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1 前言
雾化法是制备金属粉末的重要方法之一[1,2]。近年来雾化制粉技术朝着微细、低氧方向发展。特别是从20世纪80年代以来蓬勃发展起来的金属粉末注射成形工艺(ＭＩＭ),带动了对微细金属粉末的大量需求。这种粉末要求粒度在22μｍ以下,甚至更小,而且还要求氧含量要非常低[3]。本试验力图采用一种新型水雾化工艺,以期在同样的水压下,使所雾化粉末更加细小、低氧、优质。方法为:在普通雾化喷嘴的下面附加冷却喷嘴,形成组合雾化,令熔融金属首先进入雾化区被雾化喷嘴破碎,使其成为细小的金属熔滴,雾化射流下面的冷却水射流再次撞击金属熔滴,使其以较大的冷速凝固,并探讨了金属熔滴被冷却水射流二次雾化的可能性。
2 试验
2 1 试验装置
试验所用系统装置包括:1000Ｈｚ可控硅中频电源;30ｋｇ中频感应炉;中间包及加热系统;雾化塔以及粉末收集罐等。图1为水水组合雾化喷嘴的示意图。
2 2 试验步骤
本试验选用粉末冶金中广泛应用的ＣｕＳｎ(Ｓｎ的质量分数为15%)青铜粉做为研究对象,分别做了常规水雾化和水水组合雾化的对比试验。固定雾化水射流的压力和流量,调整二次雾化水的流量,考察二次雾化对粉末性能的影响。
首先将块状金属料利用1000Ｈｚ中频感应炉熔化,然后倒入用煤气预热的中间漏包中,雾化及冷却水压力采用12ＭＰａ。将所得粉末用酒精浸润干燥,进行筛分取样,取≤75μｍ(-200目)细粉用ＳＡ ＣＰ3光学粒度沉降分析仪进行粒度分析,用Ｓ-250扫描电镜进行形貌观察。
2 3 试验结果
试验结果如表1所示。
3 分析与讨论
3 1 组合雾化对粉末粒度的影响
由表1可以看出,在≤75μｍ的细粉中,随着冷却水流量的增加,小于40μｍ的微细粉比例增加,颗粒中位径减小。从颗粒质量累积分布曲线图上(见图2)可以直观地看出组合水雾化与单级水雾化相比累积粒度分布曲线向左上方移动,曲线变得更加陡峭,说明细粉比例有一定程度的增加。
喷嘴是雾化工艺的关键部件,依据ｄ=Ａ/(Ｖ·ｓｉｎα)[4]的雾化模型,雾化粉末的粒度ｄ不仅与雾化射流的速度Ｖ以及喷射角度ａ有关,还与喷嘴的设计和结构紧密相关,即喷嘴的雾化效率直接影响上式中的系数Ａ值,喷嘴效率高,则Ａ值就大。雾化过程中雾化介质的动能转换为粉末的比表面能,在这个转化过程中,雾化介质与熔融金属液流的接触面积越大,能量传递就越有效,粉末就越细小。在本试验中,首先用雾化喷嘴进行第一次破碎,使圆柱形熔融金属流变成无数细小的熔滴,比表面积迅速扩大,然后再用冷却喷嘴对这些无数细小的液滴中尚未凝固的熔滴进行二次破碎,使得粉末细化。同时由于水雾化过程包括三个阶段:(1)最初颗粒的形成(由熔融金属形成原始液滴);(2)原始液滴破碎成颗粒;(3)部分颗粒的聚合。当采用增加冷却喷嘴的办法来进行组合雾化时,在第一次雾化时生成的细粉在随后的碰撞过程中,颗粒间再焊合的能力降低,减小了粉末颗粒间的团聚现象,从而也有助于粉末细化。同时应注意,经过第一次水雾化之后形成的金属熔滴,温度可能会急剧降低,表面硬化,甚至凝固,使再破碎难度加大,因此雾化时应保持一定的液态金属过热度,同时在避免互扰的前提下尽量缩短雾化焦点与冷却焦点之间的距离。
3 2 组合雾化对粉末组织结构的影响
在快速冷却的合金粉末中,凝固时晶相的形成需要经过形核和长大,实质上发生原子排列方式和分布状态的较大变化,即从熔体中的短程有序和不断变化的原子组态转变成与一定晶体结构和成分相对应的长程有序的原子组态。
在凝固中,凝固的显微组织结构取决于从液相中析出固相的长大速率。如果长大速率低于液相中的扩散速率,就会得到树枝晶的结构。
二次枝晶间距可以作为雾化粉末中均匀化程度以及冷却速率的高低的判据[4]。
当合金成分一定时,则有:
λ2=Ｂ(ｄＴ/ｄｔ)-ｎ,(1)
式中:ｄＴ/ｄｔ—冷却速度,Ｋ/ｓ;
λ2—二次枝晶臂间距,μｍ;
Ｂ,ｎ—经验常数,ｎ一般在1/2～1/3之间,通常约为1/3。
图4分别为水水组合雾化和单级水雾化所制制粉末的高倍ＳＥＭ照片。
从所制备的粉末的二次枝晶间距照片上可以定性地看出水水组合雾化所制粉末比同样条件下单纯普通水雾化所制粉末的二次枝晶间距λ2要小,取λ2近似从1 8μｍ减小到1μｍ左右,取Ｂ为38,取ｎ为1/3,依据式(1)估算粉末冷却速度,由103Ｋ/Ｓ提高到104Ｋ/Ｓ。可见采用组合雾化的工艺,使粉末冷却速度得到了较为明显的提高。
3 3 组合雾化对粉末氧含量的影响
由表1可见,急冷组合水雾化所得锡青铜粉粉末氧含量明显低于常规单级水雾化粉末,ＣｕＳｎ由0 28%下降为0 18%。水雾化粉末氧化主要是发生在雾化过程中,金属液流被击碎的瞬间,溶液比表面迅速扩张,金属与水及颗粒周围的水蒸汽在高温下发生急剧的氧化反应(5),从而在粉体颗粒表面生成一层氧化膜:
ｘＭｅ(ｓ)+ｙＨ2Ｏ(ｇ)=ＭｅｘＯｙ+ｙＨ2(ｇ), (2)
研究认为,金属粉末在被水冷却时,会在热态金属颗粒周围形成一个水蒸汽气膜,如图5所示。 由于气膜中气体的导热系数非常小,会阻碍金属熔滴向环境中的散热,从而易于导致粉末氧化。本实验由于采用急冷的办法,当粉末一旦被破碎成型后,立即以大流量冷却水射流将其急冷下来,破坏氧化反应的温度条件,同时在金属颗粒表面创造一种激烈的紊流,打破笼罩在金属颗粒周围的气膜。加速了液滴向冷却介质的热量传递,籍此减轻了粉末的氧化,使粉末氧含量降低。
3 4 急冷组合水雾化对粉末形状的影响
图6为组合雾化所得粉末颗粒形状照片,可以看出组合雾化与单级水雾化相比,由于二次雾化射流的急冷作用使熔体凝固速度加快,颗粒球化能力降低,棒状和椭球状粉末增多,粉末形状趋向不规则.
雾化时,金属熔滴的凝固时间ｔ凝固和球化时间ｔ球化可以分别表达为:[6]
ｔ凝固=[Ｄρｍ/(6ｈ)]ｃｐｌｎ[(Ｔｍ-Ｔ0)/(Ｔｓ-Ｔ0)]+Ｈ/(Ｔｓ-Ｔ0), (3)
式中: Ｄ—熔滴直径,
ρｍ—金属熔液的密度,
Ｔ0—雾化介质温度,
Ｔｍ—金属的起始温度,
Ｔｓ—凝固温度,
Ｈ—金属的熔化潜热,
ｈ—传热系数。
ｃｐ—金属的质量定压热容,
ｔ球化=[3π2μ/(4Ｖσ)](ｒ14-ｒ24), (4)
式中: ｒ1—转变成球形颗粒后的粉末颗粒半径,
ｒ2—转变成球形颗粒前的粉末颗粒半径,
μ—熔融金属的粘度,
σ—液态金属的表面张力,
Ｖ—粉末颗粒的体积。
雾化粉末颗粒的形状主要取决于ｔ球化和ｔ凝固。ｔ球化<ｔ凝固时,金属熔滴在凝固前有充足的时间球,粉末颗粒容易成球形;反之,当ｔ球化>ｔ凝固时,金属熔滴来不及成球就凝固了,粉末颗粒呈现不规则形状。由此可见,低的熔融金属粘度和高的表面张力,有利于缩短球化时间,利于成球。在水水组合雾化过程中由于二次水雾化的急冷作用加速了粉末颗粒与介质之间的热传导,使传热系数ｈ增大,从而ｔ凝固减小;同时由于二次冷却水的急冷作用,使金属熔滴的表面张力σ减小,而熔滴粘度μ增大,从而ｔ球化增大,由式(3)和式(4)可以看出ｔ球化增大了,而ｔ凝固减小了,使得粉末球化能力下降,因此采用水水组合雾化粉末形状更加不规则,如图6所示。
4 结论
采用在传统水雾化喷嘴下方增加额外冷却喷嘴的水、水组合雾化技术:
1)由于二次雾化效应,可使部分尚未凝固的粉末进一步被破碎从而使粉末细化。
2)由于二次雾化水的急冷效果,可使粉末冷却速度由103Ｋ/ｓ增加到104Ｋ/ｓ。
3)由于粉末冷却速度的提高,可使粉末含氧量降低,颗粒外形变得更加不规则。
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