Produktion av metallpulver

Översikt

Metallpulver är fina metallpartiklar som används som råmaterial för tillverkningstekniker som additiv tillverkning, formsprutning av metall och pulvermetallurgisk pressning och sintring. Framställning av avancerade specialmetallpulver med exakt kontroll av kemi, partikelstorleksfördelning, morfologi och mikrostruktur är avgörande för egenskaperna hos de färdiga komponenterna.

Det finns olika metoder som används för storskalig produktion av metallpulver från olika legeringssystem, t.ex:

• Atomisering av gas
• Atomisering av vatten
• Plasmaatomisering
• Smältgasatomisering med induktionselektroder
• Process med roterande elektrod
• Karbonylprocess
• Elektrolytisk process
• Metallreduktionsprocesser

Varje process resulterar i pulver med olika egenskaper som lämpar sig för specifika applikationer.

Metoder för produktion av metallpulver

Metod	Metaller som används	Viktiga egenskaper	Huvudsakliga tillämpningar
Atomisering av gas	Titan, aluminium, rostfritt stål, verktygsstål, superlegeringar	Sfäriska pulver, måttlig produktionshastighet	Formsprutning av metall, varm isostatisk pressning
Atomisering av vatten	Låglegerat stål, järn, koppar	Oregelbunden pulverform, högre syrehalt	Press- och sinterprocess
Plasmaatomisering	Titanlegeringar, superlegeringar	Mycket fina sfäriska pulver	Additiv tillverkning
Roterande elektrod	Volfram, molybden, tantal	Kontrollerad kornstruktur	Filament, skärverktyg
Karbonylprocessen	Järn, nickel, kobolt	Ultrafina pulver med hög renhet	Elektroniska komponenter, magneter
Elektrolytisk	Koppar, nickel	Morfologi för dendritiska flagor	Ytbeläggningar

Metallpulver Produktionsmetoder

Det finns en mängd olika kommersiella metoder som används för att producera metallpulver från olika legeringssystem. Valet av produktionsmetod beror på faktorer som:

• Typ av legeringsmaterial
• Krav på renhet
• Önskade pulveregenskaper som partikelstorlek, form och kornstruktur
• Produktionsvolym i ton per år
• Pulver för slutanvändare

Här är några av de vanligaste industriella processerna för produktion av metallpulver:

Gasatomiseringsprocess

I gasatomiseringsprocessen sönderdelas en ström av smält metallegering av högtrycksstrålar av gas, vanligtvis kväve eller argon. Metallströmmen bryts upp i fina droppar, som stelnar till pulverpartiklar.

Gasatomiserade pulver har en sfärisk form och en jämn ytmorfologi. Partikelstorleksfördelningen kan kontrolleras genom att justera processparametrarna. Det här är en teknik som ofta används för reaktiva material som titan, aluminium, magnesiumlegeringar samt rostfritt stål, verktygsstål och nickel-superlegeringar.

Parameter	Beskrivning
Metaller som används	Titanlegeringar, aluminium, magnesium, rostfritt stål, verktygsstål, superlegeringar
Partikelns form	Sfärisk morfologi
Partikelstorlek	50 - 150 μm typiskt
Renhet	Hög, inert gas förhindrar kontaminering
Syrepickup	Minimal jämfört med finfördelning i flytande metall
Produktionsskala	Upp till 10.000 metriska ton per år

Atomisering av vatten

Vid vattenatomisering träffas den smälta metallströmmen av vattenstrålar med hög hastighet. Den plötsliga nedkylningen orsakar en explosion som bryter ner metallen i fina partiklar. Pulvren har oregelbundna former och innehåller högre syrehalt på grund av vattenkontakten.

Vattenatomisering är en lågkostnadsprocess som används för att producera stora volymer av pulver av rostfritt stål, legerat stål, järn och koppar för press- och sintringsapplikationer.

Parameter	Beskrivning
Metaller som används	Kolstål, låglegerat stål, rostfritt stål, koppar, järnpulver
Partikelns form	Oregelbunden morfologi från explosiv vattenspricka
Partikelstorlek	10 - 300 μm typiskt
Renhet	Lägre, vattenkontakt ökar syrenivåerna med 200-500 ppm
Produktionsskala	Mycket hög, över 50.000 ton per år

Plasmaatomiseringsprocess

I plasmaatomiseringsprocessen används en plasmabrännare för att smälta metallegeringen innan den sönderdelas i fina droppar genom gasstrålar. De ultrahöga temperaturerna gör att mycket reaktiva element som titanaluminider kan atomiseras framgångsrikt.

Pulvren har en mycket sfärisk form och en smal storleksfördelning som lämpar sig för additiva tillverkningsmetoder som lasersmältning och elektronstrålesmältning.

Parameter	Beskrivning
Metaller som används	Titanlegeringar, superlegeringar av nickel, titanaluminider
Partikelns form	Mycket sfärisk
Partikelstorlek	15 - 45 μm typiskt
Renhet	Mycket hög renhet tack vare smältning under inert atmosfär
Produktionsskala	Lägre, cirka 100 - 1000 ton per år

Process med roterande elektrod (REP)

I den roterande elektrodprocessen snurras en cylindrisk metallelektrod med hög hastighet i en evakuerad kammare. Den smälts med hjälp av en elektrisk båge och de smälta metalldropparna som slungas iväg av centrifugalkrafterna svalnar och bildar pulver.

REP-pulver har en kornstruktur och morfologi som är idealisk för varmsträngpressning till fina trådar och stavar för flyg- och rymdlegeringar som volfram, molybden och tantal.

Parameter	Beskrivning
Metaller som används	Volfram, molybden, tantal
Partikelns form	Oregelbunden, kontrollerad mikrostruktur
Partikelstorlek	45 - 150 μm typiskt
Renhet	Mycket hög från bearbetning under vakuum
Produktionsskala	Små volymer av högvärdiga pulver

Gasatomisering genom induktion med elektrod (EIGA)

EIGA-processen använder induktionsuppvärmning för att smälta förbrukningsbara elektrodspetsar i en atmosfär av inert gas. Dropparna genomgår sekundär gasatomisering med argonstrålar till fina sfäriska pulver.

EIGA möjliggör mycket hög renhet hos reaktiva nickelsuperlegeringar för kritiska flyg- och rymdkomponenter genom kontrollerad smältning och minimering av föroreningar.

Parameter	Beskrivning
Metaller som används	Superlegeringar av nickel, titanaluminider
Partikelns form	Sfärisk
Partikelstorlek	15 - 53 μm typiska
Renhet	Extremt hög, anpassad för kritiska legeringar
Produktionsskala	FoU/prototyptillverkning till medelstora volymer

Karbonylprocessen

I karbonylprocessen omvandlas metall till en flyktig karbonyl, som sönderdelas under kontrollerade förhållanden för att producera enhetliga, ultrafina metallpartiklar. Denna metod är lämplig för att producera mycket rena järn-, nickel- och koboltpulver.

Parameter	Beskrivning
Metaller som används	Järn, nickel, kobolt
Partikelns form	Sfärisk till polyedrisk
Partikelstorlek	1 - 10 μm typiskt
Renhet	Extremt hög 99,9%+ renhet
Produktionsskala	Upp till 30.000 ton per år

Andra metoder för pulverproduktion

Några andra tekniker som används för produktion av specialmetallpulver är

• Elektrolytisk process: Används för att producera oregelbundet formade koppar- och nickelpulver med dendritisk morfologi genom elektrodepositionsprocess
• Processer för metallreduktion: Reduktion av metalloxider med hjälp av väte eller kol för att producera titan-, zirkonium-, volfram- och molybdenpulver
• Mekanisk legering: Högenergibollfräsning för att syntetisera kompositlegeringar och nanostrukturerade legeringar

Metallpulver Specifikationer

Kritiska kvalitetsattribut och specifikationer som testas för metallpulver beror på produktionsmetod och slutanvändningsapplikation men inkluderar vanligtvis:

Pulverkemi

• Legeringssammansättning med optisk emissions- eller röntgenfluorescensspektroskopi
• Mindre legeringselement
• Föroreningar som syre, kväve och väte
• Test av förlust vid antändning vid hög temperatur

Fördelning av partikelstorlek

• Volymens genomsnittliga partikelstorlek
• Distributionsbredder som D10, D50, D90

Karakterisering av partikelform

• Skanningelektronmikroskopi för morfologi
• Formfaktorer som aspektförhållande och formfaktor

Mikrostruktur

• Förekommande faser med hjälp av röntgendiffraktion
• Kornets egenskaper från bildbehandling

Egenskaper för pulver

• Skenbar/avtappningsdensitet
• Flödeshastigheter genom trattprov med Hall-flödesmätare
• Kompressibilitetsnivåer

Specifikationskraven för pulver varierar kraftigt beroende på slutanvändningen i olika applikationer:

Parameter	Formsprutning av metall (MIM)	Additiv tillverkning	Press & Sinter
Partikelstorleksintervall	3 - 25 μm	15 - 45 μm	150 - 300 μm
Aspect ratio	1 - 1,25 föredras	<1,5 sfärisk	Inte kritisk
Syrgasnivåer	<1000 ppm	<500 ppm	2000 - 4000 ppm
Skenbar densitet	>2,5 g/cm3	>2,8 g/cm3	2 - 3 g/cm3
Hall flödeshastighet	15 - 35 s/50g	25 - 35 s/50g	>12 s/50g

Karakteriseringsmetoder

Det finns flera analysmetoder som används för att karakterisera egenskaperna hos metallpulver som är viktiga för produktens prestanda:

Analys av partikelstorlek

Laserdiffraktionsmetoder används oftast för att karakterisera partikelstorleksfördelningen. Med denna teknik leds en laserstråle genom ett pulverprov som sprider ljuset i en vinkel som beror på partikelstorleken. Datoranalys av diffraktionsmönstret ger detaljerade statistiskt relevanta storleksfördelningsdata inom några sekunder.

Morfologi och ytavbildning

Svepelektronmikroskopi (SEM) ger högupplösta bilder av pulverpartikelns form, yttopografi och egenskaper med mycket högre förstoring och skärpedjup jämfört med optisk mikroskopi.

SEM-bilder används för att studera partikelrundning, satellitbildning, ytjämnhet och defekter som porositet.

Mätning av densitet och flödesegenskaper

Standardtestmetoder har fastställts för att kvantifiera bulkbeteendet med hjälp av:

• Hall flödesmätningstratt för att mäta pulverflödet genom en öppning
• Carney-tratt för att bedöma flödesegenskaper med hjälp av vilovinkeln
• Scott volymmeter för att bestämma täthet och kompressibilitet

Dessa metoder hjälper till att förutsäga hur lätt det är att hantera, blanda, fylla munstycken och sprida under komponenttillverkningen.

Röntgenmetoder för bestämning av sammansättning och kristallstruktur

• Röntgenfluorescensspektroskopi identifierar och kvantifierar metallers grundämnessammansättning på ett exakt sätt
• Röntgendiffraktion analyserar atomarrangemangen och de förekommande faserna med hjälp av diffraktionstoppmönster

Tillämpningar av metallpulver

Några viktiga slutanvändningsområden för metallpulver är

Additiv tillverkning

Även känd som 3D-utskriftstekniker som selektiv lasersmältning (SLM), direkt metall lasersintring (DMLS) och elektronstrålesmältning (EBM) för att bygga komplexa geometrier från titan, aluminium, rostfritt stål, superlegering, koboltkrompulver.

Formsprutning av metall (MIM)

Pulver som rostfritt stål, titanlegeringar och verktygsstål kombineras med ett bindemedel, formsprutas och sintras för att tillverka små, komplexa detaljer i höga volymer till lägre kostnader.

Pulvermetallurgi Press och Sinter

Komprimering och sintring av järn-, koppar- och legerat stålpulver till komponenter i stora volymer som kugghjul, bussningar och magneter.

Tillämpning	Metaller som används	Viktiga fastighetsbehov
Additiv tillverkning	Titanlegeringar, superlegeringar av nickel, aluminium, verktygsstål, rostfritt stål, koboltkrom	Sfärisk morfologi God flytbarhet Hög renhet
Formsprutning av metall	Rostfritt stål, titan, verktygsstål, tungmetallegeringar	Fint <25 μm pulver God packningsdensitet
Pressa och sintra	Järn, stål, rostfritt stål, koppar	Kostnadseffektiva pulverbeläggningar för smörjmedel

Det finns också nischapplikationer inom områden som svetsning, diamantverktyg, elektronik och ytbeläggningar som använder specialmetallpulver.

Leverantörer och prissättning

Några ledande globala leverantörer av olika metallpulver är:

Företag	Produktionsmetoder	Material
Sandvik Osprey	Atomisering av gas	Titan, aluminium, nickellegeringar
AP&C	Plasmaatomisering	Titanaluminider, superlegeringar
Snickeriteknik	Atomisering av gas och vatten	Verktygsstål, rostfritt stål, legeringar
Höganäs	Atomisering av vatten	Järn, rostfritt stål
JFE Stål	Atomisering av vatten	Pulver av rostfritt stål
Rio Tinto	Aluminiumpulver	Karbonyl nickel och järn

Priserna för metallpulver varierar mycket beroende på:

• Legeringsmaterial och sammansättning
• Använd produktionsmetod
• Bearbetning för att uppnå partikelegenskaper
• Renhetsnivåer och grad av kontaminering
• Inköpsvolymer - kontrakt med mycket höga volymer ger lägre priser

Typiska baspriser per kilogram är:

Material	Prisberäkning
Rostfritt stål 316L	$12 - $30 per kg
Aluminium AlSi10Mg	$15 - $45 per kg
Titan Ti-6Al-4V	$80 - $220 per kg
Superlegering av nickel Inconel 718	$90 - $250 per kg
Speciallegeringar för AM	$250 - $1000 per kg

Priserna går upp betydligt för mycket skräddarsydda partikelstorleksfördelningar, kontrollerade syre- och kvävenivåer under 100 ppm och inköp av små partier.

Fördelar och begränsningar med pulvermetallurgi

Fördelar med pulvermetallurgi

• Förmåga att producera komplexa geometrier som inte är möjliga genom gjutning eller maskinbearbetning
• Tillverkning nära nätform minskar materialspill
• Metaller och legeringar med högre prestanda kan användas
• Konsekventa porositetsstrukturer som inte är möjliga i götmetallurgi
• Komponenterna kan massanpassas

Begränsningar vid produktion och bearbetning av pulver

• Kapitalinvesteringarna för produktions- och hanteringsutrustning är mycket höga
• Ökad ytarea gör hanteringen av pyrofora reaktiva pulver riskfylld
• För att uppnå hög packningstäthet kan det krävas höga tryck
• Ytterligare processteg jämfört med gjutning
• Portabilitet för AM-maskiner på grund av att pulvret är LO/NO

Här följer en snabb jämförelse mellan pulvermetallurgi och den konventionella gjutningsprocessen:

Parameter	Pulvermetallurgi	Gjutning
Komplexa former	✅ Utmärkt för AM-byggnader i lager	Begränsad för typiska gjutgods
Mekaniska egenskaper	Kan närma sig gjutna egenskaper efter varm isostatisk pressning	✅ Förutsägbara egenskaper
Cykeltid	Långsammare process för AM-metoder	✅ Snabbare för volymproduktion
Dimensionell noggrannhet	Varierar, beror på efterbearbetning	Mycket bra för precisionsgjutgods
Kostnader för utrustning	Mycket hög för industriella AM-maskiner	✅ Lägre kapitalkostnader
Olika typer av metaller	Ständigt utökade valmöjligheter	✅ Bredaste urvalet

Vanliga frågor

F: Vad är det typiska partikelstorleksintervallet som används i metallpulver för 3D-utskrift?

S: I pulverbäddstekniker som selektiv lasersmältning (SLM) och elektronstrålesmältning (EBM) är det optimala partikelstorleksintervallet 15-45 mikrometer. Finare pulver förbättrar upplösningen men kan vara svåra att hantera och bearbeta.

F: Vad bestämmer morfologin hos metallpulver från olika metoder?

A: Produktionsfaktorer som intensitet i smältströmmens nedbrytningskrafter från gasstrålar eller vattenslag och efterföljande kylningshastigheter bestämmer partikelformerna. Snabbare kylning ger oregelbundna, dendritiska partiklar medan långsammare stelning (sfärisk atomisering) möjliggör släta rundade strukturer.

F: Varför är det viktigt med hög renhet för metallpulver i additiv tillverkning?

S: Föroreningar kan orsaka defekter, porositetsproblem, förändra legeringens mikrostruktur, minska densiteten, påverka prestanda under belastning och temperaturer - vilket har en negativ inverkan på de mekaniska egenskaperna. Syrenivåer under 500 ppm och kvävenivåer under 100 ppm har blivit typiska mål.

F: Hur hanteras metallpulver på ett säkert sätt under transport och lagring?

S: Reaktiva metallpulver passiveras för att skapa oxiderade ytor som minimerar risken för antändning. Pulvret förseglas i trummor med inerta gaser som argon istället för luft under transporten för att förhindra antändning. Förvaringsbehållare måste vara ordentligt jordade. Personalen bär specialiserad personlig skyddsutrustning vid hantering.

F: Vilka är de vanligaste metoderna för karakterisering av pulver?

S: Hallflödesmätning, täthetstest, pyknometri, LOI-testning, spektrografisk analys, metallografi och partikelstorleksfördelning med laser- eller siktteknik är avgörande för att kvantifiera beteende, bygga upp kvalitetsprocesstyrning för metallpulverproduktion och bedöma batchens lämplighet för givna applikationer.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser