متالورژی پودر

متالورژی پودر برخی از قطعات صنعتی که به دلیل پیچیدگی شکل قطعه یا دلایل دیگر از طریق ریخته‌گری، نورد، آهنگری یا ماشینکاری قابل تولید نباشند به روش متالورژی پودر تولید می‌گردند. قطعاتی مانند: پودر آهن مورد استفاده در متالورژی پودر
ساخت قطعات متخلخل مثل صافی‌ها
قطعاتی از جنس مواد دیرگداز فلزی مانند تنگستن
سرامیک‌های
انواع چرخ دنده‌ها
ابزارهای بسیار سخت مانند الماس‌های برش
و مواردی که همگن بودن در آن بسیار مهم است
پودر رودیم مورد استفاده در روش متالورژی پودر و نمونه پرس شده از این فلز و نمونه زینتر شده (از چپ به راست)در این موارد متالورژی پودر بسیار کاربرد دارد.
تاریخچه
تاریخچه متالورژی پودر و هنر فلزکاری و سرامیک پزی با یکدیگر مرتبط می‌باشند. یکی از قبایل باستانی آمریکا، اینکاها، جواهرات و اشیائی از پودر فلزهای قیمتی ساخته بودند که نشان از باستانی بودن روش متالورژی پودر می‌باشند.
حتی با همه کشفیات مهم، متالورژی پودر از اختراعات مهم می‌باشد زیرا سال هاست که جامدات و مصنوعات فلزی از پودرهای فلزی ساخته می‌شود. این فرایند در اروپا در اواخر قرن ۱۸ برای شکل‌دادن پلاتین به صورت قطعات سودمند به کار رفته‌است. در حال حاضر این فرایند برای ساخت قطعاتی به وزن حداکثر ۳۵۰ پوند به کار می‌رود. حدود ۱۶۰۰ سال پیش، ستون آهنی معروف واقع در دهلی هندوستان به وزن ۵/۶ تن از ذرات آهنی یا آهنی اسفنجی شبیه به آهن مورد استفاده در فرایند جدید، ساخته شد.
متالورژی پودر بخشی کوچک ولی بسیار مهم از صنایع فلزگری می‌باشد. اولین کاربرد متالورژی پودر برای تولید پلاتین با دانسیته کامل بود که در قرن ۱۹ میلادی صورت گرفت چون در آن زمان امکان ذوب پلاتین به دلیل نقطه ذوب بالا وجود نداشت. در اوایل قرن بیستم فلزهای دیر گدازی مانند تنگستن، مولیبدن توسط روش متالورژی پودر شکل داده شدند. کاربیدهای سمانیت و یاتاقانهای برنزی متخلخل نسل بعدی قطعات متالورژی پودر بودند. به این صورت قطعات متالورژی پودر در انواع صنایع مانند لوازم خانگی، اسباب بازی‌سازی و الکترونیک کاربرد پیدا نمود. آخرین کاربردهای قطعات متالورژی پودر در صنایع خودروسازی می‌بود که موازی با رشد صنایع اتومبیل‌سازی رشد نمود به صورتی که امروزه بقای صنعت متالورژی پودر در کشورهای صنعتی بسیار وابسته به صنعت خودروسازی می‌باشد.
در اوایل قرن بیستم فلزهای دیرگدازی مانند تنگستن، مولیبدن توسط روش متالورژی پودر شکل داده شدند. کاربیدهای سمانیت و یاتاقان‌های برنزی متخلخل نسل بعدی قطعات متالورژی پودر بودند. به این صورت قطعات متالورژی پودر در انواع صنایع مانند لوازم خانگی، اسباب بازی‌سازی و الکترونیک کاربرد پیدا نمود.
نخستین کاربرد جدید فرایند متالورژی پودر، ساختن فیلامنت برای لامپ‌ها بود. نخستین فیلامنت فلزی موفقیت‌آمیز از تانتالم ساخته شد ولی با کشف کولیج (Coolidge) در سال ۱۹۰۹ کشف تنگستن زینتر شده از پودر تنگستن می‌توانست در فاصله حرارتی معینی کار کرده و قابلیت انعطاف را در درجه حرارت اتاق حفظ کند، مهمترین ماده فیلامنتی شد.
در سال‌های ۱۹۵۰–۱۹۶۰ روش‌های نوین مانند فرج پودر و ایزو استالیک گرم در صنعت متالورژی پودر بکار گرفته شد. این روش‌ها با تولید قطعات با دانسیته بالا توان رقابتی قطعات متالورژی پودر را افزایش دادند. آخرین کاربردهای قطعات متالورژی پودر در صنایع خودرو سازی می‌بود که موازی با رشد صنایع خودروسازی رشد نمود به صورتی که امروزه بقای صنعت متالورژی پودر در کشورهای صنعتی بسیار وابسته به صنعت خودروسازی می‌باشد.
روند استفاده از روش متالورژی پودر
دستگاه پرس برای تولید قطعات با استفاده پودر
نگرش متالورژی پودر به قطعه‌سازی با روش‌های سنتی تولید قطعات (مانند تراشکاری و فرزکاری) متفاوت بوده و در این تکنولوژی توزیع فازها و ریزساختارها قابل کنترل می‌باشد. دامنه استفاده از متالورژی پودر بسیار گسترده بوده و در این رابطه کافی است به زمینه‌هایی چون تولید رشته‌های لامپ، بوش‌های خود روان‌ساز، متعلقات جعبه دنده خودرو. اتصالات الکتریکی، پیل‌های سوخت نیروگاه‌های هسته‌ای، اجزاء ترمیمی ارتوپدی، صافی‌های دما بالا، مواد ضد سایش، اشاره شود.
متالورژی پودر فرایند قالب‌گیری قطعات فلزی از پودر فلز توسط اعمال فشارهای بالا می‌باشد. پس از عمل فشردن و تراکم پودرهای فلزی، عمل تف جوشی در دمای بالا در یک اتمسفر کنترل شده، انجام پذیرفته که در آن فلز متراکم، جوش خورده و به صورت ساختمان همگن محکمی پیوند می‌خورد.
با توجه به گفته‌های بالا تکنیک برتر در متالورژی پودر از mim می‌توان نام برد.
در روش MIM قطعاتی که تحت اعمال فشار شکل‌پذیر نیستند، به صورت تزریق پودرو پلیمر شکل می‌گیرد.
فعالیت‌های متالورژی پودر را می‌توان به ۴ بخش تقسیم کرد
تهیه پودر: معمول‌ترین روش تهیه پودر افشاندن مذاب (اتمایزینگ) می‌باشد در این روش فلز مذاب از یک مجرا جاری می‌شود و توسط گاز یا مایعی که از یک افشانک خارج می‌گردد، اتمیزه می‌شود پودر حاصله پس از جمع‌آوری و مش بندی قابل استفاده می‌باشد.
مخلوط کردن: به ندرت یک پودر خالص دارای تمام ویژگی‌های مطلوب می‌باشد؛ بنابراین استفاده از مخلوطی از پودرهای مختلف با ترکیب‌های متفاوت همراه با موادی به عنوان روان‌ساز امری متداول می‌باشد.
فشردن: در این مرحله پودر به شکل دلخواه فشرده می‌شود و چگالی آن بالا می‌رود. معمولا به دست آوردن چگالی بالا و یکنواخت از ویژگی‌های مطلوبی است که با فشردن سراسری قطعه امکان‌پذیر است. بدین منظور قالب پرس‌های مورد استفاده دارای جک‌هایی می‌باشند که فشار لازم را از دو طرف به مواد پودری وارد می‌آورند. در این فرایند از پرس‌های هیدرولیکی-مکانیکی یا ترکیبی از آن‌ها استفاده می‌گردد. معمولا فشار مورد استفاده در این فرایند ۱۰ الی ۳۰ تن بر اینچ مربع می‌باشد. هر چند امروزه ظرفیت پرس‌های مورد استفاده تا ۳۰۰ تن نیز افزایش یافته‌است. قالب‌های مورد استفاده در این فرایند بواسطه تمایل بسیار زیاد ذرات پودر به سایش و وجود فشار معمولا از جنس فولاد ابزار سخت ساخته می‌شوند. برای پودرهایی که سایش بیش از حد ایجاد می‌کنند یا در موارد تولید انبوه از کاربیدهای سمانیت جهت ساخت قالب استفاده می‌گردد.
تف جوشی (زینترینگ): در عمل تف جوشی قطعه فشرده شده در دمایی بالا و با جو کنترل شده قرار می‌گیرد. بیشتر فلرات در دمایی حدود ۷۰ الی ۸۰ درصد دمای ذوب شان زینتر می‌شوند. در مواردی که محصول ترکیبی از چند ماده است دمای زینتر ممکن است بالاتر از دمای ذوب برخی از اجزا باشد. در این حالت مواد زودگداز ذوب شده و در حفرات خالی مواد دیرگداز رخنه می‌کند. دماهای بالا موجب اکسایش سریع می‌شوند که مانع از ایجاد اتصال بین دانه‌های فلز می‌گردد. استفاده از محیط‌های احیاکننده که رایج‌ترین آن‌ها محیط‌هایی بر پایه هیدروژن آمونیاک تجزیه شده یا هیدروکربن‌های شکسته شده‌است تقریبا می‌تواند هر گونه اکسید ایجاد شده در سطح ذرات را احیا کند و گازهای تجزیه شده مضر را در حین تف جوشی محترق نماید، بر دیگر محیط‌های زینترینگ ترجیح دارد.
شماتیک دستگاه اتمیزه کردن فلزات به منظور بدست آوردن پودر آن فلز
غالبا برای بدست آوردن خواص ویژه یا زیاد کردن دقت عملیات ثانویه نظیر سایزینگ، اشباع‌سازی و خوراندن نیز بر روی این قطعات انجام می‌گیرد.
کاربرد
متالورژی پودر تکنولوژی است، پویا که در طول سال‌ها عوامل موثر بر این فناوری بهبود داده شده‌اند. تکنیک این فرایند در شکل‌دادن فلزات با قابلیت انعطاف کم و نقطه ذوب بسیار بالا مانند تنگستن و بسیاری از فلزات دیرگداز دیگر نیز بسیار سودمند و ثمر بخش است. امروزه موارد استفاده اصلی این فرایند را به پنج قسمت تقسیم می‌کنند:
آلیاژ کردن فلزهای غیرقابل آلیاژ
عدهای از فلزات را که در حالات جامد با مایع بطور دو جانبه محلول نیستند می‌توان بوسیله این فرایند با یکدیگر ترکیب کرد. این برای صنعت برق که در آن جاروبک‌های موتور از پودرهای مس و گرافیت و نیکل یا تنگستن و مس استفاده می‌شود، اهمیت بسزایی دارد.
ترکیب کردن فلزها و غیرفلزها
نمونه‌های از ترکیبات فلز- غیر فلز عبارت اند از:
مواد اصطکاکی ساخته شده از مس، آهن، یاتاقان‌های بدون روغنکاری ساخته شده از آهن و تفلون و ترکیبات فلز- سرامیک بسیار مقاوم به گرما مانند (AL2o3). ترکیب فلز- سرامیک معمولا بنام سرمیت معروف است و موارد استفاده زیادی در پمپ‌های مخصوص عملیات سخت و تجهیزات انرژی هسته‌ای پیدا کرده‌است.
ترکیب کردن فلزهای دارای نقطه ذوب بالا با یکدیگر برای ریخته‌گری
نقاط ذوب فلزاتی نظیر تنگستن و مولیبدن بسیار بالا است، به همین جهت ذوب و ریخته‌گری آن‌ها بسیار دشوار می‌باشد، در صورتی که همین فلزات بوسیله تکنیک‌های فلز پودر در پایین‌تر از نقاط ذوب زینتر می‌شوند. متراکم کردن و زینتر کردن فلزات پودر تنها روشی است که بوسیله آن‌ها می‌توان مواد و اکسیدهای زینتر شده را ساخت.
ساخت فلزات برای خواص مکانیکی بی‌نظیر
یکی از خصوصیات بی‌نظیر فرایند متالورژی پودر این است که بوسیله آن می‌توان یاتاقان‌هایی تولید کرد که به خودی خود روغن کاری می‌شوند و دارای شبکه خلل و فرج بهم پیوسته که با ماده روغن کاری پر می‌شود. صافی‌های متخلخل نیز که برای نفوذ، جدایش و تنظیم جریان سیال بکار می‌روند، بوسیله این فرایند ساخته می‌شوند. یکی از خصوصیات مطلوب و منحصر به فرد قطعاتی که بوسیله این فرایند تولید می‌شود این است که از شدت و قدرت ارتعاش می‌کاهد.
تولید اقتصادی قطعات ظریف و دقیق
برای تولید قطعات اقتصادی و همچنین قطعاتی که از حساسیت بسیار بالای برخوردار هستند از این فرایند استفاده می‌شود. متالورژی پودر روش بسیار خوبی برای تولید اقتصادی بوش‌ها، بادامک‌ها، چرخ دنده‌ها و سایر قطعات می‌باشد.
دسته‌بندی محصولات
محصولات فرایند متالورژی پودر را می‌توان به پنج دسته کلی تقسیم کرد:
قطعات متخلخل با درصد تخلخل قابل کنترل مانند صافی‌ها.
قطعاتی که اشکال پیچیده دارند و تولید آن‌ها به روش‌های دیگر مستلزم ماشین کاری بسیار زیاد است.
محصولاتی که ماشین کاری آن‌ها مشکل است یا دارای جنس سخت هستند.
محصولاتی که بنا به ایجاب شرایط خواص مشخصه چند ماده را داشته باشند.
تولیداتی که در آن‌ها از فرایند متالورژی پودر برای ایجاد خواص مکانیکی بهتر استفاده می‌گردد.
مزایای روش متالورژی پودر
حذف یا کاهش ماشین کاری
نرخ تولید بالا
امکان تهیه قطعات از مواد اولیه با طیف گسترده
امکان تحصیل طیف وسیعی از خواص
تهیه اشکال پیچیده
کاهش یا حذف ضایعات
مقایسه با سایر روش‌های تولید
روش تولید
مزایا در مقایسه با متالورژی پودر
ضعف در مقایسه با متالورژی پودر
شکل دهی سرد فلزات
سریع‌تر بودن تولید، بالاتر بودن استحکام، پرداخت سطحی خوب
دقت پائین، کوتاه‌تر بودن عمر ابزارها، محدود بودن مواد
حدیده کاری
تولید قطعات بلند، صافی سطح، سرعت تولید
ثابت بودن سطح مقطع قطعه، پائین‌تر بودن دقت، انرژی مصرفی بالا، بدون پله بودن قطعات، کوتاهی عمر ابزارها
پرس ورق
تخت بودن سطح، دقت بالا، آهنگ تولید بالا، تولید قطعات دارای سطح بزرگ، موقعیت دقیق نقش‌ها
تولید قطعات دارای یک ارتفاع و تنها نازک، محدود بودن تنوع مواد، ضایعات، خشن بودن لبه‌ها، مشکل بودن ایجاد نقش در اندازه‌های کوچک
ریخته‌گری
گسترده بودن دامنه کاربرد، امکان تولید قطعات کوچک تا بزرگ، پائین بودن هزینه‌های آماده‌سازی، پائین بودن هزینه ابزار بندی
برای دیر گدازها مناسب نیست، وجود ترشحات فلزی چسبیده به سطح، وجود خط جدایش، ناهمگنی، تخلخل، نقائص و نیاز به بازیابی مواد راه گاهی و مجاری مذاب رسانی
شکل دهی گرم
بالا بودن خواص مکانیکی، تولید قطعات بزگ و پیچیده، سرعت تولید بالا، سهولت جریان ماده
ترشحات فلزی و ضایعات، کنترل ضعیف ابعادی، ناخالصی‌های غیر فلزی و نقائص فنی، سایش سریع ابزارها
ماشین کاری
کاربرد برای رقیب به اتفاق کلیه انواع مواد و شکل‌ها، قابلیت استفاده برای اندازه‌های متفاوت، دقت بالا، کوتاه بودن زمان مرده، عدم نیاز به ابزار شکل دهی، قابلیت تولید در حجم کم
ضایعات زیاد، بهره‌وری کم، غیر یکنواختی خواص، هزینه زیاد، نیروی انسانی زیاد
متالورژی
ماشینکاری
ریخته‌گری
علم مواد
آهنگری
نورد