Atomizacja proszków metali

Atomizacja proszków metali jest kluczową technologią wytwarzania drobnych proszków metalicznych o specjalistycznych właściwościach. Niniejszy przewodnik obejmuje podstawy, metody, zastosowania i komercyjny krajobraz atomizacji proszków metali.

Czym jest atomizacja proszków metali?

Atomizacja proszków metali odnosi się do procesów przemysłowych, które zamieniają stopione stopy metali w drobne kropelki cieczy, szybko zestalając je w cząstki proszku.

Obejmuje ona:

• Topienie metali do stanu ciekłego
• Generowanie strumienia stopionego metalu
• Rozbicie metalu na dyskretne kropelki
• Zestalanie kropelek w proszek
• Zbieranie i przesiewanie proszku

Atomizacja jest wykorzystywana do produkcji proszków metali o unikalnym składzie, rozmiarach, kształtach i mikrostrukturach odpowiednich do zaawansowanych zastosowań.

Kluczowe korzyści z atomizacji

• Niestandardowe kompozycje stopów
• Kontrolowane rozmiary cząstek
• Kuliste kształty proszku
• Wolna od wad metalurgia proszków
• Nowe mikrostruktury
• Niestandardowe właściwości proszku

Typowe materiały wytwarzane w procesie atomizacji obejmują różne systemy stopów:

• Stale nierdzewne
• Stale narzędziowe
• Stopy kobaltu
• Stopy niklu
• Stopy tytanu
• Stopy wolframu
• Metale szlachetne

Metody atomizacji proszków metali

Istnieje 5 głównych komercyjnych technik atomizacji:

Atomizacja gazu

• Wykorzystuje strumienie gazu obojętnego pod ciśnieniem
• Popularne gazy: Azot, argon, hel
• Wytwarza sferyczne, gładkie proszki

Atomizacja wody

• Wykorzystuje strumienie wody pod wysokim ciśnieniem
• Niższe prędkości chłodzenia niż w przypadku gazu
• Nieregularne kształty proszku

Atomizacja odśrodkowa

• Stopiony metal wylany na wirujący dysk
• Ekonomiczna produkcja proszku
• Średnie szybkości chłodzenia

Atomizacja ultradźwiękowa

• Wykorzystuje wibracje ultradźwiękowe
• Specjalistyczna metoda laboratoryjna
• Produkcja nanocząstek

Topienie indukcyjne elektrodą

• Odparowanie elektrody w gazie obojętnym
• Ograniczone zastosowania niszowe
• Niższa produktywność

Porównanie metod rozpylania

Atomizacja proszków metali Proces

Komercyjna atomizacja proszków metali obejmuje szereg ściśle kontrolowanych etapów w atmosferze obojętnej:

1. Wybór surowców

• Czyste metale lub stopy wzorcowe

2. Topienie

• Próżniowe topienie indukcyjne do 2000°C
• Precyzyjne dane wejściowe dotyczące składu chemicznego stopu

3. Atomizacja

• Wlewanie stopionego metalu do strefy rozpylania
• Rozbijanie strumienia metalu na kropelki
• Hartowanie i krzepnięcie kropel

4. Kolekcja proszków

• Komora osadcza do zbierania proszku
• Separatory cyklonowe

5. Przesiewanie

• Klasyfikacja proszku na frakcje wielkości
• Dalsze wyżarzanie w razie potrzeby

6. Kontrola jakości

• Pobieranie próbek i testowanie zgodnie z normami
• Pakowanie i wysyłka

Środowisko produkcyjne nie może być zanieczyszczone tlenem ani wilgocią. Parametry operacyjne, takie jak profile temperatury, ciśnienia gazu i dynamika przepływu są ściśle monitorowane.

Zastosowania atomizacji proszków metali

Niektóre z głównych zastosowań wykorzystujących rozpylony proszek metalowy to:

Wytwarzanie przyrostowe

• Selektywne topienie laserowe
• Rozpylanie spoiwa
• Topienie wiązką elektronów

Formowanie wtryskowe metali

Powłoki natryskiwane cieplnie

Tłoczenie izostatyczne na gorąco

Materiały do lutowania

Katalizatory

Metalurgia proszków

• Narzędzia do tłoczenia i spiekania
• Części o wysokiej wydajności
• Struktury porowate
• Miękkie kompozyty magnetyczne

Rozpylony proszek umożliwia stosowanie nowych technologii, takich jak produkcja addytywna w różnych branżach:

Materiały do rozpylania proszków metali

Wiele systemów stopów i rodzajów materiałów jest przetwarzanych poprzez atomizację:

Stale nierdzewne

• Gatunki austenityczne, takie jak 304, 316, 317
• Gatunki ferrytyczne i martenzytyczne
• Dostępne kompozycje niestandardowe

Stale narzędziowe

• Klasy H13, P20, D2, M2
• Wysoka odporność na zużycie
• Wysoka twardość po obróbce cieplnej

Stopy kobaltu

• Biomedyczne stopy CoCrMo
• Odporne na zużycie stopy StelliteTM

Stopy niklu

• Stopy odporne na korozję, takie jak Inconel 625
• Nadstopy odporne na wysoką temperaturę

Stopy tytanu

• Tytan Ti6Al4V klasy 5
• Komercyjnie czysty tytan

Metale ogniotrwałe

• Niob, molibden, wolfram
• Bardzo wysokie temperatury topnienia

Atomizacja proszków metali: Specyfikacje

Krytyczne specyfikacje dla rozpylanych proszków metali obejmują:

Rozkład wielkości cząstek

• Zazwyczaj od 10 do 150 mikronów
• Metoda aplikacji dyktuje idealny rozmiar
• Przesiewanie klasyfikuje pożądane frakcje

Kształt cząsteczki

• Sferyczne, gładkie morfologie
• Zagęszczanie udarowe, płynność

Chemia

• Precyzyjnie wymieszane kompozycje
• Niestandardowe stopy zaprojektowane pod kątem właściwości

Gęstość

• Teoretyczna gęstość do 98%
• Modelowanie optymalizacji gęstości

Powierzchnia

• Stosunkowo duża powierzchnia
• Wpływa na reaktywność, rozpuszczalność

Mikrostruktura

• Kontrolowane rozmiary ziarna i fazy
• Dynamika szybkiego krzepnięcia

Analiza kosztów atomizacji proszków metali

Atomizowany proszek metalowy jest droższy niż konwencjonalne surowce ze względu na specjalistyczne przetwarzanie:

• Produkcja małoseryjna
• Kompleksowa kontrola jakości
• Kroki obsługi ręcznej
• Konserwacja sprzętu
• Materiały eksploatacyjne i energia
• Zwrot kosztów badań i rozwoju

Czynniki wpływające na koszty:

• Koszty surowców metalowych
• Zgodność jakościowa
• Wielkość zamówienia
• Wielkość cząstek
• Stopy egzotyczne

Ekonomia:

• Surowce: 30% kosztu całkowitego
• Przetwarzanie: 70% kosztu całkowitego

Zakres cen:

Rentowność firmy opiera się na maksymalizacji wykorzystania mocy produkcyjnych i kompleksowej wydajności.

Atomizacja proszków metali: Plusy i minusy

Korzyści z atomizacji proszków metali

• Doskonała charakterystyka przepływu
• Wąski rozkład wielkości cząstek
• Możliwość dostosowania składu stopu
• Możliwy sferyczny kształt proszku
• Kontrolowane mikrostruktury
• Umożliwia korzystanie z nowych technologii

Wyzwania związane z atomizacją proszków metali

• Wysokie koszty produkcji
• Ograniczona wielkość partii
• Rygorystyczne środki ostrożności
• Złożona zgodność jakościowa
• Niezbędne doświadczenie wykwalifikowanego operatora
• Kosztowny rozwój metodą prób i błędów
• Obsługa drobnych proszków reaktywnych

Postęp nadal poszerza horyzonty dla materiałów specjalnych wytwarzanych za pomocą atomizacji.

Najczęściej zadawane pytania

P: W jaki sposób rozpylane są proszki metali?

Proszki metali są rozpylane poprzez rozbijanie strumienia stopionego metalu na drobne kropelki za pomocą strumieni gazu, wody lub sił odśrodkowych, szybko zestalając je w proszek.

P: Czym jest atomizacja wody?

O: W atomizacji wodnej cienki strumień stopionego metalu jest uderzany przez strumienie wody pod wysokim ciśnieniem, które rozbijają go na małe kropelki. Kropelki zestalają się w cząstki proszku o nieregularnych kształtach podczas opadania przez wodę.

P: Jakie metale mogą być rozpylane na proszek?

O: Wiele metali inżynieryjnych, takich jak stale narzędziowe, stale nierdzewne, stopy niklu, stopy tytanu, stopy wolframu i metale szlachetne mogą być rozpylane na drobne kuliste proszki lub nieregularne proszki przy użyciu odpowiednich technik.

P: Jakie rozmiary cząstek może osiągnąć atomizacja proszków metali?

Konwencjonalna atomizacja proszków metali może wytwarzać proszki o wielkości od około 10 mikronów do ponad 150 mikronów. Specjalistyczne dysze i warunki przetwarzania umożliwiają uzyskanie cząstek o wielkości poniżej 5 mikronów.

P: Ile kosztuje atomizacja proszków metali?

Ze względu na niewielkie ilości i specjalistyczny sprzęt, rozpylony proszek metalowy kosztuje od 5x do 10x więcej niż standardowy surowiec metalowy na jednostkę masy, a ceny wahają się od $50 za kg do ponad $2000 za kg w zależności od składu i jakości.

P: Czy można jednocześnie rozpylać wiele metali w jeden stop?

O: Tak, atomizacja umożliwia topienie i stapianie różnych metali w niestandardowe kompozycje, które zestalają się w proszek stopowy o pożądanych proporcjach pierwiastków i zaawansowanych właściwościach metalurgicznych.

P: Jakie zagrożenia wiążą się z atomizacją proszków metali?

O: Drobne proszki metali mogą ulec samozapłonowi, eksplodować lub być toksyczne w przypadku wdychania. Obowiązują rygorystyczne protokoły bezpieczeństwa dotyczące przedmuchiwania gazem obojętnym, przeciwwybuchowego sprzętu elektrycznego, dysz ciśnieniowych, wentylacji awaryjnej i środków ochrony indywidualnej operatora.

P: Jakie maszyny są używane do rozpylania proszków metali?

Główne urządzenia do atomizacji proszków metali obejmują próżniowe piece indukcyjne, systemy zalewania kadzi pośrednich, dysze gazowe i wodne, wieże atomizujące, separatory cyklonowe, przesiewacze, piece do suszenia proszków i stacje przesiewania.

Wnioski

Atomizacja proszków metali jest skomplikowaną, wieloaspektową techniką produkcyjną niezbędną do opracowywania nowych materiałów przekraczających granice branżowe. Utrzymujące się wyzwania metalurgiczne nadal napędzają udoskonalanie procesu poprzez szeroko zakrojone badania trybologiczne i testy instalacji. Dzięki szerszej współpracy w całym łańcuchu wartości proszków metali, wykorzystującej najnowsze technologie automatyzacji, atomizacja obiecuje podnieść poziom produkcji - a nie ją wyeliminować.

poznaj więcej procesów druku 3D