CN105397100B - 一种微细金属粉末的制备方法及实现该方法的设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微细金属粉末的制备方法及实现该方法的设备。该制备方法一方面采用将金属材料熔融、雾化成液滴后喷射到高速回转圆盘上破碎为小液滴，并且液滴的喷射中心轴线垂直于该回转圆盘面；另一方面将喷射到高速回转圆盘上的液滴破碎后进行冷却，得到金属粉末。与现有技术相比，利用该方法制得的金属粉末粒径细小、球形度良好，并且粒径分布范围窄，具有良好的应用前景。

Description

一种微细金属粉末的制备方法及实现该方法的设备

技术领域

本发明涉及金属粉末的制备技术领域，尤其涉及一种微细金属粉末的制备方法以及实现该方法的设备。

背景技术

作为一种粉体材料，高性能功能粉末材料本身固有一定的物理和化学特征，如优良的力学性能、特殊的磁性能、高的导电率和扩散率、高的反应活性和催化性能以及吸收电磁波的性能等，加之粉末材料的特点：颗粒尺寸小，比表面积大，具有许多不同于常规材料的性质，可有效提高材料的使用性能，降低生产成本等，使高性能功能粉末材料逐渐被广泛应用，特别是在全球资源、能源日益紧张的情况下，各类高新技术产品向轻量化、小型化和多功能一体化方向发展，更加促使高性能功能粉末材料的需求迅速增长，在电子信息、机械制造、生物医用、冶金、化工、国防军事等领域得到越来越广泛的应用。

金属粉末自身具有流动性好、比表面积大、成分均匀等物理特性，因此可以利用该特性使金属粉末发展成为一种功能或结构功能一体化材料，以满足高新产品需求。这种在材料使用形态上的变化不仅可以使产品在性能、成本方面带来革命性的变化，而且能够满足众多高新技术领域发展的需要。例如，采用高质量非晶磁粉制备的非晶磁粉芯具有超低的中高频损耗和优良的直流偏置特性，是优选的差模滤波电感、PFC电感、功率扼流圈磁芯材料，大量应用于BUCK、BOOST、BUCK-BOOST等各种拓扑结构的开关电源中，如笔记本电脑的CPU、GPU电源，服务器、台式游戏机等的大电流用DC/DC变换器，高频反击式变压器等；电子电器、通讯产品的小型化和多功能化促使集成电路的封装和互连从传统的焊接发展到表面贴装技术，而高品级粉末焊接材料成为表面贴装技术最关键的材料。因此，金属粉末作为一种高性能新材料正在广泛应用到电子信息、机电、汽车、冶金、航空航天、交通运输和生物医学等各部门中。

高质量金属粉末的主要特征是微细、球形、高纯、低氧、粒径分布范围窄、颗粒聚集或抱团倾向小等，需要采用先进的雾化技术才能获得。但是，国内雾化制粉技术水平与国外差距较大，很多国外大公司以此设置技术壁垒，提高产品附加值，获取高额垄断利润，致使大量高质量金属粉末及制品需要进口，严重制约了我国汽车、电子、航空航天领域等高新技术行业的发展。因此，提高我国金属粉末的制备加工技术水平，制备高质量金属及其合金粉末，具有重要的现实意义。

目前，高质量金属粉末材料的制备技术主要包括球磨法、雾化法等。

球磨法的机理是原料在不同的应变速率下因产生变形而破碎细化，因此对物料的选择性不强，可连续操作，生产效率高，适用于干磨、湿磨。但是，在粉末制备过程中分级比较困难，需要后续进行筛分处理；其次，所获得的粉末多为带棱角的片状；同时，在球磨过程中易引入杂质，导致金属粉末纯度降低等问题。因此，目前高质量金属粉末的制备多采用雾化法。

雾化法是利用高速气流或水流作用于熔融液流，使气体或水流的动能转化为熔体表面能，进而形成细小的液滴并凝固成粉末颗粒。其中，水雾化法的冷却速率大，粉末粒度、微观结构和形状可控，但是却存在诸多不足之处：(1)由于熔融液流和水流相互作用，所获得的粉末易形成氧化物，氧含量高；(2)粉末形状不规则，易形成椭球形颗粒。气雾化法可制备球形度高的粉末，但存在以下不足之处：(1)粉末粒径分布范围较宽，不能大量获得粒径均一的高质量非晶粉末；(2)设备庞大，为避免高速飞行液滴在凝固前碰到雾化罐壁，常采用竖直布置的方式，罐体很高；(3)需要消耗大量惰性气体，生产成本较高；(4)连续制备时间短、粉末质量不高，不能满足高质量金属粉末材料的要求。

例如，公开号为US4207040A的美国专利提出了一种制备金属粉末的方法，但是该方法属于间断式的粉末制备技术，而非一体化技术，难以长时间连续制备粉末，同时不利于保证粉末的质量。申请号为CN200410079654.4的中国专利，以及申请号为200410021160.0的中国专利公开的金属粉末制备方法中存在同样的问题，并且该方法不利于获得较好的粉末形貌，同时难以保证对超细粉含量的控制。公开号为US483892A的美国专利提供了一种雾化气体循环使用的方法，该方法将雾化后的气体净化后加压液化，再转化成高压气体投入使用，其不足是加工成本较高，不利于降低产品价格并提高产品竞争力。

公开号为CN1314224A的中国专利公开了一种贵金属及其合金粉末的制备方法及装置，是通过一缝形喷嘴，采用超音速气流将熔融材料喷射雾化成液滴，液滴经高速旋转的离心式二级圆锥雾化和相对高速旋转的三级圆鼓雾化后成为超微粉末，然后经粉末分级、脱水、干燥处理即得到贵金属及其合金粉末产品。但是，该方法存在如下不足：

(1)熔融材料喷射雾化成液滴后首先喷射到高速旋转的锥形圆盘上，由于锥形圆盘表面相对于喷射中心轴线呈“斜面”，即锥形圆盘表面与喷射中心轴线不垂直，因此液滴喷射到该锥形圆盘表面后更易破碎为片状结构，而难以保持球形结构，再经圆柱体转鼓进一步破碎后也仅使其粒径更加细小，而难于得到球形度好的粉末；

(2)该方法中，液滴冷却的过程与液滴破碎的过程同时进行，请参见说明书第3页第17-20行的记载：“与此同时，向粉末收集室内喷入的冷却介质，也被高速气流、高速旋转的圆锥体和转鼓雾化成雾珠，雾珠和超细金属或合金粉末混合在一起起到防止金属液粒相互粘着的作用”。但是，该冷却方法存在的问题是：金属液滴在破碎之前即被冷却，因此不利于液滴破碎为更加细小的液滴，导致最终得到粉末的粒径尺寸较大。

公开号为JP2010-209409的专利文献公开了一种非晶软磁性合金粉末的制造方法，在回转圆盘表面形成冷却水膜，金属材料熔融、雾化粉碎成中间粒子后喷射到水膜进行再次粉碎，同时进行急速冷却，得到非晶软磁性合金粉末。该方法中，中间粒子在水膜表面同时发生粉碎与冷却，与破碎之前即被冷却相比，液滴的破碎效果较好。但是，粉碎与冷却同时发生不利于粉末形成良好的球形度，这是因为在破碎过程中进行冷却时，破碎一旦发生，由于冷却作用破碎形变受到影响，不利于充分实现破碎效果。为此，该文献中提出通过控制回转圆盘的转速(使转速控制在150m/s-500m/s)与水膜的供给速率(使水膜的供给速率控制在10L/s-50L/s)而实现粉末具有良好的球形度。但是，该控制方法复杂，不仅需要控制回转圆盘的转速，而且需要在回转圆盘表面形成水膜并且控制水膜的供给速率。

因此，如何改进制备工艺，得到粒径细小、球形度良好，并且分布范围窄的金属粉末是本领域技术人员的研究课题之一。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述金属粉末制备技术的不足，提供一种具有良好的球形度的微细金属粉末的制备方法，该方法简单易控制，利用该方法制得的金属粉末粒径细小、球形度良好，并且分布范围窄。

为了实现上述技术目的，本发明采用将金属材料熔融、雾化成液滴后直接喷射到高速回转圆盘上破碎为小液滴，并且液滴的喷射中心轴线垂直于该回转圆盘面；另外，本发明将液滴喷射破碎过程与液滴冷却过程相分离，即金属液滴喷射破碎后进行冷却，得到金属粉末。

即，本发明采用的技术方案为：一种具有良好的球形度的微细金属粉末的制备方法，包括液滴喷射破碎过程与液滴冷却过程，所述的液滴喷射破碎过程是将金属材料熔融、雾化成液滴后喷射破碎为小液滴的过程，所述的液滴冷却过程是经冷却介质完成，其特征是：所述的液滴喷射破碎过程与液滴冷却过程相分离；所述的液滴喷射到高速回转圆盘上被破碎，并且液滴的喷射中心轴线垂直于该回转圆盘面；喷射到高速回转圆盘上的液滴破碎后进行液滴冷却过程。

与现有技术相比，本发明提供的微细金属粉末制备方法具有如下有益效果：

(1)金属材料喷射雾化成液滴后首先喷射到高速旋转的回转圆盘上，该回转圆盘与喷射中心轴线垂直，因此相对于喷射中心轴线，回转圆盘呈“平面”，当液滴下降喷射在该回转圆盘，则易破碎为球形结构的小液滴，再经冷却介质急冷收圆，得到的粉末球形度好；

(2)液滴破碎后进行冷却，有利于液滴破碎充分，得到更加细小的液滴，从而得到粒径尺寸较小的金属粉末，其平均粒径达到10μm左右；

(3)该方法简单易行，可应用于连续性工业化生产，用来制备金属粉末、非晶、准晶和微晶粉末。

本发明还提供了一种实现上述微细金属粉末制备方法的设备，包括熔化炉、坩埚、气体雾化装置、回转圆盘与冷却装置；

所述的熔化炉与坩埚相连通，坩埚设置至少一个喷嘴；金属材料在熔化炉中熔化为熔体后，由至少一个喷嘴喷出，喷出的熔体经气体雾化装置雾化形成金属液流或液滴向下喷射；

所述的回转圆盘垂直于所述金属液流或液滴向下喷射的喷射中心轴线；所述的冷却装置设置在距离回转圆盘外缘一定间距处，用于容纳冷却介质；金属液流或液滴向下喷射至回转圆盘，破碎后形成的小液滴在圆盘高速离心力作用下改变飞行方向，飞向冷却装置，在冷却介质作用下进行冷却、凝固得到金属粉末。

所述的熔化炉不限，根据金属材料的性能特点，可以选择在大气中熔化，也可以在氩气、氮气、氦气等保护气氛中熔化。

所述的金属材料不限，包括金属单质材料与合金材料。

作为优选，所述的熔化炉圆周设置保温层，内部装有控温热电偶，从而能够精确控制熔体过热度。

作为优选，所述的雾化温度为金属材料熔点以上50～350℃。

所述的坩埚的喷嘴数目根据需求而定，作为优选，可沿回转圆盘圆周设计2个以上喷嘴，从而使圆盘得到充分利用，提高粉末产出率；同时，也能够有效避免由于某个喷嘴堵塞而引起的产量下降等问题。所述的喷嘴的直径优选为0.4～5mm。

所述的回转圆盘可设计为平板状；所诉的回转圆盘的转速不限，优选为1000～15000转/分。

所述的喷嘴与回转圆盘之间存在间距，通过控制该间距，能够调整金属液滴尺寸，作为优选，所述的间距为50～300mm。

作为优选，所述的流动冷却介质包括但不限于冷却水等，作为优选，所述的冷却介质设计为高速流动，从而提高冷却效率。

综上所述，本发明的设备结构简单、成本低、操作方便，可应用于连续性工业化生产，用来制备金属粉末、非晶、准晶和微晶粉末。

附图说明

图1是本发明实施例1中微细金属粉末制备设备的结构示意图；

图2是图1中的回转圆盘俯视图；

图3是利用本发明实施例1中微细金属粉末制备设备制得的Fe-Si-B-Nb非晶磁粉的SEM形貌图；

图4是利用本发明实施例1中微细金属粉末制备设备制得的Fe-Si-B-Nb非晶磁粉XRD图谱。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1中的附图标记为：1-坩埚，2-喷嘴，3-气体雾化装置，4-回转圆盘，5-冷却装置，6-冷却介质。

实施例1：

本实施例中，微细金属粉末的制备设备结构示意图如图1所示，包括熔化炉(图中未示出)、坩埚1、气体雾化装置3、回转圆盘4与冷却装置5。

熔化炉与坩埚1相连通，坩埚1设置至少一个喷嘴2。金属材料在熔化炉中熔化为熔体后，在特定压力作用下由至少一个喷嘴2喷出，每个喷嘴2喷出的熔体经气体雾化装置后，较小的液滴由于表面张力作用，冷凝收缩成球形粉末，相对较大的未凝固或半凝固状态的液滴向下降落喷射。

回转圆盘4设置在金属液滴下方，回转圆盘面垂直于该金属液滴向下降落的中心轴线。冷却装置5中容纳介质6，冷却介质为冷却水，冷却水高速向下流动，冷却装置5设置在距离回转圆盘4外缘一定间距的位置。金属液滴向下降落喷射至回转圆盘4时，在喷射离心力作用下，金属液滴沿切线方向喷射出来，形成更加细小的液滴，飞向设置在圆盘周围的高速向下流动的冷却水，并在冷却水中进行急速冷却，凝固得到金属粉末。粉末和冷却介质由收集器收集。

回转圆盘4采用导热性良好的铜材制成，也可以用Ag、Ni、Mo和不锈钢等其它导热性良好的材料制成。

为了保证回转圆盘的冷却效果，并防止粉末在圆盘上堆积，还可在圆盘中心上方设置冷却水路，通以冷却介质对圆盘进行冷却并带走上面可能堆积的粉末。

利用上述设备进行金属粉末制备时，制备方法如下：

(1)金属材料在熔化炉中熔融为熔体，在压力作用下由至少一个喷嘴2喷出，每个喷嘴2喷出的熔体经气体雾化装置3雾化为液滴，较小的液滴由于表面张力作用，冷凝收缩成球形粉末，相对较大的未凝固或半凝固状态的液滴向下降落喷射；

(2)当液滴向下降落喷射至回转圆盘4时，在喷射离心力作用下，液滴破碎、沿切线方向喷射出去，形成更加细小的液滴，然后飞向设置在圆盘周围的高速向下流动的冷却水，并在冷却水中进行急速冷却，凝固得到金属粉末；

(3)金属粉末和冷却水由收集器收集。

利用上述设备可以将金属熔体制成微细金属粉末、非晶、准晶或微晶粉末等，通过回转圆盘转速的调节，其平均粒径可达到10μm的程度。

利用上述设备制备成分为Fe-Si-B-Nb的非晶磁粉，控制和调整的主要工艺参数为：熔化炉中的加热温度为熔体过热150℃，在空气中熔炼；气体雾化压力为2MPa，雾化时熔体流量为3.5kg/min；喷嘴与回转圆盘的间距为130mm，回转圆盘直径为600mm，转速为8000转/分；冷却水压力为3MPa。

按上述参数制得的Fe-Si-B-Nb非晶磁粉的SEM形貌图如图3所示，XRD图谱如图4所示。从图3可以看出该粉末粒径小，平均粒径为10-14μm，球形度良好，表面光亮无缺陷，并且分布集中。从图4可以看出，其XRD图谱上只有弥散的漫散射峰，没有与晶化相对应的明显的晶化峰，说明所制备的磁粉为非晶态结构。

实施例2：

本实施例中，微细金属粉末制备设备的结构与实施例1中的制备设备完全相同，利用该设备制备金属粉末的方法与实施例1中的制备方法完全相同。

利用上述设备制备微细铜粉，控制和调整的主要工艺参数为：熔化炉中的加热温度为铜熔点以上280℃，熔炼过程采用氩气保护；气体雾化压力为2.5MPa，雾化时熔体流量为4kg/min；喷嘴与回转圆盘的间距为100mm，回转圆盘直径为600mm，转速为10000转/分；冷却水压力为1.5MPa。

按上述参数制得的Cu粉的SEM形貌图显示，该粉末粒径小，平均粒径为9-12μm，球形度好，表面光亮无缺陷，并且分布集中。

实施例3：

本实施例中，微细金属粉末制备设备的结构与实施例1中的制备设备完全相同，利用该设备制备金属粉末的方法与实施例1中的制备方法完全相同。

利用上述设备制备成分为Al-Cu-Fe-Cr-Mn的准晶粉末，控制和调整的主要工艺参数为：熔化炉中的加热温度为熔体过热200℃，熔炼过程采用氩气保护；气体雾化压力为0.8MPa，雾化时熔体流量为3kg/min；喷嘴离下方的回转圆盘的距离为80mm，回转圆盘的直径为600mm，转速为10000转/分；冷却水压力为1.5MPa。

按上述参数制得的Al-Cu-Fe-Cr-Mn准晶粉末的SEM形貌图显示，该粉末粒径小，平均粒径为8-11μm，球形度良好，表面光亮无缺陷，并且分布集中。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有良好球形度的微细金属粉末的制备设备，其特征是：包括熔化炉、坩埚、气体雾化装置、回转圆盘与冷却装置；

所述的熔化炉与坩埚相连通，坩埚设置至少一个喷嘴；金属材料在熔化炉中熔化为熔体后，由喷嘴喷出，喷出的熔体经气体雾化装置雾化形成金属液流或液滴向下喷射；

所述的回转圆盘垂直于所述金属液流或液滴向下喷射的喷射中心轴线；所述的冷却装置设置在距离回转圆盘外缘一定间距处，用于容纳冷却介质，所述的冷却介质高速流动；所述的金属液流或液滴的喷射破碎过程与冷却过程相分离，金属液流或液滴向下喷射至回转圆盘被破碎，破碎后形成的小液滴在圆盘高速离心力作用下改变飞行方向，飞向冷却装置，在冷却介质作用下进行冷却、凝固得到金属粉末。

2.如权利要求1所述的具有良好球形度的微细金属粉末的制备设备，其特征是：所述的熔化炉圆周设置保温层，内部装有控温热电偶。

3.如权利要求1所述的具有良好球形度的微细金属粉末的制备设备，其特征是：所述的雾化温度为金属材料熔点以上50～350℃。

4.如权利要求1所述的具有良好球形度的微细金属粉末的制备设备，其特征是：所述的喷嘴数目为2个以上。

5.如权利要求1所述的具有良好球形度的微细金属粉末的制备设备，其特征是：所述的喷嘴的直径为0.4～5mm。

6.如权利要求1所述的具有良好球形度的微细金属粉末的制备设备，其特征是：所述的回转圆盘的转速为1000～15000转/分。

7.如权利要求1所述的具有良好球形度的微细金属粉末的制备设备，其特征是：所述的喷嘴与回转圆盘之间的间距为50～300mm。