كيف تُصنع مساحيق المعادن

يتم إنتاج مساحيق المعادن باستخدام أربع فئات أساسية من عمليات التصنيع: التفتيت (الفيزيائية)، والاختزال في الحالة الصلبة (الكيميائية)، والتحليل الكهربائي، والتحليل الكهربائي، والتفتت الميكانيكي. ومن بين هذه العمليات، يعد الانحلال الذري الطريقة الأكثر شيوعًا للتطبيقات الحديثة عالية الأداء، حيث يتم تفتيت تيار من المعدن المنصهر إلى قطرات دقيقة بواسطة نفاثات عالية الضغط من الماء أو الغاز. يتضمن الاختزال في الحالة الصلبة إزالة الأكسجين كيميائياً من أكاسيد المعادن (الحديد عادةً) لتكوين مسحوق يشبه الإسفنج. ويستخدم التحليل الكهربي تيارًا كهربائيًا لترسيب مساحيق معدنية عالية النقاء من محلول، وغالبًا ما يستخدم للنحاس. وأخيرًا، تستخدم عملية التبليط الميكانيكي تقنيات الطحن أو الطحن لسحق المعادن أو السبائك الهشة فيزيائيًا إلى مسحوق. تملي عملية التصنيع المحددة المختارة شكل جسيمات المسحوق (كروي مقابل غير المنتظم) ونقاوته وكثافته، والتي بدورها تحدد مدى ملاءمته للتطبيقات النهائية مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد (AM) أو قولبة حقن المعادن (MIM) أو الضغط والتلبيد.

طريقة الانحلال

تعتبر عملية الانحلال هي التقنية الأكثر شيوعًا حاليًا، خاصةً في الصناعات التي تتسم بأداء المواد الحرجة للغاية، مثل صناعة الطيران وتصنيع الأجهزة الطبية. هذه هي العملية الفيزيائية؛ والمنطق الأساسي هو استخدام سائل عالي الطاقة للتأثير على تيار المعدن المنصهر.

في التشغيل الفعلي، عادةً ما نقسم "وسيط التأثير" إلى فئتين وفقًا للاختلاف، وسيناريوهات التطبيق الخاصة بالفئتين مختلفة تمامًا:

• الانحلال الغازي: هذه هي عملية قصف التيار المعدني بغاز خامل (مثل النيتروجين أو الأرجون). المنتج النهائي جميل للغاية - كروي للغاية مع سطح أملس. من واقع خبرتي، ولأن الجسيمات مستديرة بالتحديد، فإن كثافة التعبئة العالية والتدفق الممتاز يجعل المساحيق الهباء الجوي معيار الصناعة للتصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد) وصب حقن المعادن (MIM). إذا كنت ترغب في طباعة قطعة دقيقة، فلا خيار أمامك سوى استخدامها.
• الانحلال المائي: هنا هو استخدام المياه النفاثة عالية الضغط لمعالجة المعدن المنصهر. ونظرًا لأن معدل تبريد الماء سريع جدًا، تتصلب جزيئات المعدن قبل أن يتم تقريبها، وبالتالي يكون الشكل غير منتظم للغاية والسطح خشنًا. على الرغم من أن السيولة ليست جيدة مثل سيولة المسحوق الهوائي، إلا أن هذا "العيب" في رأيي هو ميزته - أثناء عملية الضغط، يمكن أن يتسبب الشكل غير المنتظم في حدوث انسداد ميكانيكي بين الجسيمات. ولذلك، في تطبيقات الكبس والتلبيد، إذا كنت تقدر "القوة الخضراء" للجزء (أي القوة قبل التلبيد)، فإن المسحوق المرذاذ بالماء هو الخيار الأول.

طريقة الاختزال في الحالة الصلبة

الاختزال في الحالة الصلبة هو الطريقة الكيميائية. عندما يتعلق الأمر بذلك، سيفكر الجميع بشكل أساسي في إنتاج مسحوق الحديد. على عكس طريقة الانحلال لصهر المعادن، فإن هذا الشيء يلعب مع المواد الصلبة.

عادة ما تبدو العملية برمتها على هذا النحو:

• تحضير المواد الخام: يتم سحق الخام وخلطه بعامل اختزال (عادة ما يكون فحم الكوك أو الفحم كمصدر للكربون).
• التفاعل: يتم تسخين الخليط في فرن، ويتم التحكم في درجة الحرارة تحت درجة انصهار الحديد. في هذا الوقت، يبدأ عامل الاختزال في العمل، و"ينتزع" الأكسجين الموجود في أكسيد الحديد.
• والنتيجة: آخر ما تبقى هو هيكل مسامي يشبه الإسفنج من الحديد المعدني. بعد سحق وغربلة هذا "الحديد الإسفنجي"، يتم الحصول على المنتج النهائي.

من وجهة نظر هندسية، يتمتع هذا التركيب المسامي بميزة كبيرة: يمكنه امتصاص الزيت. ولذلك، فإن هذا المسحوق مناسب بشكل خاص لتصنيع المحامل ذاتية التشحيم، أو تلك التي تتطلب انضغاطية عالية للأجزاء الهيكلية.

التحليل الكهربائي

عندما يكون للمشروع المطروح متطلبات صارمة للتوصيل أو النقاء الكيميائي، فإن التحليل الكهربائي هو السبيل الوحيد. وتُستخدم هذه الطريقة بشكل شائع لإنتاج مسحوق النحاس.

مبدأها مشابه للطلاء الكهربائي، ببساطة:

• الإعداد: قم برمي الصفيحة المعدنية (الأنود) في الخلية الإلكتروليتية التي تحتوي على محلول كبريتات المعدن.
• الترسيب: بعد التنشيط، يذوب المعدن الموجود على القطب الموجب ويمر عبر الإلكتروليت ويترسب على القطب السالب.
• مسحوق: بعد فترة من الوقت لترسب أسفل المعدن كشط وتنظيف وتجفيف وطحن.

يتسم المسحوق الإلكتروليتي بخاصية مميزة للغاية تحت المجهر، حيث يظهر شجيريًا (يشبه السرخس) ونقيًا للغاية. ولهذا السبب لا يمكن الاستغناء عنها تقريبًا في التطبيقات الإلكترونية مثل الأحبار الموصلة وفرش المحركات.

طريقة التكسير الميكانيكي

طريقة التكسير الميكانيكية هي طريقة "غير متجانسة"، وهي طريقة "غير متجانسة" بحتة عن طريق القوة الميكانيكية لتحطيم المعادن الصلبة. هذه الطريقة مخصصة عادةً للمعادن الهشة (مثل البريليوم والأنتيمون والبزموت) أو السبائك الهشة. والسبب بسيط - إذا قمت بتحطيم معدن قابل للطرق، فسوف يتسطح فقط ولا ينكسر.

تشمل الوسائل الشائعة ما يلي:

• الطحن بالكرات: رمي كتلة معدنية في أسطوانة دوارة وسحق المادة باستخدام كرات خزفية أو فولاذية صلبة بداخلها.
• الطحن: استخدم عجلات الطحن الثقيلة للطحن.

ولكي نكون صادقين، تنطوي هذه الطريقة على مشكلة: من السهل إدخال الشوائب (في النهاية، سوف تتآكل كرة الطحن). ومع ذلك، فإن التكنولوجيا الحالية تتقدم أيضًا، مثل الطحن بالكرات عالية الطاقة (السبائك الميكانيكية)، والتي يمكن أن تلحم وتقطع المواد المختلفة على المستوى الذري لإنتاج بعض المساحيق المركبة المثيرة للاهتمام.

كيف تحدد عملية التصنيع التطبيق النهائي؟

إن فهم "كيفية صنع المسحوق المعدني" ليس مصادقة، ولكن لأن طريقة الإنتاج تحدد بشكل مباشر الخصائص الفيزيائية للمسحوق - خاصةً شكل الجسيمات ونقاوتها وكثافتها.

مسحوق كروي (رذاذ): يحدق في الطباعة ثلاثية الأبعاد والتصنيع الميكانيكي المتعدد. تضمن الكرة انتشار المسحوق بشكل مسطح وتدفقه بسلاسة.

المسحوق غير المنتظم/الإسفنجي (الانحلال المائي/الاختزال في الحالة الصلبة): مضغوط مضغوط للتلبيد. يسمح السطح الخشن للجسيمات بأن "تعض" الجسيمات بعضها البعض، وليس من السهل أن تتفكك الأجزاء المضغوطة.

المسحوق المتشعب/عالي النقاء (التحليل الكهربائي): بالنظر إلى التطبيقات الكهروكيميائية الراقية، فإن النقاء والتوصيل غير قابلين للتفاوض.

في التحليل النهائي، سواء كان العنف الفيزيائي المتمثل في طريقة التفتيت والسحق، أو التفاعل الكيميائي المتمثل في طريقة الاختزال، أو الترسيب الكهروكيميائي المتمثل في طريقة التحليل الكهربائي، فإن الأساس هو تأمين الأداء من خلال العملية لضمان عدم سقوط الأجزاء المعدنية النهائية من السلسلة.

المؤلف ： أليكس ميلر

مع أكثر من 17 عامًا في مجال هندسة المواد، أنا متخصص في هندسة المساحيق المعدنية. أشارك رؤى مهنية حول كيفية تشكيل عمليات الانحلال والاختزال لمساحيق المعادن المستخدمة في التصنيع المضاف الحديث والتطبيقات الصناعية.