في العقود القليلة الماضية، برزت أجزاء مسحوق المعادن (PM) كعملية تصنيع جذابة لاستبدال المكونات المطروقة أو المصبوبة بسبب مرونة تصميمها، وانخفاض تكلفتها، والتسامحات الضيقة، والتوازن الجيد بين اللدونة وقوة الشد.
الوصل عملية أساسية في التصنيع الميكانيكي، تُستخدم لتوصيل الأجزاء المصنوعة من مواد متشابهة أو مختلفة. قد تتساءل: هل لحام أجزاء معدنية مسحوقة ممكن؟ تابع القراءة للعثور على الإجابة التي تبحث عنها.
المحتويات
تصنيع مسحوق المعادن
تشمل صناعة مسحوق المعدن بشكل أساسي: خلط المسحوق، وضغط المسحوق، والتلبيد.
الخلط والمزج
الغرض من الخلط هو مزج مسحوق المعدن بالتساوي مع المواد الرابطة. إضافة المادة الرابطة تزيد من سيولة المسحوق وتقلل من قوة فك القالب.
ضغط
يُضغط المسحوق المختلط تحت ضغط عالٍ (عادةً ما يتراوح بين 400 و800 ميجا باسكال) باستخدام أدوات مساحيق المعادن، مما يُشكل ما يُعرف بـ "المسحوق الأخضر المضغوط". مسحوق المعدن المضغوط ليس قويًا بما يكفي، ولا يُقارن إلا بالطباشير.
تلبد
تلبد تُجرى عملية التلبيد عند درجة حرارة أقل من درجة انصهار المعدن، عادةً ما بين 70% و90% من درجة الانصهار. يدمج التلبيد جزيئات المسحوق معًا، مما يمنح القطعة القوة والمتانة المطلوبتين.
التحديات في لحام أجزاء مسحوق المعادن
كما هو الحال مع اللحام المعدني الآخر، فإن المتطلب الأساسي للحام هو أجزاء مسحوق المعادن يجب عدم إدخال أي عيوب. ومع ذلك، قد تؤثر العوامل التالية على عملية اللحام.
المسامية
تؤثر مسامية مكونات مسحوق المعادن على التوصيل الحراري، مما يؤثر بدوره على معلمات اللحام.
تؤثر المسامية الموجودة في البنية الدقيقة للأجزاء المعدنية الملبدة على لحامها، مما يجعلها مختلفة عن لحام المكونات المصبوبة أو المزورة.
أثناء اللحام، قد تتشقق المنطقة المتأثرة بالحرارة في مكونات مسحوق المعادن. ويرجع ذلك إلى أن أجزاء مسحوق المعادن مسامية، وقوة الترابط بين الجسيمات محدودة، مما يصعّب عليها مقاومة الإجهاد العالي الناتج عن زيادة صلابة المنطقة المتأثرة بالحرارة.
الملوثات
إذا كانت هناك ملوثات، مثل زيوت التشحيم وسوائل الطلاء والزيوت، في المسام الداخلية للأجزاء المُلبَّدة، فسيؤثر ذلك على أداء اللحام. لذلك، يجب تنظيف هذه الشوائب والملوثات قبل اللحام.
محتوى الكربون
معظم أجزاء مسحوق المعادن مصنوعة من الحديد، ويتفاوت محتواها الكربوني. الأجزاء المُلبَّدة ذات محتوى الكربون المنخفض (أقل من 0.5%) سهلة اللحام، بينما يصعب لحام الأجزاء ذات المحتوى الكربوني العالي.
تكنولوجيا لحام أجزاء مسحوق المعادن
لحام المقاومة
اللحام بالمقاومة هو ربط سطحين معدنيين إلى حالة منصهرة أو بلاستيكية بواسطة التيار والضغط ثم دمجهما ميتالورجيا.
تتمثل ميزة اللحام بالمقاومة في أنه لا يتطلب مواد لحام وغاز حماية.
تشمل الأنواع الشائعة من اللحام بالمقاومة ما يلي:
- بقعة لحام
تعتبر عملية اللحام النقطي مناسبة للربط المتداخل للأجزاء الملحومة ذات الصفائح الرقيقة التي يقل سمكها عن 3 مم.
- لحام الإسقاط
يعد اللحام الإسقاطي مثاليًا لربط أجزاء المعدن المسحوق الكثيف (0.4 - 0.8 جم / سم³) بأجزاء الفولاذ منخفض الكربون.
- لحام وصلة
تمر الأجزاء المعدنية المُلبَّدة بين قطبين قرصيين دوارين لتكوين خط لحام مستمر بتداخلات أمامية وخلفية. وهو مناسب لربط مكونات مسحوق المعادن الرقيقة.
- لحام فلاش
تنطبق عمليات اللحام هذه عمومًا على أجزاء مسحوق المعادن، ولكن يجب أن يكون سطح الأجزاء نظيفًا وخاليًا من الشوائب.
مختلط
يمكن أيضًا لحام منتجات مسحوق المعادن باستخدام اللحام. يُعدّ اللحام مناسبًا للقوالب الخضراء المضغوطة ذات الكثافة العالية. عندما يحتوي المنتج على مسام أكثر، يُسحب جزء من اللحام، مما يؤدي إلى نقص اللحام على سطح اللحام.
لحام قوس غاز التنغستن (GTAW/TIG)
تستخدم تقنية GTAW قطبًا كهربائيًا من التنجستن غير قابل للاستهلاك لإنشاء قوس تيار مستمر (للمواد القائمة على الحديد) يذيب المواد التي يتم لحامها.
أثناء العملية، تعمل الغازات الخاملة مثل الأرجون أو الهيليوم على حماية منطقة اللحام والقطب الكهربائي من الملوثات الجوية مثل الأكسجين والهيدروجين والنيتروجين.
عند لحام منتجات المعادن المسحوقة باستخدام لحام GTAW، يُمكن لمعدن الحشو أن يُساعد في تعويض الانكماش الناتج عن ذوبان الجسيمات وتكثيفها في منطقة اللحام. مع ذلك، يجب أن يتوافق معامل التمدد الحراري ومتانة المعدن الحشو ومقاومته للتآكل مع المواد المراد لحامها.
في واحد حقيبة، أدى لحام مكونين من مسحوق المعدن باستخدام GTAW إلى استبدال مكون مصبوب في الترس التفاضلي للشاحنة، مما أدى إلى توفير 35% من التكلفة.
اللحام بالقوس المعدني الغازي (GMAW/MIG)
تستخدم تقنية GMAW قطبًا سلكيًا مستمرًا لتوليد قوس يُسخّن قطعة العمل، مما يُؤدي إلى دمج المواد وتوصيلها. تُمكّن تقنية GMAW من لحام مواد مسحوق المعادن التي تحتوي على مساحيق مختلطة ذات محتوى كربوني عالٍ (0.3-0.9%).
لحام شعاع الالكترون
لحام شعاع الإلكترونات يُركّز تيارات الإلكترونات عالية السرعة في شعاع لتشكيل مصدر حرارة قوي وضيق لربط الأجزاء المعدنية المُلبّدة. يُجرى لحام شعاع الإلكترونات عادةً في بيئة مفرغة من الهواء، وهو عملية لحام آلية متقدمة على دفعات.
لحام شعاع الليزر
لحام شعاع الليزر (LBM) عملية آلية عالية الدقة وتشوهات طفيفة. يدمج شعاع الليزر مواد قطعة العمل معًا باستخدام شعاع ليزر، مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون.
لتقليل تكوين المارتنسيت، يتم تسخين المواد ذات الصلابة المتوسطة عادةً إلى 250-300 درجة مئوية قبل اللحام.
ومع ذلك، فإن اللحام بالليزر أكثر تكلفة من عمليات اللحام الأخرى.
نصائح لحام مسحوق المعادن
المشكلة الأكثر شيوعًا التي قد تواجهها عند لحام مكونات مسحوق المعدن بالانصهار هي التشقق في اللحام أو بالقرب منه. يحدث هذا عادةً بسبب الإجهادات التي تتطور مع تبريد وتصلب معدن اللحام.
يمكنك تقليل خطر التشقق عن طريق:
- تسخين الأجزاء مسبقًا لإزالة الرطوبة (الهيدروجين) وتقليل التدرجات الحرارية
- التسخين اللاحق بعد اللحام لتخفيف الضغوط المتبقية
- تقليل مدخلات الحرارة للحد من ذوبان الجسيمات وإجهادات التصلب
- تصميم المفاصل بعناية لتقليل تركيز الإجهاد
إن أجزاء مسحوق المعادن التي تم معالجتها بالبخار، أو تم تنقيتها بالنحاس، أو تم تبريدها وتلطيفها ليست مناسبة لعملية اللحام بالانصهار.
اختيار المواد اللازمة لأجزاء مسحوق اللحام المعدنية
- يحتوي مسحوق الحديد المُذرَّى على شوائب متبقية أقل من مسحوق الحديد الإسفنجي أو مساحيق الحديد المختزلة الأخرى. لذلك، يُفضَّل استخدام مسحوق الحديد المُذرَّى في تطبيقات اللحام عالي القوة أو اللحام بالاندماج.
- يؤثر محتوى الكربون بشكل كبير على قابلية لحام جميع أجزاء مسحوق المعادن. عمومًا، كلما انخفض محتوى الكربون، زادت قابلية اللحام. ومع ذلك، يمكن للكربون أن يزيد من خصائص متانة المادة.
- عند استخدام اللحام بالانصهار، يُفضّل تجنّب استخدام مواد مسحوق المعادن المُضاف إليها الكبريت، لأنّ الكبريت قد ينتقل إلى حدود الحبيبات أثناء اللحام، مُسبّبًا تشققات حرارية.
- يمكن أن يؤدي إضافة النيكل إلى مسحوق الحديد أو مسحوق الفولاذ إلى زيادة صلابة المادة، دون التأثير على قابلية اللحام.