Poedermetallurgie voor Ingenieurs: Uitgebreide Gids

Wat is poedermetallurgie?

Poedermetallurgie is een van de belangrijke vakgebieden die werktuigbouwkundigen moeten kennen. Producten gemaakt van dit materiaal zijn gemeenschappelijk om ons heen, meest vooral autodeelen. Poedermetallurgie omvat een familie van productietechnologieën, gebruikt om componenten van verschillende typen te produceren. Daarnaast is poedermetallurgie, afgekort als PM, een term die een wijd bereik van manieren bedekt waarop materialen of componenten gemaakt worden van metaalpoeders.

Vandaag leer je de definitie, belangrijkheid, typen, proces, toepassing, evenals voordelen en nadelen van poedermetallurgie in ons moderne leven.

Wat is poedermetallurgie?

Poedermetallurgie is een productieproces dat gebruikt wordt voor het produceren van afgeronde of half-afgeronde objecten. Dit wordt gedaan door het comprimeren van metaalpoeder in geschikte matrijzen. Dit metallurgische proces is een van de goedkoopste die hoge kwaliteit en sterkte biedt. Het wordt ook gebruikt om complexe vormen met een hoge graad van nauwkeurigheid te verkrijgen. Vanwege dit is het proces geschikt voor massaproductie. Poedermetallurgie omvat voornamelijk vier basisstappen die poederbereiding, mengen en mengen, comprimeren, en sinteren omvatten. Al deze zullen verder in dit artikel uitgelegd worden.

Poedermetallurgie is een proces dat al meer dan 100 jaar bestaat, wat over het laatste kwart eeuw is. Het is een superieure methode geweest voor het produceren van hoogwaardige delen voor verschillende belangrijke toepassingen. Het proces was succesvol omdat het grotere voordelen biedt over andere metaalvormingsprocessen zoals smeden en metaalgieten, etc. Deze voordelen omvatten verder materiaalbenutting, vormcomplexiteit, nabij-netto-vorm dimensionele controle, onder anderen. Vanwege dit werd poedermetallurgie erkend als groene technologie.

Verder wordt poedermetallurgie gebruikt om unieke componenten te maken die onmogelijk te verkrijgen zijn uit smelten of vormgeven. Een heel belangrijk vergelijkbaar product is wolframscarbide (WC). Het wordt gebruikt om andere metalen te snijden en te vormen en is gemaakt van WC deeltjes verbonden met kobalt. Dit proces wordt meestal in de industrie gebruikt voor gereedschappen van verschillende typen en wereldwijd ~50.000 ton/jaar (t/j) wordt gemaakt door PM.

Toepassingen van poedermetallurgie

Hieronder staan de toepassingen van poedermetallurgie componenten in verschillende velden.

Automotive toepassingen

Ongeveer 80% van poedermetallurgie onderdelen zijn voor automotive toepassingen. Rond 75% van deze componenten zijn voor transmissies, zowel automatische als handmatige en motoronderdelen. Deze transmissietoepassingen omvatten synchronisatiesysteemonderdelen, koppelingnabben, verschuifcomponenten, planeet tandwiel dragers, turbinenabben, koppeling en zakplaten. De motoronderdelen die met poedermetallurgie gemaakt worden omvatten riemschijven, kettenwielen en nabben, met name degenen geassocieerd met het motortijgriemensysteem, klepgeleiders, klepzitplaatsen, PM lobben voor gemonteerde nokassen, balansertandwielen, nokaslagerdoppen, en motorbeheersensorringen.

Enkele andere automobiele systemen gebruiken poedermetallurgie in enkele van hun onderdelen, wat omvat:

• Oliepompen, met name tandwielen.
• Schokdempers zoals zuigerstanggeleiders, zuigerkleppen, eindkleppen.
• Antiblokkeersystemen (ABS), de sensorringen.
• Flansen, zuurstofsensorbossen van uitlaatsystemen.
• Variabele kleptimingssystemen.
• Turboladers
• Uitlaatgasrecirculatie (EGR) systemen
• Chassiscomponenten
• Continu variabele transmissies.

Andere toepassingen van poedermetallurgie omvatten:

• Luchtvaarttoepassingen
• Olie- en gasindustrie.
• Gezondheidszorgsector, etc.

In een snel overzicht toepassingen van poedermetallurgie zijn:

• Snijgereedschappen zoals cementcarbiet gereedschappen, keramische gereedschappen, etc. zijn poedermetallurgie producten.
• Elektrische bussen gemaakt door Cu en Ag met grafte te mengen is P/M product.
• Mondstukken voor raketten en raketten.
• Kleine onderdelen in auto- en huishoudtoepassingen waar de capaciteit om een bijna finale vorm te produceren die minimum bewerking vereist, een sterk economisch voordeel biedt.
• Lagers, Bussen, etc.
• Magnetische zachte metalen zoals Fe, Fe-3Si, etc. zijn gemakkelijk in een finale vorm te vormen door P/M.

Poedermetallurgieproces

Net zoals eerder vermeld, heeft poedermetallurgie vier basisprocessen, wat omvat:

Poederbereiding:

Voordat een object geproduceerd kan worden, moet het materiaal in poeder geconverteerd worden. De verschillende processen voor het produceren van zo'n poeder omvatten verstuiving, malen, chemische reactie, elektrolyseproces, etc.

Mengen en mengen:

Dit poedermetallurgische proces omvat het mengen van twee of meer materiaalpoeders om legeringsmateriaal van hoge sterkte te produceren. Nou, afhankelijk van de productvereiste. Deze stap zorgt voor een gelijkmatige verdeling van het poeder met additieven, bindmiddelen, etc. om de stromeigenschappen van poeder te verbeteren, worden smermiddelen soms in het mengproces toegevoegd.

Comprimeren:

Dit proces is om de bereide poedermengsel in vooraf gedefinieerde matrijzen te comprimeren. Comprimeren zorgt ervoor dat gaten verminderd worden en de dichtheid van het product toeneemt. Het poeder wordt in een vorm gecomprimeerd met behulp van druk om een product te vormen wat groen compact heet. Dit betekent dat het product gevormd wordt door comprimeren. De gebruikte druk varieert van 80 tot 1600 MPa. Hoewel de druk afhangt van de eigenschappen van metaalpoeder en bindmiddelen. Bijv., voor zacht poeder is comprimeringsdruk ongeveer 100 – 350 MPa, en voor staal, ijzer, etc. De druk is tussen 400 – 700 MPa.

Sinteren:

Omdat het groene compact geproduceerd door comprimeren niet zo sterk is en niet als eindproduct gebruikt kan worden, wordt sinteren uitgevoerd. Sinteren betekent het verwarmen van het groene compact bij een verhoogde temperatuur zodat een permanente sterke binding kan worden verkregen. Het poedermetallurgieproces biedt sterkte aan het groene compact en zet het om in een eindproduct. Over het algemeen is de sintertemperatuur ongeveer 70 tot 90 procent van de smelttemperatuur van metaalpoeder.

Secundaire operatie:

Aangezien het gesinterde object poriezer is vergeleken met volledig dicht materiaal. De dichtheid van het product hangt af van de perscapaciteit, sintertemperatuur, comprimeringsdruk, etc. Soms hebben producten geen hoge dichtheid nodig, wat de gesinterde producten toestaat om direct als eindproducten gebruikt te worden. Hoewel, een hoog dicht product soms vereist is (bijv., productie van lager). De secundaire operatie is vereist om het product hoge dichtheid en hoge dimensionale nauwkeurigheid te maken. De gemeenschappelijk uitgevoerde secundaire operaties omvatten maatwerk, muntslagen, infiltratie, warm smeden, imprégnation, etc.

Bekijk de onderstaande video om te leren over het poedermetallurgieproces:

Typen poedermetallurgieproces

Poedermetallurgieprocessen kunnen op verschillende manieren uitgevoerd worden, afhankelijk van de te produceren producten. Hieronder staan de verschillende typen poedermetallurgieprocessen die in metaalpoederindustriën gevonden worden.

Conventioneel poedermetallurgieproces:

Met het onderstaande diagram worden de conventionele typen poedermetallurgieprocessen uitgelegd. Het omvat het mengen van elementaire of legeringspoeders, het comprimeren van de mengsel in een matrijs, en vervolgens sinteren of verwarmen. Net zoals hierboven uitgelegd, resulteren de resulterende vormen in een atmosferige gecontroleerde oven metallurgisch de deeltjes binden.

Net zoals eerder vermeld, wegen de meeste poedermetallurgie onderdelen minder dan 5 lb. (2,27 kg), hoewel sommige onderdelen die 35 lb. (15,89 kg) wegen geproduceerd kunnen worden in conventionele PM apparatuur. Onderdelen zoals bussen en lagers hebben eenvoudige vormen. Nou, er is een gesofisticeerd PM proces vandaag dat componenten met complexe contouren en meerdere niveaus kan produceren. Deze machines zijn vrij economisch.

Metaalinjectiegieten (MIM)

Metaalinjectiegieten heeft de productiecapaciteit om complexe vormen in grote hoeveelheden te produceren. Fijne metaalpoeders typisch minder dan 20 micron worden in dit proces gebruikt. Deze metaalpoeders zijn op maat geformuleerd met een binder (verschillende thermoplasten, wassen en andere materialen) in een voedselstof. De voedselstof wordt in een kaviteit (meerdere kaviteiten) van een conventionele injectiegietmachine gevoerd. Wanneer het "groene" component verwijderd wordt, wordt bijna alle binder geëxtraheerd door thermische of oplosmiddelverwerking. De rest van de binder wordt tijdens het sinterproces verwijderd, wat uitgevoerd wordt in een gecontroleerde atmosferische oven.

Deze typen poedermetallurgieprocessen zijn heel vergelijkbaar met kunststofinjectiegieten en hoge-druk diegieten. Ze kunnen ook veel van dezelfde vormen en configuratiekarakteristieken produceren. Echter, ze zijn beperkt tot relatief kleine (typisch minder dan 250 gram), hoog complexe onderdelen die anders uitgebreide afwerkbewerking zouden vereisen. De voordelen van dit metallurgische proces zijn te danken aan de capaciteit om mechanische eigenschappen dicht bij gewalste materialen te produceren. Het is een netto-vorm proces technologie met goede dimensionele tolerantiecontrole. Ten slotte bieden metaalinjectiegietonderdelen bijna onbeperkte vorm en geometrisch-kenmerk capaciteit. Het heeft ook de capaciteit van hoge productiesnelheden door het gebruik van multi-kaviteit tooling.

Isostatisch Persen

Isostatisch persen is een populair type poedermetallurgie vormgevingsproces. Het past gelijke druk in alle richtingen toe op een poedercompact. Vanwege dit, bereiking van maximale uniformiteit van dichtheid en microstructuur zonder de geometrische beperkingen van unaxiale persing.

Isostatisch persen kan ofwel koud of warm uitgevoerd worden. Het onderstaande diagram beschrijft het koude isostatische persen. Het koude isostatische persen (CIP) wordt gebruikt om groene onderdelen bij omgevingstemperatuur te comprimeren. Echter, het warme isostatische persen (HIP) consolideert onderdelen volledig bij verhoogde temperaturen door vastestofdiffusie. Dit warm-persproces kan ook gebruikt worden om resterende porositeit van een gesinterd PM onderdeel te verwijderen.

Metaal Additieve Productie

Metaal additieve productie, afgekort als AM en ook wel 3D-printen genoemd. Dit proces heeft het potentieel om de productie, time-to-market, en eenvoud van componenten en assemblages diepgaand te veranderen. Het proces werkt niet zoals de conventionele of aftrekkende productieprocessen (bijv., draaibankbewerking of boren). Deze processen creëren onderdelen door materiaal te verwijderen, wat niet zo is in additieve productie. Additieve productie bouwt onderdelen met een laag-voor-laag proces direct vanuit een digitaal model.

In dit proces worden vorms of matrijzen niet gebruikt, wat de reden is waarom er niet veel materiaal verspild wordt wat leidde tot kosten voor het productieproces. Additieve productie is lang gebruikt als een ontwerp- en prototyperingsgereedschap voor een lange periode. Echter, de focus verschuift nu naar de directe productie van componenten waaronder vliegtuigmotorenonderdelen, medische implantaten en juwelen.

Dit productieproces is geen enkel type technologie of proces. Echter, hoewel alle additieve productiesystemen een gemeenschappelijke laag-voor-laag benadering hanteren, gebruiken ze nog steeds een wijd scala aan materialen, technologieën en processen.

Additieve Productietechnologieën die metaalpoeders gebruiken omvatten:

• Lasersinteren (LM/SLS/SLFS)
• Selectieve inktstraalbinding (SIB)
• Elektronenstraalsmelten (EBM)
• Laserpoedervorming (LPF)
• Poederbedproces
• Gesmolten depositiemodellering (FDM)/Extrusie

Voordelen en Nadelen van poedermetallurgieproces

Voordelen:

Hieronder staan de voordelen van het poedermetallurgieproces:

• Kosteneffectiviteit voor massaproductie aangezien er geen verdere bewerkingskosten, arbeidskosten, etc. zijn.
• Een hooggeschoolde operator is niet vereist.
• Enkele legeringen kunnen alleen door PM technologie geproduceerd worden.
• Bimetallische en gelamineerde producten zijn gemakkelijk met deze methode te produceren.
• Hoge productiesnelheid. Tot 500 tot 1000 stukken onderdelen kunnen in een uur geproduceerd worden.
• Complexe vormen kunnen gemakkelijk geproduceerd worden.

Nadelen:

Ondanks de grote voordelen van het poedermetallurgieproces treden nog steeds beperkingen op. Hieronder staan de nadelen van het poedermetallurgieproces:

• De kosten van apparatuur zijn hoog.
• Het is duur voor een enkele productie.
• Intricate ontwerpen kunnen moeilijk te produceren zijn vanwege de minder vloeibaarheid van metaalpoeder.
• Volledig uniforme dichte producten kunnen niet geproduceerd worden.
• Productmaten zijn beperkt door perscapaciteit.
• Het metaalpoeder dat een explosie kan produceren kan niet gebruikt worden.
• Het is moeilijk om lage smeltpunt metalen te gieten door het PM proces.
• Eindproducten kunnen lage impact- en vermoeidheidseigenschappen ervaren.

Conclusie

Poedermetallurgie is een proces dat massaproductie onderdelen gemakkelijker heeft gemaakt. Het is al een tijdje beschikbaar maar blijft vooruitgaan naarmate de technologie toeneemt. Vandaag hebben we de definitie, typen, proces, toepassingen van poedermetallurgie geleerd. We hebben ook de voordelen en nadelen onderzocht.

Ik hoop dat je veel van dit artikel geleerd hebt. Deel dit gerust met andere technische studenten. Dank je voor het lezen! Tot de volgende keer.