La metal·lúrgia en pols, com a tecnologia avançada de preparació i formació de materials que és alhora antiga i dinàmica, originada en la tecnologia de preparació de ceràmica antiga i la tecnologia de fosa de ferro. Fins al 1909, l’arribada del tungstè dúctil de la metal·lúrgia en pols va marcar l’arribada de l’època moderna de la metal·lúrgia en pols. Durant els darrers 100 anys, la tecnologia de metal·lúrgia en pols ha florit, i han continuat sorgint diversos nous materials i productes clau importants, convertint -se en una de les importants tecnologies d’enginyeria que són indispensables per a l’economia nacional i la ciència i la tecnologia actuals. Característiques i avantatges de la metal·lúrgia en pols
La metal·lúrgia en pols és una tecnologia que utilitza pols metàl·lic (o una barreja de metall i pols no metall) com a matèries primeres per fabricar materials metàl·lics, materials compostos i diversos tipus de productes a través de processos com el modelat i la sinterització.
En comparació amb els processos tradicionals de fosa i colada, la metal·lúrgia en pols té molts avantatges. D’una banda, pot evitar eficaçment la possible segregació de components durant el procés de fosa, assegurar la uniformitat de la composició del material i, per tant, obtenir un rendiment més estable i excel·lent. D'altra banda, la metal·lúrgia en pols pot aconseguir una formació gairebé net, reduint molt els procediments de processament posteriors i els residus de materials. Segons les estadístiques rellevants, la taxa d’utilització de materials de les parts fabricades per metal·lúrgia en pols pot arribar a més del 90%, mentre que la taxa d’utilització del material dels mètodes tradicionals de processament mecànic sol ser només un 30%-50%, que no només redueix els costos de producció, sinó que també millora l’eficiència de la producció, que s’ajusta al concepte de desenvolupament de la protecció verda i ambiental en la fabricació moderna. A més, ajustant la composició de pols, la mida de les partícules i el procés de preparació, les propietats del material es poden controlar amb precisió per satisfer les necessitats de diferents camps per a propietats de material especial, com ara una gran resistència, una gran duresa, una gran resistència a la temperatura, una resistència a la corrosió, etc.
Procés principal del procés de metal·lúrgia en pols
(I) Preparació de pols
Mètode de trituració mecànica: la força mecànica s'utilitza per aixafar el metall o l'aliatge en pols. L’equip és senzill, el cost és baix i la sortida és gran, però la forma de pols és irregular, la distribució de la mida de les partícules és àmplia i s’introdueixen fàcilment les impureses.
Mètode d’atomització: el líquid metàl·lic fos es ruixat en petites gotetes amb gas d’alta pressió (nitrogen, argó) o flux d’aigua d’alta velocitat i es refreda i es solidifica en pols. El mètode d’atomització del gas té una elevada esfericitat i una bona fluïdesa, que és adequat per fabricar parts d’alt rendiment; El mètode d’atomització de l’aigua té un baix cost i una alta eficiència i la forma de pols és irregular. Sovint s'utilitza per a productes i productes d'acer ordinaris amb requisits de baix rendiment.
Mètode de reducció: utilitzeu agents reductors com el monòxid d’hidrogen i carboni per reduir els òxids metàl·lics en pols amb alta puresa, alta activitat, alta activitat de sinterització i densificació de baixa temperatura. Tot i això, la producció requereix una temperatura elevada i una atmosfera específica, i la inversió dels equips és gran i el cost és elevat.
Mètode d’electròlisi: electrolitzeu solucions de sal metàl·lica o sals fos per precipitar els ions metàl·lics en pols al càtode. Els pols són extremadament purs, fins i uniformes en la mida de les partícules. Són adequats per a camps amb requisits elevats per a la puresa i la mida de les partícules, com ara els materials electrònics, però tenen una baixa eficiència de producció, un alt consum d’energia i un alt cost.
(Ii) modelar
Motching de compressió: poseu la pols metàl·lica pretractada al motlle i premeu -la en forma. Els passos inclouen el farcit de pols, la premsa i el demold. És adequat per a productes amb formes senzilles i requisits d’alta precisió, com ara engranatges. Els avantatges són equips simples, alta eficiència, baix cost i producció a gran escala; Els desavantatges són que és difícil dissenyar i fabricar motlles per a productes complexos, i és difícil assegurar la densitat uniforme.
Premeu isostàtic: utilitzeu el líquid per transmetre uniformement la pressió i poseu la pols en un motlle elàstic i premeu-la en un recipient d’alta pressió. La premsa isostàtica freda es realitza a temperatura ambient i és adequat per a productes amb formes complexes i requisits d’alta densitat; La premsa isostàtica calenta utilitza alta temperatura i alta pressió alhora i s’utilitza per a materials aeroespacials d’alt rendiment, etc. L’avantatge és que el producte té una densitat uniforme en totes les direccions i és adequat per a productes grans i complexos; L’inconvenient és que l’equip és car, el cicle és llarg i el cost és elevat.
Motching per injecció: barregeu pols de metall i aglutinant en material d’injecció i utilitzeu una màquina d’injecció per injectar -la a la cavitat del motlle per modelar -la. És adequat per fabricar petites peces complexes d’alta precisió, com ara components electrònics. L’avantatge és l’alta eficiència i la precisió de modelat, i és adequat per a la producció a gran escala; L’inconvenient és que la selecció i l’eliminació dels aglutinants són difícils i la manipulació inadequada afecta el rendiment del producte.
(Iii) sinterització
Sinteig convencional: escalfeu el cos modelat a una temperatura i atmosfera adequades (hidrogen, nitrogen, buit, etc.) per combinar les partícules de pols i augmentar la densitat i la força. L’atmosfera d’hidrogen elimina les impureses, el nitrogen impedeix l’oxidació i el buit és adequat per a materials amb requisits alts d’oxigen.
Sintering de premsa calenta: s’aplica pressió durant la sinterització i es realitza en equips especials. El motlle està fabricat amb materials com el grafit. Pot reduir la temperatura de sinterització, escurçar el temps i obtenir productes amb una densitat i un rendiment més elevades. Sovint s’utilitza en la preparació de ceràmica d’alt rendiment i altres materials.
SPARK PLASMA SINTERING (SPS): calefacció ràpida i sinterització generant plasma de descàrrega i calor de Joule a través del corrent de pols. Pot eliminar les impureses a la superfície de les partícules, activar la superfície, escalfar -se ràpidament (100-1000 grau /min), prendre un temps curt (diversos minuts a desenes de minuts) i inhibir el creixement del gra. S'utilitza per preparar nanomaterials, etc.
Camps d'aplicació de la tecnologia de metal·lúrgia en pols
(I) camp aeroespacial
Aeroespace té requisits estrictes sobre el rendiment del material i la tecnologia de metal·lúrgia en pols només satisfà les necessitats. Els aliatges de metal·lúrgia de metal·lúrgia en pols s’utilitzen per fabricar components clau com ara discs i fulles de turbines d’avions. Per exemple, el disc de la turbina del motor F119 de Pratt & Whitney als Estats Units utilitza aliatges a alta temperatura basats en metal·lúrgia en pols per millorar el rendiment i la fiabilitat del motor. Els aliatges de titani de metal·lúrgia en pols s’utilitzen per fabricar bigues d’ala d’avions, marcs de fuselatge i altres parts estructurals amb baixa densitat, alta resistència i resistència a la corrosió, reduint el pes dels avions i la millora de l’eficiència del combustible i el rendiment del vol.
(Ii) camp de fabricació d'automòbils
Les peces de metal·lúrgia en pols s’utilitzen àmpliament en motors d’automòbils, transmissions i sistemes de frenada. Els anells de seient de la vàlvula, els tubs de guia i els anells de pistó del motor estan fets d’aliatges a base de coure o a base de ferro, que poden suportar la temperatura alta i l’alta pressió i millorar el rendiment i la vida del motor; Els engranatges i els hubs del sincronitzador de la transmissió són d’alta precisió i de bona força, cosa que fa que l’engranatge canviï més suau i millori l’eficiència de la transmissió; Les pastilles de fre i els discos de fre del sistema de fre s’afegeixen amb materials especials de fricció, que tenen una bona fricció i resistència al desgast per garantir la seguretat de la frenada.
(Iii) camp d'informació electrònica
A mesura que els equips electrònics es desenvolupen cap a la petita, lleugera i alt rendiment, la tecnologia de metal·lúrgia en pols és més àmpliament utilitzada. Els materials de metal·lúrgia en pols suaus s’utilitzen per fabricar components electrònics com transformadors i inductors; Els materials compostos basats en metalls de metallurgia en pols com ara el coure-tagsten i el colibdè de coure s’utilitzen per a substrats de dissipació de calor i closques d’envasos de dispositius electrònics d’alta potència; Els materials de contacte de metal·lúrgia en pols s’utilitzen per a interruptors elèctrics i relés per assegurar la commutació de circuit segur.
Nucli de pols magnètic de ferro-silicon-níquel (KNF)
(Iv) camp de fabricació mecànica
La tecnologia de metal·lúrgia en pols s’utilitza per fabricar peces mecàniques com engranatges i coixinets. Els engranatges de metal·lúrgia en pols tenen una alta precisió, una transmissió suau i una elevada taxa d’utilització de materials; Els coixinets de metal·lúrgia en pols són auto-lubricants i resistents al desgast, adequats per a ocasions de baixa velocitat, de càrrega pesada i de baix soroll. En condicions de treball especials, els coixinets que contenen petroli poden mantenir un bon rendiment i millorar la fiabilitat i la vida útil dels equips.
(V) camp de dispositiu mèdic
En termes d’implants, els aliatges de titani de metal·lúrgia en pols s’utilitzen per fabricar articulacions artificials, etc. La seva estructura porosa pot afavorir el creixement de les cèl·lules òssies i reduir el risc d’implant. Els instruments quirúrgics estan fabricats en acer de metal·lúrgia de metal·lúrgia en pols i acer inoxidable, que tenen una duresa més elevada, resistència al desgast i resistència a la corrosió i també poden fabricar instruments en forma de complex. Entre els materials dentals, les pròtesis tenen una bona força, resistència i estètica. Els implants dentals utilitzen aliatges de titani de metal·lúrgia en pols o aliatges de titani, cosa que pot millorar la taxa d’èxit d’implantació. Els brackets ortodònics utilitzen acer inoxidable o aliatges de níquel-titani, que poden aplicar la força amb precisió.
(Vi) Nou camp energètic
Pel que fa a les bateries d’ions de liti, els materials d’elèctrodes positius com el fosfat de ferro de liti i els materials ternaris preparats per la tecnologia de metal·lúrgia en pols poden millorar la densitat d’energia de la bateria i l’eficiència de càrrega i descàrrega. En el camp de les piles de combustible, les plaques bipolars metàl·liques i els portadors de catalitzadors amb una superfície alta específica fabricada pel procés de metal·lúrgia en pols han millorat el rendiment de les piles de combustible i els costos reduïts. A la generació d’energia eòlica, les caixes d’engranatges, els coixinets i altres parts fabricades per la metal·lúrgia en pols poden mantenir un rendiment estable en entorns durs i ampliar la vida útil dels equips.
Progrés en la tecnologia de metal·lúrgia en pols
(I) Fusió de fabricació additiva metàl·lica (impressió 3D) i metal·lúrgia en pols
La tecnologia de fabricació d’additius metàl·lics s’ha desenvolupat ràpidament en els darrers anys. La seva combinació amb la metal·lúrgia en pols ha aportat nous avenços en la fabricació de peces complexes. Mitjançant la tecnologia d'impressió 3D, la capa es pot apilar directament per la capa per produir peces amb estructures internes complexes i dissenys personalitzats. Aquesta tecnologia no només redueix els procediments de residus i processament de materials, sinó que també s’adona de la fabricació de peces difícils de fabricar mitjançant mètodes tradicionals de processament, com ara fulles complexes de motors d’avions.
(Ii) Nanopowder Technology Technology
Amb el desenvolupament de la nanotecnologia, ha sorgit la tecnologia de metal·lúrgia de Nanopowder. Els pols metàl·lics a escala nano tenen les característiques de la superfície específica gran, la gran activitat i la gran força de sinterització i poden preparar materials nanoestructurats amb excel·lents propietats mecàniques, propietats elèctriques i propietats magnètiques. Actualment, la tecnologia de metal·lúrgia en pols nano ha avançat significativament en la preparació de materials magnètics d’alt rendiment, materials superconductors i aliatges d’alta resistència.
Universitat de Tecnologia de Xi'an, diagrama esquemàtic del procés de preparació de pols compostos esfèrics nano ti-tiBW
(Iii) Innovació de materials compostos de metal·lúrgia en pols
Afegint diverses fases de reforç (com ara partícules de ceràmica, fibres, etc.) a pols metàl·lics, es preparen materials compostos de metal·lúrgia en pols amb un excel·lent rendiment. Aquests materials compostos combinen els avantatges dels metalls i les fases de reforç i tenen les característiques de gran resistència, alta duresa, bona resistència al desgast, resistència a la temperatura, etc., i s’utilitzen àmpliament en aeroespacial, fabricació d’automòbils, enginyeria mecànica i altres camps. Per exemple, el material compost basat en alumini preparat mitjançant l’afegit partícules de carbur de silici a l’aliatge d’alumini en pols ha millorat significativament la força i la duresa, mantenint les característiques de baixa densitat de l’aliatge d’alumini.
