compreensão da liga de silício em pó

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Índice

Visão geral

Pós de liga de silício são materiais compostos principalmente de silício com adição de elementos de liga como ferro, alumínio, magnésio, cobre e níquel. O silício tem propriedades semicondutoras valiosas, mas em sua forma pura é frágil. Quando combinadas com outros metais na forma de pó, as ligas de silício aumentam a resistência, a dureza, a resistência ao desgaste, o desempenho em altas temperaturas e outras propriedades aprimoradas, ao mesmo tempo em que mantêm características elétricas úteis.

Os pós de liga de silício são usados para fabricar componentes de precisão, ferramentas e peças de desgaste por meio de técnicas de metalurgia do pó, como moldagem por injeção de metal, prensagem isostática a quente, manufatura aditiva e sinterização. As principais aplicações incluem o setor automotivo, aeroespacial, eletrônico e de maquinário industrial. Os pós de liga de silício oferecem uma abordagem econômica e flexível para a produção de componentes complexos ou em forma de rede com propriedades metalúrgicas personalizadas.

Este guia oferece uma visão geral detalhada de vários tipos de pós de liga de silício, sua composição, propriedades, métodos de produção, aplicações e fornecedores. Ele inclui várias tabelas que comparam parâmetros entre diferentes ligas de silício e resumem as principais especificações. O objetivo do guia é ajudar engenheiros, projetistas de produtos, gerentes de compras e pesquisadores a entender os materiais em pó de liga de silício e selecionar o grau ideal para suas necessidades de fabricação.

pó de ligas de silício
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Tipos de Pós de liga de silício

Há muitas variações de ligas binárias, ternárias e de ordem superior que usam silício e elementos metálicos. Alguns dos tipos mais comuns de pó de liga de silício incluem:

Tipos de pó de liga de silício

Liga metálicaElementos primáriosPrincipais propriedadesAplicativos comuns
FerrosilícioFerro, silícioAlta dureza, magnetismoAutomotivo, eletrônicos
SiluminAlumínio, silícioLeve e resistenteAeroespacial, automotivo
SilicastAlumínio, silício, magnésioResistência ao desgaste, baixa densidadeAeroespacial, automotivo
KovarFerro, níquel, cobalto, silícioExpansão térmica compatível com o vidroEmbalagem de eletrônicos
CuSilCobre, silícioCondutividade elétrica, lubricidadeEletrônicos, escovas
NicromoNíquel, cromo, silícioResistência ao calor e à corrosãoElementos de aquecimento

Pós de liga de ferrossilício

As ligas de ferrossilício contêm proporções variáveis de ferro e silício, às vezes com pequenas adições de carbono ou magnésio. As principais características incluem:

  • Alta dureza e resistência
  • Natureza pirofórica devido ao teor de ferro
  • Menos frágil que o silício puro
  • Usado em metalurgia do pó, hastes de solda e ânodos de bateria

As composições típicas incluem FeSi 75, FeSi 90, FeSiMg com teor de silício variando de 15% a 90% equilibrado por ferro. As partículas menores de silício em uma matriz de ferro melhoram o magnetismo.

Pós de liga de silumina

As siluminas são ligas de alumínio e silício com composições típicas entre 5-20% Si equilibrado por Al. As propriedades incluem:

  • Baixa densidade, mas alta resistência
  • Boa capacidade de fundição e usinagem
  • Usado em componentes automotivos e aeroespaciais

Refinadores de grãos, como titânio ou boro, são frequentemente adicionados. Os silumins oferecem uma opção de liga metálica leve.

Pós de liga de silicato

Os silicatos são ligas ternárias que contêm alumínio, silício e magnésio. Principais propriedades:

  • Baixa densidade, mas alta dureza e resistência ao desgaste
  • Faixas de conteúdo de Si (4-15%), Mg (0,5-5%) e equilíbrio de Al
  • Usado para pistões de alto desempenho e aplicações aeroespaciais

As ligas de silicato são valorizadas pelas propriedades de desgaste combinadas com a densidade mais baixa em comparação com as ligas ferrosas.

Pós de liga de Kovar

O Kovar é uma liga ferrosa de níquel-cobalto contendo silício que corresponde ao coeficiente de expansão térmica do vidro de borossilicato. Ele tem:

  • Composição de Fe 54%, Ni 29%, Co 17%, Si 0,5%
  • Microestrutura densa e uniforme
  • Excelente ligação com vidro e cerâmica
  • Usado para vedações de vidro com metal em embalagens de produtos eletrônicos

O teor de silício no Kovar permite que ele corresponda ao comportamento de expansão do vidro em uma ampla faixa de temperatura.

Pós de liga de CuSil

As ligas CuSil combinam cobre 70-97% com silício 1,5-15%. As propriedades incluem:

  • Mantém a alta condutividade elétrica e térmica do cobre
  • Melhor lubrificação e resistência ao desgaste
  • Usado para escovas, eletrodos de solda e contatos de alta corrente

O silício aumenta a dureza e a resistência mecânica em comparação com o cobre puro.

Pós de liga de nicromo

Nichrome refere-se a ligas de níquel-cromo com adições de silício ou alumínio até 5%. Ele oferece:

  • Excelente resistência à oxidação em altas temperaturas
  • Alta resistividade elétrica para elementos de aquecimento
  • Resistência mecânica mantida em temperaturas elevadas

Os graus de silício nicrômico oferecem características de fluxo aprimoradas, adequadas para o processamento de pós.

Produção de pós de liga de silício

Os pós de liga de silício são fabricados usando técnicas semelhantes às de outras produções de pó metálico, como:

  • Atomização
    • A atomização de água pulveriza a liga fundida na água
    • A atomização de gás usa jatos de gás inerte
    • Produz pós esféricos ideais para prensagem
  • Fresagem mecânica
    • Moagem de bolas ou atritor
    • Formas irregulares de pó e amplas distribuições de tamanho
  • Deposição eletrolítica
    • Revestimento eletrolítico de um cátodo com pó de liga
    • Possibilidade de tamanhos de pó muito finos
  • Redução química
    • Redução de sais de silício e metal em pó de liga
    • Econômico, usado para a produção de ferrossilício
  • Atomização por plasma
    • Use a tocha de plasma para gerar pós metálicos ultrafinos
    • Ambiente de processo limpo e inerte
    • Partículas em escala nanométrica ou microscópica

Os pós de liga são peneirados para as faixas de tamanho de partícula desejadas e podem ser processados posteriormente com recozimento, lubrificação ou revestimento.

Propriedades de Pós de liga de silício

As ligas de silício apresentam uma ampla gama de propriedades físicas, mecânicas, térmicas, elétricas, magnéticas e químicas com base em sua composição e microestrutura.

Propriedades do pó de liga de silício

PropriedadeEfeitosMedição
Tamanho da partículaComportamento de sinterização, densidade compactaDifração a laser, peneiramento
Forma da partículaFluidez do pó, densidade de prensagemMicroscopia, análise de imagens
Composição da ligaResistência mecânica, condutividade, magnetismoPlasma indutivamente acoplado, fluorescência de raios X
Densidade aparenteCompactibilidade, densidade de prensagemMedidor de vazão Hall, medidor de volume Scott
Densidade da torneiraCompressibilidade, densidade de preenchimento da matrizASTM B527
Taxa de fluxoManuseio de pó, densidade de enchimentoMedidor de vazão Hall
Estabilidade térmicaResposta de sinterização, microestruturaCalorimetria diferencial de varredura
Teor de oxigênioNecessidade de atmosfera de sinterizaçãoAnálise de fusão de gás inerte
Permeabilidade magnéticaPara compactos magnéticos maciosGráfico de histerese, analisador BH

A porcentagem de silício influencia a resistência, a fragilidade, a resistividade elétrica e as propriedades térmicas. Os elementos de liga conferem características distintas - alumínio para resistência, níquel para magnetismo, etc.

As morfologias de pó, como formas esféricas atomizadas a gás, proporcionam densidade máxima, enquanto as partículas moídas irregulares melhoram o comportamento de prensagem.

A densidade aparente indica a resposta de compactação. A taxa de fluxo Hall e o índice Carr estão correlacionados com as propriedades de fluxo do pó durante a prensagem. Os analisadores térmicos identificam as possíveis temperaturas de sinterização do estado sólido.

Aplicações dos pós de liga de silício

Graças às suas propriedades físicas, mecânicas e eletromagnéticas ajustáveis, os pós de liga de silício são usados em muitos setores para fabricar peças e componentes acabados.

Principais aplicações das ligas de silício

SetorExemplos de aplicativosPropriedades desejadas
AutomotivoEngrenagens, pistões, peças de motorResistência a altas temperaturas, resistência ao desgaste
AeroespacialLâminas de turbina, peças estruturaisRelação força/peso, resistência à fluência
EletrônicosNúcleos de ímãs, embalagens, contatosCondutividade elétrica, comportamento magnético suave
IndustrialFerramentas de corte, matrizes, rolamentosDureza, resistência à fratura, lubricidade
Material bélicoPenetradores, caixas de muniçãoDensidade, ductilidade, resistência ao impacto
QuímicaVálvulas, bombas, reatoresResistência à corrosão, comportamento em altas temperaturas

As técnicas de metalurgia do pó permitem a fabricação de componentes complexos em forma de rede ou quase em forma de rede, que não são facilmente produzidos por fundição ou usinagem.

Os usos automotivos incluem componentes de motores sujeitos a pressões e temperaturas extremas. As aplicações aeroespaciais exigem ligas leves e de alto desempenho.

Os contatos elétricos dependem de ligas de cobre/silício para combinar condutividade com durabilidade mecânica. As ferramentas e matrizes industriais aplicam as propriedades de dureza e desgaste das ligas de ferrossilício ou silicato.

Os pós de liga de silício permitem a personalização de características físicas, químicas, térmicas, elétricas e magnéticas que não podem ser obtidas com pós metálicos individuais.

Especificações dos pós de liga de silício

Os pós de ligas de silício estão disponíveis em várias especificações de pó padrão nacionais e internacionais que definem a faixa de tamanho de partícula, os níveis de impureza permitidos, os limites de composição da liga e outros parâmetros específicos do grau.

Especificações do pó de liga de silício

Liga metálicaPadrões aplicáveisTamanho da partículaDensidade aparenteVazão
FerrosilícioASTM A483-150 +400 mesh2,5-3,1 g/cc25-35 s/50g
SiluminEN 1706-325 malhas1,5-2,2 g/cc35-45 s/50g
SilicastDIN 171810-45 mícrons2,8-3,2 g/cc28-32 s/50g
KovarJIS Z 3265-270 malhas4,8-5,2 g/cc22-28 s/50g
CuSilQSIL051-325 malhas3,2-4,1 g/cc30-40 s/50g
NicromoAMS 775910-50 mícrons4,2-4,8 g/cc26-32 s/50g

Os principais critérios, como distribuição do tamanho das partículas, taxa de fluxo, densidade aparente e faixas de composição, ajudam a definir a adequação da aplicação.

Organizações de padrões internacionais e sociedades profissionais como ASTM, ISO, DIN, JIS, AMS e AWS mantêm especificações de pós metálicos que abrangem as principais ligas.

As especificações ajudam no controle de qualidade durante a fabricação e proporcionam aos clientes um desempenho repetível do pó.

pó de ligas de silício
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Fornecedores de liga de silício em pó

Muitos dos principais produtores de pó metálico oferecem composições de pó de liga de silício padrão e personalizadas, adequadas para prensagem, sinterização, moldagem por injeção de metal, manufatura aditiva e spray térmico.

Fornecedores de liga de silício em pó

FornecedorLigas de silício oferecidasCapacidade de produçãoPreços
HöganäsFerrosilício, Nicromo, Silicast50.000 toneladas/ano$$/kg
Pó CNPCFerrosilício, CuSil, Kovar30.000 toneladas/ano$/kg
Guizhou ZhenhuaFerrosilício10.000 toneladas/ano$/kg
Vale MetaisSilumin, Nichrome20.000 toneladas/ano$$/kg
Pós metálicos ÍndiaFerrosilício, Silumin5.000 toneladas/ano$/kg
Aço JFESilicast, Kovar35.000 toneladas/ano$$/kg

O preço depende da composição da liga, do tamanho da partícula, dos níveis de pureza, da quantidade do pedido e da localização geográfica. Espere pagar prêmios por ligas altamente projetadas usadas em aplicações críticas em comparação com os graus de ferrossilício de commodity.

Escolhendo o caminho certo Pó de liga de silício

Para selecionar o pó de liga de silício ideal, é necessário adequar a composição e as propriedades do pó ao seu processo de fabricação e aos requisitos de desempenho do componente final.

Os principais critérios de seleção incluem:

  • Composição da liga - Determina as propriedades físicas, mecânicas, térmicas e elétricas
  • Tamanho e formato das partículas - Impacta o fluxo de pó e a densidade compactada
  • Densidade aparente e de toque - Relaciona-se ao comportamento de prensagem e à força verde
  • Características do fluxo - Importante para o manuseio automatizado de pós
  • Níveis de pureza - Afeta as propriedades finais e a microestrutura
  • Fatores de custo - Matérias-primas, método de produção, padrões de qualidade

Trabalhe com os produtores de pó no início do processo de projeto para restringir as opções de ligas adequadas e os pós otimizados para o seu processo. Várias opções podem atender aos requisitos técnicos, portanto, concentre-se em maximizar o valor.

Perguntas frequentes

Aqui estão as respostas para algumas perguntas frequentes sobre pós de liga de silício:

Quais são as principais vantagens das ligas de silício em relação aos metais puros?

As ligas de silício mantêm as propriedades elétricas desejáveis, como condutividade ou comportamento semicondutor, e melhoram o desempenho mecânico. A liga aumenta a dureza, a força, a estabilidade térmica e a resistência ao desgaste em comparação com o silício puro ou outros metais básicos.

Como as propriedades do ferrossilício variam de acordo com o teor de silício?

À medida que o teor de silício aumenta de 15% Si para 90% Si nos ferrossilicones, a dureza aumenta, mas também aumenta a fragilidade. A resistividade elétrica também aumenta drasticamente com níveis mais altos de silício. O 75% Si representa um bom compromisso entre magnetismo, ductilidade e dureza.

Qual é o tamanho de pó recomendado para moldagem por injeção de metal?

Para a maioria dos sistemas de ligas, uma faixa de tamanho de pó de 10 a 25 mícrons proporciona um fluxo ideal quando aglutinado, bem como o empacotamento ideal das partículas e a densidade sinterizada. Os pós mais finos melhoram a resistência verde, mas comprometem o comportamento do fluxo.

O que causa a diminuição da densidade aparente em comparação com a densidade de toque em pós?

A densidade de toque medida sob vibração reflete o estado de empacotamento mais denso possível, enquanto a densidade aparente inclui vazios entre as partículas que reduzem a eficiência do empacotamento. As morfologias de pó angulares irregulares apresentam uma lacuna maior entre as densidades aparente e de tap.

Qual é a diferença entre os silicones de cobre e níquel e os ferrossilicones?

As ligas CuSil e NiSi mantêm a alta condutividade elétrica e térmica do cobre e do níquel em comparação com as propriedades isolantes do ferro. Isso as torna preferíveis para aplicações como escovas e contatos que exigem características metalúrgicas e condutoras combinadas.

Qual é a vantagem da atomização a gás em relação à fresagem mecânica?

A atomização a gás produz pós esféricos e fluidos adequados para o preenchimento automatizado de matrizes, enquanto a moagem cria partículas irregulares com maior resistência verde. Os pós atomizados a gás têm menor relação de densidade R:G, mas proporcionam melhor uniformidade de sinterização.

Conclusão

Os pós de liga de silício possibilitam componentes metálicos de alto desempenho que combinam propriedades elétricas, magnéticas e de engenharia que não podem ser obtidas por meio de metais puros. Ao selecionar a composição ideal, as características do pó e o processo de fabricação, os engenheiros podem desenvolver componentes com recursos e valor exclusivos. A versatilidade das ligas de silício continuará a impulsionar avanços e inovações em todos os setores.

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