Металл ұнтағын ықтату процесі

Кіріспе

Металл ұнтақтарын ыстыққа бітіру процесі

Ұнтақ металлургиясы (ҰМ) – металл ұнтақтарынан материалдар немесе бөлшектер жасалатын әртүрлі әдістерді қамтитын термин. ҰМ процестері өндірісте азайту процестерін қажет етпеуді немесе жоюды, материалдық шығындарды азайтуды және түпкілікті өнімнің құнын төмендетуді қамтамасыз етеді. Ұнтақ металлургиясы сонымен қатар балқыту немесе басқа тәсілдермен алу мүмкін емес, ерекше материалдар жасау үшін де қолданылады. Осы типтегі маңызды өнімнің бірі – вольфрам карбиді. Вольфрам карбиді басқа металдарды кесу және формалау үшін қолданылады және кобальтпен байланысқан вольфрам карбиді бөлшектерінен жасалады. Ол өнеркәсіпте көптеген түрдегі құралдар үшін кеңінен қолданылады және әлемдік деңгейде жылына шамамен 50,000 тоннасы ұнтақ металлургиясы арқылы өндіріледі. Басқа өнімдерге ысталған сүзгілер, майға қатырылған тесікті өткізгіш подшипниктер, электрлік контактілер және алмаздық құралдар жатады. 2010 жылдары металл ұнтақтарына негіделген қосымдық өндіріс индустриалдық масштабта қолданысқа енгеннен бері, селективті лазерлік ыстыққа бітіру және басқа металл қосымдық өндіріс процестері – коммерциялық маңызға ие ұнтақ металлургиясы қолданбаларының жаңа санаты болып табылады.

Шолу

Ұнтақ металлургиясының «пресс және синтездеу» процесі әдетте үш негізгі қадамнан тұрады: ұнтақ араластыру (немесе ұнтақтау), қалыпқа тығыздау және синтездеу. Ұнтақты қалыпқа тығыздау әдетте бөлме температурасында жүргізіледі. Синтерлеу – материалды сұйық күйге келтірмей, жылумен біріктіру процесі. Әдетте атмосфералық қысымда және мұқият бақыланатын атмосфералық құрамда жүзеге асырылады. Арнайы қасиеттерді немесе жоғары дәлдікті алу үшін көбінесе металлдандыру немесе жылумен өңдеу сияқты қосымша өңдеулер қолданылады. Осындай көне әдістердің бірі – ұсақ (<180 микрон) металл ұнтақтарын қоспалармен араластыру, оларды қажетті пішіндегі қалыпқа қысу, содан кейін бақыланатын атмосферада қысылған материалды біріктіру болып табылады. Металл ұнтағы көбінесе темірден тұрады, ал қоспаларға майлау балауызы, көміртек, мыс және/немесе никель кіреді. Бұл қалып өлшемдеріне өте жақын, бірақ 5–15% кезеңдік саңылаулы, демек, төменгі сапалы болат сипаттамаларына ие дәл бөлшектерді өндіреді. Бұл әдіс әлі де темір негізіндегі қорытпалардан шамамен 1 миллион тонна өндіруге қолданылады. Соңғы 50 жылда бірнеше басқа да ұнтақ металлургиясы процестері әзірленді. Оларға мыналар жатады: Ұнтақпен қалау: дәстүрлі «пресс және синтездеу» әдісімен жасалған «алдын ала пішін» қыздырылады, содан кейін толық тығыздыққа дейін ыстық қалау жасалады, нәтижесінде іс жүзінде қаланған қасиеттерге ие материал шығады. Ыстық изостатикалық престеу (HIP): Бұл процесте ұнтақ, әдетте газбен атомизацияланған және шар тәрізді, қалыпқа, әдетте металл «контейнерге» толтырылады. Контейнер тербеліп, содан кейін вакуумдалып, герметикалық жабылады. Ұнтақты синтездеу үшін оны бірнеше сағат бойы ыстық «изостатикалық пресске» орналастырады, онда ол балқу температурасының 0,7 есесіне дейін қыздырылады және ~100 МПа сыртқы газ қысымына ұшыратылады. Бұл толық тығыздықтағы, қаланған немесе одан да жақсы қасиеттері бар пішінделген бөлшектерге әкеледі. HIP 1950-60 жылдары ойлап табылды және 1970-80 жылдары кең көлемді өндіріске енді. 2015 жылы ол шамамен 25 000 тонна тот баспайтын және құралдық болаттарды, сондай-ақ реактивтік қозғалтқыштар үшін суперқорытпалардың маңызды бөліктерін өндіру үшін қолданылды. Металл инъекциялық қалыптау (MIM): Бұл процесте әдетте өте ұсақ (<25 микрон) және шар тәрізді ұнтақ пластик немесе балауыз байланыстырғышымен шамамен 65% көлемдік максималды қатты жүктемеге дейін араластырылады және күрделі геометриялы «жасыл» (байланыстырғышы бар) бөлшектерді жасау үшін қалыпқа инъекцияланады. Бұл бөлшек содан кейін «қоңыр» (байланыстырғышы жоқ) бөлшек алу үшін байланыстырғышты жою үшін қыздырылады немесе басқаша өңделеді. Бұл бөлшек содан кейін синтезделеді және ~18% қысқарып, күрделі және 95–99% тығыз бітірілген бөлшекке (беттің тегістігі ~3 микрон) айналады. 1970 жылдары ойлап табылған, өндіріс 2000 жылдан бері өсіп келеді, 2014 жылғы жаһандық көлемі 12 000 тоннаға бағаланып, құны 1265 миллион еуроны құрады. Электр тогымен көмектесетін синтездеу (ECAS) технологиялары ұнтақтарды синтездеу үшін электр тогын пайдаланады. Бұл өндіріс уақытын күрт қысқартады (15 минуттан бірнеше микросекундқа дейін), ұзақ пештік қыздыруды қажет етпейді және теориялық тығыздыққа жақын мүмкіндіктер береді, бірақ қарапайым пішіндермен шектеледі. ECAS-та қолданылатын ұнтақтарға байланыстырғыштардың қажеті жоқ, өйткені оларды тікелей синтездеуге болады, оларды алдын ала қысу және байланыстырғыштармен тығыздаудың қажеті жоқ. Қалыптар соңғы бөлшектің пішініне сәйкес жасалады, өйткені ұнтақтар қуыстықты толтыру кезінде қысыммен синтезделеді. Бұл изотропты емес синтездеуден туындаған пішіннің өзгеру проблемасын, сондай-ақ жоғары температурада гравитациядан туындаған бұрмалануды болдырмайды. Бұл технологиялардың ең көп тараған түрі – құрылыс индустриясы үшін алмаз құралдарын жасау үшін қолданылатын ыстық престеу. Spark плазмалық синтездеу және электросинтерлік қалау – екі заманауи, өнеркәсіптік және коммерциялық ECAS технологиясы. Қосымша өндіріс (AM) – металл ұнтақтарын (басқа материалдармен қатар, пластик сияқты) лазерлік ыдырату немесе балқыту арқылы бөлшектерді жасау үшін қолданатын жаңа техникалар тобы. Бұл 2015 жылға қарай қарқынды дамып келе жатқан процесс, және оны ұнтақ металлургиясы процесі ретінде жіктеу осы кезеңде белгісіз болуы мүмкін. Процестерге 3D-басып шығару, селективті лазерлік ыдырату (SLS), селективті лазерлік балқыту (SLM) және электронды сәулемен балқыту (EBM) кіреді.

The powder metallurgy "press and sinter" process generally consists of three basic steps: powder blending (or pulverisation), die compaction, and sintering. Compaction of the powder in the die is generally performed at room temperature. Sintering is the process of binding a material together with heat without liquefying it. It is usually conducted at atmospheric pressure, and under carefully controlled atmosphere composition. To obtain special properties or enhanced precision, secondary processing like coining or heat treatment often follows. One of the older such methods is the process of blending fine (<180 microns) metal powders with additives, pressing them into a die of the desired shape, and then sintering the compressed material together, under a controlled atmosphere. The metal powder is usually iron, and additives include a lubricant wax, carbon, copper, and/or nickel. This produces precise parts, normally very close to the die dimensions, but with 5–15% porosity, and thus sub wrought steel properties. This method is still used to make around 1 Mt/y of structural components of iron based alloys. There are several other PM processes which have been developed over the last fifty years. These include:
Powder forging: A "preform" made by the conventional "press and sinter" method is heated and then hot forged to full density, resulting in practically as wrought properties. Hot isostatic pressing (HIP): Here the powder, normally gas atomized and spherical, is filled into a mould, usually a metallic "can". The can is vibrated, then evacuated and sealed. To sinter the powder, it is placed in a hot "isostatic press" for several hours, where it is heated to around 0.7 times the melting point, and subjected to an external gas pressure of ~100 MPa. This results in a shaped part of full density with as wrought or better properties. HIP was invented in the 1950 60s and entered tonnage production in the 1970 80s. In 2015, it was used to produce ~25,000 t/y of stainless and tool steels, as well as important parts of superalloys for jet engines. Metal injection moulding (MIM): Here the powder, normally very fine (<25 microns) and spherical, is mixed with plastic or wax binder to near the maximum solid loading, typically around 65% volume, and injection moulded into a mould to form a "green" (with binder) part of complex geometry. This part is then heated or otherwise treated to remove the binder to give a "brown" (without binder) part. This part is then sintered, and shrinks by ~18% to give a complex and 95–99% dense finished part (surface roughness ~3 microns). Invented in the 1970s, production has increased since 2000 with an estimated global volume in 2014 of 12,000 t worth €1265 million. Electric current assisted sintering (ECAS) technologies use electric currents to sinter powders. This reduces production time dramatically (it can take from 15 minutes to a few microseconds), does not require a long furnace heat, and allows near theoretical densities, but it also has the drawback of simple shapes. Powders used in ECAS do not require binders because they can be directly sintered, without needing to be pre pressed and compacted with binders. Moulds are designed for the final part shape since the powders sinter while filling the cavity under an applied pressure. This avoids the problem of shape variations caused by non isotropic sintering, as well as distortions caused by gravity at high temperatures. The most common of these technologies is hot pressing, which has been used to make diamond tools for the construction industry. Spark plasma sintering and electro sinter forging are two modern, industrial, and commercial ECAS technologies. Additive manufacturing (AM) is a relatively novel family of techniques which use metal powders (among other materials, such as plastics) to make parts by laser sintering or melting. This is a process under rapid development as of 2015, and whether to classify it as a PM process is perhaps uncertain at this stage. Processes include 3D printing, selective laser sintering (SLS), selective laser melting (SLM), and electron beam melting (EBM).

Тарих және мүмкіндіктері

Ұнтақ металлургиясының тарихы және металл мен керамиканы ыстықтап біріктіру өнері тығыз байланысты. Ыстықтап біріктіру – бастапқы ұнтақтан берік металл немесе керамикалық бұйымды жасау процесі. Ежелгі инкалар құнды металл ұнтақтарынан әшекейлер және басқа да заттар жасаған, бірақ ұнтақ металлургиясы өнімдерін жаппай өндіру 19 ғасырдың ортасы немесе соңында ғана басталды. Бұл ерте өндіріс кезеңдерінде темір металл губкасынан қолмен алынып, соңынан балқыту немесе ыстықтап біріктіру үшін қайтадан ұнтақ түрінде қолданылатын. Балқытылған материалдарды тікелей қорытуға қарағанда, ұнтақ процестерінен әлдеқайда көптеген өнімдер алуға болады. Балқыту операцияларында "фазалық ереже" барлық таза және қосылған элементтерге қатысты және нақты құрамы үшін сұйық және қатты фазалардың таралуын қатаң регламенттейді. Сонымен қатар, қорыту үшін бастапқы материалдарды толығымен балқыту қажет, бұл өндіріске қажетсіз химиялық, жылулық және қаптау шектеулерін қосады. Алюминий/темір ұнтақтарын өңдеу, өкінішке орай, үлкен қиындықтар тудырады. Атмосфералық оттегімен өте реактивті басқа заттар, мысалы титан, арнайы атмосферада немесе уақытша жабындармен ыстықтап біріктіріледі. Ұнтақ металлургиясы немесе керамикада, әйтпесе ыдырайтын немесе бұзылатын компоненттерді жасау мүмкін. Қатты-сұйық фазалық өзгерістердің барлық аспектілерін ескермеуге болады, сондықтан ұнтақ процестері құю, экструзия немесе соғу техникаларынан гөрі икемді. Әртүрлі ұнтақ технологияларын қолдану арқылы жасалған өнімдердің бақыланатын сипаттамаларына механикалық, магниттік және кезекті емес қасиеттері, мысалы, кеуекті қатты денелер, агрегаттар және металл аралық қосылыстар жатады. Өндірістік процестің бәсекелестік сипаттамалары (мысалы, құралдың тозуы, күрделілігі немесе жеткізушілердің таңдауы) да қатаң бақылауда болуы мүмкін.

Арнайы өнімдер

Ұнтақ металлургиясы технологиясымен көптеген арнайы өнімдер жасау мүмкін. Олардың толық емес тізіміне мыналар кіреді: жарық сыну қабілетін жақсарту үшін өте жұқа оксид қабаттарымен қапталған Al2O3 баулары; жоғары температурадағы крейптік беріктігін арттыру үшін Al2O3 қаптамасы бар темір өнімдері; ұнтақ технологиясымен жасалған шамдардың жіптері; үйкеліс тежегіштерінің астарлары; жоғары беріктікті фильмдер мен ленталар үшін металл әйнектер; ғарыш кемелерінің Жер атмосферасына қайта кіруі үшін жылу қалқандары; үлкен ток күшін басқаруға арналған электр контактілері; магниттер; микротолқынды ферриттер; газдарға арналған сүзгілер; және майлау материалдарымен сіңдірілетін подшипниктер. Өте жұқа қабаттар мен кішкентай шарлар жоғары беріктікке ие. Бұл байқаудың бір қолданылуы – сынық материалдарды мысық тәрізді, әлдеқайда жұмсақ металдың (мысалы, кобальтпен қапталған вольфрам) субмикрометрлік қабықшасымен қаптау. Жұқа қабаттың беттік кернеуі қатты металды қысымға түсіреді, сондықтан композиттің барлығы ысталғанда жарылу беріктігі айтарлықтай артады. Осы әдіспен қапталған (25% кобальт) және қапталмаған вольфрам карбидтері үшін сәйкесінше 2,8 ГПа және 550 МПа шамасында беріктіктер анықталды. Титан, ванадий, торий, ниобий, тантал, кальций және уран элементтерінің ұнтақтары тиісті нитридтер мен карбидтерді жоғары температурада тотықтыру арқылы алынған. Темір, никель, уран және бериллийдің субмикрометрлік ұнтақтары металл оксалаттары мен форматтарын тотықтыру арқылы қол жеткізіледі. Сонымен қатар, өте ұсақ бөлшектер жоғары температурадағы плазмалық шоқ немесе жалын арқылы балқыған металл ағынын бағыттап, материалды атомизациялау арқылы дайындалды. Әртүрлі химиялық және жалынмен байланысты ұнтақтау процестері бөлшектердің атмосфералық оттегімен күрт нашарлауын болдырмау үшін жартылай қолданылады. Бұл әдетте жұмыс дайындамасын жарылыс арқылы үдетілген пластинамен соғу арқылы жасалады. Бұл техника көптен бері зерттелгеніне қарамастан, оның басқару және біртектілік мәселелері әлі де бар. Дегенмен, ол маңызды артықшылықтар ұсынады. Мысалы, консолидация соншалықты жылдам жүреді, метатұрақ микроқұрылымдар сақталуы мүмкін.

Many special products are possible with powder metallurgy technology. A nonexhaustive list includes Al2O3 whiskers coated with very thin oxide layers for improved refraction; iron compacts with Al2O3 coatings for improved high temperature creep strength; light bulb filaments made with powder technology; linings for friction brakes; metal glasses for high strength films and ribbons; heat shields for spacecraft reentry into Earth's atmosphere; electrical contacts for handling large current flows; magnets; microwave ferrites; filters for gases; and bearings which can be infiltrated with lubricants. Extremely thin films and tiny spheres exhibit high strength. One application of this observation is to coat brittle materials in whisker form with a submicrometre film of much softer metal (e. g. cobalt coated tungsten). The surface strain of the thin layer places the harder metal under compression, so that when the entire composite is sintered the rupture strength increases markedly. With this method, strengths on the order of 2.8 GPa versus 550 MPa have been observed for, respectively, coated (25% cobalt) and uncoated tungsten carbides. Powders of the elements titanium, vanadium, thorium, niobium, tantalum, calcium, and uranium have been produced by high temperature reduction of the corresponding nitrides and carbides. Iron, nickel, uranium, and beryllium submicrometre powders are obtained by reducing metallic oxalates and formates. Exceedingly fine particles also have been prepared by directing a stream of molten metal through a high temperature plasma jet or flame, atomizing the material. Various chemical and flame associated powdering processes are adopted in part to prevent serious degradation of particle surfaces by atmospheric oxygen. These are commonly produced by impacting the workpiece with an explosively accelerated plate. Despite being researched for a long time, the technique still has some problems in controlability and uniformity. However, it offers some valuable potential advantages. As an example, consolidation occurs so rapidly that metastable microstructures may be retained.

Изостатикалық тығыздау

Изостатикалық ұнтақ тығыздау – массаны сақтайтын пішіндеу процесі. Жұқа металл бөлшектері икемді қалыпқа салынады, содан кейін қалыпқа жоғары сұйық қысымы қолданылады, бұл қалыпты престеу процесіндегі матрица беттерімен тікелей қолданылатын қысымнан өзгеше. Содан кейін алынған бұйым пеште күйдіріледі, бұл металл бөлшектерін байланыстыру арқылы бөлшектің беріктігін арттырады. Бұл өндіріс процесінде металл қалдықтары өте аз шығады және түрлі пішіндер жасауға болады. Бұл процесспен қол жеткізілетін толеранстар өте жоғары: осьтік өлшемдер үшін +/ 0,008 дюйм (0,2 мм), ал радиалды өлшемдер үшін +/ 0,020 дюйм (0,5 мм). Бұл ұнтақ тығыздаудың ең тиімді түрі (келесі кіші санаттар да осы дереккөзден алынған). Бұл операция көбінесе шағын партияларда қолданылады, қалыптың құны престеу матрицаларынан әлдеқайда төмен болғанымен, ол әдетте қайта пайдаланылмайды және өндіріс уақыты ұзаққа созылады. Тығыздау қысымы металдар үшін шамамен -0, ал металл емес материалдар үшін шамамен -0 құрайды. Изостатикалық тығыздалған бөлшектердің тығыздығы басқа ұнтақ металлургиясы процестерімен салыстырғанда 5%-ға дейін 10% жоғары. Типикалық жұмыс бөлшектерінің өлшемдері қалыңдығынан бастап, ұзындығына дейін өзгереді. Жұмыс бөлшектерін қалыңдығы мен ұзындығы аралығында тығыздауға болады. Стандартты ұнтақ тығыздаумен салыстырғандағы артықшылықтары – қабырғаларды жұқалау және жұмыс бөлшектерін үлкейту мүмкіндігі. Биіктік пен диаметр арақатынасының шектеулері жоқ. Қабырға қалыңдығының өзгеруіне, ойықтарға, рельефтерге, бұрандалы тілімдерге және көлденең тесіктерге ешқандай нақты шектеулер қойылмайды. Изостатикалық ұнтақ тығыздау үшін майлау материалдары қажет емес. Қабырғаның ең төменгі қалыңдығы 0,05 дюйм (1,27 мм) және өнімнің салмағы 40-тан 300 фунтқа (18-ден 136 кг-ға) дейін болуы мүмкін. Ұнтақ тығыздалғаннан кейін 25%-дан 45%-ға дейін қысқарады.

Ыстық изостаттық престеу

Ыстық изостаттық престеу (HIP) бөлшекті бір мезгілде қысады және синтездейді. Егер температура ұнтақты металл бөлшегінің бір компонентінің балқу температурасынан жоғары болса, еріген бөлшектердің сұйығы кеуекті толтырады. Бұл типтегі синтездеу сұйық фазалық синтездеу деп аталады. Электр тогы мен механикалық қысымның үйлесімі арқасында ұнтақтар жылдам синтезделеді, соның салдарынан дәстүрлі термиялық әдістерге қарағанда синтездеу уақыты қысқарады. Техникалардың екі негізгі түрі бар: кедергілік синтездеу, оған шұбыртқы плазмалық синтездеу және ыстық престеу кіреді; және электрлік разрядты синтездеу, мысалы, конденсаторлық разрядтау немесе оның туындысы – электросинтерлік қалыптау. Кедергілік синтездеу әдістері – температураға негізделген консолидациялау әдістері, онда қалып пен ұнтақтар электр тогы арқылы қыздырылады, әдетте өңдеу уақыты 15-30 минутты құрайды. Ал электрлік разрядты синтездеу әдістері электр өткізгіш ұнтақтарды тікелей синтездеу үшін жоғары тығыздық тоқтарына (0,1-ден 1 кА/мм^2-ге дейін) тәуелді, олардың сипаттамалық уақыты ондаған микросекундтан жүздеген миллисекундқа дейін болады.

Ұнтақты үздіксіз өңдеу

"Тұрақты процесс" деген сөз тіркесі тек уақыт бойынша шексізге дейін созылатын өндіріс режимдерін сипаттау үшін ғана қолданылуы тиіс. Бірақ, көбінесе бұл термин өнімдері бір физикалық өлшемде қалған екі өлшемнен әлдеқайда ұзын болатын процестерді білдіреді. Сығымдау, домалату және экструзия ең көп кездесетін мысалдар. Егер температура мен қысым қалыпты материалдардың мүмкіндіктері шегінде болса, экструзияға қолданылатын металдар мен қорытпалардың әртүрлілігіне ешқандай шектеу жоқ сияқты. Диаметрлері 0,2-ден 1 метрге дейін болады. Қазіргі заманғы пресс машиналары көбінесе автоматты және жоғары жылдамдықпен жұмыс істейді (м/с шамасында).