مراحل توليد قطعات با متالوژي پودر

فصل اول :

مراحل توليد قطعات با متالوژي پودر

مقدمه :

با توجه به اين كه متالورژي پودر،از قديمي ترين روشهاي توليد قطعات ميباشد،اما توليد آن در مقياس صنعتي و تجارتي يكي از جديدترين روش هاي توليد ، قطعات فلزي است . اما پيشرفت هاي قابل توجهي در زمينه هاي مختلف آن صورت گرفته و جايگاه ويژه اي در صنايع توليدي يافته است . در واقع اهميت روز افزون آن ناشي از آن است كه اين روش تنها راه توليد و در بعضي موارد اقتصادي ترين راه است .اگر چه روش متالورژي پودر قيمت خيلي زيادي ندارد ، اما در دوران ما قبل تاريخ از روش هاي متالورژي پودر براي شك دادن فلزاتي با نقطه ذوب بالا استفاده مي شد‌ ، مثال مشهور قديمي از متالورژي پودر شمشيرهاي تحسين برانگيز عربي است كه به طريقه متالورژي پودر تهيه مي شد . جالب است بدانيم متالورژي پودر در ايران حداقل 2600 سال قدمت دارد.اولين بار كه بصورت صنعتي متالورژي پودر مورد استفاده قرار گرفت براي فلز تنگستن بود.در واقع حتي اگر بتوانيم تنگستن را ذوب كنيم ، امكان شك دادن آن به روش هاي موجود ممكن نمي باشد . حدودا از سال 1920 به بعد كاربرد متالورژي پودر با ساخت بوش هاي برنجي افزايش يافت بعد از آن براي ساير قطعات ظريف و دقيق كه به روشهاي ديگر هم امكان توليد وجود دارد ، متالورژي پودر به عنوان يك فرايند جايگزين مورد استفاده قرار گرفته است.امروزه متالورژي پودر آن چنان توسعه يافته است كه آينده به صورت يك تكه عمده در خواهد آمد اين روش اگر چه از نظر مقدار مواد توليدي و در مقايسه با فرايندهاي ديگري مانند ريخته گري و آهنگري مقام بالايي ندارد ، ولي باز هم روش صنعتي بسيار مهمي است ، به عنوان مثال ، در يك اتومبيل ممكن است بيش از 50 قطعه توليد شده به روش متالورژي پودر مصرف شده باشد.قطعات متالورژي پودر را مي توان در وسايل خانگي مانند ماشين لباسشويي ، كمپرسور يخچال و كولر، دوچرخه و ماشين چمن زني يافت. ماشينهاي كشاورزي و وسايل صنعتي هيدروليكي از مصرف كننده هاي عمده فرآورده هاي متالورژي پودر هستند ، عملا بيش از صد قطعه متالورژي پودر در وسايلي از قبيل ماشين هاي داده پردازي ، نقش تمبر زني و فتوكپي به كار رفته است .

بعضي قطعات اسلحه گرم و وسايل ماهيگري نيز به روش متالورژي پودر تهيه مي شوند ، قاب ساعت مچي نيز ممكن است به روش متالورژي پودر ، ساخته شده باشد .

در وسايل ديگري از قبيل تلويزيون ، ضبط صوت و گرامافون نيز قطعات متالورژي پودر به كار رفته است.علاوه بر اين عملكرد اطمينان بخش و كاراتر تعدادي از قطعات موتورهاي هواپيما كه از آلياژهاي بسيار مرغوب تهيه مي شوند ، مديون روش متالورژي پودر است ، متالورژي پودر موجب پيشرفت هاي زيادي در زمينه فولاد ابزار سازي نيز شده است ، در واقع مي توان كاربردهاي وسيع تر متالورژي پودر را نيز عنوان كرد كه در اينجا مجال اين بحث وجود ندارد اما مي توان گفت ، متالورژي پودر به مهمي در بخش وسيعي از صنعت بدل شده است .در اين بخش به ارائه مباحث عمومي در رابطه با متالورژي پودر مي پردازيم و كاري با مباحث خاص متالورژي پودر نخواهيم داشت . ابتدا مختصري در مورد بهترين روش هاي توليد فلزات بحث خواهيم كرد و پس به برخي ويژگي هاي پودر فلزات كه بر رفتارشان در عمليات بعدي و كلي روش هاي استاندارد متالورژي پودر اثر مي گذارد نگاهي كلي خواهيم داشت . در ادامه نيز بخشي در مورد خسران و تف جوشي پودر فلزات خواهيم داشت.

توليد پودر فلزات :

پودر فلزات مورد مصرف در قطعات متالورژي پودر را ميتوان به چند روش تهيه كرد روش هاي فيزيكي ، روش هاي شيميايي و روشهاي مكانيكي.يكي از عمده ترين روش هاي فيزيكي تهيه پودر فلزات روشي به نام اتميزه شدن مي باشد كه طي آن قطرات كوچك فلز مذاب از جريان اصلي جدا شده و به صورت دانه هاي منجمد در ميآيد.براي ايجاد اين قطرات مي توان از مايعي مانند آب ، يا گازي مانند هليم و يا آرگن استفاده كرد . عواملي همچون نوع فلزي كه اتميزه مي شود و شكل مورد نظر دانه هاي پودر فلز در اين انتخاب دخالت دارند ، روش اتميزه كردن را مي توان براي تهيه طيف وسيعي از فلزات خالص و هم چنين آلياژهاي آهني و غير آهني مانند فولاد زنگ نزن ، ابر آلياژهايي با پايه نيكل و آلياژهاي آلومينيم به كار گرفت.پودر بسياري از فلزات را از تجزيه شيميايي تركيبات آن توليد مي كنند . احياء پودراكسيدهاي فلزي در مجاورت عوامل احيا، كننده اي مانند هيدروژن و منواكسيد كربن از روشهاي قابل توجه است.پودر فلزات تنگستن ،موليبدن ، مس و آهن به اين روش تهيه ميشود. از روشهاي عمومي ديگر از خانواده فرايندهاي احياء ، رسوب دادن كاتدي پودر فلز (مثلا مس يا نقره) در يك پيل الكتروليز حاوي نوعي نمك مناسب از آن فلز به عنوان الكتروليت است.برخي تركيبات فلزي در اثر گرم شدن تا دماي متوسط به آساني تجزيه ميشوند.گرد آهن و نيكل را ميتوان از (تجزيه حرارتي) كربنيك هاي آنها (Ni(CO)₄,Fe(CO)₅) توليد كرد . پودر فلز تيتانيم به دست آورد.روشهاي خرد كردن (خرد كردن مكانيكي و يا سنگ زني) در تهيه پودر برخي فلزات ، از فرايندهاي ثانويه الزامي هستند . محصول پاره اي از روش هاي احيا، يك توده اسفنجي است كه بايد خرد شود تا به شكل پودر درآيد.آهن به اصطلاح اسفنجي نوعي پودر خرد شده است . شكستن مكانيكي به عنوان يك روش اوليه توليد گرد قديمي ومحدود است.برخي فلزات به شكل پذيري خرافي به آساني قابل خرد كردن و تبديل به پودر نيستند . از اين گذشته پودرهاي حاصل از خرد كردن فلزات ترد (مثلا تنگستن چند بلوره) را نمي توان به آساني در دماي اتاق فشرده كرد .

ويژگي هاي پودر فلزات :

قابليت فشرده شدن پودر فلز و خواص قطعه فشرده قبل و بعد از تف جوشي تا حد قابل توجهي تابع ويژگي هاي پودر اوليه است . شكل و اندازه دانه ها ، ريز ساختار داخلي ، تركيب شيميايي و شرايط سطح هر كدام از دانه ها در تعيين خواص استاتيكي توده پودر و همچنين رفتار ديناميكي آن از نظر سيلان ، فشرده شدن و تف جوشي نقش كليدي دارند.چون امكان بررسي اين رابطه هاي علت و معلومي از حوصله اين بحث خارج است ، به بررسي نسبتا محدود ويژگي هاي اساسي زير بسنده مي كنيم.

- اندازه و توزيع اندازه دانه ها

- شكل دانه ها

- قابليت سيلان

- چگالي ظاهري

- قابليت فشرده شدن

اندازه و توزيع اندازه دانه ها :

حدود اندازه مناسب دانه ها براي فرآيندهاي متالوژي پودر عموما بين 1/0 تا 1000 ميكرون است معمولا اندازه دانه ها بصورت خطي (مثلا قطر) بيان ميشود.اما بيشتر دانه ها پودرهاي حقيقي كروي شكل نيستند و در نتيجه (اندازه دانه) كميتي نيست كه بتوان مستقيما و به سادگي اندازه گرفت .

معمولا براي تعيين اندازه دانه از روشهاي غير مستقيم استفاده ميشود.در روشهاي متداول نوعا از خواصي مانند ته نشست كردن ، كدر كردن مايع (جذب نور) ، نفوذ پذيري(اندازه گير ريز الك فيشر) ، خاك شويي (اندازه گير رولر) ، جذب سطحي Bet،مقاومت الكتروليتي (شمارگر كولتر) يا الك كردن معمولي مورد استفاده ميشود. معمولا توزيع اندازه دانه ها به شكل نمودار اندازه دانه در مقابل جزء‌ حجمي دانه هاي آن اندازه نمايش داده ميشود.توزيع اندازه بر حسب نوع پودر ، انواع مختلفي دارد با روش هايي مانند الك كردن ، جزء وزني دانه ها در محدوده هاي مشخص اندازه را به دست مي دهند . روشهاي ديگر مي توانند نتيجه را بصورت جمع جزء وزني يا حجمي اندازه دانه هاي كمتر از اندازه معين بدست دهند.قاعده علمي مشخصي وجود ندارد كه بر اساس آن بتوان توزيع اندازه مناسب هر يك از انواع فرآيندهاي متالوژي پودر را تعيين كرد . اما اندازه و توزيع اندازه دانه ها ، هر دو ، اثر چشمگيري بر رفتار پودر عمليات بعدي دارند.بطور كلي در فرآيندهاي متالوژي پودر ، بسياري از خواص پودر فشرده و قطعه تف جوشي نهايي به ميزان تماسي كه بين هر دانه با دانه هاي مجاور آن بر قرار شده است ، بستگي دارد . در بيشتر موارد براي فشردن پودر مواد ترد يا سفته مانند تنگستن ، اكسيد آلومينيم و غيره دانه هايي با اندازه كوچكتر مطلوب است ، زيرا اصطكاك كردن بين دانه اي ، بيشتر كمك مي كند تا چسبندگي كافي براي يكپارچه ماندن قطعه طي جابه جا كردن هاي بعدي ايجاد كرد .

·در توده پودر به اندازه دانه هاي ريز ، تماس بين دانه هاي بسيار زيادي برقرار مي شود . اين امر به تف جوشي كمك مي كند ، اما تحصيل چگالي يكنواخت پس از فشردن در قطعات بزرگ را دشوار مي سازد .

·دانه هاي درشت موجب فشردن يكنواخت تر مي شوند ، اما بعلت تماس هاي كمتر بين دانه ها و كندتر بودن حركت آغاز هنگام تف جوشي ، غالبا پس از تف جوشي حفره هاي بزرگي درون قطعه باقي مي ماند .

شكل دانه :

شكل دانه ها بر حسب نوع فلز و روش توليد پودر تفاوت ميكند و ممكن است در ايجاد بسياري از خواص توده پودر ، مانند راندمان فشرده شدن ، سيلان ، قابليت فشرده شدن و غيره ، اثر تعيين كننده داشته باشد.شكل دانه شديدا روي ميزان تماس بين دانه هاي درون توده پودر و در نتيجه اندازه نيروي اصطكاك بين آنها اثر مي گذارد . موسسه بين المللي استانداردها در استاندارد شماره 3252 ISO شكل دانه را به صورت ريز به گونه اي كيفي طبقه بندي كرده است.

·سوزني : به شكل سوزن

·گوشه دار : تقريبا چند وجهي با گوشه هاي تيز

·شاخه اي : شاخه دار ، بلوار مانند

·رشته اي : رشته هاي نخ مانند منظم يا نامنظم

·پولكي: بشقاب مانند

·دانه اي : نامنظم ولي با ابعاد تقريبا مساوي در تمام جهات

·نامنظم : بدون هر گونه تقارن

·بي شكل:‌ گرد ، ولي بدون شكل خاص

·كروي شكل : ظاهرا كروي

ارائه تعريف كمي از شكل واقعي دانه ميتواند بسيار دشوار باشد و غالبا مستلزم تعيين يك يا چند (ضريب شكل) بر اساس مشاهدات ميكروسكوپي تصاوير دانه ها روي صفحه تصوير است . در بيشتر روش هاي تعيين اندازه دانه ، شكل دانه عموما كروي فرض مي شود . روشن است كه كروي شكل بودن دانه استثنا، است نه قاعده . هر گونه انحراف از كرويت موجب بالا رفتن مساحت نسبي پودر ، و در نتيجه افزايش اصطحكاك بين دانه ها ميشود.اين امر به نوبه خود بر سهولت حركت دانه ها هنگام سيلان پودر،ته نشين قالب،وهنگام فشرده شدن درقالب اثرميگذارد.زياد شدن مساحت سطح دانه ها (دانه ها كوچكتر ، بي نظمتر بودن شكل دانه ها و ناصافتر بودن سطح و دانه ها) فعاليت شيميايي پودر را نيز بالا مي برد . نتيجه اين امر جذب بيشتر گازهاي محيط و بخار آب است كه موجب ايجاد لايه اكسيد روي سطح دانه ها ميشود.اين اكسيدها ميتوانند در فشردن و تف جوشي قطعه اختلال ايجاد كنند و اگر به قدر كافي پايدار باشند ، در قطعه نهايي باقي بمانند .

چگالي ظاهري :

وزن واحد حجم پودر فشرده نشده (چگالي ظاهري) پودر خوانده مي شود . در روش اندازه گيري چگالي ظاهري پودر فلزات از وسيله اي با نوعي قيف استاندارد استفاده ميشود.جزئيات دستگاه آزمايش در استانداردهاي A,STM-B 212(براي پودرهايي كه آزادانه سيلان ميكنند : قيف ) ، ASTM-B417 (براي پودرهايي كه آزادانه سيلان مي كنند : قيف كارني) آمده است . چگالي ظاهري كه غالبا با واحد گرم بر سانتيمتر مكعب بيان مي شود از ويژگي هاي فوق العاده مهم پودر است ، زيرا از اين طريق مي توان اشغال شده به وسيله مقدار معيني پودر فشرده نشده را تخمين زد . اين امر به نوبه خود به اندازه (ارتفاع) و طول مسير (حركت سمبه) ابزار فشردن پودر براي يك قطعه مشخص ، مربوط مي شود . چگالي ظاهري پودر هر فلز خاص تابع اندازه دانه ، توزيع دانه ها ، شكل و وضع ناصافي سطح دانه ها ، راندمان فشرده شدن (كه از روي اندازه دانه ها و توزيع اندازه دانه ها تعيين مي شود) و ساختار داخلي دانه ها (متخلخل يا غير متخلخل) است .غالبا چگالي ظاهري پودرهاي مورد مصرف در متالورژي پودر ( كه بر حسب درصد چگالي نظري بيان مي شود ) بين حدود 15 در هر (پودر نرم با دانه هاي نامنظم) تا حدود 60 درصد (پودر درشت با دانه هاي صاف و كروي ) تغيير ميكند.همان طور كه هرش هودن گوشزد كرده است ، براي درك اثرات كلي اندازه دانه ها و توزيع اندازه دانه ها روي چگالي ظاهري ، بايد به خاطر داشت كه فضا را فقط مي توان با دانه هاي به شكل چند نوع چند وجهي منظم (مانند مكعب) هم اندازه كه با وضع كاملا مشخصي نسبت به هم قرار گرفته باشند ) پر كرد . دانه هاي پودرهاي حقيقي نمي تواند كاملا فضا را پر كنند . يك راه بالا بردن چگالي ظاهري پودر ، تغيير دادن توزيع اندازه دانه هاي آن است به طوري كه بخشي از فضاي خالي بين دانه هاي بزرگتر با تعداد مناسبي دانه هاي كوچك پر شوند . البته اگر تعداد دانه هاي ريز زياد باشد ، اين دانه هاباپايين آوردن راندمان فشرده شدن دانه ها بزرگتر،موجب كاهش چگالي ظاهري ميشوند.اين اثر معمولا (پل بستن) خوانده ميشود . چهار گونه اساسي چگالي ظاهري را كه از افزودن دانه هاي ريز به توده پودر با دانه هاي درشت حاصل مي شود .

سرعت سيلان :

در عمليات متعارف متالورژي پودر،كه معمولا از پرسهاي خود كار سريع براي فشردن پودر استفاده مي شود ، قابليت سيلان نرم و سريع پودر فلز از مخزن پودر به فضاي خالي داخل قالب فوق العاده مهم است .اين ويژگي پودر نيز مانند چگالي ظاهري آن ، در درجه اول به اصطكاك بين دانه اي مربوط است.بطور كلي عواملي كه اصطكاك بين دانه اي را كاهش مي دهند و يا چگالي ظاهري را بالا مي برند (مانند صافي سطح و كرويت دانه ها ) موجب سهولت سيلان پودر فلز مي شوند . غالبا در مباحث مربوط به سيلان پودر،عبارتهاي(سرعت سيلان)،(قابليت سيلان)،(زمان سيلان) بجاي يكديگر بكارميروند . در روش استاندارد تعيين اندازه سيلان پودر فلزات (A,STM-B213) در واقع زمان لازم براي خارج شدن 50 گرم پودر فشرده فلز از سوراخ قيف هاي تحت اثر نيروي ثقل اندازه گيري ميشود.البته سرعت سيلان پودر با زمان سيلان آن، نسبت عكس دارد .

قابليت فشرده شدن :

به عبارت كلي ، قابليت فشرده شدن ( يا قابليت متراكم شدن ) پودر ، معياري از مقدار تراكم قابل تحصيل در توده پودر در اثر فشار است . استاندارد A,STM-B331 يك روش عمومي براي تعيين اين كيفيت مشخص كرده است كه مستلزم فشردن يك جهته پودر در يك قالب صاف است.غالبا قابليت فشرده شدن پودر ، به صورت چگالي پس از فشرده شدن تحت فشار 30 تن بر اينچ مربع 415 مگاپاسكال ) گزارش مي شود . علاوه بر اين ممكن است چگالي پودر فشرده شده در فشارهاي ديگر نيز مورد نظر باشد ، كه در اين صورت نتيجه به صورت منحني فشرده شدن خواهد بود . بايد توجه داشت كه در اين جا عبارت (چگالي قطعه تف جوشي نشده) PG ، همان چگالي پودر فشرده شده پس از خارج كردن از قالب است .قابليت فشرده شدن پودر مانند سرعت سيلان و چگالي ظاهري آن ، شديدا تابع اثرات اصطكاك بين دانه اي و همچنين ماهيت خود دانه ها (وجود يا عدم تخلخل درون دانه اي) است.

فشردن پودر :

پس از معرفي مفهوم قابليت فشرده شدن پودر ، به جاست كه در اين مرحله فرآيند فشردن پودر را با دقت بيشتري مورد بررسي قرار دهيم ، زيرا اين فرآيند از عمليات اساسي و بسيار مهم است . عمل فشردن علاوه بر اينكه پودر را به شكل مورد نظر و به صورت يكپارچه در مي آورد ، نوع و ميزان تخلخل دلخواه و استحكام كافي (استحكام قطعه تف جوشي نشده) براي نقل و انتقال قطعه پيش از تف جوشي را نيز تامين ميكند.ابتدا بايد توجه داشت كه پودرهاي مورد مصرف در فرآيندهاي متالوژي پودر عموما بيش از فشردن با حدود چند درصد حجمي از نوعي ماده روانساز مانند استئارات روي يا ليتيم مخلوط ميشوند.اين عمل براي كاهش اصطكاك بين پودر و ابزار فشردن (ديواره هاي قالب ، سمبه و ميله هاي ماهيچه) ضرورت دارد . به اين ترتيب فشار موثر بيشتري به توده پودر وارد مي شود و در نتيجه به ازاي فشار معين ، چگالي قطعه خام بالاتر خواهد رفت.علاوه بر اين ، ماده روانساز به كاهش نيروي لازم براي خارج كردن قطعه از قالب كمك مي كند و به اين ترتيب سايش سطوح ابزار را به اندازه چشمگيري كاهش ميدهد.از آنجا كه ماده روانساز درون قطعه اثر چنداني ندارد و در واقع غالبا از كيفيت آن مي كاهد و براي عمليات بعدي تف جوشي هم نامناسب است بهتر است ماده روانساز فقط در محلي كه مورد نياز است ، يعني روي سطوح ابزار فشردن ، ماليده شود.متاسفانه هنوز روش روانسازي سريعي ابداع نشده است و در بيشتر موارد پودر را با ماده روانساز مخلوط كرده و مي فشرند .

روش هاي فشردن :

چندين روش براي فشردن پودر وجود دارد . عمليات متالوژي پودر مي تواند شامل فشردن گرد در قالب هاي صلب ، فشردن هيدرواستاتيكي در دماي اتاق با دماهاي بالا در قالب هاي انعطاف پذير ، شكل دادن از طريق رها كردن سريع انرژي ، يا يكپارچه كردن قطعه از طريق آهنگري ، فشار كاري يا نورد ، يا فشردن ارتعاشي باشد.بي شك بيشترين تعداد قطعات متالوژي پودر در قالب هاي صلب و با استفاده از پرسهاي مكانيكي يا هيدروليكي شكل داده مي شوند . روشهاي ديگري كه در بالا گفته شدند هم مهم و جالب هستند.در فشردن صلب تنوع زيادي در طرح ابزار و ترتيب حركات پرس وجود دارد .

رفتار پودر هنگام فشرده شدن :

در فرآيندهاي متالوژي پودر ، رفتار واقعي دانه ها تحت اثر نيروي فشردن ، اهميت اساسي دارد . اما به علت پيچيدگي هاي فيزيكي و هندسي توده پودر ، اطلاعات دقيق چنداني وجود ندارد تا بر آن اساس بتوان به چيزي بالاتر از ساده ترين بينش كيفي پديده هاي مربوط دست يافت در سال 1946 سيليك و ولف اين نظر را ارائه دادند كه سه جريان عمومي در حين فشردن پودر اتفاق مي افتد :

· دانه ها حركت جمعي مي يابند كه در نتيجه آن با تغيير وضعيت استقرار خود ، راندمان تراكم را بالا مي برند .

· تغيير شكل كشسان و مومسان ، هر دو در دانه پودر رخ مي دهند .

· با بالا رفتن نيروي فشردن ممكن است كه دانه ها بشكند .

· تغيير وضعيت استقرار دانه ها به وسيله اصطكاك بين دانه اي و همچنين اصطكاك بين پودر و ابزار فشردن محدود مي شود . اين گونه حركت كلي دانه ها عموما در فشارهاي كم صورت ميگيرد و بخش عمده افزايش چگالي قطعه در مراحل اوليه است. پس از اين كه احتمال تغيير وضعيت استقرار دانه ها به نحو مطلوبي پايين آمد ، اين امكان به وجود مي آيد كه به ميزان چشمگيري تغيير شكل دهند و توده پودر را متراكم تر كنند (كاهش تخلخل) .

اين مهم ترين مكانيزم تراكم است كه در بالا بردن چگالي قطعه خام دخالت دارد و حتي ممكن است به افزايش چشمگير سطح تماس بين دانه ها منجر شود كه اين امر براي ايجاد استحكام در قطعه خام ضروري است. ميزان تغيير شكل مومسان تابع شكل پذيري ، تنش تسليم و ويژگي هاي سخت شدن كرنشي مواد تشكيل دهنده دانه است . احتمالا در فشردن پودرهاي مواد سخت مانند تنگستن ، كاربيدهاي مختلف و سراميكها مانند اكسيد آلومينيم ، تغيير شكل ماده اهميت نسبتا كمتري دارد . بالاخره، سومين مرحله يعني شكستن دانه ها را بررسي مي كنيم . اين گونه خردشدن دانه ها موجب تراكم بيشتر ميشود،زيرا بخشي از دانه هاي كوچكي كه تازه تشكيل ميشوند مي توانند وارد فضاي خالي باقيمانده بين دانه هاي بزرگتر شوند.شكل تخلخل درون قطعه تابع پيچيده اي از متغيرهاي زيادي از نظر پودر و جزئيات فرآيند فشرده شدن است . در بيشتر پودرها دامنه نسبتا وسيعي از فشار وجود دارد كه در آن دامنه مي توان بدون از دست دادن حالت پيوستگي تخلخل ، قطعه را فشرده كرد.بطور كلي فشار ميتواند متغير موثري براي كنترل حد نهايي تخلخل پيوسته در پاره اي فرآورده هاي متالوژي پودر مانند انواع فيلتر يا قطعاتي كه بعدا قرار است طي فرآيند خورانيدن فلز مذاب يا انواع مواد غير فلزي پر شوند.چگالي قطعه خام را مي توان به عنوان معياري از كارآيي عمل فشرده شدن در نظر گرفت معمولا چگالي به صورت يك عدد سرجمع در نظر گرفته مي شود . اما چون توده پودر مانند سيال رفتار نمي كند ، يعني نيروي فشرده شدن به طور يكسان بر آن عمل نمي كند ، در نتيجه در صورت عدم انتخاب روش فشردن معقول ، امكان دارد كه درون قطعه فشرده شده چگالي كاملا غير يكنواخت باشد.اين تغييرات چگالي به خاطر توزيع تنش درون قطعه به وجود مي آيد كه حاصل عملكرد نيروهاي اصطحكاك بين پودر و ابزار فشردن است.هنگام فشردن پودر در قالب هاي صلب ، عموما حركت دانه در جهت فشردن است . چگالي قطعه خام در حوالي سمبه متحرك از همه جا زيادتر است و در نواحي دورتر ، خصوصا نزديك ديواره قالب ، چگالي كاهش مي يابد .

استحكام قطعات فشرده شده :

استحكام پودر فشرده شده كه غالبا (استحكام قطعه خام) آن خوانده مي شود ، عمدتا ناشي از چسبندگي بين دانه اي است كه خود حاصل درهم فرورفتن نقاط سخت دانه هاي پودر است و امكان دارد تغيير شكل مومساني كه هنگام فشردن پودر مواد شكل پذير صورت مي گيرد ، اين چسبندگي را تا حد چشمگيري بالا ببرد . عموما استحكام قطعه خام را مي توان از راههاي زير بالا برد .

·استفاده از پودر نرم

·استفاده از پودرهايي با دانه هاي نامنظم و سطح ناصاف

·بالا بردن چگالي قطعه خام (استفاده از فشارهاي بالاتر)

·كاهش آلودگي سطح دانه ها

·كاهش مقدار ماده روانساز يا ديگر مواد افزودني

تف جوشي :

بعنوان يك تعريف عمومي فرآيند متعارف تف جوشي را ميتوان پيوند سطوح مجاور يك توده پودر ، در اثر گرما در نظر گرفت (A,STM-B243) . تف جوشي يك پديده پيچيده فيزيكي است كه موجب تغييرات متعددي در ساختار ماده و بهبود چشمگيري در خواص مكانيكي آن ميشود.معمولا تف جوشي با افزايش چگالي (از بين رفتن تخلخل) همراه است . اما در كارهاي تجارتي كه كنترل دقيق اندازه قطعه مورد نظر است . غالبا افزايش چگالي بيش از اندازه معيني مطلوب نيست و در نتيجه بايد فرايند تف جوشي متناسب با آن كنترل شود.در عمل تف جوشي متعارف ، قطعه خام در محيط محافظ يا احيا، كننده و در فشار معمولي تا دمايي زير دماي ذوب يا خط انجماد گرم مي شود . انواع ديگر اين عمل شامل تف جوشي با حضور نوعي فاز مايع پايدار يا گذرا و فشردن در گرما (تف جوشي و فشردن همزمان) هستند.هر دو فرآيند تف جوشي با فاز مايع و فشردن در گرما داراي اهميت تجارتي هستند ، اما در اينجا ما فقط به مبحث تف جوشي متداول حالت جامد خواهيم پرداخت.بطوركلي ، هنگام تف جوشي متداول تغييرات زير در پودر فشرده شده صورت مي گيرد :

·دانه ها شروع به جوش خوردن مي كنند و استحكام و هدايت مخصوص الكتريكي و گرمايي قطعه بالا مي رود .

·با ادامه زمان تف جوشي (با افزايش دما) افزايش استحكام ادامه مي كند .

·غالبا با افزايش استحكام با كاهش تخلخل همراه است (افزايش چگالي) .

·احتمال رشد دانه وجود دارد و اندازه نهايي دانه ممكن است خيلي بزرگتر از اندازه اوليه دانه پودر باشد .

·با پيشرفت تف جوشي ، حفره هاي داخلي (تخلخل) صافتر و كرويتر مي شوند.

·در هر محيط تف جوشي مناسب ، گازهاي جذب شده در سطح دانه ها از قطعه خارج شده و اكسيدهاي سطحي احيا، مي شوند .

بهبود خواص مكانيكي :

بطور معمول با ادامه فرآيند تف جوشي ، استحكام و شكل پذيري قطعه بالا مي رود . اين افزايش به ازدياد پيوندهاي بين دانه اي و تغييرات ايجاد شده در مقدار شكل تخلخل درون قطعه مربوط ميشود.كاملا مشخص است كه تخلخل بر خواص استحكامي و خواص مربوط به شكل پذيري اثر منفي دارد.اين اثر در ازدياد طول كششي و مقاومت در مقابل ضربه ، آن هم هنگامي كه چگالي قطعه به مقدار نظري آن (مثلا 83/7 گرم بر سانتيمتر مكعب در مورد آهن) تركيب مي شود ، بيشتر محسوس است . تخلخل موجود در ساختار قطعه ،‌ محلي براي تمركز كرنش و موضعي شدن كرنش فراهم آورد و در نتيجه تغيير شكل و شكست در نيروهاي نسبتا كم صورت مي گيرد . صاف شدن ، گرد شدن وجدا شدن حفره ها از يكديگر موجب بهبود استحكام ، شكل پذيري ، چقرمگي ميشود.نوعا خواص مكانيكي قطعات متالورژي پودر با چند درصد تخلخل ، از قطعات بدون تخلخل مشابه كه به روش ريخته گري تهيه شده و سپس طي فرآيندهاي تغيير شكل كامل شده باشند ، در سطح پايينتري قرار دارد.اما فرآورده هاي متالورژي پودر كاملا فشرده كه به روش آهنگري قطعات پيش شكل داده ، فشردن درگرما و غيره تهيه ميشوند از لحاظ خواص مكانيكي در سطح مساوي يا حتي بالاتري از فرآورده هاي قابل رقابت جاي دارند . علت اين امر ، تا اندازه اي به ريزتر بودن دانه ها كه از ويژگي هاي ذاتي فرآورده هاي متالورژي پودر است و عدم آلودگي نسبي با مواد غير فلزي كه ناشي از اين فرآيند است ، مربوط مي شود .

تشكيل ريز ساختار :

به استثناي وجود تخلخل و فقدان طرز استقرار ارجح بلورها (بافتهاي مربوط به تابكاري) ، به طور عمومي ريز ساختار قطعات تف جوشي شبيه مواد مشابهي است كه به روش متعارف تهيه مي شوند . بهتر است تف جوشي را به صورت چند مرحله مجزاي تغيير ريز ساختار در نظر گرفت اگر چه در مورد وقايعي كه دقيقا در هر مرحله اتفاق مي افتد اختلاف عقيده وجود دارد ، بايد توجه داشت كه اين برداشت در بهترين شكل خود فقط مي تواند ماهيتي كيفي داشته باشد و كاملا ممكن است تمام اين (مراحل) در قطعه اي بصورت همزمان بروز كنند.با وجود اين ، نفس اين برداشت به آشنايي با ماهيت فيزيكي فرآيند تف جوشي كمك ميكند.در اين مورد هيدشهورن تف جوشي را به شش مرحله تقسيم كرده است :

1- پيوند خوردن دانه ها

2- رشد گلوگاه

3- بسته شدن معبرهاي تخلخل

4- گرد شدن حفره ها

5- انقباض حفره ها (بالا رفتن تراكم)

6- درشت شدن حفره ها

پيوند خوردن دانه ها :

جابه جا شدن اتم ها در محل تماس دانه هاي مجاور موجب برقرار شدن پيوند فيزيكي و مرز دانه در اين نقاط مي شود . اين پيوندهاي اوليه،حتي در مرحله اي كه قطعه در حال گرم شدن است ، به سرعت تشكيل مي شوند .

رشد گلوگاه :

ادامه انتقال جرم منجر به تشكيل گلوگاه هاي مشخص بين دانه اي ميشود،كه اين گلوگاه از محل پيوند اوليه بين دانه ها رشد ميكند.اين مرحله استحكام قطعه را به شدت افزايش مي دهد ، اما به خودي خود دخالتي در افزايش تراكم ندارد .

بسته شدن معبرهاي تخلخل :

ادامه رشد گلوگاه مي تواند موجب بسته شدن معابر تخلخل درون قطعه شود كه نتيجه آن بروز تخلخل پراكنده است . كنترل اين جريان در تف جوشي قطعاتي كه متكي به تخلخل درون پيوسته هستند (مانند فيلترها ، ياتاقانهاي خود روانكاري شونده و غيره) بسيار مهم است .

گرد شدن حفره ها :

با پيشرفت عمل رشد گلوگاه،انتقال ماده از سطح عمومي دانه به محل گلوگاه ، موجب صاف شدن ديواره حفره ميشود(كاهش مساحت سطح حفره).اين پديده ميتواند از نظر بهبود شكل پذيري و چقرمگي قطعه تف جوش ، يك تغيير ساختاري مهم باشد .

انقباض حفره ها :

با ادامه تف جوشي ، حفره هاي درون قطعه ميتوانند شروع به انقباض و كاهش تعداد كنند كه نتيجه آن بالا رفتن چگالي است.اين مرحله بايد مستلزم انتشار و از بين رفتن شديد جاهاي خالي باشد،در اين مرحله از تف جوشي نميتوان تمام تخلخل را از بين برد،وحتي پس از تف جوشي بسيار طولاني تعدادي حفره (مخصوصا درون دانه ها) باقي مي ماند .

درشت شدن حفره ها :

در بيشتر عمليات تف جوشي تجارتي،اين مرحله چندان مهم تلقي نميشود.در صورت بروز اين پديده ، اندازه برخي حفره هاي بزرگ افزايش مي يابد و همزمان با آن تعدادي از حفره هاي كوچكتر از بين ميروند.جز، حجمي حفره ها در كل قطعه تغيير نمي كند و در نتيجه فاصله بين آنها افزايش مي يابد . اين تغيير ريز ساختار از بسياري جهات شبيه درشت شدن دانه هاي رسوب در فرتوت سازي فوق العاده شديد آلياژهاي پير سخت شده معمولي است .

مكانيزمهاي تف جوشي :

روشن است كه تغييرات ساختاري گوناگوني كه حين تف جوشي صورت ميگيرد، تابع انتقال جرم در نقاط مختلف قطعه پودر فشرده است . اگر اين تغييرات ساختاري بخواهند به صورت لحظه اي انجام شوند ، بايد در مجموع از انرژي آزاد قطعه كاسته شود . در يك ماده ساده ، اين كاهش انرژي آزاد با كاهش مساحت سطح قطعه همراه است . تمام تغييرات اساسي ساختاري مانند رشد گلوگاه ، گرم شدن حفره ها و غيره به كاهش سطح اوليه بيشتر باشد ، نيروي رانش تف جوشي هم بالاتر است يعني قطعات پودر درشت تر تف جوشي ميشوند.احتمالا مكانيزم برتر در انتقال جرم در تف جوشي معمولي نفوذ در حالت جامد به درون شبكه بلورين و از طريق مسيرهاي ميان برساند سطح دانه ها و مرزهاي بين دانه اي است . در فلزاتي مانند روي و كادميم كه فشار بخار زيادي دارند ، تبخير ماده از سطوح محدب دانه ها و رسوب آن در سطح مقعر گلوگاه ، از مكانيزم هاي احتمالي انتقال است.البته مكانيزم را نمي توان در تف جوشي بيشتر فرآو

نظرات شما عزیزان: