Atomiseringsutrustning för metallpulver

Finfördelning av metallpulver är en partikelstorleksreduktionsteknik som används för att producera fina metallpulver med optimerade egenskaper för industriella applikationer. Denna process innebär att smält metall tvingas genom ett munstycke för att sönderdela den till enhetliga droppar som snabbt stelnar till pulverpartiklar.

Atomisering tillåter kontroll över pulverpartikelstorleksfördelning, morfologi, renhet och andra egenskaper som är avgörande för hög prestanda vid 3D-utskrift av metall, tillverkning av pulvermetallurgiska delar, metallbeläggningsprocesser och mer. Den här artikeln ger en omfattande översikt över olika typer av atomiseringsutrustning, arbetsprinciper, designöverväganden, tillämpningar, fördelar och begränsningar.

Översikt över metallpulveratomiseringsprocessen

Metallpulverförstoftning omvandlar flytande metall i bulk till fina sfäriska pulver med kontrollerade egenskaper. Detta uppnås genom att bryta upp en smält metallström till fina droppar med hjälp av gas- eller vätskestrålar. Dropparna stelnar snabbt till pulverpartiklar när de svalnar.

De viktigaste stegen i denna process är:

• Metallsmältning – Råmetallladdningen smälts med induktionsugn, ljusbågsmältning eller andra tekniker. Vanliga metaller finfördelade inkluderar aluminium, titan, nickel, järn, kobolt, koppar etc.
• Tillförsel av smält metall – Den flytande metallen hålls vid optimal temperatur och kanaliseras till finfördelningszonen med hjälp av tapplåda, deglar eller pumpar.
• Atomisering – Den smälta metallströmmen sönderdelas till droppar genom interaktion med höghastighetsgas eller vätska. Olika finfördelningsmetoder används.
• Puderkollektion – Det finfördelade metallpulvret kyls och samlas upp för nedströmsdrift. Siktning, magnetisk separation, glödgningsprocesser kan användas.
• Pulverkarakterisering – Pulvrets partikelstorleksfördelning, morfologi, densitet, flytbarhet och mikrostruktur analyseras.

Korrekt kontroll över processparametrar som metallsammansättning, temperatur, finfördelningsvätskans hastighet, finfördelardesign är avgörande för att uppnå önskade pulveregenskaper.

Typer av atomiseringsutrustning

Atomiseringssystem kan kategoriseras baserat på mediet som används för att sönderdela den smälta metallen till droppar:

Atomisering av gas

Vid gasatomisering accelererar den kinetiska energin hos högtrycksgas snabbt och sprider den flytande metallströmmen till fina droppar. Baserat på gasleveransdesignen kan den ytterligare klassificeras i:

• Tryckgasatomisering – Använder nära kopplade munstycken för att leverera tryckluft eller inert gas i sidled på den flytande metallströmmen.
• Gasatomisering med två vätskor – Koaxialmunstycken introducerar finfördelningsgasen med hög hastighet runt ett inre metalltillförselrör.
• Gasatomisering med flera munstycken – Använder en rad konvergent-divergerande munstycken för att leverera supersoniska gasstrålar till smältströmmen.

Gasatomiserade pulver har lägre partikelstorlek, mer enhetlig morfologi, högre renhet jämfört med vattenatomiserade pulver. Men processen är energikrävande och dyr.

Atomisering av vatten

Vid vattenförstoftning sönderdelas den smälta metallströmmen genom sin stöt med högtrycksvattenstrålar. Det bildas droppar med bredare storleksfördelning. Vattenförstoftning har lägre kapital- och driftskostnader jämfört med gasförstoftning.

Baserat på design kan vattenförstoftning använda:

• Närkopplad vattenatomisering – Vattenstrålar träffar direkt på den flytande metallen som lämnar tapplådan.
• Fritt fall vattenatomisering – Fallande ström av smält metall fångas upp av vattenstrålar under tapplådan.

Vattenförstoftade pulver har mer oregelbundna partikelformer och bredare fördelning idealiska för pressning och sintring. Men vatten introducerar föroreningar.

Centrifugal atomisering

Vid centrifugalförstoftning hälls eller pumpas smält metall i en höghastighetsspinningsskiva eller -kopp. Metallen bildar en tunn film på omkretsen som sönderfaller till fina droppar på grund av centrifugalkrafter.

Fördelarna inkluderar enkel design, låg gasförbrukning, enkel uppskalning. Men storleksintervallet är relativt högre än gasatomisering. Används för att producera sfäriska pulver från metaller med låg smältpunkt som tenn, bly, zink etc.

Ultraljudsgasatomisering

Kombinerar gasförstoftning med en ultraljudsgenerator kopplad till munstycket. De högfrekventa vibrationerna förbättrar sönderdelningen och spridningen av metall till finare droppar, vilket ger submikronpulver.

Mycket effektivt för att generera nanokristallina och amorfa pulvermorfologier. Men dyrt och underhållskrävande. Används för specialiserade applikationer.

Spark Erosion Atomization

I denna elektriska atomiseringsteknik appliceras en pulsad gnistanladdning mellan den smälta metallen och en elektrodspets, vilket skapar plasma som sönderdelar metallen till ultrafint sfäriskt pulver.

Möjliggör produktion av mycket fint, mycket sfäriskt metalliskt pulver. Men låg produktionshastighet och hög kostnad. Används mest för ädelmetaller som guld, platina, palladium.

Atomizer-komponenter och design

Atomizers består av en mängd olika komponenter konstruerade för att smälta, hälla, finfördela, kyla och samla upp metallpulvret effektivt.

Metallsmältning och hällningssystem

• Induktionsugn – Används oftast för att smälta metaller som stål. Ger bra temperaturkontroll och låg smältförorening.
• Deglar – Eldfasta keramiska krukor som används för att innehålla metallladdning. Kan värmas i separat ugn och hällas manuellt eller direkt införlivas i atomiseringssystem.
• Tundish – Mellanreservoar för smält metall som kontrollerar hällhastigheten i finfördelningssektionen.
• Stuprör – Riktar exakt flödet av smält metall in i finfördelningszonen. Tillverkad av eldfast metall som volfram för att klara höga temperaturer.
• Pumpar – Används för att kontrollera tryckmatad leverans av smält metall i vissa atomizer-konfigurationer.

Atomiseringssektion

• Finfördelningsmunstycke – Specialiserade högtrycks- och temperaturbeständiga munstycken som används för att skapa gas- eller vattenstrålar för finfördelning.
• Munstycksuppsättningar – Flera specialiserade munstycken strategiskt placerade för att optimera droppbildningen.
• Spinnande komponenter – Diskar, koppar som används vid centrifugal atomisering roterar med mycket höga hastigheter – 10 000 till 50 000 RPM drivs av en elmotor.
• Ultraljudsgenerator – Konverterar elektrisk signal till högfrekventa mekaniska vibrationer i munstycksområdet. Används vid ultraljudsförstoftning.
• Strömförsörjning – Tillhandahåller den höga strömmen för att generera en elektrisk ljusbåge för gnistrerosionsförstoftning.

Pulverhanteringssystem

• cyklonavskiljare – Separera fint pulver från processgas- eller vattenflödena med centrifugalkrafter.
• Påsfilter – Samla upp mycket fint pulver som inte separeras i cykloner. Behöver ofta bytas ut.
• Skärmklassificerare – Storleksklassificering av pulver i olika fraktioner med hjälp av nätsiktar.
• Magnetiska separatorer – Ta bort eventuella metallföroreningar från pulvret.
• Transportörer – Transporterar pulver mellan utrustning. Skruv, rem, vibrerande transportörer används.
• Hoppers – Lagrar pulver för vidare bearbetning eller förpackning.
• Dammsugning – Tar bort utspillt pulver från utrustning och ytor. Kritiskt för reaktiva metallpulver.

Instrumentering och kontroller

• Temperaturgivare – Kritiskt för att övervaka och kontrollera ugn/smälta, munstyckstemperatur för optimal finfördelning.
• Trycksensorer – Övervaka gas- och vattentrycket i munstyckena för att bibehålla korrekt finfördelning.
• Flödesmätare – Mät och kontrollera flödeshastigheter för finfördelningsvätska och smälta.
• Varvräknare – Övervakar rotationshastigheten för centrifugala finfördelningsskivor.
• Nivåsensorer – Upprätthåll optimala smältnivåer i nyckelkärl. Förhindrar översvämning.
• Nödstopp – Krävs för snabb och säker avstängning av maskineri vid eventuella problem.
• Styrsystem – Automatiserad datorstyrning optimerar koordinering av parametrar och förbättrar repeterbarheten.

Metallpulveratomiseringsprocessparametrar

Korrekt val av processparametrar är nyckeln för att uppnå pulver med önskade egenskaper. Tabellen nedan sammanfattar nyckelvariablerna och deras inverkan på pulveregenskaper:

Karakterisering av atomiserat metallpulver

Det finfördelade pulvrets egenskaper och kvalitet avgör prestandan i nedströmsapplikationer. Nyckelegenskaper som utvärderas är:

Fördelning av partikelstorlek

Fördelningen av pulverpartiklar över olika storleksfraktioner, vanligtvis representerade som D10-, D50- och D90-percentiler. Gasförstoftning kan uppnå under 20 mikron medan vattenförstoftning ger grövre pulver.

Partikelform och morfologi

Gasatomiserat pulver har mycket sfäriska partiklar medan vattenatomiserat pulver är mer oregelbundet. Satellitpartiklar indikerar brist på optimal finfördelning. Rundat pulver har bättre flöde och packningsdensitet.

Kemisk sammansättning

Elementar- och fassammansättningen från analyser. Bestämmer legeringskvalitet. Gasatomisering ger hög renhet medan vatten kan förorena reaktiva metaller som titan, aluminium.

Skenbar och tappdensitet

Indikator för pulverpackningseffektivitet. Högre densitet förbättrar produktegenskaperna vid pressning och sintring. Men kan påverka puderflödet. Värden typiskt 40-65% av materialdensitet.

Flödeskarakteristik

Viktigt för hantering och nedströms bearbetning. Påverkas av faktorer som partikelform, storleksfördelning, ytstruktur. Förbättrad genom glödgning, ytbehandling.

Mikrostruktur

Inre pulverstruktur avslöjad genom mikroskopi. Gasatomiserat pulver har fina korn och defekter från snabb stelning medan finfördelat vatten är grövre. Bestämmer sintringsbeteende.

Tillämpningar av metallpulveratomisering

Finfördelade metallpulver hittar ett brett utbud av användningsområden inom avancerad tillverkning, vilket förbättrar produktkvalitet och prestanda jämfört med konventionell metallbearbetning:

Additiv tillverkning

• 3D-utskrift – Atomiserade sfäriska pulver med kontrollerad storleksfördelning är idealiska för pulverbäddsfusionstekniker. Aluminium, titan, nickel superlegeringar används vanligtvis.
• Metallformsprutning – Finare pulver av rostfritt stål, titan och aluminium förbättrar sintringsprocessen och komponentdensiteten.

Pulvermetallurgi

• Press och Sinter – Oregelbundet, grövre vattenförstoftat järnpulver som används för hög produktion av P/M-delar med goda mekaniska egenskaper.
• Mjuka och hårda magneter – Finkristallina NdFeB, SmCo-pulver producerar högpresterande bundna och varmpressade magneter.
• Friktionsmaterial – Vattenförstört kopparpulver förbättrar prestandan hos bromsbelägg och kopplingsbelägg.

Ytbeläggningar

• Termisk spray – Sfäriskt, kontrollerat storleksfördelningspulver som är viktigt för enhetliga, täta beläggningar via plasma- eller HVOF-spray. WC-Co, nickellegeringspulver används.
• Vapor Deposition – Ultrafint superlegeringspulver som används i elektronstrålefysisk ångavsättning för turbinbeläggningar med förbättrat skydd.

Övriga

• Metallformsprutning – Fint rostfritt stål, titan och aluminiumpulver kan producera små, komplexa komponenter.
• Lödpastor – Finfördelad silver-, guld-, kopparlegering som används vid tillverkning av högtemperaturlödningsfogar.
• Gnisterosion – Ultrafint sfäriskt pulver som används som dielektriskt medium förbättrar precisionen och hastigheten vid EDM-bearbetning.

Fördelar med metallpulveratomisering

Jämfört med konventionella metallbearbetningsvägar inkluderar de viktigaste fördelarna med att använda finfördelade pulver:

• Förbättrade mekaniska egenskaper – Fin, homogen mikrostruktur från snabb stelning ökar sträckgränsen, utmattningslivslängden och duktiliteten.
• Exakt dimensionell kontroll – Konsekvent, sfäriskt pulver möjliggör tillverkning av hög densitet och exakt nätform. Minskar bearbetning.
• Högre produktivitet – Komponenter kan massproduceras via metallpulverbearbetning snabbare än subtraktiva metoder.
• Större designfrihet – Komplexa geometrier kan tillverkas som är omöjliga genom gjutning eller bearbetning.
• Minimerar avfall – Förmågan nära nettoform minskar skrotförlust jämfört med götmetallurgi. Oanvänt pulver kan återvinnas.
• Lägre energianvändning – Pulverprocess kräver lägre temperatur och energi än produktion från bulkmetall.
• Anpassade legeringar – Specialiserade kompositioner kan finfördelas som är svåra att tillverka via göt.
• Hög renhet – Reaktiva element som titan kan finfördelas med lägre kontaminering än konventionella metoder.

Begränsningar av metallpulveratomisering

• Hög kapitalinvestering krävs för atomiseringsutrustning och pulverhanteringssystem jämfört med bulkmetallbearbetning.
• Ytterligare nedströmsprocesser som komprimering, sintring etc. behövs för att göra produkter av pulver. Den övergripande produktionsvägen är komplex.
• Att uppnå ultrafint pulver i nanoskala kan vara utmanande och dyrt med lägre genomströmning.
• Potential för kontaminering vid användning av vattenförstoftning, speciellt för reaktiva metaller.
• Pulver kan adsorbera syre och fukt, vilket kräver skyddande förvaring och hantering.
• Säkerhetsproblem finns relaterade till dammexplosioner, brandrisker och toxicitet för vissa pulversammansättningar och morfologier.
• Variation i slutkomponentens egenskaper jämfört med smidesprodukter. Defekter relaterade till pulver kan visa sig efter konsolidering.
• Återvinning och återanvändning av metallpulver är begränsad jämfört med bulkmetallformer. Materialet kasseras efter 1-2 återanvändningscykler.
• Brist på industristandarder för nya metallpulver för egenskaper, testmetod, kvalitetskontroll och certifiering skapar hinder för adoption.

Välja ett system för atomisering av metallpulver

Att välja rätt atomiseringsutrustning för en applikation beror på faktorer som:

Produktionsvolym

• Låg produktion – Labb- och pilotskala atomizers. Centrifugal- eller tryckgasatomiseringssystem.
• Medium produktion – Kontinuerliga finfördelare klassade upp till 3 ton/timme pulverproduktion.
• Hög produktion – Anpassade storskaliga system med kapacitet överstigande 10 ton/timme.

Pulvermaterial

• Icke-reaktiva metaller som stål och nickellegeringar kan använda vattenförstoftning.
• Vattenkänsliga legeringar som aluminium, titan behöver finfördelning med inert gas.
• Eldfasta metaller som volfram kräver specialiserade finfördelningsmedia och skydd.

Egenskaper för pulver

• Gasatomisering för finare pulver under 30 mikron med sfärisk morfologi.
• Vattenförstoftning för grövre, oregelbundet pulver för pressning.
• Specialiserad finfördelning för nanokristallint eller amorft metallpulver.

Produktapplikation

• Additiv tillverkning använder mycket fint, kontrollerat partikelfördelningspulver från gasatomisering.
• Pulverformsprutning kräver fint, sfäriskt pulver med bra flyt.
• Termiska spraybeläggningar behöver tätt, sfäriskt pulver som packar väl.

Kapital- och driftskostnader

• Vattenförstoftning har lägre utrustningskostnad och driftskostnad men kan äventyra pulverkvaliteten.
• Gasförstoftning har 10X högre kapitalkostnad men ger överlägset pulver. Driftkostnaderna också högre.
• Centrifugalförstoftning är ekonomisk men har storleks- och formbegränsningar.

Anläggningsintegration

• Kräver tillräcklig infrastruktur för smältberedning, pulverhantering, lagring och transport.
• Skyddssystem för reaktiva metaller som inert gasatmosfär.
• Automatiserade kontroller och dataövervakning förbättrar processstabiliteten.

Ledande tillverkare av metallpulverförstörare

Flera företag erbjuder standardiserade och specialtillverkade metallpulverförstoftningssystem och komponenter:

Gasatomiseringssystem

• Praxair – marknadsledare inom högtrycksgasförstoftningsutrustning. Erbjuder labb-, pilot- och produktionsskalasystem.
• AP&C – Specialiserat sig på gasspridare med nära kopplade munstycken för reaktiva och eldfasta metaller. Används flitigt för titan- och aluminiumpulver.
• ALD Vacuum Technologies – Designar gasförstoftare med flera munstycken för medelhög till hög produktion. Ägs av Oerlikon Metco.

Atomisering av vatten

• Gasbarre – Erbjuder tätkopplad och fritt fall vattenförstoftning för medelstora till höga volymer.
• Sheffield Atomising Systems – Specialiserat på teknik för atomisering av fritt fallvatten i över 50 år.

Centrifugal atomisering

• ABB – Stor global leverantör av utrustning. Erbjuder labb till centrifugalatomiseringssystem i full produktionsskala.
• Ferrum AG – Ledande leverantör av horisontella och vertikala centrifugalförstoftare baserad i Schweiz.

Atomisering med ultraljud

• Tekna – Erbjuder ultraljudsgasförstöringssystem baserade på deras patenterade kopplade dubbeltrådiga induktionsguideteknik
• Ultramet – Tillhandahåller specialutrustning för ultraljudsförstoftning med högtemperatursvätska

Spark Erosion Atomization

• PyroGenesis – Erbjuder Plasma Atomization System (PAS) för att producera ultrafina sfäriska metallpulver.
• Plasma Innovations – Tillhandahåller system för gnist-erosionsatomisering för roterande elektrodprocess (REP).

Kostnadsanalys av metallpulverförstoftare

Finfördelarkostnaden beror på skala, produktionshastighet, automationsnivå och pulvermaterial som bearbetas. Typiska uppskattningar av kapitalkostnader:

Driftskostnader

• Huvudkostnaderna är energi, arbete, underhåll, användning av inert gas.
• Energiförbrukningen för gasatomisering är ~500-800 kWh per ton pulver. Gasförbrukning 5-10 m3 per kg pulver.
• Vattenförstoftningseffektförbrukning lägre vid ~200-400 kWh per ton pulver. Men högre arbetskraft och underhåll.
• Centrifugal atomisering energiförbrukning ~300-500 kWh per ton pulver. Lägre användning av inert gas.
• Förbrukningsdelar som munstycken, filterpåsar kräver ofta utbyte.

Kostnadssänkningsmöjligheter

• Ökad produktionsskala och pulverproduktion sänker kapitalkostnaden per kg pulver.
• Högre grad av automatisering och övervakning förbättrar arbetsproduktiviteten.
• Återvinning och återanvändning av processgaser, vatten och spillvärme minskar driftskostnaderna.
• Program för förebyggande underhåll minimerar stilleståndstider och underhållskostnader.
• Lokal leverans av energi, gaser, vatten och kringtjänster sänker logistikkostnaderna.
• Att köpa ombyggda/begagnade atomiseringssystem minskar kapitalutgifterna för små producenter.

Utrustning för atomisering av metallpulver – Vanliga frågor

F: Vilket är det typiska partikelstorleksintervallet som uppnås vid gasatomisering?

S: Gasatomisering kan producera pulver från 1 mikron till över 100 mikron partikelstorlek. Typiska D50-värden är 10-45 mikron för de flesta legeringar. Finare pulver under 10 mikron är möjligt med optimerade munstycken och höga gashastigheter.

F: Hur mycket kan ett litet gasspridningssystem producera årligen?

S: En gasförstörare i pilotskala med en effekt på 10 kg/h som körs 5000 timmar/år kan producera ~50 000 kg pulver per år. Ett litet produktionssystem med en kapacitet på 50 kg/h kan producera ~250 000 kg årligen under full produktion.

F: Vilka typer av metaller kan finfördelas till pulver?

S: De flesta kommersiella legeringssystem har finfördelats, inklusive rostfritt stål, verktygsstål, nickellegeringar, titanlegeringar, aluminiumlegeringar, superlegeringar, koboltlegeringar etc. Eldfasta metaller som volfram, molybden är utmanande och kräver specialiserade finfördelningssystem.

F: Vilken är den bästa atomiseringsmetoden för reaktiva metaller som titan?

S: Gasatomisering med en inert gas som argon eller kväve är att föredra för reaktiva metaller som titan, aluminium. Detta förhindrar oxidation och kontaminering jämfört med vattenförstoftning.

F: Hur fin kan partikelstorlek uppnås med ultraljudsförstoftning?

S: Ultraljudsgasförstoftare kan generera metallpulver i submikron och nanoskala med en genomsnittlig storlek under 100 nanometer när de är optimerade. Men pulverutmatningshastigheten är låg.

F: Kan metallpulver återvinnas efter användning i additiv tillverkning?

S: Ja, oanvänt pulver kan återanvändas i AM-processer. Men pulvret kan bara återvinnas 1-2 gånger innan egenskaperna försämras. Pulvret måste sedan finfördelas igen för fortsatt återanvändning.

F: Vad är det bästa sättet att hantera fint reaktivt pulver?

S: Använd inerta handskboxar, förslut pulverbehållare, undvik exponering för luft/fukt. Vissa reaktiva material kan kräva ytbehandling. Vattenatomiserat aluminiumpulver är vanligtvis belagt för att förhindra oxidation.

F: Varför är inert gas med hög renhet viktig för gasatomisering?

S: Hög renhet minimerar kontaminering. Fukt och syre kan oxidera reaktiva legeringar under finfördelning. Trampgaser kan fastna i pulver, vilket skapar defekter i den slutliga delens egenskaper.

F: Hur lätt är det att serva och reparera en gasförstörare?

S: Rutinunderhåll är enkelt. Men större reparationer som byte av munstycke kan ta dagar och kräver personal med specialiserad utbildning. Ytterligare munstycksenheter bör behållas som reservdelar för snabb växling.

F: Vilka säkerhetsproblem finns det vid produktion av metallpulver?

S: Hantering av fint pulver innebär alltid en risk för dammexplosion. Andra problem är risker med gas under tryck, högspänd elektricitet, förhöjda temperaturer, hantering av smält metall som kräver skyddsutrustning och utbildning.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser