 Fe-7 Cu-1 C	FC-0710-N	5,8—6,2	top. obdel.	60		1,5	30 HRC
92 Fe-7 Cu-1 C	FC-0710-S	6,8	sintrano	58	44	1,0	73 HRb
92 Fe-7 Cu-1 C	FC-0710-S	6,8	top. obdel.	77		1,5	40 HRC
Fe-7 Ni-2 Cu-1 C	FN-0710-S	6,8	sintrano	49	35	2,5	70 HRB
Fe-7 Ni-2 Cu-1 C	FN-0710-S	6,8	top. obdel.	95		1,5	42 HRC
Fe-7 Ni-2 Cu-1 C	FN-0710-T	7,2	sintrano	64	51	3,5	85 HRB
Fe-7 Ni-2 Cu-1 C	FN-0710-T	7,2	top. obdel.	110		2,0	44 HRC
80 Fe — 20 Cu	FX-2000-T	7,1 min	sintrano	49	49	1,0	75 HRB
80 Fe — 20 Cu	FX-2000-T	7,1 min	top. obdel.	90		0,5	35 HRC
79 Fe-20 Cu-1 C	FX-2010-T	7,1 min	sintrano	77	63	1,0	95 HRB
79 Fe-20 Cu-1 C	FX-2010-T	7,1 min	topi. obdel.	106		1,0	40 HRC
* po Materials Engineering, July 1967
Metoda se opira na znani Pascalov zakon. Kot sredstvo za prenos tlaka uporabljajo vodo (hidro-statično stiskanje), če stiskajo pri sobni temperaturi, če pa stiskajo pri visokih temperaturah, mora biti sredstvo kak nereaktiven plin, na primer helij (izostatično stiskanje). Agregati, ki so danes že na voljo imajo delovne komore premera na primer do 0 600 X 1500 mm ter delajo pri nazivnem tlaku do 4000 kp/cm2.5 Zmogljivosti takih agregatov so seveda precejšnje. Poročajo, da izdelujejo z izosta-tičnim stiskanjem do po nekaj ton težke ingote duktilnega volframa6, kar bi ustrezalo pri jeklih kakim 800 kg.
Tehnika hidrostatičnega stiskanja odpira metalurgiji prahu popolnoma novo razvojno smer, to je, izdelavo surovcev za nadaljnjo predelavo po znanih postopkih, na primer z valjanjem, kovanjem, ekstrudiranjem. Na prvi pogled je tak razvoj presenetljiv, saj je znano, da je cena prahu navadno višja od cene ulitega materiala. Zato naj bi bila uporaba prahu ekonomsko neutemeljena. V pretežnem to drži, vendar se v nekaterih prime-
rih uporaba prahu vendarle splača. Tako poročajo, da je Cadillac uspešno končal poskusno serijo iz prahu kovanih ojnic za svoje motorje. Bistvo postopka je, da stisnejo iz prahu surovce primernih oblik, nato jih pa kujejo v zaprtih utopih, zato odpade znaten del sicer potrebne dodatne obdelave. Vsevkupni stroški so zato manjši kot pri navadnem kovanju; odkovki P/M pa ustrezajo tudi v tehničnem pogledu, saj dobijo 100 % gost material s trdnostjo do približno 210kp/mm2 ter z raztezki do 12 %8. Ta postopek bi dobil posebno vrednost, če bi se v tehničnem merilu posrečila tudi proizvodnja močno legiranih prahov, v kateri veliko obeta zlasti redukcija mešanice oksidov s kalcijevim hidridom9.
Pri orodnih jeklih gre za drug problem. Znano je, da pride pri njihovi izdelavi do močnega izce-janja, izceje pa povzročajo v materialu volumske spremembe, zaradi katerih je potrebno dodatno brušenje orodij. Brušenje povzroča seveda napetosti in površinske razpoke, kar oboje zmanjšuje življenjsko dobo orodja. Tem težavam se lahko
izognemo tako, da uprašimo talino ustrezne sestave. Pri tem se posamezni delci tako hitro ohladijo, da ne morejo izcejati, in če pripravimo iz tega prahu surovce za valjanje, dobimo homogen material s fino porazdeljenimi karbidi. To je sprožilo obširno razvojno delo na orodnih jeklih P/M, o katerem so prišle v javnost prve novice v začetku lanskega leta10. Vse kaže, da je bilo delo uspešno, saj trdijo11, da je življenjska doba orodnega jekla P/MM2S (ki ustreza približno našemu BRM 2 ali Č.7680) kar dva in polkrat daljša od jekla, ki so ga izdelali na navaden način. Poseben poudarek daje tej novici podatek, da ima ameriška firma »Cru-cible« v načrtu začetek proizvodnje orodnega jekla P/M do leta 1970 in da imajo v načrtu po-
stroja predvidene peči do približno 1500 kg12 zmogljivosti.
Moderni razvoj metalurgije železovega prahu oziroma sintranega jekla ima torej dva cilja: na eni strani tehnično in ekonomsko spopolnitev sedanje proizvodnje strojnih in konstrukcijskih delov ter premik k večjim in težjim izdelkom; na drugi strani pa poskušajo, kot dokazujeta navedena primera, izkoristiti prah in s tem zvezane ekonomske ali kvalitetne prednosti za izdelavo surovcev za znane predelovalne postopke, če se to res posreči, je popolnoma gotovo, da se bo delež prahu v nekaj letih precej vzdignil nad sedanji odstotek in da je popolnoma upravičen optimizem, ki ga izraža projicirana krivulja na sliki 1.
Literatura
1.	K. H. Roll: »State of the Industry Report — 1967«. V Progress in Powder Metallurgy — 1967, New York, MPIF, 1967.
2.	K. H. Roll: »Metal Powder Statistical Report: 1962—1963« v Progress in Powder Metallurgy — 1963, New York, MPIF, 1963.
3.	G. Degroat: »What's New in Powder Metallurgy«, American Machinist, October 24, 1966.
4.	J. A. Vaccari: »P/M Parts« Materials and Processes Ma-nual No. 242, Materials Engineering, July 1967.
5.	Prospekt firme Uhde.
6.	Steel, November 4, 1963.
The Iron Age, November 7, 1963.
7.	The Iron Age, August 24, 1961.
8.	L. C. Kobrin: »Iron Powder Poised for New Boom« The Iron Age July 13, 1967.
9.	B. A. Borok: Researches in Povvder Metallurgv, New York, Consultants Bureau, 1966.
10.	The Iron Age, January 5, 1967.
11.	The Iron Age, December 7, 1967.
12.	Powder Metallurgy Information Bulletin, Januarv 1968, No. 244, MPIF, New York.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieses Bericht enthalt einen kurzen Uberblick uber die Entvvicklung nach dem heutigen Zustand der Pulvermetal-lurgie, und die Gebrauchseigenschaften der gesinterten Eisenvverkstoffe.
Der Hauptteil dieses Berichtes behandelt die zukiinftige Entvvicklung dieser Technologie, welche zum grossten Teil durch die Einfuhrung des Hydrostatischen pressens, und durch die neuen Erkenntnisse uber die geschmiedeten stark legierten P M Materialien beschleunigt wurde.
Die neuere Entvvicklung der Pulvermetallurgie kann man in zwei folgende Richtungen unterteilen. Einerseits
handelt es sich um die Verbreitung des heutigen Asorti-mans mit grosseren, besonders aber mit vvarmebehandelten Sinterprodukten, anderseits handelt es sich um aus Pulver gefertigte Rohlinge, vvelche nach dem iiblich bekannten Verfahren wie zum Beispiel VValzen und Schmieden u. s. w. bearbeitet vverden. Die bisherigen Versuche sind vielvers-prechend. Wenn die sich auch vervvircklichen, besteht kein Zvveifel, dass die Pulverproduktion stark ansteigen wird und auch in die heute noch nicht interessante Gebiete eingreifen wird.
SUMMARY
In the article a short description of the development and present status of powder metallurgy is given together vvith the properties of the iron-base P/M materials. The essential part of the article deals vvith the future development of the powder technology especially regarding the possibilities offered by hydrostatic pressing technics and the recently disclosed forging P/M preforms and making P/M tool steel. Based on these data the povvder metallurgy
is the next years going to expend its present market vvith bigger and more complex heat-treated P/M parts and to enter a nevv field of making blanks for further processing by forging, rolling and extruding. If this proves to be successful, there is no doubt, that the production of iron-base povvder vvill encrease much over the present 1 % of the USA steel production.
3AKAIOTEHHE
Ct£itlh coAepjKHT KopoTKoe omicaHHe pa3BHTHH h Tenepeumee cocTOHHiie nopoiiiKOBOH MeTaAAyprHii a TaKace ynoTpe6AeHHe n cboh-CTBa cneqeHHbix — H3AeAHH. CymecTBeHHa5i nacTb CTaTbH pacMaTpn-baet nocAeAViomee pa3Bimie stoh TexnoAorHH, KOTOpyic> chabho ycKopnAa b ocoSeiiHocTH bbeaenjie rnApocTaraHecKora npeccoBaHHfl a TaioKe hobeih HccAeAOBaHHH o KOBaHbix n Bbic0K0-Aernp0BaHiibix H3ACAHH P/M. Bce yKa3biBaeT, hto nopcmiKOBasi MeTaAAyprna 6yAeT b nocAeAyiomHx roAax pa3BHBaTbca b AByx HanpaBAemiHx: c oahoh
CTopoHbi k pacninpeHiiio accopTHMeHTa 6oAee TH^ceAbix TepMH^ecKH o6pa6oTaHbix cne*ieHHbix h3acahh; c ApyroH CTopoHbi-Ha BbiAeAKy Heo6pa6oTaHHbix h3acahh kotopbie haaae^KaT npoKaTKe, kobkh h bm-AaBAHBaHmo. rioKa noAyHeiibie pe3yAbTCTbi BecbMa noAOJKHTeAbHbi. Ecah hccaeaobahhh sakoimfltcfl ycneniHo, mo>kho o^chaatb 3HaMii-TeAbHoe yBeAHMeHHe npoii3BOACTBa nopouiKa TaK^ce aah npHMeHeHHH b o6AacT^x b K0T0pbix nopoiiiKOBaH MeTaAAypniH eme He 3aHHTe-pecoBaHa.