不锈钢粉末 是一种用途广泛的材料，可应用于多个行业。本指南全面介绍了不锈钢粉末，包括制造方法、等级、特性、应用等。
不锈钢粉末概述
不锈钢粉末是指粉末状的不锈钢颗粒。它通过将不锈钢雾化或还原成细粉末而制成，可用于各种工业用途。
不锈钢粉末的一些主要特性和优势包括
- 高强度和耐用性
- 耐腐蚀和耐磨损
- 可烧结成复杂形状
- 各种合金元素可定制各种性能
- 可回收性
- 成本效益
不锈钢粉末的应用领域包括 3D 打印、表面涂层、钎焊、焊接、粉末冶金零件等。2021 年，全球不锈钢粉末市场规模超过 10 亿吨，预计 2022 年至 2030 年的年复合增长率将超过 81 吨。
类型 不锈钢粉末
不锈钢粉末按微观结构、合金元素、性能和预期用途分为各种等级和类型。
| 类型 | 说明 | 组成 | 属性 | 应用 |
|---|---|---|---|---|
| 奥氏体 | 无磁性，耐腐蚀性更强 | 铬、镍、钼 | 韧性、非硬化 | 汽车、建筑、化工 |
| 马氏体 | 磁性，强度更高 | 铬、较低的镍 | 可硬化，耐腐蚀性较差 | 餐具、手术器械、阀门 |
| 铁素体 | 磁性，成本更低 | 铬，无镍 | 韧性较差，耐腐蚀性适中 | 汽车、电器、工业用途 |
| 双工 | 兼顾强度和耐腐蚀性 | 铬、镍、钼、氮 | 焊接性好，成本较高 | 化学加工、石油和天然气、海运、造纸 |
| 沉淀硬化 | 可淬火马氏体牌号 | 铬、镍、铜、铝 | 老化处理后强度高 | 航空航天、发电 |
不锈钢粉末的制造工艺
不锈钢粉末可通过各种方法生产。主要生产工艺包括
雾化 - 熔化的不锈钢合金被雾化成细小的液滴，然后凝固成粉末颗粒。可采用水、气体、等离子或离心雾化方法。这样可生产出球形的精制粉末，非常适合 3D 打印。
电解 - 在电解槽中悬挂一个不锈钢物体作为阳极。阳极产生的氧气与钢发生反应，形成铁和铬的氧化物粉末。
铣削 - 不锈钢废料经机械碾磨成不规则、有棱角的粉末状，非常适合压制成压实物。成本较低，但粒度分布较广。
减少 - 使用氢气或一氧化碳还原不锈钢氧化物，生成精细的不锈钢粉末。
金属注射成型 - 不锈钢粉末和粘合剂原料经注塑成型，然后烧结成复杂的网状零件。
每种方法生产出的粉末大小、形状、纯度和成本各不相同。生产过程是根据应用而定制的。
不锈钢粉末的等级
市场上有各种标准等级的不锈钢粉末。常见的合金元素包括铬、镍、钼、锰和氮。以下是一些应用最广泛的牌号：
- 304/304L - 最受欢迎的牌号，具有出色的耐腐蚀性能
- 316/316L - 添加了钼，具有抗点蚀/缝隙腐蚀性能
- 410 - 基本马氏体牌号，通用型
- 420 - 含碳量较高，用于切削工具
- 17-4PH - 马氏体沉淀硬化牌号，强度高
- 15-5PH - 沉淀硬化，强度和硬度更高
- 定制牌号 - 为烧结、3D 打印等优化成分。
不锈钢粉末的特性
不锈钢粉末的主要特性包括
颗粒大小 - 一般为 5 至 150 微米。分布越窄，烧结效果越好。
形态学 - 雾化时为球形，铣削时为不规则形。影响流动和堆积密度。
表观密度 - 真实密度通常为 40 至 50%，表明颗粒之间存在孔隙。
流动性 - 对模具填充非常重要。球形颗粒和添加剂可改善效果。
压缩性 - 压实时的致密程度。对烧结至关重要。
烧结性 - 加热时粘合成致密块状的能力。受纯度、尺寸和形状的影响。
合金成分 - 确定强度、耐腐蚀性、耐磨性等性能。
通过控制粉末特性和成分，可根据应用需求定制成品烧结零件的性能。
应用 不锈钢粉末
不锈钢粉末的一些主要应用包括
三维打印
3D 打印也被称为快速成型制造，它利用激光或电子束能量将不锈钢粉末一层一层地打印出来。其优点包括设计自由、减少浪费、快速成型和大规模定制。常见的方法包括直接金属激光烧结（DMLS）、选择性激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）。
粉末冶金
在粉末冶金术中，不锈钢粉末经压制后烧结，用于制造齿轮、过滤器和汽车部件等高性能零件。可以低成本批量生产形状复杂的零件，同时将材料浪费降到最低。
表面涂层
不锈钢粉末涂料采用热喷涂或激光熔覆方法。为在苛刻条件下工作的部件表面提供耐磨性、防腐性、隔热性和导电性。
钎焊和焊接
不锈钢粉末浆料可用作填充物，用于连接需要异种材料结合或较大接缝间隙的不锈钢部件。钎焊可提供牢固的高温接头。
焊接
专用不锈钢粉末药芯焊丝用于焊接不锈钢材料，与实芯焊丝相比，可提高焊接强度和耐腐蚀性。粉芯可提供合金元素。
颗粒活性炭
在活性炭生产过程中添加不锈钢粉末，以提高水处理应用的机械强度和耐磨性。
其他小众应用
不锈钢粉末还可用于制造金刚石工具、纳米材料前体、电磁屏蔽、制造钢粉芯和摩擦材料。
如何选择不锈钢粉
选择合适的不锈钢粉取决于以下因素：
- 预期用途 - 这决定了所需的粉末性能和合金等级。例如，316L 粉末用于抗腐蚀，马氏体时效钢用于提高强度。
- 生产流程 - 为 AM、压制、热喷涂等量身定制的雾化、研磨或混合粉末。
- 颗粒大小和形状 - 用于 AM 的是 20 微米左右的球形细粉，而用于压制的是不规则的较大粉末。
- 纯度 - 99.5% 以上的高纯度是医疗植入物等关键应用所必需的。
- 表观密度 - 密度最好超过 3 g/cc，以获得更好的流动性和压实性。
- 费用 - 根据等级、纯度、颗粒特性和购买量，价格从每公斤 $50-$150 不等。
全球领先的供应商包括山特维克、赫格纳斯、卡彭特粉末产品公司、普莱克斯表面技术公司和中石油粉末公司，他们可以提供针对特定要求进行优化的粉末。在新产品开发过程中，最好与供应商密切协商。
不锈钢粉末制造工艺比较
| 过程 | 粒子形态学 | 颗粒大小 | 纯净 | 费用 | 应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 气体雾化 | 球形 | 5 - 150 μm | 高 | 中型 | 快速成型制造、表面涂层 |
| 水雾化 | 不规则球形 | 20 - 300 μm | 中型 | 低 | 冲压和烧结部件、涂层 |
| 空气等离子雾化 | 大部分为球形 | 10 - 150 μm | 中型 | 中型 | 金属注射成型、冲压 |
| 离心雾化 | 球形 | 20 - 150 μm | 高 | 高 | 快速成型制造 |
| 机械铣削 | 不规则、有棱有角 | 1 - 350 μm | 低 | 低 | 冲压和烧结部件 |
| 电解 | 树枝状，不规则 | 1 - 150 μm | 中型 | 中型 | 表面涂层、粉末冶金 |
| 减少金属 | 不规则、多孔 | 10 - 150 μm | 低 | 低 | 冲压和烧结部件 |
安装不锈钢粉末生产厂
安装不锈钢粉末生产设备需要注意以下因素：
- 选址 - 为设备、原材料和产品储存、公用设施、污水处理提供充足的空间。便于运输。
- 公用设施 - 供电、工艺用水、压缩空气、惰性气体管道。
- 基金会 - 为雾化器、研磨机和还原炉提供坚固的混凝土基础。减震支架。
- 机械 - 按照制造商的说明安装高温炉、手套箱、雾化器、研磨机、旋风分离器、筛子等关键设备。
- 辅助系统 - 材料处理、粉尘收集、气体洗涤、废物处理、控制和自动化。
- 安全 - 防爆电气设备、灭火装置、充足的通风设备、处理金属粉末的个人防护设备。
- 调试 - 试生产，以验证粉末质量、生产率、安全材料处理和环保合规性。
- 认证 - ISO 9001 质量体系注册。获得 ASME、ASTM 等行业特定认证。
由经验丰富的专家进行正确的安装和调试，可确保不锈钢粉末设备安全、优化运行并实现最大产能。
不锈钢粉末设备的操作和维护
为了实现稳定的不锈钢粉末质量和生产率，主要的操作和维护指南包括
- 遵循启动、关闭、批次安排、材料处理、安全系统和环境监测的标准操作程序。
- 监控温度、压力、流速、功耗等关键工艺参数，并将其保持在优化范围内。
- 根据 ASTM 标准，对粉末批次进行代表性取样，并测试其大小、形状、化学性质、密度和流动性。
- 按计划对熔炉、气体管道、雾化器、旋风分离器、锤式粉碎机、筛子等进行预防性维护。
- 检查电机、齿轮、叶轮等旋转设备是否有振动和噪音，并润滑轴承。
- 经常校准压力表、热电阻、流量计等仪器，以确保准确性。
- 检查熔炉中的耐火材料和加热元件，并根据需要进行维修/更换，以避免意外故障。
- 确保除尘系统有效运行，将爆炸危险降至最低。遵守内务 SOP。
- 定期审核工艺安全系统，如紧急停车、火灾/气体探测、通风等。
有了训练有素的人员和勤勉的维护程序，不锈钢粉末生产设备可以运行多年而不会出现重大问题。
如何选择不锈钢粉供应商
在选择不锈钢粉供应商时，需要考虑的关键因素包括
- 粉末规格 - 能够提供所需的等级、颗粒大小/形状、纯度、密度和流动特性。
- 质量认证 - 供应商应通过 ISO 9001、AS9100 和 Nadcap 认证，并有质量证明文件。
- 技术专长 - 冶金知识，为特定应用定制粉末并提供应用支持。
- 制造能力 - 利用现代化的雾化、研磨和筛分技术，稳定地生产粉末。
- 测试能力 - 设备齐全的实验室可按照国际标准进行全面的粉末测试和表征。
- 研发能力 - 参与 AM 等新兴应用的研究和新产品开发。
- 客户服务 - 及时回复咨询、订单和要求。明确定价、交货和退货条款。
- 遵守法规 - SDS 和环境法规合规证书等文件。
- 物流网络 - 能够用符合危险货物标准的包装安全运送材料。
全球领先的不锈钢粉末供应商包括山特维克、卡彭特粉末产品公司、霍加纳斯、普莱克斯表面技术公司和中石油粉末公司。
的利弊 不锈钢粉末
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 出色的强度和耐腐蚀性 | 与碳钢相比成本相对较高 |
| 可通过烧结和 AM 技术形成复杂形状 | 导热性低于其他金属 |
| 适用于各种应用的多种等级 | 需要进行表面处理以提高美观度 |
| 可通过合金高度定制特性 | 难以加工某些淬火等级的材料 |
| 易于消毒，以保证食品/医疗用途的卫生 | 在某些环境下可能会发生点蚀 |
| 良好的高温性能 | 导电性/导磁性不如其他金属 |
| 100% 可回收、环保 | 由于细粉末的反应性，需要特殊处理 |
| 具有高可用性的成熟制造方法 | 全球合格供应商数量有限 |
不锈钢粉末与不锈钢固体
| 参数 | 不锈钢粉末 | 不锈钢固体 |
|---|---|---|
| 国家 | 细粉末状 | 实心棒材、板材、管材 |
| 制造业 | 雾化、电解、研磨 | 不锈钢锭的铸造、轧制和机械加工 |
| 组成 | 通常是定制合金 | 标准 300/400 系列等级 |
| 应用 | 快速成型制造、粉末冶金 | 焊接件和成品部件的一般制造 |
| 属性 | 细粒度，无应变 | 颗粒较粗，可能存在应力 |
| 加工 | 压实和烧结 | 弯曲、机加工、焊接、热处理 |
| 费用 | 每公斤 $50-150 | 商品级每公斤 $3-10 |
| 可用性 | 供应商数量有限 | 全球随时可用 |
| 准备时间 | 定制订单可加长 | 缩短标准等级的交货时间 |
常见问题
问：最常见的不锈钢粉末等级有哪些？
答：304、304L 和 316L 是最常见的奥氏体牌号，而 410 和 17-4PH 则是广泛使用的马氏体牌号。此外，还可提供针对 AM 或烧结应用进行优化的定制合金。
问：不锈钢粉末颗粒的典型尺寸范围是多少？
答：颗粒大小从 1 微米到 150 微米不等。不过，10-45 微米的粒度在 MIM、AM 和冲压等许多应用中很常见。
问：不锈钢粉末冶金零件的耐腐蚀性会受到什么影响？
答：如果没有完全致密化，P/M 零件的耐腐蚀性会比锻造零件略低，这是由于残留的孔隙率造成的。适当的烧结和表面处理可将这种影响降至最低。
问：不锈钢粉末在处理过程中表面氧化的原因是什么？
答：细不锈钢粉末暴露在空气中容易氧化。建议使用真空或惰性气体环境处理，以防止氧化。
问：与锻造不锈钢相比，P/M 不锈钢的可加工性和可切削性如何？
答：由于多孔性和较高硬度，P/M 不锈钢的韧性和可切削性不如锻造不锈钢。在烧结前对粉末密实体进行绿色加工可提高光洁度。
问：商用不锈钢粉末设备的典型生产率是多少？
答：生产率取决于设备规模和工艺。一般中等规模的设备每小时可生产 100-300 公斤不锈钢粉末。
问：在使用不锈钢粉时需要采取哪些安全预防措施？
答：使用呼吸器避免吸入粉尘。确保充分通风、接地和防电火花照明，防止粉尘爆炸。使用除尘设备和个人防护设备。
结论
不锈钢粉末在强度、耐腐蚀性和制造灵活性方面具有明显的优势。不锈钢粉末的制造方法、合金等级、颗粒特性和应用多种多样，为设计工程师利用粉末冶金和添加剂技术开发创新部件提供了更多选择。通过选择合适的粉末、生产方法和工艺参数，不锈钢粉末可以在各行各业最苛刻的条件下提供卓越的性能。