ניסיון יקר זה בעיבוד סגסוגת טונגסטן

סגסוגות טונגסטן בהחלט נמצאות ברשימת "חומרי הסיוט" של המהנדסים. הצפיפות והקשיחות הגבוהות שלהם מציגות אתגרי עיבוד משמעותיים, מה שגורם לכל שלב להרגיש כמו קרב קשה. כיצד ניתן להפוך את החומר הקשה הזה מחומר גלם למוצר מוגמר ביעילות גבוהה?

אל דאגה, "הנשק הסודי" שלא יסולא בפז זה כאן! מאמר זה ינתח את התהליך מתחילת הכנת חומרי הגלם, ישווה בין היתרונות והחסרונות של אבקת מתכות והדפסת תלת מימד, יפרט את טכניקות הליבה של חיתוך, שחיקה וחיתוך תיל, והכנסת טכנולוגיה חדישה-ת שיכולה לעזור לך להשיג פי שניים את התוצאות בחצי מהמאמץ שלך{{2} הדפסה מוצקה יותר עבור עיצוב והדפסה מוצקה יותר. ייצור.

PART.01

מָבוֹא

סגסוגות טונגסטן, כחומר סגסוגת עם טונגסטן כמרכיב העיקרי (תכולת טונגסטן מהווה בדרך כלל 85% עד 99%) ונוספים אלמנטים כגון ניקל, ברזל, נחושת, קובלט, מוליבדן וכרום, ממלאות תפקיד הכרחי בתחומים רבים-טכנולוגיים גבוהים כגון: תעשיית טיפול גרעיני עד תעשייה צבאית גבוהה (16.5). 19.0 גרם/סמ"ק), נקודת התכה גבוהה וחוזק מכני מצוין[1]. בתחום הרפואי, סגסוגות טונגסטן משמשות לייצור רכיבים מרכזיים של ציוד הקרנות. בשל מאפייני הצפיפות הגבוהה שלהם, הם יכולים לחסום ולעצב קרניים במדויק ומהווים החומרים העיקריים לייצור קולימטורים ומגני קרינה[2]. תכונות מצוינות אלה מביאות גם לקשיים רבים לעיבוד וייצור של סגסוגות טונגסטן. מאמר זה נועד לחקור באופן שיטתי ומעמיק את תהליך הכנת הריק ואת שיטות העיבוד הנפוצות של חלקי סגסוגת טונגסטן, ולספק התייחסות חשובה לייצור המדויק שלהם.

PART.02

תהליך הכנה של חלקי סגסוגת טונגסטן החסר

2.1 טכנולוגיית מטלורגיית אבקה

סגסוגות טונגסטן קשות לייצור באמצעות תהליכי התכה והכנת סגסוגות קונבנציונליות בשל הצפיפות הגבוהה שלהן, נקודת ההיתוך הגבוהה והקשיות הגבוהה שלהן. מטלורגיית אבקה היא שיטה מסורתית ונפוצה להכנת חלקי סגסוגת טונגסטן. תהליכי המפתח שלה מוצגים באיור 1, כולל הכנת אבקת טונגסטן, ערבוב, יצירה וסינטר [3]. בתהליך הכנת אבקת טונגסטן, על מנת להבטיח את טוהר אבקת הטונגסטן, משתמשים לרוב בתהליכים כמו הפחתת מימן והפחתת טונגסטאט אמוניה. יחד עם זאת, לתכולת החמצן, גודל החלקיקים והצורה של אבקת טונגסטן יש השפעה משמעותית על הביצועים והאיכות הסופיים של הסגסוגת ויש לשלוט בהם בקפדנות. תכולת חמצן גבוהה מדי תפחית את ביצועי הסגסוגת, בעוד שגודל וצורת החלקיקים ישפיעו על ההשפעה של תהליכי ערבוב והיווצרות הבאים. לדוגמה, אבקת טונגסטן עם גודל חלקיקים אחיד עוזרת לערבב בצורה שווה יותר עם אבקות מתכת אחרות במהלך הערבוב, מה שמבטיח את העקביות של הרכב הסגסוגת. בתהליך הערבוב יש לוודא שגודלם של חלקיקי אבקת מתכת שונים אחיד והפרופורציה מדויקת. ערבוב מכני, כרסום כדורים ושיטות אחרות משמשות לעתים קרובות לערבוב מדויק. שיטות היצירה כוללות כבישה איזוסטטית קרה, לחיצת קוביות, יצירת שחול אבקה ויצירת הזרקת אבקה וכו'. שיטות אלו יכולות לייצר חלקים בעלי צורות מורכבות.

איור 1 תהליכי מפתח של מטלורגיית אבקה עבור חלקי סגסוגת טונגסטן

תהליך הסינטרינג הוא המפתח להבטיח שסגסוגת הטונגסטן משיגה את הצפיפות, החוזק ותכונות אחרות הנדרשות. סינטר דו-שלבי [4] נמצא בשימוש נרחב: שלב ההלבנה הקדם-שולט בדרך כלל על הטמפרטורה ב-1000-1200 מעלות. בתוך טווח טמפרטורות זה, מתכות נמוכות בנקודת -התכה- כגון נחושת וברזל יגיעו למצב נוזלי ויעברו דיפוזיה מוצקה- עם חלקיקי אבקת הטונגסטן שמסביב, יקבעו את המיקום של חלקיקי אבקת סגסוגת הטונגסטן וימלאו אותם באופן שווה, ובכך יגיעו לעיצוב ריק. הבא הוא שלב הסינטרינג-בטמפרטורה גבוהה, שבו מתרחשות תגובות מוצקות-ושלב נוזלי- בין חלקיקי האבקה, ובסופו של דבר יוצרות מבנה סגסוגת טונגסטן צפופה. השליטה על טמפרטורת הסינטר והזמן ממלאת תפקיד מכריע בביצועי המוצר. אם זמן הסינטרינג ארוך מדי, גודל גביש הטונגסטן יגדל, וישפיע על הצפיפות והביצועים הכוללים של הסגסוגת; אם הטמפרטורה גבוהה מדי, זה יגרום למתכות נמוכות-להתכה-כגון נחושת וברזל, להפחית את הצפיפות והחוזק המכני של הסגסוגת. טמפרטורת הסינטר נשלטת בדרך כלל בסביבות 1400 מעלות, וסינטר טרום- והסנטור-בטמפרטורה גבוהה מתבצעות בדרך כלל בסביבת ואקום או גז אינרטי כדי להפחית את החמצון והנידוף של סגסוגות -נמוכות-התכה. תהליך נפוץ הוא קודם-שריפה מראש של ריק אבקת הטונגסטן שנוצר ב-1200 מעלות למשך שעה אחת באווירת מימן כדי לתת לו חוזק ומוליכות מסוימים, ולאחר מכן לבצע סינטר התנגדות עצמית באמצעות החום שנוצר מההתנגדות של הריק עצמו כדי לקדם עוד יותר סינטר.

2.2 תהליך ייצור תוסף

שיטות מטלורגיית אבקה מסורתיות יכולות לייצר רק חלקים בעלי צורות קבועות יחסית. עבור חלקי סגסוגת טונגסטן עם מבנים מורכבים, במיוחד אלה עם חללים מורכבים, עדיין נדרש עיבוד מורכב לאחר יצירת ריק כדי לעמוד סוף סוף בדרישות החלק. נכון לעכשיו, אין שיטות עיבוד ויצירת יעילות עבור חללים פנימיים סגורים מורכבים, מה שמגביל את העיצוב של חלקי סגסוגת טונגסטן. טכנולוגיית ייצור תוסף מספקת פתרון חדש לתכנון וייצור של חלקי סגסוגת טונגסטן. טכנולוגיות ייצור תוספי מתכת נפוצות כוללות התכת לייזר סלקטיבית (SLM), לייזר סטריאופורמציה (LSF), ייצור תוסף קשת חשמלית (WAAM), התכת לייזר סלקטיבית של מיטת אבקה (L-PBF), ותצהיר אנרגיה כיוונית לייזר (L-DED) [5, 6]. השוואה בין היתרונות והחסרונות של תהליכי ייצור תוספים שונים לייצור חלקי סגסוגת טונגסטן מוצגת בטבלה 1. SLM יכול לייצר חלקים בעלי גיאומטריות מורכבות, אך יש לו בעיות כמו משטח מחוספס, מתח שיורי בין שכבות גדול וגודל חלק מוגבל, והוא מתאים לייצור חלקים קטנים; LSF יכול להשיג מבנה עדין, אחיד וצפוף, לשפר את התכונות המכניות ואת עמידותם בפני קורוזיה של חומרים, אך כאשר פרמטרי התהליך אינם מתאימים, קל להתרחש פגמים כגון איחוי לקוי בשכבה המופקדת; WAAM מתאים לייצור חלקי מבנה תעופה וחלל משולבים בקנה מידה גדול{10}, עם קצב היווצרות גבוה וצפיפות גבוהה, אך איכות פני השטח של החלקים המיוצרים ירודה. חלק סגסוגת טונגסטן טיפוסית המיוצר על ידי טכנולוגיית ייצור תוסף מוצג באיור 2. בהשוואה לשיטת המתכות המסורתית של אבקה, לייצור תוסף יש יתרונות ברורים בייצור חלקי סגסוגת טונגסטן מורכבים. הוא יכול לא רק להכין חלקים עם מבנים וחללים מורכבים כדי לעמוד בדרישות עיצוב מיוחדות, אלא גם לממש את השכבה-על ידי-השכבה של חומרים, לשפר את ניצול החומרים ולהפחית עלויות[7]. טבלה 1. השוואה בין יתרונות וחסרונות של חלקי סגסוגת טונגסטן המיוצרים בתהליכי ייצור תוספים שונים

א) רשת נגד-פיזור

ב) חלקים נקבוביים

איור 2. חלקי סגסוגת טונגסטן טיפוסיים המיוצרים בטכנולוגיית ייצור תוסף

2.3 השוואת תהליכים ובחירה

מטלורגיית אבקה וייצור תוספים הן כיום שתי השיטות העיקריות לייצור חלקי חלקי סגסוגת טונגסטן, לכל אחד יתרונות וחסרונות משלו בהכנת ריקים. השוואה של תהליכי הכנת ריק מסגסוגת טונגסטן מוצגת בטבלה 2. מתכות אבקה בוגרת יותר באופן יחסי, מניבה חומרים עם צפיפות טובה יותר ומציעה יתרונות בייצור המוני יציב. ייצור תוסף הוא תהליך חדש שפותח בשנים האחרונות, עם מסלולי תהליך נגזרות שונים, ויש לו יתרונות בייצור חלקי מבנה בעלי חללים מורכבים.

טבלה 2. השוואה בין תהליכי הכנת סגסוגת טונגסטן ריקים

כדי להשיג ביצועים מקיפים גבוהים יותר, חלקי סגסוגת טונגסטן בתחומים-מתקדמים כגון תעופה וחלל, הגנה, תעשייה גרעינית, ציוד רפואי ואלקטרוניקה נוטים להיות בעלי מאפיינים מבניים מורכבים יותר, כולל קירות דקים, משטחים מעוקלים ומבנים נקבוביים, ששיטות מתכת אבקה מסורתיות אינן יכולות להתמודד איתם. ייצור חלקי סגסוגת טונגסטן טהורים-בצפיפות-גבוהה, ללא פגמים, ישירות תוך שימוש בייצור תוסף עדיין מתמודד עם כמה אתגרים טכניים. הדפסת שחול אבקה (PEP), טכנולוגיית הדפסה תלת מימדית עקיפה ממתכת המשלבת הדפסה תלת מימדית ומטלורגיית אבקה, משתמשת באבקת סגסוגת טונגסטן עם קלסר. האבקה מעוצבת באמצעות ציוד הדפסה תלת-ממדית ולאחר מכן מעובדת לאחר-באמצעות ביטול כריכה וסינטר של מתכות אבקה, ובסופו של דבר מניבה חלקים מבניים-בצפיפות-גבוהים ובעלי ביצועים גבוהים. טכנולוגיה זו מספקת פתרון חדש לקשיים של עיבוד סגסוגות טונגסטן וייצור מבנים מורכבים. מאפייני יצירת הטמפרטורה-הנמוכה ו-הטמפרטורה הגבוהה שלו פותרים ביעילות בעיות כגון דפורמציה, סדקים וחללים שניתן להיתקל בהם בקלות בתהליכי הדפסה תלת-ממדיים אחרים של סגסוגות טונגסטן.

PART.03

עיבוד שבבי של חלקי סגסוגת טונגסטן
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) מוביל לקצב שחיקת הכלים מואץ משמעותית במהלך העיבוד, ומשפיע על דיוק העיבוד ועל חיי הכלי. חיי הכלי ויעילות העיבוד הם גורמי מפתח שיש לקחת בחשבון בעיבוד שבבי. לסגסוגות טונגסטן מוליכות תרמית נמוכה יחסית, והחום שנוצר במהלך החיתוך קשה לפיזור מהיר. קצה החיתוך פועל בטמפרטורה גבוהה, מה שיוצר בקלות מתח תרמי, מה שמוביל לעיוות הכלים ולבלאי מוגבר [8]. שבבי סגסוגת טונגסטן הם גרגירים, מה שמקשה על הסרת השבבים. הם נוטים להצטבר באזור החיתוך, יוצרים קצוות שבבים, משפיעים על איכות פני השטח של החלקים המעובדים, ועלולים גם לפגוע בכלי ובכלי המכונה. השוואה של כלי חיתוך ופרמטרים של תהליך עבור חלקי סגסוגת טונגסטן מוצגת בטבלה 3. בפרקטיקה ההנדסית, כלי PCBN הם אחת הבחירות הטובות ביותר. חלקי סגסוגת טונגסטן טיפוסיים המעובדים על ידי חיתוך מוצגים באיור 3. טבלה 3 השוואת כלי חיתוך ופרמטרי תהליך עבור חלקי סגסוגת טונגסטן איור 3 חלקי סגסוגת טונגסטן טיפוסיים המעובדים על ידי חיתוך PART.04 השחזה של חלקי סגסוגת טונגסטן השחזה, כשיטת חיתוך מיקרו-, מתאימה לעיבוד חומרים בעלי קשיחות{{14} טונגסטן גבוהה כגון שחיקת גלגל השחזה מוצגת באיור 4. גלגל השחזה מורכב בעיקר מגרעינים שוחקים, נקבוביות ומקשרים ביחס ספציפי. לגרגירי השוחקים שלו מאפייני זווית קהה, בדרך כלל בטווח של 90 מעלות עד 120 מעלות. במהלך תהליך הטחינה של סגסוגות טונגסטן, חומר הטחינה המתקבל הוא גרגירי. בשל צמיגותו וקשיחותו הנמוכים יחסית, קל יחסית להסיר את השבבים ואינם סותמים בקלות את נקבוביות גלגל השחזה [9]. לכן, בעת שחיקה של סגסוגות טונגסטן, ניתן להשתמש בגלגלי שחיקה עם נקבוביות גדולות יותר כדי לשפר את יעילות הטחינה ואיכות העיבוד. באזור הטחינה קל להצטבר חום טחינה, מה שעלול להוביל לכוויות טחינה. על מנת להתמודד ביעילות עם בעיה זו, יש צורך לנקוט באמצעי קירור מאולצים-גבוהים ו-גבוהים כדי להסיר את החום שנוצר בזמן תהליך הטחינה בזמן ולהפחית את העיוות התרמי והמתח התרמי באזור הטחינה. בדרך כלל, תחליבים על בסיס מים- נבחרים כנוזלי חיתוך כדי להבטיח שאפקט הקירור יגיע למצב הטוב ביותר. הבחירה של פרמטרי תהליך השחזה עבור חלקי סגסוגת טונגסטן מוצגת בטבלה 4. איור 4 תרשים סכמטי של גלגל השחזה טבלה 4 מבחר פרמטרים של תהליך השחזה עבור חלקי סגסוגת טונגסטן חלקי סגסוגת טונגסטן טהור או-ניקל-טונגסטן בעלי מגנטיות נמוכה. עבור חלקים דקים-, קשה לתקן אותם בצורה מהימנה עם צ'אקים אלקטרומגנטיים מסורתיים. ניתן לשקול מתקנים לספיחת ואקום [10] עבור הידוק. מתקן מיקום ספיחת ואקום עבור חלקי סגסוגת טונגסטן מוצג באיור 5. איור 5. תרשים סכמטי של מתקן מיצוב ספיחה בוואקום עבור חלקי סגסוגת טונגסטן

PART.05

עיבוד תיל EDM של חלקי סגסוגת טונגסטן
לסגסוגות טונגסטן יש נקודות התכה גבוהות וקשיות גבוהה, והן ניתנות לעיבוד באמצעות כלי קשיות- גבוהה כגון כלים מצופים, כלי PVD וכלים קרמיים. עם זאת, כלים אלה חווים בלאי משמעותי, מה שמקשה על עיבוד תכונות כגון נקבוביות, חריצים צרים וחורים בצורת לא סדירה באמצעות הכלים המסורתיים הללו. עיבוד תיל חשמלי (EDM) הוא תהליך עיבוד מיוחד. העיקרון הבסיסי שלו הוא להשתמש בחוט אלקטרודה מתכת עדין הנע ברציפות (בדרך כלל חוט נחושת או מוליבדן) כדי ליצור פריקות ניצוץ פועם בין חומר העבודה לחומר העבודה. הטמפרטורות הנוצרות הן בדרך כלל גבוהות כמו 8000-12000 מעלות, מספיק כדי להמיס או אפילו לאדות את חומר פני השטח של סגסוגת הטונגסטן, ובכך להשיג חיתוך של חלק העבודה. התנועה היחסית בין חוט האלקטרודה לחומר העבודה מאפשרת לכל תהליך החיתוך ליצור את הצורה הרצויה על משטח העבודה. איור 6 מציג את העיבוד של חורים בעלי צורה לא סדירה על ריק מסגסוגת טונגסטן באמצעות תיל EDM. חוט EDM משמש לעיבוד חלקי סגסוגת טונגסטן. הטמפרטורה הגבוהה גורמת לשינוי בשלב הגבישי של משטח סגסוגת הטונגסטן במהלך החיתוך, וכתוצאה מכך לשכבה שונה הפוגעת בתכונות הייחודיות של סגסוגת הטונגסטן. שיטת "חתך-אחד-תיקון-שלוש" משמשת במהלך העיבוד, ומפחיתה בהדרגה את עומק החיתוך ואת פרמטרי הספק הדופק כדי לתקן את השכבה ששונתה.

איור 6: עיבוד חורים לא סדירים על ריק מסגסוגת טונגסטן באמצעות תיל EDM

PART.06

מסקנה מאמר זה בוחן ומסכם את הכנת הריק, שיטות העיבוד הנפוצות וקשיי העיבוד של חלקי סגסוגת טונגסטן דיוק. בהכנה ריק, מתכות אבקה בוגרת יותר באופן יחסי, מניבה חומרים עם צפיפות טובה יותר ומציעה יתרונות בייצור המוני יציב. ייצור תוסף, תהליך חדש יחסית שפותח בשנים האחרונות, הוליד מסלולי תהליך שונים ויש לו יתרונות בייצור חלקי מבנה בעלי חללים מורכבים. בחיתוך, לכלי PCBN יש יתרונות, משיגים חיי כלי עבודה גבוהים ומפחיתים את ההשפעה של בלאי הכלים על דיוק העיבוד. טכנולוגיית השחזה היא יתרון עבור עיבוד משטחים רגילים, השגת איכות משטח גבוהה יותר. עבור תכונות חורים וחריצים, תיל EDM מציע יעילות עיבוד גבוהה. תהליך הכנת הריק המוזכר לעיל, כמו גם שיטות חיתוך, שחיקה וחיתוך תיל, יכולים לשפר ביעילות את איכות הייצור ויעילות הייצור של חלקי סגסוגת טונגסטן מדויקים, ולספק תמיכה טכנית לפיתוח תעשיות קשורות.