Волфрамовите сплави определено са в списъка на "кошмарните материали" на инженерите. Тяхната висока плътност и твърдост представляват значителни предизвикателства при обработката, карайки всяка стъпка да се чувства като трудна битка. Как може този труден материал да се превърне от суровина в завършен продукт с висока ефективност?
Не се притеснявайте, това безценно "тайно оръжие" е тук! Тази статия ще анализира процеса от самото начало на подготовката на суровините, като сравнява предимствата и недостатъците на праховата металургия и 3D печата, описва в детайли основните техники на рязане, шлайфане и рязане на тел и представя авангардна-технология, която може да ви помогне да постигнете два пъти по-добри резултати с половин усилия-прахов екструзионен печат (PEP), осигурявайки солидна основа за вашия дизайн и производство.
ЧАСТ.01
Въведение
Волфрамовите сплави, като сплавен материал с волфрам като основен компонент (съдържанието на волфрам обикновено възлиза на 85% до 99%) и добавени елементи като никел, желязо, мед, кобалт, молибден и хром, играят незаменима роля в много високо-технологични области като ядрената промишленост, военната промишленост и медицинските грижи поради изключително високата им плътност (16,5 до 19,0 g/cm3), висока точка на топене и отлична механична якост [1]. В областта на медицината волфрамовите сплави се използват за производството на ключови компоненти на оборудването за лъчетерапия. Благодарение на характеристиките си с висока плътност, те могат точно да блокират и оформят лъчите и са основните материали за направата на колиматори и радиационни щитове[2]. Тези отлични свойства създават и много трудности при обработката и производството на волфрамови сплави. Тази статия има за цел да проучи систематично и задълбочено процеса на подготовка на заготовката и често използваните методи за обработка на части от волфрамова сплав и да предостави ценна справка за прецизното им производство.
ЧАСТ.02
Процес на подготовка на заготовки за части от волфрамова сплав
2.1 Технология на праховата металургия
Волфрамовите сплави са трудни за производство с помощта на конвенционални процеси за топене и подготовка на сплави поради тяхната висока плътност, висока точка на топене и висока твърдост. Праховата металургия е традиционен и широко използван метод за получаване на заготовки от волфрамова сплав. Неговите ключови процеси са показани на фигура 1, включително подготовка на волфрамов прах, смесване, формоване и синтероване [3]. В процеса на приготвяне на волфрамов прах, за да се гарантира чистотата на волфрамовия прах, често се използват процеси като редукция на водород и редукция на волфрамат на амоняк. В същото време съдържанието на кислород, размерът на частиците и формата на волфрамовия прах оказват значително влияние върху крайната производителност и качество на сплавта и трябва да бъдат строго контролирани. Твърде високото съдържание на кислород ще намали производителността на сплавта, докато размерът и формата на частиците ще повлияят на ефекта от последващите процеси на смесване и формоване. Например волфрамовият прах с еднакъв размер на частиците помага за по-равномерно смесване с други метални прахове по време на смесване, осигурявайки консистенцията на състава на сплавта. По време на процеса на смесване е необходимо да се гарантира, че размерът на различните частици метален прах е еднакъв и пропорцията е точна. Механично разбъркване, топкова мелница и други методи често се използват за прецизно смесване. Методите на формоване включват студено изостатично пресоване, пресоване на матрица, формоване чрез екструдиране на прах и формоване чрез впръскване на прах и др. Тези методи могат да произвеждат части със сложни форми.
Фигура 1 Ключови процеси на праховата металургия за заготовки от волфрамова сплав
Процесът на синтероване е ключът, за да се гарантира, че волфрамовата сплав постига необходимата плътност, якост и други свойства. Дву{1}}етапното синтероване [4] се използва широко: етапът на предварително-синтероване обикновено контролира температурата на 1000-1200 градуса. В рамките на този температурен диапазон метали с ниска-точка на топене- като мед и желязо ще достигнат течно състояние и ще претърпят дифузия на твърда{10}}фаза със заобикалящите частици на прах от волфрамова сплав, фиксирайки позицията на частиците на прах от волфрамова сплав и ги запълвайки равномерно, като по този начин се постига формоване на заготовки. Следва етапът на високо{11}}синтероване при висока температура, при който протичат реакции в твърда-фаза и течна-фаза между прахообразните частици, като в крайна сметка се образува плътна структура от волфрамова сплав. Контролът на температурата и времето на синтероване играе решаваща роля за работата на продукта. Ако времето за синтероване е твърде дълго, размерът на волфрамовия кристал ще се увеличи, което ще повлияе на плътността и цялостната производителност на сплавта; ако температурата е твърде висока, това ще доведе до изпаряване на метали с ниска -точка на топене, като мед и желязо, намалявайки плътността и механичната якост на сплавта. Температурата на синтероване обикновено се контролира на около 1400 градуса, а предварителното-синтероване и високо-температурното синтероване обикновено се извършват във вакуум или среда от инертен газ, за да се намали окисляването и изпаряването на сплави с ниска{22}}точка на-топене. Обичайният процес е първо да се изпече предварително образуваната заготовка от волфрамов прах при 1200 градуса в продължение на 1 час във водородна атмосфера, за да се придаде определена якост и проводимост, и след това да се извърши самоустойчиво синтероване, като се използва топлината, генерирана от собственото съпротивление на заготовката, за допълнително насърчаване на синтероването.
2.2 Адитивен производствен процес
Традиционните методи на праховата металургия могат да произвеждат само заготовки с относително правилни форми. За части от волфрамова сплав със сложни структури, особено тези със сложни кухини, все още е необходима сложна обработка след формоване на заготовката, за да се изпълнят най-накрая изискванията на частта. Понастоящем няма ефективни методи за обработка и формоване на сложни затворени вътрешни кухини, което ограничава дизайна на части от волфрамова сплав. Технологията за адитивно производство предоставя ново решение за проектиране и производство на части от волфрамова сплав. Често използваните технологии за производство на метални добавки включват селективно лазерно топене (SLM), лазерно стереоформиране (LSF), производство на добавки с електрическа дъга (WAAM), селективно лазерно топене с прахов слой (L-PBF) и лазерно насочено отлагане на енергия (L-DED) [5, 6]. Сравнение на предимствата и недостатъците на различните адитивни производствени процеси за производство на части от волфрамова сплав е показано в таблица 1. SLM може да произвежда части със сложни геометрии, но има проблеми като грапава повърхност, голямо остатъчно напрежение между слоевете и ограничен размер на детайлите и е подходящ за производство на малки части; LSF може да получи фина, равномерна и плътна структура, да подобри механичните свойства и устойчивостта на корозия на материалите, но когато параметрите на процеса не са съвпадащи, лесно се появяват дефекти като лошо топене в отложения слой; WAAM е подходящ за производство на широкомащабни, интегрирани аерокосмически структурни части, с висока скорост на формоване и висока плътност, но качеството на повърхността на формованите части е лошо. Типична част от волфрамова сплав, произведена чрез технология за адитивно производство, е показана на фигура 2. В сравнение с традиционния метод на праховата металургия, адитивното производство има очевидни предимства при производството на сложни части от волфрамова сплав. Той може не само да подготви части със сложни структури и кухини, за да отговарят на специални изисквания за проектиране, но също така да реализира отлагането на материали слой по-слой, да подобри използването на материала и да намали разходите[7]. Таблица 1. Сравнение на предимствата и недостатъците на части от волфрамова сплав, произведени чрез различни процеси на производство на добавки
а) Решетка против -разсейване
б) Порести части
Фигура 2. Типични части от волфрамова сплав, произведени чрез технология за адитивно производство
2.3 Сравнение и избор на процеси
Праховата металургия и адитивното производство понастоящем са двата основни метода за производство на заготовки за части от волфрамова сплав, всеки със своите предимства и недостатъци при подготовката на заготовките. Сравнение на процесите на подготовка на заготовки от волфрамова сплав е показано в таблица 2. Праховата металургия е относително по-зряла, дава материали с по-добра плътност и предлага предимства при стабилно масово производство. Адитивното производство е нов процес, разработен през последните години, с различни маршрути на производни процеси и има предимства при производството на структурни части със сложни кухини.
Таблица 2. Сравнение на процесите за подготовка на заготовки от волфрамова сплав
За да се стремят към по-висока всеобхватна производителност, частите от волфрамова сплав в авангардни области като космическата, отбранителната, ядрената промишленост, медицинското оборудване и електрониката обикновено имат по-сложни структурни характеристики, включително тънки стени, извити повърхности и порести структури, с които традиционните методи на праховата металургия не могат да се справят. Директното производство на части от чиста волфрамова сплав с висока{2}}плътност,-без дефекти чрез използване на адитивно производство все още е изправено пред няколко технически предизвикателства. Прахов екструзионен печат (PEP), технология за индиректен 3D печат на метал, комбинираща 3D печат и прахова металургия, използва прах от волфрамова сплав със свързващо вещество. Прахът се оформя с помощта на оборудване за 3D печат и след това се-обработва чрез отстраняване на свързване и синтероване чрез прахова металургия, като в крайна сметка се получават структурни части с висока-висока-производителност. Тази технология предоставя ново решение на трудностите при обработката на волфрамови сплави и производството на сложни структури. Характеристиките му на ниска{14}}температура на формоване и висока-температурна настройка ефективно решават проблеми като деформация, напукване и кухини, които лесно се срещат при други процеси на 3D печат на волфрамови сплави.
ЧАСТ.03
Обработка на части от волфрамова сплав
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) води до значително ускорена степен на износване на инструмента по време на обработка, което влияе върху точността на обработка и живота на инструмента. Животът на инструмента и ефективността на машинната обработка са ключови фактори, които трябва да се имат предвид при обработката. Волфрамовите сплави имат относително ниска топлопроводимост и топлината, генерирана по време на рязане, е трудно да се разсее бързо. Режещият ръб работи при висока температура, което лесно генерира термично напрежение, което води до деформация на инструмента и повишено износване [8]. Стружките от волфрамова сплав са гранулирани, което затруднява отстраняването на стружките. Те са склонни да се натрупват в областта на рязане, образувайки ръбове на стърготини, влияят върху качеството на повърхността на обработваните части и могат също да повредят инструмента и машинния инструмент. Сравнение на режещите инструменти и параметрите на процеса за части от волфрамова сплав е показано в таблица 3. В инженерната практика PCBN инструментите са един от най-добрите избори. Типични части от волфрамова сплав, обработени чрез рязане, са показани на Фигура 3. Таблица 3 Сравнение на режещи инструменти и параметри на процеса за части от волфрамова сплав Фигура 3 Типични части от волфрамова сплав, обработени чрез рязане ЧАСТ.04 Шлифоване на части от волфрамова сплав Шлифоването, като метод на микро-рязане, е подходящо за обработка на материали с висока-твърдост като волфрам сплави. Шлифоването на шлифовъчния диск е показано на фигура 4. Шлифовъчният диск се състои главно от абразивни зърна, пори и свързващи вещества в определено съотношение. Неговите абразивни зърна имат характеристики на тъп ъгъл, обикновено в диапазона от 90 градуса до 120 градуса. По време на процеса на смилане на волфрамови сплави, полученият смилащ материал е гранулиран. Поради сравнително ниския си вискозитет и жилавост, стружките се отстраняват относително лесно и не запушват лесно порите на шлифовъчното колело [9]. Следователно, когато се шлайфат волфрамови сплави, могат да се използват шлифовъчни колела с по-големи пори, за да се подобри ефективността на смилане и качеството на обработката. В зоната на смилане лесно се натрупва топлина от смилането, което може да доведе до изгаряния при смилане. За да се справи ефективно с този проблем, е необходимо да се приемат мерки за принудително охлаждане при високо-налягане и висок-поток, за да се отстрани навреме топлината, генерирана по време на процеса на смилане, и да се намалят термичната деформация и топлинното напрежение в зоната на смилане. Обикновено емулсиите на-водна основа се избират като флуиди за рязане, за да се гарантира, че охлаждащият ефект достига най-доброто състояние. Изборът на параметри на процес на смилане за части от волфрамова сплав е показан в таблица 4. Фигура 4 Схематична диаграма на шлифовъчен диск Таблица 4 Избор на параметри на процес на смилане за части от волфрамова сплав Частите от чист волфрам или волфрам-никелова-медна сплав имат слаб магнетизъм. Тънкостенните части е трудно да се фиксират надеждно с традиционните електромагнитни патронници. Вакуумни адсорбционни приспособления [10] могат да бъдат разгледани за затягане. Вакуумно адсорбционното позициониращо приспособление за части от волфрамова сплав е показано на Фигура 5. Фигура 5. Схематична диаграма на вакуумно адсорбционно позициониращо приспособление за части от волфрамова сплав
ЧАСТ.05
Тел EDM обработка на части от волфрамова сплав
Волфрамовите сплави имат високи точки на топене и висока твърдост и могат да бъдат обработвани с инструменти с висока -твърдост, като инструменти с покритие, PVD инструменти и керамични инструменти. Въпреки това, тези инструменти изпитват значително износване, което затруднява обработката на елементи като пори, тесни процепи и дупки с неправилна форма с помощта на тези традиционни инструменти. Електроразрядната обработка на проводника (EDM) е специален процес на обработка. Неговият основен принцип е да използва непрекъснато движеща се фина метална електродна жица (обикновено медна или молибденова жица) за генериране на импулсни искрови разряди между детайла и детайла. Генерираните температури обикновено са високи до 8000–12000 градуса, достатъчни за стопяване или дори изпаряване на повърхностния материал на волфрамова сплав, като по този начин се постига рязане на детайла. Относителното движение между електродния проводник и детайла позволява целият процес на рязане да формира желаната форма върху повърхността на детайла. Фигура 6 показва обработката на отвори с неправилна форма върху заготовка от волфрамова сплав с помощта на EDM с тел. Wire EDM се използва за обработка на части от волфрамова сплав. Високата температура причинява промяна в кристалната фаза на повърхността на волфрамова сплав по време на рязане, което води до модифициран слой, който влошава уникалните свойства на волфрамовата сплав. По време на обработката се използва метод „изрязване-едно-ремонт-три“, като постепенно се намаляват дълбочината на рязане и параметрите на мощността на импулса, за да се поправи модифицираният слой.
Фигура 6: Обработка на неправилни отвори върху заготовка от волфрамова сплав с помощта на EDM с тел
ЧАСТ.06
Заключение Тази статия изучава и обобщава подготовката на заготовката, обичайните методи за обработка и трудностите при обработката на прецизни части от волфрамова сплав. При подготовката на заготовки праховата металургия е сравнително по-зряла, дава материали с по-добра плътност и предлага предимства при стабилно масово производство. Адитивното производство, сравнително нов процес, разработен през последните години, породи различни процеси и има предимства при производството на структурни части със сложни кухини. При рязане PCBN инструментите имат предимства, като постигат висок живот на инструмента и намаляват влиянието на износването на инструмента върху точността на обработката. Технологията на шлайфане е благоприятна за обработка на правилни повърхности, постигайки по-високо качество на повърхността. За характеристиките на дупки и жлебове, EDM с тел предлага висока ефективност на обработка. Гореспоменатият процес на подготовка на заготовката, както и методите за рязане, шлайфане и рязане на тел, могат ефективно да подобрят качеството на производството и ефективността на производството на прецизни части от волфрамова сплав, осигурявайки техническа подкрепа за развитието на свързани индустрии.
