مساحيق التعدين(Powder Metallurgy) اسم يطلق على عملية مزج مساحيق ناعمة، يتم ضغطه في الشكل المطلوب، ثم يتم تسخينها في محيط جوى مُتحكم فيه ليقيد سطح الاحتكاك من الجزيئات ويُثبِّت الخصائص المطلوبة
المقدمة
نحصل من هذه العملية على أجزاء معقدة ذات دقة عالية، وفي كثير من الأحيان نتخلص من ضرورة التشكيل الإضافية أو التشطيب النهائى. يوجد القليل من الفقد في المادة. المواد الغير معتادة أو خليط من المواد يمكن أن يتم إستخدامها والتحكم في درجات المسامية والنفاذية التي تنتج منها. المساحات الأكبر للتطبيق تميل إلى كون أى من العمليات لها ميزة اقتصادية قوية أو أيهم يحتوى على الخصائص المطلوبة والخصائص التي يصعب الحصول عليها بأى طريقة أخرى. في حين شكل مسحوق المعادن الخام وجد في مصرإعتباراً من 3000 سنة قبل الميلاد، فإن التصنيع الشامل لمجال المساحيق لم تبدأ إلا في منتصف القرن التاسع عشر، أو في وقت متأخر منه. كما إنه في هذه الفترة كان يستخدم مسحوق المعادن لإنتاج النقود النحاسية والميداليات، سبائك البلاتين، وأسلاك التنجستن، التي هي المادة الرئيسية للمصباح الكهربى في وقت مبكر من القرن العشرين. وفي حقبة العشرينات كان يتم إنتاج أدوات القطع من التنجستين وتبطين المواد اللاحديدية. فترة التطور التكنولوجى السريع جاءت بعد الحرب العالمية الثانية تعتمد في المقام الأول على تطبيقات السيارات، واستُبدل النحاس بالحديد والصلب وأصبح مادة شائعة في هذا المجال. التطور النووى خلق طلب متسارع على المواد المقاومة للحرارة وردود الأفعال في حين تعدين المساحيق ذات جاذبية ضئيلة. المنتجات تامة الكثافة ظهرت في الستينات، والسبائك ذات المكونات عالية الأداء مثل قطع محركات الطائرات التوربينية كانت من أبرز ما في السبعينيات. التطور في الثمانينيات تضمن تسويق المساحيق المصنعة بمعدل تصلب سريع و كذلك المساحيق عشوائية الشكل وكذلك تطور نظام تشكيل المساحيق المعدنية بالحقن. في الوقت الحاضر واحد من التطور والنمو السريع لصناعة المساحيق المعدنية. المساحيق المعدنية أصبحت أسلوب أثبت نجاحه لإنتاج القطع، ويعتبر الآن كبديل في تصنيع العديد من المكونات. تطبيقات السيارات تحتسب ما يقرب من 75% من سوق المساحيق المعدنية. تستخدم المساحيق المعدنية أيضاً في مجالات أخرى على نطاق واسع وتشمل الأجهزة المنزلية والترفيهية والآلات التجارية، والمحركات الصناعية. والمجالات سريعة النمو تتضمن تطبيقات مجال الطيران، المُركبات الإلكترونية، والمواد المغناطيسية، وبعض تطبيقات الطب الحيوى وطب الأسنان. كذلك الحديد وسبائك الصلب منخفضة الكربون تستحوذ على 85% من استخدام المساحيق المعدنية مع النحاس.
العملية الرئيسية
تتكون عملية المساحيق المعدنية في العموم من أربع خطوات رئيسية هي:
- تصنيع المسحوق.
- الخلط والمزج.
- الضغط.
- التلبيد. (رفع الحرارة في عدم وجود أكسجين ووجود غاز آخر كالهيدروجين).
كثيرا ما تتم عملية معالجة الثانوية اختياريا للحصول على خصائص محددة أو دقة محسنة. والشكل (16/1) رسم مبسط للعملية.
(1) تصنيع المساحيق
خصائص منتجات المساحيق المعدنية تعتمد اعتماداً كبيراً على خصائص المعدن المستخدم في المسحوق. بعض الخصائص والسمات المهمة تتضمن الخصائص الكيميائية والنقاء، حجم الذرات، شكل الذرات، والتركيب السطحى للذرات. يمكن استخدام عمليات متنوعة لإنتاج مواد مسحوقية مع إضافة خصائص وصفات مميزة للمسحوق ومنها للمنتج النهائى. أكثر من 80% من المسحوقات التجارية تنتج بواسطة إحدى أشكال الانحلال بالذوبان حيث يتم تجزئة السائل إلى قطرات منصهرة التي تتصلب لذرات. الطريقة الموضحة بالشكل (16/2أ) معدن منصهر يتفتت بواسطة تيار مؤثر من الغاز أو السائل يخرج من فوهة. وشكل (16/2ب) قوس كهربى يؤثر على دوران الإلكترود المستمر مع قوة طرد مركزي تسبب تطاير قطرات المصهور.
بغض النظر عن شكل معين، فإن عمليات الانحلال بالذوبان وسيلة مفيدة لإنتاج مساحيق تسابكية. البدء بسبائك منصهرة أو إلكترود فإن كل ذرة في المسحوق هي لتكوين المسحوق المطلوب. مساحيق من سبائك الألومنيوم، والنحاس والإستانلس ستيل، والسبائك القائمة على النيكل، وسبائك التيتانيوم، ومختلف سبائك الصلب منخفض الكربون كلها قد تنتج تجاريا. حجم وشكل الذرات في المسحوق يمكن ان يتنوع ويعتمد على سمات العملية كالسرعة ووسط نفثات التفتيت أو سرعة دوران القضيب و درجة الحرارة البدائبة للسائل، بالإضافى إلى البيئة المتاحة للتبريد. عندما يكون التبريد بطيئ والشد السطحى كبير، تتكون أسكال كروية قبل التصلب. وبالتبريد السريع كالتفتيت بالماء، ينتج أشكال غير منتظمة. هناك طرق أخرى من تصنيع المسحوق تتضمن التقليل الكيميائى للتركيب الذرى، والترسيب الكهربى من المحاليل أو الأملاح المصهورة، وسحق المواد القصفة، والتحلل الحرارى للهيدريدات أو الكربونيلات، وتكثيف أبخرة المعدن. يمكن تحويل أى معدن، أو سبائك معدنية أو غير معدنية إلى صورة مسحوق بطريقة أو أكثر مما سبق ذكرهم. بعض الطرق يمكن أن تُنتج مسحوق ذو عنصر وحيد، بينما الطرق الأخرى يمكنها إنتاج ذرات تسابكية. عمليات كالتجفيف أو المعالجة الحرارية ربما يتم طلبها قبل المزيد من العمليات الأخرى.
المساحيق سريعة التصلب (ذو التركيب البلورى المنتظم و عشوائى التركيب)
الزيادة في معدل التبريد للمواد السائلة تتسبب في تكوين حبيبات متناهية الدقة والصغر. في هذه المواد أكبر نسبة من الذرات تقع في منطقة حدود الحبيبات مانحة خصائص غير معتادة، وسبيكة متعددة الاستخدامات وتشكيل جيد. إذا اقترب معدل التبريد أو زاد عن 10^6س°/ث، فإن المعادن يمكن تتصلب بدون أن تتبلور. المعادن عشوائية التركيب البلورى أو الزجاجية يمكنها أيضا إعطاء خصائص فريدة من نوعها أو غير معتادة، التي تتضمن مقاومة عالية وتزيد من مقاومة التآكل وتقلل من الطاقة التي تحفز أو تعكس المغنطة. المعادن عشوائية التركيب تحول الفقد في طاقة المغنطة من 60 إلى 70% أقل من مغنطة السيليكون التقليدية. كنتاج لذلك، يُقدر بأكثر من نصف جميع محولات توزيع الطاقة الجديدة التي تم شراؤها في الولايات المتحدة تستخدم نواة معدن غير متبلور. إنتاج مواد عشوائية التركيب، يتطلب معدلات تبريد عالية للغاية وبالتالي أبعاد صغيرة جدا. الانحلال مع التبريد السريع لتيار المعادن على سطح بارد لإنتاج الشريط المستمر له طريقتان بارزتان. لأن كثيراً من شرائط المواد يكون مجزأ على هيئة مسحوق، لذلك المساحيق التصنيعية تعتبر من الطرق الأساسية في تصنيع المنتجات المفيدة.
اختبار المسحوق وتقييمه
بالإضافة إلى تقييم الكتلة الكلية والسطح كيميائيا ججم الجسيمات وتوزيع حجمها وشكلها وبنية السطح و التركيب الداخلى، مساحيق المعادن يجب ان تقسم على أساس جهوزيتها للدخول في أكثر من عملية. معدل الإمداد هو مقياس لسهولة أو صعوبة تغذية الإسطمبة أو القالب بالمسحوق. خاصية صعوبة التدفق يمكن أن تسبب ملأ غير متناسق للإسطمبة وكذلك كثافة غير ثابتة وكذلك تباين الصفات على مختلف أجزاء المنتج. انطلاقا من خاصية الإمداد للمسحوق هناك خاصية أخرى ترتبط بتلك الخاصية ألا وهي الكثافة الظاهرية، والتي هي مقياس لإمكانية المسحوق ان يملأ الفراغ المتاح بدون الحاجة لضغط خارجى، الكثافة الظاهرية الضئيلة تعنى أن هناك نسبة عالية من الفراغات لم يتم ملأها أو ملأت ولكنها في حالة من التخلخل. اختبارات الانضغاطية تقيم تأثير الضغط في رفع كثافة المسحوق، مصطلح "المقاومة الخضراء" تصف مقاومة المسحوق بعد ضغطه مباشرة، ومن المعلوم أنه كلما زادت كثافة المنتج كلما كانت صفاته الميكانيكية أفضل. وخاصية "المقاومة الخضراء" الجيدة للمنتج تساعد في صيانة الأسطح الملساء والحواف الحادة والتفاصيل المعقدة خلال عملية الحقن من ضغط الإسطمبة أو الأدوات وكذلك الانتقال اللاحق إلى عملية التلبيد.
(2) خلط المسحوق
نادرا مايحمل نوع واحد من المسحوق كل الصفات المرغوبة خلال عملية أو منتج ما. على الأرجح، يكون المسحوق الأول خليط من مختلف الأحجام والدرجات من المسحوق أو مسحوق من مختلف المركبات مع إضافة مواد تشحيم ومواد تساعد على التماسك. التركيب الكيميائى النهائ للمنتج غالبا ما يتم الحصول عليه بخلط عنصر فلزى مع عنصر لا فلزى، بدلا من استخدام مواد تسابكية. الخلط التام يجب أن يتم خلال عملية التلبيد للحصول على تركيب كميائى وبنيوى متناسق في المنتج النهائى.المنتجات الفريدة صعبة التكوين يمكن أيضا تكوينها، كتلك المواد المقواة المكونة من مزيج موزع في مصفوفة أو خليط من الفلزات واللافلزات داخل منتج واحد كمصفوفة كربيد التنجستين مع الكوبالت المستخدمة في تصنيع أدوات القطع المستخدمة في حالة درجات الحرارة المرتفعة. بعض المساحيق كالجرافيت، يمكن أن تلعب دورا مزدوجا فهى تعمل مادة تشحيم خلال عملية الكبس وكذلك كمصدر للكربون حيث يتسابك مع الحديد خلال عملية التلبيد مكونا الصلب. مواد التشحيم كالجرافيت أو الأحماض الدهنية تحسن من خواص الإمداد والتدفق والانضغاط في حالة إستهلاك "المقاومة الخضراء" الضئيلة. مواد التماسك تقوم بتأثير عكسى. معظم مواد التشحيم و التماسك ليس مرغوبا فيها في المنتج النهائى ويتم إزالتها في المراحل الأولية من عملية التلبيد تاركة ثقوب وتجاويف و التي تقل احجامها أو تنغلق تماما خلال عمليات التسخين اللاحقة. يمكن القيام بعملية الخلط إما في جو جاف أو رطب حيث الماء أو أى مذيب آخر يتم إستخدامة لتحسين عملية الخلط و تقليل نسبة الغبار وخفض مخاطر الانفجار. المقادير الكبيرة من المساحيق يمكن أن يتم جعلها متناسقة بالنسبة لتركيبها الكيميائى وكذلك توزيع مكوناتها وأحجامها وأشكالها، حيث أنها تخلط على هيئة مجموعات منفردة للتأكد من السلوك المتناسق خلال عمليات التكوين وإنتاج منتج متناسق.
(3) عملية الكبس
عملية الكبس من أكثر المراحل الهامة في تصنيع المنتجات من المساحيق التصنيعية. ضغط وتكثيف المسحوق إلى الشكل المطلوب وهو ما يسمى "الكبس الأخضر" وهو مايحدث دائما في درجة حرارة الغرفة. الكثافة العالية و تجانس المكونات خلال الكبس هي من الصفات العامة المرغوبة خلال عملية الكبس. هذا بالإضافة إلى أن المنتجات الخارجة من عملية الكبس يفضل أن يكون لديها "مقاومة خضراء" كافية من أجل كفاءة عملة الكبس وكذلك تحمل الامتقال من عملية الكبس إلى فرن التلبيد. معظم عمليات الكبس يتم إجراءها باستخدام مكابس ميكانيكية وأدوات ذات صلابة مرتفعة، كما ان المكابس المختلطة – المركبة من أنظمة هيدروليكية وميكانيكية معا- قد تستخدم أيضا. الإسطمبات المؤقتة تعطى ميزة جيدة وهي تماشى الوقت المستهلك مع تزامن خطوات تركيب الإسطمبة في حين أن المكبس يعمل باستخدام اسطمبة أخرى. حيز الضغوط المستخدمة عامة في الكبس تعتمد على نوع مادة المسحوق وكذلك التطبيق الذي سوف يعمل فيه المنتج لكن غالبا يستخدم الضغوط مابين (140 إلى 415 ميجا بسكال). منتجات المساحيق التصنيعية غالبا ماتكون ذات مساحة مقطع محدودة، مع زيادة قدرة المكابس فإن مساحة المقطع المتاح العمل عليها تزيد. حين يرغب في العمل على منتجات أضخم من المعهود العمل عليها فإن عملية الكبس قد تتم بالطرق الديناميكية حيث توليد موجات الصدم الانفجارية تولد ضغط الكبس. أساليب عمليات تشكيل المعادن المعهودة يتم إدماجها أيضا لكبس المساحيق. خلال عملبة الكبس، جسيمات المسحوق تتحرك في الداية في إتجاه القوة الضاغطة، المسحوق لا يتحرك كالسائل ولكنه ببساطة ينطغط حتى تتكون قوة مكافة في المقدار ومضادة في الإتجاه للقوة الضاغطة، القوة المعاكسة تتكون من محصلة :
- مقاومة المكبس السفلى
- الاحتكاك بين جسيمات المسحوق و السطح السفلى للإسطمبة
حين يتم الضغط من قبل مكبس واحد فقط تصل كثافة المسحوق إلى الحد الأقصى أسفل المكبس وتقل كلما إتجهنا إلى أسفل.الحصول على كثافة ثابتة و كذلك التاثير بضغط ثابت على مختلف اجزاء المنتج الذي يتم تصينعه، هو شئ صعب جدا بإستخدام المكابس. يمكن الاقتراب من الحصول على كثافة ثابتة للمنتج عن طريق استخدام عن طريق تحريك المكبسين لا واحد فقط. ولأن العامل الأهم في عملية الكبس هو احتكاك الجوانب، فإن الكثافة الناتجة عن عملية الكبس هي دالة تعتمد في الاصل على سمك وعرض المنتج الجارى كبسه. عموما، متوسط كثافة المنتج الجارى كبسه يعتمد على مقدار الضغط الواقع عليه وكذلك الرد الناتج من خصائص المنتج الجارى كبسه (كمثال: حجمه، شكله، خواصه الميكانيكية..إلخ). الحركة الفردية لمكبس وحيد ينتج عنها درجات مختلفة من الكبس على مختلف سماكات المسحوق، فمن المستحيل لمكبس يتحرك حركة فردية أن يتاح له أن ينتج كثافة ثابتة على كافة انحاء المنتج في حالة المنتجات متعددة السماكات. حين يتطلب لمنتج ما سماكات متعددة يتم استخدام مكابس أكثر تعقيدا أو طرق كبس مختلفة عن السابق، كمثال لذلك تطبيق حركات مختلفة المقدار للمكابس تتزامن تلك الحركات لتنتج كبس فورى في كل المناطق، وبناء على ذلك يمكن إنتاج منتجات مكبوسة متناسقة. أما حين يتطلب إنتاج أجزاء في غاية التعقيد فإن فإن المسحوق يوضع داخل قالب مغلق مرن ثم تغمر في مائع مضغوط (سائل أو غاز)، وهذه العملية تسمى العملية ذات الضغط المتوازن، معدلات الإنتاج في هذه العملية ضئيلة جدا لكن الأجزاء التي يتم كبسها بفاعلية بها قد تصل أوزانها إلى عشرات الكيلوجرامات. من الوسائل الاخرى المستخدمة لزيادة تناسق كثافة المسحوق الذي يتم كبسه، زيادة كمية مواد التشحيم في المسحوق، وهذا أيضا يقلل الاحتكاك بين المسحوق و جوانب الإسطمبة ويحسن توزيع ضغط الكبس خلال المسحوق. ولكن لسوء الحظ فإن إضافة مثل تلك المواد قد يؤدى إلى تقليل "المقاومة الخضراء" إلى الحد الذي يكون فيه الجزء الذي يتم كبسه غير متحمل لعمليات النقل من الإسطمبة أو التعامل مع بقية العمليات اللاحقة. أو قد تقلل الخواص النهائية إلى الدرجة التي يكون معها المنتج غير مقبول. بإستخدام الآليات كالحركة الكلية للجسيمات أو تشكل الجسيمات المفردة أو تكسر الجسيمات وتجزئتها. المكابس الميكانيكية بإمكانها رفع كثافة المسحوق المخلخل إلى مايقارب 80% من كثافة الأجزاء المصنعة بالسباكة أو الحدادة. المقاومة الكافية للجزء تساعد على الحفاظ على شكله وكذلك تساعده على الصمود أمام العمليات اللاحقة التي سوف تتم عليه وبالإضافة إلى ذلك فإن عملية الكبس تضبط طبيعة وتجانس البخبخة الباقية في المنتج.
حقن القوالب بالمساحيق التصنيعية
حقن القوالب الخاص بالمنتجات التصنيعية من المساحيق المعدنية طورت حديثا بديلا عن الأسلوب التقليدى لكبس المساحيق التصنيعية، في حين المادة المسحوقة لا تنساب كالمائع، فإن الأشكال المعقدة يمكن إنتاجها مستخدما خليطا من المعادن ذات الحبيبات الغاية في الدقة (أقل من 10 ميكرون) أو الخزف أو مساحيق الكربيد مع اللدائن الحرارية أو الشمع (بنسبة 50% من الحجم)، وتسخينها إلى أن تصير متماسكة كالمعجون (حوالى 260 س)، ومن ثم حقنها إلى فراغ القالب تحت ظروف معينة من الضغط والحرارة و التي تم اختيارها لضمان ملأ الإسطمبة تماما. بعد إخراج المنتج من الإسطمبة فإن المواد المساعدة على التماسك تزال إما بمواد مذيبة أو عن طريق تسخين محسوب للمنتج إلى ما هو أعلى من درجة حرارة تطايرها. وبعد ذلك تخضع الأجزاء لعملية تلبيد تقليدية، وخلال ذلك يحدث انكماش للمنتج من 15 إلى 20% ويتم الحصول على الكثافة المطلوبة (حوالى 98% من الكثافة المثالية) وكذلك الخواص المطلوبة. إزالة مواد التماسك هي حاليا أبهظ جزء في عملية الكبس ثمنا و الأكثر إستهلاكا للوقت، فمعدل التسخين ودرجة الحرارة وتوقيتات إزالة مواد التماسك يجب ان تكون محسوبة ومضبوطة تبعا لسمك الجزء. محلول "المثيل سليلوز" المذاب في الماء هو أحد أفضل البدائل للدائن الحرارية. فالماء في المادة التي تساعد على التماسك يتبخر مبكرا خلال عملية التسخين بينما يحترق "المثيل سليلوز" أثناء عملية التلبيد، مقللا من وقت العملية تقليلا ملحوظا. كذلك هنالك عمليات حقن قوالب تستخدم مواد تماسك مختلفة أو مميعات ومختلف وسائل الإزالة.. بينما يكون الحجم لمنتجات المساحيق التصنيعية التقليدية محدودا بسعة المكبس، فإن حجم منتجات المساحيق التصنيعية بحقن القوالب محدودة أكثر اقتصاديا وكذلك بعملية إزالة مواد التماسك. بالرغم من ارتفاع ثمن المسحوق ذى الجسيمات فائقة الدقة و توسع عملياتها، فإن عملية حقن القوالب للمساحيق التصنيعية قد صارت طريقة جذابة لإنتاج الأجزاء الصغيرة المعقدة ذات الغلاف الرقيق أو المقطع الرقيق و التي قد يكون من المستحيل أن تكبس بمكابس تقليدية وربما على العكس تماما قد تحتاج مقدار ملحوظ من التشغيل اللاحق بعملية الإنتاج. وبالرغم من ارتفاع تكلفة عملية حقن القوالب فإن الارتفاع النسبى للكثافة النهائية للجزء المنتج بالحقن مقارنة بمثيله المنتج بالكبس والتجانس والثبات في الكثافة و كذلك السماحات الصغيرة التي من الممكن الحصول عليها (0.3 إلى 0.5%)تجعل من تلك العملية مناسبة لكثير من التطبيقات، حيث الخواص النهائية للمنتج تكافئ تلك المنتجات المصنعة بمختلف عمليات التشكيل أوعمليات السباكة.
(4) التلبيد
في عملية التلبيد يتم تسخين المسحوق المدموج المضغوط في غرف متحكم في جو البيئة المحيط بها لدرجة حرارة أقل من نقطة الانصهار ولكنها تكون عالية بدرجة كافية لمنع انتشار الحالة الصلبة وعقدت لوقت كافى لمنع ارتباط الجزيئات. أغلب المعادن يتم تلبيدها عند درجات حرارة تشكل من 70 إلى 80% من درجات انصهارها، بينما الحرارة اللازمة لصهر المعادن قد تحتاج إلى ما يقرب من 90%. عندما يكون المنتج متكون من أكثر من مادة واحدة، فإن حرارة التلبيد يمكن أن تصبح أعلى من حرارة الانصهار لعنصر واحد أو أكثر من عنصر. المواد ذات أقل نقطة إننصهار تنصهر وتتدفق إلى الفراغات بين الجسيمات المتبقية. أغلب عمليات التلبيد تتألف من ثلاث خطوات وبعض أفران التلبيد تستخدم ثلاث مناطق متناظرة.
- الحرق أو التطهير : وصممت لحرق أى هواء(غازات) وتصعيد وإزالة أى مواد تشحيم والإضبارات التي تتداخل مع الروابط ثم يرفع درجة الحرارة ببطء للمدموجات في نمط التحكم. التسخين بسرعة قد ينتج عنه ضغط داخلى مرتفع بسبب الهواء المحبوس في المسام المغلقة أو تصعيد الشحوم والتي قد تتسبب في انتفاخ أو كسر المدموجات. عندما تحتوى المدموجات على مقادير ملموسة من مواد متطايرة فإن إزالتها تزيد من المسامية والنفاذية للشكل المضغوط. تصنيع المنتجات مثل الفلاتر المعدنية صممت للاستفادة من تلك الخاصية. عندما يكون المنتج عناصر تتحمل الأحمال فإن الكميات الكبيرة في المسامية تكون غير مرغوب فيها وتصعيد الشحوم يبقى في الحد الأدنى لها.
- خطوة الحرارة المرتفعة : وهي لنشر الحالة الصلبة والروابط المطلوبة بين جسيمات المساحيق. الوقت يجب أن يكون كافى لإنتاج الكثافة المطلوبة والخصائص النهائية، وعادةً ما تتراوح من 10 دقائق إلى عدة ساعات.
- خطوة التلبيد : وهي الخطوة الاخيرة واللازمة لخفض درجة الحرارة للمنتج بينما يتم صيانته في غرف التحكم بالجو. هذه الخاصية تستخدم لمنع كلا من الأكسدة (التي قد تحدث) واحتمالية الصدع الحرارى الناتج من التبريد السريع. كلا من الأفران المستمرة والتصحيحية يمكن إستخدامها.
الخطوات الثلاث للتلبيد يجب أن تجرى في مناخ معقم (محمى) وهذا ضرورى لأن الأشكال المتكونة لها مسامات متبقية وفراغات داخلية والتي هي متصلة بالأسطح المكشوفة. في درجات الحرارة المرتفعة، فإن الأكسدة السريعة يمكن أن تحدث بشكل ملحوظ مضاعفة لكميات الروابط المتداخلة. تقليل الجو معتمد أساساً على الهيدروجين والأمونيا المنفصلة أو الهيدروكربونات المشروخة يكون مفضل وقتما أمكن تقليل أى أكاسيد قد تكون موجودة على السطح أو غازات ضارة تشحمت أثناء التلبيد. الغازات الخاملة لا يمكنها تقليل وجود الأكاسيد ولكنها تمنع تكون أى ملوثات إضافية. التلبيد في الفراغ يتكرر في الستانلس ستيل، والتيتانيوم والمعادن المقاومة للصهر. خلال عملية التلبيد عدد من المتغيرات يحدث في المدموجات. الروابط المعدنية تتكون بين جسيمات المسحوق كنتيجة للانتشار الذرى في الحالة الصلبة كما أن القوة والممطولية وكلا من التوصيلية الكهربية والحرارية تزداد. إذا خلطت مساحيق كيميائية مختلفة فإن الانتشار قد يعزز تكون السبائك، بالإضافة إلى تكون الروابط ينتج عنه زيادة الكثافة والدقة في أبعاد المنتج. انكماش الأبعاد يجب أن يعوض في تصميم إستنباط الضغط. ليس كل المساميات يتم إزالتها، بينما المنتجات ذات الضغط التقليدى تحتوى مابين 5 إلى 25% مسامية متبقية.
عملية الضغط المتوازن على الساخن
تجمع تلك العملية بين ضغط المساحيق والتلبيد في عملية واحدة، وفيها يتم وضع المساحيق في حاويات محكمة الغلق ثم تعريضها لظروف درجة حرارة وضغط مرتفان. ظروف تشغيل الحديد والصلب في العموم مابين عشرة آلاف إلى خمسة عشر ألفاً باسكال*الإنش، ودرجة حرارة 2300 فهرنهايت، بينما للسبائك المرتكزة على النيكل والمعادن المقاومة للانصهار ومساحيق السيراميك تحتاج 45000 باسكال*الإنش، ودرجة حرارة 2750 فهرنهايت. المنتجات ذات الخواص الموحدة والكثافة الثابتة تكون عادةً أفضل من باقى العمليات. الأشكال شبه الصافية من الممكن الوصول إليها وبالتالى القضاء على الفاقد من المادة وعمليات التصنيع المكلفة. منذ أن أصبحت المساحيق تمر بعزل وضغط وتلبيد معاً, أصبحت العملية أكثر جاذبية للمواد القصفة والتفاعلية مثل البريليوم واليورانيوم والزيرنيوم والتيتانيوم. تستخدم عمليات الضغط المتوازن على الساخن لتكثيف أجزاء موجودة وعلاج المسامية الداخلية في السباكة وسد الشروخ الداخلية في منتجات مختلفة. جوانب متعددة من عمليات الضغط المتوازن على الساخن تجعلها مكلفة وغير جذابة في الإنتاج الضخم. أول الأسباب هو ارتفاع تكلفة تعبئة المساحيق في أوعية مقاومة للحرارة والضغط ومن بعد إزالة المادة من المنتج. الأوعية المصنوعة من الرقائق المعدنية تعد الأساسية في الاستخدام ولكن الزجاج وقوالب السيراميك يمكن أن تستخدم أيضاً. ثانى عائق يتعلق بالطول النسبى لفترة الدورة في عمليات الضغط المتوازن على الساخن، بينما استطاعت الأساليب الجديدة تقليل زمن الدورة من 24 ساعة إلى الفترة (من 6 إلى 8 ساعات) ولكن المنتج ظل مقيد بأحمال عديدة يومياً وعدد الأجزاء للحمل التي يمكن إنتاجها مقيدة بالقدرة على الإنتاج ودرجة الحرارة المنتظمة داخل الغرفة. عملية التلبيد ذات الضغط المتوازن على الساخن وعملية التلبيد ذات الضغط المساعد ماهى إلا أساليب يمكنها إنتاج منتجات ذات كثافة كاملة بدون تكاليف التعبئة وإزالة الزيادات. الأجزاء المضغوطة تقليديا تتم في غرف ضغط ولكن بعد تلبيدها في الفراغ لوقت كافى لإزالة المسافات المتبقية، بينما يحافظ على درجة الحرارة المرتفعة ممكا يكسر الفراغ ويطبق الضغط المرتفع للعمليات الباقية. الأسطح المحكمة الغلق المنتجة أثناء عملية التلبيد في الفراغ تعمل كأوعية عزل في خطوة الضغط المرتفع. عند البدء مع أجزاء المساحيق المضغوطة فإن هذه العمليات ... على الحرارة الزائدة، وبالتالى فإن دورة التبريد يتم إستخدامها إذا كانت الأجزاء تتعرض لأول مرحلة ضغط، والتلبيد يتم في نمط تقليدى ثم تعرض لعملية الضغط المتوازن على الساخن للحصول على التكثيف النهائى
أساليب أخرى للإنتاج (المنتجات ذات الكثافة العالية)
يمكن إنتاج الاجزاء ذات الكثافة العالية بإستخدام عمليات التشكيل على الساخن. يمكن تقليص سمك الرقائق المصنوعة من المساحيق الملبدة عن طريق الدرفلة. القضبان والأسلاك يمكن إنتاجها عن طريق السحب على الساخن للمساحيق المغلفة أو الخبث المضغوط الملبد، وبالمثل يمكن تطبيق عمليات الحدادة لتشكيل أشكال معقدة كما في تشكيل أوعية المساحيق. هذه العمليات تعرض فوائد كلا من مساحيق المعادن وعمليات التشكيل الخاصة بها، مثل إنتاج الأشكال المصنعة ذات الحبيبات الجيدة الحجم والمتناسقة كيميائياً. تعد عملية "السيراكون" طريقة أخرى للارتقاء بالمنتجات ذات الضغط والتلبيد التقليدى إلى الكثافة الكاملة دون الحاجة إلى التعبئة أو التغليف. إن العمل على الساخن يكون محاط بالكامل بمادة حبيبية (عادةً ما تكون السيراميك) قادرة على نقل الضغط في نمط شبه موحد والتجميع كله يتم ضغطه في مكابس هيدروليكية. وسائل أخرى لإنتاج أشكال ذات كثافة عالية من أجزاء جيدة هي ضغط (In-situ) أو التشكيل بالرش. ويعتبر المرذاذ فيه نافورة من غاز خامل أو غاز غير ضار (نيتروجين، أوكربون, أوديوكسيد) حيث تدفع القطرات المنصهرة إلى وعاء التجميع، إذا تجمعت القطرات قبل الصب فإن الوعاء يملأ بالمسحوق المفقود. وإذا ظلت القطرات سائلة فإن الوعاء يملأ بالمعدن المنصهر ثم يتجمد بالسباكة التقليدية، بينما إذا كان تبريد القطرات متحكم فيه بحيث تكون القطرات في حالة نصف صلبة قبل الصب، فإنها تميل إلى التسطح والتجمد في حالة كيميائية متزنة وبحجم حبيبات جيد. اعتماداً على شكل وعاء التجميع، فإن هذا المنتج يكون منتج نهائى. كلاً من المنتجات الحديدية والغير حديدية يمكن إنتاجها بمعدلات ترسيب عالية تقريباً 400 باوند في الدقيقة، وبالتالى فإن ترسيب مادتين أو أكثر والحقن الثانوى للجسيمات في البخار يمكن إستخدامهما في إنتاج مركبات فريدة.
العمليات الثانوية
في العديد من التطبيقات فإن أجزاء المعادن المسحوقية جاهزه للإستخدام عقب خروجج من فرن التلبيد. ومع ذلك تستغل واحده أو أكثر من العمليات الثانوية لكى تعزز من الدقة و الخصائص التي يتم تحسينها أو الصفات الخاصة. خلال عمليه التلبيد تتقلص أبعاد المنتج بسبب عمليه التكثف، وربما يظهر التشويه خلال التباطؤ في ارتفاع درجه الحرارة وبالتالى فإن عمليه الضغط المعروفة بعملية الكبح أو السك، ربما تكون لازمه لتجديد أو تحسين دقة الأبعاد. قد تم وضع جزء في قالب وتعرضه لضغوط مساويه للضغط المكبوس أو أكبر منه . ووجود كميه صغيره من التفق البلاستيكى ينتج عنها منتج ذو دقة عالية في الأبعاد وتفاصيل واضحه ذات سطح محسن بالاضافه إلى ان عمليه التبريد تزيد من مقاومه الجزء من 25 إلى 50 % . واذا كان التشويه الكبير المعادن يحدث في الضغط الثانى فتعرف العملية بعمليه الحدادة للمعادن المسحوقه . كما ان مصطلح المساحيق المعدنية تستخدم لانتاج منتج سبق تشكيله والذي هو عباره عن عمليه حداده واحده تمت ازالتها من الشكل النهائى . كما ان تتابع عمليه الحدادة الخاصة بالدلفنه أو الإنتاج المزدهر والقص واعاده التسخين والتشوه المتتابع للتشكيل المرغوب فيه حيث يتم وضعه بواسطه تصنيع اشكال بسيطه مقارنه بالمساحيق المعدنية المتبوعه بعمليه الحدادة الساخنة في المرحلة الأخيرة . ومن هنا فان الحدادة تنتج اشكالا معقده وتضيف الدقة وتوفر من التدفق المعدنى . بالاضافه إلى ان الحدادة تزيد من كثافه الاداء ويكون ذلك حتى 99% من الكثافة ويحسن بشكل كبير الخصائص الميكانيكية ويجب استخدام الغلاف الخاص أو التغطية لمنع الاكسده خلال عمليه التسخين و الحدادة الساخنة واهميه عمليه الإنتاج انها تقلل الخردة أو الفائض، ويمكن للمعادن المسحوقه ان تستخدم في انتاج منتجات ذات خصائص محسنه وزياده حجمها وتعقيداتها . كمان ان منتجات المعادن المسحوقه بالحدادة لايمكن فصلها وليس لها احجام حبيبيه ويمكن صناعتها من السبائك الجديدة أو المركبة والمتطلبات للتفاوت المسموح به من الكامات و الشرائح والتروس ويمكن الحصول عليها بدون اللجوء إلى عمليات التشغيل .
ويوضح شكل 16-10 مثالا عن جزء تمت صناعته بواسطه الحدادة التقليدية ثم بواسطه حداده المعادن المسحوقه كما ان التقليل الحقيقى في الخردة تو توضيحه بشكل كبير ويظهر شكل 16-11 العديد من المعادن المسحوقه التي تمت حدادتها على انه عمود متصل . ويوجد أكثر من 25 مليون عمود قد تم انتاجهم وقد اسيتخدموا بواسطه عدد من مصنعى السيارات .
وتعتبر منتجات المعادن المسحوقه ذات الكثافة القليله لها روابط مساميه أو نفاذيه . وهذا يتيح امكانيه العمليات الاضافيه بواسطه التشريب أو الترشيح وعمليه التشريب تشير إلى قوه دفع الزيت أو اى سائل اخر إلى شبكه مساميه . وذلك يمكن ان يحدث عن طريق غمر المنتج وتطبيق الضغط أو بواسطه ضغط الفراغ . والتطبيق الأكثر شيوعا هو الرولمان بلى ذاتى التزييت وبعد التزييت فان المعدن يحتوى من 10-40 % من الزيت بواسطه الحجم والذي يوفر التشحيم بعد عمليه مستمره لوقت طويل وبشكل مماثل . فان اجزاء المعادن المسحوقه يمكن ان يتم تشريبها بواسطه راتنجات الفلوكاربون مثل ( التيفلون ) وذلك لكى تقوم بانتاج منتج يقدم مجموعه من المقاومات العالية والاحتكاك القليل عند وجود مسام وثقوب غير مرغوب بها فتكون منتجات المعادن المسحوقه معرضه للترشيح . وفي هذه العملية المعدن المنصهر عند نقطه الانصهار والاقل من المعادن المسحوقه المكون في المنتج تحت ضغط أو تمتصه بالخاصية الشعرية وبعد عمليه الترشيح فان الخصائص الهندسية مثل مقومه الشد و الصلابة تكون في مقارنه عاده مع المنتجات المعدنية الصلبة . ويمكن استخدام عمليه الترشيح لغلق المسام قبل الطلاء وتحسين قدره الماكينات أو مقاومه التاكل أو جعل المكونات من الغاز أو السائل المحكم . ويمكن لمنتجات المعادن المسحوقه ان تكون معرضه لعمليات الانتهاء التقليدية مثل المعالجة الحرارية والتشغيل أو معالجه السطح واذا كان السطح له كثافه عاليه أو تم تشريب المعدن فتتطبق المعالجة التقليدية وعند معالجه منتجات المعادن المسحوقه قليله الكثافة يجب اتخاذ الاحتياطات الازمه وخلال المعالجة الحرارية فان الغلاف الحامى يجب استخدامه مره اخرى وتجنب اخماد السائل وعند التصنيع يجب ضبط السرعة والتغذية واخذ الحذر لتجنب التقاط مواد التبريد والتشحيم . وعندما يتطلب الامر إلى كميه كبيره من الالات ذات اليه الشغيل الخاصة فايمكن ادخال المواد المسحوقه إلى تعزيز التركيبة وبالمثل فان جميع الوسائل الشائعة والخاصة بانتهاء السطح يمكن تطبيقها والتي تشمل والطلاء والتغطية ومعالجه الانتشار وتصلب السطح ومعالجه البخار ( والذي يتم استخدامه لانتاج اكسيد مقاومته للصدأ في الاجزاء الحديدية ) كما هو بالنسبة للعمليات الثانوية ومع ذلك فان بعض التعديلات الخاصة بالعملية ربما تتطلب وجود المسام أو اجزاء ذات كثافه قليله.
خصائص منتجات المعادن المسحوقه
بسبب خصائص منتجات المعادن المسحوقه التي تعتمد على العديد من المتغيرات منها نوع وحجم المسحوق و كميه ونوع التشحيم والضغط المكبس ودرجه حراره التلبد والوقت والمعالجات النهائية، إلى اخره. ومن الصعب تزويد معلومات عامه . والمنتجات يمكن ان تتراوح بين الكثافة المنخفضه والمساميه العالية للاجزاء مع مقاومه شد منخفضه بمقدار 10 ksi ( 70 mpa ) إلى كثافه عاليه للاجزاء مع مقاومه شد بمقدار 180 ksi ( 1250 mpa ) بشكل عام معظم خصائص ميكانيكية تظهر اعتماد القوي على كثافة المنتج مع كسر محدودة من ليونة، وصلابة و التعب كونه أكثر حساسية. والفراغات في اجزاء المعادن المسحوقه تعمل على انها مكثفات للضغط وتساعد على بدأ انتشار الكسور. وقوه الخضوع لمنتجات المعادن المسحوقه ناتجه من انتاجيه المعادن الضعيفه والتي تعتبر مساويه للنموذج المصنوع. إذا تم استخدام مواد أعلى قوة أو يتم تحديد قوة الشد للكسر ذات الصلة بخصائص المعادن المسحوقه تميل إلى انخفاض اقل من المكافئ الذي احدثته متفاوتة ولكن بكميات كبيرة.
المراجع
E. Paul Degarmo, J T. Black, Ronald A. Kohser