تحقیق متالوژي پودر

پيشگفتار:

يكي از شاخه‌هاي علم متالورژي كه دز سالهاي اخير رشد زيادي يافته است. متالورژي پودر است. البته قدمت توليد قطعات با پودر به پنج هزار سال و بيشتر  مي رسد. يكي ديگر از دلايل توسعه متالورژي پودر اين است كه در روش مزبور فلز تلف  شده به مراتب كمتر از  ساير روشهاست و حتي مي توان گفت وجود ندارد. سرمايه گذاري در صنعت متتالورژي پودر نيز،‌كمتر از سرمايه گذاري براي  روشهاي كلاسيك ساخت قطعات  است. زيرا در مرحله هم جوشي ،  درجه حرارت لازم كمتر از درجه حرارت ذوب فلزات است و در نتيجه، كوده هاي مورد احتياح ارزانتر اند.

دامنه استفاده از متالورژي پودر بسيار متنوع و گسترده بوده و در اين رابطه كافي است به زمينه هايي همچون توليد رشته هاي لامپها، بوش هاي خود روانساز، متعلقات گيربكس اتومبيل، اتصالات الكتريكي، مواد ضد سايش قطعات توربين و آمالگم هاي دندانپزشكي اشاره شود. علاوه بر آن پودر فلزات در موارد و كاربردهايي چون صنايع رنگ سازي مدارهاي چاپي، آردهاي غني شده مواد منفجره، الكترود هاي جوشكاري،  سوخت راكت ها، جوهر چاپ، باطري الكتريكي قابل شارژ، لحيم كاري و كاتاليزورها مورد استفاده قرار مي گيرند.

متالورژي پودر در ابتدا فلزات معمول، همچون مس و آهن شروع شد ولي لانه استفاده  از عمل آن به فلزات غير ديگر نيز سرايت كرد. كاربردهاي جديد تري براي متالورژي پودر به دنبال داشت. بطوريكه از آغاز دهه 1940 بسياري از قطعات فلزات غير معمول از طريع اين تكنولوژي تهيه شدند. در اين گروه مواد مي توان از فلزات دير گداز مانند نايوبيم، تنگستن، موليبدن، زير كنيم، تيتانيم، رنيم و آلياژهاي آنها نام برد. همچنين تعدادي از مواد هسته اي و تركيبات الكتريكي و مغناطسسي نيز با تكنيك هاي  متالورژي پودر تهيه شدند. هر چند موفقيت اوليه متالورژي پودر بيشتر مديون مزاياي اقتصادي آن است. ولي در سالهاي اخير ساخت قطعاتي كه توليد آنها  با روشهاي ديگر مشكل مي باشد در گسترش اين تكنولوژي  سهم چشمگيري داشته است. انتظار مي رود كه اين عوامل در جهت بسط متالورژي پودر و ابداع كاربردهاي آتي آن دست به دست هم داده و دست آودرهاي تكنولوژيكي تازه اي را  به ارمغان آورند. تداوم رشد متالورژي پودر را ميتوان به عوامل پنجگانه زير وابسته دانست:

الف) توليد انبوه قطعات سازه اي دقيق و با كيفيت بالا كه معمولاً‌بر بكارگيري آلياژهاي آهن مبتني مي باشند.

ب ) دستيابي به قطعاتي كه فرايند توليد آنها مشكل بوده و بايد كاملاً فشرده و داراي ريز ساختار يكنواخت ( همگن) باشند.

پ ) ساخت آلياژهاي مخصوص،‌عمدتاً مواد مركب محتوي فازهاي مختلف كه اغلب براي شكل دهي نياز به  بالا توليد مي شوند.

ت) مواد غير تعادلي از قبيل آلياژهاي آمورف و همچنين آلياژ هاي ناپايدار.

ث ) ساخت قطعات پيچيده كه شكل و يا تركيب منحصر به فرد و عير معمول دارند

متالورژي پودر روز به روز گسترش بيشتري يافته و بر ميزان پودر توليدي به طور پيوسته افزوده، بطوريكه پودر آهن حمل شده از آمريكا از سال 1960 تا 1978 ميلادي به ده برابر افزايش يافته است. هر چند در سالهاي اخير آهنگ رشد اين تكنولوژي چندان پيوسته نبوده، ولي مجموعه  شواهد دلالت بر گستردگي بيشتر آن، در مقايسه با روشهاي سنتي قطعه سازي دارد. باز خوردهاي دريافت شده از مهندسين طراح نشان مي دهد كه هر چه دانش ما در متالورژي پودر افزودن تر مي شود، دامنه كاربرد اين روش نيز گسترش بيشتري مي يابد. اغلب دست آوردهاي نوين اين زمينه صنعتي بر قابليت آن در ساخت،‌ مقرون به صرفه قطعات با شكل و ابعاد دقيق مبتني است.

مقدمه

در قرن بيستم و در سالهاي اخير، تكنيك متالورژي پودر بطور جدي تر،‌ مورد توجه قرار گرفته و جاي خود را به اندازه كافي در صنعت باز كرده است بطوري كه در حال حاضر مي توان آن را به عنوان يكي از تكنيك هاي جديد متالورژي به حساب آورد. البته قدمت توليد قطعات با پودر به بيش از پنج هزار سال پيش مي رسد، درآن زمان كوره هايي كه بتوانند حرارت لازم را براي ذوب فلزات ايجاد كند، وجود نداشتند. روش معمول، احيا سنگ معدن با ذغال چوب بود و محصولي كه به دست مي آمد نوعي فلز اسفنجي بود كه در حالت گرم با چكش كاري امكان شكل دهي مطلوب داشت.

هم اكنون، ستوني آهني با وزني حدود شش تن در شهر دهلي وجود دارد كه در هزار وششصد سال پيش با همين روش تهيه شده است . در اواخر قرن هيجدهم و لاستون

( wollaston ) كشف كرد كه مي توان پودر فلز پلاتين را كه در طبيعت به صورت آزاد شناخته شده بود، پس از تراكم و حرارت دادن، درحالت گرم با چكش كاري شكل داد. ولاستون جزئيات روش خود را درسال 1829 منتشر كرد و اهميت فاكتورهاي نظير اندازه دانه ها، متراكم كردن پودر با وزن مخصوص بالا و اكتيويته سطحي و غيره.. را توضيح داد.

همزمان با ولاستون وبطور جداگانه متالوريست بر جسته روسي پيومتر زابولفسكي

( pyotrsobolevsky ) در يال 1826، از اين روش براي ساختن سكه ها و نشان ها از جنس پلاتين استفاده كرد. در نيمه دوم قرن نوزدهم، متخصصين متالورژي به روشهاي روب فلزات با نقطه روب بالا دست يافتند و همين مسئله باعث شد كه مجدداً  استفاده از متالورژي پودر محدود شود،‌ هر چند تقاضا براي توليد قطعاتي مانند تنگستن از طريق  متالورژي پودر فلز، تلف شده به مراتب كمتر از ساير روشهاست و حتي مي توان گفت وجود ندارد. دراين مورد، بطوري كه تجربه نشان مي دهد،‌ هر يك كيلوگرم محصول ساخته شده باروش متالورژي پودر، معادل است با چند كيلو گرم محصول ساخته شده با ساير روشهاي شكل دادن نظير برش و تراشكاري،  چون در روشهايي نظير تراشكاري مقادير زيادي از فلزبه صورت براده در مي آيد كه تقريباً غير قابل استفاده است. علاوه بر آن يك كيلو گرم از مواد ساخته شده بوسيله روشهاي متالورژي پودر مي تواند كار ده ها كيلو گرم فولاد آلياژي ابزار را انجام دهد.

روش پاشش نظر به نقشاساسي آن در رشد متالورژي پودر، در مقايسه با روشهاي ديگر با تفصيل و بسط بيشتري بررسي خواهد شد.

1-1- روشهاي مكانيكي توليد پودر

1-1-1-  روش ماشين كاري

ماشين كاري كردن فلزات در حالات خاصي انجام مي شود، زيرا پودر حاصل از اين روش داراي دانه هاي زبر درشت با لبه هاي تيز است. اين پودر سخت قالب گيري مي شود وقطعه پرس شده آن خيلي متخلخل و داراي استحكام خام پايين است. آسياب كردن اين پودر در آسيابهاي گلوله اي قابليت فشرده شدن را بهتر مي كند،  هر چند باعث افزايش كار سختي مي شود كه بايد قبل از متراكم كردن آينل شود. يكي از موارد عمده استفاده از ماشين كاري توليد پودر منيزيم براي مقاصد آتش زايي است،‌ حالت انفجاري اين پودر مانع استفاده از روشهاي ديگر مي شود. با استفاده از ماشين كاري و توليد براده هاي نسبتاً‌ زبر و درشت خطر به طور قابل ملاحظه اي كم مي شود. وقتي براده ها در آسياب از اتمسفر خنثي درآسياب از تركيب ذرات پودر و اكسيژن هوا جلوگيري مي كند. و مانع انفجار مي شود. تخليه پودر از آسياب نبايد  به نحوي باشد كه پودر فوراً در تماس با هوا قرار گيرد و باعث احتراق شود. اگر آسياب كردن در مجاورت هوا انجام شود،‌ بايد جدار آسياب و نوع گلوله طوري باشد كه از جرقه زدن  جلو گيري شود.

لحيم هاي نقره و بعضي از آلياژهاي مورد استفاده در دندان پزشكي از طريق ماشين كاري تهيه  مي شوند. روش ماشين كاري، گران است و اين روش فقط وقتي بكار گرفته مي شود كه روشهاي ديگر قابل استفاده نباشد. مثل تهيه پودر منيزيم يا در مواقعي كه قيمت فلز بسيار گران است و قيمت ماشين كاري ناچيز به حساب مي آيد،‌ مثل توليد آلياژ هاي دندان پزشكي.

2-1-1- روش خرد كردن

خرد كردن فلزات به آسياب كردن شبيه است و با توجه به چكش خواري آنها از خرد كن هاي تكي و چكشي  وغيره استفاده مي شود. معدودي از فلزات به قدر كافي ترد و شكننده هستند. ( مانند برليوم آلياژ Mg ،Al اسفنج هاي فلزي كه از راه احياي اكسيد ها با الكتروليز به دست آمده اند) و به آساني خرد مي شوند. بعضي از فلزات را مي توان ترد كرد تا آسانتر خرد شوند . با افزودن گوگرد يا ناخالصيهاي ديگر يك لايه ترد در مرز دانه ها رسوب مي كند وعمل خرد كردن را آسان مي كند. اندازه ذرات پودر خرد شده مشابه دانه هاي قطعه ريخته گري شده است فلزات گروه VA.IVA ( سر گروه هاي در جدول مندليف (C )،VA (A ) IV هستند) با حرارت دادن در محيط هيدروژن ترد مي شوند ( H₂ بعداً خارج مي شود)‌ هيدراتهاي تردي كه ببه اين طريق به دست مي آيند به آساني پودر مي شوند. پودرهاي به دست آمده معمولا زاويه اي هستند و بايد آسياب شوند.

3-1-1- روش آسياب

واژه آسياب كردت به پروسه هايي اطلاق مي شود كه در آن نيروي ضربه اي به مواد خرد شدني وارد مي شود. در بعضي از اين روشها مانند آسياب گلوله اي، پودر با گلوله هاي آسياب كه سخت و مقاوم در مقابل فرسايش اند برخورد مي كند و به رزات ريز تبديل مي شود. نوع آسيابها، لرزشي و يا دوراني هستند تجربه نشان داده است كه آسيابهاي لرزشي راندمان بيشتري دارند و در مقايسه با آسيا بهاي دوار در زمان كوكتاه تري عمل كرد را انجا م مي دهند. در روشHametag با يك ونتيلاتور به ذرات پودر سرعت زيادي داده مي شود تا به يكديگر برخورد كنند.

در روشMicronizer  جت هاي گاز با سرعت زياد ذرات را به همديگر و يا به سطحي پرتاب مي كنند. خرد كردن فلزات چكش خوار فقط زماني عملي مي شود كه فلز با عمل كار سختي ترد وشكننده شده باشد. در آسياب مرطوب با افزودن فعال ساز، به اكتيو كردن سطح كمك كرده و از چسبندگي ذرات جلوگيري مي كنند كه باعث ريزي ذرات مي شود. بهترين عامل آلي اكتيو كردن سطح اسيد- استثاريك است كه با استفاده از آن ذرات به اندازه متوسط 3% ميكرون به دست مي آيد. بااستفاده از پتاسيم فريك سيانيد به عنوان فعال ساز پودر فلزاتي چون آهن، نيكل ، مس، و كروم با ابعاد ريز ميكرون به دست مي آيد .

4-1-1- روش ساچمه اي كردن

با عبور مواد مذاب از روي صفحه اي مشبك يا وسيله اي مشابه آن جريان فلز مذاب به قطرات زيادي تبديل مي شود. اگر اين قطرات در حال سقوط آزاد سخت و منجمد شوند، ذرات كروي ( ساچمه اي ) به دست مي آيد.

5-1-1- روشدانه بندي باگرانوله كردن

اگر انجماد در اثر تماس با آب حاصل شود دانه هاي نامنظم توليد مي شود( مانند توليد سر باره دانه بندي شده در ذوب آهن اصفهاي)  دانه ها نامنظم و درشت اند و به آسياب كردن احتياج دارند تا براي مصرف مناسب تر شوند.

6-1-1- روش اتمايز كردن

در اين روش فلز مذاب را با فشار يا سقوط آزاد از دهانه اي خارج مي كنند مذاب با جتي تحت فشار برخورد مي كند و در نتيجه فلز مايع متلاشي شده و به صورت ذاتي پراكنده مي شود. اندازه ذرات به پارامترهاي اتمايز كردن ( فشار،‌ شكل فطراگذاب، درجه حرارت و … )‌بستگي دارد.

شكل ذرات در سرد كردن سريع،‌ نامنظم و در سرعتهاي كمتر كروي است. سرعت مذاب كه از دهانه نازل خارج  مي شود از طريق  فرمول ذيل به دست مي آيد:

عدد ثابت كه  شكل دهانه = C    m/sec  سرعت =  9.8m/sec²   V

شتاب ثقل =  فشار مذاب خروجي = p1    kg/cm² فشار اتمسفر = p2

Gr/cm² وزن مخصوص فلز =

متلاشي شدن مذاب خروجي بستگي به سرعت خروج  و شكل دهانه فازل دارد. با ازدياد سرعت نسبي گاز و ناب درجه اتمايز شدن افزايش مي يابد. به همين جهت دهانه ها را طوري مي كنند كه سرعت نسبي را زياد كند(‌ شكل 3 ) بر اساس تحقيقات

Ohnesorge سرعت لازم براي متلاشي شدن مذاب به عدد رينولد ( Reynold ) بستگي دارد و در صورتي كه اين عدد از مقادير معيني بيشتر باشد. مذاب متلاشي خواهد شد. عدد رينولد با رابطه زير تبديل مي شود:

عدد رينولد= R                   وزن مخصوص فلز مذاب=

سرعت = V  قطر = d          ويسكوزيته سيال=

ساختمان دستگاه مي تواند به صورتي باشد كه مايع بطور افقي يا عمودي خارج شود. اتمايزكردن با توجه به نوع و خواص پودر مورد احتياج در هوا،‌ اتمسفر محافظ يا خلاء انجام مي شود. اتمايز كردن در خلاء از نظر درجه خلوط پودر بسيار خوب است ولي از لحاظ اقتصادي گران مي باشد.

معمولاً اتمايز كردن در هوا يا اتمسفر محافظ انجام ميشود و در چنين مواردي متلاشي شدن به سرعت نسبي برخومرد مذاب بستگي دارد. پس مي توان مذاب را با سرعت كمي خارج كرد و گاز را با سرعت زياد ( توسط جت) به آن دميد. جت ها مي توانند به صورتهاي مختلفي موازي يا عمودي، هم جهت يا غير هم جهت و … قرار بگيرند.

ولي آنچه مهم است ايجاد سرعتي نسبتاً زياد مي باشد كه موجب متلاشي شدن مذاب شود از اين روش براي تهيه پودر آلياژ هايي مانند برنز استفاده مي شود.

7-1-1- توليد پودر با روش مانسمن

در زمان جنگ جهاني دوم مس كمياب شد. به اين علت از پودر آهن قطعاتي ساخته شد و جايگزين قطعات تي گرديدندكه قبلاً با مس ساخته مي شدند. در روشي كه به D.P.G معروف است، تعدادي تيغه با چرخشي سريع به جريان مذاب برخورد مي كنند و آن را به قطراتي مبدل مي سازد.

قطرات مزبور با جتي از آب برخورد مي كنند و سرد مي شوند اين روش چند سالي مورد استفاده قرار گرفت و سپس به علت نقايصي مانند انجماد فلز روي تيغه ها و اكسيد شدن زياد ذرات منسوخ شد و روش مانسمن جاي آن را گرفت. در اين روش فلز مذاب (‌چدن با سيليسيم پايين ) با هواي فشرده اتمايز مي شود. با عمليات حرارتي در 950 درجه و كنترل مقدار كربن و اكسيژن پودر آهن نسبتاً خالصي به دست مي آيد. اين روش هنوز براي توليد پودر آهن استفاده مي شود. اما براي آلياژ فلزاتي چون كروم – آلومنيم و تيتان ينم كه ايجاد اكسيدهاي پايدارمي كنند بكار برده نمي شود.

اگر هواي فشده يا گاز، عامل اتمايز كردن باشند، سرعت سرد شدن قطرات مذاب آرام است و نيروي كششي سطحي، آنها را قبل از انجماد كروي مي كند، ( اين ذرات كروي براي فيلترهاي فلزي  متخلخل و فلز پاشي مناسب است،‌ در حاليكه براي بيشتر كاربردها متالورژي يكي اين پودر نامناسب است). اگر مذاب با آب اتمايز شود، قطرات در حال اتمايز منجمد مي شوند كه معمولاً شكل آنها نامظم است. البته با بالا بردن حرارت ذوب پودر شكل تقريباً‌كروي پيدا مي كند با كنترل حرارت فلز، فشار آب وقطر دهانه پودر مناسب به دست مي آيد.