Pulvermetallurgi - Powder metallurgy

Jernpulver brukes ofte til sintring

Pulvermetallurgi ( PM ) er et begrep som dekker en lang rekke måter materialer eller komponenter er laget av metallpulver på . PM -prosesser kan unngå, eller redusere behovet for å bruke metallfjerningsprosesser , og derved redusere avlingstapene drastisk i produksjonen og ofte resultere i lavere kostnader.

Pulvermetallurgi brukes også til å gjøre unike materialer umulige å få fra å smelte eller danne på andre måter. Et veldig viktig produkt av denne typen er wolframkarbid (WC). WC brukes til å kutte og danne andre metaller og er laget av WC -partikler bundet med kobolt. Det er veldig mye brukt i industrien for verktøy av mange typer og globalt ~ 50 000 tonn /år (t /y) er laget av PM. Andre produkter inkluderer sintrede filtre, porøse oljeimpregnerte lagre, elektriske kontakter og diamantverktøy.

Siden ankomsten av industriell produksjonsskala metallpulverbasert additiv produksjon (AM) på 2010 -tallet, er selektiv lasersintring og andre metall AM -prosesser en ny kategori av kommersielt viktige pulvermetallurgiapplikasjoner.

Oversikt

Pulvermetallurgipressen og sintringsprosessen består generelt av tre grunnleggende trinn: pulverblanding (pulverisering), komprimering og sintring. Komprimering utføres vanligvis ved romtemperatur, og prosessen med forhøyet temperatur med sintring utføres vanligvis ved atmosfærisk trykk og under nøye kontrollert atmosfæresammensetning. Valgfri sekundær behandling som mynting eller varmebehandling følger ofte for å oppnå spesielle egenskaper eller forbedret presisjon.

En av de eldre slike metodene, og fremdeles en som ble brukt til å lage rundt 1 Mt/y av strukturelle komponenter i jernbaserte legeringer, er prosessen med å blande fint (<180 mikron) metallpulver (normalt jern) med tilsetningsstoffer som smøremiddel voks, karbon , kobber og/eller nikkel , trykke dem inn i en form med ønsket form, og deretter varme det komprimerte materialet ("grønn del") i en kontrollert atmosfære for å binde materialet ved sintring. Dette produserer presise deler, normalt svært nær formstørrelsen, men med 5–15% porøsitet, og dermed egenskaper i underkonstruert stål. Det er flere andre PM -prosesser som har blitt utviklet de siste femti årene. Disse inkluderer:

  • Pulversmiing: En "preform" laget av den konvensjonelle "presse- og sintringsmetoden" blir oppvarmet og deretter varmsmidd til full tetthet, noe som resulterer i praktisk talt bearbeidede egenskaper.
  • Varm isostatisk pressing (HIP): Her fylles pulveret (normalt gassformet, sfærisk type) i en form, normalt bestående av en metallisk "boks" med passende form. Boksen vibreres, evakueres og forsegles. Den plasseres deretter i en varm isostatisk presse, der den oppvarmes til en homolog temperatur på rundt 0,7, og utsettes for et eksternt gasstrykk på ~ 100 MPa (1000 bar, 15.000 psi) i flere timer. Dette resulterer i en formet del av full tetthet med egendefinerte eller bedre egenskaper. HIP ble oppfunnet på 1950-60-tallet og gikk inn i tonnasjeproduksjon på 1970-80-tallet. I 2015 ble det brukt til å produsere ~ 25 000 t/år av rustfritt stål og verktøystål, samt viktige deler av superlegeringer for jetmotorer.
  • Metallsprøytestøping (MIM): Her blandes pulveret, normalt veldig fint (<25 mikron) og sfærisk, med plast eller voksbindemiddel til nær maksimal fast belastning, vanligvis rundt 65vol%, og sprøytestøpt for å danne en "grønn" del av kompleks geometri. Denne delen blir deretter oppvarmet eller på annen måte behandlet for å fjerne bindemiddelet (avbinding) for å gi en "brun" del. Denne delen sintres deretter og krymper med ~ 18% for å gi en kompleks og 95–99% tett ferdig del (overflateruhet ~ 3 mikron). Oppfunnet på 1970 -tallet har produksjonen økt siden 2000 med et estimert globalt volum i 2014 på 12 000 t til en verdi av 1265 millioner euro.
  • Elektrisk strømassistert sintring (ECAS) teknologier er avhengige av elektriske strømmer for å fortette pulver, med fordelen av å redusere produksjonstiden dramatisk (fra 15 minutter med den tregeste ECAS til noen få mikrosekunder av de raskeste), som ikke krever lang ovnvarme og tillater nær teoretiske tettheter, men med ulempen ved enkle former. Pulver som brukes i ECAS kan unngå bindemidler takket være muligheten for direkte sintring, uten behov for forhåndspressing og en grønn kompakt. Formene er designet for den endelige delformen siden pulverene fortetter seg mens de fyller hulrommet under et påført trykk og dermed unngår problemet med formvariasjoner forårsaket av ikke -isotrop sintring og forvrengninger forårsaket av tyngdekraften ved høye temperaturer. Den vanligste av disse teknologiene er varmpressing , som har vært under bruk for produksjon av diamantverktøyene som brukes i byggebransjen. Spark plasma sintring og elektro sintring smi er to moderne, industrielle kommersielle ECAS teknologier.
  • Additiv produksjon (AM) er en relativt ny familie av teknikker som bruker metallpulver (blant annet materialer, for eksempel plast) for å lage deler ved lasersintring eller smelting. Dette er en prosess under rask utvikling fra 2015, og om det skal klassifiseres som en PM -prosess, er kanskje usikkert på dette stadiet. Prosesser inkluderer 3D -utskrift , selektiv lasersintring (SLS), selektiv lasersmelting (SLM) og elektronstrålesmelting (EBM).

Historie og evner

Pulvermetallurgiens historie og metall og keramisk sintring er nært knyttet til hverandre. Sintring innebærer produksjon av et hardt metall eller keramisk stykke fra et startpulver. De gamle inkaene laget smykker og andre gjenstander av edelt metallpulver, selv om masseproduksjon av PM -produkter ikke begynte før på midten eller slutten av 1800 -tallet. I disse tidlige produksjonsoperasjonene ble jern ekstrahert for hånd fra metalsvamp etter reduksjon og ble deretter gjeninnført som et pulver for sluttsmelting eller sintring.

Et mye bredere produktspekter kan fås fra pulverprosesser enn fra direkte legering av smeltede materialer. I smelteoperasjoner gjelder " faseregelen " for alle rene og kombinerte elementer og dikterer strengt fordelingen av flytende og faste faser som kan eksistere for spesifikke sammensetninger. I tillegg kreves det at hele kroppen smelter utgangsmaterialer for legering, og pålegger dermed uønskede kjemiske, termiske og inneslutningsbegrensninger for produksjonen. Dessverre gir håndtering av aluminium/jernpulver store problemer. Andre stoffer som er spesielt reaktive med atmosfærisk oksygen, for eksempel titan , kan sintres i spesielle atmosfærer eller med midlertidige belegg.

I pulvermetallurgi eller keramikk er det mulig å fremstille komponenter som ellers ville dekomponere eller gå i oppløsning. Alle hensyn til fast-væske faseendringer kan ignoreres, så pulverprosesser er mer fleksible enn støpe- , ekstruderings- eller smiingsteknikker . Kontrollerbare egenskaper ved produkter fremstilt ved bruk av forskjellige pulverteknologier inkluderer mekaniske, magnetiske og andre ukonvensjonelle egenskaper av slike materialer som porøse faste stoffer, aggregater og intermetalliske forbindelser. Konkurransedyktige egenskaper ved produksjonsbehandling (f.eks. Verktøyslitasje, kompleksitet eller leverandøralternativer) kan også kontrolleres nøye.

Pulverproduksjonsteknikker

Ethvert smeltbart materiale kan atomiseres. Det er utviklet flere teknikker som tillater store produksjonshastigheter av pulveriserte partikler, ofte med betydelig kontroll over størrelsesområdene til den endelige kornpopulasjonen. Pulver kan fremstilles ved knusing, sliping, kjemiske reaksjoner eller elektrolytisk avsetning. De mest brukte pulverene er kobberbaserte og jernbaserte materialer.

Pulvere av elementene titan, vanadium, thorium, niob, tantal, kalsium og uran er blitt fremstilt ved høytemperatur- reduksjon av de tilsvarende nitrider og karbider . Jern-, nikkel-, uran- og beryllium -submikrometerpulver oppnås ved å redusere metalliske oksalater og formater . Ekstremt fine partikler er også blitt fremstilt ved å lede en strøm av smeltet metall gjennom en høytemperatur plasmastråle eller flamme og atomisere materialet. Ulike kjemiske og flammeassosierte pulveriseringsprosesser brukes delvis for å forhindre alvorlig nedbrytning av partikkeloverflater av atmosfærisk oksygen.

I tonnasje dverger produksjonen av jernpulver til PM-konstruksjonsdelproduksjon produksjonen av alle ikke-jernholdige metallpulver tilsammen. Nesten alt jernpulver produseres ved en av to prosesser: svampjernprosessen eller vannatomisering.

Svampjernprosess

Den lengste etablerte av disse prosessene er svampjernprosessen, det ledende eksemplet på en prosessfamilie som involverer reduksjon av et oksid i fast tilstand. I prosessen blandes valgt magnetitt (Fe 3 O 4 ) malm med koks og kalk og plasseres i en silisiumkarbid -retort. Den fylte retorten blir deretter oppvarmet i en ovn, hvor reduksjonsprosessen etterlater en jern "kake" og et slagg. I påfølgende trinn tømmes retorten, den reduserte jernsvampen skilles fra slaggen og knuses og glødes.

Det resulterende pulveret er svært uregelmessig i partikkelform, og sikrer derfor god "grønn styrke" slik at pressede kompakter lett kan håndteres før sintring, og hver partikkel inneholder indre porer (derav begrepet "svamp") slik at den gode grønne styrke er tilgjengelig ved lave komprimerte tetthetsnivåer.

Svampjern gir råmaterialet til alle jernbaserte selvsmørende lagre, og står fortsatt for rundt 30% av jernpulverforbruket i PM-konstruksjonsdeler.

Atomisering

Atomisering oppnås ved å tvinge en smeltet metallstrøm gjennom en åpning ved moderate trykk. En gass blir introdusert i metallstrømmen like før den forlater munnstykket, og tjener til å skape turbulens når den medfølgende gassen ekspanderer (på grunn av oppvarming) og kommer ut i et stort oppsamlingsvolum utvendig til åpningen. Oppsamlingsvolumet er fylt med gass for å fremme ytterligere turbulens av den smeltede metallstrålen. Luft- og pulverstrømmer skilles ved hjelp av tyngdekraften eller syklonisk separasjon . De fleste forstøvede pulver blir glødet, noe som bidrar til å redusere oksid- og karboninnholdet. De vann forstøvede partiklene er mindre, renere og ikke -porøse og har en større bredde, noe som gir bedre komprimering. Partiklene som produseres ved denne metoden er normalt av sfærisk eller pæreform. Vanligvis bærer de også et lag med oksid over dem.

Det er tre typer atomisering:

  • Flytende forstøvning
  • Gassforstøvning
  • Sentrifugal forstøvning

Enkle forstøvningsteknikker er tilgjengelige der flytende metall presses gjennom en åpning med tilstrekkelig høy hastighet for å sikre turbulent strømning. Den vanlige ytelsesindeksen som brukes er Reynolds -tallet R = fvd/n, hvor f = væsketetthet, v = utgangsstrømmens hastighet, d = åpningens diameter og n = absolutt viskositet. Ved lav R svinger væskestrålen, men ved høyere hastigheter blir strømmen turbulent og brytes til dråper. Pumpeenergi tilføres dråpedannelse med svært lav effektivitet (i størrelsesorden 1%), og kontrollen over størrelsesfordelingen til metallpartiklene som produseres er ganske dårlig. Andre teknikker som dysevibrasjon, dyseasymmetri, flere støtende strømmer eller smeltet metallinjeksjon i omgivende gass er alle tilgjengelige for å øke forstøvningseffektiviteten, produsere finere korn og for å begrense partikkelstørrelsesfordelingen. Dessverre er det vanskelig å kaste ut metaller gjennom åpninger som er mindre enn noen få millimeter i diameter, noe som i praksis begrenser minimumsstørrelsen på pulverkorn til omtrent 10 mikrometer. Atomisering gir også et bredt spekter av partikkelstørrelser, noe som nødvendiggjør nedstrøms klassifisering ved screening og omsmelting av en betydelig brøkdel av korngrensen.

Sentrifugal oppløsning

Sentrifugal oppløsning av smeltede partikler gir en vei rundt disse problemene. Omfattende erfaring er tilgjengelig med jern, stål og aluminium. Metall som skal pulveriseres formes til en stang som føres inn i et kammer gjennom en raskt roterende spindel. Overfor spindelspissen er en elektrode hvorfra det etableres en bue som varmer metallstangen. Etter hvert som spissmaterialet smelter, kaster den hurtige stangrotasjonen av små smeltedråper som størkner før de treffer kammerveggene. En sirkulerende gass feier partikler fra kammeret. Lignende teknikker kan brukes i verdensrommet eller på månen. Kammerveggen kan roteres for å tvinge nytt pulver inn i fjernsamlingsbeholdere, og elektroden kan erstattes av et solspeil fokusert på enden av stangen.

En alternativ tilnærming som er i stand til å produsere en meget smal fordeling av kornstørrelser, men med lav gjennomstrømning, består av en hurtig spinnende bolle oppvarmet til godt over smeltepunktet for materialet som skal pulveriseres. Flytende metall, introdusert på overflaten av bassenget nær sentrum ved strømningshastigheter justert for å tillate en tynn metallfilm å skumme jevnt opp langs veggene og over kanten, brytes i dråper, hver omtrent filmens tykkelse.

Andre teknikker

En annen pulverproduksjonsteknikk innebærer en tynn stråle av flytende metall som skjæres av høyhastighetsstrømmer med atomisert vann som bryter strålen i dråper og avkjøler pulveret før det når bunnen av beholderen. I påfølgende operasjoner tørkes pulveret. Dette kalles vannatomisering. Fordelen med vannforstøvning er at metall størkner raskere enn ved forstøvning av gass siden varmekapasiteten til vann er noen størrelser høyere enn gasser. Siden størkningshastigheten er omvendt proporsjonal med partikkelstørrelsen, kan mindre partikler lages ved hjelp av vannatomisering. Jo mindre partiklene er, desto mer homogen blir mikrostrukturen. Legg merke til at partikler vil ha en mer uregelmessig form og partikkelstørrelsesfordelingen vil være bredere. I tillegg kan en viss overflatekontaminering oppstå ved dannelse av oksidasjon av huden. Pulver kan reduseres ved en slags forkonsolideringsbehandling, for eksempel gløding som brukes til fremstilling av keramiske verktøy.

Pulverkomprimering

Rhodium- metall: pulver, presset pellet (3 x 10 5 psi) smeltes igjen.

Pulverkomprimering er prosessen med å komprimere metallpulver i en dør gjennom påføring av høyt trykk. Vanligvis holdes verktøyene i vertikal retning med hullverktøyet som danner bunnen av hulrommet. Pulveret komprimeres deretter til en form og blir deretter kastet ut av formhulen. I en rekke av disse applikasjonene kan delene kreve svært lite tilleggsarbeid for den tiltenkte bruken; sørger for svært kostnadseffektiv produksjon.

Tettheten til det komprimerte pulveret øker med mengden trykk som påføres. Typiske trykk varierer fra 80 psi til 1000 psi (0,5 MPa til 7 MPa), trykk fra 1000 psi til 1.000.000 psi er oppnådd. Trykk på 10 t/in² til 50 t/in² (150 MPa til 700 MPa) brukes vanligvis for komprimering av metallpulver. For å oppnå det samme kompresjonsforholdet på tvers av en komponent med mer enn ett nivå eller høyde, er det nødvendig å arbeide med flere nedre slag. Et sylindrisk arbeidsstykke er laget av verktøy på ett nivå. En mer kompleks form kan lages av det vanlige verktøyet på flere nivåer.

Produksjonshastigheter på 15 til 30 deler per minutt er vanlige.

Det er fire hovedklasser av verktøystiler: enkeltvirkende komprimering, brukt til tynne, flate komponenter; motsatt dobbel handling med to slagbevegelser, som rommer tykkere komponenter; dobbel handling med flytende dør; og tilbaketrekning av dobbel handling dør. Dobbelt handlingsklasser gir mye bedre tetthetsfordeling enn enkelt handling. Verktøyet må være utformet slik at det tåler ekstremt trykk uten å deformere eller bøye seg. Verktøy må være laget av materialer som er polerte og slitesterke.

Bedre emner kan oppnås ved å undertrykke og sintre på nytt.

Dø pressende

Pulverpakningspresse

Den dominerende teknologien for dannelse av produkter fra pulvermaterialer, både når det gjelder tonnasje og antall produserte deler, er pressing. Det er mekaniske, servo-elektriske og hydrauliske presser tilgjengelig på markedet, der den største pulvermengden blir behandlet av hydrauliske presser. Denne formingsteknologien innebærer en produksjonssyklus som består av:

  1. Fylling av et hulrom med et kjent volum av pulverråmaterialet, levert fra en fyllingssko.
  2. Komprimering av pulveret i dysen med slag for å danne kompakten. Vanligvis påføres komprimeringstrykk gjennom slag fra begge ender av verktøysettet for å redusere nivået av tetthetsgradient i kompakten.
  3. Utstøting av kompakten fra dysen, ved bruk av nedre slag (er) som trekkes ut av dysen.
  4. Fjerning av kompakten fra dysens overside ved hjelp av fyllskoen i fylletappen i neste syklus, eller et automatiseringssystem eller en robot.

Denne syklusen tilbyr en lett automatisert og høy produksjonshastighetsprosess.

Designhensyn

Sannsynligvis er det mest grunnleggende hensynet å kunne fjerne delen fra dysen etter at den er presset, sammen med å unngå skarpe hjørner i designet. Det anbefales å holde det maksimale overflatearealet under 0,013 m 2 og høyde-til-diameter-forholdet under 7-til-1. Sammen med å ha vegger tykkere enn 2,0 mm (0,08 tommer) og holde de tilstøtende veggtykkelsesforholdene under 2,5 til 1.

En av de store fordelene med denne prosessen er dens evne til å produsere komplekse geometrier. Deler med undersnitt og gjenger krever en sekundær bearbeiding. Typiske del størrelser varierer fra 0,1 kvadrat inches (0,65 cm 2 ) til 20 kvadrat inches (130 cm 2 ). i området og fra 0,25 til 10 tommer (0,25 til 10,16 cm) i lengde. Det er imidlertid mulig å fremstille deler som er mindre enn 0,1 kvadrat inches (0,65 cm 2 ) og større enn 25 kvadrat inches (160 cm 2 ). i området og fra en brøkdel av en tomme (2,54 cm) til omtrent 8 inches (20 cm) i lengde.

Isostatisk pressing

I noen pressoperasjoner, for eksempel varm isostatisk pressing (HIP), oppstår kompakt formasjon og sintring samtidig. Denne fremgangsmåten, sammen med eksplosjonsdrevne komprimeringsteknikker, brukes mye i produksjonen av deler med høy temperatur og høy styrke, for eksempel turbineskiver til jetmotorer. I de fleste bruksområder av pulvermetallurgi varmpresses kompakten, oppvarmes til en temperatur som materialene ikke kan forbli arbeidsherdede over. Varmpressing senker trykket som kreves for å redusere porøsitet og fremskynder sveising og korndeformasjonsprosesser. Det tillater også bedre dimensjonal kontroll av produktet, reduserer følsomheten for utgangsmaterialers fysiske egenskaper, og gjør at pulver kan komprimeres til høyere tettheter enn ved kaldpressing, noe som resulterer i høyere styrke. Negative aspekter ved varmpressing inkluderer kortere dørlevetid, langsommere gjennomstrømning på grunn av oppvarming av pulver og den hyppige nødvendigheten av beskyttende atmosfærer under formings- og avkjølingstrinn.

Isostatisk pulverkomprimering

Isostatisk pulverkomprimering er en massekonserverende formingsprosess. Fine metallpartikler plasseres i en fleksibel form, og deretter påføres høyt væsketrykk på formen, i motsetning til det direkte trykket som påføres av formens overflater i en formpressingsprosess. Den resulterende artikkelen sintres deretter i en ovn som øker styrken til delen ved å binde metallpartiklene. Denne produksjonsprosessen produserer svært lite metallskrap og kan brukes til å lage mange forskjellige former. Toleransene denne prosessen kan oppnå er veldig presise, alt fra +/- 0,008 tommer (0,2 mm) for aksiale dimensjoner og +/- 0,020 tommer (0,5 mm) for radielle dimensjoner. Dette er den mest effektive typen pulverkomprimering (følgende underkategorier er også fra denne referansen). Denne operasjonen er generelt bare anvendelig på små produksjonsmengder, selv om kostnaden for en form som er mye lavere enn for pressemaskiner, er den vanligvis ikke gjenbrukbar og produksjonstiden er mye lengre.

Komprimeringstrykk varierer fra 15 000  psi (100 000  kPa ) til 40 000 psi (280 000 kPa) for de fleste metaller og omtrent 2 000 psi (14 000 kPa) til 10 000 psi (69 000 kPa) for ikke-metaller. Tettheten av isostatiske komprimerte deler er 5% til 10% høyere enn ved andre pulvermetallurgiprosesser.

Utstyr

Det er mange typer utstyr som brukes i isostatisk pulverkomprimering. Det er formen som inneholder delen, som er fleksibel, en fleksibel ytre trykkform som inneholder og forsegler formen, og maskinen som leverer trykket. Det finnes også enheter for å kontrollere mengden trykk og hvor lenge trykket holdes. Maskinene må påføre trykk fra 15.000 til 40.000 pund per kvadrattomme (100 til 280 MPa) for metaller.

Geometriske muligheter

Typiske størrelser på arbeidsstykker varierer fra 6,35 mm til 19,05 mm tykke og 12,70 mm til 254 mm lange. Det er mulig å komprimere arbeidsstykker som er mellom 1,59 mm og 127 mm tykke og 1,59 mm til 1,06 mm lange.

Verktøystil

Isostatiske verktøy er tilgjengelig i tre stiler, fri form (våtpose), grov form (fuktig pose) og fast form (tørrpose). Friformstilen er den tradisjonelle stilen med isostatisk komprimering og brukes vanligvis ikke for høyt produksjonsarbeid. Ved fri formverktøy fjernes formen og fylles utenfor beholderen. Fuktpose er der formen er plassert i beholderen, men likevel fylt utvendig. Ved fast formverktøy er formen inne i beholderen, noe som letter automatisering av prosessen.

Varm isostatisk pressing

Hovedartikkel: Varm isostatisk pressing

Varm isostatisk pressing (HIP) komprimerer og sintrer delen samtidig ved å påføre varme fra 480 ° C til 1230 ° C. Argongass er den vanligste gassen som brukes i HIP fordi den er en inert gass, og forhindrer dermed kjemiske reaksjoner under operasjonen.

Kald isostatisk pressing

Kald isostatisk pressing (CIP) bruker væske som et middel for å presse formen ved romtemperatur. Etter fjerning må delen fortsatt sintres. Det er nyttig å fordele trykket jevnt over komprimeringsmaterialet i en gummipose.

Designhensyn

Fordeler i forhold til standard pulverkomprimering er muligheten for tynnere vegger og større arbeidsstykker. Forholdet mellom høyde og diameter har ingen begrensning. Det finnes ingen spesifikke begrensninger i variasjoner i veggtykkelse, undersnitt , relieffer, tråder og tverrhull. Ingen smøremidler er nødvendig for isostatisk komprimering av pulver. Den minimale veggtykkelsen er 1,27 mm (0,05 tommer), og produktet kan ha en vekt på mellom 18 og 136 kg. Det er 25 til 45% krymping av pulveret etter komprimering.

Sintring

Hovedartikkel: Sintring

Etter komprimering blir pulveriserte materialer oppvarmet i en kontrollert atmosfære i en prosess som kalles sintring. Under denne prosessen bindes overflatene til partiklene og ønskelige egenskaper oppnås.

Sintring av pulvermetaller er en prosess der partikler under trykk kjemisk binder seg til seg selv for å danne en sammenhengende form når de utsettes for høy temperatur. Temperaturen der partiklene sintres er oftest under smeltepunktet for hovedkomponenten i pulveret. Hvis temperaturen er over smeltepunktet for en komponent i pulvermetaldelen, fyller væsken i de smeltede partiklene porene. Denne typen sintring er kjent som sintring i flytende tilstand. En stor utfordring med sintring generelt er å kjenne effekten av prosessen på dimensjonene til de kompakte partiklene. Dette er spesielt vanskelig for verktøyformål der spesifikke dimensjoner kan være nødvendige. Det er mest vanlig at den sintrede delen krymper og blir tettere, men den kan også utvide seg eller oppleve ingen nettoendring.

Den viktigste drivkraften for sintring av solid state er et overskudd av overflatefri energi. Prosessen med sintring i fast tilstand er kompleks og avhengig av material- og ovnforholdene (temperatur og gass). Det er seks hovedtrinn som sintringsprosesser kan grupperes i som kan overlappe hverandre: 1 innledende binding mellom partikler, 2) halsvekst, 3) lukking av porekanal, 4) poreavrunding, 5) fortetting eller porekrymping, og 6 ) poreforming. Hovedmekanismene i disse stadiene er fordampning , kondens , korngrenser , volumdiffusjon og plastisk deformasjon .

De fleste sintringsovner inneholder tre soner med tre forskjellige egenskaper som hjelper til med å utføre de seks trinnene ovenfor. Den første sonen, som vanligvis ble laget for utbrenting eller rensing, er designet for å forbrenne luft, brenne forurensninger som smøremiddel eller bindemidler og sakte øke temperaturen på de kompakte materialene. Hvis temperaturen på de kompakte delene økes for raskt, vil luften i porene ha et meget høyt indre trykk som kan føre til ekspansjon eller brudd på delen. Den andre sonen, kjent som høytemperatur-trinnet, brukes til å produsere faststoffdiffusjon og partikkelbinding. Materialet søker å senke overflatenergien og gjør det ved å bevege seg mot kontaktpunktene mellom partikler. Kontaktpunktene blir større og til slutt dannes en solid masse med små porer. Den tredje sonen, også kalt kjøleperioden, brukes til å kjøle ned delene mens den fortsatt er i en kontrollert atmosfære. Dette er en viktig sone, da den forhindrer oksidasjon fra umiddelbar kontakt med luften eller et fenomen som kalles hurtig nedkjøling. Alle de tre trinnene må utføres i en kontrollert atmosfære uten oksygen. Hydrogen, nitrogen, dissosiert ammoniakk og sprukne hydrokarboner er vanlige gasser som pumpes inn i ovnssonene og gir en reduserende atmosfære som forhindrer dannelse av oksid.

Under denne prosessen økes en rekke egenskaper, inkludert styrke , duktilitet , seighet og elektrisk og termisk ledningsevne til materialet. Hvis forskjellige grunnpulvere er kompakte og sintrede, vil materialet danne legeringer og intermetalliske faser.

Etter hvert som porestørrelsene reduseres, vil tettheten av materialet øke. Som nevnt ovenfor er denne krympingen et stort problem ved fremstilling av deler eller verktøy der det kreves spesielle dimensjoner. Krympingen av testmaterialer overvåkes og brukes til å manipulere ovnforholdene eller for å overdimensjonere de kompakte materialene for å oppnå de ønskede dimensjonene. Selv om sintringen ikke ødelegger den kompakte delen av porøsitet . Generelt inneholder pulvermetaldeler fem til tjuefem prosent porøsitet etter sintring.

For å muliggjøre effektiv stabling av produktet i ovnen under sintring og forhindre at deler henger sammen, skiller mange produsenter fra seg varer ved hjelp av keramiske pulver separatorark. Disse arkene er tilgjengelige i forskjellige materialer som aluminiumoksyd, zirkonia og magnesia. De er også tilgjengelige i fine, mellomstore og grove partikkelstørrelser. Ved å matche materialet og partikkelstørrelsen til varene som sintres, kan overflateskader og forurensning reduseres, samtidig som ovnbelastningen maksimeres per batch.

En nylig utviklet teknikk for høyhastighets sintring innebærer å føre høy elektrisk strøm gjennom et pulver for å fortrinnsvis varme opp asperitetene . Det meste av energien tjener til å smelte den delen av kompakten der migrasjon er ønskelig for fortetting; relativt lite energi absorberes av bulkmaterialene og formingsmaskiner. Naturligvis er denne teknikken ikke anvendelig for elektrisk isolerende pulver.

Kontinuerlig pulverbehandling

Uttrykket "kontinuerlig prosess" bør bare brukes for å beskrive produksjonsmåter som kan forlenges på ubestemt tid. Normalt refererer begrepet imidlertid til prosesser hvis produkter er mye lengre i en fysisk dimensjon enn i de to andre. Komprimering, rulling og ekstrudering er de vanligste eksemplene.

I en enkel komprimeringsprosess strømmer pulver fra en beholder til en tovegget kanal og komprimeres gjentatte ganger vertikalt av en horisontalt stasjonær stans. Etter å ha fjernet kompressen fra transportøren, blir den komprimerte massen introdusert i en sintringsovn. En enda enklere tilnærming er å spraye pulver på et belte i bevegelse og sintre det uten kompresjon. Imidlertid er det vanskelig å finne gode metoder for å fjerne kaldpressede materialer fra belte i bevegelse. Et alternativ som helt unngår belte-strippingsvanskeligheten, er produksjon av metallplater ved bruk av motstående hydrauliske søyler , selv om det kan oppstå svakhetslinjer over arket under påfølgende pressoperasjoner.

Pulver kan også rulles for å produsere ark. Det pulveriserte metallet mates inn i et tohøyt valsemølle og komprimeres til stripeform med opptil 100 fot per minutt (0,5 m/s). Strimmelen sintres deretter og utsettes for en ny rulling og ytterligere sintring. Valsing brukes ofte til å produsere metallplater for elektriske og elektroniske komponenter, samt mynter . Det er også gjort mye arbeid med å rulle flere lag med forskjellige materialer samtidig til ark.

Ekstruderingsprosesser er av to generelle typer. I en type blandes pulveret med et bindemiddel eller myknemiddel ved romtemperatur; i den andre ekstruderes pulveret ved forhøyede temperaturer uten forsterkning. Ekstruderinger med bindemidler brukes i stor utstrekning ved fremstilling av wolframkarbidkompositter. Rør, komplekse seksjoner og spiralborformer er produsert i forlengede lengder og diametre som varierer i området 0,5–300 mm (0.020–11.811 in). Tråder av hardmetall med en diameter på 0,1 mm (0,0039 tommer) er trukket fra pulvermateriale. I motsatt ekstrem kan store ekstruderinger på tonnasje være gjennomførbare.

For mykere, lettere å danne metaller som aluminium og kobberlegeringer kan kontinuerlig ekstrudering også utføres ved bruk av prosesser som konform eller kontinuerlig roterende ekstrudering. Disse prosessene bruker et roterende hjul med et spor rundt omkretsen for å drive det løse pulveret gjennom en formform. Gjennom en kombinasjon av høyt trykk og en kompleks belastningsbane deformeres pulverpartiklene, genererer en stor mengde friksjonsvarme og binder seg sammen for å danne et faststoff i bulk. Teoretisk er fullt kontinuerlig drift mulig så lenge pulveret kan mates inn i prosessen.

Det ser ikke ut til å være noen begrensning for mangfoldet av metaller og legeringer som kan ekstruderes, forutsatt at temperaturene og trykket som er involvert er innenfor formene til dørmaterialene. Ekstruderingslengder kan variere fra 3 til 30 m og diametre fra 0,2 til 1 m. Moderne presser er stort sett automatiske og opererer ved høye hastigheter (i størrelsesorden m/s).

Ekstruderingstemperaturer for vanlige metaller og legeringer
Materiale Ekstruderingstemperatur
K ° C
Magnesium og dets legeringer 573-673 300-400
Aluminium og dets legeringer 673–773 400–500
Messing 923–1123 650–850
Nikkel messing 1023–1173 750–900
Kobber 1073–1153 800–880
Cupro-nikkel 1173–1273 900–1000
Stål 1323–1523 1050–1250
Monel 1373–1403 1100–1130
Nikkel 1383–1433 1110–1160
Inconel 1443–1473 1170–1200

Sjokk (dynamisk) konsolidering

Støtkonsolidering, eller dynamisk konsolidering, er en eksperimentell teknikk for å konsolidere pulver ved bruk av høytrykks sjokkbølger. Disse blir vanligvis produsert ved å påvirke arbeidsstykket med en eksplosivt akselerert plate. Til tross for at den har blitt undersøkt lenge, har teknikken fremdeles noen problemer med kontrollerbarhet og ensartethet. Det gir imidlertid noen verdifulle potensielle fordeler. Som et eksempel skjer konsolidering så raskt at metastabile mikrostrukturer kan beholdes.

Elektrisk strøm assistert sintring

Disse teknikkene bruker elektriske strømmer til å drive eller forbedre sintring. Gjennom en kombinasjon av elektriske strømmer og mekaniske trykkpulvere sintres raskere og derved reduseres sintringstiden sammenlignet med konvensjonelle termiske løsninger. Teknikkene kan deles inn i to hovedkategorier: motstandssintring, som inneholder gnistplasmasintring og varmpressing ; og elektrisk utladningssintring, slik som kondensatorutladningssintring eller dens derivat, elektro -sintringssmiing . Resistenssintringsteknikker er konsolideringsmetoder basert på temperatur, hvor oppvarming av formen og pulverene oppnås gjennom elektriske strømmer, vanligvis med en karakteristisk behandlingstid på 15 til 30 minutter. På den annen side er sintringsmetoder for elektrisk utladning avhengige av strøm med høy tetthet (fra 0,1 til 1 kA/mm^2) for å direkte sintre elektrisk ledende pulver, med en karakteristisk tid mellom titalls mikrosekunder til hundrevis av millisekunder.

Spesielle produkter

Mange spesialprodukter er mulig med pulvermetallurgiteknologi. En ikke uttømmende liste inneholder Al 2 O 3 whiskers belagt med meget tynne oksydsjikt for forbedret brytning; jern komprimerer med Al 2 O 3 belegg for forbedret høy temperatur krypstyrke; lyspære filamenter laget med pulverteknologi; foringer for friksjonsbremser; metallglass for filmer med høy styrke og bånd; varmeskjold for romfartøy som kommer tilbake til jordens atmosfære; elektriske kontakter for håndtering av store strømstrømmer; magneter ; mikrobølgeovn ferritter ; filtre for gasser; og lagre som kan infiltreres med smøremidler .

Ekstremt tynne filmer og bittesmå kuler viser høy styrke. En anvendelse av denne observasjonen er å belegge sprø materialer i whisker form med en submicrometre film av mye mykere metall (for eksempel kobolt -belagte wolfram). Overbelastningen på det tynne laget plasserer det hardere metallet under kompresjon, slik at når hele kompositten sintres, øker bruddstyrken markant. Med denne metoden er det observert styrker i størrelsesorden 2,8 GPa mot 550 MPa for henholdsvis belagt (25% kobolt) og ikke -belagt wolframkarbid .

Farer

De spesielle materialene og prosessene som brukes i pulvermetallurgi kan utgjøre fare for liv og eiendom. Pulverets høye overflate-areal-til-volum-forhold kan øke deres kjemiske reaktivitet ved biologiske eksponeringer (for eksempel innånding eller svelging), og øker risikoen for støveksplosjoner . Materialer som anses som relativt godartede i bulk kan utgjøre spesielle toksikologiske farer når de er i en fint delt form.

Se også

Referanser

Siterte kilder

Videre lesning

  • En tidligere versjon av denne artikkelen ble kopiert fra vedlegg 4C for Advanced Automation for Space Missions , en NASA -rapport i allmennheten.
  • RM German, "Powder Metallurgy and Particulate Materials Processing", Metal Powder Industries Federation, Princeton, New Jersey, 2005.
  • F. Thummler og R.Oberacker "An Introduction to Powder Metallurgy" The Institute of Materials, London 1993
  • GS Upadhyaya, "Sintrede metalliske og keramiske materialer" John Wiley og sønner, West Sussex, England, 2000

Eksterne linker