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金属粉末(3D打印)的制备工艺大盘点

www.cechina.cn2018.09.16阅读 28579

  根据中国机协粉末冶金分会统计,2016年粉末冶金零件出货量48万吨,销售额达64亿元www.cechina.cn,其中汽车行业销售额40亿元CONTROL ENGINEERING China版权所有,占销售总额62%。2017年,粉末冶金市场规模预计达69亿,实现稳定增长。

  2016中国粉末冶金零件销售情况

  来源:中国机协粉末冶金分会

  汽车发动机与变速箱是粉末冶金零部件应用最为广泛和市场空间最大的两个领域。国内汽车粉末冶金市场空间高达200亿元。再加之2018年为金属3D打印粉末爆发的元年,金属粉末的市场有望进一步扩展。
  金属粉末的制备
  市场的巨大潜力也在推动着技术的进步。随着粉末冶金产品的应用越来越广泛,对金属粉末颗粒的尺寸形状和性能要求越来越高,而金属粉末的性能和尺寸形状在很大程度上取决于粉末的生产方法及其制取工艺,因此粉末的制备技术也在不断地发展和创新。

  不同方法生产的金属粉末形状

  目前,金属粉末的制备已发展了很多方法,根据生产原理主要分为物理化学法和机械法。在机械法中最主要的是雾化法和机械粉碎法。物理化学法中最主要的是还原法、电解法和羟基法。

  金属粉末制取方法的特点和适用范围

  1机械法
  机械法是借助于机械外力将金属破碎成所需粒径粉末的一种加工方法,该方法制备过程中材料的化学成分基本不变。目前普遍使用的方法是雾化法和机械粉碎法。其优点是工艺简单、产量大,可以制备一些常规方法难以得到的高熔点金属和合金的超细粉末。
  机械粉碎法
  机械粉碎法既是一种独立的制粉方法,也常作为其他制粉方法必不可少的补充工序。主要通过压碎、击碎和磨削等作用将固态金属碎化成粉末。粉碎设备分两类:
  主要起压碎作用的粗碎设备:碾碎机、辊轧机、颚式破碎机等粗碎设备;
  主要起击碎和磨削作用的细碎设备:锤碎机、棒磨机、球磨机、振动球磨机、搅动球磨机等。

  高能球磨法制备金属粉末

  机械粉碎法主要适用于粉碎脆性的和易加工硬化的金属和合金,如锡、锰、铬、高碳铁、铁合金等。该法效率低,能耗大,多作为其他制粉法的补充手段,或用于混合不同性质的粉末。
  雾化法
  直接击碎液体金属或合金而制得粉末的方法称之为雾化法CONTROL ENGINEERING China版权所有,是生产规模仅次于还原法的、应用较广泛的金属粉末制取法。雾化粉末具有球形度高、粉末粒度可控、氧含量低、生产成本低以及适应多种金属粉末的生产等优点,已成为高性能及特种合金粉末制备技术的主要发展方向,但生产效率低,超细粉末的收得率不高,能耗相对较大等缺陷限制了雾化法的应用。

  雾化法制备金属粉末

  2物理化学法
  物理-化学法是指在粉末制备过程中,通过改变原料的化学成分或集聚状态而获得超细粉末的生产方法。按照化学原理的不同可将其分为还原法、电解法、羰基法和化学置换法。
  还原法
  还原金属氧化物及金属盐类以生产金属粉末是一种应用最广泛的制粉方法。特别是直接使用矿石以及冶金工业废料如轧钢铁鳞作原料时,还原法最为经济。还原法的优点是操作简单,工艺参数易于控制,生产效率高,成本较低,适合工业化生产。缺点是只适用于易与氢气反应、吸氢后变脆易破碎的金属材料。
  电解法
  电解法是通过电解熔盐或盐的水溶液使得金属粉末在阴极沉积析出的方法。它在粉末生产中占有重要的地位,其生产规模在物理化学法中仅次于还原法,并且可控制制粉粒度,制取的粉末纯度高,单质粉可达99.7%以上。不过电解法耗电较多www.cechina.cn,成本比还原粉和雾化粉高。因此,在粉末总产量中,电解粉所占比重比较小。

  超声波电解制备铁粉

  羰基法
  由于羰基金属在低温下容易分解为金属及CO气体控制工程网版权所有,因此可以利用合成羰基金属的逆反应来制取羰基金属粉末。使用羰基法不但可以制取微米级粉末,还可以制取纳米级粉末;不但可以制取单一纯金属及合金粉末,还可以制取包覆粉末。羰基粉末本身所具有的高发达表面是其他方法所制取的粉末无法相比的,是化学电源极板及催化剂的最好材料。
  化学置换法
  根据金属的活泼性强弱,用活泼性强的金属将活性较小的金属从金属盐溶液中将其置换出来,将置换所得到的金属(金属粉粒)用其他方法进一步处理细化成金属粉末的方法称为化学置换法。该法主要应用于Cu、Ag、Au等不活泼金属粉末的制备。
  总结
  随着技术的进步,金属粉末在冶金、化工、电子、磁性材料、精细陶瓷、传感器等方面显示了良好的应用前景。但由于传统制备技术的局限性,制约了金属粉末的应用。尽管许多新型的生产工艺和方法已经得到应用,但规模较小和成本较高的问题仍不能很好的解决。为了促进金属粉末材料的发展,必须加大创新力度、取长补短,开发出产量更大、成本更低的生产工艺。
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