متالورژی پودری چیست؟ کاربردها + انواع آن

متالورژی شامل روش‌های مختلفی است. متالورژی پودر، یکی از روش‌های تولید قطعات است. این روش، در مقیاس بزرگ، انتخاب مناسبی برای تولید انبوه بوده و از لحاظ هزینه‌ها، مقرون‌به‌صرفه است. همچنین، باعث کاهش آلودگی‌ها نیز می‌شود. در ادامه این مقاله، همراه میهن فولاد باشید تا کامل این مفهوم را توضیح دهیم.

متالورژی پودری چیست؟

در فرآیند متالورژی پودر (Powder Metallurgy)، قطعات را با استفاده از پودرهای فلزی و غیرفلزی می‌سازد. پودر فلزات ابتدا از طریق فشردن، شکل‌دهی و در مرحله بعد تف‌جوشی ذرات (سینتر کردن) به یکدیگر، به قطعه تبدیل می‌شود. طی فرایند تف‌جوشی که زیر نقطه ذوب انجام می‌شود، پیوند محکمی بین ذرات شکل می‌گیرد. در این فرآیند، ملاحظات مربوط به تغییرات فازی جامد-مایع اهمیتی ندارد.

اندازه ذرات پودرها معمولا کمتر از 1000 نانومتر (1 میلی‌متر) و ذرات فلزی بین 5 تا 200 میلی متر است. این روش، برخلاف روش‌های دیگر مانند اکستروژن، ریخته‌گری، نورد و آهنگری، بسیاری از محدودیت‌های رایج را ندارد. برای مثال، برخی محصولات از طریق سایر روش‌ها قابل تولید نیستند اما با روش متالورژی پودر می‌توان آنها را تولید کرد. در واقع، زمانی که ریخته‌گری یا متالورژی ذوب فلزات جوابگو نباشد، از متالورژی پودری استفاده می‌شود. 

مراحل متالورژی پودری

مراحل متالورژی پودری عبارتند از: 

1. تولید پودر

با توجه به نیاز قطعه، پودر انتخاب و تولید می‌شود. به‌دلیل اینکه خواص مورد نیاز برای هر قطعه متفاوت است. برای همین خواص پودر بسیار پراهمیت است.

2. مخلوط کردن پودر تولیدی

پس از تولید پودرها، باید آنها به‌همراه عناصر آلیاژی و روان‌کننده‌ها مخلوط شوند. اینکه چه مواردی و با چه نسبتی با هم مخلوط شوند، نیاز به دانش تخصصی دارد. تا زمانی که مخلوط همگن ایجاد شود، این فرآیند ادامه پیدا‌ می‌کند. 

روش‌های اصلی که برای مخلوط کردن پودرها استفاده می‌شود شامل:

1. درام چرخان (rotating drum)
2. مخروط دوتایی دوار (rotating double cone)
3. میکسر پیچی (screw mixer)
4. میکسر تیغه‌ای (blade mixer)

3. فشرده‌سازی (Compaction)

در این مرحله، پودرهای مخلوط شده باید در قالب‌های مخصوص قرار گیرند تا شکل مورد نظر را به‌دست آورند. این فشرده‌سازی با فشارهای مکانیکی و هیدرولیکی انجام می‌شود. به‌صورتی که هیچ فضای خالی بین قطعه نباشد و چگالی آن توسعه پیدا کند. این عملیات تحت فشار، بسته به نوع قطعه بین 80 تا 1600 مگاپاسکال انجام می‌شود. 

در این دستگاه طی 3 مرحله عملیات فشرده‌سازی انجام می‌شود:

1. ابتدا پودرها در قالب‌ها و در معرض ارتعاش قرار می‌گیرند. 
2. به‌صورت محدود، فشار به پودر وارد می‌شود.
3. فشار نهایی با بالاترین حد به پودر وارد می‌شود.

4. تف‌جوشی (Sintering)

حتی با انجام مرحله فشرده‌سازی در متالورژی پودر، باز هم پیوند قوی بین ذرات شکل نمی‌گیرد که دائمی باشد. برای ایجاد پیوند دائمی بین آنها باید ذرات فلزی را تحت فشار و حرارت بسیار بالا قرار داد. پس در مرحله تف‌جوشی، پیوند جدیدی بین ذرات شکل می‌گیرد که استحکام بالاتری برای تولید قطعه خواهد داشت. 

انواع روش‌های اجرای متالورژی پودر

همان‌طور که اشاره شد، از این روش برای تولید قطعات فلزی با آلیاژهای خاص یا به عبارتی فولاد آلیاژی خاص استفاده می‌شود. 4 روش اصلی برای اجرای متالورژی پودری موجود است:

متالورژی پودر به سبک معمولی (Conventional)

مراحلی که پیش‌تر اشاره کردیم مانند تولید پودر، مخلوط کردن پودر تولیدی، فشرده‌سازی (Compaction و تف‌جوشی (Sintering)، با روش کلاسیک انجام می‌شوند. روش‌هایی که در قدیم برای متالورژی پودر استفاده می‌شد، روش‌های عمومی بودند.

متالورژی پودری با قالب‌گیری تزریقی (Injection Molding)

می‌توان گفت این روش شباهت زیادی به قالب‌گیری پلاستیک دارد. از این روش برای تولید قطعات تیراژ بالا با ابعاد و اشکال خاص استفاده می‌شود. در مرحله مخلوط شدن پودرها از چسبی شبیه موم استفاده شده و سپس پودرها در دستگاه قالب‌گیری تزریقی قرار می‌گیرند. فشرده‌سازی و تف‌جوشی باعث می‌شود این چسب‌ها به‌طور کامل از بین بروند. البته به‌صورت معمول نیاز است که در انتها عملیات پرداخت‌کاری نیز انجام شود.

متالورژی پودر با پرس ایزواستاتیک (Isostatic Pressing)

در این روش،ساختار قطعه و سطح آن کاملا یکنواخت و یکپارچه است. به‌دلیل اینکه فشار به‌صورت یکسان به کل سطح قطعه وارد می‌شود. فشار معمولا بین 5000 تا 100000 پوند بر اینچ مربع خواهد بود. دو مدل پرس سرد و گرم داریم. به‌صورت کلی، قطعاتی که با پرس گرم تولید می‌شوند، خواص بهتری نسبت به پرس سرد دارند. البته، براساس قطعه و نوع مواد اولیه ممکن است به‌صورت سرد یا گرم انجام شود که معمولا برای قطعات بزرگ‌تر، پرس سرد انتخاب می‌شود. پرس گرم نیز باعث می‌شود فضاهای خالی بین ذرات کامل از بین برود و چگالی آن افزایش یابد.

متالورژی پودری با افزودن فلز (Metal Additive)

یکی از فناوری‌های حوزه متالورژی، چاپ سه بعدی قطعات فلزی است. درواقع، متالورژی پودر با افزودن فلز همان چاپ سه بعدی قطعات فلزی محسوب می‌شود. معمولا برای قطعات نمونه‌ای که نیاز است به‌صورت سریع و کم هزینه تولید شوند، از روش متالورژی پودری با افزودن فلز استفاده می‌کنند. همچنین، در مرحله تف‌جوشی از لیزر استفاده می‌شود و در این روش، دیگر خبری از ضایعات مواد اولیه نیست.

کاربرد متالورژی پودر

این فرآیند کاربردهای مختلفی دارد. برای مثال،  اینسرت‌های تراشکاری که برای ترکیب انواع فولاد و فلزات استفاده می‌شود، از این فرآیند بهره می‌برند. برخی از مهم‌ترین کاربردهای متالورژی پودری شامل:

1. پروتز زانو
2. اجزای سیستم انتقال قدرت خودرو
3. شیرآلات و منیفولدها
4. اجزای فرمان خودرو
5. اجزای سیستم سوخت‌رسانی خودرو
6. درپوش یاتاقان خودرو
7. ابزارهای برشکاری فلزات
8. دیسک توربین موتور جت
9. تیغ‌های جراحی
10. ابزارهای فنی مانند پیچ گوشتی و انبر
11. انواع و اقسام چرخ‌دنده‌ها

مزایای متالورژی پودری

مهم‌ترین مزایای متالورژی پودر شامل:

1. قطعاتی که با این روش تولید می‌شوند خواص بسیار مناسبی مثل مقاومت در برابر بارهای سنگین و خوردگی را به‌دست می‌آورند. 
2. می‌توان قطعات با ابعاد و اشکال مورد نظر را به‌راحتی تولید کرد.
3. نسبت به روش‌های دیگر به‌خصوص ماشین‌کاری که قسمتی از مواد اولیه به‌صورت ضایعات از بین می‌رود، در این روش، ضایعات کاهش پیدا می‌کند. 
4. با آن، به بخش بزرگی از ترکیبات دسترسی داریم.
5. از طریق آن می‌توان در انرژی صرفه‌جویی کرد. نسبت به باقی روش‌های سنتی، از انرژی کمتری بهره‌ می‌برد. 
6. برخی آلیاژهای ممکن است نقطه ذوب متفاوتی داشته باشند. برای آنها بهترین روش، متالورژی پودر است.
7. این روش برای قطعاتی که با ترکیب شدن فلزات و غیرفلزات تولید می‌شوند، بهتر است.
8. سرعت بالا و قابلیت اتوماسیون مناسبی دارد.
9. نرخ تولید بالایی (500 الی 1000 قطعه در ساعت) با آن وجود دارد.

معایب متالورژی پودر

1. در مقیاس کوچک مقرون‌به‌صرفه نیست؛ زیرا هزینه تجهیزات آن گران است.
2. امکان دارد مقدار تخلخل قطعات تولید شده بالا باشد؛ زیرا سطح و درون قطعه، ممکن است دچار اکسیداسیون شود. در صورت ایجاد شدن تخلخل، سطح زبر می‌شود.
3. هزینه مواد اولیه نسبت به باقی روش‌ها بالاتر است.

از چه فلزاتی در فرآیند متالورژی پودر استفاده می‌شود؟

مهم‌ترین فلزاتی که در این فرایند استفاده می‌شود شامل:

فولاد ضد زنگ

فولاد ضدزنگ مقاومت خوبی در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی دارد. سری 300 و 400 از بهترین سری‌های فولاد ضدزنگ برای استفاده در متالورژی پودر هستند. از این مواد و متریال برای ساخت قطعات خودرو، تجهیزات هوایی، ابزارهای صنعت پزشکی و… استفاده می‌شود.

مس

به‌صورت کلی، آلیاژهایی که خواص فیزیکی مناسبی دارند، از پودر مس برای ساخت آنها استفاده می‌شود. برای مثال، از ترکیب مس و قلع، آلیاژ برنز ساخته می‌شود که کاربردهای مختلفی نیز دارد. 

نیکل

از خصوصیات مهم نیکل می‌توان به حفظ خواص در دمای بالا، انعطاف‌پذیری، شکل‌پذیری مناسب و مقاومت در برابر خوردگی اشاره کرد. به دلیل خصوصیاتی که ارائه می‌دهد، در تولید قطعات موتور موشک و توربین‌های گازی به‌کار می‌رود. برای مثال، با ترکیب کردن نیکل و مس می‌توان به آلیاژی رسید که سختی بالایی دارد و در برابر آب‌شور مقاوم باشد. 

آلومینیوم

همان‌طور که می‌دانید، آلومینیوم آلیاژی بسیار سبک، نرم و انعطاف‌پذیر است. برای ترکیب آن با مواد دیگر اغلب از متالورژی پودر استفاده می‌شود. این عنصر دارای سازگاری بالایی است و همین موضوع باعث شده تا با بخش وسیعی از مواد ترکیب شود. حضور آلومینیوم را در صنایعی مثل خودروسازی و هوافضا به‌صورت گسترده می‌توان مشاهده کرد. 

آهن

آهن به خودی خود، نرم است اما وقتی با کربن ترکیب می‌شود، متریالی مستحکم به‌نام فولاد به‌دست می‌آید. از طرفی، بیشترین متریالی که برای ترکیب با مواد دیگر در متالورژی پودری استفاده می‌شود، آهن است. برای مثال، در صنعت خودروسازی از پودر آهن برای ساخت شفت استفاده می‌شود.

تیتانیوم

می‌توان گفت تیتانیوم، گران‌ترین فلز مورد استفاده در متالورژی پودر است. به‌صورت کلی رنگ آن نقره‌ای بوده اما پودر آن به رنگ سیاه یا خاکستری در می‌آید. از برخی کاربردهای آن، می‌توان ساخت قطعات موشک و هواپیما را نام برد.

در کل، مفهوم متالورژی پودر به فرآیندی اشاره دارد که در آن با استفاده از ترکیب فلزات و غیرفلزات به‌صورت پودر و در ادامه انجام مراحل دیگر، قطعاتی با خواص توسعه یافته ساخته می‌شود. مزایا و معایب این فرآیند را نیز در نظر بگیرید تا در روند پروژه‌های خود کمتر دچار چالش شوید. علاوه‌براین‌ها، شما می‌توانید برای دریافت مشاوره تخصصی یا استعلام قیمت به‌روز فولاد، با کارشناسان ما تماس بگیرید.

سوالات متداول

1. متالورژی پودری چیست؟
   در فرآیند متالورژی پودر (Powder Metallurgy)، قطعات از طریق پودرهای فلزی و غیرفلزی ساخته می‌شوند. پودر فلزات ابتدا از طریق فشرده شدن، شکل‌دهی و در ادامه آن تف‌جوشی ذرات به یکدیگر، به قطعه تبدیل می‌شود. در این فرآیند، ملاحظات مربوط به تغییرات فازی جامد-مایع مهم نیست. اندازه ذرات پودرها نیز اغلب کمتر از 1000 نانومتر (1 میلی‌متر) و ذرات فلزی بین 5 تا 200 میلی متر است.
2. مراحل متالورژی پودر به چه صورت است؟
   تولید پودر، مخلوط کردن پودر تولیدی، فشرده‌سازی (Compaction) و تف‌جوشی (Sintering).
3. انواع روش‌های اجرای این فرآیند به چه صورت است؟
   با روش سبک معمولی (Conventional)، روش قالب‌گیری تزریقی (Injection Molding)، روش پرس ایزواستاتیک (Isostatic Pressing) و با افزودن فلز (Metal Additive).