Proszek stopu na bazie żelaza: co to jest, jak jest wytwarzany i jak wybrać odpowiedni gatunek

Czym jest proszek stopowy na bazie żelaza i dlaczego dominuje w metalurgii proszków

Proszek stopu na bazie żelaza — nazywany także proszkiem stopu żelaza lub proszkiem stopu Fe — to kategoria proszku metalicznego, w którym żelazo jest głównym pierwiastkiem składowym, stopionego z jednym lub większą liczbą pierwiastków wtórnych, w tym węglem, niklem, chromem, molibdenem, manganem, miedzią, krzemem lub fosforem, w celu uzyskania określonych właściwości mechanicznych, magnetycznych lub odpornych na korozję w gotowym elemencie lub powłoce. Proszki te stanowią podstawowy materiał w przemyśle metalurgii proszków (PM), który wykorzystuje procesy zagęszczania i spiekania do wytwarzania elementów metalowych w kształcie siatki lub w kształcie siatki, bez strat materiału w wyniku obróbki skrawaniem ze stałego materiału. Proszki na bazie żelaza stanowią przeważającą większość wszystkich proszków metali zużywanych na całym świecie – szacunki konsekwentnie wskazują, że proszek żelaza stanowi ponad 75% całkowitej produkcji proszków metali wagowo – co odzwierciedla zarówno nieodłączną przewagę kosztową materiałów na bazie żelaza, jak i dojrzałość procesów produkcyjnych, które były wokół nich zoptymalizowane przez ponad sto lat rozwoju przemysłu.

Dominacja proszku stopowego na bazie żelaza w produkcji wykracza daleko poza tradycyjną metalurgię proszków poprzez prasowanie i spiekanie. Proszki stopów żelaza są głównym surowcem do formowania wtryskowego metali (MIM) małych złożonych komponentów, do powlekania natryskowego cieplnego powierzchni zużytych lub narażonych na korozję, do laserowego stapiania proszku (LPBF) i procesów wytwarzania addytywnego z ukierunkowanym osadzaniem energii (DED), a także do prasowania izostatycznego na gorąco (HIP) dużych złożonych części. W każdym z tych zastosowań specyficzny skład chemiczny stopu i właściwości fizyczne proszku – rozkład wielkości cząstek, kształt cząstek, gęstość pozorna, płynność – muszą być dopasowane do wymagań procesu, dzięki czemu charakterystyka i specyfikacja proszku jest dyscypliną o charakterze technicznym, a nie prostym zadaniem doboru materiału.

Metody produkcji proszków stopów na bazie żelaza

Metoda zastosowana do produkcji proszek stopowy na bazie żelaza zasadniczo określa kształt cząstek proszku, stan powierzchni, mikrostrukturę wewnętrzną i przydatność do różnych dalszych procesów. Większość proszku żelaza produkowanego na skalę przemysłową przypada na cztery główne szlaki produkcyjne.

Atomizacja wody

Atomizacja wody is the dominant production method for iron based alloy powder used in conventional press-and-sinter PM and metal injection moulding. A stream of molten iron alloy is disintegrated by high-pressure water jets — typically at pressures of 80 to 200 bar — into a fine spray of droplets that solidify rapidly into powder particles. The rapid quenching produces irregular, angular, or satellite-free particles with a relatively rough surface texture, which provides good mechanical interlocking during die compaction and results in acceptable green strength in compacted parts. Water-atomised ferrous powder is produced in large volumes at relatively low cost, making it economically suited to the high-volume PM parts market. The main limitation is that the irregular particle shape and lower packing density of water-atomised powder make it less suitable for additive manufacturing processes, which require more spherical particles for consistent powder bed density and reliable recoating.

Atomizacja gazu

Atomizacja gazu replaces the water jets with high-pressure inert gas — argon or nitrogen — to disintegrate the molten metal stream. The slower cooling rate and surface tension effects during solidification produce highly spherical particles with smooth surfaces, low oxygen content, and high apparent density compared to water-atomised equivalents. Gas-atomised iron based alloy powders are the standard feedstock for additive manufacturing by laser powder bed fusion, electron beam powder bed fusion, and directed energy deposition, where spherical morphology is essential for consistent powder flowability, uniform layer spreading, and predictable melt pool behaviour during laser or electron beam processing. Gas atomisation is more energy-intensive and expensive than water atomisation, but the quality premium is justified for AM applications where powder cost represents a smaller fraction of total part cost than in conventional PM.

Redukcja tlenków żelaza

Proszek żelaza gąbczastego — wytwarzany przez redukcję w stanie stałym rudy żelaza lub zgorzeliny walcowniczej wodorem lub tlenkiem węgla w temperaturach poniżej temperatury topnienia żelaza — jest główną metodą produkcji proszku żelaza o wysokiej czystości stosowanego w częściach PM. W procesie redukcji powstaje porowata, przypominająca gąbkę struktura cząstek o charakterystycznej nieregularnej morfologii i dużej powierzchni. Proszek żelaza gąbczastego ma doskonałą ściśliwość — porowate cząstki łatwo odkształcają się pod ciśnieniem zagęszczania — i dobrą wytrzymałość początkową, dzięki czemu dobrze nadaje się do konwencjonalnego tłoczenia matrycowego elementów konstrukcyjnych z PM. Duża powierzchnia powoduje również, że proszki żelaza gąbczastego reagują na spiekanie, przyczyniając się do dobrego wiązania dyfuzyjnego pomiędzy cząstkami podczas cyklu spiekania. Głównym ograniczeniem jest nieregularny kształt cząstek i porowatość, które ograniczają pozorną gęstość i sypkość w porównaniu z proszkami rozpylanymi.

Proces karbonylowy

Proszek karbonylożelaza (CIP) powstaje w wyniku rozkładu termicznego pentakarbonylu żelaza — lotnego ciekłego związku utworzonego w wyniku reakcji żelaza z tlenkiem węgla pod ciśnieniem — w wyniku którego osadza się czysty proszek żelaza o wyjątkowo drobnych cząstkach, zwykle w zakresie od 1 do 10 mikrometrów. Powstałe cząstki proszku to prawie idealne kulki o bardzo wysokiej czystości (zwykle > 99,5% Fe) i charakterystycznej wewnętrznej mikrostrukturze przypominającej cebulową skórkę o koncentrycznych otoczkach. Proszek żelaza karbonylowego jest stosowany w zastosowaniach wymagających bardzo małych cząstek i wysokiej czystości – w tym przy formowaniu wtryskowym metali bardzo małych elementów, zastosowaniach z rdzeniem magnetycznym oraz jako materiał odniesienia do charakteryzowania proszku. Nie jest on stosowany w konwencjonalnych materiałach PM prasowanych i spiekanych, ponieważ drobny rozmiar cząstek sprawia, że ​​napełnianie matrycy i obsługa są niepraktyczne na dużą skalę.

Główne systemy proszków stopów na bazie żelaza i ich właściwości

Proszki stopów na bazie żelaza obejmują szeroki zakres składu. Dobór pierwiastków stopowych i ich stężenia determinują właściwości mechaniczne możliwe do uzyskania po spiekaniu, hartowność spiekanej części oraz odporność gotowego elementu na korozję i zużycie. Każdy z głównych systemów stopów stosowanych komercyjnie ma odmienne właściwości i profile zastosowań.

Na szczególną uwagę zasługuje system Fe-Ni-Mo-C, ponieważ stanowi wzorzec wydajności dla konwencjonalnych części PM o wysokiej wytrzymałości. Proszki stopów dyfuzyjnych w tym systemie — takie jak gatunki Höganäs Distaloy — powodują wstępne stopienie lub częściowe stopowanie niklu i molibdenu na powierzchni proszku żelaza podczas produkcji, uzyskując kompromis pomiędzy ściśliwością pierwiastkowego proszku żelaza a hartownością całkowicie wstępnie stopionego proszku. Powstałe części spiekane po obróbce cieplnej mogą osiągnąć wytrzymałość na rozciąganie powyżej 1000 MPa przy dobrej odporności zmęczeniowej, dzięki czemu komponenty PM mogą zastąpić kutą stal w wymagających zastosowaniach konstrukcyjnych w przemyśle motoryzacyjnym, w tym korbowodach, przekładniach i elementach mechanizmów rozrządu.

Charakterystyka cząstek i dlaczego mają one znaczenie

Właściwości fizyczne cząstek proszku stopu na bazie żelaza – niezależnie od ich składu chemicznego – zasadniczo determinują zachowanie proszku podczas przetwarzania. Dwa proszki o identycznym składzie chemicznym stopu, ale różnych właściwościach cząstek, mogą dawać radykalnie różne wyniki w procesie zagęszczania, spiekania lub wytwarzania przyrostowego. Najważniejsze do zrozumienia i określenia są następujące parametry cząstek.

Rozkład wielkości cząstek (PSD)

Rozkład wielkości cząstek opisuje zakres wielkości cząstek obecnych w proszku, zwykle wyrażany jako wartości D10, D50 i D90 — średnice, poniżej których spada odpowiednio 10%, 50% i 90% objętości cząstek. W przypadku konwencjonalnego prasowania i spiekania PM proszek o średnicy D50 w zakresie od 60 do 100 mikrometrów i szerokim rozkładzie zapewnia dobre wypełnianie matrycy, zagęszczanie i reaktywność podczas spiekania. Do formowania wtryskowego metali wymagane są znacznie drobniejsze proszki — D50 od 5 do 15 mikrometrów — aby umożliwić uzyskanie dużej gęstości upakowania wymaganej w surowcu MIM i uzyskanie drobnoziarnistej mikrostruktury potrzebnej w małych, złożonych częściach MIM. W przypadku laserowego stapiania łoża proszku AM wymagana jest ściśle kontrolowana dystrybucja D50, zwykle w zakresie od 25 do 45 mikrometrów, i ostre odcięcia na obu końcach, aby zapewnić stałą gęstość złoża proszku i niezawodne ponowne powlekanie bez segregacji i aglomeracji.

Morfologia cząstek

Kształt cząstek — opisywany jakościowo jako kulisty, nieregularny, kątowy lub dendrytyczny lub ilościowo na podstawie pomiarów współczynnika kształtu i kołowości — wpływa na sypkość proszku, gęstość pozorną, gęstość usadową z usadem i ściśliwość. Sferyczne cząstki przepływają swobodniej, upakowują się do wyższych gęstości pozornych i nasypowych i są niezbędne w procesach zależnych od osadzania proszku grawitacyjnie lub ślimakowo, takich jak systemy złoża proszkowego AM. Nieregularne cząstki blokują się podczas zagęszczania i zapewniają wyższą wytrzymałość na surowo w prasowanych wypraskach, co czyni je preferowanymi w przypadku konwencjonalnych PM pomimo ich niższego przepływu i wydajności upakowania. Prawidłowa morfologia cząstek zależy całkowicie od dalszego procesu — nie ma uniwersalnie optymalnego kształtu cząstek.

Gęstość pozorna i płynność

Gęstość pozorna — masa jednostkowa objętości sypko wysypanego proszku, mierzona za pomocą wypełnienia lejka przepływomierza Halla zgodnie z normą ISO 3923 lub ASTM B212 — jest praktycznym wskaźnikiem ilości proszku zawartej w danej objętości matrycy i wpływa na stopień zagęszczenia niezbędny do osiągnięcia docelowej gęstości masy początkowej. Płynność — mierzona jako czas przepłynięcia 50 g proszku przez znormalizowany otwór lub jako kąt spoczynku — określa, jak niezawodnie proszek wprowadza się do wnęk matrycy podczas zagęszczania z dużą prędkością. Na obie właściwości wpływa wielkość, kształt i stan powierzchni cząstek. Dodatek środka smarnego — zwykle stearynianu cynku lub wosku amidowego w ilości od 0,5 do 1,0% wagowych — stosuje się w konwencjonalnych mieszankach proszków PM w celu poprawy płynności i zmniejszenia tarcia ścianki matrycy podczas wyrzucania.

Zawartość tlenu i chemia powierzchni

Powierzchnie proszku żelaza łatwo utleniają się na powietrzu, tworząc cienkie warstwy tlenku żelaza, które wpływają na zachowanie podczas spiekania — warstwy tlenku muszą zostać zredukowane podczas spiekania, aby mogło nastąpić wiązanie metalurgiczne pomiędzy cząstkami. Zawartość tlenu w proszku stopu na bazie żelaza jest krytycznym parametrem jakości, zwykle określanym na poziomie poniżej 0,2% wagowo dla konwencjonalnego proszku PM i poniżej 0,05% dla gatunków proszku AM atomizowanych gazem, gdzie resztkowe wtrącenia tlenkowe w spiekanej mikrostrukturze są szczególnie szkodliwe dla właściwości zmęczeniowych. Proszki rozpylane wodą mają z natury wyższą zawartość tlenu niż ich odpowiedniki rozpylane w gazie, co wynika z utleniającego środowiska procesu atomizacji wody. Późniejsze wyżarzanie w wodorze zmniejsza ilość tlenków powierzchniowych oraz poprawia ściśliwość i spiekalność i jest standardowym etapem produkcji najwyższej jakości gatunków PM.

Zastosowania proszku stopu na bazie żelaza w różnych gałęziach przemysłu

Proszek stopu na bazie żelaza jest wykorzystywany w niezwykle różnorodnych zastosowaniach przemysłowych, przy czym każde z nich wykorzystuje inne aspekty właściwości materiału i specyficzne możliwości stosowanych w nim procesów produkcyjnych.

Samochodowe komponenty metalurgii proszków

Przemysł motoryzacyjny jest największym pojedynczym konsumentem proszków stopowych na bazie żelaza, odpowiadającym za około 70% całkowitego zużycia proszków żelazawych PM na całym świecie. Prasowanie i spiekanie PM przy użyciu atomizowanych wodą proszków Fe-Cu-C i Fe-Ni-Mo-C umożliwia produkcję szerokiej gamy elementów konstrukcyjnych pojazdów - między innymi przekładni, kół zębatych, elementów rozrządu, korbowodów, gniazd zaworów, wirników pomp olejowych i pierścieni czujnika układu przeciwblokującego (ABS). Ekonomiczne uzasadnienie stosowania PM w zastosowaniach motoryzacyjnych opiera się na połączeniu możliwości uzyskania kształtu netto (eliminacja operacji obróbki skrawaniem, które powodują znaczne koszty w przypadku części kutych lub odlewanych), wydajności materiałowej (minimalna ilość złomu w porównaniu z obróbką skrawaniem) i możliwości osiągnięcia stałych, wąskich tolerancji w produkcji wielkoseryjnej. Pojedynczy program wysokonakładowych części samochodowych PM może zużywać tysiące ton proszku na bazie żelaza rocznie z dedykowanej linii do prasowania i spiekania.

Produkcja przyrostowa stopów na bazie żelaza

Atomizowane gazowo proszki stopów na bazie żelaza — w szczególności stal nierdzewna 316L, stal nierdzewna 17-4PH, gatunki stali narzędziowej, w tym M2 i H13 oraz stal maraging 300 — należą do najczęściej stosowanych surowców do wytwarzania dodatków metalicznych metodą laserowego stapiania proszku. Możliwość wytwarzania bardzo złożonych geometrii bez użycia narzędzi sprawia, że ​​AM jest ekonomicznie atrakcyjny w przypadku części o małej objętości i wysokiej wartości, w tym narzędzi chirurgicznych, implantów ortopedycznych, zamków konstrukcyjnych dla przemysłu lotniczego, oprzyrządowania do form wtryskowych z konforemnymi kanałami chłodzącymi i niestandardowych komponentów przemysłowych. Wymagania dotyczące proszku w przypadku AM są znacznie bardziej rygorystyczne niż w przypadku konwencjonalnych PM – morfologia sferyczna, ścisła kontrola PSD, niska zawartość tlenu i azotu, brak cząstek satelitarnych i aglomeratów – i odpowiednio droższe, przy czym proszek ze stali nierdzewnej atomizowany gazem klasy AM jest zwykle sprzedawany od 5 do 15 razy drożej niż równoważne gatunki PM rozpylane wodą.

Powłoki natryskowe termiczne

Proszki stopów na bazie żelaza, w tym stopy odporne na zużycie Fe-Cr-C, stopy odporne na korozję Fe-Ni i różne gatunki stali nierdzewnej, są szeroko stosowane jako surowiec w procesach powlekania natryskowego cieplnego — paliwo tlenowe o dużej prędkości (HVOF), natryskiwanie plazmowe i natryskiwanie łukowe — w celu przywracania zużytych elementów, nakładania utwardzacza na powierzchnie o wysokim zużyciu i zapewniania powłok odpornych na korozję na urządzeniach przemysłowych. Proszki do natryskiwania termicznego do HVOF wymagają dokładnie kontrolowanej morfologii sferycznej i wąskiego rozkładu wielkości cząstek (zwykle od 15 do 45 lub 20 do 53 mikrometrów), aby zapewnić stałą szybkość podawania i zachowanie topnienia w pistoletu natryskowego. Odporność na zużycie powłok natryskiwanych cieplnie na bazie żelaza — zwłaszcza powłok na bazie Fe-Cr-C i powłok ze stopów amorficznych na bazie żelaza — może być zbliżona lub większa niż w przypadku systemów węglik wolframu-kobalt przy znacznie niższych kosztach materiałów.

Miękkie magnetyczne materiały kompozytowe

Proszki stopu Fe-Si i elektrycznie izolowane proszki czystego żelaza są wykorzystywane do produkcji komponentów z miękkiego kompozytu magnetycznego (SMC) — prasowanych rdzeni magnetycznych stosowanych w silnikach elektrycznych, transformatorach, cewkach indukcyjnych i siłownikach elektromagnetycznych. W przeciwieństwie do laminowanej stali krzemowej, która ogranicza geometrię rdzenia do dwuwymiarowych stosów laminacji, SMC umożliwia trójwymiarowe projekty ścieżek strumienia, które umożliwiają bardziej zwartą i wydajną geometrię silników. Wydajność rdzeni SMC — charakteryzująca się stratami rdzenia przy częstotliwości roboczej, maksymalną gęstością strumienia i przepuszczalnością — zależy w decydującym stopniu od integralności powłoki izolacyjnej na cząstkach proszku, osiągniętej gęstości zagęszczenia oraz obróbki cieplnej po zagęszczeniu stosowanej w celu zmniejszenia naprężeń zagęszczających i poprawy właściwości magnetycznych. Rosnące zapotrzebowanie na elektryczne silniki pojazdów i napędy przemysłowe napędza znaczne inwestycje w rozwój materiałów i procesów SMC.

Spiekanie proszku stopu na bazie żelaza: co się dzieje i co kontroluje wynik

Spiekanie — obróbka cieplna, która przekształca zagęszczoną masę proszku w spójny materiał konstrukcyjny poprzez dyfuzję w stanie stałym i tworzenie szyjki pomiędzy cząstkami — to decydujący etap procesu, który określa ostateczne właściwości komponentów PM wykonanych z proszku stopu na bazie żelaza. Zrozumienie procesu spiekania pomaga w wyborze odpowiednich systemów stopowych i określeniu warunków spiekania.

Konwencjonalne spiekanie części PM na bazie żelaza odbywa się w temperaturach od 1100 do 1300°C w kontrolowanej atmosferze — zazwyczaj w gazie endotermicznym, zdysocjowanym amoniaku lub mieszaninach wodoru i azotu — która redukuje tlenki powierzchniowe na cząstkach proszku, umożliwiając czysty kontakt żelazo-żelazo na granicy faz cząstek, gdzie zachodzi wiązanie dyfuzyjne. Podczas spiekania zachodzi kilka jednoczesnych procesów: redukcja tlenków, wzrost szyjki między cząstkami, zaokrąglanie i kurczenie się porów, dystrybucja węgla z dodatków grafitowych w celu utworzenia stałych roztworów żelaza i węgla oraz dyfuzja pierwiastków stopowych z dodatków stopowych lub wiązanych dyfuzyjnie. Mikrostruktura spieku – wielkość ziaren, poziom i rozkład porowatości, skład fazowy i jednorodność pierwiastków stopowych – determinuje końcowe właściwości mechaniczne części.

Spiekanie w wysokiej temperaturze powyżej 1200°C znacznie poprawia właściwości mechaniczne w porównaniu ze spiekaniem konwencjonalnym w temperaturze 1120°C poprzez poprawę homogenizacji pierwiastków stopowych, zmniejszenie porowatości resztkowej i poprawę jakości spajania dyfuzyjnego. Poprawa wytrzymałości na rozciąganie, wytrzymałości zmęczeniowej i energii uderzenia może wynosić od 20 do 40% w porównaniu z konwencjonalnie spiekanymi odpowiednikami. W przypadku każdego zastosowania należy porównać wyższe koszty inwestycyjne pieców do spiekania w wysokiej temperaturze i zwiększone zużycie energii z poprawą właściwości.

Parametry jakościowe do określenia przy pozyskiwaniu proszku stopowego na bazie żelaza

Prawidłowe określenie proszku stopu na bazie żelaza dla danego zastosowania wymaga zdefiniowania zarówno właściwości chemicznych, jak i fizycznych, które są krytyczne dla dalszego procesu. W przypadku każdego zamówienia proszku żelaza do celów produkcyjnych należy potwierdzić i udokumentować następujące parametry:

• Skład chemiczny i certyfikacja: Określ docelowy skład wszystkich głównych i drugorzędnych pierwiastków stopowych z akceptowalnymi zakresami tolerancji i wymagaj certyfikatów analizy chemicznej identyfikowalnej dla partii (zwykle metodą ICP-OES lub fluorescencji rentgenowskiej) dla każdej dostarczanej partii. W przypadku gatunków stali nierdzewnej i narzędziowej należy potwierdzić zgodność z odpowiednimi międzynarodowymi oznaczeniami stopów (AISI, EN, JIS) i sprawdzić, czy specyfikacja składu dostawcy jest zgodna z zamierzonym procesem spiekania i obróbki cieplnej.
• Rozkład wielkości cząstek: Określ wartości D10, D50 i D90 w dopuszczalnych zakresach dopasowanych do dalszego procesu — konwencjonalnego PM, AM, MIM lub natryskiwania termicznego — i wymagaj danych z dyfrakcji laserowej lub analizy sitowej dla każdej partii. W przypadku zastosowań AM należy dodatkowo określić maksymalny rozmiar cząstek (Dmax), aby zapobiec nadmiernym cząstkom, które powodują uszkodzenie lakiernika lub defekty warstwy.
• Gęstość pozorna i natężenie przepływu: Określ minimalną akceptowalną gęstość pozorną (ASTM B212 lub ISO 3923) i maksymalny dopuszczalny czas przepływu (ASTM B213 lub ISO 4490) odpowiednie dla Twojego sprzętu do zagęszczania i wymagań dotyczących szybkości produkcji. Zmiany gęstości pozornej pomiędzy partiami wpływają na stopień zagęszczenia i mogą przesunąć gęstość gotowej części poza specyfikację.
• Zawartość tlenu i węgla: Określ maksymalną zawartość tlenu odpowiednią do zastosowania — zazwyczaj 0,15 do 0,25% dla konwencjonalnego proszku PM rozpylanego metodą wodną, poniżej 0,05% dla gatunków AM rozpylanych gazem. W przypadku stopów Fe-C należy oddzielnie określić węgiel całkowity i węgiel wolny (grafit), jeśli oba są obecne w gatunkach wstępnie zmieszanych.
• Dokumentacja morfologiczna: W przypadku gatunków AM i natryskiwanych termicznie, gdzie kształt cząstek ma krytyczny wpływ na wydajność procesu, należy zażądać obrazów SEM (skaningowego mikroskopu elektronowego) z każdej partii produkcyjnej, aby potwierdzić kulistość, brak cząstek satelitarnych i brak pustych cząstek. Cząstki satelitarne — małe cząstki połączone z większymi podczas atomizacji — zakłócają jakość warstwy złoża proszku w AM i mogą powodować defekty w postaci plucia podczas natryskiwania termicznego.
• Badanie ściśliwości gatunków PM: W przypadku konwencjonalnych gatunków PM do tłoczenia należy określić minimalną gęstość na surowo przy określonym ciśnieniu zagęszczania (zwykle wyrażanym jako g/cm3 przy zagęszczaniu 600 MPa) mierzonym zgodnie z normą ASTM B331 lub równoważną. Ściśliwość wpływa bezpośrednio na osiągalną gęstość spieku i jest wrażliwa na zawartość tlenu, twardość cząstek i poziom dodatku smaru.
• Możliwość śledzenia partii i okres przydatności do spożycia: Potwierdź, że system produkcji i jakości dostawcy zapewnia pełną identyfikowalność partii od surowca poprzez atomizację, przetwarzanie końcowe i pakowanie. Ustal zalecane warunki przechowywania — szczelne pojemniki w atmosferze gazu obojętnego lub suchego powietrza, maksymalną temperaturę przechowywania — i okres przydatności do spożycia, zanim wymagane będzie ponowne badanie. Proszki na bazie żelaza są podatne na utlenianie i wchłanianie wilgoci, jeśli są niewłaściwie przechowywane, szczególnie w przypadku drobnych cząstek o dużej powierzchni.

Postępowanie i względy bezpieczeństwa dla proszków stopów na bazie żelaza

Proszki stopów na bazie żelaza stwarzają szczególne zagrożenia dla bezpieczeństwa i obsługi, które wymagają odpowiednich kontroli w środowiskach produkcyjnych. Zagrożenia różnią się w zależności od wielkości cząstek i składu stopu, ale poniższe rozważania mają szerokie zastosowanie w przypadku operacji przenoszenia proszków żelaza.

• Ryzyko wybuchu pyłu: Drobny proszek żelaza – zwłaszcza cząstki poniżej 63 mikrometrów – jest palny i może tworzyć wybuchowe chmury pyłu, gdy rozproszone w powietrzu w stężeniach powyżej minimalnego stężenia wybuchowego (MEC). MEC dla proszku żelaza wynosi około 120 g/m3, a wartości Kst (wskaźnik nasilenia wybuchu pyłu) zazwyczaj należą do klasy St1 (słaba eksplozja). Systemy odsysania pyłu, sprzęt elektryczny w wykonaniu przeciwwybuchowym, uziemienie zapobiegające gromadzeniu się ładunków statycznych oraz unikanie źródeł zapłonu to standardowe wymagania w obszarach obsługi sproszkowanego żelaza. W przypadku obiektów obsługujących znaczne ilości drobnego proszku żelaznego należy przeprowadzić ocenę stref ATEX.
• Zagrożenie inhalacyjne: Przewlekłe wdychanie tlenku żelaza i pyłu metalicznego żelaza może powodować siderozę – odkładanie się pyłu żelaza w tkance płucnej – i podrażnienie dróg oddechowych. Odpowiednimi środkami kontroli są maski oddechowe przystosowane do ochrony przed pyłami metali (minimum P2/N95), lokalna wentylacja wyciągowa w punktach manipulacji proszkiem oraz regularna kontrola stanu dróg oddechowych narażonych pracowników. Niektóre proszki stopów żelaza zawierające chrom, nikiel lub kobalt stwarzają dodatkowe ryzyko rakotwórcze w przypadku wdychania i wymagają bardziej rygorystycznych kontroli niż czysty proszek żelaza.
• Ryzyko piroforyczne w przypadku bardzo drobnych gatunków: Niezwykle drobny proszek żelaza o średnicy poniżej około 10 mikrometrów może być piroforyczny – zdolny do samozapłonu w powietrzu – szczególnie jeśli jest świeżo wyprodukowany z czystą metaliczną powierzchnią i warstwą pasywacyjną o niskiej zawartości tlenków. Proszek żelaza karbonylowego i bardzo drobne gatunki rozpylane w gazie należy obchodzić się ze szczególną ostrożnością, przechowywać w atmosferze obojętnej i stopniowo wprowadzać do powietrza, aby umożliwić kontrolowaną pasywację powierzchni przed otwartym manipulowaniem.
• Kontrola wilgoci i utleniania w magazynie: Proszki na bazie żelaza należy przechowywać w szczelnych pojemnikach, w suchym środowisku, aby zapobiec utlenianiu i wchłanianiu wilgoci, które pogarszają ściśliwość i wydajność spiekania. Pojemniki należy przepłukać suchym azotem przed zamknięciem w celu długotrwałego przechowywania, a otwarte pojemniki należy ponownie zamknąć niezwłocznie po użyciu. Zarządzanie zapasami w trybie „pierwsze weszło, pierwsze wyszło” minimalizuje ryzyko użycia przestarzałego proszku, który utlenił się poza specyfikację.