La metalurgia en polvo, como una tecnología avanzada de preparación de material y formación de formaciones que es antigua y dinámica, se originó a partir de la tecnología de preparación de cerámica antigua y la tecnología de fundición de hierro. Hasta 1909, el advenimiento del tungsteno dúctil por metalurgia en polvo marcó el advenimiento de la moderna era de la metalurgia de polvo. En los últimos 100 años, la tecnología de metalurgia en polvo ha florecido, y varios materiales y productos clave importantes han seguido surgiendo, convirtiéndose en una de las tecnologías de ingeniería importantes que son indispensables para la economía y la tecnología nacional de la economía nacional actual. Características y ventajas de la metalurgia en polvo
La metalurgia en polvo es una tecnología que utiliza polvo de metal (o una mezcla de metal y polvo no metal) como materias primas para fabricar materiales metálicos, materiales compuestos y varios tipos de productos a través de procesos como moldeo y sinterización.
En comparación con los procesos tradicionales de fundición y fundición, la metalurgia en polvo tiene muchas ventajas. Por un lado, puede evitar efectivamente la posible segregación de componentes durante el proceso de fundición, garantizar la uniformidad de la composición del material y, por lo tanto, obtener un rendimiento más estable y excelente. Por otro lado, la metalurgia en polvo puede lograr una formación cercana a la red, reduciendo en gran medida los procedimientos de procesamiento posteriores y los desechos de materiales. Según las estadísticas relevantes, la tasa de utilización del material de las piezas fabricadas por la metalurgia en polvo puede alcanzar más del 90%, mientras que la tasa de utilización de materiales de los métodos de procesamiento mecánico tradicional generalmente es solo el 30%-50%, lo que no solo reduce los costos de producción, sino que también mejora la eficiencia de producción, lo que está en línea con el concepto de desarrollo de la protección verde y el ambiente en la fabricación moderna. Además, al ajustar la composición del polvo, el tamaño de la partícula y el proceso de preparación, las propiedades del material se pueden controlar con precisión para satisfacer las necesidades de diferentes campos para propiedades especiales del material, como alta resistencia, alta dureza, resistencia a la alta temperatura, resistencia a la corrosión, etc.
Proceso principal del proceso de metalurgia en polvo
(I) Preparación de polvo
Método de trituración mecánica: la fuerza mecánica se usa para aplastar el bloque de metal o la aleación en polvo. El equipo es simple, el costo es bajo y la salida es grande, pero la forma del polvo es irregular, la distribución del tamaño de partícula es amplia y se introducen fácilmente las impurezas.
Método de atomización: el líquido de metal fundido se rocía en pequeñas gotas con gas de alta presión (nitrógeno, argón) o flujo de agua de alta velocidad, y se enfría y se solidifica en polvo. El método de atomización de gas tiene alta esfericidad y buena fluidez, que es adecuada para hacer piezas de alto rendimiento; El método de atomización del agua tiene bajo costo y alta eficiencia, y la forma del polvo es irregular. A menudo se usa para polvo de acero y productos ordinarios con requisitos de bajo rendimiento.
Método de reducción: Use agentes reductores como el hidrógeno y el monóxido de carbono para reducir los óxidos metálicos en polvos con alta pureza, alta actividad, alta actividad de sinterización y densificación a baja temperatura. Sin embargo, la producción requiere alta temperatura y una atmósfera específica, y la inversión del equipo es grande y el costo es alto.
Método de electrólisis: soluciones de sal de metal de electrolización o sales fundidas para precipitar los iones metálicos en polvos en el cátodo. Los polvos son extremadamente puros, finos y uniformes en tamaño de partícula. Son adecuados para campos con altos requisitos de pureza y tamaño de partícula, como materiales electrónicos, pero tienen baja eficiencia de producción, alto consumo de energía y alto costo.
(Ii) moldeo
Moldado de compresión: coloque el polvo de metal pretratado en el molde y presione en forma. Los pasos incluyen llenado en polvo, prensado y demoldamiento. Es adecuado para productos con formas simples y requisitos de alta precisión, como engranajes. Las ventajas son equipos simples, alta eficiencia, bajo costo y producción a gran escala; Las desventajas son que es difícil diseñar y fabricar moldes para productos complejos, y es difícil garantizar una densidad uniforme.
Presionamiento isostático: use líquido para transmitir uniformemente la presión, y coloque el polvo en un molde elástico y presione en un recipiente de alta presión. El presionador isostático en frío se lleva a cabo a temperatura ambiente y es adecuado para productos con formas complejas y requisitos de alta densidad; La presión isostática en caliente utiliza alta temperatura y alta presión al mismo tiempo y se usa para materiales aeroespaciales de alto rendimiento, etc. La ventaja es que el producto tiene una densidad uniforme en todas las direcciones y es adecuado para productos grandes y complejos; La desventaja es que el equipo es costoso, el ciclo es largo y el costo es alto.
Moldado de inyección: mezcle el polvo de metal y el aglutinante en el material de inyección, y use una máquina de inyección para inyectarlo en la cavidad del molde para el moldeo. Es adecuado para fabricar piezas pequeñas complejas de alta precisión, como componentes electrónicos. La ventaja es la alta eficiencia de moldeo y la precisión, y es adecuada para la producción a gran escala; La desventaja es que la selección y eliminación de aglutinantes son difíciles, y el manejo inadecuado afecta el rendimiento del producto.
(Iii) Sinterización
Sinterización convencional: Caliente el cuerpo moldeado a una temperatura y atmósfera adecuadas (hidrógeno, nitrógeno, vacío, etc.) para combinar las partículas de polvo y aumentar la densidad y la resistencia. La atmósfera de hidrógeno elimina las impurezas, el nitrógeno previene la oxidación y el vacío es adecuado para materiales con altos requisitos de contenido de oxígeno.
Sinterización de presión en caliente: la presión se aplica durante la sinterización, y se lleva a cabo en equipos especiales. El molde está hecho de materiales como el grafito. Puede reducir la temperatura de sinterización, acortar el tiempo y obtener productos con mayor densidad y rendimiento. A menudo se usa en la preparación de cerámicas de alto rendimiento y otros materiales.
Sinterización de plasma con chispa (SPS): calentamiento rápido y sinterización al generar plasma de descarga y calor julio a través de la corriente de pulso. Puede eliminar las impurezas en la superficie de las partículas, activar la superficie, calentar rápidamente (100-1000 grado /min), tomar un corto tiempo (varios minutos a decenas de minutos) e inhibir el crecimiento del grano. Se utiliza para preparar nanomateriales, etc.
Campos de aplicación de la tecnología de metalurgia en polvo
(I) campo aeroespacial
Aerospace tiene requisitos estrictos sobre el rendimiento del material, y la tecnología de metalurgia en polvo simplemente satisface las necesidades. Las aleaciones de alta temperatura metalurgia de polvo se utilizan para fabricar componentes clave, como discos y cuchillas de turbina del motor de aviones. Por ejemplo, el disco de la turbina del motor F119 de Pratt & Whitney en los Estados Unidos utiliza aleaciones de alta temperatura basadas en níquel en polvo para mejorar el rendimiento y la confiabilidad del motor. Las aleaciones de titanio de metalurgia en polvo se utilizan para fabricar haces de alas de aviones, marcos de fuselaje y otras partes estructurales con baja densidad, alta resistencia y resistencia a la corrosión, reduciendo el peso de las aeronaves y la mejora de la eficiencia del combustible y el rendimiento del vuelo.
(Ii) campo de fabricación de automóviles
Las piezas de metalurgia en polvo se usan ampliamente en motores de automóviles, transmisiones y sistemas de frenado. Los anillos de los asientos de la válvula, los tubos de guía y los anillos de pistón en el motor están hechos de aleaciones a base de cobre o a base de hierro, que pueden soportar alta temperatura y alta presión, y mejorar el rendimiento y la vida del motor; Los engranajes y los centros de sincronizador de la transmisión son de alta precisión y buena resistencia, lo que hace que el engranaje cambie más y mejore la eficiencia de la transmisión; Las pastillas de freno y los discos de freno del sistema de frenos se agregan con materiales especiales de fricción, que tienen una buena fricción y resistencia al desgaste para garantizar la seguridad del frenado.
(Iii) campo de información electrónica
A medida que el equipo electrónico se desarrolla hacia la tecnología metalurgia de polvo pequeña, ligera y de alto rendimiento, se usa más ampliamente. Los materiales de metalurgia de polvo magnético suave se utilizan para fabricar componentes electrónicos como transformadores e inductores; Los materiales compuestos a base de metal de metalurgia en polvo, como el tungsteno de cobre y el cobre-molibdeno de cobre se utilizan para sustratos de disipación de calor y conchas de envasado de dispositivos electrónicos de alta potencia; Los materiales de contacto de metalurgia en polvo se utilizan para interruptores eléctricos y relés para garantizar una conmutación de circuito seguro.
Núcleo de polvo magnético de hierro-silicio-níquel (KNF)
(Iv) campo de fabricación mecánica
La tecnología de metalurgia en polvo se utiliza para fabricar piezas mecánicas como engranajes y rodamientos. Los engranajes de metalurgia en polvo tienen alta precisión, transmisión suave y alta tasa de utilización de materiales; Los cojinetes de metalurgia en polvo son resistentes a la lubricación y el desgaste, adecuados para ocasiones de baja velocidad, carga pesada y de bajo ruido. En condiciones de trabajo especiales, los rodamientos que contienen aceite pueden mantener un buen rendimiento y mejorar la confiabilidad del equipo y la vida útil.
(V) campo de dispositivos médicos
En términos de implantes, las aleaciones de titanio de metalurgia en polvo se utilizan para fabricar articulaciones artificiales, etc. Su estructura porosa puede promover el crecimiento de las células óseas y reducir el riesgo de aflojamiento de implantes. Los instrumentos quirúrgicos están hechos de acero de alta velocidad metalurgia en polvo y acero inoxidable, que tienen mayor dureza, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión, y también pueden fabricar instrumentos en forma de complejo. Entre los materiales dentales, las dentaduras postizas tienen buena fuerza, dureza y estética. Los implantes dentales utilizan aleaciones de titanio o titanio metalurgia en polvo, lo que puede mejorar la tasa de éxito de la implantación. Los soportes de ortodoncia utilizan aleaciones de acero inoxidable de metalurgia en polvo o níquel-titanio, que pueden aplicar con precisión la fuerza.
(Vi) Nuevo campo de energía
En términos de baterías de iones de litio, los materiales de electrodos positivos como el fosfato de hierro de litio y los materiales ternarios preparados por la tecnología de metalurgia en polvo pueden mejorar la densidad de energía de la batería y la eficiencia de carga y descarga. En el campo de las celdas de combustible, las placas bipolares de metal y los portadores de catalizador con un área de superficie específica fabricada por el proceso de metalurgia en polvo han mejorado el rendimiento de las celdas de combustible y los costos reducidos. En la generación de energía eólica, las cajas de cambios, los rodamientos y otras piezas fabricadas por la metalurgia en polvo pueden mantener un rendimiento estable en entornos duros y extender la vida útil del equipo.
Progreso en tecnología de metalurgia en polvo
(I) Fusión de fabricación de aditivos de metal (impresión 3D) y metalurgia en polvo
La tecnología de fabricación de aditivos de metal se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. Su combinación con metalurgia en polvo ha traído nuevos avances en la fabricación de piezas complejas. A través de la tecnología de impresión 3D, los polvos de metal se pueden apilar directamente por capa para producir piezas con estructuras internas complejas y diseños personalizados. Esta tecnología no solo reduce el desperdicio de materiales y los procedimientos de procesamiento, sino que también se da cuenta de la fabricación de piezas que son difíciles de fabricar mediante métodos de procesamiento tradicionales, como hojas complejas de motores de aviones.
(Ii) Tecnología de metalurgia de nanopowder
Con el desarrollo de la nanotecnología, ha surgido la tecnología de metalurgia de nanopoder. Los polvos metálicos a nanoescala tienen las características de una gran área de superficie específica, alta actividad y una gran fuerza impulsora de sinterización, y pueden preparar materiales nanoestructurados con excelentes propiedades mecánicas, propiedades eléctricas y propiedades magnéticas. En la actualidad, la tecnología de metalurgia de nano polvo ha progresado significativamente en la preparación de materiales magnéticos de alto rendimiento, materiales superconductores y aleaciones de alta resistencia.
Universidad Tecnológica de Xi'an, diagrama esquemático del proceso de preparación de polvo compuesto esférico nano ti-tibw
(Iii) Innovación de materiales compuestos de metalurgia en polvo
Al agregar varias fases de refuerzo (como partículas de cerámica, fibras, etc.) a polvos metálicos, se preparan materiales compuestos de metalurgia en polvo con excelente rendimiento. Estos materiales compuestos combinan las ventajas de los metales y las fases de refuerzo, y tienen las características de alta resistencia, alta dureza, buena resistencia al desgaste, alta resistencia a la temperatura, etc., y se usan ampliamente en la fabricación aeroespacial, de fabricación de automóviles, ingeniería mecánica y otros campos. Por ejemplo, el material compuesto a base de aluminio preparado agregando partículas de carburo de silicio al polvo de aleación de aluminio ha mejorado significativamente la resistencia y la dureza, al tiempo que mantiene las características de baja densidad de la aleación de aluminio.
