قالب گیری تزریقی

مقدمه
این روش تولیدی برای قطعات کوچک، پیچیده و پر هزینه کاربرد دارد . توسط این روش ما می توانیم اشکال پیچیده در حجم زیاد تولید کنیم . این شیوه به روش تولید اکستروژن خیلی نزدیک است اما تفاوت های بسیاری با آن دارد از جمله اینکه در روش قالب گیری تزریقی ما از پودر فلز یا پودر مواد دیگر استفاده می کنیم ، در صورتیکه در روش اکستروژن از خود فلز استفاده می شود .
مواد مورد استفاده در قالب گیری تزریقی عبارتند از : فلزات ، سرامیک ها ، ترکیبات بین فلزی و کامپوزیت ها.

ماده تزریقی برای قالب گیری تزریقی اساساً شامل مخلوطی از پودر سرامیک با یک پلیمر ترموپلاستیک به اضافه یک نرم کننده می باشد .
محصولات حاصل از این روش در صنعت پلاستیک برای ساخت سطل آشغال ، قالب های یخ ، اسباب بازی ها و غیره به کار می رود .

نحوه انجام عملیات
مراحل تولید : ۱- تهیه پودر
۲ – مخلوط کردن پودر با مواد چسبی
۳- تزریق پودر به داخل سیلندر پیش گرم شده و اعمال فشار
۴- جدا کردن چسب از قطعه
۵- سینتر کردن قطعه
مواد خام مورد استفاده

مواد خام مورد استفاده در قالب گیری تزریقی شامل پودر و چسب می شود . که پودرها شامل پودرهای فلزی و غیر فلزی می شود . اکثر فلزات برای تولید پودر می توانند به کار روند به جزء مورد از جمله آلومینیوم و منگنز ، که به علت تشکیل سریع اکسید بر روی این فلزات از آنها استفاده نمی شود .
پودر ایده آل مورد استفاده در این روش دارای ویژگی های زیر است :
۱- توزیع مناسب ۲- ویسکوزیته پایین ۳- شکل ذرات کروی باشند ۴ – اندازه ذرات زیر ۲۰ میکرومتر باشد
اما چسب ها شامل موم ها ی طبیعی و پلیمرهای مصنوعی هستند، گاهی اوقات برای اصلاح خصوصیات چسب از مواد دیگر نیز استفاده می شود .
باید به این نکته توجه کرد که ماده چسبنده با پودر نباید واکنش شیمیایی بدهد .

مخلوط کردن
هدف از مخلوط کردن بدست آوردن ماده تزریق همگن که این شامل دو نکته می شود:
الف ) ماده تزریقی به اندازه کافی شامل پودر باشد .
ب ) پودر به طور یکنواخت در همه جای آن پخش شده باشد .
برای تعیین همگن بودن

پودر از ابزاری به نام پیکنومتر استفاده کرده که این ابزار برای تعیین دانسیته پودر به کار می رود .
تزریق پودر و اجرای عملیات
پودر مخلوط شده وارد سیلندر پیش گرم شده می شود و در اثر حرارت که دمای آن تا حد ذوب چسب های پلیمری است پودر به صورت خمیری شکل درآمده و توسط یک پیستون و اعمال فشار به درون قالب تزریق شده و شکل قالب را به خود گرفته و از آن خارج می شود .

باید توجه کرد که فشار اعمال شده باید پایین باشد .
در این شیوه می توان ماده تزریقی را به چندین قالب تزریق کرد و در یک لحظه چند قطعه تولید کرد .
جدا کردن مواد چسبنده
این کار به سه روش انجام می شود .
۱- حرارت دادن ۲- استفاده از کاتالیزور ۳- استفاده از یک حلال مناسب
باید توجه کرد که حرارت دادن باید به آرامی صورت گرفته تا هنگام خروج مواد چسبنده از قطعه در درون قطعه ترک ایجاد نشود .

سینتر کردن
سینتر کردن قطعات قالب گیری تزریقی دقیقاً همانند قطعات متالورژی پودر و نتیجه عملیات بدست آوردن قطعاتی با تخلخل پایین و دانسیته بالا است .
خواص مکانیکی محصولات MIM
1 – خواص کششی
الف ) نمونه های تست کشش :
MIM فرآیند شکل دادنی است که با آن می توان انواع اشکال پیچیده را با دقت تولید نمود ، به همین دلیل نمونه های تست کشش مستقیماًً و بدون احتیاج به ماشین کاری اضافی قابل تولید هستند که از نظر اقتصادی و فنی اهمیت دارد.
محدودیت هایی که در شکل نمونه های کشش در دیگر فرآیندهای تولید وجود دارد به خاطر تأثیر متفاوت شرایط سطحی است ولی MIM روشی است که شرایط سطحی قطعه MIM شبیه اجزای MIM است ، به همین دلیل در ساخت نمونه های تست کشش از نظر هندسی محدودیت عمده ای وجود ندارد. در استانداردهای آمریکایی نمونه همانند نمونه هایی است که برای تست قطعات متالورژی پودر عمومی به کار می رود که در دو انتهای نمونه حفره ای وجود دارد. ولی در استاندارد های اروپایی برای حل مشکل ایجاد تمرکز تنش در حفرات که با همیاری عیوب تزریق ( ترک و …) منجر به شکست زود رس می شود ، حفرات حذف وجای آنها را یک زايده اضافی گرفت. در شکل زیر نمونه تست کشش طبق استاندارد اروپایی مشاهده می شود.

ب ) خواص مکانیکی به دست آمده از تست کشش
برای به دست آوردن استحکامی خاص ، گستره وسیعی از مواد قابلیت تولید توسط این روش را دارند. هم آلیاژهای آهنی ، هم غیر آهنی قابل تولید هستند. برای بدست آوردن استحکامی بالا از آلیاژهای آهنی به ویژه فولاد ضد زنگ استفاده می کنند ، زیرا فولادهای آلیاژی قابلیت عملیات حرارتی دارند. مواد غیر آهنی مثل آلیاژهای پایه نیکل و کبالت ، نیوبیوم ، تیتانیوم و تنگستن قابلیت تولید توسط MIM را دارا هستند.

۲- استحکام خستگی مواد MIM
اروپایی ها در صنعت MIM برای تعیین بعضی خواص مواد هزینه های گزافی را می پردازند. یکی از این خواص ، خواص خستگی قطعات است ( آزمونی زمان بر و پر هزینه ). اطلاعاتی چندانی نیز در این زمینه در دست نیست ولی آنچه اثبات شده آن است که فولادهای MIM عملیات حرارتی شده ، پتانسیل بالایی برای خواص خستگی دارند. هدف دستیابی مواد MIM برای کاربردهای بارگذاری بالا است.
دو نوع فولاد به عنوان نماینده مواد پر استحکام قابل عملیات حرارتی انتخاب شده اند. فولاد ضد زنگ MIM – ۱۷ – ۴ PH و فولاد MIM – ۴۳۴۰ کم آلیاژ ، که اولی به روش رسوب سختی و دومی به وسیله کویینچ و تمپر ، عملیات حرارتی شده اند. پتانسیل استحکام بالای این دو دسته اثبات شده است و می تواند برای محصولات MIM جدید برای کاربردهای بارگذاری بالا به کار رود.
عملیات حرارتی به کار گرفته شده ، استحکام و سختی بالا به علاوه تافنس و شکل پذیری کافی به نمونه ها داده است.
فولاد ضد زنگ MIM – ۱۷ – ۴ – PH
عملیات انحلالی : ۱ h / 1050 c در خلأ
آب دادن ( پیر سختی ) : ۴ h / 480 c در هوا
فولاد کم آلیاژ MIM – ۴۳۴۰
نرماله کردن ( همگن سازی ) : ۲۰ min / 870 c در خلأ
سختی سازی ( کویینچ ) : ۱۵ min / 840 c در نیتروژن و سپس روغن
تمپر : ۲ h / 425 c در هوا
با انجام تست خستگی با شرایط f = 20 Hz , R = 0 نمونه های زیر بدست آمد.

این نمودارها نشان می دهد با یک روش تولید MIM صحیح و عملیات حرارتی مناسب می توان نمونه های MIM برای کاربردهای با بارگذاری زیاد داشت. توصیه زیادی به دقت در مرحله آماده سازی قالب برای داشتن کیفیت سطحی عالی شده است.

آماده سازی قطعات MIM برای مطالعات میکروسکوپی
هدف این قسمت بیان عملیات خاصی است که برای آماده سازی نمونه های MIM برای مطالعات میکروسکوپی اعمال می شود.

۱- قطعاتی که به عنوان نمونه آزمایش می شوند.
خیلی مناسب است که قطعات MIM بین مراحل مختلف تولید مورد بررسی متالوگرافی واقع شوند بر همین اساس قطعات زیر بررسی می شوند.
الف ) قطعات خام :
در مورد این قطعات ، شناسایی عیوب در نمونه ( ترک ها ، مک ها ، تخلخل ، خط جوش و … ) آزمایش همگنی مخلوط پودر – چسب و بررسی نحوه توزیع پودر از نظر شکل و طبیعت پودر ( اگر پودر استفاده شده هموژن باشد ) مطلوب است.

ب ) قطعات نیمه خام :
این قطعات به علت خروج چسب خیلی ترد هستند. اگر در قطعه عیبی وجود داشته باشد ، قطعه به آسانی در طول این عیوب می شکند. بررسی شکست این قطعات اطلاعاتی در مورد طبیعت عیوب ( ترک ، مک و … ) در اختیار قرار می دهد. البته بررسی این قطعات به علت رافنس سطح با بزرگنمایی کم انجام می گیرد.

ج ) قطعات پیش زینتر شده :
اگر چسب خیلی نرم یا ترد باشد ، مشکل است قطعه خام به صورت راضی کننده ای آماده شود ، بدین جهت آنها را زینتر می کنند تا بین ذرات تشکیل گلویی صورت گیرد و استحکام بهتری پیدا کند. ابعاد قطعه خیلی نزدیک ابعاد قطعه خام است ( انقباض از ۲ % تا ۵ % ) عیوب حاضر در قطعه خام همچنان در قطعه باقی می ماند و در این حالت شناسایی آنها آسان تر است.

د ) قطعات زینتر شده :
تخلخل ها ، آخال ها و ریز ساختار قطعه زینتر شده با بررسی های میکروسکوپی آنالیز می شود. این آزمایش ها برای توصیف متالورژیکی قطعات MIM ضروری است.
۲-آماده سازی نمونه ها
SEM همیشه نیازی به آماده سازی قطعه MIM ندارد. آزمایش می تواند بر سطح خارجی ( قطعه سالم ) یا مقطع شکست ( قطعه شکسته ) انجام گیرد. ولی اگر آنالیزهای شیمیایی و کمی لازم باشد آماده سازی نمونه همانند میکروسکوپ نوری انجام می گیرد. برای SEM نمونه باید هادی باشد وگرنه فلزینه کردن سطح یا استفاده از مانت هادی ضروری است.

OM نکته ای که باید در مورد تمام نمونه ها رعایت شود ، آن است که بیشتر قطعات MIM دارای دیواره نازک هستند ، بنابراین مانت کردن نمونه در رزین پلیمری مناسب ضروری است. مناطقی از نمونه مورد بررسی قرار می گیرد که شرایط ویژه ای داشته باشد ، مثلاً نواحی عیوب ، خطوط جوش و نواحی جدایش. اگر منطقه خاصی مد نظر نباشد نمونه از وسط یا هر منطقه مناسب دیگری بریده می شود.

الف ) آماده سازی قطعات خام :
نحوه آماده سازی قطعات خام به طبیعت و خواص مکانیکی چسب بستگی دارد ، بنابراین روش های متنوعی به کار گرفته می شود. اگر چسب خیلی سخت باشد آماده سازی نمونه همانند قطعات سینتر شده انجام می گیرد که بعداً بیان می شود وگرنه نمونه در رزین مانت سرد فرو برده می شود سپس با یک اره مدور با سرعت زیاد بریده می شود. شرایط چرخ اره در زیر بیان شده است.
جنس چرخ اره قطر mm ضخامت mm شماره دندانه سرعت برش m / min سرعت حرکت انتقالیmm/min
فولاد پر استحکام ۶۳ ۰٫۳ ۱۲۸ ۶۰۰ ۰٫۳
برای این نمونه ها پولیش غیر ممکن است زیرا این عمل باعث جدایش چسب می شود و قبل از بدست آمدن سطحی صاف نمونه می شکند ، بنابراین آزمایش مستقیماً بر نمونه برش زده شده انجام می گیرد. زبری باقیمانده امکان بررسی نمونه در بزرگنمایی های بالا را از ما می گیرد ، ولی شکل و توزیع پودر قابل آنالیز است. حین برش ممکن است ذرات از زمینه کنده شوند ولی حفرات به طور واضح در رنگی تیره ظاهر می شوند. تصاویر بدست آمده برای Image Analysis نیز استفاده می شود.

آماده سازی قطعات خام برای افراد مبتدی مشکل است و ترجیحاً آزمایش بر نمونه های پیش زینتر شده انجام می گیرد.
ب ) آماده سازی قطعات پیش زینتر شده و زینتر شده :
۱- برش نمونه : اولین نکته ای که در برش نمونه باید رعایت شود نگه داشتن قطعه است تا از شکست و تغییر شکل آن جلوگیری شود. وسایل برشی که به کار می رود ماشین های برشی سایشی ، اره آهن بر استاندارد و اره تیغه ای است. ماشین های برشی سایشی با به کار گیری چرخ تراشه الماسه عمل برش را انجام می دهند. طی عمل برش وسایل خنک کننده از تغییر ساختار نمونه بر اثر افزایش دما ممانعت می کنند. اره تیغه ای که به کار می رود مانند اره جواهرسازها می باشد. با به کار گیری اره آهن بر به علت ایجاد سطح زبر سنگی زنی لازم است.
البته برش همیشه انجام نمی گیرد ، اگر اندازه نمونه از قالب مانت کوچکتر باشد نیازی به برش نیست و کل قطعه در قالب قرار می گیرد ، در این حالت برای رسیدن به مقطعی خاص سنگ زنی کافی لازم است.
۲- مانت کردن : هر دو روش مانت گرم و سرد استفاده می شود. اگر رزین مانت به اندازه کافی سخت باشد و انقباض کمی داشته باشد از مانت گرم با رزین گرمانرم و گرماسخت استفاده می شود. ولی قطعات خام پیش زینتر شده و زینتر شده ترد به مانت سرد نیاز دارند. مانت سرد در خلأ یا اتمسفر کنترل شده آببندی نمونه با رزین را بهبود می دهد که سبب انجام پولیش ساده تر و کاهش تخلخل ها ( حتی تا حد صفر ) می شود. اگر لازم باشد با میکروسکوپ الکترونی آزمایش انجام شود از رزین هادی استفاده می شود ( شامل پودر کربن ، نقره یا مس ). این نوع مانت کردن برای اچ الکترلیتی نمونه ها نیز به کار می رود.

مکان نمونه در رزین مانت باید کاملاً تعریف شده باشد ، قبل از ریختن رزین باید از محل نمونه مطمین بود. در این حالت استفاده از نگهدارنده های خاص برای حصول اطمینان در مورد باقی ماندن نمونه در محل ضروری است.
۳- سنگ زنی : هدف از سنگ زنی حدف پلیسه ها و تغییر ساختار منتج از برش است. تعیین این ضخامت تجربی است. سنگ زنی می تواند تا رسیدن به سطح خاصی ( یا عیب خاصی ) ادامه یابد. سنگ زنی مرحله بحرانی آماده سازی است. سنگ زنی غلط منجر به بسته شدن تخلخل ها با تغییر شکل پلاستیک و پر شدن آنها با نخاله های سنگ زنی می شود. در سنگ زنی به علت شکست و سایش لبه تخلخل ها ، گسترش تخلخل محتمل است. خنک سازی حین سنگ زنی ضروری است. فشار سنگ زنی با اندازه دانه سنگ نسبت مستقیم دارد هر چه سنگ دانه ریزتر باشد فشار کمتری می طلبد. شستن نمونه با الکل ایزوپروپیل بعد از سنگ زنی ضروری است.
۴- پولیش نهایی : پولیش نمونه برای بررسی های میکروسکوپی نوری ضروری است زیرا این روش به سطوح صاف و آینه ای نیاز دارد. خمیر پودر الماسه با اندازه ذره ۳ و ۶ و حتی ۱میکرومتر برای تمام کاری به کار می رود. توجه خاصی برای جلوگیری از آسیب دیدن دیسک های پولیش ضروری است. اگر ذرات ساییده شده کوچک باشند در تخلخل باقی می مانند و بر دیسک بعدی می افتد و بدان صدمه وارد می کند. اگر ذرات بزرگتر از تخلخل باشند مکن است به تخلخل بچسبند و هنگام کنده شدن آنها در دیسک بعدی به سطح نمونه خراش وارد کند. برای رفع این عیوب تمیز کاری بیبن مراحل ضروری است.
در نمونه های MIM پولیش الکترولیتی انجام نمی گیرد زیرا به لبه تخلخل ها اثر می گذارد. گاه برای اندازه گیری اندازه تخلخل ها پولیش پودر الماسه بیشتری نسبت به حالت معمول انجام می گیرد.

۲-نحوه انجام آزمایش

الف ) میکروسکوپ نوری :

قبل از انجام اچ سطح آزمایش با یک بزرگنمایی مناسب انتخاب می شود. سپس بررسی های عمومی در بزرگنمای ۱۰۰× صورت می گیرد. وقتی آماده سازی نمونه به درستی انجام نگیرد نیاز به بزرگنمایی های بالاتر به وجود می آید. اچ برای اهداف زیر انجام می گیرد :
آشکارسازی ریزساختار ، شناسایی فازهای خاص ( مثلاً فریت دلتا ) ، تعیین آخال ها ، تحقیق برای اطمینان از اینکه تخلخل ها با پلیسه و ذرات خارجی مسدود نشده باشد.
اچ به صورت شیمیایی یا الکتروشیمیایی انجام می گیرد. معرف های شیمیایی بسته به ماده اولیه پودر همانند معرف های متالوگرافی عمومی است.
ب ) SEM :
SEM با دادن اطلاعات اضافی از سطح در تحلیل قطعات MIM مفید است. برای تعیین ترکیب شیمیایی آخال ها و آنالیز محصولات خوردگی خیلی مورد توجه است.
ج ) نرم افزار Image Analysis
برای توصیف تخلخل ( اندازه ، تعداد تخلخل در واحد سطح ، توزیع اندازه و … ) و طبقه بندی آنها و بسیاری کاربردهای کمی دیگر این نرم افزار توصیه می شود.

آنالیز ریزساختار قطعات MIM
بعد از آماده سازی نمونه که با روش های عمومی متالوگرافی متفاوت بود آنالیز ریزساختار بدست آمده انجام می گیرد.
میکروسکوپ نوری
یک میکروسکوپ نوری دارای بزرگنمایی ۵۰۰, ۲۰۰ , ۱۰۰ , ۵۰ و یک سری تجهیزات عکاسی برای محاسبات دستی کمی لازم است. تصاویر دیجیتالی

 

که از دوربین مربوطه بدست می آید برای نرم افزار Image Analysis ضروری است.
در این قسمت تخلخل ها ، آخال ها ، ریزساختار قطعه و سایر عیوب مورد بررسی قرار می گیرد.
– تخلخل : قبل از عمل اچ و گاه بعد از آن تخلخل های نمونه توسط پارامترهای زیر بررسی می شود :
الف ) تعیین توزیع تخلخل : در یک بزرگنمایی کم ( ۵۰× ) همگنی سطح بررسی می شود ، اگر همگنی کافی باشد آزمایش بر قسمتی دلخواه از سطح انجام می گیرد ، اگر دانسیته تخلخل در ناحیه خاصی از سطح متفاوت باشد در هر قسمت باید آزمایش جداگانه انجام گیردو سپس توزیع تخلخل گزارش می شود ( برای مثال ، تخلخل کمتر نزدیک سطح نمونه بر عمق ۰٫۶ میلیمتر ).
ب ) توصیف تخلخل : این عمل در بزرگنمایی ۱۰۰× انجام می شود سطح باید نماینده شاخصی از کل تخلخل ها باشد و شرایط میکروسکوپ نوری را نیز داشته باشد ( صافی ، حالت پولیش ،

عدم وجود خراش و … ). بهتر است بین مراحل پولیش سطح مورد آزمایش قرار گیرد که تخلخل ها طی مراحل آماده سازی نمونه بسته نشده باشند که باعث خطا در توصیف واقعی تخلخل می شود.
توصیف تخلخل ها شامل اطلاعات زیر است :
۱- مکان ناحیه مورد بررسی ( اگر توزیع ناهمگن باشد )
۲- شکل تخلخل ها
بیان شکل تخلخل ها با به کار گیری تخلخل های بزرگ راحت تر انجام می گیرد. گفته می شود (( تخلخل گرد یا کروی )) یا (( تخلخل نا منظم )) است. در صورت نامنظم بودن توضیحات خاص بیشتری برای توصیف واقعی تخلخل مورد نیاز است.
۳- اندازه متوسط تخلخل ها
قطر متوسط تخلخل ها با به کارگیری Image Analysis یا اندازه گیری ابعاد تعداد کافی از تخلخل های قابل مشاهده ( بیشتر از ۱۰ % ) و محاسبه مقدار متوسط بیان می شود.

۴- فراوانی تخلخل ها
فراوانی تخلخل ها به صورت نسبت تعداد تخلخل ها در سطح اندازه گیری شده به کل مساحت تعریف می شود. در به کارگیری Image Analysis این مقدار با دستور counts / area بدست می آید ، به علاوه اندازه گیری مساحت نسبی تخلخل ها ( مساحت تخلخل بر مساحت کل ) مفید است.

مثال : اگر سطح بررسی شکل ۷ – ۲ – a باشد ، راه عملی برای شمارش و اندازه گیری ، تقسیم کردن سطح به چندین ریز سطح است ( شکل b ). سپس شمارش تعداد تخلخل ها در یک یا چند ریز سطح انجام می گیرد. هنگامیکه یک تخلخل جزئی از دو ریز سطح متفاوت باشد ، جزء سطحی محسوب می شود که راست و پایین تر باشد. در c ابعاد متوسط یک تخلخل غیر کروی یک مقدار متوسط بین مینیمم بعد a و ماکزیمم بعد b است.

بازبینی تخلخل :
پس از اچ نمونه هنگامیکه با همان بزرگنمایی مشاهده می شود باید شکل ، ابعاد و توزیع تخلخل ها مشابه با قبل از اچ باشد. اگر تفاوت زیادی مشاهده شود ( بزرگ شدن تخلخل بر اثر واکنش شیمیایی محلول اچ با لبه تخلخل ها ) برای احتیاط نمونه باید دوباره پولیش شود و توصیف تخلخل تکرار شود.