Атомизированные металлы: Виды, характеристики, технические условия

Обзор

Атомизированные металлы относятся к металлическим порошкам, получаемым путем распыления - процесса, при котором расплавленный металл разбивается на мелкие капли и быстро охлаждается, образуя порошок. Процесс распыления позволяет точно контролировать размер частиц, морфологию и микроструктуру порошка.

Атомизированные металлические порошки используются в самых разных областях, включая производство, 3D-печать и нанесение покрытий на поверхность. Они обладают такими преимуществами, как высокая чистота, однородность и возможность создания специальных сплавов. К наиболее распространенным атомизированным металлам относятся алюминий, медь, железо, никель и титан.

В данном руководстве представлен подробный обзор распыляемых металлических порошков с описанием типов, характеристик, областей применения, технических характеристик, поставщиков, установки, эксплуатации, технического обслуживания и т.д. Его цель - помочь читателям разобраться в технологии и сделать обоснованный выбор при выборе распыляемых металлических порошков.

Виды распыляемых металлов

Существует два основных типа распыляемых металлических порошков:

Распыление металлов на воздухе

При воздушном распылении поток расплавленного металла разбивается на капли воздухом высокого давления или инертным газом. Порошки, полученные воздушным распылением, имеют сферическую морфологию с гладкой поверхностью. Они подходят для применений, требующих хорошей текучести.

Распыление металлов в воде

При водяном распылении расплавленный металл дезинтегрируется струями воды под высоким давлением. Порошки, полученные распылением воды, имеют неправильную форму с шероховатой текстурой поверхности. Они обладают повышенной сжимаемостью, предпочтительной для прессования.

В таблице ниже приведены основные различия между металлическими порошками, распыляемыми воздухом и водой:

Характеристики распыляемых металлических порошков

К основным характеристикам, определяющим качество и производительность распыляемых металлических порошков, относятся:

Размер частиц - Гранулометрический состав определяет плотность упаковки, текучесть и площадь поверхности. Более жесткий контроль над размером приводит к улучшению консистенции продукта.

Морфология - Форма частиц влияет на плотность, уплотнение и спекание. Сферические частицы обеспечивают лучшую текучесть, а частицы неправильной формы - более высокую прочность.

Чистота - Высокая чистота необходима для критически важных применений. Примеси могут быть сведены к минимуму за счет использования сырья с низким уровнем загрязнения.

Содержание кислорода - Более низкое содержание кислорода снижает реакционную способность порошка и улучшает конечные свойства материала. Порошки, распыляемые водой, как правило, имеют более высокое содержание кислорода.

Кажущаяся плотность - Более высокая плотность означает более высокую эффективность потока и обработки. Типичные значения находятся в диапазоне от 25% до 60% теоретической плотности.

Текучесть - Хорошая текучесть порошка обеспечивает надежность автоматизированных процессов формования, фасовки и упаковки. Она зависит от таких параметров, как размер, форма и шероховатость поверхности частиц.

Сжимаемость - Сжимаемость определяет прочность прессованной детали до спекания. Неправильная форма частиц улучшает сцепление и прочность зеленой массы.

Тщательное управление этими характеристиками порошка в процессе распыления имеет решающее значение для достижения воспроизводимых высоких характеристик.

Области применения распыляемых металлических порошков

Распыляемые металлические порошки используются в широком спектре отраслей и сфер применения, используя свои уникальные преимущества. К числу основных областей применения относятся:

Аддитивное производство металлов

Также известная как металлическая 3D-печать предполагает послойное создание металлических деталей из порошкового материала. Предпочтение отдается мелкодисперсным сферическим порошкам с контролируемым распределением по размерам, обеспечивающим плавную подачу и упаковку при распределении. Распространенными материалами являются титан, алюминий, никелевые сплавы и инструментальные стали.

Порошковая металлургия

Распыленные порошки сжимаются под высоким давлением в "зеленые" детали, а затем спекаются для получения готовых компонентов. Частицы порошка неправильной формы обеспечивают лучшую сжимаемость. Детали со сложной геометрией могут быть изготовлены практически в форме сетки, что позволяет минимизировать отходы материала.

Поверхностные покрытия

Методы термического напыления, такие как плазменное напыление, наносят расплавленные или полурасплавленные порошки на поверхности, образуя защитные или функциональные покрытия. Более мелкие сферические порошки повышают плотность покрытия и прочность сцепления. Обычно применяются износо- и коррозионностойкие покрытия.

Литье металлов под давлением (MIM)

Это сочетание литья пластмасс под давлением с порошковой металлургией для изготовления небольших металлических деталей сложной формы. Для бездефектного заполнения пресс-форм требуются гладкотекучие порошки с подобранным размером частиц и связующими.

Пайка и припой

Атомизированные порошковые преформы позволяют осуществлять металлургическое соединение сложных деталей. Гладкие порошки с контролируемым размером обеспечивают оптимальное изготовление преформ. Присадочные металлы для пайки включают алюминий, серебро и медь.

Фрикционные материалы

Распыленные металлические порошки служат модификаторами трения в тормозных колодках и других устройствах. Добавки медных, железных и латунных порошков повышают фрикционную и износостойкость по сравнению с безасбестовыми органическими составами.

Технические характеристики распыляемых металлических порошков

Распыляемые металлические порошки должны соответствовать строгим техническим условиям, учитывающим особенности производственного процесса и требования к конечному применению. Типичные характеристики порошков приведены ниже:

Распределение частиц по размерам

D10, D50, D90 означают размер частиц порошка, ниже которого лежит 10%, 50% и 90% образца соответственно. Более плотное распределение улучшает плотность и эксплуатационные характеристики.

Морфология

• Форма - сферическая, неправильная
• Текстура поверхности - гладкая, шероховатая
• Спутники - менее 5% по массе

Чистота

• Кислород - <1000 ppm
• Азот - <100 ppm
• Углерод - <1000 ppm
• Прочие примеси - специфические для каждого элемента

Кажущаяся плотность

• Плотность порошка - обычно 40-60% от теоретической плотности
• Плотность заливки - 25-40% от теоретической плотности

Соблюдение технических требований к порошкам является залогом воспроизводимости процесса и качества конечного продукта. Надежные поставщики предоставляют комплексные сертификаты анализа.

Поставщики распыляемых металлических порошков

Многие компании специализируются на производстве распыляемых металлических порошков, предназначенных для различных областей применения. К числу ведущих мировых поставщиков относятся:

Atomising Systems Limited

• Штаб-квартира - Шеффилд, Великобритания
• Материалы - Al, Cu, Fe, Ni
• Производительность - 4000 т/год
• Обслуживание рынков AM, термического напыления

Sandvik Osprey

• Штаб-квартира - Neath, Великобритания
• Материалы - Ti, Al, стали, суперсплавы
• Производительность - 14 000 т/год
• Большой портфель для AM-индустрии

Höganäs AB

• Штаб-квартира - Хёганес, Швеция
• Материалы - сплавы Fe, Cu, Al
• Производительность - 300 000 т/год
• Ориентация на автомобильную промышленность

ATI Powder Metals

• Штаб-квартира - Питтсбург, США
• Материалы - сплавы Ti, Ni, Al, Fe
• Производительность - 15 000 т/год
• Ведущий поставщик в области аддитивного производства

Mitsubishi Materials

• Штаб-квартира - Токио, Япония
• Материалы - Cu, Ni, цементированные карбиды
• Производительность - 8000 т/год
• Сильное присутствие на азиатских рынках

Цены варьируются в широких пределах в зависимости от материала, чистоты, размера частиц и объема закупки. Ожидается, что цена составит $20-100 за кг для обычных металлов и $100-500 за кг для специальных сплавов.

Установка систем распыления металлических порошков

Установка оборудования для работы с распыляемыми металлическими порошками требует внимания к безопасности, чистоте и надежности. Вот некоторые ключевые соображения:

Контейнер

• Для хранения и транспортировки используйте герметичные контейнеры
• Минимизация открытых погрузочно-разгрузочных работ за счет использования закрытых конвейеров и перегрузочных устройств
• Встраивание перчаточных боксов, вытяжных шкафов RTP для ручных операций
• Обеспечение пылеудаления с помощью рукавных или циклонных фильтров

Предотвращение взрыва

• Обеспечение надлежащего заземления и подключения электрооборудования
• Установка систем обнаружения и подавления искр
• Избегайте потенциальных источников воспламенения во взрывоопасных зонах

Чистота

• Система должна иметь гладкие внутренние поверхности для удобства очистки
• Предусмотрена возможность продувки инертным газом при необходимости
• Установить процедуры регулярной очистки и технического обслуживания

Обработка материалов

• Выбор оборудования, совместимого с текучестью порошка
• Рассмотрим вибропитатели, роторные клапаны, вакуумный транспорт
• Обеспечивается оптимальный поток порошка без образования "крысиных ходов" и "мостиков

Правильный монтаж в соответствии с рекомендациями поставщика - залог максимальной эффективности и безопасности оборудования.

Работа систем с распыляемыми металлическими порошками

Эффективная работа систем обработки металлических порошков требует обучения персонала процедурам и безопасным приемам работы. К ключевым аспектам относятся:

• Используйте соответствующие СИЗ - респираторы, перчатки, защитные очки
• Не допускать просыпания порошка и минимизировать количество пыли
• Не открывайте оборудование под нагрузкой
• Соблюдайте последовательность продувки перед проведением технического обслуживания
• Проведение периодических осмотров и проверок на герметичность
• Поддержание оптимального расхода и заданных давлений/вакуумов
• При необходимости контролируйте уровень кислорода и влажности
• Безопасное хранение образцов порошка для проверки качества
• Вести подробные журналы параметров обработки
• Соблюдение рекомендованного графика профилактического обслуживания

Разработка СОПов и контрольных списков поможет персоналу последовательно и безопасно выполнять критические задачи. Цифровой мониторинг критических параметров также может повысить надежность.

Обслуживание систем распыления металлических порошков

Регулярное техническое обслуживание обеспечивает надежную работу систем обработки порошка в течение длительного времени. Ключевые аспекты программы технического обслуживания включают:

Инспекции

• Периодически проверяйте шланги, уплотнения на наличие утечек, трещин
• Осмотрите винты, двигатели, подшипники, ремни на предмет повреждений
• Убедитесь в работоспособности датчиков, сенсоров и детекторов

Очистка

• Соблюдение графика глубокой очистки внутренних деталей оборудования
• Удаление налипания порошка для предотвращения проблем с потоком
• Очистка фильтров для поддержания качества воздуха и предотвращения образования искр

Калибровка

• Калибровка расходомеров, датчиков давления в соответствии с графиком
• Подтверждение соответствия настроек порошкового питателя норме
• Проверка тензодатчиков на бункерах для обеспечения точного уровня

Замена

• Заменить изношенные вкладыши бункера, винты по мере необходимости
• Капитальный ремонт или замена устаревших питателей и клапанов
• Держите под рукой запасные части часто изнашиваемых деталей

Документация

• Вести журнал всех выполненных работ по техническому обслуживанию и ремонту
• Отслеживание часов/циклов работы оборудования
• Обновление процедур по мере необходимости

Эффективное техническое обслуживание обеспечивает надежную и продуктивную работу порошковых систем.

Выбор поставщика распыляемых металлических порошков

Выбор надежного поставщика распыляемого металлического порошка имеет решающее значение для производственных операций. Ниже приведены основные соображения при оценке поставщиков:

Качество порошка

• Тщательный контроль распределения частиц по размерам
• Постоянная сферическая морфология
• Низкий уровень кислорода/азота
• Строгие стандарты контроля качества

Техническая экспертиза

• Опыт, адаптированный к условиям применения
• Знание процесса атомизации
• Возможность разработки нестандартных сплавов

Производственные возможности

• Достаточная мощность для удовлетворения спроса
• Варианты резервирования для обеспечения бесперебойности поставок
• Масштабируемость для обеспечения роста

Испытания и сертификация

• Комплексное аналитическое тестирование
• Подробный сертификат анализа
• Квалификация в соответствии с отраслевыми стандартами

Обслуживание клиентов

• Реакция на запросы
• Рекомендации по выбору оптимального варианта продукта
• Гибкость при выполнении индивидуальных заказов

Оценка факторов, не ограничивающихся только ценой, позволяет выбрать поставщика, способного обеспечить наилучшие результаты и партнерство в долгосрочной перспективе.

Плюсы и минусы распыляемых металлических порошков

Плюсы

• Высокая чистота с низким содержанием оксидов
• Постоянный гранулометрический состав
• Хорошая текучесть благодаря сферической форме
• Позволяет изготавливать мелкие детали размером <100 мкм
• Возможность придания почти сетчатой формы для минимизации отходов
• Сокращение энергопотребления и выбросов по сравнению с производством первичного металла
• Возможность вторичной переработки для восстановления дорогостоящих сплавов

Cons

• Дорогое производство из-за сложной обработки
• Доступны ограниченные размеры и объемы
• Требуются системы обработки для локализации
• Порошковые слои имеют более низкую теплопроводность
• Вопросы безопасности, такие как взрывы пыли, требуют смягчения
• Для достижения нужных свойств часто требуется постобработка

Понимание как преимуществ, так и ограничений помогает определить наилучшие возможности использования распыляемых металлических порошков.

Перспективы развития распыляемых металлических порошков

По прогнозам, рынок распыляемых металлических порошков будет расти, поскольку такие области применения, как аддитивное производство, продолжают получать все большее распространение.

К основным тенденциям, определяющим будущее, относятся:

• Разработка новых специальных сплавов методом распыления
• Более жесткий контроль размера частиц и индивидуальные распределения
• Мультиметаллические порошки с градиентами состава
• Системы и услуги по переработке порошков набирают обороты
• Повышение уровня автоматизации и контроля процессов
• Усиление отраслевой консолидации поставщиков
• Снижение цен по мере роста объемов производства
• Экспансия в новые области применения, такие как биомедицина

Достижения в области технологии распыления позволят расширить применение металлических порошков, открывая новые геометрические формы и характеристики материалов.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Вопрос: В чем разница между распыленными и сферическими металлическими порошками?

О: Под сферическими порошками понимается форма частиц, близкая к идеальной сфере. Атомизированные порошки могут иметь как сферическую, так и неправильную морфологию в зависимости от метода производства. Так, все атомизированные порошки не являются сферическими, но сферические порошки производятся методом атомизации.

Вопрос: Чем отличаются предварительно легированные и мастер-сплавные распыляемые порошки?

О: Предварительно легированные порошки производятся из расплава сплава, поэтому их состав однороден в каждой частице. Порошки основных сплавов содержат высокий процент легирующих элементов, которые смешиваются с базовыми порошками для получения окончательного химического состава.

Вопрос: Какие меры безопасности необходимо соблюдать при работе с распыляемыми металлическими порошками?

О: Основные меры предосторожности при работе с распыленными порошками включают в себя использование соответствующих СИЗ, минимизацию запыленности, надлежащее заземление, контроль источников воспламенения, продувку инертными веществами и системы предотвращения взрыва. Важное значение имеет соответствующее обучение персонала.

Вопрос: Как размер зерна в распыляемых порошках по сравнению с обычными сплавами?

О: Из-за быстрого затвердевания распыляемые порошки имеют гораздо более мелкие зерна, чем обычные сплавы, обычно несколько микрон или меньше. Это приводит к различиям в свойствах.

Вопрос: Каков срок хранения распространенных распыляемых металлических порошков?

О: При правильном хранении в герметичной таре в условиях контролируемой влажности большинство распыляемых порошков сохраняются 12-24 месяца до наступления значительного окисления. Порошки, чувствительные к влажности, имеют более короткий срок хранения - 6-12 месяцев.

Вопрос: Каков типичный диапазон размеров частиц в распыляемых порошках?

О: Распыляемые порошки имеют широкий диапазон размеров - от 1 до 1000 мкм. Но основная фракция, используемая в производстве, обычно составляет 10-150 мкм для обеспечения хорошей текучести и упаковки.

Вопрос: Как перерабатываются распыленные металлические порошки?

О: Распыленный лом и порошки переплавляются в контролируемой атмосфере во избежание окисления. Восстановленный сплав затем повторно используется для получения нового порошкового сырья. Некоторые процессы позволяют использовать порошок напрямую.

Вопрос: В чем преимущество распыления инертным газом по сравнению с распылением воздухом?

О: Распыление в инертных газах - аргоне или азоте - позволяет снизить уровень захвата кислорода. Это улучшает реакционную способность порошка и приводит к повышению производительности, что делает его предпочтительным для таких реакционноспособных материалов, как титановые сплавы.

Вопрос: Как определить, что порошок распыляется воздухом, а не водой?

О: Порошки, распыляемые воздухом, имеют сферическую морфологию с гладкой поверхностью, в то время как частицы, распыляемые водой, имеют более неправильную форму с шероховатой текстурой поверхности. Кроме того, порошки, распыляемые водой, имеют более высокое содержание кислорода.

узнать больше о процессах 3D-печати