metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika

77
1 Univerzitet u Tuzli Mašinski fakultet Proizvodni sistemi Industrijski inženjering Proizvodne tehnologijeodabrana poglavlja Mentor: Dr.sc. Samir Butković doc. Mr.sc. Adnan Mustafić v.as. Student: Muhamed Herić dipl.ing. Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika

Upload: muhamed-heric

Post on 02-Aug-2015

1.523 views

Category:

Documents


22 download

TRANSCRIPT

Page 1: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

  1 

 

 

 

 

Univerzitet u Tuzli 

Mašinski fakultet 

Proizvodni sistemi 

Industrijski inženjering 

Proizvodne tehnologije‐odabrana poglavlja 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mentor: Dr.sc. Samir Butković doc. 

      Mr.sc. Adnan Mustafić v.as. 

Student: Muhamed Herić dipl.ing.   

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih 

čelika  

  

 

 

 

 

Page 2: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

Sadržaj:  

Popis slika: ............................................................................................................................................... 3 

Popis tabela: ............................................................................................................................................ 5 

Uvod: ....................................................................................................................................................... 6 

1.0 Historija metalurgije praha. ............................................................................................................... 7 

1.1 Metalurgija praha. ........................................................................................................................... 11 

1.2 Proizvodnja praha. ........................................................................................................................... 13 

1.3 Miješanje praha. .............................................................................................................................. 23 

1.5 Formiranje oblika. ........................................................................................................................... 27 

1.6 Sinterovanje. ................................................................................................................................... 32 

1.7. Naknadne odrade. .......................................................................................................................... 39 

2.0 Alatni čelici. ..................................................................................................................................... 41 

2.1 Historija alatnih čelika. .................................................................................................................... 45 

2.2 Metalurgija čestica visoko legiranih alatnih čelika. ......................................................................... 47 

2.3. Sinterovanje brzoreznih čelika ....................................................................................................... 50 

3.0. Volframovi karbidi. ......................................................................................................................... 60 

3.1 Historija razvoja cementnih karbida. .............................................................................................. 66 

3.2 Proizvodnja volframovog praha i formiranje oblika. ....................................................................... 68 

3.3 Predsinterovanje WC. ...................................................................................................................... 71 

3.4 Sinterovanje WC. ............................................................................................................................. 72 

Zaključak: ............................................................................................................................................... 76 

Literatura: .............................................................................................................................................. 77 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 3: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

Popis slika:  

Slika 1. Wollaston‐ova presa ................................................................................................................... 8 

Slika 2. Shematski prikaz izrade dijelova. .............................................................................................. 12 

Slika 3. Postupak dobijanja željeznog praha.......................................................................................... 14 

Slika 4.Postupak dobijanja titanijevog praha ........................................................................................ 14 

Slika 5. Postupak nastajanja praške metala pomoću prskanja vodom. ................................................ 16 

Slika 6. Konfiguracija vodenih mlaznica a)prstenasta konfiguracija, b) otvorena V konfiguracija, c) 

zatvorena V konfiguracija. ..................................................................................................................... 16 

Slika 7. Postupak dobijanja praha pomoću dvo fluidnog prskanja vodom. .......................................... 16 

Slika 8. Atomizacija gasom. ................................................................................................................... 17 

Slika 9. Centrifugalna atomizacija diskom. ............................................................................................ 18 

Slika 10. Atomizacija lukom plazme ...................................................................................................... 18 

Slika 11. Atomizacija električnim lukom. ............................................................................................... 19 

Slika 12. Princip vakuumske atomizacije. .............................................................................................. 19 

Slika 13. Princip ultrasonične atomizacije. ............................................................................................ 20 

Slika 14. Horizontalni mlin sa kuglama. ................................................................................................. 21 

Slika 15.Princip mljevenja mlinova sa diskovima. ................................................................................. 21 

Slika 16. Princip rada vertikalnog mlina sa kuglama. ............................................................................ 21 

Slika 17. Oblici zrna dobijeni postupcima proizvodnje praha, a) vodom atominiziran bakar, b) vodom 

atominizirano željezo, c) zrakom atominiziran aluminij, d) helijumom atominiziran aluminij, e) 

nitrogenom atominiziran brzorezni čelik, f) vakuumom atominizaran IN‐100 super legura, g) 

centrifugalno elektrodom amominiziran Rene 95 super legura, h) centrifugalnom kupom atominiziran 

aluminij. ................................................................................................................................................. 22 

Slika 18. Neki od osnovnih oblika praha. ............................................................................................... 24 

Slika 19. Uticaj veličine i oblika čestica na vrijeme miješanja, a) Cu od 200 do 300 µm; Fe, <63 µm 

sferni oblik, b) Cu od 200 do 315 µm; Fe od 100 do 200 µm sfeni oblik, c) Cu od 200 do 315 µm; Fe 

<63 µm ne regularni oblik čestica, d) Cu od 200 do 315 µm; Fe od 100 do 200 µm ne regularni obli 

čestica. ................................................................................................................................................... 25 

Slika 20. Moguće raspodjele praha. ...................................................................................................... 25 

Slika 21. Osnovni tipovi mješača praha. ................................................................................................ 26 

Slika 22. Jedno smjerno i dvo smjerno sabijanje. .................................................................................. 27 

Slika 23. Prenos energije kod mehaničkih presa. .................................................................................. 28 

Slika 24. Presa sa bregastim mehanizmom. .......................................................................................... 28 

Slika 25. I klasa dijelova. ........................................................................................................................ 30 

Slika 26. II klasa dijelova. ....................................................................................................................... 31 

Slika 27. III klasa dijelova. ...................................................................................................................... 31 

Slika 28. IV klasa dijelova. ...................................................................................................................... 31 

Slika 29. Dijagram procesa sinterovanja ............................................................................................... 32 

Slika 30. Mikrostruktura praha tokom procesa sinterovanja a) sinterovanja u čvrstom stanju (Al2O3), 

b) sinterovanje u tečnom stanju (98W‐1Ni‐1Fe) ................................................................................... 33 

Slika 31. Tranformacije energije u procesu sinterovanja. ..................................................................... 34 

Slika 32. Promjene oblika zrna u procesu sinterovanja. ........................................................................ 34 

Slika 33. Dijagram smanjena polaznog komada tokom procesa sinterovanja. ..................................... 35 

Page 4: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

Slika 34. Peć za sinterovanje. ................................................................................................................ 35 

Slika 35. Obložena sinter zona peći. ...................................................................................................... 36 

Slika 36. Izgled sekcija za hlađenje. ....................................................................................................... 37 

Slika 37. Različite izvedbe peći sa aspketka na transport komada korz peć. ........................................ 37 

Slika 38. Najstariji primjerak martenzitnog alatnog čelika. ................................................................... 45 

Slika 39. Čelik iz Damaska. ..................................................................................................................... 45 

Slika 40. Proces metalurgije čestica. ..................................................................................................... 47 

Slika 41. Toplo izostastko presanje. ...................................................................................................... 48 

Slika 42. Razlika između rasporeda primanih karbida. .......................................................................... 48 

Slika 43. Rezanje alatnih čelika. ............................................................................................................. 49 

Slika 44. Postupak sinterovanja sa injekcionim brizganjem. ................................................................. 50 

Slika 45. Pipremljen prah za brizganje, A) metalne četice okružene polimerski vezivom, B) pelet za 

injekciono brizganje. ............................................................................................................................. 50 

Slika 46. Princip formiranja oblika kod injekcinog brizganja. ................................................................ 51 

Slika 47. Uklanjanje vezivnih elemenata pomoću otapala. ................................................................... 52 

Slika 48. Reakcija transformacije POM veziva u formaldehic. .............................................................. 53 

Slika 49. Uticaj atmosfere na proces temperaturu sinterovanja. ......................................................... 53 

Slika 50. Uticaj temperature sinterovanja na mikrostrukturu praha brzoreznog čelika M2. ................ 54 

Slika 51. Uticaj temperature sinterovanja na mikrostrukturu, za brzorezni čelik M3:2. ...................... 55 

Slika 52. Uticaj temperature sinterovanja na zateznu čvrstoću, a) sinterovanja brzoreznog čelika M2 u 

vakuumu, b) sinterovanje brzoreznog čelika M2 u atmosferi nitrogena. ............................................. 57 

Slika 53. Uticaj vremena sinterovanja na mehaničke osobine brzoreznih čelika. ................................. 58 

Slika 54. Promjena tvrdoće u odnosu na promjentu temperature. ...................................................... 58 

Slika 55. Uticaj termičke obrade na tvrdoću brzoreznih čelika. ............................................................ 59 

Slika 56. Kristalne strukture WC, sivi kuglice predstavlja atome karbona dok plave kuglice 

predstavljaju atome volframa. .............................................................................................................. 60 

Slika 57. Fazni dijagram volframovih karbida. ....................................................................................... 60 

Slika 58. Mikostruktura WC‐Co legura a) 97WC‐3Co srednja veličina zrna, b) 94WC‐6Co srednja 

veličina zrna, c) 94WC‐6Co grubo zrno, d) 85WC‐15Co grubo zrno, e) slobodni grafit u leguri86WC‐8C‐

6Co i f) η faza  u leguri85WC‐8C‐7Co. ................................................................................................... 62 

Slika 59. Mikrostruktura nekih WC‐TiC‐(Ta.Nb)C‐Co legura, (a) 85WC‐9(Ta,Ti,Nb)C‐6Co legura srednja 

veličina zrna, (b) 78WC‐15(Ta,Ti,Nb)C‐7Co legura srednja veličina zrna, (c) 73WC‐19(Ta,Ti,Nb)C‐8Co 

legura srednja veličina zrna. .................................................................................................................. 63 

Slika 60. Proces proizvodnje dijelova od volframovih kabrida. ............................................................. 64 

Slika 61.Udio karbida u pojedinim industrijama. .................................................................................. 67 

Slika 62. Rude volframa Scheelite i Wolframite. ................................................................................... 68 

Slika 63. Vrste presa kod injekcionog brizganja WC. ............................................................................. 70 

Slika 64. Uticaj vezinog materijala na pritisak istiskanja zelenog komada i njegovu poroznost. .......... 70 

Slika 65. Uticaj temperature sinterovanja na sastav karbida kao i na skupljanje. ................................ 73 

 

 

Page 5: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

Popistabela: 

Tabela 1. Važniji događaji u historiji metalurgije praha. ....................................................................... 10 

Tabela 2. Pritisci sabijanja nekih materijala. ......................................................................................... 30 

Tabela 3. Tačke topljenja pojednih lubrikanata. ................................................................................... 36 

Tabela 4. Temperature sinterovanja nekih materijala. ......................................................................... 38 

Tabela 5. Komparacija osobina čelika. .................................................................................................. 41 

Tabela 6. Označavanja alatnih čelika. .................................................................................................... 42 

Tabela 7. Komparacija alatnih čelika. .................................................................................................... 49 

Tabela 8. Sastav brzorezbog čelika M2. ................................................................................................ 56 

Tabela 9. Mehaničke osobine brzoreznog čelika M2. ........................................................................... 56 

Tabela 10. Sastva brzoreznog čelika M3:2. ........................................................................................... 56 

Tabela 11. Mehaničke osobine brzoreznog čelika M2. ......................................................................... 56 

Tabela 12. Mehaničke osobine WC‐Co karbida. .................................................................................... 61 

Tabela 13. Označavanje karbida prema C sistemu. ............................................................................... 63 

Tabela 14. Označavanje karbida prema ISO sistemu. ........................................................................... 65 

Tabela 15. Značajnija oktrića na polju cementnih karbinda .................................................................. 67 

Tabela 16. Uticaj sastava legure tvrdih metala na temperaturu sinterovanja. ..................................... 72 

Tabela 17. Uticaj pojedinih elemenata na ponašanje karbida tokom sinterovanja. ............................. 74 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 6: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

Uvod: 

 

Sinterovanja  predstavlja  jednu  od  prvih  tehnologija  za  proizvodnju  dijelova  od 

metala. Ono biva zaboravljeno 2000 godina ali kada su  iscrpljenje moći klasične metalurgije  

čovječanstvo se ponovo okreće prema sinterovanju sa ciljem iskorištenja potencijala koji leži 

u  nekim  materijalima.  U  ovom  seminarskom  radu  biti  će  objašnjen  proces  proizvodnje 

dijelova  korištenjem  tehnologije  metalurgije  praha.  Također  će  biti  riječi  o  sinterovanju 

alatnih čelika, njihovom označavanju, sinterovanju tvrdih metala i njihovim karakteristikama. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 7: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

1.0 Historija metalurgije praha.  

Metalurgija  praha  se  naziva  još  izgubljena  umjetnost.  Za  razliku  od  ostalih  načina 

proizvodnje metalnih dijelova metalurgija praha se javlja u ranoj historiji i biva zaboravljena 

sve do 18 stoljeća.  

3000 godina prije nove ere prije nego što su razvijene peći pomoću kojih se dostigla tačka 

topljenja željeza Egipćani su koristili prah željeza za pravljenje alata. Pomoću drvenog uglja i 

zdrobljenih školjki zagrijavali su rudu željeza sa ciljem smanjenja oksida u njoj. Rezultat ovog 

procesa  je  “spužvasto  željezo”  ili  porozno  željezo  koje  bi  se  udaralo  čekićima  sa  ciljem 

zavarivanja čestica metala jednu za drugu.  

1200 godina poslije nove ere Inke  i njihovi predci su koristili metalurgiju praha za dobijanje 

platine. Tehnika  se  zasnivala na  cementaciji  zrna platine,  koja  su prije  toga bila  isprana  iz 

rude  i  ručno  razvrstana,  dodavanjem  oksidacijski  otporne  legura  zlata  i  srebra  sa  niskom 

tačkom topljenja sa ciljem kvašenja zrna platine. Presovanjem smiješe i žarenjem dobivala se 

poluga platine pogodna za dalju obradu. 

Između 1750 i 1825 posvećena je pažnja proizvodnji platine. 1775 godine Lewis je otkrio da 

kada  se  legura  olova  i  platine  oksidira  na  visokim  temperaturama  dobiva  se  mekana  i 

obradiva  legura.  Scheffer  je  otkrio  da  kada  se  platina  zagrije  zajedno  sa  arsenom  platina 

pokazuje  znakove  topljenja. Ovo  otkriće  je  potvrđeno  i  od  strane Achard‐a  koji  je  opisao 

postupak  proizvodnje  platina‐arsen  legure  sa  zagrijavanjem  na  samo  600  [oC]. Ovaj  način 

proizvodnje platine se prvi puta komercijalno koristio 1790 godine za proizvodnju rezervoara 

u kemijskoj industriji. 

 

1822 godine proizvedena  je prva poluga od platine od 14  [kg] praha platine pomoću serije 

operacija. Prah platine se lagano presovao u  glinene posude i grijao do usijanja, nakon toga 

prah se stavljao u čelične kalupe i presovao pod vijčanom presom. Ovaj proces se ponavljao 

više puta dok čvrsta poluga nije proizvedena. 

 

1826  godine  u  Rusiji  prvi  puta  je  izvedena  operacija  visoko  temperaturnog  sinterovanja 

presovanog praha. Prah platine velike čistoće je presovan u cilindre od livenog gvožđa i koji 

su sabijani pomoću vijčane prese. Nakon toga su stavljani u peć sa visokom temperaturom u 

trajanju od jednog dana. Rezultirajući proizvod je bio veoma obradiv, zahvaljući tome što se 

koristio prah visoke čistoće. Sinterovanje presovanog dijela je uzrokovalo njegovo skupljanje 

sa početnih dimenzija φ= 100 [mm] i h=19 [mm] na dimenzija φ= 81 [mm] i h=13 [mm]. 

 

1829  godine Wollaston  je  objavio  publikaciju  procesa  proizvodnje  platine  koji  će  kasnije 

dobiti ime po njemu. Wollaston je bio prvi koji je shvatio da sve poteškoće koje se susreću u 

proizvodnji  čvrste platine su u vezi sa prahom koji se koristi, te na osnovu tog zaključka se 

usredočio na pripremu praha platine. Otkrio  je da  se pri  zagrijavanju praha bolje  rezultati 

Page 8: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

postižu ako se to zagrijavanja odvija dok je prah pod pritiskom. Iz razloga što tada dostupne 

prese nisu bile dovoljno snažne on je razvio horizontalnu presu koja je prikazana na slici 3. 

 

Slika 1. Wollaston‐ova presa 

Wollaston je ovaj proces opisao u devet koraka:  

1. Taloženje amonij‐platina‐klorida u rastvoru. 2. Ispiranje taloga  praha 3. Meljenje praha bez pritiska sa ciljem očuvanja površinske energije čestica praha. 4. Prosijavanje praha 5. Pranje praha u vodi sa ciljem uklanjanja sve zaostale soli. 6. Separacija finih čestica pomoću sedimentacije, samo najfinije čestice praha se koriste 

u procesu. 7. Presovanje mokre mase  praha u pologu 8. Lagano sušenje te grijanje na 800 do 1000 [oC]. 9. Kovanje poluge dok je još zagrijana. 

Primjenjujući ove korake Wollaston  je uspio da proizvode kompaktnu platinu, koja  je onda 

valjanja u tanke limove sa ciljem uklanjanja zaostalih vodenih džepova.  

 

1830  godine  Osann  je  otkrio  da  se  reducirani metali mogu  sinterovati  u  čvrste  dijelove. 

Osann  je  razvio  metodu  proizvodnje  kovanica  od  praha  bakra  dobijenog  redukcijom 

karbonata  bakra  (Cu2CO3).  Također  je  otkrio  da  je  redukciju  najbolje  vršiti  na  nižim 

temperaturama. Kontaminaciju praha je sprečavao skladištenjem praha u stakle boce odmah 

nakon proizvodnje. Prah je stavljan u kalup u obliku cilindra gdje je presovan pod udarcima 

čekića. Zapremina bakra bi  se ovim procesom  smanjila  za 1/6. Sinterovanje  se odvijalo na 

temperature  u  blizini  tačke  topljenja  bakra.  Sinterovanjem  se  zapremina  smanjila  za 

Page 9: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

dodatnih 20% ali je sinterovani bakar imao bolje mehaničke osobine nego liveni bakar. Istom 

metodom Osann je proizvodivo medalje i novčanice od srebra i olova. 

 

1859 Sainte‐Claire Deville i Debray su uspjeliji da proizvedu gorionik koji je radio na svjetleći 

gas i oksigen. Pomoću ovog gorionika uspjeli pokrenu proces fuzije platine. Njihova platina je 

imala bolje mehaničke osobine od platine dobijene Wollaston‐ovim procesom. 

 

1870 Gwynn  je patentirao materijal za proizvodnju samo podmazivah  ležajeva. Materijal se 

sastojao od 99% kositara  i 1 % nafte. Ove dvije komponente  su  se miješa  i u  isto vrijeme 

zagrijavale,  čvrsta  forma  smiješe  se  proizvodila  ubrizgivanjem  u  kalupe  pod  visokim 

pritiscima. 

 

Najveća  komercijalna  aplikacija metalurgije  praha  se  desila  između  1878  I  1898  kada  je 

početo  sa proizvodnjom  žarnih niti  za  sijalice od karbona, osmiuma, vanadijuma,  tantala  i 

volframa 

 

Originalni  alati  za  izvlačenje  nisu  bili  dovoljno  tvrdi  za  izvlačenje  žice  od  volframa  te  se 

pojavila potreba za tvrđim materijalom. Poznato je da volfram u kombinaciji sa karbonom na 

visokim  temperaturama daju  veoma  tvrd materijal, ovaj materijal  je bio osnova  za  izradu 

veoma  tvrdih  i  postojanih  alatnih materijala  koji  su  poznati  kao  cementirani  karbidi. Rani 

eksperimenti  sa  raznim materijala  pokazali  su  da materijal  koji  se  cementira mora  imati 

slijedeće osobine: 

1. Hemijski afinitet za čestice karbida 

2. Relativno nisku tačku topljenja 

3. Ograničenu osobinu legiranja sa karbidima 

4. Veliku duktilnost (istegljivost) 

Od  svih  materijala  gornje  zahtjeve  najbolje  je  zadovoljavao  Kobalt.  Prvi  radovima  na 

cementiranju  Kobalta  su  izvedeni  u  Njemačkoj  od  strane  Lohmann‐a  i  Voigtländer‐a. 

Friedrich Krupp je 1927 je usavršio proces cementiranja karbida i tržištu predstavio „Widia“.  

Slijedeći razvoj u metalurgiji praha bio je proizvodnja kompozitnih metala koji su se koristili 

za izradu kontakta, elektroda, kontra tegova i kontejnera nuklearnog otpada. Prvi pokušaj da 

se proizvedu kompozitni materijali registrova je 1900 godine od strane Viertel i Egly.  

Moderni  ležajevi uobičajeno napravljeni od bakra, kositara  i grafitnog praha  i  impregnirani 

uljem su prvi puta razvijeni u procesu patentiranom od strane Loewendahl I Gilson. Gilson‐ov 

osnovni  materijal  je  bila  bronca  u  kojoj  su  čestice  grafita  bile  uniformno  raspoređene. 

Proizvođenja  je miješanjem praha barka  i oksida kalaja sa grafitom. Presovanjem smiješe  i 

grijanjem na temperaturu na kojoj počinje redukcija oskida bakar i kalaj bi se spajali i davali 

bi materijal koji je imao strukturu kao i bronca. Dodatak grafita je bio uniformno raspoređen 

kroz  strukturu  i  zauzimao  je  do  40%  zapremine.  Poroznost  je  bila  dovoljna  da  dozvoli 

impregnaciju ulja u iznosu od 2%. 

Page 10: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

10 

Metalni  filteri  su bili  idući korak u  razvoju poroznih metala  i prvi patent datira  iz 1923 od 

strane Claus‐a  koji  je patentirao proces  i mašinu  za  izlivanje poroznih  tijela od praškastih 

materijala. 

Početak masovne proizvodnje automobila omogućio je primjenu metalurgije praha uveliko i 

omogućio  razvoj  novih  tehnologija  iz  ovog  područja.  Prva  komercijalna  aplikacija  samo 

podmazujućih  ležajeva  počela  je  1927  godine.  Ležajevi  su  bili  napravljeni  od  kombinacije 

bakra  i kalaja koji su davali poroznu broncu koja  je  imala mogućnost da u svoje pore primi 

određenu  količinu  ulja  preko  kapilarne  privlačnosti.  U  isto  vrijeme  počinje  primjena 

samopodmazivih  ležajeva  u  kućanskim  aparatima  kao  kod  ležajeva  na  kompresorima 

hladnjaka. 

 

Od  1940  do  početka  1950  metalurgija  praha  je  svoju  proizvodnju  zasnivala  na  barku  i 

samopodmazivim  ležajevima. Od tada željezni prah  i čelični prahovi postaju dominantni pri 

proizvodnju  komponenti  kao  što  su  zupčanici,  bregasti  mehanizmi.  Dok  bakar  i  dalje 

predstavlja značajan materijal u metalurgiji praha sa potrošnjom od 21.000 [t/god], zasjenjen 

je sa prahovima na osnovi željeza koji dostižu godišnju potrošnju praha od 315.000 [t/god]. 

1970 i 1980 postignuti su ogromni napredci u metalurgija praha. Posebno značaj predstavlja postupak  proizvodnje  alatnih  čelika  pomoću metalurgije  praha  i  toplo  izostatsko  presanje čelika.  Pomoću  ova  dva  postupka  dobijaju  homogeniji materijali  bez  pora.  Također  1980 počinje komercijalna primjena ultrabrzog očvršćivanja i injekcionog brizganja.  Godina  Otkriće   Porijeklo 

3000 p.n.e  Spužvasto zeljezo za pravljenje alata  Egipat,Africa, India 

1200  Cementacija zrna platine  Južna Amerika 

1781  Legura platine I arsena  Francuska, Njemačka 

1790  Proizvodnja posuda od legure platina‐arsen.  Francuska 

1822  Prah platine spojen u čvrstu polugu  Francuska 

1826  Visoko temperaturno sinterovanje praha platine.  Rusija 

1829  Wollaston metod proizvodnje čvrste platine  Engleska 

1830  Sinterovanje različitih materijala  Europa 

1859  Proces fuzije platine   

1870  Petentiran materijal za kugličaste ležajeve napravljen od metalnog praha ( predk samo podmazujućih ležajeva). 

SAD 

1878‐1900  Svjetiljke sa žarnim nitima  SAD 

1900  Kompozitni materijali  SAD 

1915‐1930  Cementovani karbidi  Njemaćka 

1920  Samo podmazivi ležajevi  SAD 

1940  Tehnologija željeznog praha  Europa 

1970  Toplo izostastsko presanje, proizvodnja alatnih čelika pomoću metalurgije praha. 

SAD 

1980  Tehnologije brzog očvršćavanja i injekciono brizganje  SAD 

1990  Kompoziti sa metalnim rešektama, prskanje prha, nano prah, toplo presanje 

SAD, Engleska 

Tabela 1. Važniji događaji u historiji metalurgije praha. 

Page 11: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

11 

1.1  Metalurgija praha.    

  Prema [3] Metalurgija praha ili praškasta metalurgija (eng. Powder Metallurgy,PM) je tehnologija proizvodnje mehaničkih, konstrukcijskih  i drugih dijelova od metalnih prahova. Pri tome se odvijaju dva postupka: 

kompaktiranje – zbijanje metalnog praha u željeni oblik i  sinterovanje – povezivanje čestica praha u čvrstu masu. 

Mehanička  su  svojstva  proizvoda  uglavnom  jednaka,  a  nekim  slučajevima  i  bolja  od 

proizvoda  istog  hemijskog  sastava  koji  su  izrađeni  odvajanjem  strugotine,  valjanjem  ili 

kovanjem.  

Prednosti primjene metalurgije praha su: 

Moguća  je masovna  proizvodnja  dijelova  u  konačnom  obliku  (en.  net  shape)  ili  blisko konačnom obliku (en. near net shape), bez dodatne obrade skidanjem strugotine.  

Postižu se točnije dimenzije dijelova nego kod većine postupaka lijevanja.  

Uniformna sitnozrna struktura. 

Mogu  se  oblikovati  metali  koje  je  teško  oblikovati  drugim  postupcima  (žareća  nit  od volframa za žarulje).  

Mali su gubici materijala (oko 3%).  

Moguća  je  izrada proizvoda od smjese više metala koji nisu međusobno  topivi  te smjesa metala i keramika (oksidi, vatrootporne keramike).  

Moguća  je  izrada dijelova zadate poroznosti (filtri,  ležaji  i zupčanici  impregnirani uljem za podmazivanje). 

automatizacijom procesa mogu se postići velike produktivnosti  

Mane primjene metalurgije praha su: 

Visoka je cijena potrebne opreme i alata.  

Velika cijena metalnih prahova.  

Javljaju  se  specifične  poteškoće  u  skladištenju  prahova  metala  (korozija,  opasnost  od požara).  

Ograničeni su oblici dijelova koji su mogu izraditi zbog poteškoća lateralnog tečenja praha u kalupu.  

Javljaju se promjene gustoće, osobito kod dijelova složenih oblika   

Osnovna su svojstva proizvoda praškaste metalurgije:  

1. mala površinska hrapavost (< 63 m),  

2. velika točnost dimenzija (< 0,125 mm),  

3. velika složenost oblika,  

4. proizvodnost je velik (> 100 dijelova/h) do srednja (> 10, < 100 dijelova/h),  

Page 12: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

12 

5. proizvedena količina je velika (> 5000 dijelova) do srednja (> 100, < 5000 dijelova),  

6. visoki do srednji troškovi.  

 Prema  tome,  postupci  praškaste  metalurgije  konkuriraju  tradicionalnim  mašinskim  

postupcima: skidanju strugotine, preciznom lijevanju, tlačnom lijevanju, kovanju u klupe. 

 

Slika 2. Shematski prikaz izrade dijelova. 

Na slici 1. je predstavljen shematski prikaz tehnološkog procesa koji se odvija pri proizvodnji 

dijelova  iz  metalnog  praha.  U  slijedećim  poglavljima  će  biti  opisan  svaki  od  koraka  u 

proizvodnji. 

Page 13: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

13 

1.2 Proizvodnja praha. 

 

Osnovu  praškaste metalurgije  čini  prah  kao  polazna  sirovina  svakog  procesa.  Prah  se 

može proizvesti na jedan od slijedećih metoda: 

1. Hemijskim metoda 

2. Prskanjem (atomizacija) 

3. Mehaničkim metoda 

Gotovo  svaki  materijal  se  može  pretvoriti  u  prah  na  jedan  od  gore  nabrojanih  načina. 

Metoda pravljenja praha zavisi od primjene praha, željenih karakteristika i strukture finalnog 

proizvoda. 

 

Hemijska  metoda  koristi  hemijske  komponente  najčešće  okside  nekada  halide  ili  druge 

metalne soli. Hemijska metoda se izvodi slijedećim postupcima: 

 

Proizvodnja  praha  iz  čvrstog  stanja.  Najbolji  primjer  za  ovaj  način  dobijanja  praha  je 

Höganäs‐ov  proces.  Za Höganäs‐ov  process  koristi  se  čista  ruda  Fe3O4.  Ruda  se melje  na 

željenu  granulaciju  zavisno  od  željenog  finalnog  proizvoda.  Samljevena  ruda  se  stavlja  u 

centar  cilindričnih  keramičkim  kontejnera  a  sa  strana  je  okružena  mješavinom  koksa  i 

krečnjaka. Keramički kontejneri su redaju jedan na drugi i postavljaju na pokretna kolica koja 

ih prevoze kroz  tunel peći. Karbon monooksid nastao  iz koksa  tranformiše  rudu u  željezo. 

Vrijeme  transformacije  traje  oko  24  [h]  na  temperaturu  od  1200  [oC].  Krečnjak  služi  za 

vezivanje  sumpora  u  koksu  koji  se  oslobađa  prilikom  paljenja  koksa,  odnosno  da  spriječi 

kontaminaciju  željeza.  Željezo mehanički  istovara  iz  kolica  te  nakon  toga melje.  Pomoću 

magnetnih  separatora  odvaja  se  željezo  od  ostatka  komponenti  ovog  procesa.  Konačno 

samljeveno  željezo  se  transportuje  kroz  peć  u  atmosferi  hidrogena.  Nakon  toga  vrši  se 

separacija praha prema veličini zrna gdje se prevelika zrna ponovno vraćaju u proces.  

Proizvodnja  praha  iz  gasovitog  stanja.  Redukcija  iz  titanijevih  tetrakloridnih  para  sa 

rastopljenim  magnezijem.  Ovaj  proces  je  još  poznat  kao  Kroll‐ov  proces.  Na  početku 

proizvodnje  ruda  titanijuma  Ilmenite  (FeTiO3)  u  sebi  sadrži  veliki  primjese  željeza  te  se 

prečišćava  sa ciljem  smanjenja udjela  željeza u  rudi. Pročišćenja  ruda  se  stavlja u  reaktore 

zajedno  sa hlorovim  gasom  i  karbonom.  Smiješa  se  zagrijava na  temperaturu od 900  [oC] 

nakon  čega  nastaje  nečisti  titanium  dioksid  (TiCl4)  i  karbon monoksid.  Sa  ciljem  daljnjeg 

pročišćavanja  titanijuma  on  se  stavlja  u  destilacione  rezervoare  i  zagrijava.  Prilikom  ovog 

proces nečistoće  su odvajaju pomoću  frakcione destilacije, ovaj postupak uklanja metalne 

kloride  uključujući  i  željezo,  vanadijum  cikronijum,  siliciji  i magnezij.  U  trećem  koraku  se 

tianijev tretraklorid u tečnom stanju transportuje u posude reaktora od ne hrđajućeg čelika. 

U posude  se dodaje magneziji  i posude  se griju na 1.100  [oC]. Prije početka  zagrijavanja u 

posude  su  ubacuje  argon  sa  ciljem  uklanjanja  zraka  iz  posuda,  odnosno  izbjegavanja 

kontaminacije  titanija  sa  oksigenom  i  nitrogenom  iz  zraka. Magneziji  reagira  sa  titanijem 

Page 14: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

14 

kloridom proizvodeći magnezij  klorid  koji  se u procesu  separacije odvaja od  titanija.   Ova 

reakcija ostavlja čisti titanij pošto  je njegova tačka topljenja  iznad tačke spajanja magnezija 

sa kloridima. Titan koji nastaje ovim procesom ima ljuskastu strukturu koja je jednim dijelom 

sinterovana. 

 

Slika 3. Postupak dobijanja željeznog praha. 

 

Slika 4.Postupak dobijanja titanijevog praha 

 

Page 15: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

15 

Proizvodnja  praha  iz  tečnog  stanja.  Prah  nikla  se  proizvodi  po  Sherrit  Gordnon‐ovom 

procesu  i  on  predstavlja  tipičan  hidrometalurški  proces  u  kome  se  odvija  redukcija 

amonijkove otopine niklsufalta sa hidrogen pri pritisku od 1.38 [MPa]  i temperaturi od 200 

[oC]. Rastvor niklove soli se dobija ispiranjem Cu‐Ni‐Co rude. Prije nego što se nikl istaloži kao 

metalni  prah,  prvo  se  odvaja  bakar.  Za  prvo  taloženje  nikla  koristi  se  katalizator,  željezni 

sulfat, koji ubrzava ovaj proces  te  se veoma  fine  čestice nikla  talože u autoklavu. Slijedeći 

korak predstavlja dodavanje hidrogena pri temperaturi od 200 [oC]  i pritisku od 1,38 [MPa] 

nakon čega nastaje dodatno taloženje praha iz rude. Ovaj postupak se ponavlja od 15 do 30 

puta. Nakon toga prah se vadi iz autoklava pere i sušu. 

Metoda prskanja eng. “Atomization”, materijala je dominanta metoda u produkciji metalnih 

prahova  i  prelegiranih  prahova  od  aluminijima,  bronce,  željeza,  nisko  legiranih  čelika,  ne 

hrđajućih  čelika,  alatnih  čelika,  super  lugura,  legura  titanijuma  i  drugih  legura  i metala. 

Trenutni  nivo  tehnologije  prskanja  prahova  je  rezultat  razvoja  proteklih  50  godina. 

Tehnologija se zasniva na koliziji tečnosti  i kapljice, što znači da bilo koji metal koji se može 

istopiti može  se pretvoriti u prah pomoću ove metode.  Čestice praha  su obično manje od 

150 [µm], iako se mogu proizvesti i veće čestica ali se ti postupci ne nazivaju prskanje nego 

ispucavanje ili granuliranje. 

Neki od osnovnih postupaka prskanja metalnih prahova su: 

Dvo fluidno prskanje, postupak u kome se tečni metal razbija u kapljice pomoću gasa, vode 

ili ulja pod visokim pritiskom. U slučaju da se rasprskavanje rastopljenog metala vrši pomoću 

vode postupak se počinje topljenjem materijala od kojeg se želi dobiti prah. Nakon topljenja 

rastopina se sipa u  ljevački  lonac koji služi kao spremnik rastopine. Na dnu  ljevačkog  lonca 

nalazi  se mlaznica  pomoću  koje  se  kontroliše  doziranje  rastopine,  oblik mlaza  i  njegovo 

usmjeravanja u sistem za rasprskavanja mlaza. Na slici 5. predstavljen je postupak nastajanja 

praha  u  trenutku  kada  kapljica  vode  pogodi  mlaz  rastopljenog  metala.  Prilikom  sudara 

kapljice vode pod visokim pritiskom i niskom temperaturom sa strujom rastopljenog metala 

dolazi do naglog povišenja temperature vode. Voda pri normalnim uslovima isparava na 100 

[oC],  u  ovom  postupku  voda  se  naglo  zagrije  na  temperaturu  preko  1000  [oC]  što  izaziva 

„eksploziju“  kapljice  vode  odnosno  pare,  ta  eksplozija  predaje  svoju  energiju  dijelu mlaza 

rastopljenog metala  i odvaja ga od glavne struje   rastopljenog metala. Da bi se cijela struja 

rastopljenog metala pretvorila u prah mlaznice vode  se  raspoređuju na  jedan od  tri način 

kako  je prikazano na slici 6. Nakon samog postupka atomizacije mješavine vode  i metalnog 

praha  se  transportuje do  centrifugalnih  separatora  ili do magnetnih  separatora, odvojena 

voda se filtrira, hladi i vraća ponovo u sistem a prah se dodatno suši i odvodi iz sistema. Na 

slici  7.  je  prikazana  cjelokupna  shema  proces  dobijanja  metalnog  praha  pomoću  vode. 

Željena  veličina  praha  se  dobija  promjenom  pritiska  vode,  povećanjem  pritiska  vode 

smanjuje se veličina praha. 

Page 16: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

16 

 

Slika 5. Postupak nastajanja praške metala pomoću prskanja vodom. 

 Slika 6. Konfiguracija vodenih mlaznica a)prstenasta konfiguracija, b) otvorena V konfiguracija, c) zatvorena V 

konfiguracija. 

 Slika 7. Postupak dobijanja praha pomoću dvo fluidnog prskanja vodom. 

 

Page 17: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

17 

Atomizacija  gasom  se  razlikuje  sa mnogo  aspekata  od  atomizacije  vodom.  Za  razliku  od 

vodene atomizacije gdje se pritiskom vode upravlja procesom otkriveno  je da se u procesu 

atomizacije gasom odnosom gasa i metala reguliše veličina čestica. Kao mediji pri atomizaciji 

gasom najčešće se koriste nitrogen, argon  ili zrak. Atomizaciju gasom možemo podijeliti na 

atomizaciju sa unutrašnjim miješanjem i atomizaciju sa vanjskim miješanjem. Atomizacija sa 

vanjskim   miješanjem,  kontakt  između  gasnog medija  i  rastopljenog  elementa  se  dešava 

izvan mlaznice,   se koristi kada se proizvodi prah metalnih materijala. Unutrašnje miješanje 

se primjenjuje  za materijale  koji  su u  tečnoj  fazi na  sobnim  temperaturama. Procesom  se 

upravlja preko udaljenosti mlaznica, pritiskom zraka, geometrijom mlaznica, brzinom gasa  i 

rastopljenog  medija.  Prah  koji  se  dobija  ovim  postupkom  je  obično  sfernog  oblika  sa 

relativno glatkom površinom.   Veći pritisci  i manje  razmak  između mlaznica proizvodi  finiji 

prah.  Pritisci  gasa  u  procesima  atomizacije  se  obično  kreću  od  14  [bar]  do  42  [bar],  sa 

brzinama gasa od 50 [m/s] do 150 [m/s]. Ova metoda se koristi kada se želi proizvesti prah 

od super legura, titanijuma, brzoreznih čelika i drugih metala. Ova metoda se odlikuje nešto 

skupljim  procesom  proizvodnje  u  odnosu  na  vodenu  atomizaciju  iz  razloga  što  se moraju 

koristiti skupni inertni plinovi. 

 

Slika 8. Atomizacija gasom. 

Centrifugalno  prskanje,  postupak  u  kome  se  tečni  metal  razbija  u  kapljice  pomoću 

centrifugalne sile rotacionog diska, kupe  ili elektrode. Kod centrifugalne atomizacije diskom 

ili  kupom  koristi  se  centrifugalna  sila  pri  razbijanju  mlaza  rastopine  i  bacanju  kapljica 

rastopljenog metala sa diska ili kupe.  

 

Atomizacija  pomoću  rotirajućeg  diska  se  koristi  za  proizvodnju  praha  za  lemljenje 

elektronskih komponenti. Diskovi se obrću brzinama od 30.000 do 60.000  [o/min] prečnici 

Page 18: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

18 

diskova su veoma mali od 40 do 100 [mm] ali i sa tim prečnicima dostiže se kapacitet od 50 

do 100 [kg/h]. Atomizacija se obavlja u inertnoj atmosferi. 

 

Slika 9. Centrifugalna atomizacija diskom. 

Atomizacija pomoću rotacione kupe se koristi pri proizvodnji praha od cinka, aliminijuma  i 

magnezija. Za  razliku od diska atomizacija kupom  se vrši pri brzinama od 3.000 do 10.000 

[o/min], a prečnici kupe se kreću od 100 do 200 [mm]. 

Atomizacija  rotirajućom  elektrodom  je  komercijalni  postupak  koji  prevazilazi  probleme 

nekih materijala  na  način  da  rotira metal  prije  njegovog  topljenja,  rotirajući  element  je 

topljiva elektroda koja se rotira brzinom od 15.000 [o/min] te se topi pomoću luka. Kapljice 

rastopljenog metala centrifugalna sila odbacuje od elektrode koje se hlade  i očvršćuju prije 

kontakta  sa  zidovima  komora.  Ovaj  postupak  je  razvijen  do  strane  kompanije  „Nuclear 

Metals INC.“ Na slici 10. je prikazan postupak proizvodnje praha pomoću luka plazme, dok je 

na slici 11. prikazana postupak proizvodnje praha pomoću električnog luka. 

 

Slika 10. Atomizacija lukom plazme 

Page 19: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

19 

 

Slika 11. Atomizacija električnim lukom. 

Atomizacija  rotirajućim  elektrodama  daje  određenje  prednosti  u  odnosu  na  druge  proces 

proizvodnje  praha.  Legure  titaniju  se  optimalno  proizvode  pomoću  ove  metode,  zbog 

korozivne prirode rastopljenog titanijuma i poteškoće čuvanja rastopljenog titanija.  

Vakuumska atomizacija ili atomizacija rastvorljivim gasom se zasniva na slijedećem principu. 

Kada se  rastopljeni metal koji  je prezasićen sa nekim gasom naglo  izloži vakuum dolazi do 

širenja  gasa  u  rastopljenom metalu  takvim  intenzitetom  da  raspršiva  rastopljeni metal  i 

pretvara  ga  u  prah.  Legure  nikla,  bakra,  kobalta,  željeza  i  alminijuma  se  atomiziraju  sa 

hidrogenom.  Prah  je  sfernog  oblika  i  veoma  čist  u  poređenju  sa  drugim  metodama 

proizvodnje  prahova.  Osnovna  primjena  praha  proizvedenog  pomoću  vakuumske 

atomizacije  je  u  proizvodnji  diskova  turbina  i  geometrijski  složenih  dijelova  pomoću 

injekcionog brizganja. 

 

Slika 12. Princip vakuumske atomizacije. 

Page 20: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

20 

Ultrasonično  prskanje,  postupak  u  kome  se  tečni  metal  razbija  u  kapljice  pomoću 

ulstrasoničnih  vibracija.  Do  ne  davno  ovaj  postupak  je  predstavljao  samo  laboratorijske 

eksperiment  i ako  je prijavljen 1960 godine. Zasniva se na principu da se  tanki  film tečnog 

metala podvrgne vibracijama tako jakim da se stvaraju valovi koji postaju sve jači i jači dok u 

jednog  trenutku  kapljica  rastopine  se  ne  odvoji  od  filma.  Ovim  postupkom  se  dobijaju 

prahovi sfernog oblika. Kao i kod centrifugalne atomizacije glavni nedostak ovog procesa jesu 

visoki zahtjevi koji se postavljaju pred   materijal po kome se  rasprostire  film. Taj materijal 

mora  imati  visoku  tačku  topljenja,  biti  otporan  na  abraziju,  mora  imati  odgovarajuće 

akustične osobine itd. Za proizvodnju praha koriste se frekvencije u dijapazonu od 20 do 80 

[kHz] ovim postupkom se dobijaju slični rezultati kao i kod centrifugalne atomizacije. Za sada 

se  uglavnom  koristi  za  proizvodnju  praha  za  lemljenje  elektronskih  komponenti  sa 

kapacitetima od 20 do 40 [kg/s] 

 

Slika 13. Princip ultrasonične atomizacije. 

Mehanički  procesi  proizvodnje  praha  se  ne  koriste  mnogo  kao  ostali  spomenuti  načini proizvodnje praha. Koristi se kod materijala: 

Koji se mogu veoma lako samljeti kao što su čisti antimon ili bizmut 

Reaktivnim materijala kao što si berilij i metalni hibridi 

Kod materijala kao što su aluminij i željezo kada je potreban prah u obliku pahulja. 

Mehaničko mljevenje praha se najčešće vrši pomoću: 

1. Horizontalni mlinova sa kuglama. 

2. Mlinova sa diskovima. 

3. Vertikalnih mlinova sa kuglama. 

Najčešći  postupak  mehaničkog  mljevenja  metala  jeste  pomoću  horizontalnog  mlina  sa kuglama, kritični faktori pri ovom načinu proizvodnje praha predstavlja brzina rotacije mlina. Veoma visoka brzina rotacije će prouzrokovati da se materijal i kugle zalijepe za zidove mlina uslijed prevelike centrifugalne sile. Mala brzina će prouzrokovati neznačajno kretanje kugli i materijala.  

Page 21: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

21 

 Slika 14. Horizontalni mlin sa kuglama.

Mlinovi sa diskovima se koriste za mljevenje tvrdih metala. Za razliko od mlinova sa kuglama ovi mlinovi su horizontalni i mljevenje se vrši pomoću horizontalni diskova. Princip mljevenja se odvija pomoću diskova koji se rotiraju. Diskovi se nalaza veoma blizu jedan drugom, tako da  sve  čestice  koje  su  veće  od  razmak  između  diskova  bivaju  samljevene,  pomjeranjem razmaka između diskova reguliše se granulacija praha.   

 

Slika 15.Princip mljevenja mlinova sa diskovima. 

Vertikalni mlinovi  sa  kuglama  se  koriste dijelom  za mljevenje dijelom  a dijelom  legiranje praha. Zbog velike energije koja se prenese na prah koji se melje dolazi do zavarivanja čestica praha te se obično dodaju dvije vrste praha osnovni materijal i legirajući materijal. 

Slika 16. Princip rada vertikalnog mlina sa kuglama.

Na  slici 17.  su prikazani  različiti oblici praha dobijeni gore opisanim postupcima mljevenja 

praha.  Odabir  procesa  proizvodnje  praha  prvenstveno  zavisi  od materijala  koji  se melje, 

potrebne finoće te oblika zna. 

Page 22: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

22 

 

Slika 17. Oblici zrna dobijeni postupcima proizvodnje praha, a) vodom atominiziran bakar, b) vodom atominizirano željezo, c) zrakom atominiziran aluminij, d) helijumom atominiziran aluminij, e) nitrogenom atominiziran brzorezni čelik, f) vakuumom atominizaran IN‐100 super legura, g) centrifugalno elektrodom amominiziran Rene 95 super legura, h) 

centrifugalnom kupom atominiziran aluminij. 

Page 23: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

23 

1.3Miješanjepraha. 

Pod  pojmom  pripreme  praha  za  presanje  spajaju  se  dvije  različite  operacije 

blendiranje  i miješanje. Pod blendiranjem smatra se postupak miješanja praha samo  jedne 

vrste dok se pod miješanjem podrazumijeva miješanje više od jedne vrste praha ili miješanje 

praha sa lubrikantima.  

Cilj blendiranja praha jeste da se dobije što homogeniji prah. Metoda proizvodnje praha ne 

daju prah  istih dimenzija  tako da kod svake metode postoje nešto krupnije  čestice  i nešto 

sitnije  čestice. Tokom proizvodnje, pakovanja,  transporta sitnije  čestice padaju na dno dok 

krupnije  ostaju  na  vrhu  i  time  stvaraju  praškasti materijal  koji  nije  pogodan  za  presanje. 

Također krupnije čestice kačaju za sebe sitnije čestice, dolazi do pojave elektrostatičke i Van 

der Waals  privlačnosti  čestica,  uslijed  kapilarnih  napona  dolazi  do  zarobljavanja  vlage  u 

prahu itd. Sve ovo gore nabrojano je razlog za primjenu blendiranja i miješanje praha.  

 

Neki od osnovni parametara koji utiču na miješanja praha su: 

1. Vrsta miksera. 

2. Zapremina miksera. 

3. Geometrija miksera. 

4. Unutrašnja površina miksera. 

5. Karakteristike unutrašnje obloge miksera. 

6. Zapremina praha prije miješanja. 

7. Zapremina praha nakon miješanja. 

8. Odnos komponenti koje se miješaju. 

9. Karakteristike praha. 

10. Vrsta, lokacija i broj mjesta doziranja i pražnjenja praha. 

11. Rotaciona brzina mješača. 

12. Vrijeme miješanja. 

13. Temperatura miješanja. 

14. Mediji u kome se odvija miješanje. 

15. Vlažnost, kada se miješanje odvija u atmosferi zraka. 

Od  svih  gore  nabrojanih  faktora  najznačajniji  je  faktor  predstavlja  sam  praha  odnosno 

njegove karakteristike jer on utiče na svih ostalih 14 nabrojanih faktora.  

 

Veličina čestica praha predstavlja najznačajni faktor kod miješanja praha. Generalno pravilo 

glasi  što  je  veća  ujednačenost  čestica  praha  ili mješavine  prahova  veća  je mogućnost  za 

dobijanje ujednačene mješavine. Veće  čestice  imaju  tendenciju da  se odvajaju od  smiješe 

tokom miješanja te ako  je moguće potrebno  ih  je odvojiti. Sprečavanja segregacije krupnih 

čestica  se  još  rješava  primjenom    vakuumskog  blendiranja  ili  mehaničke  ili  termalne 

Page 24: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

24 

aglomeracije  (tako  zvano difuziono  spajanje,  gdje  se  kurpne  čestice  raspoređuju udaljenje 

jedna od druge a prostor između njih popunjavaju sitnije čestice. 

 

Oblik  čestica  također  značajno  utiče  na  homogenost  smiješe  praha.  Na  slici  18.  su predstavljeni neki od osnovnih oblika čestica.  

 Slika 18. Neki od osnovnih oblika praha. 

Na  slici  19.  je  predstavljen  koeficijent  varijabilnosti  (standardna  devijacija  podijeljena  sa prosječnom  vrijednošću mjerene  osobine,  standardna  devijacija  se  opisuje  kao  statistička vrijednost koja govori koliko koncentracija  jedne komponente mješavine varira od  stvarne koncentracije koja definiše smjesu) smiješe praha 90% Fe i 10% Cu za različite oblike čestica i različite  veličine  čestica.  Za  sferni  obli  čestica  kvalitet  smiješe  se  brzo  povećava  (manji koeficijent  varijabilnosti)  ali  dolazi  do  segregacije  čestica  kako  se  vrijeme  miješanja produžuje. Segregacija se čestica je značajnija što je vrijeme miješanja duže pošto dolazi do akumulacije  elektrostatičkog  elektriciteta,  ovaj  problem  se  obično  rješava  sa  dodavanje malih količina vode u mješavinu. 

Page 25: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

25 

 

Slika 19. Uticaj veličine i oblika čestica na vrijeme miješanja, a) Cu od 200 do 300 µm; Fe, <63 µm sferni oblik, b) Cu od 200 do 315 µm; Fe od 100 do 200 µm sfeni oblik, c) Cu od 200 do 315 µm; Fe <63 µm ne regularni oblik čestica, d) Cu od 

200 do 315 µm; Fe od 100 do 200 µm ne regularni obli čestica. 

Gustina praha predstavlja je dugoročni problem blendiranja i miješanja zbog razlike u gustini 

praha koji se procesuira. Čestice praha sa manjom gustinom imaju tendenciju da se skupljaju 

na vrhu mase dok gušće čestice tonu na dno. 

  

Kvalitet praha se povećava kako se povećava broj kontakata  između različitih komponentni 

mješavine. Na  slici  20.  su  predstavljene moguće  raspodijele  praha.  Pod  a)  je  predstavljen 

izgled  teorijski  najhomogeniji  raspodjele  praha  gdje  je  svaka  čestica  praha  u  kontaktu  sa 

susjednom česticom, pod b) je prikazana aglomerirani prah gdje su čestice praha grupirane i 

između  grupa  postoji  značajan  prazan  prostor,  pod  c)  je  predstavljen  praktično  mogući 

ostvariv rezultat miješanja, dok  je pod d) predstavljen  izgled ne  izmiješanog praha. Kvalitet 

smiješe  se određuje  komparacijom  sirove  smiješe  i  izmiješana  smiješe,  sa aspekta na broj 

kontaktnih površina. 

Slika 20. Moguće raspodjele praha.

Page 26: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

26 

Između velikog broja miksera (mješača) koji su dostupni na današnjem tržištu najčešći su: v 

mikser  i mikser  sa  duplim  konusom. Mikser  sa  duplim  konusom  sastoji  se  od  cilindričnog 

bubnja koji  je skošen na krajevima, koji se  rotira oko horizontalne ose, ova  rotacija  izaziva 

kontinuirano  kretanja  praha  unutar  miksera  koji  se  ravnomjerno  raspoređuje  tokom 

miješanja. Primjenom ovih mješača ne dolazi do smanjenja veličine zrna praha. 

V mješač  radi na  istom principu kao  i mješač sa duplim konusom  jedina  razlika  je u obliku 

mješača.  

Na slici 21. su predstavljeni osnovni tipovi mješača praha, pod a) mješač sa duplim konusom, 

b) V mješač, c) kubni mješač i d) horizontalni mješač. 

 

 

Slika 21. Osnovni tipovi mješača praha. 

Tokom procesa miješanja praha u prah  se dodaju  lubrikanti koji  imaju osnovni  zadatak  za 

smanje  trenje prilikom presanja praha u  kalupe.  Lubrikanti mogu biti u  tečnom  i  čvrstom 

stanju,  tečnu  lubrikatnu su ulja  i masti dok se kao  čvrsti  lubrikanti koriste grafitni prahovi. 

Lubrikanti mogu značajno uticati na proces presovanja praha  i sinterovanja  iz  toga  razloga 

bitno  je  obezbjediti  optimalnu  količinu,  kompoziciju  i  strukturu  lubrikanta  ne  samo  zbog 

smanjenja  trena  tokom  presovanja  nego  zbog  sprečavanja  oksidacije  praha,  održavanja 

ravnomjerne  gustine  praha,  održavanja  tečenja  praha,  definisanih  promjena  dimenzija 

tokom sinterovanja i maksimalnih i konzistentnih mehaničkih osobina gotovog komada. 

 

Page 27: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

27 

1.5Formiranjeoblika. 

Formiranje oblika ili presovanje praha ima slijedeće zadatka: 

1. Formiranje oblika finalnog proizvoda 

2. Određivanje  dimenzija  finalnog  proizvoda  uz  korekciju  dimenzija  zbog  promjene 

dimenzija prilikom sinterovanja 

3. Određivanje željene poroznosti zelenog komada 

4. Određivanje adekvatnih mehaničkih osobina zelenog komada zbog manipulacija koje 

se odvijaju prije sinterovanja. 

Presanje  u  kalupe  je  najčešće  korišteni metod  u  formiranju  oblika  finalnog  proizvoda  u 

metalurgiji praha. Gustina od 90% finalne gustine može se postići presovanjem samo  jedan 

puta sa trajanjima za manje komada od nekoliko sekundi. 

Prah ne reaguje kao fluid na sabijanje, trenje  između praha  i kalupa  i trenje  između čestica 

praha ometa ravnomjeran prenos pritiska.  

Tehnike presovanja  se mogu okarakterisati u odnosu na  kretanje  individualnih  elemenata 

prese,  donji  klip,  gornji  klip  i  kalup.  Sabijanje  sa  fiksnim  kalupom može  se  podijeliti  na 

sabijanje sa jednosmjernim dejstvom i sabijanje sa dvosmjernim dejstvom  

 

Slika 22. Jedno smjerno i dvo smjerno sabijanje. 

Kod  jednosmjernog sabijanja donji klip  i kalup su nepokretni  i operacija sabijanja se  izvodi pomoću gornjeg klipa. Zbog trenja koje se  javlja  između praha  i kalupa kao  i trenja  između četica smog praha zeleni komad ima veću gustinu na površini nego na dnu. Kod dvosmjernog presovanja jedini nepokretni dio prese je kalup i operacija sabijanja se izvodi sa oba cilindra koja u isto vrijeme sabijaju prah. Ovim načinom sabijanja dobija se ista gustina prana na vrhu i dnu zelenog komada, samo njegov unutrašnji srednji dio ima manju gustinu. 

Page 28: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

28 

Generalno prese za sabijanje praha se mogu podijeliti na mehaničke i hidrauličke. Kod većine mehaničkih presa glavni  izvor energije za sabijanje  je motor koji pokreće zamajac. Zamajac je montiran na brzo obrtnu osovinu, kvačilo i kočnica su montirani na drugo vratilo i pomoću njih  se  kontroliše proces. Da bi  se odvio proces  sabijanja otpušta  se  kočnica  a  aktivira  se kvačilo te energija koja je akumulirana u zamajcu se prenosi preko obrtnog momenta na klip prese.    Kvačilo  se  obično  aktivira  pomoću  pneumatski  cilindara  a  deaktivira  se  pomoću opruga,  dok  se  kočnica  aktivira  pomoću  opruga  a  deaktivira  se  pomoću  pneumatskih cilindara, ovom  izvedbom omogućeno  je  zaustavljanje prese u  slučaju nestanka električne energije  odnosno  komprimiranog  zraka.  Prenosni  mehanizmi  mogu  biti  jednostepeni  i dvostepeni zavisno od potrebne snage prese. Jednostepeni mehanizmi se koriste za prese do 50 [t] sa brzinom od 50 [sabijanja/min]. Dvostepeni prenosni mehanizmi se koriste za prese iznad 50 [t] sa maksimalnim brzinama do 30 [sabijanja/min].  

 

Slika 23. Prenos energije kod mehaničkih presa. 

Još  jedan  tip mehanički  presa  jesu  prese  sa  bregastim mehanizmom,  njihov  kapacitet  je 

ograničen  na  100  [t].  Glavno  vratilo  prese  ima  dva  bregasta mehanizma  jedan  upravlja 

donjim  klipom  a  drugi  gornjim  klipom.  Bregasti mehanizam  koji  upravlja  donjim  klipom 

također upravlja i doziranjem praha u kalup i izbacivanjem zelenog komada.   

 

Slika 24. Presa sa bregastim mehanizmom. 

Page 29: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

29 

Hidrauličke  prese  su  dostupne  u  rasponu  od  50  do  1250  [t]  kao  standardni  proizvodi, 

također  postoje  specijalne  izvedbe  sa  kapacitetom  od  5000  [t].  Hidrauličke  prese mogu 

proizvesti duže  zelene  komade nego mehaničke prese,  također  su  jeftinije od mehaničkih 

presa. Maksimalna dunina punjenja praha dok mehaničkih presa  je oko 180  [mm] dok kod 

hidrauličkih presa ta dubina iznosi 380 [mm]. Maksimalni kapacitet hidrauličkih presa je oko 

650  [sabijanja/min].  Hidrauličke  prese  koje  se  koriste  za  presanje  dugih  dijelova  rade  sa 

nešto sporijom brzim zbog omogućivanja zarobljenom zraku u komadu da izađe kroz otvore 

na kalupu. Hidrauličke prese imaju tri brzine rada, visoka brzina sa minimalnom silom i koristi 

se za uspostavljanje kontakta između klipa i komada, srednja brzina sa 50% sile prese koristi 

se za početni stadiji presanja  i spora brzina za  finalizaciju sabijanja gdje se koristi puna sila 

prese.  Kada  se  sabijaju  komadi  na  određenu  debljinu  koriste  se mehanički  prekidači  koji 

ograničavaju hod klipa. Kada se sabiju komadi na određenu gustinu koristi se pritisak cilindra 

kao mjerilo gotovosti procesa, kada pritisak u cilindri dostigne zadanu vrijednost hod klipa se 

zaustavlja.  Pogonski  motor  kod  hidrauličkih  presa  su  značajnije  veći  od  motora  kod 

mehaničkih presa. Kod mehaničkih presa zamajac sprema energiju koja se koristi za proces 

sabijanja i ta energija se obnavlja tokom procesa punjenja kalupa. Dok kod hidrauličkih presa 

motor obezbjeđuje konstantnu energiju i kod sabijanja i kod punjenja kalupa.  

Potrebna sila sabijanja se određuje na osnovu pritiska koji je potreban da bi se dio sabio na 

određenu gustinu  i   površine dijela. Grafici sa odnosom pritiska P na gustinu q se određuju 

eksperimentalno  sabijanje  cilindara  određene  visine  L  i  određenog  prečnika  D.  Za  deblje 

dijelova sila sabijanja se mora povećati do čak 25% za odnos dužina naspram prečnika 4/1 da 

bi  se  dobila  odgovarajuća  gustina.  Potrebni  pritisak  sabijanja  se  može  odrediti  sa 

korekcionim faktorom k preko slijedećeg izraza. 

 

1  

gdje je P pritisak sabijanja za duže dijelove a P1 pritisak sabijanja za standardne dijelove (gdje 

je L=D). Faktor k se određuje preko izraza: 

 

0,253 1

0 1 

 

Za dijelove koji nisu cilindrični određivanje odnosa L/D se vrši preko izraza: 

 

 

gdje  je V  zapremina  tijela  a A površina poprečnog presjeka.  Sila potrebna  za  sabijanje  se 

dobija množenjem pritiska sabijanja i površine poprečnog presjeka komada. 

Page 30: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

30 

Materijal  Pritisak [MPa] 

Alminium  70‐275 

Mesing  400‐700 

Bronca  200‐275 

Željezo  350‐800 

Tantal  70‐140 

Volfram  70‐140 

Alminium oksid  110‐140 

Ugljik  140‐165 

Karbidi  140‐400 Tabela 2. Pritisci sabijanja nekih materijala. 

MPIF  (Metal  Powder  Industries  Federation)  je  klasificirala  proizvede  prema  njihovoj kompleksnosti,  klasa  I  proizvodi  koji  su  jednostavni  pa  do  klase  IV  u  kojoj  se  nalaze najkomplikovaniji proizvodi. Debljina komada  i geometrijske karakteristike koje se okomite na smjer sabijanja komada određuju pripadnost određenoj klasi.  U klasu I spadaju dijelovi sa geometrijskim osobinama prvog nivoa koji se sabijaju odozgo ili odozdo i imaju manje promjene gustine u komadu. Najveća gustina komada je na vrhu gdje se ostvaruje kontakt  između komada  i klipa prese a najmanja na dnu. Dijelovi sa završnom debljinom od 7,5 [mm] se mogu proizvesti ovom metodo bez značajnih razlika u gustini.  

.

Slika 25. I klasa dijelova. 

U klasu II spadaju dijelovi sa geometrijskim osobinama prvog nivoa koji se sabiju na presama 

dvosmjernim  dejstvom. Najmanja  gustima  komada  je  u  sredini  dok  je  najveća  gustina  na 

vrhu i dnu komada. 

Page 31: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

31 

 

Slika 26. II klasa dijelova. 

U klasu III spadaju dijelovi sa geometrijskim osobinama drugog nivoa, različitih debljina koji 

se  sabijaju  na  presama  sa  dvosmjernim  dejstovm,  odvojene  operacije  su  potrebne  za 

sabijanje geometrijskih nivoa. 

 

Slika 27. III klasa dijelova. 

U klasu IV spadaju dijelovi sa geometrijskim osobinama visokog nivoa, različitih debljina koji 

se  sabijaju  na  presama  sa  dvosmjernim  dejstovm,  odvojene  operacije  su  potrebne  za 

sabijanje geometrijskih nivoa.  

 

Slika 28. IV klasa dijelova. 

Page 32: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

32 

1.6Sinterovanje. 

Prema [1] sinterovanje je tehnika koja se koristi za proizvodnju materijala i dijelova sa 

kontrolisanom  gustinom  pomoću  metalnih  ili  keramičkih  prahova  primjenom  termalne 

energije.  

Prema  [2]  sinterovanje  se  može  posmatrati  kao  proces  u  kome  se  jedan  skup  čestica, 

presovan pod pritiskom ili jednostavno zarobljen u kućištu, hemijski veže u koherentno tijelo 

pod uticajem povišenih temperatura.  

Sinterovanje se može podijeliti u dvije vrste sinterovanje u  čvrstom stanju  i sinterovanje u 

tečnom  stanju.  Sinterovanje  u  čvrstom  stanju  se  veže  za  procese  sinterovanja  kada  prah 

sabijen u  kalupu ne prelazi u  tečno  stanje  tokom  sinterovanja dok  sinterovanje u  tečnom 

stanju se veže za procese gdje prah prelazi u  tečno stanje  tokom sinterovanja. Na slici 29. 

predstavljen  je  dijagram  procesa  sinterovanja.  Na  temperaturi  T1  odvija  sinterovanje  u 

čvrstom stanju, podizanjem temperature procesa na T3   sinterovanje prelazi u tečno za  isti 

sastav  praha.  Uz  ove  dvije  vrste  sinterovanja mogu  se  identificirati  još  i  sinterovanje  u 

tranzijentnoj tečnoj fazi  i viskozno sinterovanje. Viskozno sinterovanje se pojavljuje kada  je 

zapremina tečnog praha dovoljna velika da prah počinje da teče ali bez promjene oblika zrna 

u procesu. Tranzijentno sinterovanje je kombinacija sinterovanja u tečnom i čvrstom stanju. 

Primjer tranzijentnog sinterovanja na slici 29. je označen sa temperaturom T2 gdje se proces 

odvija  iznad  eutetske  temperature  ali  ispod  solidus  linije.  Pošto  je  temperatura  T2  iznad 

eutetske  temperature  tečna  faza  se  formira  kroz  reakciju  A  i  B  vrste  praha  tokom 

zagrijavanja. Tokom procesa sinterovanja nestaje tečna faza i ostaje samo čvrsta faza. 

Slika 29. Dijagram procesa sinterovanja

Page 33: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

33 

Na  slici  30.  predstavljena  je  mikrostruktura  parcijalno  sinterovanog  praha.  U  oba  tipa 

sinterovanja  u  finalnoj  fazi  dolazi  do  izolovanja  pora,  na  izolovanje  pora  koje  se  javljaju 

između čestica praha troši se najviše vremena  procesu sinterovanja.  

 

Slika 30. Mikrostruktura praha tokom procesa sinterovanja a) sinterovanja u čvrstom stanju (Al2O3), b) sinterovanje u tečnom stanju (98W‐1Ni‐1Fe) 

Pogonska  sila  sinterovanja  jeste  redukcija ukupne površinske  energije. Ukupna površinska 

energija sabijenog praha se izražava sa γA gdje je γ specifična površinska energija a A ukupna 

površina sabijenog praha. Redukcija ukupne energije može se predstaviti sa: 

 

Δ Δ Δ  

 

Promjena površinske energije Δγ se odnosi na povećanje gustine sabijenog praha dok se ΔA 

odnosi na rast zrna koji se  javlja tokom procesa sinterovanja. Veličina zrna praha varira od 

0,1 do 100 [µm] površinska energija praha varira od 0,5 do 500 [J/mol], iz ovoga se vidi da je 

Page 34: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

34 

proces sinterovanja nisko energetski proces, te  je veoma osjetljiv na temperaturu, vrijeme, 

pritisak,  atmosferu,  grijanje,  hlađenje  itd.  Najznačajni  faktori  su  temperatura,  vrijeme  i 

atmosfera.  

 

Slika 31. Tranformacije energije u procesu sinterovanja. 

Do  sinteriranja  i  spajanja  zrna praha dolazi uslijed  smanjivanja površinske energije  čestica 

praha  te brzog  kretnja  sadržanih  atoma pri  visokim  temperaturama u  zoni dodira  čestica. 

Sam proces sinterovanja može se podijeliti u tri koraka, prvi inicijalizirano je spajanje čestica 

u  tačkama dodira, drugi  tačke dodira prerastaju u „vrat“,  treći smanjuju se dimenzije pora 

između čestica praha i u zonama vrata formiraju se granice zrna   

 

Slika 32. Promjene oblika zrna u procesu sinterovanja. 

Page 35: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

35 

Tokom  procesa  sinterovanja  dolazi  do  smanjenja  polaznog  komada  ili  zelenog  komada. 

Smanjenje  zelenog komada  je posljedica  smanjenja praznog prostora  između  zrna. Na  slici 

33. predstavljen  je dijagrama  smanjenja komada  tokom procesa  sinterovanja. U polaznom 

stadiju sabijeni zeleni komad  je porozan prostor  između zrna zauzima određen dio njegove 

zapremine.  Tokom  procesa  sinterovanja  dolazi  do  spajanja  zrna  i  smanjena  slobodnog 

prostora između njih što za posljedicu ima i smanjenje komada.  

 

Slika 33. Dijagram smanjena polaznog komada tokom procesa sinterovanja. 

 

Proces sinterovanja se odvija u pećima za sinterovanje, te se odvija u seriji balansiranih faza 

koje se razlikuju u temperaturi, vremenu trajanja, atmosferi itd. Peći za sinterovanje su slične 

pećima  za  termičku  obradu  čelika.  Značajna  razlika  između  peći  za  sinterovanje  i  peći  za 

termičku obradu  jeste u odabiru  atmosfere u  kojoj  se proces  sinterovanja odvija.  Sabijani 

prah je veoma porozan tako da je veća površina izložena uticaju atmosfere nego kod čvrstog 

komada. Temperature sinterovanja su značajno veće nego kod  termičke obrade  tako da  je 

mogućnost oksidacije veća. Na slici 34. je predstavljen izgled peći za sinterovanje sa četri faze 

kroz koje prolazi zeleni komad. Te četiri faze su zona pregrijavanja, sinter zona, zona sporog 

hlađenja i zona brzog hlađenja. 

 

 

Slika 34. Peć za sinterovanje. 

 

Page 36: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

36 

Zona pregrijavanja.  Funkcija pregrijavanja  jeste uklanjanje  lubrikanata  iz  zelenog  komada, 

ova zona se zove još zona delubrikacije ili zona sagorijevanja. Lubirkanti koji se obično koriste 

su  na  bazi  cinka,  aliminiuma,  parafina  itd.  Koriste  se  zato  što  imaju  veoma  nisku  tačku 

topljenja oko 220 [oC], na žalost temperatura predgriavanja nije oko 430 [oC], nego oko 1010 

[oC],  zbog poteškoća  koje  se  javljaju pri  isparavanju  lubrikanata  iz praha. Te poteškoće  su 

vezane  za  povećanje  gustine  zelenog  komada  tokom  početka  procesa  pregrijavanja.  Rast 

temperature  u  zoni  pregrijavanja  je  postepen  sa  ciljem  sprečavanja  razaranje  zelenog 

komada.  Tokom  procesa  zagrijavanja  zelenog  komada  u  zoni  predgrijavanja  dolazi  do 

topljenja  lubrikanta  i  njegovog  kretanja  kroz  pore  komada  ka  površini  gdje  se  njegova 

temperatura dodatno  povećava nakon  čega dolazi do  isparavanja  lubrikanta. Dužina  zone 

predgiravanja  je  obično  od  50  do  100%    zone  sinterovanja. Ova  zona  se može  zagrijavati 

pomoću električnih grijača ili pomoću gasa. 

 

Lubrikant  Hemiska formula  Temperatura topljenja [oC] 

Na bazi cinka  Zn(C18H35O2)2 130 

Na bazi litiuma  LiC18H35O2  221 

Na bazi parafina  C22H46 40 Tabela 3. Tačke topljenja pojednih lubrikanata. 

Zona  sinterovanja.  Funkcija  zone  sinterovanja  jeste  da  veže  indivudualne  čestice  praha 

jednu za drugu. Sinter zona  je dizajnirana  tako da pred sinterovanja dostigne  temperaturu 

sinterovanja u što kraćem roku  i ostanje u njoj dok se čestice ne povežu  jedna sa drugom  i 

legirajući  elementi  ne  rasporede  unutar  rešetke  praha.  Temperatura  sinter  zone  za 

konvencionalne željezne prahove  je oko 1177  [oC] a za  legure nikla  i kroma oko 1300  [oC]. 

Dužina zone sinterovanja  je obično do 100 do 200% zone pregrijavanja.   Sinter zona u peći 

može biti otvorena  i obložena. Otvorene  zone  sinterovanja  izlažu  ciglu peći  i elemente  za 

zagrijavanje  sa  atmosferom  peći  i  ne  omogućuju  kontrolu  ugljika  u  atmosferi.  Obložene 

sinter  zone  su  dizajnirane  sa  izolacionim  oblogama  najčešće  od  keramike,  izvode  se  u 

modularnom  principu  kako  je  prikazano  na  slici  35,  prilikom  spajanja  provjerava  se 

zapitivanje između modula sa ciljem osiguravanja od kontakta vanjskim zrakom. Sinter zona 

se može grijati pomoću električnih grijača  ili pomoću plinova. U koliko se zagrijava pomoću 

plinova  onda  se  koriste  izolovane  sinter  zone  zbog  sprečavanja  sagorjelog  gasa  da 

kontaminira atmosferu sinter zone. 

 

Slika 35. Obložena sinter zona peći. 

Page 37: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

37 

Zona  sporog  hlađenja.  Funkcija  ove  zone  u  sinter  peći  jeste  da  potpomogne  razvoj 

miksrostrukture  odnosno  da  smanji  temperaturni  stres  koji  bi  mogao  nastati  ako  bi  se 

zagrijani komad naglo izloži hladnijoj temperaturi 

 

Zona brzog hlađenja. Funkcija zone brzog hlađenja  jeste da ohladio dio  ispod temperature 

oksidacije, dok se on još nalazi u peći odnosno u zaštićenoj atmosferi, prije nego što izađe iz 

peći  i  stupi  u  kontakt  sa  vanjskom  atmosferom.   Obično  se  hlađenje  vrši  pomoću  vode  i 

izvedeno je tako da hladna voda kruži oko sekcija za hlađenje, nije u direktnom kontaktu sa 

dijelom,  i  izmjena toplote se vrši preko zračenja, sa ograničenom  izmjenom koja se dešava 

provođenjem toplote preko mehanizma za transport predmeta sinterovanja. Zona hlađenja 

je duga od 100 do 250% zone sinterovanja. 

 

Slika 36. Izgled sekcija za hlađenje. 

 

 

Slika 37. Različite izvedbe peći sa aspketka na transport komada korz peć. 

Page 38: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

38 

Uloga zaštitne atmosfere kod sinterovanja ima slijedeće funkcije: 

Sprečavanja ulaska zraka u peć 

Sprečavanje oksidacije čestica praha 

Upravljanja sadržajem karbona  

Uklanjanje viška karbona u nekim aplikacijama 

Ravnomjerno uklanjanje toplote tokom hlađenja 

Pošto  atmosfera  sinteovanja  značajno utiče na proces,  sinterovanja  se nikada ne  izvodi u 

atmosferi  zraka  ili  nekoj  drugoj  atmosferi  koja  je  bogata  oksigenom.  Osnovna  funkcija 

zaštitne atmosfere je ste da zaštiti metalni prah od kontakta sa zrakom, odnsono da spriječi 

oksidaciju  metalnih  prahova.  Pored  zaštite  od  oksidacije  atmosfera  pruža  ravnomjernije 

grijanje komada tokom sinterovanja kao i ravnomjerno hlađenje tokom procesa hlađenja.  

Materijal  Temperatura sinterovnja 

Aluminij i legure  590‐620 

Bronza  740‐780 

Mesing  890‐910 

Novo srebro  860‐930 

Željezo  1120‐1280 

Željezo‐bakar  1120‐1280 

Željezo‐bakar‐nikl  1120‐1280 

Željezo ugljik  1120 

Željezo‐bakar‐ugljik  1120 

Željezo‐bakar‐ugljik‐nikl  1120 

Željezo‐bakar‐nikl‐molibden  1120‐1200 

Željezo‐mangan  1280 

Željezo‐krom  1200‐1280 

Željezo‐mangan‐bakar  1120 

Željezo‐krom‐bakar  1200‐1280 

Željezo‐kromkarbid  >1280 

Željezo‐vanadiumkarbid  >1280 

Željezo‐volframkarbid  >1280 

Željezo‐mangan‐krom‐molibden‐ugljik  >1280 

Željezo‐mangan‐vanadij‐molibden‐ugljik  >1280 

Željezo‐krom‐nikl  1200‐1280 

Željezo‐krom  1200‐1280 

Volfram legure  1400‐1500 

Tvrdi metali  1200‐1400 Tabela 4. Temperature sinterovanja nekih materijala. 

 

 

 

 

 

 

Page 39: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

39 

1.7.Naknadneodrade. 

  Komponente  koji  se  proizvode  sinterovanjem  obično  zahtijevaju  uže  tolerancije, 

povećanje mehaničke  osobine  ili  neke  druge  karakteristike  koje  se  ne mogu  dobiti  samo 

sinterovanjem. Operacije  kojima  se dobijaju poboljšane osobine dijelova  su  iste  kao  i  kod 

dijelova dobijenim ljevenjem ili kovanjem.  

Mašinska obrada sinterovanih dijelova se razlikuje od obrade dijelova dobijenih kovanje  ili 

ljevenjem  iz  razloga  što  sinterovani  dijelovi  imaju  veću  poroznost  nego  dijelovi  dobijeni 

kovanjem ili ljevenjem. Glavne razlike su: 

Kada se obrađuje porozan materijal visina rezanja je veoma značaj faktor pošto pore 

u materijalu stvaraju koncentracije naprezanja. 

Temperatura rezne oštrice izaziva oksidaciju proznih materijala. 

Poroznost površine povećaje vibracije alata. 

Gore  nabrojane  osobine  povećavaju  potrošnju  reznog  alata  kroz  povećano  adhezivno 

trošenje,  oksidaciju  alata,  povećan  zamor  alata  itd.  Na  primjer  obada  sinterovanog 

nehrđajućeg  čelika  se  pokazala  izuzetno  zahtjevna  zbog  pojave  karbida  unutar  njegovo 

strukture kao rezultat nepotpunog sinterovanja. Dijelovi dobijeni sinterovanjem alminijuma 

ukoliko  lubrikatni nisu u potpunosti uklonjeni u  toku predgrijavanja  značajno pogoršavaju 

njegovu  rezljivost.  U  slučaju  sinterovanih  bronci  koje  se  uglavnom  koriste  za  izradu 

samopodmazujućih  ležajeva  od  krucijalne  važnosti  je  dobiti  što  bolju  površni  ali  bez 

zatvaranja  pora.  Ovo  zahtjeva  korištenje  najoštrijih  alata  sa  što  manje  prolaza  i  sa  što 

manjom visinom rezanja. 

Kao rješenje gore nabrojanih poteškoća preporučuje se da se koriste slijedeća pravila: 

Tokarenje. Otkriveno  je da alati od karbida daju nabolje osobine prilikom  tokarenje 

sinterovanih dijelova. 

Bušenje. Prilikom bušenja sinterovanih dijelova preporučuje se korištenje karbidnih ili 

brzoreznih alata sa malom spiralom. 

 Narezivanje  navoja.  Preporučuje  se  upotreba  spiralnih  alata  iz  razloga  što  oni 

odbacuju strugotinu vani i sprečavaju njeno zavarivanje sa predmetom obrade. 

Glodanje. Glodanje predstavlja veliki problem za sinterovane dijelove zbog tendencija 

alata da „razmaže“ predmet obrade. Preporučuje se upotreba alata sa nezašiljenim 

vrhom. 

Brušenje,  honovanje  i  poliranje.  Ove  operacije  su  obično  završne  operacije  i  ne 

predstavljaju značajnije probleme za predmet obrade, iz razloga što se samo mali dio 

pora zatvori  tokom ove obrede.  Jedno od  rješenja  jeste da se ovi zahvati obave na 

komadu nakon predgrijavanja, odnosno nakon uklanjanja  lubrikanta pa tek onda da 

idu na sinterovanje. 

Page 40: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

40 

Impregnacija  uljem  ili  smolom  je moguća  zahvaljujući  povišenoj  poroznosti  sinterovanih 

dijelova. Ova operacija se koristi kod izrade samo podmazujućih ležajeva. Samopodmazivost 

se može ostvariti jednostavnim potapljanjem u ulje duže vrijeme. Istraživanja su pokazala da 

se najbolji  rezultati dobijaju pomoću  vakumske  impregnacije. Dijelovi  se  stavljaju u  kupke  

koje se postavljaju u vakumsku komoru  iz koje se  isisava sav zraka, nakon toga u kupke se 

sipa ulje, prosto  između zrna  isisavanjem zraka  je postao u potpunosti prazan te taj prosto 

sada zauzima ulje.  Impregnacija smolama se koristi sa ciljem povećanja gustine dijela to za 

posljedicu  ima  povećanju  rezljivost  predmeta.  Također  problemi  kod  niklovanja  proznih 

predmeta se riješavaju impregnacijom sa smolama. 

Tretman toplotom  je veoma značajna dodatna operacija na sinterovanim dijelovima. Uloga 

toplotnog tretmana jeste povećanje osobina kao što su tvrdoća, otpornost na zamor, žilavost 

itd. Tretman toplotom sinterovanih dijelova je ekvivalent termičkoj obradi livenih ili kovanih 

dijelova. 

Tretman  parom  obično  koristi  za  povećanje  tvrdoće  dijelova  dobijenih  sinterovanjem željeznih prahova. Tokom ovog procesa sve izložene površine su presvučene sa tvrdim slojem Fe3O4  oksida.  Tokom  proces  dijelovi  se  prvo  griju  na  temperaturu  od  370  [oC]  sa  ciljem uklanjanja vlage. Nakon  toga dijelova  se podvrgavaju djelovanjem pare na  temperaturi od 510 do 540 [oC]. Željezo u kombinaciji sa oksigenom u pari formira magnetit. Posebnu pažnju treba  obratiti  na  to  da  dijelovi  ne  budu  podvrgnuti  djelovanjem  pare  dok  njihova temperatura ne pređe 100 [oC] inače bi mogli zahrđati uslijed kondenzacije pare.  

Niklovanje se koristi za dodjeljivanje osobina površine predmeta koje ne mogu biti dobivene 

proizvodnjom  predmeta.  Predmeti  dobiveni  sinterovanje  su  više  izloženi  koroziji  nego 

predmeti dobiveni konvencionalnim postupcima. Prije niklovanja nekog predmeta obično se 

vrši  impregnacija  smolom  sa  ciljem  popunjavanja  unutrašnjih  pora  predmeta.  Sinterovani 

predmeti  mogu  također  biti  zaštićeni  i  pomoću  platine  ako  i  dijelovi  dobijeni 

konvencionalnim postupcima. Također  za  zaštitu površinskih  slojeva može  se koristiti  još  i 

bakar, krom  i kadmium. Serma Tel  Inc kompanija  iz SAD  je razvila aluminijsko presvlačenje 

sinterovanih dijelova koje ne zahtjeva  impregnaciju smolom kao ostali postupci  i daje bolje 

rezultate nego konvencionalni postupci. Predmeti se presvlače u gustoj smješi aluminijevog 

praha sa kiselom vodom koja služi kao vezivni element. Viskoznost ove smiješe je tako mala 

da  se  može  nanositi  kao  boja.  Mali  dijelovi  dobijeni  sinterovanje  se  obično  presvlače 

potapanjem u rastvor, vađenjem iz rastvore te rotacijom pri velikom brzini (od 700 do 1500 

[o/min]) koja ima za cilj uklanjanje viška presvlake. 

 

 

 

 

Page 41: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

41 

2.0Alatničelici.   

  Alatni čelici predstavljaju  legure željeza koje se koriste za proizvodnju alata  i kalupa 

koji se koriste za formiranje, oblikovanje i rezanje drugih materijala uključujući čelik, obojene 

metale i plastiku. Prema IASC (Iron and Steel Society) alatni čelici se definiše kao: 

 

„Alatni  čelici su karbonski,  legirani  ili brzorezni  čelici sposobni da budu otvrdnuti  i okaljeni. 

Obično se tope u električnih pećima i proizvode pod pravilima za proizvodnu alatnih čelika sa 

ciljem  zadovoljavanja  specijalnih  zahtjeva. Mogu  se  koristiti  za proizvodnju  ručnih alata  ili 

alata  za  odvajanje  strugotine,  kovanje,  formiranje  oblika  na  normalnim  i  povišenih 

temperaturama.  Alatni  čelici  se  koriste  u  širokom  spektru  aplikacija  gdje  su  otpornost  na 

trošenje, snaga, žilavost ili druge osobine odabrane ako optimalne performanse“ 

 

Ovaj  opis  govori  da  tehnologija  alatnih  čelika  prevazilazi  tehnologiju  ugljeničnih  i  nisko 

legiranih  čelika  koji  se proizvode u  većoj  tonaži  i mogu biti podvrgnuti povećanju  tvrdoće 

preko  kaljenja  i  termičke  obrade.   Ugljenični  i  nisko  legirani  čelici  se  proizvode  u  velikim 

razmjerama pomoću električnih peći i kontinuiranog ljevenja. Alatni čelici su specijalni čelici i 

zahtijevaju specijalni način proizvodnje zbog visoke koncentracije  legura  i njihove posebne 

mikrostrukture.  Velike  količine  alatnog  čelika  se  koriste  u,  ne  alatnim  aplikacija,  za 

proizvodnju opruga, dijelova motora,  ležajeva  i magnetnih komponenti zbog svojih odličnih 

mehaničkih osobina. 

 

U tabeli 5. su predstavljene karakteristike alatnih čelika u odnosu na druge čelike.  

Osobine Ugljenični 

čelici Legirani čelici 

Nehrđajući čelici 

Alatni čelici 

Gustina [1000 kg/m3]  7.85  7.85  7.75‐8.1  7.72‐8.0 

Modul elastičnosti [GPa]  190‐210  190‐210  190‐210  190‐210 

Poisson‐ov odnos  0.27‐0.3  0.27‐0.3  0.27‐0.3  0.27‐0.3 

Termalno širenje [10‐6/K]  11‐16.6  9.0‐15  9.0‐20.7  9.4‐15.1 

Tačka topljenja [°C]  1371‐1454 

Toplotna provodnost [W/m‐K]  24.3‐65.2  26‐48.6  11.2‐36.7  19.9‐48.3 

Specifična toplota [J/kg‐K]  450‐2081  452‐1499  420‐500 

Eletrična otpornost [10‐9W‐m]  130‐1250  210‐1251  75.7‐1020 

Vlačna čvrstoća [MPa]  276‐1882  758‐1882  515‐827  640‐2000

Granica tečenja [MPa]  186‐758  366‐1793  207‐552  380‐440 

Relativno produženje [%]  10‐32  4‐31  12‐40  5‐25 

Tvrdoća [Brinell 3000 kg]  86‐388  149‐627  137‐595  210‐620  

Tabela 5. Komparacija osobina čelika. 

Page 42: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

42 

Postoji mnogo  vrsta  alatnih  čelika  koji  se  razlikuju  po  svome  hemijskom  sastavu  i  koji  se 

koriste za  različite aplikacije. Postoje mnogi standardi, Američki AISI, Britanski BS, Fransuki 

AFNOR,  Njemački  DIN,  Japanski  JIS.    prema  kojima  se  proizvodi  alatni  čelik  i  označava. 

Standardni  alatni  čelici  se mogu  proizvesti  livenjem  ili metalurgijom  praha.  Proizvodnjom 

alatnih čelika pomoću metalurgije praha mogu se ostvariti hemijski sastavi koji se ne mogu 

dobiti  ni  jednom  drugom metodom  proizvodnje  čelika.  Prema  AISI  brojni  alatni  čelici  se 

klasificiraju u deset glavnih grupa prema polju primjene, hemiskom sastavu i tvrdoći.  

Definirajuća osobina  AISI oznaka  Značajne karakteristike 

Vodeno kaljenje  W  Kaljen vodom 

Alatni čelik za hladni rad (< 200 °C) 

O  Kaljen uljem 

A  Kaljen zrakom 

D Visok sadržaj karbona; Visok sadržaj kroma 

Otporan na udare  S   

Brzorezni čelik T  Volframova baza 

M  Molibdenova baza 

Alatni čelik za topli rad (>200 °C)  H H1–H19: kromova baza H20–H39: volframova baza H40–H59: molibdenova baza 

Čelici za plastične kalupe  P P1–P19 nisko ugljenični P20–P39 ostali 

Posebne svrhe  L  Karbon volfram Tabela 6. Označavanja alatnih čelika. 

Zbog malog prisustva legura u grupi „W“, vodom kaljen alatni čelik sa 0,6 do 1,4 % C, samo 

željezni kabridi su prisutni kod ove grupe čelika. Dodavanjem male količine kroma dobija se 

povećanja tvrdoća i povećana otpornost na trošenje. Dodavanjem vanadiuma dobiva se bolja 

struktura  zrna  što  za  posljedicu  ima  povećanje  žilavosti.  Čelici  iz  grupe  „W“  zbog malog 

prisustva  legura  imaju  lošu otpornost na omekšavanje pri povišenih  temperaturama,  te  je 

upotreba  čelika  iz grupe  „W“ ograničena na hladne mašinske operacije  kao  što  su hladno 

presanje, kovanje, obrada drveta itd. 

Grupa „O“ uljem kaljeni alatni čelici („O1“,0,9%C, 1,0%M, 0,5%Cr, 0,5%W) više su legirani od 

čelika iz grupe „W“ te zbog toga mogu biti kaljeni u ulju, gdje je proces kaljenja dosta blaži, te 

se koristi za sprečavanja nastanka pukotina  i promjene dimenzija. Koriste se za  izradu alata 

za  probijanje,  prosijecanje,  presanje  itd.  Čelici  iz  grupe  „O“    se  također  koriste  za  izradu 

dijelova  kao  što  su  bregasti  mehanizmi,  čahure,  vodilice  kao  i  za  izradu  priključaka  na 

mjernim  instrumentima.  Čelici  iz ove  grupe  imaju  veću  tvrdoću na niskim  temperaturama 

zbog  viske  koncentracije  karbona.  Kao  i  čelici  iz  grupe  „W“  nisu  predviđeni  za  rad  na 

povišenim temperaturama zbog omekšivanja. 

Zrak  kaljeni  alatni  čelici  pripadaju  grupi  „A“  („A2“,  0,95‐1,05%C,  4,75‐5,50%Cr,  0,90‐

1,40%Mo,  0,14‐0,50%V),  sadrže  značajnu  količinu  legirajućih  elemenata  posebno  kroma, 

Page 43: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

43 

molibdena  i  vanadijuma  koji povećavaju  tvrdoću  čelika. Manje dimenzionalni poremećaji  i 

niska tendencija pucanja tokom kaljenja zrakom su glave prednosti ovih čelika. Koriste se za 

izrade alata za rad na niskim temperaturama pri sječenju, probijanju, prosijecanju itd. 

Grupa  „D“  predstavlja  alatne  čelika  sa  viskom  koncentracijom  karbona  i  kroma  („D2“, 

1,50%C,  12%Cr,  1,0%V,  1,0%Mo). Ovi  čelici  imaju  visoku  otpornost  na  abraziju  i  trošenje, 

koje  su  obezbjeđenje  prisustvom  velike  čelike  količine  legiranih  karbida  pored  karbonom 

zasićenog  martenzita.  Primarni  karbidi  legura  koji  formiraju  etutičku  mrežu  tokom 

očvršćivanja  ostaju  ne  otopljeni  tokom  austenizacije.  Visoka  koncentracija  kroma  koja  je 

dijelom  rastvorena  u  matrici  željeza  omogućava  formiranje  martenzita  tokom  hlađenja 

zrakom.  Alati  koji  se  prave  od  čelika  iz  grupe  „D“  se  koriste  u  aplikacijama  gdje  potreba 

visoka otpornost na abraziju kao što  je duboko prosijecanje, presovanja praha, narezivanje 

navoja, poliranje, sječenje  itd. Rezanje  i brušenje  čelika  iz grupe „D“ predstavlja problem  i 

veoma je skupo zbog visoke otpornosti na abraziju.  

U  grupu  „H“  spadaju  alati  koji  su  izloženi  visokim  temperatura  tokom  rada,  te  postoji 

nekoliko vrsta čelika koji sadrže značajno više legura koje omogućavaju zadržavanje tvrdoće 

pri  povišenih  temperaturama.  U  ovo  grupu  spadaju  čelici  koji  su  prvenstveno  legirani 

kromom  (H13,  0,32‐0,4%C,  5,13‐5,25%Cr,  1,33‐1,4%Mo,  1,0%Si,  1%V),  volframom  (H22, 

0,30‐0,40%C,  0,15‐0,40%Mn,  0,15‐0,40%Si,  1,75‐3,75%Cr,  0,3%N,  10,00‐11,75%W,  0,25‐

0,50%V,  0,5%Cu)   i molibdenom  (H42,  0,55‐,070%C,  0,15‐0,40%Cr,  0,3%N,  4,50‐5,50%Mo, 

5,50‐6,75%W, 1,75‐2,20%V, 0,25%Cu, 0,03%P, 0,03%S) 

Čelici iz grupe „T“ i grupe „M“ spadaju u brzorezne čelike koji se koriste za aplikacija brzog rezanja. Molibden grupa „M“  (M2, 0,85‐1,00%C, 4,0%Cr, 2,0%V, 6,0%W, 5,0%M)  i volfram (tungesten)  grupa  „T“  („T1“  0,75%C,  4,0%Cr,  1,0%V,  18,0%W)  imaju  otprilike  iste performanse. Međutim  zbog  činjenice  da  pola  težine  procentualnog  udjela molibdena  je potrebno da bi se dobile iste osobine kada se molibden zamijenio volframom alatni čelici na bazi  molibdena  pružaju  značajnije  uštede.  Iz  toga  razloga  brzorezni  čelici  koji  se  danas proizvode i koriste su varijante legiranja molibdenom i ako je brzorezni čelik na bazi volframa prvi proizveden. Brzorezni  čelici na bazi volframa također sadrže određene količine kroma, vanadija i kobalta. Velika količina legirajućih elemenata, od koji je većina feritni stabilizatori, je odgovorna  za veliku  tvrdoću  čelika  iz grupe  „T“.  Čelici  iz ove grupe  se koriste  za  izradu alata  za  rezanje,  bušenje,  glodanje,  također  se  koriste  za  izradu  alata  za  probijanje  i prosjecanje kao i dijelova za visokozahtjevne uređaje kao što ležajevi i dijelovi pumpi u avio industriji.  Čelici  iz  grupe  „M“  pored molibdena  sadrže  nešto  volframa,  kroma,  vanadija  i kobalta.  Otpornost  na  trošenje  se  povećavanja  povećanjem  udjela  ugljika  i  vanadija. Dodavanjem  kobalta  povećava  se  tvrdoća materijala  na  povišenim  temperaturama  ali  se smanjuje  žilavost  materijala.  Brzorezni  čelici  na  bazi  molibdena  imaju  tendenciju dekarbonacije prilikom pregrijavanja  te podešavanje  i kontrola  temperature austenizacije  i atmosfere  je  kritični problem pri proizvodni brzoreznih  čelika  iz  grupe  „M“. U  grupu  „M“ spadaju  također  neki  od  super  tvrdih  alatnih  čelika  (M42,  1,10%C,  3,75%Cr,  1,15%V, 1,50%W, 9,50%Mo, 8,0%Co)  kod  kojih  tvrdoća dostiže  i do 70  [HRC]. Ovi  čelici  imaju  veći udio karbona i veću količinu karbida što rezultira u velikom zapreminskom udjelu primarnih legirajućih  karbida. Dodatno  sekundarni  legirajući elementi  formiraju  svoje  karbide  tokom 

Page 44: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

44 

kaljenja.  Zbog  visokog  udjela  legurijućih  elemenata  žilavost  je  značajno  smanjena.  Iz  toga razloga ovi  čelici  se  termički obrađuju  za  tvrdoću manju od maksimalne moguće  sa  ciljem povećanja žilavosti.  Postoji nekoliko grupa alatnih čelika za specijalne namjene kao što su čelici otporni na udar grupa „S“, nisko legirani namjenski čelici grupa „L“ i čelici za kalupe grupa „P“.   Glavni legirajući element čelika iz grupe „S“ su magnezij i silikon (S1, 0,5%C, 1,5%Cr, 2,5%W). Elementi koji  formiraju karbide kao  što  su krom, volfram  i molibden  se  također dodaju  sa ciljem povećanja tvrdoće. Udio karbona  je na veoma niskom nivou  ispod 0,5% što rezultira malim udjelom karbona u martenzitu.   Nisko  legirani  namjenski  čelici  iz  grupe  „L“  (L2,  0,5–1,1%C,  1,0%Cr,  0,2%V  )  su  uglavnom koriste za izradu dijelova kao što su vratila, bregasti mehanizmi, stezne glave itd. također  se koriste za izradu drugih dijelova specijalne namjene gdje tada sadrže manje količine karbida formiranih nikla, molibdena, volframa itd.  Čelici  za  kalupe  iz  grupe  „P“  (P2,  0,10%C  maksimalno,  0,1–0,4%Mn,  0,1–0,4%Si,  0,75–1,25%Cr,  0,1–1,5%Ni,  0,15–0,40%Mo)  sadrže  pored  ugljika  do  5%  kroma  i  4%  nikla.  Zbog malog udjela karbona ovi čelici  imaju veoma malu tvrdoću što omogućava  izradu kalupa od ovih  čelika pomoću hladnog  kovanja. U ovu grupu  čelika  također  spadaju  čelici  sa  velikim udjelom  kroma  do  27%  koji  pružaju  veliku  otpornost  na  koroziju.  Čelici  iz  ove  grupe  se koriste  za  izradu  kalupa  za nisko  temperaturno  ljevenje  kao  i  za  izradu  kalupa  za  ljevenje plastike.  Postoji mnogo  čelika koji se proizvode po ovom standardu ali  također postoji  čelici koji ne spadaju ni u  jednu od grupa  i prodaju  se pod  svojim komercijalnim  imenom kao  što  je na primjer Böhler brzorezni  čelik  ‘‘S590’’  (1,3%C, 4,2%Cr, 5,0%Mo, 3,0%V, 6,3%W, 8,4%Co)  ili Böhler  hladno  valjani  alatni  čelik  ‘‘K390’’  (2,45%C,  4,15%Cr,  3,75%Mo,  9,0%V,  1,0%W, 2,0%Co).  

 

 

 

 

 

 

 

Page 45: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

45 

2.1Historijaalatnihčelika. 

  Za  razliku od današnjice gdje  se manje od 1% proizvedenog  čelika koristi  za  izradu 

alata u prošlosti upotreba čelika je bilja isključivo za izradu alata.  

Historisjka otkrića  kovačnica  i  talionica  govore da  se  željezo  koristilo  i u dalekoj prošlosti. 

Ostatci željeznog alata su pronađeni u piramidama koji su stari oko 5.000 godina. Najstariji 

primjerak  martenzitnog  alatnog  čelika  potiče  iz  sjeverne  Galilee  (područje  u  sjevernom 

Izraelu) i potiče iz 13 stoljeća p.n.e. Na slici 38. je prikazan pronalazak i mikrostruktura čelika 

od koga je napravljen, koja potvrđuje da je alat kaljen u vodi. 

 

Slika 38. Najstariji primjerak martenzitnog alatnog čelika. 

Homer  opisuje  postupke  kaljenja  željeznih  alata,  900  godine.  p.n.e,  odnosno  proizvodnje 

„Wootz  čelika“  u  indiji  koji  se  primjenjuje  od  350  godine  p.n.e.  Vršili  su  punjenje malih 

glinenih  lonaca  sa  željezom  i drvetom  ili  zelenim  listovima  te  su  lonce hermetički zatvarali 

glinom.  Lonce  su nakon  toga grijali po nekoliko  sati  i na  taj način dobijali manje grumene 

uniformnog čelika. Poznati čelik iz Daska je prvi pruta proizveden u Sirji 300 godine i kasnije 

je donesen u Evropu preko krstaša u 11 i 12 stoljeću. U Toledu u Španije kopiran je postupak 

iz Damaska  i nazvat „Toledo čelik“. Ovi čelici se razlikuju od „Wootz čelika“ po tome što se 

tanka traka čelika omotavala oko tanke trake željeza i kovanje zavarivala jedna oko druge te 

uvrtala dok  je  još u usijanom  stanju. Ovaj postupak  je  rezultirao u karakterističnoj  šari na 

čeličnim mačevima i noževima. 

¸ 

Slika 39. Čelik iz Damaska. 

Page 46: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

46 

Ovi stari načini proizvodnje alatnog čelika se nisu koristi tokom srednjeg vijeka vjerojatno iz razloga što je količina čelika dobijena ovim procesima bila premala a proces preskup. Tokom srednjeg vijeka  razvijen  je proces proizvodnje  cementiranog  čelika, na način da  se kovano željezo grijalo u kontaktu  sa drvenim ugljem  te  se dobijao  čelik koji  se presijavao  te nosio naziv  „Blister  steel“.  Cementirani  sloj  je  bio  plitak  i  neravnomjeran.  Kasnije  je  razvijen postupak  spajanja  kratkih  komada  ovog  čelika  te  njihovog  kovanja  sa  ciljem  povećanja cementiranog  sloja.  Ovim  postupkom  povećanj  je  cementirani  sloj  ali  nisu  izbjegnute varijacije u sastavu čelika.  1740 godine Benjamin Huntsman Britanski proizvođač opruga i satova ponovo otkriva načina proizvodnje čelika kao  i metalurzi  iz Damask  i  Indije te naziva ovaj čelik  livenim čelikom. Za razliku od metalurga  iz Damaska  i Sirije on  je  topio ugljenični  čelik a ne  željezo  te dobijao mnogo homogeniju strukturu nego što se dobijala kovanjem.  Juluis Baur je 1865 patentirao legiranje čelika pomoću kroma.   Slijedeće veliko otkriće u proizvodnji alatnih čelika pripisuje se Robert‐u Mushet koji je 1868 prvi dodao volfram ugljeničnom čeliku i ovaj čelik je poznat kao „Mushet čelik“. Ovaj čelik se sastojao od 2% C, 2,5% Mn, 7% W, i često 0,50% Cr i 1,10% Si. Ovaj čelik je ima veoma dobre osobine i predstavlja prvi brzorezni čelik.  Fred W. Taylor  i Maunsel White u periodu od 1894  i 1898 godine otkrivaju da grijanjem na 

viske  temperature,  mnogo  veće  nego  do  tada,  i  kaljenjem  pomoću  zraka  volfram‐krom 

legure  se  dobija  čelik  koji  ima  odličnu  tvrdoću  čak  i  pri  povišenim  temperaturama.  Pri 

njihovog otkrića  čelik se kalio nakon kovanja na bilo kojoj  temperaturi na kojoj se kovanje 

završilo. 

Dalja  unapređenja  alatnih  čelika  nastavaljaju  se  1905  godine  kada  počinje  dodavanja 

vanadija alatnim čelicima sa ciljem povećanja tvdoće na povišenim temperaturama. 

1910 godine O.M Becker opisue sve kristalne  faze koje se  javljaju u  čelicima uključujući do 

tada nepoznati ferit, cementit, austenit i martenzit. 

1920 godine uvodi se 12 grupa alatnih čelika. 

Daljni  razvoj  se  nastavlja  u  manjim  ali  kontinuiranim  koracima  sa  ciljem  povećanja 

mehaničkih karakteristika materijala. 

Page 47: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

47 

2.2Metalurgijačesticavisokolegiranihalatnihčelika.

Metalurgija  čestica  alatnih  čelika  je prvi puta predstavljena  1970  godine od  strane 

„Crucible Materials Corporation“ i danas je to primarni metod za proizvodnju visokolegiranih 

alatnih  čelika  i  alatnih  komponenti.  Termin  metalurgija  čestica  se  odnosni  isključivo  na 

proces metalurgije praha u kojem se gasom atomiziran i prelegiran prah sabija putem toplog 

izostatskog presanja. Termin metalurgija čestica se koristi da se razlikuje proces do klasičnog 

procesa metalurgije praha koji je upisan u gornjim poglavlju 1.1. 

Proces se sastoji od indukcionog topljenja prelegiranog alatnog čelika, atomizacije gasom sa ciljem  proizvodnje  brzo  očvrsnutih  sfernih  čestica  praha,    enkapsulacije  praha  te  toplog izostatskog  presanja.  Toplo  izostatsko prešanje  (eng. hot  isostatic pressing  ‐ HIP)  spada u postupke koji objedinjuju postupke kompaktiranja  i sinteriranja u  jednom koraku za razliku od klasičnog postupka. Zbog  toga  što  je na  taj način moguće postići potpunu  ili  teoretsku gustoću. Riječ izostatki potiče iz gelologije „izostazija“ i odnosi se na sabijanje dijelova kore i dijelova  plašta,  u  ovom  procesu  ova  riječ  govori  da  se  sabijanje  vrši  sa  svih  strana  istim pritiskom.  

 

Slika 40. Proces metalurgije čestica. 

Za presanje praha koriste  se  fleksibilni kalupi, a  tijekom procesa kontroliraju  se parametri temperature, pritiska  i  vremena.  Izrađuje  se od materijala  koji  je deformabilan  kod  radne temperature  (koriste  se  čelik,  nehrđajući  čelik,  staklo)  ovisno  o maksimalnoj  temperaturi. Spremnik  se  prije  same HIP  konsolidacije  zagrijava  pod  vakuumom  zbog  otplinjavanja,  te zabrtvljuje. Presanje praha provodi se u plinskoj atmosferi (argonu ili dušiku) uz istovremeno zagrijavanje. Temperature dosežu 2100 [°C], a pritisak i do  2000 [bar].    

Page 48: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

48 

 Slika 41. Toplo izostastko presanje. 

Ovim  postupkom  dobijaju  se  komadi  za  daljnju  obradu, mada  u  nekim  aplikacijama  ovim postupkom  se  dobijaju  finalni  proizvodi.  Češća  je  praksa  da  se  komadi  dobijeni  toplim izostatskim  presanjem  podvrgnu  toplom  valjanju  ili  toplom  kovanju  sa  ciljem  dobijanja standardnog proizvoda kao i kod ostalih tehnologija proizvodnje čelika.  Osnovna razlika između ovog procesa proizvodnje alatnih čelika i konvencionalnih procesa je u uniformnoj raspodijeli primarnih karbida  i njihovoj maloj veličini, koji se formiraju u toku procesa atomizacije gasom  i  samog presanja. Na  slici 42.  je prikazana  razlika u  raspodijeli primarnih karbida između alatnog čelika proizvedenog pomoću HIP postupka i alatnog čelika proizvedenog konvencijalnim postupcima.  

 Slika 42. Razlika između rasporeda primanih karbida. 

Page 49: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

49 

Struktura dobijena postupkom  izostatskog presanja pruža velike pogodnosti proizvođačima 

dijelova  kao  i  krajnjim  kupcima. Dvije  najznačajnije  karakteristike  koje  su  postavili  visoko 

legirane  čelike  dobivene  HIP  postupkom  iznad  visoko  legiranih  čelika  dobijenih 

konvencionalnim postupcima su veoma dobra rezljivost i visoka žilavost. Iako se ove osobine 

odnose na sve alatne čelika one se posebno ističu kod alatnih čelika legiranih vanadijem gdje 

konvencijalna metalurgija  daje  proizvod  nehomogenom mikrostrukturom  koja  se  većinom 

sastoji od velikih, nepravilno oblikovanih, primarnih karbida. Na slici 43. se vidi zašto visiko 

legirani  čelici  imaju visoku rezljivost u odnosu na konvencionalno proizvdene alatne  čelike. 

Veliki  krabidi  vanadijama  predstavljaju  termalno  obrađenu  česticu  koja  je  tvrđa  od 

konvencionalnog  reznog alata  te  kada alat dođe u  kontakt  sa  takvom  česticom  trpi  veliko 

otprećenje, pošto ne može da  je presječe kida  je  iz predmeta obrade  i ostavlja krater koji 

potrebno izravnati drugim prolazom ako se ne naprave novi kreateri pri novom prelazu. 

Slika 43. Rezanje alatnih čelika.

Materijal  Tvrdoća [HRC]  Udarna žilavost [J]  Napon savijanja [Mpa] 

Konvencionalni M2  65  18  3819 

Konvencionalni M4  64  14  3585 

PM M4  65  33  5377 

Konvencionalni T15  66  5  2151 

PM T15  67  19  466 Tabela 7. Komparacija alatnih čelika.

Page 50: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

50 

2.3.Sinterovanjebrzoreznihčelika Sinterovanje brzoreznih čelika intenzivno studirano od prve pojave metalurgije praha, proizvodnja  alatnih  čelika  pomoću  metalurgije  praha  je  znatno  jeftinije  u  poređenju  sa konvencionalnim  postupcima.  Međutim  zbog  visoke  složenosti  sastava  alatnih  čelika sinterovanje  je  izuzetno  osjetljivo  na  parametre  sinterovanja.  Temperatura  optimalnog sinterovanje  je  veoma uska,  na  primjer  za M2  alatni  čelik  ona  iznosi  samo  3  [oC],  dok  za ostale ćelike ne prelazi 10 [oC].  

 Slika 44. Postupak sinterovanja sa injekcionim brizganjem.

Prah za brzoreznih čelika se proizvodi najčešće atomizacoj gasom ili vodom.    Za razliku od klasičnog postuka umjesto presanje u kalupe pomoću hidrauličkih ili mehaničke presa  priprema  komada  kod  proizvodnje  brzoreznih  alata  se  vrši  pomoću  injekcionog brizganja.  Injekciono  brizganje  ima  zadatak  formiranja  oblika  predmeta  proizvodnje.  Kod presovanja metalnih prahova koristi se samo prah i lubrikante dok kod injekcionog brizganja se  koristi  vezivni  elementi  kao  što  su  prirodnih  vosak, masne  kiseline,  stearinska  kiselina, polyoxi‐alkylen eter i olefin‐ugljikovodici. Smiješe se miješaju u mikserima sa ciljem dobijanja što  homogenije  smiješe. Nakon miješanja  vrši  se  peletiranje  smiješe  u  odgovarajući  oblik pogodan za brizganje, ti oblici mogu biti manji ili duži cilindi, loptice itd.  

Slika 45. Pripremljen prah za brizganje, A) metalne četice okružene polimerski vezivom, B) pelet za injekciono brizganje. 

Page 51: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

51 

Postupak  injekcionog  brizganja  je  identičan  injekcionom  brizganju  plastike. 

Najrasprostranjeni  način  formiranja  oblika  jeste  pomoću  vijčane  prese,  koje  mogu  biti 

hidraučne  ili električne. Prije samog početka sirovina se zagrijava do temperature topljenja 

vezivnog elementa. Rastopljena smiješa se dozira u presu  i vijak transportuje materijal duž 

njegove  ose  sabija  ga  i  popunjava  kalup  alata.  Rastopljeni  materijal  mora  biti  dovoljno 

viskozan da teče pri povišenim pritiscima. Pritisci koji se javljaju prilikom brizganja su oko 60 

[MPa]. Nakon popunjavanje kalupa komad se hladi  i vadi  iz kalupa. Mašine za brizganje su 

veoma  jednostavnog  dizajna,  sastoje  se  od  vijka  sa  Arhimedovom  spiralom,  brizgaljki  i 

kontrolnog sistema.  

 

Slika 46. Princip formiranja oblika kod injekcinog brizganja. 

Nakon formiranje oblika vrši se uklanjanja vezivnog elementa bez narušavanja oblika koji je 

dobijen injektovanjem. Organski polimeri koji drže čestica praha zajedno moraju u što većoj 

mjeri biti uklonjeni iz zelenog komada. Uklanjanje veziva je jedan od veoma značajni koraka 

pri proizvodnji brzoreznih alata. Nepotpuno uklanjanja vezivnog elementa ima za posljedicu 

neknotrolisano smanjenje dijela, pojavu zračnih jastuka unutar komada, površinske pukotine 

te pojavu veliki pora unutar komada. Za uklanjanja vezivnog elementa kosti se temperatura, 

razrjeđivači i katalizatori u zanosnosti od veziva koje je korišteno. U zadnje vrijeme pojavljuju 

se eksperimentalne tehnike kao što je uklanjanje veziva plazmom. 

Termalno  uklanjanje  vezivnog metala  zasniva  se,  kako  sama  riječ  govori,  na  degradaciji 

veziva koje je na bazi polimera sa lakim molekulama koje se tope unutar zelenog komada te 

isparavaju sa njegove površine. Vrijeme i temperatura koja se koristiti za uklanjanje veziva je 

u zavisnosti od samog veziva koje se koristi. Naglo povećavanja  temperatura može dovesti 

do pojave isparavanja veziva unutar komada što izaziva pucanje zelenog komada. Posvećenja 

toplote se vrši postepeno, 0,5  [oC/min] do temperature od 100  [oC], nakon dostizanja 100 

[oC] dio se zadržaje na toj temperaturi oko 4 [h] te se nakon toga temperatura podiže do 400 

[oC] sa brzinom povećanja od 1 [oC/min] nakon dostizanja temperature od 400 [oC] dio se 

Page 52: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

52 

zadržaje na toj temperaturi u trajanja od 2 [h]. Ukupan proces traje oko 10 [h] i tokom cijelog 

procesa dio  je  izložen struji gasa koja odnosi  ispareno vezivo sa površine komada. Sa ciljem 

povećavanje  efikasnosti  procesa  primjenjuju  se  vakuum  pumpe  koje  konstanto  usisavaju 

ispareno vezivo. Atmosfera u kojoj se odvija uklanjanje ima veoma značajan uticaj na gustinu 

te udio karbona i oksigena u komadu. 

Uklanjanje  vezivnog materijala pomoću otapala  ili  razrjeđivača  je  simbolički prikazano na 

slici  47.  Zeleni  komadi  se  postavlja  na  poroznu  podlogu  koja  ima mogućnost  propuštanja 

para  razrjeđivača.  Razrjeđivači  imaju  veoma  nisku  temperaturu  isparavanja  te  se  griju 

pomoću  zagrijane  vode  koja  se  grije  pomoću  električnih  grijača.  Cio  sistem  je  hermetički 

zatvoren  sa ciljem  sprečavanja kontakta osoblja  sa  štetnih parama  razrjeđivača. Obično  se 

koriste  tečni  razrjeđivači kao što su etanol, heksan, heptan  i aceton. Razrjeđivači uklanjaju 

barem  jednu  od  komponenti  veziva  te  stvaraju  pore  unutar  komada.  Ostatak  veziva  se 

uklanja  u  predsinterovanju  komada  na  temperaturi  od  200  do  600  [oC].  Pojavljuje  se 

tendencija  upotrebe  vezivnih materijala  koji  su  rastvorljivi  u  vodi,  neki  od  tih  veziva  su 

polietilen glikol, polietilen okisd, polivinil alkohol. Dosta  je  lakše  rukovati  razrjeđivačem na 

bazi  vode  nego  organskim  razrjeđivačima.  Svi  gore  nabrojani  polimeri  sadrže  oksigen  i 

nitrogen koji su hidroplini  (imaju  tenedenciju da se  razgrađuju u vodi.). Vrijeme uklanjanja 

veziva je u funkciji materijala praha, veličine čestica, geometrije komada, temperature vode, 

cirkulacije vode i odnosa vode i mase komada. Sve ove nabrojane funkcije su u relaciji jedan 

sa drugom  i moraju biti optimizirane za svaki proizvod. Nakon uklanjanja veziva dio se suši 

pomoću zraka na temperaturi od 65 do 75 [oC] u trajanju od jednog sata. Sušenje se obično 

spaja sa predsinterovanjem. Voda koja se koristi za uklanjanja veziva može biti regenirisana 

te se ovi sistemi izvode kao zatvoreni cirkulacioni krugovi. 

Slika 47. Uklanjanje vezivnih elemenata pomoću otapala.

Uklanjanje  veziva  pomoću  katalizatora  koristi  se  kod  veziva  koja  imaju  osobinu  da  se razgrađuju  na manje molekule  u  prisustvu  katalizatora. Najčešći  primjer  takvog  veziva  je POM (Polyoxymethylene). Korištenjem katalizatora polimeri na površini zelenog komada se razgrađuju u monomere  i  isparavaju pod dejstvom temperature, bez formiranja tečne faze. 

Page 53: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

53 

Kako  isparavaju monomeri sa površine komada otvaraju se pore koje omogućavaju kontakt katalizatora sa polimera unutar zelenog komada te se proces depolimerizacije nastavlja kroz cijeli  zeleni  komad. Temperatura  i  katalizator  igraju  ključnu ulogu u upravljanju procesom uklanjanja veziva. Proces se odvija ispod tačke topljenja katalizatora, obično između 110 do 150 [oC]. Korištenjem relativno niskih temperatura sprečava formiranje tečne faze odnosno sprečava deformaciju zelenog komada. Temperatura pare koja  isparava  je veoma mala što smanjuje pojavu pukotina. Za 100% čisti POM obično se primjenjuje azotna kiselina,  iako  je azotna kiselina oksidirajuća  supstanca u kombinaciji  sa POM  formira  formaldehid koji  je u gasovitom stanju te ne reagira sa metalnih prahovima. 

Slika 48. Reakcija transformacije POM veziva u formaldehic.

Nakon ukljanja veziva komad se sinteruje. U poglavlju 1.6 je opisan mehanizam sinterovanja i o njemu u daljem dijelu teksta neće biti riječi, pažnja je posvećena parametrima sinterovanja brzoreznih čelika. Kod sinterovanja brzoreznih čelika atmosfera igra kritičnu ulogu tokom procesa sinterovanja, mora se obezbjediti atmosfera bez prisustva oksigena, ali se ne smiju koristiti inertni gasovi zbog njihove osobine da se zarobe u porama te otežavaju proces smanjenja pora i povećanja gustoće.  Za  sinterovanje  brzoreznih  alatnih  čelika  najčešće  se  koristi  nitrogen  ili  vakuum. Pokazalo  se da, nitrogen pored  zaštite od oksidacije, pruža  i dodatne povoljnosti  kada  se koristi kao atmosfera  sinterovanja. Nitrogen  zamjenjuje X u MX karbidima  i  stvara M(N,X) karbide  koji mnogo  stabilniji  i  smanjuju  efekat  rasta  zrna.   Na  donjoj  slici  predstavljan  je uticaj  atmosfere  na  temperaturu  sinterovanja.  Za  brzorezni  čelika M2  potpuna  teoriska gustina  je dostignuta na  temperaturi  sinterovanja 1190 do 1210  [oC] u atmosferi vakuma. Kada se isti čelika sinteruje u atmosferi nitrogena potpuna gustina je dostignuta na 1250 do 1270 [oC]. 

Slika 49. Uticaj atmosfere na proces temperaturu sinterovanja.

Page 54: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

54 

Kod  vakumskom  sinterovanja  potpuna  gustina  je  ostvarena  na  1210  [oC]  dok  kod nitrogenskog sinterovanja 98%  teoriske gustine  je ostvareno na  temperaturi od 1270  [oC]. Pokazalo  se  da  je  za  optimalni  ciklus  sinterovanja  potrebno  brzo  zagrijati  dio  na  niže temperature, srednje brzo ga zagrijati na srednju temperaturu procesa, te brzo zagrijati na visoku  temperaturu.  Presporo  zagrijavanje  na  niskim  temperaturama  rasipa  energiju spremljenu  između  kontaktnih  površina  zrna  i  rezultira  u  veoma  lošoj  gustini  dijela,  dok prebrzo zagrijavanje rezultira u deformacijama i poremećaju oblika komada.  

 Slika 50. Uticaj temperature sinterovanja na mikrostrukturu praha brzoreznog čelika M2. 

Page 55: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

55 

 Slika 51. Uticaj temperature sinterovanja na mikrostrukturu, za brzorezni čelik M3:2. 

Page 56: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

56 

Element  Maseni udio % 

C  0.78‐1.05 

Mn   0.15‐0.40 

Si  0.20‐0.45 

Cr  3.75‐4.50 

Ni  0.3 

Mo   4.50‐5.50 

W  5.50‐6.75 

V  1.75‐2.20 

Cu  0.25 

P   0.03 

S  0.03 Tabela 8. Sastav brzorezbog čelika M2. 

 

Tabela 9. Mehaničke osobine brzoreznog čelika M2. 

Element  Maseni udio %

C  1.15‐1.25

Mn   0.15‐0.40

Si  0.20‐0.45

Cr  3.75‐4.50

Ni  0.3

Mo   4.75‐6.50

W  5.00‐6.75

V  2.75‐3.75

Cu  0.25

P   0.03

S  0.03Tabela 10. Sastva brzoreznog čelika M3:2. 

Osobina T (°C) Gustina [×1000 kg/m3]  8.16  25   

Poisson‐ov odnos  0.27‐0.30 25   

Modul elastičnosti [GPa] 190‐210 25   

Tabela 11. Mehaničke osobine brzoreznog čelika M2. 

Na  slikama  50  i  51  prikazani  su  različiti  stadiji  kroz  koji  prolazi materijal  tokom  procesa sinterovanja,  te  uticaj  temperature  na  optimalnost  procesa  sinterovanja.  Na  slici  50.  za sinterovanja u vakuumu vidi se stadiji kroz koji prolazi prah tokom procesa. Na temperaturi od 1170  [oC] vidi  se da  je došlo do  spajanja  zrna ali  su pore dosta velike. Na optimalnom temperaturi od 2010 [oC] dolazi do ostvarenja maksimalne gutine komada, smanjenu su pore između  zrna,  povećanjem  temperature  50.c  vidi  se  da  dolazi  da  rasta  zrna  odnosno deformacije komada.  

Osobina T (°C) Gustina [×1000 kg/m3]  8.16  25   

Poisson‐ov odnos  0.27‐0.30 25   

Modul elastičnosti [GPa] 190‐210 25   

Page 57: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

57 

Mehaničke  osobine  alatnih  čelika  su  također  u  funkciji  temperature  sinterovanja  kao  i vremena  trajanja  sinterovanja.  Na  slici  50.  predstavljene  je  dijagram  zatezne  čvrstoće  u odnosu  na  temperaturu  sinterovanja  (za  alatni  čelik M2).  Za  atmosferu  vakuuma  najveća zatezna čvrstoća se ostvaruje na temperaturi od 1210 [oC]. Dok kod sinterovanja u atmosferi nitrogena maksimalna zatezna čvrstoća se ostvaruje na temperaturi od 1270 [oC]. Dijagram je  urađen  na  mjerenjima  za  jedan  te  isti  čelik  te  sa  dijagrama  se  može  vidjeti  da  je maksimalna  zatezna  čvstoća  komada  sinterovanog  u  vakumu  iznosi  752,6  [MPa]  dok maksimalna  zatezna  čvrstoća  komada  sinterovanog  u  atmosferi  nitrogena  iznosi  583,3 [MPa]. 

Slika 52. Uticaj temperature sinterovanja na zateznu čvrstoću, a) sinterovanja brzoreznog čelika M2 u vakuumu, b) 

sinterovanje brzoreznog čelika M2 u atmosferi nitrogena.

Dužina  trajanja  procesa  sinterovanja  također  ima  značajan  uticaj  na mehaničke  osobine materijala. Na  slici 52.je prikazan uticaj  vremena  trajanja procesa  sinterovanja na  zateznu čvstoću. Nakon  predsinterovanja  u  procesu  sinterovanja  puna  teroiska  gustina  se  dostiže nakon  što  komad  provede  u  peći  samo  10  [min],  ali  za  poboljšanje mehaničkih  osobina potrebno  je  komada  zadržati na  temperaturi  sinterovanja nešto duže.  Sa  slike  se  također može vidjeti da sinterovanje komada duže od 2 [h] pogoršava mehaničke osobine komada. 

Page 58: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

58 

Slika 53. Uticaj vremena sinterovanja na mehaničke osobine brzoreznih čelika.

Performanse alatnih brzoreznih čelika su veoma zavisne od legirajućih elemenatai i termalne obrade. Najčešći  legirajući elementi koji se nalaze kod brzoreznih čelika su karbon, volfram, molibden, vanadij  i kobalt. Svi brzorezni  čelici sadrže  također oko 4% kroma koji povećava pogodnost materijala za  termalnu obradu. Karbon u brzoreznim  čelicima  formira primarne karbide sa drugim elementima te time povećava otpornost na habanje. Volfram ili molibden formiraju M6C  primarne  karbide  koji  se  dijelom  rastvaraju  tokom  termalne  ali  to  stvara podlogu  za  sekundarno  povećanje  toplote  prilikom  kaljenja.  U  brzoreznim  alatima  sa visokom  koncentracijom  molibdena  dolazi  do  formiranja  M2C  karbida.  Vanadij  također doprinosi  sekundarnom  kaljenju  ali njegov osnovni  zadatak  je da  formira MC  karbide  koji povećavaju otpornost na habanje. Kobalt ne formira karbide u brzoreznih čelika ali značajno doprinosi povećanju tvrdoće na visokim temperaturama.   Tvrdoća  na  povišenim  temperatura  je  osnovna  karakteristika  brzoreznih  čelika  i  zavisi  od legirajućih elemenata, otpornosti na otpuštanje, termalne obrade itd.  Na slici 54. prikazana je promjena  tvrdoće  sa promjenom  temperature  sa koje  se može vidjeti da pri povećanju temperature preko 500 [oC] dolazi do opadanja tvrdoće brzoreznih čelika.   

Slika 54. Promjena tvrdoće u odnosu na promjentu temperature.

Page 59: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

59 

Osnovi proces termalne obrade brzoreznih čelika se sastoji od pregrijavanja na temperaturu od 790 do 845  [oC] gdje dolazi do austenizacije,  sa  ciljem  razgrađivanja dovoljno karbida, kaljenja sa ciljem povećanja tvrdoće te od višestrukog otpuštanja na temperaturi manjoj od temperature kaljenja sa ciljem uklanjanja zaostalog austenita. Na slici 55. prikazana je uticaj gore opisanih koraka na brzorezni čelik M4. Temperatura austenizacije za brzorezni čelik M4 je  između  1190  do  1205,  dok  se  otpuštanje  čelika  vrši  na  temperaturi  od  540  do  550. Prelaženjem gore spomenutim temperatura dolazi do pogoršanja karakteristika čelika, ako bi se temperatura austenizacije povećala došlo do daljnjeg povećanja tvrdoće što bi značajno uticalo na žilavost alatnog čelika. Povećavanjem temperature umirivanja ili otpuštanja čelika dolazi do smanjenja tvrdoće čelika. Odabir temperatura austenizacije, brzine kaljenja te vrste termalne obrade je u zavisnosti od željenih karakteristika čelika i njegove namjene. 

Slika 55. Uticaj termičke obrade na tvrdoću brzoreznih čelika.

Page 60: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

60 

3.0.Volframovikarbidi. Karbidima se nazivaju spojevi ugljika sa metalima  i nemetalima. Najpoznatiji karbidi su volfram krabidi koji spadaju u grupu tvrdih, visoko otpornih materijala kod kojih su čestice karbide spojene ili cementirane sa nekim od mekih metala. Na slici 56. su predstavljene neke od kristalnih struktura u kojima se volramovi karbidi pojavljuju, a) heksagonalni oblik WC, b) kubna struktura WC, c) α‐W2C, d) β‐W2C, e) γ‐W2C_1, f) γ‐W2C_2 i g) ɛ‐W2C. 

Slika 56. Kristalne strukture WC, sivi kuglice predstavlja atome karbona dok plave kuglice predstavljaju atome volframa.

Slika 57. Fazni dijagram volframovih karbida.

Page 61: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

61 

Stabilne kristalne rešetke su samo W2C, WC i α‐WC, na primjer nedavno otkrivena struktura β‐W2C prilikom mašinske obrade prelazi u α‐WC. Na slici 57. predstavljen  je  fazni dijagram WC. Maksimalna rastvorljivost karbona u volframu je 0,7% na temperaturi od 271O [oC]. WC fazni  sistem  je  okarakterisan  nastankom  etutetskih  karbida  W+W2C  i  W2C  +  β‐W2C  na temperaturama od 2710 [oC] i 2670 [oC]. β‐WC struktura je stabilna na temperaturama preko 2525 [oC] ispod tih temperatura ona se razgrađuje u W2C i α‐WC  Performanse cementnih karbida kao reznih alata  leže negdje  iznad brzoreznih čelika  i  ispod kermeta ( eng. Cermet ceramic metal). U poređenju sa HSS cementni karbidi su otporniji na habanje, ali su manje otporni na lomove i slabije provode toplotu.  Prvi  komercionalno  dostupni  cementi  karbidi  su  bili  karbidi  volframa  u  vezani  kobaltom. Legure WC‐Co  imaju  odlične  otpornosti  na  abraziju  te  se  najčešće  primjenjuju  u  rezanju drugih metala. 

Sastav 

Veličina zrna 

Tvrdoća [HRA] 

Gustina [g/cm

3] 

Maksimalni dijagonalni 

nap

on [Mpa] * 

Maksimalni nap

on 

sabijan

ja [Mpa] 

Modul elastičnosti [Gpa] 

Relativna otpornost na 

abraziju  Koeficijent 

term

alnog širenja 

[µm/m

K] 

Term

alna provodnost 

[W/m

K] 

200 [°C] 

1000 

[°C] 

97WC‐3Co  Srednja  92,5‐93,2 15,3 

1590  5860  641  100  4,0  ...  121 

94WC‐6Co 

Fina  92,5‐93,1  15  1790  5930  614  100  4,3  5,9  ... 

Srednja  91,7‐92,2  15  2000  5450  648  58  4,3  5,4  100 

Gruba  90,5‐91,5  15  2210  5170  641  25  4,3  5,6  121 

90WC‐10Co 

Fina  90,7‐91,3 14,6 

3100  5170  620  22  ...  ...  ... 

Gruba  87,4‐88,2 14,5 

2760  4000  552  7  5,2  ...  112 

84WC‐16Co 

Fina  89 13,9 

3380  4070  524  5  ...  ...  ... 

Gruba  86,0‐87,5 13,9 

2900  3860  524  5  5,8  7,0  88 

75WC‐25Co 

Srednja  83‐85  13  2550  3100  483  3  6,3  ...  71 

71WC‐12.5TiC‐12TaC‐4.5Co 

Srednja  92,1‐92,8  12  1380  5790  565  11  5,2  6,5  35 

72WC‐8TiC‐

11.5TaC Srednja  90,7‐91,5 

12,6 

1720  5170  558  13  5,8  6,8  50 

*Mjerenje napona kada je opterećenje usmjerno longitudinalno toku praha metala. Tabela 12. Mehaničke osobine WC‐Co karbida. 

Page 62: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

62 

Idealna mikrostruktura WC‐Co legura trebalo bi da sadrži samo dvije faze WC zrna karbida i 

kobalt koji veže ta zrna. Sadržaj karbona u ovim legurama mora biti usko kontroliran jer visok 

sadržaj  karbona  rezultuje  pojavu  slobodnog  grafita  koji  u malim  količina  nema  značajan 

uticaj  na  osobine  legura,  manjak  karbona  rezultira  u  formiranju  serije  duplih  karbida  ( 

Co3W3C ili Co6W6C) poznatih kao η faza koji povećaju krtost legure.  

 

Slika 58. Mikostruktura WC‐Co legura a) 97WC‐3Co srednja veličina zrna, b) 94WC‐6Co srednja veličina zrna, c) 94WC‐6Co grubo zrno, d) 85WC‐15Co grubo zrno, e) slobodni grafit u leguri86WC‐8C‐6Co i f) η faza  u leguri85WC‐8C‐7Co. 

Legure WC‐co su razvijene početkom 20 godina prošlog stoljeća  i uspješno su primijenjene 

na  operacijama mašinske  obrade  na  livenom  gvožđu,  obojenim metalima  pri  većoj  brzini 

obrade nego što  je to bilo moguće sa brzoreznim čelicima. WC‐Co  legure  imaju slabost što 

dolazi  do  hemiskog  nagrizanja  ili  difuzije  prilikom  obrade  komada.  Kao  rezultat  hemiskog 

nagrizanja javlja se ubrzano trošenje alata, ova pojava je vodila ka razvoju WC‐TiC‐Co legura. 

Dodavanjem titanijevih karbida povećava hemisku otpornost legure. Titanijevi karbdi WC‐TiC 

su dosta krti od volframovih karbida  i manje su otporni na abraziju.  Iz ovih razloga količina 

TiC  karbida  koja  se  dodaje  u  legure  volframa  se  svodi  na  minimum  ne  manje  od  15% 

masenog udjela. Udio karbona u ovim legurama je manje kritičan nego kod WC‐Co i η faza se 

ne pojavljuje u mikrostrukturi osim u rijetkim slučajevima kada je udio karbona preveliki.  

WC‐CO legure koje sadrže TiC i NbC karbde sa nazivaju više razredne. Dodavanje TaC u WC‐Ti‐Co  prevazilazi  smanjenje  žilavosti  koje  se  javlja  zbog  TiC  karbida.  TaC  karbidi  također smanjuju pojavu  kratera  i poboljšavaju otpornost na  termalne udare.  Tantalovi  karbidi  se najčešće dodaju u formi (Ta.Nb)C iz razloga što je veoma teško razlikovati TaC i NbC karbide u  toku proizvodnje  legura. Za  razliku od WC‐Co  legura mikrostruktura WC‐TiC‐(Ta.Nb)C‐Co 

Page 63: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

63 

legura  ima  tri  faze WC  zrna, WC‐TiC‐(Ta.Nb)C  čvrsti  rastvor  zrna  i  kobaltno  vezivo.  Čvrsti rastvor  se  najčešće može  pronaći  u  jerzgi  sinterovanog  komada  i  naznaka  je  ne  potpune difuzije  tokom procesa  sinterovanja. Na  slici  59.  su predstavljene mikrostrukture nekoliko WC‐TiC‐(Ta.Nb)C‐Co legura, Sive oštrougaone čestice su WC, tamno sive zaobljenje čestice su čvrsti rastvor karbida dok bijela površina između gore spomenutih karbida predstavlja kobalt koji ih spaja.  

 

Slika 59. Mikrostruktura nekih WC‐TiC‐(Ta.Nb)C‐Co legura, (a) 85WC‐9(Ta,Ti,Nb)C‐6Co legura srednja veličina zrna, (b) 78WC‐15(Ta,Ti,Nb)C‐7Co legura srednja veličina zrna, (c) 73WC‐19(Ta,Ti,Nb)C‐8Co legura srednja veličina zrna. 

Posljednjih  godina WC‐Co  legure  sa  submikronskom  veličinom  zrna  su  razvijene  sa  ciljem 

primjene za  izradu alatnih oštrica sa većom žilavosti. U  leguru se pored WC karbida nalaze 

još karbidi tantala, niobiuma, vanadija, ili kroma (0,25 do 3,0 % masenog udjela). Vanadijevi 

karbidi smanjuju rast zrna, kromovi karbidi pojačavaju mehaničke osobine legure pored toga 

što i oni smanjuju rast zrna. 

C sistem  Kategorija primjene 

Obrada livenog gvožđa, obojinih metala i nemetalnih materijala 

C‐1  Gruba obrada 

C‐2  Opšta obrada 

C‐3  Završna obrada 

C‐4  Fina završna obrada 

Obrada ugljeničnih i legiranih čelika 

C‐5  Gruba obrada 

C‐6  Opšta obrada 

C‐7  Završna obrada 

C‐8  Fina završna obrada 

Druge vrste obrade metala* 

C‐9  Alat izložen habanju, bez udara 

C‐10  Alat izložen habanju, mali udari 

C‐11  Alat izložen habanju, velik udari 

C‐12  Alat izložen udarima, mali 

C‐13  Alat izložen udarima, srednji 

C‐14  Alat izložen udarima, veliki * Alati za probijanj, prosjecanje, alazi za bušenje u građevinskoj, rudarskoj i nafrnoj 

industriji, alati u drvnoj industriji te hidrauličke konponente za visoku pritisak. 

Tabela 13. Označavanje karbida prema C sistemu. 

Page 64: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

64 

Industrija  karbida  u  SAD  razvija  je  sistem  klasifikacije  karbida  poznat  kao  C  sistem.  Ovaj sistem ne zahtjeva da se karbidi nazivaju  imenima proizvođača  i ne kazuje ništa o osobina karbida. Također postoji rasprava od samog uvođenja ovog sistema klasifikacije o terminima koji  se  koriste  za  opisivanje  pojedinim  nivo  sistema  klasifikacije.  Pored  svih  svojih manjkavosti ovaj sistem se uspješno koristi od 1942 godine.  ISO  sistem  klasifikacije  je  razvijen  1964  godine  od  strane  internacionalne  organizacije  za standarde  preporukom  R513  „Aplikacija  karbida  za  obradu metala  skidanjem  strugotie  sa zamjenjivim reznim oštricama“. Dodatno karbidi su podjeljeni u tri grupe:  

Visoko legirani volframovi karbidi (oznaka P, plava boja) za obradu čelika 

Legirani volframovi karbidi ( Oznaka M, žuta boja, sa manje TiC nego kod P grupe) za više namjensku upotrebu; čelicim, nikl‐mesing super legure i liveno gvožde, 

Čisti  volframovi  karbidi  (oznaka  K,  crvena  boja)  za  rezanje  sivog  livenog  gvožđa, obojenih metalai nemetalnih materijala.  

Svaka stepen unutar jedne grupe je označn brojem manji brojevi znače veća tvrdoća čelika a veći brojevi veća žilavost alata. Na slici 60.  je predstavljen proces proizvodnje dijelova od volframovih karbida. Svaki korak proces će biti detaljno opisan u nastavku teksta.  

 Slika 60. Proces proizvodnje dijelova od volframovih kabrida. 

 

Page 65: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

65 

Oznakaa) 

 Aplikacija 

Materijal koji se obrađuje  Upotreba i radni uslovi

P 01  Čelik i čelični odlivci  Završna obrada na tokarskim strojevima i bušilicama, rezanje na velikim brzinama, rezanje sa laminarnom strugotinom, mašinska obrada bez vibracija.  

P 10  Čelik i čelični odlivci  Tokarenje, urezivanje navoja, glodanje, rezanje na velikom brzinama, kidana i laminarna strugotina. 

P 20  Čelik, čelični odlivci, kovani odlivci sa trakastom strugotinom 

Tokarenje, glodanje, sa srednjim brzinama obrade i kidanom strugotinom. 

P 30  Čelik, čelični odlivci, kovani odlivci sa trakastom strugotinom 

Tokarenje, glodanje, srednje i male brzine rezanja, kidana i laminarna strugotina, obrada u nepovoljnim uslovima b). 

P 40  Čelik i čelični odlivci sa pješčanin uključima i šupljinama 

Tokarenje, blanjanje, male brzine rezanja, kontinuirana strugotina, sa velikim uglovima rezanja pri nepovoljnim uslovima obrade b). 

P 50  Čelik i čelični odlivci sa srednjom ili malom žilavosti sa pješčanim uključima i šupljinama. 

Za operacije koje zahtijevaju visoko tvrde karbide, tokarenje, blenjanje, sa malim brzinama obrade i velikim uglovima zahvata pri nepovoljnim uslovima obrade na atomatskim strojevima b). 

M 10  Čelik, čelični odlovci, maganski čelici, sivi liv, legirani liveni čelici 

Tokarenje, srednje i velike brizne rezanja, laminarna i traksta strugotina. 

M 20  Čelik, čelični odlovci, austenitni ili maganski čelici, sivi liv, legirani liveni čelici 

Tokarenje, glodanje, srednje brzine rezanja, laminarna strugotina. 

M 30  Čelik, čelični odlivci, austenitni čelici, sivi liv i temperaturno otporne legure. 

Tokarenje, glodanje, blanjanje, srednje brzine rezanja, laminarna i trakasta strugotina. 

M 40  Nisko ugljenilni čelici, obojeni metali i lake legure. 

Tokarenje, za automatske obradne centre. 

K 01  Veoma tvrdo sivo liveno gvožđe, legure alminijuma sa silikonom, čelici sa povećanom tvrdoćom, visoko abrazivne plastike, keramike. 

Tokarenje, završna obrada, bušenje, glodanje.

K 10  Sivo liveno gvožđe sa tvrdoćom preko 220 HB, kovano liveno gvožđe sa kidanom strugotinom, kaljeni čelici, legura alminijum sa silikonom, legure barka, plastika, staklo, tvrda guma, porculan, kamen. 

Tokarenje, glodanje, bušenje 

K 20  Sivo liveno gvožđe sa tvrdoćom preko220 HB, obojeni metali: bakar, mesing, alminijum. 

Tokarenje, glodanje, blanjanje, zahtjeva veoma tvrde karbide 

K 30  Sivo liveno gvožđe male tvrdoće, presovano drvo. 

Tokarenje, glodanje, blanjanje za mašine sa nepovoljnim uslovima rada (b) sa velikim uglovima zahvata, 

K 40  Meko i tvrdo drvo, obojeni metali. Tokarenje, glodanje, blanjanje za mašine sa nepovoljnim uslovima rada (b) sa velikim 

a) Kod svake kategorija alfabetskih znamenki manji brojevi su za veće brzine rezanja sa manjom visinom rezanja, dok su veći brojevi za manju brzinu rezanja a veću visinu rezanja. Također povećanja numeričke cifre može značiti i povećanje tvrdoće materijala. 

b) Ne povoljni uslovi podrazumijevaju: materijali  imaju povećanju površinsku  tvrdoću od  ljevenja  ili kovanja, promjenjivu tvrdoću, promjenjivu visinu rezanja, prekide u rezanju ili pojavi vibracija tokom obrade.                         Tabela 14. Označavanje karbida prema ISO sistemu. 

Page 66: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

66 

3.1Historijarazvojacementnihkarbida. 

Razvoj  cementnih karbida počinje  sa  javljanjem  ideje o  zamjeni  skupih dijamantnih 

alata za izvlačenje žice sa volramovim alatima. Ova grupa materijala ima izvanredne osobine, 

visoku  tvrdoću  i  veliku  otpornost  na  habanje.  Historija  cementnih  karbida  počinje  u 

Njemačkoj za vrijeme prvog svjetskog rata kada su Lohman i Voigtländer 1914 patentirali prvi 

cementi  karbid  nažalost  on  nije  našao  svoju  primjenu  zbog  velike  krtosti.  Karl  Schröter  i 

Heinrich Baumhauer su 1923 godine patentirali leguru od koje su se pravili alati za izvlačenje 

žice. 

Nakon aplikacije karbida u alatima  za  izvlačenje  žice pažnja  je usmjerena na  izradu  reznih 

alata  i  dijelova mašina.  Cementni  karbidi  su  predstavljeni  na  tržištu  od  strane  kompanije 

Friedrich Krupp AG 1927 godine pod imenom Widia (wie Diamant, kao dijamant), sastojali su 

se od 6% kobalta u wolframovom karbidu. Veća prvobitnih otkrića za cemente karbide potiču 

iz Njemačke dok se kasnije uključuju SAD, Austria, Šwedska, Japan i druge zemlje. 

Modifikacijom prvobitne kompozicije karbida na način zamjene dijela volframovih karbida sa 

drugim  karbidima,  prvenstveno  titaniuma  i  tantala,  dovelo  je  do  daljnjih  većih  otkrića  u 

ovom polju. Okriće Dr. Paul Schwarzkopf da čvrsti rastvori više od jednog karbida imaju bolje 

osobine nego pojedinačni karbidi dovelo je do razvoja više karbidnih reznih alata. Također je 

otkriveno  da  dodavanjem  manje  količine  vanadijumovih  i  tantalovih  karbida  kontroliše 

diskontuinirani rast zrna. 

Simultano  sa  razvojem  volframovih  karbida  pažnja  naučnika  je  bila  usmjerenja  slobodnim 

legurama zbog zabrinutosti o količini volframa. 1960 godine pojavljuju se nikl molibdenom 

vezani  titanijevi  karbidi, ovaj materijal  je naišao na  veliku  pažnju  ali nikada  se nije počeo 

primjenjivati u  širokim aplikacijama. Kako  su  se  javljali pokušaji da  se  zamijene volframovi 

karbidi  sve  bolji  materijali  iz  ove  porodice  su  se  javljali  na  tržištu.  Ovo  pokazuje  na 

superiornost volframovih karbida u odnosu na karbide drugim metala. 

Veliki  napredak  u  ovom  polju  predstavlja  razvoj  hemijske  dispozicije  parom  (CVD  eng. 

chemical vapor deposition). Najprije se počeo primjenjivati u Švicarskoj sa razvojem kućišta 

za  satove  otpornih  na  habanje,  ovaj  postupak  je  mnogo  jeftiniji  od  konvencionalnog 

postupka proizvodnje karbidnih kućišta otpornih na habanje. Kasnije se počinje primjenjivati 

za nanošenje karbidnog sloja na rezne alate što se pokazalo veoma efikasno i rezultovalo je u 

produženju životnog vijeka alata. Najnovija tehnika primjene hemiske dispozije pare koristi 

se za nanošenje neiskistaliziranih dijamatnih premaza. 

I ako su fino zrnasti volframovi karbidi (prečnik zrna 0.5–3.0 [μm]) predstavljeni 1946 godine, 

mnoge studije oko veličine zrna se  i danas vode. Postoji  jaka  tendencija upotrebe  i sitnijih 

zrna  sa  prečnicima  20–50  [nm].  Jedno  od  novijih  otkrića  je  i  raspoređivanje  sitnijih  zrna 

kobalta u rešetku krupnijih zrna čim se se dobija otpornost na trošenje sitnijih zrna a žilavost 

kako kod krupnijih zrna. 

Oko 67% proizvedenog tvrdog metala koristi se za mašinsku obradu skidanje strugotine, 13% 

odpada na rudarsku industriju i naftnu industriju, na građevinsku industriju odpada 11% dok 

Page 67: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

67 

na  drvnu  industriju  9%.  U  posljednjih  12  godina  zahtjev  za  cementnim  karbidima  se 

udvostručio.  Interesantno  je  da  do  sredine  1980  godine  udio  brzoreznih  alata  je  bio  veći 

nego udio cementnih karbida. U  zadnje vrijeme  situacija  se obrnula gdje cementni karbidi 

imaju 50% ukupnog tržišta alatima, brzorezni alati drže 45%, keramike 4% dok 1% odpada na 

polukristalne dijamante (PCD). 

 

Slika 61.Udio karbida u pojedinim industrijama. 

Godina   Otkriće 

1923‐25  WC‐Co 

1929‐31  WC‐TiC‐Co 

1930‐31  WC‐TaC(VC,NbC)‐Co 

1938  WC‐Cr3C2 ‐Co 

1948‐70  Sinterovanje  WC‐Co od submirkonskog praha 

1956  WC‐TiC‐Ta(Nb)C‐Cr3C2 ‐Co 

1959  WC‐TiC‐HfC‐Co 

1965‐75  Toplo izostatsko presanje 

1965‐78  TiC, TiN, Ti(C,N), HfC, HfN i Al2O3 CVD na  WC bazu 

1968‐69  WC‐TiC‐Ta(Nb)C‐HfC‐Co 

1968‐69  WC‐TiC‐Nb(Ta)C‐HfC‐Co 

1969‐71  Termomehaničko površinsko otvrdnjavanje 

1974‐77  Polikristalni dijamanti na WC bazi 

1973‐78  Više karbidni, nitridni, karbon nitridni materijali. 

1981  Oksidni premazi 

1983‐92  Višelsojni premazi AlON (aluminium oksinitridi) 

1992‐95  Sinter toplo izostatsko presanje 

1993‐95  Plasma CVD dijamatski premazi 

1994  Premazi  karbonitridima 

1994  Finozrnasta  WC/Co  aglomeracija  u  žilavijoj  WC/Co rešetci 

Tabela 15. Značajnija oktrića na polju cementnih karbinda

Page 68: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

68 

3.2Proizvodnjavolframovogprahaiformiranjeoblika. 

  Volfram  monokarbid  je  primarna  komponenta  WC‐Co  tvrdih  metala  i  dobija  se 

karburizacijom volframa pripremljenog pomoću hidrogenske redukcije WO3. Primarni  izvori 

volframa  su  CaWO4  (Scheelite)  i  (Fe,Mn)WO4  (Wolframite).  Zbog  veoma  visoke  tačke 

topljenja  volframa  njegova  ekstrakcija  se  češće  obavlja  hidro  procesima  nego 

pirometalurgškim procesima. Zadatak ekstrakcije je da pretvori volfram iz neke rude u neku 

posrednu supstancu kao što je volframova kiselina ili amonijev paravolfram.  

 

Slika 62. Rude volframa Scheelite i Wolframite. 

Nakon proizvodnje amonijum paravoflrama on se izlaže hidrogenu gdje se odvaja volfram u 

obliku  praha.  Prah  volframa  se  miješa  sa  karbonom  i  grije  u  atmosferi  hidrogena  na 

temperature od 1400 do 1500 [oC] sa ciljem proizvodnje volframovih karbida veličine od 0,5 

do 30  [µm]. Svaka  čestica praha se sastoji od velikog broja kristala karbida. Manje količine 

vanadija,  kroma  ili  tantala  se  nekada  dodaju  u  volfram  prije  karburizacije  sa  ciljem 

proizvodnje veoma finog WC praha <1 [µm]. 

 

Najnoviji otkriveni proces proizvodnje volframovih karbida se vrši preko direktne  redukcije 

ne volframa nego volframovih karbida  iz rude Schelite. Ruda se miješa sa oksidima željeza, 

alminijumom, ugljikom  i karbidima kalcijuma. Na visokim temperatura dolazi do ekzoterme 

reakcije (2Al+3FeOAl2O3+3Fe) na temperaturi oko 2500 [oC] proizvodi se rastopljena masa 

koja kada se ohladi sadrži karbide volframa raspoređene u željezu.  Dodatnom separacijom iz 

željeza odvaja se WC iz kristalne rešetke željeza. 

 

Nakon proizvodnje volframovih karbida vrši se meljenje karbida sa ciljem razbijanja inicijalnih 

karbida  i  homogeniziranja  karbida  i  vezivnog  materijala.  Za  meljenje  se  obično  koriste 

mlinovi  sa kuglama  ili vibracioni mlinovi. Pored karbida  i vezivnog materijala u mlinove  se 

Page 69: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

69 

dodaje  još  i vosak  ili polietilen glikol na kraju procesa meljenja. Primarni cilj miljenje  jeste 

smanjenje  čestica  praha,  pored  toga  meljenjem  se  dobija  homogena  smiješa  karbida  i 

vezivnog materijala tako da se osigurava da će u procesu sinterovanja svaka čestica karbida 

biti vezana vezivnim materijalom. Pored toga meljenjem se kreira nova aktivna površina na 

karbidima i vezivnim materijalom. Energija koja se oslobađa tokom meljenje je veoma velika 

te  ju  je  potrebno  odvesti  iz  procesa.  Dodavanjem  organskih  tečnosti  kao  što  su  aceton, 

heksan, alkohol itd rješava se problem povišenja temperature tokom meljenja. Prečnik kugli 

u  mlinovima  i  vrsta  rashladne  tečnosti  igra  veliku  ulogu  u  procesu  meljenja  karbida, 

promjenom  prečinka  kugli  direktno  se  utiče  na  finoću  praha  isti  slučaj  je  i  sa  rashladnoj 

tečnošću.  

Prah  dobijen  sušenjem  samljevenih  karbda  je  veoma  visoke  finoće,  prah  nije  tečan  i  ima 

malu  gustinu. Presovanje  takvog praha predstavlja  veliki problem  zbog unutrašnjeg  trenja 

koje  se  javlja  među  česticama.  Sa  ciljem  rješavanja  ovog  problema  usvojena  tehnika 

granulacije gdje se slobodni aglomerati praha formiraju, koji su gotovo pa pravilnog sfernog 

oblika. Jedna od   najpopularnih tehnika formiranja granula karbida  jeste prskanjem. Nakon 

meljenja  karbida  vosak  koji  se dodaje  stvara  zaštitni  sloj okolo  karbida, organske  tečnosti 

koje se dodaju stvaraju mokru smiješu praha koju je potrebno osušiti. Procesom prskanja vrši 

se  sušenje  praha  i  formiranje  granula. Mokra  smiješa  praha  se  prska  u mlaz  pregrijanog 

inertnog  gasa  gdje  dolazi  do  sušenja  i  formiranja  granula. Mokra  smiješa  praha,  voska  i 

organski rastvora se sprema u rezervoar za doziranje. Iz rezervoara smiješa se transporture u 

komoru za sušenje pneumatskim putem te se kroz specijalne brizgaljke koje prskaju smiješu 

prema  gore  u  komori  za  sušenje.  Pregrijani  gas,  najčešće  nitrogen,  prolazi  kroz  komoru 

odozdo prema gore te u kontatku sa prahom zagrijava ga  i oslobađa od organskih rastvora. 

Struja gasa  je orijentirana  tako da  se  stvara  ciklonske  struje koje  skupljaju prah u granule 

sfernog  oblika. Granule  postaju  teže  od  praha  i  struja  zraka  nije  više  dovoljno  jaka  da  ih 

transportuje  kroz  sušač  te padaju na dno gdje  se  skupljaju.  Isparene organske  tečnosti  se 

hlade, kondenzuju  i ponovo koriste u procesu meljenja. Granule dobivene ovih postupkom 

su sve približno iste veličine i sfernog oblika.  

Za  formiranje oblika dijela  koji  se  želi proizvesti od  volframovih  karbida  koriste  se  različiti 

postupci. Za alate od WC koji se koriste u rudatsvu, građevini  i naftnoj  industriji formiranje 

oblika  se vrši na presama  jednosmjernog dejstva. Alati  za  rezanje  se  također  formiraju na 

presama jednosmjernog dejstva ali zahtijevaju naknadnu obradu. Hladno izostatsko presanje 

se koristi za izradu alata za koji izloženi abraziji. Žice i štapovi od WC se formiraju procesom 

izvlačenja. Maksimalna gustina koja se može dostići formiranje oblika jeste oko 65% teorijske 

gustine.   

Još jedan od metoda formiranja polaznog komada jeste injekciono brizganje. Ovaj postupak 

se koristi kada je odnos dužine u odnosu na prečnik veoma visok i koristi se za izradu zelenih 

komada  alata  kao  što  su boreri,  razvrtači, ureznici  itd  sa prečnicima od 0,5 do  10  [mm]  i 

dužinama  od  10  do  100  [mm].  Primjena  ostalih  postupaka  na  izradu  ovih  tipova  alata 

rezultira u neravnomjernoj gustini. Prah tvrdih metala ne teče sa lakoćom čak ni pri visokim 

pritiscima te se koriste vezivni elementi kao što su polivinil alkohol, poli etilen glikol, vosak, 

Page 70: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

70 

sintetička smola itd.  Daljni postupka je isti kao i kod injekcionog brizganja brzoreznih čelika 

već opisan u poglavlju 2.3. Na slici 63. su predstavljeni osnovni tipovi presa koji se koriste za 

formiranje oblika ovim postupkom, dok  je na  slici 64. predstavljen uticaj količine vezivnog 

materijala na pritisak  istiskivanja komada. Sa  slike  se može vidjeti da povećanjem količine 

veznog materijala se potrebi pritisak smanjuje ali to za posljedicu ima povećanje poroznosti 

komada. 

 

Slika 63. Vrste presa kod injekcionog brizganja WC. 

 

Slika 64. Uticaj vezinog materijala na pritisak istiskanja zelenog komada i njegovu poroznost. 

Page 71: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

71 

3.3PredsinterovanjeWC. 

  Kod proizvodnje dijelova od tvrdih metala je nekada potrebo izvršiti mnoge operacije 

oblikovanja  dijela  prije  finalnog  sinterovanja.  Formiranje  obilka  dobijaju  se  dijelova 

jednostavne geometrije kao što su cilindri, pravougaonici itd koji se obrađuju tehnikama kao 

što su tokarenje, glodanje, brušenje itd.  

 

Da bi  se ove operacije mogle  izvesti bez  izazivanja  štete na krhkim dijelovima potrebno  je 

zeleni komad od WC materijala predsinterovati na temperatura od 750 do 1000 [oC] gdje oni 

postaju  dovoljno  jaki  da  se  mogu  obrađivati  tehnikama  odvajanja  čestica.  Ova  naizgled 

jednostavna  operacija  zagrijavanja  komada  na  temperaturu  od  750  do  1000  [oC]  je 

najkomplikovani  dio  u  procesu  proizvodnje  dijela  od  volframovih  karbida.  Čestice  kobalta 

počinju da  se  zavaruju  jedna  za drugu na  temperaturi od 100 do 200  [oC], ova  reakcija na 

ovako  niskoj  temperaturi  je  posljedica  spremljene  energije  između  čestica  kobalta  tokom 

procesa  brizganja  te  čistih  površina  čestica  dobijenih  procesom mokrog meljenja.    Dalje 

ojačanje  komada  se nastavlja  sa povećanjem  temperature  ali nije praćeno  sa  skupljanjem 

komada,  te  se  pretpostavlja  da  su  ojačanja  koja  se  javljaju  u  zelenom  komadu  samo 

posljedica  lokalnog zavarivanja  čestica kobalta. Za  čiste WC‐Co  legure  temperatura od 800 

[oC] je dovoljna da se mogu izvesti operacije obrade komada bez njegovog oštećenja, na ovoj 

temperaturi  dolazi  do manjog  smanjenja  komada  što  je  posljedica  reorganizacije  čestica 

unutar  komada.  Poremećaji  u  kristalnoj  rešetci  karbida  koji  su  nastali  u  toku  procesa 

meljenja rezultuju u zavarivanju kontaktnih površina karbida. Istraživanja su pokazala da na 

ovoj  temperaturi  dolazi  do  formiranja  skeleta  od  čestica  karbida  kod  legura  sa  manjim 

sadržajem kobalta.  

 

Ako  atmosfera  oko  komada  nije  inertna može  doći  do  reakcije  tokom  predsinterovanja, 

sadržaj ugljika i oksigena se mijenjaju u toku procesa predsinetoravanja. Ako se proces odvija 

u  atmosferi  hidrogena  svi  oksidi  kobalta  i  volframa  se  redukuju.  Da  bi  došlo  do  100% 

redukcije mora se temperatura podići na minimlano 700 [oC].  

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 72: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

72 

3.4SinterovanjeWC. 

U  WC‐CO  sistemu  do  eutetičke  reakcije  dolazi  na  temperaturi  oko  1320  [oC]  a 

temperatura sinterovanja većine komercijalno dostupnih tvrdih metala je oko 1400 [oC]. Na 

temperaturi od 1400  [oC]  tečna  faza  čini oko 15% mase  te se sastoji od WC  rastvorenog u 

kobaltu.  Tokom  procesa  sinterovanja  dolazi  do  velikih  promjena,  čak  i  na  niskim 

temperaturama odnosno na samom početku sinterovanja kobalt se topi i širi preko površine 

karbida  i  stvara  vezu među  njima.  Kako  temperatura  raste  otapaju  se  površinski  slojevi 

karbida  te se spajaju sa drugim česticama karbida ovim se također obezbjeđuje mehanizam 

za reorganizaciju karbidida unutar kobalta odnosno povećanje gustoće WC‐Co metala. Rast 

zrna počinje od 800 [oC] pa do 1250 [oC] ispod tačke topljenja. 

Maseni udio % Temperatura sitnerovanja

WC  TiC  Ta(Nb)C Cr3C2 Co  [oC] 

94  ‐  ‐  ‐  6  1540 

91  ‐  ‐  ‐  9  1480 

89  ‐  ‐  ‐  11  1460 

87  ‐  ‐  ‐  13  1450 

80  ‐  ‐  ‐  20  1400 

75  ‐  ‐  ‐  25  1380 

70  ‐  ‐  ‐  30  1350 

96.5  ‐  ‐  ‐  3  1640 

95  ‐  ‐  0.5  4.5  1620 

93.5  ‐  ‐  0.5  6  1560 

90.5  ‐  ‐  0.5  9  1500 

85.5  ‐  ‐  0.5 4  1640 

81.5  7  3,5  ‐  8  1560 

80  7  3,5  ‐  6  1620 

84  14  ‐  ‐  6  1600 

87  10  ‐  ‐  6  1590 

87  7  ‐  ‐  8  1560 

66  5  ‐  ‐  9 1620Tabela 16. Uticaj sastava legure tvrdih metala na temperaturu sinterovanja. 

Kao  i  kod  ostalih  procesa  sinterovanja  sinterovanje  volframovih  karbida  može  biti 

sinterovanja u čvrstom stanju i sinterovanja u tečnom stanju. 

Istraživanja su pokazala da se više od 50% vezivanja cementih karbida odvija prije etutičke 

temperature. Ovo  je posljedica napona koji  se  javljaju  između  čestice WC  i kobalta koji  se 

javljaju  kao  spoljedica  predsinterovanja,  formiranja  oblika  i  samog  procesa  meljenja  i 

proizvodnje  praha.  Kobalt  počinje  da  se  rastvara  na  temperaturi manjoj  od  1000  [oC]  i 

aglomeracija karbida počinje na toj temperaturi. Na temperaturi od 1100 [oC] počinju da se 

dešavaju  promjene  na  porama,  daljnjim  povećanjem  temperature  finije  čestice  karbida 

počinju da se rastvaraju  i kobalt se  legira sa volframom  i ugljikom. U finalnoj fazi kobalt se 

Page 73: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

73 

dodatno  topi  i privlači  čestice  karbida  još bliže  tako da  se ostvaruje  veoma  velika  gustina 

finalnog proizvoda.  Skupljanje dijela  tokom procesa  sinterovanja  kreće  se  između 17% do 

25%.  Neki  istraživači  navode  da  se  potpuna  gustina  predmeta može  dobiti  bez  nastanka 

tečne faze tokom procesa sinterovanja. 

Sa tehničke tačke gledišta sineterovanja u tečnoj fazi je privlačnije nego sinterovanje čvrstoj 

fazi jer obezbjeđuje brže sinterovanje i kompotno zgušnjavanje bez primjene ikakvih vanjskih 

pritisaka. Brže sinterovanje se javlja zbog pojačane difuzije atoma u prisustvu tečne faze koja 

olakšava kretanje atoma. Uspješno sinterovanje u tečnoj je uslovljeno : 

Niskom temperaturom.  

Rastvorljivošću čvrstih karbida u kobaltu. 

Kvašenjem čvrstih zrna.  

Niska temperatura je potrebna iz razloga da se rastopi vezivni materijal ali da se ne rastope 

karbidi  u  potpunosti.  Rastopljivost  karbida  u  kobaltu  mora  biti  veoma  mala  sa  ciljem 

očuvanja  strukture  volframovih  karbida  odnosno  sa  ciljem  očuvanja   mehaničkih  osobina 

koje  karbidi posjeduju. Kvašenje  čvrstih  zrna podrazumijeva površinsko otapanje  karbida  i 

njegovo vezivanje sa kobaltom. Kod WC‐Co legura sva ti gore nabroja uslova su zadovoljenja 

i kobalt predstavlja najčešći vezivni materijal za sinterovanje tvrdih metala iz razloga što lako 

otapa površine zrna karbida i dobro se rastvara. 

 

Slika 65. Uticaj temperature sinterovanja na sastav karbida kao i na skupljanje. 

Identifikovana  su  tri  stadija  tečne  faze  u  toku  procesa  sinterovanja  i  to  početno  fluidno 

kretanje  kada  se  dešava  reorganizacija  čestica,  faza  rastvora  gdje  dolazi  do  povećanja 

gustoće  legure  i  finalna  faza  srastanja  gdje  se  proces  usporavao  kao  i  kod  sinterovanja  u 

čvrstoj  fazi.  Kod  cementnih  karbida  potpuno  zgušnjavanje  se  dešava  u  prva  dva  stadija 

Page 74: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

74 

produživanje  vremena  sinterovanja  dovodi  do  mikrostrukturalnih  promjena  uključujući  i 

daljni rast zrna. 

U  prvoj  fazi  tečnog  sinterovanja  dolazi  do  brzog  povećanja  gustine  zbog  veoma  jakih 

kapilarnih napona nastalih prvim formiranjem rastopine. Simultano nastupa i smanjenje pora 

iz razloga što čestice nastoje da smanje ukupnu površinsku energiju koja  je glavni pogonski 

mehanizam  reakcije  sineterovanja.  Povećanje  gustine  je  u  funkciji  nečistoća,  količine 

rastopine,  veličine  čestica,  rastvorljivosti  rastopina,  uglovima  kontakta  itd. Neki  istraživači 

procesa  sinterovanja  navode  da  je  potreba  količina  rastopine  neophodna  za  neometano 

kretanje  čestica karbida kroz nju 35%  zapreminskog udjela,  to  znači da  je dovoljno otopiti 

35%  kobalta  da  bi  došlo  do  reorganizacije  karbida  i  povećanja  gustine.  Drugi  istraživači 

navode da je neophodna količina rastopine 50‐60 %. Najvažnija karakteristika ove faze jeste 

da se u njoj dobija najveće povećanje gustine sinterovanog komada te dolazi do smanjenja 

sinterovanog predmeta  čak prije stvaranja prve rastopine što se može vidjeti na dijagramu 

na  slici  65.  Veoma  brzo  i  veoma  lako  topljenje  vezivnog materijala  se  pripisuje  procesu 

proizvodnje i pripreme praha. Ako se kobalt i volframa zajedno melju onda čestice kobalta u 

toku  procesa  meljenje  presvlače  čestice  volframa  te  stvaraju  tanki  film  koji  ima  veliku 

površinsku  energiju  i  potrebna  je  veoma mala  energija  da  bi  se  otopio.  Jednom  kada  se 

formira rastopina vezivnog materija termodinamičke kapilarne sile djeluju na čestice karbida 

i vrše njihovu reorganizaciju. Kako kapilarne sile nastoje da skupe čestice ne slaganje centara 

gravitacije  čestica  stvara  obrtni moment  na  česticama  karbida  što  rotira  karbide  i  dovodi 

njihove ravne površine u kontakt. Istraživanja su pokazala da se najbolje mehaničke osobine 

dobijaju sa manjim temperatura sinterovanja u prvoj fazi tečnog sinterovannja. 

U drugoj fazi preraspored karbida se završava i proces rastvaranja počinje. Za WC‐Co legure 

kog kojih  se velika gustina ostvaruje u prvoj  fazi  za očekivati  je da mehanizam  rastvaranja 

bude mnogo  jači pogotovo kog  legura gdje  je udio kobalta manji  i nije dovoljan da popuni 

praznine  nakon  reorganizacije  karbida.  Međutim  proces  povećanja  gustine  se  nastavlja 

mnogo sporije nego u prvoj fazi. Tokom druge faze povećanje gustine je vezano za promjene 

zrna karbida koje nastaju na kontaktnim površinama između zrna, rastvaranjem manjih zrna 

te pomirenjem granica zrna. Popunjavanje pora se također dešava u drogom stadiju tečnog 

sinterovanja, količina pora koja se smanji je proporcionalna povećanju veličine zrna. Na kraju 

ove  faze pore su efeminirane  ili stabilizirane  ili su zarobljene unutar sinterovanog komada. 

Također zrna formiraju čvrstu rešetku koja sprečavaju dalje povećanje gustine. U tabeli 17. 

su  prikazani  uticaji  pojedinih  elemenata  na  ponašanje  zrna  i  pora  u  toku  procesa 

sinterovanja. 

Efekat  Element 

Smanjuje rast zrna  Ni, Si, B, Sn, Al, As, Sb, Bi, Na, K, S, Ca, Ti, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Fe, Li,U 

Povećava rast zrna  Ni, Si, B, Sn, Al, As, Sb, Bi, Mg, P, Zn, Ba, zemlja 

Fomira pore  Si, Al, Ca, Ti, Mg, Fe, N, O 

Bez efekata  Ni, Si, B, Na, K, S, Ca, Ti, Mg, P, Cu, Zr, Hf Tabela 17. Uticaj pojedinih elemenata na ponašanje karbida tokom sinterovanja. 

Page 75: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

75 

U zadnjoj fazi sinterovanja nastavljaju se procesi početi u drugoj fazi. Kod većine WC‐Co puna 

moguća  gustina  je  ostvarena  prije  početka  krajnje  faze  i  dalje  zadržavanje materijala  na 

temperaturi  sinterovanja ne  rezultira povećanjem gustine.  Strukturne promjene  čestica  se 

počinju da se odvijaju u ovoj fazi kao što su promjena veličine zrna i načina rasporeda, oblik 

zrna  i  raspodjela  vezivnog materijala. Dolazi  do  dodatnog  povećanja  zrna, manja  zrna  se 

rastvaraju i stapaju sa većim zrnima, povećanja vremena sinterovanja izaziva povećanje rasta 

zrna što  ima za posljedicu smanjenje kontaktnih površina  između zrna što slabi mehaničke 

karakteristike komada. Promjene koje se dešavaju u ovoj fazi utiču na otpornost na habanje, 

žilavost, magnetne osobine, istegljivost itd. Gustina komada nakon završetka finalne faze je u 

funkciji  karakteristika  pora  i  gasa  zarobljenog  u  porama.  Kako  nema  više  kretanja  zrna 

smanjenje  pora  se  ne  nastavlja. U  toku  zadnje  faze  sinterovanja  volframovi  karbidi  imaju 

anizotropsku strukturu i formira anizotropni oblik koji se mogu opisati kao ravne trougaone 

prizme sa oštrim ivicama. 

Iz svega gore opisanog može se zaključiti da na proces sinterovanja najviše utiče: 

Atmosfera  sinterovanja.  Sinterovanja  tvrdih metala  podrazumijeva  zagrijavanje  na 

temperaturu od  1350[oC] pa do  1650[oC]  te do  reakcije  sa  atmosferom može  lako 

doći. Pogotovo ako se uzme u obzir da su tvrdi metali veoma reaktivni na atmosferu. 

Sinterovanje se najčešće odvija u atmosferi hidrogena iz razloga što sav višak ugljika i 

oksigena reagira sa hidrogenom i biva odveden iz strukture tvrdog metala. 

 

Temperatura  sinterovanja  i  vrijeme  sinterovanja.  U  tabeli  16.  su  predstavljene 

temperature  sinterovanja  za  pojedine  sastave  tvrdih  metala.  Stepen  rastvaranja, 

kvašenje karbida, rastvaranje karbida u kobaltu, zapremina tečne faze itd su u funkciji 

temperature. Vrijeme sinterovanja igra također važnu ulogu ako se predmet premalo 

zadrži u peći proces neće biti doveden do kraja komad  će biti porozan  i neće  imati 

tražene mehaničke  osobine,  ako  se  komad  ostavi  predugo  u  peći  nastavlja  se  rast 

zrna i smanjuju se mehaničke osobine komada. 

 

Stepen hlađenje  i zagrijavanja. Zagrijavanje do temperature topljenja  lubrikanata  je 

veoma važno  i potrebno  je odnos temperature  i vremena pažljivo kontrolirati. Visok 

stepen  zagrijavanja  rezultira  u  stvaranju  para  visokog  pritiska  unutatr  strukture 

komada  što  se  rezultira u  staranju pukotina  i  šupljina  ili  čak  i kompletnog prelomu 

sinterovanog komada.  

 

Uticaj nečistoća. U  tabeli 17.  su prikazani uticaji nekih od elemenata na ponašanje 

tvrdih  metala  tokom  procesa  sinterovanja.  Ovi  elementi  uglavnom  su  zastali  iz 

procesa  proizvodnje  praha  ili  je  došlo  do  kontaminacije  tokom  samog  procesa 

sinterovanja.  

 

Page 76: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

76 

Zaključak: 

  Sinterovanje  ili davno zabobarvljena umjetnost postalo ponovo moderno početkom 

19  stoljeća  te  je  razvijeno  u  tolikoj mjeri  da  se  pomoću  te  tehnologije  danas  proizvode 

dijelovi  zapanjujućih karakteristika, ne  samo od metala nego  i od keramika, biomaterijala, 

dijamanata itd. Očekuje se da će sa daljnjim razvojem materijala i nano tehnologije dijamant 

spasti na drugo mjesto ljestvice tvrdoće.  

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 77: Metalurgija praha i Sinterovanje alatnih čelika

Metalurgija praha i sinterovanje alatnih čelika  

Muhamed Herić II‐22‐JJ/11 

 

77 

Literatura: 

[1.] „Sintering,Densification,Grain Growth and Microstructure“ Suk‐Joong L.Kang. [2.] „Powder Metal Technologies and Applications“ ASM Handbook  [3.] „Cemented Tungsten Carbides Production, Properties, And Testing“ Gopal S. 

Upadhyaya [4.] „Powder Metallurgy Technology„  G. S. Upadhyaya. [5.] „Metalurgija Praha“ Prof. dr. sc. Božidar Matijević Fakultet strojarstva i brodogradnje 

Zavod za materijale [6.] „Lifetime Controlling Defects in Tool Steels“ Christian Rudolf Sohar [7.] „Mechinability of powder metallurgy steels“ A. Šalak, M. Selecká and H. Danninger [8.] „Sintering – Methods And Products“ Volodymyr Shatokha [9.] „Some Critical Issues For Injection Molding“ Jian Wang [10.] „Sintering Densification,Grain Growth, and Microstructure“ Suk‐Joong L.Kang [11.] „Sintering of advanced materials“ Zhigan Zak Fang [12.] www.gigapedia.org [13.] www.efunda.com/