системы распыления металлов Технические характеристики

Распыление металла - это процесс получения мелкодисперсных металлических порошков для различных применений. При этом металл расплавляется, а затем разбивается на мелкие капли под действием газа или центробежной силы. Капли быстро затвердевают, превращаясь в частицы порошка. Системы распыления металлов это оборудование, используемое для эффективного осуществления этого процесса в промышленных масштабах.

Обзор систем распыления металлов

Аспект	Описание
Функция	Системы распыления металла - это рабочие лошадки для производства тонких металлических порошков. Эти системы разбивают расплавленный металл на мельчайшие капельки с помощью газа высокого давления, воды или комбинации того и другого. Получаемые в результате частицы порошка, обычно размером от 5 до 150 микрон, обладают специфическими характеристиками и точными размерами, необходимыми для различных промышленных применений.
Разбивка процесса	1. Плавление: Процесс начинается с выбора металлического сырья, которое может представлять собой первичный материал, лом или предварительно легированную смесь. Этот материал расплавляется в печи, чаще всего с использованием индукционной или электродуговой технологии. 2. Распыление: Затем поток расплавленного металла подается через сопло. Здесь он сталкивается с высокоскоростной струей газа, воды или того и другого, в зависимости от требуемых свойств порошка и типа системы. Струя высокого давления разрушает поток металла, разбивая его на мелкие капли. 3. Застывание: Когда распыленные капли попадают в специальную камеру, они быстро застывают благодаря своему небольшому размеру и увеличенной площади поверхности, подвергающейся воздействию охлаждающей среды. 4. Классификация и коллекция: Охлажденный металлический порошок затем классифицируется для получения желаемого распределения частиц по размерам. Наконец, порошок собирается для дальнейшей обработки или хранения.
Типы систем	Существует две основные категории систем распыления металлов: Газовое распыление и водяное распыление. При газовом распылении используются инертные газы, такие как аргон или азот, для разрушения потока расплава. Этот метод идеально подходит для получения порошков высокой чистоты сферической формы, что делает их идеальными для применения в аддитивном производстве (AM). При водяном распылении, напротив, для распыления используются струи воды под высоким давлением. Эта технология более экономична и позволяет получать частицы неправильной формы. Порошки, распыляемые водой, обычно используются в процессах порошковой металлургии (ПМ) для изготовления подшипников и зубчатых колес.
Ключевые соображения	На выбор системы распыления металла влияют несколько факторов. Желаемые свойства порошка, такие как размер, форма и химический состав частиц, имеют первостепенное значение. Кроме того, важную роль играют тип обрабатываемого металла и требования к объему производства. Также необходимо учитывать эксплуатационные расходы системы, включая потребление энергии и необходимость технического обслуживания.
Преимущества	Распыление металла имеет ряд преимуществ перед традиционными методами металлообработки. Она позволяет создавать порошки с заданными свойствами, способствуя разработке новых материалов и передовых производственных процессов. Кроме того, распыление позволяет изготавливать детали в АМ практически чистой формы, сводя к минимуму отходы материала. Кроме того, эта технология позволяет перерабатывать металлолом в ценные порошки, что способствует устойчивому развитию производственного сектора.

Типы систем распыления металлов

Система	Описание	Преимущества	Недостатки	Приложения
Газовая атомизация	Инертный газ (обычно аргон) используется для разделения потока расплавленного металла на мелкие капли.	Получение сферических порошков с высокой текучестью Низкое содержание кислорода в порошке Подходит для широкого спектра металлов и сплавов	Более низкая производительность по сравнению с распылением воды Повышенное энергопотребление Ограниченный контроль над распределением частиц по размерам на более мелких участках	Аддитивное производство (3D-печать) Термическое напыление Литье металлов под давлением (МИМ)
Распыление воды	Струи воды под высоким давлением разбивают расплавленный металл на капли.	Ускоренное производство и снижение затрат Подходит для применения в больших объемах Возможность получения частиц более мелкого размера	Повышенное содержание кислорода в порошке из-за взаимодействия с водой Порошок неправильной формы со спутниками (прикрепленные капли расплава) Ограничены определенными металлами (обычно алюминий и сталь)	Литье металлов под давлением (МИМ) Сварка трением Детали с более низкими конструктивными требованиями
Роторное распыление	Расплавленный металл заливается на высокоскоростной вращающийся диск, который под действием центробежной силы разбрасывает металл на капли.	Получает почти сферические порошки с хорошей текучестью По сравнению с газовым распылением можно получить более широкий диапазон размеров частиц	Ограничивается металлами с низкой температурой плавления (обычно алюминий и магний) Более высокое потребление энергии по сравнению с распылением воды Возможность попадания брызг и проблемы с безопасностью
Плазменное распыление	Инертный газ ионизируется в плазму с помощью электрической дуги, создавая высокотемпературную и высокоскоростную струю, которая разрушает расплавленный металл.	Подходит для обработки реактивных металлов и металлов с высокой температурой плавления Можно получить очень мелкие и однородные частицы Более низкое содержание кислорода по сравнению с распылением воды	Высокие капитальные и эксплуатационные затраты Сложный процесс, требующий специального оборудования и опыта	Аддитивное производство (3D-печать) для высокопроизводительных сплавов (например, титана, никелевых суперсплавов) Компоненты газовых турбин Аэрокосмические детали
Плазменный вращающийся электродный процесс (PREP)	Вариант плазменного распыления, при котором расходуемый электрод расплавляется плазмотроном, а расплавленный металл центробежно выбрасывается в виде капель.	Сочетает в себе преимущества плазменного и роторного распыления Достигается высокий выход порошка и хороший контроль над размером и морфологией частиц	Чрезвычайно высокие капитальные и эксплуатационные затраты Ограниченная коммерческая доступность	Аддитивное производство дорогостоящих и специальных сплавов

Проектирование системы распыления металла

Основными компонентами типичной системы распыления газа являются:

Проектирование системы распыления газа

Компонент	Подробности
Плавильный агрегат	Тигель для индукционной плавки, емкость 50-2000 кг
Сборка форсунки	Несколько близко расположенных сопел диаметром 2-5 мм
Перегрев расплава	Впрыск азота/аргона для перегрева расплава
Камера распыления	Водяное охлаждение, высота 3-5 м
Газоснабжение	Азот/аргон, давление 50-100 бар
Циклонные сепараторы	Несколько последовательно соединенных циклонов для сбора порошка
Финальные фильтры	Рукавные, патронные фильтры

Конструкция и количество сопел важны для получения требуемого гранулометрического состава мелкодисперсного порошка. Высота камеры распыления обеспечивает время для застывания капель перед сбором.

Высококачественные промышленные газы, такие как азот или аргон, подаются из баллонов со сжатым газом или генераторов на месте. Их давление и расход определяют размер капель.

Технические характеристики системы распыления металла

Типичные технические характеристики систем газового распыления промышленного масштаба:

Технические характеристики системы распыления металла

Параметры	Технические характеристики
Производственная мощность	10 кг/час - 5000 кг/час
Размер частиц	10 - 150 мкм
Виды металлов	Сплавы никеля, железа, кобальта, меди
Температура плавления	1600 °C макс.
Давление газа	10 - 100 бар
Скорость охлаждения	104 - 106 К/с
Чистота порошка	99.5%
Конструкция форсунки	Кольцевая щель, дискретная струя
Газ для распыления	Азот, аргон

Производительность зависит от размера тигля и варьируется от лабораторных/пилотных установок производительностью 10 кг/час до крупных установок производительностью 5000 кг/час. В основном распылению подвергаются сплавы никеля, железа и кобальта, но также обрабатываются и другие металлы, такие как алюминий, медные сплавы.

Высокое давление газа и быстрая скорость охлаждения обеспечивают получение мелких микроскопических частиц порошка в диапазоне размеров 10-150 мкм. Возможно получение порошков с чистотой 99,5%.

Области применения металлических распылителей

К числу основных областей применения металлических порошков, получаемых методом распыления, относятся:

Применение металлических порошков

Промышленность	Приложения
Аэрокосмическая промышленность	Турбинные лопатки, диски
Автомобильная промышленность	Спеченные детали, фильтры
Электроника	Чип-резисторы, проводники
Аддитивное производство	Порошки для 3D-печати
Химическая	Катализаторы, пигменты
Биомедицина	Имплантаты, протезы

В аэрокосмической промышленности порошки никелевых и титановых сплавов используются для изготовления лопаток и дисков турбин сложной формы методом порошковой металлургии. В автомобильной промышленности распыленные порошки железа и стали используются для изготовления спеченных деталей, например зубчатых колес.

Мелкие порошки меди и серебра служат проводниками и резисторами в микроэлектронике. Металлические порошки являются сырьем для аддитивного производства, например 3D-печати.

Порошки специальных сплавов находят применение в качестве химических катализаторов и пигментов. Пористый порошок нержавеющей стали используется для изготовления ортопедических костных имплантатов в биомедицине.

Преимущества систем распыления металлов

Некоторые преимущества использования распыления металлов для производства порошков:

Преимущества распыления металла

Преимущества	Подробности
Более тонкие порошки	Размеры от микрометра до нанометра
Узкое распределение по размерам	Точный контроль размера частиц
Высокая чистота	Избежать загрязнения при фрезеровании
Более низкая стоимость	Дешевле механического шлифования
Контроль состава	Возможно легирование в расплаве
Сферические частицы	Хорошая текучесть
Универсальный	Широкий спектр распыляемых сплавов

Газовое и центробежное распыление позволяет получать более тонкие металлические порошки размером до 10 микрон по сравнению с механическим измельчением. Распределение частиц по размерам более узкое, что обеспечивает лучший контроль.

Поскольку в процессе измельчения не используется мелющая среда, чистота порошка выше. Капитальные и эксплуатационные затраты ниже, чем при механическом измельчении.

Легирующие элементы могут быть добавлены в тигель, что позволяет гибко изменять состав порошка. Сферические частицы порошка обеспечивают хорошую текучесть, что важно для заполнения штампов.

Практически любой сплав, от нитинола до инконеля, может быть подвергнут атомизации при надлежащем контроле параметров процесса.

Ограничения распыления металлов

К недостаткам систем распыления металлов относятся:

Ограничения распыления металлов

Недостатки	Подробности
Высокая температура плавления	Ограниченно для низкоплавких металлов
Реактивные металлы	Сложность распыления реактивных металлов, таких как титан, алюминий
Подбор газа	Поглощенные газы влияют на качество порошка
Спутниковые частицы	Образовалось несколько более крупных нерегулярных частиц
Высокая капитальная стоимость	Для создания крупной системы требуются значительные инвестиции

Металлы с очень высокими температурами плавления свыше 1800°C, такие как вольфрам, молибден, трудно распылять из-за ограничений тигля. Реакционноспособные металлы, такие как титан, алюминий, требуют вакуума или инертной атмосферы.

Газы, поглощаемые в процессе распыления, влияют на характеристики порошка. При распылении наряду со сферическими частицами образуются и спутники неправильной формы.

Крупномасштабные системы распыления металла требуют больших капитальных вложений - более $2 млн. Эксплуатационные расходы также достаточно высоки.

Поставщики систем распыления металлов

К числу ведущих мировых поставщиков оборудования для распыления металлов относятся:

Поставщики систем распыления металлов

Компания	Расположение	Масштаб
Phoenix Scientific	Роквуд, США	От лабораторных до промышленных
Металлические порошки Makin	Манчестер, Великобритания	От лабораторных до промышленных
ASK Chemicals	Хильден, Германия	От лабораторных до промышленных
ZenniZ	Москва, Россия	Промышленность
ALD Vacuum	Ханау, Германия	Промышленность

Эти компании предлагают газовые, центробежные, вакуумные системы распыления производительностью от лабораторных/пилотных 5 кг/час до крупных 2000 кг/час. Предлагаются системы "под ключ" с установками плавления, распыления и транспортировки порошка.

Цены на системы распыления составляют от $100 000 для лабораторных установок до более $2 млн. для промышленных установок в зависимости от мощности и характеристик. На цену также влияют местоположение, налоги, транспортировка и т.д.

Установка системы распыления металла

Основными этапами установки системы распыления металла являются:

Установка металлического распылителя

Сцена	Действия
Подготовка площадки	Выровнять бетонный пол, проложить коммуникации
Сборка	Сборка таких узлов, как тигель, сопловая часть
Соединения	Подключение газопроводов, охлаждающей воды, воздуховодов
Ввод в эксплуатацию	Тестовый запуск вхолостую, проверка герметичности, испытание с малой производительностью
Проверки безопасности	Установить системы аварийного отключения, пожаротушения, сигнализации
Обучение персонала	Обучение персонала работе с системой и ее обслуживанию

Оборудование является тяжелым, поэтому площадка должна иметь ровный бетонный пол без вибраций. Необходимо подключить такие инженерные коммуникации, как охлаждающая вода, инертный газ и вытяжные каналы.

Затем система собирается, выравнивается, проверяется на герметичность и первоначально запускается вхолостую до ввода в эксплуатацию в горячем состоянии. Системы безопасности на случай аварийного отключения, пожара или утечки расплава должны быть работоспособны.

Тщательное обучение обслуживающего персонала со стороны поставщика является залогом бесперебойной работы.

Эксплуатация и обслуживание металлического распылителя

Основные аспекты эксплуатации системы распыления металла включают в себя:

Эксплуатация металлического атомайзера

Деятельность	Подробности
Обработка сырьевых материалов	Используйте надлежащие перчатки, контейнеры для металлической шихты
Очистка кюветы	Удаление остатков, шлака путем шлифования, кислотного травления
Футеровка кюветы	Осмотрите облицовку, при необходимости восстановите/замените покрытие
Параметры процесса	Поддержание надлежащей температуры, давления, расхода
Состояние сопла	Осмотрите форсунки на предмет износа, засорения
Обработка порошка	Обеспечение надлежащей тары, процедуры переноса
Проверка оборудования	Проверка уплотнений, разъемов, систем безопасности
Техническое обслуживание	Плановое профилактическое обслуживание, ремонт

Во избежание загрязнения при работе с сырыми металлическими изделиями необходимо использовать соответствующие средства защиты. Плавильный тигель нуждается в регулярной очистке и обслуживании огнеупорной футеровки.

Важен тщательный контроль таких параметров процесса, как температура, давление и расход газа. Сопла, особенно для распыления газа, требуют периодической проверки и замены.

Мелкодисперсный порошок требует осторожного обращения для предотвращения риска облучения. Регулярные проверки помогают обнаружить утечки, повреждения и обеспечить работу всех систем безопасности. Во избежание поломок необходимо планировать профилактическое обслуживание.

Выбор поставщика металлических порошковых распылителей

Ключевые факторы при выборе поставщика систем распыления металла:

Выбор поставщика металлических атомайзеров

Критерии	Соображения
Техническая экспертиза	Опыт, экспертный персонал
Ассортимент оборудования	Лабораторные, пилотные, промышленные системы
послужной список	Релевантные примеры из практики, список клиентов
Персонализация	Гибкость для удовлетворения специфических требований
Послепродажное обслуживание	Поддержка монтажа, контракты на техническое обслуживание
Цена	Котировки, соответствующие бюджету
Надежность	Качество сборки и проверенные эксплуатационные характеристики
Безопасность	Соответствует всем отраслевым нормам безопасности
Сертификация	ISO или другая сертификация качества

Ищите проверенную компанию, имеющую опыт работы в области термического напыления или порошковой металлургии. Они должны предлагать весь спектр распылителей - от лабораторных прототипов до крупносерийного производства.

Запросите рекомендации клиентов и примеры из практики, относящиеся к вашей конкретной области применения. Поиск индивидуальных решений с учетом потребностей в производительности и характеристик порошка.

Оценить послепродажное обслуживание, например, шеф-монтаж, обучение операторов, контракты на техническое обслуживание и т.д. Учитывайте цену, но приоритет отдавайте производительности, безопасности и надежности.

Заключение

Распыление металлов - эффективный процесс получения чистых, сферических мелкодисперсных металлических порошков из различных сплавов для перспективных применений в аэрокосмической, автомобильной, аддитивной и других отраслях промышленности.

Системы газового и центробежного распыления состоят из блоков плавления металла, формирования капель и сбора порошка. Для получения желаемых размеров частиц и характеристик порошка требуется тщательное проектирование.

Ведущие поставщики предлагают стандартные и специализированные системы распыления от малых до крупных промышленных мощностей с соответствующей послепродажной поддержкой. Правильный выбор поставщика и соблюдение правил эксплуатации обеспечивают бесперебойную работу и максимальное производство порошка.

Вопросы и ответы

Вопрос: Каков типичный диапазон производительности систем распыления металлов?

О: Системы распыления металлов выпускаются производительностью от 10 кг/час для лабораторных/пилотных установок до более 5000 кг/час для крупносерийного промышленного производства. Возможна и более высокая производительность - до 10 000 кг/час.

Вопрос: В каких отраслях промышленности обычно используется распыление металлов?

О: К основным отраслям промышленности, использующим распыление металлов, относятся аэрокосмическая, автомобильная, аддитивное производство, порошковая металлургия, электроника и химическая промышленность. Мелкие сферические порошки используются для производства критических компонентов.

Вопрос: Насколько тонким может быть размер частиц порошка?

О: При газовой атомизации размер порошка до 10 мкм может быть достигнут при оптимальной конструкции сопел, давления и расхода газа. При центробежном распылении обычно получаются более грубые порошки размером более 20 мкм.

Вопрос: Какие металлы могут быть подвергнуты атомизации?

О: Большинство технических металлов с температурой плавления ниже 1800°C могут быть подвергнуты атомизации. В качестве примера можно привести сплавы никеля, железа, кобальта и титана. Некоторые химически активные металлы, такие как алюминий и магний, также могут быть подвергнуты атомизации в контролируемых условиях.

Вопрос: Какие газы используются при газовом распылении?

О: Наиболее широко используются азот и аргон в силу их инертности и доступности. В некоторых случаях используется также кислород или воздух, но они могут загрязнять порошок.

Вопрос: Каковы эксплуатационные расходы систем распыления?

О: Эксплуатационные расходы выше, чем при механическом фрезеровании, поскольку требуется непрерывная подача газа высокого давления. Кроме того, увеличиваются затраты на электроэнергию для индукционного нагрева и обслуживание тигля/сопла.

Вопрос: Какие аспекты безопасности требуют внимания?

О: Высокотемпературные расплавы металлов, инертные газы под давлением, мелкие горючие порошки требуют осторожного обращения и систем безопасности для предотвращения пожара и взрыва. Обязательным условием является надлежащее обучение оператора.

Вопрос: Какое техническое обслуживание требуется для оборудования?

О: Проверка и замена форсунок, ремонт/замена тигля, проверка герметичности, очистка воздушных фильтров - это типичные задачи технического обслуживания. Плановое профилактическое обслуживание сводит к минимуму количество поломок.

Вопрос: Можно ли распылять металлические сплавы?

О: Да, металлические сплавы можно легко распылять, добавляя в плавильный тигель легирующие элементы, такие как хром, алюминий, титан, в точных пропорциях для получения требуемого состава.

Вопрос: Можно ли проводить распыление металла в небольших масштабах?

Ответ: Да, для мелкосерийного производства порошков, например, для научно-исследовательских целей, поставщики предлагают лабораторные атомизаторы с плавильными тиглями емкостью 1-5 кг. Однако эксплуатационные расходы на килограмм выше.

узнать больше о процессах 3D-печати

MET3DP - лидер в области производства материалов для аддитивного производства

MET3DP Technology Co., LTD - ведущий поставщик решений для аддитивного производства со штаб-квартирой в Циндао, Китай. Наша компания специализируется на производстве оборудования для 3D-печати и высокопроизводительных металлических порошков для промышленного применения.

Сделайте запрос, чтобы получить лучшую цену и индивидуальное решение для вашего бизнеса!