فرآیند متالورژی پودر یک روش قدیمی و منحصر به فرد برای تشکیل اشکال و طرح ها از فلزات آهنی و غیرآهنی است. متالورژی پودر هزاران سال است که به عنوان راهی برای تولید وسایل و ابزار خانگی استفاده می شود. این روش به عنوان روشی برای تولید انبوه محصولات و قطعات در اواسط انقلاب صنعتی اول آغاز شد.
همچنین بخوانید : مقدمه ای بر متالورژی پودر
تا اوایل قرن بیستم، این فرآیند به صورت پراکنده مورد استفاده قرار می گرفت، اما به عنوان یک روش تولید مناسب در نظر گرفته نمی شد. با توسعه برق و پیشرفت های تکنولوژی، متالورژی پودر به عنوان یک روش بسیار کارآمد و مولد برای تولید قطعات با تلرانس بالا و حداقل ضایعات جایگاهی پیدا کرده است.
چهار مرحله اساسی برای فرآیند متالورژی پودر عبارتند از آماده سازی پودر، مخلوط کردن، فشرده سازی و تف جوشی. این مراحل در طول قرن ها برای تولید محصولات متنوع مورد استفاده قرار گرفته است.
مانند هر فرآیند تولیدی، متالورژی پودر دارای تغییراتی است تا نیازهای تک تک قطعات را برآورده کند. روش ها و تکنیک های مختلف با توسعه پیشرفت های تکنولوژیکی و مشخصات مهندسی رشد کرده اند. چهار مورد از تغییرات معمولی شامل قالبگیری تزریقی، پرس ایزواستاتیک و ساخت افزودنیهای فلزی است که جدیدترین پیشرفت است.
چهار مرحله اساسی فرآیند متالورژی پودر
مرحله اول: آماده سازی پودر
خواص محصولات تولید شده با استفاده از متالورژی پودر به ویژگی های پودر بستگی دارد. این ویژگی ها به نحوه ی آماده سازی پودر بستگی دارد که در ادامه چند روش تولید پودر فلز توضیح داده میشود:
1.آمیختن
در اولین و جدیدترین روش تولید پودر فلزات، دو ماده پودر سرامیک و همچنین مذاب فلز که از خاصیت ترشوندگی برخوردار نیستند با یکیدیگر آمیخته میشوند و در نهایت به شکل قطراتی ریز در می آیند. قطرات به دست آمده به دلیل نیروی های کششی سطحی که به آنها وارد میشود به شکل کروی در می آیند. سپس با کمک گرفتن از سرند و جدا کردن پودرهای سرامیکی از مواد، در نهایت پودر فلز به دست می آید. پودر فلزی که از این روش حاصل میشود نسبت به سایر روش های تولید پودر فلزات از مزایای بیشتری برخوردار است. در این روش از گازهای پر انرژی به هیچ وجه استفاده نمیشود و به همین دلیل هیچگونه تخلخلی در پودر فلز ایجاد نخواهد شد. پودر به دست آمده از این روش به دلیل خاصیت بالای خود، ویژگی و خواص مکانیکی ایجاد شده در قطعات را تا حد زیادی بالا میبرد. هزینه تولید پودر فلز در این روش نیز بسیار پایینتر از روش های دیگر همچون اتمیزه کردن است. در سایر روش های تولید پودر فلزات تبدیل شکل فلز به حالت کروی وجود ندارد ولی در این روش به راحتی میتوان پودر فلز را به حالت کروی در آورد.
2.احیای حالت جامد یا تقلیل حالت حجمی
در این روش کانی فلز خرد می شود و پس از آن با ماده دیگری مخلوط می شود. این ماده به طور معمول کربن است. همین که این دو با هم مخلوط شدند، آن ها را در کوره قرار خواهند داد تا با صورت پذیرفتن یک واکنش که سطح اکسیژن و کربن را در ترکیب کاهش می دهد شاهد تشکیل یک کیک اسفنجی باشیم.این اسفنج در ادامه خرد می شود و از صافی عبور خواهد کرد تا مواد غیر فلزی آن جدا شوند. در این مرحله موادی که باقی می مانند هنوز حالت اسفنجی دارند. که این ویژگی اسفنجی بودن مطلوب است و باعث خواهد شد که به خوبی کمپرس شوند.
Fe+5Co ↔ Fe (Co)5
روش احیای حالت جامد پروسه ای قدیمی است که ممکن است به ۳ روز زمان نیاز داشته باشد تا بتوان با استفاده از کوره به طور کامل کانی آهن را تبدیل به آهن کرد. باید توجه داشته باشید که در این روش نیاز به کانی فلز با خلوص نسبتا بالا خواهد بود تا در محصول نهایی شاهد کیفیت قابل قبولی باشید.
3. ریزسازی یا اتمیزه کردن
این پروسه با استفاده از تکه و خرده ریزه های فلزاتی که با حرارت ذوب می شوند آغاز خواهد شد و همین که فلزات ذوب شدند، در معرض جریان آب قرار خواهند گرفت. این کار باعث خواهد شد که فلزات از هم جدا شوند. هدف از این کار هم خرد و ریز کردن فلز به قطعات کوچک و تبدیل آن ها به حالت جامد با سرعت بالا می باشد (قبل از این که فلزات مذاب دوباره به هم یا به سطوح دیگر بچسبند). این روش برای تولید پودر فلز بازده بالایی دارد و می تواند برای همه انواع فلز ذوب شده استفاده شود. معمول ترین انواع پودر فلز که به این روش با استفاده از فلز مذاب تولید می شوند عبارت هستند از: آهن ، برنز ، آلیاژهای فولادی ، مس ، برنج ، آلومینیوم ، روی ، کادمیوم
4. الکترولیز
روش الکترولیز یا برق کافت برای تولید پودر فلزی روشی است که در آن فلز با یک محول آبی الکترولیت (محلولی که رسانای برق باشد و دارای یون های آزاد است) توسط یک جریان dc با ولتاژ و جریان مشخص یون ها تحریک شده و با فلز واکنش شیمیایی داده و فلز تجزیه شده و به پودر فلز تبدیل میشود ..اما پروسه الکترولیز نیاز به شرایط خاصی برای افزایش بازدهی دارد که شامل موارد زیر است:
1-تنطیم درست ترکیبات و غلظت الکترولیت
2-تنطیم درست چگالی
3-تنظیم دما
تا زمانی که شرایط مطلوب به خوبی فراهم باشند فرایند تولید پودر فلز با الکترولیز با خلوص و چگالی مطلوب به خوبی انجام خواهد شد. لازم است بدانید که الکترولیز در مقایسه با سایر روش های ذکر شده در این بخش هزینه بالاتری دارد و برای همین در نگاه اول تنها برای تولید پودر فلزات دارای ارزش بالا و در مواقعی که رسانایی بالایی مورد نیاز باشد مناسب است.
5- پروسه شیمیایی
این روش را برای تهیه پودرهای فلزی همچون آهن و نیکل بیشتر به کار میبرند. در این روش حرارتی بین ۲۰۰ تا ۲۷۰ درجه سانتی گراد و با فشاری که ممکن است به ۲۰۰ اتسفر برسد اعمال میگردد تا کربنیل های فلزی تجزیه شوند. کربنیل هایی که به دست می آیند در ابتدا به صورت مایع میباشند که بعد از حرارت دادن آنها در دمای مشخص (دمای مورد نیاز برای کربنیل ۱۰۳ درجه سانتی گراد و ۴۳ درجه سانتی گراد برای نیکل میباشد) و سپس خارج شدن گاز، پودر آهن و همچنین نیکل به دست خواهد آمد. پودر آهن به دست آمده در این روش بسیار ریز و همچنین شکل آن کروی میباشد و همچنین پودر نیکل نیز شکل خاص و معینی وجود نداشته و ابعاد آنها نیز ریز میباشد. نکته ای که در مورد این نوع پودرها وجود دارد در مقدار خلوص آنها میباشد. مقدار خلوص پودر های به دست آمده از این روش بالاست.
Fe+5Co ↔ Fe (Co)5
چون واکنش کربونیل فلز برگشت پذیر است در اثر تجزیه دوباره فلز و مونو اکسید کربن ها از هم جدا میشوند.
6- اتمیزه کردن یا خردسازی با گریز از مرکز
یک روش دیگر برای خردسازی یا اتمیزه کردن فلزات استفاده از سانتریفیوژ است. این کار در مخزن های مشبک صورت خواهد گرفت و می تواند فلز مایع را به اندازه های خاصی تبدیل کند. در این روش به راحتی می توان سرعت ماشین را تغییر داد تا به نتیجه مطلوب رسید.
مرحله دوم : مخلوط کردن
در فرآیند مخلوط کردن ، پودرها با سایر پودرها، چسب ها و روان کننده ها ترکیب می شوند تا اطمینان حاصل شود که قسمت نهایی دارای ویژگی های لازم است. بسته به نوع فرآیند متالورژی پودر و الزامات قطعه، مخلوط کردن و اختلاط را می توان به صورت مرطوب یا خشک کامل کرد.
چهار روش متداول مخلوط کردن عبارتند از: درام چرخان، مخروط دوتایی دوار، میکسر پیچی در داخل درام، و میکسر تیغه ای در داخل درام. تصویر زیر یک مخروط دوتایی و درام چرخان را نشان می دهد.
تکنیک های اختلاط و اختلاط با مخروط چرخشی در سمت چپ و درام چرخشی در سمت راست
مرحله سوم – فشرده سازی
فشرده سازی شامل فشار دادن و فشرده کردن مخلوط پودر به شکل یا قالب مورد نظر است. هنگامی که فشرده سازی به درستی انجام شود، فضاهای خالی احتمالی را کاهش می دهد و به طور قابل توجهی چگالی محصول را افزایش می دهد. فرم فشرده و تحت فشار به عنوان فشرده سبز(green compact) نامیده می شود که نشان دهنده این است که قطعه از فشرده سازی تشکیل شده است.
فشار فشرده سازی بین 80 مگاپاسکال تا 1600 مگاپاسکال است. هر نوع پودر فلز بسته به خواص خود به فشار فشرده سازی متفاوتی نیاز دارد.
در فشرده سازی پودر نرم، فشار بین 100 مگاپاسکال تا 350 مگاپاسکال است. برای فلزات انعطاف پذیرتر و سخت تر، مانند فولاد و آهن، فشار بین 400 مگاپاسکال تا 700 مگاپاسکال است.
دستگاه پرس متالوژی پودر
مرحله چهارم – تف جوشی
اگرچه فشرده سبز تحت فشار و فشار شدید قرار گرفته است، اما به اندازه کافی قوی نیست که بتوان از آن استفاده کرد. به منظور ایجاد پیوند دائمی بین ذرات فلز، فشرده سبز در دمای بالا پخته می شود یا گرم می شود. در اصل، تف جوشی محصول یا بخشی قابل استفاده نهایی را تولید می کند.
تف جوشی یک عملیات حرارتی است که در آن تعداد زیادی از قطعات، به شکل فشرده، تحت دمایی قرار می گیرند که برای ایجاد یکپارچگی و اتصال ذرات سست و تشکیل یک قطعه جامد کافی است. دمای مورد نیاز متناسب با نوع فلز در نوسان است اما همیشه کمی کمتر از دمای ذوب فلز است.
فشرده سازی ذرات فشرده سبز را فشار می دهد تا به شکلی شکل بگیرد. صرف نظر از فشار اعمال شده در حین فشرده سازی، هنوز فضاهای متخلخل کمی در فشرده سبز وجود دارد. در حین پخت، مواد فشرده شده و تحت فشار در دمای بالا قرار می گیرند تا فضاهای متخلخل بسته شود و قطعه تقویت شود.
تف جوشی با گاز نیتروژن
انواع فرآیندهای متالورژی پودر
1.معمولی
متالورژی پودر معمولی هر یک از مراحل متالورژی پودر پایه را دنبال می کند که در آن پودر و آلیاژ مخلوط، متراکم و پخته می شوند. این بسیار شبیه روش باستانی متالورژی پودر با مزیت افزوده فناوری مدرن است.
2.قالب گیری تزریقی
مزیت منحصر به فرد قالب گیری تزریقی توانایی آن در تولید اشکال پیچیده در مقادیر زیاد است. پودرهای قالب گیری تزریقی به طور خاص با یک چسب، مانند موم یا یک ترموپلاستیک فرموله می شوند. مخلوطی که به آن مواد اولیه می گویند، به داخل حفره قالب یک دستگاه قالب گیری تزریقی معمولی وارد می شود. هنگامی که فشرده سبز از قالب خارج می شود، موم با پردازش حرارتی یا حلال استخراج می شود. هر چسب باقیمانده در طول پخت متلاشی می شود.
فرآیند متالورژی پودر قالب گیری تزریقی بسیار شبیه به قالب گیری تزریقی پلاستیک و ریخته گری فشار بالا است و همان اشکال پیچیده و پیچیده آن فرآیندها را تولید می کند. مشکل قالبگیری تزریقی متالورژی پودر، میزان پرداخت ثانویه است که لازم است. مزیت آن توانایی آن در ایجاد تلورانس های ابعادی خوب در اشکال نامحدود و با ویژگی های هندسی منحصر به فرد است.
3. پرس ایزواستاتیک
پرس ایزواستاتیک یک فرآیند فشار برابر است که در آن فشار یکسان به کل سطح قطعه کار اعمال می شود. با اعمال فشار یکسان از همه جهات، هر زاویه، منحنی، خط و عمق قطعه دارای چگالی و ریزساختار یکسانی است. پرس ایزواستاتیک بسته به نیاز قطعه تولید شده می تواند به صورت سرد یا گرم انجام شود.
پرس ایزواستاتیک سرد قطعاتی را تولید می کند که قالب های پرس در آنها گزینه ای نیست یا قطعاتی که قرار است تولید شوند بسیار بزرگ و پیچیده هستند. طیف گسترده ای از مواد را می توان برای پردازش ایزواستاتیک استفاده کرد. مقدار فشار مورد نیاز از کمی کمتر از 5000 psi شروع می شود و تا 100000 psi می رسد. این پودر در قالب های الاستومری که ممکن است مرطوب یا خشک باشد، قالب گیری می شود.
پرس ایزواستاتیک گرم دمای بالا را با فشار ایزواستاتیک ترکیب می کند. ترکیب این دو عامل تخلخل را از بین می برد، چگالی را افزایش می دهد، خواص مکانیکی را بهبود می بخشد و قطعات تمام شده را قابل کار می کند. متالورژی پودر ایزواستاتیک داغ ریز انقباض را کاهش می دهد.
4.ساخت افزایشی فلز
ساخت افزایشی فلز گام بزرگی در فرآیندهای تولید و روش بعدی برای تولید اقلام مورد نیاز ما است. گاهی اوقات به عنوان چاپ سه بعدی از آن یاد می شود، فرآیندی است که سال ها برای ساخت نمونه های اولیه برای اجزای پیشنهادی استفاده می شود. ساخت افزایشی قطعات را لایه به لایه از یک مدل کامپیوتری می سازد.
همچنین بخوانید : مبانی تولید افزایشی
فرآیند تولید افزودنی های فلزی شامل چندین پیشرفت تکنولوژیکی است، بسیار کارآمد است و ضایعاتی تولید نمی کند. با یک بستر پودری با ضخامت 20 میکرومتر (میکرو متر) تا 100 میکرومتر شروع می شود. یک یا چند لیزر روی بستر اعمال می شود تا لایه های مختلف ذوب شوند. فرآیند ذوب لایه به لایه ادامه می یابد تا اینکه قطعه کاملاً تشکیل شود.
ابزار و تجهیزات متالورژی پودر
هر مرحله از فرآیند متالورژی پودر به تجهیزات خاصی نیاز دارد که بسته به فرآیند مورد استفاده متفاوت است. متالورژی پودر روشی برای تولید قطعات سازه ای و یاتاقان ها با استفاده از تکنیک ها و تجهیزات مختلف است. از اختلاط و اختلاط پودر تا تف جوشی و خنک کردن قسمت تمام شده، تجهیزات تخصصی خاصی برای دستیابی به نتایج مثبت ضروری است.
هر روش متالورژی پودر با تولید پودر شروع می شود که متناسب با نیاز قطعه و استفاده نهایی آن تکمیل می شود. تولید پودر مشخص کننده خصوصیات و خواص قطعه است.
1.تجهیزات تولید پودر اتمیزه آب
اتمیزه کردن یکی از روش هایی است که برای تولید پودر برای متالورژی پودر استفاده می شود. دستگاه اتمیزه کردن از جریان آب با سرعت بالا برای اتمیزه کردن فلز مذاب به ذرات استفاده می کند و قادر است 10 کیلوگرم تا 10000 کیلوگرم پودر در هر دسته تولید کند.
دستگاه اتمیزه کردن پودر فلز
2.تجهیزات فشرده سازی
دستگاه های پرس متراکم برای متالورژی پودر ساختار مشابهی با دستگاه پرس های مورد استفاده برای شکل دادن به فلز دارند و شامل پرس های قالب گیری مکانیکی، هیدرولیک، سندان، دوار، ایزواستاتیک و انتقالی می باشد. پرس های فشرده کننده پودر قادرند مجموعه وسیعی از مواد را به شکل ها، اندازه ها و تراکم های مورد نیاز هر قسمت فشرده کنند.
عملکرد پرس در سه مرحله انجام می شود. مرحله اول لغزش است که در آن مواد پودر حرکت می کند و منافذ را پر می کند. در مرحله لغزش، با اعمال فشار، فشرده سازی به سرعت اتفاق می افتد. در مرحله دوم، فشار است اما تغییر کمی در فشرده سبز رخ می دهد. در مرحله سوم و آخر، فشار به طور مداوم بسیار فراتر از مرحله دوم افزایش می یابد، ذرات پودر تغییر شکل می دهند و چگالی قطعه کار افزایش می یابد.
دستگاه پرس پودر
3.تجهیزات تف جوشی
اگرچه قطعه پس از فشرده سازی کاملاً تشکیل شده است، اما برای استفاده به عنوان یک جزء به اندازه کافی پایدار نیست و برای تبدیل شدن به یک فرم جامد باید تحت فشار و حرارت قرار گیرد. این کار توسط دستگاه زینترینگ انجام می شود. اصطلاح تف جوشی به فرآیندی اطلاق می شود که در اثر حرارت و فشار بدون ذوب یا مایع شدن جرم، توده جامد را فشرده و تشکیل می دهد. حرارت اعمال شده در حین تف جوشی با دقت کنترل می شود به طوری که درست زیر نقطه ذوب فلز پودر شده است.
در فرآیند متالورژی پودر، تف جوشی روشی ضروری است که استحکام مکانیکی، چگالی و شفافیت را به قطعه کار اضافه می کند.
فرایند تف جوشی
4.دستگاه تف جوشی لیزری
علاوه بر فرآیند متالورژی پودر، تف جوشی لیزری است. این بخشی از فرآیند تولید افزایشی است. تف جوشی لیزری، همچنین به عنوان زینترینگ لیزری انتخابی شناخته می شود، بخشی از فناوری سه بعدی است و برای پخت پودر به یک ساختار جامد، بسیار شبیه به پخت سنتی استفاده می شود.
تف جوشی لیزری قسمت نهایی را با استفاده از یک لیزر متمرکز تشکیل می دهد که زیرلایه پودر را به یک توده جامد تبدیل می کند. فرآیند تشکیل لیزر توسط یک فایل طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) که حاوی مدلی از قسمت نهایی است هدایت می شود. جهت های فایل CAD دقیقا لیزر را در نقاطی در فضا هدف قرار می دهد تا مواد را به هم متصل کند تا ساختار نهایی را تشکیل دهد.
دستگاه تف جوشی لیزری
همچنین بخوایند : پروسه پرینت سه بعدی ؛ نکاتی برای کاربران سالیدورک