دانلود تحقیق متالورژی پودر

پیشگفتار:

یکی از شاخه‌های علم متالورژی که دز سالهای اخیر رشد زیادی یافته است. متالورژی پودر است. البته قدمت تولید قطعات با پودر به پنج هزار سال و بیشتر  می رسد. یکی دیگر از دلایل توسعه متالورژی پودر این است که در روش مزبور فلز تلف  شده به مراتب کمتر از  سایر روشهاست و حتی می توان گفت وجود ندارد. سرمایه گذاری در صنعت متتالورژی پودر نیز،‌کمتر از سرمایه گذاری برای  روشهای کلاسیک ساخت قطعات  است. زیرا در مرحله هم جوشی ،  درجه حرارت لازم کمتر از درجه حرارت ذوب فلزات است و در نتیجه، کوده های مورد احتیاح ارزانتر اند.

دامنه استفاده از متالورژی پودر بسیار متنوع و گسترده بوده و در این رابطه کافی است به زمینه هایی همچون تولید رشته های لامپها، بوش های خود روانساز، متعلقات گیربکس اتومبیل، اتصالات الکتریکی، مواد ضد سایش قطعات توربین و آمالگم های دندانپزشکی اشاره شود. علاوه بر آن پودر فلزات در موارد و کاربردهایی چون صنایع رنگ سازی مدارهای چاپی، آردهای غنی شده مواد منفجره، الکترود های جوشکاری،  سوخت راکت ها، جوهر چاپ، باطری الکتریکی قابل شارژ، لحیم کاری و کاتالیزورها مورد استفاده قرار می گیرند.

متالورژی پودر در ابتدا فلزات معمول، همچون مس و آهن شروع شد ولی لانه استفاده  از عمل آن به فلزات غیر دیگر نیز سرایت کرد. کاربردهای جدید تری برای متالورژی پودر به دنبال داشت. بطوریکه از آغاز دهه 1940 بسیاری از قطعات فلزات غیر معمول از طریع این تکنولوژی تهیه شدند. در این گروه مواد می توان از فلزات دیر گداز مانند نایوبیم، تنگستن، مولیبدن، زیر کنیم، تیتانیم، رنیم و آلیاژهای آنها نام برد. همچنین تعدادی از مواد هسته ای و ترکیبات الکتریکی و مغناطسسی نیز با تکنیک های  متالورژی پودر تهیه شدند. هر چند موفقیت اولیه متالورژی پودر بیشتر مدیون مزایای اقتصادی آن است. ولی در سالهای اخیر ساخت قطعاتی که تولید آنها  با روشهای دیگر مشکل می باشد در گسترش این تکنولوژی  سهم چشمگیری داشته است. انتظار می رود که این عوامل در جهت بسط متالورژی پودر و ابداع کاربردهای آتی آن دست به دست هم داده و دست آودرهای تکنولوژیکی تازه ای را  به ارمغان آورند. تداوم رشد متالورژی پودر را میتوان به عوامل پنجگانه زیر وابسته دانست:

الف) تولید انبوه قطعات سازه ای دقیق و با کیفیت بالا که معمولاً‌بر بکارگیری آلیاژهای آهن مبتنی می باشند.

ب ) دستیابی به قطعاتی که فرایند تولید آنها مشکل بوده و باید کاملاً فشرده و دارای ریز ساختار یکنواخت ( همگن) باشند.

پ ) ساخت آلیاژهای مخصوص،‌عمدتاً مواد مرکب محتوی فازهای مختلف که اغلب برای شکل دهی نیاز به  بالا تولید می شوند.

ت) مواد غیر تعادلی از قبیل آلیاژهای آمورف و همچنین آلیاژ های ناپایدار.

ث ) ساخت قطعات پیچیده که شکل و یا ترکیب منحصر به فرد و عیر معمول دارند

متالورژی پودر روز به روز گسترش بیشتری یافته و بر میزان پودر تولیدی به طور پیوسته افزوده، بطوریکه پودر آهن حمل شده از آمریکا از سال 1960 تا 1978 میلادی به ده برابر افزایش یافته است. هر چند در سالهای اخیر آهنگ رشد این تکنولوژی چندان پیوسته نبوده، ولی مجموعه  شواهد دلالت بر گستردگی بیشتر آن، در مقایسه با روشهای سنتی قطعه سازی دارد. باز خوردهای دریافت شده از مهندسین طراح نشان می دهد که هر چه دانش ما در متالورژی پودر افزودن تر می شود، دامنه کاربرد این روش نیز گسترش بیشتری می یابد. اغلب دست آوردهای نوین این زمینه صنعتی بر قابلیت آن در ساخت،‌ مقرون به صرفه قطعات با شکل و ابعاد دقیق مبتنی است.

مقدمه

در قرن بیستم و در سالهای اخیر، تکنیک متالورژی پودر بطور جدی تر،‌ مورد توجه قرار گرفته و جای خود را به اندازه کافی در صنعت باز کرده است بطوری که در حال حاضر می توان آن را به عنوان یکی از تکنیک های جدید متالورژی به حساب آورد. البته قدمت تولید قطعات با پودر به بیش از پنج هزار سال پیش می رسد، درآن زمان کوره هایی که بتوانند حرارت لازم را برای ذوب فلزات ایجاد کند، وجود نداشتند. روش معمول، احیا سنگ معدن با ذغال چوب بود و محصولی که به دست می آمد نوعی فلز اسفنجی بود که در حالت گرم با چکش کاری امکان شکل دهی مطلوب داشت.

هم اکنون، ستونی آهنی با وزنی حدود شش تن در شهر دهلی وجود دارد که در هزار وششصد سال پیش با همین روش تهیه شده است . در اواخر قرن هیجدهم و لاستون

( wollaston ) کشف کرد که می توان پودر فلز پلاتین را که در طبیعت به صورت آزاد شناخته شده بود، پس از تراکم و حرارت دادن، درحالت گرم با چکش کاری شکل داد. ولاستون جزئیات روش خود را درسال 1829 منتشر کرد و اهمیت فاکتورهای نظیر اندازه دانه ها، متراکم کردن پودر با وزن مخصوص بالا و اکتیویته سطحی و غیره.. را توضیح داد.

همزمان با ولاستون وبطور جداگانه متالوریست بر جسته روسی پیومتر زابولفسکی

( pyotrsobolevsky ) در یال 1826، از این روش برای ساختن سکه ها و نشان ها از جنس پلاتین استفاده کرد. در نیمه دوم قرن نوزدهم، متخصصین متالورژی به روشهای روب فلزات با نقطه روب بالا دست یافتند و همین مسئله باعث شد که مجدداً  استفاده از متالورژی پودر محدود شود،‌ هر چند تقاضا برای تولید قطعاتی مانند تنگستن از طریق  متالورژی پودر فلز، تلف شده به مراتب کمتر از سایر روشهاست و حتی می توان گفت وجود ندارد. دراین مورد، بطوری که تجربه نشان می دهد،‌ هر یک کیلوگرم محصول ساخته شده باروش متالورژی پودر، معادل است با چند کیلو گرم محصول ساخته شده با سایر روشهای شکل دادن نظیر برش و تراشکاری،  چون در روشهایی نظیر تراشکاری مقادیر زیادی از فلزبه صورت براده در می آید که تقریباً غیر قابل استفاده است. علاوه بر آن یک کیلو گرم از مواد ساخته شده بوسیله روشهای متالورژی پودر می تواند کار ده ها کیلو گرم فولاد آلیاژی ابزار را انجام دهد.

روش پاشش نظر به نقشاساسی آن در رشد متالورژی پودر، در مقایسه با روشهای دیگر با تفصیل و بسط بیشتری بررسی خواهد شد.

1-1- روشهای مکانیکی تولید پودر

1-1-1-  روش ماشین کاری

ماشین کاری کردن فلزات در حالات خاصی انجام می شود، زیرا پودر حاصل از این روش دارای دانه های زبر درشت با لبه های تیز است. این پودر سخت قالب گیری می شود وقطعه پرس شده آن خیلی متخلخل و دارای استحکام خام پایین است. آسیاب کردن این پودر در آسیابهای گلوله ای قابلیت فشرده شدن را بهتر می کند،  هر چند باعث افزایش کار سختی می شود که باید قبل از متراکم کردن آینل شود. یکی از موارد عمده استفاده از ماشین کاری تولید پودر منیزیم برای مقاصد آتش زایی است،‌ حالت انفجاری این پودر مانع استفاده از روشهای دیگر می شود. با استفاده از ماشین کاری و تولید براده های نسبتاً‌ زبر و درشت خطر به طور قابل ملاحظه ای کم می شود. وقتی براده ها در آسیاب از اتمسفر خنثی درآسیاب از ترکیب ذرات پودر و اکسیژن هوا جلوگیری می کند. و مانع انفجار می شود. تخلیه پودر از آسیاب نباید  به نحوی باشد که پودر فوراً در تماس با هوا قرار گیرد و باعث احتراق شود. اگر آسیاب کردن در مجاورت هوا انجام شود،‌ باید جدار آسیاب و نوع گلوله طوری باشد که از جرقه زدن  جلو گیری شود.

لحیم های نقره و بعضی از آلیاژهای مورد استفاده در دندان پزشکی از طریق ماشین کاری تهیه  می شوند. روش ماشین کاری، گران است و این روش فقط وقتی بکار گرفته می شود که روشهای دیگر قابل استفاده نباشد. مثل تهیه پودر منیزیم یا در مواقعی که قیمت فلز بسیار گران است و قیمت ماشین کاری ناچیز به حساب می آید،‌ مثل تولید آلیاژ های دندان پزشکی.

2-1-1- روش خرد کردن

خرد کردن فلزات به آسیاب کردن شبیه است و با توجه به چکش خواری آنها از خرد کن های تکی و چکشی  وغیره استفاده می شود. معدودی از فلزات به قدر کافی ترد و شکننده هستند. ( مانند برلیوم آلیاژ Mg ،Al اسفنج های فلزی که از راه احیای اکسید ها با الکترولیز به دست آمده اند) و به آسانی خرد می شوند. بعضی از فلزات را می توان ترد کرد تا آسانتر خرد شوند . با افزودن گوگرد یا ناخالصیهای دیگر یک لایه ترد در مرز دانه ها رسوب می کند وعمل خرد کردن را آسان می کند. اندازه ذرات پودر خرد شده مشابه دانه های قطعه ریخته گری شده است فلزات گروه VA.IVA ( سر گروه های در جدول مندلیف (C )،VA (A ) IV هستند) با حرارت دادن در محیط هیدروژن ترد می شوند ( H₂ بعداً خارج می شود)‌ هیدراتهای تردی که ببه این طریق به دست می آیند به آسانی پودر می شوند. پودرهای به دست آمده معمولا زاویه ای هستند و باید آسیاب شوند.

3-1-1- روش آسیاب

واژه آسیاب کردت به پروسه هایی اطلاق می شود که در آن نیروی ضربه ای به مواد خرد شدنی وارد می شود. در بعضی از این روشها مانند آسیاب گلوله ای، پودر با گلوله های آسیاب که سخت و مقاوم در مقابل فرسایش اند برخورد می کند و به رزات ریز تبدیل می شود. نوع آسیابها، لرزشی و یا دورانی هستند تجربه نشان داده است که آسیابهای لرزشی راندمان بیشتری دارند و در مقایسه با آسیا بهای دوار در زمان کوکتاه تری عمل کرد را انجا م می دهند. در روشHametag با یک ونتیلاتور به ذرات پودر سرعت زیادی داده می شود تا به یکدیگر برخورد کنند.

در روشMicronizer  جت های گاز با سرعت زیاد ذرات را به همدیگر و یا به سطحی پرتاب می کنند. خرد کردن فلزات چکش خوار فقط زمانی عملی می شود که فلز با عمل کار سختی ترد وشکننده شده باشد. در آسیاب مرطوب با افزودن فعال ساز، به اکتیو کردن سطح کمک کرده و از چسبندگی ذرات جلوگیری می کنند که باعث ریزی ذرات می شود. بهترین عامل آلی اکتیو کردن سطح اسید- استثاریک است که با استفاده از آن ذرات به اندازه متوسط 3% میکرون به دست می آید. بااستفاده از پتاسیم فریک سیانید به عنوان فعال ساز پودر فلزاتی چون آهن، نیکل ، مس، و کروم با ابعاد ریز میکرون به دست می آید .

4-1-1- روش ساچمه ای کردن

با عبور مواد مذاب از روی صفحه ای مشبک یا وسیله ای مشابه آن جریان فلز مذاب به قطرات زیادی تبدیل می شود. اگر این قطرات در حال سقوط آزاد سخت و منجمد شوند، ذرات کروی ( ساچمه ای ) به دست می آید.

5-1-1- روشدانه بندی باگرانوله کردن

اگر انجماد در اثر تماس با آب حاصل شود دانه های نامنظم تولید می شود( مانند تولید سر باره دانه بندی شده در ذوب آهن اصفهای)  دانه ها نامنظم و درشت اند و به آسیاب کردن احتیاج دارند تا برای مصرف مناسب تر شوند.

6-1-1- روش اتمایز کردن

در این روش فلز مذاب را با فشار یا سقوط آزاد از دهانه ای خارج می کنند مذاب با جتی تحت فشار برخورد می کند و در نتیجه فلز مایع متلاشی شده و به صورت ذاتی پراکنده می شود. اندازه ذرات به پارامترهای اتمایز کردن ( فشار،‌ شکل فطراگذاب، درجه حرارت و ... )‌بستگی دارد.

شکل ذرات در سرد کردن سریع،‌ نامنظم و در سرعتهای کمتر کروی است. سرعت مذاب که از دهانه نازل خارج  می شود از طریق  فرمول ذیل به دست می آید:

عدد ثابت که  شکل دهانه = C    m/sec  سرعت =  9.8m/sec²   V

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

Gr/cm² وزن مخصوص فلز =

متلاشی شدن مذاب خروجی بستگی به سرعت خروج  و شکل دهانه فازل دارد. با ازدیاد سرعت نسبی گاز و ناب درجه اتمایز شدن افزایش می یابد. به همین جهت دهانه ها را طوری می کنند که سرعت نسبی را زیاد کند(‌ شکل 3 ) بر اساس تحقیقات

Ohnesorge سرعت لازم برای متلاشی شدن مذاب به عدد رینولد ( Reynold ) بستگی دارد و در صورتی که این عدد از مقادیر معینی بیشتر باشد. مذاب متلاشی خواهد شد. عدد رینولد با رابطه زیر تبدیل می شود:

عدد رینولد= R                   وزن مخصوص فلز مذاب=  

سرعت = V  قطر = d          ویسکوزیته سیال=  

ساختمان دستگاه می تواند به صورتی باشد که مایع بطور افقی یا عمودی خارج شود. اتمایزکردن با توجه به نوع و خواص پودر مورد احتیاج در هوا،‌ اتمسفر محافظ یا خلاء انجام می شود. اتمایز کردن در خلاء از نظر درجه خلوط پودر بسیار خوب است ولی از لحاظ اقتصادی گران می باشد.

معمولاً اتمایز کردن در هوا یا اتمسفر محافظ انجام میشود و در چنین مواردی متلاشی شدن به سرعت نسبی برخومرد مذاب بستگی دارد. پس می توان مذاب را با سرعت کمی خارج کرد و گاز را با سرعت زیاد ( توسط جت) به آن دمید. جت ها می توانند به صورتهای مختلفی موازی یا عمودی، هم جهت یا غیر هم جهت و ... قرار بگیرند.

ولی آنچه مهم است ایجاد سرعتی نسبتاً زیاد می باشد که موجب متلاشی شدن مذاب شود از این روش برای تهیه پودر آلیاژ هایی مانند برنز استفاده می شود.

7-1-1- تولید پودر با روش مانسمن

در زمان جنگ جهانی دوم مس کمیاب شد. به این علت از پودر آهن قطعاتی ساخته شد و جایگزین قطعات تی گردیدندکه قبلاً با مس ساخته می شدند. در روشی که به D.P.G معروف است، تعدادی تیغه با چرخشی سریع به جریان مذاب برخورد می کنند و آن را به قطراتی مبدل می سازد.

قطرات مزبور با جتی از آب برخورد می کنند و سرد می شوند این روش چند سالی مورد استفاده قرار گرفت و سپس به علت نقایصی مانند انجماد فلز روی تیغه ها و اکسید شدن زیاد ذرات منسوخ شد و روش مانسمن جای آن را گرفت. در این روش فلز مذاب (‌چدن با سیلیسیم پایین ) با هوای فشرده اتمایز می شود. با عملیات حرارتی در 950 درجه و کنترل مقدار کربن و اکسیژن پودر آهن نسبتاً خالصی به دست می آید. این روش هنوز برای تولید پودر آهن استفاده می شود. اما برای آلیاژ فلزاتی چون کروم - آلومنیم و تیتان ینم که ایجاد اکسیدهای پایدارمی کنند بکار برده نمی شود.

اگر هوای فشده یا گاز، عامل اتمایز کردن باشند، سرعت سرد شدن قطرات مذاب آرام است و نیروی کششی سطحی، آنها را قبل از انجماد کروی می کند، ( این ذرات کروی برای فیلترهای فلزی  متخلخل و فلز پاشی مناسب است،‌ در حالیکه برای بیشتر کاربردها متالورژی یکی این پودر نامناسب است). اگر مذاب با آب اتمایز شود، قطرات در حال اتمایز منجمد می شوند که معمولاً شکل آنها نامظم است. البته با بالا بردن حرارت ذوب پودر شکل تقریباً‌کروی پیدا می کند با کنترل حرارت فلز، فشار آب وقطر دهانه پودر مناسب به دست می آید.