雾化法制取金属及合金粉末技术专题

2.3
220
100
20
10
类球形
T15高速工具钢（氮气雾 化）
限制式
75
2.2
250
100
50
4.0
类球形
Ni基喷塗、喷焊合金 （氮气雾化）
限制式
120
2.5
220
120
40
类球形
3.气雾化制粉技术的进展
粉末冶金新工艺技术的发展（注射成型，原型制 做等）对气雾化合金钢粉末的纯度（氧、氮含量） 及粒度，粒度分布提出更高的要求。 气雾化制粉技术朝着三个方向发展：首先要保证 气雾化工艺的稳定性。其次粉末的粒度向着小于 10μm发展，最后提高气雾化合金粉末的纯度，降 低粉末的氧氮含量。 针对气雾化合金粉末的纯度的提高，目前采用真 空冶炼，高纯气体雾化，无坩埚冶炼等措施使粉 末夹杂进一步降低。
雾化法制取金属及合金粉末技 术现状及发展
前

言
金属及合金粉末做为粉末冶金的基礎原料，它的性 能直接影响粉末冶金制品的性能，气（水）雾化法 制取金属及合金粉末已成为金属粉末制造业的主要 生产方法。 粉末冶金制品向着高强度、高密度、高精度、形状 复杂方向发展，对金属及合金粉末的性能要求越来 越高，新技术相继问世，促进气（水）雾化制粉技 术的发展。 气（水）雾化制粉技术的机理目前世界尚无定论， 发表的气（水）雾化经验公式的普遍性受到质疑。 气（水）雾化制粉技术的发展是在不断实践中解决 所遇到的问题而得以前进的。
一.气雾化制粉现状及发展
1.气体雾化法生产的金属及合金粉末的应用 气雾化合金钢粉末（包括不锈钢、铁基、镍 基、钴基合金粉末）世界年产量在7万吨左 右。 气雾化有色金属及合金粉末（铝、锌、铜 合金粉末）年产量在16万吨左右。 我国目前气雾化合金钢粉末主要是不锈钢、 磁性材料（磁粉离合器用FeCoNi，磁粉芯 FeSiAl等）及热喷塗、喷焊用粉（例如： M-Cr-Al-Y合金，Ni-Cr合金，金刚石合成触 媒合金粉末等）。

气体雾化制粉装置研究重点： ⑴ 保证大容量钢水雾化稳定，采用备用中间包与喷 嘴组合。 ⑵ 为满足对微细合金粉末的要求，导液管直径必然要减小， 为保证导液管的畅通则导液管的加热是研究的重点，目前有 电阻加热，感应加热，等离子粉加热等。
二.水雾化制粉技术现状及发展
1.水雾化制取金属及合金粉末的应用 水雾化制取的金属及合金粉末其粉末颗粒形状易成 为不规则状，具有良好的压制性和成型性，是制造 粉末冶金零件极重要的原料。加之雾化介质是水， 其运行成本和设备投资都比气雾化低，其结果水雾 化金属及合金粉末的产量是气雾化金属及合金粉末 产量的10倍还多。 水雾化粉末材料分为两大部分，其一为年产70多万 吨的纯铁粉和少量预合金粉，其二是不锈钢、工具 钢、喷塗（喷焊）合金、磁性材料等粉末。
2.部分水雾化金属及合金粉末的性能




由于水雾化金属及合金粉末的牌号非常多，各厂的产品性能 千差万别，在此不一一列举，只就典型代表产品能达到的物 理工艺性能做简单的介绍。 水雾化纯铁粉：总铁99.2%,酸不溶物＜0.2%，氢损＜0.2%, 松装密度2.8~3.0g/cm3，流动性24.5秒/50g，生坯密度 6.72g/cm3以上，压坯强度8.4MPa。 水雾化不锈钢粉：以316L为例（＜150μm混合粉，专用于 制造粉末冶金零件）其松装密度2.6~3.1g/cm3，流动性＜ 30s/50g，氧含量1000~3500PPM 注射成型用水雾化粉，主要是不锈钢和Fe-Ni合金。水雾化 Fe-Ni粉的粒度d50=6.2μm，d90=12.0μm氧含量： 4000PPM，振实密度3.97g/cm3。水雾化不锈纲（316L） 粉末的粒度d50=11μm d90=22μm 氧＜4000PPM，振实密 度3.8~3.9g/cm3。

气雾化制粉工艺稳定性及粉末的细化是当
前气雾化制粉技术发展主流。从气雾化方 式看：限制式气雾化工艺取代自由式雾化 工艺成为目前主要气雾化方式。近年来层 流雾化方式的出现将气雾化技术大大推进 一步（见图）。 三种气雾化工艺特点 。
A
B
C
D
A B C D
自由式雾化 感应熔化无坩埚气雾化自由式 限制式气雾化 层流式气雾化
d84 d50
氮含量（PPM） 粉末形状
＜75μm
＜180μm
＜75μm
＜180μm
自由式
150
2.5
350
220
70
类球形
316L不锈钢（氮气雾化）
限制式
25
2.3
250
100
60
70
类球形
层流式
12~14
1.6-1.8
260
100
4000
1800
类球形
Rene’95高温合金（氩气 雾化）
限制式
75
3.水雾化制粉工艺及装备的研究与进展
Hale Waihona Puke Baidu
水雾化纯铁粉和少量预合金粉的生产技术已成熟， 单喷咀雾化速率已达400~500kg/分钟，粉末的粒度 及粒度组成可通过钢流直径，浇注温度，喷雾压力 等工艺参数进行调整。当前存在的主要问题是：含 有Si、Mn、Cr等合金元素的预合金钢水在水雾化过 程中抢先氧化，在粉末的后续处理过程中这些氧化 物很难还原分解，使得加入Si、Mn、Cr元素提高粉 末冶金零件机械性能的目标难以实现，是水雾化工 艺一直在研究解决的问题。当前以水雾化纯铁粉为 母粉，通过各种方式加入合金元素形成预混合粉是 正在研究的方向。瑞典赫格纳斯研究出的含Cr的合 金铁粉其性能就非常好。QMP在苏州建混粉站也是 要占领中国预混合铁粉市场。
气体雾化方式示意图
4.气雾化制粉装备的进展

气雾化制粉装置向着大型化、精密化、环保型发展
首先，从节能和产品批量稳定性来考虑，气雾化装置一次雾 化钢水量在200kg以上，其次气雾化制粉装置精密化，如真 空冶炼，高压高纯气体的制备，导液管加热元件的精密组 装，最后适应环保要求，采用微细粉末的收集与分级。
2.气雾化合金钢粉末性能
当前具有产业规模（单次雾化钢水量超过
100kg）的气雾化制粉装置，生产的合金钢 粉末的性能见表（以316L不锈钢，Rene’95 高温合金、T15高速工具钢，镍基喷塗、喷 焊合金为例）。 表中的数据不包括做研究工作的小型气雾 化装置所研制合金粉末的性能。
氧含量（PPM） 合 金 喷雾方式 粒度 d50μm 几何偏差

水雾化不锈钢，尤其是适应粉末注射成型要求的＜10μm的 粉末，目前日本大平洋已经做的很好，一次雾化钢水量超过 5吨，雾化水压已达到150MPa，＜20μm不锈钢粉的收得率 在75~80%。一些研究指出：超高压水雾化当水压超过 50MPa后，水压与粉末粒度不是很鲜明的正比关系，水压力 超过150MPa给工艺及装备带来很多困难。一般认为水压在 100MPa足以。当前正在解决的两个问题：其一是使水雾化 微细粉末的形状球化，日本大平洋曾研究气水组合雾化钢流 先经Ar气喷嘴分散成大液滴再进入水雾化喷嘴，这样对粉末 细化和粉末形状趋于球型均有利。其二是想办法降低水雾化 不锈钢粉的氧含量，因为水雾化不锈钢粉一般氧含量在 3000PPM左右，这直接影响粉末颗粒表面的光滑程度，流 动性变差，松装密度减小，压制性差。研究熔融的钢水液滴 与水及水蒸气之间的作用才能找到降低粉末氧含量的办法。