وبلاگ

ساخت قطعاتی با اشکال پیچیده، تلرانس دقیق ابعادی و هزینه های کم تولید از جمله مزایای عمده روش متالورژی پودر می باشد. به طور کلی خواص مکانیکی قطعات متالورژی پودر تابعی از چگالی و یا به عبارت دیگر تخلخل باقیمانده در محصولات متالورژی پودر می باشد. بر خلاف مواد سرامیکی، چگالش در جریان فرایند تف­­ جوشی، به دلیل ایجاد تلرانس ابعادی بالا در محصولات متالورژی پودر مطلوب نبوده و لذا چگالی مورد نیاز جهت حصول خواص مکانیکی مطلوب در قطعات متالورژی پودر می بایست در جریان فرایند فشردن حاصل شود. از سوی دیگر حداکثر چگالی قابل حصول در جریان فرایند متراکم سازی پودر های آهنی، به دلیل کارسختی حاصله در مرحله فشردن، به حدود 1/7 گرم بر سانتیمتر مکعب محدود می شود. برای دستیابی به چگالی بالاتر روش های متنوعی نظیر متراکم سازی گرم، فشردن با سرعت بالا، آهنگری پودر، دو بار فشردن/ دو بار تف جوشی و … مورد استفاده قرار می گیرد. در فرایند دو بار فشردن/ دو بار تف جوشی، نمونه های متراکم شده برای بار دوم تحت فرایند فشردن قرار می گیرند، لذا برای به حداقل رساندن اثر کارسختی ناشی از فشردن مرحله اول و چگالش بالاتر در جریان مرحله متراکم سازی ثانویه به یک مرحله عملیات آنیل میانی نیاز می باشد. اعمال کار سرد معمولا موجب کاهش انعطاف پذیری و افزایش استحکام می شود. در جریان فرایند بازیابی این خواص به تدریج به مقادیر اولیه خود بازگشته و تنش های داخلی نیزکاهش می یابد.

 

در این پژوهش، برای بررسی تاثیر فشار فشردن مرحله اول بر درجه حرارت بهینه فرایند آنیل میانی، رنج وسیعی از درجه حرارت آنیل در سه فشار مختلف فشردن اولیه مورد بررسی قرار گرفت. بررسی متالوگرافی نمونه های دو بار فشرده شده نشان می دهد که، تا حدود دمای 800 درجه سانتیگراد تغییرات محسوسی در ریز ساختار دیده نمی شود. با توجه به این نکته که بازیابی هر چه کاملتر در درجه حرارت آنیل بالاتر رخ می دهد؛ لذا می توان انتظار داشت که چگالی خام نمونه ها قبل از فرایند متراکم سازی ثانویه با افزایش درجه حرارت آنیل، به دلیل حذف هر چه بیشتر کارسختی ناشی از اعمال فشردن اولیه، افزایش یابد. اما از سوی دیگر در مورد فولاد های تف جوشی شده حاوی کربن، انحلال کربن در جریان فرایند آنیل دمای بالا منجر به تولید فاز های سخت و غیر شکل پذیر می شود که به نوبه خود تراکم پذیری را در جریان فشردن ثانویه محدود می کند. بنابراین تعیین درجه حرارت بهینه آنیل میانی با در نظر گرفتن دو حد مذکور برای حصول قطعاتی با حداکثر چگالی و متعاقبا خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوب الزامی است.

 

 

 

مرور بر منابع

 

• تاریخچه متالورژی پودر

صنعت متالورژی پودر از زمان های خیلی دور، مدت ها قبل از اینکه صنعتگران با ذوب و ریخته گری آهن آشنا شوند مورد استفاده بوده است. به عنوان مثال می توان به این موضوع اشاره کرد که مصریان قدیم تقریباً 3000 سال قبل از میلاد مسیح به کمک روش متالورژی پودر ابزار آلات آهنی تهیه می کرده اند و یا هندیان قدیم که جواهرات و مصنوعات فراوانی را به کمک پودرهای فلزی ساخته بودند [1].

 

اولین محصول مدرن متالورژی پودر فیلمان های تنگستنی لامپ های الکتریکی بوده که در اوایل قرن نوزدهم تولید شده است. توسعه P/M [1] در دهه ی 30 با تولید کاربیدهای تنگستن جهت ابزارهای برش تداوم یافت و در دهه 60 و 70 با تولید قطعات خودرو و قطعات مربوط به موتورهای هواپیما بیش از پیش با گسترش مواجه شد. تولید قطعات به کمک فرایندهای آهنگری پودر و قالب گیری تزریقی پودر فلزی در دهه ی 90 از دیگر پیشرفت های صنعتی فرایند متالورژی پودر محسوب می شود. تا اینکه در دهه اخیر صنعت متالورژی پودر با ورود به عرصه نانوتکنولوژی خود را با علوم و فرایندهای نوپا و پیشرو در دنیا هماهنگ کرده و همگام با سایر فرایندهای تولید مواد فلزی تمایل به توسعه و گسترش بیش از پیش از خود نشان داده است [1].

 

امروزه بسیاری از قطعات تولید شده به کمک متالورژی پودر در موارد گوناگونی نظیر: اتومبیل ها، ابزار آلات آشپزخانه، تجهیزات باغبانی، کامپیوترها، تجهیزات دندانپزشکی و قطعات مربوط به حفاری چاه های نفت و گاز به کار برده می شوند. از كاربردهای رایج روش تولید متالورژی پودر می­توان به ساخت قطعات مكانیكی مورد استفاده در صنعت خودروسازی از قبیل چرخ­دنده، شاتون، میل بادامك، پیستون، شاتون، قطعات خودروانكارمانند بوشهای متخلخل و غیره اشاره نمود. همچنین برای تولید مواد مخصوص،‌ جدید و پیشرفته (فلزات با دمای ذوب بالا، مواد كامپوزیتی با زمینه های فلزی،‌ بین فلزی و سرامیكی،‌ مواد اصطكاكی،‌ مواد مقاوم به خوردگی مانند فولادهای زنگ نزن تف جوشی شده و سوپرآلیاژها، مواد دیرگداز مانند سرامیک ها،‌ مواد متخلخل مانند فیلترها،‌ فوم های فلزی،‌ مواد مورد استفاده در صنایع الكتریكی نظیر اتصالات الكتریكی و‌ المنت‌های گرماساز، مواد مغناطیسی نرم و سخت،‌ مواد ابزار مانند فولادهای تندبر،‌ كاربیدهای سمانته، سرمتها، الماس و نیتریدها، آلیاژهای سنگین،‌ مواد آمورف و نانوكریستالی، مواد هسته ای و …) از روش متالورژی پودر استـفاده می­گـردد [2].

 

 

 

• روند کلی ساخت قطعات متالورژی پودر

فرایند متالورژی پودر، فرایند تولید قطعات با شکلی نزدیک به شکل نهایی و یا شکل نهایی است. هدف اصلی در این فرایند، تولید توده ای متراکم از پودر های فلزی با استحكام کافی جهت حمل و سپس حرارت‌دهی آن در دمایی كمتر از دمای ذوبش تحت اتمسفر کنترل شده می باشد. در طول این فرایند كه تف جوشی نام دارد، ذرات پودر به یكدیگر جوش خورده و ماده استحكام كافی جهت سرویس‌دهی مورد نظر را می‌یابد [3].

 

درشکل 1-1 روند کلی تولید قطعات تف جوشی شده نشان داده شده است.

 

 

 

 

شکل 1-1- فلوچارت روند كلی ساخت قطعات متالورژی پودر.

با بهره گرفتن از روش متالورژی پودر می­توان قطعاتی در گستره وسیعی از خواص فیزیكی و مکانیکی تولید کرد [4]. عوامل متعددی جهت دستیابی به خواص مورد نظر در مواد تف جوشی شده وجود دارد، اما در بین آنها میزان دانسیته و مقدار عناصر آلیاژی از پارامترهای مهم محسوب می‌شوند [5]. بطور کلی خواص مكانیكی قطعات متالورژی پودر تابعی از دانسیته یا به عبارت دیگر تخلخل باقیمانده می­باشد. افزایش دانسیته در قطعات متالورژی پودر منجر به بهبود خواص فیزیكی و مكانیكی آنها خواهد گردید [6]. روش های متداول ساخت و تولید، جهت افزایش دانسیته در صنعت متالورژی پودر شامل تف جوشی در حضور فاز مایع، فلزخورانی یا عبور تدریجی، دوبار پرس / دو بار تف جوشی، فشردن با سرعت بالا، پرس داغ، پرس ایزواستاتیک داغ، پرس ایزواستاتیک سرد، اكستروژن و آهنگری پودر می‌باشند [7].

 

 

 

• دلایل گسترش متالورژی پودر

دلایل تمایل به سمت قطعات P/M را می توان به صورت زیر دسته بندی نمود:

 

• فرایند P/M یک روش با بهره اقتصادی برای تولید قطعات فلزی با شکلی دقیق و نزدیک به شکل نهایی می باشد.

 

• فرایند P/M از جمله روش های جدید تولید، برای بهبود کیفیت محصول و بهره وری آن به شمار می رود.

 

• محدود کردن عملیات ثانویه پر هزینه ماشینکاری به دلیل تولید قطعاتی با شکلی نزدیک به شکل نهایی.

 

• بهبود بهره وری اقتصادی به واسطه محدود کردن مراحل تولید و امکان فراهم آوردن ویژگی های خاص در قطعات نظیر قابلیت خود روغنکاری و امکان فیلتراسیون کنترل شده در قطعات [1].

 

• به کمک فرایند P/M این امکان وجود دارد که بازده بیش از 97% برای مواد اولیه مصرفی حاصل شود.

 

• P/M روشی مناسب برای تولید قطعاتی با نرخ تولید بالا می باشد.

 

• P/Mامکان تولید رنج وسیعی از محصولات فلزی را فراهم می آورد؛ مواد متخلخل (فیلترها و یاتاقان های خود روغنکار) ، فلزات سخت (کاربید تنگستن) ، فلزات با نقطه ذوب بالا (فلزات دیرگداز) ، مواد کامپوزیتی، مواد آمورف…..

 

• امکان تولید قطعاتی با خواص معادل و یا حتی برتر از محصولات مشابه تولید شده از طریق روش های معمول ریختگی و یا آهنگری [8]. به عنوان نمونه در شکل 1-2 برخی از خواص چرخ دنده تولید شده به روش متالورژی پودر با روش معمول تولید مقایسه شده است. همانطور که در شکل دیده می شود استفاده از فرایند P/M به همراه یک عملیات تکمیلی، سخت کاری سطحی، امکان دسترسی به خواصی برتر از محصول مشابه تولیدی به روش آهنگری و سپس ماشینکاری[3] را فراهم آورده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 1-2- مقایسه برخی از خواص محصولات P/M با سایر روش های تولید [9].

بنا به دلایل ذکر شده افزایش روز افزون تقاضا برای محصولات متالورژی پودر سبب شده است که صنایع تولید قطعات P/M در شمال آمریکا که شامل شرکت های تولید قطعات معمولی متالورژی پودر و  شرکت های تولید محصولات خاص P/M نظیر سوپر آلیاژها، تولیدات متخلخل، مواد اصطکاکی، ابزارهای برش کاربید تنگستنی و فولادهای ابزار می باشند، فروشی در حدود 5 بلیون دلار در سال داشته باشند. جدول 1-1 میزان رشد محموله های این صنایع را بعد از سال 1996 نشان می دهد [1].

 

 

 

جدول 1-1- میزان رشد محموله های صنایع تولید قطعات P/M در شمال آمریکا [1].

 

 

 

همانطور که مشهود است در طول سالهای 1992 تا 1994 بازار قطعات تولید شده توسط صنایع تولید قطعات P/M در شمال آمریکا،

/%d8%af%d8%a7%d9%86%d9%84%d9%88%d8%af-%d9%be%d8%a7%db%8c%d8%a7%d9%86-%d9%86%d8%a7%d9%85%d9%87-%da%a9%d8%a7%d8%b1%d8%b4%d9%86%d8%a7%d8%b3%db%8c-%d8%a7%d8%b1%d8%b4%d8%af%d9%85%d8%aa%d8%a7%d9%84%d9%88/

 

 بزرگترین بازار از نوع خود در دنیا بوده و نرخ رشد 6/18 درصدی را نشان می دهد [1].

 

 

 

1-4- متالورژی پودر در صنعت خودروسازی

 

صنایع خودرو سازی در طی 70 سال گذشته، بیشترین میزان مصرف قطعات متالورژی پودر را به خود اختصاص داده اند. به عنوان نمونه همان طور که در شکل 1-3 نیز نشان داده شده است، می توان اشاره کرد که در اتومبیلهای سواری معمولی در ایالات متحده آمریکا بیش از 43 پوند از قطعات P/M مورد استفاده قرار گرفته است و انتظار می رود در چند سال آینده این میزان با افزایش چشمگیری روبرو    شود [10].

 

شکل 1-3- میزان مصرف قطعات P/M در خودروهای آمریکایی [10].

 

 

 

تكنولوژی متالورژی پودر این امكان را به وجود آورده است تا قطعات اتومبیل از جنس فولادهای        تف جوشی شده،‌ با هزینه تمام شده كمتر، حجم تولیدی زیاد، استفاده بهینه از مواد، صرف كمترین انرژی ممكن برای تولید و دقت ابعادی بسیار زیاد تولید گردند.

 

با وجود تخلخل ذاتی در قطعات متالورژی پودر، این قطعات نسبت به قطعات مشابه ریخته گری یا آهنگری شده سبك تر می باشند و نهایتا منجر به كاهش وزن اتومبیل خواهند گردید [11]. در كنار سوختهای جایگزین به جای سوختهای فسیلی یكی از اهداف سازندگان خودرو كاهش مصرف اتومبیل ها تا حد سه لیتر برای صدكیلومتر است كه برای رسیدن به این هدف كاهش وزن اتومبیل ها به موازات توسعه سیستم موتور و انتقال قدرت ضروری است. با بهره گرفتن از قطعات متالورژی پودر (قطعات فولادی تف جوشی شده) در كنار مواد سبكی مانند تیتانیم، منیزیم، آلومینیوم و پلاستیک های پیشرفته می توان وزن خودروها را كاهش داده و در نهایت باعث كاهش مصرف سوخت خودروها گردید. با بهره گرفتن ازتكنولوژی متالورژی پودر، می­توان به دانسیته های متفاوتی بسته به نیازهای كاربردی قطعات دست یافت. بعلاوه، با بهینه‌سازی شرایط تف جوشی، می توان بیشترین نسبت استحكام به وزن را در قطعات متالورژی پودر بدست آورد. تمامی این فاكتورها، گویای این حقیقت هستند كه تكنولوژی فولادهای   تف جوشی شده نقش بسیار مهمی در كاهش وزن اتومبیل­ها دارد [12].

 

 

 

قطعات P/M در داخل خودرو دارای دو کاربرد اساسی هستند:

 

• کاربردهای موتوری شامل قطعاتی نظیر: پولی ها و چرخ دنده های میل بادامک، میل لنگ، میل اسبک و … شکل1-4.

 

 

                                          شکل 1-4- قطعات P/Mمورد کاربرد در موتور خودروها [12].

 

 

 

• کاربردهای انتقال قدرت شامل قطعاتی نظیر: میل دنده های موجود در گیربکس های دستی شکل1-5، [12].

 

 

شکل 1-5- قطعات P/M مورد استفاده در موارد مربوط به انتقال قدرت [12].

 

 

 

از جمله قطعات دیگر مصرفی در خودرو که به روش متالورژی پودر تولید می شوند عبارتند از:

 

پیستونهای کمک فنر، هادی میله کمک فنر، قرقره دندانه دار، چرخ دنده های حلزونی کوچک، میله اتصال پمپ انژکتور موتور دیزل، تکیه گاه اهرم کنترل انتقال قدرت در اتومبیل سواری، حلقه سنکرو نایز کننده در کامیون، نگهدارنده آئینه داخل اتومبیل، چرخ همزمان کننده، چرخ دنده های پمپ اتومبیل، مجموعه چرخ دنده، شاتون خودرو و…[13].

 

 

 

 

 

شكل 1-6- قفل كنندة مخروطی كامیون شركت اسكانیا كه با تكنیكهای متالورژی پودر و آهنگری [4]تولید شده [13].             شكل 1–7- یوكهای انژكتور[5] كامیون ولو تولید شده به روش فورج (سمت چپ) و متالورژی پودر     (سمت راست) [13].

بنابراین صنایع خودروسازی ایران نیز با توجه به گسترش و نقش روز افزون محصولات پودری تمایل بسیاری برای جایگزینی رنج وسیعی از قطعات مصرفی خودرو های سواری داخلی که به روش های معمول ریخته گری و یا شکل دهی تولید می شوند را، با محصولات مشابه P/M دارا هستند.

 

 

 

 

 

1-5- روش های ساخت قطعات متالورژی پودر

 

روش های ساخت قطعات متالورژی پودر را می توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد؛

 

• روش های معمولی (پرس+ تف جوشی)

 

• روش های حصول حداکثر چگالی

 

 

1-5-1- فرایند های معمول (پرس+ تف جوشی)

 

این فرایند مطابق با گام های نشان داده شده در شکل 1-8 انجام می شود [1].

 

شکل 1-8- فرایند معمول (پرس+تف جوشی) [1].

 

 

 

در این روش پودر به گونه ای انتخاب می شود تا بتواند محدودیت ها و قید های فرایند و همچنین نیازهای قطعه نهایی را برطرف سازد. برای مثال: در روش فشردن سرد از پودرهایی با شکل غیر یکنواخت استفاده می شود تا از حصول استحکام کافی و یکنواختی ساختاری در محصول پرس شده اطمینان حاصل شود. از آنجایی که پودر توسط ابزارهای شکل دهنده سخت و با بهره گرفتن از یک حرکت فشاری عمودی فشرده می شود، لذا شکل و ابعاد محصول با قید هایی نظیر گنجایش پرس، تراکم پذیری پودر و سطح چگالی مورد نیاز برای محصول نهایی محدود می شود. برای بسیاری از محصولات متالورژی پودر این محدودیت ها شامل؛ ابعاد قطعه (مساحت سطح متراکم شده) حداکثر cm2 160، ضخامت قطعه حداکثر mm75 و وزن قطعه حداکثر Kg 2/2 می باشد [1].

 

دو روش معمول فشردن پودر در فرایندهای معمول (پرس + تف جوشی) به کار می رود:

 

• فشردن سرد در داخل قالب های صلب

 

• فشردن گرم

 

• Powder Metallurgy

 

• Sintering

 

• Reference SS92506

 

• Forging

 

• Injection Yokes