background image

 

MATERIAŁY POMOCNICZE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH  

Materiałoznawstwo III 

 

Materiały spiekane 

(opracowanie: 

dr inż. Hanna Smoleńska, dr hab. inż. Krystyna Imielińska) 

 

M

ateriały spiekane (spieki) stanowią grupę tworzyw metalicznych i niemetalicznych powstających w 

procesie  prasowania  i  spiekania 

proszków  metali,  niemetali,  materiałów  ceramicznych  lub  ich 

mieszanin.  Spiek

anie  stosuje  się  często  z  powodów:  technologicznych  (np.  bardzo  wysoka, 

kosztowna  do  uzyskania    temperatura  topnienia  w  przypadku  odlewania  lub 

niemożność  nadania 

kształtu przez formowanie z powodu kruchości). Poza tym spiekanie umożliwia uzyskanie  materiałów 
o  ściśle  określonym  składzie  chemicznym,  strukturze,  porowatości  i  wysokim  stopniu  czystości. 
Elementy z materiałów spiekanych wykonuje się na gotowo, bez dalszej obróbki kształtującej. 
Otrzymywanie  metali  z  ich  proszków,  bez  przechodzenia  materiału  przez  stan  ciekły  nazywa  się  
m

etalurgią  proszków.  Oddzielne  ziarna  proszków  łączą  się  ze  sobą  w  jednolitą  masę  podczas 

wygrzewania  silnie  spr

asowanych  kształtek  w  atmosferze  redukującej  lub  obojętnej.  Uzyskuje  się  w 

ten sposób materiał o własnościach izotropowych a wyroby mogą mieć skomplikowane kształty oraz  
wysoką  jakość powierzchni.  
Przykłady wyrobów otrzymywanych metodą spiekania można sklasyfikować w następujące grupy: 

 

metalowe  produkty  spiekane  w  produkcji  masowej 

–  np.  stalowe  koła  zębate,  elementy 

zamków do drzwi   

 

s

pieki o celowo zaprojektowanej dużej porowatości otwartej (filtry) 

 

spieki  ceramiczne i metalowe na 

narzędzia skrawające 

 

spieki 

kompozytowe 

metalowo-ceramiczne 

na 

metalowe 

elementy 

konstrukcyjne  

o podwyższonej wytrzymałości mechanicznej (np.  łopatki turbin ze stopu tytanu +SiC) 

 

wyroby cierne 

(tarcze sprzęgła) 

 

wyroby z wolframu i innych metali trudnotopliwych, (np spawalnicze elektrody wolframowe) 

 

proszkowe wyroby magnetyczne 

(rdzenie elektromagnesów) 

 

Metalowe produkty spiekane w produkcji masowej 

Metodą  spiekania  można  wykonywać  drobne  elementy  stalowe  maszyn  i  urządzeń  dla  przemysłu 
motoryzacyjnego np.  koła zębate, rolki, podkładki, nakrętki, części amortyzatorów, gniazda zaworów. 
Wykorzystanie  techniki  spiekania 

pozwala  zmniejszyć  pracochłonność,  obciążenie  obrabiarek  i  ilość 

powstających odpadów.  
Bardzo  szeroko  rozpowszechnione  są  spieki  proszków  miedzi  i  jej  stopów.  Najczęściej  miedź 
spiekana  jest  z  proszkami 

cyny  (brązy  cynowe)  i  cynku  (mosiądze)  oraz  ołowiu  (brązy  ołowiowe). 

Przykładem  zastosowań  tych  materiałów  są  łożyska  ślizgowe,  w  których  na  stalową  panewkę 
nasypuje  się  proszek  brązu  ołowiowego,  (10-40%)  prasuje  i  spieka.  Tak  otrzymane  łożyska    są 
przeznaczone do pracy przy wysokich obciążeniach. 
  

Spieki o celowo zaprojektowanej dużej porowatości otwartej  

Łożyska  samosmarowne  porowate

 

– 

charakteryzują  się  bardzo  wysoką  porowatością.  Pory 

wewnątrz materiału tworzą kapilarne kanaliki, których objętość stanowi do  50 % całkowitej objętości 
łożyska. Najczęściej używanym surowcem do produkcji tych elementów to stopy żelaza lub  miedzi z 
dodatkiem  proszków  niemetalu  lub  grafitu.    Łożyska  te  są  produkowane  w  postaci  cienkościennych 
tulei  lub  tulei  z  kołnierzami.  Podczas  pracy  eksploatacyjnej  łożyska  te  są  nasycane  olejami,  które 
smarują pracujący wał.

 

Samosmarown

e  jest  też    łożysko  teflonowe,  w  którym  na  porowatą  warstwę  brązu  ołowiowego 

nakłada się teflon (PTFE) w postaci pasty, która wypełnia pory i zapewnia  cieniutką warstwę ślizgową 
samosmarowną, podczas gdy podłoże z brązu nadaje dobre własności wytrzymałościowe. 
Łożyska  samosmarowne  znalazły  zastosowanie  w  urządzeniach,  w  których  nie  ma  możliwości 
smarowania,  np  ze 

względu  na  konieczność  bezwzględnej  czystości  (drukarki,  kserografy),  lub 

warunki  pracy  (np.  niska  temperatura)  uniemożliwiają  stosowanie  smaru  (np.  w  urządzeniach 
chłodniczych).  Rysunek  1  przedstawia  warunki  pracy  (dopuszczalne  obciążenie  łożyska    w  funkcji 
jego prędkości ślizgania) łożysk bezsmarnych na tle innych łożysk.  
 
 
 

background image

 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
Rys.  1    Warunki  (obciążenie,  prędkość  ślizgania)  w  których  stosuje  się  łożyska  bezsmarne  na  tle 
innych typów łożysk. 

 

Filtry  porowate 

wykonuje  się  ze  spieków  proszków  różnych  metali  i  stopów  np.  brązów  cynowych, 

stali chromowych i austenitycznych lub mosiądzów niklowych o porowatości do 50 %. Umożliwiają one 
oczyszczanie  z  cząstek  o  średnicy  10

-3

  -  10

-4

  mm. 

Filtry  te  posiadają  dobre  własności 

wytrzymałościowe tj. wytrzymałość na rozciąganie i zginanie, obciążenia udarowe i działanie wysokiej 
temperatury,  odporność  chemiczną.  Mogą  być  oczyszczane  przez  przedmuchanie  lub  metodami 
chemicznymi.  

 

Materiały na narzędzia skrawające z dużymi prędkościami  

Najważniejszą współcześnie technologią kształtowania elementów maszyn i urządzeń  jest w dalszym 
ciągu  obróbka  skrawaniem.  Nawet  w  przypadku  plastycznego  kształtowania  części  na  zimno  lub  na 
gorąco  względnie  przez  odlewanie  wiele końcowych  zabiegów  technologicznych  wykonuje się  przez 
skrawanie. Zasadnicze znaczenie w zakresie wzrostu wydajności i jakości obróbki skrawaniem mają 
nowoczesne, wysokowydajne narzędzia skrawające, umożliwiające skrawanie z dużymi prędkościami 
przy  zastosowaniu  obrabiarek  sterowanych  numerycznie.  Spośród  materiałów  na  narzędzia 
skrawające  największe znaczenie mają stale szybkotnące, węgliki spiekane i ceramika narzędziowa, 
w mniejszym zakresie materiały super twarde: azotek boru i polikrystaliczny diament syntetyczny.  
Jednak  największe  wyzwanie  stanowią  dziś  super  twarde  cienkie  pokrycia  przeciwzużyciowe 
nakładane na tradycyjnych podłożach (metodą CVD PVD). Eksploatacja narzędzi z takimi pokryciami 
wykazała  kilkukrotny  wzrost  trwałości  w  porównaniu  z  narzędziami  konwencjonalnymi  (węglikami 
spiekanymi). 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 1 Kształty narzędziowych płytek ceramicznych, b/ trzonek  z przykręconą supertwardą płytką 

narzędziowąc/ przekrój warstwy powierzchniowej płytki narzedzIwej pokrywanej supertwardymi 

warstwami Ti(C,N) oraz  Al

2

O

3

 , d/ budowa warstwy polikrystalicznego diamentu . 

 

 

 

 

 

a/ 
b/ 

c/ 
d/ 

background image

Wymagania stawiane materiałom 

Skrawanie  z  dużymi  prędkościami  wymaga  zastosowania  wkładek  narzędziowych  z  materiałów  o 
bardzo  dużej  twardości,  gwarantującej  małe  zużycie  ścierne  narzędzia.    Jednocześnie  zwiększenie  
posuwu  i  głębokości  skrawania  wymaga  dużej  wytrzymałości  na  zginanie  i  zachowywania  tej 
własności w wysokich temperaturach.  
 

 
 

 
 
 
 
Rys. 2 Typy wkładek narzędziowych do  
określonyc operacji toczenia wałka  

 
 
 
 
 
 
 

Charakterystyka materiałów  

Węgliki spiekane stanowią grupę narzędziowych materiałów spiekanych, w których strukturze od 70 
do 90% objętości zajmują węgliki metali, a resztę stop wiążący. Dla przykładu skład węglika S10S jest 
następujący:  56%  WC,  35%  TiC+TaC+NbC,  9%  osnowy    Co.  Własności  węglików  spiekanych  w 
dużym stopniu zależą od składu chemicznego, wielkości ziarna i udziałów objętościowych składników. 
Najwa

żniejsze  cechy  węglików  spiekanych  to:  duża  twardość  i  odporność  na  ścieranie  oraz  duża 

w

ytrzymałość  na  ściskanie  jak  też  zachowywanie  własności  wytrzymałościowych  w  wysokiej  

temperaturze (

do której nagrzewa się ostrze narzędzia podczas skrawania z dużą prędkością).  

Cermetale

są to kompozyty na bazie węglika tytanu (z innymi węglikami i azotkami w zależności od 

odmiany  materi

ału) z metalem wiążącym: Ni, Co (lub oba składniki łącznie) jako osnową. Cermetale 

podobnie  jak  spiekane  węgliki  wolframowe  są  wytwarzane  metodą  metalurgii  proszków:  formowanie 
przez  prasowanie,  spiekanie  w  ok.  1500

o

C  w  próżni.  Przykładowy  skład  cermetalu    to:  (34,9TiC-

15TiN-19,8WC-7Mo

2

C-9,9(Ta,Nb)C,4,8Ni-8,5Co-0,8Ti

2

AlC. 

Nowe  złożone  cermetale  charakteryzują  się    małą  gęstością,  dużą  stabilnością  krawędzi 
skrawających,  małą  skłonnością  do  sczepiania  z  wiórem,  dużą  odpornością  chemiczną,  dobrą 
jakością powierzchni obrobionych części. Przewyższają pod wieloma względami węgliki spiekane. Dla 
przykładu na drodze 3,2 m wysokość starcia powierzchni przyłożenia VB freza z węglika spiekanego  
jest dwukrotnie większa niż freza z cermetalu.   
Ceramika  narzędziowa.  Do  ceramiki  narzędziowej  należą  następujące  grupy  materiałów:  ceramika 
tlenkowa oparta na tlenku aluminium (tzw. ceramika biała), ceramika mieszana (tlenkowo węglikowa), 
ceramika  umocniona  wiskerami,  ceramika  azotkowa  (szara),SALON  (

połączenie  ceramiki  azotowej  i 

tlenkowej). 
 

Ceramika  narzędziowa  jest  wykonywana  metodą  metalurgii  proszków,  jednak  w  odróżnieniu  od 

węglików spiekanych i cermetali nie zawiera metalu wiążącego. Zalety tych materiałów to:  
mała  gęstość,  wysoka  wytrzymałość  w  wysokich  temperaturach  duża  odporność  na  ścieranie,  co 
umożliwia  obróbkę  z  prędkościami  znacznie  większymi  niż  w  przypadku  materiałów 
konwencjonalnych.  Wa

dą  jest  duża  kruchość  z  powodu  której  zaraz  po  przekroczeniu  granicy 

sprężystości  następuje  pękanie.  Dodatek  3-5%  ZrO

2

  w  przypadku  ceramiki  t

lenkowej    zwiększa 

odporność na pękanie tych materiałów o 40%. Innym sposobem zwiększania odporności ne pękane 
jest dodatek 

ok. 15% wiskerów SiC. 

Ceramika  azotkowa  zawiera  w  96%  azotek  krzemu  Si

3

N

4

  z 

dodatkami  ułatwiającymi  spiekanie.  W 

po

równaniu  z  ceramiką  tlenkową  charakteryzuje  się  dobrą  odpornością  na  pękanie  i  małą 

wrażliwością  na  szoki  termiczne,  jednak  gorszą  odpornością  na  utlenianie  i  gorszą  skrawalnością 
(sprzyja tworzeniu wstążkowego wióra) dlatego często stosuje się powłoki  z Al

2

O

3

 

na podłożu z Si

3

N

4. 

Najlepsze własności funkcjonalne ma ceramika SiAlON - połączenie ceramiki azotowej i tlenkowej (do 
sieci azotka krzemu wprowadzono tlenek aluminium). 
Diament  polikrystaliczny.  Diament  jest  najtwa

rdszym  znanym  materiałem  dzięki  swoistej  budowie 

krystalicznej  i  silnym  międzyatomowym  wiązaniom  kowalencyjnym.  Jak  na  materiał  niemetaliczny 
diament  ma  też  nadzwyczaj  dużą  przewodność  cieplną.  Od  połowy  lat  50  opracowano  techniki 

 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

T

wa

rd

osc

 H

V

stal 
szybkotnaca

wegliki 
spiekane

cermetale

ceramika 
tlenkowa 

diamenty PSK

 

Rys. 3. Twardość materiałów na narzędzia skrawające 

background image

przemysłowego  otrzymywania  syntetycznych  diamentów.  Dziś  metody  są  tak  udoskonalone,  że 
większa część diamentów przemysłowych jest syntetyczna. Ostatnio diament wytwarza się w postaci 
cienkich  warstw  metodą    osadzania  z  par  CVD.  Maksymalna  grubość  warstwy  wynosi  ok.  1  mm. 
Diament  w  warstwie  ma  budowę  polikrystaliczną  (rys.  4)  składają  się  z  małych  i  dużych  ziarn  
i amorficznego węgla. 
Własności  mechaniczne  i  fizyczne  warstw  diamentowych  są  zbliżone  do  własności  diamentu  litego. 
Zastosowania warstw diamentowych obejmują: powierzchnie wierteł, ciągadeł, noży i innych narzędzi, 
precyzyjnych  mikrometrów,  niektórych  soczewek  (są  bardziej  wytrzymałe  przy  zachowaniu 
przezroczystości. 
 
Tabela 1. Wybrane własności materiałów supertwardych 

Materiał 

Twardość

   

HV30  

ρ[Mg/m

3

]  Prędkość 

skrawania 

[m/min] 

Materiały obrabiane 

Diament  syntetyczny 
polikrystaliczny 

7000 (Knoops) 

3,2 

 

Stopy  Al,  Siluminy  o  wysokiej  zwartości  krzemu, 
stopy metali nieżelaznych, niemetale 

Ceramika  azotkowo- 
tlenkowa SiAlON 

 

3,25 

Do 2135 

Żeliwo szare, ciągliwe 

Ceramika tlenkowa 
96,5Al

2

O

3

- 3,5 ZrO

2

 

2200 

4,25 

Do 1220 

Stale i spieki metali 

Ceramika azotkowa 
96 Si

3

N

4

 4% dodatków 

ułatwiających 
spiekanie 

pokryta 

Al

2

O

2100 

3,16 

915 

Stale  zahartowane  powyżej  40HRC,  żeliwa  szare 
perlityczne  

Węgliki 

spiekane 

pokryte 

TiC+ 

Al

2

O

3

+TiN 

 

 

750 

Stale, stale nierdzewne 

Cermetale  

1550 

400 

Operacje wykończeniowe, Stale, stale nierdzewne 

Węgliki 

spiekane 

pokryte TiC+TiN 

 

 

300 

 

Wegliki  spiekane  WC 
konwencjonalne 

1500 

11 

220 

Stale stopy Ti, stale nierdzewne 

Stal szybkotnąca  

880 

7,8  

90 

Stale 

 
Dla  porównania,  popularnymi  materiałami  na  narzędzia  skrawające  są  wysokostopowe  stale 
szybkotnące  o  przykładowym  składzie:  1,6C-18W-9Mo-5V-10Co.  Stal  ta  w  stanie  odlanym  ma 
strukturę  bardzo  twardego  ledeburytu  wymaga  więc  specjalnej  obróbki  plastycznej  –  kucia  (w  celu 
rozbicia  struktury  pierwotnej)  i  cieplnej  hartowania  i  odpuszczania  wysokiego  w  celu  uzyskania 
jednorodnego składu i mikrostruktury martenzytu z wydzieleniami twardych i trudno rozpuszczalnych 
węglików wolframu (i innych) gwarantujących zachowanie dużej twardości i wytrzymałości narzędzia w 
wysokiej  temperaturze. 

Twardość  stali  szybkotnącej,  rzędu  65HRC  (880HV)  jest  porównywalna  z  

twardością węglików spiekanych (rys. 3 ), jednak charakteryzuje ją większy spadek wytrzymałości w 
wysokich  temperaturach.  Spiekane  stale  sz

ybkotnące  wykazują  następujące  zalety  w  porównaniu  z 

konwencjonalnymi: 
 

 

Umożliwiają  dowolny  dobór  składu  tych  stali  przez  mieszanie  w  odpowiednich  proporcjach 
proszków  węglików:  WC,  VC,  TiC,  Mo2C,  NbC  oraz  osnowy  przez  co  uzyskuje  się  lepsze 
własności użytkowe (np. odporność na zużycie)  

 

posiadają lepszą mikrostrukturę (brak segregacji węglików, brak pasmowości), 

 

nadają się do obróbki plastycznej (nawet przy zawartości węglików do 40% objętości) 

 

nadają się dobrze do obróbki skrawaniem,  

 

zachowują dużą stabilność wymiarową po hartowaniu i odpuszczaniu

.