Вольфрамові сплави безумовно входять до списку «кошмарних матеріалів» інженерів. Їх висока щільність і твердість створюють значні труднощі при обробці, що робить кожен крок схожим на важку битву. Як цей складний матеріал можна перетворити із сировини на готовий продукт з високою ефективністю?
Не хвилюйтеся, ця безцінна «секретна зброя» тут! У цій статті буде проаналізовано процес із самого початку підготовки сировини, порівняно переваги та недоліки порошкової металургії та 3D-друку, детально описано основні методи різання, шліфування та різання дротом, а також представлено передову-технологію, яка допоможе вам досягти вдвічі кращих результатів із удвічі меншими зусиллями-порошковий екструзійний друк (PEP), забезпечуючи надійну основу для вашого дизайну та виробництво.
ЧАСТИНА.01
вступ
Вольфрамові сплави як легуючий матеріал із вольфрамом як основним компонентом (вміст вольфраму зазвичай становить від 85% до 99%) і додатковими елементами, такими як нікель, залізо, мідь, кобальт, молібден і хром, відіграють незамінну роль у багатьох галузях високих- технологій, таких як ядерна промисловість, військова промисловість і медичне обслуговування, завдяки своїй надзвичайно високій щільності (16,5 до 19,0). г/см3), висока температура плавлення та відмінна механічна міцність[1]. У галузі медицини вольфрамові сплави використовуються для виготовлення ключових компонентів радіотерапевтичного обладнання. Завдяки своїм характеристикам високої щільності вони можуть точно блокувати та формувати промені та є основними матеріалами для виготовлення коліматорів та радіаційних екранів[2]. Ці чудові властивості також створюють багато труднощів при обробці та виробництві вольфрамових сплавів. Ця стаття спрямована на систематичне й глибоке дослідження процесу підготовки заготовок і загальновживаних методів обробки деталей із вольфрамового сплаву, а також надання цінних довідкових матеріалів щодо їх точного виготовлення.
ЧАСТИНА.02
Процес підготовки заготовок деталей із вольфрамового сплаву
2.1 Технологія порошкової металургії
Вольфрамові сплави складно виготовляти за допомогою звичайних процесів плавлення та підготовки сплавів через їх високу щільність, високу температуру плавлення та високу твердість. Порошкова металургія є традиційним і широко використовуваним методом виготовлення заготовок з вольфрамового сплаву. Його ключові процеси показані на малюнку 1, включаючи приготування вольфрамового порошку, змішування, формування та спікання [3]. У процесі приготування вольфрамового порошку для забезпечення чистоти вольфрамового порошку часто використовуються такі процеси, як відновлення воднем і відновлення вольфраматом аміаку. У той же час вміст кисню, розмір частинок і форма вольфрамового порошку мають значний вплив на кінцеві характеристики та якість сплаву і повинні строго контролюватися. Занадто високий вміст кисню знизить продуктивність сплаву, тоді як розмір і форма частинок вплине на ефект подальших процесів змішування та формування. Наприклад, вольфрамовий порошок з однорідним розміром частинок допомагає більш рівномірно змішуватися з іншими металевими порошками під час змішування, забезпечуючи консистенцію складу сплаву. Під час процесу змішування необхідно переконатися, що розмір різних частинок металевого порошку є рівномірним, а пропорція – точною. Для точного змішування часто використовують механічне перемішування, кульовий подрібнення та інші методи. Методи формування включають холодне ізостатичне пресування, пресування в штампах, формування порошкової екструзії та формування порошкового вприскування тощо. Ці методи можуть виготовляти деталі складної форми.
Рисунок 1 Основні процеси порошкової металургії для заготовок із вольфрамового сплаву
Процес спікання є ключовим для забезпечення того, щоб вольфрамовий сплав досягав необхідної щільності, міцності та інших властивостей. Широко використовується дво-спікання [4]: на стадії попереднього{3}}спікання зазвичай контролюється температура на рівні 1000-1200 градусів. У цьому температурному діапазоні метали з низькою-температурою-плавлення, як-от мідь і залізо, досягнуть рідкого стану та зазнають дифузії-твердої фази з навколишніми частинками порошку вольфраму, фіксуючи положення частинок порошку вольфрамового сплаву та рівномірно заповнюючи їх, таким чином досягаючи форми заготовки. Далі йде стадія високотемпературного-спікання, де між частинками порошку відбуваються реакції твердої-фази та рідкої-фази, зрештою утворюючи щільну структуру вольфрамового сплаву. Контроль температури та часу спікання відіграє вирішальну роль у продуктивності продукту. Якщо час спікання занадто довгий, розмір кристалів вольфраму збільшиться, що вплине на щільність і загальну продуктивність сплаву; якщо температура надто висока, це призведе до випаровування металів із -температурою-плавлення, таких як мідь і залізо, що зменшить щільність і механічну міцність сплаву. Температура спікання зазвичай контролюється на рівні близько 1400 градусів, а попереднє-спікання та-високотемпературне спікання зазвичай проводяться у вакуумі чи середовищі інертного газу, щоб зменшити окислення та випаровування сплавів із {-температурою плавлення-. Звичайний процес полягає в тому, щоб спершу попередньо -нагріти сформовану заготовку порошку вольфраму при 1200 градусах протягом 1 години в атмосфері водню, щоб надати їй певної міцності та провідності, а потім виконати самостійне спікання з використанням тепла, що виділяється власним опором заготовки, для подальшого сприяння спіканню.
2.2 Процес адитивного виробництва
Традиційні методи порошкової металургії дозволяють отримувати лише заготовки відносно правильних форм. Для деталей із вольфрамового сплаву зі складною структурою, особливо тих, що мають складні порожнини, все ще потрібна комплексна обробка після формування заготовки, щоб остаточно відповідати вимогам до деталей. В даний час не існує ефективних методів обробки та формування складних замкнутих внутрішніх порожнин, що обмежує дизайн деталей із вольфрамового сплаву. Технологія адитивного виробництва надає нове рішення для проектування та виробництва деталей зі сплаву вольфраму. До загальновживаних технологій адитивного виробництва металів належать селективне лазерне плавлення (SLM), лазерне стереоформування (LSF), електродугове адитивне виробництво (WAAM), селективне лазерне плавлення з шару порошку (L-PBF) і лазерне спрямоване осадження енергії (L-DED) [5, 6]. Порівняння переваг і недоліків різних адитивних виробничих процесів для виготовлення деталей із вольфрамового сплаву показано в таблиці 1. SLM може виготовляти деталі зі складною геометрією, але він має такі проблеми, як шорстка поверхня, велика залишкова напруга між шарами та обмежений розмір деталей, і підходить для виготовлення невеликих деталей; LSF може отримати тонку, однорідну та щільну структуру, покращити механічні властивості та стійкість до корозії матеріалів, але коли параметри процесу не відповідають, дефекти, такі як погане сплавлення в нанесеному шарі, легко виникнути; WAAM підходить для виготовлення-великомасштабних інтегрованих аерокосмічних конструкційних деталей із високою швидкістю формування та високою щільністю, але якість поверхні формованих деталей є поганою. Типова деталь із вольфрамового сплаву, виготовлена за технологією адитивного виробництва, показана на малюнку 2. У порівнянні з традиційним методом порошкової металургії, адитивне виробництво має очевидні переваги у виготовленні складних деталей із вольфрамового сплаву. Він може не лише підготувати деталі зі складною структурою та порожнинами для відповідності спеціальним вимогам дизайну, але й реалізувати -за-пошаровим нанесенням матеріалів, покращити використання матеріалів і зменшити витрати[7]. Таблиця 1. Порівняння переваг і недоліків деталей зі сплаву вольфраму, виготовлених за допомогою різних процесів адитивного виробництва
a) Анти{0}}сітка розсіювання
б) Пористі частини
Рисунок 2. Типові деталі зі сплаву вольфраму, виготовлені за технологією адитивного виробництва
2.3 Порівняння та вибір процесів
Порошкова металургія та адитивне виробництво наразі є двома основними методами виготовлення заготовок деталей із вольфрамового сплаву, кожен із яких має свої переваги та недоліки у підготовці заготовок. Порівняння процесів підготовки заготовок із вольфрамового сплаву наведено в таблиці 2. Порошкова металургія відносно більш зріла, дає матеріали з кращою щільністю та пропонує переваги у стабільному масовому виробництві. Адитивне виробництво — це новий процес, розроблений останніми роками, з різними похідними процесами, і він має переваги у виготовленні структурних деталей зі складними порожнинами.
Таблиця 2. Порівняння процесів підготовки заготівлі вольфрамового сплаву
Щоб досягти вищих повних характеристик, деталі зі сплаву вольфраму в передових галузях, як-от аерокосмічна, оборонна, ядерна промисловість, медичне обладнання та електроніка, як правило, мають складніші структурні характеристики, зокрема тонкі стінки, вигнуті поверхні та пористі структури, з якими не можуть впоратися традиційні методи порошкової металургії. Виготовлення деталей зі сплавів із чистого вольфраму високої-бездефектів-безпосереднім використанням адитивного виробництва досі стикається з кількома технічними проблемами. Порошковий екструзійний друк (PEP), технологія непрямого 3D-друку металу, яка поєднує 3D-друк і порошкову металургію, використовує порошок вольфрамового сплаву зі сполучною речовиною. Порошок формують за допомогою обладнання для 3D-друку, а потім піддають-обробці методом порошкової металургії, видаляючи зв’язки та спікаючи, у результаті чого отримують високо{10}}щільні та високо-ефективні структурні частини. Ця технологія пропонує нове рішення для вирішення труднощів механічної обробки вольфрамових сплавів і виготовлення складних конструкцій. Низько{14}}температурне формування та високі{15}}температурні характеристики ефективно вирішують такі проблеми, як деформація, розтріскування та порожнечі, з якими легко стикатися в інших процесах 3D-друку вольфрамових сплавів.
ЧАСТИНА.03
Механічна обробка деталей зі сплаву вольфраму
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) призводить до значно прискореного зношування інструменту під час обробки, що впливає на точність обробки та довговічність інструменту. Стійкість інструменту та ефективність обробки є ключовими факторами, які слід враховувати під час обробки. Вольфрамові сплави мають відносно низьку теплопровідність, і тепло, що виділяється під час різання, важко швидко розсіяти. Ріжуча кромка працює при високій температурі, що легко створює термічну напругу, що призводить до деформації інструменту та підвищеного зношування [8]. Стружка вольфрамового сплаву зерниста, що ускладнює видалення стружки. Вони мають тенденцію накопичуватися в зоні різання, утворюючи краї стружки, впливаючи на якість поверхні оброблених деталей, а також можуть пошкодити інструмент і верстат. Порівняння ріжучих інструментів і параметрів процесу для деталей зі сплаву вольфраму наведено в таблиці 3. У інженерній практиці інструменти PCBN є одним із найкращих виборів. Типові деталі зі сплаву вольфраму, оброблені різанням, показані на рисунку 3. Таблиця 3 Порівняння ріжучих інструментів і параметрів процесу для деталей зі сплаву вольфраму Рисунок 3 Типові деталі зі сплаву вольфраму, оброблені різанням PART.04 Шліфування деталей зі сплаву вольфраму Шліфування, як метод мікро-різання, підходить для обробки матеріалів з високою-твердістю, таких як вольфрам сплавів. Шліфування шліфувального круга показано на малюнку 4. Шліфувальний круг в основному складається з абразивних зерен, пор і сполучних речовин у певному співвідношенні. Його абразивні зерна мають характеристики тупого кута, як правило, в діапазоні від 90 градусів до 120 градусів. У процесі шліфування вольфрамових сплавів отриманий шліфувальний матеріал є зернистим. Завдяки відносно низькій в'язкості та ударній в'язкості стружка порівняно легко видаляється і не забиває пори шліфувального круга [9]. Тому при шліфуванні вольфрамових сплавів можна використовувати шліфувальні круги з більшими порами для підвищення ефективності шліфування та якості обробки. У зоні шліфування легко накопичується тепло, що може призвести до опіків. Щоб ефективно вирішити цю проблему, необхідно застосувати заходи примусового охолодження під високим-тиском і високим-потоком, щоб вчасно відводити тепло, що виділяється під час процесу подрібнення, і зменшувати термічну деформацію та термічне напруження в зоні подрібнення. Зазвичай емульсії на водній-основі вибирають як рідини для охолодження, щоб забезпечити найкращий ефект охолодження. Вибір параметрів процесу шліфування для деталей із вольфрамового сплаву наведено в таблиці 4. Рисунок 4. Схематична діаграма шліфувального круга. Таблиця 4. Вибір параметрів процесу шліфування для деталей із вольфрамового сплаву Деталі зі сплаву чистого вольфраму або вольфрам-нікелю-міді мають низький магнетизм. Тонкостінні-деталі важко надійно зафіксувати традиційними електромагнітними патронами. Для затиску можна розглядати вакуумні адсорбційні пристосування [10]. Вакуумно-адсорбційне позиціонуюче пристосування для деталей із вольфрамового сплаву показано на малюнку 5. Рисунок 5. Принципова схема вакуумно-адсорбційного позиціонуючого пристосування для деталей із вольфрамового сплаву
ЧАСТИНА.05
Обробка деталей зі сплаву вольфраму дротом
Вольфрамові сплави мають високу температуру плавлення та високу твердість, і їх можна обробляти за допомогою інструментів із високою-твердістю, таких як інструменти з покриттям, інструменти PVD та керамічні інструменти. Однак ці інструменти значно зношуються, що ускладнює обробку таких деталей, як пори, вузькі щілини та отвори неправильної форми за допомогою цих традиційних інструментів. Електроерозійна обробка дроту (EDM) — це особливий процес механічної обробки. Його основний принцип полягає у використанні безперервно рухомого тонкого металевого електродного дроту (зазвичай мідного або молібденового дроту) для створення імпульсних іскрових розрядів між заготовкою та заготовкою. Створені температури зазвичай сягають 8000–12000 градусів, достатніх для розплавлення або навіть випаровування матеріалу поверхні вольфрамового сплаву, що забезпечує різання заготовки. Відносний рух між електродним дротом і деталлю дозволяє протягом всього процесу різання формувати бажану форму на поверхні деталі. На малюнку 6 показано обробку отворів неправильної форми на заготовці зі сплаву вольфраму за допомогою дротяної електроерозії. Для обробки деталей зі сплаву вольфраму використовується електроерозійний дріт. Висока температура викликає зміну кристалічної фази поверхні вольфрамового сплаву під час різання, в результаті чого утворюється модифікований шар, який погіршує унікальні властивості вольфрамового сплаву. Під час обробки використовується метод «зріз-один-ремонт-три», який поступово зменшує глибину різання та параметри потужності імпульсу для відновлення модифікованого шару.
Малюнок 6. Обробка нестандартних отворів на заготовці зі сплаву вольфраму за допомогою дротяної електроерозії
ЧАСТИНА.06
Висновок У цій статті розглядається та підсумовується підготовка заготовки, загальні методи обробки та труднощі обробки прецизійних деталей із вольфрамового сплаву. У підготовці заготовок порошкова металургія відносно більш зріла, дає матеріали з кращою щільністю та пропонує переваги в стабільному масовому виробництві. Адитивне виробництво, відносно новий процес, розроблений останніми роками, породило різні шляхи процесу та має переваги у виготовленні структурних деталей зі складними порожнинами. У різанні інструменти PCBN мають переваги, досягаючи високого терміну служби інструменту та зменшуючи вплив зносу інструменту на точність обробки. Технологія шліфування є вигідною для обробки звичайних поверхонь, досягаючи вищої якості поверхні. Для отворів і канавок дротова електроерозійна обробка забезпечує високу ефективність обробки. Вищезазначений процес підготовки заготовки, а також методи різання, шліфування та різання дроту можуть ефективно покращити якість виготовлення та ефективність виробництва прецизійних деталей із вольфрамового сплаву, надаючи технічну підтримку для розвитку суміжних галузей.
