Zliatiny volfrámu sú určite na zozname „materiálov nočnej mory“ inžinierov. Ich vysoká hustota a tvrdosť predstavujú značné problémy pri spracovaní, vďaka čomu sa každý krok cíti ako tvrdý boj. Ako možno tento náročný materiál premeniť zo suroviny na hotový výrobok s vysokou účinnosťou?
Nebojte sa, táto neoceniteľná „tajná zbraň“ je tu! Tento článok bude analyzovať proces od úplného začiatku prípravy suroviny, porovná výhody a nevýhody práškovej metalurgie a 3D tlače, podrobne opíše základné techniky rezania, brúsenia a rezania drôtom a predstaví špičkovú-technológiu, ktorá vám môže pomôcť dosiahnuť dvojnásobné výsledky s polovičným úsilím-práškovou extrúznou tlačou (PEP) a poskytne vám pevný základ pre váš dizajn a pevný základ.
ČASŤ.01
Úvod
Zliatiny volfrámu ako zliatinový materiál s volfrámom ako hlavnou zložkou (obsah volfrámu zvyčajne predstavuje 85 % až 99 %) a pridanými prvkami, ako sú nikel, železo, meď, kobalt, molybdén a chróm, zohrávajú nenahraditeľnú úlohu v mnohých oblastiach špičkových{2}}technológií, ako je jadrový priemysel, vojenský priemysel a lekárska starostlivosť, a to vďaka svojej extrémne vysokej hustote tavenia/1 cm. mechanická pevnosť[1]. V oblasti medicíny sa zliatiny volfrámu používajú na výrobu kľúčových komponentov rádioterapeutických zariadení. Vďaka svojej vysokej hustote dokážu presne blokovať a tvarovať lúče a sú hlavným materiálom na výrobu kolimátorov a radiačných štítov[2]. Tieto vynikajúce vlastnosti tiež prinášajú mnohé ťažkosti pri spracovaní a výrobe volfrámových zliatin. Cieľom tohto článku je systematicky a do hĺbky preskúmať proces prípravy polotovarov a bežne používané metódy spracovania dielov z volfrámových zliatin a poskytnúť cenné referencie pre ich presnú výrobu.
ČASŤ.02
Proces prípravy polotovarov dielov z volfrámových zliatin
2.1 Technológia práškovej metalurgie
Zliatiny volfrámu sa ťažko vyrábajú pomocou konvenčných procesov tavenia a prípravy zliatin kvôli ich vysokej hustote, vysokej teplote topenia a vysokej tvrdosti. Prášková metalurgia je tradičná a široko používaná metóda prípravy polotovarov z volfrámových zliatin. Jeho kľúčové procesy sú znázornené na obrázku 1, vrátane prípravy volfrámového prášku, miešania, tvarovania a spekania [3]. V procese prípravy volfrámového prášku, aby sa zabezpečila čistota volfrámového prášku, sa často používajú procesy, ako je redukcia vodíka a redukcia wolfrámu amoniaku. Zároveň obsah kyslíka, veľkosť častíc a tvar volfrámového prášku majú významný vplyv na konečný výkon a kvalitu zliatiny a musia byť prísne kontrolované. Príliš vysoký obsah kyslíka zníži výkon zliatiny, zatiaľ čo veľkosť a tvar častíc ovplyvní účinok následných procesov miešania a tvarovania. Napríklad volfrámový prášok s jednotnou veľkosťou častíc pomáha rovnomernejšiemu miešaniu s inými kovovými práškami počas miešania, čím sa zabezpečuje konzistencia zloženia zliatiny. Počas procesu miešania je potrebné zabezpečiť, aby veľkosť rôznych častíc kovového prášku bola jednotná a pomer bol presný. Na presné miešanie sa často používa mechanické miešanie, guľové mletie a iné metódy. Spôsoby tvarovania zahŕňajú izostatické lisovanie za studena, lisovanie, vytláčanie prášku a tvarovanie vstrekovaním prášku atď. Tieto spôsoby môžu vyrábať diely so zložitými tvarmi.
Obrázok 1 Kľúčové procesy práškovej metalurgie pre polotovary z volfrámových zliatin
Proces spekania je kľúčom k tomu, aby zliatina volfrámu dosiahla požadovanú hustotu, pevnosť a ďalšie vlastnosti. Dvoj{1}}krokové spekanie [4] je široko používané: pred-etapa spekania zvyčajne riadi teplotu 1000-1200 stupňov . V rámci tohto teplotného rozsahu kovy s nízkym bodom topenia--, ako je meď a železo, dosiahnu kvapalný stav a podstúpia difúziu v tuhej{10}fáze s okolitými časticami volfrámového prášku, čím sa zafixuje poloha častíc prášku volfrámovej zliatiny a naplnia sa rovnomerne, čím sa dosiahne tvar polotovaru. Nasleduje fáza vysokoteplotného spekania, v ktorej medzi časticami prášku dochádza k reakciám v tuhej -a kvapalnej{15}fáze, čím sa nakoniec vytvorí hustá štruktúra zliatiny volfrámu. Riadenie teploty a času spekania hrá rozhodujúcu úlohu vo výkonnosti produktu. Ak je čas spekania príliš dlhý, veľkosť kryštálov volfrámu sa zvýši, čo ovplyvní hustotu a celkový výkon zliatiny; ak je teplota príliš vysoká, spôsobí to, že kovy s nízkym{16}}bodom topenia{19}}ako meď a železo budú prchať, čím sa zníži hustota a mechanická pevnosť zliatiny. Teplota spekania sa vo všeobecnosti riadi okolo 1400 stupňov a pred-spekanie a vysokoteplotné{21}}spekanie sa zvyčajne vykonáva vo vákuu alebo v prostredí inertného plynu, aby sa znížila oxidácia a prchavosť zliatin s nízkou-teplotou topenia-. Bežným procesom je najprv pred-vypálenie vytvoreného polotovaru volfrámového prášku pri 1200 stupňoch počas 1 hodiny vo vodíkovej atmosfére, aby sa mu dodala určitá pevnosť a vodivosť, a potom vykonanie samoodporového spekania pomocou tepla generovaného vlastným odporom polotovaru na ďalšiu podporu spekania.
2.2 Aditívny výrobný proces
Tradičné metódy práškovej metalurgie môžu produkovať iba polotovary s relatívne pravidelnými tvarmi. Pre diely z volfrámovej zliatiny so zložitými štruktúrami, najmä tie so zložitými dutinami, je po tvarovaní polotovaru stále potrebné zložité spracovanie, aby sa konečne splnili požiadavky na diely. V súčasnosti neexistujú žiadne účinné metódy spracovania a tvarovania zložitých uzavretých vnútorných dutín, čo obmedzuje konštrukciu dielov zo zliatiny volfrámu. Technológia aditívnej výroby poskytuje nové riešenie pre návrh a výrobu dielov zo zliatiny volfrámu. Bežne používané technológie výroby kovových aditív zahŕňajú selektívne laserové tavenie (SLM), laserové stereoformovanie (LSF), aditívnu výrobu elektrického oblúka (WAAM), selektívne laserové tavenie v práškovom lôžku (L-PBF) a laserovú smerovú energiu nanášania (L-DED) [5, 6]. Porovnanie výhod a nevýhod rôznych aditívnych výrobných procesov na výrobu dielov zo zliatiny volfrámu je uvedené v tabuľke 1. SLM môže vyrábať diely so zložitou geometriou, má však problémy, ako je drsný povrch, veľké zvyškové napätie medzi vrstvami a obmedzená veľkosť dielov a je vhodný na výrobu malých dielov; LSF môže získať jemnú, rovnomernú a hustú štruktúru, zlepšiť mechanické vlastnosti a odolnosť materiálov proti korózii, ale keď sa parametre procesu nezhodujú, ľahko sa vyskytnú defekty, ako je zlá fúzia v nanesenej vrstve; WAAM je vhodný na výrobu{10}}veľkorozmerných integrovaných konštrukčných dielov pre letectvo a kozmonautiku s vysokou rýchlosťou tvarovania a vysokou hustotou, ale kvalita povrchu tvarovaných dielov je nízka. Typický diel z volfrámovej zliatiny vyrobený technológiou aditívnej výroby je znázornený na obrázku 2. V porovnaní s tradičnou metódou práškovej metalurgie má aditívna výroba zjavné výhody pri výrobe zložitých dielov z volfrámovej zliatiny. Dokáže nielen pripraviť diely so zložitými štruktúrami a dutinami, aby vyhovovali špeciálnym konštrukčným požiadavkám, ale aj realizovať vrstvu-pomocou-nanášania vrstiev materiálov, zlepšiť využitie materiálu a znížiť náklady[7]. Tabuľka 1. Porovnanie výhod a nevýhod dielov z volfrámovej zliatiny vyrobených rôznymi aditívnymi výrobnými procesmi
a) Mriežka proti{0}}rozptylovaniu
b) Porézne časti
Obrázok 2. Typické diely z volfrámovej zliatiny vyrobené technológiou aditívnej výroby
2.3 Porovnanie a výber procesov
Prášková metalurgia a aditívna výroba sú v súčasnosti dve hlavné metódy výroby polotovarov dielov z volfrámovej zliatiny, pričom každá má svoje výhody a nevýhody pri príprave polotovarov. Porovnanie procesov prípravy polotovarov z volfrámových zliatin je uvedené v tabuľke 2. Prášková metalurgia je relatívne zrelšia, poskytuje materiály s lepšou hustotou a ponúka výhody v stabilnej hromadnej výrobe. Aditívna výroba je nový proces vyvinutý v posledných rokoch s rôznymi odvodenými procesnými cestami a má výhody pri výrobe konštrukčných dielov so zložitými dutinami.
Tabuľka 2. Porovnanie procesov prípravy polotovarov zo zliatiny volfrámu
Na dosiahnutie vyššieho komplexného výkonu majú diely zo zliatiny volfrámu v špičkových-oblastiach, ako je letecký a kozmický priemysel, obrana, jadrový priemysel, lekárske vybavenie a elektronika, zvyčajne zložitejšie konštrukčné prvky vrátane tenkých stien, zakrivených povrchov a poréznych štruktúr, ktoré tradičné metódy práškovej metalurgie nedokážu zvládnuť. Výroba dielov z čistej volfrámovej zliatiny s vysokou-hustotou a bez defektov{3}} priamo pomocou aditívnej výroby stále čelí niekoľkým technickým výzvam. Powder extrusion printing (PEP), kovová nepriama 3D tlačová technológia kombinujúca 3D tlač a práškovú metalurgiu, využíva prášok z volfrámovej zliatiny so spojivom. Prášok sa tvaruje pomocou 3D tlačového zariadenia a potom sa následne -spracuje prostredníctvom práškovej metalurgie, odpojením a spekaním, čím sa nakoniec získajú konštrukčné diely s vysokou-hustotou a{11}}výkonnými konštrukčnými dielmi. Táto technológia poskytuje nové riešenie problémov obrábania volfrámových zliatin a výroby zložitých štruktúr. Jeho vlastnosti pri nízko{14}}tepelnom tvarovaní a vysoko{15}}tepelnom nastavení účinne riešia problémy, ako sú deformácie, praskanie a dutiny, s ktorými sa ľahko stretávame pri iných procesoch 3D tlače volfrámových zliatin.
ČASŤ.03
Obrábanie dielov zo zliatiny volfrámu
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) vedie k výrazne zrýchlenému opotrebeniu nástroja počas obrábania, čo ovplyvňuje presnosť obrábania a životnosť nástroja. Životnosť nástroja a efektivita obrábania sú kľúčové faktory, ktoré treba pri obrábaní zvážiť. Zliatiny volfrámu majú relatívne nízku tepelnú vodivosť a teplo vznikajúce pri rezaní sa ťažko rýchlo odvádza. Rezná hrana pracuje pri vysokej teplote, ktorá ľahko vytvára tepelné napätie, čo vedie k deformácii nástroja a zvýšenému opotrebovaniu [8]. Čipy z volfrámovej zliatiny sú zrnité, čo sťažuje odstraňovanie triesok. Majú tendenciu sa hromadiť v oblasti rezu, pričom vytvárajú hrany triesok, ovplyvňujú kvalitu povrchu obrábaných dielov a môžu tiež poškodiť nástroj a obrábací stroj. Porovnanie rezných nástrojov a parametrov procesu pre diely z volfrámovej zliatiny je uvedené v tabuľke 3. V strojárskej praxi sú nástroje PCBN jednou z najlepších volieb. Typické diely z volfrámových zliatin spracované rezaním sú znázornené na obrázku 3. Tabuľka 3 Porovnanie rezných nástrojov a parametrov procesu pre diely z volfrámových zliatin Obrázok 3 Typické diely z volfrámových zliatin spracované rezaním ČASŤ.04 Brúsenie dielov zo zliatiny volfrámu Brúsenie ako mikro{14}}metóda rezania je vhodné na spracovanie materiálov s vysokou{{15}tvrdosťou, ako sú zliatiny volfrámu. Brúsenie brúsnym kotúčom je znázornené na obrázku 4. Brúsny kotúč sa skladá hlavne z brúsnych zŕn, pórov a spojív v špecifickom pomere. Jeho brúsne zrná majú vlastnosti tupého uhla, zvyčajne v rozsahu od 90 stupňov do 120 stupňov. Počas procesu mletia volfrámových zliatin je výsledný materiál mletia zrnitý. Vďaka relatívne nízkej viskozite a húževnatosti sa triesky pomerne ľahko odstraňujú a neupchávajú tak ľahko póry brúsneho kotúča [9]. Preto je možné pri brúsení volfrámových zliatin použiť brúsne kotúče s väčšími pórmi na zlepšenie účinnosti brúsenia a kvality spracovania. V oblasti brúsenia sa teplo pri brúsení ľahko akumuluje, čo môže viesť k popáleniu pri brúsení. Na efektívne riešenie tohto problému je potrebné prijať opatrenia na nútené chladenie pri vysokom-tlaku a vysokom{28}prietoku, aby sa teplo generované počas procesu mletia včas odstránilo a znížila sa tepelná deformácia a tepelné namáhanie v oblasti mletia. Zvyčajne sa ako rezné kvapaliny vyberajú emulzie na{30}}vodnej báze, aby sa zabezpečilo, že chladiaci účinok dosiahne najlepší stav. Výber parametrov procesu brúsenia dielov zo zliatiny volfrámu je uvedený v tabuľke 4. Obrázok 4 Schéma brúsneho kotúča Tabuľka 4 Výber parametrov procesu brúsenia dielov zo zliatiny volfrámu Diely zo zliatiny čistého volfrámu alebo volfrámu-niklu-majú nízky magnetizmus. Tenkostenné diely je ťažké spoľahlivo upevniť pomocou tradičných elektromagnetických skľučovadiel. Na upínanie možno uvažovať vákuové adsorpčné prípravky [10]. Vákuový adsorpčný polohovací prípravok pre časti z volfrámovej zliatiny je znázornený na obrázku 5. Obrázok 5. Schematický diagram vákuového adsorpčného polohovacieho prípravku pre diely z volfrámovej zliatiny
ČASŤ.05
Drôtové EDM obrábanie dielov zo zliatiny volfrámu
Tungsten alloys have high melting points and high hardness, and can be machined using high-hardness tools such as coated tools, PVD tools, and ceramic tools. However, these tools experience significant wear, making it difficult to machine features such as pores, narrow slits, and irregularly shaped holes using these traditional tools. Wire electrical discharge machining (EDM) is a special machining process. Its basic principle is to use a continuously moving fine metal electrode wire (usually copper or molybdenum wire) to generate pulsed spark discharges between the workpiece and the workpiece. The generated temperatures are typically as high as 8000–12000℃, sufficient to melt or even vaporize the surface material of the tungsten alloy, thereby achieving the cutting of the workpiece. The relative movement between the electrode wire and the workpiece allows the entire cutting process to form the desired shape on the workpiece surface. Figure 6 shows the machining of irregularly shaped holes on a tungsten alloy blank using wire EDM. Wire EDM is used to process tungsten alloy parts. The high temperature causes a change in the crystal phase of the tungsten alloy surface during cutting, resulting in a modified layer that degrades the unique properties of the tungsten alloy. A "cut-one-repair-three" method is employed during processing, gradually reducing the cutting depth and pulse power parameters to repair the modified layer.
Obrázok 6: Obrábanie nepravidelných otvorov na polotovare z volfrámovej zliatiny pomocou drôtového EDM
ČASŤ.06
Záver Tento článok študuje a sumarizuje prípravu polotovaru, bežné metódy spracovania a ťažkosti pri spracovaní presných dielov z volfrámových zliatin. Pri príprave polotovarov je prášková metalurgia relatívne zrelšia, poskytuje materiály s lepšou hustotou a ponúka výhody v stabilnej hromadnej výrobe. Aditívna výroba, relatívne nový proces vyvinutý v posledných rokoch, vytvorila rôzne procesné cesty a má výhody pri výrobe konštrukčných dielov so zložitými dutinami. Pri rezaní majú PCBN nástroje výhody, dosahujú vysokú životnosť nástroja a znižujú vplyv opotrebovania nástroja na presnosť obrábania. Technológia brúsenia je výhodná pre opracovanie bežných plôch, čím sa dosiahne vyššia kvalita povrchu. Pre funkcie otvorov a drážok ponúka drôt EDM vysokú efektivitu spracovania. Vyššie uvedený proces prípravy polotovarov, ako aj metódy rezania, brúsenia a rezania drôtom, môžu účinne zlepšiť kvalitu výroby a efektivitu výroby presných dielov z volfrámovej zliatiny a poskytnúť technickú podporu pre rozvoj súvisiacich odvetví.
