Металлический порошок: характеристики и области применения

Металлический порошок можно получить из различных металлов и сплавов. Область его применения достаточно разнообразна. Он используется для изготовления особо прочных красок, устойчивых к атмосферным воздействиям. Кроме того, металлические порошки востребованы в 3D-печати, а также в производстве металлокерамических изделий.

Примечательно, что получение металлических порошков, по сути, делает их изготовление безотходным, что позволяет говорить о невысокой цене материала. И потому порошковая металлургия представляет собой активно развивающуюся область. Об особенностях такого производства мы поговорим далее.

Химические, физические и технологические свойства металлических порошков

В процессе изготовления металлическим порошкам придают определенный набор химических, физических, технологических характеристик:

Химические свойства

Определяются методом производства и химическим составом сырья. На базовый металл приходится 98-99 %, тогда как оставшуюся часть занимают примеси. Исключением из этого правила являются никелевые, железные, медные окислы и прочих металлов, которые при нагреве легко образуют атомы, что положительно отражается на спекаемости порошков.

В металлических порошках присутствует азот, водород и другие газы, попавшие в сырье и адсорбированные с поверхности. Если говорить точнее, то в электролитических порошках есть водород, в карбонильных – примесь кислорода и двуокиси углерода, а в распыленных – газообразные вещества, участвующие в процессе производства.

Прежде чем подвергнуть готовый порошок прессованию, из него удаляют лишние газы методом вакуумирования. Это необходимо, чтоб защитить будущие изделия от появления трещин в ходе спекания.

Физические свойства

Зависят от формы, размеров, плотности частиц и прочих показателей. Каждой технологии получения металлического порошка свойственна своя форма частиц:

• карбонильная технология – сферическая форма;
• восстановительная – губчатая;
• измельчение мельницей – осколочная;
• вихревое дробление – тарельчатая;
• электролиз – дендритная;
• распыление – каплевидная.

Частицы могут иметь размеры от долей микрометра до десятых долей миллиметра. Наибольший разброс данного показателя встречается в порошках, при производстве которых был использован метод электролиза или восстановления.

Микротвердость определяется наличием и характером примесей. От данного показателя зависит возможность деформирования частиц порошка.

Технологические свойства

Такие характеристики связаны с текучестью, формуемостью, насыпной плотностью, прессуемостью.

Под первой понимают скорость, с которой условная единица объема заполняется порошком. Текучесть влияет на уровень производительности при прессовании.

Прессуемость – это способность металлического порошка приобретать необходимую плотность при прессовании. А благодаря формуемости он сохраняет определенную форму.

Способы изготовления металлических порошков

Все используемые при производстве металлического порошка подходы объединены такими характеристиками:

• Экономичность, поскольку в роли сырья выступают отходы металлургической промышленности, например, окалина. Сейчас она задействуется только в данной сфере.
• Высокая точность форм – изготавливаемые по этой технологии изделия имеют геометрические формы, которые не требуют последующей доработки. Таким образом удается сократить долю отходов производства.
• Высокая износостойкость поверхности, обеспечиваемая мелкозернистой структурой, большой твердостью, прочностью изделий.
• Относительно низкий уровень сложности технологий порошковой металлургии.

Применяемые на данный момент методы в данной сфере можно разделить на две категории:

• Физико-механические. Предполагают измельчение сырья, благодаря чему удается получить частицы небольших размеров. А именно: на металл оказывают воздействие при помощи различной комбинируемой нагрузки.
• Химико-металлургические. Позволяют изменить фазовое состояние сырья. Например, к таким технологиям относится восстановление солей, окислов и иных соединений металлов.

Для изготовления металлического порошка используют такие подходы:

• При шаровом способе в шаровой мельнице тщательно дробят металлические обрезки, получая в результате мелкозернистый порошок.
• Вихревой способ предполагает использование мельницы другого типа, формирующей сильный воздушный поток. Находящиеся в нем крупные частицы сталкиваются, превращаясь в металлический порошок мелкой фракции.
• В основе действия дробилки лежит ударная нагрузка, иными словами, груз большой массы падает на сырье с определенной периодичностью.
• Распыление сырья требует доведения металла до жидкого состояния и последующее его распыление под воздействием сжатого воздуха. Получившийся хрупкий состав попадает в специальное оборудование, где перемалывается до порошкообразного состояния.
• Электролизом называют восстановление металла из жидкого состава при помощи тока. Поскольку таким образом повышается хрупкость материала, потом его можно быстро перемолоть в дробилках. Готовое зерно имеет дендритную форму.

Сферы применения металлического порошка

Изготовление и обработка металлов порошковым способом включает в себя множество технологий, что позволяет производить детали с необходимым составом и характеристиками.

Металлический порошок нашел применения в таких сферах:

Изготовление элементов узлов трения

Металлокерамические изделия имеют пористую структуру, благодаря которой хорошо удерживают смазочные материалы. Поэтому из порошков производят детали, подверженные трению в процессе эксплуатации. А именно: подшипники скольжения, направляющие втулки, вкладыши, щетки электродвигателей.

С пропитанного маслом подшипника смазка попадает на трущиеся поверхности, поэтому подобные подшипники называют самосмазывающимися. Подобные детали из металлического порошка имеют ряд преимуществ:

• Экономичность, ведь с их помощью удается снизить расход масла.
• Повышенная стойкость к износу.
• Экономия на материале, так как в этом случае железо используется вместо дорогостоящей бронзы и баббита.

На производствах могут усиливать пористость металлокерамических деталей, добавляя в их состав графит. А данный материал широко известен своими высокими смазывающими свойствами, поэтому подшипники с увеличенной долей данного компонента используются без дополнительного масла.

Производство композитных материалов

Современная высокотехнологичная техника не может обойтись без изделий из композитных материалов. Стоит пояснить, что композиты превосходят сплавы тем, что обеспечивают прочные соединения разнородных металлических и неметаллических элементов.

При выплавке традиционным способом с использованием металлургических печей невозможно создать растворы, например, вольфрама и меди. Однако с появлением композитных материалов эту проблему удалось решить.

Получение твердых сплавов

Для этой цели применяют методы металлокерамики. Повышенная твердость обеспечивается посредством добавления в смесь карбидных включений, ведь с ростом доли углерода растет твердость основного металла.

Кроме того, благодаря карбидным соединениям достигается высокая вязкость, но остаются неизменными прочностные характеристики металлического порошка.

Металлокерамические элементы применяются в тех сферах, где основным качеством изделий является высокая износостойкость. Обычно это касается режущего инструмента, твердосплавных матриц, пуансонов для листовой штамповки.

Изготовление изделий из электроконтактных материалов

Электрические контакты, используемые в электронике и радиотехнике, также состоят из металлических, а именно ферромагнитных порошков.

Прочие сферы, в которых применяются порошки

Они отличаются жаростойкостью, поэтому могут использоваться как материал для элементов тормозных систем. При необходимости данное качество металлокерамики повышают, внося в ее состав хром, никель, вольфрам.

В изготовлении большинства магнитных деталей сегодня используется металлический порошок. Благодаря технологии порошковой металлургии удается соединять железо с силикатами.

Также металлокерамические изделия участвуют в фильтрации газов, горючих веществ.

Применение металлических порошков для печати на 3D-принтере

3D-печать металлами позволяет производить изделия практически из любых сплавов, что является главным достоинством этой технологии. Используются не только стандартные металлы, но и широкая номенклатура специальных сплавов.

Речь идет об уникальных высокотехнологичных материалах, которые создаются в соответствии с целями конкретного клиента.

Самым современным и распространенным способом использования металлических порошков в 3Д-принтерах является селективное лазерное плавление (SLM/DMP). В его рамках происходит последовательное послойное сплавление смесей под действием мощного излучения иттербиевого лазера.

Плюсы такого метода 3D-печати:

• обеспечение плотности, в 1,5 раза превосходящей аналогичный показатель литья;
• возможность изготовления объектов наибольших размеров, имеющих сложные геометрические или другие неповторимые формы в виде закрытых бионических структур;
• большой выбор стандартных и специальных металлических сплавов;
• меньшее количество циклов производства, благодаря чему сокращаются временные затраты на получение готовой продукции.

Использование металлических порошков позволяет восполнять потребности таких сфер, как:

• авиакосмическая индустрия;
• машиностроение;
• автомобилестроение;
• нефтегазовая отрасль;
• электроника;
• медицина;
• пищевая промышленность;
• экспериментальные работы и исследовательская деятельность, осуществляемая в конструкторских бюро, научных, учебных центрах.

На предприятиях порошкам для 3D-печати сообщают набор характеристик, необходимых для решения конкретных задач. Это нужно учитывать, если вы хотите купить металлический порошок для 3D-принтера. Поскольку подавляющее большинство металлов можно распылить, сегодня существует огромный выбор материалов для подобной печати.

Доступные современной металлургии методы активно используются в аддитивном производстве, поэтому металлические порошки и уникальные сплавы применяются для создания изделий геометрически сложных форм, обеспечивая им повышенный уровень точности, плотности, повторяемости.