Metalurgi serbuk

Sejarah dan keupayaan

Sejarah metalurgi serbuk dan seni logam dan pensinteran seramik berkait rapat. Pensinteran membabitkan penghasilan logam padu keras atau barangan seramik dari serbuk pemula. Terdapat bukti bahawa serbuk besi dipadukan menjadi objek keras seawal 1200 B.C. Dalam operasi penghasilan awal ini, besi dihasilkan menggunakan tangan dari sponge logam selepas penghancuran dan kemudian digunakan semula sebagai serbuk bagi pencairan atau pensinteran akhir.
Julat keluaran lebih luas mampu dihasilkan dengan menggunakan proses serbuk berbanding menggunakan bahan yang disatukan menjadi aloi langsung. Dalam operasi pencairan "peraturan fasa" digunakan bagi semua unsur tulin dan sebatian dan ditetapkan dengan teliti pengagihan fasa cecair dan pepejal yang boleh wujud bagi sebatian khusus. Tambahan lagi, keseluruhan pencairan objek bahan pemula diperlukan bagi menghasilkan aloi, dengan itu mengenakan kekangan kimia, haba, pengekalan yang tidak diingini pada pengilang. Malangnya, pengendalian serbuk aluminium/besi menjadi masaalah besar. Bahan lain yang terutamanya amat bertindak balas dengan oksijen di udara, seperti timah, disinteran dalam atmosfera khusus atau dengan salutan sementara.
Menggunakan metalurgi serbuk atau seramik ia mampu menghasilkan komponen yang sekiranya tidak akan lerai atau berkecai. Semua pertimbangan mengenai fasa pepejal-cecair boleh diabaikan, dengan itu proses serbuk adalah lebih mudah lentur berbanding teknik acuan, penyemperitan, atau tempa. Ciri-ciri penghasilan kebarangan boleh dikawal dengan menggunakan pelbagai teknologi serbuk termasuk mekanikal, magnetik, dan kaedah tidak biasa seperti baur, pepejal, poros, dan sebatian campuran logam. Ciri-ciri persaingan proses pengilangan (contoh, perkakasan haus, kerumitan, atau pilihan pembekal) juga mungkin dikawal ketat.
Keluaran metalurgi serbuk masa kini digunakan secara meluas dalam industri, dari penggunaan automobil dan aeroangkasa kepada perkakasan berkuasa dan penggunaan barangan rumah. Setiap tahun anugerah PM antarabangsa menonjolkan keupayaan teknologi.

Pemampatan Serbuk Isostatik

Pemampatan Serbuk Isostatik merupakan proses pembentukan pengekalan jisim. Partikel halus logam diletakkan di dalam acuan lentur dan tekanan gas atau cecair dikenakan pada acuan. Barangan yang terhasil kemudian disinterkan dalam relau. Ini meningkatkan kekuatan barangan tersebut oleh ikatan partikel logam. Proses pengilangan ini menghasilkan sangat sedikit logam sisa dan boleh digunakan bagi menghasilkan pelbagai bentuk. Penerimaan proses ini amat jitu, antara +/- 0.008 inci bagi dimensi axial dan +/- 0.020 inci bagi dimensi radial. Ia merupakan jenis pemampatan serbuk paling efisen. (Kategori kecil berikut juga dari rujukan berikut.) Operasi ini biasanya digunakan bagi pengeluaran kuantiti kecil, kerana ia lebih mahal untuk digunakan kerana operasi perlahan dan keperluan bagi perkakasan pakai buang.

Perkakasan

Terdapat banyak jenis perkakasan digunakan dalam Pemampatan Sebuk. Terdapat acuan, yang lentur, acuan tekanan yang memberi tekanan, dan mesin yang memberikan tekanan. Terdapat juga perant pengawal bagi mengawal tekanan dan tempoh tekanan dikenakan. Mesin ini perlu mengenakan tekanan antara 15,000 setiap inci (psi) hingga 40,000 psi bagi logam.

Kemungkinan Geometrik

Banyak bentuk yang dikehendaki boleh dibentuk daripada pelbagai bahan kejuruteraan. Saiz hasil kerja biasa berbeza dari ketebalan 1/4 inci hingga 3/4 dan sepanjang 1/2 inci hingga 10 inci. Bagaimanapun, ia boleh memampatkan hasil kerja yang setebal antara 1/16 inci dan 5 inci dan sepanjang 1/16 inci dan 40 inci.

Jenis Perkakasan

Peralatan Isostatik terdapat dalam tiga jenis, acuan bebas (bag-basah), acuan kasar (bag-lembab), dan acuan kekal (bag-kering). Acuan bebas merupakan jenis tradisi bagi pemampatan isostatik dan biasanya tidak digunakan bagi kerja pengeluaran tinggi. Dalam perkakasan acuan bebas, acuan dikeluarkan dan diisi di luar kelalang (“kanister”). Bag lembab adalah di mana acuan terletak dalam kelalang, tetapi di isi di luar. Dalam perkakasan acuan kekal, acuan terletak dalam kelalang, yang membantu proses dijadikan automatik.

Tekanan Isostatik Panas (“Hot Isostatic Pressing – HIP”)

Dalam operasi ini, bahagian ditekan dan disinterkan secara serentak dengan mengenakan haba antara 900 °F (480 °C) hingga 2250 °F (1230 °C). Gas Argon merupakan gas yang biasa digunakan dalam HIP kerana ia gas kaku, dengan itu menghalang tindak balas kimia semasa operasi.

Tekanan Isostatik sejuk (atau suhu bilik) (“Cold Isostatic Pressing – CIP”)

Ini biasanya menggunakan cecair sebagai kaedah mengenakan tekanan pada acuan. Selepas dikeluarkan, ia masih perlu disinterkan.

Perkiraan Reka bentuk

Pemampatan serbuk isostatik mampu menghasilkan dinding lebih nipis dan keluaran lebih besar. Pelincir tidak diperlukan bagi pemampatan serbuk Isostatik. Sebagai contoh: ketebalan minima dinding adalah 0.05 inci dan keluaran boleh memiliki berat antara 40 hingga 300 paun. Terdapat pengecutan antara 25 hingga 45% serbuk selepas pemampatan.

Bahan Kerja Biasa

Sebahagian logam yang sering digunakan dalam bentuk serbuk adalah besi, keluli aloi, tembaga, keluli, dan gangsa. Gabungan logam boleh dipilih bergantung kepada apa yang dikehendaki bergantung kepada kekuatan dan kegunaan yang diingini.

Keperluan Kuasa dan Pengiraan Masa

Keperluan kuasa bagi pemampatan serbuk Isostatik adalah jauh kurang berbanding pemampatan biasa. Dengan itu ia adalah dua atau tiga kali lebih bekesan. Bagi mengira jumlah keseluruhan masa yang diperlukan bagi proses ini anda campurkan: Masa pengisian (F), Masa pemampatan (C), Masa perlepasan (D), Masa buka (O), Masa penyingkiran (E), masa pensinteran (S).
Jumlah masa = F + C + D + O + E + S

Keselamatan

Bahaya yang datang dengan kaedah penghasilan ini termasuk, kebakaran, letupan, dan kegagalan mekanikal bagi mesin. Bahaya pernafasan dari serbuk juga perlu dipertimbangkan.

Teknik penghasilan serbuk

Sebarang bahan yang boleh bercantum boleh diserbukkan. Beberapa teknik telah dikembangkan bagi membolehkan penghasilan sejumlah besar zarah serbuk, sering kali dengan kawalan besar mengenai julat saiz setiap bijirin akhir. Serbuk boleh disediakan melalui penyerbukan, kisar, tindak balas kimia, atau mendapan elektrolik. Seberapa langkah mekanikal dan pencairan jelas boleh diubah suai bagi operasi di angkasa atau di bulan.
Serbuk unsur Ti, V, Th, Nb, Ta, Ca, dan U telah dihasilkan melalui pengurangan suhu tinggi nitrida dan karbida setara. Serbuk submikrometer Fe, Ni, U, dan Be juga didapati dengan menguraikan oksalat dan format logam. Zarah amat halus juga boleh dihasilkan dengan mengarah aliran logam cair melalui jet plasma bersuhu tinggi atau api, dengan serentak menjadikan bahan menjadi bersaiz atom dan berserbukan. Di Bumi pelbagai proses kimia-dan-api berkait dengan serbuk diubah suai sebahagiannya bagi mengelak kerosakan permukaan zarah oleh oksigen dalam atmosfera.

Pengatoman

Pengatoman dicapai dengan memaksa aliran cecair logam melalui bukaan dengan tekanan serdahana. Gas dimasukkan dalam aliran logam sejurus sebelum ia meninggalkan muncung, yang bertindak untuk menghasilkan golakan apabila gas yang disuntik mengembang (akibat pemanasan) dan keluar ke dalam pengumpul isipadu besar diluar bukaan. Isipadu pengumpul diisi dengan gas bagi menggalakkan pergolakan lanjut jet logam cair. Di Bumi, aliran udara dan serbuk dipisahkan menggunakan graviti atau pemisah siklon (“cyclonic separation”). Kebanyakan serbuk diatomkan merupakan sepuh lindap (“annealed”), yang membantu mengurangkan pengoksidaan dan kandungan karbon. Partikel air diatomkan adalah lebih kecil, bersih, dan tidak telap dan mempunyai saiz jarak lebih besar, yang membenarkan pemampatan lebih baik.
Teknik pengatoman mudah tersedia di mana cecair logam dipaksa melalui bukaan pada kepantasan tinggi mencukupi untuk memastikan pergolakan aliran. Index prestasi biasa yang digunakan adalah nombor Reynold R = fvd/n, di mana f = isipadu cecair (“fluid density”), v = halaju (“velocity”) aliran keluar, d = garis pusat d(“iameter”) bukaan, dan n = kelikatan mutlak. Pada R rendah aliran jet cecair berayun, tetapi pada had laju lebih tinggi aliran mula bergolak dan berpecah kepada titisan. Tenaga pengepam diberikan kepada pembentukan titisan dengan keberkesanan amat rendah (pada kadar 1%) dan kawalan pada pengagihan saiz partikal logam agak lemah. Teknik lain seperti getaran muncung, muncung tak sekata, aliran multiple impinging streams, atau suntikan logam cair kedalam gas ambient semua boleh digunakan bagi meningkatkan keberkesanan pengatoman, menghasilkan serbuk lebih halus, dan mengurangkan pengagihan saiz partikel. Malangnya, ia sukar bagi menyuntik logam melalui bukaan lebih kecil daripada keratan rentas beberapa milimeter, yang menghadkan saiz serbuk minima sekitar 10 μm. Pengatoman turut menghasilkan saiz partikel dengan perbezaan saiz butiran yang luas, memerlukan pengelasan selepasnya dengan penyaringan dan mencairkan sebahagian besar sempadan butiran.

Peleraian emparan

Peleraian emparan partikel cair menawarkan satu cara menyelesaikan masaalah ini. Pengalaman meluas ada dengan besi, keluli, dan aluminium. Logam yang akan diserbukkan dibentuk sebagai batang yang dimasukkan kedalam kebuk melalui spindle berputar ligat. Bersebelahan dengan hujung spindle adalah eletrod yang memancarkan gerbang eletrik yang memanaskan batang logam. Ketika hujung bahan mencair, putaran rod ligat melontar titisan cair halus yang mengeras sebelum mengenai dinding kebuk. Gas berpusar menyapu partikel dari kebuk. Teknik yang sama boleh digunakan di angkasa atau bulan. Dinding kebuk boleh diputar bagi memaksa serbuk baru ke dalam bekas pengumpul jauh (DeCarmo, 1979), dan elektrod boleh diganti dengan cermin suria yang ditumpu pada hujung batang.
Pendekatan lain yang mampu menghasilkan pengagihan amat sempit saiz bijiran tetapi dengan daya pemprosesan rendah terdiri daripada mangkuk berputar dipanaskan pada suhu melebihi titik cair bahan yang hendak diserbukkan. Logam cair jatuh pada permukaan tengah mangkuk ketika kadar aliran disesuai bagi membolehkan lapisan nipis filem untuk menyapu sekata pada dinding dan melampaui, berpecah kepada bijirin, setiap satu menyamai ketebalan filem.

Teknik lain

Satu lagi teknik penghasilan serbuk membabitkan jet logam cair dipintas oleh aliran pantas air diatomkan yang memecahkan jet logam cair kepada titisan dan menyejukkan serbuk sebelum ia sampai ke dasar takungan. Dalam operasi berikutnya, serbuk itu dikeringkan. Ini dikenali sebagai pengatoman air. Kelebihannya adalah logam membeku lebih pantas berbanding penggunaan pengatoman udara disebabkan air mengalirkan haba bebrapa kali ganda lebih baik.Kadar pembekuan adalah adaka berkadar songsang kepada saiz partikel. Oleh itu, partikel lebih kecil boleh didapati melalui proses pengatoman air. Lebih kecil saiz partikel lebih sekata struktur miknonya. Perhatikan bahawa partikel terhasil memiliki bentuk lebih tak sekata dan saiz pengagihan partikel lebih meluas. Selain itu pencemaran permukaan mungkin berlaku melalui pengoksidaan. Pengoksidaan serbuk boleh dikurangkan melalui rawatan sebelum penyatuan sebagai penyalut.
Akhir sekali, sekarang terdapat mesin yang mampu memberikan tork putaran yang besar ke atas serbuk, pada kadar 2.0×10⁷ rpm. Kuasa sebesar itu menyebabkan butiran berkecai kepada partikel lebih halus.

Ciri-ciri

Serbuk logam dimampatkan dalam die. Selepas dimampatkan barangan di sintered dalam ketuhar. Barangan boleh dihasilkan dengan ketahanan tinggi. Keluaran akhir memiliki permukaan akhir yang licin. Hanya sedikit sisa dihasilkan. Teknik ini boleh menggunakan pengisi. Potongan bawah (“Undercuts”), meletak benang, lubang bersilang dll. perlu dihasilkan melalui proses lain.

Jenis perkakasan

Terdapat empat kelas Jenis Perkakasan utama: pemampatan satu tindakan, digunakan bagi komponen nipis, rata; dwi-aksi bersetentangan dengan dua pergerak menekan, yang mengendali komponen lebih tebal; dwi-aksi dengan die terapong; dan dwi-aksi die dikeluarkan. Kelas Dwi-Aksi memberikan agihan isipadu lebih baik berbanding Aksi Tunggal. Perkakasan perlu direka agar ia mampu menahan tekanan melampau tanpa bertukar bentuk atau bengkok. Perkakasan perlu dihasilkan daripada bahan yang licin dan tahan haus.

Keperluan Kuasa

Ketumpatan serbuk dimampatkan adalah selari dengan jumlah tekanan yang dikenakan. Tekanan biasa antara 80 psi hingga 1000 psi, tekanan dari 1000 psi hingga 1,000,000 psi pernah dihasilkan.

Kos berkait

Setup time. Load/unload time. Idle time. Compaction time. Tool change time. Tool costs. Direct labor rate. Overhead rate. Amortization of equipment and tooling.

Kebaikan

Salah satu kebaikan pemampatan serbuk adalah ia menghasilkan sedikit buangan. Tambahan lagi gabungan aloi atai pengisi boleh diletakkan dalam campuran serbuk bagi mengubah ciri-ciri keluaran akhir. Kedua-dua bentuk mudah dan geometrik boleh dihasilkan dan pada kadar pengeluaran yang tinggi. Proses ini tidak dapat menghasilkan potongan bahagian bawah ("undercuts"), memasang benang, atau lubang silang secara langsung.

Tekanan serbuk

Sungguhpun banyak keluaran seperti pil dan tablet bagi kegunaan perubatan dihasilkan menggunakan tekanan sejuk dari bahan serbuk, biasanya hasil mampatan hanya cukup kukuh bagi bagi pemanasan dan pensinteran. Pembebasan hasil mampatan daripada acuan biasanya diikuti sedikit pengembangan isipadu yang dikenali sebagai “lantunan balik”.
Dalam proses pemampat serbuk biasa, penekan pemampat serbuk digunakan bersama perkakasan dan die. Biasanya ruang die yang tertutup di sebelah (die menegak, bahagian dasar ditutup dengan perkakasan penekan) diisi dengan serbuk. Serbuk itu kemudiannya dimampatkan menjadi bentuk dan dikeluarkan dari ruang die. Pelbagai komponen boleh dibentuk menggunakan proses pemampata serbuk. Setengah contoh bahagian ini adalah bearings, bushings, gear, piston, tuil, dan pengikat bingkai (“brackets”). Apabila memampatkan bentuk ini, saiz dimensi dan kawalan berat dikekalkan dengan baik. Dalam kebanyakan penggunaan bagi bahagian ini hanya sedikit perubahan perlu dilakukan bagi sebelum digunakan; menjadikannya sangat menjimatkan untuk dihasilkan.
Dalam sesetengah operasi penekanan (seperti pemampatan Tekanan Isostatik panas) pembentukan dan pensinteran berlaku serantak. Prosedure ini, bersama teknik pemampatan dipancu letupan, digunakan secara meluas dalam penghasilan bahagian bersuhu tinggi dan kekuatan tinggi seperti bilah turbin bagi enjin jet. Dalam kebanyakan kegunaan metalurgi serbuk pemampat menekan panas, dipanaskan pada suhu melebihi tahap beku bahan. Penekan panas merendahkan tekanan yang diperlukan bagi mengurangkan keporosan dan kepantasan pengimpalan panas dan proses herotan urat (“grain deformation”). Juga ia membenarkan kawalan dimensi atas barangan yang lebih baik, mengurangkan kesensitifan pada ciri-ciri fizikal bahan pemula, dan membenarkan serbuk dipancu kepada ketumpatan lebih tinggi berbanding penekanan sejuk, menghasilkan kekuatan lebih tinggi. Aspek keburukan penekanan panas termasuk jangka hayat die lebih pendek, penghasilan lebih perlahan kerana pemanasan serbuk, dan keperluan kerap bagi melindungi atmosfera semasa fasa pembentukan dan penyejukan.

Barangan khusus

Banyak keluaran khusus boleh dihasilkan menggunakan teknologi metalurgi serbuk. Daftar tidak lengkap diberikan termasuk Al₂O₃ misai yang diselitupi dengan lapisan oksida nipis bagi meningkatkan kilauan; besi dimampatkan dengan lapisan Al₂O₃ bagi meningkatkan kekuatan suhu tinggi merayap; filamen mentol lampu dihasilkan menggunakan teknologi serbuk; lapik bagi brek geseran; logam kaca bagi filem kekuatan tinggi dan ribon; perisai haba bagi kemasukan pesawat angkasa ke atmosfera Bumi; penyambung pengalir eletrik bagi mengendali aliran arus tinggi; magnet; ferites gelombang mikro; penapis bagi gas; dan bering yang telap pelincir.
Helaian amat nipis dan sfera halus memberikan kekuatan yang tinggi. Satu kegunaan pemerhatian ini adalah untuk menyalut bahan rapuh dalam bentuk misai dengan lapisan submikrometer logam lebih lembut (contoh., sepuhan-kobalt tungsten). Ketegangan lapisan nipis meletakkan logam lebih keras pada tekanan, dengan itu apabila keseluruhan komposit disinterkan kekuatan tembusan (“rupture strength”) meningkat dengan banyaknya. Dengan kaedah ini, kekuatan pada gandaan 2.8 GPa berbanding 550 MPa telah dilihat, samajuga bagi, lapisan (25% Co) dan tungsten karbide tidak bersalut. Amat menarik bagi menilai samaada bahan yang sama kukuh boleh dihasilkan menggunakan kepingan aluminium dihampar pada gentian kaca (bahan yang agak banyak di angkasa).