กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 11 นาที

โลหะวิทยาผง

โลหะวิทยาผง ( PM ) เป็นคำที่ครอบคลุมวิธีการต่างๆ มากมายในการผลิตวัสดุหรือชิ้นส่วนจาก ผงโลหะ กระบวนการ PM บางครั้งใช้เพื่อลดหรือขจัดความจำเป็นในการใช้ กระบวนการตัดเฉือน ในการผลิต...

โลหะวิทยาผง

ผงเหล็กมักใช้ในกระบวนการเผาผนึก

โลหะวิทยาผง ( PM ) เป็นคำที่ครอบคลุมวิธีการต่างๆ มากมายในการผลิตวัสดุหรือชิ้นส่วนจากผงโลหะกระบวนการ PM บางครั้งใช้เพื่อลดหรือขจัดความจำเป็นในการใช้กระบวนการตัดเฉือนในการผลิต ลดการสูญเสียวัสดุ และลดต้นทุนของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย[ 1 ]โดยเฉพาะอย่างยิ่งมักเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนโลหะขนาดเล็ก เช่น เฟืองสำหรับเครื่องจักรขนาดเล็ก[ 1 ]ผลิตภัณฑ์ที่มีรูพรุนบางชนิดที่ยอมให้ของเหลวหรือก๊าซซึมผ่านได้นั้นผลิตด้วยวิธีนี้[ 1 ]นอกจากนี้ยังใช้เมื่อการหลอมวัสดุทำได้ยาก เนื่องจากมีจุดหลอมเหลว สูง หรือเป็นโลหะผสมของวัสดุสองชนิดที่ไม่ละลายซึ่งกันและกัน เช่น ส่วนผสมของทองแดงและกราไฟต์[ 1 ]

ด้วยวิธีนี้ โลหะวิทยาผงสามารถใช้สร้างวัสดุพิเศษที่ไม่สามารถได้มาจากการหลอมหรือการขึ้นรูปด้วยวิธีอื่น[ 1 ]ผลิตภัณฑ์ที่สำคัญมากในประเภทนี้คือทังสเตนคาร์ไบด์ [ 1 ] ทังสเตนคาร์ไบด์ใช้ในการตัดและขึ้นรูปโลหะอื่นๆ และทำจากอนุภาคทังสเตนคาร์ไบด์ที่ยึดติดด้วยโคบอลต์[ 2 ] ทังสเตนคาร์ไบด์เป็นการใช้ ทังสเตนที่ใหญ่ที่สุดและสำคัญที่สุด[ 3 ]โดยใช้ประมาณ 50% ของอุปทานทั่วโลก[ 4 ]ผลิตภัณฑ์อื่นๆ ได้แก่ ตัวกรอง เผาผนึก ตลับลูกปืนพรุนที่ชุบน้ำมัน หน้า สัมผัสไฟฟ้า และเครื่องมือเพชร

เทคนิคโลหะวิทยาผงโดยทั่วไปประกอบด้วยการอัดผง และการให้ความร้อน ( การเผาผนึก ) ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของโลหะ เพื่อยึดอนุภาคเข้าด้วยกัน[ 1 ]ผงสำหรับกระบวนการสามารถผลิตได้หลายวิธี รวมถึงการลดสารประกอบโลหะ[ 1 ]การอิเล็กโทรไลซิสสารละลายที่มีโลหะ[ 1 ]และการบดเชิงกล[ 1 ]ตลอดจนวิธีการที่ซับซ้อนกว่า เช่น วิธีต่างๆ ในการทำให้โลหะเหลวแตกตัวเป็นหยด และการควบแน่นจากไอโลหะ การอัดมักทำด้วยเครื่องอัดแบบแม่พิมพ์ แต่ก็สามารถทำได้ด้วยแรงกระแทกจากการระเบิด หรือการวางภาชนะที่ยืดหยุ่นในก๊าซหรือของเหลวที่มีแรงดันสูง การเผาผนึกมักทำในเตาเผาเฉพาะ แต่ก็สามารถทำควบคู่ไปกับการอัด (การอัดไอโซสแตติกแบบร้อน) หรือการใช้กระแสไฟฟ้าได้

นับตั้งแต่การเกิดขึ้นของ การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุโดยใช้ผงโลหะในระดับอุตสาหกรรมในช่วงทศวรรษ 2010 การเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือกจุดและกระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุด้วยโลหะอื่นๆ ได้กลายเป็นหมวดหมู่ใหม่ของการประยุกต์ใช้โลหะวิทยาผงที่มีความสำคัญในเชิงพาณิชย์

ภาพรวม

กระบวนการ "อัดและเผาผนึก" ของโลหะวิทยาผงโดยทั่วไปประกอบด้วยสามขั้นตอนพื้นฐาน ได้แก่ การผสมผง (หรือการบดละเอียด ) การอัดขึ้น รูปและการเผาผนึกการอัดผงในแม่พิมพ์โดยทั่วไปจะทำที่อุณหภูมิห้องการเผาผนึกเป็นกระบวนการเชื่อมวัสดุเข้าด้วยกันโดยใช้ความร้อนโดยไม่ทำให้วัสดุกลายเป็นของเหลว โดยปกติจะดำเนินการที่ความดันบรรยากาศและภายใต้การควบคุมองค์ประกอบของบรรยากาศอย่างระมัดระวัง เพื่อให้ได้คุณสมบัติพิเศษหรือความแม่นยำที่เพิ่มขึ้น มักจะมีการประมวลผลรอง เช่นการขึ้นรูปเหรียญหรือการอบชุบความร้อนตามมา[ 5 ]

หนึ่งในวิธีการเก่าแก่คือกระบวนการผสมผงโลหะละเอียด (<180 ไมครอน) กับสารเติมแต่ง อัดขึ้นรูปเป็นแม่พิมพ์ตามรูปทรงที่ต้องการ แล้วนำวัสดุที่อัดแน่นมาเผาผนึกเข้าด้วยกันภายใต้บรรยากาศที่ควบคุมได้ ผงโลหะที่ใช้มักจะเป็นเหล็กและสารเติมแต่งได้แก่ ขี้ผึ้งหล่อลื่นคาร์บอนทองแดงและ/หรือนิกเกล วิธีนี้ทำให้ได้ชิ้นส่วนที่มี ความแม่นยำสูง โดยปกติจะมีขนาดใกล้เคียงกับขนาดของแม่พิมพ์ แต่มีรูพรุน 5–15% จึงมีคุณสมบัติคล้ายเหล็กขึ้นรูป วิธีนี้ยังคงใช้ในการผลิตชิ้นส่วนโครงสร้างจากโลหะผสมเหล็กประมาณ 1 ล้านตันต่อปี

นอกจากกระบวนการบริหารโครงการ (PM) อื่นๆ อีกหลายกระบวนการที่ได้รับการพัฒนาขึ้นในช่วงห้าสิบปีที่ผ่านมา ซึ่งรวมถึง:

  • การขึ้นรูปด้วยผง: นำ "ชิ้นงานขึ้นรูปเบื้องต้น" ที่ทำขึ้นโดยวิธี "กดและเผาผนึก" แบบดั้งเดิม มาให้ความร้อนแล้วจึงขึ้นรูปด้วยความร้อนจนได้ความหนาแน่นเต็มที่ ส่งผลให้ได้คุณสมบัติที่แทบจะเหมือนกับชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยการรีด
  • การอัดขึ้นรูปด้วยความดันไอโซสแตติกแบบร้อน (HIP): ในกระบวนการนี้ ผงซึ่งปกติแล้วเป็นผงละเอียดที่ถูกทำให้เป็นละอองด้วยแก๊สและมีลักษณะเป็นทรงกลม จะถูกบรรจุลงในแม่พิมพ์ ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็น "กระป๋อง" โลหะ กระป๋องจะถูกทำให้สั่น จากนั้นจึงดูดอากาศออกและปิดผนึก เพื่อทำการเผาผนึกผง ผงจะถูกวางไว้ใน "เครื่องอัดไอโซสแตติก" ที่ร้อนเป็นเวลาหลายชั่วโมง โดยจะถูกทำให้ร้อนถึงประมาณ 0.7 เท่าของจุดหลอมเหลว และอยู่ภายใต้ความดันแก๊สภายนอกประมาณ 100 MPa [ 6 ]ส่งผลให้ได้ชิ้นส่วนที่มีรูปร่างที่มีความหนาแน่นเต็มที่พร้อมคุณสมบัติที่ดียิ่งขึ้นหรือเทียบเท่ากับที่ขึ้นรูปไว้ HIP ถูกคิดค้นขึ้นในช่วงปี 1950-1960 และเริ่มผลิตในปริมาณมากในช่วงปี 1970-1980 ในปี 2015 มีการใช้ HIP ในการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมและเหล็กกล้าเครื่องมือประมาณ 25,000 ตันต่อปี รวมถึงชิ้นส่วนสำคัญของโลหะผสมพิเศษสำหรับเครื่องยนต์เจ็ท
  • การขึ้นรูปโลหะด้วยการฉีด (MIM): ในกระบวนการนี้ ผงโลหะซึ่งปกติจะมีขนาดเล็กมาก (<25 ไมครอน) และเป็นทรงกลม จะถูกผสมกับสารยึดเกาะ พลาสติกหรือแว็กซ์ จนเกือบถึงปริมาณของแข็งสูงสุด โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 65% ของปริมาตร และฉีดขึ้นรูปเข้าไปในแม่พิมพ์เพื่อสร้างชิ้นส่วน "สีเขียว" (มีสารยึดเกาะ) ที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน จากนั้นชิ้นส่วนนี้จะถูกให้ความร้อนหรือผ่านกระบวนการอื่นเพื่อกำจัดสารยึดเกาะออกไปเพื่อให้ได้ชิ้นส่วน "สีน้ำตาล" (ไม่มีสารยึดเกาะ) จากนั้นชิ้นส่วนนี้จะถูกเผาผนึกและหดตัวลงประมาณ 18% เพื่อให้ได้ชิ้นส่วนสำเร็จรูปที่มีรูปทรงซับซ้อนและมีความหนาแน่น 95–99% (ความหยาบผิวประมาณ 3 ไมครอน) [ 7 ]คิดค้นขึ้นในทศวรรษ 1970 การผลิตเพิ่มขึ้นตั้งแต่ปี 2000 โดยมีปริมาณการผลิตทั่วโลกโดยประมาณในปี 2014 อยู่ที่ 12,000 ตัน มูลค่า 1,265 ล้านยูโร[ 8 ]
  • เทคโนโลยี การเผาผนึกด้วยกระแสไฟฟ้า (ECAS) ใช้กระแสไฟฟ้าในการเผาผนึกผง ซึ่งช่วยลดเวลาการผลิตลงอย่างมาก (จาก 15 นาทีเหลือเพียงไม่กี่ไมโครวินาที) ไม่จำเป็นต้องใช้ความร้อนในเตาเผานาน และช่วยให้ได้ความหนาแน่นใกล้เคียงกับค่าทางทฤษฎี แต่ก็มีข้อเสียคือรูปทรงที่เรียบง่าย[ 9 ]ผงที่ใช้ใน ECAS ไม่จำเป็นต้องใช้สารยึดเกาะ เนื่องจากสามารถเผาผนึกได้โดยตรง โดยไม่ต้องอัดและอัดแน่นด้วยสารยึดเกาะก่อน แม่พิมพ์ได้รับการออกแบบให้ตรงกับรูปทรงของชิ้นส่วนสุดท้าย เนื่องจากผงจะเผาผนึกในขณะที่เติมเต็มช่องว่างภายใต้แรงดันที่ใช้ซึ่งช่วยหลีกเลี่ยงปัญหาความแปรปรวนของรูปทรงที่เกิดจากการเผาผนึกที่ไม่เป็นไอโซโทรปิก รวมถึงการบิดเบี้ยวที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงที่อุณหภูมิสูงเทคโนโลยีที่พบได้บ่อยที่สุดคือการอัดร้อนซึ่งใช้ในการผลิตเครื่องมือเพชรสำหรับอุตสาหกรรมการก่อสร้าง ณ ปี 2018 มีเพียงการอัดร้อน และการเผาผนึกด้วยพลาสมาประกายไฟ (ในวงจำกัด) เท่านั้นที่นำไปใช้ในอุตสาหกรรมโดยตรง[ 10 ]
  • การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing หรือ AM) เป็นกลุ่มเทคนิคใหม่ที่ใช้ผงโลหะ (และวัสดุอื่นๆ เช่น พลาสติก) ในการผลิตชิ้นส่วนโดยใช้การเผาผนึกหรือการหลอมด้วยเลเซอร์กระบวนการนี้กำลังเติบโตอย่างรวดเร็วในปี 2015[ 11 ]และในปี 2018 มีการใช้เป็นหลักสำหรับการวิจัย การสร้างต้นแบบ หรือการใช้งานขั้นสูงในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ แม้ว่าจะรวมถึงอุตสาหกรรมชีวการแพทย์ การป้องกันประเทศ และยานยนต์ด้วย[ 11 ] มีการใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศเนื่องจากกระบวนการแบบดั้งเดิมใช้เวลานาน ยาก และมีต้นทุนสูงกว่า[ 11 ]กระบวนการต่างๆ ได้แก่การพิมพ์ 3 มิติการเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือก (SLS) การหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือก (SLM) และการหลอมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน (EBM)

ประวัติและศักยภาพ

ส่วนหัวของเหรียญเงินที่ระลึกถึงการประชุมโลหะวิทยาผงนานาชาติครั้งที่ 4 ในปี 1973

ประวัติศาสตร์ของโลหะวิทยาผงและศิลปะการเผาผนึก โลหะและ เซรามิก มีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด การเผาผนึกเกี่ยวข้องกับการผลิตชิ้นส่วนโลหะหรือเซรามิกที่เป็นของแข็งจากผงเริ่มต้น ชาวอินคาโบราณทำเครื่องประดับและสิ่งประดิษฐ์อื่นๆ จากผงโลหะมีค่า แม้ว่าการผลิตผลิตภัณฑ์ PM จำนวนมากจะไม่ได้เริ่มต้นจนกระทั่งกลางหรือปลายศตวรรษที่ 19 ในการดำเนินงานการผลิตในช่วงแรกๆ เหล่านี้ เหล็กจะถูกสกัดด้วยมือจากฟองน้ำโลหะหลังจากการรีดิวซ์แล้วนำกลับมาใช้ใหม่ในรูปผงเพื่อหลอมหรือเผาผนึกขั้นสุดท้าย[ 12 ]

กระบวนการผลิตผงสามารถผลิตผลิตภัณฑ์ได้หลากหลายกว่าการผสม โลหะโดยตรงจาก วัสดุหลอมเหลว ในกระบวนการหลอมเหลว " กฎเฟส " ใช้ได้กับธาตุบริสุทธิ์และธาตุผสมทั้งหมด และกำหนดการกระจายตัวของเฟส ของเหลวและของแข็ง ที่สามารถมีอยู่ได้สำหรับองค์ประกอบเฉพาะอย่างเคร่งครัด นอกจากนี้ การหลอมวัสดุเริ่มต้นทั้งหมดเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการผสมโลหะ ซึ่งทำให้เกิดข้อจำกัดทางเคมี ความร้อน และการกักเก็บที่ไม่พึงประสงค์ในการผลิต น่าเสียดายที่การจัดการ ผง อะลูมิเนียม /เหล็กก่อให้เกิดปัญหาสำคัญ[ 12 ] [ 13 ]สารอื่นๆ ที่ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในบรรยากาศเป็นพิเศษ เช่นดีบุกสามารถเผาผนึกได้ในบรรยากาศพิเศษหรือด้วยการเคลือบชั่วคราว[ 12 ] [ 14 ]

ในโลหะวิทยาผงหรือเซรามิกส์ สามารถผลิตชิ้นส่วนที่อาจสลายตัวหรือแตกสลายได้หากไม่ใช้กระบวนการดังกล่าว การพิจารณาการเปลี่ยนแปลงเฟสของของแข็งและของเหลวสามารถละเลยได้ ดังนั้นกระบวนการผงจึงมีความยืดหยุ่นมากกว่าเทคนิคการหล่อการอัดรีดหรือการตีขึ้นรูป[ 12 ]คุณลักษณะที่ควบคุมได้ของผลิตภัณฑ์ที่เตรียมโดยใช้เทคโนโลยีผงต่างๆ ได้แก่ คุณสมบัติทางกล แม่เหล็ก[ 12 ] [ 15 ]และคุณสมบัติที่ไม่ธรรมดาอื่นๆ ของวัสดุ เช่น ของแข็งที่มีรูพรุน มวลรวม และสารประกอบโลหะระหว่างกัน[ 12 ]คุณลักษณะที่แข่งขันได้ของกระบวนการผลิต (เช่น การสึกหรอของเครื่องมือ ความซับซ้อน หรือตัวเลือกของผู้ขาย) ก็สามารถควบคุมได้อย่างใกล้ชิดเช่นกัน[ 12 ]

ผลิตภัณฑ์พิเศษ

เทคโนโลยีโลหะวิทยาผงสามารถ ผลิต ผลิตภัณฑ์พิเศษ ได้มากมาย รายการที่ไม่ครบถ้วนนี้ได้แก่ เส้นใย Al2O3 ด้วยชั้นออกไซด์บางมากเพื่อปรับปรุงการหักเหของแสง; เหล็กอัดที่มีการเพื่อเพิ่มความแข็งแรงในการคืบที่อุณหภูมิสูง; ไส้ หลอดไฟที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีผง; แผ่นรองสำหรับเบรกเสียดทาน; กระจกโลหะสำหรับฟิล์มและริบบิ้นที่มีความแข็งแรงสูง; แผ่นกันความร้อนสำหรับการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของยานอวกาศ; หน้าสัมผัสไฟฟ้าสำหรับการจัดการกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่; แม่เหล็ก ; เฟอร์ไรต์ไมโครเวฟ ; ตัวกรองก๊าซ; และแบริ่งที่สามารถแทรกซึมด้วยสารหล่อลื่นได้[ 12 ]

ฟิล์มบางมากและทรงกลมขนาดเล็กแสดงความแข็งแรงสูง การประยุกต์ใช้ข้อสังเกตนี้อย่างหนึ่งคือการเคลือบวัสดุที่เปราะบางในรูปทรงหนวดด้วยฟิล์มโลหะที่อ่อนกว่ามากในระดับไมโครเมตร (เช่น ทังสเตนเคลือบ โคบอลต์ ) ความเครียดที่พื้นผิวของชั้นบางๆ ทำให้โลหะที่แข็งกว่าอยู่ภายใต้แรงอัด ดังนั้นเมื่อวัสดุคอมโพสิตทั้งหมดถูกเผาผนึก ความแข็งแรงในการแตกหักจะเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ด้วยวิธีนี้ ความแข็งแรงในระดับ 2.8  GPa เทียบกับ 550  MPa ได้รับการสังเกตสำหรับทังสเตนคาร์ไบด์ ที่เคลือบ (โคบอลต์ 25%) และ ไม่ เคลือบ ตามลำดับ [ 12 ]

การผลิตผง

ภาพระยะใกล้ของผงทองแดงที่ผลิตโดยกระบวนการทำให้เป็นละอองด้วยแก๊สโดยใช้ลม

วัสดุที่หลอมละลายได้ทุกชนิดสามารถทำให้เป็นละอองได้[ 12 ]มีการพัฒนาเทคนิคหลายอย่างที่ช่วยให้สามารถผลิตอนุภาคผงได้ในอัตราสูง โดยมักจะมีการควบคุมช่วงขนาดของอนุภาคสุดท้ายได้อย่างดี[ 12 ]ผงอาจเตรียมได้โดยการบด การโม่ ปฏิกิริยาเคมี หรือการตกตะกอนด้วยไฟฟ้า[ 12 ]ผงที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดคือวัสดุที่มีทองแดงเป็นส่วนประกอบหลักและเหล็กเป็นส่วนประกอบหลัก[ 16 ]

ผง ของธาตุไทเทเนียมวานาเดียทอเรียมไนโอเบียมแทนทาลัมแคลเซียมและยูเรเนียม ได้รับการผลิตโดย การลดไนไตรด์และคาร์ไบด์ที่เกี่ยวข้องด้วยอุณหภูมิสูงผงเหล็ก นิกเกล ยูเรเนียม และเบริลเลียมที่มีขนาดเล็กกว่าไมโครเมตร ได้รับจากการลดออกซาเลตและฟอร์เมตของโลหะอนุภาคละเอียดมากยังได้รับการเตรียมโดยการส่งกระแสโลหะหลอมเหลวผ่าน เจ็ท พลาสมาหรือเปลวไฟที่ มีอุณหภูมิสูง เพื่อทำให้วัสดุกลายเป็นละออง กระบวนการผลิตผงทางเคมีและที่เกี่ยวข้องกับเปลวไฟต่างๆ ได้รับการนำมาใช้บางส่วนเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพอย่างรุนแรงของพื้นผิวอนุภาคจากออกซิเจนในบรรยากาศ[ 12 ]

ผงสามารถได้มาจากการพ่นด้วยแก๊สหรือน้ำ[ 17 ]การพ่นแบบแรงเหวี่ยง[ 12 ]การลดสารประกอบอนุภาคด้วยสารเคมี[ 17 ]การตกตะกอนด้วยไฟฟ้าในสภาวะที่เหมาะสม[ 17 ]การบดละเอียดแบบง่าย[ 17 ]การสลายตัวด้วยความร้อนของไฮไดรด์หรือคาร์บอนิลที่เป็นอนุภาค[ 17 ]การตกตะกอนออกจากสารละลาย[ 17 ]และการควบแน่นจากโลหะที่ระเหยเป็นไอ[ 17 ]

การทำให้ก๊าซเป็นละออง

แผนภาพแสดงกระบวนการทำให้เป็นละออง

การทำให้เป็นละอองทำได้โดยการบังคับให้กระแสโลหะหลอมเหลวไหลผ่านรูด้วยแรงดันปานกลาง[ 12 ]ก๊าซจะถูกป้อนเข้าไปในกระแสโลหะก่อนที่จะออกจากหัวฉีด ซึ่งทำหน้าที่สร้างความปั่นป่วนเมื่อก๊าซที่ถูกดึงเข้าไปขยายตัว (เนื่องจากความร้อน) และไหลออกไปยังปริมาตรการเก็บรวบรวมขนาดใหญ่ภายนอกรู[ 12 ]ปริมาตรการเก็บรวบรวมจะถูกเติมด้วยก๊าซเพื่อส่งเสริมความปั่นป่วนของเจ็ทโลหะหลอมเหลวให้มากขึ้น[ 12 ]กระแสอากาศและผงจะถูกแยกออกจากกันโดยใช้แรงโน้มถ่วงหรือ การแยก แบบไซโคลน[ 12 ]

มีเทคนิคการทำให้เป็นละอองแบบง่ายๆ โดยการบังคับให้โลหะเหลวไหลผ่านรูเล็กๆ ด้วยความเร็วสูงพอที่จะทำให้เกิดการไหลแบบปั่นป่วน ดัชนีวัดประสิทธิภาพที่ใช้กันโดยทั่วไปคือเลขเรย์โนลด์ที่เลขเรย์โนลด์ต่ำ กระแสน้ำจะสั่น แต่ที่ความเร็วสูงขึ้น กระแสจะกลายเป็นแบบปั่นป่วนและแตกตัวเป็นหย droplets พลังงานในการสูบฉีดถูกนำมาใช้ในการสร้างหย droplets ด้วยประสิทธิภาพที่ต่ำมาก (อยู่ในระดับประมาณ )การควบคุมการกระจายขนาดของอนุภาคโลหะที่ผลิตได้ นั้นค่อนข้างแย่ เทคนิคอื่นๆ เช่น การสั่นของหัวฉีด ความไม่สมมาตรของหัวฉีด กระแสการพุ่งชนหลายทิศทาง หรือการฉีดโลหะหลอมเหลวเข้าไปในก๊าซโดยรอบ ล้วนสามารถนำมาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำให้เป็นละออง ผลิตอนุภาคที่ละเอียดขึ้น และลดการกระจายขนาดของอนุภาคได้ อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องยากที่จะพ่นโลหะผ่านรูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าไม่กี่มิลลิเมตร ซึ่งในทางปฏิบัติจำกัดขนาดขั้นต่ำของอนุภาคผงไว้ที่ประมาณ 1%10  μmการทำให้เป็นละอองยังทำให้เกิดอนุภาคขนาดหลากหลาย ซึ่งจำเป็นต้องมีการจำแนกประเภทในขั้นตอนต่อไปโดยการคัดกรองและหลอมขอบเกรนส่วนสำคัญอีกครั้ง[ 12 ]

เทคนิคแรงเหวี่ยง

แผนภาพแสดงกระบวนการทำให้เป็นละอองด้วยแรงเหวี่ยง

การแตกตัวของอนุภาคหลอมเหลวด้วยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางเป็นวิธีแก้ปัญหาเหล่านี้วิธีหนึ่ง มีประสบการณ์มากมายกับเหล็ก เหล็กกล้า และอะลูมิเนียม โลหะที่จะบดเป็นผงจะถูกขึ้นรูปเป็นแท่งซึ่งถูกนำเข้าไปในห้องโดยใช้แกนหมุนที่หมุนอย่างรวดเร็ว ตรงข้ามกับปลายแกนหมุนจะมีอิเล็กโทรดซึ่งสร้างประกายไฟขึ้นมาเพื่อให้ความร้อนแก่แท่งโลหะ เมื่อวัสดุที่ปลายหลอมเหลว การหมุนของแท่งอย่างรวดเร็วจะทำให้เกิดหยดโลหะหลอมเหลวขนาดเล็กซึ่งจะแข็งตัวก่อนที่จะกระทบกับผนังห้อง ก๊าซที่หมุนเวียนจะกวาดอนุภาคออกจากห้อง เทคนิคที่คล้ายกันนี้สามารถนำไปใช้ในอวกาศหรือบนดวงจันทร์ได้ ผนังห้องสามารถหมุนเพื่อบังคับให้ผงใหม่เข้าไปในภาชนะเก็บรวบรวมที่อยู่ห่างไกล และอิเล็กโทรดสามารถถูกแทนที่ด้วยกระจกสะท้อนแสงอาทิตย์ที่โฟกัสไปที่ปลายแท่ง[ 12 ]

แนวทางอื่นที่สามารถผลิตการกระจายขนาดเม็ดที่แคบมากแต่มีปริมาณงานต่ำประกอบด้วยชามหมุนเร็วที่ให้ความร้อนสูงกว่าจุดหลอมเหลวของวัสดุที่จะบดเป็นผง โลหะเหลวที่ป้อนลงบนพื้นผิวของอ่างใกล้ศูนย์กลางด้วยอัตราการไหลที่ปรับเพื่อให้ฟิล์มโลหะบาง ๆ เคลือบผนังและขอบอย่างสม่ำเสมอจะแตกตัวเป็นหย droplets แต่ละหย droplets มีความหนาประมาณฟิล์ม[ 12 ]

การพ่นละอองน้ำ

แผนภาพแสดงกระบวนการทำให้ละอองน้ำ

เทคนิคการผลิตผงอีกวิธีหนึ่งเกี่ยวข้องกับการพ่นโลหะเหลวเป็นลำบางๆ สลับกับกระแสน้ำที่ถูกทำให้เป็นละอองด้วยความเร็วสูง ซึ่งจะทำให้ลำโลหะเหลวแตกออกเป็นหยดและทำให้ผงเย็นลงก่อนที่จะถึงก้นถัง ในขั้นตอนต่อไป ผงจะถูกทำให้แห้ง[ 12 ]วิธีนี้เรียกว่าการทำให้เป็นละอองด้วยน้ำ[ 17 ]การทำให้เป็นละอองด้วยน้ำจะทำให้อนุภาคโลหะเย็นลงและแข็งตัวได้เร็วกว่าการทำให้เป็นละอองด้วยแก๊ส[ 17 ]เนื่องจากอัตราการแข็งตัวแปรผกผันกับขนาดของอนุภาค จึงสามารถผลิตอนุภาคขนาดเล็กได้โดยใช้การทำให้เป็นละอองด้วยน้ำ[ 18 ]ยิ่งอนุภาคมีขนาดเล็กเท่าใด โครงสร้างจุลภาคก็จะยิ่งมีความสม่ำเสมอมากขึ้นเท่านั้นอนุภาคที่ผลิตด้วยวิธีนี้จะมีรูปร่างไม่สม่ำเสมอมากขึ้น[ 17 ]และการกระจายขนาดของอนุภาคจะกว้างขึ้นนอกจากนี้ อาจเกิดการปนเปื้อนที่พื้นผิวได้จากการก่อตัวของผิวออกซิเดชันผงสามารถลดลงได้ด้วยการบำบัดก่อนการรวมตัวบางชนิด เช่น การอบอ่อนที่ใช้ในการผลิตเครื่องมือเซรามิก

การอัดผง

แผนภาพแสดงขั้นตอนการอัดแน่นของเมล็ดพืช

การอัดผง ซึ่งเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดขั้นตอนหนึ่งในกระบวนการโลหะวิทยาผง คือกระบวนการอัดผงโลหะโดยใช้แรงดันสูง[ 19 ]การอัดผงส่วนใหญ่ทำด้วยเครื่องอัดเชิงกลและเครื่องมือแข็ง แต่ก็สามารถใช้เทคนิคไฮดรอลิกและนิวแมติกได้เช่นกัน รวมถึงวิธีการที่ผสมผสานการอัดเข้ากับการเผาผนึก เช่น การอัดไอโซสแตติกแบบร้อน[ 19 ]นอกจากนี้ยังใช้กระบวนการขึ้นรูปโลหะแบบดั้งเดิม รวมถึงการรีด การตีขึ้นรูป การอัดรีด และการขึ้นรูป ด้วยแรงกด [ 19 ]

ความหนาแน่นของผงที่อัดแน่นจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณแรงดันที่ใช้ แรงดันทั่วไปอยู่ระหว่าง80 ถึง 1,000 psi (0.55 ถึง 6.89 MPa) และ เคยมีการใช้แรงดันตั้งแต่1,000 ถึง 1,000,000 psi (6.9 ถึง 6,894.8 MPa) โดยทั่วไปแล้วจะใช้แรงดัน 10 ตัน/ตาราง นิ้วถึง 50 ตัน/ตารางนิ้ว (150 MPa ถึง 700 MPa) ในการอัดผงโลหะ เพื่อให้ได้อัตราส่วนการอัดที่ เท่ากัน ทั่วทั้งชิ้นส่วนที่มีระดับหรือความสูงมากกว่าหนึ่งระดับ จำเป็นต้องใช้แม่พิมพ์ด้านล่างหลายตัว ชิ้นงานทรงกระบอกทำโดยใช้เครื่องมือระดับเดียว ส่วนรูปทรงที่ซับซ้อนกว่านั้นสามารถทำโดยใช้เครื่องมือหลายระดับทั่วไปได้      

การขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์

เครื่องอัดผง

เทคโนโลยีหลักในการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์จากวัสดุผง ทั้งในแง่ของปริมาณและจำนวนชิ้นส่วนที่ผลิตได้ คือ การขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ มีเครื่องขึ้นรูปด้วยกลไก เครื่องขึ้นรูปด้วยเซอร์โวไฟฟ้า และเครื่องขึ้นรูปไฮดรอลิกวางจำหน่ายในตลาด โดยเครื่องขึ้นรูปไฮดรอลิกสามารถประมวลผลผงได้มากที่สุด เทคโนโลยีการขึ้นรูปนี้เกี่ยวข้องกับวงจรการผลิตดังต่อไปนี้ ซึ่งเป็นกระบวนการที่สามารถทำงานได้โดยอัตโนมัติและมีอัตราการผลิตสูง:

  1. การเติมผงวัสดุในปริมาณที่ทราบลงในช่องแม่พิมพ์ โดยส่งผง วัสดุจากหัวจ่ายวัสดุ (fill shoe)
  2. การอัดผงภายในแม่พิมพ์ด้วยตัวกดเพื่อขึ้นรูปเป็นชิ้นงานอัดแน่น โดยทั่วไปแล้ว แรงกดในการอัดจะถูกส่งผ่านตัวกดจากทั้งสองด้านของชุดเครื่องมือ เพื่อลดระดับความหนาแน่นที่ไม่สม่ำเสมอภายในชิ้นงานอัดแน่น
  3. การดีดชิ้นงานอัดแน่นออกจากแม่พิมพ์ โดยใช้ตัวดันด้านล่างดึงออกจากแม่พิมพ์
  4. การนำชิ้นงานอัดแน่นออกจากด้านบนของแม่พิมพ์โดยใช้ตัวดันวัสดุในขั้นตอนการเติมของรอบการผลิตถัดไป หรือโดยใช้ระบบอัตโนมัติหรือหุ่นยนต์

โดยทั่วไปเครื่องมือจะถูกยึดในแนวตั้ง โดยเครื่องมือเจาะจะขึ้นรูปด้านล่างของโพรง[ 20 ] สิ่งที่ต้อง พิจารณาขั้นพื้นฐานที่สุดคือการสามารถนำชิ้นส่วนออกจากแม่พิมพ์ได้หลังจากที่กดแล้ว พร้อมทั้งหลีกเลี่ยงมุมแหลมในการออกแบบ แนะนำให้รักษาพื้นที่ผิวสูงสุดให้ต่ำกว่า20 ตารางนิ้ว (0.013 ตร.ม. )และอัตราส่วนความสูงต่อเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 7 ต่อ 1 พร้อมทั้งมีผนังที่หนากว่า0.08 นิ้ว (2.0 มม.)และรักษาอัตราส่วนความหนาของผนังที่อยู่ติดกันให้ต่ำกว่า 2.5 ต่อ 1 [ 20 ]  

ข้อดีที่สำคัญอย่างหนึ่งของกระบวนการนี้คือความสามารถในการผลิตรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน ชิ้นส่วนที่มีร่องและเกลียวต้องใช้การกลึงเพิ่มเติม ขนาดชิ้นส่วนทั่วไปมีพื้นที่ตั้งแต่0.1 ตารางนิ้ว (0.65 ตารางเซนติเมตร) ถึง 20 ตารางนิ้ว (130 ตารางเซนติเมตร) และมีความยาวตั้งแต่0.1 ถึง 4 นิ้ว (0.25 ถึง 10.16 เซนติเมตร)อย่างไรก็ตาม สามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีพื้นที่น้อยกว่า0.1 ตารางนิ้ว (0.65 ตารางเซนติเมตร) และใหญ่กว่า25 ตารางนิ้ว (160 ตารางเซนติเมตร) และมี ความยาวตั้งแต่เศษส่วนของนิ้ว (2.54 เซนติเมตร) ถึงประมาณ8 นิ้ว (20 เซนติเมตร) ได้[ 20 ]โดยทั่วไปแล้วเครื่องอัดเชิงกลขนาดเล็กสามารถอัดได้ประมาณ 100 ชิ้นต่อนาที[ 19 ]       

ในการอัดขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ มีเครื่องมือหลักสี่ประเภท ได้แก่ การอัดขึ้นรูปด้วยการทำงานครั้งเดียว ซึ่งใช้สำหรับชิ้นส่วนที่บางและแบน การอัดขึ้นรูปด้วยการทำงานสองครั้งแบบตรงข้าม ซึ่งรองรับชิ้นส่วนที่หนากว่า การอัดขึ้นรูปด้วยการทำงานสองครั้งโดยใช้แม่พิมพ์ลอย และการอัดขึ้นรูปด้วยการทำงานสองครั้งแบบดึงแม่พิมพ์ออก เครื่องมือแบบการทำงานสองครั้งให้การกระจายความหนาแน่นที่ดีกว่าแบบการทำงานครั้งเดียวมาก เครื่องมือต้องได้รับการออกแบบให้ทนต่อแรงดันสูงโดยไม่เสียรูปหรือโค้งงอ เครื่องมือต้องทำจากวัสดุที่ขัดเงาและทนต่อการสึกหรอ[ 20 ]

การอัดกระแทก

การอัดแน่นด้วยแรงกระแทก หรือการอัดแน่นแบบไดนามิก เป็นเทคนิคการทดลองในการอัดแน่นผงโดยใช้คลื่นกระแทกแรงดันสูง[ 21 ] [ 22 ] เทคนิคนี้มีประโยชน์สำหรับผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่มาก รวมถึงผลิตภัณฑ์ที่มีน้ำหนักมากกว่า 3,000 ตันและมีขนาดใหญ่กว่า 100 ตารางนิ้ว[ 19 ]โดยทั่วไปแล้วผลิตภัณฑ์เหล่านี้จะผลิตโดยการกระแทกชิ้นงานด้วยแผ่นที่เร่งความเร็วด้วยแรงระเบิด แม้ว่าจะมีการวิจัยมาเป็นเวลานาน แต่เทคนิคนี้ก็ยังคงมีปัญหาเรื่องการควบคุมและความสม่ำเสมออยู่บ้างอย่างไรก็ตาม เทคนิคนี้ก็มีข้อดีที่มีศักยภาพที่น่าสนใจอยู่หลายประการ ตัวอย่างเช่น การอัดแน่นเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมากจนโครงสร้างจุลภาคที่ไม่เสถียรอาจยังคงอยู่ได้[ 23 ]

การอัดตัวแบบไอโซสแตติกเย็น

การอัดผงแบบไอโซสแตติกเป็นวิธีการอัดผงอีกวิธีหนึ่ง[ 19 ]ในการอัดแบบไอโซสแตติกเย็น อนุภาคโลหะละเอียดจะถูกวางลงในแม่พิมพ์ที่ยืดหยุ่น จากนั้นจึงจุ่มลงในก๊าซหรือของเหลวที่มีแรงดันสูงจากทุกทิศทาง (ไอโซสแตติก) [ 19 ]หลังจากการเผาผนึก กระบวนการผลิตนี้จะผลิตเศษโลหะน้อยมากและสามารถนำไปใช้ทำรูปทรงต่างๆ ได้มากมาย ความคลาดเคลื่อนที่กระบวนการนี้สามารถทำได้เมื่อรวมกับการเผาผนึกนั้นมีความแม่นยำมาก โดยมีค่าตั้งแต่ +/- 0.008  นิ้ว (0.2  มม.) สำหรับขนาดตามแนวแกน และ +/- 0.020  นิ้ว (0.5  มม.) สำหรับขนาดตามแนวรัศมี นี่เป็นวิธีการอัดผงที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด (หมวดหมู่ย่อยต่อไปนี้ก็มาจากเอกสารอ้างอิงนี้เช่นกัน) [ 20 ] โดยทั่วไปแล้วการดำเนินการนี้จะใช้ได้กับปริมาณการผลิตขนาดเล็กเท่านั้น และถึงแม้ว่าต้นทุนของแม่พิมพ์จะต่ำกว่าแม่พิมพ์กดมาก แต่โดยทั่วไปแล้วจะไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้และเวลาในการผลิตจะนานกว่ามาก[ 24 ]อัตราการผลิตมักจะต่ำมาก แต่ชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักมากถึง 100 ปอนด์สามารถอัดแน่นได้อย่างมีประสิทธิภาพ[ 19 ]เนื่องจากมีการใช้แรงดันจากทุกทิศทาง จึงต้องใช้แรงดันการอัดที่ต่ำกว่าเพื่อผลิตผงที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย[ 19 ]

แรงดันการอัดขึ้นรูปมีตั้งแต่15,000 psi (100,000 kPa )ถึง40,000 psi (280,000 kPa)สำหรับโลหะส่วนใหญ่ และประมาณ2,000 psi (14,000 kPa)ถึง10,000 psi (69,000 kPa)สำหรับวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ[ 20 ]ความหนาแน่นของชิ้นส่วนที่อัดขึ้นรูปด้วยแรงดันไอโซสแตติกจะสูงกว่ากระบวนการโลหะวิทยาผงอื่นๆ 5% ถึง 10% [ 20 ]ขนาดชิ้นงานโดยทั่วไปมีความหนาตั้งแต่0.25 นิ้ว (6.35 มม.)ถึง0.75 นิ้ว (19.05 มม.)และยาว ตั้งแต่ 0.5 นิ้ว (12.70 มม.)ถึง10 นิ้ว (254 มม.)สามารถอัดชิ้นงานที่มีความหนาตั้งแต่0.0625 นิ้ว (1.59 มม.)ถึง5 นิ้ว (127 มม.)และความยาว ตั้งแต่ 0.0625 นิ้ว (1.59 มม.)ถึง40 นิ้ว (1,016 มม.) ได้ [ 20 ]                        

ข้อดีเหนือกว่าการอัดผงแบบมาตรฐานคือความเป็นไปได้ที่จะใช้ผนังที่บางกว่าและชิ้นงานที่ใหญ่กว่า อัตราส่วนความสูงต่อเส้นผ่านศูนย์กลางไม่มีข้อจำกัด ไม่มีข้อจำกัดเฉพาะใดๆ ในเรื่องความแปรผันของความหนาของผนังร่องใต้ ร่องระบาย เกลียว และรูขวาง ไม่จำเป็นต้องใช้สารหล่อลื่นสำหรับการอัดผงแบบไอโซสแตติก ความหนาของผนังขั้นต่ำคือ 0.05  นิ้ว (1.27  มม.) และผลิตภัณฑ์สามารถมีน้ำหนักระหว่าง 40 ถึง 300 ปอนด์ (18 ถึง 136  กก.) ผงจะหดตัว 25 ถึง 45% หลังจากการอัด[ 20 ]

เครื่องมือไอโซสแตติกมีให้เลือก 3 แบบ คือ แบบแม่พิมพ์อิสระ (แบบเปียก) แบบแม่พิมพ์หยาบ (แบบชื้น) และแบบแม่พิมพ์คงที่ (แบบแห้ง) แบบแม่พิมพ์อิสระเป็นรูปแบบดั้งเดิมของการอัดไอโซสแตติกและโดยทั่วไปไม่ได้ใช้สำหรับงานผลิตจำนวนมาก ในเครื่องมือแบบแม่พิมพ์อิสระ แม่พิมพ์จะถูกถอดออกและเติมภายนอกกระป๋อง แบบชื้นคือแบบที่แม่พิมพ์อยู่ภายในกระป๋อง แต่เติมภายนอก ในเครื่องมือแบบแม่พิมพ์คงที่ แม่พิมพ์จะอยู่ภายในกระป๋อง ซึ่งช่วยให้กระบวนการเป็นไปโดยอัตโนมัติได้ง่ายขึ้น[ 20 ]

การเผาผนึก

อนุภาคสองอนุภาคถูกหลอมรวมเข้าด้วยกัน
ภาพตัดขวางของเครื่องมือเผาผนึกพร้อมกับชิ้นส่วนที่ผ่านการเผาผนึก

หลังจากอัดแน่นแล้ววัสดุผงจะถูกให้ความร้อนในบรรยากาศที่ควบคุมในกระบวนการที่เรียกว่าการเผาผนึก ในระหว่างกระบวนการนี้ พื้นผิวของอนุภาคจะยึดติดกันและได้คุณสมบัติที่ต้องการ[ 6 ]

การเผาผนึกผงโลหะเป็นกระบวนการที่อนุภาคภายใต้ความดันจะยึดติดกันทางเคมีเพื่อสร้างรูปร่างที่สอดคล้องกันเมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิสูง โดยทั่วไปอุณหภูมิที่ใช้ในการเผาผนึกอนุภาคจะต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของส่วนประกอบหลักในผง[ 25 ]หากอุณหภูมิสูงกว่าจุดหลอมเหลวของส่วนประกอบในชิ้นส่วนผงโลหะ ของเหลวของอนุภาคที่หลอมเหลวจะเติมเต็มรูพรุน การเผาผนึกประเภทนี้เรียกว่าการเผาผนึกในสถานะของเหลว[ 6 ]ความท้าทายที่สำคัญของการเผาผนึกโดยทั่วไปคือการทราบผลกระทบของกระบวนการต่อขนาดของอนุภาคที่อัดแน่น ซึ่งเป็นเรื่องยากโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวัตถุประสงค์ในการทำเครื่องมือซึ่งอาจต้องการขนาดที่เฉพาะเจาะจง โดยทั่วไปชิ้นส่วนที่เผาผนึกจะหดตัวและมีความหนาแน่นมากขึ้น แต่ก็อาจขยายตัวหรือไม่มีการเปลี่ยนแปลงสุทธิก็ได้[ 25 ]

แรงขับเคลื่อนหลักสำหรับ การเผาผนึกของแข็งคือพลังงานอิสระบนพื้นผิวที่มากเกินไป กระบวนการเผาผนึกของแข็งมีความซับซ้อนและขึ้นอยู่กับวัสดุและเตาเผา (อุณหภูมิและก๊าซ) กระบวนการเผาผนึกสามารถแบ่งออกเป็นหกขั้นตอนหลักซึ่งอาจทับซ้อนกันได้ ได้แก่ 1) การยึดเกาะเริ่มต้นระหว่างอนุภาค 2) การเติบโตของคอ 3) การปิดช่องรูพรุน 4) การกลมของรูพรุน 5) การเพิ่มความหนาแน่นหรือการหดตัวของรูพรุน และ 6) การขยายขนาดของรูพรุน กลไกหลักที่มีอยู่ในขั้นตอนเหล่านี้คือการระเหยการควบแน่นขอบเกรนการแพร่กระจายปริมาตรและการเสียรูปพลาสติก[ 25 ]

ในระหว่างกระบวนการนี้ คุณสมบัติหลายประการจะเพิ่มขึ้น รวมถึงความแข็งแรงความยืดหยุ่นความเหนียวและการนำไฟฟ้าและความร้อนของวัสดุ หากผงธาตุต่าง ๆ ถูกอัดแน่นและเผาผนึก วัสดุจะก่อตัวเป็นโลหะผสมและเฟสระหว่างโลหะ[ 6 ]เมื่อขนาดรูพรุนลดลง ความหนาแน่นของวัสดุจะเพิ่มขึ้น ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น การหดตัวนี้เป็นปัญหาใหญ่ในการผลิตชิ้นส่วนหรือเครื่องมือที่ต้องการขนาดที่เฉพาะเจาะจง การหดตัวของวัสดุทดสอบจะถูกตรวจสอบและใช้เพื่อปรับสภาพเตาเผาหรือเพิ่มขนาดของวัสดุที่อัดแน่นเพื่อให้ได้ขนาดที่ต้องการ แม้ว่าการเผาผนึกจะไม่ทำให้ส่วนที่อัดแน่นมีรูพรุน หมดไปก็ตาม โดยทั่วไปแล้ว ชิ้นส่วนโลหะผงจะมีรูพรุนห้าถึงยี่สิบห้าเปอร์เซ็นต์หลังจากการเผาผนึก[ 6 ]

เตาเผาผนึกทั่วไป

เตาเผาเซรามิกแบบตั้งโปรแกรมได้ พร้อมโปรแกรมควบคุมอุณหภูมิ ใช้สำหรับเผาผนึกเซรามิก

เตาเผา แบบซินเทอร์ริ่งส่วนใหญ่มีสามโซนที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันสามอย่าง ซึ่งช่วยในการดำเนินการหกขั้นตอนข้างต้น โซนแรก มักเรียกว่าขั้นตอนการเผาไหม้หรือการไล่อากาศ ออกแบบมาเพื่อเผาไหม้อากาศ เผาไหม้สิ่งปนเปื้อน เช่น สารหล่อลื่นหรือสารยึดเกาะ และค่อยๆ เพิ่มอุณหภูมิของวัสดุที่อัดแน่น หากอุณหภูมิของชิ้นส่วนที่อัดแน่นเพิ่มขึ้นเร็วเกินไป อากาศในรูพรุนจะมีแรงดันภายในสูงมาก ซึ่งอาจนำไปสู่การขยายตัวหรือการแตกหักของชิ้นส่วนได้ โซนที่สอง เรียกว่าขั้นตอนอุณหภูมิสูง ใช้ในการสร้างการแพร่กระจายของของแข็งและการยึดเกาะของอนุภาค วัสดุพยายามลดพลังงานพื้นผิวและทำเช่นนั้นโดยการเคลื่อนที่ไปยังจุดสัมผัสระหว่างอนุภาค จุดสัมผัสจะใหญ่ขึ้นและในที่สุดจะสร้างมวลของแข็งที่มีรูพรุนขนาดเล็ก โซนที่สาม หรือที่เรียกว่าช่วงการระบายความร้อน ใช้เพื่อทำให้ชิ้นส่วนเย็นลงในขณะที่ยังคงอยู่ในบรรยากาศที่ควบคุมได้ นี่เป็นโซนที่สำคัญเนื่องจากป้องกันการเกิดออกซิเดชันจากการสัมผัสกับอากาศโดยตรงหรือปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว ทั้งสามขั้นตอนต้องดำเนินการในบรรยากาศที่ควบคุมได้โดยปราศจากออกซิเจน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน แอมโมเนียที่แยกตัว และไฮโดรคาร์บอนที่แตกตัว เป็นก๊าซทั่วไปที่ถูกสูบเข้าไปในโซนเตาเผาเพื่อสร้างบรรยากาศรีดิวซ์ป้องกันการเกิดออกไซด์[ 6 ]

การอัดขึ้นรูปด้วยความร้อนแบบไอโซสแตติก

โครงสร้างจุลภาคของโลหะผสมนิกเกลหลังการอัดขึ้นรูปด้วยความดันไอโซสแตติกสูง

การอัดขึ้นรูปด้วยความร้อนแบบไอโซสแตติก (HIP) จะอัดและเผาผนึกชิ้นส่วนไปพร้อมกัน[ 12 ]โดยใช้ความร้อนประมาณ 2300  °F (1250  °C) ในกรณีของเหล็ก หรือ 2750  °F (1500  °C) ในกรณีของโลหะผสมนิกเกล[ 19 ]กระบวนการนี้ร่วมกับเทคนิคการอัดขึ้นรูปด้วยแรงระเบิดถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในการผลิตชิ้นส่วนที่มีอุณหภูมิสูงและมีความแข็งแรงสูง เช่น จานกังหันสำหรับเครื่องยนต์เจ็ท[ 12 ]ในการใช้งานส่วนใหญ่ของโลหะวิทยาผง ชิ้นงานจะถูกอัดขึ้นรูปด้วยความร้อน โดยให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่สูงกว่านั้น วัสดุจะไม่สามารถคงความแข็งตัวจากการทำงานต่อไปได้[ 12 ]การอัดขึ้นรูปด้วยความร้อนจะลดแรงดันที่จำเป็นในการลดรูพรุนและเร่งกระบวนการเชื่อมและการเปลี่ยนรูปของเกรน[ 12 ]นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถควบคุมขนาดของผลิตภัณฑ์ได้ดีขึ้น ลดความไวต่อลักษณะทางกายภาพของวัสดุเริ่มต้น และช่วยให้สามารถอัดผงให้มีความหนาแน่นสูงกว่าการอัดขึ้นรูปด้วยความเย็น ส่งผลให้มีความแข็งแรงสูงขึ้น[ 12 ]ข้อเสียของการอัดร้อน ได้แก่ อายุการใช้งานของแม่พิมพ์สั้นลง อัตราการผลิตช้าลงเนื่องจากการให้ความร้อนแก่ผง และความจำเป็นบ่อยครั้งในการใช้บรรยากาศป้องกันหรือสุญญากาศธรรมดาในระหว่างขั้นตอนการขึ้นรูปและการระบายความร้อน[ 12 ] [ 19 ]

HIP ผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพสูงกว่ากระบวนการอื่นๆ[ 19 ]อย่างไรก็ตาม HIP มีราคาแพง และโดยทั่วไปไม่น่าสนใจสำหรับการผลิตในปริมาณมาก เนื่องจากต้นทุนสูงในการวางผงลงในตัวกลางฉนวนที่ยืดหยุ่นซึ่งสามารถทนต่ออุณหภูมิและความดันได้ ( การบรรจุกระป๋อง ) แล้วนำออกจากตัวกลางนั้น ( การแกะกระป๋อง ) รวมถึงระยะเวลาที่ยาวนาน ซึ่งอาจใช้เวลาตั้งแต่ 6 ถึง 8 ชั่วโมง[ 19 ]

การเผาผนึกโดยใช้กระแสไฟฟ้าช่วย

การเผาผนึกด้วยพลาสมาประกายไฟ เป็นวิธีการเผาผนึกชนิดหนึ่งที่ใช้กระแสไฟฟ้าช่วย ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับประกายไฟหรือพลาสมาแต่อย่างใด

เทคนิคเหล่านี้ใช้กระแสไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนหรือเพิ่มประสิทธิภาพการเผาผนึก[ 26 ]การผสมผสานระหว่างแรงดันเชิงกลและกระแสไฟฟ้าที่ผ่านผงหรือภาชนะจะช่วยลดเวลาการเผาผนึกได้อย่างมากเมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม[ 26 ]เทคนิคเหล่านี้มีการจำแนกประเภทมากมาย แต่สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ เทคนิคการเผาผนึกด้วยความต้านทาน ซึ่งใช้แรงดันและกระแสไฟฟ้าที่ต่ำกว่า และใช้เวลาประมาณสิบวินาทีถึงสิบนาที และการเผาผนึกด้วยการปล่อยประจุไฟฟ้า ซึ่งใช้ชุดตัวเก็บประจุเพื่อให้ได้กระแสและแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น และใช้เวลาตั้งแต่หลายสิบไมโครวินาทีถึงหลายสิบมิลลิวินาที[ 26 ]เทคนิคการเผาผนึกด้วยความต้านทาน ได้แก่การเผาผนึกด้วยพลาสมาประกายไฟ (SPS) การเผาผนึกด้วยพลาสมาที่กระตุ้น (PAS) และการเผาผนึกด้วยกระแสไฟฟ้าแบบพัลส์ (PECS) [ 27 ]เทคนิคการเผาผนึกด้วยการปล่อยประจุไฟฟ้า ได้แก่การเผาผนึกด้วยการปล่อยประจุตัวเก็บ ประจุ [ 27 ]ปัจจุบัน การเผาผนึกด้วยพลาสมาประกายไฟเป็นวิธีการรวมตัวด้วยพัลส์ไฟฟ้าที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุด[ 27 ]

กระแสการเผาผนึกด้วยความต้านทานโดยทั่วไปจะสูงถึงประมาณ 1 kA ต่อตารางเซนติเมตร ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าการเผาผนึกด้วยการปล่อยประจุไฟฟ้าสูงถึงหลายกิโลโวลต์ก็ต้องการกระแสสูงมากเช่นกัน มากกว่า 10 kA ต่อตารางเซนติเมตร[ 27 ]เทคนิคการเผาผนึกด้วยความต้านทานเป็นวิธีการรวมตัวที่อาศัยอุณหภูมิ โดยการให้ความร้อนแก่แม่พิมพ์และผงจะทำผ่านกระแสไฟฟ้า โดยปกติจะมีเวลาในการประมวลผลลักษณะเฉพาะอยู่ที่ 15 ถึง 30 นาที ในทางกลับกัน วิธีการเผาผนึกด้วยการปล่อยประจุไฟฟ้าอาศัยกระแสไฟฟ้าที่มีความหนาแน่นสูง (ตั้งแต่ 0.1 ถึง 1 kA/mm² )เพื่อเผาผนึกผงนำไฟฟ้าโดยตรง โดยมีเวลาลักษณะเฉพาะระหว่างหลายสิบไมโครวินาทีถึงหลายร้อยมิลลิวินาที

กระบวนการผลิตผงอย่างต่อเนื่อง

ตามหลักแล้ว วลี "กระบวนการต่อเนื่อง" ควรใช้เพื่ออธิบายโหมดการผลิตที่สามารถขยายออกไปได้เรื่อยๆ อย่างไม่มีกำหนด อย่างไรก็ตาม โดยปกติแล้ว คำนี้หมายถึงกระบวนการที่ผลิตภัณฑ์มีความยาวในมิติทางกายภาพหนึ่งมากกว่าอีกสองมิติ ตัวอย่างที่พบได้บ่อยที่สุดคือ การอัด การรีด และการอัดขึ้นรูป[ 12 ]

การบีบอัด

กระบอกไฮดรอลิก หรือ แรมไฮดรอลิก ที่ใช้ในเครื่องอัดร้อนของเครื่องผลิตแผ่นไม้อัดอนุภาค

ในกระบวนการอัดแบบง่าย ผงจะไหลจากถังลงบนช่องที่มีผนังสองด้าน และถูกอัดซ้ำๆ ในแนวตั้งโดยใช้หมัดที่อยู่กับที่ในแนวนอน หลังจากดึงชิ้นงานอัดออกจากสายพานลำเลียงแล้ว มวลที่อัดแน่นจะถูกนำเข้าสู่เตาเผาผนึก วิธีที่ง่ายกว่านั้นคือการพ่นผงลงบนสายพานที่กำลังเคลื่อนที่และเผาผนึกโดยไม่ต้องอัด อย่างไรก็ตาม วิธีที่ดีในการดึงวัสดุที่อัดเย็นออกจากสายพานที่กำลังเคลื่อนที่นั้นหาได้ยาก ทางเลือกหนึ่งที่หลีกเลี่ยงความยากลำบากในการดึงสายพานได้อย่างสิ้นเชิงคือการผลิตแผ่นโลหะโดยใช้กระบอกไฮดรอลิก แบบตรงข้ามกัน แม้ว่าอาจเกิดเส้นความอ่อนแอขึ้นตามแผ่นโลหะในระหว่างการทำงานของการกดต่อเนื่องกัน[ 12 ]

กลิ้ง

แผนภาพการรีดโลหะ

ผงโลหะยังสามารถรีดเพื่อผลิตแผ่นได้ ผงโลหะจะถูกป้อนเข้าไปในเครื่องรีดแบบสองลูกกลิ้ง[ a ]และถูกอัดให้เป็นแผ่นด้วยความเร็วสูงสุด100 ฟุตต่อนาที (0.5 ม./วินาที)จากนั้นแผ่นโลหะจะถูกเผาผนึกและนำไปรีดอีกครั้งและเผาผนึกเพิ่มเติม การรีดมักใช้ในการผลิตแผ่นโลหะสำหรับชิ้นส่วนไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ รวมถึงเหรียญกษาปณ์นอกจากนี้ยังมีการทำงานอย่างมากเกี่ยวกับการรีดวัสดุหลายชั้นที่แตกต่างกันพร้อมกันให้เป็นแผ่น[ 12 ] 

การอัดรีด

กระบวนการอัดรีดมีสองประเภทหลัก ประเภทหนึ่งคือการผสมผงกับสารยึดเกาะหรือสารทำให้พลาสติกอ่อนตัวที่อุณหภูมิห้อง ส่วนอีกประเภทหนึ่งคือการอัดรีดผงที่อุณหภูมิสูงขึ้นโดยไม่ใช้สารเสริมแรงการอัดรีดโดยใช้สารยึดเกาะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการเตรียมวัสดุคอมโพสิตทังสเตนคาร์ไบด์ มีการผลิตท่อ รูปทรงที่ซับซ้อน และรูปทรงดอกสว่านเกลียวในความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางที่หลากหลายในช่วง0.5–300 มม. (0.020–11.811 นิ้ว)ลวดโลหะแข็ง ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.1 มม. (0.0039 นิ้ว)ได้ถูกดึงออกมาจากผงโลหะ ในทางตรงกันข้าม การอัดรีดขนาดใหญ่ในระดับตันอาจเป็นไปได้[ 12 ]    

สำหรับโลหะที่อ่อนนุ่มและขึ้นรูปง่าย เช่น โลหะผสมอะลูมิเนียมและทองแดง อาจทำการอัดรีดแบบต่อเนื่องโดยใช้กระบวนการต่างๆ เช่น การอัดรีดแบบคอนฟอร์มอลหรือการอัดรีดแบบหมุนต่อเนื่อง กระบวนการเหล่านี้ใช้ล้อหมุนที่มีร่องรอบเส้นรอบวงเพื่อขับผงที่หลวมผ่านแม่พิมพ์ขึ้นรูป ด้วยการรวมกันของแรงดันสูงและเส้นทางความเครียดที่ซับซ้อน อนุภาคผงจะเปลี่ยนรูป สร้างความร้อนจากการเสียดสีจำนวนมาก และยึดติดกันเพื่อสร้างของแข็งขนาดใหญ่ ในทางทฤษฎี การทำงานแบบต่อเนื่องอย่างสมบูรณ์เป็นไปได้ตราบใดที่สามารถป้อนผงเข้าสู่กระบวนการได้[ 28 ]

ดูเหมือนว่าจะไม่มีข้อจำกัดใดๆ เกี่ยวกับความหลากหลายของโลหะและโลหะผสมที่สามารถขึ้นรูปด้วยการอัดรีดได้ ตราบใดที่อุณหภูมิและความดันที่เกี่ยวข้องอยู่ในขีดความสามารถของวัสดุแม่พิมพ์[ 12 ]ความยาวในการอัดรีดอาจมีตั้งแต่ 3 ถึง 30  เมตร[ 29 ]และเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 0.2 ถึง 1  เมตร เครื่องอัดรีดสมัยใหม่ส่วนใหญ่เป็นแบบอัตโนมัติและทำงานด้วยความเร็วสูง (ในระดับเมตร/วินาที) [ 12 ]

อันตราย

วัสดุและกระบวนการพิเศษที่ใช้ในโลหะวิทยาผงอาจก่อให้เกิดอันตรายต่อชีวิตและทรัพย์สิน อัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่สูงของผงอาจเพิ่มปฏิกิริยาทางเคมีในการสัมผัสทางชีวภาพ (เช่น การสูดดมหรือการกลืนกิน) และเพิ่มความเสี่ยงต่อการระเบิดของฝุ่นโลหะที่โดยทั่วไปไม่ทำปฏิกิริยาอาจติดไฟได้อย่างรวดเร็วเมื่อมีพื้นที่ผิวสูง ตัวอย่างเช่น เหล็กโดยทั่วไปไม่ติดไฟ แต่ใยเหล็กจะติดไฟได้อย่างรวดเร็ว วัสดุที่ถือว่าค่อนข้างไม่เป็นอันตรายในปริมาณมากอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงทางพิษวิทยาเป็นพิเศษเมื่ออยู่ในรูปที่ละเอียด การสูดดมโลหะหนักอาจส่งผลให้เกิดปัญหาสุขภาพมากมาย ตะกั่วและแคดเมียมโดยทั่วไปเป็นพิษ และโคบอลต์อาจทำให้เกิดโรคหอบหืดและพังผืดในบุคคลที่มีความไว[ 30 ]

ความเสี่ยงของผงโลหะอะลูมิเนียม

ผงอะลูมิเนียมเป็นที่ทราบกันดีว่าทำให้เกิดพังผืดในปอดในผู้ที่ทำงานกับผงอะลูมิเนียมในโรงงานผลิต[ 31 ]ตามข้อมูลของ CDC คนงานที่ได้รับสารอะลูมิเนียมในปริมาณมากอาจมีปัญหาเกี่ยวกับปอดอื่นๆ และผลเอกซเรย์ทรวงอกผิดปกติ คนงานบางรายยังมีประสิทธิภาพในการทดสอบทางระบบประสาทลดลงอีกด้วย[ 32 ]การได้รับสารอะลูมิเนียมอาจทำให้ผิวหนังและดวงตาระคายเคือง

ผงอะลูมิเนียมก็ติดไฟได้ง่ายเช่นกัน

นอกจากความเสี่ยงจากผงโลหะเองแล้ว ยังมีอันตรายอีกมากมายในระหว่างกระบวนการผลิตด้วย

ดูเพิ่มเติม

หมายเหตุ

  1. "แบบสองล้อ" หมายถึงมีล้อสองล้อที่เกี่ยวข้องกับการกลิ้ง "แบบสามล้อ" หมายถึงมีล้อสามล้อที่กลิ้งไปในทิศทางที่แตกต่างกันซ้อนกันอยู่

แหล่งอ้างอิง

  • DeGarmo, EP (2008). วัสดุและกระบวนการในการผลิต (PDF) (  ฉบับที่ 10). Wiley. ISBN 9780470055120เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อวันที่ 9 ตุลาคม 2019 เรียกดูเมื่อวันที่ 9 ตุลาคม 2019

อ่านเพิ่มเติม

  • บทความฉบับก่อนหน้านี้คัดลอกมาจากภาคผนวก 4Cของ รายงาน Advanced Automation for Space Missionsของ NASA ซึ่งเป็นรายงานสาธารณะ
  • RM German, "โลหะวิทยาผงและการแปรรูปวัสดุอนุภาค" สมาคมอุตสาหกรรมผงโลหะ, พรินซ์ตัน, นิวเจอร์ซีย์, 2005
  • F. Thummler และ R. Oberacker "ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับโลหะวิทยาผง" สถาบันวัสดุศาสตร์ ลอนดอน 1993
  • GS Upadhyaya, "วัสดุโลหะและเซรามิกเผาผนึก" สำนักพิมพ์ John Wiley and Sons, เวสต์ซัสเซ็กซ์, อังกฤษ, 2000
  • เทคนิคการผลิตแบบรวดเร็วนี้ได้รับการพัฒนาขึ้นที่มหาวิทยาลัย KU Leuven ประเทศเบลเยียม
  • ภาพวิดีโอแบบสโลว์โมชั่นแสดงกระบวนการทำให้โลหะเป็นอะตอมที่ห้องปฏิบัติการเอมส์
  • APMI International "สมาคมวิชาชีพระดับโลกด้านโลหะวิทยาผง"องค์กรไม่แสวงหาผลกำไร

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ โลหะวิทยาผง

โลหะวิทยาผง ( PM ) เป็นคำที่ครอบคลุมวิธีการต่างๆ มากมายในการผลิตวัสดุหรือชิ้นส่วนจาก ผงโลหะ กระบวนการ PM บางครั้งใช้เพื่อลดหรือขจัดความจำเป็นในการใช้ กระบวนการตัดเฉือน ในการผลิต...

ภาพรวม

กระบวนการ "อัดและเผาผนึก" ของโลหะวิทยาผงโดยทั่วไปประกอบด้วยสามขั้นตอนพื้นฐาน ได้แก่ การผสมผง (หรือ การบดละเอียด ) การอัดขึ้น รูป และ การเผาผนึก การอัดผงในแม่พิมพ์โดยทั่วไปจะทำที่ อุณหภูมิห้อง...

ประวัติและศักยภาพ

ประวัติศาสตร์ของโลหะวิทยาผงและศิลปะ การเผาผนึก โลหะและ เซรามิก มีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด การเผาผนึกเกี่ยวข้องกับการผลิตชิ้นส่วนโลหะหรือเซรามิกที่เป็นของแข็งจากผงเริ่มต้น ชาวอินคาโบราณทำเครื่องประดับและสิ่งประดิษฐ์อื่นๆ จากผงโลหะมีค่า...

ผลิตภัณฑ์พิเศษ

เทคโนโลยีโลหะวิทยาผงสามารถ ผลิต ผลิตภัณฑ์พิเศษ ได้มากมาย รายการที่ไม่ครบถ้วนนี้ได้แก่ เส้นใย Al2O3 ด้วยชั้นออกไซด์บางมากเพื่อปรับปรุงการหักเหของแสง; เหล็กอัดที่มีการเพื่อเพิ่มความแข็งแรงในการคืบที่อุณหภูมิสูง; ไส้ หลอดไฟ ที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีผง;...