Металлические порошки специального назначения

Металлические порошки специального назначения относятся к металлам, которые были обработаны в виде мелких частиц для использования в передовых производственных технологиях. Они обладают уникальными свойствами, которые делают их пригодными для специализированного применения в таких отраслях, как аэрокосмическая, медицинская, электронная и другие.

В этой статье будет представлен полный обзор различных типов специальных металлических порошков, их состава и характеристик, областей применения, спецификаций и марок, поставщиков, цен, а также преимуществ и ограничений.

Виды специализированных металлических порошков

Существует множество категорий и разновидностей специализированных металлических порошков, используемых в различных технологиях. К основным типам относятся:

Тип	Описание
Никелевые сплавы	Инконель, монель, хастеллой, сплавы Nilo с никелем и хромом, железом, молибденом и т.д. Высокая прочность и коррозионная стойкость при высоких температурах
Кобальтовые сплавы	Сплавы Хейнса с кобальтом и хромом/вольфрамом/молибденом. Биосовместимость для имплантатов
Титановые сплавы	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb и др. Легкость, прочность, биосовместимость
Тугоплавкие металлы	Вольфрам, молибден, тантал. Чрезвычайно высокие температуры плавления
Магнитные сплавы	Сплавы железа, никеля или кобальта с высокой проницаемостью и низкой коэрцитивной силой
Порошки для термического напыления	Сфероидальные порошки для покрытий, противостоящих износу, коррозии и т.д.

Преимущества порошковой металлургии

Преимущество	Описание	Выгода	Пример
Минимум отходов	Порошковая металлургия может похвастаться исключительно высоким коэффициентом использования материала, часто превышающим 97%. Это объясняется тем, что детали формируются из точно отмеренных количеств металлического порошка, что сводит к минимуму количество брака по сравнению с традиционными субтрактивными процессами, такими как механическая обработка.	Снижение производственных затрат, экологически чистое производство и минимальная послепроизводственная очистка.	Шестерни, подшипники и другие сложные компоненты могут быть сформированы в форме, близкой к сетке, что требует минимальной обработки и создает очень мало брака.
Гибкость конструкции	В отличие от традиционных технологий, ограниченных формуемостью сыпучих материалов, порошковая металлургия позволяет создавать сложные формы. Сложные геометрические формы, вырезы и даже внутренние каналы могут быть включены в конструкцию благодаря свободе прессования в пресс-форме.	Детали с замысловатыми элементами или сложной геометрией могут быть изготовлены эффективно, исключая необходимость сборки нескольких компонентов.	С помощью порошковой металлургии можно изготавливать электрические контакты со сложными деталями и радиаторы с внутренними каналами для улучшения отвода тепла.
Универсальность материалов	Мир металлических сплавов находится в вашем распоряжении благодаря порошковой металлургии. Смешивая различные металлические порошки или добавляя дополнительные элементы, можно добиться огромного количества свойств материала. Это включает в себя контроль над такими факторами, как пористость, прочность и электропроводность.	Компоненты, требующие определенного сочетания свойств, таких как высокая износостойкость и электропроводность, могут быть изготовлены путем подбора материала на стадии производства порошка.	Самосмазывающиеся подшипники могут быть изготовлены путем включения частиц смазки в смесь металлических порошков. Кроме того, компоненты, требующие высокого соотношения прочности и веса, могут быть получены за счет использования легких металлических сплавов.
Точность и повторяемость размеров	Порошковая металлургия отлично подходит для производства деталей с жесткими допусками. Точный контроль характеристик порошка и силы прессования позволяет добиться стабильных размеров деталей при крупносерийном производстве.	Снижение требований к последующей обработке, повышение качества продукции и взаимозаменяемость деталей.	Шестерни, поршни и другие механические компоненты могут быть изготовлены с высокой точностью размеров, обеспечивая плавную работу и правильную сборку.
Близкие к сетке формы и уменьшенная обработка	Возможность формирования сложных форм с высокой точностью сводит к минимуму необходимость в обширной послепроизводственной обработке. Это дает значительную экономию средств и времени.	Ускоренное производство, снижение производственных затрат и улучшение качества обработки поверхности.	Сложные компоненты, такие как кулачки и звездочки, могут иметь практически сетчатую форму, требующую минимальной обработки для достижения конечных размеров.
Контролируемая пористость	Порошковая металлургия предлагает уникальное преимущество: возможность регулировать пористость детали. Контролируемый объем пор может быть полезен для приложений, требующих смазочных резервуаров, фильтрующих элементов или даже костных имплантатов, способствующих врастанию тканей.	Улучшенная функциональность, способность к фильтрации или повышенная биосовместимость.	Масляные фильтры и самосмазывающиеся подшипники могут использовать контролируемую пористость в материале для повышения производительности.
Возможности термообработки	Как и деформируемые металлы, детали из порошковой металлургии могут подвергаться термообработке для улучшения механических свойств, таких как прочность, твердость и износостойкость.	Улучшенная производительность и более широкие возможности применения.	Шестерни и звездочки могут подвергаться термообработке для достижения превосходной износостойкости и усталостной прочности.
Автоматизация и крупносерийное производство	Порошковая металлургия хорошо подходит для автоматизации, позволяя производить большие объемы продукции с неизменным качеством. Весь процесс, от засыпки порошка до уплотнения и спекания, может быть автоматизирован для эффективного производства.	Экономически эффективное массовое производство, снижение трудозатрат и стабильное качество продукции.	Небольшие сложные компоненты, такие как крепеж и электронные разъемы, можно эффективно производить в больших объемах с помощью автоматизированных процессов порошковой металлургии.

Состав и характеристики

Металлические порошки специального назначения может содержать различные легирующие элементы для достижения желаемых свойств. Ниже приведены некоторые типичные составы и характеристики:

Материал	Типовой состав	Характеристики
Никелевые сплавы	Ni, Cr, Fe, Nb, Mo	Устойчивость к нагреву, коррозии. Хорошая прочность и вязкость
Кобальтовые сплавы	Co, Cr, W, Ni, Mo	Биосовместимость, высокая твердость и износостойкость
Титановые сплавы	Ti, Al, V, Nb, Ta	Чрезвычайно прочный и в то же время легкий. Биоинертность
Тугоплавкие металлы	W, Mo, Ta	Выдающиеся высокотемпературные свойства, тепловая/электрическая проводимость
Магнитные сплавы	Fe, Ni, Co, Nd, Sm	Высокая намагниченность насыщения и магнитная проницаемость

Конкретное процентное содержание каждого элемента можно варьировать, чтобы получить порошки с несколько иными свойствами для предполагаемых применений. Более экзотические специальные сплавы также возможны путем смешивания нескольких металлов.

Характеристики частиц

Помимо состава, на эффективность влияют такие характеристики порошка, как форма частиц, их распределение по размерам, текучесть и чистота.

Форма частиц - Сферические, неправильные, смешанные. Определяет плотность упаковки и поведение при спекании.
Распределение по размерам - Диапазон и распределение размеров. Влияет на плотность и свойства.
Текучесть - Решающее значение для точности дозирования в АМ. Улучшается за счет сферичности и однородности размеров.
Чистота - Содержание кислорода/азота влияет на качество. Выше - лучше.

Производители тщательно контролируют эти свойства порошка, чтобы гарантировать постоянство состава разных партий.

Области применения специализированных металлических порошков

Уникальные преимущества специальных металлических порошков делают их подходящими для нишевых применений, где традиционные металлические изделия не подходят. Некоторые примеры включают:

Промышленность	Приложения
Аэрокосмическая промышленность	Лопасти турбин, арматура для самолетов, сопла для ракет.
Медицина	Ортопедические/стоматологические имплантаты, хирургические инструменты
Автомобильная промышленность	Облегченные детали шасси, высокоэффективные компоненты
Электроника	Экранирование, контакты, выводные рамки, разъемы
Промышленность	Инструментальная оснастка, приспособления для термообработки, износостойкие/коррозионностойкие покрытия

Другие распространенные области применения - оборудование для химической обработки, спортивные товары, компоненты часов и т.д. Их применение продолжает расти по мере широкого внедрения аддитивного производства.

Степени и спецификации

Как и обычные металлы, марки порошковой металлургии стандартизированы профессиональными организациями для обеспечения постоянного качества и производительности. Некоторые ключевые стандарты включают:

Стандарт	Организация	Материалы
ASTM	ASTM International	Никель, кобальт, титановые сплавы
UNS	SAE International	Специальные металлические сплавы
ISO	Международная организация по стандартизации	Широкий спектр металлов и керамики

В каждом стандарте материалам присвоены уникальные коды для идентификации. Кроме того, для регулирования качества предусмотрены спецификации, касающиеся предельного состава, характеристик порошка, отбора проб, испытаний и т. д.

Сертификаты соответствия химическому составу и отчеты об испытаниях предоставляются авторитетными производителями для подтверждения соответствия приобретенной спецификации. Также возможны нестандартные марки вне стандартов для собственных применений.

Поставщики и ценообразование

Существует ряд ведущих мировых поставщиков специальных металлических порошков для коммерческого использования:

Поставщик	Типичные материалы	Средняя ценовая политика
Sandvik	Никель, кобальт, титановые сплавы	$50 - $100 за кг
Praxair	Сплавы никеля, железа, вольфрама	$75 - $250 за кг
Hoganas	Инструментальные стали, нержавеющие стали	$30 - $150 за кг
GKN	Титан, алюминиевые сплавы	$100 - $300 за кг
Техник-плотник	Широкий ассортимент специальных сплавов	$250 - $500 за кг

Цены значительно варьируются в зависимости от сложности сплава, объема заказа, характеристик порошка и стандартов качества. Как правило, сферические порошки с контролируемым распределением по размерам имеют более высокую цену.

Сравнение материалов

Не существует универсально лучшего специального сплава - между различными вариантами порошковых металлов существуют определенные компромиссы:

Параметр	Никелевые сплавы	Титановые сплавы	Тугоплавкие металлы
Прочность	Очень хорошо	Отличный	Хороший
Твердость	Хороший	Очень хорошо	Отличный
Жесткость	Отличный	Хороший	Среднее
Коррозионная стойкость	Отличный	Очень хорошо	Среднее
Устойчивость к высоким температурам	Отличный	Среднее	Отличный
Биосовместимость	Среднее	Отличный	Среднее
Стоимость	Высокая	Очень высокий	Среднее

Основные выводы:

Никелевые сплавы обладают наилучшими универсальными свойствами, но стоят дорого
Титановые сплавы обладают превосходным соотношением прочности и веса, но могут быть недостаточно пластичными
Тугоплавкие металлы выдерживают экстремальные температуры, но менее устойчивы к коррозии
Правильный выбор зависит от критических требований к производительности приложения

Преимущества порошковой металлургии

Некоторые заметные преимущества специальные металлические порошки:

Повышенная чистота - Быстрое затвердевание при распылении обеспечивает более высокую достижимую чистоту по сравнению с обычными литыми/коваными металлами. Это расширяет возможности применения и эксплуатационные границы.

Атрибуты точности - Постоянство характеристик порошка обеспечивает воспроизводимость результатов, более жесткие допуски и контроль качества для таких критически важных компонентов, как аэрокосмические турбины и медицинские имплантаты.

Сложная геометрия - Специальные порошки позволяют получать топологически оптимизированные, легкие или пористые компоненты, невозможные при использовании субтрактивных технологий.

Настраиваемость - Химический состав сплава и свойства порошка могут быть подобраны в соответствии с конкретными требованиями к механическим, физическим или биологическим свойствам.

Устойчивое развитие - Аддитивные технологии отличаются меньшим соотношением цены и качества, а также меньшим расходом материала по сравнению с механической обработкой из массы. Это способствует экологичности производства.

Металлические порошки специального назначения

Проблемы порошковой металлургии

Испытание	Описание	Воздействие	Потенциальные решения
Характеристики и текучесть порошка	Несоответствие размера, формы и распределения частиц в порошке может привести к неравномерной плотности, пористости и шероховатости поверхности конечного продукта. Плохая текучесть порошка может препятствовать эффективному заполнению форм, вызывая дефекты и задержки в производстве.	Снижение механических свойств, нарушение целостности деталей и возможность их выхода из строя. Неэффективность производства и увеличение количества брака.	Тщательная характеризация порошка и контроль распределения частиц по размерам. Использование сферических или угловатых порошков в зависимости от требуемой плотности и свойств. Использование смазочных материалов или добавок для улучшения текучести порошка.
Колебания плотности и пористости	Достижение равномерной плотности в сложных геометрических формах может оказаться непростой задачей. Внутренние пустоты или пористость могут ослабить деталь и повлиять на ее функциональность.	Снижение прочности, пластичности и усталостной прочности. Возможность протечек в системах, работающих под давлением.	Использование методов уплотнения, таких как прессование или изостатическое прессование, для достижения оптимальной плотности. Применение компьютерного моделирования для прогнозирования и уменьшения колебаний плотности. Оптимизация конструкции деталей для минимизации сложных элементов и обеспечения равномерного потока порошка.
Расслаивание и растрескивание	Слабое межчастичное сцепление при уплотнении может привести к расслоению (внутреннему разделению) или растрескиванию детали.	Снижение механических свойств и возможность катастрофического разрушения под нагрузкой.	Оптимизация свойств порошка, таких как морфология поверхности и химический состав, для улучшения сцепления. Использование более высоких давлений уплотнения или температур спекания. Применение вторичных операций, таких как горячее изостатическое прессование, для устранения внутренних дефектов.
Соображения по поводу стоимости	Высокочистые порошки, сложные технологии производства, близкие к сетчатой форме, и последующая обработка могут значительно увеличить стоимость производства.	Ограниченная экономическая эффективность по сравнению с традиционными методами металлообработки для некоторых областей применения.	Использование экономически эффективных порошковых материалов и оптимизация конструкции деталей для эффективного использования порошка. Изучение альтернативных технологий уплотнения с меньшими энергозатратами. Внедрение стратегий переработки порошка для минимизации отходов материала.
Воздействие на окружающую среду	При обработке и переработке порошков может образовываться воздушная пыль и потенциально опасные испарения, что создает угрозу здоровью и экологическим проблемам.	Пагубное воздействие на здоровье работников и потенциальное загрязнение окружающей среды.	Использование надежных систем пылеулавливания и вентиляции для поддержания безопасной рабочей среды. Использование экологически чистых смазочных материалов и связующих веществ в порошковой смеси. Соблюдение строгих экологических норм при утилизации отходов.
Ограничения при выборе материала	Не все металлы и сплавы можно легко приобрести в виде порошка, а некоторые материалы могут разрушаться в процессе производства порошка.	Ограниченная свобода проектирования для применений, требующих особых свойств материала.	Непрерывные исследования и разработки в области технологий производства порошков для расширения выбора материалов для ПМ. Использование композитных порошковых смесей или литья металлов под давлением (MIM) для создания передовых комбинаций материалов.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

В этом разделе FAQ представлены ответы на часто задаваемые вопросы по порошковой металлургии для справки:

Какие специальные металлические порошки наиболее широко используются сегодня?

Большую часть спроса составляют титановые сплавы, суперсплавы на основе никеля, кобальтохромовые сплавы и инструментальные стали. Основные области применения - аэрокосмические двигатели, имплантаты для замены суставов, автомобильная/промышленная оснастка и инструментальные стали для пресс-форм и штампов.

Какие методы могут быть использованы для производства металлического порошка специального назначения?

К распространенным технологиям производства относятся газовое распыление, плазменное распыление, электролиз и карбонильное разложение. Каждый из них имеет относительные преимущества - газовая атомизация предлагает наилучшее сочетание стоимости и стабильного размера/формы порошка.

Как характеризуются металлические порошки?

Обычно исследуются такие характеристики, как распределение частиц по размерам, морфология, скорость потока, плотность ленты, химический состав, микроструктура и уровень загрязнения. Они влияют на пригодность для процессов AM и свойства конечной детали.

К какому размерному ряду относятся специализированные порошки для AM?

Подавляющее большинство порошков находится в диапазоне от 10 до 100 микрон. Более мелкие частицы могут воспламеняться или быть опасными в обращении, в то время как крупные частицы негативно влияют на разрешение, плотность и качество поверхности.

Что такое специальный сплав, распыляемый в инертном газе?

Это высокоэффективный порошок, получаемый путем распыления потока расплавленного металла с использованием инертного газа, такого как аргон или азот, чтобы избежать загрязнения. Это предпочтительный метод производства для реактивных сплавов.

Как обрабатываются детали после AM?

Обычная последующая обработка включает в себя горячее изостатическое прессование (HIP), термообработку, горячее изостатическое прессование (HIP), обработку поверхности, нанесение покрытий и окончательный контроль/испытания в соответствии с требованиями приложения.

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!