CN103846448B - 一种超低氧球形微米铜粉的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备超低氧球形微米铜粉的方法。具体制备过程如下：（1）将铜或铜合金原料置于坩埚中，采用真空感应熔炼熔化至沸腾，再向熔体中加入适量的磷进行脱氧处理；（2）将脱氧处理后的熔体倾倒入预热的中间包坩埚内，采用超音速脉冲惰性气体雾化方法进行雾化制粉：打开雾化气源，调节气源压力，通过雾化喷嘴将雾化器的气流速率加速至2马赫以上，并形成频率在50-100kHz的脉冲气流，得到超低氧球形微米铜粉；（3）雾化结束后，利用金属粉末原位收集系统对制备的铜粉末在真空下进行收集和分级。利用本发明的方法制备的铜粉球形度高，氧含量超低（低于100ppm），粒径在20-100微米之间可控，粒径分布窄，分散性良好，完全满足三维打印的使用要求。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，更具体地讲，涉及一种超低氧、球形微米铜粉的制备方法。
背景技术
近年来得到迅速发展的三维打印技术融合了数字建模、机电控制、激光、材料科学等诸多领域的前沿技术，比现行使用机械工具裁减材料的裁减制造方式节省超过50％的能源，代表了世界制造业发展的新趋势，被誉为“第三次工业革命”的核心技术。
原材料是三维打印技术应用的基础，其中，金属三维打印技术所使用的原材料主要是各类金属粉末。铜（包括各种铜合金，下同）是一类得到广泛工业应用的金属结构材料，因此，铜粉在三维打印技术领域也具有重要的应用价值和广阔的应用前景。
三维打印对所使用的金属粉末有如下特殊要求：低氧含量、高球形度、粒径符合要求（综合考虑打印精度和效率，粉末粒径一般在20-100微米）。而现有工业化生产的铜粉主要面向传统粉末冶金和金属注射成型行业，难以满足三维打印的要求。
目前，铜粉的生产技术主要有电解法和雾化法，其中雾化法又包括水雾化法和气雾化法。电解法生产的铜粉颗粒较大，形状不规则，但比表面积较大、压制性好，主要面向传统的粉末冶金行业，用于各种粉末冶金结构件的制造。水雾化法生产的铜粉形状不规则且含氧量较高。气雾法生产的铜粉具有球形或近球形形状，但存在气流速率低，耗气量高，粉末粒度分布范围大，氧含量虽然比水雾化法制备得到的铜粉低，但仍然达不到三维打印的使用要求等。此外，针对在导电材料领域的应用，近年来还采用化学方法来制备粒径为1-5微米的超细球形铜粉，但这类超细铜粉的粒径并不符合三维打印技术的使用要求。可见，现有技术生产的铜粉均不能全面满足三维打印技术的特殊使用要求。
发明内容
本发明目的是要提供一种超低氧球形微米铜粉的制备方法，通过对传统气雾化制粉设备和技术工艺的改进，实现超低氧球形微米铜粉的生产，所得到的铜粉能够全面满足三维打印的使用要求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种制备超低氧球形微米铜粉的方法，制备过程如下：
（1）将铜或铜合金原料置于坩埚中，采用真空感应熔炼熔化至沸腾，再向熔体中加入适量的磷进行脱氧处理；
（2）将脱氧处理后的熔体倾倒入预热的中间包坩埚内，采用超音速脉冲惰性气体雾化方法进行雾化制粉：打开雾化气源，调节气源压力，通过雾化喷嘴将雾化器的气流速率加速至2马赫以上，并形成频率在50-100kHz的脉冲气流，得到超低氧球形微米铜粉；
（3）雾化结束后，利用金属粉末原位收集系统对制备的铜粉末在真空下进行收集和分级。
所述雾化喷嘴包括气腔、共鸣腔、振荡腔和环缝状拉瓦尔喷管，气流经过气腔后，通过共鸣腔和振荡腔的协同作用形成脉冲气流（50-100kHz），之后经过环缝状拉瓦尔喷管加速至超音速(2马赫以上)。
所述磷的加入量依据所使用铜或铜合金原料的纯度和成分确定，含量在0.02-0.1%（质量百分比）之间。
本发明采用超音速脉冲惰性气体雾化技术，气源压力在3-12MPa间可调，同时，通过改进的雾化喷嘴可以获得气流速率高于2马赫，气流振荡频率在50-100kHz的超音速脉冲气流，大大提高了气流的动能，提升了对金属的熔体的雾化效果，与普通气雾化相比，气体消耗量降低1/2左右，大大降低了气雾化制粉成本。利用本发明的方法制备的铜粉球形度高，氧含量超低（低于100ppm），粒径在20-100微米之间可控，粒径分布窄，分散性良好，完全满足三维打印的使用要求。
附图说明
图1为改进的雾化喷嘴结构示意图，图中1为进气孔；2为气腔；3为共鸣腔；4为振荡腔；5为导流管导入孔，其直径d范围为15-40mm；6为喉部；7为气流扩张段；
图2为实施例1制得的纯铜粉的扫描电镜照片，放大倍数为300倍。
图3为实施例2制得的锡青铜粉的扫描电镜照片，放大倍数为300倍。
具体实施方式
下面结合附图和实施例做进一步说明。
本发明改进的雾化喷嘴结构如图1所示，在导流管导入孔5的两边对称分布有由气腔2、共鸣腔3、振荡腔4和环缝状拉瓦尔喷管组成的喷嘴结构，进气孔1依次与气腔2、共鸣腔3、振荡腔4连通。环缝状拉瓦尔喷管的气流扩张段7的长度范围为40-60mm。锥角β取值范围为60°-90°；锥角α取值范围为50°-80°。
实施例1
制备纯铜粉末，原料为纯度为99.5%的电解纯铜。
1）熔炼和脱氧：将电解铜原料5公斤置于坩埚中；抽真空至6.7×10-3Pa，然后进行感应熔炼，待原料全部熔化至沸腾后再加入0.02%的磷进行脱氧处理。
2）超音速脉冲气雾化制粉：将脱氧处理后的铜液倾倒入预热的中间包坩埚内，同时打开雾化气源，气源压力为6MPa，通过改进的雾化喷嘴将雾化器加速至2马赫以上，并形成频率在50-100kHz的脉冲气流，雾化时间约3分钟。
3）雾化结束后，利用金属粉末原位收集系统对制备的纯铜粉末在真空下进行收集和分级。实验测得所制备的纯铜粉末的含氧量低于100ppm，形貌为球形，平均粒径约50微米。
实施例2
制备锡青铜合金粉末，原料为QSn4-3牌号的锡青铜。
1）熔炼和脱氧：将锡青铜原料5公斤置于坩埚中；抽真空至6.7×10-3Pa，然后进行感应熔炼，待原料全部熔化至沸腾后再加入0.1%的磷进行脱氧处理。
2）超音速脉冲气雾化制粉：将脱氧处理后的铜液倾倒入预热的中间包坩埚内，同时打开雾化气源，气源压力为8MPa，通过雾化喷嘴将雾化器加速至2马赫以上，并形成频率在50-100kHz的脉冲气流，雾化时间约3分钟。
3）雾化结束后，利用金属粉末原位收集系统对制备的锡青铜粉末在真空下进行收集和分级。实验测得所制备的锡青铜粉末的含氧量低于100ppm，形貌为球形，平均粒径约55微米。
Claims (3)
1.一种制备超低氧球形微米铜粉的方法，其特征在于，制备过程如下：
(1)将铜或铜合金原料置于坩埚中，采用真空感应熔炼熔化至沸腾，再向熔体中加入适量的磷进行脱氧处理；
(2)将脱氧处理后的熔体倾倒入预热的中间包坩埚内，采用超音速脉冲惰性气体雾化方法进行雾化制粉：打开雾化气源，调节气源压力，通过雾化喷嘴将雾化器的气流速率加速至2马赫以上，并形成频率在50-100kHz的脉冲气流，得到超低氧球形微米铜粉；所述雾化喷嘴包括气腔、共鸣腔、振荡腔和环缝状拉瓦尔喷管，气流经过气腔后，通过共鸣腔和振荡腔的协同作用形成脉冲气流，之后经过环缝状拉瓦尔喷管加速至2马赫以上；
(3)雾化结束后，利用金属粉末原位收集系统对制备的铜粉末在真空下进行收集和分级。
2.根据权利要求1所述的一种制备超低氧球形微米铜粉的方法，其特征在于，所述磷的加入量为质量百分比0.02-0.1％。
3.根据权利要求1或2所述的一种制备超低氧球形微米铜粉的方法，其特征在于，所述气源压力在3-12MPa。
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