Что нужно знать о сферическом порошке и процессе порошковой металлургии

Порошковая металлургия (ПМ) - это революционная технология, позволяющая эффективно и точно изготавливать металлические детали из порошковых материалов. Поскольку промышленности требуется большая свобода проектирования, более высокая производительность и сокращение отходов материалов, порошковая металлургия стала ключевым фактором в передовом производстве.

Ниже мы расскажем, что такое порошковая металлургия, как она работает и почему сферические порошки необходимы для достижения стабильных и высококачественных результатов при спекании, горячем изостатическом прессовании (HIP) и литье металлов под давлением (MIM).

Понимание основ порошковой металлургии

--Что такое порошковая металлургия?

Порошковая металлургия - это процесс, при котором металлические детали производятся из мелких металлических порошков, а не плавятся или отливаются из металла. Он включает в себя прессование порошка в нужную форму, а затем его нагрев (спекание) для соединения частиц в твердую деталь.

ПМ широко используется для изготовления деталей со сложной геометрией, жесткими допусками и минимальной механической обработкой. Он широко применяется в аэрокосмической, автомобильной промышленности, электронике и медицинских приборах.

--4 этапа процесса порошковой металлургии

Общий процесс порошковой металлургии состоит из четырех основных этапов:

1. Производство порошка: Металлические порошки производятся с помощью таких методов, как газовое распыление, механическое измельчение или химическое восстановление. Сферические порошки, часто получаемые путем распыления, ценятся за их превосходные характеристики текучести и упаковки.

2. Смешивание и перемешивание: Порошки смешиваются со смазочными материалами или легирующими элементами для обеспечения однородности и улучшения характеристик прессования.

3. Уплотнение: Смешанный порошок уплотняется в пресс-форме для формирования "зеленой" детали. Для этого этапа требуются порошки с отличной текучестью и плотностью упаковки.

4. Спекание: Спрессованная деталь нагревается чуть ниже температуры плавления, в результате чего частицы соединяются и превращаются в прочную, твердую структуру.

Некоторые детали могут подвергаться дополнительным процессам, таким как горячее изостатическое прессование (HIP) или дебридинг и спекание при литье металлов под давлением (MIM).

[1]

Зачем использовать сферический порошок в порошковой металлургии?

Форма частиц порошка сильно влияет на производительность процесса ПМ. Сферические порошки предпочтительны по нескольким основным причинам:

-Улучшенная сыпучесть

Сферические порошки обладают меньшим межчастичным трением и лучше проходят через бункеры, сырье и фильеры. Исследование, опубликованное в журнале Powder Technology (Zhao et al., 2017), показало, что газоатомизированные сферические порошки из нержавеющей стали 316L имели на 40-60 % более высокую скорость потока Холла, чем водоатомизированные порошки неправильной формы аналогичного размера. Это напрямую приводит к более гладкому заполнению матрицы и более однородным зеленым деталям.

-Большая плотность упаковки

Плотно упакованные частицы уменьшают количество пустот и повышают целостность зеленого тела. Согласно испытаниям на плотность упаковки по стандарту ASTM B527, сферические порошки Ti-6Al-4V регулярно достигают 60-65% от теоретической плотности, по сравнению с 45-50% для неравномерных аналогов. Высокая плотность упаковки также улучшает теплопроводность во время спекания, повышая плотность.

--Улучшение однородности и зеленой прочности

Равномерная форма частиц приводит к более равномерному уплотнению. В ходе внутреннего исследования, проведенного Stanford Advanced Materials (SAM), сферические порошки кобальт-хромового сплава позволили получить детали с на 17 % более высокой зеленой прочностью и на 14 % меньшим отклонением размеров после спекания по сравнению с измельченными порошками.

--Улучшенное поведение при спекании

Сферические порошки способствуют лучшему межчастичному контакту, обеспечивая быстрый рост и уплотнение шейки. Например, исследователи из Fraunhofer IFAM обнаружили, что сферические порошки 316L, спеченные при 1320 °C, достигают относительной плотности >97 % через 60 минут, в то время как для порошков неправильной формы требовались более высокие температуры, и они по-прежнему отличались повышенной пористостью.

[2]

Сферический порошок и процесс порошковой металлургии

Одним словом, сферические порошки улучшают все этапы процесса ПМ - от работы с порошком до конечных характеристик детали. Возьмем, к примеру, спекание, HIP и MIM.

--Сферический порошок и спекание

При традиционном прессовании и спекании сферические порошки имеют множество преимуществ:

• Лучшее заполнение и уплотнение формы для получения однородных зеленых деталей
• Более прочные зеленые тела благодаря лучшему межчастичному сцеплению
• Эффективное уплотнение при спекании с уменьшением усадки и коробления
• Улучшенные механические свойства конечной детали

Использование сферических порошков повышает надежность и повторяемость спеченных компонентов, что делает их идеальными для изготовления конструкционных деталей, фильтров и оснастки.

--Сферические порошки и горячее изостатическое прессование (HIP)

Горячее изостатическое прессование (HIP) предполагает применение высокой температуры и изостатического давления газа для полного уплотнения металлических деталей. Оно используется либо для непосредственного уплотнения порошков, либо для устранения пористости в предварительно отформованных деталях.

Сферические порошки идеально подходят для HIP, поскольку они:

• достигают более высокой плотности, обеспечивая равномерное уплотнение
• Способствуют равномерному распределению тепла во время обработки
• минимизируют внутреннюю пористость для повышения механической прочности
• Позволяют создавать сложные формы с постоянной микроструктурой.

HIP со сферическим порошком широко используется в таких критических областях, как лопатки турбин, ортопедические имплантаты и аэрокосмические структурные компоненты.

[3]

--Сферический порошок и литье металлов под давлением (MIM)

При MIM металлические порошки соединяются с полимерными связующими для получения сырья для литья под давлением. После формования связующее удаляется, и деталь спекается до полной плотности.

Сферические порошки необходимы для MIM:

• плавного потока сырья при впрыске
• Высокая загрузка порошка, которая минимизирует усадку
• Эффективное разрыхление и спекание, в результате чего получаются прочные детали без дефектов
• Мелкие частицы (<38 мкм), которые улучшают качество обработки поверхности и плотность.

Сферические порошки MIM широко используются для изготовления небольших, сложных, высокоточных компонентов в медицинской, стоматологической, электронной и огнестрельной промышленности.

Заключение

Порошковая металлургия открывает новые возможности в производстве металлических деталей, но истинный ключ к успеху лежит в качестве порошка. Сферические порошки обеспечивают текучесть, упаковку и консистенцию, необходимые для высокопроизводительных процессов спекания, HIP и MIM.

Stanford Advanced Materials (SAM) поставляет широкий ассортимент сферических металлических порошков высокой чистоты, точно разработанных для применения в ПМ. Независимо от того, разрабатываете ли вы структурные компоненты, медицинские устройства или аэрокосмические детали, порошки SAM разработаны для поддержки ваших инноваций с производительностью, которой вы можете доверять.

Ссылки:

[1] Tripathy, Aravind & Sarangi, Saroj Kumar & Chaubey, Anil. (2018). Обзор твердофазных процессов в производстве функционально-градиентных материалов. International Journal of Engineering and Technology. 7. 1-5. 10.14419/ijet.v7i4.39.23686.

[2] Gülsoy, H & Gülsoy, Nagihan & Calışıcı, Rahmi. (2014). Влияние морфологии частиц на механические свойства и биосовместимость литого под давлением порошка сплава Ti. Биомедицинские материалы и инженерия. 24. 1861-73. 10.3233/BME-140996.

[3] Sahoo, Silani & Jha, Bharat & Mandal, Animesh. (2021). Обработка порошковой металлургией TiB 2 -армированных стальных матричных композитов: обзор. Materials Science and Technology. 37. 1-21. 10.1080/02670836.2021.1987705.