الضغط الساخن

الكبس الساخن هو عملية تعدين مساحيق ذات ضغط عالٍ ومعدل إجهاد منخفض لتشكيل مسحوق أو مسحوق مضغوط عند درجة حرارة عالية بما يكفي لتحفيز عمليات التلبيد والزحف . ^{[ 1 ]} ويتحقق ذلك من خلال التطبيق المتزامن للحرارة والضغط.

تُستخدم عملية الكبس الحراري بشكل أساسي لتصنيع المواد الصلبة والهشة . ومن أبرز استخداماتها دمج أدوات القطع المركبة من الماس والمعادن والسيراميك التقني . وتتم عملية التكثيف من خلال إعادة ترتيب الجزيئات وتدفقها اللدن عند نقاط التلامس. في معظم الحالات، يُملأ قالب من الجرافيت بالمسحوق السائب أو الجزء المضغوط مسبقًا، مما يسمح بالتسخين بالحث أو المقاومة حتى درجات حرارة تصل عادةً إلى 2400 درجة مئوية (4350 درجة فهرنهايت) . ويمكن تطبيق ضغوط تصل إلى 50 ميجا باسكال (7300 رطل لكل بوصة مربعة) . ومن الاستخدامات المهمة الأخرى كبس أنواع مختلفة من البوليمرات، ولكن يتم ذلك بدرجات حرارة وضغوط أقل، كما هو الحال في مكابس الكبس الحراري مفتوحة المصدر . ^{[ 2 ]}    

في مجال تكنولوجيا الضغط الساخن، يمكن العثور على ثلاثة أنواع مختلفة من التسخين قيد الاستخدام: التسخين بالحث ، والتسخين بالمقاومة غير المباشر ، وتقنية التلبيد بمساعدة المجال (FAST) / الضغط الساخن المباشر.

في هذه العملية ، تُنتج الحرارة داخل القالب عند تعريضه لمجال كهرومغناطيسي عالي التردد، يتم توليده باستخدام ملف حثي موصول بمولد إلكتروني. يُصنع القالب من الجرافيت أو الفولاذ، ويُطبق الضغط بواسطة أسطوانة واحدة أو اثنتين على المكابس. يوضع القالب داخل الملف الحثي. تكمن الميزة هنا في أن الضغط والطاقة الحثية مستقلان تمامًا. حتى المساحيق ذات الطور السائل قابلة للتطبيق في هذه العملية، كما يُمكن استخدام ضغوط منخفضة. من بين العيوب تكلفة المولد عالي التردد والحاجة إلى محاذاة دقيقة. إذا وُضع القالب خارج المركز، يكون توزيع الحرارة غير متساوٍ. لكن العيب الرئيسي هو اعتماد العملية على جودة التوصيل الحثي والتوصيل الحراري للقالب. لا يستطيع المجال المغناطيسي اختراق القالب إلا لمسافة تتراوح بين 0.5 و3 ملم. من هذه المسافة، يجب "نقل" الحرارة إلى داخل القالب عبر التوصيل الحراري لمادة القالب. يصبح التسخين المنتظم أكثر صعوبة إذا لم تكن الفجوة الهوائية بين القالب والملف الحثي متساوية على امتداد سطح القالب. ومن المشاكل المحتملة الأخرى معدل التسخين؛ إذ أن ارتفاع معدل التسخين بشكل مفرط سيؤدي إلى فروق كبيرة في درجات الحرارة بين السطح واللب، مما قد يتسبب في تلف القالب.

في تقنية التسخين المقاوم غير المباشر، يُوضع القالب في حجرة تسخين. تُسخّن الحجرة بواسطة عناصر تسخين من الجرافيت، تُسخّن بدورها بواسطة تيار كهربائي. ثم تنتقل الحرارة إلى القالب عن طريق الحمل الحراري . ولأن الطاقة الكهربائية تُسخّن عناصر التسخين التي بدورها تُسخّن القالب بشكل ثانوي، تُسمى هذه العملية بالتسخين المقاوم غير المباشر.

من مزايا هذه الطريقة إمكانية الوصول إلى درجات حرارة عالية، بغض النظر عن موصلية القالب أو الحرارة والضغط. أما عيبها الرئيسي فهو الوقت اللازم لتسخين القالب، حيث يستغرق انتقال الحرارة من جو الفرن إلى سطح القالب، ثم عبر مقطعه العرضي، وقتاً طويلاً نسبياً.

إن الفكرة الأساسية للتلبيد باستخدام التيار الكهربائي المار عبر القالب قديمة نوعًا ما. وقد حصل تايلر ^{[ 3 ]} على براءة اختراع التسخين المقاوم لمساحيق كربيد التنجستن الملبد في وقت مبكر من عام 1933. وتشهد هذه الطريقة حاليًا اهتمامًا متجددًا. يمكن أن يكون التيار نبضيًا أو مستمرًا أو متناوبًا. يُعرف هذا الأسلوب باسم "التلبيد بالبلازما الشرارية " (SPS)، إلا أنه غير دقيق من الناحية الفنية، إذ لم يتم التحقق من صحة استخدام الشرارة أو البلازما حتى الآن. ومن الأسماء الشائعة الأخرى لهذا الأسلوب: "التلبيد بالتيار المستمر"، و"الضغط الساخن السريع"، و"الضغط الساخن المباشر"، وغيرها. وتُجمع كل هذه التقنيات تحت المصطلح العام "تقنية التلبيد بمساعدة المجال (FAST)". ^{[ 4 ]}

كان السبب الرئيسي لتقصير زمن الدورة آنذاك هو تجنب نمو الحبيبات وتوفير الطاقة. في الكبس الساخن المباشر، يُوصل القالب مباشرةً بالكهرباء، حيث تولد مقاومة القالب ومسحوق المعدن الحرارة داخل القالب مباشرةً، مما ينتج عنه معدلات تسخين عالية جدًا. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي هذا إلى زيادة ملحوظة في نشاط تلبيد تجمعات مسحوق المعدن الناعم، مما يُتيح إمكانية الوصول إلى أزمنة دورة قصيرة لا تتجاوز بضع دقائق. علاوة على ذلك، تُخفض هذه العملية درجة حرارة وضغط التلبيد اللازمين مقارنةً بعمليات التلبيد التقليدية. تعتمد الطريقتان السابقتان اعتمادًا وثيقًا على خاصية جوهرية لمادة القالب، ألا وهي موصليتها الحرارية. أما في التسخين بالمقاومة المباشرة، فتتولد الحرارة حيثما دعت الحاجة.

تشير أحدث الأبحاث إلى عدم وجود فرق جوهري بين التلبيد باستخدام التيار النبضي أو التيار المستمر (SPS أو FAST). من حيث المبدأ، يمكن تحقيق نتائج تلبيد محسّنة مماثلة (مقارنةً بالضغط الحراري التقليدي) باستخدام جميع تقنيات الضغط الحراري المباشر، إذا كان التحسين ناتجًا فقط عن التسخين الموضعي للمسحوق. ^{[ 5 ]} في حال وجود تأثيرات فيزيائية إضافية مرتبطة بكثافة التيار الكهربائي نفسها (والتي تعتمد بشكل كبير على نوع المسحوق)، فإن التيار النبضي غالبًا ما يكون له فوائد إضافية، لأن كثافة التيار الكهربائي خلال كل نبضة تصل إلى قيمة أعلى بكثير من قيمة التيار المستمر ذي قدرة التسخين المماثلة. ^{[ 6 ]}

في الآونة الأخيرة، تم تحقيق تصنيع مواد بالغة الأهمية، مثل أهداف الترسيب بالرش ومكونات السيراميك عالية الأداء، ككربيد البورون ، وثنائي بوريد التيتانيوم ، والسيالون . وباستخدام مسحوق المعدن، تُعدّ موصلية القالب مثالية لتسخين قطعة العمل بسرعة. ويمكن تسخين القوالب ذات القطر الكبير والارتفاع الصغير نسبيًا بسرعة. وتُعدّ هذه العملية مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب معدلات تسخين عالية، كما هو الحال مع المواد التي لا يمكن تثبيتها في درجات حرارة عالية إلا لفترات قصيرة، أو مع العمليات التي تتطلب معدلات تسخين سريعة لزيادة الإنتاجية.

بفضل تقنية الضغط الحراري المباشر، يمكن تلبيد المواد إلى كثافتها النهائية. وتتميز هذه التقنية بدقة عالية في الوصول إلى الشكل النهائي، مما يغني في كثير من الأحيان عن إعادة تشكيل المواد ميكانيكياً، والتي يصعب معالجتها عادةً.

في صناعة مواد الاحتكاك، يلعب الكبس الحراري المباشر دورًا متزايد الأهمية في إنتاج وسادات الفرامل والقوابض المُلبّدة. وتُستخدم وسادات الفرامل المُلبّدة على نطاق واسع في القطارات فائقة السرعة والدراجات النارية، بالإضافة إلى تطبيقات طاقة الرياح، والمركبات الرباعية، والدراجات الجبلية، والتطبيقات الصناعية. أما أقراص القوابض المُلبّدة، فتُستخدم بشكل أساسي في الشاحنات الثقيلة، والسفن، والجرارات، وغيرها من الآلات الزراعية.

تستفيد المرافق البحثية مثل الجامعات والمعاهد من دورات التلبيد القصيرة، مما يسرع عملية البحث.

تشمل أعمال التطوير الحديثة مشتتات حرارية مركبة من المعدن والماس، على سبيل المثال في تطبيقات مصابيح LED والليزر. يعود تاريخ تلبيد مركبات المعدن والماس باستخدام مكابس حرارية مباشرة إلى خمسينيات القرن الماضي، ومنذ ذلك الحين أصبح ممارسة شائعة في صناعة أدوات الماس .