متالورژی پودر،فرآیند قالبگیری قطعات فلزی از پودرهای فلزی

مقدمه
متالورژی پودر،فرآیند قالبگیری قطعات فلزی از پودرهای فلزی توسط
اعما ل فشارهای بالا برای دقیق شدن اشکا ل می باشد.
پس از عمل تراکم پودرهای فلزی ، عمل سینتر کردن در دمای بالا در یک کوره با اتمسفر کنترل شده انجام می شود که در فلز متراکم جوش خورده در حا لت سرد به صورت ساختما ن همگن محکمی پیوند می خورد .

خواص فیزکی ماده متراکم سینتر شده شبیه به خواص فلز سازنده اصلی است .عمل سینتر کردن معمولا ً در حدود ۸۰ درصد نقطه ذوب سازنده اصلی انجام میگیرد تا امکا ن چسبید ن ذره ها در امتداد فصل مشترک ذره هایپودر وجود داشته باشد . تراکم فلزات پودر شده در حدیده بوسیله پرس کردن همزمان با سنبه های بالای وپا یینی تحت فشارهای حدود ۳۰ تن در اینچ مربع روی آن پرس می کنند .از جمله قطعات نمونه ای که بوسیله این فرآیند تولید می شوند می توان ابزار برش ،اجزا ماشین ،قطعا ت اتومبیل ، فیلترهای متخلخل و مواد مغناطیسی را نام برد .

تکنیک این فرآیند در شکل دادن فلزات با قابلیت انعطاف کم ونقطه ذوب بسیار بالا مانند تنگستن و بسیاری از فلزات دیر گداز دیگر نیز بسیار سودمند وثمر بخش است .
امروزه موارد استعمال اصلی این فرآیند را به پنج قسمت تقسیم می کنند …
آلیاز کردن فلزهای غیرقابل آلیاز
عده ای از فلزات را که در حالات جامد با مایع بطور دو جانبه محلول نیستند می توان بوسیله این فرآیند با یکدیگر ترکیب کرد . این برای صنعت برق که در آن جاروبک های موتور از پودر های مس و گرافیت ونیکل یا تنگستن ومس استفاده می شود، اهمیت بسزائی دارد.
ترکیب کردن فلزها وغیر فلزها
نمونه های از ترکیبات فلز- غیر فلزعبارتند از:

مواد اصطکاکی ساخته شده از مس،آهن،یاتاقانهای بدون روغنکاری ساخته شده از آهن و تفلون وترکیبات فلز- سرامیک بسیار مقاوم به گرما مانند AL2o3
ترکیب فلز- سرامیک معمولا ً بنام سرمیت معروف است وموارد استعمال زیادی در پمپ های مخصوص عملیات سخت و تجهیزات انرزی هستهای پیدا کرده است.
ترکیب کردن فلزهای دارای نقطه ذوب بالا با یگدیگر برای ریخته گری
نقاط ذوب فلزاتی نظیر تنگستن و مولیبدن بسیار بالا است،به همین جهت ذوب و ریخته گری آنها بسیار دشوار می باشد،در صورتیکه همین فلزات بوسیله تکنیک های فلز پودر در پائین تر از نقاط ذوب سینتر می شوند.متراکم کردن و سینتر کردن فلزات پودر تنها روشی است که بوسیله انها می توان مواد و اکسیدهای سینتر شده را سا خت
ساخت فلزات برای خواص ساختمانی بی نظیر
یکی از خصوصیات بی نظیر فرایند متالورزی پودر اینستکه بوسیله آن می توان یاتاقانهائی تولید کرد که بخودی خود روغن کاری می شوند و دارای شبکه خلل وفرج بهم پیوسته که با ماده روغنکاری پر می شود.صافیهای متخلخل نیز که برای نفوذ ، جدایش و تنظیم جریان سیال بکار می روند،بو سیله این فرایند ساخته می شوند. یکی از خصوصیات مطلوب و منحصر به فرد قطعاتی که بوسیله این فرآیند تولید می شود اینست که از شدت و قدرت ارتعاش می کاهد.

تولید اقتصادی قطعات ظریف ودقیق
برای تولید قطعات اقتصادی و همچنین قطعاتی که از حساسیت بسیار بالای برخوردار هستند از این فرآیند استفاده می شود.متالورزی پودر روش بسیارخوبی برای تولید اقتصادی بوش ها ،بادامکها،چرخ دنده ها وسایر قطعات می باشد.
حتی با همه این کشفیات مهم،متالورزی پودر از اختراعات مهم بداند زیرا سالها ست که جامدات و مسنوعات فلزی از پودر های فلزی ساخته می شود . این فرآیند در اروپا در اواخر قرن۱۸برای شکل دادن پلاتین به صورت قطعات سود مند به کاررفته است. درحال حاضر این فرآیند برای ساخت قطاعاتی به وزن حد اکثر ۳۵۰پوند به کار می رود . 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

استعمال در فرایند جدید ساخته شد . نخستین مورد استعمال جدید فرآیند متالورزی پودر ، ساختن فیلامنت برای لامپهایملتهب بود . نخستین فیلامنت فلزی موفقیت آمیز از تانتالم ساخته شد ولی
با کشف کولیج ((Coolidge در سال ۱۹۰۹کشف تنگستن سینتر شده از پودر تنگستن می توانست در فاصله حرارتی معینی کار کرده و قابلیت انعطاش را در در جه حرارت اتاق حفظ کند ، مهمترین ماده فیلامنتی شد.

پودر تنگستنی ریز را به صورت بریکت های کوچکی متراکم می کردند که پایین تر از نقطه ی ذوب تنگستن سینتر میشدند ، این بریکتها ی سینتر شده در درجه حرارت اتاقف شکننده بودند ولی می توانستند در تا۴۵۳۰ _ ۴۸۹۰ F بخوبی کار کنند . گرمکاری بعدی قابلیبت انعطاف آن را بهبود بخشید تا اینکه مرحله ای رسید که فلز در درجه حرارت اتاق قابل انعطاف بود و می توانست به صورت سیم بسیار نازک و با مقاومت های کششی حدود ۶۰۰۰۰۰۰psiکشیده شود .
پودرهای فلزی
امروزه پودرهای فلزی برای بسیاری از فلزات معمول و تعدادی از آلیاز ها قابل استفاده هستند.فلزات و آلیازهای نظیر: آلمنیوم،آنتیموان،برنج،برنز،کادمیم،کبالت،کلمبیم،مس،طلا،آهن،سرب،منگنز،مولیبدن،نیکل،پالادیم،پلاتین،سیلیسیم،نقره،تانتالم،قلع،تیتانیم،وانادیم،روی،کربورها وتنگستن به نحو موفقیت آمیزی به شکل پودر تولید شده اند.
مقدار قلز تهیه شده به صورت پودر ناچیز است ولی ظرفیت کل تولید صنعت فلز کاری را بطور سریع افزایش می دهد.با این وجود،اهمیت پودرهای فلزی ومصنوعاتی که از پودرها تهیه می شوند در مقایسه با ظرفیت تولید بسیار زیاد است.احتمالا ً بزرکترین رشد مصرف قطعات متالورزی پودر در صنعت اتومیبیل سازی بوده است. ۱۰ سال پیش بطور متوسط هر ماشین آمریکای دارای حدود ۴ پوند قطعه متالورزی پودر بوده است.امروزه همین وسیله ممکن است دوبرابر آن مقدار را داشته باشد که روزبروز تقاضای آن نیز افزوده می شود.
بطور کلی ،پودرهای فلزی مخصوص ساخت مصنوعات فلزی را بایستی بعنوان مواد اولیه در نظر گرفت و گرنه به خودی خود محصولات نهائی نیستند.به منظور تلف جوابگوئی به نیازهای گوناگون ساخت وخواص فیزکی،اکثر پودر های فلزی در درجات بسیار مصنوعی می سازند.فرآیندهای تولیدی مختلف نیز به فلز پودر شده خواص متفاوتی میدهند .به عنوان مثال ،آهن الکترولیتی دارای خلوص

زیادی است که به نوبه خود حصول قابلیت تراکم و خواص مغناطیسی غیر معمول کمک میکند.
آهن کربنیل از ذرات کروی کوچکی تشکیل شده است که آن را برای تولید هسته های الکترونیکی خاص مطلوب میسازد .پودر های اکسیدی احیا شده خواص متمایزی از قبیل اندازه و تخلخل یکنواخت دارند . همین طور ذرات آهن مذاب اتمیزه شده نیز خواص بی مانندی از قبیل ساختمان ریخته گی دندریتی ریز واشکال کروی نامنظم دارند . بنابراین،به منظور جوابگوئی مناسب به نیازهای مصرف نهائی باید پودرفلزی را برای یک مورد استعمال مشخص به دقت انتخاب کرد. در انتخاب

آلیازبایستی موارد زیرا درنظر داشت :
۱٫آلیازمورد نیاز در قطعه تمام شده
۲٫خصوصیات مورد نیاز در پودر
بسیاری از پودر های فلزی برای مصارف خاصی ساخته میشوند،و تولید کنندگان بایستی با توجه به سفارشاتشان سعی کنندکه مناسبترین پودر ها را تهیه کنند .سازنده نیز به منظورارزیابی پودرها و فشار تولید به نحو شایسته ای آزمایش هایش را توسعه خواهد داد .
با مطالعه خصوصیات ذیل می توان پودر هارا از یکدیگر تشخیص داده و تقسیم بندی کرد .الف)اندازه و توزیع ذرات
ب)شکل ذرات
ج)پروفیل(نیمرخ)سطحی
د)طبیعت جامد،متخلخل یا اسفنجی
ه)اندازه دانه ای داخلی
و) تغییر شکل شبکه ای درون هرذره
ز)وجود ناخالصی
شکل ذرات فلزی ایجاب میکندکه مطالعاتی در زمینه اینکه شکل،زاویه ای ،شاخه ای،ناموزون ونامنظم یا صاف و گرد است،داشته باشیم.بدیهی است که مطالعه همه عوامل مربوط به پودر فلزی نسبتا ً دشوار است و مهارت و تکنیک خاصی لازم دارد.سازنده پودرهای فلزی سعی می کنند که همه این خصوصیات را کنترل کرده و تکنیکها را بهبود بخشد تا محصولی که در هر پخت بدست می آید یکنواخت و همگن باشد.بعلت توسعه مشخصات پودرهای فلزی بایستی بوسیله مطالعه دقیق

درزمینیه خصوصیات آن آگاهی لازم را کسب کرد.مثلا ًبایستی نحو ه رفتار پودر را بهنگام عمل بررسی نمود. در حال حاضردرزمینه تعیین خصوصیات پودر فلزی مشکلی وجود نداردزیرا اکثر مشخصاتی که بوسیله سازند گان مختلف مورد استفاده قرارمیگیردتوسط وسایل تجربیبسیار

دقیقی توسعه پیدا کرده است.بعضی از عواملی را که برای نحوه رفتار هر پودر بسیار پر اهمیتندعبارتند از:
ترکیب شیمیایی:
ترکیب شیمیایی پودرفلزی به پراهمیتی خواص فیزیکی ومکانیکی انها نیست.با وجوداین ترکیب و ناخالصهای مخصوص تا ثیر زیادی بر خصوصیات هرپودردارند.مهمترین عامل مقداراکسیژنی است که ممکن است بصورت اکسیدها در پودریافت شود.اکسیدهای موجوددر پودر ممکن است از روش تصفیه یا از طریق سطوح پودر که در انبار یا هنگام استعمال در معرض هوا بوده اند وارد پودر شده باشند.
اکسیدهای موجود در پودر فلزی که از طریق تولیدکننده ایجاد میشود اکثرا محصول نهایی راضعیف میکند.لایه های اکسیدی نازکی که هنگام انبار یا استعمال پودر فلزی تشکیل میشود ممکن است هیچ گونه اثر زیان آوری نداشته باشد زیرا پودر ممکن است قابل در هم جوشی سرد باشد و فیلمهای نازک بتواند بوسیله اتمسفری که هنگام عمل سینتر کردن بکار می رود کاهش یابند.با این وجود،ممکن است وجود هرگونه لایه اکسیدی قابلیت پودر را برای عمل پرسکاری سرد تبدیل به شکلی رضایتبخش کاهش دهد و موجب ترک برداری و گسیختگی آن در شکل پرسکاری سرد شود . همچنین در پودر های آهنی وجود کربن ( به صورت سمنتیت ) ، سلیسیم،گوگرد ومنگنز تاثیر زیادی بروی قابلیت پلاستیکی پودر های آهنی داشته و پرسکاری سرد آنها را دشوار می سازد.

کربن بشکل گرافیت عمل پرسکاری سرد ازنقطه نضر روغنکاری ممکن است مطلوب باشد ولی وجود ان بهنگام سینتر کردن موجب تبدیل ان به یک محصول شبیه به فولاد میشود.کربن گرافیتی اغلب بمنظورساختن اهن سختر شبیه به فولابه پودرهای اهنی افزوده میشود.
ساختارپودرها :
ساختمان پودرها برخصوصیاتی نظیر قابلیت پلاستیکی و قابلیت به سرد کاری با ساخته شدن بصورت بریکت تاثیر بسزای دارد.ساختمان پودر بر فشارهای لازم در پرسکاری خصوصیات جریانی

واستحکام محصول نهایی مثر است. مطاله پودر نشان مید هد که ذرات به شکل گوشه دار جامد متخلخل و اسفنجی بلورین شاخه ای سرخص شکل یا به شکل ناصاف با نا منظم نیستند یا هستند.نوع ساختمانی که در هر ساختمانی را که در هر پودر مغین مطلوبست متالورژیست معمولا از تجربیاتی که در ضمن عمل کسب میکند.
خصوصیات جریان:
خصوصیاتی جریانی شامل قابلیت به جریانی شامل قابلیت به جریان یکنواخت ازادانه و سریع بدون محفظه قالب توسط نیروی ثقل می باشد. هرگاه جریان ضعیف باشد لازم است که از سرعت فرایند پرسکاری کاست با فرصت برای ورود پودر کافی بدرون قالب وجود داشته با شد. سرعت جریان هر پودر اکثرا به اند ازه ذارات پودر، توزیع،شکل ذره وعاری از هر گونه رطوبت جذ ب شده حتی بقادیراندک بستگی دارد.
وزن مخصوص ظاهری :
چگالی (وزن مخصوص) ظاهری وزن حجم معینی از پودر غیر متراکم است و معمولا بر حسب گرم بر سانتی متر مکعب بیان میشود.وزن مخصوص ظاهری یک عامل بسیار مهم موثر بر نسبت تراکمی است که برای فشردن پودر هرگاه چگالی ظاهری پودر مفروضی یک سوم چگالی مورد نیاز باشد. بنابراین سه برابر حجم پودر برای ایجاد حجم معینی لازم خواهد بود،یعنی پودر سبک وسست در محفظه حدیده بایستی ۲ اینچ باشد. بدیهی است که یک پودر با چگالی ظاهرش کم به حرکت خطی تراکمی طولانی و حد یدهای نسبتا عمیق تری لازم دارد، یک قطعه برشکاری شده با اندازه و وزن مخصوص معین بدست اید.
:)Partical size ( اندازه ذرات
اندازه ذرات یکی از مهمتریین خصوصیات هر پودر محسوب میشوند.معمول ترین روش اندازه کیری هر ذره پودر فلزی عبور دادن پودر از درون غربالهایی است که در هر اینچ خطی تعداد مشهای مشخصی دارند.در عمل غربال کردن،اندازه ذرات بوسیله غربالهایی دارای سوراخهای مربع شکل و بافتی استاندارد که اندکی از ذرات بروی انها باقی خواهد ماند اندازه گرفته میشوند.

تولید پودرهای فلزی:
روشهای مهم عمده ای که در تهیه پودرهای فلزی بکار میروند عبارتند از:
پودرسازی مکانیکی بوسیله آسیاب ساچمهای ف ته نشینی سازی الکترونی ف اتمیزاسیونی و احیاء گازی و سایر روشهای که کمتر معمولد عبارتند از:
تراکم بخاری ، فرایند کربنیل ، گلوله سازی، رسوب دهی شیمیایی ،تراشکاری ، و حبه ای کردن بوسیله بهم زدن شدید در خلال انجماد.
روشهای مهم تولید پودرهای فلزی همراه با خصوصیات ویژه پودرهای تهیه شده بوسیله این روشها را مورد مطا لعه قرار خو اهیم داد.
پودر سازی مکانیکی:

بوسیله پودر سازی مکا نیکی مانند اسیا کردن ،یا سنگ زدن در اسیاهای گلولهای میتوان پودرهای فلزی تقریبا با هر درجه ریزی از فلزات شکننده یا چکشخوار تهیه کرد.ذرات پودرهای که از فلزات شکننده تهیه میشوند دارای شکل نا منظم و گوشه
دار هستند.
ذرات کربو تنگستن را میتوان بدین روش بصورت پودر دراورد.بعضی از فلزات چکشخوار نظیر الومینیم وبرنز همراه با یک ماده روان کننده برای تشکیل ذرات پولکی شکل اسیا میشود. بطور کلی این پولکها برای قالبگیری مناسب نیستند ولی برای قطعات و ماده روان کننده از در هم جوشی پو

لکها بیکدیگر جلوگیری میکند.
ادامه عمل سنگ سزنی در یک اسیا ممکن بعلت ایجاد پودر ریز نه عمل تراکم کمک کند، ولی با این وجود علت سخت شدن محصول قبل از تراکم انجام عمل باز پخت را
اجتناب ناپذیر می سازند.
اتمیزه کردن(ذره ای کردن):
روش اتمیزه کردن اکثرا برای فلزاتی بکار میرود که نقاط ذوب پائینی داشته باشند مانند قلع ،سرب، روی، برنج، برنزو الومینیم .این فرایند برای پودرهای اهن بسیار خالص نیز بکار میرود. هنگام اتمیزه کردن فلزات مذاب به درون یک روزنه کوچکی رانده میشود و در جریانی از هوا بخار یا گاز بی اثر متراکم خرد میشود.
پودرهای که در این فرایند فرایند تهیه میشود به شکل قطرات اشک نامنظم و یا اینکه بصورت ذرات کروی میباشد،که به کشش سطحی ماده بستگی دارند.اندازه ذره ها و تغییرات قابل توجه ای دارندو تابع طرح روزنه،دما، ویسکوزیته و سرعت جریان فلز و فشار دمای گاز مباشد.
ذرات اتمیزه شده بوسیله یک سیستم مکش جمع اوری میشود و در کیسه هایی ته نشین میشوند.برای قطعات ساختمانی، پودرهای اتمیزه شده مس، نیکل و اهن را اکسیده کرده و سپس تا ریزی دلخواه پودر نموده و در پایان فلز در یک گاز احیا کننده نظیر هیدروژن احیاء می کنند.
احیای گازی:
احیا گازی ترکیبات فلزی کی از منا سبتری و اقتصادی ترین روش تهیه پودرها برای قطعات ساختمانی است. این روش تهیه پودر مورد استعمال وسیعی دارد زیرا در این روش کنترل خواص پودر بنحو عالی امکان پذیر است. دراین فرایند، اکسد ها ی تو لید شده یمیای با منو اکسید کربن یا احیاء شده و بعدا پودر احیاء شده دانه بندی میشود. هرگاه اکسیدها قبل از احیاء درجه بندی

شوند،میزان یکنواختی بدست امده در پودر احیاء شده بیشتر است. ذراتی که بوسیله احیهء اکسید تهیه میشوند دارای طبیعت اسفنج مانند بوده و برای قالبگیری بسیار مطلوبند.
ته نشین سازی الکترولیتی :
ته نشنی سازی یا رسوب دادن الکترلیتی برای تهیه پودرهای بسیار خالص بویژه مس و اهن بکار میرود.فرایند الکترولیتی اقتباسی اسلپت از روکسکری الکترولیتی شروع میشود.(الکترو پلتینک و با تولید یک اند(بوسیله ریخته گری در حالت مس، یا نورد گردن در حالت اهن).چگالی جریان، درجه حرات، نوع الکترولیت و دوران (سیرکولاسیون)همه و همه بر نوع فلز زسوب یافته بر روی کاتد

موثرنداین رسوب ممکن است ماده ای نرم و اسفنجی یا اینکه فلزی سخت و شکننده باشد.بطور کلی پودرهای که از روش ته نشینی سازی الکترولیتی سخت و شکننده ایجاد میشود برای کارهای قالبگیری مناسب نیستند.
بعد از انکه رسوب فلزی متخلل بر روی کاتد با ضخامت مورد نظر تشکیل شد ان را می شویند تا محلول الکترولیت ان رفع شود، خشک کرده و سپس تا اندازه مورد نظر اسیا میکنند و بر روی ان یک عمل احیاء باز پخت انجام میدهند.غربال کردن و مخلوط کردن پودر، فرایند را تکمیل میکنند. پودر الکترولیتی حاصله بسیار خالص و نرم است و شکل ذره های دندریتی است.
تراکم پودرهای فلزی
تراکم پودر های فزی در تولید قطعات فلزی پودر، مرحله بسیار مهمی است.
علاوه بر ایجاد شکل لازم ،عمل تراکم بر عمل سینتر کردن بعدی نیز موئثر است و تا حد زیادی خواص محصول نهائی را تحت نفوذ خود دارد.

امروزه، روشهای تراکم مختلف هنگام کاربرد شامل تراکم قالبی سرد و گرم، پرسکاری همسان ( ایزو استاتیک )، ریخته گری لغزشی، ریخته گری گریز از مرکز و نورد کاری می باشد. عمل تراکم سرد ( در درجه حرارت اتاق ) اکثرا ً برای قطعات با تولید بالا به کار می رود.
مطلب مهم اینست که اکثر عملیات تراکم در درجه حرارت اتاق در درون قالبهای از جنس فولاد انجام می گیرد. قالب با فلز پودر شده و مخلوط شده پر می شود و سپس فشار وارد میکند.