Volframove legure su definitivno na listi inženjerskih "materijala iz noćne more". Njihova velika gustina i tvrdoća predstavljaju značajne izazove u procesu obrade, čineći da svaki korak izgleda kao teška bitka. Kako se ovaj težak materijal može transformisati iz sirovine u gotov proizvod sa visokom efikasnošću?
Ne brinite, ovo neprocjenjivo "tajno oružje" je ovdje! Ovaj članak će analizirati proces od samog početka pripreme sirovina, upoređujući prednosti i nedostatke metalurgije praha i 3D štampe, detaljno opisujući osnovne tehnike rezanja, brušenja i rezanja žice, te uvođenje najsavremenije-tehnologije koja vam može pomoći da postignete dvostruko bolje rezultate uz pola truda-Pružajući čvrsti dizajn za ekstruziju (EP) proizvodnja.
PART.01
Uvod
Volframove legure, kao legirani materijal s volframom kao glavnom komponentom (sadržaj volframa obično iznosi 85% do 99%) i dodanim elementima kao što su nikl, željezo, bakar, kobalt, molibden i krom, igraju nezamjenjivu ulogu u mnogim visoko-oblastima kao što su nuklearna industrija, vojna industrija zbog njihove izuzetno visoke16 medicinske industrije i56. 19,0 g/cm3), visoka tačka topljenja i odlična mehanička čvrstoća[1]. U medicinskom polju, legure volframa se koriste za proizvodnju ključnih komponenti opreme za radioterapiju. Zbog svojih karakteristika visoke gustoće, mogu precizno blokirati i oblikovati zrake i glavni su materijali za izradu kolimatora i štitova od zračenja[2]. Ova izvrsna svojstva također donose mnoge poteškoće u preradi i proizvodnji legura volframa. Ovaj članak ima za cilj da sistematski i duboko istraži proces pripreme blanka i najčešće korišćene metode obrade delova od legura volframa, i pruži dragocenu referencu za njihovu preciznu proizvodnju.
DIO.02
Proces pripreme blankova delova od legura volframa
2.1 Tehnologija metalurgije praha
Volframove legure je teško proizvesti korišćenjem konvencionalnih procesa topljenja i pripreme legura zbog njihove velike gustine, visoke tačke topljenja i velike tvrdoće. Metalurgija praha je tradicionalna i široko rasprostranjena metoda za pripremu zaliha od legura volframa. Njegovi ključni procesi prikazani su na slici 1, uključujući pripremu volframovog praha, miješanje, oblikovanje i sinteriranje [3]. U procesu pripreme volframovog praha, kako bi se osigurala čistoća volframovog praha, često se koriste procesi kao što su redukcija vodika i redukcija volframa amonijaka. Istovremeno, sadržaj kiseonika, veličina čestica i oblik volframovog praha imaju značajan uticaj na konačni učinak i kvalitet legure i moraju se strogo kontrolisati. Previsok sadržaj kiseonika će smanjiti performanse legure, dok će veličina i oblik čestica uticati na efekat naknadnog mešanja i procesa formiranja. Na primjer, volframov prah sa ujednačenom veličinom čestica pomaže u ravnomjernijem miješanju s drugim metalnim prahovima tokom miješanja, osiguravajući konzistentnost sastava legure. Tokom procesa miješanja, potrebno je osigurati da veličina različitih čestica metalnog praha bude ujednačena i tačna proporcija. Za precizno miješanje često se koriste mehaničko miješanje, mljevenje kuglicama i druge metode. Metode oblikovanja uključuju hladno izostatičko prešanje, prešanje u kalupu, oblikovanje ekstruzijom praha i oblikovanje ubrizgavanjem praha, itd. Ove metode mogu proizvesti dijelove složenih oblika.
Slika 1 Ključni procesi metalurgije praha za blanke od legura volframa
Proces sinterovanja je ključ da se osigura da legura volframa postigne potrebnu gustinu, čvrstoću i druga svojstva. Široko se koristi-sinterovanje [4]: pre-faza sinterovanja obično kontroliše temperaturu na 1000-1200 stepeni. Unutar ovog temperaturnog raspona, metali niske{7}}tačke-kao što su bakar i željezo će dostići tečno stanje i podvrgnuti se difuziji u čvrstoj{10}}fazi sa okolnim česticama praha volframa, fiksirajući položaj čestica praha legure volframa i ravnomjerno ih ispunjavajući, na taj način postižući oblik praznine. Sljedeća je faza{{11}visokotemperaturnog sinteriranja, gdje se javljaju reakcije u čvrstoj-i tečnoj{15} fazi između čestica praha, čime se na kraju formira gusta struktura legure volframa. Kontrola temperature i vremena sinteriranja igra odlučujuću ulogu u performansama proizvoda. Ako je vrijeme sinteriranja predugo, veličina kristala volframa će se povećati, što će utjecati na gustoću i ukupne performanse legure; ako je temperatura previsoka, to će uzrokovati isparivanje metala niske{16}}tačke-tačke kao što su bakar i željezo, smanjujući gustinu i mehaničku čvrstoću legure. Temperatura sinteriranja se općenito kontrolira na oko 1400 stepeni, a pred-sinteriranje i visoko{21}}sinteriranje se obično izvode u vakuumu ili okruženju inertnog plina kako bi se smanjila oksidacija i isparavanje legura niske{22}}tačke{24}}tačke. Uobičajeni proces je da se prvo -peče formirani volframov prah u prahu na 1200 stepeni u trajanju od 1 sata u atmosferi vodika da bi se dala određena čvrstoća i provodljivost, a zatim se izvrši samootporno sinterovanje korištenjem topline koju stvara vlastita otpornost blanka kako bi se dalje potaknulo sinteriranje.
2.2 Proces aditivne proizvodnje
Tradicionalne metode metalurgije praha mogu proizvesti samo blanke relativno pravilnih oblika. Za dijelove od legure volframa sa složenom strukturom, posebno za one sa složenim šupljinama, složena obrada je i dalje potrebna nakon oblikovanja u prazno kako bi se konačno ispunili zahtjevi za dijelove. Trenutno ne postoje efikasne metode obrade i oblikovanja za složene zatvorene unutrašnje šupljine, što ograničava dizajn dijelova od legura volframa. Tehnologija aditivne proizvodnje pruža novo rješenje za dizajn i proizvodnju dijelova od legura volframa. Uobičajeno korištene tehnologije proizvodnje metalnih aditiva uključuju selektivno lasersko taljenje (SLM), lasersko stereoformiranje (LSF), proizvodnju aditiva električnim lukom (WAAM), selektivno lasersko topljenje u prahu (L-PBF) i lasersko usmjereno taloženje energije (L-DED) [5, 6]. Usporedba prednosti i nedostataka različitih aditivnih proizvodnih procesa za proizvodnju dijelova od legure volframa prikazana je u Tabeli 1. SLM može proizvoditi dijelove složene geometrije, ali ima probleme kao što su gruba površina, veliki međuslojni zaostali napon i ograničena veličina dijela, te je pogodan za proizvodnju malih dijelova; LSF može dobiti finu, ujednačenu i gustu strukturu, poboljšati mehanička svojstva i otpornost materijala na koroziju, ali kada se procesni parametri ne poklapaju, lako se javljaju defekti kao što je loša fuzija u nanesenom sloju; WAAM je pogodan za proizvodnju velikih-integriranih aerokosmičkih strukturnih dijelova, sa velikom stopom oblikovanja i velikom gustinom, ali je kvalitet površine formiranih dijelova loš. Tipični dio od legure volframa proizveden tehnologijom aditivne proizvodnje prikazan je na slici 2. U poređenju sa tradicionalnom metodom metalurgije praha, aditivna proizvodnja ima očigledne prednosti u proizvodnji složenih dijelova od legure volframa. Ne samo da može pripremiti dijelove sa složenim strukturama i šupljinama da zadovolje posebne zahtjeve dizajna, već i realizovati sloj-nanošenje-slojnih materijala, poboljšati korištenje materijala i smanjiti troškove[7]. Tabela 1. Poređenje prednosti i nedostataka dijelova od legure volframa proizvedenih različitim procesima aditivne proizvodnje
a) Mreža protiv raspršivanja
b) Porozni dijelovi
Slika 2. Tipični dijelovi od legure volframa proizvedeni korištenjem aditivne tehnologije proizvodnje
2.3 Poređenje i odabir procesa
Metalurgija praha i aditivna proizvodnja su trenutno dvije glavne metode za proizvodnju praznih dijelova od legure volframa, od kojih svaka ima svoje prednosti i nedostatke u pripremi blanka. Poređenje procesa pripreme blanka od legure volframa prikazano je u tabeli 2. Metalurgija praha je relativno zrelija, daje materijale bolje gustine i nudi prednosti u stabilnoj masovnoj proizvodnji. Aditivna proizvodnja je novi proces razvijen u posljednjih nekoliko godina, s različitim putevima izvedenih procesa, a ima prednosti u proizvodnji strukturnih dijelova sa složenim šupljinama.
Tabela 2. Poređenje procesa pripreme prazne legure volframa
Kako bi težili većim sveobuhvatnim performansama, dijelovi od legura volframa u najsavremenijim-poljima kao što su zrakoplovstvo, odbrana, nuklearna industrija, medicinska oprema i elektronika obično imaju složenije strukturne karakteristike, uključujući tanke zidove, zakrivljene površine i porozne strukture, koje tradicionalne metode metalurgije praha ne mogu podnijeti. Proizvodnja dijelova od čiste legure volframa visoke -gustine,-bez kvarova direktno korištenjem aditivne proizvodnje i dalje se suočava s nekoliko tehničkih izazova. Ekstruzijska štampa u prahu (PEP), metalna indirektna 3D štamparska tehnologija koja kombinuje 3D štampanje i metalurgiju praha, koristi prah od legure volframa sa vezivom. Prašak se oblikuje pomoću opreme za 3D štampanje, a zatim se naknadno-obrađuje putem metalurgije praha odvezivanja i sinterovanja, dajući na kraju strukturne dijelove visoke{10}}gustine i visokih{11}}konstrukcija. Ova tehnologija pruža novo rješenje za poteškoće pri obrađivanju volframovih legura i proizvodnji složenih struktura. Njegove karakteristike niske{14}}formiranja i visoke{15}}karakteristike postavljanja temperature efikasno rješavaju probleme kao što su deformacije, pukotine i šupljine koje se lako susreću u drugim procesima 3D štampanja legura volframa.
DIO.03
Obrada dijelova od legure volframa
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) dovodi do značajno ubrzanog trošenja alata tokom obrade, što utiče na točnost obrade i vijek trajanja alata. Vek trajanja alata i efikasnost obrade su ključni faktori koje treba uzeti u obzir pri mašinskoj obradi. Volframove legure imaju relativno nisku toplotnu provodljivost, a toplotu stvorenu tokom rezanja je teško brzo raspršiti. Rezna ivica radi na visokoj temperaturi, koja lako stvara toplinsko naprezanje, što dovodi do deformacije alata i povećanog trošenja [8]. Čipovi od legure volframa su granulirani, što otežava uklanjanje strugotine. Oni imaju tendenciju da se akumuliraju u području rezanja, formirajući ivice strugotine, utičući na kvalitet površine obrađenih delova, a mogu i da oštete alat i alatnu mašinu. Poređenje reznih alata i parametara procesa za dijelove od legura volframa prikazano je u Tabeli 3. U inženjerskoj praksi, PCBN alati su jedan od najboljih izbora. Tipični dijelovi od legura volframa koji se obrađuju rezanjem prikazani su na slici 3. Tabela 3. Poređenje reznih alata i parametara procesa za dijelove od legura volframa Slika 3. Tipični dijelovi od legura volframa obrađeni rezanjem DIO.04 Brušenje dijelova od legura volframa Brušenje, kao mikro-}prikladna metoda obrade materijala kao što je tungsten visoke kvalitete, kao što je tungsten{1 legure. Brušenje brusne ploče je prikazano na slici 4. Brusilica se uglavnom sastoji od abrazivnih zrna, pora i veziva u određenom omjeru. Njegova abrazivna zrna imaju karakteristike tupog ugla, obično u rasponu od 90 stepeni do 120 stepeni. Tokom procesa mljevenja legura volframa, rezultirajući materijal za mljevenje je zrnast. Zbog relativno niske viskoznosti i žilavosti, strugotine se relativno lako uklanjaju i ne začepljuju lako pore brusnog kotača [9]. Stoga se prilikom mljevenja legura volframa mogu koristiti brusne ploče sa većim porama za poboljšanje efikasnosti brušenja i kvaliteta obrade. U području mljevenja lako se akumulira toplina mljevenja, što može dovesti do opekotina od mljevenja. Kako bi se efikasno riješio ovaj problem, potrebno je usvojiti mjere prinudnog hlađenja visokog{27}}pritiska i velikog protoka- kako bi se na vrijeme uklonila toplina nastala tokom procesa mljevenja i smanjila termička deformacija i termički stres u području mljevenja. Obično se emulzije{30}}na bazi vode biraju kao tekućine za rezanje kako bi se osiguralo da efekat hlađenja dostigne najbolje stanje. Odabir parametara procesa mljevenja za dijelove od legura volframa prikazan je u Tabeli 4. Slika 4 Šematski dijagram brusne ploče Tabela 4 Izbor parametara procesa mljevenja za dijelove od legura volframa Čisti volfram ili volfram-nikl- dijelovi od legure bakra imaju nizak magnetizam. Za tanke{38}}dijelove sa tankim zidovima, teško ih je pouzdano popraviti tradicionalnim elektromagnetnim stezaljkama. Vakum adsorpciona učvršćenja [10] mogu se uzeti u obzir za stezanje. Učvršćenje za pozicioniranje vakuumske adsorpcije za dijelove od legure volframa prikazano je na slici 5. Slika 5. Šematski dijagram fiksatora za pozicioniranje vakuumske adsorpcije za dijelove od legure volframa
PART.05
EDM obrada dijelova od legure volframa
Volframove legure imaju visoke tačke topljenja i visoku tvrdoću i mogu se obraditi pomoću alata visoke{0}}tvrdoće kao što su obloženi alati, PVD alati i keramički alati. Međutim, ovi alati doživljavaju značajno trošenje, što otežava obradu karakteristika kao što su pore, uski prorezi i rupe nepravilnog oblika pomoću ovih tradicionalnih alata. Strojna obrada žice električnim pražnjenjem (EDM) je poseban proces obrade. Njegov osnovni princip je korištenje kontinuirano pokretne fine metalne elektrodne žice (obično bakrene ili molibdenske žice) za generiranje impulsnog pražnjenja iskri između obratka i obratka. Generirane temperature su tipično visoke do 8000-12000 stepeni, dovoljne da se rastopi ili čak ispari površinski materijal legure volframa, čime se postiže rezanje radnog komada. Relativno kretanje između žice elektrode i obratka omogućava da cijeli proces rezanja formira željeni oblik na površini obratka. Na slici 6 prikazana je strojna obrada rupa nepravilnog oblika na blanku od legure volframa pomoću EDM žice. Žičani EDM se koristi za obradu dijelova od legura volframa. Visoka temperatura uzrokuje promjenu kristalne faze na površini legure volframa tokom rezanja, što rezultira modificiranim slojem koji degradira jedinstvena svojstva legure volframa. Metoda "reza-jedan-popravka-tri" se koristi tokom obrade, postepeno smanjujući dubinu rezanja i parametre snage impulsa kako bi se popravio modificirani sloj.
Slika 6: Obrada nepravilnih rupa na blanku od legure volframa pomoću EDM žice
DIO.06
Zaključak Ovaj rad proučava i sumira pripremu blanka, uobičajene metode obrade i poteškoće obrade preciznih delova od legura volframa. U blanko pripremi, metalurgija praha je relativno zrelija, daje materijale bolje gustine i nudi prednosti u stabilnoj masovnoj proizvodnji. Aditivna proizvodnja, relativno novi proces razvijen posljednjih godina, iznjedrio je različite procesne rute i ima prednosti u proizvodnji strukturnih dijelova sa složenim šupljinama. U rezanju, PCBN alati imaju prednosti, postižući visok vijek trajanja alata i smanjujući utjecaj habanja alata na točnost obrade. Tehnologija brušenja je pogodna za obradu pravilnih površina, čime se postiže viši kvalitet površine. Za karakteristike rupa i žljebova, žica EDM nudi visoku efikasnost obrade. Gore navedeni proces pripreme blanka, kao i metode rezanja, brušenja i rezanja žice, mogu efikasno poboljšati kvalitet proizvodnje i efikasnost proizvodnje preciznih delova od legura volframa, pružajući tehničku podršku razvoju srodnih industrija.
