Stopy wolframu zdecydowanie znajdują się na liście „materiałów koszmarnych” inżynierów. Ich wysoka gęstość i twardość stwarza poważne wyzwania w zakresie przetwarzania, dzięki czemu każdy krok wydaje się ciężką bitwą. Jak ten trudny materiał można z dużą wydajnością przekształcić z surowca w gotowy produkt?
Nie martw się, ta nieoceniona „tajna broń” jest tutaj! W tym artykule przeanalizujemy proces od samego początku przygotowania surowca, porównując zalety i wady metalurgii proszków i druku 3D, szczegółowo opisując podstawowe techniki cięcia, szlifowania i cięcia drutem oraz przedstawiając-najnowocześniejszą technologię, która może pomóc w osiągnięciu dwukrotnie lepszych wyników przy połowie wysiłku-wytłaczania proszkowego (PEP), zapewniając solidną podstawę do projektowania i produkcji.
CZĘŚĆ 01
Wstęp
Stopy wolframu, jako materiał stopowy, którego głównym składnikiem jest wolfram (zawartość wolframu zwykle wynosi od 85% do 99%) i dodane pierwiastki, takie jak nikiel, żelazo, miedź, kobalt, molibden i chrom, odgrywają niezastąpioną rolę w wielu-dziedzinach zaawansowanych technologii, takich jak przemysł nuklearny, przemysł wojskowy i opieka medyczna, ze względu na ich wyjątkowo wysoką gęstość (16,5 do 19,0 g/cm3), wysoką temperaturę topnienia i doskonałe właściwości mechaniczne siła[1]. W medycynie stopy wolframu są wykorzystywane do produkcji kluczowych elementów sprzętu do radioterapii. Ze względu na swoją wysoką gęstość mogą dokładnie blokować i kształtować promienie oraz są głównymi materiałami do produkcji kolimatorów i osłon radiacyjnych[2]. Te doskonałe właściwości powodują również wiele trudności w przetwarzaniu i produkcji stopów wolframu. Celem tego artykułu jest systematyczne i dogłębne zbadanie procesu przygotowania półfabrykatu i powszechnie stosowanych metod przetwarzania części ze stopów wolframu oraz dostarczenie cennego odniesienia do ich precyzyjnego wytwarzania.
CZĘŚĆ 02
Proces przygotowania półfabrykatów części ze stopów wolframu
2.1 Technologia metalurgii proszków
Stopy wolframu są trudne w produkcji przy użyciu konwencjonalnych procesów wytapiania i przygotowania stopów ze względu na ich dużą gęstość, wysoką temperaturę topnienia i wysoką twardość. Metalurgia proszków jest tradycyjną i szeroko stosowaną metodą wytwarzania półwyrobów ze stopów wolframu. Jego kluczowe procesy przedstawiono na rysunku 1, obejmujące przygotowanie proszku wolframu, mieszanie, formowanie i spiekanie [3]. W procesie przygotowania proszku wolframu, w celu zapewnienia czystości proszku wolframu, często stosuje się takie procesy, jak redukcja wodorem i redukcja wolframianu amoniakiem. Jednocześnie zawartość tlenu, wielkość cząstek i kształt proszku wolframu mają znaczący wpływ na ostateczną wydajność i jakość stopu i muszą być ściśle kontrolowane. Zbyt duża zawartość tlenu obniży parametry stopu, natomiast wielkość i kształt cząstek wpłynie na efekt późniejszych procesów mieszania i formowania. Na przykład proszek wolframu o jednolitej wielkości cząstek pomaga bardziej równomiernie mieszać się z innymi proszkami metali podczas mieszania, zapewniając spójność składu stopu. Podczas procesu mieszania należy upewnić się, że wielkość różnych cząstek proszku metalu jest jednakowa, a proporcja jest dokładna. Do precyzyjnego mieszania często stosuje się mieszanie mechaniczne, mielenie kulowe i inne metody. Metody formowania obejmują prasowanie izostatyczne na zimno, tłoczenie matrycowe, formowanie poprzez wytłaczanie proszku i formowanie wtryskowe proszku itp. Metody te umożliwiają wytwarzanie części o skomplikowanych kształtach.
Rysunek 1 Kluczowe procesy metalurgii proszków półfabrykatów ze stopów wolframu
Proces spiekania jest kluczem do zapewnienia, że stop wolframu osiągnie wymaganą gęstość, wytrzymałość i inne właściwości. Powszechnie stosuje się-spiekanie dwuetapowe [4]: etap-przed spiekaniem zwykle kontroluje temperaturę na poziomie 1000-1200 stopni. W tym zakresie temperatur metale o niskiej-topliwości-, takie jak miedź i żelazo, osiągną stan ciekły i ulegną-dyfuzji w fazie stałej z otaczającymi cząsteczkami proszku wolframu, ustalając położenie cząstek proszku stopu wolframu i równomiernie je wypełniając, uzyskując w ten sposób pusty kształt. Następny etap to-etap spiekania w wysokiej temperaturze, w którym pomiędzy cząsteczkami proszku zachodzą-reakcje w fazie stałej i fazie ciekłej, tworząc ostatecznie gęstą strukturę stopu wolframu. Kontrola temperatury i czasu spiekania odgrywa decydującą rolę w działaniu produktu. Jeśli czas spiekania jest zbyt długi, wielkość kryształów wolframu wzrośnie, co wpłynie na gęstość i ogólną wydajność stopu; zbyt wysoka temperatura powoduje ulatnianie się metali o niskiej-topliwości-takich jak miedź i żelazo, co zmniejsza gęstość i wytrzymałość mechaniczną stopu. Temperatura spiekania jest zazwyczaj kontrolowana na poziomie około 1400 stopni, a spiekanie-wstępne i spiekanie-w wysokiej temperaturze zwykle przeprowadza się w próżni lub w środowisku gazu obojętnego, aby ograniczyć utlenianie i ulatnianie się stopów o niskiej-temperaturze topnienia-. Powszechnym procesem jest wstępne{{27}wypalanie uformowanego półfabrykatu z proszku wolframu w temperaturze 1200 stopni przez 1 godzinę w atmosferze wodoru w celu nadania mu określonej wytrzymałości i przewodności, a następnie wykonanie spiekania samooporowego przy użyciu ciepła generowanego przez własny opór półwyrobu w celu dalszego wspomagania spiekania.
2.2 Proces wytwarzania przyrostowego
Tradycyjne metody metalurgii proszków umożliwiają wytwarzanie półfabrykatów jedynie o stosunkowo regularnych kształtach. W przypadku części ze stopów wolframu o złożonej strukturze, szczególnie tych ze złożonymi wnękami, po formowaniu półwyrobu nadal wymagana jest skomplikowana obróbka, aby ostatecznie spełnić wymagania części. Obecnie nie ma skutecznych metod przetwarzania i formowania złożonych zamkniętych wnęk wewnętrznych, co ogranicza projektowanie części ze stopów wolframu. Technologia wytwarzania przyrostowego zapewnia nowe rozwiązanie w zakresie projektowania i produkcji części ze stopów wolframu. Powszechnie stosowane technologie wytwarzania przyrostowego metali obejmują selektywne stapianie laserowe (SLM), stereoformowanie laserowe (LSF), wytwarzanie przyrostowe łukiem elektrycznym (WAAM), selektywne stapianie laserowe w złożu proszkowym (L-PBF) i kierunkowe osadzanie energii laserowej (L-DED) [5, 6). Porównanie zalet i wad różnych procesów wytwarzania przyrostowego do wytwarzania części ze stopu wolframu przedstawiono w tabeli 1. SLM może wytwarzać części o złożonej geometrii, ale ma problemy, takie jak chropowata powierzchnia, duże naprężenia szczątkowe międzywarstwowe i ograniczony rozmiar części, a także nadaje się do wytwarzania małych części; LSF może uzyskać drobną, jednolitą i gęstą strukturę, poprawić właściwości mechaniczne i odporność na korozję materiałów, ale gdy parametry procesu nie są dobrane, łatwo mogą wystąpić defekty, takie jak słabe stopienie w osadzonej warstwie; WAAM nadaje się do wytwarzania-na dużą skalę zintegrowanych części konstrukcyjnych przemysłu lotniczego i kosmicznego, charakteryzujących się dużą szybkością formowania i dużą gęstością, ale jakość powierzchni formowanych części jest niska. Typową część ze stopu wolframu wytwarzaną technologią przyrostową pokazano na rysunku 2. W porównaniu z tradycyjną metodą metalurgii proszków, wytwarzanie przyrostowe ma oczywiste zalety w wytwarzaniu złożonych części ze stopu wolframu. Może nie tylko przygotowywać części o złożonej strukturze i wnękach, aby spełnić specjalne wymagania projektowe, ale także realizować osadzanie materiałów warstwa po warstwie, poprawiać wykorzystanie materiałów i redukować koszty[7]. Tabela 1. Porównanie zalet i wad części ze stopu wolframu wytwarzanych w różnych procesach wytwarzania przyrostowego
a) Siatka zapobiegająca-rozproszeniu
b) Części porowate
Rysunek 2. Typowe części ze stopu wolframu wytwarzane przy użyciu technologii wytwarzania przyrostowego
2.3 Porównanie i wybór procesów
Metalurgia proszków i produkcja przyrostowa to obecnie dwie główne metody wytwarzania półwyrobów ze stopów wolframu, a każda z nich ma swoje zalety i wady w przygotowaniu półwyrobu. Porównanie procesów przygotowania półwyrobów ze stopów wolframu przedstawiono w Tabeli 2. Metalurgia proszków jest stosunkowo bardziej dojrzała, dając materiały o lepszej gęstości i oferując korzyści w postaci stabilnej produkcji masowej. Wytwarzanie przyrostowe to nowy proces opracowany w ostatnich latach, charakteryzujący się różnymi pochodnymi drogami procesowymi i ma zalety w wytwarzaniu części konstrukcyjnych o skomplikowanych wnękach.
Tabela 2. Porównanie procesów przygotowania półfabrykatu stopu wolframu
Aby uzyskać wyższą wszechstronną wydajność, części ze stopów wolframu w-nowoczesnych dziedzinach, takich jak przemysł lotniczy, obronny, nuklearny, sprzęt medyczny i elektronika, mają zwykle bardziej złożone cechy konstrukcyjne, w tym cienkie ścianki, zakrzywione powierzchnie i struktury porowate, z którymi nie radzą sobie tradycyjne metody metalurgii proszków. Produkcja części ze stopu wolframu o dużej-gęstości-bez defektów bezpośrednio przy użyciu technologii wytwarzania przyrostowego wciąż wiąże się z kilkoma wyzwaniami technicznymi. Drukowanie metodą wytłaczania proszków (PEP), technologia pośredniego druku 3D z metalu, łącząca druk 3D i metalurgię proszków, wykorzystuje proszek ze stopu wolframu ze spoiwem. Proszek jest kształtowany przy użyciu sprzętu do drukowania 3D, a następnie-poddawany końcowej obróbce poprzez usuwanie spoiw i spiekanie w procesie metalurgii proszków, w wyniku czego ostatecznie powstają części konstrukcyjne o-gęstości i-wydajności. Technologia ta zapewnia nowatorskie rozwiązanie trudności związanych z obróbką stopów wolframu i wytwarzaniem złożonych struktur. Jego właściwości związane z formowaniem w niskiej-temperaturze i ustawianiem-w wysokiej temperaturze skutecznie rozwiązują problemy, takie jak deformacja, pękanie i puste przestrzenie, które łatwo można napotkać w innych procesach drukowania 3D stopów wolframu.
CZĘŚĆ 03
Obróbka części ze stopów wolframu
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) prowadzi do znacznie przyspieszonego zużycia narzędzia podczas obróbki, co wpływa na dokładność obróbki i trwałość narzędzia. Trwałość narzędzia i wydajność obróbki to kluczowe czynniki, które należy wziąć pod uwagę podczas obróbki. Stopy wolframu mają stosunkowo niską przewodność cieplną, a ciepło powstające podczas cięcia jest trudne do szybkiego odprowadzenia. Krawędź skrawająca pracuje w wysokiej temperaturze, która łatwo generuje naprężenia termiczne, prowadzące do deformacji narzędzia i zwiększonego zużycia [8]. Wióry stopu wolframu są ziarniste, co utrudnia usuwanie wiórów. Mają tendencję do gromadzenia się w obszarze skrawania, tworząc krawędzie wiórów, wpływając na jakość powierzchni obrabianych części, a także mogą uszkodzić narzędzie i obrabiarkę. Porównanie narzędzi skrawających i parametrów procesu dla części ze stopów wolframu przedstawiono w tabeli 3. W praktyce inżynierskiej narzędzia PCBN są jednym z najlepszych wyborów. Typowe części ze stopu wolframu obrabiane przez cięcie pokazano na rysunku 3. Tabela 3 Porównanie narzędzi skrawających i parametrów procesu dla części ze stopu wolframu Rysunek 3 Typowe części ze stopu wolframu obrabiane przez cięcie CZĘŚĆ.04 Szlifowanie części ze stopu wolframu Szlifowanie, jako metoda mikro-skrawania, nadaje się do obróbki materiałów o wysokiej-twardości, takich jak stopy wolframu. Szlifowanie ściernicy pokazano na rysunku 4. Ściernica składa się głównie z ziaren ściernych, porów i spoiw w określonych proporcjach. Jego ziarna ścierne mają charakterystykę kąta rozwartego, zwykle w zakresie od 90 stopni do 120 stopni. Podczas procesu mielenia stopów wolframu powstały materiał mielący jest ziarnisty. Wióry, ze względu na stosunkowo niską lepkość i udarność, są stosunkowo łatwe do usunięcia i nie zatykają łatwo porów ściernicy [9]. Dlatego podczas szlifowania stopów wolframu można zastosować ściernice o większych porach, aby poprawić wydajność szlifowania i jakość obróbki. W obszarze szlifowania ciepło szlifowania łatwo gromadzi się, co może prowadzić do oparzeń podczas szlifowania. Aby skutecznie uporać się z tym problemem, konieczne jest zastosowanie wymuszonego chłodzenia pod wysokim-ciśnieniem i wysokim{28}}przepływem, aby na czas usunąć ciepło powstające podczas procesu mielenia i zmniejszyć odkształcenia termiczne i naprężenia termiczne w obszarze mielenia. Zwykle jako płyny obróbkowe wybiera się emulsje-na bazie wody, aby zapewnić najlepszy efekt chłodzenia. Dobór parametrów procesu szlifowania części ze stopu wolframu przedstawiono w Tabeli 4. Rysunek 4 Schemat ideowy ściernicy Tabela 4 Dobór parametrów procesu szlifowania części ze stopu wolframu Części z czystego wolframu lub wolframu,-niklu-miedzi mają niski magnetyzm. W przypadku cienkościennych-części trudno jest je niezawodnie zamocować za pomocą tradycyjnych uchwytów elektromagnetycznych. Do mocowania można uwzględnić urządzenia do adsorpcji próżniowej [10]. Urządzenie do pozycjonowania z adsorpcją próżniową dla części ze stopu wolframu pokazano na rysunku 5. Rysunek 5. Schemat ideowy urządzenia do pozycjonowania z adsorpcją próżniową dla części ze stopu wolframu
CZĘŚĆ 05
Obróbka elektroerozyjna części ze stopów wolframu
Stopy wolframu mają wysoką temperaturę topnienia i dużą twardość i można je obrabiać przy użyciu-narzędzi o wysokiej twardości, takich jak narzędzia powlekane, narzędzia PVD i narzędzia ceramiczne. Jednakże narzędzia te ulegają znacznemu zużyciu, co utrudnia obróbkę elementów, takich jak pory, wąskie szczeliny i otwory o nieregularnym kształcie, przy użyciu tych tradycyjnych narzędzi. Obróbka elektroerozyjna drutu (EDM) to specjalny proces obróbki. Jego podstawową zasadą jest wykorzystanie stale poruszającego się cienkiego metalowego drutu elektrodowego (zwykle drutu miedzianego lub molibdenowego) do generowania pulsacyjnych wyładowań iskrowych pomiędzy przedmiotem obrabianym a przedmiotem obrabianym. Wygenerowane temperatury wynoszą zwykle tak wysokie, jak 8000–12000 stopni, wystarczające do stopienia lub nawet odparowania materiału powierzchniowego stopu wolframu, zapewniając w ten sposób cięcie przedmiotu obrabianego. Względny ruch pomiędzy drutem elektrodowym a przedmiotem obrabianym umożliwia całemu procesowi cięcia uzyskanie pożądanego kształtu na powierzchni przedmiotu obrabianego. Rysunek 6 przedstawia obróbkę otworów o nieregularnym kształcie na półfabrykacie ze stopu wolframu za pomocą elektrodrążenia drutowego. Drut EDM służy do obróbki części ze stopów wolframu. Wysoka temperatura powoduje zmianę fazy krystalicznej powierzchni stopu wolframu podczas cięcia, w wyniku czego powstaje zmodyfikowana warstwa, która pogarsza unikalne właściwości stopu wolframu. Podczas obróbki stosowana jest metoda „wycięcia-jednego-naprawy-trzech”, stopniowo zmniejszając głębokość cięcia i parametry mocy impulsu w celu naprawy zmodyfikowanej warstwy.
Rysunek 6: Obróbka nieregularnych otworów w półfabrykacie ze stopu wolframu za pomocą elektrodrążenia drutowego
CZĘŚĆ 06
Wnioski W artykule tym zbadano i podsumowano przygotowanie półwyrobu, powszechne metody przetwarzania i trudności w przetwarzaniu precyzyjnych części ze stopów wolframu. W przygotowaniu półfabrykatu metalurgia proszków jest stosunkowo bardziej dojrzała, dając materiały o lepszej gęstości i oferując korzyści w stabilnej produkcji masowej. Wytwarzanie przyrostowe, stosunkowo nowy proces opracowany w ostatnich latach, umożliwiło zastosowanie różnych ścieżek procesowych i ma zalety w wytwarzaniu części konstrukcyjnych ze złożonymi wnękami. W skrawaniu narzędzia PCBN mają zalety, osiągając wysoką trwałość narzędzia i zmniejszając wpływ zużycia narzędzia na dokładność obróbki. Technologia szlifowania jest korzystna przy obróbce powierzchni regularnych, uzyskując wyższą jakość powierzchni. W przypadku otworów i rowków elektroerozja drutowa zapewnia wysoką wydajność przetwarzania. Wyżej wymieniony proces przygotowania półwyrobu, a także metody cięcia, szlifowania i cięcia drutu mogą skutecznie poprawić jakość produkcji i wydajność produkcji precyzyjnych części ze stopów wolframu, zapewniając wsparcie techniczne dla rozwoju powiązanych branż.
