Volframisulamid on kindlasti inseneride "õudusunenägude materjalide" nimekirjas. Nende suur tihedus ja kõvadus esitavad töötlemisel olulisi väljakutseid, muutes iga sammu raske lahinguna. Kuidas muuta see raske materjal toorainest kõrge efektiivsusega valmistooteks?
Ärge muretsege, see hindamatu "salarelv" on siin! Selles artiklis analüüsitakse protsessi tooraine ettevalmistamise algusest peale, võrreldakse pulbermetallurgia ja 3D-printimise eeliseid ja puudusi, kirjeldatakse üksikasjalikult lõikamise, lihvimise ja traadi lõikamise põhitehnikaid ning tutvustatakse tipptasemel tehnoloogiat, mis aitab teil saavutada poole väiksema pingutusega kaks korda paremaid tulemusi-), luues pulberekstrusioonprintimiseks kindla aluse (PEP).
OSA.01
Sissejuhatus
Volframisulamid kui sulamimaterjalid, mille põhikomponent on volfram (volframisisaldus moodustab tavaliselt 85–99%) ja lisatud elemendid, nagu nikkel, raud, vask, koobalt, molübdeen ja kroom, mängivad asendamatut rolli paljudes kõrgtehnoloogilistes valdkondades, nagu tuumatööstus, sõjatööstus ja arstiabi tänu nende ülitihedusele19. g/cm3), kõrge sulamistemperatuur ja suurepärane mehaaniline tugevus[1]. Meditsiinivaldkonnas kasutatakse kiiritusraviseadmete põhikomponentide valmistamiseks volframisulameid. Tänu oma suurele tihedusele suudavad nad täpselt blokeerida ja kujundada kiiri ning on peamised materjalid kollimaatorite ja kiirguskaitsete valmistamiseks[2]. Need suurepärased omadused toovad kaasa ka palju raskusi volframisulamite töötlemisel ja valmistamisel. Selle artikli eesmärk on süstemaatiliselt ja põhjalikult uurida volframisulamist osade tooriku ettevalmistamise protsessi ja tavapäraselt kasutatavaid töötlemismeetodeid ning pakkuda väärtuslikku viidet nende täppisvalmistamiseks.
OSA.02
Volframisulamist detailide toorikute ettevalmistusprotsess
2.1 Pulbermetallurgia tehnoloogia
Volframisulameid on nende suure tiheduse, kõrge sulamistemperatuuri ja kõrge kõvaduse tõttu raske valmistada tavapäraste sulamite sulatus- ja ettevalmistusprotsesside abil. Pulbermetallurgia on traditsiooniline ja laialdaselt kasutatav meetod volframisulamist toorikute valmistamiseks. Selle peamised protsessid on näidatud joonisel 1, sealhulgas volframipulbri valmistamine, segamine, vormimine ja paagutamine [3]. Volframipulbri valmistamise protsessis kasutatakse volframipulbri puhtuse tagamiseks sageli selliseid protsesse nagu vesiniku redutseerimine ja ammoniaagi volframaadi redutseerimine. Samal ajal mõjutavad volframipulbri hapnikusisaldus, osakeste suurus ja kuju märkimisväärselt sulami lõplikku jõudlust ja kvaliteeti ning neid tuleb rangelt kontrollida. Liiga kõrge hapnikusisaldus vähendab sulami jõudlust, samas kui osakeste suurus ja kuju mõjutavad järgnevate segamis- ja vormimisprotsesside mõju. Näiteks ühtlase osakeste suurusega volframipulber aitab segamise ajal teiste metallipulbritega ühtlasemalt seguneda, tagades sulami koostise konsistentsi. Segamise käigus tuleb jälgida, et erinevate metallipulbriosakeste suurus oleks ühtlane ja proportsioon täpne. Täpse segamise jaoks kasutatakse sageli mehaanilist segamist, kuuljahvatamist ja muid meetodeid. Vormimismeetodid hõlmavad külm-isostaatilist pressimist, stantspressimist, pulbri ekstrusioonvormimist ja pulbri sissepritsevormimist jne. Nende meetoditega saab valmistada keeruka kujuga detaile.
Joonis 1 Volframisulamist toorikute pulbermetallurgia põhiprotsessid
Paagutamisprotsess on võti tagamaks, et volframisulam saavutab vajaliku tiheduse, tugevuse ja muud omadused. Laialdaselt kasutatakse kahe-astmelist paagutamist [4]: eelpaagutamise etapp kontrollib tavaliselt temperatuuri 1000-1200 kraadi juures. Selles temperatuurivahemikus jõuavad madala -sulamistemperatuuriga-metallid, nagu vask ja raud, vedelasse olekusse ja läbivad ümbritsevate volframipulbri osakestega tahkes faasis difusiooni, fikseerides volframisulami pulbriosakeste asukoha ja täites need ühtlaselt, saavutades seega tooriku kuju. Järgmine on kõrgel temperatuuril{11}}paagutamise etapp, kus pulbriosakeste vahel toimuvad tahke{12}}faasi ja vedela faasi reaktsioonid, moodustades lõpuks tiheda volframisulamist struktuuri. Paagutamistemperatuuri ja -aja reguleerimine mängib toote jõudluses otsustavat rolli. Kui paagutamisaeg on liiga pikk, suureneb volframikristallide suurus, mis mõjutab sulami tihedust ja üldist jõudlust; kui temperatuur on liiga kõrge, põhjustab see madala -sulamistemperatuuriga-metallide (nt vase ja raua) lendumist, mis vähendab sulami tihedust ja mehaanilist tugevust. Paagutamistemperatuuri reguleeritakse tavaliselt umbes 1400 kraadi juures ning eelpaagutamine ja kõrgel temperatuuril{21}}paagutamine viiakse tavaliselt läbi vaakumis või inertgaasi keskkonnas, et vähendada madala -sulamistemperatuuriga-sulamite oksüdeerumist ja lendumist. Levinud protsess on kõigepealt -moodustunud volframipulbri tooriku eelpõletamine 1200 kraadi juures 1 tund vesinikuatmosfääris, et anda sellele teatud tugevus ja juhtivus, ning seejärel teostada iseseisev paagutamine, kasutades tooriku enda takistusest tekkivat soojust, et veelgi soodustada paagutamist.
2.2 Lisandite tootmisprotsess
Traditsiooniliste pulbermetallurgia meetoditega saab toota ainult suhteliselt korrapärase kujuga toorikuid. Keerulise struktuuriga volframisulamist osade, eriti keerukate õõnsustega osade puhul on pärast tooriku vormimist siiski vaja keerukat töötlemist, et lõpuks täita osade nõuded. Praegu puuduvad tõhusad töötlemis- ja vormimismeetodid keeruliste suletud siseõõnsuste jaoks, mis piirab volframisulamist osade disaini. Lisanduv tootmistehnoloogia annab uudse lahenduse volframisulamist detailide projekteerimiseks ja tootmiseks. Tavaliselt kasutatavad metallilisandite valmistamise tehnoloogiad hõlmavad selektiivset lasersulatamist (SLM), laserstereovormimist (LSF), elektrikaare lisandite tootmist (WAAM), pulberkihi selektiivset lasersulatamist (L-PBF) ja laseriga suunavat energiasadestumist (L-DED) [5, 6]. Erinevate volframisulamist osade valmistamise lisandite tootmisprotsesside eeliste ja puuduste võrdlus on toodud tabelis 1. SLM suudab valmistada keeruka geomeetriaga detaile, kuid sellel on probleeme, nagu krobeline pind, suur kihtidevaheline jääkpinge ja piiratud osa suurus ning see sobib väikeste detailide valmistamiseks; LSF võib saada peene, ühtlase ja tiheda struktuuri, parandada materjalide mehaanilisi omadusi ja korrosioonikindlust, kuid kui protsessi parameetrid ei sobi, on kergesti tekkivad defektid, näiteks ladestunud kihi halb sulandumine; WAAM sobib suuremahuliste{10}}lennunduse integreeritud konstruktsiooniosade valmistamiseks, millel on kõrge vormimiskiirus ja tihedus, kuid vormitud osade pinnakvaliteet on halb. Tüüpiline volframisulamist osa, mis on valmistatud lisatootmistehnoloogia abil, on näidatud joonisel 2. Võrreldes traditsioonilise pulbermetallurgia meetodiga on lisandite valmistamisel keeruliste volframisulamist osade valmistamisel ilmsed eelised. See ei saa mitte ainult ette valmistada keerukate konstruktsioonide ja õõnsustega osi, et need vastaksid erilistele disaininõuetele, vaid ka kihtide-teostus-materjalide kihilise sadestamise teel, parandab materjalide kasutamist ja vähendab kulusid[7]. Tabel 1. Erinevate lisandite tootmisprotsesside abil toodetud volframisulamist osade eeliste ja puuduste võrdlus
a) Hajumisvastane-ruudustik
b) Poorsed osad
Joonis 2. Tüüpilised volframisulamist osad, mis on valmistatud lisatootmistehnoloogia abil
2.3 Protsesside võrdlemine ja valik
Pulbermetallurgia ja lisandite tootmine on praegu kaks peamist meetodit volframisulamist detailide toorikute valmistamiseks, millest igaühel on tooriku valmistamisel oma eelised ja puudused. Volframisulamist tooriku valmistamise protsesside võrdlus on toodud tabelis 2. Pulbermetallurgia on suhteliselt küpsem, saades parema tihedusega materjale ja pakkudes eeliseid stabiilses masstootmises. Lisatootmine on viimastel aastatel välja töötatud uus protsess, millel on erinevad tuletisprotsesside marsruudid ja millel on eelised keerukate õõnsustega konstruktsiooniosade valmistamisel.
Tabel 2. Volframisulamist tooriku valmistamisprotsesside võrdlus
Suurema laiaulatusliku jõudluse saavutamiseks on tipptasemel -lennundus-, kaitse-, tuumatööstuse, meditsiiniseadmete ja elektroonikaseadmete volframisulamist osadel tavaliselt keerulisemad konstruktsioonilised omadused, sealhulgas õhukesed seinad, kumerad pinnad ja poorsed struktuurid, millega traditsioonilised pulbermetallurgia meetodid hakkama ei saa. Suure -tihedusega, defektideta-puhta volframisulamist osade tootmine otse lisandite abil seisab endiselt silmitsi mitmete tehniliste väljakutsetega. Pulberekstrusioonprintimine (PEP), metallist kaudse 3D-printimise tehnoloogia, mis ühendab 3D-printimise ja pulbermetallurgia, kasutab volframisulamist pulbrit koos sideainega. Pulber vormitakse 3D-printimise seadmetega ja seejärel töödeldakse pulbermetallurgilise sideme eemaldamise ja paagutamise teel, mille tulemusena saadakse suure{10}}tihedusega ja suure jõudlusega konstruktsiooniosad. See tehnoloogia pakub uudset lahendust volframisulamite töötlemise ja keerukate struktuuride valmistamise raskustele. Selle madalal -temperatuuril vormimise ja kõrgel{15}}temperatuuri seadistusomadused lahendavad tõhusalt probleeme, nagu deformatsioon, pragunemine ja tühimikud, mis on kergesti tekkivad muude volframisulamite 3D-printimise protsesside puhul.
OSA.03
Volframisulamist osade töötlemine
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) põhjustab märkimisväärselt kiirenenud tööriista kulumiskiirust töötlemise ajal, mõjutades töötlemise täpsust ja tööriista tööiga. Tööriista eluiga ja töötlemise tõhusus on peamised tegurid, mida töötlemisel arvestada. Volframisulamitel on suhteliselt madal soojusjuhtivus ja lõikamisel tekkivat soojust on raske kiiresti hajutada. Lõikeserv töötab kõrgel temperatuuril, mis tekitab kergesti termilist pinget, mis põhjustab tööriista deformeerumist ja suuremat kulumist [8]. Volframisulamist laastud on granuleeritud, mis muudab kiibi eemaldamise keeruliseks. Need kipuvad kogunema lõikepiirkonda, moodustades laastude servi, mõjutades töödeldud osade pinnakvaliteeti ning võivad kahjustada ka tööriista ja tööpinki. Lõiketööriistade ja volframisulamist osade protsessiparameetrite võrdlus on toodud tabelis 3. Inseneripraktikas on PCBN-tööriistad üks parimaid valikuid. Tüüpilised lõikamise teel töödeldud volframisulamist osad on näidatud joonisel 3. Tabel 3 Lõiketööriistade ja volframisulamist osade protsessiparameetrite võrdlus Joonis 3 Tüüpilised lõikamise teel töödeldud volframisulamist osad OSA.04 Volframisulamist osade lihvimine Lihvimine mikro{14}}töötlemismeetodina sobib niisuguseks lõikamiseks,{1} kõrge kõvadus,{1} volframisulamid. Lihvketta lihvimine on näidatud joonisel 4. Lihvketas koosneb peamiselt kindlas vahekorras abrasiivsetest teradest, pooridest ja sideainetest. Selle abrasiivsetel teradel on nüri nurga omadused, tavaliselt vahemikus 90 kuni 120 kraadi. Volframisulamite jahvatusprotsessi käigus on saadud lihvimismaterjal granuleeritud. Tänu suhteliselt madalale viskoossusele ja sitkusele on laastud suhteliselt kergesti eemaldatavad ega ummista lihvketta poore kergesti [9]. Seetõttu saab volframisulamite lihvimisel kasutada suuremate pooridega lihvkettaid, et parandada lihvimise efektiivsust ja töötlemiskvaliteeti. Lihvimisalasse koguneb kergesti jahvatuskuumus, mis võib põhjustada lihvimispõletusi. Selle probleemiga tõhusaks lahendamiseks on vaja võtta kasutusele kõrge-surve ja suure-vooluga sundjahutusmeetmed, et eemaldada õigeaegselt jahvatusprotsessis tekkiv soojus ning vähendada jahvatuspiirkonna termilist deformatsiooni ja termilist pinget. Tavaliselt valitakse lõikevedelikeks veepõhised emulsioonid, et tagada parim jahutusefekt. Volframisulamist osade lihvimisprotsessi parameetrite valik on näidatud tabelis 4. Joonis 4 Lihvketta skemaatiline diagramm Tabel 4 Volframisulamist osade lihvimisprotsessi parameetrite valik Puhtal volfram- või volfram-nikkel-vasesulamist osadel on madal magnetism. Õhukeseseinaliste{38}}osade puhul on raske neid usaldusväärselt kinnitada traditsiooniliste elektromagnetiliste padrunite abil. Kinnitamiseks võib kaaluda vaakum-adsorptsiooniseadmeid [10]. Volframisulamist osade vaakum-adsorptsiooni positsioneerimisseade on näidatud joonisel 5. Joonis 5. Volframisulamist osade vaakum-adsorptsiooni positsioneerimisseadme skemaatiline diagramm
OSA.05
Volframisulamist osade traadi EDM-töötlus
Volframisulamitel on kõrge sulamistemperatuur ja kõrge kõvadus ning neid saab töödelda suure{0}}kõvadusega tööriistadega, nagu kaetud tööriistad, PVD-tööriistad ja keraamilised tööriistad. Need tööriistad kuluvad aga märkimisväärselt, mistõttu on nende traditsiooniliste tööriistade abil raske töödelda selliseid funktsioone nagu poorid, kitsad pilud ja ebakorrapärase kujuga augud. Traadi elektrilahenduse töötlemine (EDM) on spetsiaalne töötlemisprotsess. Selle põhiprintsiip on kasutada pidevalt liikuvat peent metallelektroodi traati (tavaliselt vask- või molübdeentraati), et tekitada töödeldava detaili ja tooriku vahel impulss-sädelahendus. Tekkivad temperatuurid on tavaliselt nii kõrged kui 8000–12000 kraadi, millest piisab volframisulami pinnamaterjali sulatamiseks või isegi aurustamiseks, saavutades seeläbi tooriku lõikamise. Suhteline liikumine elektroodi traadi ja tooriku vahel võimaldab kogu lõikeprotsessi jooksul kujundada tooriku pinnale soovitud kuju. Joonisel 6 on kujutatud volframisulamist tooriku ebakorrapärase kujuga aukude töötlemist traat-EDM abil. Traadi EDM-i kasutatakse volframisulamist osade töötlemiseks. Kõrge temperatuur põhjustab lõikamise ajal volframisulamist pinna kristallfaasi muutumist, mille tulemuseks on modifitseeritud kiht, mis halvendab volframisulami ainulaadseid omadusi. Töötlemise ajal kasutatakse meetodit "lõigake-üks-parandus-kolm", vähendades järk-järgult lõikesügavust ja impulsi võimsuse parameetreid, et parandada muudetud kihti.
Joonis 6: Volframisulamist tooriku ebakorrapäraste aukude töötlemine traadi EDM-iga
OSA.06
Kokkuvõte Selles artiklis uuritakse ja tehakse kokkuvõte täppisvolframisulamist osade tooriku ettevalmistamisest, tavalistest töötlemismeetoditest ja töötlemisraskustest. Toorikute valmistamisel on pulbermetallurgia suhteliselt küpsem, saades parema tihedusega materjale ja pakkudes eeliseid stabiilses masstootmises. Lisatootmine, viimastel aastatel välja töötatud suhteliselt uus protsess, on toonud kaasa erinevaid protsessiteid ja sellel on eelised keerukate õõnsustega konstruktsiooniosade valmistamisel. Lõikamisel on PCBN-tööriistadel eelised, mis saavutavad pika tööea ja vähendavad tööriista kulumise mõju töötluse täpsusele. Lihvimistehnoloogia on soodne tavaliste pindade töötlemisel, saavutades kõrgema pinnakvaliteedi. Aukude ja soonte funktsioonide jaoks pakub traadi EDM kõrget töötlemise efektiivsust. Eespool nimetatud tooriku ettevalmistusprotsess, aga ka lõikamis-, lihvimis- ja traadi lõikamismeetodid võivad tõhusalt parandada täppisvolframisulamist osade valmistamise kvaliteeti ja tootmise efektiivsust, pakkudes tehnilist tuge seotud tööstusharude arendamiseks.
