Вольфрамовые сплавы определенно входят в список «кошмарных материалов» инженеров. Их высокая плотность и твердость создают серьезные проблемы при обработке, превращая каждый шаг в тяжелую битву. Как этот сложный материал можно с высокой эффективностью превратить из сырья в готовый продукт?
Не волнуйтесь, это бесценное «секретное оружие» уже здесь! В этой статье будет проанализирован процесс с самого начала подготовки сырья, сравнены преимущества и недостатки порошковой металлургии и 3D-печати, подробно описаны основные методы резки, шлифования и резки проволокой, а также представлена передовая -передовая технология, которая поможет вам достичь удвоенных результатов с вдвое меньшими усилиями-порошковой экструзионной печати (PEP), обеспечивая прочную основу для вашего проектирования и производства.
ЧАСТЬ.01
Введение
Вольфрамовые сплавы, как сплавы с вольфрамом в качестве основного компонента (содержание вольфрама обычно составляет от 85% до 99%) и добавленными элементами, такими как никель, железо, медь, кобальт, молибден и хром, играют незаменимую роль во многих областях высоких-технологий, таких как атомная промышленность, военная промышленность и здравоохранение, благодаря их чрезвычайно высокой плотности (от 16,5 до 19,0 г/см3), высокой температуре плавления и превосходным механическим свойствам. сила[1]. В медицинской сфере вольфрамовые сплавы используются для изготовления ключевых компонентов лучевого оборудования. Благодаря своим характеристикам высокой плотности они могут точно блокировать и формировать лучи и являются основными материалами для изготовления коллиматоров и радиационной защиты[2]. Эти превосходные свойства также создают множество трудностей при обработке и производстве вольфрамовых сплавов. Целью этой статьи является систематическое и глубокое исследование процесса подготовки заготовок и широко используемых методов обработки деталей из вольфрамовых сплавов, а также предоставление ценных справочных материалов по их точному изготовлению.
ЧАСТЬ.02
Процесс подготовки заготовок деталей из вольфрамовых сплавов
2.1 Технология порошковой металлургии
Вольфрамовые сплавы трудно производить с использованием традиционных процессов выплавки и подготовки сплавов из-за их высокой плотности, высокой температуры плавления и высокой твердости. Порошковая металлургия — традиционный и широко используемый метод изготовления заготовок из вольфрамовых сплавов. Его ключевые процессы показаны на рисунке 1, включая подготовку вольфрамового порошка, смешивание, формование и спекание [3]. В процессе приготовления вольфрамового порошка, чтобы обеспечить чистоту вольфрамового порошка, часто используются такие процессы, как восстановление водородом и восстановление вольфрамата аммиака. В то же время содержание кислорода, размер частиц и форма вольфрамового порошка оказывают существенное влияние на конечные характеристики и качество сплава и должны строго контролироваться. Слишком высокое содержание кислорода ухудшит характеристики сплава, а размер и форма частиц повлияют на эффект последующих процессов смешивания и формовки. Например, порошок вольфрама с однородным размером частиц помогает более равномерно смешиваться с другими металлическими порошками во время смешивания, обеспечивая однородность состава сплава. В процессе смешивания необходимо следить за тем, чтобы размер различных частиц металлического порошка был одинаковым и пропорция была точной. Для точного смешивания часто используются механическое перемешивание, шаровая мельница и другие методы. Методы формования включают холодное изостатическое прессование, прессование в штампах, экструзионное формование порошка, литьевое формование порошка и т. д. Эти методы позволяют производить детали сложной формы.
Рисунок 1. Основные процессы порошковой металлургии заготовок из вольфрамовых сплавов.
Процесс спекания является ключом к достижению вольфрамовым сплавом необходимой плотности, прочности и других свойств. Широко используется двухэтапное-спекание [4]: на этапе предварительного-спекания обычно поддерживается температура 1000-1200 градусов. В этом диапазоне температур металлы с низкой-точкой плавления-, такие как медь и железо, переходят в жидкое состояние и подвергаются диффузии твердой-фазы с окружающими частицами порошка вольфрама, фиксируя положение частиц порошка вольфрамового сплава и равномерно заполняя их, таким образом достигая формы заготовки. Далее следует этап высокотемпературного-спекания, на котором между частицами порошка происходят реакции твердой-фазы и жидкой-фазы, в конечном итоге образующие плотную структуру вольфрамового сплава. Контроль температуры и времени спекания играет решающую роль в производительности продукта. Если время спекания слишком велико, размер кристаллов вольфрама увеличится, что повлияет на плотность и общие характеристики сплава; если температура слишком высокая, это приведет к испарению металлов с низкой-точкой плавления-, таких как медь и железо, что приведет к снижению плотности и механической прочности сплава. Температура спекания обычно поддерживается на уровне около 1400 градусов, а предварительное-спекание и высоко-спекание обычно проводятся в вакууме или среде инертного газа, чтобы уменьшить окисление и улетучивание сплавов с низкой-температурой плавления-. Обычный процесс состоит в том, чтобы сначала -обжечь сформированную заготовку из вольфрамового порошка при температуре 1200 градусов в течение 1 часа в атмосфере водорода, чтобы придать ей определенную прочность и проводимость, а затем выполнить самосопротивляющееся спекание, используя тепло, выделяемое собственным сопротивлением заготовки, для дальнейшего ускорения спекания.
2.2 Процесс аддитивного производства
Традиционные методы порошковой металлургии позволяют производить заготовки только относительно правильной формы. Для деталей из вольфрамовых сплавов со сложной структурой, особенно со сложными полостями, после формовки заготовки по-прежнему требуется сложная обработка, чтобы окончательно удовлетворить требования к детали. В настоящее время отсутствуют эффективные методы обработки и формовки сложных закрытых внутренних полостей, что ограничивает возможности проектирования деталей из вольфрамовых сплавов. Технология аддитивного производства предлагает новое решение для проектирования и изготовления деталей из вольфрамовых сплавов. Обычно используемые технологии аддитивного производства металлов включают селективное лазерное плавление (SLM), лазерное стереоформирование (LSF), электродуговое аддитивное производство (WAAM), селективное лазерное плавление в слое порошка (L-PBF) и лазерное направленное осаждение энергии (L-DED) [5, 6]. Сравнение преимуществ и недостатков различных процессов аддитивного производства для изготовления деталей из вольфрамовых сплавов показано в таблице 1. SLM может производить детали сложной геометрии, но имеет такие проблемы, как шероховатая поверхность, большие межслойные остаточные напряжения и ограниченный размер детали, и подходит для изготовления небольших деталей; LSF позволяет получить тонкую, однородную и плотную структуру, улучшить механические свойства и коррозионную стойкость материалов, но при несоответствии параметров процесса легко возникают такие дефекты, как плохое проваривание в наплавленном слое; WAAM подходит для производства крупномасштабных-комплексных деталей аэрокосмической конструкции с высокой скоростью формовки и высокой плотностью, но качество поверхности формованных деталей низкое. Типичная деталь из вольфрамового сплава, изготовленная по технологии аддитивного производства, показана на рисунке 2. По сравнению с традиционным методом порошковой металлургии аддитивное производство имеет очевидные преимущества при изготовлении сложных деталей из вольфрамового сплава. С его помощью можно не только подготовить детали сложной структуры и полостей в соответствии со специальными требованиями проектирования, но также реализовать послойное --нанесение материалов, улучшить использование материалов и снизить затраты[7]. Таблица 1. Сравнение преимуществ и недостатков деталей из вольфрамовых сплавов, изготовленных различными процессами аддитивного производства
а) Сетка против-рассеяния
б) Пористые части
Рисунок 2. Типичные детали из вольфрамового сплава, изготовленные по технологии аддитивного производства.
2.3 Сравнение процессов и выбор
Порошковая металлургия и аддитивное производство в настоящее время являются двумя основными методами изготовления заготовок из вольфрамовых сплавов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки при подготовке заготовок. Сравнение процессов подготовки заготовок из вольфрамовых сплавов показано в таблице 2. Порошковая металлургия является относительно более развитой, дает материалы с большей плотностью и дает преимущества в стабильном массовом производстве. Аддитивное производство — это новый процесс, разработанный в последние годы, с различными производными технологическими маршрутами, который имеет преимущества при производстве конструкционных деталей со сложными полостями.
Таблица 2. Сравнение процессов подготовки заготовок из вольфрамового сплава
Чтобы обеспечить более высокие комплексные характеристики, детали из вольфрамовых сплавов в передовых-областях, таких как аэрокосмическая, оборонная, атомная промышленность, медицинское оборудование и электроника, как правило, имеют более сложные структурные особенности, включая тонкие стенки, изогнутые поверхности и пористые структуры, с которыми традиционные методы порошковой металлургии не могут справиться. Производство деталей из чистого вольфрамового сплава с высокой-плотностью и отсутствием дефектов-с использованием аддитивного производства по-прежнему сталкивается с рядом технических проблем. Порошковая экструзионная печать (PEP), технология непрямой 3D-печати металлом, сочетающая 3D-печать и порошковую металлургию, использует порошок вольфрамового сплава со связующим. Порошку придают форму с помощью оборудования для 3D-печати, а затем -обрабатывают его с помощью порошковой металлургии, удаляя связующие и спекая, в конечном итоге получая конструкционные детали высокой-плотности и-производительности. Эта технология обеспечивает новое решение проблем обработки вольфрамовых сплавов и изготовления сложных конструкций. Его низкотемпературная-формовка и высокая-температура схватывания эффективно решают такие проблемы, как деформация, растрескивание и образование пустот, которые легко возникают в других процессах 3D-печати вольфрамовых сплавов.
ЧАСТЬ.03
Обработка деталей из вольфрамовых сплавов
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) приводит к значительному ускорению износа инструмента во время обработки, что влияет на точность обработки и срок службы инструмента. Стойкость инструмента и эффективность обработки являются ключевыми факторами, которые следует учитывать при механической обработке. Вольфрамовые сплавы имеют относительно низкую теплопроводность, и тепло, выделяющееся при резке, трудно быстро рассеивать. Режущая кромка работает при высокой температуре, что легко приводит к термическому напряжению, приводящему к деформации инструмента и повышенному износу [8]. Стружка из вольфрамового сплава имеет зернистую структуру, что затрудняет ее удаление. Они имеют тенденцию накапливаться в зоне резания, образуя кромки стружки, ухудшая качество поверхности обрабатываемых деталей, а также могут повредить инструмент и станок. Сравнение режущего инструмента и параметров процесса изготовления деталей из вольфрамовых сплавов представлено в таблице 3. В инженерной практике инструменты из PCBN являются одним из лучших вариантов. Типичные детали из вольфрамового сплава, обработанные резанием, показаны на рисунке 3. Таблица 3. Сравнение режущих инструментов и параметров процесса для деталей из вольфрамового сплава. Рисунок 3. Типичные детали из вольфрамового сплава, обработанные резанием. ЧАСТЬ.04 Шлифование деталей из вольфрамового сплава Шлифование как метод микро-резания подходит для обработки материалов с высокой-твердостью, таких как вольфрамовые сплавы. Шлифование шлифовальным кругом показано на рисунке 4. Шлифовальный круг в основном состоит из абразивных зерен, пор и связующих веществ в определенном соотношении. Его абразивные зерна имеют тупые угловые характеристики, обычно в диапазоне от 90 до 120 градусов. В процессе шлифования вольфрамовых сплавов получаемый шлифовальный материал имеет зернистую форму. Благодаря относительно низкой вязкости и ударной вязкости стружка относительно легко удаляется и не забивает поры шлифовального круга [9]. Поэтому при шлифовании вольфрамовых сплавов можно использовать шлифовальные круги с более крупными порами для повышения эффективности шлифования и качества обработки. В зоне шлифования легко накапливается тепло, что может привести к ожогам. Чтобы эффективно решить эту проблему, необходимо принять меры принудительного охлаждения под высоким-давлением и большим-потоком, чтобы вовремя отводить тепло, выделяющееся в процессе шлифования, и уменьшать термическую деформацию и термическое напряжение в зоне шлифования. Обычно в качестве смазочно-охлаждающей жидкости выбираются эмульсии на водной-основе, чтобы обеспечить наилучший охлаждающий эффект. Выбор параметров процесса шлифования деталей из вольфрамовых сплавов представлен в таблице 4. Рисунок 4 Принципиальная схема шлифовального круга Таблица 4 Выбор параметров процесса шлифования деталей из вольфрамовых сплавов Детали из чистого вольфрама или вольфрамового-никелевого-медного сплава обладают низким магнетизмом. Тонкостенные детали трудно надежно зафиксировать традиционными электромагнитными патронами. В качестве зажима можно рассмотреть вакуумно-адсорбционные приспособления [10]. Приспособление для позиционирования вакуумной адсорбции для деталей из вольфрамового сплава показано на рисунке 5. Рисунок 5. Принципиальная схема приспособления для позиционирования вакуумной адсорбции для деталей из вольфрамового сплава.
ЧАСТЬ.05
Проволочная электроэрозионная обработка деталей из вольфрамовых сплавов
Вольфрамовые сплавы имеют высокие температуры плавления и высокую твердость, и их можно обрабатывать с помощью инструментов высокой-твердости, таких как инструменты с покрытием, инструменты с PVD-покрытием и керамические инструменты. Однако эти инструменты подвергаются значительному износу, что затрудняет обработку таких элементов, как поры, узкие прорези и отверстия неправильной формы, с использованием этих традиционных инструментов. Электроэрозионная обработка проволоки (ЭЭР) — это особый процесс обработки. Его основной принцип заключается в использовании непрерывно движущейся тонкой металлической электродной проволоки (обычно медной или молибденовой проволоки) для создания импульсных искровых разрядов между заготовкой и заготовкой. Создаваемые температуры обычно достигают 8000–12000 градусов, чего достаточно для плавления или даже испарения поверхностного материала вольфрамового сплава, тем самым обеспечивая резку заготовки. Относительное движение между электродной проволокой и заготовкой позволяет всему процессу резки формировать на поверхности заготовки желаемую форму. На рис. 6 показана обработка отверстий неправильной формы на заготовке из вольфрамового сплава с использованием проволочной электроэрозионной обработки. Проволочная электроэрозионная обработка применяется для обработки деталей из вольфрамовых сплавов. Высокая температура вызывает изменение кристаллической фазы поверхности вольфрамового сплава во время резки, в результате чего образуется модифицированный слой, который ухудшает уникальные свойства вольфрамового сплава. Во время обработки применяется метод «разрез-один-восстановление-три», постепенно уменьшая глубину резания и параметры мощности импульса для восстановления модифицированного слоя.
Рисунок 6. Обработка отверстий неправильной формы на заготовке из вольфрамового сплава с помощью проволочной электроэрозионной обработки.
ЧАСТЬ.06
Заключение В данной статье изучаются и обобщаются подготовка заготовок, распространенные методы обработки и трудности обработки прецизионных деталей из вольфрамовых сплавов. При изготовлении заготовок порошковая металлургия является относительно более зрелой, позволяя получать материалы с большей плотностью и предлагая преимущества в стабильном массовом производстве. Аддитивное производство, относительно новый процесс, разработанный в последние годы, породил различные технологические маршруты и имеет преимущества при производстве конструкционных деталей со сложными полостями. При резке инструменты из PCBN имеют преимущества, обеспечивая длительный срок службы инструмента и снижая влияние износа инструмента на точность обработки. Технология шлифования предпочтительна при обработке регулярных поверхностей, обеспечивая более высокое качество поверхности. Для обработки отверстий и канавок проволочная электроэрозионная обработка обеспечивает высокую эффективность обработки. Вышеупомянутый процесс подготовки заготовок, а также методы резки, шлифования и резки проволокой могут эффективно улучшить качество изготовления и эффективность производства прецизионных деталей из вольфрамовых сплавов, обеспечивая техническую поддержку развитию смежных отраслей.
