Существует широкий спектр методов производства металлического порошка. Вы слышали о распылении?
Распыление в порошковой металлургии — это процесс, в ходе которого расплавленный металл превращается в порошок с использованием распыляющей среды, например, газа или воды.
Содержание:
Газовое распыление в порошковой металлургии
Газораспыленные порошки в основном используются при литье металлов под давлением, горячее изостатическое прессование и 3D-печать.
Процесс распыления газа
Идеально подходит для производства тонких металлических порошков, таких как:
- Титановый порошок,
- Порошок из нержавеющей стали
- Порошок инструментальной стали
- Порошок никелевого сплава
- Порошок железного сплава
Газовое распыление является распространенным способом производства металлических порошков MIM, однако выход готовой продукции требует дальнейшего улучшения.
Процесс распыления газа включает 4 этапа:
- Плавление:
Сначала производители плавят металлический блок в тигле.
- атомизация
После расплавления металла, работа открывает цилиндрическую пробку на дне тигля. Расплавленный металл затем протекает через сопло и распыляется на капли под действием газа высокого давления.
- Затвердевание частиц
Капли металла во время полета затвердевают в порошок.
-
Затвердевший металлический порошок осаждается в распылительной камере.
Конструкция сопла
- Ограниченное сопло
Ограниченное сопло подводит газ очень близко к выходному отверстию для расплавленного металла, благодаря чему он распыляется сразу после выхода из тигля.
Более того, распыление сосредоточено в небольшой и ограниченной области, и больше энергии газа используется при распылении. Поэтому этот метод имеет небольшие потери энергии и легко контролирует размер частиц порошка. Ограниченное сопло увеличивает количество мелких частиц порошка (<10 мкм).
- Насадка свободного падения
При открытом сопле расплавленный металл распыляется ниже выходного отверстия тигля. Поэтому этот метод имеет низкую эффективность преобразования энергии.
Параметры процесса
- Поверхностное натяжение металлической жидкости
Во время полета металлических капель поверхностное натяжение способствует их формированию в сферические формы. Поверхностное натяжение связано с температурой и количеством легирующих элементов.
- Вязкость и температура металлической жидкости
Высокие температуры распыления приводят к снижению вязкости расплавленного металла и увеличению времени затвердевания. Напротив, низкие температуры распыления приводят к повышению вязкости расплавленного металла, заставляя жидкость легче образовывать нерегулярные порошки.
Таким образом, повышение температуры распыления помогает порошку стать более мелким, более сферическим и иметь лучший поверхностный блеск. Для нержавеющей стали температура расплавленной стали обычно составляет около 1600°C.
- Расход газа, давление и скорость
Чем больше давление газа и скорость потока, тем мельче получается металлический порошок. Обычно давление распыления газа составляет от 0.7 до 6 МПа.
- Тип распыляющей среды
При газовом распылении часто используется следующая распыляющая среда:
- воздуха более экономичен и подходит для металлических жидкостей, которые не сильно окисляются, например, медного порошка
- Азот идеально подходит для металлических жидкостей, которые легко окисляются
- аргон может предотвратить нитрирование
- гелий помогает увеличить скорость охлаждения.
Чистота распыляющей среды очень важна. Если содержание кислорода и водяного пара высокое, жидкий металл будет легко окисляться. Это приведет к образованию более толстой оксидной пленки на поверхности сформированного порошка. Это также увеличит вязкость жидкого металла, что затруднит формирование порошком сферической формы и приведет к плохому блеску поверхности. Поэтому производители материалов для порошковой металлургии будут добавлять небольшое количество кремния для поглощения кислорода в процессе распыления.
- Давление и расход металлической жидкости
Чем ниже скорость потока жидкого металла, тем мельче распыленный порошок. Размер частиц распыленных порошков оказывает прямое влияние на поведение при прессовании и характеристики спекания. производство деталей из порошкового металла.
Плюсы и минусы газораспыленных порошков
Плюсы
- Высокая чистота порошка
- Низкое содержание кислорода
- Высокая объемная плотность
Минусы
- Скорость охлаждения металлических капель низкая.
- При использовании индукционной печи для плавки металла получаемый металлический порошок может содержать материалы тигля, что приводит к загрязнению.
Распыление воды в порошковой металлургии
Порошки, полученные методом распыления водой, используются в производстве порошковых металлических деталей благодаря их низкой стоимости и узкому распределению частиц по размерам.
Определение
Распыление воды работает так же, как и распыление газа. Расплавленный металл выливается на вращающийся диск, затем разбивается на капли струями воды под высоким давлением. Капли охлаждаются в водяной бане, образуя металлический порошок.
В процессе распыления воды более высокое давление воды позволяет получить более мелкий порошок. Для обычного железного порошка давление воды составляет от 3.5 до 50 МПа. Для мелкого порошка, используемого в литье металлов под давлением, давление обычно составляет от 50 до 150 МПа.
Преимущества и недостатки распыления воды
Распыление воды имеет низкую себестоимость и хорошую прочность в сыром виде, но полученные металлические частицы имеют высокое содержание кислорода.
По сравнению с газовым распылением, водяное распыление производит нерегулярные частицы. Это происходит потому, что вода имеет большую кинетическую энергию и оказывает большее воздействие на расплавленный металл. В результате металлические капли быстро затвердевают во время полета, и не хватает времени для создания поверхностного натяжения для образования сферических частиц.
Однако порошки хорошо механически сцепляются, а прочность в сыром виде после прессования высокая.
Факторы, влияющие на размер частиц
Согласно исследованию Королевского технологического института, размер частиц распыленных водой металлических порошков связан со следующими факторами:
- Водяное давление
- Перегрев расплава
- Поверхностное Натяжение
- Конфигурация струи воды
- Состав материала
- Окисление
Плазменное распыление
В процессе плазменной атомизации сырье поступает в виде металлической проволоки. Затем металлическая проволока плавится плазменной горелкой и разбивается на частицы плазменным газом.
Металлические порошки, полученные методом плазменной атомизации, имеют размер около 40 мкм с узким распределением размеров частиц. Эти порошки отличаются высокой чистотой, сферичностью и превосходной текучестью, что делает их идеальными для аддитивного производства или 3D-печати.
Плюсы
- Высокосферический порошок
- Высокая сыпучесть порошка
- Низкое содержание кислорода, отсутствие загрязняющих веществ
- Распределение размеров по индивидуальному заказу
Кроме того, процесс плазменной атомизации может также сфероидизировать металлические порошки неправильной формы. Принцип заключается в подаче металлического порошка в плазменное пламя, где порошок снова расплавляется и сфероидизируется в порошок за счет поверхностного натяжения. Этот процесс известен как плазменная сфероидизация.
Ультразвуковая атомизация
Этот процесс использует ультразвуковые колебания для разбиения жидкого металла в виде тонкой пленки на мелкие капли. Затем эти капли затвердевают в сферические частицы порошка.
Процесс позволяет производить порошки с размером частиц от 20 до 100 нанометров.
Распыленный ультразвуком порошок имеет высокую сферичность и узкое распределение размеров частиц, но его количество невелико.
Центробежное распыление
Сначала расплавленный металл вводится во вращающийся диск. Высокоскоростное вращение выбрасывает жидкий металл наружу и распыляет его в порошок.
В центробежном распылительном оборудовании обычно вводится инертный газ, порошок меньше окисляется и имеет высокую чистоту.
Благодаря стабильному вращению процесса центробежного распыления диапазон размеров частиц порошка узкий, а внешний вид — равномерный и сферический.
Сравнение газового и водяного распыления в порошковой металлургии
| Разработка | Распыление газа | Распыление воды |
|---|---|---|
| Металл | Быстрорежущая сталь, нержавеющая сталь | Железо, быстрорежущая сталь, нержавеющая сталь |
| Размер частицы | Не более 150 мкм | Не более 150 мкм |
| Форма частиц | Сферическая форма | Нерегулярная форма |
| Цена | Слегка высокий | Средний |
| Области применения | PM, MIM, HIP, AD | PM, MIM (кроме железа) |
FAQ
В чем разница между атомизацией и распылением в порошковой металлургии?
В порошковой металлургии «атомизация» и «атомизация» означают одно и то же. Разница чисто региональная: «атомизация» используется в американском английском, а «атомизация» — в британском английском.