Produkcja elementów metalowych nie ogranicza się wyłącznie do odlewania i obróbki skrawaniem. Coraz większe znaczenie w technice i gospodarce mają wyroby formowane z proszków metali, czyli tzw. spieki metaliczne. Ten sposób kształtowania metalu pozwala tworzyć części o bardzo złożonej geometrii, kontrolowanej porowatości oraz właściwościach, jakich nie da się łatwo osiągnąć metodami klasycznymi. Spiek metaliczny stał się nie tylko alternatywą, ale często wręcz podstawową technologią w wielu gałęziach przemysłu – od motoryzacji, przez medycynę, po energetykę i kosmonautykę.

Istota spieku metalicznego i jego właściwości

Spiek metaliczny to ciało stałe otrzymane przez formowanie i wygrzewanie proszku metalicznego (lub mieszanki proszków) w temperaturze niższej od temperatury topnienia głównego składnika. Zamiast stopić cały materiał, doprowadza się do jego zagęszczenia poprzez zjawiska dyfuzji, rearanżacji ziaren i zbliżania się cząstek do siebie. Efektem jest materiał o strukturze polikrystalicznej, który może być niemal całkowicie zwarty lub mniej czy bardziej porowaty – w zależności od zamierzonego zastosowania.

Istotą procesu spiekania jest wykorzystanie energii cieplnej do aktywacji dyfuzji atomów na stykach cząstek proszku. Ziarna łączą się, tworząc mostki (tzw. szyjki), które z czasem rosną i prowadzą do zmniejszenia porowatości oraz zwiększenia wytrzymałości mechanicznej. W przeciwieństwie do odlewania, nie dochodzi do pełnego upłynnienia metalu w całej objętości, co pozwala uniknąć wielu wad odlewniczych, takich jak skurczowe jamy czy intensywne naprężenia wewnętrzne.

Do najważniejszych cech spieków metalicznych należą:

• możliwość precyzyjnego kształtowania porowatości – od materiałów niemal pełnych po wysoce porowate, przepuszczalne dla gazów i cieczy,
• uzyskiwanie skomplikowanych kształtów bez (lub z minimalną) obróbką skrawaniem,
• łatwość łączenia kilku metali lub metal + niemetal w jednym detalu,
• powtarzalność wymiarowa i własności mechanicznych przy produkcji wielkoseryjnej,
• możliwość regulowania składu chemicznego z bardzo dużą dokładnością,
• zwiększona ekonomiczność w porównaniu z klasycznymi technologiami przy dużych seriach.

Spiek metaliczny może przyjmować bardzo różne formy: od drobnych kół zębatych i tulei łożysk ślizgowych, przez filtry metaliczne o zadanej przepuszczalności, aż po implanty medyczne czy elektrodowe elementy ogniw paliwowych. Kluczowe jest to, że własności takiego materiału można „projektować” już na etapie doboru proszków, sposobu ich zagęszczania oraz parametrów wygrzewania.

Proces produkcji spieków metalicznych

Technologia wytwarzania spieków metalicznych należy do szerszej dziedziny zwanej metalurgią proszków. Proces można podzielić na kilka zasadniczych etapów: wytwarzanie proszków, przygotowanie mieszaniny, formowanie, spiekanie oraz ewentualną obróbkę po spiekaniu. Każdy z tych kroków ma ogromny wpływ na końcowe parametry użytkowe materiału.

Wytwarzanie proszków metalicznych

Podstawą procesu są proszki metali i stopów. Ich cechy – wielkość cząstek, kształt, czystość chemiczna, rozkład wielkości ziaren – determinują późniejszą zagęszczalność i mikrostrukturę spieku. Proszki można otrzymywać na wiele sposobów, z których najczęściej wykorzystywane są:

• Rozpylanie ciekłego metalu – strumień metalu jest rozbijany gazem obojętnym lub wodą na drobne kropelki, które zestalają się w postaci proszku; stosowane przy produkcji proszków stali, żelaza, miedzi, niklu, superstopów.
• Redukcja tlenków – np. redukowanie tlenków żelaza wodorem lub tlenku miedzi gazami redukującymi, daje bardzo czyste proszki o nieregularnym kształcie.
• Elektroliza – wytwarzanie proszków metali o bardzo wysokiej czystości i kontrolowanej strukturze (m.in. miedź, nikiel).
• Metody mechaniczne – mielenie, kruszenie i rozdrabnianie metali lub stopów, czasami z wykorzystaniem młynów kulowych; stosowane częściej do stopów trudnych do rozpylania.

W zależności od zastosowania dobiera się różną granulację. Drobniejsze proszki dają lepsze zagęszczenie i gęstość spieku, lecz są droższe i trudniejsze w obsłudze (większe pylenie, ryzyko wybuchowości mieszanin pyłowo-powietrznych, problemy z płynięciem w matrycach). Dlatego cały czas optymalizuje się kompromis między własnościami a kosztami i bezpieczeństwem.

Przygotowanie mieszaniny proszków

Po wytworzeniu proszku lub proszków przygotowuje się mieszaninę, której skład chemiczny i właściwości reologiczne są dostosowane do danego procesu formowania. Obejmuje to:

• mieszanie różnych metali (np. żelazo + grafit + dodatki stopowe),
• dodanie smarów dielektrycznych lub organicznych, które ułatwiają prasowanie w matrycy,
• ewentualne dodanie faz niemetalicznych, np. proszków ceramicznych, które pozwalają otrzymać metaloceramikę lub kompozyty.

Czas i sposób mieszania mają wpływ na równomierność rozkładu składników. Nierównomierne wymieszanie może powodować lokalne różnice w twardości, skłonność do pęknięć, a nawet niejednolitą porowatość. W produkcji wielkoseryjnej stosuje się specjalne mieszalniki o kontrolowanej prędkości i geometrii, a jakość mieszanin kontroluje się metodami analizy chemicznej i mikroskopowej.

Formowanie kształtek z proszku

Kolejnym etapem jest nadanie mieszaninie proszku pożądanego kształtu. Najpowszechniejszą metodą, szczególnie w przemyśle motoryzacyjnym i maszynowym, jest prasowanie jednoosiowe w sztywnych matrycach stalowych. Proszek wsypuje się do wnęki matrycy, a następnie zagęszcza za pomocą stempla dolnego i/lub górnego pod ciśnieniem rzędu od kilkuset do kilku tysięcy MPa.

Inne metody formowania to m.in.:

• prasowanie izostatyczne na zimno (CIP) – proszek umieszczony w elastycznej formie jest ściskany równomiernie ciśnieniem cieczy lub gazu, co zapewnia bardzo dobre, izotropowe zagęszczenie,
• wtryskiwanie proszku (MIM – Metal Injection Molding) – proszek miesza się z polimerowym lepiszczem, tworząc masę przypominającą tworzywo sztuczne, którą następnie wtryskuje się do formy; po uformowaniu usuwa się lepiszcze i spieka pozostały szkielet metaliczny,
• prasowanie na gorąco – łączy zagęszczanie i spiekanie w jednym etapie, często stosowane przy proszkach trudno spiekających lub w produkcji elementów z materiałów o wysokich wymaganiach wytrzymałościowych.

Na tym etapie powstaje tzw. kształtka zielona (ang. green compact), która ma jeszcze stosunkowo niską wytrzymałość i dużą porowatość, ale zachowuje potrzebną geometrię do dalszego wygrzewania.

Spiekanie – kluczowa faza procesu

Spiekanie polega na wygrzewaniu uformowanych kształtek w kontrolowanej atmosferze i temperaturze. Typowy zakres temperatur spiekania stali żelaznych wynosi od 1050 do 1350°C, w piecach przelotowych lub komorowych. W zależności od rodzaju materiału stosuje się atmosferę wodorową, azotowo-wodorową, próżnię, gaz obojętny lub mieszanki redukujące.

W trakcie wygrzewania zachodzą następujące zjawiska:

• usuwanie smarów i lepiszczy organicznych (odgazowanie i wypalenie),
• tworzenie i wzrost mostków pomiędzy cząstkami proszku,
• zanikanie porów otwartych oraz zmniejszanie liczby porów zamkniętych,
• dyfuzja składników stopowych i ujednorodnienie składu chemicznego,
• rekryształizacja i wzrost ziaren, co wpływa na własności mechaniczne,
• w razie potrzeby – powstawanie określonych faz międzymetalicznych lub węglików.

Parametry procesu – czas, temperatura, szybkość nagrzewania i chłodzenia, rodzaj atmosfery – są ściśle dobierane tak, aby uzyskać pożądaną strukturę. Na przykład szybkie chłodzenie może sprzyjać powstawaniu faz hartowniczych (martenzytu) w stalach, co zwiększa ich twardość, natomiast długie wyżarzanie w wysokiej temperaturze sprzyja z kolei wytwarzaniu struktur bardziej plastycznych.

Obróbka po spiekaniu i techniki zaawansowane

Po spiekaniu część wyrobów nadaje się bezpośrednio do zastosowania, ale w wielu przypadkach stosuje się dodatkowe operacje:

• kalibrowanie – ponowne prasowanie w celu poprawy tolerancji wymiarowych i gładkości powierzchni,
• nasycanie olejem (impregnacja) – szczególnie w łożyskach porowatych, które dzięki temu stają się samosmarujące,
• obróbkę cieplną (hartowanie, odpuszczanie, nawęglanie),
• obróbkę mechaniczną (toczenie, szlifowanie) w celu uzyskania bardzo precyzyjnych powierzchni funkcjonalnych,
• powlekanie – nakładanie powłok ochronnych lub zwiększających odporność na ścieranie.

Na styku metalurgii proszków i druku 3D rozwijają się techniki addytywne (np. SLM, DMLS, EBM), które także bazują na spiekaniu lub stapianiu cienkich warstw proszku laserem czy wiązką elektronów. Chociaż formalnie często mówi się o selektywnym przetapianiu, część rozwiązań – zwłaszcza w technologiach binder jetting – wykorzystuje de facto spiekanie proszku po wcześniejszym sklejeniu lepiszczem. Dzięki temu możliwe jest wytwarzanie unikatowych geometrii z kontrolowaną mikrostrukturą.

Zastosowania i znaczenie gospodarcze spieków metalicznych

Spieki metaliczne są obecne w ogromnej liczbie wyrobów codziennego użytku, choć przeciętny użytkownik rzadko ma tego świadomość. Za ich popularnością stoją jednoczesna opłacalność ekonomiczna oraz unikatowe własności, szczególnie w zakresie porowatości, przewodności cieplnej i zdolności do samosmarowania.

Motoryzacja i przemysł maszynowy

Największym odbiorcą części spiekanych jest przemysł samochodowy. W nowoczesnym samochodzie liczba elementów wykonanych w technologii metalurgii proszków sięga kilkudziesięciu, a w niektórych modelach nawet powyżej stu. Obejmują one:

• koła zębate i zębniki przekładni,
• tuleje łożysk ślizgowych,
• pierścienie, krzywki, tarcze sprzęgieł,
• elementy układów sterowania silnika i układów rozrządu,
• części pomp oleju, wody czy paliwa.

Wysoka powtarzalność i możliwość seryjnego formowania skomplikowanych kształtów z minimalną obróbką wykańczającą sprawiają, że koszty jednostkowe przy dużej skali produkcji są niższe niż w przypadku klasycznej obróbki skrawaniem czy odlewów precyzyjnych. Jednocześnie uzyskuje się bardzo dobrą stabilność wymiarową i odpowiednią wytrzymałość zmęczeniową części pracujących w warunkach obciążeń cyklicznych.

W przemyśle maszynowym spieki metaliczne wykorzystuje się do produkcji przekładni, sprzęgieł, elementów hydrauliki i pneumatyki, narzędzi oraz aparatury pomiarowej. Porowate tuleje łożyskowe zaimpregnowane olejem eliminują potrzebę zewnętrznego smarowania, co upraszcza konstrukcję maszyn i przedłuża ich żywotność.

Przemysł chemiczny, energetyka i filtracja

Porowate spieki metaliczne pełnią bardzo istotną rolę w filtracji cieczy i gazów. Dzięki kontrolowanej strukturze porów, łatwości sterowania wielkością przepływu oraz wysokiej odporności na temperaturę i korozję, stalowe lub niklowe filtry spiekane stosowane są w:

• instalacjach chemicznych i petrochemicznych,
• systemach uzdatniania wody i gazów technicznych,
• układach paliwowych w lotnictwie i kosmonautyce,
• procesach sterylizacji i filtracji w przemyśle farmaceutycznym.

W energetyce spieki metaliczne występują jako elektrody, kolektory prądowe, elementy katalizatorów czy części ogniw paliwowych. Spiekane ruszty, wiązki drutów i porowate wkładki mogą pełnić funkcję nośników katalizatorów, ułatwiając równomierny przepływ reagentów i skuteczną wymianę masy.

Medycyna i implantologia

W medycynie spiek metaliczny odgrywa szczególną rolę dzięki możliwości kształtowania porowatych struktur bioaktywnych. Implanty z tytanu lub stopów tytanu wytwarzane w technologii metalurgii proszków często mają powierzchnię porowatą, która sprzyja wrastaniu tkanki kostnej (osteointegracji). Dzięki temu połączenie implantu z kością jest stabilniejsze i długotrwałe.

Dodatkowo porowate struktury pozwalają zmniejszyć masę implantu, co ma znaczenie np. w endoprotezoplastyce stawów. Konstrukcje o zróżnicowanej gęstości (pełny rdzeń, porowata powierzchnia) umożliwiają dopasowanie sztywności implantu do właściwości tkanki otaczającej, ograniczając zjawisko ekranowania naprężeń w kości.

Elektronika, elektrotechnika i nowe technologie

W sektorze elektronicznym i elektrotechnicznym spieki metaliczne stosuje się m.in. jako:

• materiały kontaktowe w wyłącznikach dużej mocy (kompozyty srebro–grafit, srebro–tlenek cyny),
• porowate elektrody w akumulatorach, superkondensatorach i ogniwach paliwowych,
• radiatory i elementy odprowadzające ciepło,
• materiały do druku cienkowarstwowych ścieżek przewodzących.

Wraz z rozwojem technologii wytwarzania energii i magazynowania ładunku elektrycznego rośnie zapotrzebowanie na zaawansowane spiekane materiały porowate o dużej powierzchni właściwej. Umożliwiają one efektywniejszą wymianę jonową i elektronową, co przekłada się na wyższą sprawność urządzeń.

Znaczenie gospodarcze i perspektywy rozwoju

Metalurgia proszków stanowi obecnie jedną z kluczowych technologii wytwarzania części precyzyjnych w skali światowej. W wielu krajach rozwiniętych udział elementów spiekanych w ogólnej masie części maszyn dynamicznie rośnie. Dla producentów OEM oznacza to:

• zmniejszenie ilości odpadów materiałowych (wysoki współczynnik wykorzystania surowca),
• redukcję kosztów obróbki mechanicznej,
• możliwość integracji funkcji w jednym detalu – np. łączenie wielu części w jedną, złożoną geometrię,
• łatwiejszą automatyzację produkcji.

W wymiarze makroekonomicznym spieki metaliczne przyczyniają się do poprawy efektywności wykorzystania surowców, co jest szczególnie istotne w kontekście kosztownych i rzadkich metali, takich jak wolfram, nikiel czy kobalt. Technologia ta wpisuje się również w założenia gospodarki obiegu zamkniętego – proszki można częściowo odzyskiwać, a odpady produkcyjne ponownie wprowadzać do procesu po odpowiednim przetworzeniu.

Dynamiczny rozwój technik addytywnych oraz wtryskiwania proszków metali otwiera nowe pola zastosowań. Coraz częściej projektuje się komponenty od podstaw z myślą o spiekaniu, co pozwala uzyskać konstrukcje o zoptymalizowanej masie, sztywności i właściwościach termicznych. Możliwość personalizacji wyrobów – szczególnie w medycynie i lotnictwie – powoduje, że spiek metaliczny staje się jednym z filarów nowoczesnego przemysłu wytwórczego.

Do interesujących kierunków rozwoju należą także:

• spieki gradientowe – o zmiennym składzie chemicznym lub porowatości w funkcji objętości,
• kompozyty metal–ceramika zapewniające połączenie wysokiej twardości z wytrzymałością udarową,
• materiały samonaprawiające się, w których specjalnie zaprojektowane pory stanowią rezerwuar substancji reagujących na uszkodzenia,
• spieki do zastosowań w ekstremalnych warunkach – wysokie temperatury, agresywne środowiska korozyjne, silne promieniowanie.

Rosnąca dostępność nowoczesnych proszków, coraz precyzyjniejsze sterowanie procesem spiekania oraz integracja z systemami projektowania wspomaganego komputerowo sprawiają, że spiek metaliczny z materiału niszowego przekształcił się w pełnoprawny fundament wielu gałęzi gospodarki opartej na innowacji i wysokiej wartości dodanej.