Volframiseokset ovat ehdottomasti insinöörien "painajaisten materiaalien" luettelossa. Niiden suuri tiheys ja kovuus asettavat merkittäviä prosessointihaasteita, jolloin jokainen vaihe tuntuu kovalta taistelulta. Kuinka tämä vaikea materiaali voidaan muuttaa raaka-aineesta valmiiksi tuotteeksi tehokkaalla tavalla?
Älä huoli, tämä korvaamaton "salainen ase" on täällä! Tässä artikkelissa analysoidaan prosessia raaka-aineen valmistelun alusta alkaen, vertaillaan jauhemetallurgian ja 3D-tulostuksen etuja ja haittoja, kerrotaan yksityiskohtaisesti leikkaamisen, hionnan ja langanleikkauksen ydintekniikat ja esitellään huipputeknologia, jonka avulla voit saavuttaa kaksinkertaisen tuloksen puolet pienemmällä-vaivalla), tarjoaa vankan pohjan jauheekstruusiotulostuksellesi (PEP).
OSA.01
Johdanto
Volframiseokset seosmateriaalina, jonka pääkomponentti on volframi (volframipitoisuus on yleensä 85–99 %) ja lisättyjä alkuaineita, kuten nikkeliä, rautaa, kuparia, kobolttia, molybdeeniä ja kromia, ovat välttämättömiä monilla korkean -teknologian aloilla, kuten ydinteollisuudessa, sotilasteollisuudessa ja terveydenhuollon äärimmäisen tiheyden vuoksi (16.5). g/cm3), korkea sulamispiste ja erinomainen mekaaninen lujuus[1]. Lääketieteen alalla volframiseoksia käytetään sädehoitolaitteiden avainkomponenttien valmistukseen. Suurten tiheysominaisuuksiensa ansiosta ne pystyvät estämään ja muotoilemaan säteitä tarkasti ja ovat päämateriaaleja kollimaattoreiden ja säteilysuojainten valmistuksessa[2]. Nämä erinomaiset ominaisuudet tuovat myös monia vaikeuksia volframiseosten käsittelyyn ja valmistukseen. Tämän artikkelin tarkoituksena on tutkia systemaattisesti ja syvällisesti volframiseososien aihioiden valmistusprosessia ja yleisesti käytettyjä prosessointimenetelmiä sekä tarjota arvokasta viitettä niiden tarkkuusvalmistukseen.
OSA.02
Volframiseososien aihioiden valmistusprosessi
2.1 Jauhemetallurgiatekniikka
Volframiseoksia on vaikea valmistaa tavanomaisilla metalliseossulatus- ja valmistusmenetelmillä niiden suuren tiheyden, korkean sulamispisteen ja suuren kovuuden vuoksi. Jauhemetallurgia on perinteinen ja laajalti käytetty menetelmä volframiseosaihioiden valmistukseen. Sen tärkeimmät prosessit on esitetty kuvassa 1, mukaan lukien volframijauheen valmistus, sekoitus, muovaus ja sintraus [3]. Volframijauheen valmistusprosessissa volframijauheen puhtauden varmistamiseksi käytetään usein prosesseja, kuten vetypelkistys ja ammoniakkivolframaattipelkistys. Samanaikaisesti volframijauheen happipitoisuus, hiukkaskoko ja muoto vaikuttavat merkittävästi lejeeringin lopulliseen suorituskykyyn ja laatuun, ja niitä on valvottava tiukasti. Liian korkea happipitoisuus heikentää seoksen suorituskykyä, kun taas hiukkaskoko ja muoto vaikuttavat myöhempien sekoitus- ja muodostusprosessien vaikutukseen. Esimerkiksi tasaisen hiukkaskoon omaava volframijauhe auttaa sekoittumaan tasaisemmin muiden metallijauheiden kanssa sekoittamisen aikana, mikä varmistaa seoskoostumuksen yhtenäisyyden. Sekoitusprosessin aikana on varmistettava, että eri metallijauhehiukkasten koko on tasainen ja suhde on tarkka. Tarkkaa sekoittamista varten käytetään usein mekaanista sekoitusta, kuulajyrsintää ja muita menetelmiä. Muovausmenetelmiä ovat kylmäisostaattinen puristus, meistipuristus, jauhepuristusmuovaus ja jauheruiskutusmuovaus jne. Näillä menetelmillä voidaan valmistaa monimutkaisia muotoisia osia.
Kuva 1 Pulverimetallurgian keskeiset prosessit volframiseosaihioille
Sintrausprosessi on avain sen varmistamiseksi, että volframiseos saavuttaa vaaditun tiheyden, lujuuden ja muut ominaisuudet. Kaksivaiheista sintrausta [4] käytetään laajalti: esi-sintrausvaihe ohjaa yleensä lämpötilaa 1000-1200 asteeseen. Tällä lämpötila-alueella matalan-sulamispisteen-metallit, kuten kupari ja rauta, saavuttavat nestemäisen tilan ja läpikäyvät kiinteän faasin diffuusiota ympäröivien volframijauhehiukkasten kanssa, mikä kiinnittää volframiseosjauhehiukkasten paikan ja täyttää ne tasaisesti, jolloin saadaan aikaan aihion muoto. Seuraava on korkean lämpötilan sintrausvaihe, jossa jauhehiukkasten välillä tapahtuu kiinteän -faasin ja nesteen{15}}faasireaktioita, jolloin muodostuu lopulta tiheä volframiseosrakenne. Sintrauslämpötilan ja -ajan säätelyllä on ratkaiseva rooli tuotteen suorituskyvyssä. Jos sintrausaika on liian pitkä, volframikidekoko kasvaa, mikä vaikuttaa lejeeringin tiheyteen ja yleiseen suorituskykyyn; jos lämpötila on liian korkea, se aiheuttaa matalan -sulamispisteen-metallien, kuten kuparin ja raudan, haihtumista, mikä vähentää lejeeringin tiheyttä ja mekaanista lujuutta. Sintrauslämpötilaa säädetään yleensä noin 1 400 asteeseen, ja esisintraus ja korkean lämpötilan sintraus suoritetaan yleensä tyhjiössä tai inertissä kaasuympäristössä matalan -sulamispisteen{24}}seosten hapettumisen ja haihtumisen vähentämiseksi. Yleinen prosessi on ensin esi-polttaa muodostettua volframijauheaihiota 1200 asteessa 1 tunnin ajan vetyatmosfäärissä, jotta sille saadaan tietty lujuus ja johtavuus, ja sitten suoritetaan itsevastussintraus käyttämällä aihion oman vastuksen tuottamaa lämpöä sintraamisen edistämiseksi.
2.2 Lisäainevalmistusprosessi
Perinteisillä jauhemetallurgisilla menetelmillä voidaan tuottaa vain suhteellisen säännöllisen muotoisia aihioita. Volframiseososille, joilla on monimutkainen rakenne, erityisesti niille, joissa on monimutkaisia onteloita, tarvitaan edelleen monimutkaista käsittelyä aihiomuodostuksen jälkeen, jotta osat lopulta täyttävät vaatimukset. Tällä hetkellä ei ole olemassa tehokkaita käsittely- ja muovausmenetelmiä monimutkaisille suljettuille sisäonteloille, mikä rajoittaa volframiseososien suunnittelua. Additiivinen valmistustekniikka tarjoaa uuden ratkaisun volframiseososien suunnitteluun ja valmistukseen. Yleisesti käytettyjä metallilisäainevalmistustekniikoita ovat selektiivinen lasersulatus (SLM), laserstereomuotoilu (LSF), sähkökaaren lisäainevalmistus (WAAM), jauhepetin selektiivinen lasersulatus (L-PBF) ja laserin suuntautuva energiapinnoitus (L-DED) [5, 6]. Erilaisten volframiseososien valmistukseen käytettävien lisäaineiden etujen ja haittojen vertailu on esitetty taulukossa 1. SLM voi valmistaa osia, joilla on monimutkainen geometria, mutta sillä on ongelmia, kuten karkea pinta, suuri välikerrosten jäännösjännitys ja rajoitettu osakoko, ja se soveltuu pienten osien valmistukseen; LSF voi saavuttaa hienon, tasaisen ja tiheän rakenteen, parantaa materiaalien mekaanisia ominaisuuksia ja korroosionkestävyyttä, mutta kun prosessiparametreja ei sovita yhteen, vikoja, kuten huono fuusio kerrostettuun kerrokseen, ilmenee helposti; WAAM soveltuu suurten{10}}mittakaavaisten, integroitujen ilmailu- ja avaruusrakenneosien valmistukseen, joilla on korkea muovausnopeus ja suuri tiheys, mutta muotoiltujen osien pinnan laatu on huono. Tyypillinen additiivisella valmistustekniikalla valmistettu volframiseososa on esitetty kuvassa 2. Perinteiseen jauhemetallurgiseen menetelmään verrattuna lisäainevalmistuksessa on ilmeisiä etuja monimutkaisten volframiseososien valmistuksessa. Se ei voi ainoastaan valmistaa osia, joissa on monimutkaisia rakenteita ja onteloita vastaamaan erityisiä suunnitteluvaatimuksia, vaan myös toteuttaa kerroksen-kerrospinnoittamalla-materiaaleja, parantaa materiaalin käyttöä ja alentaa kustannuksia[7]. Taulukko 1. Eri lisäainevalmistusprosesseilla valmistettujen volframiseososien etujen ja haittojen vertailu
a) Sironnanesto{0}}ruudukko
b) Huokoiset osat
Kuva 2. Tyypillisiä volframiseoksesta valmistettuja osia, jotka on valmistettu additiivinen valmistustekniikka
2.3 Prosessien vertailu ja valinta
Jauhemetallurgia ja lisäainevalmistus ovat tällä hetkellä kaksi päämenetelmää volframiseoksesta valmistettujen osien aihioiden valmistukseen, joilla kullakin on omat etunsa ja haittansa aihioiden valmistuksessa. Taulukossa 2 on esitetty vertailu volframiseoksesta valmistettujen aihioiden valmistusprosesseihin. Jauhemetallurgia on suhteellisen kypsempi, tuottaa paremman tiheyden omaavia materiaaleja ja tarjoaa etuja vakaassa massatuotannossa. Additiivinen valmistus on uusi, viime vuosina kehitetty prosessi, jossa on erilaisia johdannaisprosessireittejä ja jolla on etuja monimutkaisten onteloiden rakenneosien valmistuksessa.
Taulukko 2. Volframiseosaihion valmistusprosessien vertailu
Korkeamman suorituskyvyn saavuttamiseksi huippuluokan aloilla, kuten ilmailu-, puolustus-, ydinteollisuudessa, lääketieteellisissä laitteissa ja elektroniikassa, volframiseososilla on yleensä monimutkaisempia rakenteellisia ominaisuuksia, kuten ohuita seiniä, kaarevia pintoja ja huokoisia rakenteita, joita perinteiset jauhemetallurgiset menetelmät eivät pysty käsittelemään. Korkean -tiheyden ja virheettömän -volframiseoksesta valmistettujen osien tuottaminen suoraan lisäainevalmistuksen avulla kohtaa edelleen useita teknisiä haasteita. Jauheekstruusiotulostus (PEP), metallien epäsuora 3D-tulostustekniikka, jossa yhdistyvät 3D-tulostus ja jauhemetallurgia, käyttää volframiseosjauhetta sideaineen kanssa. Jauhe muotoillaan 3D-tulostuslaitteistolla ja jälkikäsitelty-jauhemetallurgisella sidospoistolla ja sintrauksella, jolloin saadaan lopulta korkean -tiheyden ja suorituskyvyn{11}}osia. Tämä tekniikka tarjoaa uudenlaisen ratkaisun volframiseosten koneistuksen ja monimutkaisten rakenteiden valmistuksen vaikeuksiin. Sen alhaisen-lämpötilan muovaus- ja korkean lämpötilan{15}}asetusominaisuudet ratkaisevat tehokkaasti ongelmia, kuten muodonmuutoksia, halkeamia ja onteloita, joita voi helposti kohdata muissa volframiseosten 3D-tulostusprosesseissa.
OSA.03
Volframiseososien koneistus
The high density of tungsten alloys results in enormous cutting forces on the cutting tool during machining, requiring the tool material to have high hardness and wear resistance. The tool design also needs to fully consider the distribution and balance of cutting forces. The high hardness of tungsten alloys (typically >40 HRC) johtaa merkittävästi kiihtyvään työkalun kulumiseen koneistuksen aikana, mikä vaikuttaa koneistuksen tarkkuuteen ja työkalun käyttöikään. Työkalun käyttöikä ja työstötehokkuus ovat avaintekijöitä, jotka on otettava huomioon koneistuksessa. Volframiseoksilla on suhteellisen alhainen lämmönjohtavuus, ja leikkauksen aikana syntyvää lämpöä on vaikea hajottaa nopeasti. Leikkuuterä toimii korkeassa lämpötilassa, mikä synnyttää helposti lämpöjännitystä, mikä johtaa työkalun muodonmuutokseen ja lisääntyneeseen kulumiseen [8]. Volframiseoslastut ovat rakeisia, mikä tekee lastun poistamisesta vaikeaa. Niillä on taipumus kerääntyä leikkausalueelle muodostaen lastun reunoja, mikä vaikuttaa työstettävien osien pinnan laatuun ja voivat myös vahingoittaa työkalua ja työstökonetta. Volframiseososien leikkaustyökalujen ja prosessiparametrien vertailu on esitetty taulukossa 3. Insinöörikäytännössä PCBN-työkalut ovat yksi parhaista valinnoista. Tyypilliset leikkaamalla käsitellyt volframiseososat on esitetty kuvassa 3. Taulukko 3 Leikkaustyökalujen ja prosessiparametrien vertailu volframiseososille Kuva 3 Tyypilliset leikkaamalla käsitellyt volframiseososat OSA.04 Volframiseososien hionta Hionta mikro{14}}prosessointimateriaalina soveltuu 5-leikkausmenetelmäksi, kovuus,{1} volframiseokset. Hiomalaikan hionta on esitetty kuvassa 4. Hiomalaikka koostuu pääasiassa hiomarakeista, huokosista ja sideaineista tietyssä suhteessa. Sen hankaavilla rakeilla on tylpän kulman ominaisuudet, yleensä välillä 90 astetta - 120 astetta. Volframiseosten jauhatusprosessin aikana tuloksena oleva hiontamateriaali on rakeista. Suhteellisen alhaisen viskositeetin ja sitkeyden vuoksi lastut on suhteellisen helppo poistaa, eivätkä ne helposti tukki hiomalaikan huokosia [9]. Siksi volframiseosten hionnassa voidaan käyttää suurempihuokoisia hiomalaikkoja parantamaan hiontatehokkuutta ja käsittelyn laatua. Hionta-alueelle kerääntyy helposti hiontalämpöä, mikä voi johtaa palovammoihin. Tämän ongelman ratkaisemiseksi tehokkaasti on tarpeen ottaa käyttöön korkean-paineen ja suuren{28}}virtauksen pakkojäähdytystoimenpiteitä, jotta hiontaprosessin aikana syntyvä lämpö voidaan poistaa ajoissa ja vähentää lämpömuodonmuutoksia ja lämpöjännitystä hiontaalueella. Yleensä leikkausnesteiksi valitaan vesipohjaiset emulsiot, jotta varmistetaan, että jäähdytysvaikutus saavuttaa parhaan tilan. Hiomaprosessiparametrien valinta volframiseososille on esitetty taulukossa 4. Kuva 4 Hiomalaikan kaavio Taulukko 4 Hiomaprosessiparametrien valinta volframiseososille Puhtaalla volframi- tai volframiseos-nikkeli-kupariseoksella on alhainen magnetismi. Ohutseinäisiä osia on vaikea kiinnittää luotettavasti perinteisillä sähkömagneettisilla istukkailla. Tyhjiöadsorptiokiinnikkeet [10] voidaan harkita kiinnityksessä. Tyhjiöadsorptioasemointikiinnike volframiseososille on esitetty kuvassa 5. Kuva 5. Kaaviokaavio tyhjiöadsorptioasennoinnista volframiseososille
OSA.05
Volframiseososien lanka-EDM-koneistus
Volframiseoksilla on korkeat sulamispisteet ja korkea kovuus, ja niitä voidaan työstää korkean{0}}kovuuden työkaluilla, kuten päällystetyillä työkaluilla, PVD-työkaluilla ja keraamisilla työkaluilla. Näissä työkaluissa on kuitenkin huomattavaa kulumista, mikä vaikeuttaa ominaisuuksien, kuten huokosten, kapeiden rakojen ja epäsäännöllisen muotoisten reikien koneistamista näillä perinteisillä työkaluilla. Langan sähköpurkauskoneistus (EDM) on erityinen työstöprosessi. Sen perusperiaate on käyttää jatkuvasti liikkuvaa hienometallielektrodilankaa (yleensä kupari- tai molybdeenilankaa) pulssikipinäpurkausten tuottamiseksi työkappaleen ja työkappaleen välille. Syntyvät lämpötilat ovat tyypillisesti jopa 8000–12000 astetta, mikä riittää sulattamaan tai jopa höyrystämään volframiseoksen pintamateriaalin, jolloin saadaan aikaan työkappaleen leikkaus. Elektrodilangan ja työkappaleen välinen suhteellinen liike mahdollistaa koko leikkausprosessin muodostamisen halutun muodon työkappaleen pinnalle. Kuvassa 6 on esitetty epäsäännöllisen muotoisten reikien koneistus volframiseosaihiossa lanka-EDM:llä. Lanka-EDM:ää käytetään volframiseososien käsittelyyn. Korkea lämpötila aiheuttaa muutoksen volframiseospinnan kidefaasissa leikkauksen aikana, mikä johtaa modifioituun kerrokseen, joka huonontaa volframiseoksen ainutlaatuisia ominaisuuksia. Käsittelyn aikana käytetään "leikkaus-yksi-korjaus-kolme" -menetelmää, joka vähentää vähitellen leikkaussyvyyttä ja pulssitehoparametreja muokatun kerroksen korjaamiseksi.
Kuva 6: Epäsäännöllisten reikien koneistus volframiseosaihiossa lanka-EDM:llä
OSA.06
Johtopäätös Tässä artikkelissa tutkitaan ja esitetään yhteenveto tarkkuusvolframiseososien aihion valmistusta, yleisiä käsittelymenetelmiä ja käsittelyvaikeuksia. Aihioiden valmistuksessa jauhemetallurgia on suhteellisen kypsempi, tuottaa paremman tiheyden omaavia materiaaleja ja tarjoaa etuja vakaassa massatuotannossa. Viime vuosina kehitetty suhteellisen uusi prosessi additiivinen valmistus on synnyttänyt erilaisia prosessireittejä ja sillä on etuja monimutkaisten onteloiden rakenneosien valmistuksessa. Leikkauksessa PCBN-työkaluilla on etuja, sillä ne saavuttavat pitkän työkalun käyttöiän ja vähentävät työkalun kulumisen vaikutusta koneistustarkkuuteen. Hiontatekniikka on edullinen tavallisten pintojen työstyksessä, jolloin saavutetaan parempi pintalaatu. Reikä- ja uraominaisuuksia varten lanka-EDM tarjoaa korkean käsittelytehokkuuden. Edellä mainittu aihion valmistusprosessi sekä leikkaus-, hionta- ja langanleikkausmenetelmät voivat tehokkaasti parantaa tarkkuusvolframiseososien valmistuksen laatua ja tuotannon tehokkuutta tarjoamalla teknistä tukea asiaan liittyvien teollisuudenalojen kehitykselle.
