Zařízení pro atomizaci kovového prášku

Atomizace kovového prášku je technika snižování velikosti částic používaná k výrobě jemných kovových prášků s optimalizovanými vlastnostmi pro průmyslové aplikace. Tento proces zahrnuje protlačování roztaveného kovu tryskou, aby se rozpadl na stejnoměrné kapičky, které rychle tuhnou na částice prášku.

Atomizace umožňuje kontrolu nad distribucí velikosti částic prášku, morfologií, čistotou a dalšími vlastnostmi kritickými pro vysoký výkon při 3D tisku kovů, výrobě dílů práškovou metalurgií, procesy pokovování a další. Tento článek poskytuje komplexní přehled různých typů atomizačních zařízení, pracovních principů, konstrukčních aspektů, aplikací, výhod a omezení.

Přehled procesu atomizace kovového prášku

Atomizace kovového prášku převádí tekutý kov na jemné kulovité prášky s řízenými vlastnostmi. Toho je dosaženo rozbitím proudu roztaveného kovu na jemné kapičky pomocí nárazu plynu nebo kapaliny. Kapičky rychle tuhnou na částice prášku, jak chladnou.

Klíčové kroky zahrnuté v tomto procesu jsou:

• Tavení kovů – Surová kovová vsázka se taví pomocí indukční pece, obloukového tavení nebo jiných technik. Mezi běžné atomizované kovy patří hliník, titan, nikl, železo, kobalt, měď atd.
• Dodávka roztaveného kovu – Tekutý kov je udržován na optimální teplotě a veden do atomizační zóny pomocí mezipánve, kelímků nebo čerpadel.
• Atomizace – Proud roztaveného kovu se interakcí s plynem nebo kapalinou o vysoké rychlosti rozpadá na kapičky. Používají se různé atomizační metody.
• Sbírka prášku – Atomizovaný kovový prášek se ochladí a shromáždí pro následné operace. Mohou být použity procesy prosévání, magnetické separace a žíhání.
• Charakterizace prášku – Analyzuje se distribuce velikosti částic, morfologie, hustota, tekutost a mikrostruktura prášku.

Správná kontrola parametrů procesu, jako je složení kovu, teplota, rychlost rozprašovací tekutiny, konstrukce atomizéru, je rozhodující pro dosažení požadovaných charakteristik prášku.

Typy atomizačních zařízení

Atomizační systémy lze kategorizovat na základě média použitého k rozpadu roztaveného kovu na kapičky:

Atomizace plynu

Při atomizaci plynu kinetická energie vysokotlakého plynu rychle urychluje a rozptyluje proud tekutého kovu na jemné kapičky. Na základě konstrukce dodávky plynu jej lze dále rozdělit na:

• Tlaková atomizace plynu – Používá těsně spojené trysky k dodávání stlačeného vzduchu nebo inertního plynu bokem do proudu tekutého kovu.
• Dvoukapalinová tryska s rozprašováním plynu – Koaxiální trysky přivádějí vysokorychlostní atomizační plyn kolem vnitřní kovové výtlačné trubky.
• Atomizace plynu s více tryskami – Používá řadu konvergentně-divergentních trysek k dodávání nadzvukových proudů plynu do proudu taveniny.

Plynem atomizované prášky mají menší velikost částic, jednotnější morfologii, vyšší čistotu ve srovnání s vodou atomizovanými prášky. Tento proces je ale energeticky náročný a drahý.

Atomizace vody

Při atomizaci vodou se proud roztaveného kovu rozpadá působením vysokotlakých vodních paprsků. Tvoří se kapičky s širší distribucí velikosti. Atomizace vody má nižší investiční a provozní náklady ve srovnání s atomizací plynem.

Na základě návrhu může atomizace vody používat:

• Blízká atomizace vody – Proud vody dopadá přímo na tekutý kov vystupující z mezipánve.
• Atomizace vody volným pádem – Padající proud roztaveného kovu je zachycen vodními tryskami pod mezipánví.

Vodou atomizované prášky mají nepravidelnější tvary částic a širší distribuci ideální pro lisování a slinování. Voda však přináší kontaminaci.

Odstředivá atomizace

Při odstředivé atomizaci se roztavený kov nalévá nebo čerpá do vysokorychlostního rotujícího disku nebo misky. Kov vytváří na obvodu tenký film, který se vlivem odstředivých sil rozpadá na jemné kapičky.

Mezi výhody patří jednoduchý design, nízká spotřeba plynu, snadné škálování. Rozsah velikostí je však relativně vyšší než atomizace plynu. Používá se k výrobě sférických prášků z kovů s nízkou teplotou tání, jako je cín, olovo, zinek atd.

Ultrazvuková atomizace plynu

Kombinuje atomizaci plynu s ultrazvukovým generátorem připojeným k trysce. Vysokofrekvenční vibrace zvyšují dezintegraci a disperzi kovu na jemnější kapičky, čímž se získá submikronový prášek.

Velmi efektivní pro vytváření nanokrystalických a amorfních práškových morfologií. Ale drahé a náročné na údržbu. Používá se pro specializované aplikace.

Jiskrová erozní atomizace

Při této technice elektrické atomizace se mezi roztavený kov a hrot elektrody aplikuje pulzní vysokoproudý jiskrový výboj, čímž se vytvoří plazma, která rozloží kov na ultrajemný sférický prášek.

Umožňuje výrobu velmi jemného, vysoce sférického kovového prášku. Ale nízký výkon a vysoké náklady. Většinou se používá pro drahé kovy jako zlato, platina, palladium.

Komponenty a design atomizéru

Atomizéry se skládají z různých součástí navržených tak, aby účinně roztavily, nalévaly, atomizovaly, chladily a shromažďovaly kovový prášek.

Systém tavení a lití kovů

• Indukční pec – Nejčastěji se používá pro tavení kovů, jako je ocel. Umožňuje dobrou regulaci teploty a nízkou kontaminaci taveniny.
• Kelímky – Žáruvzdorné keramické hrnce používané k uložení kovové náplně. Lze ohřívat v samostatné peci a ručně nalévat nebo přímo začlenit do atomizačního systému.
• Tundish – Mezizásobník roztaveného kovu, který řídí rychlost nalévání do atomizační sekce.
• Svod – Přesně usměrňuje tok roztaveného kovu do atomizační zóny. Vyrobeno ze žáruvzdorného kovu, jako je wolfram, aby vydrželo vysoké teploty.
• Čerpadla – Používá se k řízení dodávky roztaveného kovu pod tlakem v určitých konfiguracích atomizéru.

Atomizační sekce

• Rozprašovací tryska – Specializované vysokotlaké a teplotně odolné trysky používané k vytváření plynových nebo vodních paprsků pro atomizaci.
• Uspořádání trysek – Několik specializovaných trysek strategicky umístěných pro optimalizaci tvorby kapek.
• Spinning komponenty – Disky, misky používané při odstředivé atomizaci rotují velmi vysokou rychlostí – 10 000 až 50 000 ot./min. poháněné elektromotorem.
• Ultrazvukový generátor – Převádí elektrický signál na vysokofrekvenční mechanické vibrace v oblasti trysky. Používá se při ultrazvukové atomizaci.
• Napájení – Poskytuje vysoký proud pro generování elektrického oblouku pro atomizaci jiskrovou erozí.

Systém manipulace s práškem

• Separátory cyklónů – Oddělte jemný prášek z proudů procesního plynu nebo vody pomocí odstředivých sil.
• Sáčkové filtry – Sesbírejte velmi jemný prášek neoddělený v cyklonech. Potřebujete častou výměnu.
• Klasifikátory obrazovek – Třídění podle velikosti prášku do různých frakcí pomocí síťových sít.
• Magnetické separátory – Odstraňte z prášku veškeré kovové nečistoty.
• Dopravníky – Přepravuje prášek mezi zařízeními. Použité dopravníky šnekové, pásové, vibrační.
• Násypky – Uchovává prášek pro další zpracování nebo balení.
• Vakuové čištění – Odstraňuje rozsypaný prášek ze zařízení a povrchů. Rozhodující pro reaktivní kovové prášky.

Instrumentace a ovládání

• Snímače teploty – Rozhodující pro monitorování a řízení pece/tavby, teploty trysky pro optimální atomizaci.
• Senzory tlaku – Sledujte tlak plynu a vody v tryskách, abyste udrželi správnou atomizaci.
• Průtokoměry – Měření a řízení průtoků rozprašovací kapaliny a taveniny.
• Tachometry – Monitoruje rychlost otáčení odstředivých atomizačních disků.
• Hladinové senzory – Udržujte optimální hladinu taveniny v klíčových nádobách. Zabraňuje přetečení.
• Nouzové zastavení – Vyžaduje se pro rychlé a bezpečné vypnutí strojního zařízení v případě jakýchkoli problémů.
• Řídicí systém – Automatizované počítačové řízení optimalizuje koordinaci parametrů a zlepšuje opakovatelnost.

Parametry procesu atomizace kovového prášku

Správný výběr procesních parametrů je klíčem k dosažení prášků s požadovanými vlastnostmi. Níže uvedená tabulka shrnuje klíčové proměnné a jejich vliv na vlastnosti prášku:

Charakterizace atomizovaného kovového prášku

Vlastnosti a kvalita atomizovaného prášku určují výkon v následných aplikacích. Hlavní hodnocené vlastnosti jsou:

Distribuce velikosti částic

Distribuce částic prášku v různých velikostních frakcích, běžně reprezentovaných jako percentily D10, D50 a D90. Plynová atomizace může dosáhnout pod 20 mikronů, zatímco atomizace vodou produkuje hrubší prášek.

Tvar a morfologie částic

Plynem atomizovaný prášek má vysoce kulové částice, zatímco vodou atomizovaný prášek je nepravidelnější. Satelitní částice naznačují nedostatek optimální atomizace. Zaoblený prášek má lepší tekutost a hustotu balení.

Chemické složení

Elementární a fázové složení z testů. Určuje jakost slitiny. Atomizace plynu produkuje vysokou čistotu, zatímco voda může kontaminovat reaktivní kovy, jako je titan, hliník.

Zdánlivá a hustota kohoutku

Ukazatel účinnosti balení prášku. Vyšší hustota zlepšuje vlastnosti produktu při lisování a slinování. Může však ovlivnit tok prášku. Hodnoty obvykle 40-65% hustoty materiálu.

Charakteristiky toku

Důležité pro manipulaci a následné zpracování. Ovlivněné faktory jako tvar částic, distribuce velikosti, struktura povrchu. Vylepšeno žíháním, povrchovou úpravou.

Mikrostruktura

Vnitřní prášková struktura odhalená mikroskopií. Prášek atomizovaný plynem má jemná zrna a defekty způsobené rychlým tuhnutím, zatímco atomizovaná voda je hrubší. Určuje chování při slinování.

Aplikace atomizace kovového prášku

Atomizované kovové prášky nacházejí širokou škálu použití v pokročilé výrobě, zlepšují kvalitu produktu a výkon oproti konvenčnímu zpracování kovů:

Aditivní výroba

• 3D tisk – Atomizované sférické prášky s řízenou distribucí velikosti jsou ideální pro techniky fúze prášku. Běžně se používají hliníkové, titanové, niklové superslitiny.
• Vstřikování kovů – Jemnější prášky z nerezové oceli, titanu a hliníku zlepšují proces slinování a hustotu součástí.

Prášková metalurgie

• Press and Sinter – Nepravidelný, hrubší vodou atomizovaný železný prášek používaný pro vysokou produkci P/M dílů s dobrými mechanickými vlastnostmi.
• Měkké a tvrdé magnety – jemné krystalické prášky NdFeB, SmCo vytvářejí vysoce výkonné lepené a za tepla lisované magnety.
• Třecí materiály – Vodou atomizovaný měděný prášek zvyšuje výkon brzdových destiček a obložení spojky.

Povrchové nátěry

• Thermal Spray – Sférický prášek s řízenou distribucí velikosti důležitý pro rovnoměrné, husté povlaky prostřednictvím plazmy nebo HVOF spreje. WC-Co, použitý prášek slitiny niklu.
• Napařování – ultrajemná prášková superslitina používaná při fyzikálním napařování elektronovým paprskem pro povlaky turbín se zvýšenou ochranou.

Další

• Vstřikování kovů – Suroviny z jemné nerezové oceli, titanu a hliníku mohou vyrábět malé, složité součásti.
• Pájecí pasty – slitina atomizovaného stříbra, zlata a mědi používaná při výrobě vysokoteplotních pájených spojů.
• Jiskrová eroze – Ultrajemný sférický prášek používaný jako dielektrické médium zlepšuje přesnost a rychlost EDM obrábění.

Výhody atomizace kovového prášku

Ve srovnání s konvenčními způsoby zpracování kovů patří mezi hlavní výhody použití atomizovaných prášků:

• Zlepšené mechanické vlastnosti – Jemná, homogenní mikrostruktura z rychlého tuhnutí zvyšuje mez kluzu, únavovou životnost a tažnost.
• Přesná kontrola rozměrů – Konzistentní, sférický prášek umožňuje vysokou hustotu a přesnou výrobu čistého tvaru. Snižuje obrábění.
• Vyšší produktivita – Komponenty lze hromadně vyrábět zpracováním kovového prášku rychleji než subtraktivní metody.
• Větší svoboda designu – Lze vyrobit složité geometrie, které nejsou možné litím nebo obráběním.
• Minimalizuje odpad – Možnost téměř čistého tvaru snižuje ztráty šrotu oproti metalurgii ingotů. Nepoužitý prášek lze recyklovat.
• Nižší spotřeba energie – Práškový proces vyžaduje nižší teplotu a energii než výroba z volně loženého kovu.
• Vlastní slitiny – Mohou být atomizovány specializované kompozice, které se obtížně vyrábějí prostřednictvím ingotů.
• Vysoká čistota – Reaktivní prvky jako titan lze atomizovat s nižší kontaminací než konvenčními postupy.

Omezení atomizace kovového prášku

• Vysoké kapitálové investice potřebné pro atomizační zařízení a systémy pro manipulaci s práškem ve srovnání s hromadným zpracováním kovů.
• K výrobě produktů z prášků jsou zapotřebí další následné procesy, jako je zhutňování, slinování atd. Celková výrobní cesta je složitá.
• Dosažení ultrajemného prášku v nanoměřítku může být náročné a drahé s nižším výkonem.
• Možnost kontaminace při použití atomizace vody, zejména u reaktivních kovů.
• Prášek může adsorbovat kyslík a vlhkost, což vyžaduje ochranné skladování a manipulaci.
• Existují bezpečnostní problémy související s explozemi prachu, nebezpečím požáru a toxicitou pro určité práškové kompozice a morfologie.
• Variabilita vlastností finálních součástí ve srovnání s tvářenými výrobky. Vady související s práškem se mohou projevit po konsolidaci.
• Recyklace a opětovné použití kovového prášku je ve srovnání s hromadnými kovovými formami omezené. Materiál je zlikvidován po 1-2 cyklech opětovného použití.
• Nedostatek průmyslových standardů pro nové kovové prášky o vlastnostech, metodice testování, kontrole kvality a certifikaci vytváří překážky pro přijetí.

Výběr systému atomizace kovového prášku

Výběr správného atomizačního zařízení pro aplikaci závisí na faktorech, jako jsou:

Objem výroby

• Nízká produkce – laboratorní a pilotní atomizéry. Systémy odstředivé nebo tlakové plynové atomizace.
• Střední produkce – Kontinuální atomizéry s výkonem až 3 tuny/hod prášku.
• Vysoká produkce – Zakázkové velkoobjemové systémy s kapacitou přesahující 10 tun/hod.

Práškový materiál

• Nereaktivní kovy jako ocel a slitiny niklu mohou využívat atomizaci vody.
• Slitiny citlivé na vodu, jako je hliník, titan, vyžadují atomizaci inertním plynem.
• Žáruvzdorné kovy jako wolfram vyžadují specializovaná atomizační média a ochranu.

Vlastnosti prášku

• Plynová atomizace pro jemnější prášek pod 30 mikronů s kulovou morfologií.
• Vodní atomizace pro hrubší, nepravidelný prášek pro lisování.
• Specializovaná atomizace pro nanokrystalický nebo amorfní kovový prášek.

Aplikace produktu

• Aditivní výroba využívá velmi jemný prášek s řízenou distribucí částic z atomizace plynu.
• Práškové vstřikování vyžaduje jemný, kulovitý prášek s dobrou tekutostí.
• Tepelné nástřiky vyžadují hustý, sférický prášek, který se dobře balí.

Kapitálové a provozní náklady

• Rozprašování vody má nižší náklady na zařízení a provozní náklady, ale může ohrozit kvalitu prášku.
• Plynová atomizace má 10x vyšší investiční náklady, ale produkuje vynikající prášek. Provozní náklady také vyšší.
• Odstředivá atomizace je ekonomická, ale má omezení velikosti a tvaru.

Integrace rostlin

• Vyžaduje dostatečnou infrastrukturu pro přípravu taveniny, manipulaci s práškem, skladování a přepravu.
• Ochranné systémy pro reaktivní kovy, jako je atmosféra inertního plynu.
• Automatizované kontroly a monitorování dat zlepšují stabilitu procesu.

Přední výrobci kovových práškových atomizérů

Několik společností nabízí standardizované a na zakázku zkonstruované systémy a komponenty pro atomizaci kovového prášku:

Plynové atomizační systémy

• Praxair – lídr na trhu vysokotlakých plynových atomizačních zařízení. Nabídne laboratoř, pilota a systémy měřítka výroby.
• AP&C – Specializuje se na tryskové rozprašovače plynu pro reaktivní a žáruvzdorné kovy. Používá se široce pro titanové a hliníkové prášky.
• ALD Vacuum Technologies – navrhuje vícetryskové rozprašovače plynu pro střední až vysokou produkci. Vlastníkem Oerlikon Metco.

Atomizace vody

• Gasbarre – Nabízí rozprašování vody v těsném spojení a volným pádem pro střední až vysoké objemy.
• Sheffield Atomising Systems – Specializuje se na technologii atomizace vody s volným pádem již více než 50 let.

Odstředivá atomizace

• ABB – hlavní světový poskytovatel zařízení. Laboratoř nabídek k plnému výrobnímu měřítku odstředivé atomizační systémy.
• Ferrum AG – Přední dodavatel horizontálních a vertikálních odstředivých atomizérů se sídlem ve Švýcarsku.

Ultrazvuková atomizace

• Tekna – nabízí systémy ultrazvukového rozprašování plynu založené na jejich patentované technologii indukčního navádění s dvojitým drátem
• Ultramet – Poskytuje speciální ultrazvukové atomizační zařízení s technologií vysokoteplotního zkapalňovače

Jiskrová erozní atomizace

• PyroGenesis – nabízí plazmový atomizační systém (PAS) pro výrobu ultrajemných sférických kovových prášků.
• Plazmové inovace – Dodává atomizační systémy procesem rotující elektrody (REP) jiskrovou erozí.

Analýza nákladů na atomizéry kovového prášku

Cena atomizéru závisí na měřítku, rychlosti výroby, úrovni automatizace a zpracovávaném práškovém materiálu. Typické odhady kapitálových nákladů:

Provozní náklady

• Hlavními náklady jsou energie, práce, údržba, spotřeba inertního plynu.
• Spotřeba energie atomizace plynu je ~500-800 kWh na tunu prášku. Spotřeba plynu 5-10 m3 na kg prášku.
• Spotřeba energie atomizace vody je nižší při ~200-400 kWh na tunu prášku. Ale vyšší pracnost a údržba.
• Spotřeba energie odstředivé atomizace ~300-500 kWh na tunu prášku. Nižší spotřeba inertního plynu.
• Spotřební díly jako trysky, filtrační sáčky vyžadují častou výměnu.

Možnosti snížení nákladů

• Zvýšení objemu výroby a produkce prášku snižuje investiční náklady na kg prášku.
• Vyšší stupeň automatizace a monitorování zvyšuje produktivitu práce.
• Recyklace a opětovné použití procesních plynů, vody a odpadního tepla snižuje provozní náklady.
• Programy preventivní údržby minimalizují prostoje a náklady na údržbu.
• Místní dodávky energií, plynů, vody a doplňkových služeb snižují náklady na logistiku.
• Nákup přestavěných/použitých atomizačních systémů snižuje kapitálové výdaje malých výrobců.

Zařízení pro atomizaci kovového prášku – často kladené otázky

Otázka: Jaký je typický rozsah velikosti částic dosažený při atomizaci plynu?

Odpověď: Plynová atomizace může produkovat prášky o velikosti částic od 1 mikronu do více než 100 mikronů. Typické hodnoty D50 jsou pro většinu slitin 10-45 mikronů. Jemnější prášek pod 10 mikronů je možný s optimalizovanými tryskami a vysokými rychlostmi plynu.

Otázka: Kolik může malý systém rozprašování plynu ročně vyrobit?

Odpověď: Pilotní plynový atomizér s výkonem 10 kg/h běžící 5000 hodin/rok může produkovat ~50 000 kg prášku za rok. Malý výrobní systém s kapacitou 50 kg/h může při plné produkci ročně vyprodukovat ~250 000 kg.

Otázka: Jaké typy kovů lze atomizovat na prášek?

Odpověď: Většina komerčních slitinových systémů byla atomizována, včetně nerezové oceli, nástrojové oceli, niklových slitin, titanových slitin, hliníkových slitin, superslitin, kobaltových slitin atd. Žáruvzdorné kovy jako wolfram, molybden jsou náročné a vyžadují specializované atomizační systémy.

Otázka: Jaká je nejlepší metoda atomizace pro reaktivní kovy, jako je titan?

A: Atomizace plynu inertním plynem, jako je argon nebo dusík, je výhodná pro reaktivní kovy, jako je titan, hliník. To zabraňuje oxidaci a kontaminaci ve srovnání s atomizací vody.

Otázka: Jak jemné lze dosáhnout velikosti částic pomocí ultrazvukové atomizace?

Odpověď: Ultrazvukové plynové atomizéry mohou při optimalizaci vytvářet submikronové a nanoměřítky kovového prášku s průměrnou velikostí pod 100 nanometrů. Ale rychlost výstupu prášku je nízká.

Otázka: Lze kovový prášek po použití v aditivní výrobě recyklovat?

Odpověď: Ano, nepoužitý prášek lze znovu použít v procesech AM. Ale prášek může být recyklován pouze 1-2 krát, než se vlastnosti zhorší. Prášek pak musí být znovu atomizován pro další opětovné použití.

Otázka: Jaký je nejlepší způsob zacházení s jemným reaktivním práškem?

Odpověď: Použijte krabice s inertními rukavicemi, utěsněte nádoby na prášek, vyhněte se vystavení vzduchu/vlhkosti. Některé reaktivní materiály mohou vyžadovat povrchovou úpravu. Vodou atomizovaný hliníkový prášek je obvykle potažen, aby se zabránilo oxidaci.

Otázka: Proč je vysoce čistý inertní plyn důležitý pro atomizaci plynu?

Odpověď: Vysoká čistota minimalizuje kontaminaci. Vlhkost a kyslík mohou oxidovat reaktivní slitiny během atomizace. Trampové plyny se mohou zachytit v prášku, což může způsobit defekty ve vlastnostech konečné součásti.

Otázka: Jak snadné je provádět servis a opravu plynového atomizéru?

A: Rutinní údržba je jednoduchá. Ale větší opravy, jako je výměna trysky, mohou trvat dny a vyžadují personál se specializovaným školením. Dodatečné sestavy trysek by měly být uchovány jako náhradní pro rychlou výměnu.

Otázka: Jaké bezpečnostní problémy existují při výrobě kovového prášku?

Odpověď: Manipulace s jemným práškem vždy představuje riziko výbuchu prachu. Dalšími obavami jsou nebezpečí stlačeného plynu, vysokonapěťová elektřina, zvýšené teploty, manipulace s roztaveným kovem vyžadující ochranné prostředky a školení.

znát více procesů 3D tisku