Proszki metali są szeroko stosowane w produkcji addytywnej, formowaniu wtryskowym metali i innych zastosowaniach metalurgii proszków. Niniejszy artykuł zawiera przegląd różnych proszków metali, metod produkcji, właściwości, specyfikacji, zastosowań i cen, dostawca proszku metalowego a także zalety i ograniczenia technologii proszkowych.
Przegląd proszków metali
Proszki metali przetwarzane na komponenty końcowe oferują takie korzyści jak
- Niestandardowe stopy/składy nieosiągalne za pomocą metalurgii wlewków
- Skomplikowane, lekkie geometrie dzięki produkcji addytywnej
- Wytwarzanie kształtu netto zmniejszające straty w porównaniu z metodami subtraktywnymi
- Właściwości izotropowe z szybkiego krzepnięcia a odlewanie
Popularne proszki metali obejmują stale nierdzewne, stale narzędziowe, nadstopy, tytan, aluminium, miedź i stopy egzotyczne. Produkcja poprzez atomizację w gazie obojętnym, atomizację wodną i proces plazmowej elektrody rotacyjnej umożliwia dostosowanie rozkładu wielkości cząstek, morfologii i mikrostruktury do różnych zastosowań.
Rodzaje proszków metali
Stale nierdzewne
Proszki z austenitycznej i martenzytycznej stali nierdzewnej, takie jak 316L, 420 i 17-4PH oferują dobrą odporność na korozję i wysoką twardość po obróbce cieplnej:
| Klasa | Właściwości | Zastosowania |
|---|---|---|
| 316L | Doskonała odporność na korozję, świetna spawalność/formowalność | Pompy, zawory, osprzęt morski |
| 420 | Wysoka twardość, odporność na zużycie | Narzędzia tnące, łożyska |
| 17-4PH | Wysoka wytrzymałość, umiarkowana odporność na korozję, dobra wytrzymałość po starzeniu | Komponenty lotnicze i przemysłowe |
Stale narzędziowe
Stale narzędziowe utwardzane powietrzem, takie jak H13 i D2, zapewniają bardzo wysoki poziom twardości po obróbce cieplnej:
| Klasa | Zakres twardości | Zastosowania |
|---|---|---|
| H13 | 50-55 HRC | Formy wtryskowe, matryce, oprzyrządowanie |
| P20 | 30-40 HRC | Formy wtryskowe do tworzyw sztucznych |
| D2 | 60-62 HRC | Narzędzia tnące, matryce formujące |
Nadstopy
Stopy na bazie niklu, żelaza i kobaltu oferują wyjątkową wytrzymałość na wysokie temperatury w ekstremalnych warunkach:
| Klasa | Maksymalna temperatura pracy | Zastosowania |
|---|---|---|
| Inconel 718 | 700°C | Komponenty i systemy lotnicze i kosmiczne |
| Inconel 625 | 980°C | Turbiny lotnicze, sprzęt petrochemiczny |
| Haynes 282 | 870°C | Części silników odrzutowych, turbiny lądowe |
| Chrom kobaltowy | 500°C | Implanty medyczne/dentystyczne |
Aluminium i tytan
Lekkie metale, takie jak aluminium i stopy tytanu, umożliwiają tworzenie lekkich części konstrukcyjnych w połączeniu z dobrą odpornością na korozję (Ti) i wysokim stosunkiem wytrzymałości do masy:
| Klasa | Zastosowania |
|---|---|
| AlSi10Mg | Komponenty lotnicze i motoryzacyjne, prototypy |
| Ti-6Al-4V | Części konstrukcyjne dla przemysłu lotniczego, implanty biomedyczne |
Miedź i wolfram
Miedź oferuje wysoką przewodność cieplną i elektryczną, podczas gdy gatunki wolframu zapewniają ekstremalną twardość i gęstość do 18 g/cc:
| Materiał | Zastosowania |
|---|---|
| Miedź | Radiatory, elektrody, końcówki spawalnicze |
| Ciężkie stopy wolframu | Osłona przed promieniowaniem, tłumienie drgań |
Stopy egzotyczne
Zaawansowane gatunki obejmują metale szlachetne, metale ogniotrwałe i magnesy trwałe z metali ziem rzadkich:
| Klasa | Skład | Zastosowania |
|---|---|---|
| Elgiloy | Co-Cr-Ni + pierwiastki śladowe | Urządzenia medyczne, elementy złączne |
| Nitinol | Nikiel-tytan | Siłowniki, aplikacje kriogeniczne |
| Magnesy neodymowe | Nd-Fe-B | Silniki, generatory, czujniki |
Umożliwiają one wyspecjalizowane właściwości elektryczne, magnetyczne, termomechaniczne i biokompatybilne dla niszowych zastosowań.
Metody produkcji
Atomizacja gazowa jest podstawową techniką wytwarzania określonych rozkładów wielkości cząstek zoptymalizowanych pod kątem produkcji dodatków, formowania wtryskowego metali itp. Atomizacja wodna służy do zastosowań opartych na kosztach, takich jak formowanie wtryskowe tulei i filtrów.
Atomizacja gazu
Gaz obojętny pod wysokim ciśnieniem (zwykle argon lub azot) odcina drobne kropelki stopionego metalu ze strumienia stopionego metalu, które szybko zestalają się w kuliste proszki idealne do stapiania warstwa po warstwie. Pożądany skład chemiczny i mikrostruktura są wbudowane w stop przed atomizacją. Zapewnia to wysoką czystość proszku i spójny skład dostosowany do funkcjonalności części.
Atomizacja wody
W tym procesie strumień stopionego metalu jest rozbijany przez strumienie wody o dużej prędkości na drobne cząstki, które szybko schładzają się, tworząc nieregularne kształty. Jest to tańszy proces przydatny w zastosowaniach o dużej objętości, w których dopuszczalne są luźne właściwości proszku.
Proces elektrody rotacyjnej
W tej metodzie łuk elektryczny topi obracający się pręt wprowadzany do palnika plazmowego. Odparowany metal skrapla się w atmosferze gazu obojętnego, a wirujące stopione cząstki tworzą kulisty proszek. Oferuje ona niezwykle precyzyjną kontrolę nad rozkładem wielkości cząstek w zastosowaniach niszowych.
Właściwości i specyfikacja
Kluczowe właściwości proszku, takie jak kształt cząstek, rozkład wielkości, szybkość przepływu i gęstość pozorna, wpływają na wydajność w dalszych procesach, takich jak produkcja addytywna:
| Parametr | Typowy zakres | Znaczenie |
|---|---|---|
| Kształt cząsteczki | Preferowany kształt sferyczny | Wpływa na gęstość upakowania, płynność, rozprowadzalność podczas drukowania |
| Rozkład wielkości | 15-45 μm typowo | Wpływ min. rozdzielczość funkcji, wykończenie powierzchni, gęstość |
| Natężenie przepływu | 25-40 s/50 g | Wskazuje fluidyzację proszku, rozprowadzalność, zmniejszoną aglomerację |
| Gęstość pozorna | Do 65% mocy teoretycznej | Potrzebne do wysokiego zagęszczenia podczas spiekania lub topienia |
| Węgiel resztkowy | < 0,01% | Określa odbiór tlenu/azotu wpływający na mechanikę |
Raporty z testów materiałów od renomowanych firm dostawcy proszków metalowych prezentują szczegółowe dane dotyczące charakterystyki, aby wybrać odpowiedni gatunek do zamierzonego zastosowania i procesu.
Obszary zastosowań
Wytwarzanie przyrostowe
- Komponenty lotnicze - łopatki, wirniki, sekcje silnika
- Implanty medyczne - ortopedyczne/dentystyczne, narzędzia chirurgiczne
- Motoryzacja - zawory, tłoki, kolektory
- Oprzyrządowanie przemysłowe - narzędzia skrawające, matryce, formy
Formowanie wtryskowe metali
- Małe części precyzyjne - koła zębate, dysze, elementy złączne
- Śruby ortopedyczne, implanty kolan/bioder
- Mechanizmy samochodowe - zamki, koła pasowe
Powłoki natryskiwane cieplnie
- Warstwy odporne na zużycie - wały pomp, rolki
- Ochrona przed korozją - zawory, rury, zbiorniki
Prasa do proszków i spieków
- Łożyska samosmarujące
- Magnesy stałe
- Części konstrukcyjne poprzez prasowanie izostatyczne na zimno/gorąco
Dopasowana charakterystyka proszku umożliwia różnorodne zastosowania wykorzystujące produkcję w kształcie siatki lub zbliżonym do siatki.
dostawca proszku metalowego
Wiodący europejscy, azjatyccy i północnoamerykańscy dostawcy zaspokajają popyt na proszki metali w różnych branżach i regionach geograficznych.
| Firma | Materiały | Pojemność | Rynki |
|---|---|---|---|
| Sandvik | Stale nierdzewne, narzędziowe, nadstopy | 210 000 MT | Europa, Azja |
| GKN | Stale nierdzewne, nadstopy, stopy Ti | 170 000 MT | Europa, Ameryka Północna |
| Praxair | Stopy Ti, Ni, Co | 110 000 MT | Ameryka Północna/Południowa |
| Hoganas | Stale narzędziowe, nierdzewne, niskostopowe | 100 000 MT | Europa, Azja |
| Rio Tinto Metal Powders | Aluminium, Ti, gatunki międzymetaliczne | 75 000 MT | Globalny |
Firmy te oferują szerokie możliwości w zakresie procesów atomizacji w połączeniu z rygorystyczną wewnętrzną kontrolą jakości w zakresie właściwości i czystości proszku, popartą certyfikowanymi raportami z testów dotyczących składu chemicznego, rozkładu wielkości cząstek, mikrostruktury i spójności partii.
Eksperci ds. zastosowań pomagają dostosować istniejące stopy lub zaprojektować nowe gatunki dostosowane do potrzeb klienta w zakresie właściwości mechanicznych, geometrii i funkcjonalności, od prototypowania po zamówienia proszków metali na skalę komercyjną.
Ceny proszków metali
| Materiał | Zakres cen |
|---|---|
| Stal nierdzewna 316L | $5-20/kg |
| Stal maraging | $30-60/kg |
| Stal narzędziowa H13 | $12-30/kg |
| Inconel 718 | $50-150/kg |
| Tytan Ti-6Al-4V | $100-500/kg |
Ceny zależą w znacznym stopniu od wielkości zamówienia, klasy jakości (komercyjna, lotnicza, medyczna itp.), regionalnej dynamiki popytu i zakresu certyfikacji. Duzi klienci zatwierdzeni przez OEM otrzymują znacznie niższe ceny, nawet $30-40/kg dla popularnych nadstopów lotniczych.
Plusy i minusy metalurgii proszków
Zalety
- Niestandardowe stopy/składy poza konwencjonalnym zakresem metalurgii wlewków
- Złożone geometrie z produkcji addytywnej z ograniczonym montażem
- Produkcja w kształcie zbliżonym do siatki przy niższych stratach surowca
- Lepsze właściwości mechaniczne dzięki szybkiemu krzepnięciu
Ograniczenia
- Generalnie wolniejsze tempo produkcji niż w przypadku odlewania lub kucia
- Dodatkowe kroki, takie jak CIP / HIP, potrzebne w AM w celu poprawy gęstości
- Ponowne użycie proszku może spowodować zmianę jego właściwości
- Wymaga systemów obsługi do odzyskiwania/recyklingu niewykorzystanego proszku
Podsumowanie
Podsumowując, kluczowe rodzaje proszków metalowych obejmują stopy nierdzewne, narzędziowe i superstopy oraz aluminium/tytan stosowane w produkcji addytywnej, formowaniu wtryskowym metali i powłokach natryskiwanych termicznie. Atomizacja gazowa, wodna i plazmowa umożliwiają dostosowanie rozkładu wielkości, kształtu i mikrostruktury proszku. Wiodący światowi dostawcy posiadają certyfikaty jakości dopasowane do wymagań aplikacji pod względem składu chemicznego, charakterystyki cząstek i czystości. W przypadku prototypowania lub produkcji seryjnej, dopasowanie odpowiedniego rodzaju proszku metalowego do potrzeb związanych z funkcjonalnością, procesem i wydajnością części zapewnia ogólny sukces produkcji.
Najczęściej zadawane pytania
Jak powstają proszki metali?
Większość komercyjnych proszków opiera się na procesach atomizacji w gazie obojętnym lub atomizacji wodnej w celu wytworzenia drobnych kulistych cząstek o ściśle kontrolowanym rozkładzie wielkości.
Jakie są główne rodzaje proszków metali?
Typowe klasyfikacje obejmują stale nierdzewne, stale narzędziowe, superstopy, stopy aluminium/tytanu, ciężkie stopy wolframu i metale szlachetne, w tym egzotyczne, takie jak Elgiloy, Nitinol itp.
Jakie czynniki wpływają na ceny proszków metali?
Ceny zależą w znacznym stopniu od ilości, zakresu certyfikacji, regionalnej dynamiki popytu, kosztów surowców i składu stopu - egzotyczne superstopy mogą kosztować 5-10 razy więcej niż gatunki stali nierdzewnej za kilogram.
Jakie są typowe rozmiary proszków metali?
Standardowy rozkład dla produkcji addytywnej mieści się w przedziale 15-45 mikronów. Gatunki rozpylane wodą mogą mieścić się w zakresie 45-150 μm, stosowane głównie do prasowania i spiekania.
Co decyduje o wyborze proszków metali?
Kluczowymi czynnikami są funkcjonalność części (temperatura pracy, naprężenia itp.), metoda produkcji (odlewanie, MIM, AM), docelowe koszty, zakres przetwarzania końcowego i dostępność w pożądanej formie produktu.
Jak charakteryzowane i określane są proszki metali?
Typowe parametry podawane w raportach z testów materiałów obejmują skład proszku, rozkład wielkości cząstek, morfologię (kulisty/nieregularny), charakterystykę przepływu, gęstość pozorną i poziomy zanieczyszczeń resztkowych. Decydują one o przydatności do użytku.
Czy istnieją normy dla proszków metali?
ASTM, ASME, MPIF, ISO i równoważne normy krajowe/regionalne pomagają zdefiniować specyfikacje dla popularnych gatunków w zakresie chemii, produkcji, procedur pobierania próbek, metodologii testowania, warunków dostaw i zapewnienia jakości.
Jakie środki ostrożności są konieczne podczas pracy z proszkami metali?
Główne zagrożenia związane są z łatwopalnością i wybuchem. Komory rękawicowe z gazem obojętnym, zamknięte systemy przenośników/transportu, uziemienie, powłoki antystatyczne pomagają w bezpiecznym obchodzeniu się z proszkiem, a także w stosowaniu środków ochrony osobistej podczas ekstrakcji i przenoszenia.
