Системы распыления металлов

Распыление металла - это производственный процесс, в ходе которого металл превращается в порошок путем дробления расплавленного металла на мельчайшие капельки. Этот порошок может быть использован для изготовления деталей такими методами, как литье металла под давлением, горячее изостатическое прессование, аддитивное производство и другие. Системы распыления металлов оборудование, используемое для осуществления этого процесса.

Обзор систем распыления металлов

Системы распыления металла состоят из механизмов для расплавления металлической массы, подачи расплавленного металла в зону распыления, дробления металла на мелкие капли и сбора затвердевшего порошка. Основные компоненты включают печи, промковши, механизмы подачи, распылители, охлаждающие камеры, циклонные сепараторы, рукавные фильтры и системы сбора порошка.

Существует два основных типа систем распыления:

• Газовое распыление - использование газа под высоким давлением для разделения потока расплавленного металла
• Распыление воды - использование воды под высоким давлением для разрушения расплавленного металла

При газовом распылении получаются в среднем более тонкие порошки, в то время как при водяном распылении производительность выше. Оба метода могут обеспечить достаточно высокую производительность в зависимости от конструкции и рабочих параметров.

системы распыления металлов Состав

Компонент	Описание
Печь	Переплавляет металлические массы в жидкое состояние с помощью индукции, сжигания и т.д. Распространенными типами являются индукционные печи, электродуговые печи.
Тундиш	Действует как резервуар для удержания расплавленного металла после его выхода из печи. Обеспечивает непрерывный поток металла в систему подачи.
Система доставки	Переливает расплавленный металл из промковша в распылитель. Часто используется заливочная воронка, подогреваемая мойка или форсунка под давлением.
атомайзер	Разбивает расплавленный металл на капли с помощью газовых или водяных струй. Различные конструкции и количество струй.
Секция охлаждения	Позволяет порошку затвердеть после распыления перед сбором. В качестве охлаждающей среды используется воздух или инертный газ.
Система разделения	Улавливает мелкие частицы порошка, обеспечивая рециркуляцию охлаждающей среды. Используются циклоны, рукавные фильтры.
Коллекция порошков	Собирает распыленный порошок для извлечения. Часто это барабанные или ящичные контейнеры, перчаточные боксы или конвейерные ленты, ведущие к контейнерам.

системы распыления металлов Типы

Существует несколько распространенных конструкций распылителей, используемых в промышленном производстве металлических порошков:

Газовые распылители

• Сверхзвуковой распылитель газа - сопла Лаваля разгоняют инертный газ до звуковых скоростей.
• Газовый распылитель с тесной связью - несколько газовых струй, воздействующих на поток расплавленного металла.
• Газовый распылитель свободного падения - поток расплавленного металла свободно падает через высокоскоростной инертный газ.

Атомайзеры для воды

• Распылитель воды под давлением - струи воды под высоким давлением попадают в поток расплавленного металла.
• Вращающийся распылитель воды - поток расплавленного металла соприкасается с вращающимися струями воды.
• Погружной распылитель воды - струи воды, расположенные под поверхностью струи расплавленного металла.

Атрибуты металлического атомайзера

Атрибут	Описание
Тип газа	Инертные газы, такие как азот, аргон, используются для предотвращения окисления. Азот наиболее экономичен.
Водяное давление	Давление 30-150 МПа, необходимое для качественного распыления металлов.
Количество струй	Большее количество струй увеличивает разрушение металла, но может снизить производительность. Обычно используется около 4-8.
Расположение струи	Круглые или прямоугольные струи, покрывающие металлический поток. Прямоугольный более однородный порошок.
Скорость струи	Более высокая скорость инертного газа позволяет получать более тонкие порошки. Оптимальная скорость газа различна для каждого металла.
Высота падения	Высота падения струи расплавленного металла перед попаданием в форсунки. Влияет на распределение частиц по размерам.
Дизайн потока	Предпочтителен гладкий, ламинарный поток металла, чтобы предотвратить раннее разбрызгивание капель.
Конструкция форсунки	Точно обработанные сопла в газовых распылителях имеют решающее значение для производительности.
Скорость охлаждения	При более быстром охлаждении получаются более тонкие порошки. Зависит от температуры газа/воды и камеры.
Эффективность разделения	Высокая скорость сепарации повышает производительность. Хорошо работают самовсасывающие циклоны.
Метод сбора	Закрытые системы предотвращают окисление порошка. Распространены автоматизированные барабанные конвейеры.

Характеристики металлических порошков

Свойства получаемого металлического порошка в значительной степени зависят от параметров и условий процесса распыления.

Атрибуты порошка

Атрибут	Типовой диапазон
Форма частиц	Неправильные, сферические, спутниковые структуры
Размер частиц	1 микрон - 1000 микрон
Распределение частиц по размерам	Гаусс, логнормальный общий
Кажущаяся плотность	В целом 30-80% истинной плотности
Плотность отвода	Около 60-95% истинной плотности
Расход	Сильно зависит от формы, распределения размеров
Чистота	93-99,5% целевой диапазон
Содержание кислорода	Диапазон 300-3000 ppm
Содержание азота	Диапазон 75-1500 ppm

Влияние на свойства деталей

Атрибут порошка	Влияние на спеченные/отпечатанные детали
Размер частиц	Более мелкие порошки повышают плотность, уменьшают поры
Распределение по размерам	Более широкое распределение обеспечивает лучшую плотность упаковки
Форма частиц	Сферические частицы обладают лучшей текучестью и упаковкой
Кажущаяся плотность	Повышенная плотность увеличивает прочность зеленого цвета при транспортировке
Плотность отвода	Более высокая плотность обеспечивает меньшее количество усадочных пустот после спекания
Чистота	Высокая чистота уменьшает количество дефектов, таких как включения
Содержание кислорода	Превышение 3000 ppm может вызвать проблемы с пористостью

системы распыления металлов Применение

Мелкие металлические порошки, полученные путем распыления, используются во многих отраслях промышленности для производства высокоэффективных деталей.

Промышленность	Примеры применения
Автомобильная промышленность	Компоненты двигателя, шестерни, крепежные детали
Аэрокосмическая промышленность	Лопатки турбин, детали аэродинамических профилей
Биомедицина	Ортопедические имплантаты, хирургические инструменты
Электроника	Экранирование, разъемы, контакты
Энергия	Детали ядерных и турбинных установок, подвергающиеся воздействию экстремальных сред
Аддитивное производство	3D-печатные детали для всех отраслей промышленности

Популярные системы распыления металла Используемые

Многие сплавы распыляются в порошок для изготовления деталей. Вот некоторые распространенные металлы и сплавы, подвергаемые распылению:

Материал	Основные свойства
Титановые сплавы	Высокая прочность, низкий вес. Биосовместимость.
Никелевые сплавы	Сохраняет свойства при высоких температурах. Устойчивость к коррозии.
Кобальтовые сплавы	Биосовместимость. Износостойкие свойства.
Инструментальные стали	Высокий уровень твердости после термообработки.
Нержавеющие стали	Отличная коррозионная стойкость.
Алюминиевые сплавы	Легкий вес. Хорошая теплопроводность.
Медные сплавы	Высокая тепло- и электропроводность.
Магнитные сплавы	Высокая проницаемость для магнитных применений.

Поставщики и цены на металлические порошки

Существует ряд авторитетных поставщиков, которые производят и распространяют металлические порошки по всему миру. Цены зависят от сплава, диапазона размеров частиц и заказанного количества.

Поставщик	Диапазоны цен
AP&C	$50 - $1500 за кг
Sandvik Osprey	$100 - $2000 за кг
Порошковые изделия Carpenter	$75 - $1800 за кг
Praxair Surface Technologies	$250 - $2500 за кг
Höganäs	$45 - $1600 за кг
Гранулы ECKA	$80 - $1200 за кг

Более высокоэффективные сплавы или более тонкий контроль над распределением порошка требуют более высоких цен, в то время как более распространенные металлы и сплавы более экономичны при больших объемах производства.

Распыление металла по сравнению с другими методами

Метод	Преимущества	Ограничения
Распыление металла	- Более тонкие порошки - Повышенная чистота - Ассортимент сплавов	- Высокие капитальные затраты - Требуется значительный опыт обработки
Электролитический процесс	- Очень тонкие и чистые порошки	- Ограничено проводящими сплавами - Дорогой
Механическая убыль	- Просто и недорого - Широкий спектр металлов	- Более низкая достижимая тонкость - Повышенная окисляемость
Химические осадки	- Чистые элементы и легированные порошки	- Проблемы с агломерацией порошка - Потенциальное загрязнение
Термическое напыление	- Может производить сферический порошок	- Оксидные включения - широкое распределение по размерам

Атомизация позволяет получать достаточно тонкие и чистые порошки из широкого спектра сплавов при хороших объемах производства. При работе с мелкими металлическими порошками необходимо соблюдать меры предосторожности.

Ключевые соображения при выборе

Важные факторы, определяющие выбор системы распыления металла, включают:

Фактор	Описание
Уровень производства	Требуемая производительность порошка в кг/час. Определяет производительность.
Целевой размер частиц	Требуется определенная тонкость, распределение. Влияет на урожайность, стоимость.
Состав сплава	Большинство систем работают с различными сплавами. Может повлиять выбор метода плавления, распылителя, давления газа/воды.
Качество продукции	Параметры определяются уровнем чистоты, предельным содержанием кислорода, требованиями к согласованности размеров.
Соображения по обращению	Предпочтительна закрытая обработка порошка. Некоторые металлы представляют опасность для здоровья.
Конечное использование порошка	Требования к свойствам деталей - плотность/пористость, текучесть, факторы формы.
Операционные расходы	Коммунальные расходы на плавку, газы, воду. Расходы на оплату труда, техническое обслуживание.
Безопасность	Сосуды под давлением для жидкостей/газов требуют соблюдения особых правил.
Воздействие на окружающую среду	Выбросы газов, использование воды и утилизация отходов.

Необходимо тщательно определить требования к производительности, показатели качества, условия эксплуатации, параметры безопасности и затраты, исходя из требований к конечной детали.

системы распыления металлов Техническое обслуживание

Для поддержания оптимальной работы оборудования для распыления требуется надлежащее техническое обслуживание.

Компонент	Деятельность по техническому обслуживанию	Частота
Печь	Осмотрите огнеупор и нагревательные элементы. При необходимости замените.	6-12 месяцев
Форсунки	Осмотрите отверстия форсунок на предмет износа/засорения.	Ежемесячно
Фильтры и трубопроводы для воды	Регулярно промывайте трубопроводы и заменяйте фильтры.	2-4 недели
Газовые линии и клапаны	Проверьте наличие утечек и засоров. Подтвердите давление.	2-4 недели
Сепараторы	Проверьте состояние фильтрующего элемента и уплотнений.	4-6 месяцев
Контроллеры и датчики	Проверьте калибровку. Проверьте блокировки и реакцию.	6-12 месяцев
Сборщик порошка	Проверьте состояние контейнеров и уплотнений. Подтвердите уровень инертного газа для закрытых систем.	Ежемесячно
Интерьеры систем	Чистая металлическая пыль повсюду. Чаще вблизи металлических ручьев.	Ежемесячно

Детальный мониторинг оборудования, профилактическое и предиктивное обслуживание сводят к минимуму непредвиденные перерывы в производстве.

Вопросы и ответы

Вопрос: Каков соответствующий уровень автоматизации и управления для систем распыления металла?

О: Для стабильного производства порошка и обеспечения безопасности рекомендуется высокая степень автоматизации подачи материала, контроля и управления процессом. Ключевые переменные процесса, такие как температура, давление, расход газа, должны иметь автоматический контроль с обратной связью. При этом контроль за системой, настройка параметров и ручной режим работы все же целесообразны.

Вопрос: Как определить, что предпочтительнее для применения - газовое распыление или распыление воды?

О: Распыление водой обеспечивает гораздо более высокую производительность по металлу по сравнению с распылением газом. Однако газовая атомизация позволяет достичь более мелкого среднего размера порошка, подходящего для микроструктурированных деталей. Для типичных порошков MIM размером более 15 микрон распыление водой предпочтительнее с точки зрения экономии.

В: Какие меры безопасности рекомендуются при эксплуатации систем распыления?

О: Надлежащие средства защиты персонала при работе с системами высокого давления и мелкими порошками обязательны. Системы распыления воды должны иметь брызгозащитные устройства. Закрытая обработка порошка в перчаточных боксах с инертным газом, автоматизированные порошкоприемники повышают безопасность. Блокировки, ограничения доступа, аварийные остановки имеют решающее значение.

Вопрос: Что является причиной распространенных проблем при производстве порошка методом распыления?

О: Неравномерные размеры порошка и частицы-спутники часто являются следствием неконтролируемого потока металла. Загрязнение может быть следствием износа сопла, деградации фильтрующего материала или утечек. Засорение камер и сепараторов из-за переливов со временем снижает производительность. Контроль и оптимизация параметров потока являются ключевыми.

В: Какой опыт требуется для эффективной работы с системами распыления?

О: Несмотря на то, что автоматизация системы управления снижает нагрузку на персонал, для контроля за работой оборудования идеально подходят квалифицированные инженеры-металлурги или материаловеды, знакомые с производством порошков. Инженеры-механики и инженеры-электрики необходимы для технического обслуживания и устранения неисправностей. Операторы должны пройти соответствующее обучение работе с металлическими порошками.

узнать больше о процессах 3D-печати