هناك مجموعة واسعة من طرق إنتاج مسحوق المعادن. هل سمعتَ عن عملية التذرية؟
الذرة في مسحوق المعادن هي عملية تحويل المعدن المنصهر إلى مسحوق باستخدام وسط الذرة، مثل الغاز أو الماء.
المحتويات
ذرات الغاز في مسحوق المعادن
تُستخدم المساحيق الغازية المتبخرة بشكل أساسي في عملية قولبة الحقن المعدنية، الضغط المتساوي الضغط الساخن والطباعة ثلاثية الأبعاد.
عملية ذرّ الغاز
فهو مثالي لإنتاج مساحيق معدنية دقيقة، مثل:
- مسحوق التيتانيوم،
- مسحوق الفولاذ المقاوم للصدأ
- مسحوق فولاذ الأدوات
- مسحوق سبائك النيكل
- مسحوق سبائك الحديد
تعتبر عملية التذرية الغازية طريقة شائعة لإنتاج مساحيق المعادن MIM، ولكن العائد من المنتجات النهائية يحتاج إلى مزيد من التحسين.
تتضمن عملية ذرات الغاز 4 خطوات:
- ذوبان
أولاً، يقوم المصنعون بصهر الكتلة المعدنية في بوتقة.
- التذرية
بعد صهر المعدن، يفتح الشغل السدادة الأسطوانية في قاع البوتقة. ثم يتدفق المعدن المنصهر عبر الفوهة، ويتفتت إلى قطرات بفعل غاز عالي الضغط.
- تصلب الجسيمات
تتجمد القطرات المعدنية إلى مسحوق أثناء الطيران.
- التشكيلات
يتم ترسيب مسحوق المعدن المتصلب في غرفة الذرة.
تصميم فوهة
- فوهة محصورة
تقوم الفوهة المحصورة بجلب الغاز بالقرب من مخرج المعدن المنصهر، بحيث يتم ذره على الفور بعد مغادرة البوتقة.
علاوة على ذلك، يُركّز التذرية في مساحة صغيرة ومحدودة، وتُستخدم طاقة غازية أكبر في الرش. لذلك، تتميز هذه الطريقة بفقدان طاقة منخفض، كما أنها تُسهّل التحكم في حجم جزيئات المسحوق. كما أن الفوهة المحصورة تزيد من عدد جزيئات المسحوق الدقيقة (<10 ميكرومتر).
- فوهة السقوط الحر
بفتح الفوهة، يُرشَّح المعدن المنصهر أسفل مخرج البوتقة. لذا، تتميز هذه الطريقة بكفاءة تحويل طاقة منخفضة.
عوامل المعالجة
- التوتر السطحي للسائل المعدني
أثناء حركة قطرات المعدن، يُسهّل التوتر السطحي تشكّلها كرويًا. يرتبط التوتر السطحي بدرجة الحرارة وكمية عناصر السبائك.
- اللزوجة ودرجة حرارة السائل المعدني
تؤدي درجات حرارة التذرية العالية إلى انخفاض لزوجة المعدن المنصهر وإطالة زمن التصلب. على العكس، تؤدي درجات حرارة التذرية المنخفضة إلى زيادة لزوجة المعدن المنصهر، مما يُسهّل تكوين مساحيق غير منتظمة من السائل.
لذلك، فإن زيادة درجة حرارة التذرية تساعد على جعل المسحوق أنعم وأكثر كروية، ويتمتع بسطح أكثر لمعانًا. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ، تبلغ درجة حرارة الفولاذ المنصهر عادةً حوالي ١٦٠٠ درجة مئوية.
- معدل تدفق الغاز والضغط والسرعة
كلما زاد ضغط الغاز ومعدل تدفقه، زادت نعومة مسحوق المعدن الناتج. عمومًا، يتراوح ضغط ذرّة الغاز بين 0.7 و6 ميجا باسكال.
- نوع من وسط الذرّة
تستخدم ذرات الغاز غالبًا وسط الذرة التالي:
- هواء أكثر اقتصادا وملائما للسوائل المعدنية التي لا تتأكسد بشدة، مثل مسحوق النحاس
- نتروجين مثالي للسوائل المعدنية التي تتأكسد بسهولة
- الأرجون عنصر غازي يمكن أن يمنع النترتة
- الهليوم يساعد على زيادة معدل التبريد.
نقاء وسط التذرية بالغ الأهمية. فإذا كانت نسبة الأكسجين وبخار الماء عالية، سيتأكسد المعدن السائل بسهولة، مما يُسبب طبقة أكسيد أكثر سمكًا على سطح المسحوق المُشكّل. كما سيزيد من لزوجة المعدن السائل، مما يُصعّب على المسحوق تكوين شكل كروي، ويؤدي إلى ضعف لمعان السطح. لذلك، يُضيف مُصنّعو مواد مسحوق المعادن كمية صغيرة من السيليكون لامتصاص الأكسجين أثناء عملية التذرية.
- ضغط ومعدل تدفق السائل المعدني
كلما انخفض معدل تدفق المعدن السائل، كلما كان مسحوق الذرات أدق. يؤثر حجم جسيمات مساحيق الذرات بشكل مباشر على سلوك التراص وأداء التلبيد. تصنيع أجزاء من مسحوق المعادن.
إيجابيات وسلبيات مساحيق الغاز الذري
الايجابيات
- مسحوق عالي النقاء
- محتوى أكسجين منخفض
- كثافة كبيرة
سلبيات
- معدل تبريد القطرات المعدنية بطيء.
- عند استخدام فرن الحث لصهر المعدن، قد يحتوي مسحوق المعدن الناتج على مواد بوتقة، مما يسبب التلوث.
ذرات الماء في مسحوق المعادن
تُستخدم المساحيق المُذرّرة بالماء في أجزاء المعادن المسحوقة نظرًا لانخفاض تكلفتها وتوزيع حجم الجسيمات الضيق.
تعريف
تعمل ذرات الماء كذرات الغاز. يُسكب المعدن المنصهر على قرص دوار، ثم يُكسر إلى قطرات بواسطة نفثات ماء عالية الضغط. تبرد القطرات في حمام مائي، مكونةً مسحوقًا معدنيًا.
أثناء عملية ذرّ الماء، يُنتج ضغط الماء العالي مسحوقًا أنعم. بالنسبة لمسحوق الحديد العادي، يتراوح ضغط الماء بين 3.5 و50 ميجا باسكال. أما بالنسبة للمسحوق الناعم المستخدم في قولبة حقن المعادن، فيتراوح الضغط عادةً بين 50 و150 ميجا باسكال.
مزايا وعيوب ذرات الماء
تتميز عملية ذرات الماء بتكلفة إنتاج منخفضة وقوة خضراء جيدة، ولكن جزيئات المعدن المنتجة تحتوي على نسبة عالية من الأكسجين.
مقارنةً بتذرية الغاز، تُنتج ذرات الماء جسيمات غير منتظمة. ويرجع ذلك إلى أن الماء يتمتع بطاقة حركية أكبر وتأثير أكبر على المعدن المنصهر. ونتيجةً لذلك، تتصلب قطرات المعدن بسرعة أثناء طيرانها، ولا يتوفر وقت كافٍ لتوليد التوتر السطحي اللازم لتكوين جسيمات كروية.
ومع ذلك، يمكن تشابك المساحيق ميكانيكيًا بشكل جيد، وتكون القوة الخضراء بعد الضغط عالية
العوامل المؤثرة على حجم الجسيمات
وفقًا لدراسة أجراها المعهد الملكي للتكنولوجيا، فإن حجم جزيئات مساحيق المعادن الذرّية المائية مرتبط بالعوامل التالية:
- ضغط المياه
- ذوبان الحرارة الزائدة
- التوتر السطحي
- تكوين نفث الماء
- تكوين الخامات
- أكسدة
ذرات البلازما
في عملية ذرّ البلازما، تدخل المادة الخام على شكل سلك معدني. يُصهر السلك المعدني بعد ذلك بواسطة مشعل بلازما، ويُفتّت إلى جزيئات بواسطة غاز البلازما.
يبلغ حجم مساحيق المعادن المُنتجة بتقنية ذرات البلازما حوالي 40 ميكرومترًا، وتتميز بتوزيع جسيمات ضيق. تتميز هذه المساحيق بنقائها العالي وشكلها الكروي وانسيابيتها الممتازة، مما يجعلها مثالية للتصنيع الإضافي أو الطباعة ثلاثية الأبعاد.
الايجابيات
- مسحوق كروي للغاية
- قابلية تدفق عالية للمسحوق
- محتوى منخفض من الأكسجين، لا يحتوي على ملوثات
- توزيع الحجم المخصص
بالإضافة إلى ذلك، يُمكن لعملية ذرّ البلازما أيضًا تحويل مساحيق المعادن غير المنتظمة إلى كروية. وتقوم الفكرة على تغذية مسحوق المعدن في لهب البلازما، حيث يُصهر المسحوق مرة أخرى ويُحوّل إلى كروي بفعل التوتر السطحي. تُعرف هذه العملية باسم كروية البلازما.
الانحلال بالموجات فوق الصوتية
تستخدم هذه العملية اهتزازات فوق صوتية لتفتيت المعدن السائل على شكل طبقة رقيقة إلى قطرات دقيقة. تتصلب هذه القطرات بعد ذلك لتتحول إلى جزيئات مسحوق كروية.
تتمتع هذه العملية بالقدرة على إنتاج مساحيق بأحجام جزيئات تتراوح بين 20 إلى 100 نانومتر.
يتميز المسحوق الذري بالموجات فوق الصوتية بكرويته العالية وتوزيعه الضيق لحجم الجسيمات، ولكن كميته منخفضة.
التحلل بالطرد المركزي
أولاً، يُدخل المعدن المنصهر إلى القرص الدوار. يُدفع المعدن السائل إلى الخارج بسرعة عالية، مما يُحوّله إلى مسحوق.
في معدات الذرة الطاردة المركزية، يتم عادةً إدخال الغاز الخامل، ويكون المسحوق أقل أكسدة وله نقاء عالي.
بسبب الدوران المستقر لعملية الذرة الطاردة المركزية، فإن نطاق حجم جزيئات المسحوق ضيق والمظهر منتظم وكروي.
مقارنة بين ذرات الغاز والماء في علم المعادن المسحوقة
| طريقة عملنا | الانحلال الغازي | الانحلال بالماء |
|---|---|---|
| معدن | الفولاذ عالي السرعة والفولاذ المقاوم للصدأ | الحديد، الفولاذ عالي السرعة، الفولاذ المقاوم للصدأ |
| حجم الجسيمات | لا يزيد عن 150 ميكرومتر | لا يزيد عن 150 ميكرومتر |
| شكل الجسيمات | شكل كروي | ذو شكل غير منتظم |
| السعر الأساسي | مرتفع قليلا | متوسط |
| ذكية ومتخصصة | رئيس الوزراء، وزير الداخلية، وزير الصحة، وزير الصحة | PM، MIM (باستثناء الحديد) |
الأسئلة الشائعة
ما هو الفرق بين الذرة والذرّة في مسحوق المعادن؟
في علم المعادن المساحيق، يُشير مصطلحا "الذرّة" و"الذرّة" إلى الشيء نفسه. الفرق بينهما إقليمي بحت: يُستخدم مصطلح "الذرّة" في الإنجليزية الأمريكية، بينما يُستخدم مصطلح "الذرّة" في الإنجليزية البريطانية.