چدن های داکتیل آستمپر شده

مقدمه:

این مقاله به معرفی جدن های جدیدی که به دلیل خواص قابل مقایسه خود با

 فولاد ها، بصورت روز افزون جای خود را در صنعت ریخته گری باز کرده است، می پردازد. این نوع چدن ها از انواع چدن های داکتیل می باشد که دارای ساختار زمینه جدیدی بنام آسفریت(Ausferrite)  است. این ساختار زمینه دارای خواص بسیار مطلوبی است که در ساختار های زمینه معمول در چدن ها (فریت، پرلیت و مارتنزیت تمپر شده ) این خواص  مشاهده نمی شود. به همین جهت این نوع چدن های داکتیل تحت عنوان جدیدی ( چدن های داکتیل آستمپر شده Austempered Ductile Iron, ADI) نامگذاری شده اند و شماره های استاندارد مخصوصی (گرید 1 تا 5) را به خود اختصاص داده اند. لازم به ذکر است که ساختار زمینه آسفریت تنها در چدن ها ی داکتیل و خاکستری قابل دستیابی است.

انواع چدن ها:

در ابتدا جا دارد در خصوص دسته بندی چدن ها صحبت مختصری داشته باشیم. چدن سفید چدنی است که در آن کربن فقط بصورت ترکیبی ( ترکیب با آهن که به نام سمنتیت با ترکیب Fe₃C شناخته شده است) حضور می یابد. در انواع دیگر چدن ها کربن بصورت غیر ترکیبی و به شکل گرافیت حضور می یابد. بسته به ساختار زمینه چدن ممکن است تقریبا تمام کربن بصورت گرافیت ظاهر شود مانند در چدن های خاکستری با زمینه فریتی. و یا ممکن است مقداری از کربن در تشکیل فاز زمینه شرکت نماید مثل چدن خاکستری با زمینه پرلیتی.

شکل 1 محدوده ترکیب شمیایی برای تولید انواع چدن خاکستری و چدن سفید با توجه به سرعت سرد کردن. چنانچه از شکل مشاهده می شود، هر چقدر سرعت سرد کردن بیشتر می شود محدوده ترکیبی چدن سفید بیشتر می گردد.

تولید گرافیت آزاد در چدن ها طی ریخته گری و هنگام  انجماد بستگی به دو عامل ترکیب شیمیایی و سرعت سرد کردن قطعه دارد. مسلماَ در پروسه های معمول ریخته گری که سرعت سرد کردن تقریبا یکسان است، تولید انواع چدن با کنترل ترکیب شیمیایی میسر است. در شکل 1 اثر دو پارامتر ترکیب شیمیایی و سرعت سرد کردن روی ساختار چدن به صورت شماتیک نشان داده شده است. چدن های خالدار از نظر ساختار ما بین چدن های خاکستری و چدن های سفید قرار دارند، در شکلز نیز ترکیب این نوع چدن ما بین چدن خاکستری پریتی  و چدن سفید قرار گرفته است.

علاوه بر جدن خاکستری، چدن های داکتیل نیز از انواع چدن های با گرافیت آزاد می باشند. از نظر ساختاری تفاوت اصلی بین این دو نوع چدن، شکل گرافیت ها در آنها می باشد. در چدن خاکستری گرافیت ها بصورت ورقه ای حضور دارند و در چدن های داکتیل گرافیت ها کروی می باشند. بدلیل این تفاوت ساختاری، خواص این دو گروه از چدن ها کاملا متفاوت می باشد. ضمن اینکه ساختار زمینه آنها نیز بر خواص کلی اثرات خواص به خود را دارد. شکل 2 ساختار این دو نوع چدن را با هم مقایسه میکند.

شکل 2  ساختار میکروسکپی چدن خاکستری (a) با ترکیب Fe-3.2%C-1.1%Si، شامل ورقه های گرافیتی در زمینه پرلیتی.

ساختار چدن داکتیل(b)  با ترکیب Fe- 3.2%C-2.5% Si- 0.05%Mg شامل گرافیت های کروی در زمینه فریتی. زمینه فریتی توسط آنیل کردن بدست آمده است.

از انواع چدن ها، چدن های مالیبل(Malleable)  هستند که با انجام عملیات حرارتی طولانی ( چند روز) بر روی چدن های سفید، در دمای حدود 900 درجه سانتیگراد تولید می شوند. طی این عملیات حرارتی، سمنتیت در چدن های سفید تجزیه شده و به گرافیت تبدیل می کردد. در این حالت گرافیت شکل برفکی داشته و خواص مکانیکی چدن نسبت به چدن های خاکستری بهبود می یابد. در شکل 3 ساختار میکروسکپی چدن سفید و چدن داکتیل با هم مقایسه شده است.

در سالهای اخیر استفاده از چدن های مالیبل بدلیل هزینه های تولید زیاد، بسیار محدود شده است بنحویکه در سالهای اخیر تنها در حد کمتر از 1% از محصولات چدنی را بخود اختصاص داده است. دلیل این امر به بازار آمدن چدن داکتیل می باشد که با هزینه های تولید کم خواصی بمراتب بهتر از چدن های مالیبل را نیز ایجاد می کند. بالعکس چدن های داکتیل در صنعت بصورت روز افزونی جای خود را باز کرده و روند سعودی را دارد. شکل 4 روند صعودی تولید و استفاده از چدن های داکتیل را در سالهای اخیر نشان می دهد. در کنار این افزایش کاهش میزان مصرف چدن های خاکستری و چدن های مالیبل بخوبی مشاهده می گردد.

شکل 3 ساختار میکروسکپی چدن سفید (a) ، با ترکیب Fe-3.6%C-0.1%Si ، دندریت های پرلیت ( محصول آستنیت هیپو یوتکتیک که در دماهای پایین تبدیل به پرلیت شده است) بوسیله مناطق پرلیتی و سمنتیت احاطه شده است، ساختار چدن مالیبل (b) که با حرارت دادن چدن سفید در دمای بین 900 تا 950 درجه سانتیگراد بمدت چند روز بدست آمده است.  این ساختار شامل گرافیت های برفکی شکل در زمینه فریتی می باشد.

شکل4 روند تولیدات انواع چدن در بازار آمریکا از ده 1970 تا سال 2000، دقت نمایید که محور عمودی مربوط به چدن های مالیبل اسکیل جداگانه ای دارد. چنانچه مشاهده می گردد میزان تولید چدن های داکتیل سیر سعودی داشته و با توجه به نرخ افزایشی مشاهده شده پیش بینی می شود که این روند ادامه دارد. 

چدن های داکتیل آستمپر شده Austempered Ductile Iron (ADI) :

چنانچه گفته شد زمینه چدن ها خواص آنها را تغییر می دهد. در انواع زمینه های قابل دستیابی پس از ریخته گری اعم از زمینه فریتی، پرلیتی و حتی قطعات کوانچ شده و تمپر شده (مارتنزیت تمپر شده) ، پایه اصلی فریت با کریستال BCC می باشد. تغییر در سختی و خواص کششی ناشی از اختلاف در توزیع، شکل و اندازه ذرات کاربید آهن (سمنتیت Fe₃C) در این زمینه اصلی می باشد. در نرم ترین زمینه یعنی زمینه فریتی هیچ کاربیدی حضور ندارد، در حالیکه لایه­های کاربید در پرلیت در ایجاد سختی بالا موثر است. سخت ترین زمینه، مارتنزیت تمپر شده است که در حقیقت توزیع کاربید های بسیار ظریف در فریت می باشد. در شکل 5 خواص گرید های مختلف چدن های داکتیل نشان داده شده است. دایره های سیاه رنگ حداقل خواص گرید استاندارد را مشخص می کندو  منطقه خاکستری روشن تر بالای آنها خواص کششی قابل دست یابی در انواع چدن های داکتیل با زمینه اصلی  BCC ( فریت) را نشان می دهد.

در سال های اخیر نوعی چدن بعنوان چدن داکتیل آستمپر شده (ADI)  شناخته شده است، که توسط عملیات حرارتی پس از ریخته گری تولید می گردد و ساختار اصلی زمینه آن آستنیت FCC، آستنیت که در دمای محیط باقی می ماند، می باشد. از شکل 5 می توانید مشاهده کنید که گرید های چدنADI  بطور قابل ملاحظه ای استحکام بالاتری نسبت به دیگر چدن های داکتیل معمول با زمینه های مختلف دارند ، در عین حالیکه این نوع چدن، داکتیلیتی خوبی را نیز دارا می باشد.

علت اصلی این افزایش فوق العاده خواص، ریشه در حضور زمینه FCC همراه با توزیع تیغه های ریز فریت در آن را دارد. گرید های ASTM نشان دهنده حداقل استحکام کششی و داکتیلیتی می باشند و منطقه خاکستری تیره تر نشان داده شده در منطقه بالای گرید های تعیین شده در استاندارد، خواص قابل دست یابی در این نوع چدن ها را نشان می دهد. واضح است که چدن های ADI فرصت های جدیدی را برای کاربرد در چدن های داکتیل ایجاد می کند. در حقیقت چدن های ADI  با توجه به استحکام و داکتیلیتی بالا در بسیاری کاربرد ها رقیب فولاد های فورج شده و فولاد های ریختگی شده اند. و این موضوع باعث افزایش مصرف روز افزون این نوع چدن ها گردیده است.

نحوه عملیات حرارتی (روش تولید) چدن های ADI:

ریخته گری چدن های ADI مشابه ریخته گری چدن های داکتیل می باشد. پس از ریخته گری، چدن ها تحت عملیات حرارتی آستمپرینگ که شامل حرارت دادن در دمای آستنیته و سپس کوانچ کردن در مذاب حمام نمک می باشد، قرار می گیرند تا تحول تبدیل آستنیت به آسفریت (مخلوط فریت وآستنیت) انجام پذیر و ساختار زمینه مطلوب بدست آید. برای درک بهتر این عملیات حرارتی و شناخت پارامترهای آن، توضیحاتی در این زمینه ارائه می شود. به این منظور یک دیاگرام ITT بصورت شماتیک در شکل 6 نشان داده شده است. چدن داکتیل در دمای T_γ که در حدود 840 تا 950 درجه سانتیگراداست،  آستنیته می شود و در دمای T_A (230 تا 400 درجه سانتیگراد)  آستمپر می گردد. چهار مرحله طی این عملیات حرارتی وجود دارد که بصورت شماتیک در شکل نیز نشان داده شده است و در زیر توضیح داده می شوند.

مرحله اول- آستنیته کردن چدن در طول زمان مشخصی که تمام زمینه آستنیتی شود و کربن نیز بصورت هموژن در آن توزیع گردد. زمان مناسب نگهداری در دمای آستنیته یک ساعت برای هر اینچ ( 2.5 سانتیمتر) ضخامت می باشد. دمای آستنیته به ترکیب شیمیایی چدن بستگی دارد.

مرحله دوم – سرد کردن تا دمای آستمپرینگ با سرعتی که دماغه پرلیت را قطع نکند. این امر بوسیله کوانچ کردن در حمام مذاب حاصل می گردد. در ضخامت های زیاد ضروری است که عناصری مثل مس، نیکل و مولیبدن به ترکیب چدن اضافه گردد. افزودن این عناصر باعث انتقال دیاگرام ITT به سمت راست می گردد و اجازه نمی دهد که پرلیت در ساختار ایجاد گردد.

شکل 6 نمای شماتیکی از یک دیاگرام ITT  در چدن ها

مرحله سوم – نگهداری چدن در دمای آستمپرینگ می باشد تا ااینکه تحول تبدیل آستنیت به آسفریت یعنی

انجام شده و تکمیل گردد. شکل 7 بصورت شماتیک این تحول را نشان می دهد. با توجه به شکل نبایستی زمان آنقدر طولانی باشد که تحول تبدیل آستنیت به بینایت یعنی

بوقوع بپیوندد. این زمان با توجه به ترکیب شیمیایی و دمای آستنیته تعیین می گردد.

شکل 7 تحول آستنیت به آسفریت بصورت شماتیک

مرحله چهارم – سرد کردن تا دمای محیط. در این مرحله لزومی به سریع سرد کردن نمی باشد. بیشتر بایستی توجه داشت که قطعه بصورت یکنواخت سرد شود تا در آن تنش های پسماند به حداقل برسد.

شکل 8 ساختار یک چدن ADI  را نشان می دهد.

شکل 8 ساختار میکروسکپی چدن ADI شامل گرافیت کروی در زمینه آستنیت (فاز سفید رنگ) و تیغه های فریت(فاز تیره رنگ)

لازم به ذکر است که در یک قطعه فولادی که به همین روش مورد عملیات حرارتی قرار بگیرد، آستنیت به بینایت ، ساختاری شامل زمینه فریتی و کاربید آهن Fe₃C ، تبدیل می شود. در صورتیکه در چدن ها حضور سیلیسیم زیاد از تشکیل کاربید جلو گیری می کند. در این حالت سیستم آهن و کربن یک دیاگرام نیمه تعادلیMetastable  جدیدی را نشان می دهد که در آن آستنیت در دمای محیط پایدار می باشد. این نوع عملیات حرارتی می تواند بر روی چدن های خاکستری نیز انجام شود و در نتیجه آن زمینه آسفریت را در چدن های خاکستری ایجاد نمود به این ترتیب چدن های خاکستری آستمپر شده Austempered Gray Iron (AGI)  تولید می گردد که از خواص ویژه ای برخوردار می باشد. بررسی این نوع چدن و کاربرد های آن در جای خود قابل بحث می باشد.

گرید های مختلف چدن های ADI:

پنج نوع مختلف چدن ADI دسته بندی شده اند که بوسیله انتخاب روش مناسب عملیات حرارتی می توان آنها را از یک چدن با ترکیب شیمیایی ثابت تولید کرد. جدول 1 مشخصات انواع چدن های ADI  که در استاندارد ASTM 897-90 and 897M-90 دسته بندی شده اند، را نشان می دهد.

جدول 1 مشخصات گریدهای چدن های ADI  که در استاندارد ASTM 897-90 and 897M-90 دسته بندی شده اند

گرید چدن	استحکام کششی MPa	استحکام تسلیم MPa	کرنش %	انرژی ضربه J	سختی  HBW
1	850	550	10	100	269-321
2	1050	700	7	80	302-363
3	1200	850	4	60	341-444
4	1400	1100	1	35	388-477
5	1600	1300	N/A	N/A	444-555

مهمترین پارامتر کنترل کننده خواص مکانیکی چدن های ADI که با کیفیت مطلوب ریخته گری و عملیات حرارتی شده باشند، انتخاب دمای آستمپرینگ می باشد. این پارامتر، عامل کنترل کننده ظرافت آسفریت تولید شده می باشد. منظور از ظرافت اندازه و تعداد ذرات فریتی است که در زمینه آستنیت وجود دارد. بطور کلی دماهای بالای آستمپرینگ ساختار نسبتا درشتی را می دهد که در نتیجه آن استحکام کم و داکتیلیتی زیاد می باشد. از طرف دیگر دما های پایین آستمپرینگ ساختار بسیار ریزی با استحکام زیاد ولی داکتیلیتی کم را می دهد. دماهای آستمپرینگ بالایی در حدود 400 تا 425 درجه سانتیگراد، چدن ADI گرید 1 را تولید می کند و دماهای آستمپرینگ 275 تا 300 درجه سانتیگراد چدن ADI گرید 4 را تولید می کند.

کاربرد ها و مقایسه خواص مکانیکی چدن های ADI :

چدن های ADI   بطور باور نکردنی  دارای نسبت استحکام به وزن  بالایی همراه استحکام خستگی وتافنس شکست خوبی هستند. دانسیته چدن های ADI ، 10 درصد کمتر از فولادها میباشد و لذا این چدن ها میتوانند جایگزین فولاد های فورج شده و فولاد های ریخته گی بمنظور کاهش وزن گردند.  از طرف دیگر با استحکامی سه برابر استحکام آلومینیوم و وزن فقط دو برابر ونیم آن ، چدن ها ی ADI  میتوانند برای صرفه جویی در هزینه ها جایگزین قطعات آلومینیومی هم وزن شوند. به این دلایل این نوع چدن ها خیلی سریع در صنعت جای خود را باز کرده  در بسیاری موارد جایگزین فولاد ها شده اند. مثال هایی از کاربردهای چدن های ADI  شامل چرخ دنده ها، میل لنگ ماشین های مختلف، ناخن بار برداری در لودرها، میل بادامک ماشین و غیره می باشد. در شکل 9 نمونه ای از میل لنگ تولید شده از چدن ADI  نشان داده شده است.

شکل 9 میل لنگ یک ماشین اسپورت از جنس چدن نشکن آستمپرشده

بعنوان مثال میل لنگ ها قبلا از فولاد و یا چدن داکتیل ساخته می شدند ولی امروزه در بسیاری موارد از چدن ADI تهیه میشوند. جهت مقایسه خواص مکانیکی چدن های ADI با مواد دیگر، نمونه های تست مکانیکی از میل لنگ های ساخته شده از فولاد ، چدن داکتیل و ADI تهیه و مورد آزمایش قرار داده شده اند. نتایج این آزمایشات  در جدول 2 آورده شده است.  چنانچه مشاهده می شود، در هر دو مورد استفاده از فولاد و یا چدنADI  خواص به مراتب بالا تر از چدن داکتیل می باشد. توجه کنید که مقاومت به ضربه چدن ADI Grade 1 از فولاد نیز بهتر می باشد و این خاصیت بخصوص در کاربرد آن در میل لنگ بسیار مطلوب می باشد. دیگر مزایای استفاده از چدن ADI  نسبت به فولاد فورج شده هزینه تولید کمتر آن و سبکتر بودن آن می باشد.

جدول 2 مقایسه خواص میل لنگ ساخته شده از سه جنس مختلف

خاصیت	فولاد فورج شده	چدن داکتیل	ADI
استحکام تسلیم MPa	738	538	827
استحکام کششی  MPa	910	903	1083
استحکام خستگی MPa	400	324	427
کرنش (%)	23.2	10.8	13.7
سختی BHN	226-266	262-277	300

نتیجه گیری:

با توجه به خواص مطلوب چدن ها یADI ، هزینه های تولید نسبتا کمتر و چگالی کمتر نسبت به فولاد ها، این نوع چدن های داکتیل در صنعت ریخته گری جایگاه خاصی پیدا کرده است و در حال جایگزین شدن به جای فولاد های معمولی می باشد. این نوع چدن ها به بازار ایران نیز وارد شده و خواهند شد. لذا لازم است متخصصین ایرانی با این نوع چدن ها بیشتر آشنا شده و جهت گسترش تکنولوژی آن در داخل کوشا باشند.

مراجع:

·         http://www.felezat.com/scientific.

چدن نشکن آستمپرشده:

ازدکترامیرعابدی         استادیاردانشگاه شهیدرجائی  

 شکل 5 مقایسه خواص مکانیکی چدن های داکتیل معمول و چدن های ADI دایره ها حداقل خواص مورد تایید استاندارد برای گرید های مختلف را نشان می دهد. چنانچه مشاهده می کنید خواص چدن های ADI کاملا بالا تر از چدن های داکتیل معمول می باشد.

بازدید

هنرستان ۷تیر  

منطقه  ۱۵ درتاریخ۲۶/11/89 

دردسترس نبودن کتاب گزارش فعالیت کارکارگاهی 

، دردسترس نبودن کتاب حل تمرین محاسبات تخصصی ، 

 درخواست افزایش ساعت اجرای فعالیت کارگاهی (2) 

استفاده از هنرآموزان مرتبط بارشته

بازدید از علمی

بازدیدعلمی درروزدوشنبه مورخه 26 /2/90راس ساعت 8صبح ازگروه صنعتی حدید صورت میگیرد

متالورژی پودر

      فلزات و تفجوشی قطعات حاصل از فشردن است. متالورژی پودر، صنعت ساخت قطعات با فشردن پودر  به ماشینکاری.

مزایای متالورژی پودر

1-   دقت ابعادی بالا

2-   تولید بعضی از قطعات فقط به روش متالورژی پودر امکان پذیر است.

3-   عدم نیاز

4-   قابلیت اتوماسیون فرآیند.

5-   سرعت تولید بالا. (با توجه به قابلیت 4)

6-   تهیه پودر از مواد خام امکانپذیر است.

7-   با توجه به اینکه قطعه ذوب نمی شود مسائلی مانند ایجاد سرباره، واکنش بین مذاب وبوته و غیره را نداریم.

8-   عدم وجود محدودیت در آلیاژ سازی.

9-   حد حلالیت وجود ندارد.

10-          امکان کنترل درصد تخلخل  قطعه.

11-          امکان تولید قطعه از فلزات با نقطه ذوب بالا مثل تنگستن وتیتانیم.

12-          امکان تولید کامپوزیت، سرمت و....

13-          امکان تولید قطعات یکنواخت وهموژن . ( ترکیب شیمیایی یکنواخت و عدم وجود جدایش مانند ریخته گری(

معایب متالورژی پودر

1-هزینه بالای تولید پودر

2-خواص مکانیکی پایین تر نسبت به قطعاتی که به روشهای دیگر تولید شده اند.(به علت وجود تخلخل در قطعه)

3-محدودیت از لحاظ وزن وابعاد قطعه.

4-هزینه بالا برای زینتر کردن قطعات.(نیاز به کوره با گاز محافظ)

5-  عدم یکنواختی خواص مکانیکی در قطعه.

6-هزینه بالای بکارگیری پرس وقالب.

7-مشکلات تکنولوژیکی مثل چسبیدن پودر به قالب یا جنس قالب.

موارد کاربرد متالورژی پودر

1-مغناطیس ها: مثل مغناطیس های فریتی، آلنیکو و غیره.

2-صنعت خودرو: مثل چرخدنده ها، میل بادامک.

3-یاتاقانها: مثل ‌آلیاژهای مس وسرب.

4-کامپوزیتها یی که به روش متالورژی پودر تولید می شوند. مثل کامپوزیت مس-گرافیت.

5-سرمتها: Al2O3-Ni ،Al2O3-Cr و....

6-قطعات ابزار: مثل تنگستن کاربید-کبالت برای ابزار سایشی.

7-صافی یا فیلترها.

8-سوپرآلیاژها: مثل آلیاژهای پایه نیکل که در مقابل خزش وخوردگی مقاومت خوبی دارند و در ساخت پره توربین بکار می رود.

9-   مواد دیرگداز: مثل فیلامان لامپ که از جنس تنگستن می باشد.

10-  صنایع الکترونیکی: مثل کنتاکت کلیدها وکنتاکتورها. 

روش های تولید پودر

الف-روشهای فیزیکی

- اتمایزینگ: در این روش مذاب  به ذرات کوچکتر از 150 میکرون تبدیل می شود. پودر فلزاتی مانند آهن، مس و آلیاژهای آن، آلومینیم وآلیاژهای آن، آلیاژهای کبالت، قلع، فولاد زنگ نزن و ابزار و سوپر آلیاژها به این روش قابل تولید هستند.

اتمایزینگ دارای روشهای مختلفی می باشدکه عبارتند از:

   1- اتمایزینگ با سیال (آبی یا گازی): در این روش آب یا گاز توسط نازلهای مخصوص بافشار به جریانی از مذاب فلز برخورد می کند. که در نتیجه مذاب ضمن شکسته شدن به ذرات کوچک منجمد می شود و پودر فلز ایجاد می شود.

روش اتمایزینگ آبی برای تولید انبوه پودر با هزینه پایین تر مناسب است. که دلیل آن سرعت خنک کردن بالای آب می باشد. در این روش شکل پودر نامنظم ومقدار اکسیژن سطحی آن زیاد است. اما دز روش اتمایزینگ گازی سرعت سرد کردن پایین است لذا هزینه تولید پودر بالاتر است. در این روش شکل پودر تقریبا گرد است و اگر از گاز خنثی استفاده شود مقدار اکسیژن سطحی آن بسیار کم است.

   2- اتمایزینگ با نیروی گریز از مرکز: در این روشها از نیروی گریز از مرکز برای شتاب دادن به جریان مذاب و غلبه بر نیروی کشش سطحی آن استفاده می شود. میزان تولید پودر در این روشها نسبت به روش اتمایزینگ با سیال بسیار کمتر ومحدودتر است. در این روش هزینه تولید پودر بسیار بالا است. مهمترین این روشها عبارتند از:

       (1) روش الکترود چرخان: در این فرآیند انتهای یک میله در حال چرخش حول محور طولی خود ذوب گشته، قطرات مذاب به صورت گریز از مرکز به اطراف پرتاب وبه صورت کروی شکل جامد می گردند. عمل ذوب ممکن است به وسیله قوس الکتریکی از طریق یک الکترود مصرف نشدنی از جنس تنگستن صورت گیرد. مزایای این روش، کیفیت سطحی خوب ذرات، شکل کروی ذرات، توزیع اندازه ذرات در محدوده مشخص و امکان تولید پودر فلزات فعال است.     

       (2) روش دیسک چرخان: در این روش جریان باریک مذاب مستقیما به داخل صفحه دوار، که با سرعت زیاد در حال گردش است، ریخته شده ودر اثر گردش، شتاب می گیرد و به صورت قطرات مذاب به محیط اطراف پرت شده و منجمد می گردد. دمش یک گاز خنک کننده یا استفاده از آب، انجماد ذرات را تسریع می کند. در این روش شکل دانه ها کروی است واندازه آنها به سرعت دیسک بستگی دارد.

      (3) روش دیسک چرخان در مذاب: در این روش، محیط یک دیسک که حالت دندانه ای (شبیه چرخدنده) دارد، در تماس با سطح یک فلز مذاب قرار می گیرد. فلز مذاب بین فاصله دندانه ها چسبیده، به حالت خمیری در می آید وبا دیسک شروع به حرکت می کند. سپس به دلیل حرکت دورانی دیسک از آن جدا و پس از طی مسافتی منجمد می شود. در این روش شکل ذرات پودر نامنظم است. همچنین با این روش نمی توان ذرات پودر ریز تولید کرد.

       (4) روش فنجان چرخان: در این روش مذاب به داخل ظرفی به شکل فنجان ریخته می شود. این فنجان با سرعت زیاد به چرخش درآمده، ذرات مذاب به طور مکانیکی از لبه آن به خارج پرتاب، ودر طول مسیر به وسیله گاز خنک کننده منجمد می گردد.

- اتمایزینگ در خلاء: در این روش از انرژی آزاد شده در اثر خارج شدن گاز محلول از حلالیت برای متلاشی کردن مذاب استفاده می شود. ابتدا مذاب بوسیله گاز مناسب تحت فشار قرار می گیرد. در این حالت گاز (معمولا هیدروژن) به حالت فوق اشباع در مذاب حل می شود. سپس مذاب توسط لوله دیرگداز به محفظه خلاء منتقل می شود. با کاهش فشار گاز از حلالیت خارج می شود و به صورت مولکولی   از مذاب خارج می شود. در این حالت گاز حجم بیشتری را اشغال می کند. به این ترتیب مذاب در خلاء متلاشی و به ذرات ریز تبدیل می شود. در این روش ذرات پودر کروی شکل می باشد. همچنین بدلیل استفاده از خلاء مقدار اکسیژن سطحی پایین است.

ب- روشهای شیمیایی

1- روش احیای اکسیدهای فلزی: این روش بیشتر در مورد تولید پودر آهن، مس، تنگستن و مولیبدن به کار می رود. ذرات پودر تولید شده به این روش اساسا دارای خلل وفرج زیاد هستند و به این دلیل قابلیت تراکم پذیری این پودرها خوب است. عمل احیای اکسید فلزات معمولا توسط هیدروژن، مونواکسیدکربن و یا کربن صورت می گیرد. مواد اولیه در خواص پودر نقش مهمی دارند. در کشورهایی که دارای سنگ معدن آهن با عیار بالایی هستند، پودر آ‌هن را در مقیاس بالا با این روش تولید می کنند.

2-  روش رسوب فلز از محلول نمک آن فلز: این فرآیند، همان روش هیدرومتالورژی است. در این روش ابتدا سنگ معدن را در اسید حل می کنند. سپس فلز موجود در اسید را توسط روشهای الکترولیز، سمنتاسیون و یا احیای شیمیایی رسوب می دهند.در این روش با کنترل شرایط و مواد اولیه می توان  تنوع گستردهای از اندازه، شکل و دیگر خواص پودری بدست آورد. این روش بیشتر در مورد تولید پودر فلزاتی مانند مس، نیکل وکبالت استفاده می شود.

3- روش تجزیه حرارتی کربنیلهای فلزی: در این روش ابتدا مونواکسید کربن را از روی فلز اسفنجی یا براده آن عبور می دهند.این فرایند در حرارت 200 تا 270  درجه سانتیگراد در فشار معین (تا 200 اتمسفر) انجام می گیرد تا کربنیل ایجاد گردد. این فرایند در مورد تهیه پودر نیکل وآهن به کار می رود. کربنیل آهن وکربنیل نیکل در درجه حرارت اتاق مایع است. در شرایط اتمسفر محیط کربنیل ها را حرارت می دهند تا به جوش آیند و گازهای تولیدی از محیط خارج شده، در اثر تجزیه، پودر آهن یا نیکل باقی می ماند. این پودر ممکن است نیاز به آسیاب کردن داشته باشد. پودرهای تولیدی به این روش از درجه خلوص بالایی برخوردار هستند. در مورد آهن، ذرات بسیار ریز (10 میکرون) و شکل آن نیز کروی است. در مورد نیکل، شکل ذرات بی قاعده و متخلخل واندازه ذرات نیز ریز است.

4- روش رسوب الکترولیتی از نمکها یا محلولهای فلزی: تعدادی از پودرهای فلزی به وسیله رسوب از نمکهای محلول، هیدروکسیدها، کربنات ها، یا اگزالاتهای خود فلز تهیه می گردند. در اثر حرارت دادن این ترکیبات، فلز یا اکسید آن باقی می ماند وبقیه محلول به صورت گاز خارج می شود. دی اکسید اورانیم ، پلاتین، سلنیم، تلوریم، نقره ونیکل به این روش به پودر تبدیل می شوند.

ج- روشهای مکانیکی

1-ماشینکاری: در این فرایند، تراشه ها وبراده های حاصل از عملیات ماشینکاری را با خرد کردن یا آسیاب کردن به پودر تبدیل می کنند. این روش، ساده ولی برای تولید پودر پرهزینه است. شکل واندازه ذرات پودر متناسب نیست. در صورتی از این روش استفاده می شود که تولید پودر به روشهای دیگر غیر ممکن یا غیر اقتصادی باشد.

2- خرد کردن: این روش برای تولید پودر از فلزاتی به کار می رود که ترد هستند. از این روش بیشتر در مورد تولید پودرهای اکسیدی استفاده می شود. البته می توان فلزات نرم را به اکسیدهای ترد تبدیل وسپس با خرد کردن، پودر تهیه کرد. سپس با احیای پودر اکسیدی  می توان پودر فلزی تولید کرد. ذرات پودر تولید شده به این روش، غیر یکنواخت و درشت است وبه عملیات نهایی نظیر آ‌سیاب کردن نیاز دارد تا به اندازه ذرات مورد نظر برسد.

3- آسیاب کردن: این روش نیز بیشتر در مورد فلزات سخت و پودرهای فلزی اکسیدی مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان مرحله نهایی برای بعضی روشهای تولید دیگر و نیز در مورد فلزاتی نظیر بریلیم، بیسموت، هیدریدهای فلزی، آهن الکترولیتی و... به کار گرفته می شود. امروزه از این روش کمتر استفاده می شود. در این روش پودر ریزتر و یکنواخت تری نسبت به روش قبلی به دست می آید.

خصوصیات پودر فلزی

برای موفقیت در ساخت قطعات با روش متالورژی پودر، دیدی وسیع در شناخت و ارزیابی خواص فیزیکی وشیمیایی پودرهای فلزی لازم است. این شناخت وبررسی خواص در مورد ذره بطور انفرادی ودر مورد مجموعه ای از ذرات پودر انجام می گیرد. در عمل تبدیل پودر به یک محصول تمام شده، خواص قطعات تولید شده با بعضی از مشخصات فیزیکی مانند اندازه، توزیع اندازه، شکل ذره و .... تحت تاثیر قرار می گیرد.

مشخصات یک دانه پودر

1- شکل ذره: ذره پودر می تواند شکلهای مختلف داشته باشد‍. این گوناگونی ناشی از تنوع روشهای تولید پودر است.عمده شکلهای مختلف پودر، که با روشهای مختلف قابل تولید هستند،در جدول (1) آورده شده است.

جدول (1) :شکل عمده پودر تولید شده با روشهای مختلف

شکل ذره پودر	فرآیند تولید	پودر فلز انتخابی برای این فرآیند
اسفنجی	روش احیای مستقیم	پودر‌آهن
نامنظم	اتمیزه آبی	پودر مس و آلیاژهای آن
کروی	گریز از مرکز، روش اتمیزه گاز خنثی	پودر آهن
شاخه ای	روش الکترولیتی
چند وجهی	جدا کردن مکانیکی	پودر آهن
سوزنی	گریز از مرکز، پاشیدن، تجزیه شیمیایی	آلیاژهای روی و آلومینیم
قطره اشک		آلیاژهای مسی

    2- اندازه ذره: معمولا به بعد خطی یک ذره گفته می شود. یک تعریف از اندازه ذره برای ذرات کروی، قطر ذره است. این تعریف اندازه گیری در مورد ذرات با سایر شکلها متفاوت است. تعیین اندازه ذره در چنین پودرهایی معمولا بر اساس اندازه گیری خواص معین با ترکیبی از خواص ذرات پودر است. از چنین اندازه گیریهایی می توان قطر کره معادل را محاسبه نمود. این اندازه، قطر کره ای است که حجم و جرم یکسان با ذره غیر کروی دارد.

3- وضعیت سطح ذره: منظور از وضعیت سطح ذره، مشخصاتی نظیر، زبری، لایه اکسید و گازهای جذب شده سطحی می باشد. به عنوان مثال، پودرهای اتمیزه شده با آب معمولا دارای سطح زبر واکسید سطحی زیاد می باشند در حالیکه پودرهای اتمیزه شده با گاز، معمولا سطح صافتری دارند و اگر از گاز خنثی به عنوان عامل اتمیزه کننده استفاده شود، اکسید سطحی کمتری دارند.

4- ریزساختار: منظور از ریز ساختار، اطلاعات کریستالوگرافیکی مانند فازهای موجود، عیوب کریستالی، ... است. این اطلاعات بوسیله تفرق اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی به دست می آید. این اطلاعات رفتار پودر های فلزی در هنگام پرس وسینتر کردن را تا حدودی مشخص می کند.

5- ترکیب شیمیایی: ترکیب شیمیایی پودر با روش تولید پودر و مواد اولیه برای تولید تحت تاثیر قرار می گیرد. در تولید پودر آهن به روش احیای اکسید، اگر زمان ودرجه حرارت احیا کافی نباشد، در مغز ذره عمل احیا صورت نمی گیرد و مغز ذره به صورت اکسید باقی می ماند. در روش اتمیزه، در صورتی که مذاب تصفیه نشود، ناخالصی ها در پودر پدیدار خواهند شد.

ترکیب شیمیایی پودر در قابلیت متراکم شدن پودر موثر است. ترکیب شیمیایی پودر، درجه حرارت ونوع اتمسفر مورد نیاز تف جوشی را مشخص می کند. همچنین خواص نهایی ماده تف جوشی شده، کاملا به ترکیب شیمیایی پودر بستگی دارد.

وجود ناخالصی در رفتار پودر تاثیر می گذارد. اگر ناخالصی به شکل ترکیبی وجود داشته باشد، سبب ایجاد مشکل در پرس کردن          می شود. اگر ناخالصی به صورت محلول جامد وجود داشته باشد، سبب ایجاد واکنش های ناخواسته در فرآیند تف جوشی می شود.

6- توزیع اندازه ذرات: در مجموعه ای از ذرات پودر، ذرات با اندازه های متفاوت یافت می شود و توزیع اندازه ذرات تاثیر زیادی در رفتار پودرهای فلزی دارد. در پروسه های مختلف متالورژی پودر هر روش نیاز به یک توزیع اندازه ذرات (دانه بندی) معین دارد، به عنوان مثال در تولید قطعات از جنس کاربید تنگستن، اندازه پودر باید در محدوده 1/0 تا 15 میکرون باشد.

اندازه ذرات در عملیات پرس وتف جوشی تاثیر دارد، از جمله:

الف -  برای فشردن پودرهای سخت وشکننده، استفاده از پودر های ریز (حدود یک الی بیست میکرون) توصیه می شود، زیرا اصطکاک بین ذرات افزایش می یابد وبه استحکام مناسب برای حمل و نقل قطعه خام کمک می کند. (استحکام خام)

ب - ذرات ریز پودر، سرعت تف جوشی را افزایش می دهد ولی دستیابی به دانسیته یکنواخت در مقاطع بزرگ را دشوار می سازد.

ج - ذرات درشت، باعث یکنواختی دانسیته می شود ولی حفره های بزرگ پس از تف جوشی در قطعه باقی می ماند که برای خواص مکانیکی مضر است.

7- سطح مخصوص: مجموع سطوح ذرات پودر در واحد وزن، سطح مخصوص نامیده می شود. آگاهی از سطح مخصوص پودر در پیش بینی رفتار پودر درحین فرآیند زینتر شدن و خواص مکانیکی قطعه نهایی مفید می باشد.        

 مشخصات رفتاری پودر(در فرایند تراکم)

1- نرخ روانی: منظور مقدار پودری است که در واحد زمان از قیفی به  قطر 1 اینچ می تواند عبور کند. نرخ روانی پودر در انتقال پودر از محفظه تغذیه به داخل قالب موثر است. نرخ روانی پودر به میزان رطوبت پودر، شکل واندازه پودر و توزیع آن، نوع ماده و اصطکاک بین ذرات بستگی دارد.

2- وزن مخصوص ظاهری: منظور وزن واحد حجم پودر متراکم نشده است که برحسب گرم بر سانتیمتر مکعب بیان می شود. وزن مخصوص ظاهری در مقدار حرکت سنبه موثر است.اگر وزن مخصوص ظاهری پودر بیشتر شود مقدار حرکت سنبه برای دستیابی به یک وزن مخصوص خام مشخص کمتر است. عوامل موثر بر وزن مخصوص ظاهری عبارتند از اندازه وشکل ذرات، توزیع ذرات پودر، وزن مخصوص ذرات پودر و مواد اضافه شونده.

3- وزن مخصوص ضربه ای: منظور وزن مخصوص پودر پس از تکان دادن یا تحت ارتعاش قرار گرفتن می باشد. در اثر ارتعاش ذرات ریز  بین ذرات درشت پودر قرار می گیرند لذا وزن مخصوص ضربه ای نسبت به وزن مخصوص ظاهری بالاتر است.

4- استحکام خام: استحکام مکانیکی یک قطعه خام فشرده شده را استحکام خام می نامندکه نشان دهنده توانایی قطعه خام برای نگهداری اندازه وشکل، هنگام نقل وانتقال تا زمان تفجوشی است.

5- وزن مخصوص خام: وزن واحد حجم قطعه بعد از فشرده شدن و قبل از زینتر کردن را وزن مخصوص خام می نامند. وزن مخصوص خام نشان دهنده مقدار تخلخل در قطعه فشرده شده است.

6- قابلیت فشردگی یا تراکم پذیری: قابلیت فشردگی یک پودر، معیاری از مقدار چگال شدن پودر بر اثر اعمال فشار می باشد. هر چه پودر بیشتر تحت فشار قرار گیرد تخلخل کمتر می شود در نتیجه وزن مخصوص خام بالا می رود. از عوامل موثر درتراکم پذیری می توان سختی ذاتی فلز، حساسیت پودر به کار سختی، تخلخل داخلی، توزیع اندازه ذرات، شکل ذرات و حضور ناخالصی های فلزی را نام برد.

7- نسبت فشردگی: نسبت حجم پودری که داخل قالب ریخته می شود به حجم قطعه ای که خارج می شود نسبت فشردگی نام دارد. هر چه این نسبت بزرگتر شود حجم پودر بیشتر در نتیجه محفظه قالب بزرگتر خواهد بود.

آماده سازی پود ر قبل از فشردن

  قبل از فشردن پودر در قالب لازم است عملیات آماده سازی پودر به شرح ذیل صورت پذیرد:

1- روغنکاری: برای کاهش اصطکاک باید پودر فلز با روانسازها مخلوط گردد. همچنین دیواره های قالب نیز باید روغنکاری شود.

2- آنیل کردن پودر: این عملیات برای حذف کارسختی پودر، از بین بردن اکسیدهادر محیط های احیا کننده مثل هیدروژن، کاهش درصد کربن و نیتروژن به کار می رود. 

 3- آگلومره کردن و سپس خورد کردن با هدف کنترل کردن اندازه ذرات: اگر ذرات پودر بسیار ریز باشد ابتدا آن را آگلومره می کنند وسپس به اندازه مناسب خورد می کنند.

شکل دادن پودر فلزات

    شکل دادن پودر فلزات با دو هدف انجام می شود، که عبارتند از: 1- ایجاد شکل مطلوب. 2- ایجاد استحکام نسبی. این اهداف تعیین کننده روش شکل دادن پودر است.

    برای شکل دادن پودر فلزات سه تکنیک وجود دارد: شکل دادن بدون اعمال فشار-شکل دادن پودر با اعمال فشار بدون حرارت وشکل دادن توام با اعمال فشار و حرارت. هر کدا م از این تکنیکها به چند روش به شرح ذیل صورت می گیرد.

- شکل دادن بدون فشار

1-پخت شل (Lose Sintering): در این روش پودر فلز با دانه بندی ریز (کمتر از 10 میکرون) در قالب ریخته می شود. برای بهتر پر کردن قالب می توان از ارتعاش یا لرزش استفاده کرد. پس از پر شدن قالب، مجموعه پودر را همراه با قالب درون کوره قرار              می دهند و در درجه حرارتی کمتر از درجه حرارت ذوب تفجوشی می کنند. در این روش اندازه ذرات، توزیع ذرات ونرخ روانی پودر از مهمترین عواملی هستند که باید کنترل شوند. جنس قالب باید طوری انتخاب گردد که بین ذرات پودر وقالب تفجوشی صورت نگیرد. این روش برای تولید قطعات متخلخل نظیر بوشهای برنزی کاربرد دارد.

2-ریخته گری تعلیقی: در این روش پودر فلز را با یک سیال مناسب مخلوط می کنند. سپس مخلوط حاصل را در داخل قالب های گچی یا متخلخل (به شکل قطعه) می ریزند. بعد از مدتی سیال از قالب خارج می شود و پودر شکل قطعه مورد نظر را به خود          می گیرد. در این روش اندازه ذرات، ‍PH سیال از مهمترین عواملی هستند که باید کنترل شوند. 

- شکل دادن با اعمال فشار بدون حرارت

1- شکل دا دن در قالب: دراین روش از قالب های مخصوص شکل دادن پودر  استفاده می شود. معمولا دو روش برای شکل دادن پودر

در قالب وجود دارد که عبارتند از:

الف- فرایند فشردگی یک طرفه : دراین فرآیند سمبه پایینی وقالب ثابت وفقط سمبه بالایی متحرک است. پس از پر شدن قالب از پودر با حرکت سمبه بالایی پودر فشرده شده و به شکل محفظه قالب در می آید. سپس قطعه متراکم شده از قالب خارج می گردد. در این حالت چگالی قطعه در نقاط نزدیک به سمبه بالایی بیشتر ودر نقاط دورتر کمتر می باشد. 

ب- فرایند فشردگی دو طرفه: دراین فرایند اعمال فشار بوسیله دو سمبه بالایی وپایینی بطور همزمان صورت می گیرد. در این حالت چگالی قطعه در نقاط نزدیک به دو سمبه بالایی وپایینی بیشتر و در مرکز قطعه کمتر است.در نتیجه در این حالت توزیع چگالی نسبت به حالت فشردگی یک طرفه بهتر است.

 2- فشار کاری ایزو استاتیک: این روش برای تولید قطعات با شکلهای پیچیده با دانسیته بالا (نزدیک به دانسیته تئوری) به کار می رود. در این روش فشار توسط یک سیال بر پودر اعمال می گردد. بدین ترتیب که پودر را درون قالبهای انعطاف پذیر از جنس پلی اورتان، لاستیک و .... ریخته و در محفظه سیال قرار می دهند. سپس از طریق سیال قالب را تحت فشار قرار می دهند. پس از شکل گیری پودر، قطعه را از قالب خارج می کنند. با استفاده از این روش می توان پودر فلز را از تمام جهات بطور یکسان تحت فشار قرار داد و قطعه ای با خواص مکانیکی  بهتر تولید کرد.

3- نورد پودر: در این روش پودر فلز بطور مداوم از بین غلتکها ی معینی که می توانند در وضعیت عمودی یا مایل قرار گرفته باشند، عبور کرده و به شکل صفحه یا تسمه تفجوشی نشده  از آن خارج گردد. سپس صفحه مزبور از درون کوره ای با اتمسفر ودمای کنترل شده عبور داده شده و در صورت نیاز مجدد نورد می شود. در انتها صفحه را بطور مداوم از درون کوره تفجوشی عبور داده، و آن را نورد گرم       می کنند.

4- شکل دادن همرا ه با بایندر: در این روش پودر را با رزین مخلوط می کنند و سپس شکل می دهند. این مخلوط به دو روش شکل داده می شود که عبارتند از:

الف- اکستروژن مخلوط پودر ورزین وسپس حرارت دادن جهت خروج رزین ودر نهایت تفجوشی. این روش برای تولید فیلامانهای تنگستنی به کار می رود.

ب – تزریق مخلوط پودر و رزین به داخل قالب، سپس حرارت دادن جهت خروج رزین ودر نهایت تفجوشی. این روش برای تولید قطعات پیچیده وظریف به کار برده می شود.

- شکل دادن توام با اعمال فشار و حرارت

 1- فشردن داغ: از این روش برای تولید قطعات با دانسیته بالا و میکروساختار کنترل شده استفاده می شود. در واقع، این روش همانند تولید قطعه به روش شکل دادن در قالب است با این تفاوت که اعمال فشار همراه با حرارت دادن در اتمسفر کنترل شده صورت می گیرد. کیفیت قطعات تولیدی به این روش بسیار خوب است اما مشکلات زیادی در طراحی، ساخت و تولید و ایجاد اتمسفر کنترل شده از قبیل جوش خوردن قطعه به قالب، سرعت تولید کم، سایش و خزش قالب وجود دارد. در این روش نیاز به تفجوشی نداریم چون به 95% دانسیته       می رسیم. در این روش سه عامل اصلی وجود دارد که عبارتند از فشار، درجه حرارت و زمان که بر خواص فیزیکی، ساختار داخلی، دقت ابعادی و صافی سطح قطعه تفجوشی شده تاثیر شدیدی دارند.

2 – نورد گرم: این روش مانند روش نورد پودر است با این تفاوت که برای دستیابی به دانسیته بالاتر، نورد در درجه حرارت بالا صورت می گیرد. پس از نورد، تسمه یا صفحه باید تفجوشی شود.

3- فشار کاری ایزواستاتیک داغ: اصول این روش همانند روش فشارکاری ایزو استاتیک است. در این روش سیال به صورت داغ مورد استفاده قرار می گیرد ونیاز به تفجوشی ندارد. معمولا در این روش از گاز هلیم به عنوان سیال استفاده می شود.

 مزایای این روش عبارتند از: رسیدن به حداکثر دانسیته با بهترین توزیع چگالی در قطعات پودری، از بین رفتن تخلخلهای بسیار ریز، بهبود خواص مکانیکی و ... . محدودیتهای اصلی این روش، سرعت تولید و دقت ابعادی کمتر آن نسبت به روشهای معمول است.

تفجوشی (Sintering)

   یکی از مهمترین مراحل متالورژی پودر، تفجوشی می باشد. ذرات پودر در مرحله پرس کردن یا شکل دادن با سایر روشها، فقط به یکدیگر اتصال مکانیکی پیدا می کنند. در مرحله تفجوشی قطعات تهیه شده به صورت خام، درون کوره های مخصوص قرار گرفته، برای مدتی در درجه حرارتهای بالا کمی پایین تر از نقطه ذوب قطعه، حرارت داده می شوند.

   در اثر این عملیات، تحرک اتمها زیاد شده، امکان از بین رفتن مناطق پر انرژی فراهم می آید. مناطق پر انرژی، فصل مشترک بین ذرات است که معمولا به صورت نقطه ای است. با از بین رفتن این مناطق، گوشه های تیز به صورت گرد ومنحنی شکل در می آید. حجم      حفره ها کاهش می یابد. در اثر این فرایندها حجم قطعه کاهش، و در عوض دانسیته و استحکام آن افزایش می یابد. نوع اتصال از حالت مکانیکی به اتمی تبدیل می گردد و سطح تماس بین ذرات افزایش می یابد. در اثر این فرایندها حجم قطعه کاهش و در عوض دانسیته واستحکام آن افزایش می یابد. عوامل مختلفی نظیر درجه حرارت، زمان، اتمسفر، نوع کوره و واکنشهای انجام گرفته در حین فرایند ، در نتایج فرایند تفجوشی موثر است.

تفجوشی به دو صورت عمده انجام می گیرد:

الف - تفجوشی در حالت جامد: در این حالت هیچ یک از فازها ذوب نمی شود. بنابراین عمل تفجوشی در پایین تر از نقطه ذوب فلز و اجزای دیگر مخلوط پودر صورت می گیرد.

ب – تفجوشی در حالت مایع: در این حالت نقطه ذوب یکی از فازها بیشتر است. ولی در هیچ حالتی از تفجوشی نباید تمام فازهای پودر ذوب شود. در حقیقت فاز مذاب، فاز دیگر را در بر می گیرد به همین دلیل مقداری انقباض در قطعه وجود دارد، ولی تخلخل به حداقل   می رسد.

   پدیده تفجوشی شامل مراحل زیر است:

1-ایجاد پیوند اولیه بین ذرات پودر. (حالت چسبندگی)

2-رشد گلویی که نتیجه ایجاد پیوند اتمی ذرات پودر است.

3-بسته شدن کانالهای تخلخل و مجاری ارتباطی بین منافذ.

4-کروی شدن حفره ها و منافذ.

5-افزایش دانسیته با انقباض حفرها.

6-درشت شدن حفره ها.

   تغییرات حاصل در ساختار قطعه در خلال تفجوشی مستلزم انتقال جرم بین نقاط وقسمت های مختلف قطعه است. نیروی محرکه تفجوشی کاهش انرژی آزاد قطعه است که با کاهش انرژی سطحی متناسب است. به همین دلیل است که سرعت تفجوشی پودرهای متراکم شده ریز از پودرهای درشت بیشتر است. نفوذ حجمی در شبکه بلور، نفوذ سطحی ومرز دانه ای مکانیزمهای غالب انتقال جرم در خلال تفجوشی است. البته عوامل دیگر از قبیل تغییر شکل مومسان را نباید نادیده گرفت.

   اگر چه دما و زمان دو عامل اصلی تعیین کننده در فرایند تفجوشی به شمار می آید. ولی عوامل دیگری از قبیل فشار اعمال شده بر پودر

 هنگام فشردن، اندازه و شکل دانه های پودر، وضعیت دانه ها و اتمسفر کوره های تفجوشی نیز حائز اهمیت است.

نظر به اینکه لایه اکسید و گاز جذب شده در سطح دانه های پودر در حین فرایند فشردن کاملا از بین نمی رود، سبب اختلال در فرایند تفجوشی شده و جابجایی اتمها بین دانه های مجاور پودر را مشکل می سازد. به همین دلیل قبل از زدایش اکسیدها وگازهای جذب شده در سطح دانه ها، از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بنابراین اتمسفر تفجوشی در انجام وپیشروی فرایند نقش اساسی دارد. اتمسفرهای مورد استفاده در صنعت شامل گازهای حرارت گیر، حرارت زا، آمونیاک تجزیه شده، هیدروژن و ازت می باشد. 

   تفجوشی معمولا در کوره های با نوار مشبک یا کوره های قدم به قدم انجام می شود. دمای کار کوره نواری کمتر از کوره قدم به قدم است، ولی عملکرد آنها یکسان است. کوره های تفجوشی به ترتیب از سه منطقه تشکیل شده اند:

- منطقه پیشگرم

- منطقه تفجوشی

- منطقه خنک کننده

عملیات تکمیلی روی قطعات تولید شده به روش متالورژی پودر

   قطعات تهیه شده به روش متالورژی پودر به علت انقباض در مرحله تفجوشی نیازمند به عملیات مکانیکی برای تنظیم ابعاد هستند. همچنین ممکن است سیکلهای حرار تی مختلفی روی قطعات اعمال گردد تا یکنواختی بیشتری حاصل گردد.

- پرسکاری مجدد و فشرده کاری : این عمل پس از عملیات تفجوشی باعث کاهش حجم قطعه می شود. همچنین چگالی را بالا برده، استحکام، سختی ودقت ابعادی را بهبود می بخشد. از عملیات فشرده کاری برا ی تضمین دقت ابعادی بدون افزایش چگالی ویا استحکام استفاده می شود.

- عملیات حرارتی: همانند محصولات تولید شده به روش به روش مکانیکی، قطعات تولید شده به روش متالورژی پودر را می توان تحت عملیات حرارتی آنیل کردن یا سختی سطحی قرارداد.

- ماشینکاری: عموما قطعات متالورژی پودر با ابعاد نهایی تولید می شوند اما گاهی یک مرحله ماشینکاری برای سوراخها، تلورانسهای دقیقتر و ... لازم می شود.

  

متالورژی پودر متالورژی پودر، صنعت ساخت قطعات با فشردن پودر فلزات و تفجوشی قطعات حاصل از فشردن است. شمای کلی فرایند متالورژی پودر مواد اضافه شونده تولید وآماده سازی پودر فلز مخلوط کردن نورد-شکل دادن انفجاری عملیات حرارتی سایزینگ،پرسکاری، فورج، یا سینتر کردن مجدد پرس کردن در قالب سینتر کردن (تف جوشی) شکل دادن بدون فشار محصول نهایی پرس گرم اکستروژن آماده سازی مخلوط کردن شکل دادن سینتر کردن عملیات تکمیلی مزایای متالورژی پودر 1- دقت ابعادی بالا 2- تولید بعضی از قطعات فقط به روش متالورژی پودر امکان پذیر است. 3- عدم نیاز به ماشینکاری. 4- قابلیت اتوماسیون فرآیند. 5- سرعت تولید بالا. (با توجه به قابلیت 4) 6- تهیه پودر از مواد خام امکانپذیر است. 7- با توجه به اینکه قطعه ذوب نمی شود مسائلی مانند ایجاد سرباره، واکنش بین مذاب وبوته و غیره را نداریم. 8- عدم وجود محدودیت در آلیاژ سازی. 9- حد حلالیت وجود ندارد. 10- امکان کنترل درصد تخلخل قطعه. 11- امکان تولید قطعه از فلزات با نقطه ذوب بالا مثل تنگستن وتیتانیم. 12- امکان تولید کامپوزیت، سرمت و.... 13- امکان تولید قطعات یکنواخت وهموژن . ( ترکیب شیمیایی یکنواخت و عدم وجود جدایش مانند ریخته گری( معایب متالورژی پودر 1-هزینه بالای تولید پودر 2-خواص مکانیکی پایین تر نسبت به قطعاتی که به روشهای دیگر تولید شده اند.(به علت وجود تخلخل در قطعه) 3-محدودیت از لحاظ وزن وابعاد قطعه. 4-هزینه بالا برای زینتر کردن قطعات.(نیاز به کوره با گاز محافظ) 5- عدم یکنواختی خواص مکانیکی در قطعه. 6-هزینه بالای بکارگیری پرس وقالب. 7-مشکلات تکنولوژیکی مثل چسبیدن پودر به قالب یا جنس قالب. موارد کاربرد متالورژی پودر 1-مغناطیس ها: مثل مغناطیس های فریتی، آلنیکو و غیره. 2-صنعت خودرو: مثل چرخدنده ها، میل بادامک. 3-یاتاقانها: مثل ‌آلیاژهای مس وسرب. 4-کامپوزیتها یی که به روش متالورژی پودر تولید می شوند. مثل کامپوزیت مس-گرافیت. 5-سرمتها: Al2O3-Ni ،Al2O3-Cr و.... 6-قطعات ابزار: مثل تنگستن کاربید-کبالت برای ابزار سایشی. 7-صافی یا فیلترها. 8-سوپرآلیاژها: مثل آلیاژهای پایه نیکل که در مقابل خزش وخوردگی مقاومت خوبی دارند و در ساخت پره توربین بکار می رود. 9- مواد دیرگداز: مثل فیلامان لامپ که از جنس تنگستن می باشد. 10- صنایع الکترونیکی: مثل کنتاکت کلیدها وکنتاکتورها. روش های تولید پودر الف-روشهای فیزیکی - اتمایزینگ: در این روش مذاب به ذرات کوچکتر از 150 میکرون تبدیل می شود. پودر فلزاتی مانند آهن، مس و آلیاژهای آن، آلومینیم وآلیاژهای آن، آلیاژهای کبالت، قلع، فولاد زنگ نزن و ابزار و سوپر آلیاژها به این روش قابل تولید هستند. اتمایزینگ دارای روشهای مختلفی می باشدکه عبارتند از: 1- اتمایزینگ با سیال (آبی یا گازی): در این روش آب یا گاز توسط نازلهای مخصوص بافشار به جریانی از مذاب فلز برخورد می کند. که در نتیجه مذاب ضمن شکسته شدن به ذرات کوچک منجمد می شود و پودر فلز ایجاد می شود. روش اتمایزینگ آبی برای تولید انبوه پودر با هزینه پایین تر مناسب است. که دلیل آن سرعت خنک کردن بالای آب می باشد. در این روش شکل پودر نامنظم ومقدار اکسیژن سطحی آن زیاد است. اما دز روش اتمایزینگ گازی سرعت سرد کردن پایین است لذا هزینه تولید پودر بالاتر است. در این روش شکل پودر تقریبا گرد است و اگر از گاز خنثی استفاده شود مقدار اکسیژن سطحی آن بسیار کم است. 2- اتمایزینگ با نیروی گریز از مرکز: در این روشها از نیروی گریز از مرکز برای شتاب دادن به جریان مذاب و غلبه بر نیروی کشش سطحی آن استفاده می شود. میزان تولید پودر در این روشها نسبت به روش اتمایزینگ با سیال بسیار کمتر ومحدودتر است. در این روش هزینه تولید پودر بسیار بالا است. مهمترین این روشها عبارتند از: (1) روش الکترود چرخان: در این فرآیند انتهای یک میله در حال چرخش حول محور طولی خود ذوب گشته، قطرات مذاب به صورت گریز از مرکز به اطراف پرتاب وبه صورت کروی شکل جامد می گردند. عمل ذوب ممکن است به وسیله قوس الکتریکی از طریق یک الکترود مصرف نشدنی از جنس تنگستن صورت گیرد. مزایای این روش، کیفیت سطحی خوب ذرات، شکل کروی ذرات، توزیع اندازه ذرات در محدوده مشخص و امکان تولید پودر فلزات فعال است. (2) روش دیسک چرخان: در این روش جریان باریک مذاب مستقیما به داخل صفحه دوار، که با سرعت زیاد در حال گردش است، ریخته شده ودر اثر گردش، شتاب می گیرد و به صورت قطرات مذاب به محیط اطراف پرت شده و منجمد می گردد. دمش یک گاز خنک کننده یا استفاده از آب، انجماد ذرات را تسریع می کند. در این روش شکل دانه ها کروی است واندازه آنها به سرعت دیسک بستگی دارد. (3) روش دیسک چرخان در مذاب: در این روش، محیط یک دیسک که حالت دندانه ای (شبیه چرخدنده) دارد، در تماس با سطح یک فلز مذاب قرار می گیرد. فلز مذاب بین فاصله دندانه ها چسبیده، به حالت خمیری در می آید وبا دیسک شروع به حرکت می کند. سپس به دلیل حرکت دورانی دیسک از آن جدا و پس از طی مسافتی منجمد می شود. در این روش شکل ذرات پودر نامنظم است. همچنین با این روش نمی توان ذرات پودر ریز تولید کرد. (4) روش فنجان چرخان: در این روش مذاب به داخل ظرفی به شکل فنجان ریخته می شود. این فنجان با سرعت زیاد به چرخش درآمده، ذرات مذاب به طور مکانیکی از لبه آن به خارج پرتاب، ودر طول مسیر به وسیله گاز خنک کننده منجمد می گردد. - اتمایزینگ در خلاء: در این روش از انرژی آزاد شده در اثر خارج شدن گاز محلول از حلالیت برای متلاشی کردن مذاب استفاده می شود. ابتدا مذاب بوسیله گاز مناسب تحت فشار قرار می گیرد. در این حالت گاز (معمولا هیدروژن) به حالت فوق اشباع در مذاب حل می شود. سپس مذاب توسط لوله دیرگداز به محفظه خلاء منتقل می شود. با کاهش فشار گاز از حلالیت خارج می شود و به صورت مولکولی از مذاب خارج می شود. در این حالت گاز حجم بیشتری را اشغال می کند. به این ترتیب مذاب در خلاء متلاشی و به ذرات ریز تبدیل می شود. در این روش ذرات پودر کروی شکل می باشد. همچنین بدلیل استفاده از خلاء مقدار اکسیژن سطحی پایین است. ب- روشهای شیمیایی 1- روش احیای اکسیدهای فلزی: این روش بیشتر در مورد تولید پودر آهن، مس، تنگستن و مولیبدن به کار می رود. ذرات پودر تولید شده به این روش اساسا دارای خلل وفرج زیاد هستند و به این دلیل قابلیت تراکم پذیری این پودرها خوب است. عمل احیای اکسید فلزات معمولا توسط هیدروژن، مونواکسیدکربن و یا کربن صورت می گیرد. مواد اولیه در خواص پودر نقش مهمی دارند. در کشورهایی که دارای سنگ معدن آهن با عیار بالایی هستند، پودر آ‌هن را در مقیاس بالا با این روش تولید می کنند. 2- روش رسوب فلز از محلول نمک آن فلز: این فرآیند، همان روش هیدرومتالورژی است. در این روش ابتدا سنگ معدن را در اسید حل می کنند. سپس فلز موجود در اسید را توسط روشهای الکترولیز، سمنتاسیون و یا احیای شیمیایی رسوب می دهند.در این روش با کنترل شرایط و مواد اولیه می توان تنوع گستردهای از اندازه، شکل و دیگر خواص پودری بدست آورد. این روش بیشتر در مورد تولید پودر فلزاتی مانند مس، نیکل وکبالت استفاده می شود. 3- روش تجزیه حرارتی کربنیلهای فلزی: در این روش ابتدا مونواکسید کربن را از روی فلز اسفنجی یا براده آن عبور می دهند.این فرایند در حرارت 200 تا 270 درجه سانتیگراد در فشار معین (تا 200 اتمسفر) انجام می گیرد تا کربنیل ایجاد گردد. این فرایند در مورد تهیه پودر نیکل وآهن به کار می رود. کربنیل آهن وکربنیل نیکل در درجه حرارت اتاق مایع است. در شرایط اتمسفر محیط کربنیل ها را حرارت می دهند تا به جوش آیند و گازهای تولیدی از محیط خارج شده، در اثر تجزیه، پودر آهن یا نیکل باقی می ماند. این پودر ممکن است نیاز به آسیاب کردن داشته باشد. پودرهای تولیدی به این روش از درجه خلوص بالایی برخوردار هستند. در مورد آهن، ذرات بسیار ریز (10 میکرون) و شکل آن نیز کروی است. در مورد نیکل، شکل ذرات بی قاعده و متخلخل واندازه ذرات نیز ریز است. 4- روش رسوب الکترولیتی از نمکها یا محلولهای فلزی: تعدادی از پودرهای فلزی به وسیله رسوب از نمکهای محلول، هیدروکسیدها، کربنات ها، یا اگزالاتهای خود فلز تهیه می گردند. در اثر حرارت دادن این ترکیبات، فلز یا اکسید آن باقی می ماند وبقیه محلول به صورت گاز خارج می شود. دی اکسید اورانیم ، پلاتین، سلنیم، تلوریم، نقره ونیکل به این روش به پودر تبدیل می شوند. ج- روشهای مکانیکی 1-ماشینکاری: در این فرایند، تراشه ها وبراده های حاصل از عملیات ماشینکاری را با خرد کردن یا آسیاب کردن به پودر تبدیل می کنند. این روش، ساده ولی برای تولید پودر پرهزینه است. شکل واندازه ذرات پودر متناسب نیست. در صورتی از این روش استفاده می شود که تولید پودر به روشهای دیگر غیر ممکن یا غیر اقتصادی باشد. 2- خرد کردن: این روش برای تولید پودر از فلزاتی به کار می رود که ترد هستند. از این روش بیشتر در مورد تولید پودرهای اکسیدی استفاده می شود. البته می توان فلزات نرم را به اکسیدهای ترد تبدیل وسپس با خرد کردن، پودر تهیه کرد. سپس با احیای پودر اکسیدی می توان پودر فلزی تولید کرد. ذرات پودر تولید شده به این روش، غیر یکنواخت و درشت است وبه عملیات نهایی نظیر آ‌سیاب کردن نیاز دارد تا به اندازه ذرات مورد نظر برسد. 3- آسیاب کردن: این روش نیز بیشتر در مورد فلزات سخت و پودرهای فلزی اکسیدی مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان مرحله نهایی برای بعضی روشهای تولید دیگر و نیز در مورد فلزاتی نظیر بریلیم، بیسموت، هیدریدهای فلزی، آهن الکترولیتی و... به کار گرفته می شود. امروزه از این روش کمتر استفاده می شود. در این روش پودر ریزتر و یکنواخت تری نسبت به روش قبلی به دست می آید. خصوصیات پودر فلزی برای موفقیت در ساخت قطعات با روش متالورژی پودر، دیدی وسیع در شناخت و ارزیابی خواص فیزیکی وشیمیایی پودرهای فلزی لازم است. این شناخت وبررسی خواص در مورد ذره بطور انفرادی ودر مورد مجموعه ای از ذرات پودر انجام می گیرد. در عمل تبدیل پودر به یک محصول تمام شده، خواص قطعات تولید شده با بعضی از مشخصات فیزیکی مانند اندازه، توزیع اندازه، شکل ذره و .... تحت تاثیر قرار می گیرد. مشخصات یک دانه پودر 1- شکل ذره: ذره پودر می تواند شکلهای مختلف داشته باشد‍. این گوناگونی ناشی از تنوع روشهای تولید پودر است.عمده شکلهای مختلف پودر، که با روشهای مختلف قابل تولید هستند،در جدول (1) آورده شده است. جدول (1) :شکل عمده پودر تولید شده با روشهای مختلف شکل ذره پودرفرآیند تولیدپودر فلز انتخابی برای این فرآیند اسفنجیروش احیای مستقیمپودر‌آهن نامنظماتمیزه آبیپودر مس و آلیاژهای آن کرویگریز از مرکز، روش اتمیزه گاز خنثیپودر آهن شاخه ایروش الکترولیتی چند وجهیجدا کردن مکانیکیپودر آهن سوزنیگریز از مرکز، پاشیدن، تجزیه شیمیاییآلیاژهای روی و آلومینیم قطره اشک آلیاژهای مسی 2- اندازه ذره: معمولا به بعد خطی یک ذره گفته می شود. یک تعریف از اندازه ذره برای ذرات کروی، قطر ذره است. این تعریف اندازه گیری در مورد ذرات با سایر شکلها متفاوت است. تعیین اندازه ذره در چنین پودرهایی معمولا بر اساس اندازه گیری خواص معین با ترکیبی از خواص ذرات پودر است. از چنین اندازه گیریهایی می توان قطر کره معادل را محاسبه نمود. این اندازه، قطر کره ای است که حجم و جرم یکسان با ذره غیر کروی دارد. 3- وضعیت سطح ذره: منظور از وضعیت سطح ذره، مشخصاتی نظیر، زبری، لایه اکسید و گازهای جذب شده سطحی می باشد. به عنوان مثال، پودرهای اتمیزه شده با آب معمولا دارای سطح زبر واکسید سطحی زیاد می باشند در حالیکه پودرهای اتمیزه شده با گاز، معمولا سطح صافتری دارند و اگر از گاز خنثی به عنوان عامل اتمیزه کننده استفاده شود، اکسید سطحی کمتری دارند. 4- ریزساختار: منظور از ریز ساختار، اطلاعات کریستالوگرافیکی مانند فازهای موجود، عیوب کریستالی، ... است. این اطلاعات بوسیله تفرق اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی به دست می آید. این اطلاعات رفتار پودر های فلزی در هنگام پرس وسینتر کردن را تا حدودی مشخص می کند. 5- ترکیب شیمیایی: ترکیب شیمیایی پودر با روش تولید پودر و مواد اولیه برای تولید تحت تاثیر قرار می گیرد. در تولید پودر آهن به روش احیای اکسید، اگر زمان ودرجه حرارت احیا کافی نباشد، در مغز ذره عمل احیا صورت نمی گیرد و مغز ذره به صورت اکسید باقی می ماند. در روش اتمیزه، در صورتی که مذاب تصفیه نشود، ناخالصی ها در پودر پدیدار خواهند شد. ترکیب شیمیایی پودر در قابلیت متراکم شدن پودر موثر است. ترکیب شیمیایی پودر، درجه حرارت ونوع اتمسفر مورد نیاز تف جوشی را مشخص می کند. همچنین خواص نهایی ماده تف جوشی شده، کاملا به ترکیب شیمیایی پودر بستگی دارد. وجود ناخالصی در رفتار پودر تاثیر می گذارد. اگر ناخالصی به شکل ترکیبی وجود داشته باشد، سبب ایجاد مشکل در پرس کردن می شود. اگر ناخالصی به صورت محلول جامد وجود داشته باشد، سبب ایجاد واکنش های ناخواسته در فرآیند تف جوشی می شود. 6- توزیع اندازه ذرات: در مجموعه ای از ذرات پودر، ذرات با اندازه های متفاوت یافت می شود و توزیع اندازه ذرات تاثیر زیادی در رفتار پودرهای فلزی دارد. در پروسه های مختلف متالورژی پودر هر روش نیاز به یک توزیع اندازه ذرات (دانه بندی) معین دارد، به عنوان مثال در تولید قطعات از جنس کاربید تنگستن، اندازه پودر باید در محدوده 1/0 تا 15 میکرون باشد. اندازه ذرات در عملیات پرس وتف جوشی تاثیر دارد، از جمله: الف - برای فشردن پودرهای سخت وشکننده، استفاده از پودر های ریز (حدود یک الی بیست میکرون) توصیه می شود، زیرا اصطکاک بین ذرات افزایش می یابد وبه استحکام مناسب برای حمل و نقل قطعه خام کمک می کند. (استحکام خام) ب - ذرات ریز پودر، سرعت تف جوشی را افزایش می دهد ولی دستیابی به دانسیته یکنواخت در مقاطع بزرگ را دشوار می سازد. ج - ذرات درشت، باعث یکنواختی دانسیته می شود ولی حفره های بزرگ پس از تف جوشی در قطعه باقی می ماند که برای خواص مکانیکی مضر است. 7- سطح مخصوص: مجموع سطوح ذرات پودر در واحد وزن، سطح مخصوص نامیده می شود. آگاهی از سطح مخصوص پودر در پیش بینی رفتار پودر درحین فرآیند زینتر شدن و خواص مکانیکی قطعه نهایی مفید می باشد. مشخصات رفتاری پودر(در فرایند تراکم) 1- نرخ روانی: منظور مقدار پودری است که در واحد زمان از قیفی به قطر 1 اینچ می تواند عبور کند. نرخ روانی پودر در انتقال پودر از محفظه تغذیه به داخل قالب موثر است. نرخ روانی پودر به میزان رطوبت پودر، شکل واندازه پودر و توزیع آن، نوع ماده و اصطکاک بین ذرات بستگی دارد. 2- وزن مخصوص ظاهری: منظور وزن واحد حجم پودر متراکم نشده است که برحسب گرم بر سانتیمتر مکعب بیان می شود. وزن مخصوص ظاهری در مقدار حرکت سنبه موثر است.اگر وزن مخصوص ظاهری پودر بیشتر شود مقدار حرکت سنبه برای دستیابی به یک وزن مخصوص خام مشخص کمتر است. عوامل موثر بر وزن مخصوص ظاهری عبارتند از اندازه وشکل ذرات، توزیع ذرات پودر، وزن مخصوص ذرات پودر و مواد اضافه شونده. 3- وزن مخصوص ضربه ای: منظور وزن مخصوص پودر پس از تکان دادن یا تحت ارتعاش قرار گرفتن می باشد. در اثر ارتعاش ذرات ریز بین ذرات درشت پودر قرار می گیرند لذا وزن مخصوص ضربه ای نسبت به وزن مخصوص ظاهری بالاتر است. 4- استحکام خام: استحکام مکانیکی یک قطعه خام فشرده شده را استحکام خام می نامندکه نشان دهنده توانایی قطعه خام برای نگهداری اندازه وشکل، هنگام نقل وانتقال تا زمان تفجوشی است. 5- وزن مخصوص خام: وزن واحد حجم قطعه بعد از فشرده شدن و قبل از زینتر کردن را وزن مخصوص خام می نامند. وزن مخصوص خام نشان دهنده مقدار تخلخل در قطعه فشرده شده است. 6- قابلیت فشردگی یا تراکم پذیری: قابلیت فشردگی یک پودر، معیاری از مقدار چگال شدن پودر بر اثر اعمال فشار می باشد. هر چه پودر بیشتر تحت فشار قرار گیرد تخلخل کمتر می شود در نتیجه وزن مخصوص خام بالا می رود. از عوامل موثر درتراکم پذیری می توان سختی ذاتی فلز، حساسیت پودر به کار سختی، تخلخل داخلی، توزیع اندازه ذرات، شکل ذرات و حضور ناخالصی های فلزی را نام برد. 7- نسبت فشردگی: نسبت حجم پودری که داخل قالب ریخته می شود به حجم قطعه ای که خارج می شود نسبت فشردگی نام دارد. هر چه این نسبت بزرگتر شود حجم پودر بیشتر در نتیجه محفظه قالب بزرگتر خواهد بود. آماده سازی پود ر قبل از فشردن قبل از فشردن پودر در قالب لازم است عملیات آماده سازی پودر به شرح ذیل صورت پذیرد: 1- روغنکاری: برای کاهش اصطکاک باید پودر فلز با روانسازها مخلوط گردد. همچنین دیواره های قالب نیز باید روغنکاری شود. 2- آنیل کردن پودر: این عملیات برای حذف کارسختی پودر، از بین بردن اکسیدهادر محیط های احیا کننده مثل هیدروژن، کاهش درصد کربن و نیتروژن به کار می رود. 3- آگلومره کردن و سپس خورد کردن با هدف کنترل کردن اندازه ذرات: اگر ذرات پودر بسیار ریز باشد ابتدا آن را آگلومره می کنند وسپس به اندازه مناسب خورد می کنند. شکل دادن پودر فلزات شکل دادن پودر فلزات با دو هدف انجام می شود، که عبارتند از: 1- ایجاد شکل مطلوب. 2- ایجاد استحکام نسبی. این اهداف تعیین کننده روش شکل دادن پودر است. برای شکل دادن پودر فلزات سه تکنیک وجود دارد: شکل دادن بدون اعمال فشار-شکل دادن پودر با اعمال فشار بدون حرارت وشکل دادن توام با اعمال فشار و حرارت. هر کدا م از این تکنیکها به چند روش به شرح ذیل صورت می گیرد. - شکل دادن بدون فشار 1-پخت شل (Lose Sintering): در این روش پودر فلز با دانه بندی ریز (کمتر از 10 میکرون) در قالب ریخته می شود. برای بهتر پر کردن قالب می توان از ارتعاش یا لرزش استفاده کرد. پس از پر شدن قالب، مجموعه پودر را همراه با قالب درون کوره قرار می دهند و در درجه حرارتی کمتر از درجه حرارت ذوب تفجوشی می کنند. در این روش اندازه ذرات، توزیع ذرات ونرخ روانی پودر از مهمترین عواملی هستند که باید کنترل شوند. جنس قالب باید طوری انتخاب گردد که بین ذرات پودر وقالب تفجوشی صورت نگیرد. این روش برای تولید قطعات متخلخل نظیر بوشهای برنزی کاربرد دارد. 2-ریخته گری تعلیقی: در این روش پودر فلز را با یک سیال مناسب مخلوط می کنند. سپس مخلوط حاصل را در داخل قالب های گچی یا متخلخل (به شکل قطعه) می ریزند. بعد از مدتی سیال از قالب خارج می شود و پودر شکل قطعه مورد نظر را به خود می گیرد. در این روش اندازه ذرات، ‍PH سیال از مهمترین عواملی هستند که باید کنترل شوند. - شکل دادن با اعمال فشار بدون حرارت 1- شکل دا دن در قالب: دراین روش از قالب های مخصوص شکل دادن پودر استفاده می شود. معمولا دو روش برای شکل دادن پودر در قالب وجود دارد که عبارتند از: الف- فرایند فشردگی یک طرفه : دراین فرآیند سمبه پایینی وقالب ثابت وفقط سمبه بالایی متحرک است. پس از پر شدن قالب از پودر با حرکت سمبه بالایی پودر فشرده شده و به شکل محفظه قالب در می آید. سپس قطعه متراکم شده از قالب خارج می گردد. در این حالت چگالی قطعه در نقاط نزدیک به سمبه بالایی بیشتر ودر نقاط دورتر کمتر می باشد. ب- فرایند فشردگی دو طرفه: دراین فرایند اعمال فشار بوسیله دو سمبه بالایی وپایینی بطور همزمان صورت می گیرد. در این حالت چگالی قطعه در نقاط نزدیک به دو سمبه بالایی وپایینی بیشتر و در مرکز قطعه کمتر است.در نتیجه در این حالت توزیع چگالی نسبت به حالت فشردگی یک طرفه بهتر است. 2- فشار کاری ایزو استاتیک: این روش برای تولید قطعات با شکلهای پیچیده با دانسیته بالا (نزدیک به دانسیته تئوری) به کار می رود. در این روش فشار توسط یک سیال بر پودر اعمال می گردد. بدین ترتیب که پودر را درون قالبهای انعطاف پذیر از جنس پلی اورتان، لاستیک و .... ریخته و در محفظه سیال قرار می دهند. سپس از طریق سیال قالب را تحت فشار قرار می دهند. پس از شکل گیری پودر، قطعه را از قالب خارج می کنند. با استفاده از این روش می توان پودر فلز را از تمام جهات بطور یکسان تحت فشار قرار داد و قطعه ای با خواص مکانیکی بهتر تولید کرد. 3- نورد پودر: در این روش پودر فلز بطور مداوم از بین غلتکها ی معینی که می توانند در وضعیت عمودی یا مایل قرار گرفته باشند، عبور کرده و به شکل صفحه یا تسمه تفجوشی نشده از آن خارج گردد. سپس صفحه مزبور از درون کوره ای با اتمسفر ودمای کنترل شده عبور داده شده و در صورت نیاز مجدد نورد می شود. در انتها صفحه را بطور مداوم از درون کوره تفجوشی عبور داده، و آن را نورد گرم می کنند. 4- شکل دادن همرا ه با بایندر: در این روش پودر را با رزین مخلوط می کنند و سپس شکل می دهند. این مخلوط به دو روش شکل داده می شود که عبارتند از: الف- اکستروژن مخلوط پودر ورزین وسپس حرارت دادن جهت خروج رزین ودر نهایت تفجوشی. این روش برای تولید فیلامانهای تنگستنی به کار می رود. ب – تزریق مخلوط پودر و رزین به داخل قالب، سپس حرارت دادن جهت خروج رزین ودر نهایت تفجوشی. این روش برای تولید قطعات پیچیده وظریف به کار برده می شود. - شکل دادن توام با اعمال فشار و حرارت 1- فشردن داغ: از این روش برای تولید قطعات با دانسیته بالا و میکروساختار کنترل شده استفاده می شود. در واقع، این روش همانند تولید قطعه به روش شکل دادن در قالب است با این تفاوت که اعمال فشار همراه با حرارت دادن در اتمسفر کنترل شده صورت می گیرد. کیفیت قطعات تولیدی به این روش بسیار خوب است اما مشکلات زیادی در طراحی، ساخت و تولید و ایجاد اتمسفر کنترل شده از قبیل جوش خوردن قطعه به قالب، سرعت تولید کم، سایش و خزش قالب وجود دارد. در این روش نیاز به تفجوشی نداریم چون به 95% دانسیته می رسیم. در این روش سه عامل اصلی وجود دارد که عبارتند از فشار، درجه حرارت و زمان که بر خواص فیزیکی، ساختار داخلی، دقت ابعادی و صافی سطح قطعه تفجوشی شده تاثیر شدیدی دارند. 2 – نورد گرم: این روش مانند روش نورد پودر است با این تفاوت که برای دستیابی به دانسیته بالاتر، نورد در درجه حرارت بالا صورت می گیرد. پس از نورد، تسمه یا صفحه باید تفجوشی شود. 3- فشار کاری ایزواستاتیک داغ: اصول این روش همانند روش فشارکاری ایزو استاتیک است. در این روش سیال به صورت داغ مورد استفاده قرار می گیرد ونیاز به تفجوشی ندارد. معمولا در این روش از گاز هلیم به عنوان سیال استفاده می شود. مزایای این روش عبارتند از: رسیدن به حداکثر دانسیته با بهترین توزیع چگالی در قطعات پودری، از بین رفتن تخلخلهای بسیار ریز، بهبود خواص مکانیکی و ... . محدودیتهای اصلی این روش، سرعت تولید و دقت ابعادی کمتر آن نسبت به روشهای معمول است. تفجوشی (Sintering) یکی از مهمترین مراحل متالورژی پودر، تفجوشی می باشد. ذرات پودر در مرحله پرس کردن یا شکل دادن با سایر روشها، فقط به یکدیگر اتصال مکانیکی پیدا می کنند. در مرحله تفجوشی قطعات تهیه شده به صورت خام، درون کوره های مخصوص قرار گرفته، برای مدتی در درجه حرارتهای بالا کمی پایین تر از نقطه ذوب قطعه، حرارت داده می شوند. در اثر این عملیات، تحرک اتمها زیاد شده، امکان از بین رفتن مناطق پر انرژی فراهم می آید. مناطق پر انرژی، فصل مشترک بین ذرات است که معمولا به صورت نقطه ای است. با از بین رفتن این مناطق، گوشه های تیز به صورت گرد ومنحنی شکل در می آید. حجم حفره ها کاهش می یابد. در اثر این فرایندها حجم قطعه کاهش، و در عوض دانسیته و استحکام آن افزایش می یابد. نوع اتصال از حالت مکانیکی به اتمی تبدیل می گردد و سطح تماس بین ذرات افزایش می یابد. در اثر این فرایندها حجم قطعه کاهش و در عوض دانسیته واستحکام آن افزایش می یابد. عوامل مختلفی نظیر درجه حرارت، زمان، اتمسفر، نوع کوره و واکنشهای انجام گرفته در حین فرایند ، در نتایج فرایند تفجوشی موثر است. تفجوشی به دو صورت عمده انجام می گیرد: الف - تفجوشی در حالت جامد: در این حالت هیچ یک از فازها ذوب نمی شود. بنابراین عمل تفجوشی در پایین تر از نقطه ذوب فلز و اجزای دیگر مخلوط پودر صورت می گیرد. ب – تفجوشی در حالت مایع: در این حالت نقطه ذوب یکی از فازها بیشتر است. ولی در هیچ حالتی از تفجوشی نباید تمام فازهای پودر ذوب شود. در حقیقت فاز مذاب، فاز دیگر را در بر می گیرد به همین دلیل مقداری انقباض در قطعه وجود دارد، ولی تخلخل به حداقل می رسد. پدیده تفجوشی شامل مراحل زیر است: 1-ایجاد پیوند اولیه بین ذرات پودر. (حالت چسبندگی) 2-رشد گلویی که نتیجه ایجاد پیوند اتمی ذرات پودر است. 3-بسته شدن کانالهای تخلخل و مجاری ارتباطی بین منافذ. 4-کروی شدن حفره ها و منافذ. 5-افزایش دانسیته با انقباض حفرها. 6-درشت شدن حفره ها. تغییرات حاصل در ساختار قطعه در خلال تفجوشی مستلزم انتقال جرم بین نقاط وقسمت های مختلف قطعه است. نیروی محرکه تفجوشی کاهش انرژی آزاد قطعه است که با کاهش انرژی سطحی متناسب است. به همین دلیل است که سرعت تفجوشی پودرهای متراکم شده ریز از پودرهای درشت بیشتر است. نفوذ حجمی در شبکه بلور، نفوذ سطحی ومرز دانه ای مکانیزمهای غالب انتقال جرم در خلال تفجوشی است. البته عوامل دیگر از قبیل تغییر شکل مومسان را نباید نادیده گرفت. اگر چه دما و زمان دو عامل اصلی تعیین کننده در فرایند تفجوشی به شمار می آید. ولی عوامل دیگری از قبیل فشار اعمال شده بر پودر هنگام فشردن، اندازه و شکل دانه های پودر، وضعیت دانه ها و اتمسفر کوره های تفجوشی نیز حائز اهمیت است. نظر به اینکه لایه اکسید و گاز جذب شده در سطح دانه های پودر در حین فرایند فشردن کاملا از بین نمی رود، سبب اختلال در فرایند تفجوشی شده و جابجایی اتمها بین دانه های مجاور پودر را مشکل می سازد. به همین دلیل قبل از زدایش اکسیدها وگازهای جذب شده در سطح دانه ها، از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بنابراین اتمسفر تفجوشی در انجام وپیشروی فرایند نقش اساسی دارد. اتمسفرهای مورد استفاده در صنعت شامل گازهای حرارت گیر، حرارت زا، آمونیاک تجزیه شده، هیدروژن و ازت می باشد. تفجوشی معمولا در کوره های با نوار مشبک یا کوره های قدم به قدم انجام می شود. دمای کار کوره نواری کمتر از کوره قدم به قدم است، ولی عملکرد آنها یکسان است. کوره های تفجوشی به ترتیب از سه منطقه تشکیل شده اند: - منطقه پیشگرم - منطقه تفجوشی - منطقه خنک کننده عملیات تکمیلی روی قطعات تولید شده به روش متالورژی پودر قطعات تهیه شده به روش متالورژی پودر به علت انقباض در مرحله تفجوشی نیازمند به عملیات مکانیکی برای تنظیم ابعاد هستند. همچنین ممکن است سیکلهای حرار تی مختلفی روی قطعات اعمال گردد تا یکنواختی بیشتری حاصل گردد. - پرسکاری مجدد و فشرده کاری : این عمل پس از عملیات تفجوشی باعث کاهش حجم قطعه می شود. همچنین چگالی را بالا برده، استحکام، سختی ودقت ابعادی را بهبود می بخشد. از عملیات فشرده کاری برا ی تضمین دقت ابعادی بدون افزایش چگالی ویا استحکام استفاده می شود. - عملیات حرارتی: همانند محصولات تولید شده به روش به روش مکانیکی، قطعات تولید شده به روش متالورژی پودر را می توان تحت عملیات حرارتی آنیل کردن یا سختی سطحی قرارداد. - ماشینکاری: عموما قطعات متالورژی پودر با ابعاد نهایی تولید می شوند اما گاهی یک مرحله ماشینکاری برای سوراخها، تلورانسهای دقیقتر و ... لازم می شود. متالورژی پودر متالورژی پودر، صنعت ساخت قطعات با فشردن پودر فلزات و تفجوشی قطعات حاصل از فشردن است. شمای کلی فرایند متالورژی پودر مواد اضافه شونده تولید وآماده سازی پودر فلز مخلوط کردن نورد-شکل دادن انفجاری عملیات حرارتی سایزینگ،پرسکاری، فورج، یا سینتر کردن مجدد پرس کردن در قالب سینتر کردن (تف جوشی) شکل دادن بدون فشار محصول نهایی پرس گرم اکستروژن آماده سازی مخلوط کردن شکل دادن سینتر کردن عملیات تکمیلی مزایای متالورژی پودر 1- دقت ابعادی بالا 2- تولید بعضی از قطعات فقط به روش متالورژی پودر امکان پذیر است. 3- عدم نیاز به ماشینکاری. 4- قابلیت اتوماسیون فرآیند. 5- سرعت تولید بالا. (با توجه به قابلیت 4) 6- تهیه پودر از مواد خام امکانپذیر است. 7- با توجه به اینکه قطعه ذوب نمی شود مسائلی مانند ایجاد سرباره، واکنش بین مذاب وبوته و غیره را نداریم. 8- عدم وجود محدودیت در آلیاژ سازی. 9- حد حلالیت وجود ندارد. 10- امکان کنترل درصد تخلخل قطعه. 11- امکان تولید قطعه از فلزات با نقطه ذوب بالا مثل تنگستن وتیتانیم. 12- امکان تولید کامپوزیت، سرمت و.... 13- امکان تولید قطعات یکنواخت وهموژن . ( ترکیب شیمیایی یکنواخت و عدم وجود جدایش مانند ریخته گری( معایب متالورژی پودر 1-هزینه بالای تولید پودر 2-خواص مکانیکی پایین تر نسبت به قطعاتی که به روشهای دیگر تولید شده اند.(به علت وجود تخلخل در قطعه) 3-محدودیت از لحاظ وزن وابعاد قطعه. 4-هزینه بالا برای زینتر کردن قطعات.(نیاز به کوره با گاز محافظ) 5- عدم یکنواختی خواص مکانیکی در قطعه. 6-هزینه بالای بکارگیری پرس وقالب. 7-مشکلات تکنولوژیکی مثل چسبیدن پودر به قالب یا جنس قالب. موارد کاربرد متالورژی پودر 1-مغناطیس ها: مثل مغناطیس های فریتی، آلنیکو و غیره. 2-صنعت خودرو: مثل چرخدنده ها، میل بادامک. 3-یاتاقانها: مثل ‌آلیاژهای مس وسرب. 4-کامپوزیتها یی که به روش متالورژی پودر تولید می شوند. مثل کامپوزیت مس-گرافیت. 5-سرمتها: Al2O3-Ni ،Al2O3-Cr و.... 6-قطعات ابزار: مثل تنگستن کاربید-کبالت برای ابزار سایشی. 7-صافی یا فیلترها. 8-سوپرآلیاژها: مثل آلیاژهای پایه نیکل که در مقابل خزش وخوردگی مقاومت خوبی دارند و در ساخت پره توربین بکار می رود. 9- مواد دیرگداز: مثل فیلامان لامپ که از جنس تنگستن می باشد. 10- صنایع الکترونیکی: مثل کنتاکت کلیدها وکنتاکتورها. روش های تولید پودر الف-روشهای فیزیکی - اتمایزینگ: در این روش مذاب به ذرات کوچکتر از 150 میکرون تبدیل می شود. پودر فلزاتی مانند آهن، مس و آلیاژهای آن، آلومینیم وآلیاژهای آن، آلیاژهای کبالت، قلع، فولاد زنگ نزن و ابزار و سوپر آلیاژها به این روش قابل تولید هستند. اتمایزینگ دارای روشهای مختلفی می باشدکه عبارتند از: 1- اتمایزینگ با سیال (آبی یا گازی): در این روش آب یا گاز توسط نازلهای مخصوص بافشار به جریانی از مذاب فلز برخورد می کند. که در نتیجه مذاب ضمن شکسته شدن به ذرات کوچک منجمد می شود و پودر فلز ایجاد می شود. روش اتمایزینگ آبی برای تولید انبوه پودر با هزینه پایین تر مناسب است. که دلیل آن سرعت خنک کردن بالای آب می باشد. در این روش شکل پودر نامنظم ومقدار اکسیژن سطحی آن زیاد است. اما دز روش اتمایزینگ گازی سرعت سرد کردن پایین است لذا هزینه تولید پودر بالاتر است. در این روش شکل پودر تقریبا گرد است و اگر از گاز خنثی استفاده شود مقدار اکسیژن سطحی آن بسیار کم است. 2- اتمایزینگ با نیروی گریز از مرکز: در این روشها از نیروی گریز از مرکز برای شتاب دادن به جریان مذاب و غلبه بر نیروی کشش سطحی آن استفاده می شود. میزان تولید پودر در این روشها نسبت به روش اتمایزینگ با سیال بسیار کمتر ومحدودتر است. در این روش هزینه تولید پودر بسیار بالا است. مهمترین این روشها عبارتند از: (1) روش الکترود چرخان: در این فرآیند انتهای یک میله در حال چرخش حول محور طولی خود ذوب گشته، قطرات مذاب به صورت گریز از مرکز به اطراف پرتاب وبه صورت کروی شکل جامد می گردند. عمل ذوب ممکن است به وسیله قوس الکتریکی از طریق یک الکترود مصرف نشدنی از جنس تنگستن صورت گیرد. مزایای این روش، کیفیت سطحی خوب ذرات، شکل کروی ذرات، توزیع اندازه ذرات در محدوده مشخص و امکان تولید پودر فلزات فعال است. (2) روش دیسک چرخان: در این روش جریان باریک مذاب مستقیما به داخل صفحه دوار، که با سرعت زیاد در حال گردش است، ریخته شده ودر اثر گردش، شتاب می گیرد و به صورت قطرات مذاب به محیط اطراف پرت شده و منجمد می گردد. دمش یک گاز خنک کننده یا استفاده از آب، انجماد ذرات را تسریع می کند. در این روش شکل دانه ها کروی است واندازه آنها به سرعت دیسک بستگی دارد. (3) روش دیسک چرخان در مذاب: در این روش، محیط یک دیسک که حالت دندانه ای (شبیه چرخدنده) دارد، در تماس با سطح یک فلز مذاب قرار می گیرد. فلز مذاب بین فاصله دندانه ها چسبیده، به حالت خمیری در می آید وبا دیسک شروع به حرکت می کند. سپس به دلیل حرکت دورانی دیسک از آن جدا و پس از طی مسافتی منجمد می شود. در این روش شکل ذرات پودر نامنظم است. همچنین با این روش نمی توان ذرات پودر ریز تولید کرد. (4) روش فنجان چرخان: در این روش مذاب به داخل ظرفی به شکل فنجان ریخته می شود. این فنجان با سرعت زیاد به چرخش درآمده، ذرات مذاب به طور مکانیکی از لبه آن به خارج پرتاب، ودر طول مسیر به وسیله گاز خنک کننده منجمد می گردد. - اتمایزینگ در خلاء: در این روش از انرژی آزاد شده در اثر خارج شدن گاز محلول از حلالیت برای متلاشی کردن مذاب استفاده می شود. ابتدا مذاب بوسیله گاز مناسب تحت فشار قرار می گیرد. در این حالت گاز (معمولا هیدروژن) به حالت فوق اشباع در مذاب حل می شود. سپس مذاب توسط لوله دیرگداز به محفظه خلاء منتقل می شود. با کاهش فشار گاز از حلالیت خارج می شود و به صورت مولکولی از مذاب خارج می شود. در این حالت گاز حجم بیشتری را اشغال می کند. به این ترتیب مذاب در خلاء متلاشی و به ذرات ریز تبدیل می شود. در این روش ذرات پودر کروی شکل می باشد. همچنین بدلیل استفاده از خلاء مقدار اکسیژن سطحی پایین است. ب- روشهای شیمیایی 1- روش احیای اکسیدهای فلزی: این روش بیشتر در مورد تولید پودر آهن، مس، تنگستن و مولیبدن به کار می رود. ذرات پودر تولید شده به این روش اساسا دارای خلل وفرج زیاد هستند و به این دلیل قابلیت تراکم پذیری این پودرها خوب است. عمل احیای اکسید فلزات معمولا توسط هیدروژن، مونواکسیدکربن و یا کربن صورت می گیرد. مواد اولیه در خواص پودر نقش مهمی دارند. در کشورهایی که دارای سنگ معدن آهن با عیار بالایی هستند، پودر آ‌هن را در مقیاس بالا با این روش تولید می کنند. 2- روش رسوب فلز از محلول نمک آن فلز: این فرآیند، همان روش هیدرومتالورژی است. در این روش ابتدا سنگ معدن را در اسید حل می کنند. سپس فلز موجود در اسید را توسط روشهای الکترولیز، سمنتاسیون و یا احیای شیمیایی رسوب می دهند.در این روش با کنترل شرایط و مواد اولیه می توان تنوع گستردهای از اندازه، شکل و دیگر خواص پودری بدست آورد. این روش بیشتر در مورد تولید پودر فلزاتی مانند مس، نیکل وکبالت استفاده می شود. 3- روش تجزیه حرارتی کربنیلهای فلزی: در این روش ابتدا مونواکسید کربن را از روی فلز اسفنجی یا براده آن عبور می دهند.این فرایند در حرارت 200 تا 270 درجه سانتیگراد در فشار معین (تا 200 اتمسفر) انجام می گیرد تا کربنیل ایجاد گردد. این فرایند در مورد تهیه پودر نیکل وآهن به کار می رود. کربنیل آهن وکربنیل نیکل در درجه حرارت اتاق مایع است. در شرایط اتمسفر محیط کربنیل ها را حرارت می دهند تا به جوش آیند و گازهای تولیدی از محیط خارج شده، در اثر تجزیه، پودر آهن یا نیکل باقی می ماند. این پودر ممکن است نیاز به آسیاب کردن داشته باشد. پودرهای تولیدی به این روش از درجه خلوص بالایی برخوردار هستند. در مورد آهن، ذرات بسیار ریز (10 میکرون) و شکل آن نیز کروی است. در مورد نیکل، شکل ذرات بی قاعده و متخلخل واندازه ذرات نیز ریز است. 4- روش رسوب الکترولیتی از نمکها یا محلولهای فلزی: تعدادی از پودرهای فلزی به وسیله رسوب از نمکهای محلول، هیدروکسیدها، کربنات ها، یا اگزالاتهای خود فلز تهیه می گردند. در اثر حرارت دادن این ترکیبات، فلز یا اکسید آن باقی می ماند وبقیه محلول به صورت گاز خارج می شود. دی اکسید اورانیم ، پلاتین، سلنیم، تلوریم، نقره ونیکل به این روش به پودر تبدیل می شوند. ج- روشهای مکانیکی 1-ماشینکاری: در این فرایند، تراشه ها وبراده های حاصل از عملیات ماشینکاری را با خرد کردن یا آسیاب کردن به پودر تبدیل می کنند. این روش، ساده ولی برای تولید پودر پرهزینه است. شکل واندازه ذرات پودر متناسب نیست. در صورتی از این روش استفاده می شود که تولید پودر به روشهای دیگر غیر ممکن یا غیر اقتصادی باشد. 2- خرد کردن: این روش برای تولید پودر از فلزاتی به کار می رود که ترد هستند. از این روش بیشتر در مورد تولید پودرهای اکسیدی استفاده می شود. البته می توان فلزات نرم را به اکسیدهای ترد تبدیل وسپس با خرد کردن، پودر تهیه کرد. سپس با احیای پودر اکسیدی می توان پودر فلزی تولید کرد. ذرات پودر تولید شده به این روش، غیر یکنواخت و درشت است وبه عملیات نهایی نظیر آ‌سیاب کردن نیاز دارد تا به اندازه ذرات مورد نظر برسد. 3- آسیاب کردن: این روش نیز بیشتر در مورد فلزات سخت و پودرهای فلزی اکسیدی مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان مرحله نهایی برای بعضی روشهای تولید دیگر و نیز در مورد فلزاتی نظیر بریلیم، بیسموت، هیدریدهای فلزی، آهن الکترولیتی و... به کار گرفته می شود. امروزه از این روش کمتر استفاده می شود. در این روش پودر ریزتر و یکنواخت تری نسبت به روش قبلی به دست می آید. خصوصیات پودر فلزی برای موفقیت در ساخت قطعات با روش متالورژی پودر، دیدی وسیع در شناخت و ارزیابی خواص فیزیکی وشیمیایی پودرهای فلزی لازم است. این شناخت وبررسی خواص در مورد ذره بطور انفرادی ودر مورد مجموعه ای از ذرات پودر انجام می گیرد. در عمل تبدیل پودر به یک محصول تمام شده، خواص قطعات تولید شده با بعضی از مشخصات فیزیکی مانند اندازه، توزیع اندازه، شکل ذره و .... تحت تاثیر قرار می گیرد. مشخصات یک دانه پودر 1- شکل ذره: ذره پودر می تواند شکلهای مختلف داشته باشد‍. این گوناگونی ناشی از تنوع روشهای تولید پودر است.عمده شکلهای مختلف پودر، که با روشهای مختلف قابل تولید هستند،در جدول (1) آورده شده است. جدول (1) :شکل عمده پودر تولید شده با روشهای مختلف شکل ذره پودرفرآیند تولیدپودر فلز انتخابی برای این فرآیند اسفنجیروش احیای مستقیمپودر‌آهن نامنظماتمیزه آبیپودر مس و آلیاژهای آن کرویگریز از مرکز، روش اتمیزه گاز خنثیپودر آهن شاخه ایروش الکترولیتی چند وجهیجدا کردن مکانیکیپودر آهن سوزنیگریز از مرکز، پاشیدن، تجزیه شیمیاییآلیاژهای روی و آلومینیم قطره اشک آلیاژهای مسی 2- اندازه ذره: معمولا به بعد خطی یک ذره گفته می شود. یک تعریف از اندازه ذره برای ذرات کروی، قطر ذره است. این تعریف اندازه گیری در مورد ذرات با سایر شکلها متفاوت است. تعیین اندازه ذره در چنین پودرهایی معمولا بر اساس اندازه گیری خواص معین با ترکیبی از خواص ذرات پودر است. از چنین اندازه گیریهایی می توان قطر کره معادل را محاسبه نمود. این اندازه، قطر کره ای است که حجم و جرم یکسان با ذره غیر کروی دارد. 3- وضعیت سطح ذره: منظور از وضعیت سطح ذره، مشخصاتی نظیر، زبری، لایه اکسید و گازهای جذب شده سطحی می باشد. به عنوان مثال، پودرهای اتمیزه شده با آب معمولا دارای سطح زبر واکسید سطحی زیاد می باشند در حالیکه پودرهای اتمیزه شده با گاز، معمولا سطح صافتری دارند و اگر از گاز خنثی به عنوان عامل اتمیزه کننده استفاده شود، اکسید سطحی کمتری دارند. 4- ریزساختار: منظور از ریز ساختار، اطلاعات کریستالوگرافیکی مانند فازهای موجود، عیوب کریستالی، ... است. این اطلاعات بوسیله تفرق اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی به دست می آید. این اطلاعات رفتار پودر های فلزی در هنگام پرس وسینتر کردن را تا حدودی مشخص می کند. 5- ترکیب شیمیایی: ترکیب شیمیایی پودر با روش تولید پودر و مواد اولیه برای تولید تحت تاثیر قرار می گیرد. در تولید پودر آهن به روش احیای اکسید، اگر زمان ودرجه حرارت احیا کافی نباشد، در مغز ذره عمل احیا صورت نمی گیرد و مغز ذره به صورت اکسید باقی می ماند. در روش اتمیزه، در صورتی که مذاب تصفیه نشود، ناخالصی ها در پودر پدیدار خواهند شد. ترکیب شیمیایی پودر در قابلیت متراکم شدن پودر موثر است. ترکیب شیمیایی پودر، درجه حرارت ونوع اتمسفر مورد نیاز تف جوشی را مشخص می کند. همچنین خواص نهایی ماده تف جوشی شده، کاملا به ترکیب شیمیایی پودر بستگی دارد. وجود ناخالصی در رفتار پودر تاثیر می گذارد. اگر ناخالصی به شکل ترکیبی وجود داشته باشد، سبب ایجاد مشکل در پرس کردن می شود. اگر ناخالصی به صورت محلول جامد وجود داشته باشد، سبب ایجاد واکنش های ناخواسته در فرآیند تف جوشی می شود. 6- توزیع اندازه ذرات: در مجموعه ای از ذرات پودر، ذرات با اندازه های متفاوت یافت می شود و توزیع اندازه ذرات تاثیر زیادی در رفتار پودرهای فلزی دارد. در پروسه های مختلف متالورژی پودر هر روش نیاز به یک توزیع اندازه ذرات (دانه بندی) معین دارد، به عنوان مثال در تولید قطعات از جنس کاربید تنگستن، اندازه پودر باید در محدوده 1/0 تا 15 میکرون باشد. اندازه ذرات در عملیات پرس وتف جوشی تاثیر دارد، از جمله: الف - برای فشردن پودرهای سخت وشکننده، استفاده از پودر های ریز (حدود یک الی بیست میکرون) توصیه می شود، زیرا اصطکاک بین ذرات افزایش می یابد وبه استحکام مناسب برای حمل و نقل قطعه خام کمک می کند. (استحکام خام) ب - ذرات ریز پودر، سرعت تف جوشی را افزایش می دهد ولی دستیابی به دانسیته یکنواخت در مقاطع بزرگ را دشوار می سازد. ج - ذرات درشت، باعث یکنواختی دانسیته می شود ولی حفره های بزرگ پس از تف جوشی در قطعه باقی می ماند که برای خواص مکانیکی مضر است. 7- سطح مخصوص: مجموع سطوح ذرات پودر در واحد وزن، سطح مخصوص نامیده می شود. آگاهی از سطح مخصوص پودر در پیش بینی رفتار پودر درحین فرآیند زینتر شدن و خواص مکانیکی قطعه نهایی مفید می باشد. مشخصات رفتاری پودر(در فرایند تراکم) 1- نرخ روانی: منظور مقدار پودری است که در واحد زمان از قیفی به قطر 1 اینچ می تواند عبور کند. نرخ روانی پودر در انتقال پودر از محفظه تغذیه به داخل قالب موثر است. نرخ روانی پودر به میزان رطوبت پودر، شکل واندازه پودر و توزیع آن، نوع ماده و اصطکاک بین ذرات بستگی دارد. 2- وزن مخصوص ظاهری: منظور وزن واحد حجم پودر متراکم نشده است که برحسب گرم بر سانتیمتر مکعب بیان می شود. وزن مخصوص ظاهری در مقدار حرکت سنبه موثر است.اگر وزن مخصوص ظاهری پودر بیشتر شود مقدار حرکت سنبه برای دستیابی به یک وزن مخصوص خام مشخص کمتر است. عوامل موثر بر وزن مخصوص ظاهری عبارتند از اندازه وشکل ذرات، توزیع ذرات پودر، وزن مخصوص ذرات پودر و مواد اضافه شونده. 3- وزن مخصوص ضربه ای: منظور وزن مخصوص پودر پس از تکان دادن یا تحت ارتعاش قرار گرفتن می باشد. در اثر ارتعاش ذرات ریز بین ذرات درشت پودر قرار می گیرند لذا وزن مخصوص ضربه ای نسبت به وزن مخصوص ظاهری بالاتر است. 4- استحکام خام: استحکام مکانیکی یک قطعه خام فشرده شده را استحکام خام می نامندکه نشان دهنده توانایی قطعه خام برای نگهداری اندازه وشکل، هنگام نقل وانتقال تا زمان تفجوشی است. 5- وزن مخصوص خام: وزن واحد حجم قطعه بعد از فشرده شدن و قبل از زینتر کردن را وزن مخصوص خام می نامند. وزن مخصوص خام نشان دهنده مقدار تخلخل در قطعه فشرده شده است. 6- قابلیت فشردگی یا تراکم پذیری: قابلیت فشردگی یک پودر، معیاری از مقدار چگال شدن پودر بر اثر اعمال فشار می باشد. هر چه پودر بیشتر تحت فشار قرار گیرد تخلخل کمتر می شود در نتیجه وزن مخصوص خام بالا می رود. از عوامل موثر درتراکم پذیری می توان سختی ذاتی فلز، حساسیت پودر به کار سختی، تخلخل داخلی، توزیع اندازه ذرات، شکل ذرات و حضور ناخالصی های فلزی را نام برد. 7- نسبت فشردگی: نسبت حجم پودری که داخل قالب ریخته می شود به حجم قطعه ای که خارج می شود نسبت فشردگی نام دارد. هر چه این نسبت بزرگتر شود حجم پودر بیشتر در نتیجه محفظه قالب بزرگتر خواهد بود. آماده سازی پود ر قبل از فشردن قبل از فشردن پودر در قالب لازم است عملیات آماده سازی پودر به شرح ذیل صورت پذیرد: 1- روغنکاری: برای کاهش اصطکاک باید پودر فلز با روانسازها مخلوط گردد. همچنین دیواره های قالب نیز باید روغنکاری شود. 2- آنیل کردن پودر: این عملیات برای حذف کارسختی پودر، از بین بردن اکسیدهادر محیط های احیا کننده مثل هیدروژن، کاهش درصد کربن و نیتروژن به کار می رود. 3- آگلومره کردن و سپس خورد کردن با هدف کنترل کردن اندازه ذرات: اگر ذرات پودر بسیار ریز باشد ابتدا آن را آگلومره می کنند وسپس به اندازه مناسب خورد می کنند. شکل دادن پودر فلزات شکل دادن پودر فلزات با دو هدف انجام می شود، که عبارتند از: 1- ایجاد شکل مطلوب. 2- ایجاد استحکام نسبی. این اهداف تعیین کننده روش شکل دادن پودر است. برای شکل دادن پودر فلزات سه تکنیک وجود دارد: شکل دادن بدون اعمال فشار-شکل دادن پودر با اعمال فشار بدون حرارت وشکل دادن توام با اعمال فشار و حرارت. هر کدا م از این تکنیکها به چند روش به شرح ذیل صورت می گیرد. - شکل دادن بدون فشار 1-پخت شل (Lose Sintering): در این روش پودر فلز با دانه بندی ریز (کمتر از 10 میکرون) در قالب ریخته می شود. برای بهتر پر کردن قالب می توان از ارتعاش یا لرزش استفاده کرد. پس از پر شدن قالب، مجموعه پودر را همراه با قالب درون کوره قرار می دهند و در درجه حرارتی کمتر از درجه حرارت ذوب تفجوشی می کنند. در این روش اندازه ذرات، توزیع ذرات ونرخ روانی پودر از مهمترین عواملی هستند که باید کنترل شوند. جنس قالب باید طوری انتخاب گردد که بین ذرات پودر وقالب تفجوشی صورت نگیرد. این روش برای تولید قطعات متخلخل نظیر بوشهای برنزی کاربرد دارد. 2-ریخته گری تعلیقی: در این روش پودر فلز را با یک سیال مناسب مخلوط می کنند. سپس مخلوط حاصل را در داخل قالب های گچی یا متخلخل (به شکل قطعه) می ریزند. بعد از مدتی سیال از قالب خارج می شود و پودر شکل قطعه مورد نظر را به خود می گیرد. در این روش اندازه ذرات، ‍PH سیال از مهمترین عواملی هستند که باید کنترل شوند. - شکل دادن با اعمال فشار بدون حرارت 1- شکل دا دن در قالب: دراین روش از قالب های مخصوص شکل دادن پودر استفاده می شود. معمولا دو روش برای شکل دادن پودر در قالب وجود دارد که عبارتند از: الف- فرایند فشردگی یک طرفه : دراین فرآیند سمبه پایینی وقالب ثابت وفقط سمبه بالایی متحرک است. پس از پر شدن قالب از پودر با حرکت سمبه بالایی پودر فشرده شده و به شکل محفظه قالب در می آید. سپس قطعه متراکم شده از قالب خارج می گردد. در این حالت چگالی قطعه در نقاط نزدیک به سمبه بالایی بیشتر ودر نقاط دورتر کمتر می باشد. ب- فرایند فشردگی دو طرفه: دراین فرایند اعمال فشار بوسیله دو سمبه بالایی وپایینی بطور همزمان صورت می گیرد. در این حالت چگالی قطعه در نقاط نزدیک به دو سمبه بالایی وپایینی بیشتر و در مرکز قطعه کمتر است.در نتیجه در این حالت توزیع چگالی نسبت به حالت فشردگی یک طرفه بهتر است. 2- فشار کاری ایزو استاتیک: این روش برای تولید قطعات با شکلهای پیچیده با دانسیته بالا (نزدیک به دانسیته تئوری) به کار می رود. در این روش فشار توسط یک سیال بر پودر اعمال می گردد. بدین ترتیب که پودر را درون قالبهای انعطاف پذیر از جنس پلی اورتان، لاستیک و .... ریخته و در محفظه سیال قرار می دهند. سپس از طریق سیال قالب را تحت فشار قرار می دهند. پس از شکل گیری پودر، قطعه را از قالب خارج می کنند. با استفاده از این روش می توان پودر فلز را از تمام جهات بطور یکسان تحت فشار قرار داد و قطعه ای با خواص مکانیکی بهتر تولید کرد. 3- نورد پودر: در این روش پودر فلز بطور مداوم از بین غلتکها ی معینی که می توانند در وضعیت عمودی یا مایل قرار گرفته باشند، عبور کرده و به شکل صفحه یا تسمه تفجوشی نشده از آن خارج گردد. سپس صفحه مزبور از درون کوره ای با اتمسفر ودمای کنترل شده عبور داده شده و در صورت نیاز مجدد نورد می شود. در انتها صفحه را بطور مداوم از درون کوره تفجوشی عبور داده، و آن را نورد گرم می کنند. 4- شکل دادن همرا ه با بایندر: در این روش پودر را با رزین مخلوط می کنند و سپس شکل می دهند. این مخلوط به دو روش شکل داده می شود که عبارتند از: الف- اکستروژن مخلوط پودر ورزین وسپس حرارت دادن جهت خروج رزین ودر نهایت تفجوشی. این روش برای تولید فیلامانهای تنگستنی به کار می رود. ب – تزریق مخلوط پودر و رزین به داخل قالب، سپس حرارت دادن جهت خروج رزین ودر نهایت تفجوشی. این روش برای تولید قطعات پیچیده وظریف به کار برده می شود. - شکل دادن توام با اعمال فشار و حرارت 1- فشردن داغ: از این روش برای تولید قطعات با دانسیته بالا و میکروساختار کنترل شده استفاده می شود. در واقع، این روش همانند تولید قطعه به روش شکل دادن در قالب است با این تفاوت که اعمال فشار همراه با حرارت دادن در اتمسفر کنترل شده صورت می گیرد. کیفیت قطعات تولیدی به این روش بسیار خوب است اما مشکلات زیادی در طراحی، ساخت و تولید و ایجاد اتمسفر کنترل شده از قبیل جوش خوردن قطعه به قالب، سرعت تولید کم، سایش و خزش قالب وجود دارد. در این روش نیاز به تفجوشی نداریم چون به 95% دانسیته می رسیم. در این روش سه عامل اصلی وجود دارد که عبارتند از فشار، درجه حرارت و زمان که بر خواص فیزیکی، ساختار داخلی، دقت ابعادی و صافی سطح قطعه تفجوشی شده تاثیر شدیدی دارند. 2 – نورد گرم: این روش مانند روش نورد پودر است با این تفاوت که برای دستیابی به دانسیته بالاتر، نورد در درجه حرارت بالا صورت می گیرد. پس از نورد، تسمه یا صفحه باید تفجوشی شود. 3- فشار کاری ایزواستاتیک داغ: اصول این روش همانند روش فشارکاری ایزو استاتیک است. در این روش سیال به صورت داغ مورد استفاده قرار می گیرد ونیاز به تفجوشی ندارد. معمولا در این روش از گاز هلیم به عنوان سیال استفاده می شود. مزایای این روش عبارتند از: رسیدن به حداکثر دانسیته با بهترین توزیع چگالی در قطعات پودری، از بین رفتن تخلخلهای بسیار ریز، بهبود خواص مکانیکی و ... . محدودیتهای اصلی این روش، سرعت تولید و دقت ابعادی کمتر آن نسبت به روشهای معمول است. تفجوشی (Sintering) یکی از مهمترین مراحل متالورژی پودر، تفجوشی می باشد. ذرات پودر در مرحله پرس کردن یا شکل دادن با سایر روشها، فقط به یکدیگر اتصال مکانیکی پیدا می کنند. در مرحله تفجوشی قطعات تهیه شده به صورت خام، درون کوره های مخصوص قرار گرفته، برای مدتی در درجه حرارتهای بالا کمی پایین تر از نقطه ذوب قطعه، حرارت داده می شوند. در اثر این عملیات، تحرک اتمها زیاد شده، امکان از بین رفتن مناطق پر انرژی فراهم می آید. مناطق پر انرژی، فصل مشترک بین ذرات است که معمولا به صورت نقطه ای است. با از بین رفتن این مناطق، گوشه های تیز به صورت گرد ومنحنی شکل در می آید. حجم حفره ها کاهش می یابد. در اثر این فرایندها حجم قطعه کاهش، و در عوض دانسیته و استحکام آن افزایش می یابد. نوع اتصال از حالت مکانیکی به اتمی تبدیل می گردد و سطح تماس بین ذرات افزایش می یابد. در اثر این فرایندها حجم قطعه کاهش و در عوض دانسیته واستحکام آن افزایش می یابد. عوامل مختلفی نظیر درجه حرارت، زمان، اتمسفر، نوع کوره و واکنشهای انجام گرفته در حین فرایند ، در نتایج فرایند تفجوشی موثر است. تفجوشی به دو صورت عمده انجام می گیرد: الف - تفجوشی در حالت جامد: در این حالت هیچ یک از فازها ذوب نمی شود. بنابراین عمل تفجوشی در پایین تر از نقطه ذوب فلز و اجزای دیگر مخلوط پودر صورت می گیرد. ب – تفجوشی در حالت مایع: در این حالت نقطه ذوب یکی از فازها بیشتر است. ولی در هیچ حالتی از تفجوشی نباید تمام فازهای پودر ذوب شود. در حقیقت فاز مذاب، فاز دیگر را در بر می گیرد به همین دلیل مقداری انقباض در قطعه وجود دارد، ولی تخلخل به حداقل می رسد. پدیده تفجوشی شامل مراحل زیر است: 1-ایجاد پیوند اولیه بین ذرات پودر. (حالت چسبندگی) 2-رشد گلویی که نتیجه ایجاد پیوند اتمی ذرات پودر است. 3-بسته شدن کانالهای تخلخل و مجاری ارتباطی بین منافذ. 4-کروی شدن حفره ها و منافذ. 5-افزایش دانسیته با انقباض حفرها. 6-درشت شدن حفره ها. تغییرات حاصل در ساختار قطعه در خلال تفجوشی مستلزم انتقال جرم بین نقاط وقسمت های مختلف قطعه است. نیروی محرکه تفجوشی کاهش انرژی آزاد قطعه است که با کاهش انرژی سطحی متناسب است. به همین دلیل است که سرعت تفجوشی پودرهای متراکم شده ریز از پودرهای درشت بیشتر است. نفوذ حجمی در شبکه بلور، نفوذ سطحی ومرز دانه ای مکانیزمهای غالب انتقال جرم در خلال تفجوشی است. البته عوامل دیگر از قبیل تغییر شکل مومسان را نباید نادیده گرفت. اگر چه دما و زمان دو عامل اصلی تعیین کننده در فرایند تفجوشی به شمار می آید. ولی عوامل دیگری از قبیل فشار اعمال شده بر پودر هنگام فشردن، اندازه و شکل دانه های پودر، وضعیت دانه ها و اتمسفر کوره های تفجوشی نیز حائز اهمیت است. نظر به اینکه لایه اکسید و گاز جذب شده در سطح دانه های پودر در حین فرایند فشردن کاملا از بین نمی رود، سبب اختلال در فرایند تفجوشی شده و جابجایی اتمها بین دانه های مجاور پودر را مشکل می سازد. به همین دلیل قبل از زدایش اکسیدها وگازهای جذب شده در سطح دانه ها، از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بنابراین اتمسفر تفجوشی در انجام وپیشروی فرایند نقش اساسی دارد. اتمسفرهای مورد استفاده در صنعت شامل گازهای حرارت گیر، حرارت زا، آمونیاک تجزیه شده، هیدروژن و ازت می باشد. تفجوشی معمولا در کوره های با نوار مشبک یا کوره های قدم به قدم انجام می شود. دمای کار کوره نواری کمتر از کوره قدم به قدم است، ولی عملکرد آنها یکسان است. کوره های تفجوشی به ترتیب از سه منطقه تشکیل شده اند: - منطقه پیشگرم - منطقه تفجوشی - منطقه خنک کننده عملیات تکمیلی روی قطعات تولید شده به روش متالورژی پودر قطعات تهیه شده به روش متالورژی پودر به علت انقباض در مرحله تفجوشی نیازمند به عملیات مکانیکی برای تنظیم ابعاد هستند. همچنین ممکن است سیکلهای حرار تی مختلفی روی قطعات اعمال گردد تا یکنواختی بیشتری حاصل گردد. - پرسکاری مجدد و فشرده کاری : این عمل پس از عملیات تفجوشی باعث کاهش حجم قطعه می شود. همچنین چگالی را بالا برده، استحکام، سختی ودقت ابعادی را بهبود می بخشد. از عملیات فشرده کاری برا ی تضمین دقت ابعادی بدون افزایش چگالی ویا استحکام استفاده می شود. - عملیات حرارتی: همانند محصولات تولید شده به روش به روش مکانیکی، قطعات تولید شده به روش متالورژی پودر را می توان تحت عملیات حرارتی آنیل کردن یا سختی سطحی قرارداد. - ماشینکاری: عموما قطعات متالورژی پودر با ابعاد نهایی تولید می شوند اما گاهی یک مرحله ماشینکاری برای سوراخها، تلورانسهای دقیقتر و ... لازم می شود.

کامپوزیت

مواد و توسعة آنها از پایه‌های تمدن به شمار می‌روند. به طوری که دوره‌های تاریخی را با مواد نامگذاری کرده‌اند: عصر سنگ، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد، عصر سیلیکون و عصر کربن. ما اکنون در عصر کربن به سر می‌بریم. عصر جدید با شناخت یک مادة جدید به وجود نمی‌آید، بلکه با بهینه کردن و ترکیب چند ماده می‌توان پا در عصر نوین گذاشت. دنیای نانومواد، فرصتی استثنایی برای انقلاب در مواد کامپوزیتی است. کامپوزیت ترکیبی است از چند مادة متمایز، به طوری که اجزای آن به‌آسانی قابل تشخیص از یکدیگر باشند. یکی از کامپوزیت‌های آشنا بتُن است که از دو جزء سیمان و ماسه ساخته می‌شود. برای تغییر دادن و بهینه کردن خواص فیزیکی و شیمیایی مواد، آنها را کامپوز یا ترکیب می‌کنیم. به طور مثال، پُلی اتیلن{1} که در ساخت چمن‌های مصنوعی از آن استفاده می‌شود، رنگ‌پذیر نیست و بنابراین، رنگ این چمن‌ها اغلب مات به نظر می‌رسد. برای رفع این عیب، به این پلیمر وینیل استات می‌افزایند تا خواص پلاستیکی، انعطافی‌ و رنگ‌پذیری آن اصلاح شوند. در واقع، هدف از ایجاد کامپوزیت، به دست آوردن ماده‌ای ترکیبی با خواص دلخواه است. نانوکامپوزیت، همان کامپوزیت در مقیاس نانومتر (9-10) است. نانوکامپوزیت‌ها در دو فاز تشکیل می‌شوند. در فاز اول ساختاری بلوری در ابعاد نانو ساخته می‌شود که زمینه یا ماتریس کامپوزیت به شمار می‌رود. این زمینه ممکن است از جنس پلیمر، فلز یا سرامیک باشد. در فاز دوم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت‌کننده{2} برای استحکام، مقاومت، هدایت الکتریکی و... به فاز اول یا ماتریس افزوده می‌شود. بسته به اینکه زمینة نانوکامپوزیت از چه ماده‌ای تشکیل شده باشد، آن را به سه دستة پُلیمری، فلزی و سرامیکی تقسیم می‌کنند. کامپوزیت‌های پلیمری به علت خواصی مانند استحکام، سفتی و پایداری حرارتی و ابعادی، چندین سال است که در ساخت هواپیماها به کار می‌روند. با رشد نانوتکنولوژی، کامپوزیت‌های پلیمری بیش از پیش به کار گرفته خواهند شد. تقویت پلیمرها با استفاده از مواد آلی یا معدنی بسیار مرسوم است. از نظر ساختاری، ذرات و الیاف معمولاً باعث ایجاد استحکام ذاتی می‌شوند و ماتریس پلیمری می‌تواند با چسبیدن به مواد معدنی، نیروهای اعمال‌شده به کامپوزیت را به نحو یکنواختی به پُرکن یا تقویت‌کننده منتقل کند. در این حالت، خصوصیاتی چون سختی، شفافیت و تخلخلِ مادة درون کامپوزیت تغییر می‌کند. ماتریس پلیمری همچنین می‌تواند سطحِ پُرکن را از آسیب دور نماید و ذرات را طوری جدا از هم نگه دارد که رشد تَرَک به تأخیر افتد. گذشته از تمام این خصوصیات فیزیکی، اجزای مواد نانوکامپوزیتی می‌توانند بر اثر تعامل بین سطح ماتریس و ذرات پُرکن، ترکیبی از خواصّ هر دو جزء را داشته باشند و بهتر عمل کنند. کامپوزیت‌هایی که بستر فلزی دارند، کم‌وزن و سبک‌اند و به علت استحکام و سختیِ بالا، کاربردهای وسیعی در صنایع خودرو و هوا ـ فضا پیدا کرده‌اند. اما این کاربردها به لحاظ ضعف در قابلیت کشیده شدن در چنین کامپوزیت‌هایی، محدود شده‌اند. تبدیل کامپوزیت به نانوکامپوزیت سبب افزایش بازده استحکامی و رفع ضعفِ بالا می‌شود. نانوکامپوزیت¬‌های نانوذره‌ای در این کامپوزیت‌ها از نانوذراتی همچون (خاک رس، فلزات، و...) به عنوان تقویت‌کننده استفاده می‌شود. برای مثال، در نانوکامپوزیت‌های پلیمری، از مقادیر کمّیِ (کمتر از 10درصدِ وزنی) ذرات نانومتری استفاده می‌شود. این ذرات علاوه بر افزایش استحکام پلیمرها، وزن آنها را نیز کاهش می‌دهند. مهمترین کامپوزیت‌های نانوذره‌ای، سبک‌ترین آنها هستند. نانوکامپوزیت‌های نانو‌لوله‌ای نانولوله‌های کربنی در دو گروه طبقه‌بندی می‌شوند: نانولوله‌های تک‌دیواره و نانولوله‌های چنددیواره. در این نوع از کامپوزیت‌ها، این دو گروه از نانولوله‌ها در بستری کامپوزیتی توزیع می‌شوند. در صورتی که قیمت نانوله‌ها پایین بیاید و موانع اختلاط آنها رفع شود، کامپوزیت‌های نانولوله‌ای موجب رسانایی و استحکام فوق‌العاده‌ای در پلیمرها می‌شوند و کاربردهای حیرت‌انگیزی همچون آسانسور فضایی برای آن قابل تصور است. تحقیقات در زمینة توزیع نانولوله‌های کربنی در پلیمرها بسیار جدید هستند. علاقه به نانولوله‌های تک‌دیواره‌ و تلاش برای جایگزین کردن آنها در صنعت، به علت خصوصیات عالیِ مکانیکی و رسانایی الکتریکی آنها است. (رسانندگی الکتریکی این نانولوله¬ها در حد فلزات است.) اما در دسترس بودن و تجاری بودن نانولوله‌های چنددیواره، باعث شده است که پیشرفت‌ بیشتری در این زمینه صورت بگیرد. تا حدی که اکنون می‌توان از محصولاتی نام برد که در آستانة تجاری شدنِ تولید هستند. برای نمونه، نانولوله‌های کربنیِ چنددیواره در پودرهای رنگ به کار رفته‌اند. استفاده از این نانولوله‌ها باعث می‌شود که رسانایی الکتریکی در مقدار کمی از فاز تقویت‌کننده به دست آید. از نظر نظامی نیز فراهم کردن هدایت الکتریکی فرصت‌های انقلابی به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال، از پوسته‌های الکتریکی ـ مغناطیسی گرفته تا کامپوزیت‌های رسانای گرما و لباس‌های سربازان آینده‌! نانوکامپوزیتِ خاک رُس ـ پلیمر نانوکامپوزیت خاک رُس ـ پلیمر یک مثال موردی از محصولات نانوتکنولوژی است. در این نوع ماده، از خاک رُس {3} به عنوان پُرکننده برای بهبود خواص پلیمرها استفاده می‌شود. خاک رُس‌های نوع اسمکتیت {4}، ساختار لایه‌لایه دارند و هر لایه تقریباً یک نانومتر ضخامت دارد. صدها یا هزاران عدد از این لایه‌ها به وسیلة یک نیروی واندروالسیِ ضعیف روی هم انباشته می‌شوند تا یک جزء رُسی را تشکیل دهند. با یک پیکربندی مناسب، این امکان وجود دارد که رُس‌ها را به اَشکال و ساختارهای گوناگون، درون یک پلیمر به شکل سازمان‌یافته قرار دهیم. معلوم شده است که بسیاری از خواص مهندسی، هنگامی که در ترکیب ما از میزان کمی ــ معمولا ً چیزی کمتر از 5 درصد وزنی ــ پُرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهی می‌یابد. امتیاز دیگر نانوکامپوزیت‌های خاک رُس ـ پلیمر این است که تأثیر قابل توجهی بر خواص اُپتیکی (نوری) پلیمر ندارند. ضخامت یک لایة رُس منفرد، بسیار کمتر از طول موج نور مرئی است. بنابراین، نانوکامپوزیتی که خوب ورقه شده باشد، از نظر اُپتیکی شفاف است. از طرفی، با توجه به اینکه امروزه حجم وسیعی از کالاهای مصرفی جامعه را پلیمرهایی تشکیل می‌دهند که به‌راحتی می‌سوزند یا گاهی در مقابل شعله فاجعه می‌آفرینند، لزوم تحقیق در خصوص مواد دیرسوز احساس می‌شود. نتایج تحقیقات حاکی از آن است که میزان آتش‌گیری در این نانوکامپوزیت‌های پلیمری حدود 70 درصد نسبت به پلیمر خالص کمتر است. در عین حال، اغلب خواص کاربردی پلیمر نیز تقویت می‌شوند. اولین کاربرد تجاری نانوکامپوزیت‌های خاک رُس ـ نایلون 6، به عنوان روکش نوار زمان‌سنج برای ماشین‌های تویوتا، در سال 1991 بود. در حال حاضر نیز از این نانوکامپوزیت در صنعت لاستیک استفاده می‌شود. با افزودن ذرات نانومتریِ خاک رُس به لاستیک، خواص آن به طور قابل ملاحظه‌ای بهبود پیدا می‌کند که از جمله می‌توان در آنها به موارد زیر اشاره کرد: 1. افزایش مقاومت لاستیک در برابر سایش   2. افزایش استحکام مکانیکی   3. افزایش مقاومت گرمایی   4. کاهش قابلیت اشتعال   5. کاهش وزن لاستیک نانوکامپوزیت الماس ـ نانولوله محققان توانسته‌اند سخت‌ترین مادة شناخته‌شده در جهان (الماس) را با نانولوله‌های کربنی ترکیب کنند و کامپوزیتی با خصوصیات جدید به دست آورند. اگرچه الماس سختیِ زیادی دارد، ولی به طور عادی هادی جریان الکتریسیته نیست. از طرفی، نانولوله‌های کربن به شکلی باورنکردنی سخت و نیز رسانای جریان الکتریسیته‌اند. با یکپارچه کردن این دو فُرمِ کربن با یکدیگر در مقیاس نانومتر، کامپوزیتی با خصوصیات ویژه به دست خواهد آمد. این کامپوزیت می‌تواند در نمایشگرهای مسطح کاربرد داشته باشد. الماس می‌تواند نانولوله‌های کربنی را در مقابلِ ازهم‌گسیختگی حفظ کند. در حالی که به طور طبیعی، وقتی نمایشگر را فقط از نانولوله‌های کربنی بسازند، ممکن است از هم گسیخته شوند. این کامپوزیت همچنین در ردیابی‌های زیستی کاربرد دارد. نانولوله‌ها به مولکول‌های زیستی می‌چسبند و به عنوان حسگر عمل می‌کنند. الماس نیز به عنوان یک الکترود فوق‌العاده حساس رفتار می‌کند. تنها چیزی که در این تحقیقات واضح نیست این است که الماس و نانولوله‌های کربنی چگونه محکم به هم می‌چسبند؟ جدیدترین خودرو نانوکامپوزیتی این خودرو توسط شرکت جنرال‌موتورز طراحی شده و به علت استفاده از مواد نانوکامپوزیتی در قسمت‌های مختلف آن، حدود 8 درصد سبک‌تر از نمونه‌های مشابه قبلی است و علاوه بر سبک بودن، در برابر تغییرات دمایی هم مقاومت می‌کند. توپ تنیس نانوکامپوزیتی شرکت ورزشی ویلسون، یک توپ تنیس دولایه به بازار عرضه کرده که عمر مفید آن حدود چهار هفته است ــ در حالی که توپ‌های معمولی عمر مفیدشان در حدود دو هفته است ــ ولی از نظر خاصیت ارتجاعی و وزن تفاوتی بین این دو مشاهده نمی‌شود. علت مهم و اصلی دوام توپ‌های نانوکامپوزیتی، وجود یک لایة پوشش نانوکامپوزیتی به ضخامت 20 میکرون به عنوان پوستة داخلی است که باعث می‌شود هوای محبوس در داخل توپ ضمن ضربه خوردن خارج نگردد، درحالی‌که توپ‌های معمولی از جنس لاستیک و در برابر هوا نفوذپذیرند. الیاف نانو، تحولی در صنعت نساجی امروزه ساخت کامپوزیت‌های تقویت‌شده به وسیلة نانوالیاف پیشرفت چشمگیری کرده است. لیفچه‌های کربنیِ جامد و توخالی با چند میکرون طول و دو تا بیش از صد نانومتر قطر خارجی خلق شده‌اند که مصارفی در مواد کامپوزیت و روکش دارند. یکی از دانشجویان کارشناسی ارشد دانشکدة مهندسی نساجی دانشگاه امیرکبیر، دستگاه تولید نانوالیاف از محلول پلیمری را طراحی کرده و ساخته است. این دستگاه در فیلتراسیون مایعات، گازها و مولکول‌ها، امور پزشکی مانند مواد آزادکنندة دارو در بدن، پوشش زخم، ترمیم پوست، نانوکامپوزیت‌ها ، نانوحسگرها، لباس‌های محافظ نظامی و... کاربرد دارد. مهمترین تأثیر نانوکامپوزیت‌ها در آینده کاهش وزن محصولات خواهد بود. ابتدا کامپوزیت‌های سبک‌وزن و بعد تجهیزات الکترونیکی کوچکتر و سبکتر در ماهواره‌های فضایی. سازمان فضایی آمریکا (ناسا) در حمایت از فناوری نانو بسیار فعال است. بزرگترین تأثیر فناوری نانو در فضاپیماها، هواپیماهای تجاری و حتی فناوری موشک، کاهش وزن مواد ساختمانیِ سازه‌های بزرگ درونی و بیرونی، جدارة سیستم‌های درونی، اجزای موتور راکت‌ها یا صفحات خورشیدی خواهد بود. در مصارف نظامی نیز کامپوزیت‌ها موجب ارتقا در نحوة حفاظت از قطعات الکترونیکی حساس در برابر تشعشع و خصوصیات دیگر همچون ناپیدایی در رادار می‌شوند. کامپوزیت‌های نانوذرة سیلیکاتی به بازار خودروها وارد شده‌اند. در سال 2001 هم جنرال موتورز و هم تویوتا شروع به تولید محصول با این مواد را اعلام کردند. فایدة آنها افزایش استحکام و کاهش وزن است که مورد آخر صرفه‌جویی در سوخت را به همراه دارد. علاوه بر این، نانوکامپوزیت‌ها به محصولاتی همچون بسته‌بندی غذاها راه یافته‌اند تا سدی بزرگتر در برابر نفوذ گازها باشند (مثلاً با حفظ نیتروژن درونِ بسته یا مقابله با اکسیژن بیرونی). همچنین خواصّ تعویق آتش‌گیریِ کامپوزیت‌های سیلیکات نانوذره‌ای، می‌تواند در رختِ خواب‌، پرده‌ها و غیره کاربردهای بسیاری پیدا کند. 1- Poly Ethylen