누군가가 '분말 야금의 종류'라고 말하면 대부분의 사람들은 고전적인 프레스 및 소결 방식으로 바로 이동합니다. 물론 그것은 일꾼이지만 그것은 단지 시작의 문일 뿐입니다. 실제 대화는 다음과 같은 질문에서 시작됩니다. 해당 부분의 최종 작업은 무엇입니까? 단순한 저응력 부싱입니까, 아니면 높은 열과 회전력을 보이는 터빈 부품입니까? 이러한 구별은 이 기술의 한 분야에서 다른 분야로 완전히 전환됩니다. 엔지니어가 재료 등급을 지정했지만 피로 수명이나 치수 안정성에 대한 제조 경로의 영향을 충분히 고려하지 않은 설계가 너무 많이 들어왔습니다. CAD 모델과 소결 현실 사이의 격차는 실제 유형의 분말 야금이 존재하는 곳입니다.
프레스 및 소결: 기준선과 보이지 않는 한계
유비쿼터스적인 것부터 시작해보자. 일반적으로 구리, 니켈, 흑연을 미리 합금하거나 혼합한 철 기반 혼합물인 금속 분말을 실온의 단단한 다이에서 압축한 다음 분위기가 조절되는 용광로에서 가열합니다. 결합은 고체 확산을 통해 형성됩니다. 대량의 형태 제작에 환상적으로 효율적입니다. 기어, 스프로킷, 가전제품의 구조 부품 등 수많은 예가 있습니다.
그러나 모두가 간과하는 문제는 바로 밀도입니다. 기존의 프레스 및 소결은 일반적으로 이론 밀도의 약 92-95%를 차지합니다. 남은 다공성은 많은 응용 분야에 적합하지만 동적 특성을 저하시킵니다. 피로 강도 곡선은 실망스러울 정도로 일찍 평탄해집니다. 나는 표준 P/M 공장의 초기 프로토타입이 내구성 테스트에서 동급의 연강보다 훨씬 빨리 실패했던 유압 펌프 기어 프로젝트를 기억합니다. 근본 원인은 물질의 화학적 성질이 아니었습니다. 그것은 응력 집중 장치 역할을 하는 미세한 구멍이었습니다. 우리는 생각을 바꿔야 했습니다.
이것이 바로 합금 시스템과 윤활유가 매우 중요한 부분입니다. FN-0205(2% 니켈과 0.5% 흑연을 함유한 철)는 소결 중에 FC-0208(2% 구리 함유)과 매우 다르게 거동하여 치수 변화와 최종 강도에 영향을 미칩니다. 그리고 용광로 대기의 이슬점은 무엇입니까? 특히 크롬이나 망간과 같은 원소의 경우 산화물 감소에 중요합니다. 잘못하면 부서지기 쉬운 부분이 생깁니다. 이는 단순한 프로세스가 아닙니다. 그것은 열을 받는 화학 실험입니다.
밀도를 협상할 수 없는 경우: 금속 사출 성형 및 그 이상
그렇다면 스톡 바에서 가공하면 재료의 80%가 낭비되는 거의 전체 밀도와 복잡한 형상이 필요한 경우 어떻게 해야 합니까? 그게 바로 그 영역이야 금속 사출 성형(MIM). 매우 미세한 구형 분말을 폴리머 바인더와 혼합하고 플라스틱처럼 사출 성형한 다음 소결하기 전에 바인더를 조심스럽게 제거(탈지)합니다. 부품은 약 15~20% 정도 많이 줄어들지만 공급원료가 균일하다면 균일하게 줄어듭니다. 98% 이상의 밀도를 달성하며, 종종 99%에 가깝습니다.
MIM의 아름다움은 내부 스레드, 언더컷, 얇은 벽과 같은 세부 사항에 있습니다. 우리는 이를 복잡한 래치 메커니즘을 갖춘 스테인레스 스틸 17-4 PH 부품인 수술 기구 구성 요소에 사용했습니다. 기계 가공은 고정 장치와 도구 파손으로 인한 악몽이었습니다. MIM은 이를 소결된 단일 조각으로 만들었습니다. 그러나 악마는 바인딩을 해제하고 있습니다. 바인더가 고르게 제거되지 않으면 갈라지거나 물집이 생길 수 있습니다. 이는 무차별적인 조작이 아닌 느리고 섬세한 열 주기입니다.
이는 다른 분기에 연결됩니다. 열간 등압 성형(HIP). 때로는 캔에 있는 분말과 함께 자체적으로 사용하는 경우도 있지만(용기 HIPing), 더 자주는 소결 부품의 잔류 다공성을 닫는 2차 공정입니다. 우리는 프레스 앤 소결을 통해 만들어진 중요한 밸브 본체를 고온에서 높은 아르곤 압력인 HIP 사이클에 넣었습니다. 내부 기공을 꽉 쥐어 닫아 연성과 압력 무결성을 극적으로 향상시킵니다. 비용이 추가되지만 석유 및 가스 구성 요소의 경우 자격을 취득하는 티켓입니다.
단조 경로: 분말 단조와 그 틈새 시장
다음은 분말 단조입니다. 일반적인 프레싱을 통해 프리폼을 만든 다음 소결된(또는 때로는 소결되지 않은) 프리폼을 가져와 닫힌 다이에서 열간 단조합니다. 이는 단조품에 가까운 전체 밀도와 우수한 기계적 특성을 달성합니다. 재료 수율이 훌륭합니다. 커넥팅로드와 같은 고응력 자동차 부품에 사용되었습니다.
그러나 툴링 비용은 상당하며 이를 정당화하려면 볼륨이 필요합니다. 열 관리는 까다롭습니다. 스케일이나 탈탄 없이 단조를 위해 프리폼을 적절한 온도로 균일하게 유지하는 것입니다. 나는 부적절한 프리폼 설계로 인해 단조 접힘(랩)이 발생하고 이는 동적 부품에 치명적인 결함이 되는 실험을 본 적이 있습니다. 이는 분말 야금의 강력한 유형이지만 분말 과학만큼 단조 기술에 대한 존경심을 요구합니다.
적층 제조: 제품군의 새로운 개척
오늘날 적층 제조를 건드리지 않고는 유형에 대해 이야기할 수 없습니다. 파우더 베드 융합. 선택적 레이저 용해(SLM), 전자빔 용해(EBM). 이것은 가장 문자 그대로의 분말야금학입니다. 즉, 집중된 에너지원으로 분말을 완전히 녹여 부품을 층층이 쌓아가는 것입니다. 매개변수를 조정하면 밀도는 99.9%+가 될 수 있습니다.
자유로움은 혁명적이지만 표면 마감과 내부 응력은 절충점입니다. 인쇄된 표면은 부분적으로 녹은 분말 입자로 인해 특징적인 거칠기를 가지는데, 이는 처리하지 않고 방치하면 피로에 매우 좋습니다. 그리고 급속 가열 및 냉각으로 인한 잔류 응력은 응력 완화 또는 열간 등방압 프레싱 사이클이 필요합니다. 우리는 이를 Qingdao Qiangsenyuan의 맞춤형 저용량 임펠러 설계에 대해 평가했습니다. 기하학적 구조는 완벽했지만 필요한 표면 무결성과 부품당 비용을 고려하여 궁극적으로 프로토타입 실행을 위해 매몰 주조를 선택했습니다. AM은 완벽한 도구였지만 해당 특정 작업에는 적합한 도구가 아니었습니다. 이것이 주요 차이점입니다.
주조 및 분말 야금 도로가 교차하는 곳
이것은 나에게 관련 접선을 제공합니다. 에 칭다오창센위안과기유한회사(QSY), 쉘 및 인베스트먼트 주조 분야에서 수십 년간의 경험을 바탕으로 대화는 종종 물질적 성능으로 전환됩니다. 고객이 고온 서비스를 위해 니켈 기반 초합금 부품이 필요한 경우 매몰 주조와 HIP와 같은 분말 야금 경로 중에서 선택하는 것이 중요합니다. 주조는 크고 복잡한 모양을 아름답게 처리할 수 있지만 입자 구조와 미세 다공성의 가능성에는 한계가 있습니다. 파우더 HIPing은 미세하고 균일한 미세 구조, 본질적으로 등방성 특성을 제공합니다. 결정은 규모, 복잡성, 부동산 요구 사항 및 부지 규모에 따라 달라집니다. 때때로 가장 좋은 솔루션은 하이브리드입니다. 즉, 주조 프리폼을 사용한 다음 내마모성을 위해 열 스프레이를 통해 분말 기반 코팅을 적용하는 것입니다. 더 나은 사람이 되는 것이 아닙니다. 그것은 프로세스의 올바른 조합에 관한 것입니다.
간과되는 요소: 분말 자체
이러한 모든 유형은 출발 물질인 분말에 달려 있습니다. 가스 원자화, 물 원자화, 플라즈마 회전 전극 공정(PREP) - 생산 방법에 따라 입자 모양, 크기 분포 및 내부 미세 구조가 정의됩니다. MIM의 경우 우수한 흐름과 패킹을 위해서는 미세한 구형 입자가 필요합니다. 기존 프레싱의 경우 불규칙하고 물로 원자화된 입자가 더 잘 맞물려 생지 강도가 향상됩니다. 티타늄과 같은 반응성 합금이나 QSY 목록의 특수 합금(코발트 기반, 니켈 기반)으로 작업하는 경우 불활성 분위기에서 분말을 처리하는 것은 타협할 수 없습니다. 산소 픽업은 연성의 조용한 살인자입니다.
나는 이것을 초기에 힘들게 배웠습니다. MIM용 316L 스테인리스 분말 배치는 사양보다 수분 함량이 약간 더 높았습니다. 이는 성형 중에 바인더와 분말이 분리되어 소결 후에만 보이드가 나타나는 현상을 야기했습니다. 전체 배치가 폐기되었습니다. 파우더는 기초입니다. 다운스트림에서는 결함을 수정할 수 없습니다.
그래서 '분말야금의 종류'라고 하면 의사결정나무가 떠오릅니다. 부품의 기능, 속성 요구 사항, 형상 및 허용되는 비용부터 시작하십시오. 그 길은 올바른 분말과 올바른 통합 방법으로 이어집니다. 이는 단순한 옵션 목록이 아닙니다. 그것은 모든 선택 뒤에 숨어 있는 다공성의 유령과 함께 일련의 기술적, 경제적 절충점입니다. 목표는 유령을 사라지게 하거나 최소한 부품의 의도된 수명 동안 무해하게 만드는 프로세스를 선택하는 것입니다.
