Prášková metalurgie je proces výroby kovového prášku a použití kovového (nebo kovové a nekovové směsi) prášku jako suroviny pro získání dílů a výrobků formováním a slinováním. Jako hlavní surovina průmyslu je kovový prášek široce používán v oblasti strojů, metalurgie, chemického průmyslu a leteckých materiálů. Kovový prášek je základní surovinou práškové metalurgie průmyslu. Jeho výkon a kvalita určují vývoj průmyslu práškové metalurgie.
Kovový prášek je obvykle agregát kovových částic menších než 1 mm. Neexistuje jednotné ustanovení pro rozdělení intervalu granularity. Společná klasifikační metoda je následující: částice s velikostí částic 1000 ~ 50 μ m jsou konvenční prášky; 50 ~ 10 μ m jemný prášek; 10 ~ 0,5 μ m se nazývá velmi jemný prášek< 0.5="" µ="" m="" is="" called="" ultrafine="" powder;="" 0.1="" ~="" 100nm="" is="" called="" nano="" powder.="" each="" powder="" particle="" may="" be="" one="" crystal="" or="" composed="" of="" many="" crystals,="" depending="" on="" the="" particle="" size="" and="" preparation="">
2. Způsob přípravy kovového prášku
V současné době existují desítky metod průmyslové výroby prášku, ale podle věcné analýzy výrobního procesu je rozdělena především do dvou kategorií: mechanická metoda a fyzikálně-chemická metoda. Lze jej získat nejen z přímého rafinace pevných, kapalných a plynných kovů, ale také z redukce, pyrolýzy a elektrolytické transformace kovových sloučenin v různých stavech. Karbidy, nitridy, boridy a silicidy žáruvzdorných kovů lze obecně připravit přímo chemickou kombinací nebo redukční chemickou kombinací. Vzhledem k různým metodám přípravy jsou tvar, struktura a velikost částic stejného prášku často velmi odlišné.
Volba metody výroby kovového prášku závisí na surovinách, typu prášku, požadavcích na výkon práškových materiálů a efektivitě výroby prášku. S při stále rozsáhlejším používáním výrobků práškové metalurgie jsou požadavky na velikost, tvar a vlastnosti práškových částic stále vyšší. Proto se technologie přípravy prášku také vyvíjí a inovuje, aby splňovala požadavky na velikost a vlastnosti částic.
2.1 Mechanická fyzikální metoda
Mechanická metoda je metoda zpracování, která pomocí vnější mechanické síly rozkládá kov na požadovaný prášek velikosti částic. Chemické složení materiálu se během procesu přípravy v podstatě nemění. V současné době jsou běžně používanými metodami frézování a broušení kuliček, které mají výhody jednoduchého procesu a velkého výkonu. Může připravit některé ultra jemné prášky kovů a slitin s vysokou teplotou tání, které je obtížné získat konvenčními metodami.
2.1.1 Metoda frézování kuliček
Mechanismus: metoda frézování kuliček je rozdělena hlavně na metodu válcování kuliček a metodu frézování vibračních kuliček. Tato metoda využívá mechanismus, že kovové částice jsou rozbité a rafinované v důsledku namáhání při různých rychlostech deformace.
Použití: tato metoda je použitelná hlavně pro přípravu sb, Cr, Mn, Fe Cr slitiny a dalších prášků.
Výhody a nevýhody: má výhody nepřetržitého provozu a vysoké efektivity výroby. Je vhodný pro suché broušení a mokré broušení. Může připravit prášek různých kovů a slitin. Nevýhodou je, že selektivita materiálů není silná a je obtížné ji odstupňovat v procesu přípravy prášku.
1 TEM fotografie vzorků antimonového prášku získaných kuličkovým frézováním po dobu 12h (a), 18h (b) a 24h (c) při 150r / min
2.1.2 Metoda broušení
Mechanismus: metoda broušení je stříkat stlačený plyn do mlecí plochy po průchodu speciální tryskou tak, aby se materiály v oblasti mletí srazily a protíraly práškem; Poté, co se proud vzduchu rozšíří, vstoupí do klasifikační oblasti se vzestupem materiálů a materiály, které dosáhnou velikosti částic, jsou tříděny klasifikátorem vírů. Zbývající hrubý prášek se vrací do oblasti mletí k mletí, dokud není oddělena požadovaná velikost částic.
Použití: je široce používán při ultra jemném broušení nekovových, chemických surovin, pigmentů, brusiv, zdravotnických prostředků a dalších průmyslových odvětví.
Výhody a nevýhody: protože metoda mletí přijímá suchou výrobu, je vynechána dehydratace a sušení materiálů; Výrobek má vysokou čistotu, vysokou aktivitu, dobrou disperzi, jemnou velikost částic a úzkou distribuci a povrch částic je hladký. Metoda mletí má však také některé nevýhody, jako jsou vysoké výrobní náklady na zařízení, kontinuální inertní plyn nebo dusík musí být použit jako zdroj stlačeného plynu ve výrobním procesu kovového prášku, velká spotřeba plynu, která je vhodná pouze pro drcení a rozmělňování křehkých kovů a slitin.
2.1.3 Metoda atomizace
Mechanismus: atomizační metoda obecně používá vysokotlaký plyn, vysokotlaké kapalné nebo vysokorychlostní rotující lopatky k rozbití roztaveného kovu nebo slitiny při vysoké teplotě a vysokém tlaku na jemné kapičky a poté kondenzují v kolektoru, aby se získal ultrajemný kovový prášek. V tomto procesu nedochází k žádné chemické změně. Atomizace je jednou z hlavních metod výroby kovového a slitinového prášku. Existuje mnoho atomizačních metod, jako je atomizace s dvojitým tokem, odstředivá atomizace, vícestupňová atomizace, ultrazvuková atomizační technologie, technologie atomizace s pevným spojením, atomizace vysokotlakého plynu, atomizace laminárního toku, ultrazvuková atomizace těsné vazby a atomizace horkého plynu.
Použití: atomizační metoda se obvykle používá při výrobě kovových prášků, jako jsou Fe, Sn, Zn, Pb a Cu, stejně jako při výrobě slitinových prášků, jako je bronz, mosaz, uhlíková ocel a legovaná ocel. Metoda atomizace splňuje speciální požadavky na kovový prášek pro spotřební materiál pro 3D tisk. Obrázek 3 ukazuje mikrostrukturu prášku z nerezové oceli od německého výrobce.
Výhody a nevýhody: atomizovaný prášek má výhody vysoké kulovitosti, kontrolovatelné velikosti práškových částic, nízkého obsahu kyslíku, nízkých výrobních nákladů a přizpůsobivosti výrobě různých kovových prášků. Stala se hlavním vývojovým směrem vysoce výkonné a speciální technologie přípravy prášku ze slitin. Metoda atomizace má však nevýhody nízké efektivity výroby, nízké výtěžnosti ultrajemného prášku a relativně velké spotřeby energie.
Obr. 2 mikrostruktura 3D tištěného prášku z nerezové oceli od německého výrobce
2.2 Fyzikálně-chemická metoda
Fyzikálně-chemická metoda se týká výrobní metody ultrajemného prášku změnou chemického složení nebo aglomeračního stavu surovin v procesu přípravy prášku. Podle různých chemických principů ji lze rozdělit na redukční metodu, metodu elektrolýzy a metodu chemické náhrady.
2.2.1 Metoda redukce
Mechanismus: Redukční metoda je metoda přípravy kovového nebo slitinového prášku redukcí oxidů kovů nebo solí kovů redukčním činidlem za určitých podmínek. Jedná se o jednu z nejpoužívanějších metod výroby prášku ve výrobě. Mezi běžná redukční činidla patří činidla snižující plyn (jako je vodík, rozložený amoniak, přeměněný zemní plyn atd.), pevná činidla snižující uhlík (jako je dřevěné uhlí, koks, antracit atd.) a činidla redukující kovy (jako je vápník, hořčík, sodík atd.). Metoda hydrogenace dehydrogenace s vodíkem jako reakčním médiem je nejreprezentativnější metodou přípravy. Využívá vlastnosti snadné hydrogenace surového kovu k hydrogenaci kovu vodíkem při určité teplotě k vytvoření hydridu kovu a poté rozbije získaný hydrid kovu na prášek s požadovanou velikostí částic mechanickou metodou, Poté se vodík v drceném prášku hydridu kovu odstraní ve vakuu, aby se získal kovový prášek.
Použití: používá se hlavně při přípravě kovových (slitinových) prášků, jako jsou Ti, Fe, W, Mo, Nb a W-Re. Například titan (prášek) začíná prudce reagovat s vodíkem při určité teplotě. Pokud je obsah vodíku vyšší než 2,3%, hydrid je volný a snadno se rozdrtí na jemné částice prášku hydridu titanu. Titanový prášek lze získat jeho rozkladem při teplotě asi 700 °C a odstraněním většiny vodíku rozpuštěného v titanovém prášku.
Výhody a nevýhody: výhodou je jednoduchá obsluha, snadná kontrola procesních parametrů, vysoká efektivita výroby a nízké náklady, což je vhodné pro průmyslovou výrobu; Nevýhodou je, že je použitelný pouze pro kovové materiály, které snadno reagují s vodíkem a po absorpci vodíku se stávají křehkými a křehkými.
2.2.2 Elektrolytická metoda
Mechanismus: elektrolýza je metoda ukládání a srážení kovového prášku na katodu elektrolýzou roztavené soli nebo vodného roztoku soli.
Použití: elektrolytický vodný roztok může produkovat kovové (slitinové) prášky, jako jsou Cu, Ni, Fe, Ag, Sn a Fe Ni, a elektrolytická roztavená sůl může produkovat kovové prášky, jako jsou Zr, Ta, Ti a Nb.
Výhody a nevýhody: výhodou je, že čistota připraveného kovového prášku je vysoká a čistota obecného elementárního prášku může dosáhnout více než 99,7%; Kromě toho může metoda elektrolýzy dobře kontrolovat velikost částic prášku a produkovat ultra jemný prášek. Spotřeba energie elektrolytické rozmělňování je však velká a náklady na rozmělnění jsou vysoké.
Obr. 4 zařízení pro přípravu železného prášku ultrazvukovou elektrolýzou
2.2.3 hydroxylová metoda
Mechanismus: některé kovy (železo, nikl atd.) a oxid uhelnatý jsou syntetizovány do sloučenin karbonylu kovů, které jsou znovu zahřáté a rozloženy na kovový prášek a oxid uhelnatý.
AplikaceUnetion: v průmyslu se používá hlavně k výrobě jemných a ultrajemných prášků niklu a železa, jakož i slitinových prášků, jako jsou Fe Ni, Fe Co a Ni Co
Výhody a nevýhody: prášek připravený tímto způsobem je velmi jemný a vysoce čistý, ale náklady jsou vysoké.
2.2.4 Metoda chemické náhrady
Mechanismus: metoda chemické náhrady je nahradit méně aktivní kov z roztoku soli kovu vysoce aktivním kovem podle aktivity kovu a dále ošetřit a zjemnit kov (kovový prášek) získaný nahrazením jinými metodami.
Použití: tato metoda se používá hlavně při přípravě neaktivních kovových prášků, jako jsou Cu, Ag a Au.
Souhrn metod přípravy kovového prášku je uveden v tabulce 1.
3. Shrnutí
S pokrokem technologie byl kovový prášek vyvinut a aplikován v metalurgii, chemickém průmyslu, elektronice, magnetických materiálech, jemné keramice, senzorech a tak dále, což ukazuje dobrou aplikační vyhlídku a kovový prášek vykazuje vývojový trend směrem k vysoké čistotě a ultra jemné (nano). Ačkoli metody přípravy ultrajemného kovového prášku jsou různé a různé metody mohou být zvoleny podle aplikace a ekonomických a technických požadavků, každá metoda má určitá omezení a je třeba vyřešit a zlepšit mnoho problémů. V současné době jsou nejpoužívanějšími metodami přípravy kovového prášku redukční metoda, metoda elektrolýzy a metoda atomizace; Kromě toho, na základě zlepšení tradičního výrobního procesu, bylo získáno mnoho nových výrobních procesů a metod, jako je metoda kondenzace vakuového odpařování, ultrazvuková metoda atomizace, metoda atomizace rotujícího disku, metoda atomizace dvojitého válce a tří válců, vícestupňová atomizační metoda, metoda rotační elektrody plazmatu, metoda oblouku atd. Při přípravných metodách kovového prášku, i když bylo v praxi použito mnoho metod, stále existují dva hlavní problémy, a to malé měřítko a vysoké výrobní náklady. Aby bylo možné podpořit vývoj a aplikaci kovových práškových materiálů, je nutné komplexně využívat různé metody, učit se od sebe navzájem a vyvíjet procesní metody s větší výrobou a nižšími náklady.