La metallurgia delle polveri, come una tecnologia avanzata di preparazione e formazione dei materiali che è sia antica che dinamica, ha avuto origine dall'antica tecnologia di preparazione della ceramica e tecnologia di fusione di ferro. Fino al 1909, l'avvento del tungsteno duttile della metallurgia in polvere segnò l'avvento della moderna era di metallurgia in polvere. Negli ultimi 100 anni, la tecnologia della metallurgia delle polveri è fiorita e vari nuovi importanti materiali e prodotti chiave hanno continuato a emergere, diventando una delle importanti tecnologie di ingegneria che sono indispensabili per l'economia nazionale di oggi, la scienza e la tecnologia. Caratteristiche e vantaggi della metallurgia delle polveri
La metallurgia delle polveri è una tecnologia che utilizza polvere di metallo (o una miscela di metallo e polvere non metallo) come materie prime per produrre materiali metallici, materiali compositi e vari tipi di prodotti attraverso processi come modanatura e sinterizzazione.
Rispetto ai tradizionali processi di fusione e fusione, la metallurgia delle polveri presenta molti vantaggi. Da un lato, può effettivamente evitare la possibile segregazione dei componenti durante il processo di fusione, garantire l'uniformità della composizione del materiale e quindi ottenere prestazioni più stabili ed eccellenti. D'altra parte, la metallurgia delle polveri può ottenere una formazione vicina, riducendo notevolmente le successive procedure di elaborazione e i rifiuti di materiale. Secondo le statistiche pertinenti, il tasso di utilizzo del materiale delle parti prodotte dalla metallurgia delle polveri può raggiungere oltre il 90%, mentre il tasso di utilizzo del materiale dei tradizionali metodi di elaborazione meccanica è generalmente solo il 30%-50%, che non solo riduce i costi di produzione, ma migliora anche l'efficienza di produzione, che è in linea con il concetto di sviluppo di protezione verde e ambientale nella produzione moderna. Inoltre, regolando la composizione della polvere, la dimensione delle particelle e il processo di preparazione, le proprietà del materiale possono essere controllate con precisione per soddisfare le esigenze di diversi campi per proprietà materiali speciali, come alta resistenza, alta durezza, resistenza ad alta temperatura, resistenza alla corrosione, ecc.
Processo principale del processo di metallurgia in polvere
(I) Preparazione della polvere
Metodo di frantumazione meccanica: la forza meccanica viene utilizzata per schiacciare il metallo o la lega in polvere. L'attrezzatura è semplice, il costo è basso e l'output è grande, ma la forma della polvere è irregolare, la distribuzione delle dimensioni delle particelle è ampia e le impurità vengono facilmente introdotte.
Metodo di atomizzazione: il liquido metallico fuso viene spruzzato in piccole goccioline con gas ad alta pressione (azoto, argon) o flusso d'acqua ad alta velocità e raffreddato e solidificato in polvere. Il metodo di atomizzazione della gasizzazione ha un'elevata sfericità e una buona fluidità, che è adatto per fare parti ad alte prestazioni; Il metodo di atomizzazione dell'acqua ha a basso costo e alta efficienza e la forma della polvere è irregolare. Viene spesso utilizzato per le normali polvere in acciaio e prodotti con requisiti di bassa prestazione.
Metodo di riduzione: utilizzare agenti riducenti come idrogeno e monossido di carbonio per ridurre gli ossidi metallici in polveri con elevata purezza, alta attività, alta attività di sinterizzazione e densificazione a bassa temperatura. Tuttavia, la produzione richiede una temperatura elevata e un'atmosfera specifica e l'investimento delle attrezzature è grande e il costo è elevato.
Metodo di elettrolisi: soluzioni di sale metallico elettrolizzato o sali fusi per precipitare ioni metallici nelle polveri nel catodo. Le polveri sono estremamente pure, fini e uniformi di dimensioni delle particelle. Sono adatti per campi con elevati requisiti per la purezza e le dimensioni delle particelle, come i materiali elettronici, ma hanno una bassa efficienza di produzione, un consumo elevato di energia e un costo elevato.
(Ii) modanatura
Stampaggio a compressione: metti la polvere di metallo pretrattata nello stampo e premi in forma. I passaggi includono il ripieno di polvere, la pressione e la demolizione. È adatto a prodotti con forme semplici e requisiti di alta precisione, come gli ingranaggi. I vantaggi sono attrezzature semplici, alta efficienza, basso costo e produzione su larga scala; Gli svantaggi sono che è difficile da progettare e produrre stampi per prodotti complessi ed è difficile garantire una densità uniforme.
Pressatura isostatica: utilizzare il liquido per trasmettere uniformemente la pressione e mettere la polvere in uno stampo elastico e premere in un contenitore ad alta pressione. La pressione isostatica a freddo viene effettuata a temperatura ambiente ed è adatta a prodotti con forme complesse e requisiti ad alta densità; La pressione isostatica a caldo utilizza allo stesso tempo l'alta temperatura e l'alta pressione e viene utilizzata per materiali aerospaziali ad alte prestazioni, ecc. Il vantaggio è che il prodotto ha una densità uniforme in tutte le direzioni ed è adatto a prodotti grandi e complessi; Lo svantaggio è che l'attrezzatura è costosa, il ciclo è lungo e il costo è elevato.
Stampaggio a iniezione: mescolare la polvere di metallo e legante nel materiale di iniezione e utilizzare una macchina per iniezione per iniettarla nella cavità dello stampo per lo stampaggio. È adatto per la produzione di piccole parti complesse ad alta precisione, come i componenti elettronici. Il vantaggio è un'elevata efficienza e precisione dello stampaggio ed è adatto per la produzione su larga scala; Lo svantaggio è che la selezione e la rimozione dei leganti sono difficili e la gestione impropria influisce sulle prestazioni del prodotto.
(Iii) Sintering
Sintering convenzionale: riscaldare il corpo modellato a una temperatura e atmosfera adeguati (idrogeno, azoto, sotto vuoto, ecc.) Per combinare le particelle di polvere e aumentare la densità e la resistenza. L'atmosfera di idrogeno rimuove le impurità, l'azoto previene l'ossidazione e il vuoto è adatto a materiali con elevati requisiti di contenuto di ossigeno.
Sintering a caldo: la pressione viene applicata durante la sinterizzazione e viene effettuata in attrezzature speciali. Lo stampo è realizzato con materiali come la grafite. Può ridurre la temperatura di sinterizzazione, ridurre il tempo e ottenere prodotti con maggiore densità e prestazioni. Viene spesso utilizzato nella preparazione di ceramiche ad alte prestazioni e altri materiali.
Spark Plasma Sintering (SPS): rapido riscaldamento e sinterizzazione generando il plasma di scarico e il calore di Joule attraverso la corrente di impulso. Può rimuovere le impurità sulla superficie delle particelle, attivare la superficie, scaldarsi rapidamente (100-1000 grado /min), richiedere un breve periodo (diversi minuti a decine di minuti) e inibire la crescita del grano. È usato per preparare nanomateriali, ecc.
Campi applicativi della tecnologia della metallurgia delle polveri
(I) campo aerospaziale
Aerospace ha requisiti rigorosi sulle prestazioni dei materiali e la tecnologia della metallurgia delle polveri soddisfa le esigenze. Le leghe ad alta temperatura della metallurgia delle polveri vengono utilizzate per produrre componenti chiave come dischi di turbina a motori aeronautici e lame. Ad esempio, il disco della turbina del motore F119 di Pratt & Whitney negli Stati Uniti utilizza leghe ad alta temperatura a base di nichel in metallurgia per migliorare le prestazioni e l'affidabilità del motore. Le leghe di metallurgia in titanio in polvere vengono utilizzate per produrre travi di ali di aeromobili, cornici di fusoliera e altre parti strutturali a bassa densità, alta resistenza e resistenza alla corrosione, riducendo il peso dell'aeromobile e migliorando l'efficienza del carburante e le prestazioni di volo.
(Ii) Campo di produzione automobilistico
Le parti di metallurgia delle polveri sono ampiamente utilizzate nei motori automobilistici, nelle trasmissioni e nei sistemi di frenatura. Gli anelli del sedile della valvola, i tubi di guida e gli anelli di pistone nel motore sono realizzati in leghe a base di rame o a base di ferro, che possono resistere ad alta temperatura e alta pressione e migliorare le prestazioni e la vita del motore; I mozzi di marcia e sincronizzatore della trasmissione sono di alta precisione e buona forza, rendendo gli ingranaggi che si spostano più fluidi e migliorando l'efficienza della trasmissione; Le cuscinetti dei freni e i dischi freni del sistema freno vengono aggiunti con materiali di attrito speciali, che hanno una buona attrito e resistenza all'usura per garantire la sicurezza della frenata.
(Iii) campo di informazioni elettroniche
Man mano che le apparecchiature elettroniche si sviluppano verso la tecnologia di metallurgia in polvere piccola, leggera e elevata, viene utilizzata più ampiamente. I materiali di metallurgia a polvere magnetica morbida vengono utilizzati per produrre componenti elettronici come trasformatori e induttori; I materiali compositi a base di metallo in metallurgia in polvere come rame-tungsteno e rame-molibdeno vengono utilizzati per substrati di dissipazione del calore e gusci di imballaggio di dispositivi elettronici ad alta potenza; I materiali di contatto della metallurgia in polvere vengono utilizzati per interruttori elettrici e relè per garantire la commutazione di circuiti sicuri.
Core di polvere magnetica di ferro-silicio-nichel (KNF)
(Iv) campo di produzione meccanica
La tecnologia della metallurgia in polvere viene utilizzata per produrre parti meccaniche come ingranaggi e cuscinetti. Gli ingranaggi di metallurgia in polvere hanno un'alta precisione, trasmissione liscia e una velocità di utilizzo del materiale elevato; I cuscinetti di metallurgia in polvere sono auto-lubrificanti e resistenti all'usura, adatti a occasioni a bassa velocità, a carico pesante e a basso rumore. In condizioni di lavoro speciali, i cuscinetti contenenti petrolio possono mantenere buone prestazioni e migliorare l'affidabilità delle attrezzature e la durata.
(V) campo del dispositivo medico
In termini di impianti, le leghe di metallurgia in titanio in polvere vengono utilizzate per produrre articolazioni artificiali, ecc. La loro struttura porosa può promuovere la crescita delle cellule ossee e ridurre il rischio di allentamento degli impianti. Gli strumenti chirurgici sono realizzati in acciaio ad alta velocità in metallurgia in polvere e acciaio inossidabile, che hanno una maggiore durezza, resistenza all'usura e resistenza alla corrosione e possono anche produrre strumenti a forma di complesso. Tra i materiali dentali, le protesi hanno una buona forza, tenacità ed estetica. Gli impianti dentali usano le leghe di metallurgia in metanio o titanio, che possono migliorare il tasso di successo dell'impianto. Le staffe ortodontiche usano in acciaio inossidabile in metallurgia in polvere o leghe di nichel-titanio, che possono applicare accuratamente la forza.
(Vi) Nuovo campo energetico
In termini di batterie agli ioni di litio, materiali di elettrodi positivi come fosfato di ferro al litio e materiali ternari preparati dalla tecnologia della metallurgia a polvere possono migliorare la densità di energia della batteria e la carica e l'efficienza di scarico. Nel campo delle celle a combustibile, le piastre bipolari metalliche e i portatori di catalizzatori con una superficie specifica elevata prodotta dal processo di metallurgia delle polveri hanno migliorato le prestazioni delle celle a combustibile e i costi ridotti. Nella generazione di energia eolica, i cambi, i cuscinetti e altre parti fabbricati dalla metallurgia delle polveri possono mantenere prestazioni stabili in ambienti difficili ed estendere la durata delle attrezzature.
Progressi nella tecnologia della metallurgia in polvere
(I) Fusione della produzione additiva in metallo (stampa 3D) e metallurgia delle polveri
La tecnologia di produzione additiva in metallo si è sviluppata rapidamente negli ultimi anni. La sua combinazione con la metallurgia delle polveri ha portato nuove scoperte nella produzione di parti complesse. Attraverso la tecnologia di stampa 3D, le polveri in metallo possono essere strati impilati direttamente per strato per produrre parti con strutture interne complesse e design personalizzati. Questa tecnologia non solo riduce i rifiuti materiali e le procedure di lavorazione, ma realizza anche la produzione di parti difficili da produrre con metodi di elaborazione tradizionali, come lame complesse di motori aeronautici.
(Ii) Tecnologia della metallurgia della nanopowder
Con lo sviluppo della nanotecnologia, è emersa la tecnologia della metallurgia della nanopowder. Le polveri metalliche su nano-scala hanno le caratteristiche di grandi superficie specifiche, alta attività e grande forza di sinterizzazione e possono preparare materiali nanostrutturati con eccellenti proprietà meccaniche, proprietà elettriche e proprietà magnetiche. Allo stato attuale, la tecnologia della metallurgia in polvere di nano ha fatto progressi significativi nella preparazione di materiali magnetici ad alte prestazioni, materiali superconduttori e leghe ad alta resistenza.
Xi'an University of Technology, diagramma schematico del processo di preparazione della polvere composita nano ti-tibw sferica
(Iii) Innovazione dei materiali compositi della metallurgia delle polveri
Aggiungendo varie fasi di rinforzo (come particelle di ceramica, fibre, ecc.) Le polveri di metallo, vengono preparati materiali compositi con metallurgia in polvere con prestazioni eccellenti. Questi materiali compositi combinano i vantaggi dei metalli e fasi di rinforzo e hanno le caratteristiche di alta resistenza, alta durezza, buona resistenza all'usura, resistenza ad alta temperatura, ecc. E sono ampiamente utilizzati in aerospaziale, produzione automobilistica, ingegneria meccanica e altri campi. Ad esempio, il materiale composito a base di alluminio preparato aggiungendo particelle di carburo di silicio alla polvere in lega di alluminio ha una forza e una durezza significativamente migliorate, mantenendo le caratteristiche a bassa densità della lega di alluminio.
