Przegląd proszków metalicznych

Proszki metaliczne odnoszą się do drobnych granulek metalu wykorzystywanych w produkcji, wytwarzaniu i innych zastosowaniach przemysłowych. Składają się one z cząstek metalu w postaci proszku, które wykazują unikalne właściwości w porównaniu z metalem luzem, dzięki czemu nadają się do specjalistycznych zastosowań.

Najważniejsze informacje o proszkach metalicznych:

Skład	Czyste metale, takie jak żelazo, miedź, aluminium, nikiel itp. lub stopy metali
Wielkość cząstek	Różni się w szerokim zakresie od 10-250 mikronów w zależności od zamierzonego zastosowania
Proces produkcji	Atomizacja, elektroliza, proces karbonylowy, mielenie, kondensacja itp.
Kluczowe właściwości	Płynność, gęstość pozorna, gęstość kranowa, ściśliwość, przepuszczalność itp.
Główne aplikacje	Produkcja addytywna, formowanie wtryskowe, prasowanie i spiekanie, spawanie, lutowanie twarde, powlekanie powierzchni itp.

Rodzaje Proszki metaliczne

Wiele czystych metali i stopów metali jest dostępnych w postaci proszku do zastosowań przemysłowych. Niektóre z głównych kategorii i przykładów obejmują:

Typ	Skład
Czysty metal	Żelazo, miedź, aluminium, chrom, nikiel, kobalt, wolfram
Stopy żelaza	Stal nierdzewna, stal narzędziowa, stal stopowa
Stopy nieżelazne	Mosiądz, brąz, stopy tytanu
Metale szlachetne	Złoto, srebro, platyna
Metale ogniotrwałe	Wolfram, molibden, niob, tantal

Wybór konkretnego metalu lub stopu zależy od takich czynników, jak koszt, wymagane właściwości fizyczne, kompatybilność, estetyka i wydajność aplikacji.

Skład i charakterystyka

Skład i właściwości proszków metalicznych zależą od metalu bazowego, zastosowanych pierwiastków stopowych, metody produkcji, zakresu wielkości cząstek, kształtu, porowatości i obróbki powierzchni.

Parametr	Opis
Metal nieszlachetny	Podstawowy pierwiastek, który tworzy najwyższy skład. Określa gęstość, wytrzymałość, temperaturę topnienia itp.
Elementy stopowe	Dodawany w celu dostosowania właściwości fizycznych i mechanicznych, takich jak twardość, odporność na korozję, przewodność itp.
Proces produkcji	Wpływa na zakres wielkości cząstek, kształt, poziom porowatości, charakterystykę przepływu, gęstość pozorną itp.
Wielkość cząstek	Typowy zakres wynosi od 10 do 250 μm. Istnieją również podkategorie nanoproszków (<100 nm). Wpływa na reaktywność, płynność, gęstość.
Kształt cząsteczki	Sferyczne, rozdrobnione, nieregularne, łuszczące się. Wpływa na szybkość przepływu, gęstość upakowania, przyczepność warstw w produkcji addytywnej.
Porowatość	Cząstki stałe lub porowate. Porowate łatwo wchłaniają wilgoć. Cząstki stałe mają większą gęstość.
Obróbka powierzchni	Powłoki (organiczne, metaliczne) mogą poprawić płynność, zmniejszyć reaktywność ze środowiskiem.

Zrozumienie, w jaki sposób te parametry wpływają na właściwości proszku, pozwala wybrać odpowiedni proszek do danego zastosowania.

Aplikacje i zastosowania

Proszki metaliczne znajdują szerokie zastosowanie w produkcji, budownictwie, elektronice, motoryzacji, lotnictwie, medycynie i innych sektorach.

Obszar	Zastosowania
Wytwarzanie przyrostowe	Drukowanie 3D części metalowych przy użyciu technologii takich jak DMLS, SLM, EBM, binder jetting
Formowanie wtryskowe proszków	Produkcja małych, złożonych części metalowych w kształcie siatki z dobrym wykończeniem
Metalurgia proszków	Prasowanie i spiekanie proszku w części; bezpopiołowe środki smarne poprawiają właściwości
Spawanie i lutowanie	Proszki metali wypełniających do łączenia metali; druty z rdzeniem topnikowym usprawniające spawanie
Powłoka powierzchniowa	Metaliczne powłoki natryskiwane cieplnie do ochrony przed korozją i zużyciem
Elektronika	Przewodzące proszki srebra, miedzi i niklu w klejach i tuszach
Części samochodowe	Kute proszkowo stalowe i aluminiowe przekładnie, części silnika
Lotnictwo i kosmonautyka	Precyzyjne części ze stopów tytanu i niklu; powłoki turbin i łopatek
Medycyna	Porowate implanty tytanowe umożliwiają wrastanie kości; bioresorbowalne proszki żelaza

Proszki metaliczne mają różnorodne zastosowania w wielu dziedzinach technologii i umożliwiają stosowanie specjalistycznych technik wytwarzania.

Specyfikacje

Proszki metaliczne muszą spełniać szereg precyzyjnych specyfikacji fizycznych i składowych, aby mogły skutecznie funkcjonować w procesach produkcyjnych.

Parametr	Typowe wartości	Rola
Wielkość cząstek	10 - 150 μm	Określa gęstość / płynność; mniejszy = bardziej reaktywny
Gęstość pozorna	Do 65% rzeczywistej gęstości	Wpływa na wagę, płynność; mniejsza gęstość lepiej się pakuje
Gęstość kranu	Do 80% rzeczywistej gęstości	Wskaźnik charakterystyki przepływu pod wpływem wibracji/agitacji
Współczynnik Hausnera	<1,25 oznacza dobrą płynność	Stosunek gęstości kranowej do gęstości pozornej
Ściśliwość	20-35%	Zdolność proszku do zmniejszania objętości pod ciśnieniem
Kąt położenia	<40° to swobodny przepływ	Stromość stosu proszku; niższy = bardziej płynny
Natężenie przepływu w hali	<30 s/50g	Czas przepływu 50 g proszku przez otwór
Morfologia	Kulisty/nieregularny	Kształt cząstek wpływa na płynność i gęstość upakowania
Czystość	>99,5%	Wysoka czystość wymagana do działania; usuwana przez atomizację gazu
Zawartość wilgoci	<0,1 wt.%	Wilgoć powoduje słaby przepływ i zmniejszoną wytrzymałość

Zgodność ze specyfikacjami zapewnia spójność każdej partii i kompatybilność proszku z procesami produkcyjnymi.

Procesy produkcji proszków

Proszki metaliczne są wytwarzane różnymi metodami, z których każda skutkuje proszkami o różnych właściwościach dostosowanych do określonych zastosowań.

Proces	Metoda	Typowy rozmiar	Morfologia	Skalowalność	Koszt
Atomizacja gazu	Gaz pod wysokim ciśnieniem rozbija strumień stopionego metalu	15 - 150 μm	Głównie kulisty	Wysoki	Średni
Atomizacja wody	Rozbicie strumieniem wody o dużej prędkości	20 - 250 μm	Nieregularny, porowaty	Wysoki	Niski
Elektroliza	Reakcja elektrochemiczna osadza drobne cząstki	1 - 1000 μm	Dendrytyczny, porowaty	Niski	Wysoki
Elektroda obrotowa	Siły odśrodkowe usuwają cząsteczki	20 - 100 μm	Łuszczący się, nieregularny	Niski	Średni
Proces karbonylowy	Rozkład termiczny związków gazowych	1 - 10 μm	Kulisty	Wysoki	Wysoki
Frezowanie mechaniczne	Twarde cząstki mielą grudki metalu na proszek	10 - 250 μm	Nieregularny, porowaty	Wysoki	Niski

• Atomizacja gazowa i wodna umożliwiają wysoką wydajność produkcji drobnych, sferycznych proszków dobrych do wytwarzania przyrostowego.
• Elektroliza daje porowate, nieregularne proszki nadające się do prasowania/spiekania
• Frezowanie mechaniczne ma wszechstronne zastosowanie w produkcji kompozytów, stopów i nanoproszków z różnych metali

W ten sposób atrybuty proszku mogą być dostosowane przy użyciu różnych metod produkcji.

Stopnie i standardy

Różne krajowe i międzynarodowe organizacje normalizacyjne opracowały specyfikacje klas dla popularnych proszków metali, aby umożliwić kontrolę jakości podczas produkcji i użytkowania.

Region	Określone stopnie	Objęte metale	Rola
Stany Zjednoczone	Standardy MPIF	Żelazo, stal, stal nierdzewna, miedź, mosiądz, stopy niklu	Zapewnia stałe właściwości mechaniczne
Europa	Normy EN, DIN i ISO	Stale, stale nierdzewne, stale narzędziowe, miedź, stopy aluminium, nikiel, kobalt	Kompatybilność proszku z procesami przemysłowymi
Japonia	Normy JIS	Proszki żelaza, miedzi i stopów aluminium	Definiuje precyzyjną metodologię testowania
Indie	Standardy BIS	Proszki żelaza, stali i miedzi	Dostosowane do indyjskich producentów i użytkowników

Oznaczenie klasy wskazuje zakres wielkości cząstek, poziomy czystości, skład stopu i inne parametry, które pomagają dopasować proszki do zamierzonego zastosowania w różnych sektorach.

Wycena

Ceny proszków metali zależą od składu, pożądanego poziomu czystości, zastosowanej metody produkcji, niedoboru surowców, dynamiki popytu i podaży oraz zakupionej ilości.

Metalowy proszek	Zakres cen*
Żelazo i stal niskostopowa	$1 - 3 na kg
Narzędzia i stal nierdzewna	$5 - 10 na kg
Stopy niklu	$10 - 30 za kg
Tytan i nadstopy	$50 - 250 za kg
Ciężkie stopy wolframu	$50 - 100 na kg
Metale szlachetne (Au, Ag, Pt)	$3000 - 5000 za kg

Szacunkowe przedziały cenowe dla ilości hurtowych zakupionych bezpośrednio od głównych producentów.

Ceny podążają za typową kolejnością - metale żelazne < stopy nieżelazne < stopy o wysokiej wydajności w oparciu o koszty metalu wejściowego. Metale masowe, takie jak proszki żelaza i stali nierdzewnej, są produkowane w dużych ilościach, co czyni je najbardziej ekonomicznymi.

Porównanie głównych rodzajów proszków metalicznych

Parametr	Stal nierdzewna	Stop aluminium	Stop niklu	Stop tytanu
Gęstość	Średni (7-8 g/cc)	Niski (2,7 g/cc)	Wysoki (8-9 g/cc)	Średni (4,5 g/cc)
Siła	Średni	Niski	Wysoki	Średni
Reaktywność	Niski	Wysoki	Średni	Wysoki
Przewodność cieplna	Niski	Wysoki	Średni	Niski
Odporność na korozję	Wysoki	Średni	Wysoki	Wysoki
Koszt	Niski	Niski	Wysoki	Bardzo wysoka
Przykładowe aplikacje	Implanty medyczne, naczynia kuchenne	Części samochodowe, samoloty	Łopatki turbin, morskie	Lotnictwo i kosmonautyka, medycyna

• Proszki ze stali nierdzewnej oferują odporność na korozję i wytrzymałość przy niskich kosztach odpowiednich dla produktów konsumenckich.
• Proszki z lekkich stopów aluminium są szeroko stosowane w komponentach samochodowych wrażliwych na wagę
• Stopy niklu dobrze radzą sobie z wysokimi temperaturami; przydatne w silnikach i turbinach gazowych
• Tytan posiada stosunek wytrzymałości do masy pożądany w częściach konstrukcyjnych samolotów

Dlatego każdy rodzaj proszku ma specyficzne właściwości, które sprawiają, że jest on preferowany do niszowych zastosowań w różnych branżach.

Plusy i minusy Proszki metaliczne

Zalety	Wady
Bardzo duża powierzchnia zwiększa reaktywność	Podatność na pożary i wybuchy pyłu w przypadku zawieszenia proszku
Części o kształcie zbliżonym do siatki wykonane różnymi technikami	Wymaga atmosfery ochronnej lub powłok ze względu na wysoką reaktywność
Brak odpadów i obróbki w przeciwieństwie do konwencjonalnych metod	Często niższa wytrzymałość i gęstość w porównaniu do odlewanego i kutego metalu
Stała, drobna mikrostruktura dzięki szybkiemu chłodzeniu	Specjalna obsługa i pojemniki potrzebne do zapobiegania zanieczyszczeniu
Łatwe do stopienia w wysokowydajne kompozycje	Charakterystyki przepływu różnią się znacząco dla różnych proszków
Niższe zużycie energii niż w przypadku wydobycia rudy	Wysoki koszt niektórych proszków metali specjalnych
Uproszczona produkcja złożonych, skomplikowanych kształtów	Kwestie porowatości podczas zagęszczania wpływają na właściwości mechaniczne

Plusy - Proszki metaliczne umożliwiają transformację możliwości produkcyjnych i dostosowanie właściwości do szerokiego wyboru materiałów.

Wady - istnieją kwestie bezpieczeństwa związane z przechowywaniem i obsługą; właściwości są specyficzne dla aplikacji.

Dzięki solidnej kontroli inżynieryjnej unikalne zalety proszków metali przeważają nad ich wadami w krytycznych zastosowaniach.

FAQ

Dlaczego proszki metaliczne są używane zamiast stałych metali?

Proszki metaliczne oferują wyjątkowe zalety w porównaniu z metalami luzem w produkcji i innych zastosowaniach:

• Duży stosunek powierzchni do objętości poprawia reaktywność podczas stapiania, podgrzewania i powlekania.
• Drobne, jednolite struktury i kontrolowane szybkie chłodzenie w procesach proszkowych
• Metody wytwarzania kształtów zbliżonych do siatki, takie jak produkcja addytywna i formowanie wtryskowe proszków
• Dostosowane do potrzeb kompozycje proszkowe umożliwiają tworzenie wysokowydajnych stopów
• Uproszczona produkcja złożonych, skomplikowanych komponentów
• Niższe zużycie energii niż w przypadku wydobycia i rafinacji rud

Dlatego też specyficzne właściwości możliwe do uzyskania tylko w przypadku proszków sprawiają, że są one bardziej odpowiednie niż metale luzem w niszowych zastosowaniach.

Jak ustalić, czy proszek metaliczny jest dobrej jakości?

Wskaźniki, że proszek metaliczny spełnia standardy jakości:

• Skład - Wysoka czystość i określone pierwiastki stopowe zapewniają niezawodne działanie
• Wielkość cząstek - Wąska dystrybucja poprawia gęstość i charakterystykę przepływu
• Morfologia - Sferyczne cząsteczki zapewniają lepszą płynność niż nieregularne kształty.
• Natężenie przepływu - Pomiar za pomocą przepływomierza halowego lub testu kąta usypu w celu spełnienia kryteriów płynności.
• Gęstość pozorna - Większa gęstość poprawia pakowanie i rozprowadzanie proszku
• Gęstość kranu - Wyższa gęstość oznacza lepszą płynność pod wpływem wibracji
• Zawartość wilgoci - Niska wilgotność sprawia, że proszek nie zbryla się podczas przechowywania i przenoszenia.

Zgodność ze specyfikacjami charakterystycznymi proszku zapewnia użytkownikom kontrolę procesu produkcyjnego i spójność między partiami.

Jakie środki ostrożności należy podjąć podczas obchodzenia się z proszkami metalicznymi?

Podczas pracy z proszkami metalicznymi należy zachować szczególne środki ostrożności:

• Zagrożenie wybuchem - W postaci drobno rozdrobnionej proszki są wysoce łatwopalne, należy unikać źródeł zapłonu
• Problemy z utlenianiem - Wrażliwe proszki reaktywne muszą być przechowywane w atmosferze gazu obojętnego.
• Systemy zabezpieczające - szczelne pojemniki zapobiegające wyciekom; preferowane szczelne systemy transportu proszku
• Bezpieczeństwo personelu - Odzież ochronna, rękawice, maski oddechowe obowiązkowe zwłaszcza w przypadku toksycznych proszków
• Wentylacja - Lokalne układy wydechowe zapobiegające zawieszaniu się drobnych cząstek w powietrzu, które mogą być wdychane.
• Uziemienie - Uziemienie sprzętu zapobiega gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych, które mogą spowodować zapłon proszków.
• Kontrola wilgotności -Wilgotność utrzymywana w celu zapobiegania zbrylaniu i zanieczyszczaniu proszków

Ścisłe kontrole i systemy ochronne wymagane do bezpiecznego obchodzenia się z proszkami metali ze względu na ryzyko pożaru, zagrożenia dla zdrowia i zanieczyszczenia.

Jakie są typowe problemy techniczne związane z drukowaniem 3D przy użyciu proszków metalicznych?

Niektóre typowe problemy związane z produkcją addytywną opartą na proszkach metalicznych:

• Porowatość - Pęcherzyki gazu uwięzione podczas krzepnięcia pozostawiają puste przestrzenie, zmniejszając wytrzymałość.
• Wykończenie powierzchni - Narastanie warstwa po warstwie powoduje chropowatość wymagającą obróbki końcowej
• Naprężenie szczątkowe - Cykle termiczne wywołują naprężenia wewnętrzne prowadzące do odkształceń lub pęknięć części.
• Właściwości anizotropowe - Kierunkowość warstw konstrukcyjnych powoduje zmiany właściwości materiału
• Tolerancja wymiarów - Granice dokładności ze względu na skurcz, zmiany wielkości cząstek proszku
• Brak fuzji - Niepełne stopienie między warstwami z powodu słabego rozprowadzenia proszku wpływa na wytrzymałość
• Niepożądane stopowanie - Interakcja pomiędzy egzotycznymi materiałami i płytą bazową wymaga kontroli
• Długi czas budowy - Skomplikowane geometrie zajmujące wiele dni grożą awariami sprzętu wstrzymującymi pracę

Zrozumienie i złagodzenie tych mechanizmów poprzez modelowanie, zoptymalizowane parametry przetwarzania i kontrolę jakości ma zasadnicze znaczenie dla niezawodnej produkcji dodatków metalicznych.

Wnioski

Proszki metaliczne zapewniają wszechstronny format materiału, odblokowując nowe możliwości produkcyjne w różnych branżach. Umożliwiają one tworzenie dostosowanych do potrzeb kompozycji, co jest niemożliwe w przypadku konwencjonalnego przetwarzania metali luzem w postaci stałej. W miarę globalnej standaryzacji specyfikacji i gatunków proszków, spójność i niezawodność będą się nadal poprawiać, aby pomóc w przeniesieniu specjalistycznych technik do głównego nurtu. Postęp w technologiach produkcyjnych obniży również koszty i złagodzi obecne ograniczenia dotyczące braku fuzji, naprężeń szczątkowych i właściwości kierunkowych. Szybki rozwój produkcji dodatków metalowych, zwłaszcza w sektorze lotniczym, medycznym i narzędziowym, podkreśla potencjał transformacyjny proszków metalicznych. Wraz ze wzrostem popularności proszków metalicznych, mają one szansę odegrać istotną rolę łącząc rozwój wysokowydajnych materiałów z procesami wytwarzania nowej generacji.

poznaj więcej procesów druku 3D