متالورژی پودر و کاربردهای صنعتی آن

مقدمه

متالورژی پودر روشی برای ساخت و تولید قطعات فلزی و سرامیک است که اساس آن بر فشردن پودر اولیه مواد به شکل مورد نظر و سینترینگ در درجه حرارت­های زیر نقطه ذوب می­باشد. متالورژی پودر بخشی کوچک ولی بسیار مهم از صنایع فلزی و سرامیکی به شمار می­آید

اولین کاربرد متالورژی پودر برای تولید پلاتین با دانسیته بالا بود که در قرن 19 میلادی صورت گرفت چون در آن زمان امکان ذوب پلاتین به دلیل نقطه ذوب بالا وجود نداشت. در اوایل قرن بیستم فلزهای دیر گدازی مانند تنگستن و مولیبدن توسط روش متالورژی پودر شکل داده شدند. کاربیدهای سمانیت و یاتاقانهای برنزی متخلخل نسل بعدی قطعات متالورژی پودر به حساب می­آیند. بدین ترتیب قطعات متالورژی پودر در انواع صنایع مانند: لوازم خانگی، اسباب بازی سازی و الکترونیک کاربرد پیدا نمود. آخرین کاربردهای قطعات متالورژی پودر در صنایع خودرو سازی می‌باشد که موازی با رشد صنایع اتومبیل سازی رشد نمود و به صورتی که امروزه بقای صنعت متالورژی پودر در کشورهای صنعتی بسیار وابسته به صنعت خودرو سازی می‌باشد.

در سال‌های ۱۹۵۰-۱۹۶۰ میلادی روش­های نوینی مانند: فُرج پودرو ایزو استاتیک گرم در صنعت متالورژی پودر بکار گرفته شد. این روش­ها با تولید قطعات با دانسیته بالا توان رقابتی قطعات متالورژی پودر را افزایش دادند. گرچه روش متالورژی پودر امکانات ویژه‌ای را جهت تولید بعضی قطعات خاص فراهم ساخته‌است، که تولید آنها از طریق روش­های دیگر غیر ممکن یا بسیار مشکل می‌باشد ولی زمینه‌هایی که باعث فراگیر شدن استفاده از این روش گردیده‌است، عبارت‌اند از:

با وجود اینکه از نظر تاریخی متالورژی پودر جز قدیمی‌ترین روش­های شکل دادن فلزات است، اما تولید در مقیاس تجاری با این روش، از جدیدترین راه‌های تولید قطعات فلزی است. در دوران باستان از روش­های متالورژی پودر برای شکل دادن فلزاتی با نقطه ذوب بالا مورد استفاده قرار می­گرفت.

---

مزایای متالورژی پودر

روش متالوژي پودر امكانات ويژه­اي دارد كه برجسته ترين آن ها به شرح زير می­باشد:

• به كارگيري عناصر آلياژ نشدني

برخي فلزات كه آلياژ آنها از ويژگي هاي منحصر به فردي برخوردار است ولي توليد آن­ها در فاز مذاب (ريخته گري) غير ممكن است با به كارگيري متالورژي پودر قابل توليد می­باشند. اين فلزات عناصر مخلوط نشدني ناميده مي­شوند. از جمله اين مواد ميتوان به آلياژ نقره و نيكل اشاره كرد كه براي ساخت قطعات فلزی كليدهاي برق به کارگرفته مي­شود[1,2].

• ساخت قطعات خود روغنكار

اين روش توليد براي ساخت بوش­هاي خود روغنكار مورد استفاده قرار مي­گيرد قطعات پس ازتفجوشي با روغن اشباع شده و در حين كارعمل روغنكاري سطوح تماس با روغن تزريق شده در قطعه عملي مي­گردد .

• استفاده از فلزات دير گداز

فلزاتي كه ريخته­گري آنها به دليل نقطه ذوب بالا با اشكال روبروست به روش متالورژي پودر شكل داده مي­شوند. بهترين مثال در اين مورد رشته­هاي لامپ روشنايي می­باشد. اين رشته­ها بايد داراي نقطه ذوب و ويژگي­هاي الكتريكي مناسبی باشند. مناسب­ترين ماده براي ساخت این مواد تنگستن است که نقطه ذوب آن در حدود 3400 درجه سانتي گراد می­باشد. پودرتنگستن نخست با روش متالورژي پودر به شكل شمش تبدیل شده و سپس به روش­هاي آهنگري و كشش سيم به رشته مورد نظر تبديل مي­شود.

• فرایند سبز

درجدول ‏ زیر قایسه انواع روش های تولید مواد در مقایسه با روش متالورژی پودر آورده شده است.

روش تولید	مزایا در مقایسه با متالورژی پودر	ضعف­ها در مقایسه با متالورژی پودر
شکل دهی سرد	بالاتر بودن استحکام، پرداخت سطحی خوب	دقت پایین، کوتاه‌تر بودن عمر ابزارها، محدود بودن مواد
حدیده کاری	تولید قطعات با طول زیاد، صافی سطح، سرعت تولید	ثابت بودن سطح مقطع قطعه، پایین‌تر بودن دقت، انرژی مصرفی بالا، بدون پله بودن قطعات، کوتاهی عمر ابزارها
پرس ورق	تخت بودن سطح، دقت بالا، آهنگ تولید بالا، تولید قطعات دارای سطوح بزرگ، موقعیت دقیق نقش‌ها	محدود بودن تنوع مواد، ضایعات، خشن بودن لبه‌ها، مشکل بودن ایجاد نقش در اندازه‌های کوچک
ریخته گری	گسترده بودن دامنه کاربرد، امکان تولید قطعات کوچک تا بزرگ، پایین بودن هزینه‌های آماده سازی، پایین بودن هزینه ابزار	برای دیر گدازها مناسب نیست، وجود ترشحات فلزی چسبیده به سطح، وجود خط جدایش، ناهمگنی، تخلخل، نقایص و نیاز به بازیابی مواد راه­گاها و مجاری مذاب رسانی
شکل دهی گرم	بالا بودن خواص مکانیکی، تولید قطعات بزرگ و پیچیده، سرعت تولید بالا، سهولت جریان ماده	ترشحات فلزی و ضایعات، کنترل ضعیف ابعادی، ناخالصی‌های غیر فلزی و نقایص فنی، سایش سریع ابزارها
ماشین کاری	قابلیت استفاده برای اندازه‌های متفاوت، دقت بالا، کوتاه بودن زمان مرده، عدم نیاز به ابزار شکل دهی، قابلیت تولید در حجم کم	ضایعات زیاد، بهره ­وری کم، غیر یکنواختی خواص، هزینه زیاد، هزینه بالای نیروی انسانی

---

محدودیت‌های متالورژی پودر

به طور کلی مهمترین محدودیت های ناشی از فرآیند متالورژی پودر در تولید قطعات مختلف به صورت زیر می­باشد [1]:

1. هزینه بالای تولید پودر.
2. خواص مکانیکی پایین تر نسبت به قطعاتی که به روش­های دیگر تولید شده اند (به علت وجود تخلخل در قطعه).
3. محدودیت از لحاظ وزن وابعاد قطعه.
4. هزینه بالا برای سینتر کردن قطعات (نیاز به کوره با گاز محافظ).
5. عدم یکنواختی خواص مکانیکی در قطعه.
6. هزینه بالای بکارگیری پرس وقالب.
7. مشکلات تکنولوژیکی مثل چسبیدن پودر به قالب یا جنس قالب.

کاربرد قطعات متالورژی پودر

فرآیند متالورژی پودر کاربرد وسیعی در صنایع مختلف دارد که از مهمترین آن به موارد زیر می­توان اشاره کرد:

1. تولید مغناطیس­ها: مانند مغناطیس­های فریتی.
2. صنعت خودرو سازی: مانند چرخدنده ها.
3. تولید یاتاقان­ها از ‌آلیاژهای مس وسرب.
4. ساخت کامپوزیت­ها مانند: کامپوزیت مس-گرافیت.
5. سرمتها مانند: Al₂O₃-Ni ،Al₂O₃-Cr و….
6. قطعات ابزار مانند: تنگستن و کاربید-کبالت برای ابزار سایشی.
7. صافی یا فیلترها.
8. سوپرآلیاژها: مانند آلیاژهای پایه نیکل که در مقابل خزش وخوردگی مقاومت خوبی دارند و در ساخت پره توربین بکار می­رود.
9. مواد دیرگداز: مانند رشته لامپ که از جنس تنگستن می­باشد.
10. صنایع الکترونیکی: مانند کنتاکت کلیدها وکنتاکتورها

---

یکی از محبوب­ترین روش­های متالورژی پودر ، قالب‌گیری تزریقی پودر فلز است؛  قالب‌گیری تزریقی روشی کاربردی برای شکل‌دهی مواد است. درگذشته این فرآیند فقط برای شکل‌دهی ترموپلاستیک‌ها استفاده می‌شد، اما فلزات و سرامیک‌ها دارای خواص ویژه و برتری نسبت به ترموپلاستیک‌ها ازجمله استحکام، سختی، خواص الکتریکی، مغناطیسی و حرارتی که پلیمرها فاقد آن بودند، هستند؛ بنابراین تکنولوژی‌های تزریق به قالب و متالورژی پودر باهم ترکیب شدند و یک تکنولوژی جدید به نام قالب‌گیری تزریقی پودر فلز را به وجود آوردند [3].

در این روش پودر فلزی مواد را با یک مجموعه ماده پلیمری مخلوط می‌کنند و یک توده قابل تزریق به وجود می‌آورند که آن را فیداستوک می‌نامند. فیداستوک حاصل را توسط ماشین‌های تزریق فلزی تزریق کرده تا قطعه خام به دست آید. پس از تزریق، قطعه خام را چسب‌زدایی کرده و ماده پلیمری (چسب) موجود در قطعه را برطرف می‌نماید. قطعه چسب‌زدایی شده را به‌منظور افزایش استحکام و خواص مکانیکی توسط کوره‌هایی با اتمسفر کنترل‌شده، سینتر می‌کنند [4]. در شکل ‏بالا مراحل فرآیند قالب­گیری تزریقی پودر فلزی را نمایش می‌دهد.

---

در شکل ‏ زیر، مقایسه‌ی فرآیند قالب‌گیری‌‌تزریقی‌پودرفلزی با فرآیند‌هاي معمول از ديدگاه هزينه‌ی تمام‌شده سنجيده شده است كه تمایل به خدمت گرفتن اين فناوري را با توجه به سوددهي و بهره‌وري بالاي آن توجيه مي‌کند[6].

در این ویدیو به طور کامل فرایند متالورژی پودر را توضیح می دهد.

که در مقاله دیگری با همین عنوان ” قالب‌گیری تزریقی پودر فلز یا MIM” به بررسی آن خواهیم پرداخت.

منابع و مراجع

[1] ژرمن، رندال. متالورژی پودر و مواد ذره ای. مجتبی ناصریان ریابی. ترجمه علی حایریان اردکانی، مجتبی ریابی، محمدحسین همتی و بابک مشایخی. تهران: انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر 1387.
[2] Heaney, Donald F., Handbook of metal injection molding, Woodhead Publishing Limited, Philadelphia, 120-131, 2012.
[3] Kong, Xiangji, Development and characterization of polymer- metallic powder feedstocks for micro-injection molding, Ph. D. thesis, Université de Franche-Comté, 1220-1231, 2013.
[4] Ali Dehghan-Manshadi, Michael Bermingham, Metal Injection Moulding of Titanium and Titanium Alloys: Challenges and Recent Development, Powder Technology, 0032-5910, 2017.
[5] Berginc, Bostjan, Xing. ZHENG Zhen, Numerical simulation of tungsten alloy in powder injection molding process, Advanced Powder metallurgy, 1209-1215, 2008.
[6] X. Kong, Devolopment and characterization of polymer-metallic powder feedstock for micro-injection molding, Powder Technology, 2011.

منابع بیشتر برای مطالعه