Systèmes d'atomisation des métaux
Table des matières
L'atomisation du métal est un processus de fabrication où le métal est transformé en poudre en brisant le métal en fusion en minuscules gouttelettes. Cette poudre peut ensuite être utilisée pour fabriquer des pièces par des méthodes telles que le moulage par injection de métal, le pressage isostatique à chaud, la fabrication additive, etc. Systèmes d'atomisation des métaux sont les équipements utilisés pour réaliser ce processus.
Vue d'ensemble des systèmes d'atomisation des métaux
Les systèmes d'atomisation des métaux sont constitués de mécanismes permettant de faire fondre le métal, d'acheminer le métal fondu vers une zone d'atomisation, de briser le métal en fines gouttelettes et de collecter la poudre solidifiée. Les principaux composants sont les fours, les répartiteurs, les mécanismes de distribution, les atomiseurs, les chambres de refroidissement, les séparateurs cycloniques, les filtres à manches et les systèmes de collecte des poudres.
Il existe deux types principaux de systèmes d'atomisation :
- Atomisation au gaz - utilisation d'un gaz à haute pression pour briser le flux de métal en fusion.
- Atomisation à l'eau - utilise de l'eau à haute pression pour briser le métal en fusion.
L'atomisation au gaz produit en moyenne des poudres plus fines, tandis que l'atomisation à l'eau offre des taux de production plus élevés. Les deux méthodes permettent d'obtenir des rendements raisonnablement élevés en fonction des paramètres de conception et de fonctionnement.
systèmes d'atomisation des métaux Composition
| Composant | Description |
|---|---|
| Fourneau | Fait fondre le métal à l'état liquide par induction, combustion, etc. Les types les plus courants sont les fours à induction, les fours à arc électrique. |
| Tundish | Agit comme un réservoir pour retenir le métal en fusion après qu'il ait quitté le four. Fournit un flux continu de métal au système de distribution. |
| Système de livraison | Transfère le métal en fusion du répartiteur à l'atomiseur. Il utilise souvent un entonnoir de coulée, un lavoir chauffé ou une buse sous pression. |
| Atomiseur | Casse le métal en fusion en gouttelettes à l'aide de jets de gaz ou d'eau. Différents modèles et nombres de jets. |
| Section de refroidissement | Permet à la poudre de se solidifier après l'atomisation avant d'être collectée. L'air ou un gaz inerte est utilisé comme moyen de refroidissement. |
| Système de séparation | Capture les fines particules de poudre tout en permettant la recirculation des fluides de refroidissement. Utilise des cyclones, des filtres à manches. |
| Collection de poudres | Collecte la poudre atomisée en vue de sa récupération. Il s'agit souvent de conteneurs à fûts ou à boîtes, de boîtes à gants ou de bandes transporteuses menant à des conteneurs. |
systèmes d'atomisation des métaux Les types
Il existe quelques modèles d'atomiseurs couramment utilisés dans la production commerciale de poudres métalliques :
Atomiseurs de gaz
- Atomiseur de gaz supersonique - Les buses Laval accélèrent les gaz inertes jusqu'à des vitesses soniques.
- Atomiseur à gaz à couplage étroit - Jets de gaz multiples frappant le flux de métal en fusion.
- Atomiseur à gaz à chute libre - Le métal en fusion tombe librement à travers un gaz inerte à grande vitesse.
Atomiseurs d'eau
- Atomiseur à eau sous pression - Des jets d'eau à haute pression frappent le métal en fusion.
- Atomiseur d'eau rotatif - Le métal en fusion entre en contact avec des jets d'eau rotatifs.
- Atomiseur d'eau immergé - Jets d'eau placés sous la surface de la coulée de métal en fusion.
Attributs de l'atomiseur en métal
| Attribut | Description |
|---|---|
| Type de gaz | Les gaz inertes tels que l'azote et l'argon sont utilisés pour prévenir l'oxydation. L'azote est le plus économique. |
| Pression de l'eau | Pression de 30 à 150 MPa nécessaire pour atomiser correctement les métaux. |
| Nombre de jets | Un plus grand nombre de jets augmente l'éclatement du métal mais peut réduire le rendement. Environ 4 à 8 jets sont courants. |
| Disposition des jets | Jets ronds ou rectangulaires recouvrant le métal. Poudre rectangulaire plus uniforme. |
| Vitesse du jet | Des vitesses de gaz inerte plus élevées permettent d'obtenir des poudres plus fines. La vitesse optimale du gaz varie pour chaque métal. |
| Hauteur de chute | Hauteur à laquelle le flux de métal en fusion tombe avant d'atteindre les jets. Affecte la distribution de la taille des particules. |
| Conception des flux | Il est préférable que l'écoulement du métal soit lisse et laminaire afin d'éviter les éclaboussures dans les gouttelettes dès le début. |
| Conception de la buse | Les buses usinées avec précision dans les atomiseurs de gaz sont cruciales pour la performance. |
| Taux de refroidissement | Un refroidissement plus rapide permet d'obtenir des poudres plus fines. Cela dépend de la température du gaz/de l'eau et de la chambre. |
| Efficacité de la séparation | Des taux de séparation plus élevés augmentent le rendement. Les cyclones autoinjectés fonctionnent bien. |
| Méthode de collecte | Les systèmes fermés empêchent l'oxydation des poudres. Les convoyeurs à tambour automatisés sont courants. |
Caractéristiques des poudres métalliques
Les propriétés de la poudre métallique produite dépendent fortement des paramètres et des conditions du processus d'atomisation.
Attributs de la poudre
| Attribut | Gamme typique |
|---|---|
| Forme des particules | Structures irrégulières, sphériques, satellites |
| Taille des particules | 1 micron à 1000 microns |
| Distribution de la taille des particules | Gaussien, log-normal commun |
| Densité apparente | Généralement 30-80% de densité réelle |
| Densité du robinet | Environ 60-95% de densité réelle |
| Débit | Varie fortement en fonction de la forme et de la distribution des tailles |
| La pureté | 93-99.5% gamme cible |
| Teneur en oxygène | Plage de 300 à 3000 ppm |
| Teneur en azote | Plage de 75 à 1500 ppm |
Effet sur les propriétés des pièces
| Attribut de la poudre | Effet sur les pièces frittées/imprimées |
|---|---|
| Taille des particules | Les poudres plus fines augmentent la densité et réduisent les pores. |
| Répartition par taille | Une distribution plus large permet une meilleure densité d'emballage |
| Forme des particules | Les particules sphériques ont un meilleur écoulement et un meilleur conditionnement. |
| Densité apparente | Une densité plus élevée augmente la résistance à l'état vert pour la manutention |
| Densité du robinet | Une densité plus élevée permet de réduire les vides de retrait après le frittage. |
| La pureté | Une plus grande pureté réduit les défauts tels que les inclusions |
| Teneur en oxygène | Au-delà de 3000 ppm, des problèmes de porosité peuvent survenir |
systèmes d'atomisation des métaux Applications
Les poudres métalliques fines obtenues par atomisation sont utilisées dans de nombreuses industries pour fabriquer des pièces de haute performance.
| L'industrie | Exemples d'application |
|---|---|
| Automobile | Composants du moteur, engrenages, fixations |
| Aérospatiale | Aubes de turbines, composants de profils aérodynamiques |
| Biomédical | Implants orthopédiques, outils chirurgicaux |
| Électronique | Blindage, connecteurs, contacts |
| L'énergie | Pièces nucléaires et de turbines soumises à des environnements extrêmes |
| Fabrication additive | Pièces finales imprimées en 3D dans tous les secteurs d'activité |
Systèmes populaires d'atomisation des métaux utilisés
De nombreux alliages sont atomisés sous forme de poudre pour la fabrication de pièces. Voici quelques métaux et alliages couramment atomisés :
| Matériau | Propriétés principales |
|---|---|
| Alliages de titane | Haute résistance, faible poids. Biocompatibilité. |
| Alliages de nickel | Conserve ses propriétés à haute température. Résistance à la corrosion. |
| Alliages de cobalt | Biocompatibilité. Propriétés de résistance à l'usure. |
| Aciers à outils | Niveaux de dureté élevés après traitement thermique. |
| Aciers inoxydables | Excellente résistance à la corrosion. |
| Alliages d'aluminium | Poids léger. Bonne conductivité thermique. |
| Alliages de cuivre | Conductivité thermique et électrique élevée. |
| Alliages magnétiques | Perméabilités élevées pour les applications magnétiques. |
Fournisseurs de poudres métalliques et prix
Il existe un certain nombre de fournisseurs réputés qui fabriquent et distribuent des poudres métalliques dans le monde entier. Les prix dépendent de l'alliage, de la taille des particules et de la quantité commandée.
| Fournisseur | Fourchettes de prix |
|---|---|
| AP&C | $50 - $1500 par kg |
| Sandvik Osprey | $100 - $2000 par kg |
| Produits en poudre pour charpentier | $75 - $1800 par kg |
| Praxair Surface Technologies | $250 - $2500 par kg |
| Höganäs | $45 - $1600 par kg |
| ECKA Granulés | $80 - $1200 par kg |
Les alliages plus performants ou le contrôle plus fin de la distribution de la taille des poudres exigent des prix plus élevés, tandis que les métaux et alliages plus courants sont plus économiques pour les volumes de production.
Atomisation des métaux par rapport à d'autres méthodes
| Méthode | Avantages | Limites |
|---|---|---|
| Atomisation des métaux | - Poudres plus fines - Une plus grande pureté - Gamme d'alliages | - Coûts d'investissement élevés - Nécessite un savoir-faire important en matière de traitement |
| Procédé électrolytique | - Poudres très fines et propres | - Limité aux alliages conducteurs - Coûteux |
| Attrition mécanique | - Simple et peu coûteux - Large gamme de métaux | - Finesse inférieure réalisable - Oxydation plus élevée |
| Précipitation chimique | - Poudres élémentaires et alliées pures | - Problèmes d'agglomération des poudres - Contamination potentielle |
| Pulvérisation thermique | - Peut produire des poudres sphériques | - Inclusions d'oxyde - Large distribution des tailles |
L'atomisation permet d'obtenir des poudres raisonnablement fines et propres dans une large gamme d'alliages, avec de bons volumes de production. Des précautions de sécurité sont nécessaires lors de la manipulation de poudres métalliques fines.
Considérations clés pour la sélection
Les facteurs importants qui guident le choix d'un système d'atomisation des métaux sont les suivants :
| Facteur | Description |
|---|---|
| Taux de production | Production de poudre requise en kg/h. Définit la capacité. |
| Taille des particules cibles | Nécessité de définir la finesse, la distribution. Impact sur le rendement, le coût. |
| Composition de l'alliage | La plupart des systèmes traitent une gamme d'alliages. Cela peut influencer le choix de la méthode de fusion, de l'atomiseur, des pressions de gaz et d'eau. |
| Qualité des produits | Les niveaux de pureté, les limites de ramassage de l'oxygène, les exigences en matière de cohérence de la taille dictent les paramètres. |
| Considérations relatives à la manutention | Il est préférable de manipuler les poudres en circuit fermé. Certains métaux présentent des risques pour la santé. |
| Utilisation finale de la poudre | Exigences en matière de propriétés des pièces - densité/porosité, fluidité, facteurs de forme. |
| Les coûts d'exploitation | les coûts des services publics pour la fonte, les gaz, l'eau Frais de main-d'œuvre et d'entretien. |
| Sécurité | Les récipients sous pression pour les liquides/gaz nécessitent une conformité réglementaire spécifique. |
| Impact sur l'environnement | Les émissions de gaz et les considérations relatives à l'utilisation et à l'élimination de l'eau s'appliquent. |
Il est nécessaire de déterminer avec soin les exigences de débit, les mesures de qualité, les conditions de fonctionnement, les paramètres de sécurité et les coûts en fonction des exigences de la pièce finale.
systèmes d'atomisation des métaux Maintenance
Un entretien adéquat est nécessaire pour que l'équipement d'atomisation fonctionne de manière optimale.
| Composant | Activités de maintenance | Fréquence |
|---|---|---|
| Fourneau | Inspecter le réfractaire et les éléments chauffants. Remplacer si nécessaire. | 6-12 mois |
| Buses | Inspecter les ouvertures du jet de la buse pour vérifier qu'il n'y a pas d'usure ou de colmatage. | Mensuel |
| Filtres et conduites d'eau | Rincer les conduites et remplacer les filtres régulièrement. | 2-4 semaines |
| Conduites et vannes de gaz | Vérifier l'absence de fuites et de blocages. Confirmer les pressions. | 2-4 semaines |
| Séparateurs | Inspecter l'état et les joints du média filtrant. | 4-6 mois |
| Contrôles et capteurs | Vérifier l'étalonnage. Tester les verrouillages et les réponses. | 6-12 mois |
| Collecteur de poudre | Inspecter l'état et l'étanchéité des conteneurs. Confirmer les niveaux de gaz inerte pour les systèmes fermés. | Mensuel |
| Intérieur des systèmes | Poussières métalliques accumulées et propres sur l'ensemble du site. Plus fréquents à proximité des voies d'écoulement des métaux. | Mensuel |
La surveillance détaillée des équipements et la maintenance préventive et prédictive minimisent les interruptions imprévues de la production.
FAQ
Q : Quel est le niveau d'automatisation et de contrôle approprié pour les systèmes d'atomisation des métaux ?
R : Un degré élevé d'automatisation dans l'alimentation des matériaux, la surveillance et le contrôle du processus est recommandé pour une production de poudre constante et sûre. Les variables clés du processus, telles que les températures, les pressions et les débits de gaz, doivent être contrôlées automatiquement par rétroaction. La surveillance du système, le réglage des paramètres et le mode de fonctionnement manuel restent prudents.
Q : Comment déterminer si la pulvérisation de gaz ou la pulvérisation d'eau est préférable pour une application ?
R : L'atomisation à l'eau offre des débits de métal beaucoup plus élevés que l'atomisation au gaz. Mais l'atomisation au gaz permet d'obtenir des poudres de taille moyenne plus fine, adaptées aux pièces microstructurées. Pour les poudres MIM typiques de plus de 15 microns, l'atomisation à l'eau est préférable pour des raisons d'économie.
Q : Quelles sont les mesures de sécurité recommandées pour l'utilisation des systèmes d'atomisation ?
R : Il est obligatoire de porter un équipement de protection personnel adéquat pour manipuler les systèmes à haute pression et les poudres fines. Les systèmes d'atomisation de l'eau doivent être équipés de protections contre les éclaboussures. La manipulation de poudres en circuit fermé avec des boîtes à gants à gaz inerte et des collecteurs de poudres automatisés améliore la sécurité. Les verrouillages, les restrictions d'accès et les arrêts d'urgence sont essentiels.
Q : Quelles sont les causes des problèmes courants de production de poudre lors de l'atomisation ?
R : La taille irrégulière des poudres et les particules satellites sont souvent dues à des flux de métal incontrôlés. La contamination peut résulter de l'usure des buses, de la dégradation du média filtrant ou de fuites. L'encrassement des chambres et des séparateurs dû aux débordements réduit le rendement au fil du temps. La surveillance et l'optimisation des paramètres de flux sont essentielles.
Q : Quelles sont les compétences requises pour utiliser efficacement les systèmes d'atomisation ?
R : Bien que l'automatisation des contrôles réduise la charge manuelle, des ingénieurs formés en métallurgie ou en science des matériaux et familiarisés avec la production de poudres sont idéaux pour superviser l'équipement. Des ingénieurs en mécanique et en électricité sont nécessaires pour la maintenance et le dépannage. Les opérateurs doivent recevoir une formation adéquate à la manipulation des poudres métalliques.
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