بررسی متالورژی پودر

پیشگفتار:

یكی از شاخه‌های علم متالورژی كه دز سالهای اخیر رشد زیادی یافته است. متالورژی پودر است. البته قدمت تولید قطعات با پودر به پنج هزار سال و بیشتر  می رسد. یكی دیگر از دلایل توسعه متالورژی پودر این است كه در روش مزبور فلز تلف  شده به مراتب كمتر از  سایر روشهاست و حتی می توان گفت وجود ندارد. سرمایه گذاری در صنعت متتالورژی پودر نیز،‌كمتر از سرمایه گذاری برای  روشهای كلاسیك ساخت قطعات  است. زیرا در مرحله هم جوشی ،  درجه حرارت لازم كمتر از درجه حرارت ذوب فلزات است و در نتیجه، كوده های مورد احتیاح ارزانتر اند.

دامنه استفاده از متالورژی پودر بسیار متنوع و گسترده بوده و در این رابطه كافی است به زمینه هایی همچون تولید رشته های لامپها، بوش های خود روانساز، متعلقات گیربكس اتومبیل، اتصالات الكتریكی، مواد ضد سایش قطعات توربین و آمالگم های دندانپزشكی اشاره شود. علاوه بر آن پودر فلزات در موارد و كاربردهایی چون صنایع رنگ سازی مدارهای چاپی، آردهای غنی شده مواد منفجره، الكترود های جوشكاری،  سوخت راكت ها، جوهر چاپ، باطری الكتریكی قابل شارژ، لحیم كاری و كاتالیزورها 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 كرد. كاربردهای جدید تری برای متالورژی پودر به دنبال داشت. بطوریكه از آغاز دهه 1940 بسیاری از قطعات فلزات غیر معمول از طریع این تكنولوژی تهیه شدند. در این گروه مواد می توان از فلزات دیر گداز مانند نایوبیم، تنگستن، مولیبدن، زیر كنیم، تیتانیم، رنیم و آلیاژهای آنها نام برد. همچنین تعدادی از مواد هسته ای و تركیبات الكتریكی و مغناطسسی نیز با تكنیك های  متالورژی پودر تهیه شدند. هر چند موفقیت اولیه متالورژی پودر بیشتر مدیون مزایای اقتصادی آن است. ولی در سالهای اخیر ساخت قطعاتی كه تولید آنها  با روشهای دیگر مشكل می باشد در گسترش این تكنولوژی  سهم چشمگیری داشته است. انتظار می رود كه این عوامل در جهت بسط متالورژی پودر و ابداع كاربردهای آتی آن دست به دست هم داده و دست آودرهای تكنولوژیكی 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 كیفیت بالا كه معمولاً‌بر بكارگیری آلیاژهای آهن مبتنی می باشند.

ب ) دستیابی به قطعاتی كه فرایند تولید آنها مشكل بوده و باید كاملاً فشرده و دارای ریز ساختار یكنواخت ( همگن) باشند.

پ ) ساخت آلیاژهای مخصوص،‌عمدتاً مواد مركب محتوی فازهای مختلف كه اغلب برای شكل دهی نیاز به  بالا تولید می شوند.

ت) مواد غیر تعادلی از قبیل آلیاژهای آمورف و همچنین آلیاژ های ناپایدار.

ث ) ساخت قطعات پیچیده كه شكل و یا تركیب منحصر به فرد و عیر معمول دارند

متالورژی پودر روز به روز گسترش بیشتری یافته و بر میزان پودر تولیدی به طور پیوسته افزوده، بطوریكه پودر آهن حمل شده از آمریكا از سال 1960 تا 1978 میلادی به ده برابر افزایش یافته است. هر چند در سالهای اخیر آهنگ رشد این تكنولوژی 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 كه هر چه دانش ما در متالورژی پودر افزودن تر می شود، دامنه كاربرد این روش نیز گسترش بیشتری می یابد. اغلب دست آوردهای نوین این زمینه صنعتی بر قابلیت آن در ساخت،‌ مقرون به صرفه قطعات با شكل و ابعاد دقیق مبتنی است.

مقدمه

در قرن بیستم و در سالهای اخیر، تكنیك متالورژی پودر بطور جدی تر،‌ مورد توجه قرار گرفته و جای خود را به اندازه كافی در صنعت باز كرده است بطوری كه در حال حاضر می توان آن را به عنوان یكی از تكنیك های جدید متالورژی به حساب آورد. البته قدمت تولید قطعات با پودر به بیش از پنج هزار سال پیش می رسد، درآن زمان كوره هایی كه بتوانند حرارت لازم را برای ذوب فلزات ایجاد كند، وجود نداشتند. روش معمول، احیا سنگ معدن با ذغال چوب بود و محصولی كه به دست می آمد نوعی فلز اسفنجی بود كه در حالت گرم با چكش كاری امكان شكل دهی مطلوب داشت.

هم اكنون، ستونی آهنی با وزنی حدود شش تن در شهر دهلی وجود دارد كه در هزار وششصد سال پیش با همین روش تهیه شده است . در اواخر قرن هیجدهم و لاستون

( wollaston ) كشف كرد كه می توان پودر فلز پلاتین را كه در طبیعت به صورت آزاد شناخته شده بود، پس از تراكم و حرارت دادن، درحالت گرم با چكش كاری شكل داد. ولاستون جزئیات روش خود را درسال 1829 منتشر كرد و اهمیت فاكتورهای نظیر اندازه دانه ها، متراكم كردن پودر با وزن مخصوص بالا و اكتیویته سطحی و غیره.. را توضیح داد.

همزمان با ولاستون وبطور جداگانه متالوریست بر جسته روسی پیومتر زابولفسكی

( pyotrsobolevsky ) در یال 1826، از این روش برای ساختن سكه ها و نشان ها از جنس پلاتین استفاده كرد. در نیمه دوم قرن نوزدهم، متخصصین متالورژی به روشهای روب فلزات با نقطه روب بالا دست یافتند و همین مسئله باعث شد كه مجدداً  استفاده از متالورژی پودر محدود شود،‌ هر چند تقاضا برای تولید قطعاتی مانند تنگستن از طریق  متالورژی پودر فلز، تلف شده به مراتب كمتر از سایر روشهاست و حتی می توان گفت وجود ندارد. دراین مورد، بطوری كه تجربه نشان می دهد،‌ هر یك كیلوگرم محصول ساخته شده باروش متالورژی پودر، معادل است با چند كیلو گرم محصول ساخته شده با سایر روشهای شكل دادن نظیر برش و تراشكاری،  چون در روشهایی نظیر تراشكاری مقادیر زیادی از فلزبه صورت براده در می آید كه تقریباً غیر قابل استفاده است. علاوه بر آن یك كیلو گرم از مواد ساخته شده بوسیله روشهای متالورژی پودر می تواند كار ده ها كیلو گرم فولاد آلیاژی ابزار را انجام دهد.

3-1- فصل سوم:

تولید پودر به روش الكترولیتی :

تحت شرایط مناسب می توان پودر فلزات را بر روی كاتد سلول الكترولیز 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 كاند انجام می گیرد. انتقال یونها در الكترولیت منجر به تولید شد پودری با درجه خلوص بالا در سطح كاتد می شود كه پس از جمع آوری،‌ آسیاب و نهایتاً برای كاهش سختی كرنشی ایجاد شده  در آن تحت عمل آنیلینگ قرار می گیرد. نیروی محركه تولید پودر در این روش ولتاژ خارجی اعمال شده بردو قطب الكترولیز بوده و جمع آوری پودر از سطح كاتد با نشستن سطح آن و خشك كردن رسوب حاصله عملی می شود. پودر تولید شده به روش الكترولیتی 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،‌ كم بودن غلظت یونی در محلول الكترولیت و اسیدی بودن آن و همچنین افزایش مواد كلوئیدی به حمام به تولید پودر  اسفنجی كمك  می كند. دمای حمام در شرایط كار در حدود 60 درجه سانتیگراد بوده و از الكتولیت با گران و سیكوزیه بالا استفاده می شود. از بهم زدن الكترولیت نیز پرهیز می شود تا رسوب ایجاد شده بر سطح كاتد حتی الامكان باشد.

هر چند الكترولیز برای تولید پودرهای با درجه خلوص بالا روشی شناخته شده می باشد ولی انجام آن مشكلاتی را نیز به همراه دارد. تركیب شیمیایی حمام الكترولیت بسیار حائز اهمیت بوده و ناخالصی های موجود در آن می تواند رسوب پودر بر سطح كاتد را با وقفه مواجه سازد. علاوه بر این روش مذكر تنها برای تولید پودرهای فلزی( غیر آلیاژی ) قابل استفاده می باشد. همچنین تمیز كردن 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

بكارگیری هوا، ازت، هلیم و آرگون بعنوان سیالات متلاشی كننده جریان مذاب در تولید پودر فلزات و آلیاژها از كار آیی چشمگیری برخوردار می باشد. جریان فلز ( آلیاژ) مذاب در اثر برخورد با گاز منبسط شده ای كه از یك افشانك خارج می گردد متلاشی شده و در مراحل بعدی به دانه های پودر كروی 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 مكانیزم تغذیه فلز مذاب و پیچیدگی تجهیزات ذوب و جمع آوری پودر می باشد، ولی ویژگی مشترك همه این روشها انتقال انرژی از یك گاز سریعاً منبسط شونده به جریان مذاب و تبدیل آن به دانه های پودر است. افشاننده های با دمای كم دارای طرح افقی مطابق شكل11 می باشند. و گاز دارای سرعت بالا كه از یك افشانك خارج می گردد فلز مذاب را به منطقه انبساط گاز می كشاند. سرعت زیاد گاز باعث تولید جریانی از قطرات ریز مذاب شده كه در حین حركت در محفظه جمع آوری پودر سرد و منجمد می گردند.

روش پاشش برای فلزات با نقطه ذوب بالا در محفظه بسته ای كه با گاز خنثی پر شده انجام می گیرد تا از اكسید اسیدن دانه های پودر جلوگیری شود. اندازه محفظه ( تانك) پاشش باید به نحوی انتخاب شود كه دانه های پودر پیش از برخورد به دیواره های آن بصورت جامد در آیند. در چنین سیستمهایی مذاب در كوره القایی تحت خلاء، تهیه و به افشانك ریخته می شود. دمای فوق ذوب تا حد قابل ملاحظخ ای بابد بجای افشانك مدور می توان از افشانكهای چند گانه كه بصورت محیطی جریان مذاب را احاطه كرده اند، استفاده نمود. گاز پاشش مذاب باید از محفظه تولید پودر تخلیه شود تا از ایجاد فشار جلوگیری شود.

در حالیكه در سیستم پاشش افقی اینكار بوسیله فیلتر تعبیه شده در بدنه دستگاه، كه نقش جمع آوری پودر را نیز بعهده دارد، انجام می شود. درتجهیزات پاشش قائم گاز بكار گیری سیلكون، 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 كاملاً خنثی انجام داد. از این تولید پودر های پر آلیاژ با تركیب آلیاژی دست نخورده ( كنترل شده ) با این روش امكان پذیر می باشد. دانه های پودر حاصل از فرایند، كروی و توزیع دانه بندی آنها نسبتاً گسترده می باشد متغیرهای كنترل كننده فرایند نسبتاً زیاد و شامل نوع گاز، سرعت گاز، شكل افشانك 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 افشانك حلقوی، چند تایی و یا منفرد عملی نمود. این فرایند مشابه پاشش گازی می باشد. با این تفاوت كه سرعت انجماد در این مورد بیشتر و ویژگیهای عامل متلاشی كننده مذاب نیز با حالت پیشین متفاوت می باشد.

در پاشش آبی شكل دانه های پودر ، به علت انجماد سریعتر در مقایسه با روش گازی، نامنظم تر بوده و بعلاوه سطح دانه ها ناصاف تر و اكسید اسیون آنها نیز بیشتر است. با توجخ به انجماد نسبتاً سریع دانه ها كنترل شكل آنها در صورتی امكان پذیر خواهد بود كه دمای فوق ذوب در حد قابل ملاحظه ای بالا شد.

3-4-1-پاشش گریز از مركز

نیاز به كنترل اندازه دانه های پودر و همچنین اشكالات موجود در تولید پودر فلزات فعال منجر به توسعه و بكارگیری این روش پاشش شده است. در افشانك مختلفی كه بر مبنای اعمال نیروی گریز از مركز بر مذاب بنا شده اند، نیرو باعث پرتاب قطرات مذاب و انجماد آنها بصورت پودر می گردد. یكی از نمونه های بكار گیری این روش، روش الكترود چرخان است كه در تولید پودر فلزات  فعال مانند زیر كنیم، وم همچنین سوپر آلیاژ ها بكار گرفته می شود،‌

1-2 : ریخته گری دوغابی یا Slip Casting

از این روش بطور وسیع برای سرامیكها و در مقیاس كمتر برای فلزات استفاده می شود. مواد ذیل برای ریخته گری لازم است:

1- پودر فلز یا سرامیك

2- مایع برای معلق نگهداشتن ذرات ( آب الكل)

3- مواد افزودنی برای جلو گیری از ته نشینی ذرات و چسبنده ها

دراین روش معمولاً‌ ذرات از 5 میكرو است ( از ذرات بزرگتر از 20 میكرومتر به علت سرعت ته نشین زیاد به ندرت استفاده می شود) با  كمك افزودنی ها از ته نشینی ذرات بطور سریع جلو گیری بعمل می آید و عمل  فشرده شدن در ریخته گری دوغابی یكنواخت می شود. مواد پس از آماده شدن در قالبی كه از مواد جذب كننده مایع ( مثل پلاستر پاریس ) ساخته شده است رسخته می شود، معمولاً چندین ساعت وقت لازم است تا مایع از خلل و فرج مویی (‌ Capillary ) شكل قالب خارج شود و مواد متراكم شده از قالب بیرون آید.

قبل از  زنیترتیگ قطعه متراكم شده باید خشك شود تا رطوبت بطور كامل از آن خارج و سپس زینتر شود. با این روش قطعات با تخلخل كم و یا زیاد می توان تولید كرد اما وزن مخصوص قطعه متراكم شده در این روش پایین است و در زنیترتیگ انقباض زیاد تری لازم است تا به وزن مخصوص بالاتر برسد.

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