Ikhtisar
Atomisasi gas adalah metode produksi serbuk logam yang menggunakan semburan gas inert berkecepatan tinggi untuk memecah aliran logam cair menjadi partikel serbuk berbentuk bola yang halus. The proses atomisasi gas mencapai kontrol yang sangat baik atas distribusi ukuran partikel bubuk, morfologi, kemurnian, dan struktur mikro.
Atribut utama dari bubuk teratomisasi gas meliputi bentuk partikel bulat, kemurnian tinggi, ukuran halus hingga 10 mikron, dan komposisi yang seragam. Atomisasi gas memfasilitasi teknik manufaktur berbasis serbuk yang canggih seperti pencetakan injeksi logam, manufaktur aditif, serta pengepresan dan sintering metalurgi serbuk.
Panduan ini memberikan gambaran umum yang komprehensif tentang proses atomisasi gas dan bubuk. Ini mencakup metode atomisasi, pembentukan partikel, parameter proses, peralatan, paduan yang berlaku, karakteristik bubuk, spesifikasi produk, aplikasi, dan pemasok. Tabel perbandingan yang bermanfaat disertakan untuk meringkas detail teknis.
Bagaimana Proses Atomisasi Gas Bekerja
Atomisasi gas mengubah paduan cair menjadi bubuk dengan menggunakan langkah-langkah mendasar berikut ini:
Tahapan Proses Atomisasi Gas
- Meleleh - Paduan dilebur dalam tungku induksi dan dipanaskan di atas suhu cairnya
- Menuangkan - Aliran logam cair dituangkan ke dalam ruang atomisasi
- Atomisasi - Semburan gas inert berkecepatan tinggi menghancurkan logam menjadi tetesan halus
- Pemadatan - Tetesan logam dengan cepat mengeras menjadi partikel bubuk saat jatuh melalui ruang
- Koleksi - Partikel serbuk dikumpulkan dalam pemisah siklon di bagian bawah menara
Fenomena utama terjadi ketika energi kinetik dari semburan gas mengatasi tegangan permukaan logam untuk menggeser aliran cairan menjadi tetesan. Tetesan ini membeku menjadi partikel bubuk dengan morfologi bulat.
Kontrol proses yang cermat memungkinkan ukuran, kemurnian, dan struktur mikro partikel bubuk yang disesuaikan.
Metode Atomisasi Gas
Ada dua metode utama atomisasi gas yang digunakan dalam industri:
Metode Atomisasi Gas
| Metode | Deskripsi | Keuntungan | Keterbatasan |
|---|---|---|---|
| Atomisasi berpasangan dekat | Nozzle berada di dekat titik tuang leleh | Desain yang ringkas, penggunaan gas yang lebih rendah | Potensi kontaminasi lelehan dari nosel |
| Atomisasi jatuh bebas | Nozzle terletak di bawah titik tuang | Mengurangi kontaminasi lelehan | Membutuhkan menara atomisasi yang lebih tinggi |
Desain close-coupled mendaur ulang gas atomisasi tetapi berisiko mengalami oksidasi lelehan. Jatuh bebas menawarkan atmosfer yang lebih bersih dengan risiko reaksi nosel yang lebih kecil.
Varian tambahan termasuk beberapa nosel gas, atomisasi ultrasonik, atomisasi sentrifugal, dan desain nosel koaksial untuk aplikasi khusus.
Desain Nozzle Atomisasi Gas
Berbagai desain nosel menciptakan semburan gas berkecepatan tinggi yang diperlukan untuk atomisasi:
Jenis Nozzle Atomisasi Gas
| Nosel | Deskripsi | Pola Aliran Gas | Ukuran tetesan |
|---|---|---|---|
| De Laval | Nosel konvergen-divergen | Supersonik | Distribusi yang besar dan luas |
| Kerucut | Lubang kerucut sederhana | Sonic | Sedang |
| Celah | Lubang celah memanjang | Sonic | Kecil |
| Beberapa | Array nosel mikro | Sonic/supersonik | Sangat kecil, distribusi sempit |
Nozel De Laval menggunakan akselerasi gas hingga kecepatan supersonik tetapi memiliki geometri yang rumit. Nozel sonik dengan bentuk yang disederhanakan menawarkan fleksibilitas yang lebih besar.
Tetesan yang lebih kecil dan distribusi ukuran yang dikontrol secara ketat, dapat dicapai dengan menggunakan beberapa nosel mikro atau konfigurasi celah.
Pembentukan dan Pemadatan Serbuk
Pemotongan logam cair menjadi tetesan dan pemadatan selanjutnya mengikuti mekanisme yang berbeda:
Tahapan Pembentukan Bubuk
- Perpisahan - Ketidakstabilan jet Rayleigh menyebabkan gangguan dan pembentukan tetesan
- Distorsi - Tetesan memanjang menjadi ligamen karena gaya tarik udara
- Pecah - Ligamen terurai menjadi tetesan yang mendekati ukuran akhir
- Pemadatan - Pendinginan cepat melalui kontak gas dan radiasi membentuk partikel padat
- Perlambatan - Hilangnya kecepatan saat partikel bergerak ke bawah melalui ruang atomisasi
Efek gabungan dari tegangan permukaan, turbulensi, dan hambatan udara menentukan ukuran dan morfologi partikel akhir. Laju pendinginan partikel maksimum lebih dari 1.000.000 ° C / s memadamkan fase metastabil.
Parameter Proses
Parameter proses atomisasi gas yang utama meliputi:
Proses Atomisasi Gas Parameter
| Parameter | Kisaran Khas | Efek pada Bedak |
|---|---|---|
| Tekanan gas | 2-10 MPa | Meningkatkan tekanan mengurangi ukuran partikel |
| Kecepatan gas | 300-1200 m/s | Kecepatan yang lebih tinggi menghasilkan partikel yang lebih halus |
| Laju aliran gas | 0,5-4 m3/menit | Meningkatkan aliran untuk hasil yang lebih tinggi dan ukuran yang lebih halus |
| Melelehkan panas super | 150-400°C | Superheat yang lebih tinggi mengurangi satelit dan meningkatkan aliran bubuk |
| Laju tuang leleh | 10-150 kg/menit | Laju tuang yang lebih rendah meningkatkan distribusi ukuran partikel |
| Diameter aliran leleh | 3-8 mm | Aliran yang lebih besar memungkinkan throughput yang lebih tinggi |
| Jarak pemisahan | 0.3-1 m | Jarak yang lebih jauh mengurangi konten satelit |
Menyeimbangkan parameter ini memungkinkan kontrol ukuran partikel bubuk, bentuk, laju produksi, dan karakteristik lainnya.
Sistem Paduan untuk Atomisasi Gas
Atomisasi gas dapat memproses hampir semua paduan menjadi bentuk bubuk termasuk:
Paduan yang Cocok untuk Atomisasi Gas
- Paduan Titanium
- Nikel Superalloys
- Superalloys Cobalt
- Baja tahan karat
- Baja perkakas
- Baja paduan rendah
- Paduan dasar besi dan nikel
- Logam mulia
- Intermetallics
Atomisasi gas membutuhkan suhu leleh di bawah titik dekomposisi gas yang diatomisasi. Gas yang umum termasuk argon, nitrogen, dan helium.
Paduan tahan api dengan titik leleh yang sangat tinggi seperti tungsten bisa jadi sulit untuk dikabutkan dan sering kali memerlukan pemrosesan khusus.
Sebagian besar paduan memerlukan pemanasan super lelehan jauh di atas suhu liquidus untuk mempertahankan fluiditas yang cukup untuk atomisasi ke dalam tetesan yang terdispersi dengan baik.
Karakteristik Serbuk Atomisasi Gas
Karakteristik khas dari bubuk yang dikabutkan dengan gas:
Karakteristik Serbuk Atomisasi Gas
| Karakteristik | Deskripsi | Signifikansi |
|---|---|---|
| Morfologi partikel | Sangat bulat | Kemampuan mengalir yang sangat baik, kepadatan kemasan |
| Distribusi ukuran partikel | Dapat disesuaikan dalam kisaran 10-150 μm | Mengontrol kerapatan tekan dan perilaku sintering |
| Rentang ukuran partikel | Dapat mencapai distribusi yang ketat | Memberikan sifat komponen yang seragam |
| Kemurnian kimiawi | Biasanya> 99,5% tidak termasuk paduan yang direncanakan | Menghindari kontaminasi dari reaksi nosel |
| Kandungan oksigen | <1000 ppm | Sangat penting untuk paduan berkinerja tinggi |
| Kepadatan yang tampak | Hingga 60% teoretis | Indikasi daya tekan dan penanganan |
| Porositas internal | Sangat rendah | Baik untuk homogenitas mikrostruktural |
| Morfologi permukaan | Lancar dengan beberapa satelit | Menunjukkan stabilitas proses |
Bentuk bulat dan distribusi ukuran yang dapat disesuaikan memudahkan penggunaan dalam proses konsolidasi serbuk sekunder. Kontrol yang ketat terhadap oksigen dan kimia memungkinkan paduan berkinerja tinggi.
Spesifikasi untuk Serbuk Atomisasi Gas
Spesifikasi standar internasional membantu menentukan:
- Distribusi ukuran partikel
- Rentang kepadatan yang tampak
- Laju aliran aula
- Tingkat oksigen dan nitrogen yang dapat diterima
- Struktur mikro dan porositas yang diijinkan
- Batas komposisi kimia
- Prosedur pengambilan sampel
Hal ini mendukung kontrol kualitas dan perilaku bubuk yang dapat direproduksi.
Spesifikasi untuk Serbuk Atomisasi Gas
| Standar | Bahan | Parameter | Metode Pengujian |
|---|---|---|---|
| ASTM B964 | Paduan Titanium | Ukuran partikel, kimia, struktur mikro | Difraksi sinar-X, mikroskop |
| AMS 4992 | Paduan titanium kedirgantaraan | Ukuran partikel, kandungan oksigen | Analisis saringan, fusi gas inert |
| ASTM B823 | Serbuk baja perkakas | Kepadatan yang tampak, laju aliran | Pengukur aliran aula, pengukur volume Scott |
| SAE AMS 5050 | Paduan nikel | Ukuran partikel, morfologi | Difraksi laser, SEM |
| MPIF 04 | Banyak paduan standar | Kepadatan yang tampak, laju aliran | Pengukur aliran aula, kepadatan yang disadap |
Spesifikasi disesuaikan dengan persyaratan aplikasi yang penting dalam industri kedirgantaraan, otomotif, medis, dan industri yang digerakkan oleh kualitas.
Aplikasi Serbuk Atomisasi Gas
Serbuk yang dikabutkan dengan gas memungkinkan pembuatan komponen berkinerja tinggi melalui:
- Cetakan injeksi logam (MIM)
- Manufaktur Aditif (AM)
- Pengepresan Isostatik Panas (HIP)
- Penempaan Serbuk
- Semprotan Termal dan Dingin
- Pengepresan dan Penyinteran Metalurgi Serbuk
Manfaat dibandingkan dengan bahan tempa:
- Geometri kompleks dengan fitur-fitur halus
- Sifat mekanik yang sangat baik
- Konsolidasi mendekati kepadatan penuh
- Paduan baru dan khusus
- Rangkaian pilihan material
Atomisasi gas unggul dalam menghasilkan serbuk berbentuk bola dan mengalir yang optimal untuk pemrosesan otomatis komponen rumit dengan standar kualitas tinggi di seluruh industri.
Pemasok Global Serbuk Atomisasi Gas
Pemasok global terkemuka untuk serbuk gas yang dikabutkan meliputi:
Produsen Serbuk Atomisasi Gas
| Perusahaan | Bahan | Kemampuan |
|---|---|---|
| Logam Serbuk ATI | Paduan titanium, nikel, baja perkakas | Rentang paduan yang luas, volume tinggi |
| Teknologi Permukaan Praxair | Paduan titanium, nikel, kobalt | Pilihan paduan yang luas, pemrosesan tol |
| Sandvik Osprey | Baja tahan karat, baja paduan rendah | Spesialis dalam bahan besi |
| Höganäs | Baja perkakas, baja tahan karat | Paduan khusus, bubuk manufaktur aditif |
| Aditif Tukang Kayu | Paduan titanium, nikel, kobalt | Paduan khusus, ukuran partikel khusus |
Pemasok regional yang lebih kecil juga menawarkan bubuk yang dikabutkan dengan gas, yang sering kali melayani paduan atau aplikasi khusus.
Banyak penyedia jasa yang juga melakukan pengayakan, pencampuran, pelapisan, dan operasi pasca-pemrosesan bubuk lainnya.
Keuntungan vs Keterbatasan Atomisasi Gas
Atomisasi Gas - Pro dan Kontra
| Keuntungan | Keterbatasan |
|---|---|
| Morfologi bubuk bulat | Biaya modal di muka yang lebih tinggi |
| Distribusi ukuran partikel yang terkendali | Membutuhkan gas inert dengan kemurnian tinggi |
| Berlaku untuk banyak sistem paduan | Paduan tahan api yang sulit untuk dikabutkan |
| Kimia bubuk bersih dan struktur mikro | Dapat mengalami erosi nosel |
| Pendinginan bubuk yang cepat mempertahankan fase metastabil | Membutuhkan pemanasan super leleh jauh di atas liquidus |
| Proses produksi bubuk yang berkelanjutan | Bentuk bubuk membatasi kekuatan hijau |
Bentuk bulat dan ukuran halus dari serbuk yang dikabutkan dengan gas memberikan keuntungan yang berbeda, tetapi memiliki biaya operasional yang lebih tinggi dibandingkan dengan proses kompaksi mekanis yang lebih sederhana.
Memilih Serbuk Atomisasi Gas
Aspek-aspek utama saat memilih bubuk yang dikabutkan dengan gas:
- Komposisi kimia dan paduan yang diinginkan
- Distribusi ukuran partikel target
- Rentang kerapatan tampak dan kerapatan tekan yang sesuai
- Batas oksigen dan nitrogen ditentukan oleh aplikasi
- Karakteristik aliran untuk penanganan bubuk otomatis
- Prosedur pengambilan sampel untuk memastikan keterwakilan
- Keahlian teknis vendor dan layanan pelanggan
- Pertimbangan biaya total
Pengujian pembuatan prototipe membantu memenuhi syarat paduan baru dan serbuk yang dikabutkan dengan gas untuk suatu aplikasi. Berkolaborasi secara erat dengan produsen bubuk memungkinkan pengoptimalan.
PERTANYAAN YANG SERING DIAJUKAN
Berapa ukuran partikel terkecil yang dapat dihasilkan oleh atomisasi gas?
Nozel khusus dapat menghasilkan serbuk mikron satu digit hingga 1-5 mikron. Namun demikian, serbuk ultrafine memiliki kerapatan semu yang sangat rendah dan menunjukkan gaya Van der Waals antarpartikel yang kuat, sehingga memerlukan penanganan yang hati-hati.
Apa yang menyebabkan satelit bubuk selama atomisasi gas?
Satelit terbentuk ketika tetesan terlalu besar atau bertabrakan dan sebagian bergabung kembali sebelum memadat sepenuhnya. Superheat yang lebih tinggi, laju penuangan yang lebih rendah, dan jarak pemisahan yang lebih jauh, semuanya membantu mengurangi satelit.
Mengapa gas inert dengan kemurnian tinggi diperlukan untuk atomisasi gas?
Semburan gas berkecepatan tinggi dapat mengikis logam dari nosel seiring waktu dan mencemari bubuk. Gas reaktif seperti nitrogen dan oksigen juga berdampak negatif pada kemurnian bubuk dan kinerja paduan.
Bagaimana atomisasi gas dibandingkan dengan atomisasi air?
Atomisasi air menghasilkan bubuk yang lebih tidak beraturan dengan ukuran yang lebih besar, biasanya 50-150 mikron. Atomisasi gas memungkinkan ukuran yang lebih halus hingga 10 mikron dengan morfologi bola yang lebih disukai untuk aplikasi pengepresan dan sintering.
Apa yang dimaksud dengan atomisasi sentrifugal?
Dalam atomisasi sentrifugal, logam cair dituangkan ke dalam piringan berputar yang mengeluarkan tetesan logam cair halus yang mengeras menjadi bubuk. Metode ini menawarkan tingkat produksi yang lebih tinggi daripada atomisasi gas, tetapi mengurangi ukuran bubuk dan kontrol bentuk.
Dapatkah Anda mengganti paduan dengan cepat selama atomisasi gas?
Ya, dengan peralatan khusus, aliran lelehan dapat diubah dengan cepat untuk menghasilkan serbuk komposit dan paduan. Namun, kontaminasi silang antara paduan harus diminimalkan melalui pembersihan ruang.
Kesimpulan
Proses atomisasi gas menghasilkan serbuk logam berbentuk bola dan mengalir dengan distribusi ukuran partikel yang dikontrol dengan ketat, kemurnian, dan karakteristik mikrostruktur yang optimal untuk proses konsolidasi serbuk tingkat lanjut di seluruh aplikasi penting. Manipulasi parameter proses yang cermat dan desain nosel khusus memungkinkan kontrol yang luas atas karakteristik bubuk akhir. Dengan pengembangan yang berkelanjutan, atomisasi gas memberikan kemampuan yang lebih besar kepada para insinyur untuk membuat komponen berkinerja tinggi dengan cara-cara baru yang kreatif.