Esiste un'ampia gamma di metodi di produzione di polveri metalliche. Avete mai sentito parlare di atomizzazione?
L'atomizzazione nella metallurgia delle polveri è un processo che trasforma il metallo fuso in polvere utilizzando un mezzo di atomizzazione, come gas o acqua.
Contenuti
Atomizzazione del gas nella metallurgia delle polveri
Le polveri atomizzate a gas sono utilizzate principalmente nello stampaggio a iniezione di metalli, pressatura isostatica a caldo e stampa 3D.
Processo di atomizzazione del gas
È ideale per la produzione di polveri metalliche fini, come:
- Polvere di titanio,
- Polvere di acciaio inossidabile
- Polvere di acciaio per utensili
- Polvere di lega di nichel
- Polvere di lega di ferro
L'atomizzazione del gas è un metodo comune per produrre polveri metalliche MIM, ma la resa dei prodotti finiti necessita di ulteriori miglioramenti.
Il processo di atomizzazione del gas comprende 4 fasi:
- Di fusione
Per prima cosa, i produttori fondono il blocco di metallo in un crogiolo.
- Atomizzazione
Dopo la fusione del metallo, il pezzo apre il tappo cilindrico sul fondo del crogiolo. Il metallo fuso fluisce quindi attraverso l'ugello e viene atomizzato in goccioline da gas ad alta pressione.
- Solidificazione delle particelle
Durante il volo, le goccioline di metallo si solidificano trasformandosi in polvere.
- Collezione
La polvere metallica solidificata viene depositata nella camera di atomizzazione.
Design dell'ugello
- Ugello confinato
L'ugello confinato porta il gas molto vicino all'uscita del metallo fuso, in modo che venga atomizzato immediatamente dopo aver lasciato il crogiolo.
Inoltre, l'atomizzazione è concentrata in un'area piccola e ristretta, e viene utilizzata una maggiore energia del gas nello spruzzo. Pertanto, questo metodo presenta una ridotta perdita di energia ed è facile controllare la granulometria delle particelle di polvere. L'ugello confinato aumenta il numero di particelle di polvere fini (<10 μm).
- Ugello a caduta libera
Con un ugello aperto, il metallo fuso viene atomizzato al di sotto dell'uscita del crogiolo. Questo metodo ha quindi una bassa efficienza di conversione energetica.
Parametri di processo
- Tensione superficiale del liquido metallico
Durante il volo delle goccioline metalliche, la tensione superficiale ne facilita la formazione in forme sferiche. La tensione superficiale è correlata alla temperatura e alla quantità di elementi di lega.
- Viscosità e temperatura del liquido metallico
Alte temperature di atomizzazione comportano una minore viscosità del metallo fuso e tempi di solidificazione più lunghi. Al contrario, basse temperature di atomizzazione comportano una maggiore viscosità del metallo fuso, favorendo la formazione di polveri irregolari.
Pertanto, aumentare la temperatura di atomizzazione aiuta la polvere a diventare più fine, più sferica e ad avere una migliore lucentezza superficiale. Per l'acciaio inossidabile, la temperatura dell'acciaio fuso è in genere di circa 1600 °C.
- Portata, pressione e velocità del gas
Maggiore è la pressione e la portata del gas, più fine sarà la polvere metallica prodotta. Generalmente, la pressione di atomizzazione del gas è compresa tra 0.7 e 6 MPa.
- Tipo di mezzo di atomizzazione
L'atomizzazione del gas utilizza spesso il seguente mezzo di atomizzazione:
- Aria è più economico e adatto per liquidi metallici non gravemente ossidati, come la polvere di rame
- Azoto è ideale per liquidi metallici facilmente ossidabili
- Argo può prevenire la nitrurazione
- Elio aiuta ad aumentare la velocità di raffreddamento.
La purezza del mezzo di atomizzazione è molto importante. Un elevato contenuto di ossigeno e vapore acqueo, infatti, può facilmente ossidare il metallo liquido. Ciò causerà un film di ossido più spesso sulla superficie della polvere formata. Ciò aumenterà anche la viscosità del metallo liquido, rendendo difficile la sfericità della polvere e causando una scarsa lucentezza superficiale. Pertanto, i produttori di materiali per la metallurgia delle polveri aggiungono una piccola quantità di silicio per assorbire l'ossigeno durante il processo di atomizzazione.
- Pressione e portata del liquido metallico
Minore è la portata del metallo liquido, più fine è la polvere atomizzata.
Pro e contro delle polveri atomizzate a gas
Vantaggi
- Elevata purezza della polvere
- Basso contenuto di ossigeno
- Alta densità apparente
Svantaggi
- La velocità di raffreddamento delle goccioline metalliche è lenta.
- Quando si utilizza un forno a induzione per fondere il metallo, la polvere metallica prodotta può contenere materiali del crogiolo, causando inquinamento.
Atomizzazione dell'acqua nella metallurgia delle polveri
Le polveri atomizzate ad acqua vengono utilizzate in parti di metallurgia delle polveri a causa del loro basso costo e della stretta distribuzione granulometrica delle particelle.
Definizione
L'atomizzazione dell'acqua funziona come l'atomizzazione del gas. Il metallo fuso viene versato su un disco rotante, quindi frantumato in goccioline da getti d'acqua ad alta pressione. Le goccioline si raffreddano in un bagno d'acqua, formando polvere metallica.
Durante il processo di atomizzazione ad acqua, una maggiore pressione dell'acqua produce una polvere più fine. Per la polvere di ferro comune, la pressione dell'acqua varia da 3.5 a 50 MPa. Per la polvere fine utilizzata nello stampaggio a iniezione di metalli, la pressione è generalmente compresa tra 50 e 150 MPa.
Vantaggi e svantaggi dell'atomizzazione dell'acqua
L'atomizzazione dell'acqua ha bassi costi di produzione e una buona resistenza a freddo, ma le particelle metalliche prodotte hanno un elevato contenuto di ossigeno.
Rispetto all'atomizzazione a gas, l'atomizzazione ad acqua produce particelle irregolari. Questo perché l'acqua ha una maggiore energia cinetica e ha un impatto maggiore sul metallo fuso. Di conseguenza, le goccioline di metallo si solidificano rapidamente durante il volo e non c'è abbastanza tempo per generare la tensione superficiale necessaria a formare particelle sferiche.
Tuttavia, le polveri possono essere interbloccate meccanicamente bene e la resistenza verde dopo la pressatura è elevata
Fattori che influenzano la dimensione delle particelle
Secondo uno studio del Royal Institute of Technology, la dimensione delle particelle di polvere metallica atomizzata in acqua è correlata ai seguenti fattori:
- Pressione dell'acqua
- Fusione surriscaldamento
- Tensione superficiale
- Configurazione del getto d'acqua
- Material Composition
- Ossidazione
Atomizzazione al plasma
Nel processo di atomizzazione al plasma, la materia prima entra sotto forma di filo metallico. Il filo metallico viene poi fuso da una torcia al plasma e scomposto in particelle dal gas plasma.
Le polveri metalliche prodotte mediante atomizzazione al plasma hanno una dimensione di circa 40 μm e una distribuzione granulometrica ristretta. Queste polveri sono ad elevata purezza, sferiche e hanno un'eccellente fluidità, il che le rende ideali per la produzione additiva o la stampa 3D.
Vantaggi
- Polvere altamente sferica
- Elevata scorrevolezza della polvere
- Basso contenuto di ossigeno, nessun contaminante
- Distribuzione delle dimensioni personalizzate
Inoltre, il processo di atomizzazione al plasma può anche sferoidizzare polveri metalliche di forma irregolare. Il principio consiste nell'introdurre la polvere metallica nella fiamma al plasma, dove viene nuovamente fusa e sferoidizzata in polvere per effetto della tensione superficiale. Questo processo è noto come sferoidizzazione al plasma.
Atomizzazione ad ultrasuoni
Questo processo utilizza vibrazioni ultrasoniche per frantumare il metallo liquido in sottilissime goccioline, che poi si solidificano in particelle di polvere sferiche.
Il processo è in grado di produrre polveri con dimensioni delle particelle comprese tra 20 e 100 nanometri
La polvere atomizzata tramite ultrasuoni ha un'elevata sfericità e una distribuzione granulometrica ristretta, ma la sua quantità è bassa.
Atomizzazione centrifuga
Per prima cosa, il metallo fuso viene introdotto nel disco rotante. La rotazione ad alta velocità proietta il metallo liquido verso l'esterno, atomizzandolo in polvere.
Nelle apparecchiature di atomizzazione centrifuga solitamente viene introdotto gas inerte, la polvere è meno ossidata e ha un'elevata purezza.
Grazie alla rotazione stabile del processo di atomizzazione centrifuga, la gamma dimensionale delle particelle di polvere è ristretta e l'aspetto è regolare e sferico.
Confronto tra atomizzazione di gas e acqua nella metallurgia delle polveri
| Processo | Atomizzazione a gas | Atomizzazione dell'acqua |
|---|---|---|
| Metallo | Acciaio rapido, acciaio inossidabile | Ferro, acciaio rapido, acciaio inossidabile |
| Dimensione delle particelle | Non più di 150 μm | Non più di 150 μm |
| Forma delle particelle | Forma sferica | Forma irregolare |
| Prezzo | Leggermente alto | Medio |
| Applicazioni | PM, MIM, HIP, AD | PM, MIM (eccetto ferro) |
FAQ
Qual è la differenza tra atomizzazione e atomizzazione nella metallurgia delle polveri?
Nella metallurgia delle polveri, "atomizzazione" e "atomizzazione" hanno lo stesso significato. La differenza è puramente regionale: "atomizzazione" si usa nell'inglese americano, mentre "atomizzazione" si usa nell'inglese britannico.