Как изготавливается порошковый металл?

Порошковая металлургия — отрасль промышленности, которая производит металлические порошки и использует металлические порошки (включая небольшое количество неметаллических порошков, смешанных с ними) в качестве сырья для производства материалов и изделий методом формования-спекания. С развитием современных технологий производства порошковой металлургии изделия порошковой металлургии используются в качестве замены обычных металлических литых, кованых, режущих и механических деталей со сложной структурой, которые трудно резать, и их вспомогательные области применения постоянно расширяются.

От обычного машиностроения до точных приборов, от аппаратных средств до крупных машин, от электронной промышленности до производства двигателей, от гражданской промышленности до военной промышленности, от общих технологий до передовых высоких технологий можно увидеть технологию порошковой металлургии. В области гражданской промышленности продукты порошковой металлургии стали незаменимыми вспомогательными базовыми деталями для таких отраслей, как автомобилестроение, мотоциклостроение, бытовая техника, электроинструменты, сельскохозяйственная техника и офисная техника.

Огромный потенциал рынка также является движущей силой технологического прогресса. С ростом применения продуктов порошковой металлургии требования к размеру, форме и эксплуатационным характеристикам частиц металлического порошка становятся все выше и выше, а эксплуатационные характеристики, размер и форма металлических порошков в значительной степени зависят от способа производства и процесса приготовления порошков. Поэтому технология приготовления порошков также постоянно развивается и внедряет инновации. В настоящее время разработано множество методов приготовления металлических порошков, которые в основном делятся на физико-химические и механические по принципу производства. Основными методами в механическом методе являются распыление и механическое дробление. Основными методами в физико-химическом методе являются восстановление, электролиз и гидроксильный метод.

Метод редукции
Металл восстанавливается до порошка с помощью восстановителя, который захватывает кислород в порошке оксида металла. Газообразные восстановители включают водород, аммиак, угольный газ, преобразованный природный газ и т. д. Твердые восстановители включают углерод и металлы, такие как натрий, кальций и магний. Восстановление водородом или аммиаком часто используется для получения металлических порошков, таких как вольфрам, молибден, железо, медь, никель и кобальт. Восстановление углеродом часто используется для получения железного порошка. Используя сильные восстановители металлов, такие как натрий, магний и кальций, можно получить тантал, ниобий, титан, цирконий, ванадий, бериллий, торий и уран. Металлические порошки (см. термическое восстановление металлов) можно получить путем восстановления водных растворов солей металлов водородом под высоким давлением (см. гидрометаллургия).

Частицы порошка, полученные методом восстановления, в основном имеют неправильную форму с губчатой ​​структурой. Размер частиц порошка в основном зависит от таких факторов, как температура восстановления, время и размер частиц сырья. Метод восстановления позволяет производить порошки большинства металлов и является широко используемым методом.

Метод распыления
Расплавленный металл распыляется на мелкие капли и затвердевает в порошок в охлаждающей среде. Широко используемый двухпоточный (поток расплава и высокоскоростная текучая среда) метод распыления использует воздух высокого давления, азот, аргон и т. д. (газовое распыление) и воду высокого давления (водное распыление) в качестве инжекционной среды для разделения потока жидкого металла. Существуют также центробежные методы распыления, которые используют дробление вращающегося диска и вращение самого расплава (расходуемый электрод и тигель), а также другие методы распыления, такие как водородное вакуумное распыление и ультразвуковое распыление. Благодаря малым каплям и хорошим условиям теплообмена скорость конденсации капель обычно может достигать 100-10000 К/с, что на несколько порядков выше, чем при литье слитков. Поэтому сплав имеет однородный состав и тонкую структуру. Изготовленный из него сплавный материал не имеет макроскопической сегрегации и обладает превосходными эксплуатационными характеристиками.

Газовый распыленный порошок, как правило, почти сферический, а распыление водой может давать неправильные формы. Характеристики порошков, такие как размер частиц, форма и кристаллическая структура, в основном зависят от свойств расплава (вязкость, поверхностное натяжение, перегрев) и параметров процесса распыления (таких как диаметр потока расплава, структура сопла, давление распыляемой среды, скорость потока и т. д.). Почти все плавкие металлы могут быть получены распылением, особенно подходящим для производства порошков сплавов. Этот метод имеет высокую эффективность производства и легко расширяется в промышленных масштабах. Он используется не только для массового производства промышленных порошков железа, меди, алюминия и различных сплавов, но и для производства высокочистых (O2 <100 ppm) жаропрочных сплавов, быстрорежущей стали, нержавеющей стали и титановых сплавов. Кроме того, все больше ценится использование технологии закалки для производства быстроконденсирующихся порошков (скорость конденсации >100 000 К/с). Его можно использовать для производства высокопроизводительных микрокристаллических материалов (см. быстроохлаждающиеся микрокристаллические сплавы).

Метод электролиза
При пропускании постоянного тока через водный раствор соли металла ионы металла разряжаются и осаждаются на катоде, образуя слой осаждения, который легко разбить на порошок. Ионы металла обычно возникают в результате растворения того же металлического анода и перемещаются от анода к катоду под действием тока. Факторами, влияющими на размер частиц порошка, являются в основном состав электролита и условия электролиза (см. электролиз водного раствора).

Обычно электролитические порошки в основном дендритные и имеют высокую чистоту, но этот метод потребляет много электроэнергии и является дорогостоящим. Применение электролиза также очень широко, и он часто используется для производства различных металлических порошков, таких как медь, никель, железо, серебро, олово, свинец, хром и марганец; порошки сплавов также могут быть получены при определенных условиях. Для редких и тугоплавких металлов, таких как тантал, ниобий, титан, цирконий, бериллий, торий и уран, в качестве электролитов часто используются составные расплавленные соли (см. электролиз расплавленных солей) для производства порошков.

Метод механического измельчения
В основном твердые металлы измельчаются в порошки путем дробления, раздавливания и измельчения. Оборудование делится на грубое дробление и тонкое дробление. Основное дробильное оборудование включает дробилки, валковые мельницы, щековые дробилки и другое грубое дробильное оборудование. Основное дробильно-измельчительное оборудование включает молотковые дробилки, стержневые мельницы, шаровые мельницы, вибрационные шаровые мельницы, шаровые мельницы с перемешиванием и другое тонкое дробильное оборудование.

Механическое дробление в основном подходит для дробления хрупких и легко закаливаемых металлов и сплавов, таких как олово, марганец, хром, высокоуглеродистое железо, сплавы железа и т. д. Оно также используется для дробления губчатых металлов, полученных методом восстановления, и катодных осадков, полученных электролизом; оно также используется для дробления титана, который становится хрупким после гидрирования, а затем дегидрируется для получения тонкого титанового порошка. Механическое дробление неэффективно и энергоемко, и часто используется в качестве дополнения к другим методам изготовления порошков или для смешивания порошков с различными свойствами. Кроме того, механическое дробление также включает вихревые мельницы, которые используют два импеллера для создания вихрей, так что частицы, увлекаемые потоком воздуха, сталкиваются друг с другом на высокой скорости и дробятся, что может быть использовано для дробления пластичных металлов.

Метод дробления холодным потоком
Использовать высокоскоростной и высоконапорный поток инертного газа для переноса грубого порошка и распыления его на металлическую мишень. Из-за адиабатического расширения воздушного потока на выходе из сопла температура резко падает ниже 0°C, так что грубый порошок металлов и сплавов с низкой температурной хрупкостью измельчается в мелкий порошок. Метод механического легирования использует высокоэнергетическую шаровую мельницу для измельчения различных металлов и тугоплавких соединений в твердое растворное или мелкодисперсное состояние сплава.

Карбонильный метод
Некоторые металлы (железо, никель и т. д.) синтезируются с оксидом углерода для образования карбонильных соединений металлов, которые затем термически разлагаются на металлический порошок и оксид углерода. Полученный таким образом порошок очень мелкий (размер частиц составляет от нескольких сотен ангстрем до нескольких микрон) и имеет высокую чистоту, но и стоимость его высока. Он в основном используется в промышленности для получения тонких и ультратонких порошков никеля и железа, а также порошков сплавов, таких как Fe-Ni, Fe-Co и Ni-Co.

Метод прямого компаундирования
Углерод, азот, бор и кремний напрямую соединяются с тугоплавкими металлами при высоких температурах. Метод восстановительно-комбинированного соединения использует углерод, азот, карбид бора и кремний для реакции с оксидами тугоплавких металлов. Оба метода являются широко используемыми методами для получения порошков карбидов, нитридов, боридов и силицидов.


Тонкие порошки и ультратонкие порошки менее 10 мкм занимают особое положение в производстве материалов (таких как дисперсионно-упрочненные сплавы, ультрамикропористые металлы и металлические магнитные ленты) и прямых приложений (таких как ракетное твердое топливо и магнитно-жидкостные уплотнения, магнитные чернила и т. д.) благодаря своему однородному составу, мелкому зерну и высокой активности. В дополнение к карбонильному методу и методу электролиза, для производства этого типа порошка также используются метод вакуумного испарения и конденсации, дуговое распыление, соосаждение комплексного солевого разложения, восстановление в газовой фазе и другие методы. Порошки с покрытием все чаще демонстрируют свое превосходство в специальных приложениях, таких как термическое напыление и материалы для атомной энергетики. Различные порошки с покрытием, смешанные с металлами и металлами, металлами и неметаллами, могут быть получены с использованием двух типов методов химического изготовления порошков, газофазного и жидкофазного осаждения, таких как восстановление водородом, термическая диссоциация, восстановление водородом под высоким давлением, замена и электроосаждение.