Wolframové slitiny jsou rozhodně na seznamu „materiálů noční můry“ inženýrů. Jejich vysoká hustota a tvrdost představují značné problémy při zpracování, takže každý krok působí jako tvrdý boj. Jak lze tento obtížný materiál přeměnit ze suroviny na hotový výrobek s vysokou účinností?
Nebojte se, tato neocenitelná „tajná zbraň“ je tady! Tento článek bude analyzovat proces od samého začátku přípravy suroviny, porovná výhody a nevýhody práškové metalurgie a 3D tisku, podrobně popíše základní techniky řezání, broušení a řezání drátem a představí špičkovou-technologii, která vám může pomoci dosáhnout dvojnásobných výsledků s polovičním úsilím-výroby práškovým vytlačováním (PEP) a poskytne vám pevný základ pro váš návrh a pevný základ.
ČÁST.01
Zavedení
Slitiny wolframu jako slitinový materiál s wolframem jako hlavní složkou (obsah wolframu obvykle tvoří 85 % až 99 %) a přidanými prvky, jako je nikl, železo, měď, kobalt, molybden a chrom, hrají díky své extrémně vysoké hustotě tání/1 cm nepostradatelnou roli v mnoha oblastech špičkových{2}}technologií, jako je jaderný průmysl, vojenský průmysl a lékařská péče. mechanická pevnost[1]. V lékařské oblasti se slitiny wolframu používají k výrobě klíčových součástí radioterapeutických zařízení. Díky své vysoké hustotě dokážou přesně blokovat a tvarovat paprsky a jsou hlavními materiály pro výrobu kolimátorů a radiačních štítů[2]. Tyto vynikající vlastnosti také přinášejí mnoho potíží při zpracování a výrobě slitin wolframu. Tento článek si klade za cíl systematicky a do hloubky prozkoumat proces přípravy polotovaru a běžně používané metody zpracování dílů z wolframových slitin a poskytnout cenné reference pro jejich přesnou výrobu.
ČÁST.02
Proces přípravy polotovarů dílů z wolframových slitin
2.1 Technologie práškové metalurgie
Slitiny wolframu se obtížně vyrábějí pomocí konvenčních procesů tavení a přípravy slitin kvůli jejich vysoké hustotě, vysokému bodu tání a vysoké tvrdosti. Prášková metalurgie je tradiční a široce používaná metoda pro přípravu polotovarů ze slitiny wolframu. Jeho klíčové procesy jsou znázorněny na obrázku 1, včetně přípravy wolframového prášku, míchání, tvarování a slinování [3]. V procesu přípravy wolframového prášku, aby byla zajištěna čistota wolframového prášku, se často používají procesy, jako je redukce vodíku a redukce wolframu amoniaku. Současně má obsah kyslíku, velikost částic a tvar wolframového prášku významný vliv na konečný výkon a kvalitu slitiny a musí být přísně kontrolovány. Příliš vysoký obsah kyslíku sníží výkon slitiny, zatímco velikost a tvar částic ovlivní účinek následných procesů míchání a tvarování. Například wolframový prášek s jednotnou velikostí částic pomáhá rovnoměrněji se mísit s jinými kovovými prášky během míchání, což zajišťuje konzistenci složení slitiny. Během procesu míchání je nutné zajistit, aby velikost různých částic kovového prášku byla jednotná a poměr byl přesný. Pro přesné míchání se často používá mechanické míchání, kulové mletí a další metody. Mezi způsoby tváření patří izostatické lisování za studena, lisování v zápustce, tváření vytlačováním prášku a tváření vstřikováním prášku atd. Tyto způsoby mohou vyrábět díly se složitými tvary.
Obrázek 1 Klíčové procesy práškové metalurgie pro polotovary z wolframových slitin
Proces slinování je klíčem k tomu, aby slitina wolframu dosáhla požadované hustoty, pevnosti a dalších vlastností. Dvou{1}}krokové slinování [4] je široce používáno: před-slinovací stupeň obvykle řídí teplotu na 1000-1200 stupních . V tomto teplotním rozsahu dosáhnou kovy s nízkým bodem tavení, jako je měď a železo, kapalné skupenství a projdou difúzí v pevné fázi s okolními částicemi wolframového prášku, zafixují polohu částic prášku wolframové slitiny a rovnoměrně je naplní, čímž se dosáhne tvaru polotovaru. Následuje fáze vysokoteplotního slinování, kde mezi částicemi prášku dochází k reakcím pevné-a kapalné{15}fáze, čímž se nakonec vytvoří hustá struktura slitiny wolframu. Řízení teploty a času spékání hraje rozhodující roli ve výkonnosti produktu. Pokud je doba slinování příliš dlouhá, velikost krystalů wolframu se zvýší, což ovlivní hustotu a celkový výkon slitiny; pokud je teplota příliš vysoká, způsobí těkání kovů s nízkým bodem tavení, jako je měď a železo, a tím se sníží hustota a mechanická pevnost slitiny. Teplota slinování je obecně řízena na přibližně 1400 stupňů a před-slinování a vysokoteplotní{21}}slinování se obvykle provádějí ve vakuu nebo v prostředí inertního plynu, aby se snížila oxidace a těkání slitin s nízkou-tekoucí-bodou tání. Běžným procesem je nejprve předběžně vypálit vytvořený polotovar z wolframového prášku při 1200 stupních po dobu 1 hodiny ve vodíkové atmosféře, aby měl určitou pevnost a vodivost, a poté provést samoodolné slinování pomocí tepla generovaného vlastním odporem polotovaru, aby se dále podpořilo slinování.
2.2 Aditivní výrobní proces
Tradičními metodami práškové metalurgie lze vyrábět pouze polotovary s relativně pravidelnými tvary. U dílů z wolframové slitiny se složitou strukturou, zejména u dílů se složitými dutinami, je po tváření polotovaru stále vyžadováno složité zpracování, aby byly konečně splněny požadavky na díly. V současné době neexistují účinné metody zpracování a tváření pro složité uzavřené vnitřní dutiny, což omezuje konstrukci dílů z wolframových slitin. Technologie aditivní výroby poskytuje nové řešení pro návrh a výrobu dílů z wolframových slitin. Mezi běžně používané technologie výroby kovových aditiv patří selektivní laserové tavení (SLM), laserové stereoformování (LSF), aditivní výroba elektrického oblouku (WAAM), selektivní laserové tavení v práškovém loži (L-PBF) a laserová směrová energetická depozice (L-DED) [5, 6]. Porovnání výhod a nevýhod různých aditivních výrobních procesů pro výrobu dílů z wolframové slitiny je uvedeno v tabulce 1. SLM může vyrábět díly se složitou geometrií, ale má problémy, jako je drsný povrch, velké zbytkové napětí mezi vrstvami a omezená velikost dílů a je vhodný pro výrobu malých dílů; LSF může získat jemnou, stejnoměrnou a hustou strukturu, zlepšit mechanické vlastnosti a odolnost materiálů proti korozi, ale když parametry procesu nejsou přizpůsobeny, snadno se vyskytnou defekty, jako je špatná fúze v nanesené vrstvě; WAAM je vhodný pro výrobu-rozsáhlých integrovaných konstrukčních dílů pro letectví a kosmonautiku s vysokou rychlostí tváření a vysokou hustotou, ale kvalita povrchu tvářených dílů je špatná. Typický díl z wolframové slitiny vyrobený technologií aditivní výroby je znázorněn na obrázku 2. Ve srovnání s tradiční metodou práškové metalurgie má aditivní výroba zjevné výhody při výrobě složitých dílů z wolframové slitiny. Dokáže nejen připravit díly se složitými strukturami a dutinami, aby splňovaly speciální požadavky na design, ale také realizovat vrstvu-nanesením vrstev-materiálů, zlepšit využití materiálu a snížit náklady[7]. Tabulka 1. Porovnání výhod a nevýhod dílů z wolframové slitiny vyrobených různými aditivními výrobními procesy
a) Mřížka proti{0}}rozptylování
b) Porézní části
Obrázek 2. Typické díly z wolframové slitiny vyrobené technologií aditivní výroby
2.3 Porovnání a výběr procesů
Prášková metalurgie a aditivní výroba jsou v současnosti dvě hlavní metody výroby polotovarů dílů z wolframové slitiny, z nichž každá má své vlastní výhody a nevýhody při přípravě polotovaru. Srovnání procesů přípravy polotovaru z wolframové slitiny je uvedeno v tabulce 2. Prášková metalurgie je relativně vyzrálejší, poskytuje materiály s lepší hustotou a nabízí výhody ve stabilní hromadné výrobě. Aditivní výroba je nový proces vyvinutý v posledních letech s různými odvozenými procesními cestami a má výhody při výrobě konstrukčních dílů se složitými dutinami.
Tabulka 2. Srovnání procesů přípravy polotovaru ze slitiny wolframu
Abychom dosáhli vyššího komplexního výkonu, mají díly ze slitiny wolframu ve špičkových-oborech, jako je letecký a kosmický průmysl, obrana, jaderný průmysl, lékařské vybavení a elektronika, složitější konstrukční prvky, včetně tenkých stěn, zakřivených povrchů a porézních struktur, s nimiž si tradiční metody práškové metalurgie nemohou poradit. Výroba dílů z čisté wolframové slitiny s vysokou-hustotou a bez defektů- přímo pomocí aditivní výroby stále čelí několika technickým výzvám. Powder extrusion printing (PEP), kovová nepřímá 3D tisková technologie kombinující 3D tisk a práškovou metalurgii, využívá prášek ze slitiny wolframu s pojivem. Prášek je tvarován pomocí 3D tiskového zařízení a následně-zpracován prostřednictvím práškové metalurgie, odstraňování pojiva a slinování, což nakonec poskytuje vysoce{10}}hustotní a vysoce{11}}výkonné konstrukční díly. Tato technologie poskytuje nové řešení obtíží obrábění wolframových slitin a výroby složitých struktur. Jeho vlastnosti při nízko{14}}tvarování a nastavení při vysokých{15}}teplotách účinně řeší problémy, jako je deformace, praskání a dutinky, se kterými se snadno setkáváme u jiných procesů 3D tisku slitin wolframu.
ČÁST.03
Obrábění dílů z wolframové slitiny
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) vede k výrazně zrychlenému opotřebení nástroje během obrábění, což ovlivňuje přesnost obrábění a životnost nástroje. Životnost nástroje a efektivita obrábění jsou klíčové faktory, které je třeba při obrábění zvážit. Slitiny wolframu mají relativně nízkou tepelnou vodivost a teplo vznikající při řezání se obtížně rychle odvádí. Řezná hrana pracuje při vysoké teplotě, která snadno generuje tepelné namáhání, což vede k deformaci nástroje a zvýšenému opotřebení [8]. Třísky ze slitiny wolframu jsou zrnité, takže odstraňování třísek je obtížné. Mají tendenci se hromadit v oblasti řezu, tvoří hrany třísek, ovlivňují kvalitu povrchu obráběných součástí a mohou také poškodit nástroj a obráběcí stroj. Porovnání řezných nástrojů a procesních parametrů pro díly z wolframové slitiny je uvedeno v tabulce 3. Ve strojírenské praxi jsou nástroje PCBN jednou z nejlepších voleb. Typické díly z wolframové slitiny zpracované řezáním jsou znázorněny na obrázku 3. Tabulka 3 Porovnání řezných nástrojů a procesních parametrů pro díly z wolframové slitiny Obrázek 3 Typické díly z wolframové slitiny zpracované řezáním ČÁST.04 Broušení dílů z wolframové slitiny Broušení jako mikro-způsob řezání je vhodné pro zpracování materiálů s vysokou{{15}tvrdostí, jako je wolfram. Broušení brusným kotoučem je znázorněno na obrázku 4. Brusný kotouč je složen převážně z brusných zrn, pórů a pojiv ve specifickém poměru. Jeho brusná zrna mají vlastnosti tupého úhlu, obvykle v rozsahu 90 stupňů až 120 stupňů. Během procesu broušení wolframových slitin je výsledný mlecí materiál zrnitý. Díky relativně nízké viskozitě a houževnatosti se třísky poměrně snadno odstraňují a neucpávají snadno póry brusného kotouče [9]. Proto lze při broušení wolframových slitin použít brusné kotouče s většími póry pro zlepšení účinnosti broušení a kvality zpracování. V oblasti broušení se teplo při broušení snadno akumuluje, což může vést k popálení při broušení. Aby bylo možné tento problém účinně řešit, je nutné přijmout opatření pro vysokotlaké a vysokoprůtokové nucené chlazení, aby se teplo generované během procesu broušení včas odstranilo a snížila se tepelná deformace a tepelné namáhání v oblasti broušení. Obvykle se jako řezné kapaliny vybírají emulze na bázi vody, aby bylo zajištěno, že chladicí účinek dosáhne nejlepšího stavu. Výběr parametrů procesu broušení dílů z wolframové slitiny je uveden v tabulce 4. Obrázek 4 Schéma brusného kotouče Tabulka 4 Výběr parametrů procesu broušení dílů z wolframové slitiny Díly ze slitiny čistého wolframu nebo wolframu-nikl-mědi mají nízký magnetismus. U tenkostěnných dílů je obtížné je spolehlivě upevnit pomocí tradičních elektromagnetických sklíčidel. Pro upnutí lze uvažovat vakuové adsorpční přípravky [10]. Vakuový adsorpční polohovací přípravek pro díly z wolframové slitiny je znázorněn na obrázku 5. Obrázek 5. Schématické schéma vakuového adsorpčního polohovacího přípravku pro díly z wolframové slitiny
ČÁST.05
Drátové EDM obrábění dílů z wolframové slitiny
Slitiny wolframu mají vysoké body tání a vysokou tvrdost a lze je obrábět pomocí nástrojů s vysokou{0}}tvrdostí, jako jsou nástroje s povlakem, nástroje PVD a keramické nástroje. Tyto nástroje však podléhají značnému opotřebení, což ztěžuje obrábění prvků, jako jsou póry, úzké štěrbiny a nepravidelně tvarované otvory pomocí těchto tradičních nástrojů. Drátové elektrické výbojové obrábění (EDM) je speciální obráběcí proces. Jeho základním principem je použití kontinuálně se pohybujícího jemného kovového elektrodového drátu (obvykle měděného nebo molybdenového drátu) ke generování pulzních jiskrových výbojů mezi obrobkem a obrobkem. Generované teploty jsou typicky až 8000–12000 stupňů, dostatečné k roztavení nebo dokonce odpaření povrchového materiálu wolframové slitiny, čímž se dosáhne řezání obrobku. Relativní pohyb mezi elektrodovým drátem a obrobkem umožňuje, aby celý proces řezání vytvořil požadovaný tvar na povrchu obrobku. Obrázek 6 ukazuje obrábění nepravidelně tvarovaných otvorů na polotovaru z wolframové slitiny pomocí drátového EDM. Wire EDM se používá ke zpracování dílů ze slitiny wolframu. Vysoká teplota způsobuje změnu krystalické fáze povrchu wolframové slitiny během řezání, což má za následek upravenou vrstvu, která degraduje jedinečné vlastnosti wolframové slitiny. Během zpracování se používá metoda „řez-jedna{14}}oprava-tři“, která postupně snižuje hloubku řezu a parametry pulzního výkonu za účelem opravy upravené vrstvy.
Obrázek 6: Obrábění nepravidelných otvorů na polotovaru z wolframové slitiny pomocí drátového EDM
ČÁST.06
Závěr Tento článek studuje a shrnuje přípravu polotovaru, běžné způsoby zpracování a obtíže při zpracování přesných dílů z wolframových slitin. Při přípravě polotovaru je prášková metalurgie relativně vyzrálejší, poskytuje materiály s lepší hustotou a nabízí výhody ve stabilní hromadné výrobě. Aditivní výroba, relativně nový proces vyvinutý v posledních letech, vytvořila různé procesní cesty a má výhody při výrobě konstrukčních dílů se složitými dutinami. Při řezání mají PCBN nástroje výhody, dosahují vysoké životnosti nástroje a snižují vliv opotřebení nástroje na přesnost obrábění. Technologie broušení je výhodná pro obrábění pravidelných ploch, dosahující vyšší kvality povrchu. Pro funkce děr a drážek nabízí drát EDM vysokou efektivitu zpracování. Výše uvedený proces přípravy polotovaru, stejně jako metody řezání, broušení a řezání drátem, mohou účinně zlepšit kvalitu výroby a efektivitu výroby přesných dílů z wolframové slitiny a poskytnout technickou podporu pro rozvoj souvisejících průmyslových odvětví.
