La preparación de polvos metálicos y sus compuestos ha desarrollado numerosos métodos, y se han establecido varias clasificaciones para estos métodos.
Según el estado de la materia prima, los métodos pueden dividirse en sólidos, líquidos y gaseosos; según el estado de los reactivos, pueden clasificarse en húmedos y secos; y según el principio de producción, pueden dividirse en fisicoquímicos y mecánicos.
En general, en los métodos fisicoquímicos, los más importantes son la reducción, la reducción-combinación y la electrólisis, mientras que en los métodos mecánicos destacan la atomización y la molienda mecánica.
La elección del método de producción de polvo metálico depende de la materia prima, el tipo de polvo, los requisitos de rendimiento del material en polvo y la eficiencia de la producción de polvo.
A medida que se generaliza la aplicación de productos pulvimetalúrgicos, los requisitos de tamaño, forma y rendimiento de las partículas de polvo son cada vez mayores.
Por ello, la tecnología de preparación de polvos evoluciona e innova continuamente para satisfacer los requisitos de tamaño y rendimiento de las partículas.
2.1.1 Método de reducción
La reducción de óxidos metálicos y sales es un método muy utilizado para la preparación de polvo. El carbono sólido puede utilizarse para reducir el polvo de hierro y wolframio, mientras que el hidrógeno o el amoníaco descompuesto se emplean para producir polvos de wolframio, molibdeno, hierro, cobre, cobalto y níquel.
El polvo de hierro también puede producirse utilizando gas natural convertido y gas de hulla. El sodio, el calcio, el magnesio y otros metales pueden actuar como agentes reductores para producir tantalio, niobio, titanio, circonio, torio, uranio y otros polvos de metales raros.
El principio básico de este método de reducción es que la afinidad del agente reductor utilizado por el oxígeno es mayor que la del metal en el óxido o la sal, lo que permite la reducción del metal mediante la captura del oxígeno en el óxido metálico o la sal.
Dado que elementos metálicos reaccionan de forma diferente con el oxígeno, la estabilidad de los óxidos resultantes también varía. El grado de estabilidad del óxido puede caracterizarse por el tamaño de ΔG durante el proceso de oxidación. Cuanto menor sea el valor de ΔG durante la reacción, mayor será la estabilidad del óxido, lo que indica una mayor afinidad por el oxígeno.
Las ventajas de este método incluyen su simplicidad, fácil control de los parámetros del proceso, alta eficiencia de producción y bajo coste, lo que lo hace adecuado para la producción industrial.
Sin embargo, sólo es aplicable a materiales metálicos que reaccionan fácilmente con el hidrógeno y se vuelven quebradizos y propensos a la fractura tras la absorción de hidrógeno.
2.1.2 Reducción térmica de metales y método de reducción-combinación
La reducción térmica de metales implica la reducción de materias primas que pueden ser sólidas, gaseosas o incluso sales fundidas, teniendo estas dos últimas las características de reducción en fase gaseosa y precipitación en fase líquida.
Las aplicaciones industriales comunes del método de reducción térmica de metales incluyen el uso de calcio para reducir TiO2, ThO2, UO2, y otros; magnesio para reducir TiCl4, ZrCl4, TaCl5, y otros; sodio para reducir TiCl4, ZrCl4, K2ZrF6, K2TaF7, y otros; e hidruro de calcio (CaH2) para co-reducir óxido de cromo y óxido de níquel para la producción de polvo de acero inoxidable de níquel-cromo.
El método de reducción-combinación se refiere al proceso de obtención de carburos y boruros mediante la reacción de carbono, carburo de boro, silicio, nitrógeno y óxidos de metales refractarios.
2.1.3 Método de electrólisis
El método de electrólisis consiste en depositar polvo metálico en el cátodo mediante la electrólisis de sales fundidas o de sus soluciones acuosas. Casi todos los polvos metálicos pueden producirse por electrólisis, siendo especialmente adecuados los polvos de cobre, plata y estaño.
La electrólisis puede dividirse a su vez en electrólisis de solución acuosa, electrólisis de electrolito orgánico, electrólisis de sales fundidas y electrólisis de cátodo de metal líquido.
La ventaja de este método es que produce polvo metálico de gran pureza, normalmente con una pureza de 99,7% o superior para polvos de un solo elemento. Además, la electrólisis puede controlar con precisión el tamaño de las partículas, lo que permite producir polvos ultrafinos.
Sin embargo, el método de electrólisis consume una gran cantidad de electricidad, lo que se traduce en mayores costes de producción de polvo. La electrólisis acuosa puede producir polvos de Cu, Ni, Fe, Ag, Sn, Fe-Ni y otros metales (aleaciones), mientras que la electrólisis de sales fundidas puede producir polvos de Zr, Ta, Ti, Nb y otros metales.
2.1.4 Método del hidroxilo
Ciertos metales (como el hierro, el níquel, etc.) se sintetizan con monóxido de carbono para formar compuestos metálicos de carbonilo, que luego se descomponen térmicamente en polvo metálico y monóxido de carbono.
El polvo resultante es extremadamente fino y puro, pero el proceso es costoso. Industrialmente, se utiliza sobre todo para producir polvos finos y ultrafinos de níquel y hierro, así como polvos de aleaciones de Fe-Ni, Fe-Co, Ni-Co y otros.
2.1.5 Método de desplazamiento químico
El método de desplazamiento químico se basa en la reactividad de los metales, donde un metal más reactivo desplaza a un metal menos activo de su solución salina, produciendo un metal (partículas de polvo metálico) que se refina posteriormente utilizando otros métodos.
Este método se utiliza principalmente en la preparación de polvos de metales menos activos como Cu, Ag, Au.
2.2.1 Método de atomización
El método de atomización es un método mecánico de fabricación de polvo, que consiste en la pulverización directa de metal líquido o aleación para producir polvo. Se aplica ampliamente y es el segundo en escala tras el método de reducción.
También conocido como método de pulverización, puede utilizarse para producir polvos de metales como plomo, estaño, aluminio, cobre, níquel y hierro. También puede utilizarse en la producción de polvos de aleaciones como bronce, latón, acero al carbono y acero inoxidable. acero aleado.
La atomización suele implicar el uso de gas a alta presión, líquido a alta presión o paletas giratorias de alta velocidad para romper el metal o la aleación fundidos a alta temperatura y alta presión en diminutas gotitas. A continuación, estas gotitas se condensan dentro de un colector para formar polvo metálico ultrafino, un proceso que no implica cambios químicos.
La atomización es uno de los principales métodos para producir polvos metálicos y de aleación. Existen muchos métodos de atomización, como la atomización de doble flujo, la atomización centrífuga, la atomización multietapa, la tecnología de atomización ultrasónica, la tecnología de atomización fuertemente acoplada, la atomización con gas a alta presión, la atomización de flujo laminar, la atomización ultrasónica fuertemente acoplada y la atomización con gas caliente.
El polvo atomizado presenta ventajas como un alto grado de esfericidad, granularidad del polvo controlable, bajo contenido de oxígeno, bajo coste de producción y adaptabilidad a la producción de diversos polvos metálicos.
Se ha convertido en la principal dirección de desarrollo para la tecnología de preparación de polvos de aleaciones especiales y de alto rendimiento. Sin embargo, la atomización tiene desventajas como la baja eficiencia de producción, una baja tasa de rendimiento de polvo ultrafino y un consumo de energía relativamente alto.
2.2.2 Método de pulverización mecánica
La pulverización mecánica de metales sólidos es un método distinto para la producción de polvo, estrechamente relacionado con el estado final de la deformación sólida y la formación y extensión de grietas durante la pulverización.
Además, sirve como proceso complementario indispensable para algunos métodos de producción de polvo, como la molienda de precipitados catódicos quebradizos producidos electrolíticamente, o la molienda de trozos metálicos esponjosos producidos mediante reducción. Por lo tanto, el método de pulverización mecánica ocupa una posición importante en la producción de polvo.
El método de pulverización varía según la naturaleza de los materiales y el grado de pulverización requerido.
Dependiendo del modo de aplicación de la fuerza externa, la pulverización del material se produce generalmente por compresión, impacto, trituración y división focalizada. Los principios de funcionamiento de los distintos equipos de pulverización se basan en estos métodos.
Entre ellas, la molienda por bolas incluye principalmente la molienda por bolas rodantes y la molienda por bolas vibrantes. métodos de fresado. Este método utiliza el mecanismo por el cual las partículas metálicas se descomponen en sustancias más finas debido a la deformación a diferentes velocidades de deformación.
Entre sus ventajas se incluyen la baja selectividad hacia los materiales, el funcionamiento continuo, la alta eficiencia de producción y que es adecuado para la molienda en seco y en húmedo, lo que facilita la preparación de diversos polvos de metales y aleaciones. El inconveniente es que la clasificación es relativamente difícil durante el proceso de preparación del polvo.
2.2.3 Método de molienda
El método de trituración consiste en dirigir gas comprimido a través de una boquilla especializada a la zona de trituración, lo que hace que los materiales que se encuentran dentro de esta zona colisionen y se muelan hasta convertirse en polvo.
El flujo de aire expandido asciende junto con los materiales hasta la zona de clasificación, donde un clasificador de tipo turbina separa los materiales que han alcanzado la granularidad deseada.
El polvo grueso restante vuelve a la zona de trituración para seguir moliendo hasta alcanzar la granularidad requerida para la separación. El método de molienda, al ser un proceso en seco, elimina la necesidad de operaciones de deshidratación y secado del material.
El producto resultante es de alta pureza, gran actividad y buena dispersabilidad, con granularidad fina y un estrecho rango de distribución. Las partículas tienen superficies lisas y se aplican ampliamente en industrias como la de no metales, materias primas químicas, pigmentos, abrasivos, productos farmacéuticos para la salud y otras para la trituración ultrafina.
Sin embargo, el método de molienda presenta algunos inconvenientes, como los elevados costes de fabricación de los equipos y, en el proceso de producción de polvo metálico, se requiere un suministro continuo de gas inerte o nitrógeno como fuente de gas comprimido, lo que conlleva un importante consumo de gas.
Por lo tanto, sólo es adecuado para los procesos de trituración y pulverización de metales y aleaciones frágiles.
Con el avance de la tecnología, los polvos metálicos se han desarrollado y aplicado en campos como la metalurgia, la ingeniería química, la electrónica, los materiales magnéticos, la cerámica fina y los sensores, mostrando prometedoras perspectivas de aplicación.
Los polvos metálicos tienden hacia una mayor pureza y un desarrollo superfino (nano). Aunque existen varios métodos para preparar polvos metálicos ultrafinos, cada método tiene sus limitaciones y hay muchos problemas que deben resolverse y perfeccionarse.
En la actualidad, los métodos más utilizados para producir polvos metálicos son la reducción, la electrólisis y la atomización.
Además, las mejoras en los procesos de producción tradicionales han dado lugar a muchas técnicas y métodos de producción nuevos, como la atomización por ultrasonidos, la atomización por disco giratorio, la atomización por doble y triple rodillo, la atomización multietapa, el proceso de electrodo giratorio de plasma y el método de arco eléctrico.
Entre los métodos para producir polvos metálicos, aunque muchos se han puesto en práctica, siguen existiendo dos problemas principales: la escala es pequeña y el coste de producción es elevado.
Para promover el desarrollo y la aplicación de materiales metálicos en polvo, es necesario hacer un uso exhaustivo de los distintos métodos, aprovechar sus puntos fuertes y compensar sus puntos débiles, y desarrollar procesos que generen mayores volúmenes de producción y menores costes.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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