الضغط المتوازن الساخن

هناك اهتمام متزايد باستخدام تقنية الضغط المتساوي الضغط الساخن (HIP) لتصنيع مكونات عالية الأداء، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى قدرتها على إنتاج أجزاء كثيفة بالكامل، ذات شكل شبكي قريب - بما في ذلك الأشكال الهندسية الكبيرة والمعقدة.

على النقيض من ذلك، عادةً ما تكون كثافة أجزاء مسحوق المعادن التقليدية أقل من 95%، وتتراوح عادةً من 85% إلى 93%، في حين تحقق أجزاء القالب بالحقن المعدني كثافات أعلى، وتتراوح عمومًا بين 94% إلى 99%.

ما هو الضغط الساخن المتساوي القياس؟

الضغط المتساوي الضغط الساخن (HIP) هو عملية تصنيع يتم فيها تطبيق درجة حرارة عالية (عادةً من 800 إلى 1350 درجة مئوية) وضغط عالي (100-200 ميجا باسكال) في جميع الاتجاهات لتكثيف المواد المسحوقة أو تقليل المسامية في الصب و أجزاء متكلس.

تاريخ الضغط المتساوي الضغط الساخن

ابتكرت مختبرات باتيل تقنية الضغط المتساوي التضاغط الساخن عام ١٩٥٥، واستخدمتها لنشر المواد الخام النووية الرابطة. واليوم، تُستخدم تقنية الضغط المتساوي التضاغط الساخن على نطاق واسع لتكثيف مسحوق المعادن وقطع السيراميك الملبدة.

عملية الضغط المتساوي الضغط الساخن

إنتاج المسحوق

يجب ألا يكون قطر جزيئات المسحوق المستخدمة في الكبس المتساوي الضغط الساخن خشنًا جدًا أو ناعمًا جدًا. يتراوح حجم جزيئات مسحوق المعدن عادةً بين 50 و40 ميكرومترًا.

مسحوق الغاز المذرى يستخدم بشكل شائع في HIP لأنه:

• شكل مسحوق كروي
• كثافة ملء المسحوق العالية
• نطاق ضيق لحجم جسيمات المسحوق
• نقاء مسحوق عالي ومحتوى أكسجين منخفض

تصنيع الحاويات

تتعرض الحاوية أو العلبة المستخدمة في تغليف مسحوق المعدن إلى انكماش كبير في الحجم مع توحيد المادة إلى شكلها النهائي.

للحفاظ على الاستقرار الأبعادي والسماح بالتشوه البلاستيكي أثناء هذا التخفيض، يجب أن تمتلك مادة العلبة قوة عالية ومرونة جيدة.

ولهذا السبب، يتم استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ منخفض الكربون بشكل شائع في علب التغليف، حيث يتمتعان بمزيج جيد من القوة والمرونة.

تعبئة المسحوق وإزالة الغازات

صبّ المسحوق في وعاء بسماكة جدار تتراوح بين ٢ و٣ مم، ثم سخّنه إلى درجة حرارة تتراوح بين ٣٠٠ و٥٠٠ درجة مئوية.

قبل الضغط الساخن المتساوي الضغط، يُفرّغ مسحوق المعدن المُغلّف في العلبة الفولاذية من الغازات. تتم عملية التفريغ عن طريق تفريغ الحاوية بواسطة مضخة تفريغ لامتصاص الجزيئات الملوثة الممتصة من مسحوق المعدن.

التغليف.

بعد إزالة الغازات، يتم تثبيت فتحة الحاوية بشكل مسطح ثم إغلاقها عن طريق اللحام الكهربائي، وهي عملية تسمى العزل الحراري.

عملية HIP

تُسخّن العلبة المغلقة في حجرة تسخين وتُضغط بالأرجون أو النيتروجين. وأخيرًا، تُزال العبوة باستخدام آلات CNC أو الطرق الكيميائية.

درجات الحرارة والضغوط

يوضح الجدول التالي درجات الحرارة والضغوط المطلوبة للمواد الشائعة المستخدمة في الضغط المتساوي الضغط الساخن.

الخامة	درجة الحرارة / درجة مئوية	الضغط / الآلام والكروب الذهنية
سبائك الألومنيوم	500	100
سبائك النحاس	800-950	100
فولاذ مقاوم للصدأ	1150	100
نيكل 718	1185	100
تي 6Al-4V	950	100
WC-Co	1700	100
التنغستن	1350	100
البريليوم	900	100
الموليبدينوم	1350	100
الحديد النقي	950-1160	100
نيكل نقي	1100-1280	100-140

مزايا وعيوب الضغط المتساوي الضغط الساخن

مزايا الضغط المتساوي الضغط الساخن

خصائص الشد الجيدة

إن خصائص الشد للأجزاء المنتجة من خلال الضغط المتساوي الحرارة والتلبيد تكون بشكل عام مساوية أو متفوقة على تلك المصنوعة بطرق الصب أو التشكيل أو الدرفلة التقليدية.

مرونة التصميم

يمكن لعملية HIP إنتاج أجزاء لا يمكن إنتاجها باستخدام عمليات التصنيع التقليدية، بما في ذلك الأجزاء ذات الأشكال ثلاثية الأبعاد المعقدة.

تقليل اللحام

يمكن لتقنية HIP إنتاج قطع مُدمجة بالكامل، مما يُقلل من الحاجة إلى اللحامات المكلفة. هذا يُقلل من وقت الإنتاج ويُخفض تكاليف التصنيع الإجمالية.

توفير تكاليف المواد

HIP هي عملية تصنيع شبه شبكية، تتميز باستهلاك عالٍ للمواد، ولا تتطلب معالجة ثانوية. بالمقارنة مع التشغيل الآلي، توفر هذه العملية تكاليف المواد وتُخفّض تكاليف التصنيع.

كثافة موحدة

تطبق المكبس الساخن المتساوي الضغط بشكل موحد على مسحوق المعدن من جميع الاتجاهات، مما يؤدي إلى كثافة موحدة وبنية دقيقة في جميع أنحاء المضغوط الأخضر.

عيوب الضغط المتساوي الضغط الساخن

تتمتع عملية الضغط المتساوي الحرارة بالمزايا المذكورة أعلاه، ولكنها تعاني أيضًا من بعض العيوب بما في ذلك التكلفة العالية للمعدات وكمية الإنتاج المحدودة وسرعة المعالجة البطيئة.

ارتفاع تكلفة المعدات

تعتبر معدات HIP باهظة الثمن، لذا فهي تتطلب استثمارًا أوليًا كبيرًا.

كمية إنتاج محدودة

عادةً ما يكون HIP مناسبًا للإنتاج على دفعات صغيرة.

سرعة معالجة بطيئة

بالمقارنة مع طرق تشكيل المسحوق الأخرى، مثل عمليات مسحوق المعادن التقليدية، فإن دورة إنتاج HIP عادة ما تكون أطول وكفاءة الإنتاج أقل.

بعد تجهيز

قد تتطلب القطع المُنتَجة بتقنية HIP معالجة لاحقة لتحقيق تحمّلات دقيقة، مما يزيد التكلفة الإجمالية ووقت الإنتاج.

حدود جزء Aize

يقتصر حجم الجزء على سعة معدات الضغط المتساوية الساخنة.

تطبيقات الضغط المتساوي الضغط الساخن

الطاقة النووية

تتمتع عملية الضغط المتساوي الحرارة بمجموعة واسعة من التطبيقات في تصنيع مكونات محطة الطاقة النووية (NPP)، مثل الأجزاء الكبيرة المستخدمة في تصنيع وعاء ضغط المفاعل (RPV).

مسحوق تعدين

يتم استخدام HIP لتكثيف مسحوق المعادن الأجزاء الملبدة والتخلص من مساميتها المتبقية.

الترابط الانتشاري

الالتصاق بالضغط المتساوي الساخن هو شكل من أشكال الربط الانتشاري، حيث تُطبق درجة حرارة وضغط عاليان في آنٍ واحد لتعزيز حركة الذرات السريعة. هذا يسمح للأسطح المتلامسة بإحكام بالترابط في الحالة الصلبة، دون تكوين طور سائل.

السيراميك

يتم استخدام HIP في معالجة السيراميك لزيادة الكثافة وتحسين الخصائص الميكانيكية، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات عالية الأداء.

صب

غالبًا ما تنتج المسبوكات مسامًا دقيقة عندما يتصلب السائل عالي الحرارة إلى درجة حرارة الغرفة، وهو ما يسبب التشقق الناتج عن الإجهاد المنخفض أو التلف الناتج عن التعب.

يمكن لـ HIP القضاء على المسام الدقيقة في المسبوكات المعدنية وتحسين عمر التعب.

آلة الضغط المتساوية الساخنة

تتكون مكبس الضغط المتساوي الضغط الساخن بشكل أساسي من ثلاثة أجزاء:

• جسم غرفة الضغط
• نظام الضغط
• نظام التدفئة

يمكن أن يصل الحد الأقصى لمساحة عمل مكبس الضغط المتساوي الساخن إلى مترين قطرًا و2 متر ارتفاعًا. يستخدم نظام التسخين عادةً سبائك Fe-Ar-Al، أو التنغستن، أو الجرافيت، مما يسمح للمسحوق بالوصول إلى درجات حرارة تصل إلى 4.2 درجة مئوية، أو 1350 درجة مئوية، أو حتى 1600 درجة مئوية. يستخدم المكبس المتساوي الساخن غازًا عالي الضغط، عادةً الأرجون أو النيتروجين، لتطبيق ضغط هيدروستاتيكي يتراوح بين 2200 و100 ميجا باسكال على المسحوق.

الضغط المتساوي الضغط البارد مقابل الضغط المتساوي الضغط الساخن

يوضح الجدول التالي الفرق بين الضغط المتساوي الضغط الساخن و الضغط المتساوي الضغط البارد.

الجانب	الضغط المتوازن البارد (CIP)	الضغط المتوازن الساخن (HIP)
درجة الحرارة	درجة حرارة الغرفة	درجة حرارة عالية (عادةً 800–1350 درجة مئوية)
وسط الضغط	السائل (عادة الماء أو الزيت)	الغاز (عادة الأرجون)
نطاق الضغط	34.5–690 ميجا باسكال	100–200 ميجا باسكال
الجزء الناتج	Green Compact (يحتاج إلى التلبيد)	كثيفة بالكامل
المواد المعالجة	مساحيق المعادن والسيراميك والبلاستيك	معظمها معادن وسبائك وسيراميك
تزيين	قوالب مرنة (مطاط أو بولي يوريثين)	العلب الصلبة
استخدام الإنتاج	دفعة صغيرة أو خطوة ما قبل التلبيد	التكثيف النهائي

 

الأسئلة الشائعة

ما هو الفرق بين الضغط المتساوي الضغط الساخن والضغط الساخن؟

تستخدم عملية الضغط المتساوي الضغط الساخن ضغط الغاز لتطبيق الضغط بطريقة متساوية الضغط (في جميع الاتجاهات)، بينما الضغط الساخن يستخدم مثقبًا لتطبيق ضغط أحادي المحور (في اتجاه واحد).

ما هو Sinter-HIP؟

طُوِّرت تقنية Sinter-HIP من التلبيد الفراغي والضغط المتساوي الضغط الساخن، وتُستخدم غالبًا في تلبيد كربيد الأسمنت السائل. في فرن التلبيد HIP، تُسخَّن قطعة العمل أولًا إلى درجة حرارة التلبيد بالطرق التقليدية، ويُطبَّق ضغط يتراوح بين 0.1 و30 ميجا باسكال خلال مرحلة العزل.

يرجع ذلك إلى وجود القليل من السائل بين المساحيق، مما يقلل الاحتكاك، وبالتالي لا يلزم أن يكون الضغط مرتفعًا جدًا للوصول إلى التكثيف الكامل للأجزاء.