متالوژي پودر

متالوژي پودر

تاريخچه متالوژي پودر

تولید قطعات با پودربه بیش از پنج هزار سال پیش می رسد ، هم اکنون ستون آهنی با وزنی حدود شش تن در شهر دهلی هندوستان وجود دارد که  در هزار و ششصد سال پیش به همین طریقه (متالورژی پودر)  تهیه شده است .

در اواخر قرن هیجدهم ولاستون کشف کرد که می توان پودر فلز پلاتین را (که در طبیعت به صورت آزاد شناخته شده بود) پس از تراکم و حرارت دادن ، در حالت گرم با چکش کاری به بلوک تبدیل کرد . ولاستون جزییات متد خود رادر سال 1829 ، منتشر کرد و اهمیت فاکتورهایی نظیر اندازه دانه ها ، متراکم کردن پودر باوزن مخصوص بالا و اکتیویته سطحی و غیره ... را توضیح داد.

همزمان با ولاستون و به طور جداگانه متالورژیست برجسته روسی پیوتر زابولفسکی در سال 1826 ، از این روش برای ساختن سکه ها و نشان ها از جنس پلاتین ، استفاده کرد.

در نیمه قرن نوزدهم ، متخصصین متالورژی به روش های ذوب فلزات با نقطه ذوب بالا دست یافتند و همین مساله باعث شد که مجددا استفاده از متالورژی پودر محدود شود هر چند تقاضا برای تولید قطعاتی مانند تنگستن از طریق متالورژی پودر ادامه یافت .

یکی از دلایل توسعه متالوژی پودر این است که در روش متالورژی پودرفلز تلف شده به مراتب کمتر از سایر روش ها است و حتی می توان  گفت وجود ندارد . در این مورد هر یک کیلوگرم محصول ساخته شده با متالورژی پودر ، معادل است با   سایر روشهای شکل دادن نظیر برش و تراشکاری ، چون در روش هایی نظیر تراشکاری مقادیر متنابهی از فلز به صورت براده در می آید که تقریبا غیر قابل استفاده است . به علاوه یک کیلو گرم از بعضی از مواد ساخته شده با روش های متالورژی پودر می تواند کار ده ها کیلو گرم فولاد آلیاژی ابزار را انجام دهد.

متالوژي پودر چيست ؟

در حال حاضر ، متالورژی پودر بیشتر در مواردی مورد استفاده قرارمی گیرد که در ساختن محصولاتی با کیفیت عالی از مواد مناسب ، تقریبا کلیه روشهای دیگر غیر ممکن باشند .البته در مواردی مثل ساختن رشته های مقاومت خیلی کوچک لامپ که باید از تنگستن خیلی سخت (نقطه ذوب 3400 درجه سانتیگراد) درست شوند روشهایی نظیر تراشکاری ، کشیدن سیم و یا نورد غیر قابل استفاده اند و منحصرا باید از روش متالورژی پودر استفاده کرد . به علاوه ، برای تهیه آلیاژ هایی از دو فلز که نقطه ذوبشان با  یکدیگر تفاوت زیاد دارند (مثل مس و تنگستن) ، بهترین راه عملی روش متالورژی پودر است. همین طور از این روش زیاد برای موادی که از یک فلز و یک غیر فلزنظیر الماس تهیه می شوند استفاده می شود . به طورکلی با توجه به موارد فوق بر حسب هزینه و سختی کار ، تکنیک متالورژی پودر به طور موفقیت آمیزی با روش  های دیگر تولید ، می تواند رقابت کند . مثلا ، برای ساختن یک چرخ دنده فولادی از طریق تراشکاری ، یک کارگر ماهر باید در حدود 30 ساعت کار کند در صورتی که یک کارگر نیمه ماهر می تواند این چرخ دنده را باروش متالورژی پودر ، در کمتر از 10 ساعت تهیه کند . همچنین دقت ابعاد و سطح قطعات ساخته شده  با این روش آن قدر عالی و بدون نقص است که هیچ گونه کار اضافی دیگر روی قطعه ضرورت پیدا نمی کند و بالاخره ، سرمایه گذاری برای صنعت متالورژی پود ر به مراتب کمتر از سرمایه گذاری برای روشهای کلاسیک ساخت قطعات است زیرا برای درهم جوشی درجه حرارت لازم بسیار کمتر از درجه حرارت ذوب فلزا ت است و در نتیجه کوره های مورد احتیاج به مراتب ارزانتراند.

متالورژی پودر رابطه نزدیکی با مهندسی برق نیز دارد ، مثلا ، رشته های نازک مقاومت و الکترودهایی که در لامپ دیده می شوند و نیز لوله های تولید اشعه X  که تماما از جنس فلزاتی نظیر تنگستن ، مولیبدن و یا تانتال اند با این تکنیک تولید می شوند . در سالهای اخیر ، ابزارهای ساخته شده از سرمت (فلز- سرامیک)   هم توسعه زیادی پیدا کرده اند و در کارهای ماشینی تغییرات اساسی داده اند به طوری که سرعت برش ده  برابر قبل افزایش یافته است و همچنین مته ها و ابزارهای حفاری که از جنس فلزات سخت اند و به طریق متالورژی پودر تهیه می شوند میزان حفاری چاهها را در معادن فوق العاده افزایش داده اند . البته باید توجه داشت که بدون این تکنیک تقریبا جدید ، امکان ندارد که ابزار هایی را که از جنس سرمت ویا فلزات سخت ( از کاربیدهایی با نقطه ذوب بالا) ساخت ، چون کاربید تیتانیوم که جزء تشکیل دهنده معمول در اغلب ابزار های برشی است ، نقطه ذوبی حدود 3150 درجه سانتی گراد دارد و اجزای تشکیل دهنده دیگر هم ، نظیر کاربید زیر کونیم و نیوبیوم در 3500 درجه سانتیگراد و بالاخره کاربید تانتا در 3380 درجه سانتیگراد ذوب می شوند .

علاوه بر ابزارهای برش ، تکنیک متالوژی پودر قادر است ابزارهای سوراخ کننده ، حدیده های کشش سیم و وسایل مشابه دیگر را نیز تولید کند . و در کلیه این موارد هم ، این گونه ابزارها کار خود را به خوبی انجام  می دهند . به عنوان مثال یک قالب از جنس سرمت که برای ساختن تیغ به کار می رود در حدود دو هزار میلیون دفعه مورد استفاده قرار می گیرد ، در حالی که برای همین منظور یک قالب فولادی معمولی بعد از پانزده میلیون دفعه پرس باید تعویض شود. به همین ترتیب عمر غلطک های نوردی که از فلزات سخت ساخته می شوند ، در حدود صد مرتبه بیش از غلطک ایی است که از فولادهای نرم ساخته می شوند . بالاخره ، با یک حدیده کشش سیم از جنس فولاد، تا فرسودگی کامل ، به طور متوسط می توان هشتاد کیلو گرم  سیم آهن تولید کرد ٬ در حالی که همین حدیده اگر از جنس کاربید های  زینتر شده ٬ باشد قدرت تولیدی را معادل با 50 تن سیم می یابد که در حدود شش صد مرتبه بیش ازاول است .

باز برای مثال یک موتور جت را (که  حال حاضر رکن اصل هواپیماهای مدرن است)در نظر بگیریم ٬ اولین چیزی که جلب توجه می کند این است که باظهور آن ٬ سرعت هوانوردی به دو برابر افزایش  یافته است . نحوه کار این موتورها  بر اساس مکش هوا از جلو و احتراق آ ن با سوخت در محفظه احتراق و خروج سریع محصولات احتراق از عقب است . درجه حرارت سوخت کامل گازها درحدود 1500الی 2000 درجه سانتیگراد است که فلزات و آلیاژهای معمولی نمی توانند درجه حرارت مزبور را تحمل کنند . در حال حاضر ٬  آلیاژهای ریختگی بااضافاتی نظیر کرم ٬  نیکل و یا کبالت ساخته می شوند که درجه حرارت های بیش از 850-900 درجه سانتیگراد را نمی توانند تحمل کنند ٬ به طور کلی بالاتر ازاین درجه حرارت  را قلمروی فلزات بانقطه ذوب بالا کاربید ها و نیترید هایشان می دانند که باستفاده از تکنیک ها ی متالورژی پودر تولید می شوند .

در این مرحله ٬ یکی از مطلوب ترین مواد کاربید تیتان است که به خوبی قادراست در مقابل ضربه های حرارتی (در حین سریع سرد شدن و سریع گرم شدن ) مقاومت کند . با افزودن 20 درصد کبالت به این ماده ٬ قدرتش در 900 درجه سانتیگراد دو برابر بیش از بهترین فولاد مقاوم گرما میشود یکی از راه های مطلوب دیگر دستیابی به روش هاو وسایلی است که به نحوی درجه حرارت شیپوره جلوبرنده موتورهای جت را پایین بیاورند . یکی از این روشها تعرق و یاپس دادن بخار به سطح دیواره دهانه خروجی است بهمین ترتیب که مواد بخصوصی را در میان منافذ دیواره دهانه خروجی جت که از جنس مواد خلل و فرج دار است تزریق می کنند. این مواد به صورت بخار به سطح دیواره ٬ پس داده می شوند و به شکل دانه های عرق در می آیند و همین مساله درجه حرارت را در دهانه خروجی پایین می آورد .در این جا ٬ باید متذکر شد که این گونه مواد خلل و فرجدار نیز از طریق تکنیک های متالورژی پودر ساخته می شوند.

روش های مشابه دیگری هم برای ساختن یاتاقانهای بدون روغن ( یاتاقانهایی که خوشان عمل روغنکاری رانیز انجام می دهند) به کار می روند . در این روش ها نیز پودر فلزات و گرافیت را با فشار زیاد فشرده کرده و مجموعه فشرده شده  را زینتر می کنند و معمولا چنین مجموعه ای میتواند تا حدود 35% از حجم خود ٬ ماده روغنی جذب کند و داشته باشد . وقتی در حین کار ٬  این گونه یاتاقان ها گرم می شوند ٬ روغن موجود درآن  انبساط می یابد و به سطح یاتاقان پس داده می شود که به صورت فیلمی روغن د رسطح یاتاقان  شکل می گیرد ٬ ولی مجددا درحین سرد شدن ٬  مواد مزبور مانند اسفنجی ٬ روغن راجذب می کند.

علی رغم مثالهای مذکور در فوق ٬ کلا با دیدی وسیع تر می توان دریافت که تکنیک متالورژی پودرروشی کاملا جدید نیست ٬ بلکه به طرق دیگر ٬ از زمان های خیلی قدیم وجود داشته است و به طوری که در مقبره های شاهان قدیم مصر نظیر توتاناخامن که د ر14 قرن قبل از میلاد مي زیسته شواهدی دیده شده است . در حفاریهایی که در سال 1922 درکارنک انجام شد ٬ باستان شناسان ذخایر قابل ملاحظه ای در انجا به دست آوردند که حاکی از تمایل شدید این پادشاه به انواع فنون و هنر ها بوده است  زیرا مقبره وی مملو از شاهکار های فنی بود و درمیان این شاهکار ها خنجر هایی مزین با پودرطلا مشاهده می شد که در واقع می توان گفت این نشانه ای از ابتدایی ترین طریقه استفاده از تکنیک متالورژی  پودر است .

همچنین از روش مزبور قبایل قدیمی اینکاها در پرو استفاده می کرده اند چون آنها می دانستند که چگونه جواهرات را از زینتر کردن پودر فلزات گرانبها به دست آورند. ولی بعد از اضمحلال این قبایل این روش هم به بوته فراموشی سپرده شد و علم متالورژی پودر برای توسعه خود راههای دیگری در پیش گرفت .

مزاياي متالوژي پودر

روش متالوژي پودر امكانات ويژه اي دارد كه برجسته ترين آن ها به شدح زير است :

1-به كارگيري عناصر آلياژ نشدني

برخي فلزات كه آلياژ آنها از ويژگي هاي منحصر به فردي برخوردار است ولي توليد آن ها در فاز مذاب (ريخته گري )غير ممكن است با به كارگيري متالورژي پودر قابل توليدند.اين فلزات عناصر مخلوط نشدني ناميده مي شوند. از جمله اين مواد ميتوان به آلياژ نقره و نيكل اشاره كرد كه براي ساخت كنتاكت هاي كليدهاي برق و رله ها به كار گرفته مي شود.

2- به كارگيري مخلوط هاي فلزي و غير فلزي

زياد را داشته  همچنين در برابر سايش مقاوم باشد.اين ويژگي دو گانه با در آميزي مخلوطي از پودر مس و قلع به عنوان همگير(ملاط)با مخلوطي از پودر هاي سرب آهن  اكسيد سيليسيم و گرافيت كه نقش ضد سايش را دارند قابل دسترسي است.

3-ساخت قطعات خودروغنكار

اين روش توليد براي ساخت بوش هاي خود روغنكار مورد استفاده قرار مي گيرد قطعات پس ازتفجوشي با روغن اشباع شده و در حين كارعمل روغنكاري سطوح تماس با روغن تزريق شده در قطعه عملي مي گردد.

4- بهره برداري از فلزات دير گداز

فلزاتي كه ريخته گري آنها به دليل نقطه ذوب بالا با اشكال روبروست با روش متالورژي پودر شكل داده مي شود. بهترين مثال در اين ساخت  مورد رشته هاي لامپ روشنايي است .اين رشته ها بايد داراي نقطه ذوب و ويژگي هاي الكتريكي مناسب باشد.مناسب ترين ماده براي ساخت آن ها تنگستن با نقطه ذوبي در حدود 3400 درجه سانتي گراد است .

پودرتنگستن نخست با روش متالورژي پودري به شكل شمش در آمده، سپس به روش هاي آنگري و كشش سيم به رشته مورد نظر تبديل مي شود

فرايند متالورژي پودر شامل مراحل توليد پودر ،مخلوط كردن پود،فشردن پودر و عمليات تفجوشي است.

آشنایی با فرایند متالورژی پودر :

متالورژی پودرروشی برای ساخت و تولید به روش شكل دهي  قطعات فلزی و سرامیک است که اساس آن بر فشردن پودر مواد به شکل مورد نظر و تف‌جوشی آن است. تف جوشی در درجه حرارتی زیر نقطه ذوب صورت می‌‌پذیرد واکثرمحصولات این روش شکل دهی نیازی به ماشین کاری بعدی ویا حتی عملیات حرارتی تکمیلی ندارند وعموما دانسیته بالا(گاهی دست نیافتی به روش های دیگر هستند).

متالورژی پودربخشی کوچک ولی بسیار مهم از صنایع متالورژی می‌‌باشد. اولین کاربرد متالورژی پودربرای تولید پلاتین با دانسیته کامل بود که درقرن19میلادی  صورت گرفت چون در آن زمان امکان ذوب پلاتین به دلیل نقطه ذوب بالا وجود نداشت در آن زمان با اختراع برق توسط ادیسون صنعت الکترونیک از این ماده جهت تولید لامپ های روشنایی ویا مقاومت های الکتریکی برای تبدیل انرژی الکتریکی به گرما بهره می گرفتند. در اوایل قرن بیستم این روش به صورت عمده برای ساخت ابزارهای برشی به صورت اینسرت از جنش تنگستن کارباید توسط روش متالورژی پودر شکل داده شدند که این به خاطر خواص ویژه تنگستن برای این عملیات نظیر سختی و استحکام بالا , گرما سختی بالا ونیز ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین نسبت به مواد دیگر بوده است.

در سال‌های ۱۹۵۰-۱۹۶۰ روشهای نوین مانند فُرج پودر و ایزو استالیک گرم در صنعت متالورژی پودر بکار گرفته شد.

گرچه روش متالورژی پودر امکانات ویژه‌ای را جهت تولید بعضی قطعات خاص فراهم ساخته است که تولید آنها از طریق روشهای دیگرغیر ممکن یا بسیارمشکل می‌‌باشد ولی زمینه‌های که باعث فراگیر شدن استفاده از این روش گردیده است، عبارتند از :

      زمینه‌های اقتصادی

      بهره‌وری انرژی

      انطباق زیست محیطی

      ضایعات بسیار پائین (گاهی بدون ضایعه)

محصولات خاصی که توسط متالورژی پودر تولید می گردند عبارتند از ; چرخ دنده ها ، بادامک ها ، فیلتر ها و یاتاقانهای آغشته به روغن

مزایای متالورژی پودر :

      قابلیت دسترسی به رنج وسیعی از ترکیبات

      تکنیک ایجاد شکل مشبک ویا نزدیک به مشبک

      استفاده از موادی که در سایر فرایندها مشکل هستند

      حذف یا به حداقل رساندن ضایعات ماشینکاری

      حفظ تلرانس ابعادی مناسب

      ایجاد پرداخت سطح مرغوب

      تولید قطعاتی که به وسیله مقاومت سایشی وکششی واستحکام یافته نمی توان به روشهای دیگر تولید کرد

      ایجاد تخلخل کنترل شده برای خود روانکاری و تصفیه

      سهولت تولید قطعات پیچیده وخاصی که تولید آنها از روشهای دیگر ممکن نباشد

      سازگاری با نیازهای تولید، میان اندازه تا تولید انبوه

محدودیت های متالورژی پودر :

      محدودیت اندازه و شکل

      قیمت بالای پودر فلزات در مقایسه با سایر روشها

      قیمت بالای ابزار و تجهیزات برای تولید کم

      قطعات ساخته شده  با این روش بسیار خلل و فرج دارند(بدلیل اکسیداسیون سطحی ذرات و درکل حجم قطعه )

      قیمت بالای  قالب ها و محفظه های پودر (چون فشار وارده بر قالب برای متراکم کردن پودر زیاد است لذا باید جنس قالب سخت و مقاوم باشد)

      امکان ساخت قطعات بزرگ محدود است .

تعاریف مهم:

پودر: دانه های ریز یک جامد که بزرگترین بعد آن کوچکتر از 1mm باشد

دانسیته ظاهری پودر (دانسیته حجمی) : عبارتست از جرم واحد حجم پودر بدون تکان دادن آن

چگالی لرزشی (نشست)  : عبارتست از چگالی قابل حصول برای پودر در اثر تکان دادن آن

چگالی نظری (theoretical) : عبارتست از چگالی ماده ای که پودر از آن ساخته شده (چگالی دانه پودر بدون تخلخل)

مواد افزودنی : این مواد ممکن است برای از بین بردن جدایش حاصل از انتقال پودر، روانسازی ، برای فشردن ، به عنوان ماده ملات (همگیر)  در جهت افزایش مقاومت خشته ، آلیاژسازی پودر و بلا خره به صورت مواد کمک کننده تف جوشی مورد استفاده قرار گیرند.

مراحل تولید قطعه در P/M:

      تولید پودر و روشهای آن

       مخلوط کردن

      فشردن

      زینتر کردن

      عملیات نهایی

روشهای تولید پودر :

پودر فلزي را ميتوان ذرات فلزي يا آلياژي با اندازه يك تا هزار ميكرون تعريف كرد.اين ذرات ممن است به صورت كروي،ورقه اي ويا شكل هاي بي قاعده

باشند.

پودرهاي فلزي تهيه شده به روش هاي مختلف ،پس از توليد همواره تحت عمليات تكميلي مانند غربالكردن ،تميزكاري،آنيلينگ،مخلوط كردن و ... قرار مي گيرند و سپس استفاده مي شوند.روش هاي توليد پودر هاي فلزي را مي توان به سه گروه مجزا طبقه بندي كرد كه هر گروه شامل چند روش است.

1-     روش هاي فيزيكي

2-     روش هاي شيميايي

3-     روش هاي مكانيكي

روش هاي فيزيكي توليد پودر هاي فلزي (اتميزه كردن) :

بيشترين و مهمترين روش مورد استفاده براي توليد پودر فلزي،اتميزه كرن است. تقريبا" پودر تمام فلزاتي كه امكان ذوب كردن آن ها وجود ندارد از اين طريق توليد مي شود.   

اتميزه كردن را مي توان به طورساده به متلاشي كردن مذاب به قطرات ريز تعريف كرد.اين قطرات در محيط خنك (مايع ، گاز در بعضي موارد سطح جامد عامل منجمد كننده است).منجمد و پودر فلزي به اين طريق توليد مي گردد.

الف- اتميزه كردن با سيال (گاز يا مايع)

دراين روش مذاب از انتهاي تانديش(orifice) با حجم ،شكل وقطرمعيني به ميان نازل حلقوي (annular ring) يا نازل هاي مجزاي سيال اتميزه شده جريان مي يابد و توسط جت يا جت هاي سيال متلاشي مي شود.اين متلاشي شدن با انرژي جنبشي سيال (نيتروژن، آرگون ،هليم ،هوا يا آب ) انجام مي گيرد. ذرات مذاب توليد شده در اتمسفر گازي و يا در آب ،ريخته شده و منجمد مي گردد. در صورت استفاده از آب پس از جمع آوري ،پودر ها بايد خشك شوند اين پروسه براي توليد پودر هاي فلزي و آلياژي در مقادير و حجم هاي زياد به كار مي رود.اهميت اين دو روش (سيال گاز يا مايع)عمدتا" در خواص مطلوب پودرهاي توليدي است.فرايند اتميزه كردن با سيال مايع (نوعا" آب )پيچيدگي هاي كمتري نسبت به گازي دارد و هزينه هاي سرمايه گذاري آن نيز كمتر است. جت آب كه باعث متلاشي شدن مي گردد،داراي چسبندگي ،دانسيته و سرعت سرد كردن بيشتري نسبت به جت گازي است ،اما قدرت زيادي در اكسيد كردن فلزات فعال دارد و در عين حال ،شكل ذرات پودر فلزي نيز بي قاعده است.

درفرايند اتميزه كردن با گاز شكل ذرات كروي يا شبه كروي است وچنانچه از گاز خنثي در آن استفاده شود از اكسيداسيون جلوگيري مي گردد.

ب) اتميزه كردن  با نيروي گريز از مركز

درفرايند هاي اين روش از نيروي گريز ازمركزبراي شتاب دادن به جريان مذاب وغلبه برسطح كششي آن استفاده مي كنند ميزان توليد پودر در اين روش ها نسبت به روش هاي اتميزه كردن با سيال بسيار كمتر و محدودتر است هزينه هاي سرمايه گذاري و قيمت پودر هاي توليدي در اين فرايند بسيار گران است در ذيل مهمترين روش هاي توليد پودر به روش اتميزه كردن با نيروي گريز از مركز مختصرا" شرح داده مي شود.                                                          

فرايند الكترود چرخنده

دراين فرايند انتهاي يك ميله درحال چرخش حول محورطولي خود ذوب گشته، قطرات مذاب به صورت گريز از مزكز به اطراف پرتاب و به صورت كروي شكل،جامد مي گردند.عمل ذوب ممكن است به وسيله قوس الكتريكي از طريق يك الكترود مصرف نشدني از جنس تنگستن صورت گيرد.در موارد پيشرفته تر از قوس پلاسما ليزر و يا بمباران الكتروني براي عمل ذوب استفاده مي شود.فلزي كه بايد به پودر تبديل گردد بهبه صورت الكترود هايي با طول و قطر معين تهيه مي گردد. سرعت چرخش الكترود بسته به شرايط مختلف و قطر ،ممكن است تا بيست و پنج هزار دور در دقيقه هم برسد.معمولا" عمل ذوب تحت پوشش گاز خنثي صورت مي گيرد. ذرات پودر توليدي تقريبا" كروي و در اتمسفر خنثي از درجه خلوص بيشتري برخوردار است.

مزاياي اين روش كيفيت سطح خوب ذرات شكل كروي ذرات توزيع اندازه ذرات محدوده مشخص وامكان توليد پودرفلزات فعال است.ازمعايب اين روش نيزهزينه هاي گران تهيه الكترود ،درشت بودن ذرات پودر،سرعت انجماد كم و نيز وجود آلودگي هاي ناشي از الكترود تنگستن در پودر را مي توان نام برد.               

ج ) اتميزه كردن در اثر تصادف مذاب با سطح جامد

در اين روش از برخورد مذاب با يك سطح جامد استفاده شده است.انرژي ضربه باعث متلاشي شدن جريان قطرات مذاب به دانه هاي ريزتر مي گردد.

1-فرايند متلاشي شدن ضربه اي در اين روش برخورد بازوهاي صفحه دوار با جريان مذاب كه در حال سقوط هستند توليد قطرات ريزتر مذاب و نهايتا" پودر هاي فلزي جامد مي گردد.

2- روش ديگري نيز وجود دارد كه در آن مذاب به وسيله پلاسما يا هر نوع منبع حرارتي ديگري شبيه به آن توليد و با سرعت معين به سوي صفحه دوار و يا غلتك دوار پرتاب مي شود.اندازه پودر هاي توليدي به اين روش زير 10ميكرومتر ،با سطوح صاف و منحني و سرعت انجماد زياد است. براي مذاب هاي با چسبندگي بيشتر ،سرعت قطرات مذاب بايد بيشتر اختيار شود.

د) اتميزه كردن مكانيكي

در اين فرايند عمل متلاشي شدن مذاب با يكي از روش هاي مكانيكي صورت مي گيرد.

1-اتميزه كردن نوردي

دراين فرايند جرياني ازمذاب پس از اينكه توسط گرم كننده ها بشدت حرارت داده شد،بلافاصله به داخل سيستم نورد رفته ،با غلتك هاي درحال گردش،نورد،و تبديل به پودر مي شود و در محفظه اي سرد ،و جمع اوري مي گردد.

2-اتميزه شدن اولتراسونيگ

اين فرايند طراحي جديدي از اتميزه شدن گازي است كه ازنازل مخصوص تشكيل شده است.

ايده اين فرايند براساس وجود لوله شوك موج هارتمن در يك نازل گازي به عنوان توليد كننده امواج شوكي با فركانس اولتراسونيك و سرعت هاي مافوق صوت پايه گذاري شده است . در اين روش جريان فلز مذاب در اثر برخورد با گازه هاي با سرعت هاي مافوق صوت و فركنس هايي بين 120-60 كيلو هرتز متلاشي و به ذرات پودر بسيار بسيار ريز تبديل مي گردد.

در اين فرايند تاثير عواملي مانند فشار گاز ،دبي گاز ، دانسيته مذاب ،فوق ذوب وخصوصيات فلز در ذرات پودر توليدي وجود دارد. از مزاياي اين روش مي توان توليد پودر هاي كروي بسيار ريز با دامنه توزيع كوچك و بدون تخلخل گازي را نام برد.

روش هاي شيميايي توليد پودر هاي فلزي :

در روش هاي شيميايي ،خواص پودر هاي فلزي قابليت تغيير خوبي دارند ،تنوع زياد متغيرها و عوامل توليد در اين روش هاي ،موجب كنترل دقيق اندازه و شكل ذرات پودر مي گردد.                                                                   

1- روش احياي اكسيد هاي فلزي

اين فرايند بيشتر در مورد توليد پودر آهن ،مس ، تنگستن  و موليبدن به كار مي رود.ذرات پودر توليدي اين روش اساسا" داراي خلل و فرج زياد و به اين دليل ،قابليت تراكم پذيري اين پودر هاي خوب است. عمل احيا معمولا" توسط هيدروژن ، منواكسيدكربن و يا كربن صورت مي گيرد.مواد اوليه در خواص پودر نقش مهمي دارند.در كشورهايي كه داراي سنگ معدن آهن با عيار بالايي  هستند پودر آهن را در مقياس بالا با اين روش توليد مي كنند.                       

2- روش تجزيه حرارتي كربنيل هاي فلزي

در اين فرايند ابتدا منوكسيد كربن را از روي فلز اسفنجي يا براده آهن عبور مي دهند.اين كار در حرارت( 270-200) درجه سانتي گراد و فشار معين (تا 200  اتمسفر) انجام مي گيرد تا كربنيل فلزي ايجاد گردد.اين فرايند در مورد تهيه پودر نيكل و آهن بيشتر به كار مي رود .                                                   

Fe+5co ↔ Fe (co)5

Ni +4co ↔Ni (co)4

هر دو كربنيل به وجود آمده در درجه حرارت اتاق مايع است. كربنيل آهن در 103درجه سانتي گراد و كربنيل نيكل در 43 درجه به وجود مي آيند .در شرايط اتمسفر محيط ، كربنيل  را حرارت مي دهند تا به جوش آيند و گازهاي توليدي از محيط خارج شده،در اثر تجزيه پودر آهن يا نيكل باقي مي ماند. اين پودر ممكن است مرحله آسياب كردن را نيز داشته باشد . پودرهاي توليدي با اين روش ازدرجه خلوص بالايي برخوردار هستند .در مورد آهن اندازه ذرات بسيار ريز و شكل ان نيزكروي است. در مورد نيكل ،شكل ذرات بي قاعده و متخلخل و اندازه ذرات نيز ريز است.توليد آن به صورت تجاري با اين روش انجام مي گيرد.       

3- روش رسوب الكتروليتي از نمك ها يا محلول هاي فلزي

تعدادي از پودر هاي فلزي به وسيله رسوب از نمك هاي محلول خود و يا هيدروكسيدها،كربنات ها و يا اگزالات هاي خود تهيه مي گردند .در اين تركيبا ت به فلزات يا اكسيد هاي فلزي به همراه گازه هايي تبديل مي گردند.                 

دي اكسيد اورانيم،پلاتين،سلنيم،نقره و نيكل به اين روش به پودرتبديل مي

4- روش تجزيه هيدريد هاي فلزي

در اين روش ،فلزات مورد نظر را به صورت ورقه هاي نازك تهيه كرده ،آن ها را در حضور هيدروژن حرارت مي دهند و هيدريد فلزي توليد مي نمايند.سپس اين هيدريدهاي فلزي كه ترد نيستند  آسياب ،و به پودر تبديل مي كنند.پودر هيدريد هاي فلزي را سپس حرارت هاي زياد و تحت خلاء دي هيدروره مي كنند و محصول را دوباره آسياب كرده ،به اين ترتيب پودر فلزي به دست مي آيد.اين فرايند براي توليد تيتانيوم و زيركونيوم استفاده مي گردد.                           

5- روش تجزيه ترميت

در اين فرايند اكسيد فلزي را با پودر يك فلز ديگر در اثر حرارت تجزيه كرده فلز مورد نظر را به صورت پودر به دست مي آورند.در حالت ديگر به جاي پودر فلز براي احيا از هيدريد فلز استفاده مي شود.                                  

مثالي از اين فرايند ،احياي تي اكسيد كروم به وسيله منيزيم است. احياي دي اكسيداورانيم با كلسيم نيز مثالي ديگر از كاربرد اين روش است.

مخلوط كردن پودر

پس از آماده شدن پودر ،لازم است مواد افزودني به آن اضافه گردد.مواد افزودني مي تواند پودر هاي آلياژي براي آلياژ سازي ،روغنكاري براي تسهيل عمليات پرس كردن ،اضافه شونده هاي تبخيري براي رسيدن به تخلخل مورد نظر و مواد چسبنده براي افزايش استحكام قطعه در حالت خام باشد.ميزان مواد اضافه شده بيشتر تجربي است.

اضافه شونده هاي تبخيري يا به عبارت ديگر توليد كنندگان حفره ،موادي مثل اكسالات آمونيوم است كه در اثر حرارت به چند گاز تجزيه مي شوند.زماني كه قطعه پخته شد ،حفره هايي متناسب با ابعاد ذره ايجاد مي شود.پودر هاي فعال معمولا حفره كمتري ايجاد مي نمايند و پودر هاي غير فعال براي پر دانسيته شده محتاج درجه حرارت زيادتر يا زمان بيشتري براي تفجوشي است.

پس از افزودن مواد به پودر بايد مخلوط توسط همزن ،همگن شود.زمان اختلاط بسته به پودر مورد استفاده ،متفاوت است و معمولا زمان و ساير شرايط مخلوط كننده با آزمايش بهينه مي شود .در بسياري از موارد براي پيشگيري از كاهش اندازه دانه ،بروز كار سختي و جداسازي پودر ها بايد از زمان هاي طولاني اختلاط خودداري نمود .

عوامل موثر روی اندازه ذرات حین اتمیزه کردن :

دمای مذاب : با افزایش دمای مذاب به علت کاهش ویسکوزیته دانه ها ریزتر می گردند.

قطر نازل : هر چه قطر کمتر باشد دانه ها ریزتر می گردند.

فشار انژکتور : هر چه این فشار زیاد باشد دانه ها ریزتر می گردند . در اتمیزاسیون گازی اگر زاویه برخورد گاز و مذاب خیلی کم  یابد دانه ها درشت میگردند و اگر خیلی زیاد باشد ممکن است نازل را  بند آورد. در اتمیزاسیون گازی حالت دانه ها کروی تر است .

آزمایش و ارزیابی پودر:

پودرمورد استفاده باید ابتدایا از سیلان خوبی برخوردار باشد تا به صورت یکنواخت در قالب تغذیه شود ,علاوه بر این باید چکالی ظاهری بالایی داشته باشد چرا که چگالی کم به معنای پر نشدن فضای خالی بین دانه های ریز حتی تحت فشار است یعنی باید تراکم پذیری به خوبی مشخص گردد ویا اینکه باید درصد خلوص پودر تهییه شده نیز امتحان شود, علاوه بر این رطوبت و میزان ناخالصی موجود نیز به درستی تعیین گردند.

مخلوط کردن (امتزاج)  :

مخلوط ایده ال ، مخلوطی است که همه ذرات هر ماده آن بطور یکنواخت پخش(توزیع) شده باشد . پودر های فلزات مختلف دیگر ماده ممکن است به منظور دستیابی به خواص فیزیکی و مکانیکی خاصی مخلوط گردند روانسازها ممکن است برای بهبود ویژگی جریان یافتن (روان شدن) پودر با پودر مخلوط گردند مخلوط کردن زیاد ممکن است باعث کار سختی و سایش ذرات گردد نسبت بالای مساحت رویه (ناحیه سطحی) به حجم پودر باعث حساس شدن به اکسیداسیون می گردد و ممکن است احتراق ایجاد نماید.

عملیات پیش از فشردن

1-     همگن کردن و اختلاط

عوامل موثر در همگن و مخلوط کردن مواد پودری مشتمل اند بر جنس و اندازه دانه ها ، نوع و اندازه مخلوط کن ، حجم نسبی پودر در مقایسه با حجم مخلوط کن و همچنین سرعت و زمان مخلوط سازی . بعلاوه فاکتوهای محیطی از قبیل رطوبت نیز بر سهولت مخلوط سازی تاثیر مگذارند.

2-     روانسازی پودر :

روانسازی پودر های فلزی عمدتا بوسیله استیاراتهای با مبنای آلومینیوم ، روی ، لیتیم ، منیزیم و کلسیم انجام می گیرد طول زنجیره مولکولی این مواد حدود 12 تا 22 اتم کربن بوده ، فعالیت سطحی آنها زیاد است و در دماهای نسبتا کم ذوب می شوند .

3-     خشک کردن پاششی :

پودر ریز و سخت موادی از قبیل تنگستن ، مولیبدن ، کربور تنگستن و اکسید آلومینیوم از جمله پودرهای کند جریان و دارای چگالی ظاهری کم می باشد با کلوخه سازی این پودرهای ریز می توان سیالیت آنها را افزایش داد بدین منظور پودر را با یک ماده آلی و عاملی فرار مخلوط شده و دوغابی می سازد که بدرون محفظه گرم شده ای پاشیده شده و در اثر نیروی کشش سطحی بصورت دانه های کلوخه شده کروی در می آید .

فشردن پودر :

هدف اصلی فشردن پودر عبارت است از تولید خشته باویژگیهای مورد نظر با ایجاد حداقل اصطکاک بین پودر و جداره قالب . برای این منظور باید نسبت نیروهای محوری به شعاعی درحد امکان کاهش یابد تا سایش قالب به میزان کمینه آن رسده و راندمان فشردن بهبود یابد . نسبت ارتفاع به قطر خشته نیز به منظور همگن کردن ویژگیهای قطعه کوچک انتخاب می شود.

فشردن پودر و افزایش چگالی انباشتی  آن نیاز به اعمال نیروی خارجی دارد . فشردن پودر چند مرحله دارد که  در مرحله نخست فشردن در اثر تغییر آرایش دانه ها و سر خوردن آنها بر روی یکدیگر تعداد نقاط تماس زیاد می شود فشردن بیشتر چگالی پودر را از طریق بزرگ شدن سطوح تماس در اثر تغییر شکل موم سان افزایش داده و باعث ایجاد کار سختی و در همان حال بوجود آمدن سطوح تماس تازه بین دانه ای می شود . در این مرحله سطوح تماس حالت تخت بخود می گیرد .

در خلال فشردن ، جوش سرد ایجادشده در سطوح تماس دانه ها باعث ایجاد استحکام خشته پودر می شود . استحکام پس از فشرده شدن ، و پیش از تف جوشی خشته ، استحکام خام نامیده می شود . با افزایش بیشتر فشار میزان تغییر شکل موم سان دانه های پودر نیز بیشتر شده و از سطوح تماس بین آنها به درون دانه ها و بطن خشته گسترش می یابد . در این حالت با کاهش میزان تخلخل دانه کاملا کار سخت می شود . روشن است که هر گونه افزایش چگالی خشته پودر مستلزم وارد شدن فشار بیشتر از طرف عامل خارجی ، بر آن است

فشردن پودراغلب موارد ، به کمک دوسمبه که یکی در بالا و دیگری در پایین قالب قرار گرفته انجام می شود سمبه بالایی پیش از مرحله پر کردن قالب از دهانه محفظه آن فاصله می گیرد .

موقعیت سمبه پایینی در هنگام تغذیه پودر به قالب اصطلاحا وضعیت پر شدن نامیده می شود و ورود میزان معین و از پیش تعین شده پودر به درون محفظه قالب را امکان پذیر می سازد . ریزش پودر بدرون قالب بوسیله یک کفشک خوراک دهنده لرزان صورت گرفته و سمبه پایینی در وضعیت فشردن پودر در موقعیتی قرار می گیرد که پودر بخش مرکزی محفظه فالب را پر نماید ، بدین وسیله پس از پر شدن قالب ، سمبه پایینی قدری پاییین تر رفته و سمبه بالایی نیز بدرون قالب وارد می شود .

فشردن پودر با اعمال فشار از طرف هر دو سمبه انجام می شود و پس از پایان کار سمبه بالایی از محفظه قالب خارج شده و سمبه پایینی  خشته را بیرون می اندازد .

پیوند هایی که در اثر فشردن پودر بین دانه های آن بوجود می آید تامین کننده استحکام قطعه خام حاصل از شکل دهی می باشد . بالا بودن چگالی انباشتی پودر به ایجاد پیوند های بین دانه ای کمک کرده و تمیز بودن سطح دانه ها استحکام  پیوند ها را افزایش می دهد . بعلاوه اگر نیروی فشردن پودر زیاد باشد ٬ بیروهای برشی باعث خرد شدن لایه های نازک سطحی روی دانه ها خواهد شد .

هر چه دانه های پودر ریزتر باشند فشردن آنها مشکر تر خواهد بود زیرا منفذهای درشت ٬ در مقایسه بامنافذ ریز ٬ ساده تر فرو می ریزند ٬ از این رو است که آهنگ چگالش ٬ در اثر فشردن ٬ برای پودرهای درشت دانه تند تر است . پودرهای دارای تخلخل درونی مشکل فشرده شده و چگالش آنها در مرحله نخست شکل دهی تنها دراثر فروپاشی منافذ بزرگتر بین دانه ها صورت می گیرد ٬ بهمین لحاظ تراکم پذیری این گونه پودرها در مراحل آغازین فشردن بالا است ولی دربرابر چگالش زیاد مقاوم می باشد.

با زیاد شدن فشار شکل دهی ،چگالی خشته افزایش یافته ، که طبعا بهبود ویژگیهای قطعه تف جوش را نیز به دنبال خواهد داشت . البته هر چه فشار زیادتر شود قطعه در قالب جفت تر شده و لذا نیروی بیرون اندازی نیز زیادتر خواهد شد . روانسازی دیواره قالب ویا پودر اصطکاک جداره قالب رادر خلال بیرون اندازی کاهش می دهد. دراین حال نیز در اثر بیرون اندازی خشته ، تنش آن آزاد و نتیجتا ابعادش از ابعاد محفظه قالب بزرگتر خواهد شد. این رجعت کش سان معمولا کمتر از 0.3 درصد ابعاد قالب بوده، ولی وجود تنش وکرنش دیفرانسیلی  دردرون قطعه خام ممکن است باعث شکست آن گردد.

فشردن ، پودر را به توده ای شکل گرفته ودارای اسحکام کافی برای جابجایی و انجام فرایندها بعدی تبدیل می کند. متداولترین روش فشردن پودر ، شکل دهی آن در قالب سخت و در اثر اعمال فشار در یک راستا (هم محور) است . نخستین مساله مورد نظر در فرایند شکل دهی دستیابی به قطعه خام دارای چگالی و استحکام مطلوب است. نیروی فشارنده پودر بطور یکنواخت به بطن آن منتقل نشده و لذا خشته پودری چگالی همگنی نخواهد داشت . ویژگیهای پودر واکنش آن در مقابل تنش های فشردن را تحت تاثیر قرار داده و بسته به نوع  پود ر، اندازه و شکل آن و همچنین شکل قطعه می توان از شقوق مختلف فشردن استفاده کرد .

فشار را می توان بطور پیوسته و ناپیوسته اعمال کرد . سرعت انتقال نیروبه پودر نیز باعث تفاوت بین روشهایی از قبیل فشردن انفجاری و فشردن  متعارف شده است ، بعلاوه دما متغیر دیگری است که بسته به روش انتخابی از دمای اتاق تا 2000 درجه سانتی گراد تغییر می کند .

در روش ایزواستاتیک ، به عکس روش متعارف ، قالب قابلیت انعطاف داشته و فشار اعمال شده نیز به عکس فشار یک امتدادی در قالب سخت ، از همه طرف وارد می شود.

پس از کنترل مناسب مخلوط ریخته شده در قالب آن را می فشارند تا چگالی آن بالا رود که محصول حاصل از این فشار قطعه خام نامیده می شود.

عمل فشردن پودر در قالب توسط یکی ار انواع قالب های پرس(با ساختر کلی سمبه ماتریسی به همراه یک قطعه بیرون انداز) : پرس مکانیکی و ابزار صلب فشاری (به صورت دستی و ربای تولید قطعات کوچک)صورت می گیرد اما امروزه برای تولید انبوه و قطعات بزرکتر از پرس های هیدرولیکی و یا هیدرولیک_مکانیک و حتی پنوماتیک استفاده می گردد ,در دهه ی اخیر از روش های دیگری نظیر نورد آهنگری ویا حتی فشار ناشی از موج انفجار نیز در PMبهره گرفته اند.

این فرایند همانند کار ایزو استاتیک سرد است چرا که در این فرایند عمل تبلور مجدد صورت نمی گیرد بلکه تنها در اثر فشار چگالی قطعه افزایش می یابد و مواد پودر به هم فشرده شده و بین مواد پیوند های ثانویه ای ایجاد می گیرد.

جدول مربوط به میزان فشار متعارف برای کاربرد های مختلف :

 کاربرد                                     فشار فشردن (مگا پاسکال)

----------------------------------------------------------------

فلزات متخلخل و فیلتر ها                                     70_40

فلزات دیر گداز و کاربید ها                                200­_10

قطعات ماشین                                              350_150

یاتاقان ها و قطعات آهنی                               1650_700

      گاهی اوقات قالب گیری قطعات کوچک به صورت تزریقی صورت می پذیرد یعنی پودر مورد نظر به حالت خمیری در می آید(دمای مواد پایین تر از مذاب است )و با سیالیت مناسب در داخل قالب پرس قرار می گیرد در این حالت فشار مورد نیاز بسیار پایین واین عمل با پرس های ساده تری صورت می گیرد.که از مزایای دیگر تزریق می توان به یکنواختی کامل تر دانه بندی محصول اشاره کرد.

فرايند فشردن دو طرفه (compaction with double acting pressure )

 در اين حالت بر خلاف فرايند يكطرفه ،اعمال فشار  حداقل به وسيله دو سمبه از بالا و پايين همزمان انجام مي شود.قطعه به دست آمده ،توزيع چگالي بهتري دارد و حال آن كه مقدار آن در وسط قطعه كمتر است.

فرايند فشردن ايزواستاتيك( isostatic press):

اين فرايند بيشتر براي توليد قطعات با شكل هاي پيچيده و دستيابي به قطعات با دانسيته بسيار زياد (نزديك به تئوري ) استفاده مي شود.در واقع ،در روش هاي فشردن معمولي ،اعمال فشار در دو جهت است كه اين امر سبب عدم دسترسي به توزيع يكسان چگالي مي گردد.با استفاده از پرس هاي ايزواستاتيك مي توان  قطعه را از تمام جهات به طور يكسان تحت فشار قرار داد و قطعه اي با خواص مكانيكي بهتر توليد كرد.                                                               

الف ) پرس هاي ايزواستاتيك سرد (cold isostatic press)

پرس هاي ايزواستاتيك سرد كه در آن ،تنها از فشار استفاده مي گردد.بدين ترتيب كه پودر مورد نظر درون قالب هاي انعطاف پذير ريخته شده،بعد از تخليه هواي قالب و درزگيري ،توسط يك محيط سيال،قالب تحت فشار قرار مي گيرد.پس از شكل گيري پودر قطعه از قالب خارج مي گردد.

ب ) پرس ايزواستاتيك گرم (warm isostatic press)

انجام کار مکانیکی در دمای بالا تر از دمای تبلور مجدد را کار مکانیکی گرم می گویند گاهی درPM دوعمل فشردن و زینتر کردن را با هم انجام می دهند(در دمای بالای تبلور مجدد) که به آن عمل فشردن گرم می گویند که این کاردر اثر نیروی فشاری ایزواستاتیک (فشار پایستار و در همه جهات کاملا مساوی را ایزو استاتیک می نامند.) انجام می گیرد.

مسلما سرعت عمل در این روش زیاد و هزینه تمام شده کمتر است اما علاوه بر این حصول برخی خواص از قبیل کا هش پدیده نفوذ علل الخصوص در ساخت اینسرت های برشی جایی که چسبنده بودن براده به ابزار مطرح می گردد بهتر از مراحل قبلی ذکر شده است و همین امر زمینه را برای گسترش کاربردهای این فرایند فراهم ساخته است .

پرس هاي ايزواستاتيك گرم كه براي افزايش تفجوشي درمراحل بعدي و كنترل دقيق خروج مواد افزودني پودر مي توان هنگام اعمال فشار از دماي نسبتا" پاييني نيز استفاده كرد (دما در حدود 200 درجه سانتي گراد). دو فرايند فوق شبيه به يكديگر و فقط وجود دماي پايين در روش اول مورد اختلاف است.

ج )پرس هاي ايزواستاتيك داغ (hotisostatic press)

پرس هاي ايزواستاتيك داغ كه علاوه بر فشردن پودر در قالب،عمل تفجوشي نيز اتفاق مي افتد. اين روش بيشتر براي شكل گيري پودر هايي است كه خاصيت تراكم پذيري تراكم پذيري آن ها كم است. پودر فلزاتي نظير برليم ،اورانيم ،زيركونيم و تيتانيم از اين گروه هستند.

فرايند آهنگري پودر (powder forging)

اين روش تقريبا" همانند روش آهنگري معمول است با اين تفاوت كه بلوك اوليه آن از طريق فرايند هاي متالورژي پودر تهيه مي شود.بلوك اوليه را بر حسب شكل قطعه نهايي طراحي نموده،توسط پرس هاي معمولي شكل مي دهند و تفجوشي مي نمايند.سپس آن را در قالب نهايي قرار داده،آهنگري مي كنند.اين عمل علاوه بر از بين رفتن تخلخل بلوك اوليه سبب دستيابي به شكل هندسي دقيق قطعه و بهبود خواص مكانيكي خواهد شد.از روش آهنگري پودر براي توليد قطعاتي استفاده مي شود كه بايستي تخلخل آن هاي حداقل باشد و بتواند در محيط هاي با تنش زياد كار كند.بيشتر قطعات آهنگري پودر از خانواده هاي آلياژ آهني است كه از پودر اتميزه شده و گرافيت استفاده مي شود.

پودر گرافيت به دو منظور استفاده مي شود اول احياي اكسيدها در همگام تفجوشي و دوم تامين كربن لازم براي آلياژ سازي البته نقش روانكاوي گرافيت را نيز نبايد از ياد برد.بلوك اوليه براي جلوگيري از اكسيداسيون هنگام آهنگري و روانكاوي با مواد مخصوص در قالب پوشش داده مي شود.

فرايند نورد  (powder rolling)

نورد پودر فرايندي است كه در آن پودر مورد نظر به طور مداوم از بين غلتك هاي معيني كه مي
قدمی 09179147053

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: