كيفية صنع مسحوق معدني؟

مسحوق المعدن هو نقطة البداية لعملية مسحوق المعادن، وخصائصه تؤثر بشكل عميق على الخصائص الميكانيكية والفيزيائية للأجزاء الملبدة.

ومع ذلك، لا تزال عملية إنتاج مسحوق المعادن معقدة حتى يومنا هذا. ولحسن الحظ، يُحدِّث المُصنِّعون تقنيات إنتاج المسحوق باستمرار.

دعونا نلقي نظرة على طرق إنتاج مسحوق المعدن المختلفة.

عملية التذرير

قد تعرف ذلك ذرات الغاز والماء طرق شائعة لإنتاج مساحيق المعادن. جميعها تُفتت المعدن السائل إلى قطرات ثم تُذرّها إلى مسحوق. يُعرف التذرية المائية بحجم إنتاجها الكبير وتكلفتها المنخفضة، لكنها تُنتج مساحيق ذات محتوى أكسجين عالٍ وأشكال غير منتظمة. في المقابل، تُنتج التذرية الغازية مساحيق ذات محتوى أكسجين أقل وأشكال كروية أكثر. تُستخدم التذرية الغازية بشكل رئيسي لإنتاج معادن سهلة الأكسدة مثل مسحوق التيتانيوم و مسحوق الفولاذ المقاوم للصدأفي حين أن ذرات الماء تستخدم عادة لإنتاج مسحوق الحديد.

للجمع بين مزايا الطريقتين، طوّر المصنعون تقنية ذرّ هجينة. في هذه العملية، يُحوّل المعدن المنصهر أولًا إلى ذرّات باستخدام الغاز، ثمّ بالماء.

طورت شركة هوغاناس، الرائدة عالميًا في تصنيع مسحوق المعادن، تقنية ذرّ الغاز الخامل بالصهر بالحث الفراغي (VIGA). تجمع تقنية VIGA بين الصهر بالحث الفراغي وذرّ الغاز الخامل لتحقيق خصائص مسحوق فائقة. وهي مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب نقاءً عاليًا وتوزيعًا دقيقًا لحجم الجسيمات.

التحلل الكيميائي

يتم استخدام عمليات التحلل الكيميائي لصنع مساحيق من كربونيل المعادن وهيدريدات المعادن.

مسحوق الحديد و مسحوق النيكل يتم الحصول عليها بطريقة التحلل الكيميائي ولها أحجام جزيئات صغيرة جدًا، تتراوح من حوالي 1 إلى 8 ميكرومتر.

يُحضَّر كربونيل النيكل بتفاعل كتل النيكل والمواد المحتوية عليه مع أول أكسيد الكربون عند درجة حرارة 160 درجة مئوية. تتطلب هذه العملية ضغطًا يتراوح بين 100 و240 ضغطًا جويًا. بعد امتصاص كربونيل النيكل على كتلة النيكل، يتحلل إلى مسحوق نيكل نقي عند درجة حرارة حوالي 230 درجة مئوية.

عادةً ما تكون جسيمات مسحوق حديد الكربونيل كروية الشكل وذات بنية تشبه قشرة البصل. علاوة على ذلك، تكون جسيمات مسحوق حديد الكربونيل كروية الشكل ودقيقة جدًا (أكبر من 10 ميكرومتر)، على عكس جسيمات مسحوق النيكل غير المنتظمة.

تخفيض

بالإضافة إلى عملية التذرية، يستخدم مُصنِّعوك غالبًا طريقة الاختزال لإنتاج مسحوق الحديد. تُختزل هذه العملية الخام باستخدام الكربون أو الهيدروجين.

أولاً، يُختزل أكسيد الحديد باستخدام أول أكسيد الكربون للحصول على مسحوق الحديد. تتميز هذه المساحيق المعدنية بمحتوى عالٍ من الأكسجين، وقابلية انضغاط ضعيفة، وهي غير مناسبة للتشكيل.

بعد ذلك، يُسخّن مسحوق الحديد المُختزل ويُزال الكربون منه عند درجة حرارة تتراوح بين 800 و900 درجة مئوية في فرن حزام فولاذي. وأخيرًا، يُسحق ويُنخل للحصول على مسحوق حديد إسفنجي يتميز بانضغاط جيد ومحتوى منخفض من الأكسجين والكربون.

بالمقارنة مع مسحوق الماء المتبخر، فإن مسحوق الحديد الناتج عن الاختزال له مظهر غير منتظم والعديد من التجاويف في الداخل، والمعروف باسم مسحوق الحديد الإسفنجي.

بالإضافة إلى ذلك، مواد مسحوق المعادن يستخدم المصنعون الاختزال لضبط الكثافة الظاهرية لمسحوق النحاس المُرَذَّب بالماء. تتمثل هذه العملية في أكسدة مسحوق النحاس المُرَذَّب بالماء في الهواء ثم اختزاله إلى 500 درجة مئوية. يمكن تخفيض الكثافة الظاهرية لمسحوق النحاس إلى 2.0 جم/سم³.³ومع ذلك، أثناء عملية الأكسدة والاختزال، يكون مسحوق النحاس عرضة للتكتل ويتطلب السحق اللاحق.

إن التخفيض له هذه المزايا:

• نقاء عالي لمسحوق المعدن، نقاء يتجاوز 99.5٪
• ينتج مسحوقًا أدق
• كفاءة إنتاج عالية

التحليل الكهربائي

يعد التحليل الكهربائي مثاليًا لإنتاج مسحوق النحاس ومسحوق الحديد.

في الخلية التحليلية الكهربائية، يكون الأنود كتلة نحاسية، والكاثود نحاسًا عالي النقاء أو فولاذًا مقاومًا للصدأ، ويُستخدم كبريتات النحاس كإلكتروليت. أثناء عملية التحليل الكهربائي، تنطلق أيونات النحاس من الأنود وترسب على الكاثود.

هذه العملية تُشبه عملية الطلاء الكهربائي. يُمكن غسل مسحوق النحاس الكهربائي الناتج، وترشيحه، وتجفيفه، وتليينه، وسحقه للحصول على مسحوق نحاس عالي النقاء. عادةً، تبلغ نسبة النحاس 99.5%، ونسبة الأكسجين فيه أقل من 0.05%.

يتميز مسحوق الحديد الكهربائي بقابلية ضغط عالية، وصلابة عالية، وخواص مغناطيسية عالية. أما مسحوق النحاس الكهربائي، فيتميز بالمزايا التالية:

1. عالية النقاء
2. قابلية ضغط جيدة
3. قوة خضراء جيدة
4. كثافة ظاهرة منخفضة (حوالي 0.55 إلى 3.5 جم/سم3)

ومع ذلك، فإن عملية التحليل الكهربائي مكلفة وعرضة للتلوث.

المعالجة الميكانيكية

بالنسبة للمعادن الهشة، يحصل المصنعون على المساحيق المطلوبة من خلال المعالجة الميكانيكية، بما في ذلك:

1. التآكل
2. ضغط
3. الطحن

تتميز هذه العملية بعائد منخفض كما أن المسحوق قابل للتلوث بسهولة.

عند استخدام الطرق الميكانيكية لتحضير مساحيق المعادن، يُرجى الحذر من ارتفاع درجة حرارة المسحوق المعدني، مما قد يُسبب مشاكل احتراق. وتزداد هذه المشكلة خطورةً مع المساحيق شديدة التفاعل، مثل: مسحوق التيتانيوم.

خصائص مسحوق المعدن

عندما تنتج أجزاء متكلس، عليك أن تأخذ في الاعتبار خصائص المعدن المسحوق.

حجم الجسيمات:

عمومًا، يتراوح حجم جسيمات مساحيق المعادن بين 1 و1000 ميكرون. تشمل طرق قياس حجم الجسيمات التشتت بالليزر، والغربلة، والمجهر. تشمل أشكال الجسيمات الشائعة الحبيبات، والكرويات، والرقائق، والشجيرية.

المساحة السطحية

بالنسبة للأجزاء الملبدة، كلما كانت مساحة سطح المسحوق أكبر، زادت طاقته، وأصبح أقل استقرارًا، وأصبح من الأسهل عملية تلبيد.

الكثافة الظاهرية

تُقاس الكثافة الظاهرية بملء كتلة معلومة من المسحوق في حجم معلوم من الحاوية. كلما زادت الكثافة الظاهرية للمسحوق، قلّ الاحتكاك بين المساحيق، وسهّل ملء القالب.

توزيع حجم الجسيمات

التوزيع الضيق يجعل من الأسهل التعبئة والمعالجة الموحدة

الكثافة المستغلة

كثافة الضغط هي مقياس لكثافة المادة المسحوقة بعد ضغطها أو ضغطها. تُستخدم لقياس كفاءة تعبئة المسحوق.

معدل التدفق: يُمثل الاحتكاك بين المساحيق. ويتأثر بحجم وشكل جسيمات المسحوق.

الانضغاطية

يشير إلى قدرة المسحوق على التقلص في الحجم تحت الضغط المطبق. تشير قابلية الانضغاط العالية إلى قدرة المسحوق على تحقيق كثافة عالية أثناء عملية الضغط، وهو أمر ضروري لإنتاج مكونات قوية ومتينة.

التركيب الكيميائي

يجب أن يتوافق التركيب الكيميائي لمساحيق المعادن مع معايير المواد الصناعية. تؤثر بعض العناصر على الخصائص الميكانيكية للأجزاء، مثل محتوى الكربون، مما يؤثر على قوة المنتج ومرونته ومتانته.

مقارنة بين طرق إنتاج مسحوق المعادن

نظرًا لأن معظم المساحيق يتم تصنيعها عن طريق ذرات الغاز، وذرات الماء، والتحلل الكيميائي، وطرق الاختزال، فإننا نقدم لك مقارنة سريعة.

طريقة عملنا	الانحلال الغازي	الانحلال بالماء	التحلل الكيميائي	تخفيض
معدن	التيتانيوم، الفولاذ المقاوم للصدأ، الفولاذ عالي السرعة	الحديد، الفولاذ عالي السرعة، الفولاذ المقاوم للصدأ	كربونيل النيكل، كربونيل الحديد	حديد
حجم الجسيمات	من 10 إلى 300 ميكرومتر مع انحراف معياري ≈ 2	المتوسط: 50 إلى 100 ميكرومتر	<10 ميكرومتر	<150 ميكرومتر
شكل الجسيمات	كروي	غير منتظم	كروية أو على شكل قنفذ	غير منتظم
الايجابيات	محتوى أكسجين منخفض كثافة خضراء عالية	قوة خضراء جيدة ارتفاع العائد	كثافة التلبيد العالية	مع وجود فجوات تكلفة منخفضة قوة خضراء عالية
سلبيات	الاتفاق الأخضر الضعيف إنتاج مسحوق ناعم منخفض	نسبة عالية من الأكسجين	غالي السعر	كثافة خضراء منخفضة
طلب توظيف جديد	مسحوق المعادن، MIM، الطباعة ثلاثية الأبعاد	صب حقن المعادن	صب حقن المعادن	عملية إدارة المشاريع التقليدية

احتياطات التعامل مع مسحوق المعادن

السلامة هي الأولوية القصوى في إنتاج مساحيق المعادن.

يمكن أن تُسبب مساحيق المعادن حساسيةً للعمال بسهولة. كما يُشكل الغبار مشكلةً خطيرة. من المعروف أن معظم المساحيق التي يزيد حجمها عن 10 ميكرومترات تُرشَّح بواسطة نظام الترشيح في جسم الإنسان. أما المساحيق التي يقل حجمها عن 1 ميكرومتر (يتراوح قطر جزيئات دخان السجائر بين 0.01 و1 ميكرومتر) فتُستنشق بسهولة إلى رئتي العمال وتصل إلى الدم عبر الحويصلات الهوائية.

بالنسبة للجسيمات PM2.5، فإن الصين والولايات المتحدة واليابان لديها اللوائح التالية.

عندما يكون حجم جزيئات المسحوق صغيرًا جدًا، يجب الانتباه إلى مشكلة الاحتراق التلقائي، ويجب توخي الحذر أثناء النقل والتخزين.

الدولة	الصين	US	اليابان
المتوسط ​​السنوي (ميكروجرام/سم³)	35	12	15
المتوسط ​​اليومي (ميكروجرام/سم³)	75	35	35

 

الأسئلة الشائعة

ما هي صناعة المسحوق؟

يشير تصنيع المساحيق إلى العمليات المستخدمة لإنتاج مساحيق معدنية أو سيراميكية تُستخدم كمواد خام في علم المعادن المساحيق، والتصنيع الإضافي، والتطبيقات ذات الصلة. تُصمَّم هذه المساحيق بدقة عالية من حيث التركيب الكيميائي، وحجم الجسيمات، والشكل، والنقاء، لضمان ثبات أدائها أثناء الضغط والتلبيد.

تشمل عمليات تصنيع المسحوق الشائعة ما يلي:
التذرية: يُفتت المعدن المنصهر إلى قطرات دقيقة تحت ضغط عالٍ من الغاز أو الماء، ثم يتصلب إلى مسحوق. يُنتج التذرية الغازية جزيئات كروية ذات سيولة جيدة، بينما تُنتج التذرية المائية جزيئات غير منتظمة ذات قابلية انضغاط أعلى.
التخفيض الكيميائي: تُختزل أكاسيد المعادن باستخدام الهيدروجين أو أول أكسيد الكربون لتكوين مساحيق معدنية. تُستخدم هذه الطريقة عادةً للحديد والنحاس والتنغستن.
الترسيب الكهربائي: يُرسَّب المعدن من الإلكتروليت إلى الكاثود، ثم يُزال ويُجفف ويُسحق إلى مسحوق ناعم عالي النقاء. ويُستخدم عادةً في النحاس والنيكل والحديد.

كيف تختلف المعادن المسحوقة عن المعادن التقليدية؟

تُنتج معادن المساحيق معادن مساحيق عن طريق ضغط وتلبيد مساحيق معدنية دقيقة تحت درجة انصهارها. تتيح هذه العملية تكوين أشكال هندسية معقدة، واستخدامًا عاليًا للمواد، وتحكمًا دقيقًا في البنية الدقيقة. تُشكل الطرق التقليدية، مثل الصب والتشكيل والتشغيل الآلي، المعادن الصلبة، مما يؤدي غالبًا إلى زيادة الهدر وتقليل مرونة التصميم.

ما هي الطريقة المناسبة لإنتاج مسحوق الحديد؟

يتم إنتاج معظم مساحيق الحديد عن طريق إحدى عمليتين: الاختزال أو ذرات الماء.

تتمتع ذرات الماء بالكفاءة الاقتصادية الجيدة والإنتاج الكبير.

مسحوق الحديد الإسفنجي المنتج بطريقة الاختزال له شكل مسحوق غير منتظم وتأثير قفل ميكانيكي جيد.

علاوة على ذلك، يتجاوز حجم الجسيمات في الغالب 20 ميكرون، مما يجعله مناسبًا لتصنيع قطع عالية القوة ومعقدة الشكل. كما أنه مناسب لتصنيع المحامل المحتوية على الزيت.

ما هو معدل تدفق مسحوق الحديد؟

بشكل عام، يبلغ متوسط ​​معدل تدفق مسحوق الحديد 25 إلى 35 ثانية/50 جرام.

إذا أخذنا ATOMET DB46 كمثال، فإن معدل التدفق المقاس وفقًا لطريقة الاختبار ISO4490 هو 25.62 ثانية/50 جرام.

ما هو مسحوق النانو المعدني؟

مسحوق المعدن النانوي هو مسحوق يقل حجمه عن ١٠٠ نانومتر (٠٫١ ميكرومتر). يتميز مسحوق النانو بحجم جسيمات صغير للغاية، ونشاط عالٍ، وسهولة الأكسدة.