Хотите освоить производство ультрадисперсного металлического порошка? Смотрите здесь.

В современном передовом производственном секторе ультрадисперсные металлические порошки стали основными материалами для множества высокотехнологичных отраслей. Их применение обширно и критически важно: от 3D-печати металлами (аддитивное производство) и создания термобарьерных покрытий для авиакосмических двигателей до токопроводящей серебряной пасты для электронных компонентов и порошков титановых сплавов для медицинских имплантатов. Однако производство высококачественных сферических ультрадисперсных металлических порошков с низким содержанием кислорода представляет собой сложную технологическую задачу. Среди различных технологий производства порошков высокотемпературное распыление металлов водой привлекает всё большее внимание благодаря своим уникальным преимуществам. Но действительно ли оно так «хорошо», как говорят? В этой статье мы подробно рассмотрим принципы его работы, преимущества, сложности и области применения, чтобы найти ответ.

1. Ультратонкий металлический порошок: «невидимый краеугольный камень» современной промышленности

Прежде чем приступить к осмотру оборудования, важно понять, почему ультрадисперсный металлический порошок так важен.

(1) Определение и стандарты:

Обычно металлические порошки с размером частиц от 1 до 100 микрон считаются тонкими, а порошки с размером частиц менее 20 микрон (вплоть до субмикронного уровня) называются «ультрадисперсными» или «микродисперсными». Эти порошки обладают чрезвычайно большой удельной площадью поверхности, что приводит к поверхностным эффектам, эффектам малых размеров и квантовым эффектам, не встречающимся в объёмных материалах.

(2) Основные области применения:

Аддитивное производство (3D-печать): это сектор с наибольшим спросом на ультратонкие металлические порошки. Лазеры или электронные лучи последовательно расплавляют слои порошка для точного изготовления деталей сложной геометрии для аэрокосмической, медицинской (например, тазобедренных суставов, зубных коронок) и производства пресс-форм. Текучесть порошка, распределение размеров частиц и сферичность напрямую определяют точность и производительность напечатанной детали.

Литье металла под давлением (MIM): ультратонкий металлический порошок смешивается со связующим веществом и впрыскивается в форму для придания формы. Полученная «сырая деталь» подвергается удалению связующего вещества и спеканию для производства крупносерийных, высокоточных и сложных малогабаритных деталей, таких как лотки для SIM-карт телефонов, спусковые крючки для огнестрельного оружия и корпуса часов.

Технология термического напыления: порошок подается в высокотемпературное пламя или плазменную струю, расплавляется, а затем распыляется с высокой скоростью на поверхность подложки, образуя износостойкие, коррозионно-стойкие и стойкие к окислению покрытия. Широко применяется в лопатках двигателей, нефтепроводах и т. д.

Другие области: Также включает токопроводящие пасты для электронной промышленности, катализаторы для химической промышленности и энергетические материалы для оборонного сектора.

Эти высокотехнологичные приложения предъявляют чрезвычайно строгие требования к размеру частиц металлического порошка, сферичности, содержанию кислорода, сыпучести и кажущейся плотности.

2. Разнообразие технологий производства порошков: чем выделяется распыление водой?

Основные технологии получения металлических порошков можно разделить на физические методы (например, распыление), химические методы (например, химическое осаждение из газовой фазы, восстановление) и механические методы (например, измельчение в шаровой мельнице). Распыление является основным методом благодаря высокой производительности, относительно контролируемой стоимости и возможности промышленного производства.

Распыление подразделяется на газовое распыление и водяное распыление в зависимости от используемой среды.

Газовое распыление: использует инертный газ под высоким давлением (например, аргон, азот) для воздействия на струю расплавленного металла, разбивая его на мелкие капли, которые затвердевают в порошок. Преимущества включают высокую сферичность порошка и хороший контроль содержания кислорода. Недостатки: сложное оборудование, высокая стоимость газа, высокое энергопотребление и низкий выход ультрадисперсных порошков.

Водяное распыление: в качестве распыляющей среды используются струи воды под высоким давлением. Традиционное водяное распыление, благодаря высокой скорости охлаждения, приводит к образованию преимущественно неравномерных порошков (хлопьевидных или почти сферических) с высоким содержанием кислорода, что часто используется в областях, где форма не имеет решающего значения, например, в металлургии и производстве сварочных материалов.

Технология распыления металла водой при высокой температуре является важным нововведением, основанным на традиционном распылении воды, умело сочетающим высокую эффективность распыления воды с высоким качеством распыления газа.

3. Разбираемся в деталях установки для производства порошка методом высокотемпературного распыления металла водой: как она работает?

Основная философия конструкции высокопроизводительного распылителя воды высокой температуры заключается в следующем: максимально тщательно распылить металлические капли и дать им возможность сохранять сферическую форму до контакта с водой.

Его рабочий процесс можно описать следующими основными этапами:

（1）Плавление и перегрев: Металлическое или сплавное сырье плавится в среднечастотной индукционной печи в вакууме или защитной атмосфере и нагревается до температуры, значительно превышающей температуру плавления (перегретое состояние, обычно на 200–400 °C выше). Высокая температура значительно снижает вязкость и поверхностное натяжение расплавленного металла, что является ключевым условием для последующего формирования мелкодисперсного сферического порошка.

(2) Направляющая и стабильная заливка: Расплавленный металл образует стабильную струю через нижнее направляющее сопло. Стабильность этой струи критически важна для равномерного распределения размера частиц порошка.

(3) Распыление под высоким давлением: это основа технологии. Струя металла подвергается точечному воздействию нескольких струй воды сверхвысокого давления (до 100 МПа и более), направленных под разными углами в распылительное сопло. Чрезвычайно высокое давление воды придает струям огромную кинетическую энергию, способную дробить (фэнсуй: дробить) перегретую струю металла с низкой вязкостью и низким поверхностным натяжением на мельчайшие капли.

(4) Полёт и сфероидизация: Измельчённые металлические микрокапли имеют достаточно времени для достижения дна распылительной башни, чтобы под действием поверхностного натяжения сжаться в идеальные сферы. Оборудование создаёт оптимальную среду для сфероидизации капель, точно контролируя атмосферу внутри распылительной башни (обычно заполненной защитным газом, например, азотом) и дальность полёта.

(5) Быстрое затвердевание и сбор: Сферические капли быстро затвердевают, попадая в водоохлаждаемый сборный резервуар, расположенный ниже, образуя твёрдый сферический порошок. Последующие процессы, такие как обезвоживание, сушка, просеивание и смешивание, позволяют получить конечный продукт.

4. «Полезность» высокотемпературного распыления воды: комплексный анализ преимуществ

Он считается «хорошим», поскольку решает множество проблем при производстве сверхтонких порошков:

1. Чрезвычайно высокий выход ультрадисперсного порошка: это его самое значительное преимущество. Сочетание сверхвысокого давления воды и технологии перегрева металла значительно увеличивает выход целевых ультрадисперсных порошков в диапазоне 15–25 мкм, в несколько раз превышая показатели традиционного газового распыления, что значительно снижает себестоимость единицы продукции.

2. Отличная сферичность порошка: перегрев снижает поверхностное натяжение расплавленного металла, а оптимизированные процессы распыления приводят к сферичности порошка, очень близкой к сферичности порошка, распыленного газом, что полностью соответствует требованиям 3D-печати и MIM.

3. Относительно низкое содержание кислорода: хотя использование воды в качестве среды влечет за собой риск окисления, такие меры, как оптимизированная конструкция сопла, заполнение распылительной камеры защитным газом и добавление соответствующих антиоксидантов, могут эффективно контролировать содержание кислорода на низких уровнях (для многих сплавов ниже 500 ppm), что соответствует большинству требований применения.

4. Значительное снижение производственных затрат: по сравнению с газовым распылением с использованием дорогостоящих инертных газов, стоимость воды практически незначительна. Инвестиции в оборудование и эксплуатационное энергопотребление также, как правило, ниже, чем у газового распылительного оборудования эквивалентной производительности, что обеспечивает экономическую целесообразность для крупномасштабного промышленного производства.

5. Широкая адаптируемость к материалам: подходит для производства порошков из сплавов на основе железа, никеля, кобальта, медных сплавов, алюминиевых сплавов, сплавов олова и т. д., что свидетельствует о высокой универсальности.

5. Тени в центре внимания: объективный взгляд на проблемы и ограничения

Ни одна технология не идеальна; распыление воды при высокой температуре имеет свои границы применения и трудности, которые необходимо преодолеть:

1. Для высокоактивных металлов: Для таких активных металлов, как титановые сплавы, тантал и ниобий, которые чрезвычайно склонны к окислению, риск окисления в водной среде остаётся высоким, что затрудняет получение порошков со сверхнизким содержанием кислорода (например, <200 ppm). В настоящее время для этих материалов применяются такие технологии, как распыление в инертном газе или плазменный метод вращающегося электрода (PREP).

2. Явление «сателлитации»: в процессе распыления некоторые уже затвердевшие или полузатвердевшие мелкие частицы порошка могут сталкиваться с более крупными каплями и прилипать к ним, образуя «сателлитные шарики», что может повлиять на текучесть и распределение порошка. Необходимо минимизировать это явление путём оптимизации параметров процесса.

3. Сложность управления процессом: для стабильного производства высококачественного порошка требуется точный контроль десятков параметров, таких как температура перегрева металла, давление воды, расход воды, конструкция сопла и контроль атмосферы, что представляет собой высокий технический барьер.

4. Повторное использование и очистка воды: Крупномасштабное производство требует эффективных систем рециркуляции воды и охлаждения, а также систем очистки сточных вод, что усложняет вспомогательные объекты.

6. Заключение: действительно ли это так хорошо?

Ответ таков: в своей области знаний — да, действительно очень «хорош».

Установка для производства металлических порошков методом высокотемпературной атомизации водой не ставит своей целью заменить все остальные технологии производства порошков. Напротив, она представляет собой техническое решение, обеспечивающее превосходный баланс между высокой эффективностью, низкой стоимостью и высоким качеством, что в значительной степени отвечает растущему рыночному спросу на сверхтонкие сферические металлические порошки.

Если ваша основная цель — производство ультрадисперсных порошков из таких материалов, как нержавеющая сталь, инструментальная сталь, жаропрочные сплавы, кобальт-хромовые сплавы, медные сплавы для применения в 3D-печати, MIM-технологии, термическом напылении и т. д., и у вас высокие требования к контролю затрат, то технология высокотемпературного распыления водой, несомненно, является весьма привлекательным и конкурентоспособным вариантом. Она делает освоение производства ультрадисперсных металлических порошков более реальным.

Однако если ваш продукт представляет собой титановый сплав или другие активные металлические порошки, требующие максимального контроля содержания кислорода для первоклассных применений в аэрокосмической отрасли, вам, возможно, придется рассмотреть другие варианты, такие как более дорогие технологии распыления инертным газом или плазменного распыления.

Подводя итог, можно сказать, что установка для производства порошков методом высокотемпературной атомизации металла в воде является значительным достижением в развитии современных технологий порошковой металлургии. Она использует инновационный подход для решения традиционного противоречия между качеством и стоимостью (矛盾, maodun), становясь ещё одним мощным двигателем развития высокотехнологичного производства. При выборе установки полное понимание свойств материала, требований к продукту, а также плюсов и минусов технологии является ключом к принятию наилучшего решения и настоящему «мастерству» в производстве ультратонких металлических порошков.