بخشی از مقاله
متالورژي پودر
پيشگفتار:
يكي از شاخه‌هاي علم متالورژي كه دز سالهاي اخير رشد زيادي يافته است. متالورژي پودر است. البته قدمت توليد قطعات با پودر به پنج هزار سال و بيشتر مي رسد. يكي ديگر از دلايل توسعه متالورژي پودر اين است كه در روش مزبور فلز تلف شده به مراتب كمتر از ساير روشهاست و حتي مي توان گفت وجود ندارد. سرمايه گذاري در صنعت متتالورژي پودر نيز،كمتر از سرمايه گذاري براي روشهاي كلاسيك ساخت قطعات است. زيرا در مرحله هم جوشي ، درجه حرارت لازم كمتر از درجه حرارت ذوب فلزات است و در نتيجه، كوده هاي مورد احتياح ارزانتر اند.
دامنه استفاده از متالورژي پودر بسيار متنوع و گسترده بوده و در اين رابطه كافي است به زمينه هايي همچون توليد رشته هاي لامپها، بوش هاي خود روانساز، متعلقات گيربكس اتومبيل، اتصالات الكتريكي، مواد ضد سايش قطعات توربين و آمالگم هاي دندانپزشكي اشاره شود. علاوه بر آن پودر فلزات در موارد و كاربردهايي چون صنايع رنگ سازي مدارهاي چاپي، آردهاي غني شده مواد منفجره، الكترود هاي جوشكاري، سوخت راكت ها، جوهر چاپ، باطري الكتريكي قابل شارژ، لحيم كاري و كاتاليزورها مورد استفاده قرار مي گيرند.
متالورژي پودر در ابتدا فلزات معمول، همچون مس و آهن شروع شد ولي لانه استفاده از عمل آن به فلزات غير ديگر نيز سرايت كرد. كاربردهاي جديد تري براي متالورژي پودر به دنبال داشت. بطوريكه از آغاز دهه 1940 بسياري از قطعات فلزات غير معمول از طريع اين تكنولوژي تهيه شدند. در اين گروه مواد مي توان از فلزات دير گداز مانند نايوبيم، تنگستن، موليبدن، زير كنيم، تيتانيم، رنيم و آلياژهاي آنها نام برد. همچنين تعدادي از مواد هسته اي و تركيبات الكتريكي و مغناطسسي نيز با تكنيك هاي متالورژي پودر تهيه شدند. هر چند موفقيت اوليه متالورژي پودر بيشتر مديون مزاياي اقتصادي آن است. ولي در سالهاي اخير ساخت قطعاتي كه توليد آنها با روشهاي ديگر مشكل مي باشد در گسترش اين تكنولوژي سهم چشمگيري داشته است. انتظار مي رود كه اين عوامل در جهت بسط متالورژي پودر و ابداع كاربردهاي آتي آن دست به دست هم داده و دست آودرهاي تكنولوژيكي تازه اي را به ارمغان آورند. تداوم رشد متالورژي پودر را ميتوان به عوامل پنجگانه زير وابسته دانست:
الف) توليد انبوه قطعات سازه اي دقيق و با كيفيت بالا كه معمولاً‌بر بكارگيري آلياژهاي آهن مبتني مي باشند.
ب ) دستيابي به قطعاتي كه فرايند توليد آنها مشكل بوده و بايد كاملاً فشرده و داراي ريز ساختار يكنواخت ( همگن) باشند.
پ ) ساخت آلياژهاي مخصوص،عمدتاً مواد مركب محتوي فازهاي مختلف كه اغلب براي شكل دهي نياز به بالا توليد مي شوند.
ت) مواد غير تعادلي از قبيل آلياژهاي آمورف و همچنين آلياژ هاي ناپايدار.
ث ) ساخت قطعات پيچيده كه شكل و يا تركيب منحصر به فرد و عير معمول دارند
متالورژي پودر روز به روز گسترش بيشتري يافته و بر ميزان پودر توليدي به طور پيوسته افزوده، بطوريكه پودر آهن حمل شده از آمريكا از سال 1960 تا 1978 ميلادي به ده برابر افزايش يافته است. هر چند در سالهاي اخير آهنگ رشد اين تكنولوژي چندان پيوسته نبوده، ولي مجموعه شواهد دلالت بر گستردگي بيشتر آن، در مقايسه با روشهاي سنتي قطعه سازي دارد. باز خوردهاي دريافت شده از مهندسين طراح نشان مي دهد كه هر چه دانش ما در متالورژي پودر افزودن تر مي شود، دامنه كاربرد اين روش نيز گسترش بيشتري مي يابد. اغلب دست آوردهاي نوين اين زمينه صنعتي بر قابليت آن در ساخت، مقرون به صرفه قطعات با شكل و ابعاد دقيق مبتني است.
مقدمه
در قرن بيستم و در سالهاي اخير، تكنيك متالورژي پودر بطور جدي تر، مورد توجه قرار گرفته و جاي خود را به اندازه كافي در صنعت باز كرده است بطوري كه در حال حاضر مي توان آن را به عنوان يكي از تكنيك هاي جديد متالورژي به حساب آورد. البته قدمت توليد قطعات با پودر به بيش از پنج هزار سال پيش مي رسد، درآن زمان كوره هايي كه بتوانند حرارت لازم را براي ذوب فلزات ايجاد كند، وجود نداشتند. روش معمول، احيا سنگ معدن با ذغال چوب بود و محصولي كه به دست مي آمد نوعي فلز اسفنجي بود كه در حالت گرم با چكش كاري امكان شكل دهي مطلوب داشت.
هم اكنون، ستوني آهني با وزني حدود شش تن در شهر دهلي وجود دارد كه در هزار وششصد سال پيش با همين روش تهيه شده است . در اواخر قرن هيجدهم و لاستون
( wollaston ) كشف كرد كه مي توان پودر فلز پلاتين را كه در طبيعت به صورت آزاد شناخته شده بود، پس از تراكم و حرارت دادن، درحالت گرم با چكش كاري شكل داد. ولاستون جزئيات روش خود را درسال 1829 منتشر كرد و اهميت فاكتورهاي نظير اندازه دانه ها، متراكم كردن پودر با وزن مخصوص بالا و اكتيويته سطحي و غيره.. را توضيح داد.
همزمان با ولاستون وبطور جداگانه متالوريست بر جسته روسي پيومتر زابولفسكي
( pyotrsobolevsky ) در يال 1826، از اين روش براي ساختن سكه ها و نشان ها از جنس پلاتين استفاده كرد. در نيمه دوم قرن نوزدهم، متخصصين متالورژي به روشهاي روب فلزات با نقطه روب بالا دست يافتند و همين مسئله باعث شد كه مجدداً استفاده از متالورژي پودر محدود شود، هر چند تقاضا براي توليد قطعاتي مانند تنگستن از طريق متالورژي پودر فلز، تلف شده به مراتب كمتر از ساير روشهاست و حتي مي توان گفت وجود ندارد. دراين مورد، بطوري كه تجربه نشان مي دهد، هر يك كيلوگرم محصول ساخته شده باروش متالورژي پودر، معادل است با چند كيلو گرم محصول ساخته شده با ساير روشهاي شكل دادن نظير برش و تراشكاري، چون در روشهايي نظير تراشكاري مقادير زيادي از فلزبه صورت براده در مي آيد كه تقريباً غير قابل استفاده است. علاوه بر آن يك كيلو گرم از مواد ساخته شده بوسيله روشهاي متالورژي پودر مي تواند كار ده ها كيلو گرم فولاد آلياژي ابزار را انجام دهد.
روش پاشش نظر به نقشاساسي آن در رشد متالورژي پودر، در مقايسه با روشهاي ديگر با تفصيل و بسط بيشتري بررسي خواهد شد.
1-1- روشهاي مكانيكي توليد پودر
1-1-1- روش ماشين كاري
ماشين كاري كردن فلزات در حالات خاصي انجام مي شود، زيرا پودر حاصل از اين روش داراي دانه هاي زبر درشت با لبه هاي تيز است. اين پودر سخت قالب گيري مي شود وقطعه پرس شده آن خيلي متخلخل و داراي استحكام خام پايين است. آسياب كردن اين پودر در آسيابهاي گلوله اي قابليت فشرده شدن را بهتر مي كند، هر چند باعث افزايش كار سختي مي شود كه بايد قبل از متراكم كردن آينل شود. يكي از موارد عمده استفاده از ماشين كاري توليد پودر منيزيم براي مقاصد آتش زايي است، حالت انفجاري اين پودر مانع استفاده از روشهاي ديگر مي شود. با استفاده از ماشين كاري و توليد براده هاي نسبتاً زبر و درشت خطر به طور قابل ملاحظه اي كم مي شود. وقتي براده ها در آسياب از اتمسفر خنثي درآسياب از تركيب ذرات پودر و اكسيژن هوا جلوگيري مي كند. و مانع انفجار مي شود. تخليه پودر از آسياب نبايد به نحوي باشد كه پودر فوراً در تماس با هوا قرار گيرد و باعث احتراق شود. اگر آسياب كردن در مجاورت هوا انجام شود، بايد جدار آسياب و نوع گلوله طوري باشد كه از جرقه زدن جلو گيري شود.
لحيم هاي نقره و بعضي از آلياژهاي مورد استفاده در دندان پزشكي از طريق ماشين كاري تهيه مي شوند. روش ماشين كاري، گران است و اين روش فقط وقتي بكار گرفته مي شود كه روشهاي ديگر قابل استفاده نباشد. مثل تهيه پودر منيزيم يا در مواقعي كه قيمت فلز بسيار گران است و قيمت ماشين كاري ناچيز به حساب مي آيد، مثل توليد آلياژ هاي دندان پزشكي.
2-1-1- روش خرد كردن
خرد كردن فلزات به آسياب كردن شبيه است و با توجه به چكش خواري آنها از خرد كن هاي تكي و چكشي وغيره استفاده مي شود. معدودي از فلزات به قدر كافي ترد و شكننده هستند. ( مانند برليوم آلياژ Mg ،Al اسفنج هاي فلزي كه از راه احياي اكسيد ها با الكتروليز به دست آمده اند) و به آساني خرد مي شوند. بعضي از فلزات را مي توان ترد كرد تا آسانتر خرد شوند . با افزودن گوگرد يا ناخالصيهاي ديگر يك لايه ترد در مرز دانه ها رسوب مي كند وعمل خرد كردن را آسان مي كند. اندازه ذرات پودر خرد شده مشابه دانه هاي قطعه ريخته گري شده است فلزات گروه VA.IVA ( سر گروه هاي در جدول مندليف (C )،VA (A ) IV هستند) با حرارت دادن در محيط هيدروژن ترد مي شوند ( H2 بعداً خارج مي شود) هيدراتهاي تردي كه ببه اين طريق به دست مي آيند به آساني پودر مي شوند. پودرهاي به دست آمده معمولا زاويه اي هستند و بايد آسياب شوند.
3-1-1- روش آسياب
واژه آسياب كردت به پروسه هايي اطلاق مي شود كه در آن نيروي ضربه اي به مواد خرد شدني وارد مي شود. در بعضي از اين روشها مانند آسياب گلوله اي، پودر با گلوله هاي آسياب كه سخت و مقاوم در مقابل فرسايش اند برخورد مي كند و به رزات ريز تبديل مي شود. نوع آسيابها، لرزشي و يا دوراني هستند تجربه نشان داده است كه آسيابهاي لرزشي راندمان بيشتري دارند و در مقايسه با آسيا بهاي دوار در زمان كوكتاه تري عمل كرد را انجا م مي دهند. در روشHametag با يك ونتيلاتور به ذرات پودر سرعت زيادي داده مي شود تا به يكديگر برخورد كنند.
در روشMicronizer جت هاي گاز با سرعت زياد ذرات را به همديگر و يا به سطحي پرتاب مي كنند. خرد كردن فلزات چكش خوار فقط زماني عملي مي شود كه فلز با عمل كار سختي ترد وشكننده شده باشد. در آسياب مرطوب با افزودن فعال ساز، به اكتيو كردن سطح كمك كرده و از چسبندگي ذرات جلوگيري مي كنند كه باعث ريزي ذرات مي شود. بهترين عامل آلي اكتيو كردن سطح اسيد- استثاريك است كه با استفاده از آن ذرات به اندازه متوسط 3% ميكرون به دست مي آيد. بااستفاده از پتاسيم فريك سيانيد به عنوان فعال ساز پودر فلزاتي چون آهن، نيكل ، مس، و كروم با ابعاد ريز ميكرون به دست مي آيد .
4-1-1- روش ساچمه اي كردن
با عبور مواد مذاب از روي صفحه اي مشبك يا وسيله اي مشابه آن جريان فلز مذاب به قطرات زيادي تبديل مي شود. اگر اين قطرات در حال سقوط آزاد سخت و منجمد شوند، ذرات كروي ( ساچمه اي ) به دست مي آيد.
5-1-1- روشدانه بندي باگرانوله كردن
اگر انجماد در اثر تماس با آب حاصل شود دانه هاي نامنظم توليد مي شود( مانند توليد سر باره دانه بندي شده در ذوب آهن اصفهاي) دانه ها نامنظم و درشت اند و به آسياب كردن احتياج دارند تا براي مصرف مناسب تر شوند.
6-1-1- روش اتمايز كردن
در اين روش فلز مذاب را با فشار يا سقوط آزاد از دهانه اي خارج مي كنند مذاب با جتي تحت فشار برخورد مي كند و در نتيجه فلز مايع متلاشي شده و به صورت ذاتي پراكنده مي شود. اندازه ذرات به پارامترهاي اتمايز كردن ( فشار، شكل فطراگذاب، درجه حرارت و ... )بستگي دارد.
شكل ذرات در سرد كردن سريع، نامنظم و در سرعتهاي كمتر كروي است. سرعت مذاب كه از دهانه نازل خارج مي شود از طريق فرمول ذيل به دست مي آيد:
عدد ثابت كه شكل دهانه = C m/sec سرعت = 9.8m/sec2 V
شتاب ثقل = فشار مذاب خروجي = p1 kg/cm2 فشار اتمسفر = p2
Gr/cm2 وزن مخصوص فلز =
متلاشي شدن مذاب خروجي بستگي به سرعت خروج و شكل دهانه فازل دارد. با ازدياد سرعت نسبي گاز و ناب درجه اتمايز شدن افزايش مي يابد. به همين جهت دهانه ها را طوري مي كنند كه سرعت نسبي را زياد كند( شكل 3 ) بر اساس تحقيقات
Ohnesorge سرعت لازم براي متلاشي شدن مذاب به عدد رينولد ( Reynold ) بستگي دارد و در صورتي كه اين عدد از مقادير معيني بيشتر باشد. مذاب متلاشي خواهد شد. عدد رينولد با رابطه زير تبديل مي شود:
عدد رينولد= R وزن مخصوص فلز مذاب=
سرعت = V قطر = d ويسكوزيته سيال=
ساختمان دستگاه مي تواند به صورتي باشد كه مايع بطور افقي يا عمودي خارج شود. اتمايزكردن با توجه به نوع و خواص پودر مورد احتياج در هوا، اتمسفر محافظ يا خلاء انجام مي شود. اتمايز كردن در خلاء از نظر درجه خلوط پودر بسيار خوب است ولي از لحاظ اقتصادي گران مي باشد.
معمولاً اتمايز كردن در هوا يا اتمسفر محافظ انجام ميشود و در چنين مواردي متلاشي شدن به سرعت نسبي برخومرد مذاب بستگي دارد. پس مي توان مذاب را با سرعت كمي خارج كرد و گاز را با سرعت زياد ( توسط جت) به آن دميد. جت ها مي توانند به صورتهاي مختلفي موازي يا عمودي، هم جهت يا غير هم جهت و ... قرار بگيرند.
ولي آنچه مهم است ايجاد سرعتي نسبتاً زياد مي باشد كه موجب متلاشي شدن مذاب شود از اين روش براي تهيه پودر آلياژ هايي مانند برنز استفاده مي شود.
7-1-1- توليد پودر با روش مانسمن
در زمان جنگ جهاني دوم مس كمياب شد. به اين علت از پودر آهن قطعاتي ساخته شد و جايگزين قطعات تي گرديدندكه قبلاً با مس ساخته مي شدند. در روشي كه به D.P.G معروف است، تعدادي تيغه با چرخشي سريع به جريان مذاب برخورد مي كنند و آن را به قطراتي مبدل مي سازد.
قطرات مزبور با جتي از آب برخورد مي كنند و سرد مي شوند اين روش چند سالي مورد استفاده قرار گرفت و سپس به علت نقايصي مانند انجماد فلز روي تيغه ها و اكسيد شدن زياد ذرات منسوخ شد و روش مانسمن جاي آن را گرفت. در اين روش فلز مذاب (چدن با سيليسيم پايين ) با هواي فشرده اتمايز مي شود. با عمليات حرارتي در 950 درجه و كنترل مقدار كربن و اكسيژن پودر آهن نسبتاً خالصي به دست مي آيد. اين روش هنوز براي توليد پودر آهن استفاده مي شود. اما براي آلياژ فلزاتي چون كروم - آلومنيم و تيتان ينم كه ايجاد اكسيدهاي پايدارمي كنند بكار برده نمي شود.
اگر هواي فشده يا گاز، عامل اتمايز كردن باشند، سرعت سرد شدن قطرات مذاب آرام است و نيروي كششي سطحي، آنها را قبل از انجماد كروي مي كند، ( اين ذرات كروي براي فيلترهاي فلزي متخلخل و فلز پاشي مناسب است، در حاليكه براي بيشتر كاربردها متالورژي يكي اين پودر نامناسب است). اگر مذاب با آب اتمايز شود، قطرات در حال اتمايز منجمد مي شوند كه معمولاً شكل آنها نامظم است. البته با بالا بردن حرارت ذوب پودر شكل تقريباً‌كروي پيدا مي كند با كنترل حرارت فلز، فشار آب وقطر دهانه پودر مناسب به دست مي آيد.
2-1 فصل دوم:
توليد پودر به روش شيميايي
1-2-1 روش احياء :
در صنعت متالورژي پودر از اين روش بيشتر از هر روش ديگري استفاده مي شود. نخستين مواد خامي كه براي تهيه پودر با روش احياء بكار مي روند اكسيدهاي مختلف و در بعضي مواقع اكسالات ها ونمكهاي هالوژني هستند. اكسيد هاي موجود در طبيعت ناخالصي دارند و مستقيماً قابل احياء نيستند. بدين جهت قبل از احياء‌بايد درجه خلاوص اكسيدها را بالابرد. براي انتخاب عامل احياء‌كننده بايد به خواص ترموديناميكي ارزش اقتصادي و سهولت استفاده از آن توجه كرد. كربن ارزانترين ماده احياء كننده است و معمولاً براي اكسيد هاي آهن بكار مي رود، ولي چون، كنترل مقدار كربن در پودر توليد شده مشكل است از اين نظر اشكالاتي به وجود مي آورد.
هيدروژن و اتمسفرهاي غني از آن احياء كننده خوبي هستند و استفاده از آنها بسيار آسان است ولي از نظر اقتصادي گران تمام مي شود. همچنين براي احياي اكسيدها، مي توان از فلز هم استفاده كرد. مثلاً از Al براي احياي cr2o3 و از Mg براي احياي بخار Ticl4 و
ZrCl4 استفاده مي شود. عمل احياء معمولاً در درجه حرارت بالا انجام مي شود اين اين جهت ذرات بدست آمده اكثراً به هم مي چسبند و به صورت اسفنج در مي آيند، اسفنج مزبور به آساني در آسياب تبديل به پودر مي شود. اندازه ذرات پودر حاصل از احياء به عوامل زير بستگي دارد:
1- اندازه ذرات اول تركيباتي كه احياء مي شوند.
2- درجه حرارتي كه احياء انجام مي شود.
3- مدت زمان احياء
معمولاً پودر حاصل از اين روش ذرات بسيار ريز و منخلخلي دارد و شكل آن نامنظم است، در نتيجه وزن مخصوص ظاهري و سرعت جريان پودر كم است ولي به آساني زينتر مي شود
2-2-1 روش رسوب دهي ( ته نشين سازي از مايع) :
در اين روش فلزات و يا تركيبات فلزي از نمكهاي محلول در آب همچون نيترات، كلرور و سولفات رسوب مي يابد. در اين روش توليد، پودر نمك مورد نظر در آب حل شده وسپس با افزودن يك تركيب ثانوي به آن ايجاد رسوب مي گردد كه پس از جمع آوري و در صورت لزوم احياء كردن، به پودر تبديل مي شود. در يك روش ديگر مي توان يونهاي فلزي را با هيدروژن احياء كرده و به رسوب فلزي دست پيدا كرد، پودر فلزات مس، نيكل و كبالت مثالهايي از پودرهاي توليد شده با اين روش بوده و درجه خلوص آنها قابل توجه و در حدود 8/99 درصد است. پودرهاي حاصل از رسوب ريز و كلوخه اي هستند و ويژگيهاي آنها با كنترل پارامترهاي حمام واكنش قابل تنظيم مي باشد.
روشهاي رسوب دهي براي توليد پودرهاي كامپوزيتي نيز مناسب اند. در اني موارد براي آغاز واكنش رسوب از يك جوانه زا استفاده مي شود، اكسيدها ي توريم و تيتانيم و كربور تنگستن از جمله جوانه زاهاي مورد استفاده مي باشند. پودرهاي كامپوزيتي حاصل از روست مرسوب، درتوليد آلياژهاي ODS كاربد كسترده اي دارند، واكنش رسوب، همچنين براي توليد فلزات فعال ( واكنش پذير ) از قبيل زير كنيم و تيتانيم نيز مورد استفاده قرار مي گيرد.
نمكهاي كلريدي درواكنش با فلزي مثل منيزيم پودر اسفنجي توليد مي نمايند. از جمله ويژگيهاي مشترك كليه پودرهاي توليدي به روش رسوب دهي مي توان ريز بودن و تمايل آنها به كلوخه شدن، بالا بودن درجه خلوص ( معمولاً بالاتر از 5/99 درصد ) نا منظم و يا مكعبي بودن دانه ها و در برخي موارد اسفنجي بودن آنها را نام برد. با توجه به اين مشخصات است كه پودرهاي حاصل از ته روش رسوب از سياليت قابل توجهي برخوردار نبوده و چگالي آنها پس از فشرده شده نيز كم است.
3-2-1- روش تجزيه گرمايي
در اين روش توليد پودر، از تجزيه بخار وميعان آن بهره گيري مي شود. توليد پودر نيكل از كربونيل آن را مي توان به عنوان شناخته شده ترين مورد بكارگيري اين روش ذكر كرد. كر بونيل نيكل Ni(co)4 از كيب منواكسيد كربن و نيكل حاصل مي شود، تشكيل اين مولكول گازي نياز به گرما و فشار هم زمان دارد. سرد كردن كربونيل نيكل تا 43 درجه سانتيگراد باعث تبديلب آن به مايعي مي شود كه تقطير جزء به جزء آن و گرم كردن مجدد مايع خالص شده حاصل از تقطير باعث تجزيه بخار و توليد پودر مي شود. پودر نيكل توليد شده با اين روش ريز، شكل آن نامنظم، يا گرد و خوص آن درحدود 5/99 درصد است
..فلزاتي از فبيل، كرم ، پالاديم، و كبالت نيز از فلزاتي هستند كه فراين دفوق را مي توان براي آنها بكار گرفت، هرچند كه زياد بودن انرژي مورد نياز، استفاده از آن را تنها به نيكل و آهن محدود كرده است. اخيراً فعاليتهاي موفقيت آميزي در جهت توليد پودر بسيار ريز فلزات با روش جوانه زني همگن از فاز بخار صورت گرفته است، ولي اين دست آوردها عمدتاً در مراحل تحقيقاتي است. در اين روش ماده الوليه در محفظه محتوي آرگون كه فشار آن 15% اتمسفر است تبخير شده و با توجه به اينكه دماي محفظه نتناسب با عكس معكب فاصله از منبع تبخير كاهش مي يابد. بخار سرانجام به دماي فوق تبريد ( ابر سرد) رسيده و دراثر پديده جوانه زني پودري با دانه بندي 50 تا100 نانومتر و دانه هاي مكعبي تشكيل مي گردد. مزيت عمده اين روش خلوص و ريزي زياد دانه هاي پودر است و تاكنون براي توليد پودر مس، نقره، طلا، پلاتين، كبالت و روي مورد استفاده قرار گرفته است.
4-2-1- روش رسوب از فاز گازي
براي بدست آوردن پودر فلزات از فاز گازي راههاي مختلفي موجود است. مثلاً پودر Zn را مي توان مستقيماً از سرد كردن بخار Zn بدست آورده و يا در بعضي موارد توسط تجزيه شيميايي مي توان فلز را به صورت پودر يا اسفنج تهيه كرد. در صنعت براي تهيه پودر Ni.Fe از كربناتهاي آنها استفاده مي شود. به اين ترتيب كه گاز CO در درجه حرارتي مابين oc-o3 و فشار زياد ( تا 200 اتسمفر ) از روي اسفنج يا براده فلز عبور مي كند و در نتيجه كربنيل فلز به دست مي آيد كه اين كربنيل ها ر همان درجه حرارت و فشار خيلي كمتر ( يك اتسمفر ) تجزيه مي شود و فلز به صورت ذرات خيلي كوچك رسوب مي كند. معمولاً اندازه بدست آمده بين 100 تا 1% ميكرون است. بطور معمول ذرات آهن كروي و ذرات نيكل نامنظم اند. درجه خلوص پودر بدست آمده بالاست و فقط ممكن است مقدار C-N2-O2 در آن وجود داشته باشد كه با آنيل كردن مقدار آنها بسيار كم مي شود.
5-2-1- روش خوردگي مرزدانه ها
تا قبل از پيشرفت روش تمايز كردن از اين روش زياد استفاده مي شد ولي امروزه زياد مورد استفاده قرار نمي گيرد. كر بوره كردن ( Carburizing ) آهن زنگ نزن در ( 750 -500 ) درجه سانتيگراد سبب مي شود كه كاربيد كروم در مرز دانه ها رسوب كند و نتيجتاً مرزها بسيار حساس شوند، اين مرزها حساس در برابر بعضي از محلولها مثل
H2SO4.CUSO4 جوشان خورده مي شوند. تحقيقات و تجربيات بعدي نشان داده كه آهن زنگ نزن را با قرار دادن در يك پيل به جاي آند ( با الكتروليت CUSO4 ) بهتر مي توان حس كرد. ذرات حاصل از اين روش زاويه اي شكل اند و اندازه آنها به اندازه دانه فلز بكار رفته مربوط مي شود. روش ديگر شيميايي نيز وجود دارند كه اكنون زياد مورد استفاده نيستند.
6-2-2- روش پيرون ( pyron ) : تهيه پودر آهن از پوسته هاي نورد
پوسته هاي نورد كه غير از منگنز فاقد عناصر آلياژي ديگر باشند، از كارگاههاي مختلف نورد در انباري انباشته مي شود. پوسته هاي نورد را تا قبل از انبار كردن سرند مي كنند تا قطعات بزرگ و اشياء زائد از آن جدا شوند، سپس براي جدا كردن شن واضافات غير مغناطيسي از آن با ماگنت نيز تميز مي شوند. آنگاه پوسته هاي نورد در يك آسياب گلوله اي تا 100 - مش خرد مي شوند. كنترل دقيق اين مرحله از كار، پودري با توزيع اندازه ذرات مورد نظر توليد مي كند. اكسيد هاي آهني پوسته هاي نورد يعني FeO.Fe3O4 براي همگن شدن پودر در 980 درجه سانتيگراد اكسيده وبه Fe2O3 تبديل مي شوند. براي اين كار از كوره هاي گازي استفاده مي كنند. احياء با هيدروژن در كوره هاي الكتريكي با طول 37 متر انجام مي شوند. اكسيد آماده شده از كوره هاي تشويه با تسمه نقاله اي به عرض 183 سانتيمتر به كوره احياء انتقال مي يابد و تبديل به آهن مي شوند: Fe2o3+3H2 2Fe+3H2O
هيدروژن مصرفي در اين پروسه از كارخانه توليد مواد شيميايي ارسال مي شود. در ذوب آهن اصفهان هيدروژن مي تواند از گازكك كه محتوي 60 درصد هيدروژن است به دست آيد. هيدروژن در كوره اي با سيستم كاملاً بسته جريان مي يابد و رطوبت را برطرف مي كند و هيدروژن باقيمانده، به كوره بر مي گردد. احياء در 980 درجه سانتيگراد انجام مي شود. با تغيير جزئي در درجه حرارت و سرعت تسمه نقاله، كيفيت پودر آهن توليدي كنترل مي شود. كيك زينتر شده به دست آمده، ترد و شكننده است و در آسياب به سادگي به پودر به آهن تبديل مي شود. توزيع اندازه ذرات به خرد كردن اوليه پوسته هاي نورد بستگي دارد. پودر از آسياب با تسمه نقاله به مخازن بزرگ حمل مي شود و پس از دانه بندي و مخلوط شدن، بسته بندي و آماده مصرف در كارخانه هاي الكترود سازي و قطعه سازي مي شود. پودر آهن كه با اين روش ( پيرون ) تهيه مي شود داراي تخلخل ريز و ساختمان ميكروسكوپي اسفنجي شكل است و در مقايسه با روشهاي ديگر تجارتي قطعه خام آن بهتر زينتر مي شود.
3-1- فصل سوم:
توليد پودر به روش الكتروليتي :
تحت شرايط مناسب مي توان پودر فلزات را بر روي كاتد سلول الكتروليز رسوب داد. پودر خالص فلزات تيتا نيوم، مس،آهن و برليم نمونه هايي از پودرهاي توليد شده با روش اخير مي باشد.
انحلال در سطح آند و ايجاد رسوب پودري در كاند انجام مي گيرد. انتقال يونها در الكتروليت منجر به توليد شد پودري با درجه خلوص بالا در سطح كاتد مي شود كه پس از جمع آوري، آسياب و نهايتاً براي كاهش سختي كرنشي ايجاد شده در آن تحت عمل آنيلينگ قرار مي گيرد. نيروي محركه توليد پودر در اين روش ولتاژ خارجي اعمال شده بردو قطب الكتروليز بوده و جمع آوري پودر از سطح كاتد با نشستن سطح آن و خشك كردن رسوب حاصله عملي مي شود. پودر توليد شده به روش الكتروليتي معمولاً شاخه اي و يا اسفنجي بوده و ويژگيهاي آن تابع شرايط حمام درحين رسوب و همچنين عمليات بعدي انجام گرفته بر روي پودر مي باشد.
بالا بودن دانسيته جريان خارجي، كم بودن غلظت يوني در محلول الكتروليت و اسيدي بودن آن و همچنين افزايش مواد كلوئيدي به حمام به توليد پودر اسفنجي كمك مي كند. دماي حمام در شرايط كار در حدود 60 درجه سانتيگراد بوده و از الكتوليت با گران و سيكوزيه بالا استفاده مي شود. از بهم زدن الكتروليت نيز پرهيز مي شود تا رسوب ايجاد شده بر سطح كاتد حتي الامكان باشد.
هر چند الكتروليز براي توليد پودرهاي با درجه خلوص بالا روشي شناخته شده مي باشد ولي انجام آن مشكلاتي را نيز به همراه دارد. تركيب شيميايي حمام الكتروليت بسيار حائز اهميت بوده و ناخالصي هاي موجود در آن مي تواند رسوب پودر بر سطح كاتد را با وقفه مواجه سازد. علاوه بر اين روش مذكر تنها براي توليد پودرهاي فلزي( غير آلياژي ) قابل استفاده مي باشد. همچنين تميز كردن و آماده سازي پودر توليد شده براي فرايند هاي بعدي مي تواند هزينه توليد را به ميزان زيادي افزايش دهد.
4-1- فصل چهار:
توليد پودر به روش پاشش
4-1-1- پاشش با گاز
بكارگيري هوا، ازت، هليم و آرگون بعنوان سيالات متلاشي كننده جريان مذاب در توليد پودر فلزات و آلياژها از كار آيي چشمگيري برخوردار مي باشد. جريان فلز ( آلياژ) مذاب در اثر برخورد با گاز منبسط شده اي كه از يك افشانك خارج مي گردد متلاشي شده و در مراحل بعدي به دانه هاي پودر كروي تبديل مي گردد. پاشش گازي براي توليد پودر سوپر آلياژ ها و مواد پر آلياژ روشي ايده آل و شناخته شده مي باشد.
طرحهاي گوناگون مورد استفاده تابعي از مكانيزم تغذيه فلز مذاب و پيچيدگي تجهيزات ذوب و جمع آوري پودر مي باشد، ولي ويژگي مشترك همه اين روشها انتقال انرژي از يك گاز سريعاً منبسط شونده به جريان مذاب و تبديل آن به دانه هاي پودر است. افشاننده هاي با دماي كم داراي طرح افقي مطابق شكل11 مي باشند. و گاز داراي سرعت بالا كه از يك افشانك خارج مي گردد فلز مذاب را به منطقه انبساط گاز مي كشاند. سرعت زياد گاز باعث توليد جرياني از قطرات ريز مذاب شده كه در حين حركت در محفظه جمع آوري پودر سرد و منجمد مي گردند.
روش پاشش براي فلزات با نقطه ذوب بالا در محفظه بسته اي كه با گاز خنثي پر شده انجام مي گيرد تا از اكسيد اسيدن دانه هاي پودر جلوگيري شود. اندازه محفظه ( تانك) پاشش بايد به نحوي انتخاب شود كه دانه هاي پودر پيش از برخورد به ديواره هاي آن بصورت جامد در آيند. در چنين سيستمهايي مذاب در كوره القايي تحت خلاء، تهيه و به افشانك ريخته مي شود. دماي فوق ذوب تا حد قابل ملاحظخ اي بابد بجاي افشانك مدور مي توان از افشانكهاي چند گانه كه بصورت محيطي جريان مذاب را احاطه كرده اند، استفاده نمود. گاز پاشش مذاب بايد از محفظه توليد پودر تخليه شود تا از ايجاد فشار جلوگيري شود.
در حاليكه در سيستم پاشش افقي اينكار بوسيله فيلتر تعبيه شده در بدنه دستگاه، كه نقش جمع آوري پودر را نيز بعهده دارد، انجام مي شود. درتجهيزات پاشش قائم گاز بكار گيري سيلكون، تخليه و در صورت نياز بازيابي شده و دانه هاي ريز پودر نيز از آن جدا مي شوند.
پاشش گازي را مي توان تحت شرايط كاملاً خنثي انجام داد. از اين توليد پودر هاي پر آلياژ با تركيب آلياژي دست نخورده ( كنترل شده ) با اين روش امكان پذير مي باشد. دانه هاي پودر حاصل از فرايند، كروي و توزيع دانه بندي آنها نسبتاً گسترده مي باشد متغيرهاي كنترل كننده فرايند نسبتاً زياد و شامل نوع گاز، سرعت گاز، شكل افشانك و دماي گاز مي باشد.
2-4-1- پاشش آبي
پاشش آب متدوالترين فرايند براي توليد پودر فلزات و آلياژ هاي با نقطه ذوب پايينتر از 1600 درجه سانتيگراد مي باشد. جهت دهي آب به سمت مسير مذاب را مي توان با استفاده از افشانك حلقوي، چند تايي و يا منفرد عملي نمود. اين فرايند مشابه پاشش گازي مي باشد. با اين تفاوت كه سرعت انجماد در اين مورد بيشتر و ويژگيهاي عامل متلاشي كننده مذاب نيز با حالت پيشين متفاوت مي باشد.
در پاشش آبي شكل دانه هاي پودر ، به علت انجماد سريعتر در مقايسه با روش گازي، نامنظم تر بوده و بعلاوه سطح دانه ها ناصاف تر و اكسيد اسيون آنها نيز بيشتر است. با توجخ به انجماد نسبتاً سريع دانه ها كنترل شكل آنها در صورتي امكان پذير خواهد بود كه دماي فوق ذوب در حد قابل ملاحظه اي بالا شد.
3-4-1-پاشش گريز از مركز
نياز به كنترل اندازه دانه هاي پودر و همچنين اشكالات موجود در توليد پودر فلزات فعال منجر به توسعه و بكارگيري اين روش پاشش شده است. در افشانك مختلفي كه بر مبناي اعمال نيروي گريز از مركز بر مذاب بنا شده اند، نيرو باعث پرتاب قطرات مذاب و انجماد آنها بصورت پودر مي گردد. يكي از نمونه هاي بكار گيري اين روش، روش الكترود چرخان است كه در توليد پودر فلزات فعال مانند زير كنيم، وم همچنين سوپر آلياژ ها بكار گرفته مي شود،
1-2 : ريخته گري دوغابي يا Slip Casting
از اين روش بطور وسيع براي سراميكها و در مقياس كمتر براي فلزات استفاده مي شود. مواد ذيل براي ريخته گري لازم است:
1- پودر فلز يا سراميك
2- مايع براي معلق نگهداشتن ذرات ( آب الكل)
3- مواد افزودني براي جلو گيري از ته نشيني ذرات و چسبنده ها
دراين روش معمولاً ذرات از 5 ميكرو است ( از ذرات بزرگتر از 20 ميكرومتر به علت سرعت ته نشين زياد به ندرت استفاده مي شود) با كمك افزودني ها از ته نشيني ذرات بطور سريع جلو گيري بعمل مي آيد و عمل فشرده شدن در ريخته گري دوغابي يكنواخت مي شود. مواد پس از آماده شدن در قالبي كه از مواد جذب كننده مايع ( مثل پلاستر پاريس ) ساخته شده است رسخته مي شود، معمولاً چندين ساعت وقت لازم است تا مايع از خلل و فرج مويي ( Capillary ) شكل قالب خارج شود و مواد متراكم شده از قالب بيرون آيد.
قبل از زنيترتيگ قطعه متراكم شده بايد خشك شود تا رطوبت بطور كامل از آن خارج و سپس زينتر شود. با اين روش قطعات با تخلخل كم و يا زياد مي توان توليد كرد اما وزن مخصوص قطعه متراكم شده در اين روش پايين است و در زنيترتيگ انقباض زياد تري لازم است تا به وزن مخصوص بالاتر برسد.
نقص اني روش سرعت كم متراكم شدن توليد است و براي توليد انبوه مناسب نيست. در اين روشنسبت مايع به فلز مهم است. زيرا با افزايش اين نسبت استحكام خام، وزن مخصوص خام و وزن مخصوص زينتر شده، كاهش مي يابد ( جدول 3 )
جدول 3 : تاثير مقدار آب روي شرايطSlip و خواص نمونه هاي آزمايشي
در صد آب اجزاي Slip
19 17 15
70/80 70/82 70/84 پودر فلزات
30/0 30/0 30/0 Superloid
2354/0 2050/0 1771/0 نسبت آب فلز
37/3 57/3 87/3 g/cc وزن مخصوص شرايط نمونه
88/4 96/4 03/3 g/cc دانسيته قطعه ريخته شده
62/4 70/4 77/4 g/cc دانسيته قطعه خشك شده
94/6 08/7 18/7 g/cc دانسيته قطعه زينتر شده
743 804 910 Psi استحكام كششي خام ( خشك)
2-2-: پرس پودر با فشار در حالت سرد
1-2-2- پرس پودر در قالبهاي فلزي
براي متراكم كردن پودر موارد ذيل لازم است:
الف) منبع انرژي يا فشار، كه معمولاً داراي مكانيز مهاي مكانيكي يا هيدروليكي اند.
ب) قالب با استحكام كافي پودر با شكل و اندازه مورد نظر
ج) سنبه بالايي و پاييني با طرح و استحكام مناسب
د) ميله ماهيچه براي ايجاد سوراخ در قطعه فشرده شده
ه ) دستگاههاي اندازه گيري براي ثبت ميزان فشار، حركت سنبه و غيره
معمولاً پودر را با يكي از روش زير در قالب متراكم مي كنند.
فشار از يك جهت:
همانطور كه مشخص شده است سنبه بالايي در حركت مي كند و پودر را در سنبه پاييني به سطوح داخلي قالب و سطوح خارجي ميله ماهيچه ( اگر وجود داشته باشد) مي فشارد. فشار فقط از يك جهت اعمال مي شود. خارج كردن قطعخه پرس شده به دو طريق انجام مي شود. قالب ثابت مي ماند وقالب پايين مي رود.
كفشكي قطعه متراكم شده را دور مي كند و همزمان پودر لازم را به داخل مي ريزد و آن را براي پرس كردن مجدد صاف و آماده مي كند. اين قالبها براي قطعاتي كه ضخامت آنها كم است بكار مي رود و در صورتي كه براي قطعات ضخيم بكار برده شود تغيير در وزن مخصوص، زياد خواهد بود. براي نشان دادن وزن مخصوص در نقاط مختلف پودر متراكم شده مقطع هاي مختلفي از قطعه متراكم شده تهيه و سختي را به اندازه گيري مي كند. سپس با يافتن رابطه اي بين سختي و فشار با Calibration Curve وزن مخصوص را در نقاط مختلف جسم متراكم به دست مي آورند
بيشترين وزن مخصوص در بالا و در ناحيه خارجي است كه اصطحكاك ديواره باعث ايجاد حداكثر سرعت نسبي بين ذرات مي شود. وزن مخصوص در كناره قالب از بالا به پايين و به سرعت كاهش مي يابد. توزيع وزن مخصوص درخط مياني ( محور) قطعه متراكم شده از يكنواختي بيشتري برخوردار است جايي كه تاثير اصطحكاك بين ديواره قالب و ذرات پودر حدلقب است وزن مخصوص تقريباً وسط قطع است. نتيجه اندازه گيري توزيع وزن مخصوص نشان مي دهد كه اعمال فشار بطور يكنواخت از بالاي روي پودر، بطور يكنواخت به قطعه منتقل ني شود.
فشار از دو طرف
در اين روش فشار همزمان در دو جهت مخالف بوسيله سنبه پاييني و بالايي به پودر وارد مي شود.
فشار و حركت به طور يكسان يا متفاوت از هر جهت عمال مي شود. در اين روش تغيير در وطن مخصوص قطعه پرس شده نسبت به حالت فشار از يك طرف بسيار كمتر است و قطعاتي با ضخامت بيشتر مي توان توليد كرد.
تراكم با سيستم چند محوري
معمولاً در تراكم با سيستم چند محوري از چند سمبه، در سطوح ( ارتفاعات ) مختلف استفاده مي شود. هر كدام از سمبه هاي پاييني يا بالايي مي توانند بطور مجزا از هم حركت كنند و اندازه شكل و وزن مخصوص قطعه را در ارتفاعات مختلف تعيين كنند ( با اين روش قطعات متنوعي توليد مي شود )
تراكم در قالبها
در اين روش سمبه تحتاني ثابت است. اما قالب روي فنزهايي قرار دارد و مي تواند در دو جهت بالا وپايين حركت داشته باشد. در مرحله ابتدايي قالب بدون حركت است و پودر به داخل آن ريخته مي شود سمبه فوقاني سپس وارد قالب مي شود و عمل تراكم پودر را شروع مي كند پس از اينكه پودر تا حدي متراكم شد واصطحكاك بين پودر و قالب به مقدار قابل ملاحظه اي رسيد، اصطحكاك بين قطعه و قالب، باعث مي شود كه قالب به طرف پايين حركت كند و در نتيجه قطعه از جانب سمبه تحتاني نيز تحت فشار قرار گيرد. سرعت حركت قالب در ابتدا كم است اما به تدريج زياد مي شود و به نصف سرعت سمبه فوقاني مي رسد. پس از انجام عمل تراكم قالب حركت خود را به پايين ادامه مي دهد تا قطعه خارج شود. دراين روش مانند روش تراكم دو جهته، دانسيته يكنواخت خواهد بود
2-2-2- متراكم كردن با لرزاندن ( ويبره اي )
آزمايشهايي كه در سالهاي اخير انجام شده نشان داده است كه با لرزاندن پودر در هنگام تراكم، بطور قابل ملاحظه اي از فشار لازم براي به دست آوردن وزن مخصوص مورد احتياج كاسته مي شود. يكي از بهترين مزاياي اين عمل كاهش فشار و در نتيجه ازدياد طول عمر قالب است. ديگر اينكه تنشهاي داخلي جسم به مقدار زيادي كاهش مي يابد و نتيجتاً در هنگام خروج از قالب يا زينتر كردن ترك نمي خورد. تنها عيب روش مذكور اين است كه در صنعت از سرعت عمل مي كاهد.
