تحقیق مقاله قالب گیری تزریقی

مقدمه

این روش تولیدی برای قطعات کوچک، پیچیده و پر هزینه کاربرد دارد . توسط این روش ما می توانیم اشکال پیچیده در حجم زیاد تولید کنیم . این شیوه به روش تولید اکستروژن خیلی نزدیک است اما تفاوت های بسیاری با آن دارد از جمله اینکه در روش قالب گیری تزریقی ما از پودر فلز یا پودر مواد دیگر استفاده می کنیم ، در صورتیکه در روش اکستروژن از خود فلز استفاده می شود .

مواد مورد استفاده در قالب گیری تزریقی عبارتند از : فلزات ، سرامیک ها ، ترکیبات بین فلزی و کامپوزیت ها.

ماده تزریقی برای قالب گیری تزریقی اساساً شامل مخلوطی از پودر سرامیک با یک پلیمر ترموپلاستیک به اضافه یک نرم کننده می باشد .

محصولات حاصل از این روش در صنعت پلاستیک برای ساخت سطل آشغال ، قالب های یخ ، اسباب بازی ها و غیره به کار می رود .

نحوه انجام عملیات

مراحل تولید :   1- تهیه پودر               

                       2 - مخلوط کردن پودر با مواد چسبی

                        3- تزریق پودر به داخل سیلندر پیش گرم شده و اعمال فشار

                        4- جدا کردن چسب از قطعه              

                       5- سینتر کردن قطعه

 مواد خام مورد استفاده

 مواد خام مورد استفاده در قالب گیری تزریقی شامل پودر و چسب می شود .  که پودرها شامل پودرهای فلزی و غیر فلزی می شود . اکثر فلزات برای تولید پودر می توانند به کار روند به جزء مورد از جمله آلومینیوم و منگنز ، که به علت تشکیل سریع اکسید بر روی این فلزات از آنها استفاده نمی شود .

پودر ایده آل مورد استفاده در این روش دارای ویژگی های زیر است :

1- توزیع مناسب          2- ویسکوزیته پایین                  3- شکل ذرات کروی باشند   4 - اندازه ذرات زیر 20 میکرومتر باشد

اما چسب ها شامل موم ها ی طبیعی و پلیمرهای مصنوعی هستند، گاهی اوقات برای اصلاح خصوصیات چسب از مواد دیگر نیز استفاده می شود .

باید به این نکته توجه کرد که ماده چسبنده با پودر نباید واکنش شیمیایی بدهد .

مخلوط کردن

 هدف از مخلوط کردن بدست آوردن ماده تزریق همگن که این شامل دو نکته می شود:

الف )  ماده تزریقی به اندازه کافی شامل پودر باشد .

ب ) پودر به طور یکنواخت در همه جای آن پخش شده باشد .

برای تعیین همگن بودن پودر از ابزاری به نام پیکنومتر استفاده کرده که این ابزار برای تعیین دانسیته پودر به کار می رود .

تزریق پودر و اجرای عملیات

 پودر مخلوط شده وارد سیلندر پیش گرم شده می شود و در اثر حرارت که دمای آن تا حد ذوب چسب های پلیمری است پودر به صورت خمیری شکل درآمده و توسط یک پیستون و اعمال فشار به درون قالب تزریق شده و شکل قالب را به خود گرفته و از آن خارج می شود .

باید توجه کرد که فشار اعمال شده باید پایین باشد .

در این شیوه می توان ماده تزریقی را به چندین قالب تزریق کرد و در یک لحظه چند قطعه تولید کرد .

جدا کردن مواد چسبنده

این کار به سه روش انجام می شود .

            1- حرارت دادن                      2- استفاده از کاتالیزور                         3- استفاده از یک حلال مناسب

باید توجه کرد که حرارت دادن باید به آرامی صورت گرفته تا هنگام خروج مواد چسبنده از قطعه در درون قطعه ترک ایجاد نشود .

سینتر کردن

 سینتر کردن قطعات قالب گیری تزریقی دقیقاً همانند قطعات متالورژی پودر و نتیجه عملیات بدست آوردن قطعاتی با تخلخل پایین و دانسیته بالا است .

خواص مکانیکی محصولات MIM

1 - خواص کششی

     الف ) نمونه های تست کشش :

               MIM فرآیند شکل دادنی است که با آن می توان انواع اشکال پیچیده را با دقت تولید نمود ، به همین دلیل نمونه های تست کشش مستقیماًً و بدون احتیاج به ماشین کاری اضافی قابل تولید هستند که از نظر اقتصادی و فنی اهمیت دارد.

محدودیت هایی که در شکل نمونه های کشش در دیگر فرآیندهای تولید وجود دارد به خاطر تأثیر متفاوت شرایط سطحی است ولی MIM روشی است که شرایط سطحی قطعه MIM شبیه اجزای MIM است ، به همین دلیل در ساخت نمونه های تست کشش از نظر هندسی محدودیت عمده ای وجود ندارد. در استانداردهای آمریکایی نمونه همانند نمونه هایی است که برای تست قطعات متالورژی پودر عمومی به کار می رود که در دو انتهای نمونه حفره ای وجود دارد. ولی در استاندارد های اروپایی برای حل مشکل ایجاد تمرکز تنش در حفرات که با همیاری عیوب تزریق ( ترک و ...) منجر به شکست زود رس می شود ، حفرات حذف وجای آنها را یک زایده اضافی گرفت. در شکل زیر نمونه تست کشش طبق استاندارد اروپایی مشاهده می شود.

ب ) خواص مکانیکی به دست آمده از تست کشش

        برای به دست آوردن استحکامی خاص ، گستره وسیعی از مواد قابلیت تولید توسط این روش را دارند. هم آلیاژهای آهنی ، هم غیر آهنی قابل تولید هستند. برای بدست آوردن استحکامی بالا از آلیاژهای آهنی به ویژه فولاد ضد زنگ استفاده می کنند ، زیرا فولادهای آلیاژی قابلیت عملیات حرارتی دارند. مواد غیر آهنی مثل آلیاژهای پایه نیکل و کبالت ، نیوبیوم ، تیتانیوم و تنگستن قابلیت تولید توسط MIM را دارا هستند.

2- استحکام خستگی مواد MIM

             اروپایی ها در صنعت MIM   برای تعیین بعضی خواص مواد هزینه های گزافی را می پردازند. یکی از این خواص ، خواص خستگی قطعات است ( آزمونی زمان بر و پر هزینه ). اطلاعاتی چندانی نیز در این زمینه در دست نیست ولی آنچه اثبات شده آن است که فولادهای MIM عملیات حرارتی شده ، پتانسیل بالایی برای خواص خستگی دارند. هدف دستیابی مواد MIM  برای کاربردهای بارگذاری بالا است.

       دو نوع فولاد به عنوان نماینده مواد پر استحکام قابل عملیات حرارتی انتخاب شده اند. فولاد ضد زنگ MIM – 17 – 4 PH  و فولاد MIM – 4340  کم آلیاژ ، که اولی به روش رسوب سختی و دومی به وسیله کویینچ و تمپر ، عملیات حرارتی شده اند. پتانسیل استحکام بالای این دو دسته اثبات شده است و می تواند برای محصولات MIM  جدید برای کاربردهای بارگذاری بالا به کار رود.

             عملیات حرارتی به کار گرفته شده ، استحکام و سختی بالا به علاوه تافنس و شکل پذیری کافی به نمونه ها داده است.

فولاد ضد زنگ MIM – 17 – 4 – PH                 

عملیات انحلالی : 1 h / 1050 c  در خلأ

آب دادن ( پیر سختی ) : 4 h / 480 c  در هوا                      

فولاد کم آلیاژ MIM – 4340                     

نرماله کردن ( همگن سازی ) : 20 min / 870 c   در خلأ 

             سختی سازی ( کویینچ ) : 15 min / 840 c   در نیتروژن و سپس روغن 

             تمپر : 2 h / 425 c   در هوا

با انجام تست خستگی با شرایط f = 20 Hz  ,  R = 0    نمونه های زیر بدست آمد.

این نمودارها نشان می دهد با یک روش تولید MIM  صحیح و عملیات حرارتی مناسب می توان نمونه های MIM  برای کاربردهای با بارگذاری زیاد داشت. توصیه زیادی به دقت در مرحله آماده سازی قالب برای داشتن کیفیت سطحی عالی شده است.

آماده سازی قطعات MIM  برای مطالعات میکروسکوپی

    هدف این قسمت بیان عملیات خاصی است که برای آماده سازی نمونه های MIM  برای مطالعات میکروسکوپی اعمال می شود.

قطعاتی که به عنوان نمونه آزمایش می شوند.

خیلی مناسب است که قطعات MIM  بین مراحل مختلف تولید مورد بررسی متالوگرافی واقع شوند بر همین اساس قطعات زیر بررسی می شوند.

          الف ) قطعات خام :

          در مورد این قطعات ، شناسایی عیوب در نمونه ( ترک ها ، مک ها ، تخلخل ، خط جوش و ... ) آزمایش همگنی مخلوط پودر – چسب و بررسی نحوه توزیع پودر از نظر شکل و طبیعت پودر ( اگر پودر استفاده شده هموژن باشد ) مطلوب است.

          ب ) قطعات نیمه خام :

          این قطعات به علت خروج چسب خیلی ترد هستند. اگر در قطعه عیبی وجود داشته باشد ، قطعه به آسانی در طول این عیوب می شکند. بررسی شکست این قطعات اطلاعاتی در مورد طبیعت عیوب ( ترک ، مک و ... ) در اختیار قرار می دهد. البته بررسی این قطعات به علت رافنس سطح با بزرگنمایی کم انجام می گیرد.

          ج ) قطعات پیش زینتر شده :

          اگر چسب خیلی نرم یا ترد باشد ، مشکل است قطعه خام به صورت راضی کننده ای آماده شود ، بدین جهت آنها را زینتر می کنند تا بین ذرات تشکیل گلویی صورت گیرد و استحکام بهتری پیدا کند. ابعاد قطعه خیلی نزدیک ابعاد قطعه خام است ( انقباض از 2 % تا 5 % ) عیوب حاضر در قطعه خام همچنان در قطعه باقی می ماند و در این حالت شناسایی آنها آسان تر است.

          د ) قطعات زینتر شده :

          تخلخل ها ، آخال ها و ریز ساختار قطعه زینتر شده با بررسی های میکروسکوپی آنالیز می شود. این آزمایش ها برای توصیف متالورژیکی قطعات MIM  ضروری است.

2-آماده سازی نمونه ها

SEM   همیشه نیازی به آماده سازی قطعه  MIM  ندارد. آزمایش می تواند بر سطح خارجی ( قطعه سالم ) یا مقطع شکست ( قطعه شکسته ) انجام گیرد. ولی اگر آنالیزهای شیمیایی و کمی لازم باشد آماده سازی نمونه همانند میکروسکوپ نوری انجام می گیرد. برای SEM نمونه باید هادی باشد وگرنه فلزینه کردن سطح یا استفاده از مانت هادی ضروری است.

OM    نکته ای که باید در مورد تمام نمونه ها رعایت شود ، آن است که بیشتر قطعات MIM   دارای دیواره نازک هستند ، بنابراین مانت کردن نمونه در رزین پلیمری مناسب ضروری است. مناطقی از نمونه مورد بررسی قرار می گیرد که شرایط ویژه ای داشته باشد ، مثلاً نواحی عیوب ، خطوط جوش و نواحی جدایش. اگر منطقه خاصی مد نظر نباشد نمونه از وسط یا هر منطقه مناسب دیگری بریده می شود.

            الف ) آماده سازی قطعات خام :

            نحوه آماده سازی قطعات خام به طبیعت و خواص مکانیکی چسب بستگی دارد ، بنابراین روش های متنوعی به کار گرفته می شود. اگر چسب خیلی سخت باشد آماده سازی نمونه همانند قطعات سینتر شده انجام می گیرد که بعداً بیان می شود وگرنه نمونه در رزین مانت سرد فرو برده می شود سپس با یک اره مدور با سرعت زیاد بریده می شود. شرایط چرخ اره در زیر بیان شده است.

(نمودار ها و فرمول ها در فایل اصلی قابل مشاهده است )