تعدين المساحيق هي عملية صنع مسحوق معدني واستخدام مسحوق معدني (أو خليط معدني وغير معدني) كمواد خام للحصول على الأجزاء والمنتجات من خلال الصب والتلبيد. كمواد خام رئيسية للصناعة ، يستخدم مسحوق المعدن على نطاق واسع في مجالات الآلات والمعادن والصناعات الكيماوية والمواد الفضائية. مسحوق المعدن هو المادة الخام الأساسية لصناعة تعدين المساحيق. يحدد إنتاجها وجودتها تطور صناعة تعدين المساحيق.
عادة ما يكون مسحوق المعدن عبارة عن مجموعة من الجسيمات المعدنية أقل من 1 مم. لا يوجد شرط موحد لتقسيم الفاصل الزمني التفصيلي. طريقة التصنيف الشائعة هي كما يلي: الجسيمات بحجم جسيم من 1000 ~ 50 ميكرون مساحيق تقليدية ؛ 50 ~ 10 ميكرون مسحوق ناعم ؛ 10 ~ 0.5 ميكرومتر يسمى مسحوق ناعم جدا&لتر ؛ 0.5 ميكرومتر يسمى مسحوق متناهية الصغر ؛ 0.1 ~ 100nm يسمى مسحوق النانو. قد يكون كل جسيم مسحوق عبارة عن بلورة واحدة أو يتكون من العديد من البلورات ، اعتمادًا على حجم الجسيمات وطريقة التحضير.
2. طريقة تحضير مسحوق المعدن
في الوقت الحاضر ، هناك العشرات من الطرق للإنتاج الصناعي للمسحوق ، ولكن وفقًا للتحليل الموضوعي لعملية الإنتاج ، يتم تقسيمها بشكل أساسي إلى فئتين: الطريقة الميكانيكية والطريقة الفيزيائية الكيميائية. يمكن الحصول عليها ليس فقط من التنقية المباشرة للمعادن الصلبة والسائلة والغازية ، ولكن أيضًا من الاختزال والانحلال الحراري والتحويل الكهربائي للمركبات المعدنية في حالات مختلفة. يمكن بشكل عام تحضير الكربيدات والنتريدات والبوريدات ومبيدات السيليكون للمعادن المقاومة للصهر مباشرة عن طريق التوليفات الكيميائية أو الاختزال الكيميائي. نظرًا لطرق التحضير المختلفة ، غالبًا ما يكون الشكل والبنية وحجم الجسيمات لنفس المسحوق مختلفًا جدًا.
يعتمد اختيار طريقة إنتاج مسحوق المعدن على المواد الخام ونوع المسحوق ومتطلبات أداء مواد المسحوق وكفاءة إنتاج المسحوق. مع التطبيق الأكثر شمولاً لمنتجات تعدين المساحيق ، تكون متطلبات حجم وشكل وخصائص جزيئات المسحوق أعلى وأعلى. لذلك ، فإن تقنية تحضير المسحوق تتطور أيضًا وتبتكر لتلبية متطلبات حجم الجسيمات وخصائصها.
2.1 الطريقة الفيزيائية الميكانيكية
الطريقة الميكانيكية هي طريقة معالجة تقسم المعدن إلى مسحوق بحجم الجسيمات المطلوب بمساعدة قوة ميكانيكية خارجية. التركيب الكيميائي للمادة بشكل أساسي دون تغيير أثناء عملية التحضير. في الوقت الحاضر ، الطرق الشائعة هي طحن وطحن الكرة ، والتي لها مزايا العملية البسيطة والإنتاج الكبير. يمكنه تحضير بعض المساحيق فائقة الدقة من معادن وسبائك درجة انصهار عالية يصعب الحصول عليها بالطرق التقليدية.
2.1.1 طريقة طحن الكرة
الآلية: طريقة طحن الكرة مقسمة بشكل أساسي إلى طريقة دحرجة الكرة وطريقة طحن الكرة الاهتزازية. تستفيد هذه الطريقة من آلية تكسير الجزيئات المعدنية وتنقيتها بسبب الإجهاد بمعدلات إجهاد مختلفة.
التطبيق: هذه الطريقة قابلة للتطبيق بشكل أساسي في تحضير سبيكة sb و Cr و Mn و Fe Cr ومساحيق أخرى.
المزايا والعيوب: تتميز بالتشغيل المستمر وكفاءة الإنتاج العالية. إنها مناسبة للطحن الجاف والطحن الرطب. يمكنها تحضير مسحوق من مجموعة متنوعة من المعادن والسبائك. العيب هو أن انتقائية المواد ليست قوية ، ومن الصعب تصنيفها في عملية تحضير المسحوق.
الشكل 1 صور TEM لعينات مسحوق الأنتيمون التي تم الحصول عليها عن طريق طحن الكرة لمدة 12 ساعة (أ) و 18 ساعة (ب) و 24 ساعة (ج) عند 150 لفة / دقيقة
2.1.2 طريقة الطحن
الآلية: طريقة الطحن هي رش الغاز المضغوط في منطقة الطحن بعد المرور عبر فوهة خاصة ، وذلك لدفع المواد الموجودة في منطقة الطحن للتصادم مع بعضها البعض وفركها في مسحوق ؛ بعد أن يتمدد تدفق الهواء ، فإنه يدخل منطقة التصنيف مع ارتفاع المواد ، ويتم فرز المواد التي تصل إلى حجم الجسيمات بواسطة مصنف الدوامة. يعود المسحوق الخشن المتبقي إلى منطقة الطحن للطحن حتى يتم فصل حجم الجسيمات المطلوب.
التطبيق: يستخدم على نطاق واسع في الطحن الدقيق للغاية للمواد الخام غير المعدنية والكيميائية والأصباغ والمواد الكاشطة والأدوية الصحية وغيرها من الصناعات.
المزايا والعيوب: نظرًا لأن طريقة الطحن تعتمد الإنتاج الجاف ، فقد تم حذف الجفاف وتجفيف المواد ؛ المنتج ذو نقاوة عالية ، نشاط عالي ، تشتت جيد ، حجم حبيبات دقيقة وتوزيع ضيق ، وسطح الجسيمات أملس. ومع ذلك ، فإن طريقة الطحن لها أيضًا بعض العيوب ، مثل تكلفة تصنيع المعدات العالية ، يجب استخدام الغاز الخامل المستمر أو النيتروجين كمصدر للغاز المضغوط في عملية إنتاج مسحوق المعادن ، واستهلاك الغاز الكبير ، وهو مناسب فقط للتكسير والسحق الهش. المعادن والسبائك.
2.1.3 طريقة الانحلال
الآلية: تستخدم طريقة الانحلال عمومًا غازًا عالي الضغط أو سائلًا عالي الضغط أو شفرات دوارة عالية السرعة لكسر المعدن أو السبائك المنصهرة عند درجة حرارة عالية وضغط مرتفع إلى قطرات دقيقة ، ثم تتكثف في المجمع للحصول على معدن فائق الدقة مسحوق. لا يوجد تغيير كيميائي في هذه العملية. الانحلال هو أحد الطرق الرئيسية لإنتاج مسحوق المعادن والسبائك. هناك العديد من طرق الانحلال ، مثل الانحلال المزدوج التدفق ، الانحلال بالطرد المركزي ، الانحلال متعدد المراحل ، تقنية الانحلال بالموجات فوق الصوتية ، تقنية الانحلال بالاقتران المحكم ، الانحلال بالغاز عالي الضغط ، الانحلال الصفحي للتدفق ، الانحلال بالاقتران المحكم بالموجات فوق الصوتية والانحلال بالغاز الساخن.
التطبيق: عادة ما تستخدم طريقة الانحلال في إنتاج مساحيق المعادن مثل Fe و Sn و Zn و Pb و Cu ، وكذلك إنتاج مساحيق السبائك مثل البرونز والنحاس والفولاذ الكربوني وسبائك الفولاذ. طريقة الانحلال تلبي المتطلبات الخاصة للمسحوق المعدني للمواد الاستهلاكية للطباعة ثلاثية الأبعاد. يوضح الشكل 3 البنية المجهرية لمسحوق الفولاذ المقاوم للصدأ من مصنع ألماني.
المزايا والعيوب: يتميز المسحوق المذاب بمزايا كروية عالية ، وحجم جزيئات المسحوق الذي يمكن التحكم فيه ، ومحتوى الأكسجين المنخفض ، وتكلفة الإنتاج المنخفضة ، والقدرة على التكيف مع إنتاج مساحيق المعادن المختلفة. لقد أصبح اتجاه التطوير الرئيسي لتقنية تحضير مسحوق السبائك عالية الأداء والخاصة. ومع ذلك ، فإن طريقة الانحلال لها عيوب تتمثل في انخفاض كفاءة الإنتاج ، وانخفاض العائد من مسحوق فائق الدقة واستهلاك طاقة كبير نسبيًا.
الشكل 2: بنية مجهرية لمسحوق فولاذي مقاوم للصدأ ثلاثي الأبعاد من مصنع ألماني
2.2 الطريقة الكيميائية الفيزيائية
تشير الطريقة الفيزيائية والكيميائية إلى طريقة إنتاج المسحوق متناهية الصغر عن طريق تغيير التركيب الكيميائي أو حالة التكتل للمواد الخام في عملية تحضير المسحوق. وفقًا لمبادئ كيميائية مختلفة ، يمكن تقسيمها إلى طريقة الاختزال وطريقة التحليل الكهربائي وطريقة الاستبدال الكيميائي.
2.2.1 طريقة التخفيض
الآلية: طريقة الاختزال هي طريقة لتحضير مسحوق المعدن أو السبيكة عن طريق تقليل أكاسيد المعادن أو الأملاح المعدنية بعامل اختزال في ظل ظروف معينة. إنها واحدة من أكثر طرق صنع المساحيق استخدامًا في الإنتاج. تشمل عوامل الاختزال الشائعة عوامل اختزال الغاز (مثل الهيدروجين ، والأمونيا المتحللة ، والغاز الطبيعي المحول ، وما إلى ذلك) ، وعوامل اختزال الكربون الصلب (مثل الفحم ، وفحم الكوك ، والأنثراسيت ، وما إلى ذلك) وعوامل اختزال المعادن (مثل الكالسيوم والمغنيسيوم ، الصوديوم ، إلخ). تعتبر طريقة نزع الهدرجة باستخدام الهيدروجين كوسيط تفاعل هي أكثر طرق التحضير تمثيلاً. تستخدم خصائص الهدرجة السهلة للمعدن الخام لتهدرجة المعدن بالهيدروجين عند درجة حرارة معينة لتوليد هيدريد المعدن ، ثم تكسر هيدريد المعدن الذي تم الحصول عليه إلى مسحوق مع حجم الجسيمات المطلوب بالطريقة الميكانيكية ، ثم الهيدروجين في المعدن المسحوق تتم إزالة مسحوق هيدريد تحت فراغ للحصول على مسحوق المعدن.
التطبيق: يستخدم بشكل رئيسي في تحضير مساحيق المعادن (سبيكة) مثل Ti ، Fe ، W ، Mo ، Nb و W-Re. على سبيل المثال ، يبدأ التيتانيوم (مسحوق) في التفاعل بعنف مع الهيدروجين عند درجة حرارة معينة. عندما يكون محتوى الهيدروجين أكبر من 2.3٪ ، يكون الهيدريد سائبًا ويسهل سحقه إلى جزيئات دقيقة من مسحوق هيدريد التيتانيوم. يمكن الحصول على مسحوق التيتانيوم عن طريق تحللها عند درجة حرارة حوالي 700 درجة مئوية وإزالة معظم الهيدروجين المذاب في مسحوق التيتانيوم.
المزايا والعيوب: المزايا هي التشغيل البسيط والتحكم السهل في معلمات العملية وكفاءة الإنتاج العالية والتكلفة المنخفضة ، وهو مناسب للإنتاج الصناعي ؛ العيب هو أنه ينطبق فقط على المواد المعدنية التي يسهل تفاعلها مع الهيدروجين وتصبح هشة وهشة بعد امتصاص الهيدروجين.
2.2.2 طريقة التحليل الكهربائي
الآلية: التحليل الكهربائي هو طريقة لترسيب مسحوق المعدن في الكاثود عن طريق التحليل الكهربائي للملح المصهور أو محلول مائي ملح.
التطبيق: يمكن أن ينتج المحلول المائي الإلكتروليتي مساحيق معدنية (سبيكة) مثل Cu ، و Ni ، و Fe ، و Ag ، و Sn ، و Fe Ni ، ويمكن أن ينتج الملح المصهور بالكهرباء مساحيق معدنية مثل Zr و Ta و Ti و Nb.
المزايا والعيوب: الميزة هي أن نقاوة المسحوق المعدني المحضر مرتفع ، ونقاء المسحوق الأولي العام يمكن أن يصل إلى أكثر من 99.7٪ ؛ بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تتحكم طريقة التحليل الكهربائي بشكل جيد في حجم جزيئات المسحوق وإنتاج مسحوق ناعم للغاية. ومع ذلك ، فإن استهلاك الطاقة للسحق الإلكتروليتي كبير وتكلفة السحق عالية.
شكل 4 جهاز لتحضير مسحوق الحديد بالتحليل الكهربائي بالموجات فوق الصوتية
2.2.3 طريقة الهيدروكسيل
الآلية: يتم تصنيع بعض المعادن (الحديد والنيكل وما إلى ذلك) وأول أكسيد الكربون في مركبات الكربونيل المعدنية ، والتي يتم إعادة تسخينها وتحللها إلى مسحوق معدني وأول أكسيد الكربون.
تطبيقuneنشوئها: في الصناعة ، يتم استخدامه بشكل أساسي لإنتاج مساحيق دقيقة وفائقة الدقة من النيكل والحديد ، وكذلك مساحيق السبائك مثل Fe Ni و Fe Co و Ni Co
المزايا والعيوب: المسحوق المحضر بهذه الطريقة دقيق جدا وعالي النقاوة لكن التكلفة مرتفعة.
2.2.4 طريقة الاستبدال الكيميائي
الآلية: طريقة الاستبدال الكيميائي هي استبدال المعدن الأقل نشاطًا من محلول الملح المعدني بمعدن عالي النشاط وفقًا لنشاط المعدن ، ثم معالجة وتنقية المعدن (المسحوق المعدني) الذي يتم الحصول عليه عن طريق الاستبدال بطرق أخرى.
التطبيق: يتم تطبيق هذه الطريقة بشكل أساسي في تحضير مساحيق المعادن غير النشطة مثل Cu و Ag و Au.
يظهر ملخص طرق تحضير مسحوق المعدن في الجدول 1.
3. ملخص
مع تقدم التكنولوجيا ، تم تطوير مسحوق المعدن وتطبيقه في علم المعادن ، والصناعات الكيماوية ، والإلكترونيات ، والمواد المغناطيسية ، والسيراميك الناعم ، وأجهزة الاستشعار ، وما إلى ذلك ، مما يدل على احتمال تطبيق جيد ، ويظهر مسحوق المعادن اتجاهًا تنمويًا نحو درجة نقاء عالية وفائقة -غرامة (نانو). على الرغم من أن طرق تحضير مسحوق المعادن متناهية الصغر متنوعة ، ويمكن اختيار طرق مختلفة وفقًا للتطبيق والمتطلبات الاقتصادية والتقنية ، إلا أن كل طريقة لها قيود معينة والعديد من المشكلات تحتاج إلى حلها وتحسينها. في الوقت الحاضر ، أكثر الطرق المستخدمة على نطاق واسع لتحضير مسحوق المعدن هي طريقة الاختزال وطريقة التحليل الكهربائي وطريقة الانحلال ؛ بالإضافة إلى ذلك ، بناءً على تحسين عملية الإنتاج التقليدية ، تم الحصول على العديد من عمليات وطرق الإنتاج الجديدة ، مثل طريقة تكثيف التبخر بالفراغ ، وطريقة الانحلال بالموجات فوق الصوتية ، وطريقة الانحلال القرصي الدوار ، وطريقة الانحلال باللف المزدوج واللفائف الثلاثية ، وطريقة الانحلال متعدد المراحل ، طريقة القطب الكهربائي الدوارة بالبلازما ، طريقة القوس ، إلخ. في طرق تحضير مسحوق المعدن ، على الرغم من تطبيق العديد من الطرق في الممارسة العملية ، لا تزال هناك مشكلتان رئيسيتان ، وهما النطاق الصغير وتكلفة الإنتاج المرتفعة. من أجل تعزيز تطوير وتطبيق مواد المسحوق المعدني ، من الضروري استخدام طرق مختلفة بشكل شامل ، والتعلم من بعضها البعض ، وتطوير طرق عملية مع إنتاج أكبر وتكلفة أقل.