Bądźmy szczerzy, wielu pracowników działu zaopatrzenia, a nawet niektórzy inżynierowie łączą odlewanie bryłowe i metalurgię proszków (PM) w ramach procesów o kształcie zbliżonym do netto i nie ma na to czasu. To niezły punkt wyjścia, ale pomija prawdziwą historię. Wybór nie dotyczy tylko kształtu; chodzi o podróż materiału od luźnego stosu do stałej części i o tym, co ta podróż robi z jego duszą – mikrostrukturą, gęstością i pułapem wydajności. Widziałem projekty, które kończyły się fiaskiem, ponieważ ktoś nalegał, aby PM przyjął rolę, która wołała o casting inwestycyjny, lub odwrotnie, goniąc za specyfikacją bez zrozumienia DNA procesu.
Rozbieżność rdzenia: ciecz a stan stały
To jest podstawowe rozwidlenie dróg. Odlew polega na kontrolowanym zestalaniu. Bierzesz materiał, rozpuszczasz go w ciecz i wlewasz do wnęki. Magia – i ból głowy – dzieje się, gdy zamarza. Struktura ziarna, porowatość skurczowa, segregacja pierwiastków stopowych: wszystko zależy od tego, jak zarządzasz przejściem z cieczy w ciało stałe. Dzięki odlewaniu metodą traconą, przez które przepuściliśmy w naszym zakładzie góry części, toczysz wojnę z turbulencjami podczas zalewania i przekazywaniem skurczu przez złożoną powłokę ceramiczną. To taniec z termodynamiką w czasie rzeczywistym.
Z drugiej strony metalurgia proszków całkowicie pomija fazę ciekłą (pomijając spiekanie, ale to inny rodzaj ciepła). Zagęszczasz stały proszek metalowy w matrycy, a następnie podgrzewasz go, aby stopić cząstki. Zaletą jest fenomenalna spójność wymiarowa i możliwość tworzenia stopów, których nie można łatwo stopić i odlać, jak niektóre kompozyty wolframowe. Ale piętą achillesową jest wrodzona porowatość. Ta sieć drobnych pustek ogranicza plastyczność i trwałość zmęczeniową. Można go prasować izostatycznie na gorąco (HIP) do niemal pełnej gęstości, ale teraz koszty pukają do drzwi odkuwek. To gra polegająca na kompromisie.
Przypominam sobie element zaworu dla sektora naftowo-gazowego. Wstępny rysunek klienta określał PM ze względu na jego wąskie tolerancje w przypadku niektórych trudnych rowków zewnętrznych. Jednak ta część miała również cienkościenne sekcje i musiała wytrzymać zmęczenie wysokocyklowe. Wycofaliśmy się i zasugerowaliśmy zmianę na odlewanie w formie skorupowej ze stopem na bazie kobaltu, a następnie precyzyjną obróbką CNC tych krytycznych rowków. Forma skorupowa zapewniła lepsze wykończenie powierzchni i lepsze właściwości izotropowe niż typowy odlew piaskowy, a pominięcie kwestii porowatości nie podlegało negocjacjom ze względu na zmęczenie. Przetestowali oba. Odlewana część wytrzymała trzykrotnie prototyp PM w testach zmęczeniowych. Lekcja? Tolerancje mogą być obrabiane; podstawowa integralność materialna często nie jest możliwa.
Rzeczywistości materialne: nie wszystko płynie i zagęszcza się
Paleta materiałów dyktuje ścieżkę procesu, czasem bezlitośnie. O godz QSY, rutynowo wylewamy wszystko, od żeliwa sferoidalnego po superstopy na bazie niklu, takie jak Inconel 718. Te wysokowydajne stopy mają straszną płynność; są powolne i podatne na błędy w cienkich odcinkach. Wylewanie ich wymaga podgrzanych form i często wspomagania próżniowego lub ciśnieniowego. Po prostu nie można sprasować większości z nich w postać proszku i uzyskać użyteczną część - pierwiastki stopowe nie działają dobrze podczas rozpylania lub zagęszczania proszku.
I odwrotnie, PM jest królem materiałów porowatych (pomyśl o łożyskach samosmarujących) i konsolidacji metali ogniotrwałych. Próba odlania części o stałej porowatości objętościowej wynoszącej 20% w celu zatrzymania oleju to koszmar. Ale dzięki PM możesz po prostu kontrolować ciśnienie zagęszczania i cykl spiekania. Jest elegancki dla tej konkretnej potrzeby. Mieliśmy kiedyś zapytanie dotyczące tygla molibdenowego. Odlewanie molibdenu? Prawie niemożliwe ze względu na jego ekstremalną temperaturę topnienia i tendencję do utleniania. PM było jedyną realną drogą i musieliśmy odrzucić projekt, ponieważ wykraczał poza nasze możliwości odlewanie i obróbka skrawaniem pas. Znajomość ograniczeń sklepu jest równie ważna jak znajomość procesów.
Potem jest historia złomu. Odlew generuje wlewy, wlewy i piony - czasami masa plonu jest mniejsza niż połowa wylanej masy. Można go poddać recyklingowi, ale jest to energia przetopu. PM może pochwalić się niemal 97% wykorzystaniem materiału; po prostu używasz proszku, którego potrzebujesz. Jest to ogromny czynnik kosztowy w przypadku drogich materiałów, takich jak stale narzędziowe i nadstopy. Ale sam proszek jest astronomicznie droższy za kilogram niż sztabki. Ekonomiczny punkt przecięcia to ruchomy cel oparty na koszcie materiału i geometrii części.
Uzgadnianie obróbki: gdzie naprawdę definiuje się większość części
To tutaj obietnica kształtu niemal netto spotyka się z młynem rzeczywistości. Bardzo niewiele części odlewanych lub PM ma rzeczywiście kształt siatki dla krytycznych interfejsów. Prawie zawsze potrzebują Obróbka CNC zakończyć. Sposób, w jaki obrabiają maszyny, to zupełnie inny świat.
Dobrej jakości odlewy inwestycyjne ze stali nierdzewnej 17-4PH mogą mieć jedynie 0,5 mm do 1 mm naddatku na powierzchni uszczelniającej. Maszynuje pięknie i przewidywalnie. Część PM o podobnej geometrii, nawet po spiekaniu, może być ścierna i niespójna. Te mikroskopijne pory działają jak małe puste przestrzenie, które odpryskują na krawędzi narzędzia tnącego. Otrzymujesz piękny wymiar, ale żywotność narzędzia gwałtownie spada. Musieliśmy opracować zupełnie inne protokoły posuwu/prędkości i zastosować bardziej agresywne chłodziwo do części spiekanych w porównaniu do półfabrykatów odlewanych. Koszt przetwarzania końcowego może wymazać początkowe oszczędności z PM, jeśli nie zostaną uwzględnione wcześniej.
I porozmawiajmy o wadach. Wada odlewu – wnęka skurczowa, wtrącenie piasku – jest zwykle makroskopowa. Można to zobaczyć za pomocą PT lub RT. Wada PM jest często subtelna: gradient gęstości, strefa nieco zubożona w węgiel z atmosfery spiekania. Może to być widoczne jedynie pod mikroskopem lub powodować awarię części w teście wysokiego obciążenia. Paradygmaty kontroli jakości są różne. W przypadku krytycznych komponentów dynamicznych często nalegamy na kontrolę radiograficzną odlewów, natomiast w przypadku części PM możemy określić test gęstości partii i analizę mikrostrukturalną.
Równanie kosztów: to nigdy nie jest proste
Oprzyrządowanie jest pierwszą dużą przegrodą. Złożona forma do odlewania metodą traconą, szczególnie do odlewanie w formie skorupowej, jest drogie. Budujesz matrycę dla wzoru woskowego, a następnie każda ceramiczna skorupa jest materiałem eksploatacyjnym. Przy małych głośnościach jest to brutalne. Narzędzia PM — matryce do zagęszczania — są wykonane ze stali hartowanej i mogą być niesamowicie drogie, ale części wykrawane są przez dziesiątki tysięcy cykli. Kluczowy jest próg rentowności. W przypadku serii poniżej 5000 sztuk odlewanie często wygrywa pod względem kosztów oprzyrządowania. Powyżej 50 000 PM zaczyna wyglądać nie do odparcia, pod warunkiem wykonania materiału i pracy.
Ale czekaj, jest niuans. A co jeśli Twoja część ma podcięcie? Rdzeń boczny w formie odlewniczej jest możliwy do opanowania. Działanie boczne w matrycy zagęszczającej PM jest złożone, ogranicza wyrzucanie części i ogromnie zwiększa koszty oprzyrządowania. Nagle w przypadku tej geometrycznie złożonej części koszt formy odlewniczej w przeliczeniu na część może być niższy niż w przypadku oprzyrządowania astronomicznego PM, nawet przy większych nakładach. Brałem udział w spotkaniach poświęconych projektowaniu pod kątem produkcji, podczas których trzykrotnie zmienialiśmy zalecenie, ponieważ w projekcie poprawiano jedną funkcję podcięcia.
Czas realizacji to kolejny cichy koszt. Proces odlewania od formy do pierwszego artykułu może trwać stosunkowo szybko – kilka tygodni. Pozyskiwanie odpowiedniego proszku metalicznego, szczególnie w przypadku stopu niestandardowego, może zająć miesiące. Podczas załamań w łańcuchu dostaw w ciągu ostatnich kilku lat skierowaliśmy klientów z powrotem do odlewania po prostu dlatego, że mogliśmy pozyskać pręty ze stali nierdzewnej 316L do przetopienia, gdy proszek 316L miał 26-tygodniowe zaległości. Niezawodność dostaw ma znaczenie.
Myślenie hybrydowe i spojrzenie na przyszłość
Najciekawsze zmiany nie dotyczą czystego odlewania ani czystego PM, ale szarej strefy. Formowanie wtryskowe metali (MIM), czyli zasadniczo PM ze spoiwem z tworzywa sztucznego, kradnie część małych, skomplikowanych odlewów precyzyjnych. Oferuje lepsze wykończenie powierzchni i szczegółowość niż tradycyjny PM. Z drugiej strony mamy procesy odlewania HIP, w których wykonujemy odlew metodą traconą i prasujemy go izostatycznie na gorąco, aby wyeliminować mikroporowatość, uzyskując geometrię odlewu o gęstości przypominającej kucie. Eksperymentowaliśmy z tym na niektórych elementach turbin o wysokiej integralności stopy na bazie niklu. Wyniki są imponujące, ale koszty dotyczą budżetów branży lotniczej, a nie motoryzacyjnej.
Następnie stosuje się natryskiwanie spoiwa i inne techniki wytwarzania przyrostowego. Niektórzy nazywają to PM sąsiadującym. Nadal łączysz proszek, ale warstwa po warstwie, bez matrycy. W przypadku jednorazowych prototypów lub wymiany starszych części, gdy koszt oprzyrządowania zabija projekt, jest to rewolucja. Jednak w przypadku wielkości produkcji przekraczającej kilkaset prędkość i koszt w przeliczeniu na część nadal nie są w stanie dorównać tradycyjnym procesom. To uzupełnienie, a nie zamiennik.
Patrząc wstecz na trzy dekady, trend nie polega na zwycięstwie jednego procesu. Chodzi o bardziej wyrafinowaną grę w dopasowywanie. Rola specjalisty np Qingdao Qiangsenyuan Technology Co., Ltd. (QSY) to nie tylko oferowanie pleśń skorupowa lub casting inwestycyjny i obróbka. Chodzi o zrozumienie trójkąta materiał-właściwość-proces na tyle głęboko, aby móc dokonać wyboru już na etapie projektu. Czasami właściwą odpowiedzią jest odlew o wysokiej integralności. Czasami jest to precyzyjna część PM. Często wymagana jest wiedza, który to nie jest, oraz posiadanie doświadczenia – i blizn po przeszłych niepowodzeniach – aby podjąć decyzję, zanim metal zostanie wylany lub zagęszczony proszek.
