ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΟΝΙΟΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ Η πρώτη ύλη με τη μορφή σωματιδίων (κόνεως) μορφοποιείται μέσα σε καλούπια, με μηχανισμό που οδηγεί σε δομική διασύνδεση των σωματιδίων με πρόσδοση θερμότητας. Ο μηχανισμός αυτός καλείται πυροσυσσωμάτωση, αποτελεί από τους βασικούς μετασχηματισμούς δομής σε στερεά κατάσταση και επιτρέπει την παραγωγή μεταλλικών ή κεραμικών αντικειμένων. Οι κύριες παράμετροι που επηρεάζουν την ποιότητα ενός προϊόντος κονιομεταλλουργίας είναι: Το μέγεθος των σωματιδίων της πρώτης ύλης Ο βαθμός συμπίεσης της κόνεως Η θερμοκρασία έψησης της συμπιεσμένης κόνεως Ο χρόνος έψησης
ΣΥΝΟΛΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΕΛΙΚΟΥ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ
ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΟΚΚΩΔΟΥΣ ΠΡΩΤΗΣ ΥΛΗ Μεταλλικές κόνεις Παράγονται από οξείδια μετάλλων ή σύνθετες ενώσεις που προέρχονται από ορυκτές ύλες. Προκειμένου να παραχθεί πρώτη ύλη στην επιθυμητή κοκκομετρία και σχήμα ακολουθούνται χημικές ή φυσικές μέθοδοι. Χημικές μέθοδοι Fe, Cu, Mo, W αναγωγή αντίστοιχων οξειδίων Fe, Ni θερμική διάσπαση ενώσεών τους Τi Αναγωγή από τήγμα άλατος Fe, Cu, Be ηλεκτρόλυση Ni, Cu καταβύθιση από υδατικό διάλυμα Φυσικές μέθοδοι Εναπόθεση από αέρια ατάσταση (Zn) Ψεκασμός πλάσματος (Ti) Κεραμικές κόνεις Παράγονται από ορυκτές ύλες, μετά από άλεση και λειοτρίβηση ή συντίθενται χημικά από υδατκά, συνήθως, διαλύματα.
ΑΝΑΜΙΞΗ ΠΡΩΤΩΝ ΥΛΩΝ Τα σωματίδια της πρώτης ύλης κατατάσσονται καταρχήν, βάσει του μεγέθους τους σε κοκκομετρικά κλάσματα. Αυτό επιτυγχάνεται με κοσκίνιση (διεργασία φυσικού διαχωρισμού), την οποία ακολουθεί έκπλυση για την απομάκρυνση ακαθαρσιών. Τα επιμέρους συστατικά του τελικού προϊόντος αναμιγνύνται και στη συνέχεια λειοτριβούνται παρουσία ή όχι υγρής φάσης: υγρή λειοτρίβηση (κεραμικά) ή ξηρή λειοτρίβηση (μέταλλα). Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται ομογενοποίηση του μίγματος. J.A. Schey, «Introduction to manufacturing processes», McGraw-Hill, 2 nd edition (1987)
ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Η μορφολογία της πρώτης ύλης επηρεάζει την περαιτέρω δυνατότητα συνένωσης των σωματιδίων και, κατά συνέπεια, τις ιδιότητες του τελικού προϊόντος. Συγκεκριμένα: Η μορφολογία της πρώτης ύλης επηρεάζει την περαιτέρω δυνατότητα συνένωσης των σωματιδίων και, κατά συνέπεια, τις ιδιότητες του τελικού προϊόντος. Συγκεκριμένα: Το σχήμα των σωματιδίων επηρεάζει τη μορφή των συσσωμάτων κόνεως που θα ληφθούν: φυλλώδη σωματίδια κόνεις με μορφή νιφάδων, βελονοειδή σωματίδια ινώδεις κόνεις, σφαιρικά ή ακανόνιστου σχήματος σωματίδια κοκκώδεις κόνεις Το μέγεθος των σωματιδίων δεν πρέπει να είναι ούτε πολύ μεγάλο, ούτε πολύ μικρό: μεγάλο μέγεθος υψηλό πορώδες, μικρό μέγεθος δυσκολία περαιτέρω επεξεργασίας, ανεπιθύμητες συνενώσεις, προσρόφηση ακαθαρσιών (λόγω υψηλής ειδικής επιφάνειας) Η κατανομή του μεγέθους των σωματιδίων επηρεάζει την ομοιόμρφη περαιτέρω χρήσης της πρώτης ύλης.
SiC ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Si 3 N 4 Αl 2 O 3
ΣΥΜΠΙΕΣΗ ΜΙΓΜΑΤΟΣ ΚΟΝΕΩΝ Μονοαξονική ή ολόπλευρη συμπίεση σε πρέσσες, χωρίς ή με ταυτόχρονη θέρμανση Δ.Ι. Παντελής, «Εισαγωγή στη μηχανουργική τεχνολογία», Σημειώσεις Ε.Μ.Π. (2009)
Απλή συμπίεση ΣΥΜΠΙΕΣΗ ΜΙΓΜΑΤΟΣ ΚΟΝΕΩΝ Ισοστατική συμπίεση Πράσινο σώμα
Συμπίεση εν θερμώ ΣΥΜΠΙΕΣΗ ΜΙΓΜΑΤΟΣ ΚΟΝΕΩΝ Ισοστατική συμπίεση εν θερμώ Τελικό προϊόν
ΞΗΡΑΝΣΗ «ΠΡΑΣΙΝΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ»
ΕΨΗΣΗ ΚΑΙ ΠΥΡΟΣΥΣΣΩΜΑΤΩΣΗ Πραγματοποιείται σε θερμοκρασίες ίσες προς 50-80% του σημείου τήξης του πιο εύτηκτου συστατικού του μίγματος κόνεων Διαρκεί από 20 ως μερικές ώρες, ανάλογα με τη χημική σύσταση του μίγματος, την τεχνική και τον όγκο του αντικειμένου Κατά τη διάρκεια της έψησης ενεργοποιείται ο μηχανισμός της πυροσυσσωμάτωσης, που εξασφαλίζει τη συνεκτικότητα του τελικού πρϊόντος Ξεκινώντας από κόνεις διαμέτρου ~1 μm, το προϊόν μπορεί να έχει τελικό μέγεθος κόκκων 10-100 μm
ΠΥΡΟΣΥΣΣΩΜΑΤΩΣΗ Η φύση και η ενέργεια των δεσμών μεταξύ των σωματιδίων, ελέγχονται από μηχανισμούς μεταφοράς μάζας, οι οποίοι οδηγούν στη δημιουργία γεφυρών / «λαιμών» μεταξύ γειτονικών σωματιδίων Η μεταφορά μάζας διευκολύνεται από την ύπαρξη γραμμικών ατελειών στη μάζα του υλικού, που οφείλονται στην πλαστική του παραμόρφωση ή συνοδεύουν την ενδοκρυσταλλική διάχυση
ΠΥΡΟΣΥΣΣΩΜΑΤΩΣΗ Κινητήρια δύναμη της πυροσυσσωμάτωσης είναι η επιφανειακή ενέργεια των κόκκων της πρώτης ύλης Οσο πιο λεπτόκοκκο είναι το υλικό, τόσο μεγαλύτερη είναι η ελεύθερη επιφάνειά του, μέσω της οποίας λαμβάνει χώρα η πυροσυσσωμάτωση. Τα διαχεόμενα άτομα «γεμίζουν» τα κενά μεταξύ των σωματιδίων, που ευνοείται θερμοδυναμικά επειδή οδηγεί στην ελάττωση της επιφανειακής ενέργειας του υλικού. Ανοικτό πορώδες Σχηματισμός λαιμών / μεμονωμένοι πόροι Ελάττωση μεγέθους μεμονωμένων πόρων Ο ρυθμός πυροσυσσωμάτωσης μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία, καθώς με τη θερμοκρασία μεταβάλλεται ο συντελεσής διάχυσης.
ΠΥΡΟΣΥΣΣΩΜΑΤΩΣΗ Η πυροσυσσωμάτωση οδηγεί σε συρρίκνωση του συμπιέσματος Η πυκνότητα του υλικού εκφράζεται ως ποσοστό της μέγιστης πυκνότητας που μπορεί να επιτευχθεί με ολκή εξάλειψη του πορώδους και εξαρτάται από την κοκκομετρία της πρώτης ύλης Η ποσοστό του εναπομείναντος πορώδους επηρεάζει τις ιδιότητες τελικού προϊόντος (πυκνότητα, δυσθραυστότητα, μηχανική αντοχή)
ΠΥΡΟΣΥΣΣΩΜΑΤΩΣΗ Σε διάφορες περιπτώσεις, με χαρακτηριστικότερη εκείνη των κεραμομεταλλικών υλικών, π.χ. WC-10% Co, ένα από τα συστατικά του μίγματος κόνεων στη θερμοκρασία έψησης τήκεται και το υγρό επιταχύνει την πλήρωση των πόρων. Ο μηχανισμός καλείται πυροσυσσωμάτωση υγρής φάσης.
Μορφοποίηση κεραμικών προϊόντων Εξώθηση Χ. Αγραφιώτης, «Επιστήμη Υλικών: Κεραμικά υλικά», Εκδόσεις Ε.Α.Π. (2003)