Fémkompozitok
Szerzı: Dr. Gácsi Zoltán Dr. Benke Márton Lektor: Dr. Hargitai Hajnalka
Az ábrákat készítette: Bendász Ernı és Bendász Péter
)HMH]HWHN
1. Bevezetés a fémkompozitok világába 2. A fémkompozitok gyártási technológiái 3. A fémkompozitok vizsgálatai
1. Bevezetés a fémkompozitok világába
• Mit nevezünk fémkompozitnak?
• Mire használják ezeket az anyagokat?
• Milyen elĘnyei vannak az alkalmazásának?
• Hogyan állítják elĘ?
• Melyek a fejlesztési irányok?
• Milyenek a jövĘ lehetĘségei?
Alumínium alapanyagú, kerámia részecskékkel er Ę sített kompozit
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Fémkompozitok
4/107A kompozit olyan összetett anyag, amelyet a hagyományos (monolit) anyagok (fém, kerámia, polimer) mesterséges egyesítésével állítunk elĘ.
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
A kompozitok alkotó részei
5/107Kompozit anyagokban az az összetevĘ az alapanyag, amelyik a kompozit alapvetĘ tulajdonságait adja. Folytonos anyag, terhelésközvetítĘ komponens,
körbeveszi az erĘsítĘ ( teherviselĘ) összetevĘt.
Alapanyag (mátrix) + Második fázis = Kompozit Melyik alkotó a mátrix és melyik az erĘsítĘ fázis?
A mátrix és az erĘsítĘ fázis aránya a kétkomponensĦ kompozit anyagokon belül
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Az alapanyag és a második
fázis
6/107Szemcsés kompozit pl. a beton, a fogászati tömĘanyagok, vagy a SiC erĘsítésĦ alumínium.
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
A kompozitok morfológiai csoportosítása
Szemcse er Ę sítés Ħ kompozitok
7/107• Izotróp anyagok
• Általában nyomással szemben ellenállóak
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
A kompozitok morfológiai csoportosítása
Száler Ę sítés Ħ kompozitok - izotróp kompozitok
8/107
• Szálak iránya rendezetlen
• Izotróp
• Húzó igénybevétellel szembeni ellenálló- képesség
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
A kompozitok morfológiai csoportosítása
Száler Ę sítés Ħ kompozitok - anizotróp kompozitok
9/107
• Irányított szálak
• Anizotróp
• Szálirányú húzó igénybevétellel szembeni ellenálló- képesség
Több irányban erĘsített szálerĘsítésĦ kompozit pl. a vasbeton, illetve a komolyabb sílecek, snowboardok is tartalmaznak karbon és üvegszál szövetet
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
A kompozitok morfológiai csoportosítása
Száler Ę sítés Ħ kompozitok több irányú er Ę sítéssel
10/107
• Irányított szálak
• Anizotróp
• Húzó igénybevétellel szembeni ellenálló- képesség
A réteges, vagy más néven szendvicsszerkezeteket nem csak a kompozitoknál alkalmazzák, hanem egy anyagból álló szerkezeteknél (pl.
farost lemez)
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
A kompozitok morfológiai csoportosítása
Lemezes kompozitok
11/107• Anizotróp
• Hajlítással szemben ellenálló
A környezettel szembeni védelem esetében fontos, hogy a réteg összefüggĘ legyen. Ha a réteg integritása megszĦnik, a kompozit tulajdonságai drasztikusan leromlanak.
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
A kompozitok morfológiai csoportosítása
Felületi bevonatok
12/107• Környezettel
szembeni védelem
• Mechanikai erĘsítés
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Fémek tulajdonságai
13/107• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Fémek tulajdonságainak
módosítása
14/107• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Fémkompozitok második
fázisainak tulajdonságai
15/107Az összetevĘk tulajdonságainak különleges kombinációját valósítják meg.
Nagy szilárdság – kis sĦrĦség – jó hĘvezetĘ képesség.
Jó hĘvezetĘ képesség – kis hĘtágulási együttható – nagy szilárdság.
Al-20% SiC kompozit és szürke öntöttvas összehasonlítása (fék rotor)
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Fémkompozitok alkalmazásának
el Ę nyei
16/107A hĘtágulási együttható változása a SiC mennyiségének függvényében
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Fémkompozitok
alkalmazásának el Ę nyei
17/107• A kompozitok tulajdonságai elĘre tervezhetĘk.
• A kompozitok tulajdonságai egy adott összetételi tartományon, illetve távolságon belül
folyamatosan változtathatók.
• Olyan különleges tulajdonság együttessel rendelkezĘ
fémkompozit is létrehozható, amelyet más módon nem tudunk elĘállítani.
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Fémkompozitok alkalmazásának
területei
18/107• GépjármĦ-motor alkatrészek, ill.
könnyĦszerkezeti elemek fémhabból
• ElĘnyük, hogy rendkívül könnyĦek, ugyanakkor erĘs
mechanikai behatáskor rengeteg energiát képesek disszipálni, vagyis ütközéseknél a mozgási energia nagy részét képesek elemészteni
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Fémkompozitok alkalmazásának területei
Energia-elnyel Ę elemek
19/107Mikroprocesszor burkolat Al/SiC szemcsés kompozitból Device: Si, GeAs; BGA: kontaktus, fém; AlSiC Lid: fedél
Heat sink: hütĘborda, PCB: nyomtatott áramkör
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Fémkompozitok alkalmazásának területei
Mikroprocesszor burkolat Al/SiC szemcsés kompozitból
20/107
• Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Fémkompozitok alkalmazásának területei
Mikroprocesszor burkolat Al/SiC szemcsés kompozitból
21/107
2. A fémkompozitok gyártási technológiái.
•
Öntészeti módszerek.
•
Fémolvadék infiltráció.
•
Porkohászat.
Öntészeti módszer-keverés
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Öntészeti módszerek
Öntészeti módszer - keverés
23/107• Alapanyag
megolvasztása
• ErĘsítĘ részecskék bekeverése
• Öntés
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Öntészeti módszerek
Az er Ę sít Ę részecskék
eloszlatásának technológiája
24/107
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Öntészeti módszerek
Az er Ę sít Ę részecskék
eloszlatása centrifugál öntéssel
25/107
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Öntészeti módszerek
A keverés paraméterei
26/107• Az olvasztótégelyben megolvasztott alumíniumba (hĘmérséklete: 800- 900 °C fokozatosan adagolják a SiC-ot (hĘmérséklete: 600- 700 °C, mennyisége: 50-60 g/min).
• A keveredést a rozsdamentes acélból készült, molibdén bevonatú keverĘlapát biztosítja (800-900 1/min).
• Az Al oxidációjának elkerülése érdekében a mĦveletet folyamatos Ar védĘgáz befúvatása kíséri.
Nyomásos öntészeti módszer
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Öntészeti módszerek
Nyomásos öntészeti módszer - alakadás
27/107
• MMC (Metal Matrix Composite) olvadék öntése a formaüregbe
• Nyomásos öntés
• Termék eltávolítása
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Öntészeti módszerek
A nyomásos öntés technológiája
28/107• A forma h Ę mérséklete: 200-300 °C
• Öntési h Ę mérséklet: 700-800 °C
• Sajtolási nyomás: 90-100 MPa
• A sajtolás ideje: 60 sec
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Öntészeti módszerek
Nyomásos öntés paraméterei
29/107Fémolvadék infiltráció
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Fémolvadék infiltráció
Fémolvadék infiltráció
30/107•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Fémolvadék infiltráció
Az infiltrációs kompozitgyártás technológiája
31/107
20-30 térfogat% SiC tartalmú Al 10Si-Mg mátrixú kompozitok infiltrációs el Ę állítása
• Alumínium felolvasztása 750 °C-fokon.
• Az olvadék magnézium tartalma reakcióba lép az atmoszféra nitrogénjével és magnézium nitrideket képez (Mg
3N
2).
• A magnézium nitrid jelenléte el Ę segíti az alumínium beszivárgását az el Ę formába nyomás és vákuum alkalmazása nélkül.
• Az infiltráció során a magnézium nitrid mennyisége csökken, mert kis mennyiségben alumínium nitriddé alakul.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Fémolvadék infiltráció
Gyártási paraméterek
32/107•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Fémolvadék infiltráció
Folyamatos infiltrációs kompozitgyártás
33/107
• Nagynyomású infiltrációs
kompozitgyártás elĘnye, hogy a mátrix és az erĘsítĘ szál közötti rossz
nedvesítés ellenére megfelelĘ minĘségĦ kompozit készíthetĘ.
• A rossz nedvesítést az olvadt fém
mátrix feletti védĘgáz nagy nyomásával helyettesítik.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Fémolvadék infiltráció
A folyamatos infiltrációs
kompozitgyártás technológiája
34/107
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A porkohászati eljárás lépései
35/107• A gyártás során tiszta vagy ötvözött port, és szintén por formájában jelenlévĘ erĘsítĘfázist kevernek össze.
• A keveréket megfelelĘen kialakított üreges szerszámban a kívánt alakra sajtolják.
• A sajtolás után az aránylag kis szilárdságú félkész terméket ellenĘrzött atmoszférájú kemencében szinterelik, hogy a részecskék között kötĘerĘ alakuljon ki.
• Esetleg másodlagos alakítási és/vagy hĘkezelési mĦveleteket végeznek.
Porkohászat
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A porkohászati kompozitgyártás
36/107Alapanyagok összekeverése
Préselés Színterelés Másodlagos kezelés(ek)
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A porkohászati kompozitgyártás el Ę nyei
37/107
• Kiküszöböli vagy minimalizálja a gépi megmunkálást, csökkenti az anyagveszteséget
• LehetĘséget ad az ötvezetek széles skálájának elĘállítására
• Jó felületi minĘséget biztosít
• Olyan anyagokat hoz létre, amelyek hĘkezelhetĘek a nagyobb szilárdság és kopásállóság elérése érdekében
• A kialakuló porozitás szabályozható
• Lehetséges olyan összetett vagy egyedi alakkal rendelkezĘalkatrészek gyártása, amelyre más fémfeldolgozó eljárásokkal nincs lehetĘség
• Nagy biztonsággal alkalmazható olyan alkatrészek anyagaként, amelyek kritikus mĦködési feltételek mellett üzemelnek
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Porkohászati kompozitok
38/107• Tóriumozott wolfrám: W+néhány százalék ThO
2n Ę a huzal melegszilárdsága, nagyobb az elektronemisszió.
• Elektromos érintkez Ę k anyagai: jó h Ę - és elektromos vezet Ę – képesség, kopással szembeni ellenállóképesség és az
ívképz Ę désre való kis hajlam. Például Ag-C, Cu-W és W-Ag kompozitok.
• Nikkel alapú ötvözetek: oxidok adagolásával érik el a mechanikai
er Ę sítést.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Porkohászati kompozitok
39/107• Diszperziós nukleáris fĦtĘanyagok: ilyen anyagok például az alumínium mátrixba ágyazott hasadóképes urán kompozitok. A mátrix elĘsegíti a mozgathatóságot, javítja a korrózióval szembeni ellenállást, stb.
• Szerszámalapanyag: Viszonylag alacsony a mátrixfém mennyisége, szerepe fĘként a keményfém részecskék összekötésében, illetve a hĘátadás elĘsegítésében van. ElsĘsorban szerszámok alapanyagai (Co+WC).
• Al/SiC kompozit: Nagy szilárdsággal, kis tömeggel rendelkeznek, ellenállóak a korrózióval szemben és magas az elektromos- és a hĘvezetĘképességük.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Az alapanyag por méreteloszlása
40/107
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Az alapanyag por további tulajdonságai
41/107
• A por töltĘsĦrĦsége az egységnyi térfogatú ömlesztett (nem tömörített) fémpor tömege. Tulajdonképpen a porrészecskék elrendezĘdési sĦrĦségét fejezi ki, az anyag sĦrĦsége és a tényleges térkitöltés határozzák meg.
Mértékegysége: g/cm3.
• Kifolyási idĘ (függ a szemcsenagyság-eloszlástól, a szemcsék alakjától, a súrlódási tényezĘtĘl és az adszorbeált nedvességtartalomtól).
Mértékegysége: s.
• Sajtolhatóság (szemcseméret, fajlagos felület, kisebb és nagyobb méretĦ részecskéket egyaránt tartalmazó fémpor rendszerint jól sajtolható)
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Az alapanyag por el Ę készítése
42/107• Ha a fémpor szemnagyság eloszlása sem megfelelĘ, akkor szitálással frakciókra bontják, majd ezeket a különbözĘfrakciójú fémporokat a kívánt arányban ismét elegyítik.
• A porokat a keverés elĘtt gyakran a belsĘfeszültségek, az elnyelt gázok és a felületi oxidréteg eltávolítása céljából redukáló atmoszféra alatt (~400 °C-on) izzítják.
• A fémporokat a sajtolás elĘtt a sajtolást könnyítĘadalékokkal (pl. sztearinsav, glikol, glicerin, cinksztearát, paraffin, benzines kámfor, stb.) keverik.
• A por alapanyag keverését száraz vagy nedves eljárásokkal lehet elvégezni. A keverés idĘtartama az egyes alkotók jellemzĘitĘl függ. Általában tapasztalati úton határozzák meg, néhány perctĘl 24 óráig is tarthat.
• A folyékony közegben végzett keverés jobb eredményt ad, ugyanis a folyadék, pl.
alkohol, desztillált víz, glicerin felületi feszültsége gátolja a szemcsék összeállását (agglomerálódását), csomósodását.
Az adagolandó por (m) tömege:
ρ : a porkeverék s Ħ r Ħ sége tömör állapotban, g/cm
3V: a kész munkadarab térfogata,cm
3S: az el Ę írt porozitás mértéke,
K: a sajtolási és a szinterelési súlyveszteségeket magában foglaló tényez Ę , melynek értéke 1.03-1.06 között változik.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Az adagolandó por
mennyiségének kiszámítása
43/107
( 1 S ) K
V
m = ρ −
A ρ additív szabály szerint határozható meg, két összetev Ę b Ę l álló porkeverék esetén:
ρ
1és ρ
2a porkeveréket alkotó tömör anyagok s Ħ r Ħ sége, g/cm
3m
1és m
2az els Ę és második fázis mennyisége, tömegszázalékban.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A porkeverék s Ħ r Ħ ségének kiszámítása
44/107
2 2 1
1
2 1
m m ρ ρ
ρ ρ ρ
+
= +
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Sajtolási módszerek
45/107• Sajtolás egyoldalú nyomás
alkalmazásával
• Sajtolás kétoldali nyomás
alkalmazásával
• Változó magasságú, bonyolult szerkezetĦ munkadarabok
sajtolása
• Hidrosztatikus
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Sajtolás
46/107Töltés Sajtolás Termék eltávolítása
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A sajtolás technológiája
47/107Sajtolás elĘtt a préselendĘ port
rézfóliákból kivágott kerek lapokkal öt egyenlĘ részre osztották.
Tömörségben mutatkozó különbség oka: a szemcsék és a matrica fala között fellépĘ súrlódási erĘ.
Az egyirányú sajtolással elĘállított henger tömörségének változása a henger hosszmetszete mentén.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A porkeverék tömörsége sajtolás után
48/107
SĦrĦség
Illeszkedései szakasz
Deformációs szakasz
Nyomás
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A sajtolás szakaszai
49/107•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A szemcsék viselkedése sajtolás során
50/107
• A sajtolás kezdetén a porkeverék szemcséi között sok olyan helyzetĦ van, amely kis nyomásértékek mellett, kis súrlódási erĘ legyĘzése árán a
hézagokba tud illeszkedni.
• A növekvĘ nyomás hatására a szemcsék deformálódnak, a hézagok
összeroppanak. A szemcsék között tiszta fémes érintkezés jön létre, mely megfelelĘ fajlagos nyomás esetén atomi kötéssé alakul.
• Nagyon magas sajtolónyomás esetén fokozódik a részecskék alakváltozása és erĘs keményedés lép fel.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A sajtolási nyomás hatása az anyag s Ħ r Ħ ségére
51/107
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A sajtolt próbatestek színterelése
52/107
• Az anyagszerkezet olyan célszerĦ megváltozása, amely révén az anyag jobb mechanikai és fizikai tulajdonságai jönnek létre.
• A különálló porrészecskék keverékébĘl az öntött fémek szerkezetéhez hasonló tömör szemcse- vagy kristály konglomerátum elĘállítása.
• A szinterelés hĘmérsékletére történĘ felfĦtés
• HĘntartás
• LehĦtés
A színterelés célja:
A színterelés lépései:
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A színterelés közben lejátszódó folyamatok
53/107
• Az atomok mozgási energiájának növelése a hĘmérséklet növelésével
• A porrészecskék érintkezési felületének növelése a porkeverék részleges megolvadásával, illetve a szemcsefelületek meglágyításával
• A sajtolás során keletkezĘ maradó mechanikai feszültségek kiegyenlítése
• Szemcsenövekedéses újrakristályosodás
• A szemcsék alakjának, helyének megváltoztatásával a porozitás csökkentése
• A felületi oxidok redukálása
• Az adszorbeált és kötött nedvességtartalom és az adszorbeált gázok eltávolítása
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A színterelés típusai
54/107• Szilárd fázisú szinterelés: a munkadarabban nem képz Ę dik
folyékony fázis, minden alkotó szilárd halmazállapotban marad.
• Folyékony fázisú szinterelés: A munkadarabban a szinterelés
h Ę mérsékletén folyékony fázis keletkezik (pl. eutektikum), amely
csak olyan mérték Ħ lehet, amely mellett a munkadarab sajtolás
által megadott alakja nem változik meg.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A szilárd fázisú színterelés
55/107•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Bevonattal ellátott részecskék színterelése
56/107
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A színterel Ę kemencék kialakítása
57/107
• Az alkalmazott véd Ę gáz-atmoszféra
• A szinterelés h Ę mérséklete, h Ę ntartási id Ę , h Ħ tési viszonyok
• A munkadarab alakja, mérete és anyaga
A szinterel Ę kemencék szerkezeti kialakítása az alkalmazott
technológiától és a gyártási paraméterekt Ę l függ:
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Színterel Ę kemencék
58/107•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Szakaszos üzem Ħ kemencében történ Ę színterelés
59/107
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Folyamatos üzem Ħ kemencében történ Ę színterelés
60/107
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Vákuum kemencében történ Ę színterelés
61/107
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A véd Ę gázokkal szemben támasztott követelmények
62/107
• Adott szinterelési hĘmérsékleten a felületen található oxidokat redukálja
• Ne szennyezze a munkadarabot és ne lépjen vele nemkívánatos reakcióba
• Ne változtassa meg kedvezĘtlenül a munkadarab kémiai összetételét
• A levegĘvel lehetĘleg ne alkosson robbanókeveréket
• Környezetbarát és gazdaságos legyen
A hidrogén alkalmazását számos el Ę nye ellenére költségessége és f Ę ként nagy térfogatú kemencék esetében robbanásveszélyessége korlátozza. A véd Ę gázként alkalmazott hidrogéngázt gondosan tisztítani és szárítani kell. Ebb Ę l a célból el Ę ször 500-550 °C-ra hevített rézforgácson (amely felületén az O
2-t katalitikusan vízg Ę zzé égeti), darabos kálilúgon (amely leköti a CO
2és a vízg Ę z egy részét) és foszforpentoxidon (amely leköti a vízg Ę z utolsó nyomait) vezetik keresztül.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Színterelés hidrogén atmoszférában
63/107
A nagy tisztaságú nitrogén nagyon alkalmasnak bizonyul a porkohászati alumínium alkatrészek szinterelésére, mert megfelel Ę mennyiségben áll rendelkezésre és mérsékeltek a költségei.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Színterelés nitrogén atmoszférában
64/107
Els Ę sorban bronz és sárgaréz ill. alumínium szinterelésére. Nem igényel különleges kezelést, el Ę állítás során nem szennyez Ę dik oxigénnel és
vízg Ę zzel, így nem igényel szárítást és tisztítást sem. A felhasznált
ammónia-gáz minimum 99,99%-os tisztaságú. A folyékony ammóniát egy erre a célra szolgáló berendezésben 954
°C-on katalizátorral (Al
2O
3)
érintkezésbe hozva bontják alkotóira. Az eljárás végén 75% hidrogén gáz és 25% nitrogéngáz fejl Ę dik. A disszociált ammóniában történ Ę
szinterelés hatékonysága hasonló a nitrogén-gázos szintereléshez.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Színterelés disszociált ammónia atmoszférában
65/107
A vákuum alkalmazása azért elĘnyös, mert így a szinterelési hĘmérséklet más atmoszférákhoz (nitrogénhez, disszociált ammóniához) képest körülbelül 10-15 °C- kal kisebb. Így kisebb a lehetĘsége a munkadarabok megolvadásának, ezáltal elkerülhetĘ a torzulás.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Színterelés vákuumban
66/107•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A színterelés eredménye
67/107• A porkohászati úton elĘállított anyagok fizikai és mechanikai tulajdonságainak javulása a szinterelés hatására következik be.
• Szinterelés közben az anyag térfogata csökken, így a sĦrĦség
növekedésével nagymértékben javul a porózus anyag szilárdsága.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A színterelés közben lejátszódó alapfolyamatok
68/107
• A részecskék összekapcsolódása kohéziós kötés révén
• Az eredetileg szabálytalan alakú pórusok gömb alakúvá válása
• A szinterelés közben bekövetkezĘ méretváltozás a zsugorodás (esetleg duzzadás).
A szemcsék atomjai a h Ę mérséklet növekedésének hatására az érintkez Ę felületek felé kezdenek vándorolni, az atomok helyváltoztatása többféle módon történhet:
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Az atomok helyváltoztatása színterelés közben
69/107
• felületi diffúzióval
• térfogati diffúzióval
• párolgás és kondenzáció révén
• viszkózus folyás révén.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Az atomok helyváltoztatása a h Ę mérséklet függvényben
70/107
• A felületi diffúzió kis és közepes hĘmérsékleteken játszik szerepet, a vakanciák közvetítésével megy végbe. Az idĘ elĘrehaladtával szerepe csökken, mert a rácstorzulások, és így a vakanciák száma is csökken.
• Nagy színterelési hĘmérsékleten a térfogati diffúzió hatása érvényesül.
• A hĘmérséklet növelésével a szemcsék mechanikai szilárdsága csökken.
A már képlékeny részecskék felületén fellépĘ mechanikai feszültség elĘsegíti a pórosok kitöltĘdését (viszkózus folyás).
Az atomok mozgékonysága azzal a sebességgel jellemezhetĘ, amellyel egyensúlyi helyzetüket elhagyják (V):
ahol
a: anyagállandó,
Q: az adott egyensúlyi helyzetbĘl az atom kimozdításához szükséges aktiválási energia,
R: gázállandó,
T: abszolút hĘmérséklet.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Az atomok mozgékonysága
71/107¸¹
¨ ·
©
§ −
=
RTQ
ae
V
A szinterelt alumínium próbadarabok méretváltozását (ezáltal s Ħ r Ħ ségét) befolyásolja:
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A darab méretének változása színterelés közben
72/107
• Az anyag sajtolás után kialakuló tömörsége
• A színterelés atmoszférája
• A színterelés hĘmérséklete
• A védĘgáz tisztasága
A sajtolás utáni sĦrĦségnek és az alkalmazott
atmoszférának
hatása a szinterelt mintadarabok
méretére
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
A darab méretének változása színterelés közben
73/107
disszociált ammónia vákuum
nitrogén
A bonyolult alakú, összetett munkadarabok gyártása során szükség lehet a termék további kezelésére.
A mechanikus megmunkálással (köszörülés, marás, forgácsolás, darabolás) a végtermék geometriája alakítható ki.
A szinterelt darab ismételt hĘkezelése különbözĘ célokat szolgálhat:
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
•A fémkompozitok gyártási technológiái.
• A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászat
Másodlagos megmunkálási m Ħ veletek
74/107
• Kalibrálás (méretpontosítás)
• Korrózió elleni védelem
• Olajos telítés (önkenĘ csapágyak esetén)
• Alkatrészek összekapcsolása
3. A fémkompozitok vizsgálatai
(a) (b)
Az alumínium mátrix por méretének hatása az SiC erĘsítĘfázis “csoportosulására”
melegen préselt kompozitok esetén. (a) 10-15 µm Al mátrix, (b) 40-50 µm Al por mátrix
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Az er Ę sít Ę fázis csoportosulása
76/107N A N ) r (
H i
i
=
Ai: az „i” kör területe
Ni: az „i” körbe esĘrészecskék száma
A: a látómezĘterülete
Tipikus sugár menti eloszlás függvény
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Az er Ę sít Ę fázis
csoportosulásának jellemzése
77/107Mikroszerkezet: préselt, 30 percig, 595
°C-on, nitrogén atmoszfárában színterelt, majd szabályozatlan módon h Ħ tött alumínium ötvözet. A szabálytalan alakú szemcsék között látható sötét területek a pórusok.
Al-4.4Cu-0.8Si0.4Mg ötvözet (M= 100x)
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászati úton el Ę állított
kompozit tulajdonságai
78/107A színterelt anyagot gyakran, a vastagság csökkentésének céljából, kovácsolják vagy hengerlik. A alakításnak a szövetszerkezetre gyakorolt hatása: Al-1.0Mg-0.6Si-0.25Cu alumínium ötvözetet préselés után 620 °C-on színterelték, majd különbözĘ mértékben alakították.
(a) színterelt (b) 25% (c ) 50%
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászati úton el Ę állított
kompozit tulajdonságai
79/107Az erĘsítés már 1 térfogat%-nál nagyobb mennyiség, 1µm–nél nagyobb méretĦ erĘsítĘfázis alkalmazása esetén is megnyilvánul a diszlokációk mozgásának akadályozása révén.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Porkohászati úton el Ę állított kompozit mechanikai
tulajdonságai
80/107
• Az alapanyag szemcséi közötti kohéziós kötés erĘssége
• A porozitás nagysága
• Az erĘsítĘfázis mennyisége, mérete, alakja és a részecskék érintkezĘ felületein kialakuló kötések minĘsége
Elektronmikroszkópos felvétel, Al mátrixú kompozit
20 % 250µm SiC tartalmú Optikai mikroszkópos felvétel,
Al mátrixú kompozit 20 % 250µm SiC tartalmú
porkohászati öntött
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
A porkohászati és az öntéssel elĘállítított SiC/Al kompozitok összehasonlítása
Mikroszerkezet
81/107•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
A porkohászati és az öntéssel elĘállítított SiC/Al kompozitok összehasonlítása
Szilárdsági jellemz Ę k
82/107•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
A porkohászati és az öntéssel elĘállítított SiC/Al kompozitok összehasonlítása
Szilárdsági jellemz Ę k
83/107• Ez magyarázható a diszlokációk elrendez Ę désének és s Ħ r Ħ ségének hasonlóságával, de figyelembe kell venni az Al és SiC részecskék között kialakult kötések er Ę sségét is.
• Nincs különbség a szilárdsági értékekben az öntött és porkohászati fémmátrixú kompozitok között, ha a mátrix és az er Ę sítés között kialakuló kötés megegyezik a különböz Ę eljárásokkal el Ę állított kompozitokban.
Ha az erĘsítĘrészecskék mérete, mennyisége és eloszlása ugyanolyan az olvasztott és az öntött kompozitban, akkor nem térnek el jelentĘsen a szilárdsági mérĘszámaik.
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 1.
Al/SiC p el Ę állítására PM technológiával
84/107
• Mátrix: Al-por 99,5%-os tisztaságú, névleges szemcsenagysága: 160 µm.
• Er Ę sít Ę fázis: SiC,
• névleges szemcsenagysága:
• 7 µm (P 800)
• 15 µm (P 500)
• 125 µm (P 220)
• Er Ę sít Ę fázis mennyisége:
5-15 súly%
• Alkalmazott ken Ę anyag (0,15%):
Cink-sztearát
A porkeverék betöltése a szerszámüregbe.
A porkeverék beszórásának megkönnyítése érdekében a sajtolószerszám ürege fölé tölcsért helyezve. A porkeverék töltésekor gondosan kell ügyelni arra, hogy egyenletesen legyen beszórva a szerszámüregbe és felszíne vízszintes és egyenletes
legyen.
A szerszám üreg feltöltése után a felsĘ nyomólap terhelése következik, max. 130 kN nyomásig, ahol néhány másodpercig terhelés alatt tartjuk a próbatestet.
Végül a felsĘ nyomófejjel a matricát együttesen kiemelve a szerszámból, majd kisajtolási helyzetbe fordítva kis nyomóerĘ alkalmazásával a próbadarab eltávolítása következik.
A próbatest eltávolításakor a matricát a piros nyíl jelölte felületre kell helyezni
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 1.
Al/SiC p el Ę állítására PM technológiával
85/107
A sajtolás után színterelés:
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 1.
Al/SiC p el Ę állítására PM technológiával
86/107
• 580 °C-on
• N2 véd Ę gázban, cs Ę kemencében
• Dilatométeres vizsgálatok
• S Ħ r Ħ ségmérés
• Mikroszerkezet (kerámia/fém határfelület) vizsgálata (pásztázó elektron mikroszkóppal)
• Fénymikroszkóppal a porozitás vizsgálata
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 1.
Dilatométeres vizsgálatok
87/107•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 1.
Dilatométeres vizsgálatok
88/1077 µm (P 800) 15 µm (P 500) 125 µm (P 220)
ahol:
ρ
f: a mér Ę folyadék s Ħ r Ħ sége m
1: az üres piknométer tömege
m
2: a piknométer és a meghatározandó anyag együttes tömege m
3: a piknométer, a mér Ę folyadék és a meghatározandó anyag együttes tömege
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 1.
S Ħ r Ħ ségmérés
89/107f 3 1
2 4
1 2
m m
m m
m
m ρ
ρ + − −
= −
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 1.
A porozitás vizsgálata optikai mikroszkóppal
90/107
A hidrogén atmoszférában színterelt próbatest porozitása a vizsgált síkmetszeten
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 1.
A porozitás térkép felvétele
91/107A nitrogén atmoszférában színterelt próbatest porozitása a vizsgált síkmetszeten
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 1.
A porozitás térkép felvétele
92/107•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 2.
Al/SiC p el Ę állítása PM technológiával
93/107
Leica Quantimet 550 Image Workstation
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 2.
Az el Ę állított kompozit vizsgálata
94/107• Dilatométeres vizsgálatok
• SĦrĦségmérés
• Kerámia/fém határfelület vizsgálata pásztázó elektron mikroszkóppal és röntgen- diffrakcióval
• Fénymikroszkóppal a porozitás vizsgálata
• Fénymikroszkóppal a kerámia részecskék eloszlásának jellemzése
Cu Ni
Alumínium alapanyagú - SiC(Cu) részecskékkel erĘsített kompozit
Alumínium alapanyagú - SiC(Ni) részecskékkel erĘsített kompozit
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 2.
Al/SiC p kompozit
szövetszerkezetének jellemzése
95/107
Al/SiC határfelület jellemzése, SEM
640 0C 6 óra
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 2.
A határfelület jellemzése
96/107640 0C-on, 6 óra alatt
Al4Si2C5 vegyület keletkezett
Al/SiC határfelület jellemzése, röntgen- diffrakció
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 2.
A határfelület jellemzése
97/107Metallosztatikus fém infiltráció: olvadt alumíniummal
vegyszeresen (K2ZrF6, ill. K2TiF6) kezelt karbon szál átitatása
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 3.
Al/C f kompozit el Ę állítása
98/107A karbon szálak felületkezelése:
K2ZrF6, ill. K2TiF6 vizes oldata segítségével a karbon pászma átitatása
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 3.
Al/C f kompozit el Ę állítása
99/107
N=5oox N=250x
Tömör kompozitról készült mikroszkópos felvétel
Al-mag Öntött Al - réteg
Felületkezelt karbon szállal elĘállított kompozit
•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 3.
Al/C f kompozit el Ę állítása
100/107•Bevezetés a fémkompozitok világába.
• A fémkompozitok gyártási technológiái.
•A fémkompozitok vizsgálatai.
Gyakorlati feladat 3.
Al/C f kompozit el Ę állítása
101/107Kezeletlen K2ZrF6 – al kezelt
Kezeletlen és kezelt (Al-Al2Cu)/C/(K2ZrF6 )f kompozit SEM felvételei