Výroba kovového prášku

Přehled

Kovové prášky jsou jemné kovové částice, které se používají jako vstupní surovina pro výrobní techniky, jako je aditivní výroba, vstřikování kovů a lisování a slinování v práškové metalurgii. Výroba pokročilých speciálních kovových prášků s přesnou kontrolou chemického složení, distribuce velikosti částic, morfologie a mikrostruktury má zásadní význam pro vlastnosti hotových součástí.

Pro velkoobjemovou výrobu kovového prášku z různých systémů slitin se používají různé metody, včetně:

• Rozprašování plynu
• Rozprašování vody
• Plazmová atomizace
• Indukční tavení elektrod a rozprašování plynu
• Proces rotační elektrody
• Karbonylový proces
• Elektrolytický proces
• Procesy redukce kovů

Výsledkem každého procesu jsou prášky s různými vlastnostmi vhodnými pro konkrétní aplikace.

Způsoby výroby kovového prášku

Metoda	Použité kovy	Klíčové vlastnosti	Hlavní aplikace
Atomizace plynu	Titan, hliník, nerezová ocel, nástrojová ocel, superslitiny	Sférické prášky, střední rychlost výroby	Vstřikování kovů, izostatické lisování za tepla
Atomizace vody	Nízkolegovaná ocel, železo, měď	Nepravidelné tvary prášku, vyšší obsah kyslíku	Proces lisování a spékání
Plazmová atomizace	Slitiny titanu, superslitiny	Velmi jemné sférické prášky	Aditivní výroba
Rotační elektroda	Wolfram, molybden, tantal	Řízená struktura zrna	Vlákna, řezné nástroje
Karbonylový proces	Železo, nikl, kobalt	Ultrajemné prášky vysoké čistoty	Elektronické součástky, magnety
Elektrolytické	Měď, nikl	Morfologie dendritických vloček	Povrchové nátěry

Kovový prášek Výrobní metody

Pro výrobu kovových prášků z různých systémů slitin se používá řada komerčních metod. Volba výrobní metody závisí na faktorech, jako jsou:

• Typ materiálu slitiny
• Požadavky na čistotu
• Požadované vlastnosti prášku, jako je velikost částic, tvar, struktura zrn.
• Rozsah výroby v tunách za rok
• Konečné použití prášku

Zde jsou uvedeny některé z nejběžnějších průmyslových procesů výroby kovového prášku:

Proces atomizace plynu

Při plynové atomizaci se proud roztavené kovové slitiny rozkládá vysokotlakými proudy plynu, obvykle dusíku nebo argonu. Proud kovu se rozpadá na jemné kapičky, které tuhnou na částice prášku.

Plynem atomizované prášky mají kulovitý tvar a hladkou morfologii povrchu. Distribuci velikosti částic lze řídit nastavením procesních parametrů. Jedná se o široce používanou techniku pro reaktivní materiály, jako je titan, hliník, hořčíkové slitiny, ale i nerezové oceli, nástrojové oceli a niklové superslitiny.

Parametr	Popis
Použité kovy	Slitiny titanu, hliníku, hořčíku, nerezové oceli, nástrojové oceli, superslitin
Tvar částic	Sférická morfologie
Velikost částic	Typicky 50 - 150 μm
Čistota	Vysoký obsah inertního plynu zabraňuje kontaminaci
Vyzvednutí kyslíku	Minimální ve srovnání s atomizací kapalného kovu
Rozsah výroby	Až 10 000 tun ročně

Atomizace vody

Při vodní atomizaci je proud roztaveného kovu zasažen vodním paprskem o vysoké rychlosti. Náhlé ochlazení způsobí explozi, která rozbije kov na jemné částice. Prášky mají nepravidelný tvar a obsahují vyšší obsah kyslíku z kontaktu s vodou.

Vodní atomizace je levnější proces používaný pro výrobu velkých objemů nerezové oceli, legované oceli, železa a měděného prášku pro lisování a slinování.

Parametr	Popis
Použité kovy	Uhlíkové oceli, nízkolegované oceli, nerezové oceli, měď, železný prášek
Tvar částic	Nepravidelná morfologie způsobená explozivním rozpadem vody
Velikost částic	10 - 300 μm typicky
Čistota	Nižší, kontakt s vodou zvyšuje hladinu kyslíku o 200-500 ppm.
Rozsah výroby	Velmi vysoký, více než 50 000 tun ročně

Proces plazmové atomizace

Při plazmové atomizaci se k roztavení kovové slitiny před rozpadem na jemné kapičky pomocí proudů plynu používá plazmový hořák. Velmi vysoké teploty umožňují úspěšnou atomizaci vysoce reaktivních prvků, jako jsou například aluminidy titanu.

Prášky mají velmi kulovitý tvar a úzkou distribuci velikosti vhodnou pro aditivní výrobní metody, jako je tavení laserem a tavení elektronovým svazkem.

Parametr	Popis
Použité kovy	Slitiny titanu, superslitiny niklu, aluminidy titanu
Tvar částic	Vysoce sférický
Velikost částic	Typicky 15 - 45 μm
Čistota	Velmi vysoká čistota díky tavení v inertní atmosféře
Rozsah výroby	Nižší, asi 100 - 1000 tun ročně

Proces rotačních elektrod (REP)

Při procesu s rotující elektrodou se válcová kovová elektroda otáčí vysokou rychlostí v evakuované komoře. Ta se taví pomocí elektrického oblouku a kapičky roztaveného kovu, které jsou odstředivými silami odlétávány, se ochlazují a vytvářejí prášek.

Prášky REP mají ideální strukturu a morfologii zrn pro vytlačování za tepla do jemných drátů a tyčí pro letecké slitiny, jako je wolfram, molybden a tantal.

Parametr	Popis
Použité kovy	Wolfram, molybden, tantal
Tvar částic	Nepravidelná, kontrolovaná mikrostruktura
Velikost částic	Typicky 45 - 150 μm
Čistota	Velmi vysoká ze zpracování ve vakuu
Rozsah výroby	Malé objemy prášků s vysokou hodnotou

Elektrodová indukční atomizace plynem (EIGA)

Proces EIGA využívá indukční ohřev k tavení spotřebních elektrodových hrotů v atmosféře inertního plynu. Kapky jsou sekundárně rozprašovány argonovými tryskami na jemný sférický prášek.

EIGA umožňuje velmi vysokou čistotu reaktivních niklových superslitin pro kritické letecké komponenty díky řízenému tavení a minimalizaci kontaminace.

Parametr	Popis
Použité kovy	Superslitiny niklu, aluminidy titanu
Tvar částic	Sférické
Velikost částic	15 - 53 μm typicky
Čistota	Extrémně vysoký, přizpůsobený pro kritické slitiny
Rozsah výroby	Výzkum a vývoj/prototypování až po středně velké objemy

Karbonylový proces

Při karbonylovém procesu se kov přeměňuje na těkavý karbonyl, který se za řízených podmínek rozkládá za vzniku rovnoměrných, velmi jemných kovových částic. Tento postup je vhodný pro výrobu vysoce čistých prášků železa, niklu a kobaltu.

Parametr	Popis
Použité kovy	Železo, nikl, kobalt
Tvar částic	Sférické až polyedrické
Velikost částic	Typicky 1 - 10 μm
Čistota	Extrémně vysoká čistota 99,9%+
Rozsah výroby	Až 30 000 tun ročně

Další metody výroby prášku

Mezi další techniky používané pro výrobu speciálních kovových prášků patří:

• Elektrolytický proces: Používá se k výrobě měděných a niklových prášků nepravidelného tvaru s dendritickou morfologií procesem elektrodepozice.
• Procesy redukce kovů: Redukce oxidů kovů pomocí vodíku nebo uhlíku za účelem výroby prášků titanu, zirkonia, wolframu a molybdenu.
• Mechanické legování: Vysokoenergetické kulové mletí pro syntézu kompozitních a nanostrukturních slitin

Kovový prášek Specifikace

Kritické atributy kvality a specifikace testované u kovových prášků závisí na způsobu výroby a konečném použití, ale obvykle zahrnují:

Chemie prášků

• Složení slitiny pomocí optické emisní nebo rentgenové fluorescenční spektroskopie
• Drobné legující prvky
• Příměsové prvky jako kyslík, dusík, vodík
• Zkouška ztráty žíháním při vysoké teplotě

Distribuce velikosti částic

• Objemová střední velikost částic
• Šířky rozdělení jako D10, D50, D90

Charakterizace tvaru částic

• Skenovací elektronová mikroskopie pro morfologii
• Tvarové faktory, jako je poměr stran a tvarový faktor

Mikrostruktura

• Přítomné fáze pomocí rentgenové difrakce
• Charakteristiky zrna ze zobrazování

Vlastnosti prášku

• Zdánlivá hustota/hustota odběru
• Průtokové rychlosti při zkouškách nálevkou Hallova průtokoměru
• Úrovně stlačitelnosti

Požadavky na specifikace prášků se značně liší v závislosti na konečném použití v různých aplikacích:

Parametr	Vstřikování kovů (MIM)	Aditivní výroba	Lisování a spékání
Rozsah velikosti částic	3 - 25 μm	15 - 45 μm	150 - 300 μm
Poměr stran	1 - 1,25 přednostně	<1,5 sférického	Není kritické
Hladiny kyslíku	<1000 ppm	<500 ppm	2000 - 4000 ppm
Zdánlivá hustota	>2,5 g/cm3	>2,8 g/cm3	2 - 3 g/cm3
Hallův průtok	15 - 35 s/50 g	25 - 35 s/50 g	>12 s/50g

Metody charakterizace

Existuje několik analytických metod, které se používají k charakterizaci vlastností kovových prášků nezbytných pro výkonnost výrobku:

Analýza velikosti částic

K charakterizaci distribuce velikosti částic se nejčastěji používají metody laserové difrakce. Při této technice prochází laserový paprsek rozptýleným vzorkem prášku, který rozptyluje světlo pod úhlem závislým na velikosti částic. Počítačová analýza difrakčního obrazce poskytuje během několika sekund podrobné statisticky relevantní údaje o distribuci velikosti.

Morfologie a zobrazování povrchu

Rastrovací elektronová mikroskopie (SEM) poskytuje snímky tvaru částic prášku, topografie povrchu a vlastností s vysokým rozlišením při mnohem větším zvětšení a hloubce ostrosti než optická mikroskopie.

Zobrazení SEM se používá ke studiu zaoblení částic, tvorby satelitů, hladkosti povrchu a defektů, jako je pórovitost.

Měření hustoty a průtokových vlastností

Byly zavedeny standardní zkušební metody pro kvantifikaci objemového chování pomocí:

• Hallův průtokoměrný trychtýř k měření průtoku prášku clonou
• Carneyho trychtýř k posouzení průtočnosti podle úhlu sklonu
• Scottův volumetr pro stanovení hustoty a stlačitelnosti kohoutku

Tyto metody pomáhají předvídat snadnou manipulaci, míchání, plnění a roztírání při výrobě komponent.

Rentgenové metody pro stanovení složení a krystalové struktury

• Rentgenová fluorescenční spektroskopie přesně identifikuje a kvantifikuje prvkové složení kovů.
• Rentgenová difrakce analyzuje uspořádání atomů a přítomné fáze pomocí difrakčních píků.

Použití kovových prášků

Mezi hlavní konečná použití technických kovových prášků patří:

Aditivní výroba

Známé jsou také techniky 3D tisku, jako je selektivní laserové tavení (SLM), přímé laserové spékání kovů (DMLS) a tavení elektronovým svazkem (EBM), které umožňují vytvářet složité geometrie z titanu, hliníku, nerezové oceli, superslitin a kobalt-chromových prášků.

Vstřikování kovů (MIM)

Prášky, jako jsou nerezové oceli, titanové slitiny a nástrojové oceli, se kombinují s pojivem, vstřikují se a následně se spékají, aby bylo možné vyrábět malé, složité díly ve velkých objemech při nižších nákladech.

Práškové metalurgické lisy a spékače

Zhutňování a spékání prášků ze železa, mědi a legované oceli do velkoobjemových součástí, jako jsou ozubená kola, pouzdra a magnety.

aplikace	Použité kovy	Klíčové potřeby nemovitostí
Aditivní výroba	Slitiny titanu, superslitiny niklu, hliník, nástrojová ocel, nerezová ocel, kobalt-chrom.	Sférická morfologie Dobrá tekutost Vysoká čistota
Vstřikování kovů	Nerezová ocel, titan, nástrojová ocel, těžké slitiny wolframu	Jemný prášek <25 μm Dobrá hustota balení
Lisování a spékání	Železo, ocel, nerezová ocel, měď	Nákladově efektivní práškové mazací nátěry

Existují také specifické aplikace v oblastech, jako je svařování, diamantové nástroje, elektronika a povrchové úpravy, které využívají speciální kovové prášky.

Dodavatelé a ceny

Mezi přední světové dodavatele různých kovových prášků patří:

Společnost	Výrobní metody	Materiály
Sandvik Osprey	Rozprašování plynu	Slitiny titanu, hliníku a niklu
AP&C	Plazmová atomizace	Aluminidy titanu, superslitiny
Tesařská technologie	Rozprašování plynu, vody	Nástrojové oceli, nerezové oceli, slitiny
Höganäs	Rozprašování vody	Železo, nerezové oceli
JFE Steel	Rozprašování vody	Prášky z nerezové oceli
Rio Tinto	Hliníkový prášek	Karbonyl niklu a železa

Ceny kovových prášků se značně liší podle:

• Materiál a složení slitiny
• Použitá výrobní metoda
• Zpracování pro dosažení vlastností částic
• Úrovně čistoty a stupeň kontaminace
• Objem nákupu - smlouvy s velmi vysokým objemem přinášejí nižší ceny.

Typické základní ceny za kilogram jsou:

Materiál	Odhad ceny
Nerezová ocel 316L	$12 - $30 na kg
Hliník AlSi10Mg	$15 - $45 na kg
Titan Ti-6Al-4V	$80 - $220 za kg
Niklová superslitina Inconel 718	$90 - $250 za kg
Speciální slitiny pro AM	$250 - $1000 za kg

Ceny se výrazně zvyšují v případě vysoce přizpůsobených distribucí velikosti částic, kontrolovaných hladin kyslíku a dusíku pod 100 ppm a nákupů malých šarží.

Výhody a omezení práškové metalurgie

Výhody práškové metalurgie

• Možnost výroby složitých geometrií, které není možné vyrobit odléváním nebo obráběním.
• Výroba téměř síťového tvaru snižuje množství materiálového odpadu
• Lze použít kovy a slitiny s vyššími parametry.
• Konzistentní struktura pórovitosti, která není v metalurgii slitků možná.
• Komponenty lze hromadně přizpůsobit

Omezení výroby a zpracování prášku

• Kapitálové investice do výrobního a manipulačního zařízení jsou velmi vysoké.
• Zvýšená plocha povrchu činí manipulaci s pyroforickými reaktivními prášky riskantní.
• Dosažení vysoké hustoty zhutnění může vyžadovat vysoké tlaky.
• Další kroky procesu ve srovnání s odléváním
• Přenositelnost AM strojů díky prášku LO/NO

Zde je stručné srovnání práškové metalurgie s konvenčním procesem odlévání:

Parametr	Prášková metalurgie	Casting
Složité tvary	✅ Vynikající pro vrstvené sestavy AM	Omezeno pro typické odlitky
Mechanické vlastnosti	Může se přiblížit vlastnostem odlitku po izostatickém lisování za tepla	✅ Předvídatelné vlastnosti
Doba cyklu	Pomalejší proces u metod AM	✅ Rychlejší pro sériovou výrobu
Rozměrová přesnost	Různé, závisí na následném zpracování	Velmi dobré pro přesné investiční odlitky
Náklady na vybavení	Velmi vysoká pro průmyslové stroje AM	✅ Nižší investiční náklady
Typy kovů	Neustále se rozšiřující možnosti	✅ Nejširší výběr

Nejčastější dotazy

Otázka: Jaký je typický rozsah velikosti částic používaných v kovových 3D tiskových prášcích?

Odpověď: U technologií s práškovým ložem, jako je selektivní laserové tavení (SLM) a tavení elektronovým svazkem (EBM), je optimální velikost částic v rozmezí 15-45 mikronů. Jemnější prášky zlepšují rozlišení, ale mohou být náročné na manipulaci a zpracování.

Otázka: Co určuje morfologii kovových prášků z různých metod?

Odpověď: Tvar částic určují výrobní faktory, jako je intenzita rozkladných sil proudu taveniny způsobených proudy plynu nebo nárazy vody, a následná rychlost chlazení. Rychlejší chlazení vytváří nepravidelné, dendritické částice, zatímco pomalejší tuhnutí (sférická atomizace) umožňuje hladké zaoblené struktury.

Otázka: Proč je pro kovové prášky v aditivní výrobě důležitá vysoká čistota?

Odpověď: Nečistoty mohou způsobovat vady, problémy s pórovitostí, měnit mikrostrukturu slitiny, snižovat hustotu, ovlivňovat výkon při zatížení a teplotách - negativně ovlivňovat mechanické vlastnosti. Typickými se staly cílové hodnoty kyslíku pod 500 ppm a dusíku pod 100 ppm.

Otázka: Jak se bezpečně zachází s kovovými prášky při přepravě a skladování?

Odpověď: Reaktivní kovové prášky jsou pasivovány, aby se vytvořil oxidovaný povrch minimalizující riziko vznícení. Prášky jsou během přepravy uzavřeny v sudech pod inertními plyny, jako je argon, namísto vzduchu, aby se zabránilo vznícení. Skladovací nádoby musí být řádně uzemněny. Personál při manipulaci nosí specializované osobní ochranné pomůcky.

Otázka: Jaké jsou běžné metody charakterizace prášku?

Odpověď: Hallova průtokoměrná analýza, testy hustoty odboček, pyknometrie, testování LOI, spektrografická analýza, metalografie a distribuce velikosti částic pomocí laserových nebo sítových technik jsou zásadní pro kvantifikaci chování, vytvoření řízení kvality procesu výroby kovových prášků a posouzení vhodnosti šarže pro dané aplikace.

znát více procesů 3D tisku

Additional FAQs about Metal Powder (5)

1) What factors most influence powder flowability across production methods?

• Particle shape/sphericity, surface roughness/satellites, PSD span (D90–D10), moisture/oxide films, and lubricant coatings. Gas/plasma/EIGA powders typically flow better than water-atomized due to higher sphericity and lower surface oxides.

2) How should refresh rates be set for AM metal powders?

• Monitor O/N/H, PSD tails, and flow/tap density per reuse. Typical refresh is 10–30% virgin powder per build for steels/Ni; tighter for Al/Ti. Establish go/no‑go limits via DoE linking powder metrics to part density and defects.

3) When is carbonyl powder preferred over atomized powder?

• Carbonyl Fe/Ni/Co offers ultrafine, high‑purity particles (1–10 μm) for MIM, magnetic alloys, and electronic pastes. It’s less suitable for LPBF without conditioning due to poor flow and high surface area.

4) What CoA data should buyers require for critical applications?

• Chemistry with interstitials (O/N/H), PSD (D10/D50/D90 and span) per ISO 13320/ASTM B822, shape metrics (DIA sphericity/aspect ratio), Hall/Carney flow, apparent/tap density (ASTM B212/B527), moisture/LOI, inclusion/contamination screens, and lot genealogy.

5) How do you select between gas and water atomization for a given alloy?

• Match process to application tolerance for shape/oxygen: LPBF/DED typically need gas/plasma/EIGA for sphericity/cleanliness; press‑and‑sinter and some BJ/MIM applications often leverage water‑atomized powders for cost with acceptable performance.

2025 Industry Trends in Metal Powder Production

• Inline process control: Atomizers integrate laser diffraction + dynamic image analysis for real‑time PSD/shape feedback and closed‑loop nozzle/gas adjustments.
• Sustainability and cost: Argon recovery, closed‑loop water, and heat recuperation reduce CO2e/kg and stabilize pricing; more Environmental Product Declarations (EPDs) published.
• BJ and soft‑magnetic growth: Binder jetting expands with Fe‑Si, 17‑4PH, and Cu powders; demand for low‑loss soft magnetics increases for e‑mobility.
• Cleanliness push: EIGA/vacuum GA adoption rises for reactive alloys (Ti, Al, Ni superalloys) to meet lower O/N/H targets and improve AM yield.
• Regional capacity: New GA/WA lines in NA/EU/India shorten lead times and reduce price volatility for 316L, IN718, and AlSi10Mg.

2025 snapshot: key metal powder metrics and market indicators

Metrický	2023	2024	2025 YTD	Notes/Sources
CoAs including DIA shape metrics (%)	40-50	55–65	65–75	Supplier datasheets, OEM specs
Argon recovery adoption at GA/PA plants (%)	25–35	35–45	45–55	ESG/EPD reports
Typical LPBF PSD window (μm, steels)	20–63	15–53	15–45	Narrowing for density/flow
Average O (wt%) in GA 316L AM grade	0.035–0.05	0.030–0.045	0.025–0.040	LECO trends
Lead time, standard GA 316L (weeks)	6–10	5-8	4–7	Capacity additions
Cost delta, GA vs WA 316L (USD/kg)	+12–20	+10–18	+10–15	GA premium persists

References: ISO 13320; ASTM B822/B212/B527; ISO/ASTM 52907 (feedstock); ASTM E1019/E1409 (O/N/H); ASM Handbook; industry ESG/EPD reports: https://www.astm.org, https://www.iso.org

Latest Research Cases

Case Study 1: Real‑Time PSD Control in Gas Atomization for 316L (2025)
Background: A producer saw wide PSD tails causing LPBF recoater streaks and porosity.
Solution: Installed at‑line laser diffraction + DIA feeding closed‑loop control of gas pressure/nozzle ΔP and melt flow; added fines bleed‑off.
Results: PSD span reduced 18%; >63 μm tail cut 60%; LPBF relative density improved from 99.3% to 99.7%; scrap −22%; throughput +8%.

Case Study 2: Water‑Atomized 17‑4PH Conditioning for Binder Jetting (2024)
Background: Service bureau struggled with green density variability and sinter distortion.
Solution: Mechanical spheroidization, fines trimming (<10 μm), and H2 anneal reduced O from 0.18% to 0.09%; tuned PSD to 8/17/30 μm (D10/50/90).
Results: Green density +6.5%; sintered density 97.8% → 99.1%; dimensional scatter (3σ) −42%; surface Ra after sinter/HIP improved from 12.5 to 7.6 μm.

Názory odborníků

• Prof. Iain Todd, Professor of Metallurgy and Materials Processing, University of Sheffield
  Key viewpoint: “Powder flow and density are predicted best when PSD is paired with shape analytics—essential for linking atomization settings to AM yield.”
• Dr. Ellen Meeks, VP Process Engineering, Desktop Metal
  Key viewpoint: “For Binder Jetting, controlling fines and furnace atmosphere is pivotal; small shifts in <10 μm content drive shrinkage and density outcomes.”
• Marco Cusin, Head of Additive Manufacturing, GKN Powder Metallurgy
  Key viewpoint: “Production capability comes from stable powders, calibrated debind/sinter, and closed‑loop compensation—not just faster printers.”

Citations: University and OEM technical briefs; standards bodies: https://www.astm.org, https://www.iso.org

Practical Tools and Resources

• Standards and QA:
• ISO/ASTM 52907 (feedstock requirements), ASTM B822 (PSD), ASTM B212/B213 (apparent density/flow), ASTM B527 (tap density), ASTM E1019/E1409 (O/N/H)
• Measurement and analytics:
• Dynamic image analysis for sphericity/aspect ratio; laser diffraction per ISO 13320; CT per ASTM E1441 for AM coupons; LECO analyzers for interstitials
• Řízení procesu:
• Atomizer control guides (nozzle/gas pressure), sieving/conditioning SOPs, powder reuse tracking templates (O2/fines/flow), furnace dew point monitoring
• Databases/handbooks:
• ASM Handbook (Powder Metallurgy), MPIF publications, OEM AM powder specifications and qualification guides
• Udržitelnost:
• ISO 14001 frameworks; EPD templates; best practices for closed‑loop water systems and argon recovery

Notes on reliability and sourcing: Specify alloy grade and tolerances, PSD (D10/D50/D90 and span), shape metrics, O/N/H limits, and flow/density targets on purchase orders. Qualify each lot with print or sinter coupons. Store powders under inert, desiccated conditions and track reuse cycles. Match powder characteristics to the process (LPBF, BJ, MIM, press‑sinter) to minimize variability and defects.

Last updated: 2025-10-15
Changelog: Added 5 targeted FAQs, a 2025 trends/data table, two concise case studies, expert viewpoints, and practical standards/resources tailored to Metal Powder production and applications
Next review date & triggers: 2026-02-15 or earlier if ISO/ASTM update feedstock/QA standards, major OEMs revise powder CoA requirements, or new inline QC methods materially change PSD/shape control practices