يُعدّ مسحوق المعادن (PM) وسيلةً ممتازةً لإنتاج قطع صغيرة ومعقدة. ومع ذلك، يواجه هذا النوع من مسحوق المعادن صعوبةً في إنتاج قطع مصغّرة ذات خصائص دقيقة، مثل الجدران الرقيقة.
تُعد عملية حقن المعادن (MIM) تقنية واعدة قادرة على إنتاج أجزاء معقدة بأقطار صغيرة تصل إلى 2 مم.
المحتويات
ما هو حقن المعادن؟
تجمع عملية حقن المعادن بين مسحوق المعادن التقليدي مع حقن البلاستيك.
يُخلط مسحوق المعدن الناعم مع المواد الرابطة لإنتاج المادة الخام. ثم تُصبّ المادة الخام بواسطة آلة قولبة بالحقن، تليها عملية إزالة المواد الرابطة والتلبيد لإنتاج المنتج النهائي.
خطوات عملية حقن المعادن
بالمقارنة مع المواد البلاستيكية، تُعدّ مساحيق MIM المعدنية أكثر قابلية للتآكل. لذلك، تُصنع قوالب MIM بشكل أساسي من فولاذ الأدوات، وتتميز أسطحها بطبقة مقاومة للتآكل. عادةً، تتضمن عملية حقن المعادن الخطوات التالية:
خلط
الهدف من عملية الخلط هو الحصول على طبقة موحدة من المادة الرابطة على سطح جزيئات المعدن.
أولاً، يُوضع مسحوق المعدن في الخلاط لتسخينه مسبقًا. ثم يُضاف الرابط ويُخلط مع مسحوق المعدن. تبلغ نسبة حجم مسحوق المعدن إلى الرابط حوالي 6:4.
بعد خلطها جيدًا، نحصل على مادة الحقن - المادة الخام. تُضغط المادة الخام مثل المعكرونة. ثم تطحنها آلة التحبيب إلى قطع بحجم حبة الأرز قبل إدخالها في آلة حقن المعادن.
إذا كان هناك حاجة إلى مزيد من الخلط، فمن الضروري استخدام خلاط القص العالي.
وظائف المجلدات في MIM هي كما يلي:
- تحسين سيولة مسحوق المعدن
- إعطاء المواد الخام التصاقًا معينًا
- المساعدة في تشكيل الأجزاء الخضراء
- مساعدة في إزالة القالب
حقن صب
- أولاً، يتم إغلاق القالب ويبدأ المسمار في التحرك للأمام لحقن المواد الخام.
- يتم تسخين المادة الخام إلى حوالي 200 درجة مئوية وتملأ تجويف القالب بالكامل.
- بعد اكتمال عملية الحقن، يجب عليك تطبيق ضغط التثبيت للتعويض عن انكماش المواد الخام.
- يتم تجميد البوابة، ولا يمكن للمادة المنصهرة في الأنبوب دخول تجويف القالب، وتستمر المادة المنصهرة في تجويف القالب في التبريد.
- ثم يفتح القالب ويتم إخراج القطعة عن طريق إخراج الدبوس.
أثناء عملية حقن القالب، هناك عدة عوامل يجب الانتباه إليها.
- سرعة الحقن
سرعة حقن بطيئة جدًا قد تُسبب عيوبًا سطحية. سرعة حقن عالية جدًا لا تسمح للهواء الموجود في التجويف بالخروج عبر فتحات تهوية القالب قد تُسبب فراغات.
- نقطة التحول والطريقة
نقطة التحويل هي نقطة التحول من ضغط الحقن إلى ضغط الاحتجاز. طرق التحويل الأربع الشائعة الاستخدام هي: ضغط الموضع، والضغط الهيدروليكي، والضغط الزمني، وضغط التجويف.
- الضغط المستمر في عملية حقن القالب
أثناء عملية قولبة الحقن، وبسبب انخفاض درجة الحرارة داخل القالب، سينكمش الخام قليلاً عند تبريده. لذلك، خلال مرحلة التبريد، يجب الاستمرار في الضغط وحقن كمية صغيرة من الخام لتعويض الانكماش. يُسمى هذا ضغط التثبيت.
وفقًا لـ 3 ERP، فإن ضغط الإمساك يبلغ حوالي 50-65% من ضغط الحقن.
- وقت التبريد
التبريد ضروري للسماح للقطعة بالتصلب الكامل. إذا بردت القطعة أقل من اللازم، فقد تتلف أثناء عملية القذف.
التنحي
ستؤدي عملية إزالة الروابط إلى إزالة معظم المواد الرابطة في الجزء الأخضر. ويهدف ذلك إلى منع حدوث عيوب في المنتج أو التأثير على خصائصه الميكانيكية أثناء عملية التلبيد اللاحقة. بعد إزالة الروابط، يصبح لديك جزء مسامي وهش ومنخفض الكثافة، ويُطلق عليه "الجزء البني".
يرتبط وقت إزالة الارتباط بالعوامل التالية:
- طريقة إزالة الارتباط
- حجم الجزء
- حجم جسيمات المسحوق
على سبيل المثال، نفس الجزء المصبوب من مسحوق النحاس المرذاذ 20 ميكرومتر، ومسحوق الحديد الكربونيلي 10 ميكرومتر، ومسحوق أكسيد الألومنيوم 1 ميكرومتر
إنها تتطلب 3 ساعات، و6 ساعات، و22 ساعة من وقت إزالة ارتباط المذيبات على التوالي.
1. إزالة الارتباط الحراري
في عملية إزالة الرابط الحراري، يُوضع الجزء الأخضر في فرن تسخين لإزالة المادة الرابطة. عادةً، يُدخل الهواء، أو الغاز الخامل، أو غاز الاختزال إلى فرن التسخين. يجب الانتباه جيدًا إلى سرعة التسخين. إذا تبخر الرابط بسرعة كبيرة، فقد تظهر على الجزء عيوب مثل التقشر، والتشوه، والتقرحات، وما إلى ذلك.
تتميز عملية إزالة الترابط الحراري بانخفاض تكلفتها، إلا أن عيبها هو استغراقها وقتًا طويلًا، قد يصل إلى ٢٤ ساعة أو أكثر.
2. إزالة رابط المذيب
لتقصير زمن إزالة الرابطة، طُرِحَت طريقة إزالة الشحوم بالمذيبات. تتمثل هذه الطريقة في وضع الأجزاء الخضراء في مذيبات الهكسان أو الهبتان أو ثلاثي كلورو الإيثيلين. تتم هذه الطريقة عن طريق إذابة البارافين وحمض الستياريك الموجودين في المواد الرابطة في المذيب. بعد إزالة الرابطة بالمذيب، قد يلزم إزالة الشحوم حرارياً. الهدف هو إزالة المواد الرابطة غير الذائبة في المذيب، مثل البولي إيثيلين والبولي بروبيلين.
وفقًا لـ "دراسة معلمات إزالة الشحوم بالمذيبات للفولاذ المقاوم للصدأ 316L المصبوب بالحقن المعدني"، فإن درجة الحرارة والوقت الأمثل لإزالة الشحوم بالمذيبات من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L هما 60 درجة مئوية و240 دقيقة.
من مزايا إزالة الترابط الحراري بالمذيبات قصر دورة إزالة الشحوم والحفاظ على شكل المنتج بشكل جيد. أما عيوبها، فتتمثل في ارتفاع تكلفتها، واحتمالية أن تكون المذيبات ضارة بالبيئة.
3. إزالة الارتباط التحفيزي
يستخدم الإزالة الحفزية للروابط غازات حمضية، مثل حمض النيتريك وحمض الأكساليك، لتحليل بعض المواد اللاصقة. تتميز هذه الطريقة بثبات ممتاز لشكل المنتج وسرعة إزالة الشحوم. ومع ذلك، فهي لا تُطبق إلا على المواد اللاصقة التي تحتوي على بولي أسيتال.
4. إزالة الروابط بين السوائل فوق الحرجة
في عملية إزالة الروابط بين السوائل فوق الحرجة، يُستخدم ثاني أكسيد الكربون السائل كمذيب لإزالة البارافين عند درجات حرارة تتراوح بين 2 و508 درجة مئوية تقريبًا. تُعدّ هذه العملية واعدة، إذ تستهلك ثاني أكسيد الكربون، وهو أمر مفيد للبيئة.
بالمقارنة مع إزالة الروابط بالمذيبات والحرارة، تتميز هذه الطريقة بسرعة إزالة الروابط وعيوب الأجزاء الأقل. ومع ذلك، تتطلب هذه العملية درجات حرارة وضغوطًا عالية، لذا فهي مناسبة فقط للأجزاء الصغيرة جدًا. وإلا، فسيتم استخدام غرف كبيرة، وقد ترتفع التكاليف بشكل كبير.
تلبيد MIM
التلبيد باستخدام MIM يشبه التلبيد التقليدي تلبيد مسحوق المعادن.
تنقسم عملية التلبيد بشكل أساسي إلى الخطوات الثلاث التالية:
- التسخين المسبق
تهدف عملية التسخين المسبق إلى إزالة المواد الرابطة بشكل أكبر ونشر الجزيئات ودمجها في البداية.
- تلبد
تُلبَّد الأجزاء البنية عند درجة حرارة أقل من نقطة الانصهار. أثناء التلبيد، تتحد جزيئات المعدن معًا، مما يُزيل المسام. بالإضافة إلى ذلك، يلزم استخدام غازات واقية مثل الهيدروجين والنيتروجين والأرجون لمنع أكسدة المنتج.
- تبريد
تُبرَّد الأجزاء المُلبَّدة تدريجيًا إلى درجة حرارة الغرفة. الهدف من التبريد هو إزالة الإجهاد الحراري أثناء عملية التلبيد، مما يُجنِّب حدوث تشققات فيها.
عادة، يكون وقت التسخين المسبق من 45 إلى 60 دقيقة، ووقت التلبيد حوالي ساعة واحدة، ووقت التبريد حوالي ساعتين.
بخلاف مسحوق المعادن، تتميز أجزاء حقن المعادن بمعدل انكماش أعلى أثناء التلبيد، يتراوح بين 15% و20% تقريبًا. وقد يتطلب هذا درجة حرارة تلبيد أعلى ووقت تلبيد أطول.
يوضح الجدول التالي درجة حرارة التلبيد والجو لبعض المعادن المستخدمة بشكل شائع.
| المواد | تلبد
درجة الحرارة (℃) |
تلبد
الغلاف الجوي |
| FN02 | 1180-1290 | نتروجين |
| FN50 | 1180-1280 | نتروجين |
|
M2 |
1180-1250 | نتروجين |
| M4 | 1180-1250 | نتروجين |
| T15 | 1200-1270 | نتروجين |
| 17-4 درجة الحموضة | 1200-1360 | هيدروجين |
| 316L | 1250-1380 | هيدروجين |
| 410 | 1250-1375 | هيدروجين |
| 420 | 1200-1340 | نتروجين |
| 440C | 1200-1280 | نتروجين |
| 304 | 1250-1375 | هيدروجين |
| W–Cu | 1150-1400 | هيدروجين |
| النحاس النقي | 950-1050 | هيدروجين |
| برونز | 850-1000 | هيدروجين |
| التيتانيوم | 1130-1220 | الأرجون/الفراغ |
| تي 6Al-4V | 1140-1250 | الأرجون/الفراغ |
| Inconel 718 | 1200-1280 | أجهزة شفط هواء |
العمليات الثانوية
بعد التلبيد، أجزاء MIM قد تحتاج إلى معالجة ثانوية وفقًا للاحتياجات، مثل التشغيل الآلي والمعالجة الحرارية والتشطيب السطحي.
مواد MIM
مواد صب الحقن المعدنية تشمل المعادن والمواد المجلدة.
ملفات MIM
- المواد الرابطة القائمة على الشمع
مصنوع من البولي إيثيلين والبولي بروبيلين كمواد رابطة هيكلية، بنسبة 30% وزناً. النسبة المتبقية هي البارافين وكمية صغيرة من مادة التشحيم والمنشط.
- المواد الرابطة القائمة على الماء
المواد الرابطة المائية تتكون أساسًا من الماء ومواد بوليمرية. سُميتها منخفضة نسبيًا، ما يجعلها صديقة للبيئة، إلا أن وقت إزالة الرابط وجفافها طويل.
- المواد الرابطة القائمة على المذيبات
إنها تتمتع بفترة تجفيف قصيرة وسهلة التشكيل، ولكن سميتها أعلى.
يوضح الجدول التالي بعض المواد الرابطة المعدنية المستخدمة في عملية حقن المعادن.
| معدن | غلاف |
| الفولاذ المقاوم للصدأ 316L |
l 30% شمع البارافين، 10% شمع الكرنوبا، l 10% شمع العسل، l البولي بروبلين شنومكس٪ l 5% حمض دهني |
| 17-4 PH الفولاذ المقاوم للصدأ |
l 64% شمع البارافين، l 16% شمع البارافين الميكروبلوري، l 15% أسيتات فينيل الإيثيلين، l 5% بولي ايثيلين عالي الكثافة |
|
النحاس |
l 65% شمع البارافين l 30% بولي إيثيلين l 5% حمض دهني |
| سبيكة الحديد والنيكل |
l 79% شمع البارافين l 20% أسيتات فينيل الإيثيلين l 1% حمض دهني |
| سبيكة W–Cu |
l البولي بروبلين شنومكس٪ l 60% شمع البارافين l 5% حمض دهني |
ميم ميتال
- الفولاذ المقاوم للصدأ: 17-4، 316L، 420، 440C، 310
- Tool Steel: M2, M4, T15, S7, M42
- التيتانيوم: Ti، Ti-6AI-4V، Ti-6Al-7Nb
- المغناطيسية: Fe49Co2V، Fe50Ni، Fe3Si
- النيكل: Inconel 625، Inconel 718
- التنغستن
- النحاس
- الألومنيوم
آلة ميم
تتطلب عملية حقن المعادن معدات خلط المساحيق وآلات حقن المعادن وأفران التلبيد.
خلاط
تتضمن الخلاطات ذات القص العالي الشائعة ما يلي:
- بكرة القص
- الطارد برغي واحد
- التوأم برغي الطارد
- التوأم كام
- كوكبي مزدوج
- خلطات شفرة Z
تتميز آلات البثق ذات المسمار المزدوج بمعدل القص العالي ووقت التوقف القصير.
آلة صب حقن المعادن
آلة حقن المعادن تتكون من وحدة الحقن ووحدة التثبيت ووحدة الهيدروليكية.
وحدة الحقن مسؤولة عن تغذية المادة الخام في القالب. وحدة التثبيت مسؤولة عن تشكيل وإخراج الجزء الأخضر. الوحدة الهيدروليكية توفر الطاقة.
فرن تلبيد
تقليدي أفران التلبيد باستخدام مسحوق المعادن وهي مناسبة أيضًا لـ MIM، بما في ذلك الفرن المستمر وفرن الدفعات.
تطبيقات حقن المعادن
نظرًا لأن عملية حقن المعادن يمكنها إنتاج أجزاء صغيرة ذات أشكال معقدة ومناسبة للإنتاج الضخم، فهي تستخدم على نطاق واسع في المجالات الطبية والفضائية والإلكترونيات والسيارات وما إلى ذلك.
سيارات
تستطيع شركة MIM تصنيع ذراع هزاز للمحرك بتصميم مجوف. هذا يُخفّض وزن المنتج ويُحسّن استهلاك الوقود.
وتشمل الأشياء الشائعة الأخرى ما يلي:
- الوقود عن طريق الحقن
- توربو
- أدلة الصمامات،
- عجلات عمود الكامات
- غطاء قضيب التوصيل
فضاء
تتميز مادة MIM بتصميمها المتقن، مما يجعلها شائعة الاستخدام في مجال الطيران والفضاء. على سبيل المثال، تُصنّع MIM أجزاء أحزمة الأمان، وفوهات الرش، وأذرع الريش، وأجزاء الصفائح.
الصناعات الطبية
يمكن لشركة MIM تصنيع أجزاء دقيقة ومعقدة للغاية، وهي مثالية للتطبيقات الطبية، مثل أقواس تقويم الأسنان، وزراعة الأسنان، والأدوات الجراحية، وما إلى ذلك.
الإلكترونيات
تتمتع عملية حقن المعادن بسوق واسعة في مجال المنتجات الإلكترونية، مثل: حامل كاميرا الهاتف المحمول، ومفصلة الهاتف القابلة للطي، وملحقات الأقلام السعوية، وحامل بطاقات الهاتف الذكي.
مميزات وعيوب عملية حقن المعادن
المزايا
- يمكن لتقنية MIM تشكيل قطع ذات أشكال معقدة في خطوة واحدة. هذا يُقصّر دورات الإنتاج ويُخفّض تكلفة المعالجة الثانوية.
- تتميز أجزاء MIM بخشونة سطح جيدة. يمكن أن تصل خشونة سطح MIM إلى 1 ميكرومتر من Ra. هذا مفيد جدًا لتصنيع المنتجات ذات متطلبات المظهر العالية، مثل ملحقات الهواتف المحمولة، وملحقات الساعات، والديكورات.
- يمكنها إنتاج أجزاء معدنية مسحوقة كثيفة تقريبًا بكثافة تتراوح بين 95% إلى 99%.
- لا يتطلب الإنتاج الضخم سوى مجموعة واحدة من تكاليف القالب.
عيوب
- تبلغ تكلفة إنتاج MIM عدة مرات تكلفة عملية مسحوق المعادن التقليدية.
- لا يُمكن تصنيع أجزاء أكبر. عادةً ما يكون حجم أجزاء MIM بحجم كرة بينج بونج.
- لأن كثافة حقن المعادن تتجاوز 95%، فإن معدل الانكماش أثناء التلبيد يتراوح بين 10% و20%. معدل انكماش المنتجات النهائية كبير، وحجمها يصعب التحكم فيه.
في عملية حقن المعادن، ندرك جيدًا التفاوت الكبير في معدلات انكماش القطع المصبوبة. لذلك، يُعد الحفاظ على نطاق تسامح ضيق يبلغ ±0.3% للقطع أمرًا صعبًا للغاية.
ينشأ معظم تباين الانكماش في مادة MIM من تفاوت كثافة المواد الخام أثناء عملية القولبة بالحقن. لذلك، في الإنتاج العملي، نركز على المعايير التالية:
- عقد الضغط
- تمسك بالوقت
- درجة الحرارة العفن
- معدل الحقن
- توحيد المواد الخام
إذا كان لديك حلول أفضل، يرجى مشاركتها معنا.
في BLUE، نحن في القمة خدمات صب حقن المعادنندعم أوزان قطع تتراوح بين ٠٫٢ غرام و٣٠٠ غرام، بتفاوتات في حدود ±٠٫٣٪، وكثافات تصل إلى ٩٩٪ من القيم النظرية. تشمل موادنا الفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ منخفض السبائك، والسبائك المغناطيسية اللينة، والتيتانيوم، والتي تخدم صناعات مثل السيارات، والطب، والإلكترونيات.
الأسئلة الشائعة
1. ما هو الفرق بين حقن المعادن مقابل الصب بالقالب؟
يُعدّ قولبة حقن المعادن مثاليًا لإنتاج قطع صغيرة ومعقدة، بينما يُعدّ الصب بالقالب مناسبًا لإنتاج قطع أكبر حجمًا. الفرق بين MIM والصب بالقالب يكمن في المواد الخام.
MIM هي عملية تشكيل منتج نهائي بحقن مسحوق المعدن. أما الصب بالقالب فهو عملية ملء قالب بمعدن منصهر لتشكيل منتج نهائي.
2. ما هو الفرق بين حقن المعادن مقابل حقن البلاستيك؟
تختلف مواد خام حقن المعادن عن حقن البلاستيك. عملية حقن المعادن أكثر تعقيدًا وتكلفة أعلى.
3. كم من الوقت تستغرق عملية حقن المعادن؟
تستغرق عملية حقن المعادن حوالي 24-36 ساعة، بما في ذلك عملية إزالة الروابط والتلبيد. الصب بالقالب هو عملية ملء القالب بالمعدن المنصهر لتشكيل المنتج النهائي.