Volframove zlitine so zagotovo na seznamu "nočnih mor" inženirjev. Njihova visoka gostota in trdota predstavljata velike izzive pri obdelavi, zaradi česar je vsak korak videti kot težka bitka. Kako lahko ta težek material pretvorimo iz surovine v končni izdelek z visoko učinkovitostjo?
Ne skrbite, to neprecenljivo "skrivno orožje" je tukaj! Ta članek bo analiziral postopek od samega začetka priprave surovin, primerjal prednosti in slabosti praškaste metalurgije in 3D-tiskanja, podrobno opisal osnovne tehnike rezanja, brušenja in rezanja z žico ter predstavil vrhunsko-tehnologijo, ki vam lahko pomaga doseči dvakrat boljše rezultate s polovico manj truda-tiskanjem z ekstruzijo prahu (PEP), ki zagotavlja trdno osnovo za vaš dizajn in proizvodnja.
DEL.01
Uvod
Volframove zlitine kot zlitinski material z volframom kot glavno komponento (vsebnost volframa običajno znaša od 85 % do 99 %) in dodanimi elementi, kot so nikelj, železo, baker, kobalt, molibden in krom, imajo zaradi svoje izjemno visoke gostote (16,5 do 19,0) nepogrešljivo vlogo na številnih visoko-tehnoloških področjih, kot so jedrska industrija, vojaška industrija in medicinska oskrba. g/cm3), visoko tališče in odlična mehanska trdnost[1]. Na medicinskem področju se volframove zlitine uporabljajo za izdelavo ključnih komponent opreme za radioterapijo. Zaradi svojih značilnosti visoke gostote lahko natančno blokirajo in oblikujejo žarke in so glavni materiali za izdelavo kolimatorjev in ščitov pred sevanjem [2]. Te odlične lastnosti prinašajo tudi številne težave pri predelavi in izdelavi volframovih zlitin. Namen tega članka je sistematično in poglobljeno raziskati postopek priprave surovcev in običajno uporabljene metode obdelave delov iz volframovih zlitin ter zagotoviti dragoceno referenco za njihovo natančno izdelavo.
DEL.02
Postopek priprave delov iz volframove zlitine
2.1 Tehnologija metalurgije prahu
Volframove zlitine je zaradi njihove visoke gostote, visokega tališča in visoke trdote težko izdelati z običajnimi postopki taljenja in priprave zlitin. Metalurgija prahu je tradicionalna in široko uporabljena metoda za pripravo surovcev iz volframovih zlitin. Njegovi ključni procesi so prikazani na sliki 1, vključno s pripravo volframovega prahu, mešanjem, oblikovanjem in sintranjem [3]. V postopku priprave volframovega prahu se za zagotovitev čistosti volframovega prahu pogosto uporabljajo postopki, kot sta redukcija vodika in redukcija amoniaka volframata. Hkrati imajo vsebnost kisika, velikost delcev in oblika volframovega prahu pomemben vpliv na končno zmogljivost in kakovost zlitine in jih je treba strogo nadzorovati. Previsoka vsebnost kisika bo zmanjšala učinkovitost zlitine, medtem ko bo velikost in oblika delcev vplivala na učinek kasnejših postopkov mešanja in oblikovanja. Na primer, volframov prah z enotno velikostjo delcev pomaga pri bolj enakomernem mešanju z drugimi kovinskimi praški med mešanjem, kar zagotavlja konsistenco sestave zlitine. Med postopkom mešanja je treba zagotoviti, da je velikost različnih delcev kovinskega prahu enakomerna in razmerje natančno. Za natančno mešanje se pogosto uporabljajo mehansko mešanje, kroglični mlin in druge metode. Metode oblikovanja vključujejo hladno izostatično stiskanje, stiskanje matrice, oblikovanje z ekstruzijo prahu in oblikovanje z vbrizgavanjem prahu itd. S temi metodami je mogoče izdelati dele kompleksnih oblik.
Slika 1 Ključni postopki metalurgije prahu za surovce iz volframove zlitine
Postopek sintranja je ključnega pomena za zagotovitev, da volframova zlitina doseže zahtevano gostoto, trdnost in druge lastnosti. Dvo-sintranje [4] se pogosto uporablja: stopnja pred-sintranja običajno nadzira temperaturo pri 1000-1200 stopinjah. Znotraj tega temperaturnega območja bodo kovine z nizkim-tališčem-, kot sta baker in železo, dosegle tekoče stanje in podvržene difuziji trdne-faze z okoliškimi praškastimi delci volframove zlitine, ki fiksirajo položaj praškastih delcev volframove zlitine in jih enakomerno zapolnijo ter tako dosežejo prazno oblikovanje. Naslednja je stopnja visokotemperaturnega-sintranja, kjer pride do reakcij trdne-faze in tekoče-faze med praškastimi delci, ki na koncu tvorijo gosto strukturo volframove zlitine. Nadzor temperature in časa sintranja igra odločilno vlogo pri delovanju izdelka. Če je čas sintranja predolg, se bo velikost kristala volframa povečala, kar bo vplivalo na gostoto in splošno učinkovitost zlitine; če je temperatura previsoka, bo to povzročilo izhlapevanje kovin z-nizkim{19}}tališčem, kot sta baker in železo, kar bo zmanjšalo gostoto in mehansko trdnost zlitine. Temperatura sintranja je na splošno nadzorovana pri približno 1400 stopinjah, pred-sintranje in visoko{21}}temperaturno sintranje pa se običajno izvajata v vakuumu ali okolju inertnega plina, da zmanjšata oksidacijo in izhlapevanje zlitin z nizkim-tališčem-. Običajni postopek je, da se oblikovani surovec iz volframovega prahu najprej predhodno žge pri 1200 stopinjah 1 uro v vodikovi atmosferi, da se pridobi določena trdnost in prevodnost, nato pa se izvede samouporno sintranje z uporabo toplote, ki jo ustvari upor surovca, za nadaljnje spodbujanje sintranja.
2.2 Postopek aditivnega izdelave
Tradicionalne metode praškaste metalurgije lahko proizvedejo le surovce razmeroma pravilnih oblik. Za dele iz volframove zlitine s kompleksnimi strukturami, zlasti tiste s kompleksnimi votlinami, je po oblikovanju surovcev še vedno potrebna kompleksna obdelava, da se končno izpolnijo zahteve glede delov. Trenutno ni učinkovitih metod obdelave in oblikovanja kompleksnih zaprtih notranjih votlin, kar omejuje načrtovanje delov iz volframove zlitine. Tehnologija aditivne proizvodnje zagotavlja novo rešitev za načrtovanje in proizvodnjo delov iz volframovih zlitin. Običajno uporabljene tehnologije aditivnega izdelave kovin vključujejo selektivno lasersko taljenje (SLM), lasersko stereoformiranje (LSF), aditivno proizvodnjo z električnim oblokom (WAAM), selektivno lasersko taljenje s plastjo prahu (L-PBF) in lasersko usmerjeno nanašanje energije (L-DED) [5, 6]. Primerjava prednosti in slabosti različnih aditivnih proizvodnih procesov za izdelavo delov iz volframove zlitine je prikazana v tabeli 1. SLM lahko izdeluje dele s kompleksno geometrijo, vendar ima težave, kot so groba površina, velika preostala napetost med plastmi in omejena velikost delov, in je primeren za izdelavo majhnih delov; LSF lahko pridobi fino, enakomerno in gosto strukturo, izboljša mehanske lastnosti in odpornost materialov proti koroziji, toda ko se procesni parametri ne ujemajo, lahko pride do napak, kot je slabo zlitje v nanešeni plasti; WAAM je primeren za proizvodnjo-velikih, integriranih letalskih konstrukcijskih delov z visoko hitrostjo oblikovanja in visoko gostoto, vendar je kakovost površine oblikovanih delov slaba. Tipičen del iz volframove zlitine, izdelan s tehnologijo aditivne proizvodnje, je prikazan na sliki 2. V primerjavi s tradicionalno metodo praškaste metalurgije ima aditivna proizvodnja očitne prednosti pri izdelavi kompleksnih delov iz volframove zlitine. Ne samo, da lahko pripravi dele s kompleksno strukturo in votlinami za izpolnjevanje posebnih konstrukcijskih zahtev, ampak tudi realizira odlaganje materialov plast za plastjo, izboljša izkoristek materiala in zmanjša stroške[7]. Tabela 1. Primerjava prednosti in slabosti delov iz volframove zlitine, izdelanih z različnimi postopki aditivne proizvodnje
a) Mreža proti -razprševanju
b) Porozni deli
Slika 2. Tipični deli iz volframove zlitine, izdelani s tehnologijo aditivne proizvodnje
2.3 Primerjava in izbira procesov
Praškasta metalurgija in aditivna proizvodnja sta trenutno dve glavni metodi za izdelavo surovcev iz volframove zlitine, od katerih ima vsaka svoje prednosti in slabosti pri pripravi surovcev. Primerjava postopkov priprave surovcev iz volframove zlitine je prikazana v tabeli 2. Praškasta metalurgija je razmeroma bolj zrela, daje materiale z boljšo gostoto in ponuja prednosti pri stabilni masovni proizvodnji. Aditivna proizvodnja je nov postopek, razvit v zadnjih letih, z različnimi izpeljanimi procesnimi potemi in ima prednosti pri izdelavi konstrukcijskih delov s kompleksnimi votlinami.
Tabela 2. Primerjava postopkov priprave surovcev iz volframove zlitine
Da bi dosegli višjo celovito zmogljivost, imajo deli iz volframove zlitine na najmodernejših- področjih, kot so vesoljska, obrambna, jedrska industrija, medicinska oprema in elektronika, bolj zapletene strukturne lastnosti, vključno s tankimi stenami, ukrivljenimi površinami in poroznimi strukturami, ki jih tradicionalne metode prašne metalurgije ne morejo obravnavati. Proizvodnja delov iz čiste-zlitine volframa z visoko{2}}gostoto,-brez napak neposredno z aditivno proizvodnjo se še vedno sooča s številnimi tehničnimi izzivi. Tiskanje z ekstruzijo prahu (PEP), posredna tehnologija 3D-tiskanja kovin, ki združuje 3D-tiskanje in praškasto metalurgijo, uporablja prah volframove zlitine z vezivom. Prah se oblikuje z opremo za 3D-tiskanje in se nato naknadno-obdela z odstranjevanjem veziv in sintranjem s prašno metalurgijo, kar na koncu prinese visoko{10}}gostote in visoko{11}}zmogljive strukturne dele. Ta tehnologija ponuja novo rešitev za težave pri strojni obdelavi volframovih zlitin in izdelavi kompleksnih struktur. Njegove nizko{14}}temperaturno oblikovanje in visoke{15}}temperaturne nastavitve učinkovito rešujejo težave, kot so deformacije, razpoke in praznine, na katere zlahka naletimo pri drugih postopkih 3D-tiskanja volframovih zlitin.
DEL.03
Obdelava delov iz volframove zlitine
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) vodi do znatno pospešene stopnje obrabe orodja med obdelavo, kar vpliva na natančnost obdelave in življenjsko dobo orodja. Življenjska doba orodja in učinkovitost obdelave sta ključna dejavnika, ki ju je treba upoštevati pri obdelavi. Volframove zlitine imajo razmeroma nizko toplotno prevodnost in toploto, ki nastane med rezanjem, je težko hitro odvajati. Rezilo deluje pri visoki temperaturi, kar zlahka povzroči toplotno obremenitev, kar povzroči deformacijo orodja in povečano obrabo [8]. Ostružki iz volframove zlitine so zrnati, kar otežuje odstranjevanje ostružkov. Nagnjeni so k kopičenju v območju rezanja, tvorijo robove odrezkov, vplivajo na kakovost površine obdelanih delov in lahko tudi poškodujejo orodje in obdelovalni stroj. Primerjava rezalnih orodij in procesnih parametrov za dele iz volframove zlitine je prikazana v tabeli 3. V inženirski praksi so orodja PCBN ena najboljših izbir. Tipični deli iz volframove zlitine, obdelani z rezanjem, so prikazani na sliki 3. Tabela 3 Primerjava rezalnih orodij in procesnih parametrov za dele iz volframove zlitine Slika 3 Tipični deli iz volframove zlitine, obdelani z rezanjem PART.04 Brušenje delov iz volframove zlitine Brušenje je kot metoda mikro-rezanja primerna za obdelavo materialov z visoko-trdoto, kot je volfram zlitine. Brušenje brusa je prikazano na sliki 4. Brus je v glavnem sestavljen iz abrazivnih zrn, por in veziv v določenem razmerju. Njegova abrazivna zrna imajo značilnosti topega kota, običajno v območju od 90 stopinj do 120 stopinj. Med postopkom mletja volframovih zlitin je nastali material za mletje zrnat. Zaradi relativno nizke viskoznosti in žilavosti se ostružki razmeroma enostavno odstranijo in ne zamašijo zlahka por brusa [9]. Zato lahko pri brušenju volframovih zlitin uporabimo brusne plošče z večjimi porami za izboljšanje učinkovitosti brušenja in kakovosti obdelave. V območju mletja se toplota mletja zlahka akumulira, kar lahko povzroči opekline pri mletju. Da bi se učinkovito spopadli s to težavo, je treba sprejeti ukrepe prisilnega hlajenja z visokim-tlakom in visokim-pretokom, da pravočasno odstranimo toploto, ki nastane med postopkom mletja, in zmanjšamo toplotno deformacijo in toplotno napetost v območju mletja. Običajno so emulzije na-vodni osnovi izbrane kot rezalne tekočine, da se zagotovi najboljši učinek hlajenja. Izbira parametrov postopka brušenja za dele iz volframove zlitine je prikazana v tabeli 4. Slika 4 Shematski diagram brusa Tabela 4 Izbira parametrov postopka brušenja za dele iz volframove zlitine Deli iz čistega volframa ali volfram-niklja-bakrove zlitine imajo nizek magnetizem. Dele s tankimi-stenami je težko zanesljivo pritrditi s tradicionalnimi elektromagnetnimi vpenjali. Za vpenjanje se lahko upoštevajo vakuumske adsorpcijske naprave [10]. Vakuumsko adsorpcijsko pozicionirno vpenjalo za dele iz volframove zlitine je prikazano na sliki 5. Slika 5. Shematski diagram vakuumsko adsorpcijskega pozicionirnega vpenjala za dele iz volframove zlitine
DEL.05
Žična EDM obdelava delov iz volframove zlitine
Volframove zlitine imajo visoka tališča in visoko trdoto ter se lahko obdelujejo z orodji z visoko{0}}trdoto, kot so orodja s premazom, orodja PVD in orodja za keramiko. Vendar se ta orodja znatno obrabijo, kar otežuje strojno obdelavo elementov, kot so pore, ozke reže in luknje nepravilne oblike, s temi tradicionalnimi orodji. Žična elektroerozijska obdelava (EDM) je poseben obdelovalni postopek. Njegovo osnovno načelo je uporaba neprekinjeno premikajoče se fine kovinske elektrodne žice (običajno bakrene ali molibdenske žice) za ustvarjanje impulznih iskričnih razelektritev med obdelovancem in obdelovancem. Ustvarjene temperature so običajno visoke do 8000–12000 stopinj, kar zadostuje za taljenje ali celo uparjanje površinskega materiala volframove zlitine, s čimer se doseže rezanje obdelovanca. Relativno gibanje med elektrodno žico in obdelovancem omogoča, da celoten proces rezanja oblikuje želeno obliko na površini obdelovanca. Slika 6 prikazuje obdelavo lukenj nepravilnih oblik na surovcu iz volframove zlitine z uporabo žične EDM. Žična EDM se uporablja za obdelavo delov iz volframovih zlitin. Visoka temperatura povzroči spremembo kristalne faze površine volframove zlitine med rezanjem, kar povzroči modificirano plast, ki poslabša edinstvene lastnosti volframove zlitine. Med obdelavo se uporablja metoda "cut-one-repair-three", ki postopoma zmanjšuje globino reza in parametre moči impulza za popravilo spremenjene plasti.
Slika 6: Obdelovanje nepravilnih lukenj na surovcu iz volframove zlitine z uporabo žične EDM
DEL.06
Zaključek Ta članek preučuje in povzema pripravo slepega vzorca, običajne metode obdelave in težave pri obdelavi natančnih delov iz volframove zlitine. Pri pripravi surovcev je praškasta metalurgija razmeroma bolj zrela, daje materiale z boljšo gostoto in ponuja prednosti pri stabilni masovni proizvodnji. Aditivna proizvodnja, razmeroma nov postopek, razvit v zadnjih letih, je sprožila različne procesne poti in ima prednosti pri izdelavi strukturnih delov s kompleksnimi votlinami. Pri rezanju imajo orodja PCBN prednosti, saj dosegajo visoko življenjsko dobo orodja in zmanjšujejo vpliv obrabe orodja na natančnost obdelave. Tehnologija brušenja je ugodna za obdelavo pravilnih površin, s čimer dosežemo višjo kakovost površine. Za funkcije lukenj in utorov ponuja žična EDM visoko učinkovitost obdelave. Zgoraj omenjeni postopek priprave surovcev ter metode rezanja, brušenja in rezanja žice lahko učinkovito izboljšajo kakovost izdelave in učinkovitost proizvodnje natančnih delov iz volframove zlitine, kar zagotavlja tehnično podporo za razvoj povezanih industrij.
