زینترینگ چیست؟

تف جوشی یک فرآیند عملیات حرارتی است که ذرات پودر فشرده شده را با گرم کردن آنها در زیر نقطه ذوب آنها به یک توده جامد پیوند می دهد. در طی این فرآیند، انتشار اتمی بین ذرات مجاور رخ می دهد و پیوندهای متالورژیکی ایجاد می کند که پودر شل را به یک ساختار منسجم با خواص مکانیکی مشخص تبدیل می کند. این تکنیک برای متالورژی پودر اساسی است و امکان تولید اجزای فلزی پیچیده، از جمله اجزای ساخته شده از طریققالب گیری تزریق فلز.

فیزیک پشت پیوند ذرات

فرآیند تف جوشی متکی بر انتشار اتمی است که با کاهش انرژی سطحی هدایت می شود. هنگامی که ذرات پودر تا 0.7-0.9 برابر دمای ذوب خود (بر حسب کلوین) گرم می شوند، اتم ها در سطوح ذرات به اندازه کافی متحرک می شوند تا به سمت نقاط تماس بین ذرات مهاجرت کنند.

این حرکت اتمی، پل‌های{0} کوچکی از مواد را ایجاد می‌کند که در محل تماس ذرات تشکیل می‌شوند. با ادامه پخت، این گردن ها بزرگتر می شوند و فضاهای بین ذرات (به نام منافذ) به تدریج کوچک می شوند. نیروی محرکه فقط گرما نیست، بلکه تمایل ترمودینامیکی سیستم برای به حداقل رساندن سطح کل آن است.

انتشار سطحیاتم ها را در امتداد سطوح ذرات به سمت نواحی گردن حرکت می دهد.انتشار مرز دانهاتم ها را از طریق رابط بین دانه های کریستال منتقل می کند.انتشار حجماز طریق شبکه کریستالی توده ای رخ می دهد، اگرچه این امر کندتر از مکانیسم های سطحی اتفاق می افتد.

این مواد در طی پخت مناسب ذوب نمی شوند. نگه داشتن دما در زیر نقطه ذوب ضروری است زیرا ذوب باعث ایجاد جریان کنترل نشده مواد می شود و دقت ابعاد را از بین می برد. در عوض، مکانیسم‌های انتشار حالت جامد کار را انجام می‌دهند و امکان کنترل دقیق روی ویژگی‌ها و ابعاد قطعه نهایی را فراهم می‌کنند.

روابط دما و زمان

دمای تف جوشی به طور چشمگیری بر روی سرعت و نتیجه نهایی فرآیند تأثیر می گذارد. برای اکثر فلزات، محدوده دمایی تف جوشی بهینه بین 70 تا 90 درصد نقطه ذوب مطلق مواد است.

فولاد ضد زنگ معمولاً در 1120-1150 درجه متخلخل می شود، در حالی که مس به 750-900 درجه نیاز دارد. پودر برنز به طور موثر در دمای 780-850 درجه پخت می شود و تنگستن با نقطه ذوب بسیار بالا به دمای بیش از 2000 درجه نیاز دارد. این محدوده دمایی دلخواه نیستند. آنها آستانه ای را نشان می دهند که در آن تحرک اتمی برای پیوند مؤثر بدون خطر ذوب شدن یا رشد بیش از حد دانه کافی می شود.

زمان در دما تقریباً به اندازه خود دما اهمیت دارد. اکثر چرخه های تف جوشی قطعات را در حداکثر دمای 20-60 دقیقه نگه می دارند. زمان‌های کوتاه‌تر ممکن است پیوندهای ضعیفی بین ذرات ایجاد کند، در حالی که زمان‌های نگهداری بیش از حد می‌تواند باعث رشد ناخواسته دانه شود که خواص مکانیکی را کاهش می‌دهد.

رابطه بین دما و زمان خطی نیست. افزایش دمای پخت به میزان 50 درجه ممکن است زمان مورد نیاز را به نصف یا بیشتر کاهش دهد، اما این کاهش{2} محدودیت هایی دارد. دمای بیش از حد بالا می تواند باعث اعوجاج ابعادی، انقباض بیش از حد، یا ساختارهای دانه ای شود که عملکرد مواد را به خطر می اندازد.

[شکل 1: دما-زمان-نمودار رابطه چگالی که پنجره‌های تف جوشی بهینه را برای فلزات معمولی نشان می‌دهد]

کوره های پخت مدرن از پروفیل های حرارتی پیچیده با مراحل متمایز استفاده می کنند: یک رمپ گرمایش آهسته برای توزیع یکنواخت دما، نگه داشتن دمای اوج برای رخ دادن انتشار، و یک نرخ خنک کننده کنترل شده برای جلوگیری از شوک حرارتی یا مسائل تبدیل فاز.

کنترل اتمسفر در تف جوشی

اتمسفر اطراف قطعات در حین تف جوشی صرفاً "هوا" نیست- بلکه یک محیط با دقت کنترل شده است که از اکسید شدن جلوگیری می کند و حتی می تواند اکسیدهای سطح موجود را کاهش دهد.

بیشتر تف جوشی فلزات در اتمسفرهای احیای متشکل از هیدروژن، آمونیاک تفکیک شده یا نیتروژن{0}}آمیخته هیدروژن انجام می شود. این اتمسفرها اهداف متعددی فراتر از جلوگیری از اکسید شدن دارند. آنها چسب های آلی مورد استفاده در فشرده سازی پودر را حذف می کنند، در برابر از دست دادن یا افزایش کربن محافظت می کنند و شیمی سطحی را ایجاد می کنند که باعث تقویت پیوند می شود.

اتمسفر هیدروژن به شدت کاهش می یابد اما به دلیل اشتعال پذیری نیاز به کنترل های ایمنی دقیق دارد. آمونیاک تفکیک شده (75% هیدروژن، 25% نیتروژن) قدرت کاهش مشابهی را با جابجایی آسان تر ارائه می دهد. تف جوشی خلاء جو را به طور کامل از بین می برد، به ویژه برای فلزات واکنش پذیر مانند تیتانیوم یا زمانی که خلوص فوق العاده{4}} ضروری است.

ترکیب اتمسفر بیش از تشکیل اکسید تأثیر می گذارد. پتانسیل کربن{1}}تمایل جو برای افزودن یا حذف کربن از فولاد-باید با محتوای کربن نهایی مطلوب مطابقت داشته باشد. کربن بیش از حد باعث ایجاد کاربیدهای سخت و شکننده در مرزهای دانه می شود. خیلی کم باعث کربن زدایی می شود که مواد را ضعیف می کند.

فشار جزئی اکسیژن، حتی در سطوح-در-میلیون، تعیین می‌کند که آیا اکسیدهای فلز پایدار می‌مانند یا به فلز خالص تبدیل می‌شوند. برای مس، حفظ سطح اکسیژن زیر 10 ppm، سطوح روشن و بدون اکسید- را پس از پخت تضمین می‌کند.

چرا تف جوشی برای قالب گیری تزریقی فلز کار می کند؟

قالب‌گیری تزریقی فلزات با مخلوط کردن پودر فلز با چسب‌های پلیمری، تزریق این مخلوط به قالب‌ها، سپس برداشتن بایندر و تف جوشی اسکلت فلزی باقی‌مانده، اشکال هندسی پیچیده‌ای ایجاد می‌کند. مرحله تف جوشی آنچه را که به عنوان یک "قسمت قهوه ای" شکننده با تخلخل 40 تا 60 درصد شروع می شود به یک جزء کاملا متراکم تبدیل می کند.

در طول پخت MIM، قطعات معمولاً 15-20٪ به صورت خطی با بسته شدن منافذ کوچک می شوند و چگالی از تقریباً 60٪ به 95-99٪ چگالی نظری افزایش می یابد. این انقباض قابل پیش‌بینی به طراحان اجازه می‌دهد تا تغییرات ابعادی را در نظر بگیرند و قالب‌هایی را ایجاد کنند که پس از اتمام پخت، قطعاتی با اندازه‌های مناسب تولید کنند.

دماهای تف جوشی مورد استفاده در MIM با متالورژی پودر متالورژی معمولی-فن جوش قطعات MIM از فولاد ضد زنگ در دمای 1350-1400 درجه، بالاتر از قطعات فشرده-و-هم تراز است زیرا MIM به چگالی تقریباً کامل نیاز دارد. این اختلاف دما نشان دهنده اندازه ذرات ریزتر مورد استفاده در مواد اولیه MIM است که سینترینگ را افزایش می دهد اما ورودی حرارتی بالاتری را می طلبد.

انواع فرآیندهای پخت

کاربردهای مختلف رویکردهای پخت متفاوتی را می طلبند. انتخاب به خواص مواد، چگالی نهایی مطلوب، هندسه قطعه و ملاحظات اقتصادی بستگی دارد.

پخت{0}حالت جامدتمام مواد را در طول فرآیند زیر نقطه ذوب خود نگه می دارد. این رایج ترین روش برای آهن، فولاد ضد زنگ و بسیاری از فلزات ساختاری دیگر است. پیوند کاملاً از طریق مکانیسم‌های انتشار حالت جامد بدون تشکیل مایع صورت می‌گیرد.

تف جوشی فاز مایععمداً مقدار کمی مایع را در دمای اوج ایجاد می کند. این مایع با ایجاد مسیرهای انتقال سریع برای توزیع مجدد مواد، چگالش را تسریع می کند. یاتاقان‌های برنزی از تف جوشی فاز مایع استفاده می‌کنند-مس کمی ذوب می‌شود در حالی که قلع جامد می‌ماند، و مس مایع به سرعت منافذ را پر می‌کند. ابزارهای برش کاربید تنگستن نیز از این روش استفاده می کنند، کبالت یک فاز مایع را تشکیل می دهد که دانه های کاربید تنگستن را به هم متصل می کند.

تف جوشی به کمک فشار-در حین گرمایش نیروی خارجی اعمال می کند. پرس گرم، پرس گرم ایزواستاتیک (HIP) و تف جوشی پلاسمای جرقه ای در این دسته قرار می گیرند. فشار چگالی را تسریع می‌کند و می‌تواند به چگالی نزدیک-نظری برسد. سرامیک‌های پیشرفته و ابزارهای برش اغلب به روش‌های کمک فشار{4}} برای حذف چند درصد تخلخلی که در برابر تف جوشی فشار اتمسفر مقاومت می‌کنند، نیاز دارند.

پخت مایکروویواز انرژی الکترومغناطیسی برای گرم کردن مواد از داخل به بیرون استفاده می کند، نه اینکه گرما را از سطح به هسته هدایت کند. این می تواند زمان پردازش و مصرف انرژی را کاهش دهد در حالی که گاهی اوقات ریزساختارهای ظریف تری نسبت به گرمایش معمولی ایجاد می کند.

هر رویکردی -معادل دارد. تف جوشی حالت جامد مقرون به صرفه است و به طور گسترده قابل استفاده است، اما ممکن است تخلخل باقیمانده باقی بماند. تف جوشی فاز مایع سریعتر متراکم می شود اما نیاز به کنترل دقیق ترکیب دارد. روش‌های کمک فشار{5}}به حداکثر چگالی دست می‌یابند اما هزینه و پیچیدگی تجهیزات را اضافه می‌کنند.

اندازه گیری موفقیت زینترینگ

چگونه بفهمیم که زینترینگ درست عمل کرده است؟ چندین ویژگی قابل اندازه گیری نشان دهنده موفقیت است.

تراکممستقیم ترین شاخص است. قطعات سبز (غذا نشده) معمولاً پس از تراکم به 50{5}}70 درصد چگالی نظری می‌رسند. تف جوشی موفق باید این میزان را به 85 تا 98 درصد افزایش دهد، بسته به فرآیند و الزامات. چگالی بالاتر عموماً به معنای خواص مکانیکی بهتر است، اگرچه برخی از کاربردها عمداً تخلخل را برای فیلتراسیون یا خود روانکاری حفظ می کنند.

انقباضبه طور قابل پیش بینی در طول پخت رخ می دهد. انقباض خطی 10-20% معمول است، با انقباض حجمی به 25-40%. انقباض مداوم نشان دهنده کنترل خوب فرآیند است، در حالی که انقباض متغیر نشان دهنده عدم یکنواختی دما یا تغییرات ترکیب است.

خواص مکانیکیثابت کند که آیا تف جوشی به هدف خود رسیده است یا خیر. استحکام کششی، استحکام تسلیم، ازدیاد طول و سختی همه به دستیابی به پیوند بین ذره ای مناسب بستگی دارد. قطعات زیر-زیر پخت استحکام و شکل پذیری کمی دارند زیرا گردن های ضعیف به راحتی می شکنند. ممکن است بیش از-قطعات پخته شده دارای رشد بیش از حد دانه باشند که باعث کاهش استحکام نیز می شود.

بررسی ریزساختارکیفیت پیوند را در سطح میکروسکوپی نشان می دهد. مواد پخته شده خوب، مرزهای دانه پیوسته را نشان می‌دهند که از رابط‌های ذرات سابق، با منافذ کوچک و گرد عبور می‌کنند. تف جوشی ضعیف باعث ایجاد مرزهای قابل مشاهده ذرات و تخلخل نامنظم و به هم پیوسته می شود.

دقت ابعادیبرای قطعات دقیق اهمیت دارد. کنترل تف جوشی خوب تلورانس ابعادی را در ± 0.3-0.5٪ برای اکثر مواد حفظ می کند. تلرانس‌های سخت‌تر به کنترل فرآیند پیچیده‌تر یا عملیات اندازه‌گیری پس از پخت نیاز دارند.

نقص های رایج و علل آنها

درک آنچه اشتباه می‌کند به جلوگیری از مشکلات قبل از وقوع کمک می‌کند.

تراکم ناقصتخلخل بیش از حد و خواص مکانیکی ضعیف به جا می گذارد. این معمولاً از دمای پخت ناکافی، زمان ناکافی در دما، یا سطوح پودر آلوده ای که در برابر اتصال مقاومت می کنند، ناشی می شود. گاهی اوقات چگالی سبز برای شروع خیلی کم بود-با شروع زیر تراکم 50٪، رسیدن به 95٪ بسیار دشوار است.

تحریفزمانی اتفاق می‌افتد که قطعات در حین پخت به دلیل-گرمای غیریکنواخت، اثرات گرانش بر ساختارهای ضعیف، یا انقباض افتراقی بین بخش‌های ضخیم و نازک، تاب می‌خورند. پشتیبانی صحیح قطعات در حین پخت و استفاده از طرح های متقارن قطعات، خطر اعوجاج را به حداقل می رساند.

اکسیداسیون سطحیهنگامی که کنترل اتمسفر ناموفق باشد، سطوح بی رنگ و آلوده به مواد شیمیایی ایجاد می کند. حتی قرار گرفتن کوتاه مدت در معرض هوا در دمای تف جوشی می تواند لایه های اکسیدی را تشکیل دهد که از اتصال مناسب و تخریب خواص سطحی جلوگیری می کند.

رشد دانهزمانی اتفاق می‌افتد که دمای نگهداری بیش از حد بالا یا زمان‌های طولانی باشد. دانه های بیش از حد بزرگ استحکام و چقرمگی را کاهش می دهند. هر ماده دارای یک محدوده اندازه دانه بهینه است که خواص را متعادل می کند-خیلی ریز باعث ضعف در ناحیه مرزی اضافی دانه می شود، بیش از حد درشت اثر تقویتی مرزهای دانه را از دست می دهد.

تاول زدنهنگامی که گازهای محبوس شده در قطعات در طول گرم شدن منبسط می شوند، حباب های سطحی ایجاد می کند. این اغلب ناشی از حذف ناقص بایندر قبل از شروع تف جوشی یا جذب هیدروژن در طول پردازش است که با افزایش دما به شدت آزاد می شود.

سوالات متداول

آیا تف جوشی می تواند قطعات کاملا متراکم و بدون تخلخل ایجاد کند؟

تف جوشی فشار اتمسفر معمولی معمولاً 92-98% چگالی را به دست می‌آورد و 2-8% تخلخل باقی می‌ماند. برای بدست آوردن این چند درصد، نیاز به تف جوشی فاز مایع با ترکیب دقیق بهینه شده، یا روشهای کمک فشار{6}} مانند پرس ایزواستاتیک داغ است. برخی از کاربردها در واقع از تخلخل کنترل‌شده یاتاقان‌های خود روان‌شونده بهره می‌برند که برای نگهداری روغن به تخلخل 15 تا 25 درصد متکی هستند.

دمای تف جوشی در مقایسه با دمای ذوب چگونه است؟

دمای تف جوشی 0.7-0.9 برابر نقطه ذوب مطلق (اندازه گیری شده بر حسب کلوین) است. برای آهن با نقطه ذوب 1538 درجه (1811K)، تف جوشی در حدود 1100-1150 درجه رخ می دهد. این ماده را در طول فرآیند جامد نگه می دارد در حالی که انرژی حرارتی کافی برای انتشار اتمی را فراهم می کند. نزدیک شدن بیش از حد به دمای ذوب خطر از دست دادن کنترل ابعادی و ایجاد فازهای مایع نامطلوب را به همراه دارد.

چه چیزی تعیین می کند که قطعات در طول پخت چقدر منقبض می شوند؟

چگالی سبز اولیه عامل اصلی است-چگالی شروع کمتر به معنای انقباض بیشتر با بسته شدن منافذ است. اندازه ذرات نیز مهم است. پودرهای ریزتر دارای متراکم شدن سطح بیشتری هستند که منجر به انقباض بیشتر می شود. خود چرخه تف جوشی (دما، زمان، جو) بر چگونگی چگالش کامل تأثیر می گذارد. اکثر قطعات پودر فشرده 8 تا 12 درصد به صورت خطی منقبض می‌شوند، در حالی که قطعات قالب‌گیری شده با تزریق فلز به دلیل چگالی سبز کمتری که دارند، 15 تا 20 درصد کوچک می‌شوند.

چرا فلزات مختلف به اتمسفر پخت متفاوتی نیاز دارند؟

هر فلز دارای واکنش شیمیایی منحصر به فرد و پایداری اکسید است. مس به راحتی اکسید می شود و به اتمسفر یا خلاء به شدت احیا کننده نیاز دارد. فولاد ضد زنگ حاوی کروم است که اکسیدهای پایداری را تشکیل می دهد که به شرایط احیای تهاجمی نیاز دارند. تنگستن اتمسفر هیدروژنی را تحمل می کند که بسیاری از فولادها را ترد می کند. اتمسفر باید از اکسید شدن در حین گرم شدن جلوگیری کند و در عین حال مشکلات دیگری مانند جذب بیش از حد کربن یا آلودگی شیمیایی که خواص را تخریب می کند ایجاد نکند.

فرآیند تف جوشی با فناوری های جدید در حال تکامل است. تولید افزودنی در حال حاضر از تف جوشی لیزری انتخابی برای ساخت قطعات لایه به لایه استفاده می کند و از پخت موضعی برای ذرات پودر پیوند شده استفاده می کند. تف جوشی با کمک میدانی، جریان الکتریکی را مستقیماً از طریق فشرده سازی پودر اعمال می کند و زمان پردازش را به طور چشمگیری کاهش می دهد. این پیشرفت‌ها در اصول اساسی مشترک با تف جوشی مرسوم-گرمایش کنترل‌شده، انتشار اتمی را هدایت می‌کند که ذرات را به مواد مهندسی مفید پیوند می‌دهد.

اکنون طراحان قطعات به طور معمول اجزای متخلخل را برای کاربردهایی که زمانی تحت سلطه قطعات ریخته‌گری یا ماشین‌کاری شده بودند، مشخص می‌کنند. توانایی ایجاد اشکال پیچیده با خواص مواد عالی، همراه با مزیت های هزینه در حجم تولید متوسط ​​و بالا، پخت را برای تولید مدرن ضروری می کند. درک اصول فرآیند به مهندسان کمک می کند تا طراحی قطعات را بهینه کنند و پارامترهای پردازش مناسب را برای کاربردهای خاص خود انتخاب کنند.