Kiedy ktoś pyta o „rodzaje metalurgii proszków”, natychmiastową podręcznikową odpowiedzią jest zwykle zgrabna lista: prasa i spiekanie, formowanie wtryskowe metali, prasowanie izostatyczne na gorąco i tak dalej. Jednak w praktyce klasyfikacja ta jest niemal zbyt czysta. Pomija niuanse związane z wyborem jednego zamiast drugiego w przypadku określonej części i kompromisy w świecie rzeczywistym, które wiążą się z każdym z nich. Widziałem zbyt wiele projektów, w których wybór wydawał się opierać na opisie katalogowym, a nie na głębokim zrozumieniu ograniczeń procesu. Porozmawiajmy o tym, co właściwie oznaczają te typy, gdy próbujesz stworzyć część, która działa, jest trwała i nie nadwyręża budżetu.
Koń pociągowy: prasa konwencjonalna i spiek
Od tego zaczyna większość ludzi i nie bez powodu. Jest to opłacalne w przypadku dużych ilości stosunkowo prostych kształtów. Bierzesz proszek metalowy, wypełniasz matrycę, prasujesz go pod wysokim ciśnieniem, a następnie spiekasz w piecu, aby związać cząstki. Kluczem jest tutaj „stosunkowo proste”. Podcięcia? Zapomnij o tym. Znaczące różnice w grubości ścianki? Prosisz się o kłopoty z gradientami gęstości, które pojawią się w wydajności.
Kiedyś mieliśmy projekt małego elementu przekładni. Rysunek wyglądał idealnie prasować i spiekać. Ale klient miał ostry, głęboki rowek na pierścień ustalający. Na etapie spiekania ta cienka część uległa wypaczeniu. Musieliśmy cofnąć się i przeprojektować rowek, nadając mu łagodniejszy promień, co następnie wymagało zmiany pasowanej części. To właśnie te drobne szczegóły nie są zawarte w broszurze. Właściwości mechaniczne są przyzwoite, ale są anizotropowe – mocniejsze w kierunku prostopadłym do kierunku prasy. Jeśli Twój przypadek obciążenia nie jest z tym zgodny, musisz o tym wiedzieć.
Zakres materiałów jest tutaj szeroki, od mieszanek żelaza, miedzi i węgla do podstawowych części konstrukcyjnych po stale niskostopowe. Kiedy jednak otrzymujesz zamówienia na materiały takie jak stal nierdzewna na część prasową i spiekaną, musisz zachować ostrożność. Atmosfera spiekania musi być ściśle kontrolowana, aby zapobiec utlenianiu chromu, co zwiększa koszty. Czasem rozsądniej jest zaproponować coś innego metalurgia proszków trasą lub nawet zupełnie innym procesem produkcyjnym.
Gdy złożoność nie podlega negocjacjom: formowanie wtryskowe metali (MIM)
MIM jest rozwiązaniem, gdy część wygląda jak element formowany wtryskowo z tworzywa sztucznego, ale musi być metalowa. Pomyśl o skomplikowanych, małych i skomplikowanych kształtach – zamkach z wieloma otworami pod dziwnymi kątami, szczękach narzędzi chirurgicznych, miniaturowych elementach zamków. W procesie miesza się drobny proszek metalowy ze spoiwem polimerowym, formuje go wtryskowo, usuwa spoiwo i spieka. Otrzymujesz niemal pełną gęstość i doskonałą wierność kształtu.
Haczyk? To dłuższy i delikatniejszy łańcuch procesu. Etap usuwania wiążącego jest krytyczny i powolny; spiesz się, a pojawią się pęknięcia lub pęcherze. Skurcz podczas końcowego spiekania jest również znaczny i przewidywalny, ale należy zaprojektować oprzyrządowanie formy, aby precyzyjnie go kompensować. Przypominam sobie partię elementów złączy, w których oprzyrządowanie zostało wycięte w oparciu o wcześniejszy, nieco inny współczynnik skurczu materiału. Cały przejazd okazał się o kilka punktów procentowych gorszy. Bezużyteczny. Lekcja była taka, aby zawsze, zawsze przeprowadzać próby z dokładnie takim proszkiem i spoiwem, jakiego planujesz użyć w produkcji.
Pod względem kosztów jest wyższy w przeliczeniu na część niż w przypadku prasy i spieku, ale w przypadku odpowiedniego zastosowania jest nie do pobicia. Pozyskujemy części MIM dla klientów potrzebujących skomplikowanych, wysokowydajnych kształtów, w przypadku których obróbka z litego materiału byłaby zbyt kosztowna. Firmy takie jak Qingdao Qiangsenyuan Technology Co., Ltd.(QSY), ze swoim doświadczeniem w precyzyjnym odlewaniu i obróbce skrawaniem, często wykonują cenne operacje wtórne na częściach MIM, takie jak precyzyjna obróbka CNC krytycznej powierzchni odniesienia po spiekaniu w celu osiągnięcia tolerancji, której sam proces MIM nie może zagwarantować.
Arena najwyższej wydajności: prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) i nie tylko
Tutaj szukasz części, które nie mogą mieć żadnych pustych przestrzeni. Mam na myśli zerową porowatość. Łopatki turbin lotniczych, wysokiej jakości implanty medyczne, krytyczne komponenty do wydobywania ropy i gazu z odwiertów. HIP poddaje wstępnie uformowaną wypraskę proszkową (często zamkniętą w szczelnym pojemniku) działaniu wysokiej temperatury i izostatycznego ciśnienia gazu ze wszystkich stron jednocześnie. Rezultatem jest w pełni gęsta, jednorodna mikrostruktura.
Koszt jest wysoki. Sprzęt jest niesamowicie drogi w zakupie i eksploatacji. Nie jest to proces masowy. Używasz go do najbardziej wymagających aplikacji. Ciekawym podejściem hybrydowym jest wykorzystanie HIP do leczenia defektów wewnętrznych w odlewach. Jest to obszar, w którym wiedza dostawcy na temat materiałów jest najważniejsza. Na przykład praca ze specjalnymi stopami, takimi jak stopy na bazie niklu lub kobaltu — powszechna w przypadku odlewów precyzyjnych wykonywanych przez firmy takie jak QSY (ich asortyment materiałów można zobaczyć na stronie https://www.tsingtaocnc.com) — wymaga dokładnej wiedzy o tym, jak proszek zachowuje się podczas cyklu HIP, aby uniknąć niepożądanego tworzenia się fazy.
Poza HIP istnieje cały świat wschodzących i wyspecjalizowanych typów. Iskrowe spiekanie plazmowe do zaawansowanej ceramiki i kompozytów. Addytywne wytwarzanie metali, które zasadniczo odbywa się warstwa po warstwie metalurgia proszków. Ale w przypadku AM zamieniasz ciśnienie izotropowe HIP na naprężenia termiczne wiązki lasera lub elektronów. Wykończenie powierzchni powykonawczej i stan naprężeń wewnętrznych to zupełnie inne rzeczy, często i tak wymagające obróbki końcowej HIP w celu zamknięcia mikroporowatości. Jest to mniej odrębny typ, a bardziej nowe narzędzie w zestawie narzędzi do konsolidacji proszku.
Materiał jest przesłaniem
Nie da się oddzielić rodzaju procesu od materiału. Rozmawiamy o rodzaje metalurgii proszków bez dyskusji na temat proszku jest jak mówienie o gotowaniu bez wspominania o składnikach. Proszek rozpylany wodą jest tańszy, ma nieregularny kształt i nadaje się do prasy i spiekania. Proszek rozpylany gazem jest kulisty, płynie lepiej w przypadku MIM lub AM, ale jest droższy. Metoda tworzenia stopu również ma znaczenie — czy używasz proszku wstępnie stopowego, czy mieszasz proszki pierwiastkowe? Wstępnie stopowy zapewnia bardziej jednolite właściwości, ale jest droższy. Mieszanie pierwiastków może prowadzić do niejednorodności, jeśli nie jest prawidłowo przetwarzane.
Mieliśmy przypadek analizy uszkodzeń części ze stali utwardzanej spiekowo. Został on określony do zastosowań o wysokim zużyciu. Część przeszła wstępną kontrolę jakości, ale przedwcześnie nie zdała egzaminu w terenie. Metalurgia wykazała zlokalizowane obszary austenitu szczątkowego, który jest miękki. Podstawowa przyczyna? Nierównomierne wymieszanie dodatku grafitowego (węgla) z bazowym proszkiem żelaza przed prasowaniem. Podczas spiekania węgiel nie dyfundował równomiernie, przez co niektóre obszary nie twardniały prawidłowo. Rozwiązaniem było przejście na proszek ze stali wstępnie stopowej z węglem już w roztworze. Problem rozwiązany, ale koszt materiałów wzrósł o 15%. To rodzaj kompromisu, który zdarza się codziennie.
Dlatego kluczowa jest współpraca z odlewnią lub warsztatem mechanicznym, który rozumie materiały na tym poziomie. Firma z 30-letnim doświadczeniem w odlewnictwie i obróbce skrawaniem, taka jak QSY, ma tę metalurgiczną intuicję. Być może nie wytwarzają proszku, ale wiedzą, jak te materiały zachowują się pod wpływem ciepła i stresu podczas pracy żeliwo, stal, stal nierdzewna i stopy specjalne. Ta wiedza dotycząca różnych procesów jest nieoceniona przy wyborze metody PM i przewidywaniu, jak dana część będzie się zachowywać po spiekaniu.
Konwergencja z tradycyjną produkcją
Linie się zacierają. Bardzo powszechną ścieżką jest obecnie a metalurgia proszków proces zbliżony do kształtu netto, po którym następuje precyzyjna obróbka. Możesz zastosować MIM lub sprasować i spiekać część do 95% jej ostatecznego kształtu, a następnie zastosować frezarkę CNC do obróbki precyzyjnego otworu, gwintów lub krytycznej powierzchni uszczelniającej. To hybrydowe podejście optymalizuje koszty i wydajność.
Pracowałem nad korpusami zaworów, w których główne złożone kanały wewnętrzne zostały utworzone za pomocą MIM, ale powierzchnie kołnierzy i otwory gwintowane zostały poddane obróbce CNC po spiekaniu. Był to jedyny sposób na osiągnięcie wymaganego wykończenia powierzchni i tolerancji geometrycznych dla tych specyficznych cech. Dostawca oferujący zarówno wiedzę specjalistyczną w zakresie PM, jak i obróbkę własną, jak wskazano w koncentracji QSY na odlewaniu w formach skorupowych, odlewaniu metodą traconego węgla i obróbce CNC, jest dobrze przygotowany do tego rodzaju zintegrowanego rozwiązania produkcyjnego. Usprawnia komunikację i odpowiedzialność.
Wybór typu PM nie jest zatem decyzją odosobnioną. To pierwszy krok w planie produkcji. Musisz zadać sobie pytanie: jakie dodatkowe operacje będą potrzebne? Jak zakończy się część? Pokryty? Proces spiekania wpływa na chemię powierzchni, co może mieć wpływ na przyczepność powłoki lub wydajność farby. To wszystko jest połączone. Myślenie o tym jak o wybieraniu typu z menu jest największym błędem, jaki możesz popełnić. Chodzi o zaprojektowanie łańcucha dostaw i łańcucha procesów, który dostarcza komponent funkcjonalny. Puder to dopiero początek.
