चूर्ण धातुविज्ञान

चूर्ण धातुविज्ञान: धातूंची बारीक पूड तयार करणे व ती साच्यात दाबून व तिला उष्णता देऊन तिच्यातील सुटे कण एकजीव होतील असे करून तिच्या उपयुक्त वस्तू बनविणे, या गोष्टींचा समावेश चूर्ण धातुकर्मात होतो व त्या कर्माविषयीच्या विज्ञानाला चूर्ण धातुविज्ञान म्हणतात. चूर्ण एकाच किंवा अधिक धातूंचे किंवा मिश्रधातूंचे असणे शक्य आहे आणि काही वस्तूंसाठी त्याच्यात अधातूंचे चूर्णही मिसळले जाते. चूर्णातील मुख्य घटकाच्या वितळबिंदूपेक्षा कमी तापमान असेल इतकीच उष्णता दिली जाते. चूर्णाचे बहुतेक किंवा कोणतेही घटक प्रत्यक्ष वितळत नाहीत. ओतकामाच्या परंपरागत पद्धतीने वितळलेल्या धातूंपासून जशा वस्तू बनविता येतात, तशाच वस्तू पण धातू न वितळविता चूर्ण धातुकर्माने बनविता येतात, हे चूर्ण धातुकर्माचे वैशिष्ट्य आहे. चांदी, तांबे व कासे या धातूंची चूर्णे इतर पदार्थांवर चिकटवून त्यांची शोभा वाढविण्याची पद्धत ईजिप्तमध्ये इ. स. पू. ३००० पासून चालू आहे. १७५० – १८२५ या काळात सोबोलव्हस्की यांनी प्लॅटिनमाच्या चूर्णापासून अनेक वस्तू तयार केल्या व तेव्हापासून चूर्ण धातुकर्माला विशेष महत्त्व आले.

चूर्ण धातुकर्मातील क्रिया : धातूंचे किंवा अधातूंचे चूर्ण तयार करणे. काही वस्तू बनविण्यासाठी सूक्ष्म तर इतरांसाठी सापेक्षतः भरड चूर्ण वापरावे लागते. काही चूर्णे धातूंपासून मिळतात, तर काही त्यांच्या संयुगांपासून मिळवावी लागतात. निरनिराळ्या धातूंची चूर्णे मिळविण्यासाठी त्याचप्रमाणे एकाच धातूचे इष्ट त्या आकारमानाचे कण असलेली चूर्णे मिळविण्यासाठी निरनिराळ्या पद्धती वापराव्या लागतात. काही चूर्णे भौतिक पद्धतींनी (उदा., यांत्रिक खलबत्ते किंवा जाती वापरून) मिळणे शक्य असते, तर काही चूर्णे मिळविण्यासाठी रासायनिक पद्धती वापराव्या लागतात. काही मुख्य पद्धती पुढीलप्रमाणे आहेत : (१) लोह, टंगस्टन, मॉलिब्डेनम, तांबे इत्यादींच्या ऑक्साइडांचे ⇨ क्षपण  करून (२) वितळलेले कथिल आणि मिश्र पोलाद यांच्या रसाचा फवारा किंवा सूक्ष्म फवारा दाबाखाली उडवून व तो निवू देऊन (३) निकेल, लोह इत्यादींच्या कार्बोनिलांचे अपघटन करून (रासायनिक विक्रयेने घटक सुटे करून) व (४) लोह व तांबे यांचे विद्युत् विच्छेदी पद्धतीने (विद्रावातून विद्युत् प्रवाह नेऊन घटक अलग करण्याच्या पद्धतीने) अवक्षेपण करून (न विरघळणाऱ्या साक्याच्या स्वरूपात घटक अलग करून). काही धातूंसाठी वर उल्लेख केलेल्यांपैकी एखादीच पद्धत व इतरांसाठी अधिक पद्धती  वापरता येतात. कोणती पद्धती वापरावयाची हे अनुभवाने ठरवावे लागते. चूर्णे धुऊन किंवा इतर पद्धतीने साफ करून त्यांच्यातील मलद्रव्ये काढून टाकावी लागतात व चाळून इष्ट आकारमानाचे कण असतील असे चूर्ण घ्यावे लागते.

एक किंवा अधिक धातूंची किंवा मिश्रधातूंची आणि आवश्यक तर अधातूंची चूर्णे व एखादे वंगण ही योग्य प्रमाणात मिसळून त्यांचे समांग (एकजीव) मिश्रण करतात व ते मिश्रण यांत्रिक साच्यात घालून दाबतात. साचा बंदिस्त असतो व क्षणार्धात तीव्र दाब पाडील असे दाबयंत्र वापरले जाते.

साच्यात चूर्ण दाबून तयार झालेली वस्तू नियंत्रित वातावरण असलेल्या विजेच्या किंवा वायूच्या भट्टीत कमीअधिक काळ भाजली जाते. याला तापपिंडन (सिंटरिंग) म्हणतात. कधीकधी भाजण्याची क्रियाही दाबाखाली केली जाते. दाबामुळे चूर्णातील वायू जवळजवळ पूर्णपणे निघून जातात. दाब देणे व भाजणे या क्रिया होत असताना चूर्णातील घटक कणांचे पुनः स्फटिकीकरण, वृद्धी, विसरण (एकमेकांत मिसळणे) इ. गोष्टी घडून येतात. चूर्णाची मूळची एकूण राशी आकुंचन पावून चूर्णाची घनता वाढते. चूर्णापासून तयार झालेल्या वस्तूला जी संरचना व जे गुणधर्म प्राप्त होतात ते ओतीव पद्धतीने केलेल्या तशाच पदार्थांच्या वस्तूंच्या संरचनेसारखे व गुणधर्मांसारखे किंवा जवळजवळ तसे असतात. तापपिंडन करताना काही वायू मुक्त होत असतात आणि भट्टीतून काढलेल्या वस्तूत कमीअधिक सूक्ष्म छिद्रे असतात. अशा छिद्रांमुळे त्या धातूची तन्यता (ताणता येण्याची क्षमता) कमी होते. भट्टीतून भाजून काढलेल्या वस्तूचे स्वरूप व गुणधर्म ही बहुधा पुरेशी समाधानकारक असतात, पण काही वेळा तिच्यावर आणखी काही संस्कार करावे लागतात. उदा., (१) वस्तू कमीअधिक तापवून व दाबून तिला पाहिजे तसा बरोबर आकार व आकारमान देणे (२) छिद्रे काढून टाकण्यासाठी दाब व उष्णता देण्याच्या क्रिया पुन्हा करणे किंवा एखाद्या नीच वितळबिंदू असणाऱ्या धातूच्या चूर्णासह वस्तू तापवून व साच्यात दाबून व नीच वितळबिंदूची धातू तिच्यात भिनवून तिच्यातील छिद्रे बुजविणे, पृष्ठ साफसूफ करणे, त्याला झिलई करणे किंवा विद्युत् प्रवाहाच्या साहाय्याने योग्य तो मुलामा देणे इ. गोष्टीही जरूर तर केल्या जातात.

औद्योगिक उपयोग : (१) दुर्गलनीय धातू : (दुर्गलनीय म्हणजे वितळविण्यास कठीण असलेली). टंगस्टन, मॉलिब्डेनम, टँटॅलम इ. धातूंचा वितळबिंदू इतका उच्च असतो की, त्या वितळवून आणि ओतकाम करून त्यांच्या वस्तू बनविणे अतिशय कठीण असते म्हणून त्या बनविण्यासाठी चूर्ण धातुकर्माच्या पद्धतीच वापरल्या जातात. उदा., टंगस्टन ऑक्साइडाच्या (WO₃) चूर्णाचे हायड्रोजनाने क्षपण करून टंगस्टनाचे चूर्ण मिळते. ते साच्यात दाबून त्याच्या सु. एका मीटरापर्यंतच्या चौरस कांबी करतात. त्या अतिशय ठिसूळ असतात. म्हणून त्यांना हायड्रोजन वायूत १,०००^० – १,२००^० से.पर्यंत तापवून अधिक घट्ट करतात. नंतर त्यांचे हायड्रोजनाच्या वातावरणात व ३,०००^० से. पेक्षा किंचित अधिक तापमानात तापपिंडन करतात. तापपिंडन केलेली  धातू सामान्य तापमानात ठिसूळ असते, पण तापवून तिची घडाई करता येते व तार काढता येते. विजेच्या दिव्यातील बारीक तंतू अशा रीतीने तयार केलेले असतात.

(२) विजेच्या यंत्रा-उपकरणांचे भाग : विजेच्या यंत्रा-उपकरणांचे काही भाग असे असतात की, जे टंगस्टन-तांबे, मॉलिब्डेनम-तांबे यांसारख्या दोन किंवा अधिक धातू मिसळून बनविलेले असतात, पण त्यांच्या घटक धातूंचे विशिष्ट गुणधर्म तसेच टिकून राहिलेले असतात. उदा., भारी विद्युत् प्रवाहासाठी वापरल्या जाणाऱ्या स्विचातील स्पर्शक (एका संवाहकातील प्रवाह दुसऱ्या संवाहकात जाऊ देण्यासाठी असणारा संवाहकाचा स्पर्श करणारा भाग) किंवा वितळजोडकाम (वेल्डिंग) करण्याच्या विद्युत् अग्रांच्या धातुघटकांपैकी एक धातू घर्षणास आणि विजेच्या प्रज्योतीस दाद न देणारी व दुर्गलनीय असते व दुसरी नीच वितळबिंदू व उच्च संवाहकता असणारी अशी असते व तिला पहिलीचा आधार मिळत असतो. असे भाग तयार करण्यासाठी चूर्ण धातुकर्म उपयुक्त ठरते.

(३) धातु-अधातू संयोग : तांबे व ग्रॅफाइट किंवा ब्राँझ व ग्रॅफाइट मिळून बनविलेल्या स्पर्शक पट्ट्यांची विद्युत् संवाहकता केवळ कार्बनाच्या स्पर्शक पट्टीपेक्षा अधिक असते आणि पुष्कळ प्रवाह व नीच विद्युत् दाब वापरावा लागणाऱ्या परिस्थितीत त्या आवश्यक असतात. ग्रॅफाइट मिश्रित धातुचूर्णापासून अशा पट्ट्या तयार करता येतात.

(४) झीजरोधक पदार्थ : नीच तापमानात वापरण्यासाठी तांबे व ग्रॅफाइट यांच्या मिश्रणाचे धारवे (फिरते दंड योग्य स्थितीत राहण्यासाठी देण्यात येणारे आधार) व तांबे, लोह, थोडे ग्रॅफाइट इत्यादींच्या मिश्रणाने बनविलेले आणि गतिरोधकांच्या घासल्या जाणाऱ्या पृष्ठाचे अस्तर म्हणून वापरावयाचे पदार्थ हेही चूर्ण धातुकर्माने बनविले जातात. हिरकणी व एखादे कठीण कार्बाइड यांच्या मिश्रणाने बनविलेल्या हत्यारांच्या भागांची झीज पुष्कळच कमी होत असल्यामुळे ते मोठ्या प्रमाणात वापरले जातात. हे कठीण पदार्थ चिकटून राहण्यासाठी कोबाल्ट किंवा निकेल यांसारखी एखादी धातू बंधक म्हणून वापरावी लागते. काही वस्तू मुख्यतः मृत्तिकेच्या तयार करतात व त्यांच्यात बंधक म्हणून थोडी धातू वापरतात. त्यांना सेरमेट म्हणतात. सेरमेटांपासून तयार केलेले भाग १,३००^० से. तापमानापर्यंत चांगले काम करतात म्हणून त्यांचा रॉकेट, क्षेपणास्त्रे, अवकाशयान इत्यादींमध्ये उपयोग करतात.

(५) परिक्षेपित मिश्रधातू : धातुमय आधारकात अधातूचे सूक्ष्म कण परिक्षेपित करून (विखरून टाकून) बनविलेल्या मिश्रधातूच्या वस्तूंच्या अणुभट्ट्यांमध्ये उपयोग होतो.

(६) सच्छिद्र वस्तू : रासायनिक कारखान्यांत निकेलाच्या किंवा अगंज पोलादाच्या चाळण्या, गाळण्या किंवा सच्छिद्र पात्रे लागतात. धातूची पूड दाबून घट्ट न करता नुसते तापपिंडन करून अशा सच्छिद्र वस्तू बनवितात. कासे व लोह चूर्णापासून तयार केलेल्या सच्छिद्र धारव्यांतील आणि पुंगळ्यातील (बुशिंगांतील) छिद्रांत वंगणाचे तेल भरल्यास ते स्वतःच वंगणक्रिया करू शकतात आणि त्यांचा पुष्कळ ठिकाणी उपयोग करण्यात येतो.

(७) चुंबक : ॲल्युमिनियम, निकेल आणि लोह यांच्या चूर्णांच्या मिश्रणापासून बनविलेल्या ‘ॲल्नी’ या मिश्रधातूपासून किंवा ॲल्युमिनियम, निकेल, कोबाल्ट व लोह यांच्या चूर्णांच्या मिश्रणापासून बनविलेल्या ‘ॲल्निको’ या मिश्रधातूपासून चिरचुंबक (दीर्घकाल चुंबकत्व टिकणारे चुंबक) बनवितात, तसेच शुद्ध लोहाच्या चूर्णापासून बनविलेले नरम लोहचुंबकाचे भागही चूर्ण धातुकर्माने बनविले जातात.

(८) इतर : मोटारी, विमाने, युद्धोपयोगी आयुधे, सायकली, शिवण्याची यंत्रे इत्यादींचे पुष्कळसे दंतचक्रे,

⇨ कॅम  इ. लहानसहान भाग असे असतात की, ओतीव वस्तूंना आकार देऊन ते बनविण्यापेक्षा चूर्ण धातुकर्माने ते बनविणे काटकसरीचे ठरते.

धातूच्या ओतकामाच्या मानाने चूर्ण धातुकर्माचे क्षेत्र बरेच मर्यादित आहे. ओतकामाला लागणाऱ्या कच्च्या मालापेक्षा चूर्ण धातुकर्मास लागणारा कच्चा माल म्हणजे चूर्णे सामान्यत: बरीच महाग असतात. योग्य आकारमानाचे कण असलेली चूर्णे तयार करणे, ती मिसळणे व दाबण्यास व तापपिंडन करण्यास योग्य अवस्थेत आणणे व तापपिंडन करणे इ. गोष्टी वेळ घेणाऱ्या असतात. साचेही महाग असतात. परंतु ठराविक साच्याच्या शेकडो वस्तू तयार करावयाच्या असल्यास चूर्ण धातुकर्म फायदेशीर ठरते. ओतीव वस्तूंना अखेरचा आकार देण्याला जितके कुशल कारागीर लागतात, तितके चूर्ण धातुकर्माला लागत नाहीत आणि वर उल्लेख केल्याप्रमाणे कित्येक वस्तू केवळ चूर्ण धातुकर्मानेच बनविता येतात. चूर्ण धातुकर्माने उत्पादन केलेल्या वस्तू मुख्यतः मोटारगाड्यांसाठी वापरल्या जातात.

संदर्भ : 1. Jones, W. D. Fundamental Principles of Powder Metallurgy, New York, 1961.

           2. Tsukerman, S. A. Powder Metallurgy, New York, 1965.

           3. Yarnton, D. Argyle, M. Practical Course in Powder Metallurgy, London, 1962.

तेंडोलकर, गं. स.

“