粉末冶金について知っておくべきこと

粉末冶金は、機械エンジニアが知っておくべき重要なコースの 1 つです。この材料で作られた製品は、私たちの身の回りで最も一般的であり、特に自動車部品です。粉末冶金は、さまざまな種類のコンポーネントの製造に使用される一連の生産技術で構成されています。また、PM と略される粉末冶金は、材料またはコンポーネントが金属粉末から作られる幅広い方法をカバーする用語です。

今日、私たちの現代生活における粉末冶金の定義、重要性、種類、プロセス、アプリケーション、および利点と欠点を知ることができます.

粉末冶金とは

粉末冶金は、完成品または半完成品の製造に使用される製造プロセスです。これは、金属粉末を適切な金型に圧縮することによって行われます。この冶金プロセスは、高品質と強度を提供する最も安価なプロセスの 1 つです。また、複雑な形状を高い精度で取得するためにも使用されます。このため、このプロセスは大量生産に適しています。粉末冶金は主に、粉末の準備、混合とブレンド、圧縮、および焼結を含む4つの基本的なステップを含みます。これらすべてについて、この記事で詳しく説明します。

粉末冶金は100年以上、つまり過去四半世紀にわたって存在してきたプロセスです。これは、さまざまな重要な用途向けに高品質の部品を製造する優れた方法です。このプロセスは、鍛造や金属鋳造などの他の金属成形プロセスよりも優れた利点を提供するため、成功しました。これらの利点には、材料の利用、形状の複雑さ、ニアネットシェイプの寸法制御などが含まれます。このため、粉末冶金は環境に優しい技術として認識されました。

さらに、粉末冶金は、溶融や成形では得られない独自のコンポーネントを作成するために使用されます。非常によく似た重要な製品はタングステン カーバイド (WC) です。他の金属の切断や成形に使用され、コバルトと結合した WC 粒子から作られています。このプロセスは主に業界でさまざまな種類の通行料に使用されており、PM によって世界中で約 50,000 トン/年 (t/y) が行われています。

粉末冶金の応用

以下は、さまざまな分野における粉末冶金コンポーネントのアプリケーションです。

自動車用途

粉末冶金部品の約 80% は自動車用です。これらのコンポーネントの約 75% は、オートマチックとマニュアルの両方のトランスミッションとエンジン部品用です。これらのトランスミッション アプリケーションには、シンクロナイザー システム部品、クラッチ ハブ、ギア シフト コンポーネント、遊星歯車キャリア、タービン ハブ、クラッチ、およびポケット プレートが含まれます。粉末冶金で製造されるエンジン部品には、プーリー、スプロケット、ハブ、特にエンジン タイミング ベルト システム、バルブ ガイド、バルブ シート インサート、組み立てられたカムシャフトの PM ローブ、バランサー ギア、カムシャフト ベアリング キャップ、およびエンジンに関連するものが含まれます。管理センサーリング。

他の一部の自動車システムには、次のような部品に粉末冶金が使用されています。

• オイルポンプ、特にギア
• ピストン ロッド ガイド、ピストン バルブ、エンド バルブなどのショック アブソーバー
• アンチロック ブレーキ システム (ABS)、そのセンサー リング
• 排気システムのフランジ、酸素センサー ボス。
• 可変バルブ タイミング システム。
• ターボチャージャー
• 排気ガス再循環 (EGR) システム
• シャーシ コンポーネント
• 連続可変トランスミッション

粉末冶金のその他の用途は次のとおりです。

• 航空宇宙用途
• 石油およびガス産業
• ヘルスケア部門など

粉末冶金の用途を簡単に説明すると、次のようになります。

• 超硬工具やセラミック工具などの切削工具は粉末冶金製品です。
• Cu と Ag をグラファイトと混合して作られた電気ブッシュは P/M 製品です。
• ロケットとミサイルのノズル
• 自動車および電化製品用途の小型部品。最小限の機械加工でほぼ最終的な形状を作成できるため、大きな経済的利点が得られます。
• ベアリング、ブッシュなど
• Fe、Fe-3Si などの磁性軟質金属は、P/M によって簡単に最終形状に成形されます。

粉末冶金プロセス

前述のように、粉末冶金には、以下を含む基本的な 4 つのプロセスがあります。

パウダーの準備:

オブジェクトを生成する前に、材料を力に変換する必要があります。このような粉末を製造するさまざまなプロセスには、噴霧化、粉砕、化学反応、電解プロセスなどがあります。

ミキシングとブレンド:

この粉末冶金プロセスには、高強度の合金材料を生成するために 2 つ以上の材料粉末を混合することが含まれます。まあ、製品の要件に応じて。このステップでは、粉末の流れ特性を改善するために、添加剤、結合剤などを含む粉末が均一に分布するようにします。混合プロセスで潤滑剤が追加されることもあります。

圧縮:

このプロセスは、準備された粉末混合物を事前に定義された金型に圧縮することです。圧縮により、空隙が確実に減少し、製品の密度が増加します。粉末を金型に圧力をかけて圧縮し、グリーン コンパクトと呼ばれる製品を形成します。これは、製品が圧縮によって形成されることを意味します。使用圧力は 80 ～ 1600 MPa です。圧力は金属粉末とバインダーの特性に依存しますが。つまり、軟質粉末の圧縮圧力は約 100 ～ 350 MPa であり、鋼、鉄などの場合、圧力は 400 ～ 700 MPa です。

焼結:

圧縮してできた圧粉体は強度が弱く、最終製品として使用できないため、焼結を行います。焼結とは、グリーンコンパクトを高温で加熱して、永続的な強力な結合を得ることができることを意味します。粉末冶金プロセスは、グリーン コンパクトに強度を与え、それを最終製品に変換します。一般に、焼結温度は金属粉末の溶融温度の約 70 ～ 90% です。

二次操作:

焼結体は完全に緻密な材料​​と比較してより多孔質であるため。製品の密度は、プレス能力、焼結温度、圧縮圧力などに依存します。時には、製品が高密度を必要としない場合があり、焼結製品が最終製品として直接使用されます。ただし、高密度の製品が必要になる場合があります (例:ベアリングの製造)。製品を高密度化、高寸法精度化するためには二次加工が必要です。一般的に行われる二次操作には、サイジング、コイニング、溶浸、熱間鍛造、含浸などが含まれます。

以下のビデオを見て、粉末冶金プロセスについて学びましょう:

粉末冶金プロセスの種類

粉末冶金プロセスは、製造する製品に応じてさまざまな方法で実行できます。以下は、金属粉末産業で見られるさまざまな種類の粉末冶金プロセスです。

従来の粉末冶金プロセス:

下の図で、従来の粉末冶金法を説明します。元素粉末または合金粉末を混合し、混合物を金型で圧縮し、焼結または加熱します。上で説明したように、雰囲気制御された炉内で得られた形状は、粒子を冶金学的に結合します。

前述のように、ほとんどの粉末冶金部品の重量は 5 ポンド未満です。 (2.27 kg)、重量が 35 ポンド (15.89 kg) の一部の部品は、従来の PM 装置で製造できます。ブッシングやベアリングなどの部品はシンプルな形状。今日、複雑な輪郭と複数のレベルを持つコンポーネントを製造できる高度な PM プロセスがあります。これらの機械は非常に経済的です。

金属射出成形 (MIM)

金属射出成形は、複雑な形状を大量に生産する製造能力を備えています。このプロセスでは、通常 20 ミクロン未満の微細な金属粉末が使用されます。これらの金属粉末は、バインダー (さまざまな熱可塑性樹脂、ワックス、およびその他の材料) を使用してカスタム調合され、原料になります。原料は、従来の射出成形機のキャビティ (複数のキャビティ) に供給されます。 「グリーン」成分が除去されると、ほぼすべての結合剤が熱または溶剤処理によって抽出されます。バインダーの残りは、制御された雰囲気炉で行われる焼結プロセス中に除去されます。

これらのタイプの粉末冶金プロセスは、プラスチック射出成形や高圧ダイカストと非常によく似ています。また、同じ形状と構成機能の多くを生成することもできます。ただし、比較的小さく (通常は 250 グラム未満) 非常に複雑な部品に限定されており、そうでなければ大規模な仕上げ加工が必要になります。この冶金プロセスの利点は、鍛造材料に近い機械的特性を生み出す能力によるものです。寸法公差管理に優れたネットシェイプ加工技術です。最後に、金属射出成形部品は、ほぼ無制限の形状と幾何学的特徴機能を提供します。また、多数個取り金型を使用することで、高い生産率を実現できます。

静水圧プレス

静水圧プレスは、一般的なタイプの粉末冶金成形プロセスです。粉末成形体に全方向に均等に圧力をかけます。このため、一軸プレスの幾何学的制限なしに、密度と微細構造の最大の均一性を達成できます。

静水圧プレスは、コールドまたはホットのいずれかで実行できます。下の図は、冷間静水圧プレスを説明しています。冷間静水圧プレス (CIP) は、未加工の部品を周囲温度で圧縮するために使用されます。ただし、熱間静水圧プレス (HIP) は、固体拡散によって高温で部品を完全に圧密します。このホットプレス プロセスは、焼結 PM 部品から残留気孔を除去するためにも使用できます。

金属付加製造

AMと略され、3Dプリンティングとも呼ばれる金属積層造形。このプロセスは、コンポーネントとアセンブリの生産、市場投入までの時間、シンプルさを大きく変える可能性を秘めています。このプロセスは、従来の製造プロセスやサブトラクティブ製造プロセス (旋盤加工やドリル加工など) とは異なります。これらのプロセスでは、材料を除去して部品を作成しますが、積層造形ではそうではありません。アディティブ マニュファクチャリングは、デジタル モデルから直接レイヤーごとのプロセスを使用してパーツを構築します。

この工程では、金型を使用しないため、製造工程の費用につながる多くの材料の無駄がありません。アディティブ マニュファクチャリングは、長い間設計およびプロトタイピング ツールとして使用されてきました。しかし、その焦点は現在、航空機エンジン部品、医療用インプラント、宝飾品などのコンポーネントの直接生産に変わりつつあります.

この製造プロセスは、単一のタイプの技術またはプロセスではありません。ただし、すべてのアディティブ マニュファクチャリング システムは、共通のレイヤーごとのアプローチを採用していますが、依然として多種多様な材料、技術、およびプロセスを使用しています。

金属粉末を使用するアディティブ マニュファクチャリング技術には以下が含まれます:

• レーザー焼結 (LM/SLS/SLFS)
• 選択的インクジェット製本 (SIB)
• 電子ビーム溶解 (EBM)
• レーザー粉末成形 (LPF)
• パウダーベッド プロセス
• 溶融堆積モデリング (FDM) / 押し出し

粉末冶金プロセスの長所と短所

利点:

以下は、粉末冶金プロセスの利点です:

• それ以上の加工費や人件費などがないため、大量生産の費用対効果
• 熟練したオペレーターは必要ありません。
• PM 技術でしか製造できない合金もあります。
• この方法では、バイメタル製品やラミネート製品を簡単に製造できます。
• 高い生産率。 1 時間に最大 500 から 1000 個の部品を生産できます。
• 複雑な形状も簡単に作成できます。

短所:

粉末冶金プロセスの大きな利点にもかかわらず、いくつかの制限がまだあります。以下は、粉末冶金プロセスの欠点です:

• 機器のコストが高い。
• 1回の制作には費用がかかります。
• 金属粉末は流動性が低いため、複雑なデザインを作成するのは難しい場合があります。
• 完全に均一な密度の製品は生産できません。
• プレス能力の関係で商品サイズに制限があります。
• 爆発を起こす可能性のある金属粉は使用できません。
• PM 法による低融点金属の鋳造は困難です。
• 最終製品は、低衝撃性と疲労特性を経験できます。

結論

粉末冶金は、部品の大量生産を容易にしたプロセスです。それはしばらく前から利用可能でしたが、技術が進歩し続けているため、依然として進歩しています。今日は、粉末冶金の定義、種類、プロセス、応用について学びました。また、その長所と短所も調べました。

この投稿から多くのことを学んでいただければ幸いです。そうであれば、他の技術系学生と共有してください。読んでくれてありがとう！またね。