（材料加工工程专业论文）固气两相流雾化制备微细不锈钢粉末工艺的研究.pdf

湖南大学硕士学位论文 摘要 微细不锈钢粉末已经成为全球的金属注射成型( m e t a li n j e c t i o nm o d l i n g 简称 m i m ) 产业的主导原材料，其冶金零部件具有优良的耐腐蚀性，高强度等优点而被广泛 应用于各个领域。本文采用一种新型的雾化方法即采用含有可溶性的高浓度食盐颗粒介 质的高速气流对液体金属或合会进行雾化的固气两相流雾化法，对不锈钢粉末的制备进 行了研究。在熔体温度为1 5 5 0 1 7 0 0 。c ，气体压力为0 9 m p a ，气体介质流量为6 m 3 m i n ， 金属液流量为4 2 9 s ，固体介质盐( n a c l ) 流量为5 8 9 s 等条件下，制备出平均粒径为 2 0 9 m ，球形度良好的不锈钢粉末。 首先对比研究了固气两相流雾化与气雾化工艺，发现在同等实验条件下，固气两相 流雾化制得不锈钢粉末要比普通气体雾化所得粉末细，约为普通气体雾化所得粉末粒度 的二分之一到三分之一，而且o 1 0 0 9 m 范围内的粉末粒度分布更集中，粉末的球形度 更高，粉末冷速更高，晶粒更细小。其次研究了固气比，金属液质量流率，气体的压力 和流量等工艺参数对粉末性能的影响，结果表明：粉末平均粒度随着固气比的增大而减 小，当固气比达到一定值时，迸一步增大固气比，粉末平均粒度又会随之变大；粉末 平均粒度随金属质量流率的减小而减小，随气体压力和流量的增大而减小。此外，分析 了介质颗粒对粉末性能以及组织成分的影响。最终综合分析各个参数对雾化的影响规律 并结合实验条件，得出了最佳工艺参数组合。 本文对固气两相流雾化机理进行了分析，分析表明有如下三种破碎机制：1 气流对 液柱的破碎及二次破碎；2 固体颗粒对液滴碰撞的中心穿透破碎和对液滴的切向破碎作 用机制，以及气流和颗粒的联合破碎液滴的机制，对此从动力学的角度进行了分析。3 固体颗粒对液膜的冲击破碎作用，主要有“飞溅液滴形成机理”和“刮削液滴形成机 理”。 最后，采用同种成分的不锈钢粉术作为固体介质，对固气两相流雾化进行了研究， 结果表明：细粉收得率高于普通气体雾化，但低于盐雾化。其优点是不用分离固体介质， 同种成分固体介质可以采用筛分细粉后的粗颗粒粉末，进行循环利用，提高原料的利用 率，降低了成本，提高了经济效益。 关键词不锈钢；固气两相流雾化；粉末冶金；快速凝固；工艺优化 固气两相流雾化制各不锈钢微细粉末t 艺的研究 a b s t r a c t f i n ep o w d e ro fs t a i n l e s ss t e e li sak i n do fd o m i n a n ts e m i f i n i s h e dm a t e r i a lo f m i m i n d u s t r yn o w p r o d u c t sm a d eb yi th a v eb e e ne x t e n s i v e l yu s e d 。i nm a n yf i e l d s b e c a u s eo fi t se x c e l l e n ta b i l i t i e so fc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n ds oo n t h i sp a p e r p r o p o s e san e wp r o c e s so fa t o m i z a t i o n - - s o l i da n dg a sd u a l - p h a s ea t o m i z a t i o n ，i n w h i c ht h em e d i ao fa t o m i z a t i o nc o n t a i n sm a n ys o l i dp a r t i c l e st h a tc a nb es e p a r a t e d f r o mt h et a r g e tp o w d er i nt h i sw a y ，ak i n do fs t a i n l e s ss t e e lp o w d e ro ft h eg r a i ns i z e o f 2 0 l a m w a sp r e p a r e d i n t h ec o n d i t i o no f t h e t e m p e r a t u r eo f t h e l i q u i d m e t a l1 5 5 0 1 7 0 0 ，t l l eg a sp r e s s u r e0 9 m p aa n di t sf l o wr a t e6 m 3 m i n t h em o l t e nm e t a lf l o w r a t e4 2 9 sa n dt h es a l tf l o wr a t e5 8 9 s a d d i t i o n a l l y , t h es p h e r ed e g r e ea n ds m o o t ho f t h ep o w d e ri sw e l l f i r s t l y ，p r o c e s s e so fg a sa t o m i z a t i o na n ds o l i da n dg a sd u a l - p h a s ea t o m i z a t i o n w e r er e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef i n e rs t a i n l e s ss t e e lp o w d e r 、i t i ln a r r o w e r p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nc a l lb ep r e p a r e db yt h en e w l yd e v e l o p e dt e c h n o l o g yu n d e r t h es a m ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sc o n d i t i o ni nc o n t r a s tt oc o n v e n t i o n a lg a sa t o m i z a t i o n ， a n dt h eg r a i ns i z eo ft h ep o w d e rf a b r i c a t e db ys o l i da n dg a sd u a l p h a s ea t o m i z a t i o n i sa b o u t1 ，2 1 3o ft h ep o w d e rf a b r i c a t e db yt h eg a sa t o m i z a t i o n ；m o r e o v e r , t h e c o o l i n gr a t eo ft h ep o w d e ri sh i g h e rt h a nt h el a t t e r , w h i c hi sa b o v e 10 3 k s ，a n d m i c r o c o s m i cs t r u c t u r ei sf i n e rt h a nt h el a t t e r t h e n ，t h ei n f l u e n c eo fs o l i dp a r t i c l e g a s m a s sr a t i o ，l i q u i dm e t a lm a s sf l o w , g a sp r e s s u r e ，g a sm a s sf l o wa n do t h e rp a r a m e t e r st o t h ep a r t i c l es i z eo fp o w d e rw e r ei n v e s t i g a t e d t h ec o n c l u s i o ni n d i c a t e dt l l a tt h em e a n p a r t i c l e s i z eo ft h e p o w d e rd e c r e a s e s w i t ht h es o l i d p a r t i c l e g a s m a s sr a t i o i n c r e a s i n g ，b u tw h e nt h es o l i dp a r t i c l e g a sm a s sr a t i o i sh i g h e rt h a nt h ec r i t i c a l v a l u e ( 14 0 9 s ) ，t h em e a ns i z eo ft h ep o w d e ri n c r e a s e s 、v i t ht h es o l i dp a r t i c l e g a sm a s s r a t i oi n c r e a s i n g b e s i d e si td e c r e a s e sw i mt h el i q u i dm e t a lm a s sf l o w , t h eg a sp r e s s u r e a n dt h eg a sv o l u m ef l o wi n c r e a s i n g c o l l i g a t i n gt h ea b o v ea n a l y s i s e s ，ag r o u po f b e t t e rp a r a m e t e r sw e r e p r e p a r e d s e c o n d l y ，t h es h a t t e r i n gm e c h a n i s mo fs o l i da n dg a sd u a l - p h a s ea t o m i z a t i o nh a s b e e ns t u d i e d t h e r ei st h r e ek i n d so fs h a t t e r i n gm o d e sw e r es u g g e s t e d ：1 ，m o d eo ft h e a i r f l o ws h a t t e r i n gt ol i q u i dc o l u m 2 ，m o d eo ft h es o l i dp a r t i c l e sp i e r c i n gc e n t r n l yo r t a n g e n t i a l l yt h r o u g hl i q u i dd r o p 3 ，m o d eo f t h es o l i dp a r t i c l e ss h a t t e r i n gt ol i q u i df i l m f i n a l l y , i no r d e rt oo p t i m i z et h ea t o m i z a t i o np r o c e s s ，s o l i dm e d i u mw h o s e c o m p o n e n t sw e r et h es a m ea st h ep o w d e rw a sc h o o s e dt op r o d u c et h es t a i n l e s ss t e e l p o w d e r t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep e r c e n t a g eo ff i n e rp o w d e ro b t a i n e di nt h i sw a y i sm u c hh i g b e rt h a ni nt h ew a yo fc o n v e n t i o n a lg a sa t o m i z a t i o n ，m o r e o v e r ，n o ta n yi t w a sn o tn e c e s s a r yo fs e p a r a t i n gt h em e d i ap o w d e rf r o mt h et a r g e tp o w d e r , b u ta l s o i 卉| 气两相流雾化制备不锈钢微细粉末l ：艺的研究 e c o n o m i z e dt h er a wm a t e r i a l t h ep r o c e s s i n go fi d e n t i c a ls u b s t a n c em e d i a a t o m i z a t i o nc a nr e d u e et h ec o s ta n de n l a r g ee c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：s t a i n i e s ss t e e i ：d u a i p h a s ea t o m i z a t i o n ：p o w d e rm e t a ii u r g y r a p i ds o ii d i f i c a t i o n ：p r o c e s s i n go p t i m i z a t i o r 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：搏$ 弋 日期：耐哞钼努日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 芬武 份留1 日期：2 倒k f 乒月刁留臼 日期：翻年r 月叫臼 湖南人学硕十学位论文 第1 章文献综述 不锈钢是2 0 世纪初材料领域内最伟大的发明之一，在1 9 1 2 年，不锈钢山克 虏伯公司开始工业化生产川，1 9 3 0 年左右由美国的h a r d y 公司首次用粉末冶金的 方法生产不锈钢制品获得成功【2j ，2 0 世纪4 0 年代，美国的钨钒高速工具钢公司首 次合成了不锈钢预合金粉末口j 。粉末冶金不锈钢件具有良好的耐腐蚀性能，高抗拉 强度，高屈服强度，高硬度，高温强度好，抗氧化能力强等优点【4 “l ，被广泛用于 航空、航天工业中的压力容器，指令舱以及紧固件等，在石油、化工工业中用做 过滤器等 7 - 9 】；另外，在建筑工业，交通运输机械，食品工业，医疗器械等领域都 有广泛的应用 1 0 - ”j 。 随着我国航空工业的发展，以及金属注射成型技术( m e t a lt n j e c t i o nm o d l i n g 简 称m i m ) 的快速发展，对不锈钢冶金件的需求不断增加。近几年，全球m i m 产品 的销售额以2 0 3 0 速度增长，其中5 0 为不锈钢产品，用于m i m 的不锈钢粉 末已超过1 0 ，0 0 0 吨【1 3 】，仅日本在2 0 0 0 年的m i m 不锈钢产品的销售总额超过5 6 亿日元【”】，而我国的不锈钢粉末的生产起步晚，生产规模小，粉末粒度大( 平均粒 径为2 0 0 b t m 左右) ，水雾化的含氧量高，粉末的成型性能差，因此，不锈钢粉术主 要依赖于进口1 15 1 。 粉末冶金的关键是粉末的制备，粉末的形貌，粒度的大小及分布，成分和微 观组织是影响后续生产工艺及产品成本质量的因素，因而，人们通过大量的研究， 发明了众多的制粉工艺1 1 6 l ，应用最广泛的是还原法和雾化法，雾化法与其它方法 相比，具有生产效率高等优点而成为主要的制粉方法之一【1 7 , 1 8 1 ，世界上有5 0 的粉 末是用雾化法生产的，年产量超过1 0 0 万吨【1 9 】，其中不锈钢粉末占1 ，其产值占7 】，主要是用气雾化与水雾化制成的。 本世纪初，湖南大学的陈振华教授在传统气雾化的基础上通过改变雾化介质， 发明了一种新的雾化方法叫固气两相流雾化法【20 1 ，用此方法制备金属粉末的技术 是一项简单适用的技术，具有广阔的前景，对制粉技术以及工艺理论和规律的研 究具有重大意义。 1 1 不锈钢粉末的起源与发展 自1 9 1 2 年由克虏伯公司首先对不锈钢工业化生产后t 1 1 ，基于不锈钢耐腐蚀等 优良性能，人们想通过粉末冶金方法制备不锈钢产品，在2 0 世纪三十年代初，h a r d y 冶金公司首次用粉末冶会方法生产不锈钢制品1 2 1 ，他们的方法足把铁、镍和铬等几 种金属单质粉末，按l8 8 钢的标准成分混台，将混合粉末压制成形后，在纯净干 燥的氢气中烧结，他们得到了充分合金化的奥氏体组织，其烧结件具有良好的机 嘲气两相流雾化制薪微细不锈钢粉末一艺的研究 械性能，但必须在13 0 0o c 烧结4 4 小时后才能获得上述结果，因而很不经济。 1 9 4 2 年，j w w l f f 提出用不锈钢粉末制成了产品的撤导，这种合会粉末中的每 一小颗粒的成分都精确地符合1 8 - 8 钢的组成，粉末制备过程如下：首先，将高碳 不锈钢的钢屑加热到5 0 0 7 5 0 0 c ，促使碳化物在品界析出；然后，将这些脆化了的 钢屑放在c u s 0 4 h 2 s 0 4 溶液中煮沸，使其粉碎。随后纽约的v n e x c e l l e d 制造 公司生产了这种不锈钢粉末。 2 0 世纪4 0 年代末，钨钒高速工具钢公司采用出b e r kfw 和c o m s t o c k 设计改 进的旋转粉碎机，首次制成了不锈钢预合金粉末，由于生产中的不足，不久又改 用定向水雾化法制造这种粉末。 2 0 世纪5 0 年代，钨钒高速工具钢制造公司已经建造了一个拥有4 5 3 k g 感应炉 和水雾化设备，年产量约4 0 吨的不锈钢工厂，1 9 7 3 年，美国已有三家公司利用水 雾化法生产粉末冶金用的不锈钢粉末，年生产能力超过了4 ，0 0 0 吨。 7 0 年代中期，瑞典的n y b y 公司与a s e a 公司合作试验成功研制了气雾化不 锈钢粉末装包套，冷等静压，热挤压生产不锈钢无缝管和棒材的工艺，并于1 9 8 1 年建成了年产能力为9 ，0 0 0 吨的气雾化生产不锈钢粉末工厂【2 1 j ，随着市场不断的 扩大，不锈钢粉末的生产和应用有了长足的进步，1 9 9 0 年，世界金属粉末产量已 达8 2 5 ，0 0 0 多吨，其中不锈钢粉末为1 5 ，0 0 0 多盹，占总量的1 8 t 1 3 】。 2 0 0 3 年世界金属粉末产量己达到1 ，1 0 0 ，0 0 0 多吨，其中不锈钢粉末为2 5 ， 0 0 0 多吨，约占总量2 【2 ”，不锈钢粉末的产量快速提高与金属注射成形技术( m i m ) 的发展分不开的，在日本2 0 0 2 年m i m 市场份额中，不锈钢粉末材料占5 0 左右， 其产值达6 0 亿日元【2 ”。 1 2 国内外不锈钢粉的技术现状 1 2 1 国外不锈钢粉的技术现状 美国的v a s c o 公司创立了粉末冶金不锈钢工业生产的开端，从2 0 世纪5 0 年代 开始已有5 0 多年历史，s c m 是世界上最早从事水雾化生产不锈钢粉的厂家之一， 其产品质量和品种代表了当今国际先进水平1 ”i ，但日本于1 9 9 9 年1 0 月成立的 a t m i x 公司，在高压水雾化不锈钢粉领域处于世界领先水平1 25 1 。在此方面，瑞典、 英国等都有较高的水平。 近1 0 年来，不锈钢粉末的生产有了很大的发展，工艺技术上有显著地进步； 产量也不断提高，以当代世界西方工业国家的几个著名生产不锈钢厂家为例，评 述粉末冶金不锈钢工业在国外的发展现状。 ( 1 ) 美国s c m 金属制品公司( s c m ) 该公司一直在丌发形状4 i 规则的，具有足够压制强度而适于烧结的结构零件 粉术，对烧结不锈钢的抗腐蚀性作出了首创性贡献，丌发了新的改进型不锈钏粉 湖南人学硕十学化论文 术，s c m 公司以纯金属，铁金属和经选择的废钢为原料，采用5 5 0 0 磅大气感应炉 熔炼，采用高压水雾化，完全可以控制化学成分，颗粒形状和粒度，从而保证了 粉末松装密度，流动性、压制性和烧结性能1 27 i 。 ( 2 ) 日本太平洋金属公司( p a m c o ) p a m c o 是日本历史悠久的不锈钢粉末生产厂家，目前，奥氏体不锈钢年产达 1 5 ，0 0 0 吨【23 1 ，与s c m 公司一样采用水雾化，水压力高达1 5 0 m p a ，产品性能完 全可满足粉末冶金零件，注射成形，过滤器和涂料等的技术要术。p a m c o 工艺完 全可以控制3 1 6 l 不锈钢粉末的形状和粒度分布，不锈钢粉末松装密度以1 0 k g d m 3 而著称。 ( 3 ) 瑞典a n v a ln y b y 粉末公司( a n p a b ) a n p a b 公司于1 9 8 1 年率先建成了世界上最大的气雾化不锈粉末工厂，年生产 能力达l 万吨，它是在热等静压，热挤压得到发展后，气雾化球形粉末开始具有生 产价值而发展起来的，一般采用n 2 雾化，当某些合金与之反应时，则采用a r 气雾 化，为了降低气耗，循环使用雾化气体，每磅粉末的气耗量小。为了提高生产率， 雾化塔上装有2 套喷嘴，1 9 8 7 年，该公司新开发了“起泡气雾化”技术，这种雾 化工艺每磅粉末的气耗量是整个原有技术的十分之一，粉末的平均粒度可控在 5 0 1 0 0 9 m 范围内，该公司生产a i s l 3 0 0 和4 0 0 条列的共2 0 余种不锈钢粉末。 ( 4 ) 英国b s a 金属粉末公司( b s a ) b s a 采用水雾化生产不锈钢粉末，为了保证粉末的化学成分和最低的碳和氧 的含量，水雾化压力大约1 7 m p a ，并得出适用于生产不锈钢粉平均粒度与喷射水 速度的关系式，v = ( 1 4o pn ) “5 ，式中，v 为喷射速度，o 为金属表面张力，d 为雾化介质密度，d 为粉末平均颗度，对于3 1 6 l 来说，公式可简化为v = k ( 1 n ) o5 ，常数k = 1 7 9 ，利用此公式来预测3 1 6 l 不锈钢粉末的平均粒度，该公司主 要产品有3 0 3 l 、3 0 4 l 、3 1 6 l 和4 1 0 l 粉末i ”j 。 1 2 2 国内不锈钢粉的技术现状 我国不锈钢粉的生产近几年才开始，主要随汽车，机械等行业的发展而有所 发展，但大部分微细不锈钢粉末主要依赖于进口u 6 1 ，其产品用于汽车的结构件等。 随国外m i m 技术的发展与成熟，出现了如石家庄高联金属粉末厂，埃斯尔雾化粉 末公司( 中英合资) 等6 家较大的从事不锈钢粉末原料及其成型产品生产的企业， 但规模很小，最大的埃斯尔雾化粉末公司年产量仅为5 0 0 吨，且粉末成型性能差， 表现在水雾化粉末的含氧量高，平均粒径过大等，技术力量相对较弱，设备落后 等 2 “。因此，对不锈钢粉末制备工艺和生产的研究是很有意义的。 1 3 不锈钢粉末的品种与特点 几乎所有的不锈钢合金郁可以通过感应炉熔炼后被雾化为粉末。目前通用的 i 捌气两相流雾化制各微细不锈钢粉末，l 艺的研究 粉末冶金不锈钢粉末包括奥氏体，马氏体和铁素体三大类，根据美国a i s i 标准分 别列于表i i 。 表1 1 通用粉末冶金不锈钢粉末牌号及成分 a i s i 奥氏体类3 0 0 系列不锈钢具有面心立方结构，无磁性。由于含c r 和n i 量 高，在不锈钢中，其耐蚀性最好。3 1 6 l 不锈钢粉末在粉末冶金中应用最广其产 量也最大。 马氏体类4 1 0 l 不锈钢既耐腐蚀又能通过热处理进行强化，是一种适于淬火处 理的合金。 铁素体类不锈钢属4 0 0 系列的合金，具有典型的体心立方结构，具有磁性， 不可热处理，因不含镍，是一类经济的不锈钢。 1 4 不锈钢粉末的应用 不锈钢粉末冶金构件和过滤材料在许多不同的工业领域中都有其广泛用途， 是否采用不锈钢粉末冶金零件必须要考虑两个问题，第一：零件的外形必须要适 于采用粉末冶金方法，第二：被选择作为原料的不锈钢必须具备某些优于其它粉 末的冶金材料的性能，主要应用于以下五个方面【2 6 1 。 ( 1 ) 粉末冶金烧结零件 不锈钢烧结零件在粉末冶金工业中正处于一i 断增长的趋势。这种抗腐蚀性强 的零件广泛地应用于家庭用品，船舶和汽车零件。例如3 1 6 l 链环，快折式手柄、 板手、夹具、抓钩、杠杆等等。 ( 2 ) 过滤器元件 不锈钢过滤材料是一种由不锈钢粉术烧结的多孔性特殊产品。它具有较好的 机械强度，良好的导热性和理想的耐腐蚀性，被广泛地用于从液体或气体中分离 出固体物质：或从气体和液体中分离出液体物质。这种材料还可以用来制造声响 阻尼片、流量控制器、节气器以及通风装置等。 窒兰壁堡堡茎! ! 型丝丝塑至堑：鬯尘；兰堇些堑垒 ! ，! ! ，。一 粉末冶金不锈钢粉末包括奥氏体马氏体帮f 铁素体三大类，根据美国a i s i 标准分 别列于表1 ，l 。 表1 1 通用粉末冶金不锈钢粉末牌号及成分 马氏体 4 1 0 l1 2 1 30 7 , - 0 90 i 05 00 5 0 0 3 00 3 余 铁素体 4 3 0 l 4 3 1 l 1 6 1 7o7 o 9 型：! ! ：! ! ! ：! i! ! ：! i 叁 03 o0 3( o 0 3 00 3 余1 6 - i807 0 905 一，15 a i s i 奥氏体类3 0 0 系列不锈钢具有面心立方结构，无磁性。由于含c r 和n i 量 高，在不锈钢中，其耐蚀性最好。3 1 6 l 不锈钢粉末在粉末冶金中应用最广，其产 量也最大。 马氏体类4 1 0 l 不锈钢既耐腐蚀又能通过热处理进行强化，是一种适于淬火处 理的合金。 铁素体类不锈钢属4 0 0 系列的合金，具有典型的体心立方结构，具有磁性， 不可热处理，因不含镍，是一类经济的不锈钢。 1 4 不锈钢粉末的应用 不锈钢粉末冶金构件和过滤材料在许多不同的工业领域中都有其广泛用途， 是否采用不锈钢粉末冶金零件必须要考虑两个问题，第一；零什的外形必须要适 于采用粉末冶金方法，第二：被选择作为原料的不锈钢必须具备某些优于其它粉 末的冶金材料的性能，主要应用于以下五个方面 z 6 l 。 ( 1 ) 粉术冶会烧结零件 不锈钢烧结零件在粉末冶金工业中正处于不断增长的趋势。这种抗腐蚀性强 的零件广泛地应用于家庭用品，船舶和汽车零件。例如3 1 6 1 ，链环，快折式手柄、 板手、夹具、抓钩、杠杆等等。 ( 2 ) 过滤器元件 不锈钢过滤材料是一种由不锈钢粉末烧结的多孔性特殊产品。它具有较好的 机械证度，良好的导热性和理想的耐腐蚀性，被广泛地用 从液体或气体中分离 出固体物质；或从气体和液体中分离出液体物质。这种材料还可以用来制造声响 阻尼片、流量控制器、节气器以及通风装置等。 阳尼片、流量控制器、节气器以及通风装置等， ( 3 ) 不锈钢片状粉末涂料 水雾化3 1 6 l 片状粉末可用球磨机破碎成直径为2 0 3 0 1 t i n ，厚度小于1 9 m 的 片状粉末，作为颜料填加剂用作耐酸腐蚀涂料。这种耐腐蚀性良好的涂料可用于 船艇、桥梁和近海的热电厂，其寿命很长，颇得好评。 ( 4 ) 注射成形( m i m ) 近几年来，在粉末冶金工业中新兴的注射成形技术发展极为迅速。实践证明， 水雾化不锈钢超细粉末( 2 - - 4 0 a m ) 尽管其形状不规则，但可适用作注射成型原料。 它的产品包括医疗器具，工具，仪表，电子纤维光学和汽车等部门。 ( 5 ) 热挤压粉末不锈钢无缝管和棒材 当今称为a n v a l 工艺的粉末冶金工业化生产钢管极好地利用了气雾化不锈钢 粉末。这是继粉末高速钢之后，使粉末冶金工业从传统的单一零件产品跨入大批 量生产高性能钢材行列的又一个飞跃发展。此外这种不锈钢粉末也适用于制造热 等静压棒、管、装配零件和等离子热喷涂粉末等。 1 5 不锈钢粉末的加工工艺 1 5 1 不锈钢的熔炼 用于粉末冶金不锈钢的熔炼可以采用感应炉，真空炉，控制气氛炉，也可采 用电弧炉，氧气顶吹转炉等。熔炼方法与碳钢熔炼方法相似【3 ”，包括装料，熔化、 脱碳、还原、精炼、脱氧几道工序，其中脱碳是不锈钢熔炼的关键，脱碳是向熔 池吹氧，进行氧化脱碳，因有大量铬存在，必须把碳降到低水平，但在吹氧过程 中，铬会氧化；因此，在吹氧结束时，要加入硅合金，把铬还原出来，因雾化要 求金属液体粘度较低，一般来说温度越高金属液体的粘度愈低，但温度过高，其 微量元素烧损也大，故一般使金属融体过热度为1 5 0 2 5 0 0 c 。有的生产厂家为了得 到较为严格的化学成分配比，常采用铬、镍等纯金属与废钢进行配比熔炼，其粉 末的含氧量可降到1 0 p p m i ”】。 1 5 2 不锈钢粉末制备的工艺流程 不锈钢粉末的制备与其它金属粉末相差不多，通常采用气雾化和水雾化，应 用最多的是水雾化，但根据所得的粉目的形状和粒度分布的不同，以及粉末冶金 零件的用途不同，而采用不同的雾化方法。在前面不锈钢中应用所提到的，如用 作过滤器元件，则采用5 0 1 0 0 i - t m 的气雾化不锈钢粉末，( 如瑞典的a n v o ln y b y 公 司用气雾化生产的不锈钢粉末) ，如用作烧结零件，涂料。但m i m 所用的粉末等 则通常采用1 0 4 0 9 m 的水雾化粉末( 如日本的p a m c o 公司，美国s c m 公司等) 。 气雾化和水雾化的工艺流程如图1 1 和图1 2 。从中可以看出水雾化多了一道 退火工序，这是针对用于冷压成形粉末增设的，原因是为了降低粉末的硬度，提 5 塑篁塑塑鎏童些型鱼坠型尘堑i ! ! 鳖；耋垒垒堡垒，。，。：一，一 高粉末的压缩性。 圭 互田 图1 1 气雾化工艺流程图1 2 水雾化工艺流程 1 6 不锈钢的雾化制粉 1 6 1 主要的雾化方法 雾化法属于机械制粉法，是利用高压流体作用于熔融的金属液流，或借助离 心力，机械力等作用，迅速将熔融的金属液破碎成粉末，此方法应用广泛，生产 规模仅次于还原法，通常来说，雾化法大体分为四类：双流雾化法、离心雾化法、 机械雾化法、多级雾化法，从现有的文献，无人专门就不锈钢粉末的雾化方法进 行归类，下面按以上四类方法在不锈钢粉末制备中应用进行简单介绍和评价。 1 6 1 1 双流雾化法 双流雾化法是通过雾化喷嘴产生高速高压的流体，快速冲击熔融金属液流， 将溶体流粉碎成很细的液滴，并主要通过对流方式散热而迅速冷凝得到微细会属 粉术【2 。常用的雾化介质为水或气体，相应地称为水雾化和气雾化。在不锈钢粉 末制备中主要是这两种方法，各有优点和缺，_ 。 1 普通气体雾化法 在2 0 世纪2 0 年代，人们就利用空气作雾化介质制取有色金属粉末i ” 3 ，到 现在已有8 0 多年的历史，气体以平行喷射，垂直喷射和互成角度喷射。而互成角 度喷射又分为v 型喷射、锥形喷射、旋涡环形喷射三种，其中v 。型喷射被瑞典霍 格纳斯公司最早用它来制备不锈钢粉。 对于任何一个互成角度结构喷射的喷嘴，喷射角度的大小和喷射的距离决定 了液滴的分布特征，适当增加喷射角，射流距离会相应减小，得到粉末较细。 普通气雾化工艺的特点是喷嘴结构为自由降落式，金属熔体自导液管流出， 要经过2 0 1 5 0 m m 的距离才能与气体射流发生作用 3 1 1 ，因而气流对熔体的冲击速 度低。雾化压力一般在1 4 4 2 m p a 范围，气流对熔体的冲击速度为5 0 1 5 0 m s ， 制得n i 基超合金粉末的平均粒度在1 5 0 1 t m 3 2 1 ，由于粉末粒度大，液滴的冷却速 度低( 1 0 2 k s 左右) ，为避免颗粒问的相互粘结，雾化筒的高度至少应为1 0 米，否 则，必须在桶的底部装有淬冷剂( 一般为水) 及一套除水的干燥系统j 。普通气 体雾化工艺到上世纪5 0 年代已经发展成熟，并用来大规模地生产各种金属及合金 粉末1 3 4 蚓，但微细( 4 4 1 t m ) 粉末的获得率很低且粒度分布范围宽对高表面张 力的金属及合金，粒度小于3 7 p m 的粉末只有2 5 - 4 0 【j 。 使用自由降落式结构喷嘴的普通雾化工艺由于生产的粉末粒度较大，满足不了 现代粉末冶金工艺及高性能材料的要求，因此，利用限制式结构喷嘴来降低成本， 并制取微细粉末已成为当前气体雾化工艺发展的主要趋势之一，此外在这方面研 究较多，并发明了一些专利和设备m3 射，取得了显著的成绩；同时，为避免出现 “堵嘴”、“反喷”等雾化过程中不稳定的现象，对雾化系统作了很细致的研究， 如通过合理设计喷嘴结构，使雾化区域处于负压状态1 3 ”1 ，将导液管加热及给熔 体加以一定的正压【4 2 1 ，以保证熔体的稳定流动等等措施，也相继开发了一系列的 雾化工艺。典型的有高压气体雾化法，气体上喷 法，水平气体雾化法，超声雾化法，层流雾化法 等。在此介绍一下用于不锈钢粉味制各的两种方 法： ( 1 ) 水平气体雾化法 瑞典的a s e a a b 公司在1 9 8 0 年开发成功 此工艺【4 34 ”，主要是制取热等静压及m n s m 技 术和生产过滤器用的粉末。在1 9 7 9 年w i e c h 等 人组建的p a r n i a k c h 公司生产金属粉末成形产品 获得成功1 “1 ，从而使m i m 产业得到快速发展， 不锈钢粉末注射成形成了当时热点，由此出发开 发了这种工艺，其结构如图1 3 所示。自漏包中 图13 水平气体雾化示意图 吲气两相流雾化制备微细不锈钢粉末工艺的研究 流出的液体和与其流动方向垂直的高速气流相遇被粉碎成液滴，液滴在气流的携 带下，呈平抛运动过程中冷却成粉末，整套设备只有3 m 高，雾化速率为3 0 k g - m i n 一， 所制得的不锈钢粉末均为球形，粉末间几乎没有互相粘结而形成的“卫星”颗粒， 该工艺冷却速率为1 0 3 1 0 4 k s ，据称此工艺可以显著降低设备投资，经济高效的 制取热等静压，n n s m 技术及过滤器生产用的各种优质粉末，如制得的钢粉流动 性在1 3 6 s 5 0 9 左右，压实密度可达理论密度7 0 7 5 。 ( 2 ) 层流雾化法 该工艺为l e r k i n g 4 2 1 在w a l z t 4 3 】工作的基础上所创立，它与前面所述的各种雾 化法都不同，特点是气体与熔体呈层流的形式流动，熔体随气体进入喷嘴时，平 行于液流的气体将液流挤压成更细的液流线，当液流线离开拉瓦尔喷嘴的喉口时 发生径向的破碎，这时加速的气流和熔体流仍呈层流形式。该工艺制得的粉末球 形度好。冷却速度为1 0 6 - 1 0 7 k s 。在2 0 m p a 的 雾化压力时，使用a r 或n 2 作雾化介质，可使c u 、 a i 、3 1 6 l 、不锈钢、a g 及c u s n 8 等金属雾化成 平均粒度为1 0 “m 左右的粉末；而使用h e 气作 雾化介质时，这些金属粉末平均粒度在5 9 m 左 右。该工艺生产粉末粒度小，成本低。此工艺还 可以用来制取金属陶瓷粉末及纤维，但目前没有 更详细的报道。 2 水雾化法 图1 4 n a n o v a l 工艺的喷嘴结构示意图 水雾化法是生产不锈钢粉末最常用的方法，它的基本原理和气体雾化相同。 由于采用了水作为雾化介质，水雾化的冷却速度比普通气体雾化的冷速高出一个 数量级，达到1 0 3 1 0 4 k s ，制得的粉末平均粒度为7 0 2 0 0 9 m 。随着喷嘴结构改进， 以及雾化水压力增大，制得的粉末平均粒度达到1 0 - 4 0 9 m ，如1 9 9 9 年1 0 月成立 的日本的a t m l x 公司采用高压水( 压力达到1 5 0 m p a ) 雾化，其雾化不锈钢粉在 2 0 0 0 年p f 一2 0 r 粉末平均粒经为9 1 l a m l 4 “，由于冷却速度高，得到的粉末一般具有 不规则的形态和表面，通常为片状4 7 。9 1 。 水雾化法有如下几个优点：1 5 0 1 ( 1 ) 采用高压水作雾化介质。水的粘度为1 o o l 9 l 厘泊，氮气的粘度为0 0 17 4 厘泊，这就是说水的粘度约为氮气的6 0 倍。同时，水比气体密度大，因此，当速 度相同时水雾化动量大，比气体雾化破碎效率高。 ( 2 ) 水雾化利用水冷却 ：艺制得的粉末，其颗粒为不规则状成形性较好，适 片j 于冷成形和冷预成形一热成形工艺。 ( 3 ) 冷却凝固快。因此，粉末颗粒的晶粒细小，组织细、碳化物分散均匀。 ( 4 ) 投资少，牛产成本较低，可用于牛产绝大多数牌号的不锈钢粉。 湖南火学硕士学位论文 其缺点：其一是粉术的含氧量高，一般为1 0 0 0 4 0 0 0 p p m ，比气体雾化高出了 一个数量级；其二，采用高压水雾化时，由于水压过高，能量有效利用率低，约 l ，对设备要求提高，设备的成本也随之提高。近年来，通过惰性气体保护， 向水中加添加剂( 如酒精) ，或用去离子水雾化，粉末的含氧量可。降到5 0 p p m 。现 在，还可以用油来代替水制造比较纯净的粉末1 5 1 1 。 1 6 1 2 离心雾化法 离心雾化法是把熔融金属从坩埚或浇包浇注到旋转的园盘或杯中，或者直接 熔化旋转金属棒料的一端，在旋转离心力的作用下金属液被破碎成小液滴，随后 凝固成金属粉末，按照旋转体的不同，可将其细分为：旋转盘雾化法，旋转电极 雾化法( r e p 法) ，旋转带孔杯法，溶液提取法，离心雾化法的特点是能量消耗较 小，颗粒形状从球形到片状都有。例如旋转盘雾化法所得的粉末为球形，冷却速 度达1 0 5 1 0 6 k s t 5 3 1 ，目前，美国的普招特惠特尼公司己这种方法进行大规模的工 业生产【5 2 ，5 4 1 旋转电极法所得粉末的粒度范围为5 0 4 0 0 p m ，平均直径约2 0 0 u m 5 2 1 ， 旋转电极法由于熔化不在坩埚进行，熔液干净，因此，常用来生产活性金属的高 纯粉末，如钛、铌、不锈钢等金属粉末【52 1 ，它的缺点是工艺参数不易控制，所生 产的粉末粒度分布难以符合预定要求。在这些方法中用于不锈钢粉末制备的有旋 转水雾化法、旋转电极雾化、熔体粘出法等方法。 ( 1 ) 旋转水雾化法： 最早由美国钒合金钢公司用来生产不锈 钢粉，并取各为罗伯特( r o b e r t ) 粉碎机。水雾 化所用的高压水一般由高压水泵获得，但也可 以通过高速旋转加速而得到。旋转水雾化就是 利用此原理而设计的，其示意图如图1 5 所示。 合金在容量为4 5 0 k g 的感应电炉坩埚内熔 化后，倒进衬有锆硅酸盐耐火材料的电加热的 中间漏仓，金属液流从真径为4 8 5 6 m m 的 z r 0 2 漏嘴流入雾化室，被从带有1 6 个孔的转动 的环形喷射器喷出的水流击率，喷射器的转动 速度是6 0 0 0 f f m i n ，能保证很好雾化，细粉产出 率较高，从雾化室底部出来的粉末含有 l o 1 5 的水分，经过旋转过滤器后含水率降 到3 5 ，再经干燥后送去退火或还原。 ( 2 ) 旋转电极雾化 l 漏包；2 漏嘴；3 水流：4 金属液流；5 形喷 射器；6 水管；7 雾化室：8 气管 图1 5 旋转水流雾化装置示意图 此方法不仅可以雾化低熔点的金属和合金，也可以制取难溶金属粉术，如不 锈钢粉末，其装管如图1 6 所示，把要雾化的金属和合金作出旋转自耗电极，通过 i 州气两相流雾化制备微细j ：锈钢粉末l 艺的研究 固定的钨电极发生电弧使金属和合金熔化。当自耗电极快速旋转时，离心力使熔 化了的金属或合金破碎成细滴状飞去，电极装于粉末收集室内，收集室先抽成真 空，然后在喷制之前，充入氧或氦等惰性气体，熔滴在尚未碰到粉末收集室器壁 以前，就凝固于惰性氛围之中，凝固后的粉末落于器底。 旋转电极转速为1 0 0 0 2 5 0 0 0 r m i n ，电流强度为4 0 0 8 0 0 a ，一般生产的粉末介 于3 0 5 0 0 i _ t m 之间，大量生产过3 2 5 目的粉末尚有困难，由于旋转电极雾化不受熔 化坩埚及其他的污染，生产的粉末很纯，粉末形状一般为球形，此方法已用于生 产不锈钢粉等。 ( 3 ) 熔液提取法 熔液提取法有人把它归纳为快速冷凝固技术，其实也是借助于离心力的作用， 把金属或合金在电加热的槽中熔化后，通过提升装置使液面与上部的旋转轮缘稳 定接触，轮缘口有许多缺口，粉末附于轮缘的熔液停留一定时间后甩出，冷却凝 固成条状，须状成纤维状粉末，所得粉末的纵横比取决于轮缘缺口的距离，粉末 的直径约1 0 6 0 i _ t m ，长度3 - 6 m m ，冷却速度1 0 5 1 0 6k s 1 55 1 、熔液提取法已达到工 业生产规模，可用来生产特定形状的不锈钢等粉末纤维，用来作增强剂，其原理 示意图如1 7 所示。 陋 妒 案 尸 蹦_ 电动机：2 送料器；3 粉末收集室4 固定钨电极 5 旋转自耗电极：6 惰性气体入口 图1 6 旋转电极雾化 | 罴辫 p 囊毒：i ：蕊铃 1 水冷带剀口圆盘： 2 熔融金属；3 纤维 图1 7 熔液提取法 i 6 】| 3 还原法 5 6 1 还原法是用氢化钙共还原生产不锈钢粉。工业上已生产1 c r l 8