CN101992301A

CN101992301A - 高压水雾化法生产球形不锈钢粉末材料的方法

Info

Publication number: CN101992301A
Application number: CN 201010574595
Authority: CN
Inventors: 付华; 张光磊; 付丽; 田秀淑; 秦国强; 李彦芳
Original assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Current assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2011-03-30

Abstract

本发明公开了一种高压水雾化法生产球形不锈钢粉末材料的方法，其步骤为：先按球形不锈钢粉末牌号中各元素的含量配得所需不锈钢原料；然后将上述不锈钢原料加入中频感应加热炉中，熔体过热度为150～200℃；将上述不锈钢原料的金属液倒入坩埚中，使其从中间包流下，金属液流速为38～45g/s；最后使高压水从雾化器喷嘴喷出，雾化器喷嘴焦点的喷射角为10～20°，高压水压力35～90MPa，水流量为3.3～6m³/min。本雾化器喷嘴采用双层环孔喷嘴。采用本方法生产处的球形不锈钢粉末成分均匀、球形度高、成本低且操作简便。

Description

高压水雾化法生产球形不锈钢粉末材料的方法

技术领域

本发明涉及一种高压水雾化方法生产球形不锈钢粉末的方法，应用于精密铸造、粉末冶金及注射成型领域。

背景技术

不锈钢粉末及其冶金制品是粉末冶金工业主要的产品之一。不锈钢粉末主要应用于粉末冶金压制烧结（PM）、注射成型（MIM）、烧结过滤器、化纤纺丝过滤不锈钢砂、热喷涂（超音速喷涂等）及金属抛丸等行业。随着粉末冶金技术和金属注射成形(Metal Injection Molding，MIM) 技术的发展，球形不锈钢粉末广泛用于粉末冶金齿轮、烧结过滤器、含油轴承、办公器械、医疗器械及其他各种机械、电器（气）产品内的复杂异形精密零件，涉及机械、食品、化工、石油等多行业。根据形态，粉末产品分为不规则形粉末和球形粉末。粉末颗粒的形状与粉末生产方法密切相关，如下表所示。

颗粒形状与粉末生产方法

利用气相沉积或液相沉积方法生产球形不锈钢粉末工艺复杂。气体雾化法生产的粉末为球形，氧化程度低，成形性好，但极细粉收率低，价格高。羰基法生产的粉末纯度高、粒度极细，但仅限于Fe、Ni等粉体，不能满足品种的要求。许多制粉公司发展了微雾化、层流雾化等制粉方法。目前使用的水雾化法是主要的制粉工艺，其效率高、大规模生产比较经济，可使粉末细微化，但是目前的工艺生产的粉末形状不规则，水与金属高温反应形成的氧化膜妨碍烧结，并且成本较高。

瑞典AnvalNyby粉末公司(ANPAB)于1981年率先建成了世界上最大的气雾化不锈钢粉末工厂，一般采用N₂或Ar气雾化，粉末的平均粒度可控在50～100μm范围内。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，其产品用于汽车的结构件等，需求量越来越大。因此迫切需要一种方便的方法来生产球形不锈钢粉末。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种成分均匀、球形度高、成本低操作简便的高压水雾化放生产球形不锈钢粉末的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种高压水雾化法生产球形不锈钢粉末材料的方法，所述方法的步骤为：

1）准备原料：按球形不锈钢粉末牌号中各元素的含量配得所需不锈钢原料；

2）加热：将上述不锈钢原料加入中频感应加热炉中，熔体过热度为150～200℃；

3）将步骤2)中球形不锈钢原料的金属液倒入坩埚中，使其从中间包流下，金属液流速为38～45g/s；

4）使高压水从雾化器喷嘴喷出，雾化器喷嘴焦点的喷射角为10～20°，高压水压力35～90Mpa，水流量为3.3～6m³/min。

优选的，上述步骤4）中的雾化器喷嘴为双层环孔喷嘴，其包括上喷盘、位于上喷盘下方的下喷盘、中间包和坩埚；在所述上喷盘上设有沿其周向均匀排列的主喷嘴，在所述下喷盘上设有沿其周向均匀排列的副喷嘴，在所述上喷盘的轴线处安装有中间包，在中间包上方设有坩埚。

优选的，上述主喷嘴喷射的高压水形成的第一焦点的喷射角α为10～20°，所述副喷嘴喷射的高压水形成的第二焦点的喷射角θ为10～20°。

进一步优选的，上述第一焦点的喷射角α为18°，所述第二焦点的喷射角θ为16°。

上述雾化器喷嘴也可以采用现在普遍使用的单层环孔喷嘴，并采用本发明提供的工艺参数。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明方法所生产的球形不锈钢粉末成分均匀、球形度高，本发明生产成本较低、污染少且操作简便，可制备出不同粒度（5μm～50μm）范围的光洁度良好的球形不锈钢粉末，粉末的球形度达到90%以上，适用于精密铸造、粉末冶金及注射成型等领域。

附图说明

图1是本发明雾化器喷嘴的结构示意图；

其中，1、坩埚；2、中间包；3、上喷盘；4、主喷嘴；5、下喷盘；6、副喷嘴；7、第一焦点；8、第二焦点。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

首先进行理论分析，本发明通过对雾化水压力与粉末球形度和粒度的关系、金属液流量对粉末形态和粒度分布的影响以及喷嘴喷水角度对粉末性能的影响等关键技术的研究，可制备出不同粒度（5μm～50μm）范围的球形不锈钢粉末，粉末的球形度达到90%以上。

雾化介质及压力对不锈钢粉末粒度分布有一定的影响，高压水雾化可以得到比气体雾化更细小的粉末。当水压控制在35MPa和80Mpa之间时，得到的粉末球形度较好。

金属液质量流率是高压雾化制备球形不锈钢粉末工艺中的重要参数，随着金属液质量流率的减小，粉末变细显著，粒度分布更集中，但当金属液流量很大时，粉末粒度的提高不明显。在对雾化水加压后，对金属液流的冲击破碎力得到很大的提高，金属液流量越小，被破碎的越充分。高压水雾化不锈钢粉末比气雾化不锈钢粉末细小且球形度高，且高压水雾化粉末表面洁净，“卫星”颗粒较少，利于提高粉末的流动性。

雾化器喷嘴结构对粉末性能的影响：水雾化是依靠金属液流垂直降落并通过与高压水雾化介质交叉接触时所产生的雾化来制取金属粉末的。其过程通常包括三个阶段：最初颗粒的形成，即由熔融金属形成原始的液滴；原始的液滴破碎成颗粒；部分颗粒的聚合。若进一步提高冷却速度，由于粉末的聚合能力和球化能力大大降低，原始颗粒聚合的概率进一步降低，因此雾化所得粉末中细粉比例会大大提高。目前的雾化器喷嘴为单层结构，不易控制水压力和水流量，控制不好粉末的形态, 要想获得球形或近球形粉末，要对雾化器喷嘴进行重新设计。其设计方案为：(1)雾化器喷嘴的结构形式为环孔式。(2)雾化器喷嘴能起到在雾化过程中降低液滴冷却速度的作用。在环孔喷嘴上实现降低冷却速度有两个办法，一是提高雾化水压力，因为水压提高其相对流量减少，起到降低冷速的作用，粉末球化变细。第二方案是采用相同的压力，增加不同角度的雾化喷嘴，在计算雾化夹角时，水雾化的焦点有多个。根据上述设计思路，本发明着重研究喷嘴角度、喷盘结构以及冷却速度等对不锈钢粉末性能的影响。通过改变角度可以使雾化器喷嘴产生多个汇聚点（即焦点）。金属液流和焦点第一次碰撞产生不规则形状颗粒，然后马上遇到第二个焦点，因其本身还没有完全冷却定型，所以第二次接触可以再次塑造颗粒的形状，打掉身上的枝状结构，使其更接近球形。在本发明中第一个焦点角度可以略大，比如为18°，第二个焦点就必须更小，可以为16°。本文中的焦点指：从多个喷嘴中喷出的高压水的交叉点（图1中下方的交叉点），金属液流垂直降落并在此交叉点与高压水相遇冷却而制取金属粉末，焦点的喷射角是指焦点处高压水所形成的夹角，取锐角（如附图中的θ与α）。

在其它主要因素保持一定的条件下，随着喷射角度减小，球形度越好，但是角度过小，金属液流长度增大、温度降低、表面张力减小、球化能力下降，此时雾化粉末的形貌趋于复杂，粉末的松装密度也由于粉末不规则度的增加而有所降低。须适当控制θ角，一般取10°～20°范围。

采用了双层（或多层）环孔喷嘴，多聚焦射流的环孔喷嘴,获得高效粉碎作用。组合雾化属于一种保护性雾化，它同时解决高压水喷嘴泛水和钢水堵塞问题。因为雾化介质的注入方式是以喷嘴形式叠加于水雾化喷嘴之下的，且水雾化焦点在二次雾化焦点之上，由于气雾化的负压效应，起到了一个抽吸作用，同时还起到了一个减缓冷却的作用，延长液滴球化的时间，从而保证了雾化过程顺利进行。高压水用量较少有利于粉末液滴在表面张力下球化。

制取不规则形状粉末时，雾化直接在雾化罐中进行，使金属液雾化后在雾化罐水中立即激冷定型为不规则粉末。制取球形粉末时，应使雾化后的熔融金属液滴不迅速落入水中，而使之在雾化区稍作停留。由于热态粉末放出大量热量，在雾化区产生大量蒸汽，易使金属粉末氧化，因此除了用射吸器抽吸从筒体上侧蒸汽管排出的蒸汽外，在喷嘴周围还设置了多头水喷雾器，用以快速冷凝雾化区的水蒸汽。

通过上述理论分析，结合下述具体实施例对本发明进一步说明。

实施例1: 304注射成型不锈钢粉末生产：

1）按不锈钢粉末牌号中各元素的含量（表1）配得所需不锈钢原料；

2）将上述不锈钢原料加入中频感应加热炉中，熔体过热度为150℃；

3）将上述不锈钢材料的金属液倒入坩埚，从中间包2流下，金属液流速为40g/s；

4）使高压水从雾化器喷嘴喷出，水流量为3.5 m³/min，雾化器喷嘴为多聚焦射流的双层结构环孔喷嘴，其中设置两个主喷嘴4和两个副喷嘴6，第一焦点7的喷射角α为17°，高压水压力为50 Mpa，第二焦点8的喷射角θ为15°，高压水压力为35Mpa。

生产出的粉末的球形度90%，性能如表1所示。

表1 注射成型不锈钢粉末系列产品

表中的百分含量均为重量百分含量，下同。

实施例2: 316L注射成型不锈钢粉末生产

2）将上述不锈钢原料加入中频感应加热炉中，熔体过热度为180℃；

3）将上述不锈钢材料的金属液倒入坩埚1中，使其从中间包2流下，金属液流速为中45g/s；

4）使高压水从雾化器喷嘴喷出，水流量为6m³/min，雾化器喷嘴为多聚焦射流的双层环孔喷嘴，设置两个主喷嘴4与两个副喷嘴6，其中第一焦点7的喷射角α为18°，高压水压力55Mpa，第二焦点8的喷射角θ为16°，高压水压力45Mpa。

生产出的粉末的球形度92%，性能如表2所示。

表2 注射成型不锈钢粉末系列产品

实施例3: 316L注射成型不锈钢粉末生产

1）按不锈钢粉末牌号中各元素的含量（表2）配得所需不锈钢原料；

2）将上述不锈钢原料加入中频感应加热炉中，熔体过热度为200℃；

3）将上述不锈钢材料的金属液倒入坩埚1中，然后从中间包2流下，金属液流速为38g/s；

4）使高压水从雾化器喷嘴喷出，雾化器喷嘴为多聚焦射流的双层环孔喷嘴，设置四个主喷嘴4与四个副喷嘴6,其中第一焦点7的喷射角α为18°，高压水压力70Mpa，第二焦点8喷射角θ为16°,高压水压力60Mpa，水流量为5m³/min。

生产出的粉末的球形度95%，性能如表3所示。

表3 注射成型不锈钢粉末产品

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种高压水雾化法生产球形不锈钢粉末材料的方法，其特征在于：所述方法的步骤为：

3）将步骤2)中不锈钢原料的金属液倒入坩埚（1）中，使其从中间包（2）流下，金属液流速为38～45g/s；

2.根据权利要求1所述的高压水雾化法生产球形不锈钢粉末材料的方法，其特征在于：所述步骤4）中的雾化器喷嘴为双层环孔喷嘴，其包括上喷盘（3）、位于上喷盘（3）下方的下喷盘（5）、中间包（2）和坩埚（1）；在所述上喷盘（3）上设有沿其周向均匀排列的主喷嘴（4），在所述下喷盘（5）上设有沿其周向均匀排列的副喷嘴（6），在所述上喷盘（3）的轴线处安装有中间包（2），在中间包（2）上方设有坩埚（1）。

3.根据权利要求2所述的高压水雾化法生产球形不锈钢粉末材料的方法，其特征在于：所述主喷嘴（4）喷射的高压水形成的第一焦点（7）的喷射角α为10～20°，所述副喷嘴喷射的高压水形成的第二焦点（8）的喷射角θ为10～20°。

4.根据权利要求3所述的高压水雾化法生产球形不锈钢粉末材料的方法，其特征在于：所述第一焦点（7）的喷射角α为18°，所述第二焦点（8）的喷射角θ为16°。

5.根据权利要求1所述的高压水雾化法生产球形不锈钢粉末材料的方法，其特征在于：所述雾化器喷嘴为单层环孔喷嘴。