La metal·lúrgia en pols és un procés de fabricació de pols metàl·lica i d'utilitzar pols metàl·lica (o de metall i no metàl·lica) com a matèria primera per obtenir peces i productes mitjançant l'emmotllament i la sinterització. Com a principal matèria primera de la indústria, la pols metàl·lica s'utilitza àmpliament en els camps de la maquinària, la metal·lúrgia, la indústria química i els materials aeroespacials. La pols metàl·lica és la matèria primera bàsica de la indústria metal·lúrgica en pols. La seva producció i qualitat determinen el desenvolupament de la indústria metal·lúrgica en pols.
La pols metàl·lica sol ser un agregat de partícules metàl·liques de menys d'1 mm. No hi ha una disposició uniforme per a la divisió de l'interval de granularitat. El mètode de classificació comú és el següent: les partícules amb una mida de partícula de 1000 ~ 50 μ m són pols convencionals; 50 ~ 10 μ m pols fina; 10 ~ 0,5 μ m es diu pols molt fina< 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. Mètode de preparació de pols metàl·lica
En l'actualitat, hi ha dotzenes de mètodes per a la producció industrial de pols, però segons l'anàlisi substantiva del procés de producció, es divideix principalment en dues categories: mètode mecànic i mètode fisicoquímic. Es pot obtenir no només del refinament directe de metalls sòlids, líquids i gasosos, sinó també de la reducció, piròlisi i transformació electrolítica de compostos metàl·lics en diferents estats. Els carburs, nitrurs, bèrids i silicids de metalls refractaris generalment es poden preparar directament mitjançant combinació química o combinació química de reducció. A causa de diferents mètodes de preparació, la forma, l'estructura i la mida de partícula de la mateixa pols sovint són molt diferents.
L'elecció del mètode de producció de pols metàl·lica depèn de matèries primeres, tipus de pols, requisits de rendiment de materials en pols i eficiència de producció de pols. Amb l'aplicació cada vegada més extensa de productes de metal·lúrgia en pols, els requisits per a la mida, la forma i les propietats de les partícules en pols són cada vegada més alts. Per tant, la tecnologia de preparació de pols també està desenvolupant i innovant per satisfer els requisits de mida i propietats de partícules.
2.1 Mètode físic mecànic
El mètode mecànic és un mètode de processament que trenca el metall en pols de mida de partícula requerida amb l'ajuda de la força mecànica externa. La composició química del material és bàsicament inalterada durant el procés de preparació. En l'actualitat, els mètodes d'ús comú són la mòlta i la mòlta de boles, que tenen els avantatges d'un procés senzill i una gran producció. Pot preparar algunes pols ultrafines de metalls i aliatges d'alt punt de fusió que són difícils d'obtenir mitjançant mètodes convencionals.
2.1.1 Mètode de fresat de boles
Mecanisme: el mètode de fresat de boles es divideix principalment en el mètode de la bola de rodament i el mètode de fresat de boles de vibració. Aquest mètode fa ús del mecanisme que les partícules metàl·liques es trenquen i es refinen a causa de la tensió a diferents ritmes de tensió.
Aplicació: aquest mètode és aplicable principalment a la preparació d'aliatge sb, Cr, Mn, Fe Cr i altres pols.
Avantatges i desavantatges: té els avantatges d'un funcionament continu i una alta eficiència de producció. És adequat per a la mòlta en sec i la mòlta humida. Pot preparar la pols d'una varietat de metalls i aliatges. El desavantatge és que la selectivitat dels materials no és forta, i és difícil qualificar en el procés de preparació de pols.
Fig. 1 TEM fotos de mostres en pols d'antimoni obtingudes per fresat de boles durant 12h (a), 18h (b) i 24h (c) a 150r / min
2.1.2 Mètode de mòlta
Mecanisme: el mètode de mòlta és ruixar el gas comprimit a la zona de mòlta després de passar per un filtre especial, de manera que els materials a la zona de mòlta col·lisionin entre si i es freguin en pols; Després que el flux d'aire s'expandeix, entra a l'àrea de classificació amb l'augment dels materials, i els materials que arriben a la mida de la partícula són ordenats pel classificador de vòrtex. La pols gruixuda restant torna a la zona de mòlta per moldre fins que se separa la mida de partícula requerida.
Aplicació: s'utilitza àmpliament en la mòlta ultrafina de matèries primeres químiques, pigments, abrasius, medicaments per a la salut i altres indústries.
Avantatges i desavantatges: com que el mètode de mòlta adopta la producció en sec, s'omet la deshidratació i assecat dels materials; El producte té una alta puresa, alta activitat, bona dispersió, mida de partícula fina i distribució estreta, i la superfície de la partícula és llisa. No obstant això, el mètode de mòlta també té alguns desavantatges, com ara l'alt cost de fabricació d'equips, el gas inert continu o el nitrogen s'han d'utilitzar com a font de gas comprimit en el procés de producció de pols metàl·lica, el gran consum de gas, que només és adequat per triturar i polvoritzar metalls i aliatges trencadissos.
2.1.3 Mètode d'atomització
Mecanisme: el mètode d'atomització generalment utilitza gas d'alta pressió, líquid d'alta pressió o fulles giratòries d'alta velocitat per trencar el metall fos o l'aliatge a alta temperatura i alta pressió en gotetes fines, i després condensar en el captador per obtenir pols metàl·lica ultrafina. No hi ha canvis químics en aquest procés. L'atomització és un dels principals mètodes per produir metall i pols d'aliatge. Hi ha molts mètodes d'atomització, com ara atomització de doble flux, atomització centrífuga, atomització de diverses etapes, tecnologia d'atomització ultrasònica, tecnologia d'atomització d'acoblament ajustat, atomització de gasos d'alta pressió, atomització del flux laminar, atomització d'acoblament estret ultrasònic i atomització de gasos calents.
Aplicació: el mètode d'atomització s'utilitza generalment en la producció de pols metàl·liques com Fe, Sn, Zn, Pb i Cu, així com en la producció de pols d'aliatge com bronze, llautó, acer al carboni i acer d'aliatge. El mètode d'atomització compleix els requisits especials de pols metàl·lica per a consumibles d'impressió 3D. La figura 3 mostra la microestructura d'acer inoxidable en pols d'un fabricant alemany.
Avantatges i desavantatges: la pols atomitzada té els avantatges d'alta esfericitat, mida de partícula en pols controlable, baix contingut d'oxigen, baix cost de producció i adaptabilitat a la producció de diverses pols metàl·liques. S'ha convertit en la principal direcció de desenvolupament de la tecnologia de preparació de pols d'aliatge d'alt rendiment i especial. No obstant això, el mètode d'atomització té els desavantatges de la baixa eficiència de producció, el baix rendiment de pols ultrafina i un consum d'energia relativament gran.
Fig. 2 microestructura d'acer inoxidable imprès en 3D en pols d'un fabricant alemany
2.2 Mètode químic físic
El mètode fisicoquímic es refereix al mètode de producció de pols ultrafina canviant la composició química o l'estat d'aglomeració de les matèries primeres en el procés de preparació en pols. Segons diferents principis químics, es pot dividir en mètode de reducció, mètode d'electròlisi i mètode de reemplaçament químic.
Mètode de reducció 2.2.1
Mecanisme: el mètode de reducció és un mètode de preparació de metall o aliatge en pols mitjançant la reducció d'òxids metàl·lics o sals metàl·liques amb agent reductor sota certes condicions. És un dels mètodes de fabricació de pols més utilitzats en la producció. Els agents reductors comuns inclouen agents reductors de gas (com hidrogen, amoníac descompost, gas natural convertit, etc.), agents reductors de carboni sòlid (com el carbó vegetal, el coc, l'antracita, etc.) i els agents reductors de metalls (com calci, magnesi, sodi, etc.). El mètode de deshidrogenació de la hidrogenació amb l'hidrogen com a mitjà de reacció és el mètode de preparació més representatiu. Utilitza les característiques de fàcil hidrogenació del metall cru per hidrogenar el metall amb hidrogen a una certa temperatura per generar hidrur metàl·lic, i després trenca l'hidrur metàl·lic obtingut en pols amb la mida de partícula desitjada per mètode mecànic, A continuació, l'hidrogen en la pols d'hidrur metàl·lic triturat s'elimina sota el buit per obtenir la pols metàl·lica.
Aplicació: s'utilitza principalment en la preparació de pols metàl·lics (aliatge) com Ti, Fe, W, Mo, Nb i W-Re. Per exemple, el titani (pols) comença a reaccionar violentament amb l'hidrogen a una certa temperatura. Quan el contingut d'hidrogen és superior al 2,3%, l'hidrur és solt i fàcil de triturar en partícules fines de pols d'hidrur de titani. La pols de titani es pot obtenir descomponent-la a una temperatura d'uns 700 °C i eliminant la major part de l'hidrogen dissolt en pols de titani.
Avantatges i desavantatges: els avantatges són un funcionament senzill, un fàcil control dels paràmetres de procés, una alta eficiència de producció i un baix cost, adequat per a la producció industrial; El desavantatge és que només és aplicable a materials metàl·lics que són fàcils de reaccionar amb l'hidrogen i es tornen fràgils i fràgils després de l'absorció d'hidrogen.
2.2.2 Mètode electrolític
L'electròlisi és un mètode per dipositar i precipitar pols metàl·lica al càtode mitjançant electròlisi de sal fosa o solució aquosa salina.
Aplicació: la solució aquosa electrolítica pot produir pols metàl·liques (aliatge) com Cu, Ni, Fe, Ag, Sn i Fe Ni, i la sal fosa electrolítica pot produir pols metàl·liques com Zr, Ta, Ti i Nb.
Avantatges i desavantatges: l'avantatge és que la puresa de la pols metàl·lica preparada és alta, i la puresa de la pols elemental general pot arribar a més del 99,7%; A més, el mètode d'electròlisi pot controlar bé la mida de partícula de la pols i produir pols ultrafina. No obstant això, el consum d'energia de la polvorització electrolítica és gran i el cost de polvorització és elevat.
Fig. 4 dispositiu per a la preparació de pols de ferro per electròlisi ultrasònica
Mètode hidroxil 2.2.3
Mecanisme: alguns metalls (ferro, níquel, etc.) i monòxid de carboni se sintetitzen en compostos carbonils metàl·lics, que es reescalfen i es descomponen en pols metàl·lica i monòxid de carboni.
AplicableUneció: en la indústria, s'utilitza principalment per produir pols fines i ultrafines de níquel i ferro, així com pols d'aliatge com Fe Ni, Fe Co i Ni Co
Avantatges i desavantatges: la pols preparada d'aquesta manera és molt fina i d'alta puresa, però el cost és elevat.
2.2.4 Mètode de substitució química
Mecanisme: el mètode de reemplaçament químic és reemplaçar el metall menys actiu de la solució de sal metàl·lica pel metall altament actiu segons l'activitat del metall, i tractar i refinar encara més el metall (pols metàl·lic) obtingut per substitució per altres mètodes.
Aplicació: aquest mètode s'aplica principalment a la preparació de pols metàl·liques inactives com Cu, Ag i Au.
El resum dels mètodes de preparació de pols metàl·lica es mostra a la taula 1.
3. Resum
Amb el progrés de la tecnologia, la pols metàl·lica s'ha desenvolupat i aplicat en metal·lúrgia, indústria química, electrònica, materials magnètics, ceràmica fina, sensors, així successivament, mostrant una bona perspectiva d'aplicació, i la pols metàl·lica mostra una tendència de desenvolupament cap a l'alta puresa i ultrafina (nano). Tot i que els mètodes de preparació de pols metàl·lica ultrafina són diversos, i es poden seleccionar diferents mètodes segons l'aplicació i els requisits econòmics i tècnics, cada mètode té certes limitacions i molts problemes han de ser resolts i millorats. En l'actualitat, els mètodes més utilitzats per a la preparació de pols metàl·lica són el mètode de reducció, el mètode d'electròlisi i el mètode d'atomització; A més, basant-se en la millora del procés de producció tradicional, s'han obtingut molts nous processos i mètodes de producció, com ara el mètode de condensació per evaporació al buit, el mètode d'atomització ultrasònica, el mètode d'atomització de disc giratori, el mètode d'atomització de doble rotllo i tres rotllos, el mètode d'atomització de múltiples bastidors, el mètode d'elèctrode giratori de plasma, el mètode d'arc, etc. En els mètodes de preparació de la pols metàl·lica, encara que s'han aplicat molts mètodes a la pràctica, encara hi ha dos problemes principals: a petita escala i alt cost de producció. Per tal de promoure el desenvolupament i l'aplicació de materials metàl·lics en pols, cal utilitzar de manera integral diferents mètodes, aprendre els uns dels altres i desenvolupar mètodes de procés amb major producció i menor cost.