CN101327519A - 等离子旋转电极制粉机组及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于粉末冶金技术领域中的等离子旋转电极制粉机组及工艺，机组包括旋转进给机构；真空炉；真空机组；等离子枪装置；电源。旋转进给机构位于真空炉一侧外，等离子枪装置位于真空炉另外一侧内；真空机组与真空炉内通过抽风管道连通，真空炉炉体双层夹层结构，夹层内通有冷却循环水；在真空炉底部装有收料机构，该收料机构为两个串联的截止阀。工艺是把金属制成电极棒；对电极棒施加低压大电流，使其在高度真空的熔化室内用等离子枪阴极电弧产生的高温熔化并利用电极棒自身高速旋转产生的强大离心力将熔化的金属瞬间抛出得到细小的金属粉末。优点是制取金属完美球形粉末的成品率可达到97％，而且不受任何微量元素的污染。

Description

等离子旋转电极制粉机组及工艺

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，特别是一种制取完美球形微珠粉末的生产工艺及装置，尤其能完成高熔点、难熔金属的球形粉体制取。

背景技术

目前，公知的金属球形粉体制取由气体雾化，水体雾化等方式生产，前两者生产方式制取金属完美球形粉体的成品率为10％-12％左右，球体有空心状态出现且不能完全分选，一般情况下都会对所制备的材料微量污染，改变其化学性能。

根据检索，利用等离子技术为大批量生产纳米金属粒子而设计的金属粉末的加工设备，主要结构为在内衬耐高温材料的壳体的上部安置有等离子枪，对应地下部安置有装盛金属液体的坩锅，同时壳体还开口连接有粒子控制器，如中国专利申请01246486.4。其需要将金属在预先融化，而且制备的金属球形形状不够完美。还有一种对于由钛等有色金属或者碳的单质构成的条形件(条状、线状，板状，管状等)母材进行粉末化的方法(中国专利申请200510092164.2)，基本工艺特点是用等离子体喷射器加热，使得包含在母材中的杂质被分解气化或者熔渣化，再进行分离处理，同时使母材变换为等离子体状态，接着，利用高压空气喷吹被等离子化的母材使其在等离子体状态下放出能量，从而使母材成为具有微细粒度的金属粉末。

发明内容

本发明目的是提供一种等离子旋转电极制粉机组及工艺，保持金属化学性能不改变，同时提高制取金属完美球形粉体的制成成品率和制成成品的洁净度。

具体地说，等离子旋转电极制粉机组，其包括：用于固定作为阳极棒的被加工金属棒材并驱动阳极棒高速旋转和逐步进给的旋转进给机构；用于球形粉成型的真空炉；用于对真空炉抽真空的真空机组；作为引弧阴极并建立弧光使阳极棒溶化的等离子枪装置；为整个机组提供动力的电源；旋转进给机构位于真空炉一侧外，等离子枪装置位于真空炉另外一侧内；真空机组与真空炉内通过抽风管道连通，真空炉炉体双层夹层结构，夹层内通有冷却循环水；在真空炉底部装有收料机构，该收料机构为两个串联的截止阀。收料时先打开靠近真空炉体上部的截止阀使粉体流进串联截止阀的中间空余部分，然后关闭上部截止阀，避免破坏真空炉体的真空环境，再打开下部截止阀将粉体放入周转料桶内。

等离子枪装置为转移弧式等离子枪，功率达56～100KW，电流1400～2000A，电压50～60V。采用转移弧式等离子枪作为热源，在阴极和阳极之间使氩气电离建立起弧光，由带电弧的离子化气体构成等离子体，弧光转移后，变为阴极，被融化的棒料为阳极，转移大电流，使阳极溶化。

在阳极棒与真空炉之间装有耐高温材料制成的V型动密封圈。特殊设计的V型动密封圈，采用耐高温的进口硅橡胶，采用纳米级特种配合剂，提高主体材料的耐热性，降低主材料的干摩擦系数，增大主体材料的散热性，采用特种工艺加工而成，这种特制的动密封特殊圈，极端情况可以连续运行24小时，解决了多年影响国内同类设备研制的关键技术。

所述的真空机组由机械泵、罗茨泵、扩散泵组合运行。使用机械泵、罗茨泵、扩散泵组合运行，工作开始前将炉体内的空气抽出，保证氩气的纯度，使在高温液态下的易氧化的合金液体不被氧化，使其保持原有的化学成分及物理性能，其真空度保持在310-3(10的负3次方)Pa的工作环境中。

所述的旋转进给机构包括高速电机、电刷、进给原料棒材构成的阳极棒以及减速机构和进给丝杠；高速电机通过联轴器与电刷连接，阳极棒固定在电刷轴上；电刷底部通过螺纹与丝杆连接，丝杆另外一端与减速机构输出轴连接。棒料给进机构采用了防棒料抖动机构，其结构是架设一种三棍式支架，安装三个沿棒料呈径向分布小轮将阳极棒夹持，其边缘刚好切于阳极棒。旋转进给机构整体固定在主体架(14)上。旋转进给机构主要作用是高旋转并将原料棒材按工艺进度要求稳步推进，使其按要求在控制状态下熔化。电刷的功能是将电刷与主轴紧密连接并产生摩擦，通过电刷与主轴的摩擦接触将1400～2000A的大电流(50～60V电压)传导到电极阳极棒料，通过阳极棒传递到阳极棒料的端头，使其与炉体内的钨级(阴极)通过氩气连接产生氩弧，熔化阳极棒料。在炉体内其他工作环境不变的前提下，电流越大，弧光越强，熔化温度越高。

电刷为四排八个电刷采取排列式结构安装布置，同时电刷与主轴外壳连接采取了弹簧连接定压。通过加大电刷的数量的方法，使设计电流增加了一倍，达到2000A，实现了将强大电流转化为氩弧能的转变，使本项目热源的最高温度达到3600度，比其他厂家2200度的最高温度高了1400度。将电刷的材料由原来采用95铜改为42铜(石墨渗铜)实现了电刷与阳极棒的软摩擦，在不影响电刷导电的情况下，减少了电刷的硬摩擦损耗，增加了电刷工作时间，降低了成本。

对电刷与主轴外壳连接采取了弹簧连接定压地方法，保证了电流不断的通过主轴传导阳极棒料。制粉设备的传递是通过原料电极棒的导电能力实现的。在整个电流系统，原料棒材作为阳极暴露在外部，阴极是引弧装置中作为阴极的钨阴极。

等离子旋转电极制粉工艺，其是按照如下步骤实施：

(1)阳极电极棒的制备：把金属精制成规格棒材，然后再将其精加工成能在每分钟5000～20000转高速运转的等离子枪旋转电极制取球形粉末的设备动密封中平稳运转的电极棒；

(2)熔化制粉：对电极棒施加50-60V，1400-2000A的低压大电流，使其在高度真空的熔化室内用等离子枪阴极电弧产生的高温熔化并利用电极棒自身高速旋转产生的强大离心力将熔化的金属瞬间抛出得到细小的金属粉末，细小的金属粉末在充满氩气气体的熔化室内瞬间冷却，并靠重力自行下落，归集收笼。

熔化室内真空度保持在不高于510-3Pa。

所述的金属为高熔点难熔金属中的钛、钴、铬、钨、钼中的任意一种或者其合金。

本发明优点是提供的一组金属成套制粉(微珠)装置，该装置可制取金属完美球形粉末的成品率可达到97％，而且不受任何微量元素的污染。特别是能制取其它工艺所不能完成的，高熔点金属铌、钨、钼、钛、铍、钽及其合金材料的微珠球形粉体材料，对航空、航天、核工业提供必备的材料。本发明通过控制转速可以控制金属粉末粒度，转速越高离心力越大，金属合金表面溶化的金属液体越少，得到的金属粉末越细小，细小的金属粉末在充满氩气气体的溶化室中瞬间冷却，并靠重力自行下落，归集收笼，完成生产加工过程。

本发明工艺的优越性：相比较于气体雾化，水雾化工艺生产的产品，粉体粒径分布广，介于2MM至3UM之间成品率高达97％，球形完美，制取大粒径微珠更佳，由于不受熔化坩埚及其他的污染，成品粉末纯洁，属高洁净度的球形金属粉末，其它的工艺生产均不能达到高洁净、高成品率要求。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明工艺流程图。

具体实施方式

如图所示的一种等离子旋转电极制粉机组，其包括：用于固定作为阳极棒的被加工金属棒材并驱动阳极棒高速旋转和逐步进给的旋转进给机构1；用于球形粉成型的真空炉2；用于对真空炉2抽真空的真空机组3；作为引弧阴极并建立弧光使阳极棒溶化的等离子枪装置4；为整个机组提供动力的电源5；旋转进给机构1位于真空炉2一侧外，等离子枪装置4位于真空炉2另外一侧内；真空机组3与真空炉2内通过抽风管道连通，真空炉2炉体双层夹层结构，夹层内通有冷却循环水；在真空炉2底部装有收料机构，该收料机构为两个串联的截止阀。等离子枪装置4为转移弧式等离子枪，功率达56～100KW，电流1400～2000A，电压50～60V。在阳极棒与真空炉之间装有耐高温材料制成的V型动密封圈11。真空机组由机械泵、罗茨泵、扩散泵组合运行。

旋转进给机构1包括高速电机7、电刷9、进给原料棒材构成的阳极棒10以及减速机构6和进给丝杠13；高速电机7通过联轴器8与电刷9连接，阳极棒10固定在电刷9轴上；电刷9底部通过螺纹与丝杆13连接，丝杆13另外一端与减速机构6输出轴连接。棒料给进机构结构采用了防棒料抖动机构，其结构是架设一种三棍式支架，安装三个小轮，沿棒料呈径向分布并且将阳极棒夹持在中间随其旋转，其边缘刚好切于阳极棒。三棍式支架的两端分别固定在电刷壳体和真空炉壳体之间。电刷9为四排八个电刷采取排列式结构安装布置，同时电刷与主轴外壳连接采取了弹簧连接定压。旋转进给机构1整体固定在主体架14上。

本发明机组工作原理：转移的弧式等离子枪作为热源，在阴极和阳极之间使氩气电离建立起弧光极端温度达到3600度，使高速旋转(5000～20000转/分)的阳极棒料头融化，融化的合金原料通过高速旋转在离心力作用下，金属熔液沿切线方向喷射出来形成微滴，受到高速氩气流的强制对流冷却，液滴快速凝固成粉末，所得粉末为球形。生产过程中。炉体先抽成真空体，后注入氩气，氩气的作用一是电离成氩弧，二是降低炉体温度。炉体外壳结构为水冷循环夹层，其作用：一是始终保持炉体真空体的密封状态，并使炉内氩气保持工艺所需的浓度；二是使炉内保持工艺所需的温度，使金属液体以105度/秒左右的速度迅速降低至亚稳定状态，由于过冷度大，使高速旋转下飞出的金属粉末能在一定压力的环境下迅速冷却，以保证金属液体在空气中表面张力均匀，并在压力下保持快速飞向炉体内壁，并立即冷却成型。以保证不出现粘附、粘接、联体等质量问题。故金属晶体结晶组织致密，化学成分均匀。

操作流程为：启动电源，炉体抽真空，充人氩气，等离子枪第一次引弧，等离子枪第二次引弧(氩弧)，溶化合金材料，铸造锻造成棒料，加工成规格阳极棒料，高速旋转阳极原料棒，推进阳极棒料，熔化阳极棒料，凝固成球形，回收粉末，粉末分筛，成品。

等离子旋转电极制粉工艺，其按照如下步骤实施：

(1)阳极电极棒的制备：把金属精制成规格棒材，然后再将其精加工成能在每分钟5000～20000转高速运转的等离子枪旋转电极制取球形粉末的设备动密封中平稳运转的电极棒；

(2)熔化制粉：对电极棒施加50-60V，1400-2000A的低压大电流，使其在高度真空的熔化室内用等离子枪阴极电弧产生的高温熔化并利用电极棒自身高速旋转产生的强大离心力将熔化的金属瞬间抛出得到细小的金属粉末，细小的金属粉末在充满氩气气体的熔化室内瞬间冷却，并靠重力自行下落，归集收笼。

熔化室内真空度保持在不高于510-3Pa。金属为高熔点难熔金属中的钛、钴、铬、钨、钼中的任意一种或者其合金。

本发明设备主要技术与性能指标：

(1)原料棒材最大溶化直径：60mm长度联续。

(2)真空度510-3(10的负3次方)Pa。

(3)设计能力：25公斤/时.

(4)球型率：≥97％；

(5)成品率：≥83％；

本发明产品的质量标准：

a、低氧0＜0.15，其他：ASTMF67-00GRADE1/相当于纯钛TA0

b、ASTMF67-00GRADE5/相当于纯钛TA2

c、ASTMF67-00GRADE1/相当于纯钛TA1

d、ISO5832-4/相当于CoCrMo合金

e、ISO5832-3/相当于Ti6A14V。

Claims (10)

1、等离子旋转电极制粉机组，其特征是包括：用于固定作为阳极棒的被加工金属棒材并驱动阳极棒高速旋转和逐步进给的旋转进给机构(1)；用于球形粉成型的真空炉(2)；用于对真空炉(2)抽真空的真空机组(3)；作为引弧阴极并建立弧光使阳极棒溶化的等离子枪装置(4)；为整个机组提供动力的电源(5)；旋转进给机构(1)位于真空炉(2)一侧外，等离子枪装置(4)位于真空炉(2)另外一侧内；真空机组(3)与真空炉(2)内通过抽风管道连通，真空炉(2)炉体双层夹层结构，夹层(12)内通有冷却循环水；在真空炉(2)底部装有收料机构，该收料机构为两个串联的截止阀。

2、根据权利要求1所述的等离子旋转电极制粉机组，其特征是等离子枪装置(4)为转移弧式等离子枪，功率达56～100KW，电流1400～2000A，电压50～60V。

3、根据权利要求1所述的等离子旋转电极制粉机组，其特征在阳极棒与真空炉之间装有耐高温材料制成的V型动密封圈(11)，

4、根据权利要求1所述的等离子旋转电极制粉机组，其特征所述的真空机组由机械泵、罗茨泵、扩散泵组合运行。

5、根据权利要求1所述的等离子旋转电极制粉机组，其特征所述的旋转进给机构(1)包括高速电机(7)、电刷(9)、进给原料棒材构成的阳极棒(10)以及减速机构(6)和进给丝杠(13)；高速电机(7)通过联轴器(8)与电刷(9)连接，阳极棒(10)固定在电刷(9)轴上；电刷(9)底部通过螺纹与丝杆(13)连接，丝杆(13)另外一端与减速机构(6)输出轴连接；旋转进给机构(1)整体固定在主体架(14)上。

6、根据权利要求5所述的等离子旋转电极制粉机组，其特征棒料给进机构结构采用了防棒料抖动机构，其结构是架设一种三棍式支架，安装三个小轮沿棒料呈径向分布将阳极棒夹持，其边缘刚好切于阳极棒。

7、根据权利要求5所述的等离子旋转电极制粉机组，其特征是电刷(9)为四排八个电刷采取排列式结构安装布置，同时电刷与主轴外壳连接采取了弹簧连接定压，电刷(9)采用石墨渗铜材料制成。

8、等离子旋转电极制粉工艺，其特征是按照如下步骤实施：

(1)阳极电极棒的制备：把金属精制成规格棒材，然后再将其精加工成能在每分钟5000～20000转高速运转的等离子枪旋转电极制取球形粉末的设备动密封中平稳运转的电极棒；

(2)熔化制粉：对电极棒施加50-60V，1400-2000A的低压大电流，使其在高度真空的熔化室内用等离子枪阴极电弧产生的高温熔化并利用电极棒自身高速旋转产生的强大离心力将熔化的金属瞬间抛出得到细小的金属粉末，细小的金属粉末在充满氩气气体的熔化室内瞬间冷却，并靠重力自行下落，归集收笼。

9、根据权利要求8所述的等离子旋转电极制粉工艺，其特征是熔化室内真空度保持在不高于510-3Pa，

10、根据权利要求8所述的等离子旋转电极制粉工艺，其特征是所述的金属为高熔点难熔金属中的钛、钴、铬、钨、钼中的任意一种或者其合金。

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