ما الذي يجب معرفته عن المسحوق الكروي وعملية تعدين المساحيق

تعد تعدين المسحوق المعدني (PM) تقنية تحويلية تسمح بإنتاج الأجزاء المعدنية بكفاءة ودقة من المواد المسحوقة. ونظرًا لأن الصناعات تتطلب حرية تصميم أكبر وأداءً أعلى وأداءً أعلى وتقليل هدر المواد، فقد أصبح تعدين المساحيق المعدنية عامل تمكين رئيسي في التصنيع المتقدم.

فيما يلي، نوضح فيما يلي ماهية تعدين المسحوق المعدني وكيفية عمله ولماذا تُعد المساحيق الكروية ضرورية لتحقيق نتائج متسقة وعالية الجودة في التلبيد والكبس المتساوي الحرارة (HIP) وصب حقن المعادن (MIM).

فهم أساسيات تعدين المساحيق

--ما هو تعدين المساحيق؟

تعد تعدين المساحيق هي عملية تنتج مكونات معدنية من مساحيق معدنية دقيقة بدلاً من صهر المعدن أو صبه. وتتضمن ضغط المسحوق في الشكل المطلوب ثم تسخينه (تلبيد) لربط الجسيمات في جزء صلب.

تُستخدم تقنية PM على نطاق واسع لتصنيع الأجزاء ذات الأشكال الهندسية المعقدة والتفاوتات الضيقة والحد الأدنى من التشغيل الآلي. ويُستخدم عادةً في صناعة الطيران والسيارات والإلكترونيات والأجهزة الطبية.

-4 خطوات في عملية تعدين المساحيق

تتكون عملية تعدين المساحيق العامة من أربع مراحل أساسية:

1. إنتاج المساحيق: يتم إنتاج المساحيق المعدنية من خلال طرق مثل الانحلال الغازي أو الطحن الميكانيكي أو الاختزال الكيميائي. وتُعتبر المساحيق الكروية، التي يتم إنشاؤها غالبًا عن طريق الانحلال، ذات قيمة عالية لخصائص التدفق والتعبئة الفائقة.

2. المزج والخلط: يتم خلط المساحيق مع مواد التشحيم أو عناصر السبائك لضمان التوحيد وتحسين سلوك الضغط.

3. الضغط: يتم ضغط المسحوق المخلوط في قالب لتشكيل جزء "أخضر". تتطلب هذه الخطوة مساحيق ذات قابلية تدفق وكثافة تعبئة ممتازة.

4. التلبيد: يتم تسخين الجزء المضغوط تحت نقطة الانصهار مباشرة، مما يؤدي إلى ترابط الجسيمات وتكثيفها في بنية قوية وصلبة.

قد تخضع بعض الأجزاء لعمليات إضافية مثل الكبس المتساوي الحرارة (HIP) أو إزالة التلبيد والتلبيد في عملية قولبة حقن المعادن (MIM).

[1]

لماذا استخدام المسحوق الكروي في تعدين المساحيق؟

يؤثر شكل جزيئات المسحوق تأثيرًا كبيرًا على أداء عملية حقن المسحوق. ويفضل استخدام المساحيق الكروية لعدة أسباب رئيسية:

- قابلية التدفق الأعلى

تُظهر المساحيق الكروية احتكاكًا أقل بين الجسيمات وتدفقًا أفضل عبر القواديس والمواد الأولية والقوالب. أظهرت دراسة نُشرت في مجلة تقنية المسحوق ( Zhao وآخرون، 2017) أن مساحيق الفولاذ المقاوم للصدأ 316L الكروية الكروية ذات الذرات الغازية تتمتع بمعدلات تدفق أعلى بنسبة 40-60% من المساحيق غير المنتظمة ذات الذرات المائية ذات الحجم المماثل. وهذا يترجم مباشرةً إلى تعبئة أكثر سلاسة للقالب وأجزاء خضراء أكثر اتساقًا.

--كثافة تعبئة أعلى

تقلل الجسيمات المعبأة بإحكام من الفراغات وتزيد من سلامة الجسم الأخضر. ووفقًا لاختبارات كثافة الصنبور ASTM B527، تحقق مساحيق Ti-6Al-4V الكروية بانتظام 60-65% من الكثافة النظرية، مقارنةً بنسبة 45-50% لنظيراتها غير المنتظمة. تعمل كثافة التعبئة العالية أيضًا على تحسين التوصيل الحراري أثناء التلبيد، مما يعزز التكثيف.

--تحسين التوحيد والقوة الخضراء

يؤدي شكل الجسيمات المنتظم إلى سلوك ضغط أكثر اتساقًا. في دراسة حالة داخلية أجرتها Stanford Advanced Materials (SAM)، أنتجت مساحيق سبائك الكوبالت والكروم الكروية أجزاءً ذات قوة خضراء أعلى بنسبة 17% وتباين أبعاد أقل بنسبة 14% بعد التلبيد مقارنةً بالمساحيق المطحونة.

-سلوك التلبيد المعزز

تعزز المساحيق الكروية التلامس بين الجسيمات بشكل أفضل، مما يتيح نمو العنق وتكثيفه بسرعة. على سبيل المثال، وجد الباحثون في Fraunhofer IFAM أن المساحيق الكروية 316L الملبدة عند 1320 درجة مئوية حققت كثافة نسبية بنسبة 97% بعد 60 دقيقة، بينما المساحيق غير المنتظمة تتطلب درجات حرارة أعلى ولا تزال تظهر مسامية أعلى.

[2]

المساحيق الكروية وعملية تعدين المساحيق

باختصار، تعمل المساحيق الكروية على تحسين كل مرحلة من مراحل عملية تعدين المسحوق - بدءًا من معالجة المسحوق إلى أداء الجزء النهائي. خذ حالة التلبيد وHIP وMIM على سبيل المثال.

-المسحوق الكروي والتلبيد

في عملية الكبس والتلبيد التقليدية، توفر المساحيق الكروية مزايا متعددة:

• تعبئة وضغط أفضل للقالب للحصول على أجزاء خضراء موحدة
• أجسام خضراء أقوى بسبب الترابط الأفضل بين الجسيمات
• تكثيف فعال أثناء التلبيد مع تقليل الانكماش والالتواء
• خواص ميكانيكية محسنة في الجزء النهائي

يعزز استخدام المساحيق الكروية الموثوقية والتكرار في المكونات الملبدة، مما يجعلها مثالية للأجزاء الهيكلية والمرشحات وتطبيقات الأدوات.

-المساحيق الكروية والضغط المتساوي الحرارة (HIP)

يتضمن الضغط المتساوي الحرارة الساخن المتساوي الضغط (HIP) تطبيق درجة حرارة عالية وضغط غاز متساوي الضغط لتكثيف الأجزاء المعدنية بالكامل. ويستخدم إما لتوحيد المساحيق مباشرةً أو لإزالة المسامية في الأجزاء المشكلة مسبقًا.

المساحيق الكروية مثالية لـ HIP لأنها

• تحقيق كثافة نقر أعلى، مما يضمن ضغطًا موحدًا
• تعزيز التوزيع المتساوي للحرارة أثناء المعالجة
• تقليل المسامية الداخلية لتح سين السلامة الميكانيكية
• تمكين الأشكال المعقدة ذات البنى المجهرية المتسقة

يُستخدم HIP مع المسحوق الكروي على نطاق واسع في التطبيقات الحرجة مثل شفرات التوربينات وزراعات العظام والمكونات الهيكلية الفضائية.

[3]

-المسحوق الكروي وقولبة حقن المعادن (MIM)

يجمع MIM بين مساحيق المعادن ومواد البوليمر الرابطة لتشكيل المواد الأولية للقولبة بالحقن. بعد التشكيل، تتم إزالة المادة الرابطة ويتم تلبيد الجزء إلى الكثافة الكاملة.

تعد المساحيق الكروية ضرورية في عملية التشكيل بالحَقن بالحَقن المتعدد من أجل:

• التدفق السلس للمادة الأولية أثناء الحقن
• تحميل مسحوق عالي، مما يقلل من الانكماش
• إزالة التجليد والتلبيد بكفاءة، مما ينتج عنه أجزاء قوية وخالية من العيوب
• أحجام جسيمات دقيقة (أقل من 38 ميكرومتر)، مما يعزز من تشطيب السطح والتكثيف

تُستخدم مساحيق MIM الكروية بشكل شائع للمكونات الصغيرة والمعقدة وعالية الدقة في الصناعات الطبية وصناعات طب الأسنان والإلكترونيات والأسلحة النارية.

الخلاصة

يفتح علم تعدين المساحيق إمكانيات جديدة في تصنيع الأجزاء المعدنية - ولكن المفتاح الحقيقي للنجاح يكمن في جودة المسحوق. توفر المساحيق الكروية قابلية التدفق والتعبئة والاتساق المطلوب لعمليات التلبيد عالية الأداء وعمليات HIP وعمليات التصنيع المدمجة.

توفر Stanford Advanced Materials (SAM) مجموعة واسعة من مساحيق المعادن الكروية عالية النقاء المصممة بدقة لتطبيقات التصنيع الدقيق. وسواء كنت تقوم بتطوير مكونات هيكلية أو أجهزة طبية أو أجزاء فضائية، فإن مساحيق SAM مصممة لدعم ابتكاراتك بأداء يمكنك الوثوق به.

المرجع:

[1] تريباثي، أرافيند وسارانجي، ساروج كومار وتشوبي، أنيل. (2018). مراجعة لعمليات الحالة الصلبة في تصنيع المواد المتدرجة وظيفيًا. المجلة الدولية للهندسة والتكنولوجيا. 7. 1-5. 10.14419/ijet.v7i4.39.23686.

[2] Gülsoy, H & Gülsoy, Nagihan & Calışıcı, Rahmi. (2014). تأثير مورفولوجيا الجسيمات على الخصائص الميكانيكية والتوافق الحيوي لمسحوق سبائك Ti المصبوب بالحقن. المواد والهندسة الطبية الحيوية. 24. 1861-73. 10.3233/Bme-140996.

[3] Sahoo, Silani & Jha, Bharat & Mandal, Animesh. (2021). مسحوق المعادن المعالج بمركبات المصفوفة الفولاذية المقواة بـ TiB 2: مراجعة. علوم وتكنولوجيا المواد. 37. 1-21. 10.1080/02670836.2021.1987705.