نشأت المعادن المسحوق ، كتقنية متقدمة للمواد وتشكيل تقنية قديمة وديناميكية ، من تكنولوجيا إعداد السيراميك القديمة وتكنولوجيا صهر الحديد. حتى عام 1909 ، يمثل ظهور التنغستن الدكتايل من مسحوق المعادن ظهور عصر المعادن الحديثة للمسحوق. على مدار المائة عام الماضية ، ازدهرت تكنولوجيا المعادن المسحوق ، واستمرت العديد من المواد الجديدة المهمة والمنتجات الرئيسية في الظهور ، لتصبح واحدة من التقنيات الهندسية المهمة التي لا غنى عنها للاقتصاد الوطني والعلوم والتكنولوجيا اليوم. خصائص ومزايا مسحوق المعادن
Powder Metallurgy هي تقنية تستخدم مسحوق معدني (أو مزيج من المسحوق المعدني وغير المعدني) مثل المواد الخام لتصنيع المواد المعدنية والمواد المركبة وأنواع مختلفة من المنتجات من خلال عمليات مثل القولبة والتلبيخ.
بالمقارنة مع عمليات الصهر والصب التقليدية ، فإن المعادن للمسحوق له العديد من المزايا. من ناحية ، يمكن أن يتجنب بشكل فعال الفصل المحتمل للمكون أثناء عملية الصهر ، وضمان توحيد تكوين المواد ، وبالتالي الحصول على أداء أكثر استقرارًا وممتازة. من ناحية أخرى ، يمكن للمعادن المسحوق تحقيق تشكيل شبه شبكية ، مما يقلل بشكل كبير من إجراءات المعالجة اللاحقة ونفايات المواد. وفقًا للإحصاءات ذات الصلة ، يمكن أن يصل معدل استخدام المواد للأجزاء المصنعة بواسطة المعادن للمسحوق إلى أكثر من 90 ٪ ، في حين أن معدل استخدام المواد لطرق المعالجة الميكانيكية التقليدية عادة ما يكون فقط 30 ٪ -50 ٪ ، مما لا يقلل من تكاليف الإنتاج فحسب ، بل يعمل أيضًا على تحسين كفاءة الإنتاج ، وهو ما يتماشى مع مفهوم التطوير للحماية الخضراء والبيئة. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال ضبط تكوين المسحوق ، وحجم الجسيمات وعملية التحضير ، يمكن التحكم في خصائص المواد بدقة لتلبية احتياجات الحقول المختلفة لخصائص المواد الخاصة ، مثل القوة العالية ، والصلابة العالية ، ومقاومة درجة الحرارة العالية ، ومقاومة التآكل ، وما إلى ذلك.
العملية الرئيسية لعملية المعادن للمسحوق
(ط) تحضير المسحوق
طريقة التكسير الميكانيكي: يتم استخدام القوة الميكانيكية لسحق المعدن أو السبائك في المسحوق. الجهاز بسيط ، والتكلفة منخفضة ، والإخراج كبير ، ولكن شكل المسحوق غير منتظم ، وتوزيع حجم الجسيمات واسع ، ويتم إدخال الشوائب بسهولة.
طريقة الانحلال: يتم رش السائل المعدني المنصهر في قطرات صغيرة مع غاز عالي الضغط (النيتروجين ، الأرجون) أو تدفق الماء عالي السرعة ، ويبرد وتصلب في مسحوق. تتمتع طريقة تنقل الغاز بالكروية والسيولة الجيدة ، وهي مناسبة لصنع أجزاء عالية الأداء ؛ تتمتع طريقة ذرية المياه بتكلفة منخفضة وكفاءة عالية ، وشكل المسحوق غير منتظم. غالبًا ما يتم استخدامه في مسحوق الصلب العادي والمنتجات ذات المتطلبات المنخفضة الأداء.
طريقة التخفيض: استخدم عوامل تقليل مثل الهيدروجين وأول أكسيد الكربون لتقليل أكاسيد المعادن إلى مساحيق ذات نقاء عالي ، ونشاط مرتفع ، ونشاط تلبد عالي ، وتكثيف درجات الحرارة المنخفضة. ومع ذلك ، يتطلب الإنتاج درجة حرارة عالية وجو معين ، واستثمار المعدات كبير والتكلفة مرتفعة.
طريقة التحليل الكهربائي: محاليل الملح المعدنية الكهربائية أو الأملاح المنصهرة لترسيب أيونات المعادن إلى مساحيق في الكاثود. المساحيق نقية للغاية وغرامة وموحدة في حجم الجسيمات. وهي مناسبة للحقول ذات المتطلبات العالية للنقاء وحجم الجسيمات ، مثل المواد الإلكترونية ، ولكن لديها كفاءة إنتاج منخفضة واستهلاك الطاقة العالية وارتفاع التكلفة.
(2) صب
صب الضغط: ضع مسحوق المعادن المعالجة في القالب واضغط عليه في الشكل. وتشمل الخطوات ملء المسحوق والضغط والتشويش. إنه مناسب للمنتجات ذات الأشكال البسيطة والمتطلبات الدقيقة العالية ، مثل التروس. هذه المزايا هي معدات بسيطة وكفاءة عالية وتكلفة منخفضة وإنتاج واسع النطاق ؛ العيوب هي أنه من الصعب تصميم قوالب وتصنيعها للمنتجات المعقدة ، ومن الصعب ضمان كثافة موحدة.
الضغط المتساوي: استخدم السائل لنقل الضغط بشكل موحد ، ووضع المسحوق في قالب مرن واضغط عليه في حاوية عالية الضغط. يتم إجراء الضغط المتساوي البارد في درجة حرارة الغرفة وهو مناسب للمنتجات ذات الأشكال المعقدة ومتطلبات الكثافة العالية ؛ يستخدم الضغط المتساوي الساخن درجة حرارة عالية وضغط عالي في نفس الوقت ويستخدم لمواد الفضاء العالي الأداء ، وما إلى ذلك. الميزة هي أن المنتج له كثافة موحدة في جميع الاتجاهات وهو مناسب للمنتجات الكبيرة والمعقدة ؛ العيب هو أن المعدات باهظة الثمن ، والدورة طويلة ، والتكلفة مرتفعة.
صب الحقن: اخلطي مسحوق المعادن والطرق في مادة الحقن ، واستخدم آلة الحقن لحقنها في تجويف القالب للصب. إنه مناسب لتصنيع الأجزاء الصغيرة المعقدة عالية الدقة ، مثل المكونات الإلكترونية. تتمثل الميزة في كفاءة ودقة عالية ، وهي مناسبة للإنتاج على نطاق واسع ؛ العيب هو أن اختيار وإزالة المجلدات أمر صعب ، وأن التعامل غير لائق يؤثر على أداء المنتج.
(3) التلبد
التلبد التقليدي: تسخين الجسم المقولب في درجة حرارة وجو مناسبة (الهيدروجين ، النيتروجين ، الفراغ ، إلخ) لدمج جزيئات المسحوق وزيادة الكثافة والقوة. يزيل الغلاف الجوي للهيدروجين الشوائب ، ويمنع النيتروجين الأكسدة ، والفراغ مناسب للمواد ذات متطلبات محتوى الأكسجين العالية.
تلبيس الضغط الساخن: يتم تطبيق الضغط أثناء التلبيد ، ويتم تنفيذه في معدات خاصة. يتكون القالب من مواد مثل الجرافيت. يمكن أن يقلل من درجة حرارة التلبد ، ويقصر الوقت ، والحصول على منتجات ذات كثافة وأداء أعلى. غالبًا ما يتم استخدامه في إعداد السيراميك عالي الأداء والمواد الأخرى.
تلبد البلازما الشرارة (SPS): التسخين السريع والتلبيس عن طريق توليد البلازما التفريغ وزرارة جول من خلال تيار النبض. يمكن أن يزيل الشوائب على سطح الجسيمات ، وتنشيط السطح ، والتسخين بسرعة (100-1000 درجة /دقيقة) ، واستغرق وقتًا قصيرًا (عدة دقائق إلى عشرات الدقائق) ، وتمنع نمو الحبوب. يتم استخدامه لإعداد المواد النانوية ، إلخ.
مجالات التطبيق لتكنولوجيا المعادن المسحوق
(ط) مجال الفضاء
لدى Aerospace متطلبات صارمة على أداء المواد ، وتلبية تكنولوجيا المعادن للمسحوق فقط الاحتياجات. يتم استخدام سبائك المعادن ذات درجة حرارة المسحوق لتصنيع المكونات الرئيسية مثل أقراص توربينات محرك الطائرات والشفرات. على سبيل المثال ، يستخدم القرص التوربيني لمحرك F119 لـ Pratt & Whitney في الولايات المتحدة سبائك المسحوق المعدنية بالنيكل عالية الحرارة لتحسين أداء المحرك والموثوقية. تُستخدم سبائك التيتانيوم المعادن للمسحوق لتصنيع عوارض جناح الطائرات ، وإطارات جسم الطائرة وغيرها من الأجزاء الهيكلية ذات الكثافة المنخفضة ، وقوة عالية ومقاومة للتآكل ، وتقليل وزن الطائرات وتحسين كفاءة استهلاك الوقود وأداء الطيران.
(2) مجال تصنيع السيارات
تستخدم أجزاء المعادن المسحوق على نطاق واسع في محركات السيارات ، والنقل ، وأنظمة الكبح. حلقات مقعد الصمامات ، وأنابيب التوجيه ، وخواتم المكبس في المحرك مصنوعة من سبائك قائمة على النحاس أو الحديد ، والتي يمكن أن تقاوم درجة الحرارة العالية والضغط العالي ، وتحسين أداء المحرك والحياة ؛ التروس ومحاور المزامنة من ناقل الحركة ذات دقة عالية وقوة جيدة ، مما يجعل تحول العتاد أكثر سلاسة وتحسين كفاءة الإرسال ؛ تتم إضافة وسادات الفرامل وأقراص الفرامل في نظام الفرامل مع مواد احتكاك خاصة ، والتي لديها احتكاك جيد وارتداء مقاومة لضمان سلامة الكبح.
(3) مجال المعلومات الإلكترونية
مع تطور المعدات الإلكترونية نحو تقنية المعادن الصغيرة والخفيفة والعالية ، يتم استخدام تكنولوجيا المعادن المسحوق على نطاق أوسع. يتم استخدام مواد المعادن المسحوق المغناطيسي الناعم لتصنيع المكونات الإلكترونية مثل المحولات والمحاثات ؛ يتم استخدام المواد المركبة المعدنية المعدنية المسحوق مثل النحاس-تونغستن و Molybdenum النحاس لركائز تبديد الحرارة وقذائف التغليف من الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة ؛ يتم استخدام مواد التلامس المعدنية للمسحوق للمفاتيح الكهربائية والمرحلات لضمان تبديل الدائرة الآمنة.
جوهر المسحوق المغناطيسي الحديد-سيليكون نيكل (KNF)
(4) مجال التصنيع الميكانيكي
يتم استخدام تكنولوجيا المعادن المسحوق لتصنيع الأجزاء الميكانيكية مثل التروس والمحامل. تروس المعادن المسحوق لها دقة عالية ونقل ناعم ومعدل استخدام المواد العالية ؛ المحامل المعدنية للمسحوق هي تشتيح ذاتي ومقاوم للارتداء ، ومناسبة للمناسبات منخفضة السرعة والثقيلة والضوضاء المنخفضة. في ظل ظروف العمل الخاصة ، يمكن للمحامل التي تحتوي على النفط الحفاظ على أداء جيد وتحسين موثوقية المعدات وعمر الخدمة.
(5) حقل الجهاز الطبي
من حيث الزرع ، يتم استخدام سبائك التيتانيوم المعدني للمسحوق لتصنيع المفاصل الاصطناعية ، وما إلى ذلك. صُنعت الأدوات الجراحية من الفولاذ المعدني للمسحوق عالي السرعة والفولاذ المقاوم للصدأ ، والتي لها صلابة أعلى ، ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل ، ويمكنها أيضًا تصنيع أدوات معقدة على شكل. من بين مواد الأسنان ، تتمتع أطقم الأسنان قوة جيدة ومتانة وجمال. تستخدم غرسات الأسنان مسحوق ميتال جيش التيتانيوم أو سبائك التيتانيوم ، والتي يمكن أن تحسن معدل نجاح عملية الزرع. تستخدم أقواس تقويم الأسنان مسحوق الفولاذ المقاوم للصدأ أو سبائك النيكل ، والتي يمكن أن تطبق بدقة القوة.
(السادس) مجال الطاقة الجديد
من حيث بطاريات الليثيوم أيون ، فإن مواد الإلكترود الإيجابية مثل فوسفات الحديد الليثيوم والمواد الثلاثية التي يتم تحضيرها بواسطة تكنولوجيا المعادن المسحوق يمكن أن تحسن كثافة طاقة البطارية وكفاءة الشحن والتفريغ. في مجال خلايا الوقود ، قامت لوحات ثنائي القطب المعدنية وحاملات المحفز ذات المساحة السطحية المرتفعة المصنعة بواسطة عملية المعادن المسحوق إلى تحسين أداء خلايا الوقود وتكاليف مخفضة. في توليد طاقة الرياح ، يمكن أن تحافظ علب التروس والمحامل وغيرها من الأجزاء المصنعة بواسطة مسحوق المعادن على الأداء المستقر في البيئات القاسية وتمديد عمر خدمة المعدات.
التقدم في تكنولوجيا المعادن المسحوق
(ط) اندماج التصنيع المضافة المعدنية (طباعة ثلاثية الأبعاد) ومسحوق المعادن
تطورت تقنية التصنيع المعدنية المضافة بسرعة في السنوات الأخيرة. جلبت مزيجها مع المعادن المسحوق جلبت اختراقات جديدة في تصنيع الأجزاء المعقدة. من خلال تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد ، يمكن أن تكون مساحيق معدنية مكدسة مباشرة طبقة من الطبقة لإنتاج أجزاء ذات هياكل داخلية معقدة وتصميمات شخصية. لا تقلل هذه التكنولوجيا من إجراءات النفايات والمعالجة المادية فحسب ، بل تدرك أيضًا تصنيع الأجزاء التي يصعب تصنيعها من خلال طرق المعالجة التقليدية ، مثل الشفرات المعقدة من محركات الطائرات.
(2) تكنولوجيا المعادن nanopowder
مع تطور تقنية النانو ، ظهرت تقنية المعادن النانوية. تتمتع مساحيق المعادن على نطاق النانو بخصائص مساحة سطح محددة كبيرة ونشاط عالي وقوة دافعة كبيرة للتلبيخ ، ويمكنها إعداد مواد ذاتية النانوية ذات الخواص الميكانيكية الممتازة والخصائص الكهربائية والخصائص المغناطيسية. في الوقت الحاضر ، أحرزت تقنية ميتالو جيش مسحوق النانو تقدمًا كبيرًا في إعداد المواد المغناطيسية عالية الأداء ، والمواد الفائقة الموصلة والسبائك عالية القوة.
جامعة شيان للتكنولوجيا ، مخطط تخطيطي لعملية تحضير مسحوق مركب نانو ti-tibw كروي
(3) ابتكار مواد مركبة للمسحوق المعدني
عن طريق إضافة مراحل التعزيز المختلفة (مثل جزيئات السيراميك والألياف وما إلى ذلك) إلى مساحيق معدنية ، يتم إعداد مواد مركبة للمعادن المسحوق بأداء ممتاز. تجمع هذه المواد المركبة بين مزايا المعادن ومراحل التعزيز ، ولها خصائص عالية القوة ، والصلابة العالية ، ومقاومة التآكل الجيدة ، ومقاومة درجة الحرارة العالية ، وما إلى ذلك ، وتستخدم على نطاق واسع في الفضاء ، تصنيع السيارات ، الهندسة الميكانيكية وغيرها من الحقول. على سبيل المثال ، فإن المادة المركبة القائمة على الألومنيوم التي تم إعدادها عن طريق إضافة جزيئات كربيد السيليكون إلى مسحوق سبيكة الألومنيوم قد تحسنت بشكل كبير من القوة والصلابة ، مع الحفاظ على خصائص الكثافة المنخفضة لسبائك الألومنيوم.
