近年米粉末冶金新技术和新工艺的发展和应用状况
- 发布时间：2012/12/7 10:07:37
- 浏览次数：443
1.雾化制粉技术
粉末冶金材料和制品不断增多，其质量不断提高，要求提供的粉末的种类也愈来愈多。例如，从材质范围来看，不仅使用金属粉末，也要使用合金粉末、金属化合物粉末等；从粉末形貌来看，要求使用各种形状的粉末，如生产过滤器时，就要求球形粉末；从粉末粒度来看，从粒度为500～1000m的粗粉末到粒度小于0.1m的超细粉末。
近几十年来，粉末制造技术得到了很大发展。作为粉末制备新技术，*个引人注目的就是快速凝固雾化制粉技术。快速凝固雾化制粉技术是直接击碎液体金属或合金并快速冷凝而制得粉末的片法。快速凝固雾化制粉技术zui大的优点是可以有效地减少合金成分的偏析，获得成分均匀的合金粉末。此外，通过控制冷凝速率可以获得具有非晶、准晶、微晶或过饱和固溶体等非平衡组织的粉末。它的出现无论对粉末合金成分的设计还是对粉末合金的微观结构以及宏观特性都产生了深刻影响，它给高性能粉末冶金材料制备开辟了一条崭新道路，有力地推动了粉末冶金的发展。
雾化法zui初生产的是像锡、铅、锌、铝等低熔点金属粉末，进一步发展能生产熔点在1600～1700℃以下的铁粉及其他粉末，如纯铜、黄铜、青铜、合金钢、不锈钢等金属和合金粉末。近些年，随着人们对雾化制粉技术快速冷凝特性的认识，其应用领域不断地拓宽，如高温合金、Al-Li合金、耐热铝合金、非晶软磁合金、稀土永磁合金、Cu-Pb和Cu-Cr假合金等。
借助高压液流（通常是水或油）或高压气流（空气、惰性气体）的冲击破碎金属液流来制备粉末的方法，称为气雾化或水（油）雾化法，统称二流雾化法；用离心力破碎金属液
流称为离心雾化；利用超声波能量来实现液流的破碎称为超声雾化。雾化制粉的冷凝速率一般为103～106℃／s。
2二流雾化
根据雾化介质（气体、水或油）对金属液流作用的方式不同，二流雾化法具有多种形式：
（1）垂直喷嘴。雾化介质与金属液流互呈垂直方向。这样喷制的粉末一般较粗，常用来喷制铝、锌等粉末。
（2）V形喷嘴。两股板状雾化介质射流呈V形，金属液流在交叉处被击碎。这种喷嘴是在垂直喷嘴的基础上改进而成的，其特点是不易发生堵嘴。瑞典霍格纳斯公司zui早用此法以水喷制不锈钢粉。
（3）锥形喷嘴。采用环孔喷嘴，雾化介质以*的速度从若干个均匀分布在圆周上的小孔喷出构成一个未封闭的气锥，交汇于锥顶点，将流经该处的金属液流击碎。这种喷嘴雾化效率较高，但要求金属液流对中好，而且由于雾化介质高速射出时会在锥中形成真空，容易造成液滴反飞，并在喷嘴上凝固而堵嘴。
（4）漩涡环形喷嘴。采用环缝喷嘴，压缩气体从切向进入喷嘴内腔。然后高速喷出形成一漩涡状锥体，金属液流在锥顶被击碎。
雾化介质与金属液流的相互作用既有物理-机械作用，又有物理-化学变化。高速气体射流或水射流，既是使金属液流击碎的动力源，又是一种冷却剂，就是说，一方面，在雾化介质同金属液流之间既有能量交换（雾化介质的动能变为金属液滴的表面能），又有热zui交换（金属液滴将一部分热虽转给雾化介质）。不论是能量交换，还是热量交换，都是一种物理-机械过程；另一方面，液体金属的黏度和表面张力在雾化过程和冷却过程中不断发生变化，这种变化反过来又影响雾化过程。此外，在很多情况下，雾化过程中液体金属与雾化介质发生化学作用使金属液体改变成分（如氧化、脱碳等），因此，雾化过程也就具有物理-化学过程的特点。
在液体金属不断被击碎成细小液滴时，高速射流的动能变为金属液滴增大总表面积的表面能。这种能量交换过程的效率极低，据估计不超过1％。目前，从定量方面研究二流雾化的机理还很不够。
雾化过程非常复杂。影响粉末性能（化学成分、粒度、颗粒形状和内部结构等）的因素很多，主要有喷嘴和聚粉装置的结构、雾化介质的种类和压力、金属液的表面张力、黏度、过热度和液流直径。显然，雾化介质流和金属液流的动力交互作用愈显著，雾化过程愈强烈。金属液流的破碎程度取决于介质流的动能，特别是介质流对金属液滴的相对速度以及金属液流的表面张力和运动黏度。一般来说，金属液流的表面张力、运动黏度值是很小的，所以介质流对金属液滴的相对速度是zui主要的。粉末的形状主要取决于液流的表面张力和冷凝的时间。金属液流的表面张力大，并且液滴在凝固前有充足的球化时间，将有利于获得球形粉术。
3.气体雾化
气体雾化法所用的雾化压力一般为2～8MPa，制得的粉末粒径一般为50～100m，多为表面光滑的球形。近年来已发展了一种新的紧耦合（CloseCoupled）气体雾化喷枪，可以*提高细粉率，粒径为30～40m的粉末可占75％左右，粉末的冷凝速度也相应有了提高。超声气体雾化法（USGA）是气体雾化技术中较为*的一种，它是用速度高达2.5马赫的高速高频（80~100kHz）脉冲气流作为雾化介质的。这种超声气流是用一系列哈脱曼（Hartman）冲击波管产生。超声气体雾化法具有很高的雾化效率，例如，采用超声气体雾化法可以制成粒径为8m的锡合金粉末和平均粒径为20m的铝合金粉未，而且在这种铝合金粉末中粒径小于50m的粉末出粉率高达90％以上。超声气体雾化生产低熔点合金已达工业生产规模，而对于高熔点合金仍处于实验阶段和实验性生产规模，其存在的主要问题是雾化过程不稳定，易造成“堵嘴”现象。通过提高雾化气体的温度，使气体的出口速度提高，可进一步提高细粉末的出粉率。另一个值得注意的是德国Gerking发明的层流气体雾化技术，该技术
采用了特殊的喷嘴设计，使雾化气体以层流的形式喷出，可将金属液流进一步细化。用该技术生产的铝粉的中位径只有18m，90％粉末的粒径小于30m。用该技术生产316L不锈钢粉末，其中位径为30m，90％粉末的粒径小于80m。但是，由于该技术采用了很小直径的金属液流（约1mm），批量生产时其导液管容易被堵塞。全惰性气体雾化技术近年来发展很快，多种实验和生产规模的全惰性气体雾化制粉设备相继投入运行，为发展高性能的高温合金、铝合金、钛合金以及金属间化合物材料提供了有力的手段。
4.高压水雾化
在金属粉末雾化中发展zui快的是20世纪60年代中期建立起来的高压水雾化技术。水雾化法由于采用了密度较高的水做雾化介质，所以达到的冷凝速度要比一般气体雾化法高个数量级，粉末形状一般为不规则形。它在纯铁粉、低合金钢粉、高合金钢粉、不锈钢粉和铜合金粉的制造中具有重大的技术经济优势，是钢铁粉末生产的主要发展方向。高压水雾化目前只限于在不会出现过度氧化或在雾化期间形成的氧化物能很快被还原的那些可雾化合金。在10MPa水压下的钢铁粉末粒度为100～200m。随着粉末注射成形等新型近净形成形技术的发展，超高压（>100MPa）水雾化被认为是制取细微（约100m）粉末的有效途径。例如，日本太洋金属公司为此开发了水压高达150MPa的超高压水雾化设备，其平均粒度可达3～5m。
5.离心雾化
离心雾化法是利用机械旋转造成的离心力使金属熔液克服其表面张力，以细小的液滴甩出，然后在飞行过程中球化、冷凝成粉的一种制粉方法。其中主要有旋转盘法（RD）（图11-3（a））、旋转坩埚法（RC）（图11-3（b））、旋转电极法（REP（图11-3（c））、电子束旋转电极法（EBRE）、等离子旋转电极法（PREP）（图11-7）等。目前，上述方法都有工业性生产设备。离心雾化的一个重要特点就是能制取几乎所有金属或合金的粉末，还可以制取难熔化合物（如氧化物，碳化物等）粉末。此外，离心雾化一般不受坩埚耐火材料的污染，是日前制取高纯、无污染难熔金属和化合物球形粉末的方法，特别是对易氧化（氮化）金属zui为有效，冷凝速度一般为103~106K／s。离心雾化法的主要缺点是工艺受到设备规模、生产过程连续化和自动化限制，生产能力低，粉末价格较高。离心雾化法制得的粉末一般为球形，平均粒度多在50～15m之间。粉末粒度的大小主要受离心力的影响，旋转速度越高，离心力越大，所得粉末越细。图11-8显示了电极旋转速率对粉末粒度的影响规律。在上述离心雾化技术中，旋转电极法（包括PEP、EBRE、PREP）zui重要，日前应用比较广泛，主要用于制备镍基超合金、钛合金、金属间化合物、无氧铜、难熔金属及合金等粉末。
6.机械合金化制粉技术
机械合金化是一种从元素粉末制取具有平衡或非平衡相组成的合金粉末或复合粉末的制粉技术。它是在高能球磨机中，通过粉末颗粒之间、粉末颗粒与磨球之间长时间发生非常激烈的研磨，粉末被破碎和撕裂，所形成的新生表面互相冷焊而逐步合金化，其过程反复进行，zui终达到机械合金化的目的.
机械合金化技术的特点主要有：
（1）可形成高度弥散的第二相粒子；
（2）可以扩大合金的固溶度，得到过饱和固溶体；
（3）可以细化晶粒，甚至达到纳米级。还可以改变粉末的形貌；
（4）可以制取具有新的晶体结构、准晶或非晶结构的合金粉末；
（5）可以使有序合金无序化；
（6）可以促进低温下的化学反应和提高粉末的烧结活性。
机械合金化是美国镍公司Benjamin等人于20世纪60年代末期zui早开发的，当时主要用于制备同时具有沉淀硬化和氧化物弥散硬化效应的镍基和铁基超合金。表11-1列出了机械合金化技术制备的几种氧化物弥散强化镍基和铁基超合金的室温和高温力学性能。
机械合金化技术所用的原料粉末来源广泛，主要是一些目前已广泛应用的纯金属粉末，有时也使用母合金粉末、预合金粉末和难熔金属化合物粉末，其粒度一般为l～200m。、对机械合金化技术来说，原料粉末的粒度并不是很重要，因为粉末粒度随球磨时间呈指数下降，几分钟后便会变得很细，但一般说来原始粉末粒度要小于磨球的直径。由于一般商用金属粉末的氧含量为0.05％～0.2％，因此，在研究机械合金化过程中的相变化时要充分考虑原始粉末的纯度。
为了减少粉末间的冷焊，防止粉末发生团聚，在机械合金化过程中往往需要在粉末中加入1％～4％的过程控制剂，特别是在有一定量的延性组元存在时。过程控制剂是一种表面活性剂，它可以覆盖在粉末的表面，降低新生表面的表面张力，从而可缩短球磨时间。过程控制剂的种类很多，但大多数为有机化合物。如：硬脂酸、己烷、草酸、甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇、庚烷、Nopcowax-22DSP、辛烷、甲苯、三氯氟乙烷、DDAA、硅氧烷脂石墨粉、氧化铝、氮化铝、氯化钠也曾用作过程控制剂。在球磨过程中，这些化合物的大部分都会分解，并与粉末反应后在其基体中形成均匀弥散分布的化合物新相。例如，碳氧化合物中包含碳和氢元素，碳水化合物包含碳、氧、氢元素。用这些化合物作为过程控制剂可以在粉末基体中形成弥散的碳化物和氧化物粒子，从而得到弥散强化材料，其中的氢元素可以在随后的加热或烧结过程中成为气体逸出或被晶格吸收。
有些金属，如铝、镍、铜会在球磨过程中与醇类介质反应，形成复杂的金属-有机化合物。例如铝会与异丙醇反应。其他一些金属，如钛、锆会与氯化物流体（如四氯化碳）发生爆炸反应，因此，氯化物流体不可以用作活性金属的过程控制剂。钛、锆等活性金属在有空气存在的情况下球磨时，会大量吸氧和吸氮，从而发生相变，包括形成新相。