بررسی متالورژی پودر
پیشگفتار:
یکی از
شاخه‌های علم متالورژی که دز سالهای اخیر رشد زیادی یافته است. متالورژی
پودر است. البته قدمت تولید قطعات با پودر به پنج هزار سال و بیشتر می
رسد. یکی دیگر از دلایل توسعه متالورژی پودر این است که در روش مزبور فلز
تلف شده به مراتب کمتر از سایر روشهاست و حتی می توان گفت وجود ندارد.
سرمایه گذاری در صنعت متتالورژی پودر نیز،کمتر از سرمایه گذاری برای
روشهای کلاسیک ساخت قطعات است. زیرا در مرحله هم جوشی ، درجه حرارت لازم
کمتر از درجه حرارت ذوب فلزات است و در نتیجه، کوده های مورد احتیاح
ارزانتر اند.
دامنه
استفاده از متالورژی پودر بسیار متنوع و گسترده بوده و در این رابطه کافی
است به زمینه هایی همچون تولید رشته های لامپها، بوش های خود روانساز،
متعلقات گیربکس اتومبیل، اتصالات الکتریکی، مواد ضد سایش قطعات توربین و
آمالگم های دندانپزشکی اشاره شود. علاوه بر آن پودر فلزات در موارد و
کاربردهایی چون صنایع رنگ سازی مدارهای چاپی، آردهای غنی شده مواد منفجره،
الکترود های جوشکاری، سوخت راکت ها، جوهر چاپ، باطری الکتریکی قابل شارژ،
لحیم کاری و کاتالیزورها مورد استفاده قرار می گیرند.
متالورژی
پودر در ابتدا فلزات معمول، همچون مس و آهن شروع شد ولی لانه استفاده از
عمل آن به فلزات غیر دیگر نیز سرایت کرد. کاربردهای جدید تری برای متالورژی
پودر به دنبال داشت. بطوریکه از آغاز دهه 1940 بسیاری از قطعات فلزات غیر
معمول از طریع این تکنولوژی تهیه شدند. در این گروه مواد می توان از فلزات
دیر گداز مانند نایوبیم، تنگستن، مولیبدن، زیر کنیم، تیتانیم، رنیم و
آلیاژهای آنها نام برد. همچنین تعدادی از مواد هسته ای و ترکیبات الکتریکی و
مغناطسسی نیز با تکنیک های متالورژی پودر تهیه شدند. هر چند موفقیت اولیه
متالورژی پودر بیشتر مدیون مزایای اقتصادی آن است. ولی در سالهای اخیر
ساخت قطعاتی که تولید آنها با روشهای دیگر مشکل می باشد در گسترش این
تکنولوژی سهم چشمگیری داشته است. انتظار می رود که این عوامل در جهت بسط
متالورژی پودر و ابداع کاربردهای آتی آن دست به دست هم داده و دست آودرهای
تکنولوژیکی تازه ای را به ارمغان آورند. تداوم رشد متالورژی پودر را
میتوان به عوامل پنجگانه زیر وابسته دانست:
الف) تولید انبوه قطعات سازه ای دقیق و با کیفیت بالا که معمولاً‌بر بکارگیری آلیاژهای آهن مبتنی می باشند.
ب ) دستیابی به قطعاتی که فرایند تولید آنها مشکل بوده و باید کاملاً فشرده و دارای ریز ساختار یکنواخت ( همگن) باشند.
پ ) ساخت آلیاژهای مخصوص،عمدتاً مواد مرکب محتوی فازهای مختلف که اغلب برای شکل دهی نیاز به بالا تولید می شوند.
ت) مواد غیر تعادلی از قبیل آلیاژهای آمورف و همچنین آلیاژ های ناپایدار.
ث ) ساخت قطعات پیچیده که شکل و یا ترکیب منحصر به فرد و عیر معمول دارند
متالورژی
پودر روز به روز گسترش بیشتری یافته و بر میزان پودر تولیدی به طور پیوسته
افزوده، بطوریکه پودر آهن حمل شده از آمریکا از سال 1960 تا 1978 میلادی
به ده برابر افزایش یافته است. هر چند در سالهای اخیر آهنگ رشد این
تکنولوژی چندان پیوسته نبوده، ولی مجموعه شواهد دلالت بر گستردگی بیشتر
آن، در مقایسه با روشهای سنتی قطعه سازی دارد. باز خوردهای دریافت شده از
مهندسین طراح نشان می دهد که هر چه دانش ما در متالورژی پودر افزودن تر می
شود، دامنه کاربرد این روش نیز گسترش بیشتری می یابد. اغلب دست آوردهای
نوین این زمینه صنعتی بر قابلیت آن در ساخت، مقرون به صرفه قطعات با شکل و
ابعاد دقیق مبتنی است.
مقدمه
در قرن
بیستم و در سالهای اخیر، تکنیک متالورژی پودر بطور جدی تر، مورد توجه قرار
گرفته و جای خود را به اندازه کافی در صنعت باز کرده است بطوری که در حال
حاضر می توان آن را به عنوان یکی از تکنیک های جدید متالورژی به حساب آورد.
البته قدمت تولید قطعات با پودر به بیش از پنج هزار سال پیش می رسد، درآن
زمان کوره هایی که بتوانند حرارت لازم را برای ذوب فلزات ایجاد کند، وجود
نداشتند. روش معمول، احیا سنگ معدن با ذغال چوب بود و محصولی که به دست می
آمد نوعی فلز اسفنجی بود که در حالت گرم با چکش کاری امکان شکل دهی مطلوب
داشت.
هم
اکنون، ستونی آهنی با وزنی حدود شش تن در شهر دهلی وجود دارد که در هزار
وششصد سال پیش با همین روش تهیه شده است . در اواخر قرن هیجدهم و لاستون
(
wollaston ) کشف کرد که می توان پودر فلز پلاتین را که در طبیعت به صورت
آزاد شناخته شده بود، پس از تراکم و حرارت دادن، درحالت گرم با چکش کاری
شکل داد. ولاستون جزئیات روش خود را درسال 1829 منتشر کرد و اهمیت
فاکتورهای نظیر اندازه دانه ها، متراکم کردن پودر با وزن مخصوص بالا و
اکتیویته سطحی و غیره.. را توضیح داد.
همزمان با ولاستون وبطور جداگانه متالوریست بر جسته روسی پیومتر زابولفسکی
(
pyotrsobolevsky ) در یال 1826، از این روش برای ساختن سکه ها و نشان ها از
جنس پلاتین استفاده کرد. در نیمه دوم قرن نوزدهم، متخصصین متالورژی به
روشهای روب فلزات با نقطه روب بالا دست یافتند و همین مسئله باعث شد که
مجدداً استفاده از متالورژی پودر محدود شود، هر چند تقاضا برای تولید
قطعاتی مانند تنگستن از طریق متالورژی پودر فلز، تلف شده به مراتب کمتر از
سایر روشهاست و حتی می توان گفت وجود ندارد. دراین مورد، بطوری که تجربه
نشان می دهد، هر یک کیلوگرم محصول ساخته شده باروش متالورژی پودر، معادل
است با چند کیلو گرم محصول ساخته شده با سایر روشهای شکل دادن نظیر برش و
تراشکاری، چون در روشهایی نظیر تراشکاری مقادیر زیادی از فلزبه صورت براده
در می آید که تقریباً غیر قابل استفاده است. علاوه بر آن یک کیلو گرم از
مواد ساخته شده بوسیله روشهای متالورژی پودر می تواند کار ده ها کیلو گرم
فولاد آلیاژی ابزار را انجام دهد.
3-1- فصل سوم:
تولید پودر به روش الکترولیتی :
تحت
شرایط مناسب می توان پودر فلزات را بر روی کاتد سلول الکترولیز رسوب داد.
پودر خالص فلزات تیتا نیوم، مس،آهن و برلیم نمونه هایی از پودرهای تولید
شده با روش اخیر می باشد.
انحلال
در سطح آند و ایجاد رسوب پودری در کاند انجام می گیرد. انتقال یونها در
الکترولیت منجر به تولید شد پودری با درجه خلوص بالا در سطح کاتد می شود که
پس از جمع آوری، آسیاب و نهایتاً برای کاهش سختی کرنشی ایجاد شده در آن
تحت عمل آنیلینگ قرار می گیرد. نیروی محرکه تولید پودر در این روش ولتاژ
خارجی اعمال شده بردو قطب الکترولیز بوده و جمع آوری پودر از سطح کاتد با
نشستن سطح آن و خشک کردن رسوب حاصله عملی می شود. پودر تولید شده به روش
الکترولیتی معمولاً شاخه ای و یا اسفنجی بوده و ویژگیهای آن تابع شرایط
حمام درحین رسوب و همچنین عملیات بعدی انجام گرفته بر روی پودر می باشد.
بالا
بودن دانسیته جریان خارجی، کم بودن غلظت یونی در محلول الکترولیت و اسیدی
بودن آن و همچنین افزایش مواد کلوئیدی به حمام به تولید پودر اسفنجی کمک
می کند. دمای حمام در شرایط کار در حدود 60 درجه سانتیگراد بوده و از
الکتولیت با گران و سیکوزیه بالا استفاده می شود. از بهم زدن الکترولیت نیز
پرهیز می شود تا رسوب ایجاد شده بر سطح کاتد حتی الامکان باشد.
هر چند
الکترولیز برای تولید پودرهای با درجه خلوص بالا روشی شناخته شده می باشد
ولی انجام آن مشکلاتی را نیز به همراه دارد. ترکیب شیمیایی حمام الکترولیت
بسیار حائز اهمیت بوده و ناخالصی های موجود در آن می تواند رسوب پودر بر
سطح کاتد را با وقفه مواجه سازد. علاوه بر این روش مذکر تنها برای تولید
پودرهای فلزی( غیر آلیاژی ) قابل استفاده می باشد. همچنین تمیز کردن و
آماده سازی پودر تولید شده برای فرایند های بعدی می تواند هزینه تولید را
به میزان زیادی افزایش دهد.
4-1- فصل چهار:
تولید پودر به روش پاشش
4-1-1- پاشش با گاز
بکارگیری
هوا، ازت، هلیم و آرگون بعنوان سیالات متلاشی کننده جریان مذاب در تولید
پودر فلزات و آلیاژها از کار آیی چشمگیری برخوردار می باشد. جریان فلز (
آلیاژ) مذاب در اثر برخورد با گاز منبسط شده ای که از یک افشانک خارج می
گردد متلاشی شده و در مراحل بعدی به دانه های پودر کروی تبدیل می گردد.
پاشش گازی برای تولید پودر سوپر آلیاژ ها و مواد پر آلیاژ روشی ایده آل و
شناخته شده می باشد.
طرحهای
گوناگون مورد استفاده تابعی از مکانیزم تغذیه فلز مذاب و پیچیدگی تجهیزات
ذوب و جمع آوری پودر می باشد، ولی ویژگی مشترک همه این روشها انتقال انرژی
از یک گاز سریعاً منبسط شونده به جریان مذاب و تبدیل آن به دانه های پودر
است. افشاننده های با دمای کم دارای طرح افقی مطابق شکل11 می باشند. و گاز
دارای سرعت بالا که از یک افشانک خارج می گردد فلز مذاب را به منطقه انبساط
گاز می کشاند. سرعت زیاد گاز باعث تولید جریانی از قطرات ریز مذاب شده که
در حین حرکت در محفظه جمع آوری پودر سرد و منجمد می گردند.
روش پاشش
برای فلزات با نقطه ذوب بالا در محفظه بسته ای که با گاز خنثی پر شده
انجام می گیرد تا از اکسید اسیدن دانه های پودر جلوگیری شود. اندازه محفظه (
تانک) پاشش باید به نحوی انتخاب شود که دانه های پودر پیش از برخورد به
دیواره های آن بصورت جامد در آیند. در چنین سیستمهایی مذاب در کوره القایی
تحت خلاء، تهیه و به افشانک ریخته می شود. دمای فوق ذوب تا حد قابل ملاحظخ
ای بابد بجای افشانک مدور می توان از افشانکهای چند گانه که بصورت محیطی
جریان مذاب را احاطه کرده اند، استفاده نمود. گاز پاشش مذاب باید از محفظه
تولید پودر تخلیه شود تا از ایجاد فشار جلوگیری شود.
در
حالیکه در سیستم پاشش افقی اینکار بوسیله فیلتر تعبیه شده در بدنه دستگاه،
که نقش جمع آوری پودر را نیز بعهده دارد، انجام می شود. درتجهیزات پاشش
قائم گاز بکار گیری سیلکون، تخلیه و در صورت نیاز بازیابی شده و دانه های
ریز پودر نیز از آن جدا می شوند.
پاشش
گازی را می توان تحت شرایط کاملاً خنثی انجام داد. از این تولید پودر های
پر آلیاژ با ترکیب آلیاژی دست نخورده ( کنترل شده ) با این روش امکان پذیر
می باشد. دانه های پودر حاصل از فرایند، کروی و توزیع دانه بندی آنها
نسبتاً گسترده می باشد متغیرهای کنترل کننده فرایند نسبتاً زیاد و شامل نوع
گاز، سرعت گاز، شکل افشانک و دمای گاز می باشد.
2-4-1- پاشش آبی
پاشش آب
متدوالترین فرایند برای تولید پودر فلزات و آلیاژ های با نقطه ذوب پایینتر
از 1600 درجه سانتیگراد می باشد. جهت دهی آب به سمت مسیر مذاب را می توان
با استفاده از افشانک حلقوی، چند تایی و یا منفرد عملی نمود. این فرایند
مشابه پاشش گازی می باشد. با این تفاوت که سرعت انجماد در این مورد بیشتر و
ویژگیهای عامل متلاشی کننده مذاب نیز با حالت پیشین متفاوت می باشد.
در پاشش
آبی شکل دانه های پودر ، به علت انجماد سریعتر در مقایسه با روش گازی،
نامنظم تر بوده و بعلاوه سطح دانه ها ناصاف تر و اکسید اسیون آنها نیز
بیشتر است. با توجخ به انجماد نسبتاً سریع دانه ها کنترل شکل آنها در صورتی
امکان پذیر خواهد بود که دمای فوق ذوب در حد قابل ملاحظه ای بالا شد.
3-4-1-پاشش گریز از مرکز
نیاز به
کنترل اندازه دانه های پودر و همچنین اشکالات موجود در تولید پودر فلزات
فعال منجر به توسعه و بکارگیری این روش پاشش شده است. در افشانک مختلفی که
بر مبنای اعمال نیروی گریز از مرکز بر مذاب بنا شده اند، نیرو باعث پرتاب
قطرات مذاب و انجماد آنها بصورت پودر می گردد. یکی از نمونه های بکار گیری
این روش، روش الکترود چرخان است که در تولید پودر فلزات فعال مانند زیر
کنیم، وم همچنین سوپر آلیاژ ها بکار گرفته می شود،
1-2 : ریخته گری دوغابی یا Slip Casting
از این روش بطور وسیع برای سرامیکها و در مقیاس کمتر برای فلزات استفاده می شود. مواد ذیل برای ریخته گری لازم است:
1- پودر فلز یا سرامیک
2- مایع برای معلق نگهداشتن ذرات ( آب الکل)
3- مواد افزودنی برای جلو گیری از ته نشینی ذرات و چسبنده ها
دراین
روش معمولاً ذرات از 5 میکرو است ( از ذرات بزرگتر از 20 میکرومتر به علت
سرعت ته نشین زیاد به ندرت استفاده می شود) با کمک افزودنی ها از ته نشینی
ذرات بطور سریع جلو گیری بعمل می آید و عمل فشرده شدن در ریخته گری
دوغابی یکنواخت می شود. مواد پس از آماده شدن در قالبی که از مواد جذب
کننده مایع ( مثل پلاستر پاریس ) ساخته شده است رسخته می شود، معمولاً
چندین ساعت وقت لازم است تا مایع از خلل و فرج مویی ( Capillary ) شکل
قالب خارج شود و مواد متراکم شده از قالب بیرون آید.
قبل از
زنیترتیگ قطعه متراکم شده باید خشک شود تا رطوبت بطور کامل از آن خارج و
سپس زینتر شود. با این روش قطعات با تخلخل کم و یا زیاد می توان تولید کرد
اما وزن مخصوص قطعه متراکم شده در این روش پایین است و در زنیترتیگ انقباض
زیاد تری لازم است تا به وزن مخصوص بالاتر برسد.
فهرست مطالب
پیشگفتار ۵
مقدمه ۸
۱-۱- روشهای مکانیکی تولید پودر ۱۰
۱-۱-۱- روش ماشین کاری ۱۰
۲-۱-۱- روش خرد کردن ۱۱
۳-۱-۱- روش آسیاب ۱۲
۴-۱-۱- روش ساچمه ای کردن ۱۳
۵-۱-۱- روشدانه بندی باگرانوله کردن ۱۳
۶-۱-۱- روش اتمایز کردن ۱۳
۷-۱-۱- تولید پودر با روش مانسمن ۱۵
تولید پودر به روش شیمیایی ۱۷
۱-۲-۱ روش احیاء ۱۷
۲-۲-۱ روش رسوب دهی ( ته نشین سازی از مایع) ۱۸
۳-۲-۱- روش تجزیه گرمایی ۱۹
۴-۲-۱- روش رسوب از فاز گازی ۲۰
۵-۲-۱- روش خوردگی مرزدانه ها ۲۱
تولید پودر به روش الکترولیتی ۲۴
تولید پودر به روش پاشش ۲۶
۴-۱-۱- پاشش با گاز ۲۶
۲-۴-۱- پاشش آبی ۲۸
۳-۴-۱-پاشش گریز از مرکز ۲۸
۱-۲ : ریخته گری دوغابی یا Slip Casting 29
تراکم با سیستم چند محوری ۳۳
تراکم در قالبها ۳۴
۲-۲-۲- متراکم کردن با لرزاندن ( ویبره ای ) ۳۴
۳-۲-۲- متراکم کردن سیکلی ( نیمه مداوم) ۳۶
۴-۲-۲- متراکم کردن به روش ایزواستاتیک ۳۷
۵-۲-۲- متراکم کردن با نورد ۳۸
۲-۴ : تزریق در قالب یا injection molding 42
مواد آلی افزودنی ۴۳
مخلوط کردن ذرات پودر با مواد آلی ۴۵
نحوه تزریق در قالب ۴۵
محدودیتهای روش تزریق ۴۶
کاربرد کاربید سمانته شده ۴۹
II- الماس مصنوعی ۴۹
تولید ابزار از الماس مصنوعی ۵۰
III- تولید یاقاقانهای خود روغن کار ۵۱
آنالیز شیمیایی یاتاقانهای خود روغن کار ۵۳
یاتاقانهای برنزی زینتر شده ۵۳
iv- تولید پودر برای روکش الکترودها ۵۵
روکش الکترودها ۵۶
کنترل خواص سرباره ۵۷
کیتفیت رسوب جوش ۵۷
قابلیت چسبندگی با اکستروژن ۵۸
