Structuri metalice poroase

Structuri metalice poroase

In tehnica actuala sunt utilizate in domenii foarte variate - inclusiv ca biomateriale - produse metalice poroase obtinute prin metalurgia pulberilor ori ca materiale compozite. Produsele se obtin din pulberi metalice (amestecate uneori si cu pulberi nemetalice) prin procedee de presare si incalzire fara topire (sinterizare). Tesutul viu se ancoreaza si se dezvolta in conditii mai favorabile pe suprafete poroase decat pe cele lustruite si dense, motiv pentru care produsele metalice poroase sunt larg utilizate ca biomateriale.

1 Modul de impachetare al particulelor in materialele pulverulente

Modul de aranjare reciproca in spatiu al particulelor dintr-o pulbere este numit mod de impachetare. Gradul de impachetare poate fi caracterizat cantitativ prin densitatea aparenta si marimile conexe ca: volumul specific aparent, densitatea relativa, volumul relativ si porozitatea.

Densitatea aparenta r_a este raportul intre greutatea unei cantitati de pulbere in stare varsata si volumul ocupat (care include si porii):

, g/cm³

Volumul specific aparent V_a este volumul unitatii de masa al pulberii in stare varsata si este egal cu inversul densitatii aparente:

, cm³/g

Densitatea relativa r_r este raportul intre densitatea aparenta a pulberii si densitatea materialului compact, caracteristica numita si fractie de impachetare f:

Volumul relativ V_r este inversul densitatii relative si exprima de cate ori volumul ocupat de materialul pulverulent este mai mare decat volumul ocupat de aceeasi cantitate de material compact:

Porozitatea sau fractia de goluri reprezinta raportul intre volumul golurilor V_g si volumul aparent al pulberii V_a (care include atat volumul golurilor V_g cat si volumul particulelor de pulbere V_p) :

sau

Toate marimile prezentate, care caracterizeaza gradul de impachetare al particulelor pulbere, depind de forma si de dimensiunile particulelor, precum si de starea suprafetei lor. Particulele sferice de aceeasi dimensiune se impacheteaza in mod compact, la fel ca atomii in retele cristaline de maxima compactitate (CFC, HC), porozitatea teoretica fiind de 26%. Practic, modul de impachetare este mai putin compact, porozitatea atingand valori de 35-45 %. Aceasta discrepanta se datoreaza rugozitatii suprafetei libere a particulelor de pulbere si a reactivitatii lor superficiale, care favorizeaza adeziunea intre particule, cu impiedicarea miscarii reciproce libere, care sa le permita aranjarea in modul cel mai compact.

Pe masura ce dimensiunea particulelor de pulbere devine mai fina, suprafata lor specifica se mareste, ca urmare fenomenele de frecare si adeziune devin mai accentuate, ceea ce poate avea ca efect formarea unor aglomerate care la randul lor se asociaza in agregate (fig.2.23.)

Agregatele sunt grupari de aglomerate slab legate intre ele, care pot fi dezintegrate usor prin actiuni mecanice. Formarea agregatelor poate fi impiedicata prin introducerea in amestec a unui lichid lubrifiant care uda particulele de pulbere, acesta se absoarbe la suprafata particulelor, inlaturand nesaturarea electronica a stratului de atomi superficial al particulelor. Ca rezultat, fortele de adeziune intre particulele de pulberi scad , viteza de curgere se mareste si gradul de compactitate creste.

Particulele de forma neregulata si asimetrica (ace, foite), au o tendinta foarte accentuata spre aglomerare si agregare, ceea ce impiedica realizarea unei impachetari compacte. Porozitatea pentru asemenea pulberi poate atinge valori foarte ridicate, pana la 95%.

Pentru a se realiza compactitatea optima este necesar sa se aleaga in mod adecvat forma si dimensiunile particulelor de pulbere si modalitatea de compactizare (prin vibrare sau presare). O densitate de impachetare avansata a pulberii poate fi obtinuta prin amestecarea unor pulberi de dimensiuni diferite astfel incat interstitiile dintre particulele mari sa fie ocupate de particulele de dimensiune medie, iar interstitiile dintre acestea din urma sa fie ocupate de particule mici. Raportul dimensional intre particulele de marime succesive trebuie sa fie mai mare sau egal cu 7 :1, pentru ca patrunderea in interstitii sa fie posibila. Realizarea densitatii maxime de impachetare reclama utilizarea pana la 4 sorturi de pulbere de dimensiuni diferite.

2 Structura produselor sinterizate

Produsele obtinute prin sinterizare se deosebesc fundamental de produsele turnate prin porozitate reziduala si finetea granulatiei. Aceste deosebiri structurale determina si deosebirile de proprietati intre cele doua clase de materiale.

Porozitatea in produsele sinterizate este o caracteristica de prima importanta care determina si densitatea acestora. In timp ce un metal sau un aliaj obtinut prin topire si turnare are o densitate precisa care ii este specifica, prin metalurgia pulberilor se pot obtine pentru unul si acelasi material densitati foarte diferite in produsul sinterizat, in functie de porozitatea remanenta a acestuia. Toate proprietatile produsului obtinut prin sinterizare variaza in functie de densitatea acestuia.

Astfel, prin metalurgia pulberilor se pot obtine piese cu porozitate mare (intre 10 si 40%), cu pori interconectati, care au destinatii bine definite ca: organe de alunecare, filtre, precum si parti

active in diverse proteze chirurgicale.

Fig. 2.24 Microstructura poroasa a unui aliaj sinterizat de titan x 50

De asemenea prin metalurgia pulberilor se poate asigura obtinerea produselor cu grad de puritate chimica ridicata, asa cum este domeniul biomaterialelor, produse care nu s-ar putea obtine prin alte tehnologii.

Granulatia produselor sinterizate utilizate este, de asemenea, un parametru esential care asigura proprietati de exceptie pentru acestea. Astfel se pot obtine unele aliaje de aluminiu cu o structura superfina, cu mare rezistenta la coroziune in medii chimice agresive, precum si cu proprietati mecanice superioare.