Η μεταλλουργία της σκόνης, ως προηγμένη τεχνολογία παρασκευής και σχηματισμού υλικού που είναι τόσο αρχαία όσο και δυναμική, προέρχεται από την αρχαία τεχνολογία κεραμικής παρασκευής και την τεχνολογία τήξης σιδήρου. Μέχρι το 1909, η έλευση του όλκιμου βολφραμίου από τη μεταλλουργία σκόνης σηματοδότησε την έλευση της σύγχρονης εποχής της μεταλλουργίας της σκόνης. Κατά τα τελευταία 100 χρόνια, η τεχνολογία της μεταλλουργίας σε σκόνη έχει ακμάσει και διάφορα σημαντικά νέα υλικά και βασικά προϊόντα συνέχισαν να εμφανίζονται, καθιστώντας μια από τις σημαντικές τεχνολογίες μηχανικών που είναι απαραίτητες για τη σημερινή εθνική οικονομία και επιστήμη και τεχνολογία. Χαρακτηριστικά και πλεονεκτήματα της μεταλλουργίας σε σκόνη
Η μεταλλουργία σε σκόνη είναι μια τεχνολογία που χρησιμοποιεί μεταλλική σκόνη (ή ένα μείγμα μεταλλικής και μη μέταλλο σκόνης) ως πρώτες ύλες για την κατασκευή μεταλλικών υλικών, σύνθετων υλικών και διαφόρων τύπων προϊόντων μέσω διεργασιών όπως η χύτευση και η πυροσυσσωμάτωση.
Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές διαδικασίες τήξης και χύτευσης, η μεταλλουργία σε σκόνη έχει πολλά πλεονεκτήματα. Από τη μία πλευρά, μπορεί να αποφύγει αποτελεσματικά τον πιθανό διαχωρισμό συστατικών κατά τη διάρκεια της διαδικασίας τήξης, να εξασφαλίσει την ομοιομορφία της σύνθεσης του υλικού και έτσι να αποκτήσει πιο σταθερή και εξαιρετική απόδοση. Από την άλλη πλευρά, η μεταλλουργία σε σκόνη μπορεί να επιτύχει τη διαμόρφωση κοντά στο δίκτυο, μειώνοντας σημαντικά τις μεταγενέστερες διαδικασίες επεξεργασίας και τα υλικά απόβλητα. Σύμφωνα με τις σχετικές στατιστικές, ο ρυθμός αξιοποίησης υλικού των εξαρτημάτων που παράγονται από τη μεταλλουργία της σκόνης μπορεί να φτάσει πάνω από 90%, ενώ ο ρυθμός χρήσης υλικού των παραδοσιακών μεθόδων μηχανικής επεξεργασίας είναι συνήθως μόνο 30%{{3}%, το οποίο όχι μόνο μειώνει το κόστος παραγωγής αλλά και βελτιώνει την απόδοση της παραγωγής, η οποία συμβαδίζει με την αναπτυξιακή έννοια της πράσινης και περιβαλλοντικής προστασίας στη σύγχρονη κατασκευή. Επιπλέον, ρυθμίζοντας τη σύνθεση της σκόνης, το μέγεθος των σωματιδίων και τη διαδικασία παρασκευής, οι ιδιότητες του υλικού μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια για να καλύψουν τις ανάγκες διαφορετικών πεδίων για ειδικές ιδιότητες υλικού, όπως υψηλή αντοχή, υψηλή σκληρότητα, υψηλή αντοχή στη θερμοκρασία, αντοχή στη διάβρωση κλπ.
Κύρια διαδικασία της διαδικασίας μεταλλουργίας σε σκόνη
(I) Προετοιμασία σκόνης
Μέθοδος μηχανικής σύνθλιψης: Η μηχανική δύναμη χρησιμοποιείται για τη συντριβή του μπλοκ μετάλλου ή του κράματος σε σκόνη. Ο εξοπλισμός είναι απλός, το κόστος είναι χαμηλό και η έξοδος είναι μεγάλη, αλλά το σχήμα της σκόνης είναι ακανόνιστο, η κατανομή μεγέθους σωματιδίων είναι ευρεία και οι ακαθαρσίες εισάγονται εύκολα.
Μέθοδος ψεκασμού: Το τετηγμένο μεταλλικό υγρό ψεκάζεται σε μικρά σταγονίδια με αέριο υψηλής πίεσης (άζωτο, αργόν) ή ροή νερού υψηλής ταχύτητας και ψύχεται και στερεοποιείται σε σκόνη. Η μέθοδος ψεκασμού αερίου έχει υψηλή σφαιρικότητα και καλή ρευστότητα, η οποία είναι κατάλληλη για την παραγωγή εξαρτημάτων υψηλής απόδοσης. Η μέθοδος ψεκασμού νερού έχει χαμηλό κόστος και υψηλή απόδοση και το σχήμα της σκόνης είναι ακανόνιστο. Χρησιμοποιείται συχνά για συνηθισμένη σκόνη χάλυβα και προϊόντα με απαιτήσεις χαμηλής απόδοσης.
Μέθοδος μείωσης: Χρησιμοποιήστε παράγοντες αναγωγής όπως το υδρογόνο και το μονοξείδιο του άνθρακα για να μειώσετε τα οξείδια των μετάλλων σε σκόνες με υψηλή καθαρότητα, υψηλή δραστικότητα, υψηλή δραστηριότητα πυροσυσσωμάτωσης και πυκνότητα χαμηλής θερμοκρασίας. Ωστόσο, η παραγωγή απαιτεί υψηλή θερμοκρασία και συγκεκριμένη ατμόσφαιρα και η επένδυση του εξοπλισμού είναι μεγάλη και το κόστος είναι υψηλό.
Μέθοδος ηλεκτρόλυσης: ηλεκτρολύμα μεταλλικά διαλύματα άλατος ή τετηγμένα άλατα για να καθιζάνουν τα μεταλλικά ιόντα σε σκόνες στην κάθοδο. Οι σκόνες είναι εξαιρετικά καθαρές, λεπτές και ομοιόμορφες σε μέγεθος σωματιδίων. Είναι κατάλληλα για πεδία με υψηλές απαιτήσεις για την καθαρότητα και το μέγεθος των σωματιδίων, όπως τα ηλεκτρονικά υλικά, αλλά έχουν χαμηλή αποτελεσματικότητα παραγωγής, υψηλή κατανάλωση ενέργειας και υψηλό κόστος.
(Ii) Χύτευση
Χύτευση συμπίεσης: Βάλτε την προεπεξεργασμένη μεταλλική σκόνη στο καλούπι και πιέστε το σε σχήμα. Τα βήματα περιλαμβάνουν πλήρωση σκόνης, πιέζοντας και αποδράσεις. Είναι κατάλληλο για προϊόντα με απλά σχήματα και απαιτήσεις υψηλής ακρίβειας, όπως τα γρανάζια. Τα πλεονεκτήματα είναι απλός εξοπλισμός, υψηλή απόδοση, χαμηλού κόστους και παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Τα μειονεκτήματα είναι ότι είναι δύσκολο να σχεδιαστούν και να κατασκευάζονται καλούπια για σύνθετα προϊόντα και είναι δύσκολο να εξασφαλιστεί ομοιόμορφη πυκνότητα.
Isostatic Pressing: Χρησιμοποιήστε υγρό για να μεταδώσετε ομοιόμορφα την πίεση και βάλτε τη σκόνη σε ελαστικό καλούπι και πιέστε το σε δοχείο υψηλής πίεσης. Η ψυχρή ισοστατική πίεση πραγματοποιείται σε θερμοκρασία δωματίου και είναι κατάλληλο για προϊόντα με σύνθετα σχήματα και απαιτήσεις υψηλής πυκνότητας. Το Hot Isostatic Pressing χρησιμοποιεί ταυτόχρονα υψηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση και χρησιμοποιείται για υλικά αεροδιαστημικής υψηλής απόδοσης κλπ. Το πλεονέκτημα είναι ότι το προϊόν έχει ομοιόμορφη πυκνότητα προς όλες τις κατευθύνσεις και είναι κατάλληλο για μεγάλα και σύνθετα προϊόντα. Το μειονέκτημα είναι ότι ο εξοπλισμός είναι ακριβός, ο κύκλος είναι μεγάλος και το κόστος είναι υψηλό.
Χύτευση με έγχυση: Ανακατέψτε τη μεταλλική σκόνη και το συνδετικό υλικό σε υλικό έγχυσης και χρησιμοποιήστε μια μηχανή έγχυσης για να την ένεξετε στην κοιλότητα του καλούπι για χύτευση. Είναι κατάλληλο για την κατασκευή μικρών τμημάτων υψηλής ακρίβειας, όπως ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Το πλεονέκτημα είναι η υψηλή απόδοση χύτευσης και η ακρίβεια και είναι κατάλληλο για παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Το μειονέκτημα είναι ότι η επιλογή και η απομάκρυνση των συνδετικών είναι δύσκολη και ο ακατάλληλος χειρισμός επηρεάζει την απόδοση του προϊόντος.
(Iii) Sintering
Συμβατική πυροσυσσωμάτωση: Ζεσταίνετε το χυτευμένο σώμα σε κατάλληλη θερμοκρασία και ατμόσφαιρα (υδρογόνο, άζωτο, κενό κ.λπ.) για να συνδυάσετε τα σωματίδια σκόνης και να αυξήσετε την πυκνότητα και την αντοχή. Η ατμόσφαιρα υδρογόνου αφαιρεί τις ακαθαρσίες, το άζωτο αποτρέπει την οξείδωση και το κενό είναι κατάλληλο για υλικά με υψηλές απαιτήσεις περιεχομένου οξυγόνου.
Hot Pressing Sintering: Η πίεση εφαρμόζεται κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης και διεξάγεται σε ειδικό εξοπλισμό. Το καλούπι είναι κατασκευασμένο από υλικά όπως γραφίτη. Μπορεί να μειώσει τη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης, να συντομεύσει το χρόνο και να αποκτήσει προϊόντα με υψηλότερη πυκνότητα και απόδοση. Χρησιμοποιείται συχνά στην παρασκευή κεραμικών υψηλής απόδοσης και άλλων υλικών.
Σινγκίαση πλάσματος Spark (SPS): Ταχεία θέρμανση και πυροσυσσωμάτωση δημιουργώντας πλάσμα εκκένωσης και ζέστη Joule μέσω παλμού ρεύματος. Μπορεί να αφαιρέσει τις ακαθαρσίες στην επιφάνεια των σωματιδίων, να ενεργοποιήσει την επιφάνεια, να θερμαίνεται γρήγορα (100-1000 βαθμός /λεπτό), να πάρει ένα σύντομο χρονικό διάστημα (αρκετά λεπτά σε δεκάδες λεπτά) και να αναστέλλει την ανάπτυξη των κόκκων. Χρησιμοποιείται για την παρασκευή νανοϋλικών, κλπ.
Πεδία εφαρμογής τεχνολογίας μεταλλουργίας σκόνης
(I) Αεροδιαστημική πεδίο
Η αεροδιαστημική έχει αυστηρές απαιτήσεις σχετικά με την απόδοση των υλικών και η τεχνολογία μεταλλουργίας σε σκόνη ανταποκρίνεται απλώς στις ανάγκες. Τα κράματα υψηλής θερμοκρασίας της μεταλλουργίας σε σκόνη χρησιμοποιούνται για την κατασκευή βασικών εξαρτημάτων όπως δίσκους και λεπίδες του κινητήρα αεροσκαφών. Για παράδειγμα, ο δίσκος στροβίλου του κινητήρα F119 της Pratt & Whitney στις Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποιεί κράματα υψηλής θερμοκρασίας με μεταλλουργία με βάση τη μεταλλουργία για να βελτιώσει την απόδοση και την αξιοπιστία του κινητήρα. Τα κράματα τιτανίου με μεταλλουργία σε σκόνη χρησιμοποιούνται για την παραγωγή δοκών πτερυγίων αεροσκαφών, πλαισίων ατράκτου και άλλων διαρθρωτικών τμημάτων με χαμηλή πυκνότητα, υψηλή αντοχή και αντοχή στη διάβρωση, μείωση του βάρους του αεροσκάφους και βελτιώνοντας την απόδοση καυσίμου και την απόδοση των πτήσεων.
(Ii) πεδίο κατασκευής αυτοκινήτων
Τα μέρη της μεταλλουργίας σε σκόνη χρησιμοποιούνται ευρέως σε μηχανές αυτοκινήτων, κιβώτια ταχυτήτων και συστήματα πέδησης. Οι δακτύλιοι καθίσματος της βαλβίδας, οι σωλήνες καθοδήγησης και τα δαχτυλίδια εμβόλου στον κινητήρα είναι κατασκευασμένα από κράματα με βάση το χαλκό ή σιδήρου, τα οποία μπορούν να αντέξουν την υψηλή θερμοκρασία και την υψηλή πίεση και να βελτιώσουν την απόδοση και τη ζωή του κινητήρα. Τα κιβώτια ταχυτήτων και συγχρονισμένων κόμβων του κιβωτίου ταχυτήτων είναι υψηλής ακρίβειας και καλής δύναμης, καθιστώντας τα εργαλεία να μετατοπίζονται ομαλότερα και να βελτιώνουν την αποτελεσματικότητα της μετάδοσης. Τα μαξιλαράκια φρένων και οι δίσκοι φρένων του συστήματος φρένων προστίθενται με ειδικά υλικά τριβής, τα οποία έχουν καλή τριβή και αντοχή στη φθορά για να εξασφαλίσουν την ασφάλεια των πέδησης.
(Iii) Ηλεκτρονικό πεδίο πληροφοριών
Καθώς ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός αναπτύσσεται προς την τεχνολογία των μικρών, ελαφρών και υψηλών επιδόσεων, η τεχνολογία μεταλλουργίας σε σκόνη χρησιμοποιείται ευρύτερα. Τα μαλακά μαγνητικά υλικά μεταλλουργίας χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ηλεκτρονικών εξαρτημάτων όπως μετασχηματιστές και επαγωγείς. Τα σύνθετα σύνθετα υλικά με βάση τη μεταλλουργία της σκόνης, όπως το χαλκό-τάνουν και το χαλκό-molybdenum, χρησιμοποιούνται για τα υποστρώματα διάχυσης θερμότητας και τα κοχύλια συσκευασίας ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής ισχύος. Τα υλικά επαφής της μεταλλουργίας σε σκόνη χρησιμοποιούνται για ηλεκτρικούς διακόπτες και ρελέ για να εξασφαλιστεί η εναλλαγή ασφαλούς κυκλώματος.
Σίδερο-Σιλικόν-Νικέλ Μαγνητική σκόνη πυρήνα (KNF)
(Iv) Μηχανικό πεδίο κατασκευής
Η τεχνολογία της μεταλλουργίας σε σκόνη χρησιμοποιείται για την κατασκευή μηχανικών εξαρτημάτων όπως τα γρανάζια και τα έδρανα. Τα εργαλεία μεταλλουργίας σε σκόνη έχουν υψηλή ακρίβεια, ομαλή μετάδοση και υψηλό ποσοστό χρήσης υλικών. Τα ρουλεμάν μεταλλουργίας σε σκόνη είναι αυτο-λιβαδιές και ανθεκτικές στη φθορά, κατάλληλα για χαμηλής ταχύτητας, βαρέως φορτίου και χαμηλής θορύβιας. Υπό ειδικές συνθήκες εργασίας, τα έδρανα που περιέχουν πετρέλαιο μπορούν να διατηρήσουν καλές επιδόσεις και να βελτιώσουν την αξιοπιστία του εξοπλισμού και τη διάρκεια ζωής.
V) πεδίο ιατρικής συσκευής
Όσον αφορά τα εμφυτεύματα, τα κράματα τιτανίου με μεταλλουργία σε σκόνη χρησιμοποιούνται για την παραγωγή τεχνητών αρθρώσεων κλπ. Η πορώδης δομή τους μπορεί να προάγει την ανάπτυξη των οστών και να μειώσει τον κίνδυνο χαλάρωσης του εμφυτεύματος. Τα χειρουργικά όργανα είναι κατασκευασμένα από χάλυβα υψηλής ταχύτητας και ανοξείδωτο χάλυβα από μεταλλουργία σε σκόνη και ανοξείδωτο χάλυβα, τα οποία έχουν υψηλότερη σκληρότητα, αντίσταση στη φθορά και αντοχή στη διάβρωση και μπορούν επίσης να παράγουν σύνθετα όργανα σε σχήμα. Μεταξύ των οδοντικών υλικών, οι οδοντοστοιχίες έχουν καλή δύναμη, σκληρότητα και αισθητική. Τα οδοντικά εμφυτεύματα χρησιμοποιούν μεταλλουργία σε σκόνη τιτανίου ή κράματα τιτανίου, τα οποία μπορούν να βελτιώσουν το ποσοστό επιτυχίας της εμφύτευσης. Οι ορθοδοντικές αγκύλες χρησιμοποιούν ανοξείδωτα χάλυβα μεταλλουργίας σε σκόνη ή κράματα νικελίου-τιτανίου, τα οποία μπορούν να εφαρμόσουν με ακρίβεια τη δύναμη.
(Vi) Νέο πεδίο ενέργειας
Όσον αφορά τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, τα θετικά υλικά ηλεκτροδίων, όπως το φωσφορικό σίδερο λιθίου και τα τριμερή υλικά που παρασκευάζονται με τεχνολογία μεταλλουργίας σε σκόνη, μπορούν να βελτιώσουν την πυκνότητα ενέργειας της μπαταρίας και τη φόρτιση και την απόδοση εκφόρτισης. Στον τομέα των κυττάρων καυσίμου, οι μεταλλικές διπολικές πλάκες και οι φορείς καταλύτη με υψηλή ειδική επιφάνεια που κατασκευάζονται με διαδικασία μεταλλουργίας σκόνης έχουν βελτιώσει την απόδοση των κυττάρων καυσίμου και το μειωμένο κόστος. Στην παραγωγή αιολικής ενέργειας, τα κιβώτια ταχυτήτων, τα ρουλεμάν και άλλα εξαρτήματα που κατασκευάζονται από τη μεταλλουργία της σκόνης μπορούν να διατηρήσουν σταθερή απόδοση σε σκληρά περιβάλλοντα και να επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού.
Πρόοδος στην τεχνολογία μεταλλουργίας σε σκόνη
(I) Fusion of Metal Additive Manufacturing (3D εκτύπωση) και μεταλλουργία σε σκόνη
Η τεχνολογία κατασκευής προσθέτων μετάλλων έχει αναπτυχθεί ταχέως τα τελευταία χρόνια. Ο συνδυασμός του με τη μεταλλουργία της σκόνης έχει φέρει νέες ανακαλύψεις στην κατασκευή σύνθετων τμημάτων. Μέσω της τεχνολογίας 3D εκτύπωσης, οι μεταλλικές σκόνες μπορούν να στοιβάζονται απευθείας στρώμα με στρώμα για την παραγωγή εξαρτημάτων με σύνθετες εσωτερικές δομές και εξατομικευμένα σχέδια. Αυτή η τεχνολογία όχι μόνο μειώνει τις διαδικασίες υλικών αποβλήτων και επεξεργασίας, αλλά και συνειδητοποιεί την κατασκευή εξαρτημάτων που είναι δύσκολο να κατασκευαστούν με παραδοσιακές μεθόδους επεξεργασίας, όπως σύνθετες λεπίδες κινητήρων αεροσκαφών.
(Ii) Τεχνολογία μεταλλουργίας νανοσωματιδίων
Με την ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας, έχει αναδειχθεί η τεχνολογία νανοσωματιδίων μεταλλουργίας. Οι μεταλλικές σκόνες νανο-κλίμακας έχουν τα χαρακτηριστικά της μεγάλης ειδικής επιφάνειας, της υψηλής δραστηριότητας και της μεγάλης κινητήριας δύναμης πυροσυσσωμάτωσης και μπορούν να παρασκευάσουν νανοδομημένα υλικά με εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, ηλεκτρικές ιδιότητες και μαγνητικές ιδιότητες. Επί του παρόντος, η τεχνολογία μεταλλουργίας νανο-σκόνης έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο στην παρασκευή μαγνητικών υλικών υψηλής απόδοσης, υπεραγωγικά υλικά και κράματα υψηλής αντοχής.
Xi'an University of Technology, Σχηματικό Διάγραμμα της διαδικασίας παρασκευής σφαιρικού νανο-Ti-Tibw Composite Powder
(Iii) Καινοτομία σύνθετων υλικών μεταλλουργίας σε σκόνη
Προσθέτοντας διάφορες φάσεις ενίσχυσης (όπως κεραμικά σωματίδια, ίνες κ.λπ.) σε μεταλλικές σκόνες, σύνθετα υλικά μεταλλουργίας με σκόνη με εξαιρετική απόδοση. Αυτά τα σύνθετα υλικά συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα των μετάλλων και τις φάσεις ενίσχυσης και έχουν τα χαρακτηριστικά της υψηλής αντοχής, της υψηλής σκληρότητας, της καλής αντοχής στη φθορά, της αντοχής σε υψηλή θερμοκρασία κ.λπ. Για παράδειγμα, το σύνθετο υλικό με βάση το αλουμίνιο που παρασκευάζεται με την προσθήκη σωματιδίων καρβιδίου πυριτίου σε σκόνη κράματος αλουμινίου έχει βελτιώσει σημαντικά την αντοχή και τη σκληρότητα, διατηρώντας παράλληλα τα χαρακτηριστικά χαμηλής πυκνότητας του κράματος αλουμινίου.
