Bột kim loại Niken Coban: Nó là gì, được sản xuất như thế nào và nó thực sự được sử dụng ở đâu

Bột kim loại Niken Coban thực sự là gì

Bột kim loại niken coban là một loại bột hợp kim bao gồm niken và coban với các tỷ lệ khác nhau, được sản xuất ở dạng hạt mịn để sử dụng trong nhiều quy trình sản xuất công nghiệp và tiên tiến. Không giống như kim loại khối, dạng bột cung cấp diện tích bề mặt khổng lồ so với khối lượng, đây là lợi thế quan trọng trong các ứng dụng như sản xuất điện cực pin, lớp phủ phun nhiệt, thành phần luyện kim bột và quy trình xúc tác. Tỷ lệ cụ thể của niken và coban trong hợp kim - cùng với kích thước hạt, hình thái và độ tinh khiết - xác định ứng dụng nào mà bột phù hợp.

Cả niken và coban đều là kim loại chuyển tiếp có các đặc tính bổ sung làm cho sự kết hợp của chúng trở nên đặc biệt có giá trị. Niken góp phần chống ăn mòn, độ dẻo và ổn định nhiệt độ cao tuyệt vời. Cobalt tăng thêm độ cứng, tính chất từ ​​tính và khả năng duy trì độ bền cơ học vượt trội ở nhiệt độ cao. Khi kết hợp dưới dạng bột hợp kim NiCo, những đặc tính này được điều chỉnh thành một vật liệu duy nhất hoạt động tốt hơn chỉ riêng kim loại trong các môi trường đòi hỏi khắt khe. Đây là lý do tại sao bột hỗn hợp niken coban xuất hiện trong mọi thứ, từ cực âm của pin lithium-ion đến các bộ phận siêu hợp kim cho động cơ phản lực.

Bột kim loại Niken Coban được sản xuất như thế nào

Phương pháp sản xuất được sử dụng để sản xuất bột niken coban có tác động trực tiếp đến sự phân bố kích thước hạt, hình thái, độ tinh khiết hóa học và cấu trúc pha của sản phẩm cuối cùng – tất cả đều ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng tiếp theo. Một số tuyến sản xuất riêng biệt được sử dụng thương mại, mỗi tuyến đều có điểm mạnh và hạn chế riêng.

Nguyên tử hóa

Nguyên tử hóa khí và nguyên tử hóa nước là những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất bột hợp kim NiCo ở quy mô công nghiệp. Trong quá trình nguyên tử hóa khí, dòng hợp kim niken-coban nóng chảy bị phân hủy bởi các tia khí trơ áp suất cao – điển hình là argon hoặc nitơ – thành những giọt mịn đông cứng nhanh chóng thành các hạt hình cầu. Bột thu được có khả năng chảy tuyệt vời nhờ hình thái hình cầu gần như hoàn hảo, điều này rất quan trọng đối với sản xuất bồi đắp (in 3D) và các ứng dụng phun nhiệt. Nguyên tử hóa nước tạo ra các hạt có hình dạng không đều với chi phí thấp hơn, phù hợp hơn với quá trình ép và thiêu kết luyện kim bột.

Đồng mưa hóa học

Đồng kết tủa là phương pháp sản xuất chủ yếu đối với bột hỗn hợp niken coban cấp pin. Muối niken và coban - thường là sunfat - được hòa tan trong dung dịch nước và kết tủa với nhau bằng cách thêm một bazơ như natri hydroxit hoặc amoniac trong điều kiện nhiệt độ và pH được kiểm soát. Tiền chất hydroxit thu được sau đó được nung để tạo ra oxit hoặc bột kim loại cuối cùng. Phương pháp này cho phép kiểm soát rất chính xác tỷ lệ Ni:Co ở cấp độ nguyên tử, kích thước hạt (thường ở mức dưới micromet đến phạm vi vài micron) và hình thái học – tất cả các yếu tố quan trọng đối với hiệu suất điện cực của pin.

Giảm oxit

Việc khử hydro của các tiền chất oxit niken-coban hỗn hợp là một phương pháp khác được thiết lập để sản xuất bột kim loại NiCo. Tiền chất oxit - thường được tạo ra bằng cách đồng kết tủa hoặc nhiệt phân phun - được tiếp xúc với khí quyển hydro ở nhiệt độ cao, làm giảm các oxit kim loại về trạng thái kim loại của chúng. Phương pháp này tạo ra bột có độ tinh khiết cao với khả năng kiểm soát tốt kích thước hạt và thường được sử dụng khi cần hàm lượng oxy rất thấp trong bột kim loại cuối cùng, vì lượng oxy dư có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động thiêu kết và tính chất cơ học.

Định vị điện và điện phân

Phương pháp điện hóa cũng có thể được sử dụng để lắng đọng hợp kim niken coban ở dạng bột. Bằng cách kiểm soát cẩn thận mật độ dòng điện, thành phần bể và nhiệt độ trong quá trình điện phân, có thể tạo ra cặn NiCo được loại bỏ cơ học và xử lý thành bột. Cách tiếp cận này được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt đòi hỏi độ tinh khiết rất cao và cấu trúc tinh thể cụ thể. Phương pháp này đắt hơn so với phương pháp nguyên tử hóa hoặc hóa học và do đó được dành riêng cho các ứng dụng có giá trị cao trong đó các đặc tính cụ thể mà nó mang lại không thể đạt được bằng cách khác.

Tính chất vật lý và hóa học chính của bột hợp kim NiCo

Hiểu các đặc tính chức năng của bột kim loại niken coban là điều cần thiết để kết hợp đúng loại với một ứng dụng cụ thể. Các đặc tính này khác nhau tùy thuộc vào thành phần và phương pháp sản xuất, nhưng các đặc điểm sau đây xác định hầu hết các loại bột hợp kim NiCo thương mại:

Bột kim loại Niken Coban được sử dụng ở đâu trong công nghiệp

Dấu ấn công nghiệp của bột hợp kim NiCo trải rộng trên một số lĩnh vực đòi hỏi công nghệ cao nhất trên thế giới. Trong mỗi trường hợp, sự kết hợp cụ thể giữa các đặc tính của niken và coban sẽ giải quyết được một vấn đề mà các vật liệu thay thế không thể giải quyết một cách hiệu quả.

Vật liệu Cathode pin Lithium-Ion

Đây hiện là ứng dụng lớn nhất và phát triển nhanh nhất cho bột hỗn hợp niken coban. Trong pin lithium-ion, niken và coban là thành phần chính của vật liệu hoạt tính catốt - đặc biệt là các hóa chất NMC (oxit coban mangan lithium niken) và NCA (oxit nhôm coban lithium niken). Bột tiền chất NiCo cấp pin được sản xuất bằng phương pháp đồng kết tủa với kích thước hạt, mật độ vòi và tính đồng nhất nguyên tố được kiểm soát chặt chẽ, vì những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ năng lượng, vòng đời và độ ổn định nhiệt của pin thành phẩm. Các công thức NMC có hàm lượng niken cao như NMC 811 (80% Ni, 10% Mn, 10% Co) ngày càng được ưa chuộng trong pin EV để giảm hàm lượng coban đồng thời tối đa hóa mật độ năng lượng.

Sơn phun nhiệt

Bột hợp kim NiCo được sử dụng rộng rãi làm nguyên liệu cho các quá trình phun nhiệt bao gồm phun nhiên liệu oxy tốc độ cao (HVOF) và phun plasma. Khi được phủ làm lớp phủ trên các cánh tuabin, bộ phận máy bơm và dụng cụ công nghiệp, lớp phủ NiCo mang lại lớp bề mặt bền chắc, chống ăn mòn và ổn định nhiệt giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng của bộ phận một cách đáng kể. Trong động cơ tua-bin khí, lớp phủ liên kết của hợp kim MCrAlY - thường kết hợp với nền NiCo - đóng vai trò là lớp tiếp xúc quan trọng giữa chất nền siêu hợp kim và lớp phủ rào cản nhiệt gốm, bảo vệ chống oxy hóa ở nhiệt độ vận hành vượt quá 1000°C.

Sản xuất bồi đắp các thành phần siêu hợp kim

Bột hợp kim NiCo hình cầu được sản xuất bằng phương pháp nguyên tử hóa khí được sử dụng làm nguyên liệu trong các hệ thống sản xuất phụ gia kết tủa bột bằng laser (L-PBF) và lắng đọng năng lượng định hướng (DED). Các quy trình này xây dựng từng lớp các bộ phận phức tạp, có hình dạng gần như lưới, tạo ra các hình dạng hình học mà phương pháp gia công thông thường không thể đạt được. Các lĩnh vực hàng không vũ trụ và quốc phòng sử dụng các bộ phận siêu hợp kim dựa trên NiCo được in 3D trong các bộ phận tuabin, bộ trao đổi nhiệt và giá đỡ cấu trúc trong đó sự kết hợp giữa độ bền cao, khả năng chống oxy hóa và hình học phức tạp khiến chi phí mỗi bộ phận cao hơn.

Linh kiện luyện kim bột

Trong luyện kim bột thông thường, bột hợp kim NiCo được trộn, ép thành hình và thiêu kết để tạo ra các thành phần cấu trúc dày đặc. Quá trình này tiết kiệm chi phí khi sản xuất khối lượng lớn các bộ phận có hình dạng phức tạp đòi hỏi phải gia công rộng rãi từ vật liệu rắn. Các bộ phận từ tính, các hạt dao chống mài mòn và vật liệu tiếp xúc điện đều được sản xuất theo cách này. Sự kết hợp giữa độ bền, độ cứng và tính thấm từ của hợp kim niken coban làm cho nó đặc biệt thích hợp cho các thành phần từ tính mềm trong cảm biến, bộ truyền động và các ứng dụng che chắn điện từ.

Mạ điện và hoàn thiện bề mặt

Bột hợp kim NiCo được sử dụng làm nguyên liệu gốc trong quá trình chuẩn bị bể mạ điện và là thành phần trong mạ điện tổng hợp trong đó các hạt cứng được kết tủa với ma trận hợp kim NiCo. Lớp phủ hợp kim NiCo mạ điện mang lại độ cứng vượt trội (lên tới 600 HV), khả năng chống mài mòn tuyệt vời và chống ăn mòn tốt so với mạ niken nguyên chất. Các ứng dụng bao gồm lớp phủ thay thế crom cứng cho trục thủy lực và các bộ phận của thiết bị hạ cánh hàng không vũ trụ, trong đó việc mạ crom đang bị loại bỏ do các quy định về môi trường.

Xúc tác và xử lý hóa học

Bột NiCo mịn với diện tích bề mặt cao được sử dụng làm chất xúc tác hoặc chất xúc tác hỗ trợ trong một số quá trình hóa học, bao gồm phản ứng hydro hóa, cải tạo khí metan để sản xuất hydro và tổng hợp Fischer-Tropsch. Sự tương tác hiệp đồng giữa các vị trí hoạt động của niken và coban giúp cải thiện hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc so với chỉ riêng kim loại. Nghiên cứu về chất xúc tác NiCo để sản xuất hydro xanh thông qua điện phân nước đặc biệt tích cực, với các điện cực hợp kim NiCo cho thấy hiệu suất đầy hứa hẹn như chất xúc tác phản ứng tiến hóa oxy (OER) trong máy điện phân kiềm.

Chọn đúng loại bột niken coban cho ứng dụng của bạn

Việc chọn đúng loại bột kim loại niken coban đòi hỏi phải làm cho các đặc tính vật lý và hóa học của bột phù hợp với nhu cầu cụ thể của quy trình và môi trường sử dụng cuối cùng. Sử dụng sai loại là nguyên nhân phổ biến gây ra các vấn đề về hiệu suất mà không phải lúc nào cũng bắt nguồn từ đặc điểm kỹ thuật của bột.

• Đối với tiền chất cực âm của pin: Chỉ định bột đồng kết tủa với D50 trong phạm vi 5–15 µm, mật độ vòi trên 2,0 g/cm³ và dung sai tỷ lệ nguyên tố chặt chẽ (± 0,5% hoặc cao hơn). Hàm lượng oxy và các tạp chất vi lượng như sắt, đồng và kẽm phải ở dưới giới hạn quy định vì chúng làm giảm hiệu suất của chu trình điện hóa.
• Đối với sản xuất bồi đắp (L-PBF/DED): Bột hình cầu nguyên tử hóa khí có phân bố kích thước hạt D10/D50/D90 được kiểm soát chặt chẽ để đáp ứng các yêu cầu về lớp bột của máy cụ thể là điều cần thiết. Phạm vi điển hình là 15–45 µm đối với L-PBF và 45–106 µm đối với DED. Khả năng chảy (Tốc độ dòng chảy Hall) và mật độ biểu kiến ​​phải đáp ứng các thông số kỹ thuật của thiết bị. Các hạt và chất kết tụ vệ tinh gây ra lỗi in và phải được giảm thiểu.
• Đối với lớp phủ phun nhiệt: Hình thái hình cầu hoặc gần hình cầu với phạm vi kích thước hạt từ 45–106 µm là điển hình cho HVOF, trong khi phun plasma có thể sử dụng bột hơi thô hơn lên tới 125 µm. Khả năng chảy ổn định là rất quan trọng để ổn định thông số phun. Một số ứng dụng phun nhiệt sử dụng bột phủ trong đó hợp kim NiCo được phủ lên hạt lõi gốm.
• Đối với việc ép luyện kim bột: Hình thái bột không đều hoặc dạng nốt sần có thể chấp nhận được và thường được ưa thích hơn, vì nó mang lại độ bền xanh tốt hơn trong dạng nén ép so với bột hình cầu. Bột NiCo được nguyên tử hóa bằng nước hoặc khử được tạo ra trong phạm vi 10–100 µm là điển hình. Dữ liệu về khả năng nén và khả năng thiêu kết từ nhà cung cấp cần được xem xét dựa trên mật độ thiêu kết mục tiêu.
• Đối với các ứng dụng xúc tác: Cần có bột rất mịn với diện tích bề mặt riêng cao (được đo bằng phương pháp BET) - thường là các hạt siêu nhỏ có diện tích bề mặt từ 10–100 m2/g trở lên. Độ tinh khiết hóa học là điều tối quan trọng; ngay cả các chất gây ô nhiễm dạng vết cũng có thể gây độc cho các vị trí hoạt động xúc tác và làm giảm đáng kể hoạt tính và độ chọn lọc.

Những cân nhắc về xử lý, lưu trữ và an toàn

Bột kim loại niken coban đưa ra các yêu cầu về an toàn và xử lý cụ thể phải được tuân thủ để bảo vệ người lao động và duy trì chất lượng sản phẩm. Cả niken và coban đều được phân loại là vật liệu có khả năng gây nguy hiểm theo các quy định về sức khỏe nghề nghiệp và bột kim loại mịn có thêm rủi ro liên quan đến khả năng phản ứng và khả năng nổ bụi.

Mối nguy hiểm cho sức khỏe

Các hợp chất niken được Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) phân loại là chất gây ung thư và coban được phân loại là chất có thể gây ung thư với bằng chứng về ảnh hưởng đến phổi do phơi nhiễm qua đường hô hấp. Bột hợp kim NiCo mịn tạo ra bụi có thể hô hấp trong quá trình xử lý và phải ngăn chặn việc hít phải kéo dài. Giới hạn phơi nhiễm tại nơi làm việc (WEL hoặc OEL) đối với niken và coban phải được kiểm tra theo quy định của địa phương và tiến hành giám sát không khí tại các khu vực xử lý bột. Người lao động nên sử dụng biện pháp bảo vệ hô hấp thích hợp — tối thiểu là mặt nạ phòng độc chứa hạt P100 — và giảm thiểu các hoạt động gây bụi bẩn thông qua các biện pháp kiểm soát kỹ thuật như hệ thống thông gió thoát khí cục bộ và hệ thống vận chuyển kèm theo.

Nguy cơ nổ bụi

Bột kim loại mịn, kể cả bột hợp kim NiCo, dễ cháy và có thể tạo thành đám mây bụi nổ trong không khí nếu phân tán ở nồng độ đủ và bốc cháy. Nguy cơ nổ cao hơn đối với kích thước hạt mịn hơn và trong không gian kín. Các cơ sở xử lý bột kim loại niken coban với số lượng lớn nên tiến hành đánh giá rủi ro nổ bụi, thực hiện các quy trình vệ sinh để ngăn chặn bụi tích tụ, sử dụng thiết bị điện chống cháy nổ trong khu vực xử lý bột và duy trì hệ thống chữa cháy thích hợp.

Yêu cầu lưu trữ

Bột hợp kim NiCo nên được bảo quản trong hộp kín ở môi trường khô ráo, thoáng mát, tránh ẩm, tránh các tác nhân oxy hóa và các vật liệu không tương thích. Tiếp xúc với độ ẩm gây ra quá trình oxy hóa bề mặt của các hạt bột, làm thay đổi tính chất hóa học bề mặt và có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động thiêu kết, hiệu suất điện hóa và độ bám dính của lớp phủ. Để bảo quản lâu dài, bột thường được đóng gói trong môi trường khí trơ (argon hoặc nitơ) hoặc bằng chất hút ẩm. Các thùng chứa phải được dán nhãn rõ ràng với thành phần, kích thước hạt, số lô và thông tin nguy hiểm có liên quan, tuân thủ các quy định của địa phương.

Xu hướng thị trường và điều gì thúc đẩy nhu cầu về bột NiCo

Nhu cầu toàn cầu về bột kim loại niken coban đang tăng nhanh, chủ yếu do việc mở rộng sản xuất xe điện và thị trường lưu trữ năng lượng rộng lớn hơn. Sự chuyển đổi sang các nhà máy hóa học cực âm NMC có hàm lượng niken cao, hàm lượng coban thấp hơn phản ánh cả mong muốn tăng mật độ năng lượng và giảm sự phụ thuộc vào coban - một nguyên liệu có chuỗi cung ứng tập trung và những lo ngại đáng kể về nguồn cung ứng đạo đức liên quan đến khai thác thủ công ở Cộng hòa Dân chủ Congo.

Lĩnh vực hàng không vũ trụ tiếp tục thúc đẩy nhu cầu về bột siêu hợp kim NiCo có độ tinh khiết cao cho sản xuất bồi đắp và sơn phun nhiệt, vì động cơ tua-bin thế hệ tiếp theo đẩy nhiệt độ vận hành cao hơn và yêu cầu các vật liệu ngày càng phức tạp. Sự phát triển của hệ thống nhiệt hạch giường bột công nghiệp đã mở rộng thị trường có thể tiếp cận được cho bột hợp kim NiCo nguyên tử hóa khí vượt ra ngoài lĩnh vực hàng không vũ trụ vào các thiết bị y tế, dụng cụ và thiết bị năng lượng.

Sản xuất hydro xanh là động lực thúc đẩy nhu cầu mới nổi và có thể trở nên quan trọng trong thập kỷ tới. Các chất xúc tác điện dựa trên NiCo để điện phân nước kiềm đang được phát triển tích cực như là chất thay thế chi phí thấp hơn cho các chất xúc tác kim loại nhóm bạch kim, và nếu quy mô điện phân hydro tăng như dự kiến, nhu cầu về bột xúc tác NiCo diện tích bề mặt cao có thể tăng đáng kể. Các nhà cung cấp có khả năng đồng kết tủa và cơ sở hạ tầng sản xuất tiền chất pin có vị thế tốt để phục vụ thị trường mới nổi này cùng với hoạt động kinh doanh vật liệu pin hiện có của họ.