Праховата металургия е процес на производство на метален прах и използване на прах от метал (или метал и неметална смес) като суровина за получаване на части и продукти чрез формоване и синтероване. Като основна суровина за индустрията, металният прах се използва широко в областта на машиностроенето, металургията, химическата промишленост и аерокосмическите материали. Металният прах е основната суровина за индустрията на праховата металургия. Неговата продукция и качество определят развитието на индустрията на праховата металургия.
Метален прах обикновено е съвкупност от метални частици по-малки от 1 mm. Няма единна разпоредба за разделянето на интервала на детайлност. Общият метод за класификация е както следва: частиците с размер на частиците от 1000 ~ 50 µm са конвенционални прахове; 50 ~ 10 µm фин прах; 10 ~ 0,5 µm се нарича много фин прах< 0,5="" µm="" се="" нарича="" ултрафин="" прах;="" 0,1="" ~="" 100="" nm="" се="" нарича="" нано="" прах.="" всяка="" прахова="" частица="" може="" да="" бъде="" един="" кристал="" или="" съставена="" от="" много="" кристали,="" в="" зависимост="" от="" размера="" на="" частиците="" и="" метода="" на="">
2. Метод на приготвяне на метален прах
Понастоящем има десетки методи за промишлено производство на прах, но според анализа по същество на производствения процес той се разделя основно на две категории: механичен метод и физикохимичен метод. Може да се получи не само от директното рафиниране на твърди, течни и газообразни метали, но и от редукция, пиролиза и електролитна трансформация на метални съединения в различни състояния. Карбидите, нитридите, боридите и силицидите на огнеупорните метали обикновено могат да бъдат получени директно чрез химична комбинация или редукционна химическа комбинация. Поради различните методи на приготвяне, формата, структурата и размерът на частиците на един и същ прах често са много различни.
Изборът на метод за производство на метален прах зависи от суровините, вида на праха, изискванията за производителност на прахообразните материали и ефективността на производството на прах. С все по-широкото приложение на продуктите на праховата металургия изискванията за размера, формата и свойствата на праховите частици са все по-високи. Поради това технологията за приготвяне на прах също се развива и иновира, за да отговори на изискванията за размера и свойствата на частиците.
2.1 механичен физичен метод
Механичният метод е метод на обработка, който разбива метала на прах с необходимия размер на частиците с помощта на външна механична сила. Химичният състав на материала е основно непроменен по време на процеса на приготвяне. Понастоящем често използваните методи са топчено смилане и смилане, които имат предимствата на прост процес и голяма производителност. Той може да приготви някои ултрафини прахове от метали и сплави с висока точка на топене, които са трудни за получаване чрез конвенционални методи.
2.1.1 метод на топково смилане
Механизъм: методът на топчено фрезоване се разделя главно на метод на валцоваща топка и метод на фрезоване с вибрации. Този метод използва механизма, че металните частици се разбиват и рафинират поради напрежение при различни скорости на деформация.
Приложение: този метод е приложим главно за получаване на sb, Cr, Mn, Fe Cr сплав и други прахове.
Предимства и недостатъци: има предимствата на непрекъсната работа и висока производствена ефективност. Подходяща е за сухо и мокро смилане. Може да приготви прах от различни метали и сплави. Недостатъкът е, че селективността на материалите не е силна и е трудно да се класифицират в процеса на приготвяне на прах.
Фиг. 1 ТЕМ снимки на проби от антимонов прах, получени чрез топково смилане за 12 часа (а), 18 часа (б) и 24 часа (в) при 150 об/мин
2.1.2 метод на смилане
Механизъм: методът на смилане е да се пръска сгъстен газ в зоната за смилане след преминаване през специална дюза, така че да задвижи материалите в зоната за смилане да се сблъскат един с друг и да се разтриват в прах; След като въздушният поток се разширява, той навлиза в зоната на класификация с издигането на материалите и материалите, достигащи размера на частиците, се сортират от вихровия класификатор. Останалият едър прах се връща в зоната за смилане за смилане, докато се отдели необходимият размер на частиците.
Приложение: широко се използва при ултрафино смилане на неметални, химически суровини, пигменти, абразиви, здравни лекарства и други индустрии.
Предимства и недостатъци: тъй като методът на смилане приема сухо производство, дехидратацията и изсушаването на материалите се пропускат; Продуктът има висока чистота, висока активност, добра дисперсия, фин размер на частиците и тясно разпределение, а повърхността на частиците е гладка. Методът на смилане обаче има и някои недостатъци, като висока производствена цена на оборудването, непрекъснат инертен газ или азот трябва да се използва като източник на сгъстен газ в производствения процес на метален прах, голяма консумация на газ, който е подходящ само за раздробяване и пулверизиране на крехки метали и сплави.
2.1.3 метод на атомизация
Механизъм: методът на пулверизиране обикновено използва газ под високо налягане, течност под високо налягане или високоскоростни въртящи се остриета за разбиване на разтопения метал или сплав при висока температура и високо налягане на фини капчици и след това кондензиране в колектора за получаване на ултра фин метал прах. В този процес няма химическа промяна. Атомизацията е един от основните методи за производство на прах от метал и сплав. Има много методи за пулверизиране, като пулверизиране с двоен поток, центробежна атомизация, многоетапна атомизация, технология за ултразвукова атомизация, технология за пулверизиране с плътно свързване, газова атомизация под високо налягане, атомизация на ламинарен поток, ултразвуково плътно разпръскване и атомизация на горещ газ.
Приложение: методът на пулверизиране обикновено се използва при производството на метални прахове като Fe, Sn, Zn, Pb и Cu, както и при производството на легирани прахове като бронз, месинг, въглеродна стомана и легирана стомана. Методът на пулверизиране отговаря на специалните изисквания за метален прах за консумативи за 3D печат. Фигура 3 показва микроструктурата на прах от неръждаема стомана от немски производител.
Предимства и недостатъци: пулверизираният прах има предимствата на висока сферичност, контролируем размер на праховите частици, ниско съдържание на кислород, ниска производствена цена и адаптивност към производството на различни метални прахове. Той се превърна в основната посока на развитие на технологията за приготвяне на прах с висока производителност и специална сплав. Въпреки това методът на пулверизиране има недостатъците на ниската производствена ефективност, нисък добив на ултра фин прах и относително голяма консумация на енергия.
Фиг. 2 микроструктура на 3D отпечатан прах от неръждаема стомана от немски производител
2.2 физико-химичен метод
Физикохимичният метод се отнася до метода на производство на ултрафин прах чрез промяна на химичния състав или състоянието на агломерация на суровините в процеса на приготвяне на прах. Според различни химични принципи, той може да бъде разделен на метод на редукция, метод на електролиза и метод на химическо заместване.
2.2.1 метод за намаляване
Механизъм: редукционният метод е метод за приготвяне на прах от метал или сплав чрез редуциране на метални оксиди или метални соли с редуциращ агент при определени условия. Това е един от най-широко използваните методи за правене на прах в производството. Обичайните редуциращи агенти включват газови редуциращи агенти (като водород, разложен амоняк, преработен природен газ и др.), твърди въглеродни редуциращи агенти (като въглен, кокс, антрацит и др.) и метални редуциращи агенти (като калций, магнезий, натрий и др.). Методът на хидрогениране на дехидрогениране с водород като реакционна среда е най-представителният метод за получаване. Той използва характеристиките на лесно хидрогениране на суров метал за хидрогениране на метала с водород при определена температура за генериране на метален хидрид и след това разбива получения метален хидрид на прах с желания размер на частиците чрез механичен метод, След това водородът в натрошения метал хидридният прах се отстранява под вакуум, за да се получи металният прах.
Приложение: използва се главно при приготвянето на метални (сплави) прахове като Ti, Fe, W, Mo, Nb и W-Re. Например титанът (прах) започва да реагира бурно с водород при определена температура. Когато съдържанието на водород е по-голямо от 2,3%, хидридът е рохкав и лесно се раздробява на фини частици прах от титаниев хидрид. Титанов прах може да се получи чрез разлагането му при температура от около 700 ℃ и отстраняване на по-голямата част от водорода, разтворен в титановия прах.
Предимства и недостатъци: предимствата са лесна работа, лесно управление на параметрите на процеса, висока производствена ефективност и ниска цена, което е подходящо за промишлено производство; Недостатъкът е, че е приложим само за метални материали, които лесно реагират с водород и стават крехки и крехки след абсорбиране на водород.
2.2.2 електролитен метод
Механизъм: електролизата е метод за отлагане и утаяване на метален прах на катода чрез електролиза на разтопена сол или воден разтвор на сол.
Приложение: електролитният воден разтвор може да произвежда метални (сплавни) прахове като Cu, Ni, Fe, Ag, Sn и Fe Ni, а електролитната разтопена сол може да произвежда метални прахове като Zr, Ta, Ti и Nb.
Предимства и недостатъци: предимството е, че чистотата на приготвения метален прах е висока, а чистотата на общия елементарен прах може да достигне повече от 99,7%; В допълнение, методът на електролиза може добре да контролира размера на частиците на праха и да произвежда ултра фин прах. Въпреки това, консумацията на енергия при електролитното пулверизиране е голяма и цената на пулверизирането е висока.
Фиг. 4 устройство за приготвяне на железен прах чрез ултразвукова електролиза
2.2.3 хидроксилен метод
Механизъм: някои метали (желязо, никел и др.) и въглероден оксид се синтезират в метални карбонилни съединения, които се нагряват повторно и се разлагат на метален прах и въглероден оксид.
Приложениеuneция: в промишлеността се използва главно за производство на фини и ултрафини прахове от никел и желязо, както и прахове от сплави като Fe Ni, Fe Co и Ni Co
Предимства и недостатъци: така приготвеният прах е много фин и с висока чистота, но цената е висока.
2.2.4 Метод за химическо заместване
Механизъм: методът за химическо заместване е да се замени по-малко активният метал от разтвора на метална сол с високоактивен метал в зависимост от активността на метала и по-нататъшно третиране и рафиниране на метала (метален прах), получен чрез заместване с други методи.
Приложение: този метод се прилага главно за приготвяне на неактивни метални прахове като Cu, Ag и Au.
Обобщението на методите за приготвяне на метален прах е показано в Таблица 1.
3. Резюме
С напредъка на технологиите металният прах е разработен и приложен в металургията, химическата промишленост, електрониката, магнитните материали, фината керамика, сензорите и така нататък, показвайки добра перспектива за приложение, а металният прах показва тенденция на развитие към висока чистота и ултра -фин (нано). Въпреки че методите за приготвяне на ултрафин метален прах са различни и различни методи могат да бъдат избрани според приложението и икономическите и технически изисквания, всеки метод има определени ограничения и много проблеми трябва да бъдат решени и подобрени. Понастоящем най-широко използваните методи за получаване на метален прах са методът на редукция, методът на електролиза и методът на пулверизиране; В допълнение, въз основа на подобряването на традиционния производствен процес, са получени много нови производствени процеси и методи, като метод на кондензация с вакуумно изпаряване, метод на ултразвукова атомизация, метод на пулверизиране на въртящ се диск, метод на двуролкова и триролкова атомизация, метод на многоетапно атомизиране , метод на плазмен въртящ се електрод, метод на дъга и др. При методите за приготвяне на метален прах, въпреки че много методи се прилагат на практика, все още има два основни проблема, а именно малък мащаб и висока производствена цена. За да се насърчи разработването и прилагането на метални прахообразни материали, е необходимо цялостно да се използват различни методи, да се учат един от друг и да се разработят технологични методи с по-голямо производство и по-ниска цена.