Estado actual del desarrollo de la pulvimetalurgia en China
Resumen de la industria mundial de pulvimetalurgia
En 2003, el volumen mundial de transporte de pulvimetalurgia fue de aproximadamente 880.000 toneladas, de las cuales 51 correspondieron a Estados Unidos y Europa. 18, Japón 13 y otros países y área 18. El polvo de hierro representa más del 90% del polvo total. Desde 2001, el mercado mundial de polvo de hierro ha seguido creciendo, con un aumento de casi el 20% en cuatro años.
La industria del automóvil sigue siendo el mayor motor y el mayor usuario del desarrollo de la industria pulvimetalúrgica. Por un lado, la producción de automóviles está aumentando y, por otro, también está aumentando el consumo de piezas de pulvimetalurgia en un solo automóvil. América del Norte tiene el consumo promedio más alto de piezas de pulvimetalurgia por vehículo con 19,5 kg, Europa es de 9 kg y Japón es de 8 kg. Debido al rápido desarrollo de la industria automotriz, el mercado de piezas de pulvimetalurgia de China tiene enormes perspectivas y se ha convertido en el foco de muchas empresas internacionales de pulvimetalurgia.
Las piezas a base de hierro para pulvimetalurgia se utilizan principalmente en motores, sistemas de transmisión, sistemas ABS, dispositivos de encendido, etc. Las dos tendencias principales en el desarrollo del automóvil son la reducción del consumo de energía y la protección del medio ambiente; los principales medios técnicos son el uso de sistemas de motor avanzados y el aligeramiento.
La filtración de los gases de escape de los automóviles en Europa proporciona un enorme mercado para los materiales porosos de la pulvimetalurgia. En las condiciones actuales de funcionamiento del motor, los materiales porosos metálicos de la pulvimetalurgia tienen mejores ventajas de rendimiento y costos que los materiales cerámicos.
Los materiales para herramientas son otro producto importante en la industria pulvimetalúrgica, especialmente el carburo cementado. En la actualidad, el desarrollo de la industria manufacturera avanza hacia las 3A, es decir, agilidad, adaptabilidad y previsibilidad. Esto requiere que las propias herramientas de procesamiento sean más afiladas, más rígidas y más resistentes; la gama de materiales de procesamiento se amplía a Luhe, aleaciones de magnesio, aleaciones de titanio y cerámica. Los requisitos de precisión dimensional son altos; los requisitos de costos de procesamiento son bajos; se debe minimizar el impacto en el medio ambiente y la proporción de procesamiento en seco debe ser mayor. Estos nuevos requisitos aceleran el desarrollo de materiales para herramientas de pulvimetalurgia. El tamaño de grano del carburo cementado (< < 200 nm = = y tamaño de grano ultragrueso (> 6 um); con el rápido desarrollo de la tecnología de recubrimiento, las tecnologías CVD, PVD y PCVD se están volviendo cada vez más perfectas, y existen muchos tipos de recubrimientos. que van desde CVDTiCN/Al2O3/TiN de uso común hasta CVDTiCN (BN cúbico policristalino) y CVDTiCN, Al2O3, cBN (BN cúbico) y SiMAlON, etc., para satisfacer las necesidades de las ocasiones de procesamiento.
El desarrollo de. La industria de la información también es para la pulvimetalurgia. La industria ofrece nuevas oportunidades. Los productos de pulvimetalurgia utilizados en la industria electrónica japonesa han alcanzado los 4,3 dólares estadounidenses al año, de los cuales los materiales de disipador de calor representan el 23% y los materiales luminiscentes y de electrodos puntuales. El primero incluye principalmente materiales de disipación de calor, como Si/SiC y Cu-Mo, Cu-W, Al-SiC, AlN, Cu/diamante, etc. El segundo incluye principalmente materiales de tungsteno y molibdeno.
Moldeo por inyección de polvo
El moldeo por inyección de polvo sigue siendo un punto importante en la investigación actual 1. Los campos de aplicación de los materiales de moldeo por inyección de polvo han evolucionado a partir de materiales a base de hierro, materiales de carburo cementado y cerámicas. son insensibles al contenido de impurezas y tienen bajos requisitos de rendimiento para las aleaciones de alta temperatura a base de níquel, aleaciones de titanio y materiales de niobio. Los materiales se han convertido en materiales funcionales, como materiales disipadores de calor, materiales magnéticos, aleaciones con memoria de forma, etc. La estructura también se ha desarrollado desde una estructura uniforme única hasta una estructura compuesta. La tecnología de moldeo por inyección de metal puede realizar el moldeo simultáneo de polvos de diferentes componentes, obteniendo así una estructura tipo sándwich, por ejemplo, combinando acero inoxidable 316L y 17-. Aleación 4PH, las propiedades mecánicas se pueden ajustar continuamente. Una dirección de desarrollo importante del moldeo por inyección de polvo está estrechamente relacionada con la tecnología de microsistemas, como la información electrónica, la microquímica, los equipos médicos, etc. La tecnología de moldeo por microinyección brinda la posibilidad de implementación. Es una mejora de la tecnología de moldeo por inyección tradicional para desarrollar piezas con estructuras tan pequeñas como 1um. el polvo de materia prima es más pequeño. Los dispositivos de microfluidos con una precisión de microestructura de superficie de 65438 ± 00 um se desarrollan utilizando tecnología de moldeo por microinyección, con un tamaño de piezas de acero inoxidable de 350 um ~.
Realice la co-sinterización o co-conexión de diferentes composiciones de materiales y estructuras compuestas para obtener piezas microcompuestas magnéticas/no magnéticas, conductoras/no conductoras.
Tecnología de preparación de polvo
La atomización de polvo siempre ha sido una tecnología de preparación de polvo de alto rendimiento. La tecnología de atomización con aire caliente puede extender el tiempo que las gotas de metal permanecen en la fase líquida, permitiendo que el polvo sea triturado (atomizado) por segunda vez, mejorando así en gran medida la eficiencia de la atomización y obteniendo un tamaño de partícula de polvo más fino. Los resultados de la investigación de la empresa ASL muestran que si la temperatura del gas se aumenta a 330°C. El consumo de gas necesario para preparar polvo con el mismo tamaño de partícula se reduce en un 30%. Su análisis económico e investigación de ingeniería muestran que esta tecnología es completamente factible. La tecnología de atomización de polvo ha mejorado enormemente. Por ejemplo, la nueva atomización con gas libre puede producir polvos de acero para herramientas más finos con una distribución de carburo más uniforme y menos defectos. American Heglas Company aplica tecnología avanzada de fabricación de acero a la producción de polvo, combinando tecnología de horno de arco eléctrico, tecnología ADO, tecnología de atomización eficiente y tecnología de recocido con hidrógeno, lo que mejora en gran medida la calidad del polvo, la densidad verde y la resistencia. En términos de atomización activa de polvo, para reducir la reacción entre la masa fundida y el crisol durante el proceso de fundición, Alemania ha desarrollado la tecnología de atomización de gas de fundición por inducción de electrodos (EIGA), que puede preparar polvos altamente activos de titanio, circonio y Compuestos intermetálicos de TiAl. La aleación mecánica sigue siendo un tema de investigación popular, pero es principalmente un trabajo de laboratorio. Cabe mencionar que la empresa alemana Zoz utiliza su propio equipo de molino de bolas de alta energía para moler la escoria del horno de fusión por arco y luego recupera el metal mediante hidrometalurgia. Esta tecnología no sólo mejora el medio ambiente, sino que también abre un mercado enorme.
Tecnología de prensado de polvo
La tecnología tradicional de prensado de polvo depende en gran medida de la mejora de los equipos y la optimización de los procesos. Varios fabricantes de imprentas de renombre han lanzado nuevos modelos con un control de precisión más preciso y mayores niveles de automatización.
Teoría y tecnología de sinterización en polvo
Como un nuevo tipo de tecnología de sinterización rápida, la sinterización por microondas se ha aplicado completamente a materiales metálicos en polvo como acero en polvo, carburo cementado y metales no ferrosos. . La industrialización de la sinterización por microondas puede estar a la vuelta de la esquina, porque ni la madurez de los equipos y la tecnología ni la capacidad de producción en masa son un gran problema; los principales obstáculos son la aceptación y los riesgos de los fabricantes;
Hay muchos estudios sobre la sinterización por plasma por chispa (SPS), y el sistema de materiales también se ha expandido de la cerámica a los materiales metálicos, especialmente algunos materiales de grano ultrafino, como aleaciones de aluminio, aleaciones de magnesio, auto- lubricantes a base de hierro, etc. Sin embargo, debido a las características de la producción de una sola pieza, este método sólo puede utilizarse para algunas investigaciones básicas.
La deposición por pulverización tiene grandes ventajas en la preparación de materiales de grano grande y fino. Inicialmente, esta tecnología producía principalmente aleaciones de aluminio y aleaciones de aluminio y silicio. Con la mejora de la tecnología de fundición, la deposición por aspersión se ha utilizado para preparar aceros para herramientas y aleaciones de alta temperatura. La Universidad de Bremen en Alemania informó que se preparó un único anillo de aleación de alta temperatura con una masa superior a 100 kg, un diámetro interior de 40 mm, un diámetro exterior de 500 mm y un ancho de 100 mm utilizando un método de deposición por pulverización.
En los últimos años, la tecnología de creación rápida de prototipos ha atraído la atención de muchos estudiosos. La sinterización directa por láser de metales es el método más utilizado en pulvimetalurgia. Actualmente, esta tecnología se ha aplicado al polvo de acero y al polvo de aleación de titanio. Otro método de creación rápida de prototipos metálicos es la impresión 3D. Este método es muy conveniente para el microapilamiento tridimensional de aleaciones con diferentes composiciones según las diferentes necesidades estructurales y actualmente aún se encuentra en la etapa conceptual. Pero la tecnología se ha utilizado para preparar algunas estructuras compuestas de aglutinantes metálicos y materiales funcionales degradados.
Materiales porosos de polvo metálico
Los materiales porosos de polvo metálico se utilizan ampliamente, como materiales estructurales livianos, dispositivos de filtración de alta temperatura, membranas de separación, etc. El mercado más grande en la actualidad puede ser el de los filtros de humo para motores diésel. El Instituto Fraunhofer de Alemania ha desarrollado una tecnología para preparar esferas metálicas huecas. La suspensión de polvo metálico se recubre sobre la matriz polimérica, luego se retiran la matriz polimérica y el aglutinante y finalmente se sinterizan en varias bolas metálicas con estructuras huecas. Los diámetros de las esferas pueden oscilar entre 1 mm y 8 mm. La densidad de las esferas huecas de acero preparadas es de sólo 0,3 g/cm3.
Metal duro
Los nanocristales y las estructuras de gradiente son las dos direcciones clave del carburo cementado. Los materiales nanocristalinos incluyen el control del crecimiento de granos y la preparación de nanopolvos. Los aspectos de la aleación de estructura gradiente incluyen la relación entre el proceso y la estructura.
La incorporación de nanocristales estructurados en gradiente puede ser una buena dirección para lograr la capacidad de ajuste de las propiedades a un nivel más microscópico. El carburo tiene alta dureza y mala maquinabilidad. Es una tendencia de desarrollo utilizar el moldeo por inyección para preparar piezas pequeñas y medianas con formas complejas, pero su comercialización aún está controlada por la madurez tecnológica. Otros aspectos del trabajo con carburo cementado incluyen tierras raras y elementos de aleación TICA, tenacidad a la fractura y caracterización de confiabilidad.
Aleación de metal ligero en polvo
El aligeramiento del automóvil ofrece amplias perspectivas de aplicación para materiales metálicos ligeros como el aluminio, el magnesio y el titanio. Las aleaciones de aluminio en polvo se pueden usar en muchas partes de los automóviles, pero las aleaciones de aluminio y silicio pueden ser las primeras en usarse ampliamente en engranajes de bombas de aceite debido a su alta resistencia específica, alta rigidez específica, bajo coeficiente de expansión térmica y buena resistencia al desgaste. Desde una perspectiva de industrialización, es más importante optimizar el proceso de preparación de aleaciones de aluminio pulvimetalúrgicas. Otro foco de investigación sobre aleaciones de aluminio son los materiales compuestos, incluidos los tradicionales Al/SiC, Al/C, Al/BN, Al/Ti (C, N) y las aleaciones de aluminio reforzadas con nanotubos de carbono emergentes. Las aleaciones de aluminio en polvo de alta resistencia están estrechamente relacionadas con la tecnología de solidificación rápida. Mediante el diseño de componentes y la adición de compuestos intermetálicos a la matriz de aluminio puro, se pueden preparar aleaciones de aluminio con alta resistencia, alta tenacidad y alta estabilidad térmica. La resistencia a temperatura ambiente de este material es superior a 600 Mpa, el alargamiento es superior a 65438 ± 00, la estabilidad térmica a 400 °C es buena y el límite de fatiga es el doble que el de las aleaciones de aluminio forjado.
Las aleaciones de magnesio son menos densas y pueden tener mejores perspectivas de aplicación, pero aún están en investigación. El método de solidificación rápida también es un medio importante para preparar aleaciones de magnesio en polvo de alto rendimiento. Actualmente, no existe un gran problema con la seguridad de esta tecnología y las propiedades de los materiales preparados son mucho más altas que las de las aleaciones fundidas.
La aplicación de aleaciones de titanio en automóviles es principalmente una cuestión de costos. El principal obstáculo para las aleaciones de titanio en polvo es el polvo de titanio de alto rendimiento y bajo costo. La empresa británica QinetiQ Ltd ha desarrollado una tecnología de desoxidación en tienda (EDO) para producir en masa polvo de titanio. Esta tecnología es completamente diferente del proceso tradicional de hidrodeshidrogenación que utiliza esponja de titanio como materia prima. Es un método similar a la electrólisis de sales fundidas, con TiO_2 como cátodo y grafito como ánodo. Durante el proceso de electrólisis, el ánodo de TiO_2 migra y consume el carbono del ánodo para generar CO, y el cátodo obtiene polvo de titanio. El contenido de oxígeno del polvo de titanio está entre 0,035 y 0,4. Esta tecnología también puede preparar cómodamente varios polvos de aleaciones de titanio. La sinterización de aleaciones de titanio en polvo también es una dificultad técnica debido a la sensibilidad a la atmósfera y a las impurezas, a menudo asociada con el prensado isostático en caliente o el procesamiento térmico posterior. Al agregar componentes eutécticos y elementos de tierras raras, la densidad de sinterización de las aleaciones de titanio en polvo se puede mejorar significativamente y sus propiedades mecánicas también pueden alcanzar el nivel de las aleaciones de titanio forjado. Esta serie de trabajos promoverá en gran medida la aplicación de aleaciones de titanio en componentes clave de maquinaria automotriz.
Tecnología de procesamiento posterior de piezas en polvo
El procesamiento posterior es crucial para el rendimiento de las piezas de pulvimetalurgia. El endurecimiento por sinterización combina sinterización y tratamiento térmico, y la composición de la aleación y las condiciones de enfriamiento tienen una gran influencia en las propiedades del material. Miba utiliza tecnología de perforación para evaluar la maquinabilidad de las piezas. Kobe Steel añadió un óxido de calcio compuesto al acero sinterizado para reemplazar el MnS comúnmente utilizado, lo que mejoró significativamente la maquinabilidad de las piezas sin dañar las propiedades mecánicas de las mismas. Además, a medida que se amplía el alcance de las aplicaciones, el corte de polvo de aluminio y materiales compuestos y el corte con alambre de materiales porosos también han atraído la atención de la gente.
El endurecimiento de la superficie es un medio importante para mejorar los engranajes de pulvimetalurgia. Aunque la densidad de las piezas a base de hierro ha alcanzado los 7,4 g/cm3, aún es necesario mejorar aún más la densidad y la dureza en la raíz del diente y la superficie de contacto. El laminado radial se ha convertido en un medio importante. Actualmente, los principales fabricantes de piezas a base de hierro están prestando gran atención a la producción y aplicación de engranajes pulvimetalúrgicos de alto rendimiento.
Simulación y estandarización de procesos de pulvimetalurgia
Europa ha puesto en marcha dos programas (PM Modnet y PM Dienet), dirigidos primero a la simulación del proceso de producción de piezas a base de hierro, y luego Al intentar extenderlo a otros sistemas materiales, se han logrado muchos resultados. El Reino Unido también ha puesto en marcha un plan de investigación a gran escala, que incluye 7 grupos de investigación y 23 empresas, que estudia principalmente el control de procesos de diversos procesos de prensado de materiales. Por lo tanto, la simulación del proceso de prensado de polvo se ha convertido en un punto de investigación.
Relativamente hablando, existen pocos trabajos teóricos básicos, como ecuaciones de densificación y ecuaciones constitutivas, y se utilizan más métodos de simulación numérica, como los elementos finitos. Por supuesto, la simulación del proceso de prensado también incluye fricción, desmolde, llenado del molde y simulación del rendimiento de la pieza prensada.
La observación dinámica y el control de calidad del producto de los procesos de pulvimetalurgia están estrechamente relacionados con la producción diaria. Utilizando el método CT de rayos X, la densidad tridimensional, la porosidad, la distribución del tamaño de las partículas y el crecimiento del cuello de sinterización durante el proceso de sinterización del polvo se pueden observar de forma fácil y dinámica. La IET de alta temperatura también puede medir la rigidez y la fricción interna de los materiales y, combinada con otros medios, puede describir fácilmente la evolución dinámica de la microestructura y las propiedades mecánicas. La tecnología de imágenes térmicas dinámicas puede detectar rápidamente grietas en los espacios en blanco de inyección. En la actualidad, los métodos acústicos son los más utilizados en las líneas de producción. Las principales empresas de pulvimetalurgia utilizan esta tecnología de prueba no destructiva para descubrir rápidamente productos defectuosos o predecir el rendimiento del producto, incluidas la alemana GKN, la japonesa Nissan Motor y la española Ames. Sin embargo, este análisis cuantitativo es un trabajo sistemático, que incluye estadística multivariada, análisis de imágenes, teoría física y química y simulación numérica. , y sólo los trabajadores multidisciplinarios pueden trabajar juntos para lograr una caracterización precisa.
La pulvimetalurgia es muy beneficiosa para la preparación de determinados materiales funcionales especiales. Por ejemplo, se pueden preparar materiales superconductores nanoestructurados de MgB2 e imanes de CuNb mediante aleación mecánica. El mercado más grande de materiales funcionales en polvo son los materiales magnéticos. En lo que respecta a los materiales NbFeB, el uso de polvo atomizado para mejorar la densidad y el rendimiento es la dirección más importante. Este polvo es adecuado para moldeo por inyección, por lo que es de gran importancia para la preparación de piezas de material magnético de formas especiales de tamaño pequeño y mediano. El material compuesto magnético blando (SMC) es una estructura compuesta de polvo de hierro y tiene un mercado de aplicaciones muy amplio en motores. Por ello, existen numerosos estudios en esta área, incluyendo análisis de mercado y aplicaciones, diseño y optimización estructural, control de producción y procesos, comportamiento a fatiga, etc.