金属雾化制粉技术现状_于朝清

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电工材料2010No.2

金属雾化制粉技术现状

于朝清1

,徐永红1

,章

应2,田茂江2,向云贵2,陈前兵

1

(1.重庆川仪一厂,重庆

400702; 2.重庆绿色电接触材料工程实验室,重庆400702)

摘要:先进的金属粉末制造技术是现代粉末冶金学和产品产业化的基础,高性能低成本的金属粉末制造技术的应用推动了粉末冶金产业的发展。本文简单阐述了雾化制粉的原理,详细介绍了各种雾化制粉技术的特点。

关键词:粉末冶金;雾化;金属粉末中图分类号:T M 205.1文献标志码:A

文章编号:1671-8887(2010)02-0009-05

Status of the Atomization Technolo gy for Metal Powder

Y U Chao_q in g 1,X U Y on g _hon g 1,Z H AN G Yi n g 2,

TIA N M ao_j ian g 2,X IA NG Y un_g ui 2,CH EN Q ian_bi n g

1

(1.Chon gQ in g Chuan y i No :1Fact or y ,Chon gq in g 400702,China ;2.The Labora tor y at G reen El ect rical Contact M at erial o f Chon gq in g ,Chon gq in g 400702,China )Abstract :A dvanced manuf actur in g t echnolo gy f o r met al p ow der i s base of mo dern p o wder met al lur gy and indust rializ at ion.L ow cost manuf act uri n g t echno lo g ies f or hi g h p er f ormace met al p ow der w ill g ive an im p etus t o im p r ove of p ow der m etallur gy indust r y .I n t his p a -p er,t he p rinci p le o f p ow der p re p ared b y atom izat io n w as int roduced and the at omiz at ion t echno lo gy f or met al p owder was described in det ail.Ke y words :p owder met allur gy ;at om izat ion;met al p o wder

作者简介:于朝清(1941-),男,教授级高级工程师,副总工,享受国家级政府津贴专家,从事贵/兼金属复合材料的研究及生产。投稿日期:2010-01-04

于朝清等:金属雾化制粉技术现状

1引言先进的粉末制备技术是现代粉末冶金学和产品产业化的基础,是相关新兴产业发展的先导。高性能、低成本粉末制造技术的广泛应用推动了粉末冶金技术的进步,已经成为当今材料科学与工程技术研究的一个非常活跃的前沿领域。采用雾化法制取的粉末已占当今世界粉末总量的80%,其中气雾化法制取的粉末占30%~50%,也就是说有近一半是由气雾化技术来完成的[1]

。采用雾化法制取的粉末其球形度、粒度(粉径)、粒度分布集中度、金属化及致密度、表面质量等都是传统化学制粉法无法比拟的。雾化制粉法获得的用于制造电触头原材料的粉末具有以下优势:粉末粒度小且分布集中,最细可达10 m(1250目),有助于材料组织细化;金属化、球形化的粉末流动性好,自然晶界能有效抑制材料生产和使用过程中的晶粒长大;通过感应炉熔

炼的电磁搅拌制成的粉末,合金组元成分均匀、致密度高,能保证最终产品的质量;金属化的颗粒不易团聚和粘连,无形损耗少。由于雾化制粉技术具有生产工艺稳定、不可控因素少、产品质量高、无化学试剂消耗、环境友好无污染、生产效率高、制造成本低等优点,在行业中推广很快,已成为国内电触头材料制造业广泛使用的技术,也是产品质量升级和新产品研发的重要手段。2雾化制粉基本原理2.1工艺流程

雾化制粉工艺流程:金属(合金)熔化、精炼转入保温包(漏包)进入导流管高压液(气)

流喷射金属(合金)液滴雾化金属(合金)液

滴凝固沉降进入收集罐液(气)分离干

燥筛粉合金粉末收集。

2.2

基本原理

雾化制粉是多相流相耦合作用的复杂过程,其

10电工材料2010N o.2

作用机理目前尚不清楚,在一定程度上无法为雾化

制粉技术的提升和推广应用提供有力的技术支

撑。20世纪60年代,伴随雾化制粉技术的广泛应

用,其理论研究逐渐深入,较有影响的主要有

Lubanska理论、T ho m p son理论、三阶段雾化理论、

正态分布理论和Strauss理论。

2.2.1Lubanska粉末粒度方程[2]

d m d

0=k D1+

m L

m G

L

r G W e

12

(1)

W e=

L u2G d0

(2)

d m=13 3(3)

式中,d m为粉末平均粒径;k D为常数(40~50);m L/ m G为气液质量流率;d0为导液管直径; L, , L分别为金属液的密度、表面张力和粘度; G为气体粘度;W e为韦伯数(当W e<10.7临界值时,熔滴不能进一步被破碎);u G为气流速度; 为几何标准差。

从Lubanska理论可知,雾化粉末粒度的分布范围越窄,产量越高;紧密耦合型(限制型)喷嘴比自由型喷嘴更有效。

2.2.2Thom p son理论

J.S.T ho m p son[3]研究发现,粉末粒度随金属流速的提高、射流压力的增加及金属过热度的增大而减小。此后,M annesman设计了锥形喷嘴、Wat_ kin g son设计了环形喷嘴,使工艺过程更加稳定,取得了较好的改进效果[4]。

2.2.3三阶段雾化理论

H inze[5]指出,金属熔体的雾化过程存在三种破碎方式,即扁豆状、雪茄形和膨胀形。发展到后来演变为鼓泡(ba g)、生长(stretchin g)、突变(catastro phic)的雾化机制。Dambrow ski和Hoo per 的模拟实验发现,金属液体束在高速气体喷射的驱动下,首先成膜,继而破碎成带,最后破碎成滴,其示意图见图1。带的厚度取决于液膜的厚度和高速气流的波长,液滴的直径是带厚的1.88倍。

d L=3( S)1/2(4)式中,d L为液带厚度; 为气流波长;S为液膜厚度。

2.2.4正态分布理论

R.M.German[6]利用计算机技术研究发现,雾化粉末粒度分布呈对数正态分布:

P(x)=1

2

ex p-

x-u x

2 2(5)

式中,标准偏差 取决于雾化条件,一般为2,与式(3)结合来看,平均粒径与标准偏差关系密切,要降低平均粒径,必须严格控制标准偏差。

图1紧耦合气雾化喷嘴及原理

2.2.5Strauss理论

J.T.Strauss理论[7]给出了粉末平均粒径与金属液表面张力的关系:

d50=K n(6)式中,d50为粉末平均粒径; 为金属液表面张力; K、n为与金属熔体物性相关的常数。

金属熔体的物性与粉末粒度的关系较为复杂,雾化参数的确定(包括雾化介质的选择、雾化设备的结构设计)因材料不同而异,因此金属的雾化制粉是工艺性很强的生产过程。

3雾化制粉工艺类型及特点

(1)水雾化。水雾化广泛用于Au、A g、Pd、Pt、Co、Cu、N i、Fe、Zn粉末的制备,其粒度分布从10 m级到毫米级,形状不规则,球形度差,有良好的压制成形性,设备投资规模小,运行成本低,水可循环使用,其氧含量 0.4%,且可通过后工序还原去除,生产效率可达500k g/m in,但对Al等活泼金属不适用。

(2)碳氢雾化。类似于水雾化的特点,但无氧化,球形度更好,有利于生产细Al粉。

(3)气雾化。气雾化广泛用于Sn、Pb、Al、Bi、Cu、A g、Au、Co、Ni、Fe、Zn粉末的制备,其粒度分布从10 m(与合金种类有关)到200 m,球形度好,有良好的密度和流动性,氧含量低,生产效率达50k g/m in,所用气体主要是N2、Ar。

(4)空气雾化。空气雾化广泛用于Al、Sn、Pb、Cu_Sn、Cu_Zn粉末的制备,类似于气雾化,运行成本低,但氧含量高,球形度差。

于朝清等:金属雾化制粉技术现状