Toz metalurjisi - Powder metallurgy

Bu makale için ek alıntılara ihtiyaç var doğrulama. Lütfen yardım et bu makaleyi geliştir tarafından güvenilir kaynaklara alıntılar eklemek. Kaynaksız materyale itiraz edilebilir ve kaldırılabilir. Kaynakları bulun: "Toz metalurjisi"  – Haberler  · gazeteler  · kitabın  · akademisyen  · JSTOR (Nisan 2009) (Bu şablon mesajını nasıl ve ne zaman kaldıracağınızı öğrenin)

Demir tozu için yaygın olarak kullanılır sinterleme

Toz metalurjisi (ÖS), malzemelerin veya bileşenlerin yapıldığı çok çeşitli yolları kapsayan bir terimdir. metal tozları. Proje Yönetimi süreçleri, kullanım ihtiyacını önleyebilir veya büyük ölçüde azaltabilir metal kaldırma işlemleri böylece üretimde verim kayıplarını önemli ölçüde azaltır ve genellikle daha düşük maliyetlerle sonuçlanır.

Toz metalurjisi aynı zamanda benzersiz malzemelerin eritilmesinden veya başka şekillerde şekillendirilmesinden elde edilmesini imkansız hale getirmek için kullanılır. Bu türden çok önemli bir ürün tungsten karbür (WC). WC, diğer metalleri kesmek ve oluşturmak için kullanılır ve kobaltla bağlanmış WC parçacıklarından yapılır. Endüstride birçok türden alet için çok yaygın olarak kullanılmaktadır ve dünya çapında ~ 50.000 ton / yıl (t / y) PM tarafından yapılır. Diğer ürünler arasında sinterlenmiş filtreler, gözenekli yağ emdirilmiş yataklar, elektrik kontakları ve elmas aletler.

Endüstriyel üretimin ortaya çıkışından bu yana - ölçekli metal tozu bazlı Katmanlı üretim (AM) 2010'larda, seçici lazer sinterleme ve diğer metal AM prosesleri, ticari açıdan önemli toz metalurjisi uygulamalarının yeni bir kategorisidir.

Genel Bakış

Toz metalurji presi ve sinter işlem genellikle üç temel adımdan oluşur: toz harmanlama (tozlaştırma), kalıp sıkıştırma ve sinterleme. Sıkıştırma genellikle oda sıcaklığında gerçekleştirilir ve yüksek sıcaklıkta sinterleme işlemi genellikle atmosferik basınçta ve dikkatlice kontrol edilen atmosfer bileşimi altında gerçekleştirilir. Gibi isteğe bağlı ikincil işlem basım veya ısı tedavisi genellikle özel özellikler veya gelişmiş hassasiyet elde etmeyi takip eder.^[1]

Bu türden daha eski yöntemlerden biri ve hala demir bazlı alaşımların yaklaşık 1 Mt / y yapısal bileşenini yapmak için kullanılan biri, ince (<180 mikron) metal (normalde demir) tozları yağlayıcı gibi katkı maddeleriyle harmanlama işlemidir. balmumu, karbon, bakır ve / veya nikel, bunları istenen şekle sahip bir kalıba bastırmak ve ardından sıkıştırılmış malzemeyi ("yeşil kısım") kontrollü bir atmosferde sinterleme yoluyla birleştirmek için ısıtmak. Bu, normalde kalıp boyutlarına çok yakın, ancak% 5-15 gözeneklilik ve dolayısıyla alt işlenmiş çelik özellikleri olan hassas parçalar üretir. Son elli yılda geliştirilmiş birkaç başka PM süreci vardır. Bunlar şunları içerir:

• Toz dövme: Geleneksel "pres ve sinter" yöntemiyle yapılan bir "ön kalıp" ısıtılır ve ardından sıcak dövme tam yoğunluğa kadar, pratikte işlenmiş özellikler ile sonuçlanır.
• Sıcak izostatik presleme (HIP): Burada toz (normalde gaz atomize, küresel tip), normalde uygun şekle sahip metalik bir "kutu" dan oluşan bir kalıba doldurulur. Kutu titreştirilir, ardından boşaltılır ve kapatılır. Daha sonra sıcak bir izostatik prese yerleştirilir ve burada bir homolog sıcaklık yaklaşık 0.7'dir ve birkaç saat boyunca ~ 100 MPa (1000 bar, 15.000 psi) harici gaz basıncına maruz bırakılmıştır.^[2] Bu, işlenmiş veya daha iyi özelliklere sahip tam yoğunlukta şekillendirilmiş bir parça ile sonuçlanır. HIP 1950-60'larda icat edildi ve 1970-80'lerde tonaj üretimine girdi.^{[kaynak belirtilmeli ]} 2015 yılında, jet motorları için ~ 25.000 ton / yıl paslanmaz ve takım çeliklerinin yanı sıra süper alaşımların önemli parçalarının üretiminde kullanıldı.^{[kaynak belirtilmeli ]}
• Metal enjeksiyon kalıplama (MIM): Burada normalde çok ince (<25 mikron) ve küresel olan toz, plastik veya balmumu bağlayıcı ile maksimum katı yüke yakın, tipik olarak yaklaşık% 65 hacim olarak karıştırılır ve "yeşil" bir form oluşturmak için enjeksiyonla kalıplanır karmaşık geometrinin bir parçası. Bu parça daha sonra ısıtılır veya başka bir şekilde "kahverengi" bir kısım vermek üzere bağlayıcıyı çıkarmak (ayrılma) için işlenir. Bu parça daha sonra sinterlenir ve karmaşık ve% 95-99 yoğun bitmiş parça (yüzey pürüzlülüğü ~ 3 mikron) vermek için ~% 18 küçülür.^[3] 1970'lerde icat edilen üretim, 2000 yılından bu yana, 2014 yılında 1265 milyon Euro değerinde 12.000 tonluk tahmini küresel hacimle artmıştır.^[4]
• Elektrik akımı destekli sinterleme (ECAS) teknolojileri, uzun bir fırın ısısı gerektirmeden üretim süresini önemli ölçüde azaltma avantajı ile (en yavaş ECAS 15 dakikadan en hızlı birkaç mikrosaniyeye) tozları yoğunlaştırmak için elektrik akımlarına dayanır. teorik yoğunluklar, ancak basit şekillerin dezavantajı. ECAS'ta kullanılan tozlar, ön presleme ve yeşil kompakt gerektirmeden doğrudan sinterleme imkanı sayesinde bağlayıcıları önleyebilir. Tozlar, uygulanan bir basınç altında boşluğu doldururken yoğunlaştığından, izotropik olmayan sinterlemenin neden olduğu şekil değişiklikleri ve yüksek sıcaklıklarda yerçekiminin neden olduğu bozulmalardan kaçınıldığından, kalıplar nihai parça şekli için tasarlanmıştır. Bu teknolojilerden en yaygın olanı sıcak presleme üretimi için kullanımda olan elmas aletler inşaat sektöründe istihdam edilmektedir. Kıvılcım plazma sinterleme ve elektro sinter dövme iki modern, endüstriyel ticari ECAS teknolojisidir.
• Katmanlı imalat (AM), lazer sinterleme veya eritme yoluyla parçalar yapmak için metal tozları (plastikler gibi diğer malzemeler arasında) kullanan nispeten yeni bir teknikler ailesidir. Bu, 2015 yılı itibarı ile hızlı bir gelişim altında olan bir süreçtir.^{[Güncelleme]}ve bunun bir PM süreci olarak sınıflandırılıp sınıflandırılmayacağı bu aşamada belki belirsizdir. Süreçler şunları içerir: 3D baskı, seçici lazer sinterleme (SLS), seçici lazer eritme (SLM) ve elektron ışını eritme (EBM).

Tarih ve yetenekler

Toz metalurjisinin tarihçesi ve metal sanatı ve seramik sinterleme birbirleriyle yakından ilişkilidir. Sinterleme, bir başlangıç ​​tozundan sert bir katı metal veya seramik parçanın üretilmesini içerir. Antik İnkalar değerli metal tozlarından mücevher ve diğer eserler yaptı, ancak PM ürünlerinin toplu üretimi 19. yüzyılın ortalarına veya sonlarına kadar başlamadı.^[5] Bu erken imalat işlemlerinde, demir, indirgemenin ardından metal süngerden elle ekstrakte edildi ve daha sonra son eritme veya sinterleme için toz olarak yeniden eklendi.

Toz işlemlerinden, doğrudan işlemden çok daha geniş bir ürün yelpazesi elde edilebilir. alaşımlama erimiş malzemelerin. Eritme işlemlerinde "faz kuralı "tüm saf ve birleşik elementler için geçerlidir ve katı ve sıvı dağılımını kesin olarak belirler aşamalar belirli bileşimler için mevcut olabilir. Ek olarak, alaşımlama için başlangıç ​​malzemelerinin tüm vücutta erimesi gerekir, bu nedenle imalatta istenmeyen kimyasal, termal ve sınırlama kısıtlamaları getirir. Ne yazık ki, alüminyum / demir tozlarının işlenmesi büyük sorunlar ortaya çıkarmaktadır.^[6] Özellikle atmosferik oksijenle reaktif olan diğer maddeler, örneğin titanyum, özel atmosferlerde veya geçici kaplamalarla sinterlenebilir.^[7]

Toz metalurjisinde^[8] veya seramikler, aksi takdirde ayrışacak veya parçalanacak bileşenleri imal etmek mümkündür. Katı-sıvı faz değişimlerinin tüm hususları göz ardı edilebilir, bu nedenle toz prosesleri, döküm, ekstrüzyon veya dövme teknikleri. Çeşitli toz teknolojileri kullanılarak hazırlanan ürünlerin kontrol edilebilir özellikleri arasında mekanik, manyetik,^[9] ve gözenekli katılar, agregalar ve metaller arası bileşikler gibi bu tür malzemelerin diğer alışılmadık özellikleri. İmalat işleminin rekabetçi özellikleri (örneğin, takım aşınması, karmaşıklık veya satıcı seçenekleri) da yakından kontrol edilebilir.

Toz üretim teknikleri

Herhangi bir eriyebilir malzeme atomize edilebilir. Toz halindeki partiküllerin büyük üretim oranlarına izin veren ve çoğunlukla nihai tahıl popülasyonunun boyut aralıkları üzerinde önemli bir kontrol sağlayan birkaç teknik geliştirilmiştir. Tozlar, ezme, öğütme, kimyasal reaksiyonlar veya elektrolitik biriktirme ile hazırlanabilir. En yaygın kullanılan tozlar bakır bazlı ve demir bazlı malzemelerdir.^[10]

Titanyum, vanadyum, toryum, niyobyum, tantal, kalsiyum ve uranyum elementlerinin tozları yüksek sıcaklıkta üretilmiştir. indirgeme karşılık gelen nitrürler ve karbürler. Demir, nikel, uranyum ve berilyum mikrometre altı tozlar, metalik oksalatlar ve formatlar. Aşırı derecede ince parçacıklar, aynı zamanda, bir erimiş metal akımının yüksek bir sıcaklıktan geçirilmesiyle hazırlanmıştır. plazma jet veya alev, malzemenin atomize edilmesi. Partikül yüzeylerinin atmosferik oksijen tarafından ciddi şekilde bozulmasını önlemek için kısmen çeşitli kimyasal ve alevle ilişkili toz haline getirme işlemleri benimsenir.

Tonaj olarak, PM yapısal parça üretimi için demir tozu üretimi, tüm demir dışı metal tozlarının üretimini gölgede bırakmaktadır. Hemen hemen tüm demir tozları iki işlemden biriyle üretilir: sünger demir işlemi veya su atomizasyonu.

Sünger demir işlemi

Bu işlemlerin en uzun süredir yerleşik olanı, bir oksidin katı hal indirgenmesini içeren bir süreç ailesinin önde gelen örneği olan sünger demir işlemidir. İşlemde seçilen manyetit (Fe₃Ö₄) cevher, kok ve kireç ile karıştırılır ve bir silisyum karbür imbik içine yerleştirilir. Doldurulan imbik daha sonra indirgeme işleminin bir demir "kek" ve bir cüruf bıraktığı bir fırında ısıtılır. Sonraki aşamalarda, imbik boşaltılır, indirgenmiş demir sünger cüruftan ayrılır ve ezilir ve tavlanır.

Ortaya çıkan toz, partikül şeklinde oldukça düzensizdir, bu nedenle iyi bir "yeşil mukavemet" sağlar, böylece kalıpla preslenmiş kompaktlar sinterlemeden önce kolayca kullanılabilir ve her partikül iç gözenekler (dolayısıyla "sünger" terimi) içerir, böylece iyi yeşil mukavemet, düşük sıkıştırılmış yoğunluk seviyelerinde mevcuttur.

Sünger demir, tüm demir bazlı kendinden yağlamalı rulmanlar için besleme stoğu sağlar ve yine de PM yapısal parçalarındaki demir tozu kullanımının yaklaşık% 30'unu oluşturur.

Atomizasyon

Atomizasyon, erimiş bir metal akımının orta basınçlarda bir delikten zorlanmasıyla gerçekleştirilir. Nozülden ayrılmadan hemen önce metal akımına bir gaz verilir, bu da sürüklenen gaz genişledikçe (ısınma nedeniyle) türbülans yaratmaya hizmet eder ve açıklığın dışındaki büyük bir toplama hacmine çıkar. Toplama hacmi, erimiş metal jetin daha fazla türbülansını desteklemek için gazla doldurulur. Hava ve toz akışları, yerçekimi veya siklonik ayırma. Çoğu atomize toz, oksit ve karbon içeriğini azaltmaya yardımcı olan tavlanır. Su ile atomize edilmiş parçacıklar daha küçük, daha temiz ve gözeneksizdir ve daha geniş bir boyuta sahiptir, bu da daha iyi sıkıştırma sağlar. Bu yöntemle üretilen parçacıklar normalde küresel veya armut şeklindedir. Genellikle üzerlerinde bir oksit tabakası da taşırlar.

Üç tür atomizasyon vardır:

• Sıvı atomizasyon
• Gaz atomizasyonu
• Santrifüj atomizasyon

Sıvı metalin, türbülanslı akışı sağlamak için yeterince yüksek bir hızda bir delikten zorlandığı basit atomizasyon teknikleri mevcuttur. Kullanılan genel performans endeksi, Reynolds sayısı R = fvd / n, burada f = sıvı yoğunluğu, v = çıkış akımının hızı, d = açıklığın çapı ve n = mutlak viskozite. Düşük R'de sıvı jet salınır, ancak daha yüksek hızlarda akış türbülanslı hale gelir ve damlacıklar halinde kırılır. Damlacık oluşumuna pompalama enerjisi çok düşük verimlilikle (% 1 düzeyinde) uygulanır ve üretilen metal parçacıkların boyut dağılımı üzerindeki kontrol oldukça zayıftır. Püskürtme verimliliğini artırmak, daha ince taneler üretmek ve parçacık boyutu dağılımını daraltmak için nozül titreşimi, nozül asimetrisi, çoklu çarpma akımları veya ortam gazına erimiş metal enjeksiyonu gibi diğer tekniklerin tümü mevcuttur. Ne yazık ki, metalleri birkaç milimetreden daha küçük deliklerden çıkarmak zordur, bu da pratikte toz taneciklerinin minimum boyutunu yaklaşık 10 μm ile sınırlar. Atomizasyon aynı zamanda, tane sınırının önemli bir bölümünü tarayarak ve yeniden eriterek aşağı akış sınıflandırmasını gerekli kılan geniş bir parçacık boyutu yelpazesi üretir.

Santrifüj parçalanma

Eriyik partiküllerin merkezkaçla parçalanması, bu problemlerin etrafında bir yol sunar. Demir, çelik ve alüminyum konusunda kapsamlı deneyim mevcuttur. Toz haline getirilecek metal, hızla dönen bir mil vasıtasıyla bir odaya sokulan bir çubuk haline getirilir. Mil ucunun karşısında, metal çubuğu ısıtan bir arkın oluşturulduğu bir elektrot bulunur. Uç malzemesi kaynaştıkça, hızlı çubuk dönüşü, hazne duvarlarına çarpmadan önce katılaşan küçük eriyik damlacıkları atar. Dolaşan bir gaz, odadaki parçacıkları süpürür. Uzayda veya Ay'da benzer teknikler kullanılabilir. Bölme duvarı, yeni tozları uzak toplama kaplarına zorlamak için döndürülebilir,^[11] ve elektrot, çubuğun ucuna odaklanmış bir güneş aynası ile değiştirilebilir.

Çok dar bir tane boyutları dağılımı üretebilen, ancak düşük verimle alternatif bir yaklaşım, toz haline getirilecek malzemenin erime noktasının çok üstüne kadar ısıtılan, hızlı bir şekilde dönen bir kaseden oluşur. İnce bir metal filmin duvarlardan ve kenar üzerinden eşit şekilde kaymasına izin vermek için ayarlanan akış hızlarında merkeze yakın bir yerde havza yüzeyine sokulan sıvı metal, her biri yaklaşık olarak filmin kalınlığı olan damlacıklar halinde kırılır.^[12]

Diğer teknikler

Diğer bir toz üretim tekniği, jeti damlalara ayıran ve silonun dibine ulaşmadan önce tozu soğutan yüksek hızlı atomize su akımlarıyla kesişen ince bir sıvı metal jeti içerir. Sonraki işlemlerde toz kurutulur. Buna su atomizasyonu denir. Suyun atomizasyonunun avantajı, metalin gaz atomizasyonundan daha hızlı katılaşmasıdır, çünkü suyun ısı kapasitesi gazlardan birkaç kat daha yüksektir. Katılaşma hızı, partikül boyutuyla ters orantılı olduğundan, su atomizasyonu kullanılarak daha küçük partiküller yapılabilir. Parçacıklar ne kadar küçük olursa mikro yapı o kadar homojen olacaktır. Parçacıkların daha düzensiz bir şekle sahip olacağına ve parçacık boyutu dağılımının daha geniş olacağına dikkat edin. Ek olarak, oksidasyonlu deri oluşumu ile bir miktar yüzey kontaminasyonu meydana gelebilir. Toz, seramik aletlerin imalatında kullanılan tavlama gibi bir tür ön konsolidasyon işlemi ile azaltılabilir.

Toz sıkıştırma

Rodyum metal: toz, preslenmiş pelet (3 × 10⁵ psi) yeniden eritildi.

Toz sıkıştırma yüksek basınçların uygulanmasıyla bir kalıpta metal tozunun sıkıştırılması işlemidir. Tipik olarak aletler, boşluğun tabanını oluşturan zımba aleti ile dikey yönde tutulur. Toz daha sonra bir şekle sıkıştırılır ve ardından kalıp boşluğundan çıkarılır.^[13] Bu uygulamaların birçoğunda, parçalar amaçlanan kullanımları için çok az ek çalışma gerektirebilir; çok uygun maliyetli üretim için.

Sıkıştırılmış tozun yoğunluğu, uygulanan basınç miktarı ile artar. Tipik basınçlar 80 psi ila 1000 psi (0,5 MPa ila 7 MPa) aralığındadır, 1000 psi ila 1,000,000 psi arasındaki basınçlar elde edilmiştir. Metal tozu sıkıştırması için genellikle 10 t / in² ila 50 t / in² (150 MPa ila 700 MPa) basınç kullanılır. Birden fazla seviye veya yüksekliğe sahip bir bileşende aynı sıkıştırma oranını elde etmek için, birden çok alt zımba ile çalışmak gerekir. Tek seviyeli takımla silindirik bir iş parçası yapılır. Yaygın çok seviyeli aletle daha karmaşık bir şekil yapılabilir.

Dakikada 15 ila 30 parça üretim hızları yaygındır.

Dört ana takım stili sınıfı vardır: ince, düz bileşenler için kullanılan tek etkili sıkıştırma; daha kalın bileşenleri barındıran iki zımba hareketine sahip karşı çift etkili; yüzer kalıpla çift etkili; ve çift etkili geri çekme kalıbı. Çift eylem sınıfları, tek eylemden çok daha iyi yoğunluk dağılımı sağlar. Aletler, deforme olmadan veya bükülmeden aşırı basınca dayanacak şekilde tasarlanmalıdır. Aletler cilalı ve aşınmaya dayanıklı malzemelerden yapılmalıdır.

Baskı ve yeniden sinterleme ile daha iyi iş parçası malzemeleri elde edilebilir.

Toz Sıkıştırma Presi

Presleme ölmek

Toz malzemelerden ürünlerin şekillendirilmesi için hem tonaj miktarları hem de üretilen parça sayısı bakımından baskın teknoloji kalıp preslemedir. Piyasada mekanik, servo-elektrik ve hidrolik presler mevcuttur ve burada en büyük toz çıkışı hidrolik presler tarafından işlenir Bu şekillendirme teknolojisi aşağıdakileri içeren bir üretim döngüsünü içerir:

1. Bir kalıp boşluğunun, bir doldurma pabucundan verilen bilinen bir toz besleme stoğu ile doldurulması.
2. Kompaktın oluşturulması için kalıp içindeki tozun zımbalarla sıkıştırılması. Kompaktın içindeki yoğunluk gradyanı seviyesini azaltmak için genellikle, alet setinin her iki ucundan zımbalar yoluyla sıkıştırma basıncı uygulanır.
3. Kalıptan geri çekme alt zımba (lar) kullanılarak kompaktın kalıptan çıkarılması.
4. Bir sonraki döngünün doldurma aşamasında dolgu pabucu veya bir otomasyon sistemi veya robot kullanılarak kompaktın kalıbın üst yüzünden çıkarılması.

Bu döngü, kolayca otomatikleştirilmiş ve yüksek üretim oranı süreci sunar.

Tasarım konuları

Muhtemelen en temel düşünce, tasarımda keskin köşelerden kaçınmanın yanı sıra, parçayı preslendikten sonra kalıptan çıkarabilmektir. Maksimum yüzey alanını 20 inç karenin (0,013 m²) ve yükseklik-çap oranının 7'ye 1'in altında olması önerilir. 0,08 inçten (2,0 mm) daha kalın duvarlara sahip olmanın ve bitişik duvar kalınlığı oranlarını 2,5 ila 1'in altında tutmanın yanı sıra.

Bu işlemin en önemli avantajlarından biri, karmaşık geometriler üretebilmesidir. Serbest kesimli ve dişlere sahip parçalar, ikincil bir işleme işlemi gerektirir. Tipik parça boyutları 0,1 inç kare (0,65 cm²) 20 inç kare (130 cm²). alanda ve 0,1 ila 4 inç (0,25 ila 10,16 cm) uzunluğunda. Bununla birlikte, 0,1 inç kareden (0,65 cm2) daha küçük parçalar üretmek mümkündür.²) ve 25 inç kareden (160 cm²). alanda ve bir inç (2.54 cm) ile yaklaşık 8 inç (20 cm) uzunluğunda.

İzostatik presleme

Gibi bazı pres işlemlerinde sıcak izostatik presleme (HIP) kompakt oluşumu ve sinterleme aynı anda gerçekleşir. Bu prosedür, patlamaya dayalı sıkıştırma teknikleriyle birlikte, jet motorları için türbin diskleri gibi yüksek sıcaklık ve yüksek mukavemetli parçaların üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Toz metalurjisinin çoğu uygulamasında^[14] parça sıcak preslenir, malzemelerin işlenerek sertleşemeyeceği bir sıcaklığa ısıtılır. Sıcak presleme, gözenekliliği azaltmak için gereken basınçları düşürür ve kaynak ve tane deformasyon işlemlerini hızlandırır. Aynı zamanda ürünün daha iyi boyutsal kontrolüne izin verir, başlangıç ​​malzemelerinin fiziksel özelliklerine duyarlılığı azaltır ve tozun, soğuk preslemeye göre daha yüksek yoğunluklarda sıkıştırılmasına izin vererek daha yüksek mukavemet sağlar. Sıcak preslemenin olumsuz yönleri arasında daha kısa kalıp ömrü, toz ısıtma nedeniyle daha yavaş üretim ve şekillendirme ve soğutma aşamaları sırasında koruyucu atmosferler için sık sık ihtiyaç vardır.

İzostatik toz sıkıştırma

İzostatik toz sıkıştırma, kütleyi koruyan bir şekillendirme işlemidir. İnce metal parçacıklar esnek bir kalıba yerleştirilir ve ardından kalıp presleme işleminin kalıp yüzeyleri tarafından uygulanan doğrudan basıncın aksine kalıba yüksek akışkan basıncı uygulanır. Elde edilen ürün daha sonra metal partikülleri bağlayarak parçanın mukavemetini artıran bir fırında sinterlenir. Bu üretim süreci çok az hurda metal üretir ve birçok farklı şekil yapmak için kullanılabilir. Bu işlemin elde edebileceği toleranslar, eksenel boyutlar için +/- 0,008 inç (0,2 mm) ve radyal boyutlar için +/- 0,020 inç (0,5 mm) arasında değişen çok hassastır. Bu, en verimli toz sıkıştırma türüdür (aşağıdaki alt kategoriler de bu referanstan alınmıştır).^[13] Bu işlem genellikle sadece küçük üretim miktarlarına uygulanabilir, ancak bir kalıbın maliyeti pres kalıplarından çok daha düşük olmasına rağmen, genellikle yeniden kullanılabilir değildir ve üretim süresi çok daha uzundur.^[15]

15.000'den başlayan sıkıştırma basınçlarıpsi (100,000 kPa ) çoğu metal için 40.000 psi (280.000 kPa) ve metal olmayanlar için yaklaşık 2.000 psi (14.000 kPa) ila 10.000 psi (69.000 kPa). İzostatik sıkıştırılmış parçaların yoğunluğu, diğer toz metalurjisi işlemlerinden% 5 ila% 10 daha yüksektir.

Ekipman

İzostatik toz sıkıştırmada kullanılan birçok ekipman türü vardır. Esnek parçanın bulunduğu kalıp, kalıbı içeren ve sızdırmaz hale getiren esnek bir dış baskı kalıbı ve basıncı veren makine bulunmaktadır. Ayrıca basınç miktarını ve basıncın ne kadar süreyle tutulacağını kontrol eden cihazlar da vardır. Makinelerin metaller için inç kare başına 15.000 ila 40.000 pound (100 ila 280 MPa) arasında basınç uygulaması gerekir.

Geometrik olasılıklar

Tipik iş parçası boyutları 0,25 inç (6,35 mm) ila 0,75 inç (19,05 mm) kalınlık ve 0,5 inç (12,70 mm) ila 10 inç (254 mm) uzunluk arasında değişir. 0,0625 inç (1,59 mm) ve 5 inç (127 mm) kalınlık ve 0,0625 inç (1,59 mm) ila 40 inç (1,016 mm) uzunluğundaki iş parçalarını sıkıştırmak mümkündür.

Araç stili

İzostatik aletler üç stilde mevcuttur: serbest kalıp (ıslak torba), kaba kalıp (nemli torba) ve sabit kalıp (kuru torba). Serbest kalıp stili, geleneksel izostatik sıkıştırma tarzıdır ve genellikle yüksek üretim işleri için kullanılmaz. Serbest kalıp takımlamada kalıp çıkarılır ve kutunun dışında doldurulur. Nemli torba, kalıbın teneke kutuda bulunduğu, ancak dışarıda doldurulduğu yerdir. Sabit kalıpta kalıp, işlemin otomasyonunu kolaylaştıran teneke kutu içinde yer alır.

Sıcak izostatik presleme

Sıcak izostatik presleme (HIP), 900 ° F (480 ° C) ila 2250 ° F (1230 ° C) arasında değişen ısı uygulayarak parçayı aynı anda sıkıştırır ve sinterler. Argon İnert bir gaz olduğu için HIP'de en yaygın kullanılan gazdır, bu nedenle çalışma sırasında kimyasal reaksiyonları engeller.

Soğuk izostatik presleme

Soğuk izostatik presleme (CIP), kalıba oda sıcaklığında basınç uygulamak için sıvıyı kullanır. Çıkardıktan sonra parçanın yine de sinterlenmesi gerekir. Basıncın bir lastik torba içinde bulunan sıkıştırma malzemesi üzerine eşit olarak dağıtılmasına yardımcı olur.

Tasarım konuları

Standart toz sıkıştırmaya göre avantajları, daha ince duvarlar ve daha büyük iş parçaları olasılığıdır. Yükseklik / çap oranının herhangi bir sınırı yoktur. Duvar kalınlığı varyasyonlarında belirli bir sınırlama yoktur, alt kesimler, kabartmalar, iplikler ve çapraz delikler. İzostatik toz sıkıştırması için yağlayıcıya gerek yoktur. Minimum duvar kalınlığı 0,05 inçtir (1,27 mm) ve ürünün ağırlığı 40 ila 300 pound (18 ila 136 kg) arasında olabilir. Sıkıştırıldıktan sonra tozda% 25 ila 45 küçülme vardır.

Sinterleme

Sıkıştırmadan sonra, toz malzemeler sinterleme olarak bilinen bir işlemle kontrollü bir atmosferde ısıtılır. Bu işlem sırasında partiküllerin yüzeyleri bağlanır ve istenen özellikler elde edilir.^[2]

Sinterleme nın-nin toz metaller yüksek bir sıcaklığa maruz kaldıklarında tutarlı bir şekil oluşturmak için basınç altındaki parçacıkların kimyasal olarak kendilerine bağlandığı bir süreçtir. Partiküllerin sinterlendiği sıcaklık en çok tozdaki ana bileşenin erime noktasının altındadır.^[16] Toz metal parçadaki bir bileşenin sıcaklık erime noktasının üzerinde ise erimiş parçacıkların sıvısı gözenekleri doldurur. Bu tür sinterleme, sıvı hal sinterleme olarak bilinir.^[2] Genel olarak sinterlemeyle ilgili en büyük zorluk, işlemin kompakt parçacıkların boyutları üzerindeki etkisinin bilinmesidir. Bu, özellikle belirli boyutların gerekli olabileceği takımlama amaçları için zordur. Sinterlenmiş parçanın küçülmesi ve daha yoğun hale gelmesi en yaygın olanıdır, ancak aynı zamanda genişleyebilir veya net bir değişiklik yaşamayabilir.^[16]

Katı hal için ana itici güç sinterleme yüzey serbest enerjisinin fazlasıdır. Katı hal sinterleme işlemi karmaşıktır ve malzeme ve fırın (sıcaklık ve gaz) koşullarına bağlıdır. Sinterleme işlemlerinin birbiriyle çakışabilecek şekilde gruplandırılabileceği altı ana aşama vardır: 1) parçacıklar arasında ilk bağlanma, 2) boyun büyümesi, 3) gözenek kanalı kapanması, 4) gözenek yuvarlama, 5) yoğunlaştırma veya gözenek küçültme ve 6) gözeneklerin kabalaşması. Bu aşamalarda mevcut ana mekanizmalar şunlardır: buharlaşma, yoğunlaşma, tane sınırları, Ses yayılma, ve plastik bozulma.^[16]

Çoğu sinterleme fırınlar, yukarıdaki altı adımı gerçekleştirmeye yardımcı olan üç farklı özelliğe sahip üç bölge içerir. Yaygın olarak yakma veya temizleme aşaması olarak adlandırılan birinci bölge, havayı yakmak, yağlayıcı veya bağlayıcılar gibi kirletici maddeleri yakmak ve kompakt malzemelerin sıcaklığını yavaşça yükseltmek için tasarlanmıştır. Kompakt parçaların sıcaklığı çok hızlı yükseltilirse, gözeneklerdeki hava, parçanın genişlemesine veya kırılmasına neden olabilecek çok yüksek bir iç basınçta olacaktır. Yüksek sıcaklık aşaması olarak bilinen ikinci bölge, katı hal difüzyonu ve parçacık bağı üretmek için kullanılır. Malzeme onu düşürmeye çalışıyor yüzey enerjisi ve bunu parçacıklar arasındaki temas noktalarına doğru hareket ederek yapar. Temas noktaları büyür ve sonunda küçük gözeneklere sahip katı bir kütle oluşur. Soğutma dönemi olarak da adlandırılan üçüncü bölge, kontrollü bir atmosferde parçaları soğutmak için kullanılır. Bu, oksidasyonun hava ile anında temasını veya hızlı soğutma olarak bilinen bir fenomeni önlediği için önemli bir bölgedir. Üç aşamanın tümü, oksijen içermeyen kontrollü bir atmosferde gerçekleştirilmelidir. Hidrojen, nitrojen, ayrışmış amonyak ve parçalanmış hidrokarbonlar, oksit oluşumunu önleyen, indirgeyici bir atmosfer sağlayan fırın bölgelerine pompalanan yaygın gazlardır.^[2]

Bu süreçte, aşağıdakiler de dahil olmak üzere bir dizi özellik artırılır. gücü, süneklik, sertlik ve elektrik ve termal iletkenlik malzemenin. Farklı temel tozlar kompakt ve sinterlenmişse, malzeme alaşımlar ve metaller arası fazlar.^[2]

Gözenek boyutları küçüldükçe malzemenin yoğunluğu artacaktır. Yukarıda belirtildiği gibi, bu büzülme, belirli boyutların gerekli olduğu parçaların veya aletlerin yapımında büyük bir sorundur. Test malzemelerinin çekmesi izlenir ve istenen boyutlara ulaşmak için fırın koşullarını değiştirmek veya kompakt malzemeleri aşırı boyutlandırmak için kullanılır. Olmasına rağmen, sinterleme kompakt kısmını tüketmez gözeneklilik. Genel olarak, toz metal parçalar sinterlemeden sonra yüzde beş ila yirmi beş gözeneklilik içerir.^[2]

Sinterleme sırasında fırında ürünün verimli bir şekilde istiflenmesine izin vermek ve parçaların birbirine yapışmasını önlemek için birçok üretici, eşyaları seramik toz ayırıcı tabakalar kullanarak ayırır. Bu tabakalar alümina, zirkonya ve magnezya gibi çeşitli malzemelerden temin edilebilir. İnce, orta ve iri tanecik boyutlarında da mevcutturlar. Malzeme ve partikül boyutunun sinterlenmekte olan mallarla eşleştirilmesiyle, parti başına fırın yüklemesi en üst düzeye çıkarılırken yüzey hasarı ve kontaminasyon azaltılabilir.

Yüksek hızlı sinterleme için yakın zamanda geliştirilen bir teknik, yüksek elektrik akımını bir tozdan tercihen ısıtmak için geçirmeyi içerir. sertlikler. Enerjinin çoğu, yoğunlaştırma için göçün arzu edildiği yerde, parçanın o kısmını eritmeye hizmet eder; nispeten az enerji, dökme malzemeler ve şekillendirme makineleri tarafından emilir. Doğal olarak, bu teknik elektriksel olarak yalıtıcı tozlara uygulanamaz.

Sürekli toz işleme

"Sürekli işlem" ifadesi, yalnızca zaman içinde sonsuza kadar genişletilebilecek üretim modlarını tanımlamak için kullanılmalıdır. Bununla birlikte, normal olarak terim, ürünleri bir fiziksel boyutta diğer ikisinden çok daha uzun olan süreçleri ifade eder. Sıkıştırma, haddeleme ve ekstrüzyon en yaygın örneklerdir.

Basit bir sıkıştırma işleminde, toz bir hazneden iki duvarlı bir kanala akar ve yatay olarak sabit bir zımba ile tekrar tekrar dikey olarak sıkıştırılır. Kompresörü konveyörden sıyırdıktan sonra, sıkıştırılmış kütle bir sinterleme fırınına verilir. Daha da kolay bir yaklaşım, tozu hareketli bir kayış üzerine püskürtmek ve sıkıştırmadan sinterlemektir. Bununla birlikte, soğuk preslenmiş malzemeleri hareketli kayışlardan çıkarmak için iyi yöntemler bulmak zordur. Kayış sıyırma zorluğunu tamamen ortadan kaldıran bir alternatif, karşılıklı olarak metal levhaların imalatıdır. hidrolik silindirler ancak, ardışık baskı işlemleri sırasında tabaka boyunca zayıflık çizgileri ortaya çıkabilir.^{[daha fazla açıklama gerekli ]}

Tozlar ayrıca tabaka oluşturmak için rulo haline getirilebilir. Toz halindeki metal iki yüksekliğe beslenir^{[daha fazla açıklama gerekli ]} haddehane ve dakikada 100 fit (0.5 m / s) hızla şerit halinde sıkıştırılır. Şerit daha sonra sinterlenir ve başka bir haddeleme ve daha fazla sinterlemeye tabi tutulur. Haddeleme yaygın olarak elektrikli ve elektronik bileşenler için sac levha üretmek için kullanılır. madeni paralar. Ayrıca, farklı malzemelerin birden çok katmanını aynı anda levhalar halinde haddelemek için de önemli çalışmalar yapılmıştır.^{[kaynak belirtilmeli ]}

Ekstrüzyon işlemleri iki genel tiptedir. Bir tipte toz, bir bağlayıcı ile karıştırılır veya plastikleştirici oda sıcaklığında; diğerinde, toz, kuvvetlendirme olmadan yüksek sıcaklıklarda ekstrüde edilir.^{[daha fazla açıklama gerekli ]} Bağlayıcılı ekstrüzyonlar, tungsten-karbür kompozitlerin hazırlanmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Borular, karmaşık bölümler ve spiral matkap şekilleri, 0,5–300 mm (0,020–11,811 inç) aralığında değişen genişletilmiş uzunluk ve çaplarda üretilir. Toz stokundan 0,1 mm (0,0039 inç) çapında sert metal teller çekilmiştir. Diğer uçta, tonaj bazında büyük ekstrüzyonlar mümkün olabilir.

Alüminyum ve bakır alaşımları gibi metallerin daha yumuşak, daha kolay oluşturulması için, uygun veya sürekli döner ekstrüzyon gibi işlemler kullanılarak sürekli ekstrüzyon da gerçekleştirilebilir. Bu işlemler, gevşek tozu bir şekillendirme kalıbından geçirmek için çevresinde bir oluk bulunan dönen bir tekerlek kullanır. Yüksek basınç ve karmaşık bir gerilme yolu kombinasyonu yoluyla toz partikülleri deforme olur, büyük miktarda sürtünme ısısı üretir ve bir yığın katı oluşturmak için birbirine bağlanır. Teorik olarak tamamen sürekli çalışma, toz prosese beslenebildiği sürece mümkündür.^[17]

İlgili sıcaklıklar ve basınçların kalıp malzemelerinin kapasitesi dahilinde olması koşuluyla, ekstrüde edilebilen çeşitli metal ve alaşımlarda herhangi bir sınırlama olmadığı görülmektedir. Ekstrüzyon uzunlukları 3 ila 30 m arasında değişebilir^[18] ve 0.2 ile 1 m arası çaplar. Modern presler büyük ölçüde otomatiktir ve yüksek hızlarda çalışır (m / s düzeyinde).

Şok (dinamik) konsolidasyon

Şok konsolidasyonu veya dinamik konsolidasyon, yüksek basınçlı şok dalgaları kullanılarak tozların konsolidasyonu için deneysel bir tekniktir.^[20][21] Bunlar genellikle iş parçasına patlayarak hızlandırılmış bir plaka ile vurularak üretilir. Uzun süredir araştırılmasına rağmen, tekniğin hala kontrol edilebilirlik ve tekdüzelik açısından bazı sorunları var. Bununla birlikte, bazı değerli potansiyel avantajlar sunar. Örnek olarak, konsolidasyon o kadar hızlı gerçekleşir ki yarı kararlı mikro yapılar korunabilir.^[22]

Elektrik akımı destekli sinterleme

Bu teknikler, sinterlemeyi yürütmek veya geliştirmek için elektrik akımlarını kullanır.^[23] Elektrik akımlarının ve mekanik basınçlı tozların bir kombinasyonu sayesinde daha hızlı sinterlenir, böylece geleneksel termal çözümlere kıyasla sinterleme süresini azaltır. Teknikler iki ana kategoriye ayrılabilir: direnç sinterleme, kıvılcım plazma sinterleme ve sıcak presleme; ve elektrik deşarj sinterlemesi,^[24] gibi kapasitör deşarj sinterleme veya türevi, elektro sinter dövme. Direnç sinterleme teknikleri, kalıbın ve tozların ısıtılmasının genellikle 15 ila 30 dakikalık karakteristik bir işlem süresiyle elektrik akımları ile gerçekleştirildiği, sıcaklığa dayalı konsolidasyon yöntemleridir. Öte yandan, elektrik deşarj sinterleme yöntemleri, onlarca mikrosaniye ila yüzlerce milisaniye arasında karakteristik bir zamanla, elektriksel olarak iletken tozları doğrudan sinterlemek için yüksek yoğunluklu akımlara (0,1 ila 1 kA / mm ^ 2) dayanır.

Özel ürünler

Toz metalurjisi teknolojisi ile birçok özel ürün mümkündür. A nonexhaustive list includes Al₂Ö₃ whiskers coated with very thin oxide layers for improved refraction; iron compacts with Al₂Ö₃ coatings for improved high-temperature creep strength; ampul filaments made with powder technology; linings for friction brakes; metal glasses for high-strength films and ribbons; ısı kalkanları for spacecraft reentry into Earth's atmosphere; electrical contacts for handling large current flows; mıknatıslar; mikrodalga ferritler; filters for gases; ve rulmanlar which can be infiltrated with yağlayıcılar.

Extremely thin films and tiny spheres exhibit high strength. One application of this observation is to coat brittle materials in whisker form with a submicrometre film of much softer metal (e.g. kobalt -coated tungsten). The surface strain of the thin layer places the harder metal under compression, so that when the entire composite is sintered the rupture strength increases markedly. With this method, strengths on the order of 2.8 GPa versus 550 MPa have been observed for, respectively, coated (25% cobalt) and uncoated tungsten carbides.

Tehlikeler

Bu bölüm genişlemeye ihtiyacı var. Yardımcı olabilirsiniz ona eklemek. (2015 Temmuz)

The special materials and processes used in powder metallurgy can pose hazards to life and property. Yüksek yüzey alanı hacim oranı of the powders can increase their kimyasal reaktivite in biological exposures (for example, inhalation or ingestion), and increases the risk of toz patlamaları. Materials considered relatively benign in bulk can pose special toxicological risks when in a finely divided form.

Ayrıca bakınız

• Sinterleme
• Mechanical powder press
• Spray forming
• Selective laser melting
• Seçici lazer sinterleme
• Kıvılcım plazma sinterleme
• Elektro sinter dövme

Referanslar

Alıntılanan kaynaklar

• DeGarmo, E. P. (2008). İmalatta Malzemeler ve Süreçler (PDF) (10. baskı). Wiley. ISBN  9780470055120.

daha fazla okuma

• An earlier version of this article was copied from Appendix 4C nın-nin Uzay Görevleri için Gelişmiş Otomasyon, a NASA report in the public domain.
• R. M. German, "Powder Metallurgy and Particulate Materials Processing," Metal Powder Industries Federation, Princeton, New Jersey, 2005.
• F. Thummler and R.Oberacker "An Introduction to Powder Metallurgy" The institute of Materials, London 1993
• G. S. Upadhyaya, "Sintered Metallic and Ceramic Materials" John Wiley and Sons, West Sussex, England, 2000

Dış bağlantılar

• Rapid manufacturing technique developed at the KU Leuven, Belgium
• Slow motion video images of metal atomization at Ames Laboratuvarı