بررسی کاربردهای فناوری نانو در صنایع متالورژی پودر فلزات

فناوری نانو به زبان ساده، مطالعۀ مواد و ذرات در مقیاس اتمی برای کنترل و بهبود خواص آنهاست. اصطلاح فناوری نانو برای مطالعه ذرات اتمی و مولکولی به­ کار برده می­شود. هدف اصلی اکثر پژوهش­های نانوفناوری شکل­دهی ترکیبات جدید یا ایجاد تغییراتی در مواد موجود است. نانوفناوری کاربردهای زیادی در رشته­های مختلفی همچون الکترونیک، زیست­شناسی، ژنتیک، هوانوردی، نساجی، کشاورزی، انرژی­های نو و بسیاری علوم دیگر دارد.

متالورژی پودر چیست؟

روشی نوین برای ساخت و تولید قطعات فلزی و سرامیکی است که اساس آن بر فشردن پودر مواد به شکل مورد نظر و تف­جوشی[1] در درجه حرارتی زیر نقطۀ ذوب می­باشد. متالورژی پودر فرایند قالب­گیری قطعات (اغلب فلزی) از پودر فلز توسط اعمال فشارهای بالا است. پس از عمل فشردن و تراکم پودرها، عمل تف­جوشی در دمای بالا در اتمسفر کنترل شده، انجام پذیرفته که در آن ذرات فلز متراکم شده و به یکدیگر جوش می­خورند و به صورت ساختمان همگن مستحکمی شکل می­گیرد. این روش بخشی کوچک اما بسیار مهمی از صنایع فلزی را در برمی­گیرد. از جمله قابلیت­های این روش تبدیل مستقیم پودر به قطعات دارای شکل و ابعاد نهایی است.

شکل 1- مراحل اصلی انجام فرآیند متالورژی پودر جهت ساختن قطعه مورد نظر ][1][.

تاریخچه متالورژی پودر

این روش از نظر تاریخی یکی از قدیمی­ترین روش­های شکل­دهی فلزات است، ولی برای تولید در مقیاس تجاری از جمله جدیدترین روش­های تولید قطعات فلزی محسوب می­شود. اولین کاربرد متالورژی پودر در تولید پلاتین با دانسیته کامل بود که در قرن ۱۹ میلادی صورت گرفت. چون در آن زمان امکان ذوب پلاتین به دلیل نقطۀ ذوب بالایش وجود نداشت. در اوایل قرن بیستم فلزهای دیرگدازی مانند تنگستن و مولیبدن نیز توسط روش متالورژی پودر شکل داده شدند. کاربیدهای سمانیت و یاتاقان­های برنزی متخلخل نسل بعدی قطعات متالورژی پودر بودند. به این صورت قطعات متالورژی پودر در انواع صنایع مانند لوازم خانگی، اسباب بازی سازی و الکترونیک کاربرد پیدا کردند. از کاربردهای گستردۀ قطعات متالورژی پودر در صنایع خودروسازی بود که موازی با این صنایع رشد نمود، به طوری که امروزه بقای صنعت متالورژی پودر در کشورهای صنعتی بسیار وابسته به صنعت خودروسازی می‌باشد. در سال‌های ۱۹۵۰-۱۹۶۰ روش­های نوینی مانند فُرج[2] و پرس ایزواستاتیک گرم[3] در صنعت متالورژی پودر بکار گرفته شد. این روش­ها با تولید قطعات با دانسیته بالا توان رقابتی قطعات متالورژی پودر را افزایش دادند.

مزایا و معایب متالورژی پودر

فرایند متالورژی پودر همانطوری­ که پیشتر نیز ذکر شد در مورد فلزاتی (معمولاً با نقطه ذوب بالا) به کار می­رود که قطعه­سازی از آن­ها با استفاده از روش­های دیگر تولید، امکان­پذیر نبوده و یا با مشکلات فراوان مواجه باشد. استفاده از این فرایند نسبت به سایر روش­های تولید دارای مزیت­های زیر می­باشد، که این فرایند را در صنعت قطعه سازی مورد توجه قرار داده است:

• ملاحظات اقتصادی مناسب
• دقت ابعادی بالا در تولید محصول
• عدم وجود محدودیت در آلیاژسازی
• بهره­وری بالا در مصرف انرژی
• انطباق فرایند تولید با الزامات زیست محیطی
• وجود ضایعات بسیار پایین

متالورژی پودر علاوه بر دارا بودن مزیت­های بالا دارای معایبی نیز می­باشد که در زیر به موارد مهم آن اشاره می­شود:

• ضرورت استفاده از کادر مجرب و متخصص
• خواص مکانیکی پایین­تر نسبت به سایر روش­ها
• توجیه­پذیری اقتصادی تولید فقط در ظرفیت­های بالا
• قیمت تمام شده بالا به نسبت قطعات مشابه که با روش­های معمول تولید شده­اند.

کاربردهای متالورژی پودر در صنعت

دامنۀ استفاده از متالورژی پودر بسیار گسترده بوده و در این رابطه کافی است به زمینه­هایی چون تولید رشته­های لامپ، بوش­های خودروانساز، متعلقات گیربکس اتومبیل، اتصالات الکتریکی، المان­های سوخت نیروگاه­های هسته­ای، اجزاء ترمیمی ارتوپدی، صافی­های دمای بالا، مواد ضدسایش و … اشاره کرد.

شکل 2 جایگاه متالورژی پودر را در صنعت تولید تکنولوژیکی مواد نشان ­می­دهد. متالورژی پودر گسترۀ کاربرد متنوعی دارد و نیز نقش بسیار مهمی در صنعت تولید مواد پیشرفته ایفا می­کند. متالورژی پودر با فشردن و زینتر کردن می­تواند شکل نهایی یک محصول یا نزدیک به آن­را تولید کند. به علاوه همانطور که اشاره شد این روش یک روش اقتصادی با مواد دور ریز بسیار کم است ]1[.

شکل 2- جایگاه متالورژی پودر در فناوری تولید مواد مختلف ]1[.

شکل 3- کاربرد متالورژی پودر در صنعت خودرو سازی ][2][.

شکل 4- کاربرد متالورژی پودر در ساخت چرخ­دهنده­های صنعتی .

شکل 5- کاربرد متالورژی پودر در ساخت قطعات مختلف گیربکس و سیستم انتقال نیرو.

شکل 6- بخش­های مختلف پمپ بنزین خودرو (چرخدنده­ها و روتورها) که از طریق متالورژی پودر ساخته می­شوند.

چرا از فناوری نانو در متالورژی پودر استفاده میکنیم؟

با توجه به اهمیت نانوپودرها و مواد نانوساختار، و همچنین به منظور افزایش کیفیت قطعات تولید شده به روش متالورژی پودر، از فناوری نانو در این روش استفاده می­شود. جهت دستیابی به خواص منحصر به فرد قطعات تهیه شده از نانوپودرها به روش متالورژی پودر، بایستی عمل فشردن این دسته از پودرها براساس پارامترهایی نظیر نوع کاربرد، اندازه، هندسه و ویژگی­های مورد نظر صورت گیرد. از دهه 80 میلادی، همزمان با تولید گستردۀ نانوپودرها، فرآوری آن­ها به روش­های گوناگون نظیر متالورژی پودر مورد توجه قرار گرفته است. در چند سال گذشته پیشرفت­های چشم­گیری در خصوص تف­جوشی نانوپودرها از لحاظ تجربی و تئوریک صورت گرفته و امکان تولید قطعات کاملاً چگال از نانوپودرها فراهم گردیده است. شرایط چگالش باید به گونه­ای باشد که از استحاله­های میکروساختاری ناخواسته ممانعت کرده و درشت شدن ریزساختار حین فرآیند به حداقل مقدار ممکن برسد.

اولین مرحله در اغلب فرآیندهای چگالش، فشردن پودر در دمای محیط و یا فشردن سرد است که محصول این مرحله خشتۀ خام نامیده می­شود. خواص محصول نهایی تابعی از ریزساختار خشتۀ خام است. افزایش نقاط تماس اولیۀ نانوپودرها در خشتۀ خام با چگالی بالا، منجر به ایجاد حفره­های کوچک­تر شده و در نهایت توزیع یکنواختی از حفره­ها بدست می­آید. در این حالت شرایط برای دستیابی به چگالی نهایی بالاتر بوجود می­آید و زمان تف جوشی نیز کاهش ­می­یابد.

اندازه پودرهای اولیه در خواص مکانیکی قطعات متالورژی پودر بسیار تأثیر گذار است. از جمله این خواص می­توان به استحکام خمشی، چقرمگی، سختی و مقاومت به سایش اشاره کرد. اگر پودرهای تولید شده به ابعاد نانومتری برسند، با توجه به حساسیت زیاد مکانیزم­های تف جوشی به اندازۀ ذره، دمای تف­جوشی بسیار پایین می­آید و فشرده­سازی نانوپودرها در دماهای پایین­تری اتفاق می­افتد (در حدود 150 درجه سانتیگراد پایین­تر از حالت معمول). در نتیجه رشد دانه و تغییرات ابعادی در نمونۀ نهایی اتفاق نمی­افتد و خواص مکانیکی آن حفظ می­شود. همچنین پودرهای نانوسایز مقاومت بالاتری در مقابل شوک­های حرارتی از خود نشان ­می­دهند (به خصوص در مورد سرامیک­ها).

مکانیزم­های فرایند چگالش پودرهای معمولی از جنبه­های تئوری و تجربی به خوبی شناخته شده­اند. اما چگالش نانوپودرها علی رغم داشتن مزایای یاد شده، با چالش­های مهمی نظیر آگلومره شدن، واکنش پذیری بالا و در نتیجه آلوده شدن ذرات پودر، رشد دانه و لذا از دست رفتن ماهیت نانومتری آن­ها و ناتوانی در ساخت قطعات بزرگ و متراکم همراه است. استفاده از دماهای پایین­تر برای به حداقل رساندن رشد دانه ممکن است از یک طرف مانع از ایجاد پیوند مطلوب بین­دانه­ای شده، بنابراین چقرمگی و استحکام مکانیکی نمونه مورد نظر کاهش یابد و از طرف دیگر مانع احیای ترموشیمیایی اکسیدها در سطح ذرات شود. بنابراین استفاده از فناوری نانو در متالورژی پودر باید با بررسی­های همه جانبه تئوری و تجربی همراه باشد تا شرایط به خوبی کنترل شده و محصول نهایی با کیفیت بالا بدست آید ][3][.

تحقیقات صورت گرفته در سال­های اخیر جهت رفع برخی از این مشکلات نظیر آگلومره شدن و کنترل اندازه دانه مؤثر بوده است. این تحقیقات شامل پیشرفت­های عمده در استفاده از روش­های ترکیبی و درک تأثیر برخی از پارامترها نظیر تخلخل در تف­جوشی نانوپودرها بوده است. در فرآیند فشردن نانوذرات ارتباط مشخصی بین اندازه دانه و مکانیزم­های تف­جوشی وجود دارد. نتایج بدست آمده بیانگر تأثیر قابل توجه مکانیزم­های اتمی بر تف­جوشی ذرات در مقیاس­های کوچک­تر هستند.

نقش ناخالصی ها در چگالش نانوپودرها

فرآیندهای کنترل سطحی نظیر تف­جوشی وابستگی بسیار شدیدی به شرایط سطحی ذره دارند. تأثیر­گذاری ویژگی­های سطحی در تف­جوشی نانوذرات از شدت بیشتری برخوردار بوده و مطالعات بسیاری در این زمینه­ صورت گرفته است. زیرا ویژگی­های سطحی علاوه بر تأثیر روی خصوصیات ذرات و رفتار تف­جوشی آن­ها، بر خواص مکانیکی نهایی نیز تأثیرگذار هستند. این موضوع بیانگر اهمیت قابل ملاحظه حذف آلودگی با اعمال روش­هایی مانند انجام مرحله فشردن بلافاصله بعد از تولید نانوپودرهای فلزی در محیط حاوی گاز خنثی به منظور شناسایی دقیق خواص مکانیکی است.

سطح فوق العاده زیاد نانوذرات، بیانگر اهمیت مسئله آلودگی پودر است. به عنوان مثال می­توان به افزایش مقدار ناخالصی جذب شده روی نانوذرات Al₂O₃ نسبت به پودرهای معمولی آن اشاره نمود. همچنین مقدار گازهای جذب شده مانند H₂O، H₂ و N₂ در پودر نیکل خالص 50 نانومتری حدود cm³/g 120  اندازه­گیری شده است. در حالی که این مقدار برای ذرات پودر 5 و 50 میکرونی به ترتیب 40 و cm³/g 8 بوده است. به طور کلی مقدار ناخالصی وابستگی شدیدی به نحوه تهیه پودر دارد. معمولاً روش تولید تأثیر زیادی بر میکروساختار پودرهای نانوبلوری و بنابراین قابلیت تف­جوشی آن­ها می­گذارد. تف­جوشی بسیار سریع نانوذرات بسیار فوق العاده تمیز را حتی در دمای پایین نشان می­دهند. به منظور اجتناب از آلودگی بیشتر، فشرده­سازی نانوپودرها در محل تولید و یا انتقال نانوپودرها قبل از تف­جوشی در محیطی کنترل شده توصیه می­شود ]3[.

روش­های فشردن تحت­فشار نانوپودرها

به استثناء برخی موارد، کلیه روش­های فشردن تحت فشار نظیر پرس­کاری گرم، تف­جوشی توأم با فورجینگ (SF)، پرس­کاری ایزواستاتیک گرم (HIP)، اکستروژن و سایر روش­های توأم با فشار بالا برای فشردن نانوپودرها به کار گرفته شده­اند. در روش­های پرس­کاری گرم از فشار تک­محوری استفاده شده و اعمال فشار روی پودر در یک قالب صورت می­گیرد. در حالی که در تف­جوشی توأم با فوجینگ قالبی وجود ندارد. همچنین در روش HIP، تنش هیدرواستاتیک توسط سیال منتقل می­شود.

در کنار روش­های متداول ذکر شده، در برخی موارد برای چگالش نانوپودرها از روش­های فشردن غیرمتداول نظیر تف­جوشی با میکروویو، تف­جوشی به کمک میدان و یا فشردن دینامیک با موج ضربه­ای استفاده می­شود. هدف اصلی استفاده از چنین روش­هایی، افزایش میزان چگالش و بنابراین کاهش دما یا زمان تف­جوشی با حفظ اندازه دانه نهایی در محدوده نانومتری است.

فعالیت­های پژوهشی و صنعتی صورت گرفته در خارج از کشور

یک شرکت ژاپنی به نام Hitachi chemical ]1[ فعالیت­های گسترده­ای در کاربرد فناوری نانو در متالورژی پودر انجام داده است. محصولات مختلف این شرکت عبارتند از مواد الکترونیکی، قطعات خودرو، سیستم­های ذخیره انرژی، پودرهای مواد معدنی و موارد دیگر. آن­ها با بهره­گیری از تکنولوژی­های نوین در تولید پودرهای نانو و همینطور استفاده از کوره­های خلأ قادر به تولید مواد جدید با فناوری نانو هستند.

شکل 7- نمونه­هایی از محصولات تولید شده به روش متالورژی پودر پیشرفته در شرکت ژاپنی Hitachi Chemical ]1[.

شرکت NANOe در زمینۀ تولید محصولات متالورژی پودر با تکنولوژی نانو فعالیت می­کند. از جمله محصولات این شرکت عبارتند از: محصولات پزشکی (بلوک­های دندان، ایمپلنت­ها و پروتزهای دندان)، پوشش­های صنعتی (مقاوم به سایش، مقاوم به خوردگی و مقاوم به حرارت)، ابزارهای برش، سلول­های سوختی و زیورآلات (ساعت­ها، جواهرات و …)][4][.

زمینۀ فعالیت شرکت POWDERMET [[5]] تلفیقی از متالورژی پودر و فناوری نانو است که به منظور تحقیق و گسترش مواد پیشرفته می­باشد. از اهداف این شرکت می­توان به کاهش وزن محصولات، کاهش مصرف منابع، حفظ محیط زیست، کاهش هزینه­های بازیابی و همچنین افزایش راندمان انرژی با ایجاد کیفیت در محصول اشاره کرد. محصولات این شرکت در حوزه­های مختلف هوافضا، صنایع دفاع، حمل و نقل و انرژی­های نو کاربرد داشته و عبارتند از: زره سبک و جاذب انرژی تولید شده با استفاده از نانو پودرهای آلومینیوم، تولید تجهیزات ضد زره از طریق متالورژی پودر و تولید پودرهای خالص فلزی مانند W و Si، نیترید فلزات مثل Si₃N و TiN و کاربید فلزات مانند SiC، WC و TiC، تولید کامپوزیت­های فعال و آزادکنندۀ انرژی مورد کاربرد در آند و کاتد باتری­ها، مواد ذخیره کنندۀ هیدروژن، اجزاء تشکیل دهندۀ پیل­های سوختی و پیشران­ها.

اهمیت متالورژی پودر و تکنولوژی­های جدید مرتبط با آن روز به روز در حال افزایش است. در کنار فعالیت­های صنعتی، فعالیت­های پژوهشی متعددی نیز در حال گسترش است. سالانه کنفرانس­های بین المللی فراوانی برگزار می­شود که هزاران نماینده از شرکت­های متالورژی پودر معتبر دنیا در آن­ها شرکت می­کنند. براساس تحقیقات صورت گرفته تعداد پتنت­های ثبت شده در پایگاه ثبت پتنت اوربیت در رابطه با متالورژی پودر که بعد از سال 2000 به ثبت رسیده اند به بیش از 12000 عدد می­رسد (جدول 1). در این میان تعداد پتنت­های ثبت شده در رابطه با کاربرد فناوری نانو در متالورژی پودر، 408 عدد است. که 272 مورد از آن­ها مربوط به بعد از سال 2010 میلادی و 125 مورد مربوط به سال­های 2000 تا 2010 میلادی می­باشد. همانطور که ملاحظه می­شود روز به روز کاربرد فناوری نانو در این روش در حال افزایش است ][6][.

جدول 1- مقایسه تعداد پتنت­های ثبت در سال­های مختلف در پایگاه ثبت پتنت اوربیت.

شکل 8- رشد کاربرد فناوری نانو در متالورژی پودر در سال­های مختلف (مقایسه بر اساس تعداد پتنت­های ثبت شده در پایگاه ثبت پتنت اوربیت) ]4[.

فعالیت­های پژوهشی و صنعتی انجام شده در داخل کشور

در کنار فعالیت­های خارجی در طی سال­های اخیر فعالیت­های متعددی نیز در زمینه متالورژی پودر پیشرفته در داخل کشور صورت گرفته است. به عنوان مثال شرکت نانومواد پارس ][7][ در زمینۀ ساخت قطعات با تکنولوژی­های پیشرفته و نوین از جمله متالورژی پودر اقدام به تولید محصولات مختلف نانوساختار از جمله نانوپودرها (برای مثال نانوپودر کاربید تیتانیم) نانوکامپوزیت­ها و قطعات با ساختار نانو کرده است. این شرکت با استفاده از تجهیزات کورۀ تف­جوشی با خلأ بالا و دمای بیشینۀ 1500 درجه سانتیگراد، قادر به تولید انواع کامپوزیت­ها به روش متالورژی پودر می­باشد. همچنین امکانات تهیه و تولید قطعات متالورژی پودر فولادهای ابزار با گریدهای مختلفD ،M  و Tنیز وجود دارد.

تعداد پایان نامه­های ثبت شده در پایگاه اینترنتی ستاد توسعه فناوری نانو در سال­های اخیر، در رابطه با متالورژی پودر به بیش از 51 مورد می­رسد که از میان آن­ها 41 مورد مربوط به مقطع کارشناسی ارشد و 10 مورد از آن­ها در مقطع دکتری تخصصی انجام گرفته است ][8][.

شرکت متالورژی پودر ماد صنعت، با داشتن تکنولوژی روز دنیا و واحدهای مجهز میکس، پرس و زینتر توانایی تولید قطعات مختلف متالورژی پودر را داراست. محصولات این شرکت حوزه­های وسیعی از صنایع خودروسازی، لوازم خانگی، صنایع دریایی و هوایی، تجهیزات صنعت نفت و … را در بر می­گیرد. از جملۀ این محصولات می­توان به انواع بوش­ها، چرخدنده­ها، فلنج­ها، یاتاقان­ها، تیغه­ها، رینگ­ها، اجزاء سیستم ترمز، اجزاء پمپ­ها، جداکننده­ها، انواع خارها و… اشاره کرد ][9][.

موارد مصرف قطعات مورد مطالعه در زمینۀ متالورژی پودر را می­توان در دو گروه عمدۀ خودرویی و غیر خودرویی تقسیم کرد که هرکدام از این بازارها شرایط خاصی را در تولید و واردات قطعات اعمال می­نمایند. در بازار خودروسازان داخلی، شرکت­هایی مانند ساپکو (تأمین­کنندۀ شرکت ایران خودرو)، شرکت سازه­گستر سایپا (تأمین کنندۀ شرکت سایپا)، شرکت اپکو (تأمین­کنندۀ شرکت ایران خودرو دیزل) از شرکت­های اصلی فعال در این بازار به ­شمار می­آیند که به منظور کاهش وابستگی صنعت خودرو به کشورهای خارجی فعالیت می­کنند. این شرکت­ها فعالیت­های زیادی در زمینۀ متالورژی پودر و بر پایه فناوری نانو انجام داده­اند ][10] و [11][.

با توجه به اهمیت مواد نانوساختار به ویژه نانوکامپوزیت­ها، پژوهشکدۀ مواد پیشرفته و انرژی­های نو سازمان علمی و صنعتی ایران ][12][، اقدام به راه اندازی آزمایشگاه مواد نانوساختار، کامپوزیت و متالورژی پودر کرده است. هدف از این کار توسعۀ فناوری آلیاژهای جاذب هیدروژن، آلیاژهای حسگر و سایر قطعات متالورژی پودر است. با استفاده از این تجهيزات امكان سنتز مواد و آلياژهاي بسيار همگن نانوساختار، نانوكامپوزيت­ها، مواد مغناطيسي و ساخت نمونه و قطعات پودري براي محققان فراهم شده است. اين آزمايشگاه قابليت ارائه خدمات پژوهشي به مراكز علمي كشور و پژوهشگران فعال در اين زمينه را دارد.

جمع بندی

روش متالورژی پودر یک روش تولیدی پیشرفته برای تولید قطعات با کیفیت بالا در ابعاد صنعتی می­باشد. این روش از لحاظ اقتصادی به صرفه بوده و دور ریز مواد خیلی کمی دارد. با وارد کردن فناوری نانو در این روش، از طریق پایین آوردن دمای تف­جوشی و همینطور بهتر شدن عملیات پرسکاری، می­توان کیفیت محصولات تولیدی را بهبود بخشید و از لحاظ اقتصادی انرژی ذخیره کرد. فضای مطالعاتی و صنعتی در این روش روز به روز در حال پیشرفت و گسترش است. به طوری که تعداد پژوهش­های انجام گرفته و پتنت­های ثبت شده در رابطه با کاربرد فناوری نانو در متالورژی پودر در چند سال گذشته قابل مقایسه با پیش از آن نیست. به دلیل مزایای زیادی که فناوری نانو در این روش به­وجود می­آورد بسیاری از شرکت­ها و کارخانه­ها این فناوری را در خط تولید خود وارد کرده­اند و تعداد زیادی هم در حال توسعۀ این بخش می­باشند.

———————————–

منابع و مراجع

[1] Sintering

[2] Forging

[3] Hot Iso-static Press

[[1]] www.Hitachi-chem.co.jp

[[2]] www.jfe-steel.co.jp

[[3]] عطایی ابوالقاسم، شیبانی سعید، و همکاران، آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی فناوری تهیه نانومواد، انتشارات جهاد دانشگاهی، 1385.

[[4]] www.nanoe.com

[[5]]http://www.powdermetinc.com/

[[6]] www.orbit.com

[[7]]www.parsnanomaterials.com

[[8]] www.nano.ir

[[9]] www.mspmco.ir

[[10]] ماهنامه فناوری نانو، مهرماه 1391، شماره 7، شماره پیاپی 180، صفحه 15.

[[11]] http://wp.kntu.ac.ir/hkhorsand/experiences.html

[[12]] http://www.irost.org/