Kad dzirdat vārdus "metāla iesmidzināšanas liešanas materiāli", lielākā daļa prātu uzreiz pievēršas metāla pulverim. Tas, protams, ir virsraksta akts. Bet, ja kādu laiku esat pavadījis veikalā, jūs zināt, ka patiesais stāsts sākas ar saistvielu sistēmu un beidzas ar krāsns atmosfēru. Svarīgs ir viss kokteilis, ne tikai gars. Esmu redzējis, ka pārāk daudz projektu apstājas, jo kāds iegādājās skaistu, sfērisku 17-4PH pulveri, bet savienoja to ar vispārēju vaska-polimēra saistvielu, kas nevarēja tikt galā ar daļas ģeometriju, izraisot katastrofālus kropļojumus atdalīšanas laikā. Materiāls nav tikai metāls; tā ir izejviela. Tā ir pirmā un bieži vien visdārgākā nodarbība.
Izejvielu vienādojums: vairāk mākslas nekā zinātne
Pareizas izejvielas iegūšana dažreiz šķiet kā alķīmija. Ideāla pulvera iekraušanas attiecība — metāla pulvera tilpuma procents saistvielā — ir staigāšana pa virvi. Nospiediet to pārāk augstu, lai iegūtu sarežģītu daļu, un jūs zaudēsiet plūstamību, par kuru MIM tiek novērtēts. Inžektorlējuma mašīna cīnās, rodas metināšanas līnijas, tukšumi. Pārāk zems, un detaļa saķepināšanas laikā neprognozējami saraujas, iznākot ārpus specifikācijas. Lai iegūtu ļoti nodiluma komponentu, kuru mēs kādreiz izmantojām, izmantojot smalku, ar gāzi izsmidzinātu 316 l pulveri, mums bija nedaudz jāsamazina ielāde, salīdzinot ar mācību grāmatā ieteikto. Kāpēc? Daļai bija smieklīgi plāns šķērsgriezums blakus biezai rumbai. Standarta ielāde izraisīja izlietnes pēdas. Mēs pieļāvām nedaudz mazāku blīvumu, lai nodrošinātu piepildījumu, un pēc tam pielāgojām saķepināšanas profilu, lai to kompensētu. Tas strādāja, bet tas nebija nevienā rokasgrāmatā.
Šeit saistnieka loma ir noziedzīgi nenovērtēta. Tā nav tikai pagaidu līme. Tā sadalīšanās kinētikai termiskās vai šķīdinātāja atdalīšanas laikā jābūt perfekti sinhronizētai ar pulvera iepakojumu. Šeit rodas neatbilstība, un jūs saņemat vēdera uzpūšanos, plaisāšanu vai “zaļās daļas” sabrukumu. Es atceros partiju, kurā saistvielas piegādātājs bez brīdinājuma nomainīja katalizatoru. Detaļas izskatījās ideāli, iznākot no veidnes, bet debind cepeškrāsnī tās sabruka kā nogurusi mīkla. Kopējais zaudējums. Pulveris bija identisks, metāla specifikācija nemainījās. Kļūme bija saistvielu sistēmas "nelielā" komponentā.
Un parunāsim par pulvera īpašībām. Sfēriskums un daļiņu izmēra sadalījums (PSD) ir viss. Šaurs PSD var sniegt lielisku iepakošanas teoriju, taču labi kontrolēts, nedaudz plašāks sadalījums praksē bieži darbojas labāk un tiek saķepināts uzticamāk. Kobalta-hroma medicīnisko implantu izejvielu gadījumā mēs cīnījāmies ar porainības problēmām, līdz sajaucām divas dažādas pulvera partijas, lai iegūtu pareizo PSD līkni. Katras partijas specifikācijas lapas bija “pieņemamas”, taču maģija bija sajaukumā. Jūs to nemācāties no datu lapas; jūs to mācāties no metāllūžņos nodotām partijām.
Saķepināšana: kur materiāls patiešām veidojas
Tas ir neatgriešanās punkts. Jūs esat izveidojis un atdalījis trauslo "brūno daļu". Tagad saķepināšanas krāsnī metāla daļiņas saplūst un parādās patiesās materiāla īpašības. Šeit jūsu izvēlētais pamatmateriāls — nerūsējošais tērauds, instrumentu tērauds, īpašs sakausējums — tiek pakļauts ugunij. Atmosfēras kontrole ir karalis. Neliela skābekļa noplūde ūdeņraža-slāpekļa atmosfērā, saķepinot hromu saturošu tēraudu, piemēram, 17-4PH, var samazināt virsmas oglekli un sabojāt izturību pret koroziju. Mēs iemācījāmies darbināt fiktīvas detaļas pirms katras kritiskās partijas, lai “pārbaudītu” krāsns atmosfēru, lēta apdrošināšanas polise.
Pats saķepināšanas cikls ir materiālam specifiska recepte. Rampas ātrums, turēšanas temperatūra, dzesēšanas ātrums — tie visi nosaka galīgo mikrostruktūru. Projektam, kuram nepieciešams mīksts magnētiskais sakausējums (piemēram, Fe-50% Ni), dzesēšanas ātrums no saķepināšanas temperatūras bija kritisks, lai attīstītu vēlamo magnētisko caurlaidību. Pārāk ātri, un mēs palaidām garām īpašuma logu. Lai sasniegtu specifikāciju, bija nepieciešamas trīs krāsns darbības ar smalkiem dzesēšanas uzlabojumiem. Pirkuma pasūtījuma “materiāls” bija tikai Fe-50Ni. Šajā krāsnī tika izveidots funkcionālais materiāls.
Saraušanās ir otrs lielais mainīgais, kas tieši saistīts ar izejvielu. Mūsu mērķis ir izotropiska saraušanās, taču tā nekad nav pilnīgi viendabīga. Precīzijas zobrata komponentam veidnes dobums bija jāprojektē, pamatojoties uz empīrisku saraušanās koeficientu, ko mēs izstrādājām konkrētajai 4140 sakausējuma izejvielai, nevis pārdevēja vispārīgo 15–18% prasību. Mūsu faktors bija 16,7% ±0,3% kritiskajā plaknē. Šī precizitāte radās, mērot simtiem saķepinātu detaļu un korelējot atpakaļ. Tādas materiālās zināšanas paliek uzņēmuma iekšējā rokasgrāmatā.
Kāpēc sakausējumi, piemēram, kobalts un niķelis, maina spēli
Pāreja no parastā nerūsējošā tērauda uz tādām jomām kā sakausējumi uz kobalta bāzes vai sakausējumi uz niķeļa bāzes MIM ir pakāpeniskas grūtības un izmaksu izmaiņas. Tie nav tikai "iedomātāki tēraudi". Viņu saķepināšanas logi var būt neticami šauri. Biomedicīnai paredzēts kobalta-hroma-molibdēna sakausējums var saķepināt 20 grādu pēc Celsija logā, lai sasniegtu pilnu blīvumu bez graudu augšanas. Nepalaidiet to garām, un jūs iegūsit atlikušo porainību vai trauslumu.
Arī saistvielu noņemšana šiem augstas veiktspējas sakausējumiem ir sarežģītāka. To pulveri bieži ir reaktīvāki, tāpēc, lai izvairītos no virsmas piesārņojuma, priekšroka dodama katalītiskajai atdalīšanai (piemēram, izmantojot slāpekļskābes tvaikus), nevis lēnākas termiskās metodes. Tas palielina procesa sarežģītību un izmaksas. Bet atmaksājas daļas, kuru īpašības tuvojas kaltam materiālam — padomājiet par reaktīvo dzinēju degvielas iesmidzināšanas virpuļmehānismiem, kas izgatavoti, izmantojot MIM no niķeļa supersakausējuma. Vērtība ir neto formas sarežģītībā, nevis tikai materiālu izmaksās.
Šī ir joma, kurā dziļi liešanas un apstrādes pieredze kļūst nenovērtējama. Uzņēmums ar ilgu vēsturi investīciju liešanā un īpašu sakausējumu apstrādē, piemēram Qingdao Qiangsenyuan Technology Co., Ltd. (QSY), sniedz atšķirīgu skatījumu uz MIM. Viņi nodarbojas ar metalurģiju īpaši sakausējumi gadu desmitiem, izmantojot savas čaulas un ieguldījumu liešanas operācijas. Šīs iesakņojušās zināšanas par to, kā šie metāli uzvedas karstumā, kā tie mijiedarbojas ar atmosfēru un kā tos var pabeigt, ir milzīgs ieguvums, cenšoties tos veidot. Viņi saprot, ka pēcsaķepināšanas stāvoklis ir tikai sākuma sagatave daudzām daļām, kurām pēc tam būs nepieciešama precīza CNC apstrāde lai sasniegtu galīgās pielaides attiecībā uz kritiskajām iezīmēm. MIM process un materiālu izvēle ir izstrādāta, ņemot vērā šo turpmāko apstrādes posmu.
Apstrādes saite: MIM ne vienmēr nozīmē "pabeigts"
Izplatīts nepareizs uzskats, ka MIM daļas izlec no krāsns, gatavas lietošanai. Daudziem jā. Bet augstas precizitātes lietojumos saķepināšanai seko sekundāras darbības. Tas ir ļoti svarīgi materiāla izvēlei. Varat izvēlēties iepriekš rūdītu šķirni vai tādu, kas pēc saķepināšanas tiks termiski apstrādāta. Bet jāņem vērā arī apstrādājamība. Saķepinātai MIM daļai ir smalka, viendabīga mikrostruktūra, taču ne vienmēr ir sapnis to apstrādāt. Tas var būt abrazīvs.
Mums bija korpuss ar 440C nerūsējošā tērauda MIM daļu, kurai bija nepieciešams caurums. Pēc saķepināšanas daļa bija pilnībā blīva un cieta. Pieskaroties tai tieši, bija košļāt rīkus. Mums bija jāpielāgo saķepināšanas cikls, lai tas apstrādei būtu nedaudz mīkstāks, un pēc tam jāpievieno turpmāka cietēšanas termiskā apstrāde. 'Materiāla' process bija šāds: izejvielu sagatavošana -> formēšana -> atsaistīšana -> saķepināšana (mīksta) -> CNC apstrāde -> termiskā apstrāde -> galaprodukts. Materiāla ceļojums nebija beidzies pēc krāsns.
Šis integrētais skats ir galvenais. Tāpēc daži no veiksmīgākajiem spēlētājiem nav tikai MIM veikali. Tie ir integrēti ražotāji, piemēram, QSY, kas apvieno procesus. Viņi var apskatīt sarežģītas, augstas sakausējuma sastāvdaļas zīmējumu un spriest, vai investīciju liešana, MIM vai hibrīda pieeja vislabāk ir balstīta uz ģeometriju, materiālu un tilpumu. Viņu 30 gadi liešanā un apstrādē nozīmē, ka viņi izvēlas MIM materiālus, pilnībā izprotot visu ražošanas ķēdi, ne tikai formēšanas un saķepināšanas posmus. Viņi zina, ka materiāla patiesajās izmaksās ir iekļauta tā darbība katrā nākamajā darbībā.
Neveiksmes un mācības, ko tās atstāj
Materiālus no panākumiem nemācās. Jūs mācāties no lūžņu tvertnēm. Sākumā mēs mēģinājām izmantot mazleģētā tērauda izejvielu, kas paredzēta automašīnu detaļām. Detaļas saķepināja labi, izskatījās lieliski. Taču sāls izsmidzināšanas testos tie sarūsēja stundās, kamēr tradicionāli apstrādāta vienas un tās pašas kvalitātes daļa ilga nedēļas. Vainīgais? Oglekļa zudumi saķepināšanas laikā atmosfēras dēļ, kas nav ideāli pielāgota konkrētā pulvera virsmas ķīmijai. Materiāla “klase” bija pareiza, taču process bija mainījis tā efektīvo sastāvu. Mums bija jāpārslēdzas uz MIM izstrādātu pulveri ar atšķirīgu virsmas pasivāciju un jāpievelk krāsns protokols. Specifikāciju lapa bija bezjēdzīga, ja mēs nekontrolējām procesu, kas radīja gala materiālu.
Citu reizi mēs pētījām, izmantojot MIM spējīgu volframa smago sakausējumu. Blīvums bija fantastisks, taču izejvielu bija ļoti grūti konsekventi veidot. Mēs pavadījām mēnešus pie vārtu un sliežu konstrukciju, veidņu temperatūras, iesmidzināšanas parametriem. Mēs saņēmām funkcionālās daļas, bet raža nekad nebija ekonomiski izdevīga apjomam. Mēs to nolikām plauktos. Materiāls bija daudzsološs uz papīra, taču praktiskā realitāte, pārveidojot to no izejmateriāla par uzticamu sastāvdaļu, nogalināja projektu. Tas ir būtisks spriedums, ko pieņemat, tikai mēģinot un neveiksmīgi.
Tātad, kad es domāju par metāla iesmidzināšanas liešanas materiāli tagad es neredzu tikai sakausējumu sarakstu. Es redzu lēmumu kaskādi: pulvera forma un izmērs, saistvielas ķīmija, pulvera iekraušana, atdalīšanas metode, krāsns atmosfēras profils, iespējamā termiskā apstrāde un nepieciešamā sekundārā apstrāde. Materiāls ir visa šī ķēde. Tā ir procesa noteikta entītija. Pareizi rīkoties nozīmē ievērot katru saikni, un šīs zināšanas netiek nopirktas — tās tiek veidotas pa daļai, neveiksmes pēc neveiksmes gadu gaitā. Tā ir atšķirība starp pulvera pasūtīšanu un komponenta izstrādi.
