ایالات متحده آمریکا

دانلود پایان نامه

۱-۲- روند کلی ساخت قطعات متالورژی پودر
فرآیند متالورژی پودر، فرآیند تولید قطعات با شکلی نزدیک به شکل نهایی و یا شکل نهایی است. هدف اصلی در این فرآیند، تولید توده ای متراکم از پودر های فلزی با استحکام کافی جهت حمل و سپس حرارت‌دهی آن در دمایی کمتر از دمای ذوبش تحت اتمسفر کنترل شده می باشد. در طول این فرآیند که تف جوشی۲ نام دارد، ذرات پودر به یکدیگر جوش خورده و ماده استحکام کافی جهت سرویس‌دهی مورد نظر را می‌یابد [۳].
درشکل ۱-۱ روند کلی تولید قطعات تف جوشی شده نشان داده شده است.

شکل ۱-۱- فلوچارت روند کلی ساخت قطعات متالورژی پودر.
با استفاده از روش متالورژی پودر میتوان قطعاتی در گستره وسیعی از خواص فیزیکی و مکانیکی تولید کرد [۴]. عوامل متعددی جهت دستیابی به خواص مورد نظر در مواد تف جوشی شده وجود دارد، اما در بین آنها میزان دانسیته و مقدار عناصر آلیاژی از پارامترهای مهم محسوب می‌شوند [۵]. بطور کلی خواص مکانیکی قطعات متالورژی پودر تابعی از دانسیته یا به عبارت دیگر تخلخل باقیمانده میباشد. افزایش دانسیته در قطعات متالورژی پودر منجر به بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی آنها خواهد گردید [۶]. روشهای متداول ساخت و تولید، جهت افزایش دانسیته در صنعت متالورژی پودر شامل تف جوشی در حضور فاز مایع، فلزخورانی یا عبور تدریجی، دوبار پرس / دو بار تف جوشی، فشردن با سرعت بالا، پرس داغ، پرس ایزواستاتیک داغ، پرس ایزواستاتیک سرد، اکستروژن و آهنگری پودر می‌باشند [۷].

۱-۳- دلایل گسترش متالورژی پودر
دلایل تمایل به سمت قطعات P/M را می توان به صورت زیر دسته بندی نمود:
۱) فرآیند P/M یک روش با بهره اقتصادی برای تولید قطعات فلزی با شکلی دقیق و نزدیک به شکل نهایی می باشد.
۲) فرآیند P/M از جمله روش های جدید تولید، برای بهبود کیفیت محصول و بهره وری آن به شمار می رود.
۳) محدود کردن عملیات ثانویه پر هزینه ماشینکاری به دلیل تولید قطعاتی با شکلی نزدیک به شکل نهایی.
۴) بهبود بهره وری اقتصادی به واسطه محدود کردن مراحل تولید و امکان فراهم آوردن ویژگی های خاص در قطعات نظیر قابلیت خود روغنکاری و امکان فیلتراسیون کنترل شده در قطعات [۱].
۵) به کمک فرآیند P/M این امکان وجود دارد که بازده بیش از ۹۷% برای مواد اولیه مصرفی حاصل شود.
۶) P/M روشی مناسب برای تولید قطعاتی با نرخ تولید بالا می باشد.
۷) P/Mامکان تولید رنج وسیعی از محصولات فلزی را فراهم می آورد؛ مواد متخلخل (فیلترها و یاتاقان های خود روغنکار) ، فلزات سخت (کاربید تنگستن) ، فلزات با نقطه ذوب بالا (فلزات دیرگداز) ، مواد کامپوزیتی، مواد آمورف…..
۸) امکان تولید قطعاتی با خواص معادل و یا حتی برتر از محصولات مشابه تولید شده از طریق روش های معمول ریختگی و یا آهنگری [۸]. به عنوان نمونه در شکل ۱-۲ برخی از خواص چرخ دنده تولید شده به روش متالورژی پودر با روش معمول تولید مقایسه شده است. همانطور که در شکل دیده می شود استفاده از فرآیند P/M به همراه یک عملیات تکمیلی، سخت کاری سطحی، امکان دسترسی به خواصی برتر از محصول مشابه تولیدی به روش آهنگری و سپس ماشینکاری۳ را فراهم آورده است.

شکل ۱-۲- مقایسه برخی از خواص محصولات P/M با سایر روش های تولید [۹].
بنا به دلایل ذکر شده افزایش روز افزون تقاضا برای محصولات متالورژی پودر سبب شده است که صنایع تولید قطعات P/M در شمال آمریکا که شامل شرکت های تولید قطعات معمولی متالورژی پودر و شرکت های تولید محصولات خاص P/M نظیر سوپر آلیاژها، تولیدات متخلخل، مواد اصطکاکی، ابزارهای برش کاربید تنگستنی و فولادهای ابزار می باشند، فروشی در حدود ۵ بلیون دلار در سال داشته باشند. جدول ۱-۱ میزان رشد محموله های این صنایع را بعد از سال ۱۹۹۶ نشان می دهد [۱].

  تعالی سازمانی

جدول ۱-۱- میزان رشد محموله های صنایع تولید قطعات P/M در شمال آمریکا [۱].

همانطور که مشهود است در طول سالهای ۱۹۹۲ تا ۱۹۹۴ بازار قطعات تولید شده توسط صنایع تولید قطعات P/M در شمال آمریکا، بزرگترین بازار از نوع خود در دنیا بوده و نرخ رشد ۶/۱۸ درصدی را نشان می دهد [۱].

۱-۴- متالورژی پودر در صنعت خودروسازی
صنایع خودرو سازی در طی ۷۰ سال گذشته، بیشترین میزان مصرف قطعات متالورژی پودر را به خود اختصاص داده اند. به عنوان نمونه همان طور که در شکل ۱-۳ نیز نشان داده شده است، می توان اشاره کرد که در اتومبیلهای سواری معمولی در ایالات متحده آمریکا بیش از ۴۳ پوند از قطعات P/M مورد استفاده قرار گرفته است و انتظار می رود در چند سال آینده این میزان با افزایش چشمگیری روبرو شود [۱۰].

شکل ۱-۳- میزان مصرف قطعات P/M در خودروهای آمریکایی [۱۰].

تکنولوژی متالورژی پودر این امکان را به وجود آورده است تا قطعات اتومبیل از جنس فولادهای تف جوشی شده،‌ با هزینه تمام شده کمتر، حجم تولیدی زیاد، استفاده بهینه از مواد، صرف کمترین انرژی ممکن برای تولید و دقت ابعادی بسیار زیاد تولید گردند.
با وجود تخلخل ذاتی در قطعات متالورژی پودر، این قطعات نسبت به قطعات مشابه ریخته گری یا آهنگری شده سبک تر می باشند و نهایتا منجر به کاهش وزن اتومبیل خواهند گردید [۱۱]. در کنار سوختهای جایگزین به جای سوختهای فسیلی یکی از اهداف سازندگان خودرو کاهش مصرف اتومبیل ها تا حد سه لیتر برای صدکیلومتر است که برای رسیدن به این هدف کاهش وزن اتومبیل ها به موازات توسعه سیستم موتور و انتقال قدرت ضرور
ی است. با استفاده از قطعات متالورژی پودر (قطعات فولادی تف جوشی شده) در کنار مواد سبکی مانند تیتانیم، منیزیم، آلومینیوم و پلاستیک های پیشرفته می توان وزن خودروها را کاهش داده و در نهایت باعث کاهش مصرف سوخت خودروها گردید. با استفاده ازتکنولوژی متالورژی پودر، میتوان به دانسیته های متفاوتی بسته به نیازهای کاربردی قطعات دست یافت. بعلاوه، با بهینه‌سازی شرایط تف جوشی، می توان بیشترین نسبت استحکام به وزن را در قطعات متالورژی پودر بدست آورد. تمامی این فاکتورها، گویای این حقیقت هستند که تکنولوژی فولادهای تف جوشی شده نقش بسیار مهمی در کاهش وزن اتومبیلها دارد [۱۲].

قطعات P/M در داخل خودرو دارای دو کاربرد اساسی هستند:
۱) کاربردهای موتوری شامل قطعاتی نظیر: پولی ها و چرخ دنده های میل بادامک، میل لنگ، میل اسبک و … شکل۱-۴.

شکل ۱-۴- قطعات P/Mمورد کاربرد در موتور خودروها [۱۲].

۲) کاربردهای انتقال قدرت شامل قطعاتی نظیر: میل دنده های موجود در گیربکس های دستی شکل۱-۵، [۱۲].

شکل ۱-۵- قطعات P/M مورد استفاده در موارد مربوط به انتقال قدرت [۱۲].

از جمله قطعات دیگر مصرفی در خودرو که به روش متالورژی پودر تولید می شوند عبارتند از:
پیستونهای کمک فنر، هادی میله کمک فنر، قرقره دندانه دار، چرخ دنده های حلزونی کوچک، میله اتصال پمپ انژکتور موتور دیزل، تکیه گاه اهرم کنترل انتقال قدرت در اتومبیل سواری، حلقه سنکرو نایز کننده در کامیون، نگهدارنده آئینه داخل اتومبیل، چرخ همزمان کننده، چرخ دنده های پمپ اتومبیل، مجموعه چرخ دنده، شاتون خودرو و…[۱۳].

  پیشرفت تحصیلی

شکل ۱-۶- قفل کننده مخروطی کامیون شرکت اسکانیا که با تکنیکهای متالورژی پودر و آهنگری ۴تولید شده [۱۳].

شکل ۱-۷- یوکهای انژکتور۵ کامیون ولو تولید شده به روش فورج (سمت چپ) و متالورژی پودر
(سمت راست) [۱۳].

بنابراین صنایع خودروسازی ایران نیز با توجه به گسترش و نقش روز افزون محصولات پودری تمایل بسیاری برای جایگزینی رنج وسیعی از قطعات مصرفی خودرو های سواری داخلی که به روشهای معمول ریخته گری و یا شکل دهی تولید می شوند را، با محصولات مشابه P/M دارا هستند.

۱-۵- روش های ساخت قطعات متالورژی پودر
روش های ساخت قطعات متالورژی پودر را می توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد؛
۱) روش های معمولی (پرس+ تف جوشی)
۲) روش های حصول حداکثر چگالی

۱-۵-۱- فرآیند های معمول (پرس+ تف جوشی)
این فرآیند مطابق با گام های نشان داده شده در شکل ۱-۸ انجام می شود [۱].

شکل ۱-۸- فرآیند معمول (پرس+تف جوشی) [۱].

در این روش پودر به گونه ای انتخاب می شود تا بتواند محدودیت ها و قید های فرآیند و همچنین نیازهای قطعه نهایی را برطرف سازد. برای مثال: در روش فشردن سرد از پودرهایی با شکل غیر یکنواخت استفاده می شود تا از حصول استحکام کافی و یکنواختی ساختاری در محصول پرس شده اطمینان حاصل شود. از آنجایی که پودر توسط ابزارهای شکل دهنده سخت و با استفاده از یک حرکت فشاری عمودی فشرده می شود، لذا شکل و ابعاد محصول با قید هایی نظیر گنجایش پرس، تراکم پذیری پودر و سطح چگالی مورد نیاز برای محصول نهایی محدود می شود. برای بسیاری از محصولات متالورژی پودر این محدودیت ها شامل؛ ابعاد قطعه (مساحت سطح متراکم شده) حداکثر cm2 160، ضخامت قطعه حداکثر mm75 و وزن قطعه حداکثر Kg 2/2 می باشد [۱].
دو روش معمول فشردن پودر در فرآیندهای معمول (پرس + تف جوشی) به کار می رود:
۱) فشردن سرد در داخل قالب های صلب
۲) فشردن گرم
۱-۵-۱-۱- فشردن سرد در داخل قالب های صلب
این روش یکی از معمول ترین روش های فشردن پودر محسوب می شود. در این روش پودر به داخل قالب ریخته می شود و سپس پانچ بالایی که همان پانچ متحرک می باشد، بر روی پودر موجود در قالب فشار اعمال می کند. چگالی خام قابل حصول برای قطعات فشرده شده در این روش بین ۷۵ تا ۸۵ درصد حداکثر چگالی قابل حصول قطعات می باشد. در این روش چگالی خام قابل حصول با فشار اعمالی توسط پرس ارتباط نمایی دارد، به گونه ای که در میزان چگالی های پایین، افزایش محدود در بار اعمالی توسط پرس افزایش شدیدی در چگالی را سبب می شود در صورتیکه در سطوح چگالی بالاتر، برای افزایش جزئی در سطوح چگالی افزایش زیاد بار اعمالی مورد نیاز است. در این روش میزان فشار فشردن مورد نیاز برای دستیابی به یک سطح چگالی مطلوب تابعی است از عوامل زیر [۱]:
۱) شکل پودر (اسفنجی شکل، فلسی شکل، اتمیزه آبی و …)،
۲) چگونگی ابعاد ذرات پودر و توزیع ابعادی آنها،
۳) شیمی ذرات پودر (پودر از پیش آلیاژ شده، مخلوطی از پودرها)،
۴) روش روانسازی مورد استفاده.
برای پودرهای فولادی، دستیابی به چگالی در حدود ۸۰ تا ۸۵ درصد حداکثر چگالی قابل حصول، مستلزم اعمال فشاری در حدود ۴۰۰ مگاپاسکال می باشد. فشردن سرد پودر در داخل قالب های صلب دارای مزایا و معایب زیر می باشد [۱].
مزایا:
۱) کنترل ابعادی مطلوب به دلیل صلبیت محفظه قالب،
۲) امکان اعمال فشارهای بالا به واسطه ی امکان استفاده از پرس های هیدرولیک و مکانیکی قوی،
۳) تکرار پذیری فرآیند به دلیل مکانیزه بودن آن،
۴) نرخ بالای تولید [۱].
معایب:
۱) محدودیت ابعادی قطعه به واسطه محدودیت در گنجایش پرس،
۲) محدودیت ارتفاع به قطر قطعه به واسطه اصطکاک دیواره قالب،
۳) امکان ترک برداشتن توده متراکم پودر در حین خروج از قالب [۱].
۱-۵-۱-۲- فشردن گرم مخلوط پودری
روش فشردن گرم
پودرهای آهنی به عنوان یک پیشرفت جدید در تولید قطعات متالورژی پودر می باشد که اخیرا مورد استفاده قرار گرفته است. در این روش پودر و ابزار فشردن در حین مرحله فشرده سازی از درجه حرارتی بین ۱۳۰ تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد دارا می باشند. در این روش یک ماده نرم کننده به پودر افزوده می شود، اعمال درجه حرارت متوسط (۱۳۰تا۱۵۰) موجب ذوب شدن ماده مذکور گشته و لذا باعث کاهش اصطکاک در سیستم خواهد شد. اصطکاک در این حالت شامل اصطکاک بین ذرات پودر و بین ذرات پودر با دیواره صلب قالب می باشد. معمولاً در این روش برای بهبود عملکرد سیستم از یک سری چسب های پلیمری استفاده می شود. هدف از بکارگیری این چسب های پلیمری کمک به تشکیل پیوند بین ذرات پودر می باشد، که جدایش را محدود کرده و خاصیت سیلان پذیری مناسبی را به مخلوط پودری می دهند. معمولا در این نوع از سیستم های فشردن پودر )فشردن گرم)، سیستم روانسازی خاص ایجاد می شود که بتواند در مقابل درجه حرارت بالای قالب مقاومت کند. از جمله این روانسازها می توان به (استئارات لیتیم، تفلون و …) اشاره کرد [۱].
در این روش کنترل دمایی بسیار دقیقی باید روی سیستم اعمال شود، چرا که یکنواختی محصول می تواند به واسطه حرارت دهی بیش از حد به ماده پلیمری تضعیف شود. با استفاده از این روش امکان دستیابی به چگالی خام در حدود ۹۲ درصد حداکثر چگالی قابل حصول، فراهم می باشد. در واقع با استفاده از این تکنیک چگالی خام قطعات حاصله نسبت به سایر روش های فشردن که در دمای اتاق انجام می شوند به میزان (۱۵/۰ تا ۲۵/۰) افزایش یافته است. فشار فشردن محصول برای فولادها در این تکنیک در حدود۷۰۰ مگاپاسکال می باشد. در واقع مزیت اصلی این روش کاهش فشار مورد نیاز برای حصول چگالی بالاتر از (۷) برای توده های آهنی متالورژی پودر می باشد [۱].
استفاده از این تکنیک معمولاً موجب افزایش استحکام خام به میزان ۵۰ تا ۱۰۰ درصد می شود. ازدیاد استحکام خام مزایایی نظیر؛ امکان تولید توده های خام پودر با احتمال ترک برداشتن کمتر قبل از تف جوشی و در حین حمل نیز امکان ماشینکاری قطعات P/M در حالت خام را به همراه دارد.
بعد از عملیات متراکم سازی پودر، توده خام در داخل کوره با اتمسفر کنترل شده تحت فرآیند تف جوشی قرار می گیرد. تلورانس ابعادی قطعات در حین فرآیند تف جوشی به دلیل درجه حرارت بالای سیکل تف جوشی و تغییرات متالورژیکی که در حین این سیکل رخ می دهد، بایستی به دقت کنترل شود. اگر مکانیزم اصلی فرآیند تف جوشی نفوذ در حالت جامد باشد،

دیدگاهتان را بنویسید