CN105665730A - 一种制备球形金属粉末的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种制备球形金属粉末的装置及方法，所述装置包括金属棒料，其设置在制粉炉体的顶部中心位置；至少一杆等离子枪，其设置在所述金属棒料的周围，且与所述金属棒料呈预定角度；旋转盘，其设置在所述金属棒料的正下方；其中，所述制粉炉体内充满惰性气体；所述制备方法采用等离子枪产生的等离子弧熔化金属棒料，产生的金属熔滴落到高速旋转的旋转盘上，利用离心力甩出分散熔滴后冷却形成金属细粒径粉末。本发明提供的一种制备球形金属粉末的装置及方法，结构简单，运行成本及能耗低，通过所述方法制备的球形金属粉末的球形度高、粒径细小、纯净度高。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及到一种制备球形金属粉末的装置及方法。
背景技术
高质量球形金属粉末是粉末冶金近净成形、注射成型、热喷涂、3D打印及电子封装等生产领域所必需的重要原料，是最后产品质量的重要基础。随着注射成型、热喷涂、3D打印等技术的快速发展，上述领域对金属粉末原料的粒度、纯净度和形貌等性能要求逐步提高，并推动粉末制备向高纯净度、窄粒径分布和低成本方向发展。
目前，球形金属粉末制备主要采用雾化技术，包括气体雾化和离心雾化。
其中，气体雾化以高速气流将液态金属流破碎成小液滴并凝固成粉末的过程，但是气体雾化法制备的金属粉末粒度分布宽，空心粉较多并存在卫星颗粒，其设备庞大，消耗气体量大，生产成本较高。
离心雾化法是借助旋转所产生的离心力将熔化液滴甩出并冷凝而得到球形粉末，主要有等离子旋转电极雾化及旋转圆盘雾化制粉技术，等离子旋转电极法是以等离子束将高速旋转金属料棒前端熔化，然后依靠金属棒料高速旋转的离心力甩出熔化液滴，并雾化冷却为粉末，由于金属棒料转速的限制，该技术所制备的金属粉末粒度较粗，一般大于100μm；旋转圆盘雾化制粉技术是将熔化的金属液滴倾倒到高速旋转的圆盘上，然后利用高速旋转的圆盘产生离心力甩出金属液滴，雾化粉末，但该技术中首先要制备熔融金属液流，目前该技术多采用感应熔炼得到熔化金属，其能耗较高，且多用于制备低熔点金属粉末。
为了解决上述问题，本发明提供了一种制备球形金属粉末的装置及方法，其制备的球形金属粉末的球形度高、粒径小、纯净度高。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少一个上述问题或缺陷，并提供至少一个后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供了一种制备球形金属粉末的装置，其结构简单、设计合理且运行成本低，能耗低。
本发明还有一个目的是提供了一种制备球形金属粉末的装置，其采用等离子枪发生超高温等离子弧作为熔化金属热源，其能量密度大，利用率高，从而降低粉末生产过程中能耗，降低生产成本。
本发明还有一个目的是提供了一种制备球形金属粉末的装置，其能够使得制备的球形粉末材料的种类广泛。
本发明还有一个目的是提供了一种制备球形金属粉末的方法，其制备的球形金属粉末的球形度高、粒径小、纯净度高。
本发明还有一个目的是提供了一种制备球形金属粉末的方法，其制备过程简单，易于操作，运行成本低。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明提供了一种制备球形金属粉末的装置，包括：
金属棒料，其设置在制粉炉体的顶部中心位置，所述金属棒料包括连接端和自由端，所述连接端位于所述制粉炉体的外部，所述自由端位于所述制粉炉体的内部；
至少一杆等离子枪，其设置在所述金属棒料的周围，且与所述金属棒料呈预定角度，所述至少一杆等离子枪的能量提供装置为电源；
旋转盘，其设置在所述自由端的正下方，由旋转驱动机构驱动旋转；
其中，所述制粉炉体的内部充满惰性气体。
在惰性气体的环境下，本发明采用等离子枪产生的等离子弧熔化金属棒料，产生的金属熔滴落到高速旋转的旋转盘上，利用离心力甩出分散熔滴后冷却形成金属细粒径粉末。
优选的是，所述至少一杆等离子枪为两杆等离子枪，所述两杆等离子枪分别设置在所述金属棒料的两侧，所述两杆等离子枪分别与所述金属棒料呈30-60°夹角，所述金属棒料的直径为30-80mm，长度为300-2000mm。
优选的是，所述两杆等离子枪分别与所述金属棒料呈45°夹角，所述金属棒料的直径为60mm，长度为1000mm。
优选的是，还包括旋转进给机构和旋转杆，所述旋转进给机构与所述连接端固定连接；所述旋转杆的上端部穿过所述制粉炉体的底部中心位置与所述旋转盘固定连接，所述旋转杆的下端与所述旋转驱动机构连接；
其中，所述旋转杆上套设一旋转动密封，所述旋转动密封位于所述制粉炉体的底部中心位置，所述金属棒料与所述制粉炉体的顶部中心位置处设置一动密封；
所述旋转进给机构把所述金属棒料伸入到所述制粉炉体内，所述旋转驱动装置驱动所述旋转杆带动所述旋转盘转动。
其中，所述旋转驱动机构的转速为40000-60000r/min；
其中，所述旋转进给机构的转速为60-80r/min，进给速度为2-5mm/s。
优选的是，还包括：真空组件，其设置在所述制粉炉体的顶部一侧，所述真空组件包括真空机组，第一管道及缓冲罐，所述第一管道与所述制粉炉体贯通，所述真空机组通过所述第一管道连接至所述制粉炉体的顶部一侧，所述缓冲罐设置在所述第一管道上；惰性气瓶，其通过第二管道连接至所述制粉炉体的顶部另一侧，所述惰性气瓶提供的所述惰性气体为氩气或者氦气。
所述惰性气瓶内部充入的高纯惰性气体为Ar气或He气，所述高纯惰性气体的质量纯度不小于99.999％。
优选的是，所述制粉炉体的底部中心位置将所述制粉炉体的底壁分成两块向下倾斜的出粉板，所述出粉板向下倾斜的一端的边缘向下延伸形成竖直板，所述竖直板与所述制粉炉体的侧壁形成出粉口，所述出粉口上连接有出粉阀，所述出粉口的下端设置有收粉桶。
一种利用所述的装置制备球形金属粉末的方法，包括以下步骤：
步骤一、将金属棒料穿过制粉炉体的顶部中心位置和设置在所述顶部中心位置处的动密封，使得所述金属棒料的一部分位于所述制粉炉体的外部，形成连接端，使所述金属棒料的另一部分位于所述制粉炉体的内部，形成自由端，将所述连接端与旋转进给机构固定连接，驱动所述旋转进给机构，设置旋转进给机构的转速为60-80r/min，进给速度为2-5mm/s，把所述金属棒料匀速旋转并伸入制粉炉体内；
步骤二、开启真空机组，对所述制粉炉体内部抽真空至预定真空度5×10-3-2×10-2Pa；然后关闭真空机组。
打开惰性气瓶，向所述制粉炉体内部充入纯度大于或者等于99.999％的惰性气体；
步骤三、在惰性气氛下，启动旋转驱动机构，驱动旋转盘以40000-60000r/min的预定转速转动，设定所述电源电流为1200-1800A，开启所述等离子枪，所述等离子枪产生等离子弧，在等离子弧作用下，所述自由端熔化形成金属熔体，所述金属熔体落入所述旋转盘中，在所述旋转盘的旋转离心力作用下，甩出所述旋转盘，冷凝成球形金属粉末；
步骤四、打开出粉阀，使步骤三得到的所述球形金属粉末经过出粉板和出粉口流入收粉桶内，完成收集。
优选的是，在步骤一中，所述金属棒料预先用去污剂进行去油污，以及用无水乙醇进行去杂质的表面处理；所述金属棒料直径为30-80mm、长度300mm-2000mm；
在所述步骤二中，所述预定真空度为1×10-2Pa。
优选的是，所述金属棒料的直径为60mm、长度1000mm，所述电源电流为1500A，所述旋转驱动机构的转速为55000r/min。
优选的是，所述旋转进给机构的转速为70r/min，进给速度为3mm/s。
选取直径60mm和长度1000mm的所述金属棒料，在转速55000r/min和等离子弧电流为1500A，以及所述旋转进给机构的转速为70r/min，进给速度为3mm/s的条件下，制取的金属粉末颗粒粒径细小，颗粒均匀，流动性好。
本发明的有益效果
1、本发明提供的一种制备球形金属粉末的装置，其采用的等离子枪发生超高温等离子弧作为熔化金属热源，其能量密度高，能量利用率高。
2、本发明提供的一种制备球形金属粉末的装置，其制备的球形粉末材料种类广泛，扩大了应用范围。
3、本发明提供的一种制备球形金属粉末的装置，其通过使用旋转盘，配合等离子枪，使得制备粉末的粒径细小，颗粒均匀，流动性好。
4、本发明提供的一种制备球形金属粉末的装置，其原料熔化及雾化制粉均在惰性气氛下，保证所制备金属粉末的低氧高纯净。
5、本发明提供的一种制备球形金属粉末的装置，其结构简单，设计合理，实用性强，具有市场竞争力。
6、本发明提供的一种制备球形金属粉末的方法，其制备过程简单，易于操作，运行成本低。
附图说明
图1为本发明所述制备球形金属粉末的装置结构示意图；
图2为本发明所述制备球形金属粉末的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或者多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明提供了一种制备球形金属粉末的装置，包括：
金属棒料2，其设置在制粉炉体1的顶部中心位置，所述金属棒料2包括连接端和自由端，所述连接端位于所述制粉炉体1的外部，所述自由端位于所述制粉炉体1的内部；
至少一杆等离子枪3，其设置在所述金属棒料2的周围，且与所述金属棒料2呈预定角度，所述至少一杆等离子枪3的能量提供装置为电源6；
旋转盘10，其设置在所述自由端的正下方，由旋转驱动机构11驱动旋转；
其中，所述制粉炉体1的内部充满惰性气体。
在惰性气体的环境下，本发明采用等离子枪产生的等离子弧熔化金属棒料，产生的金属熔滴落到高速旋转的转盘上，利用离心力甩出分散熔滴后冷却形成金属细粒径粉末。制成的金属粉末粒径细小，颗粒均匀，流动性好，而且制成的金属粉末低氧高纯净。
在上述情况的基础上，又一个实施例，所述至少一杆等离子枪3为两杆等离子枪3，所述两杆等离子枪3分别设置在所述金属棒料2的两侧，所述两杆等离子枪3分别与所述金属棒料2呈30-60°夹角，所述金属棒料2的直径为30-80mm，长度为300-2000mm。
本发明采用所述等离子枪3发生超高温等离子弧作为熔化金属热源，其能量密度高，能量利用率大，从低熔点金属铝到高温合金及铌、钼及合金等难熔金属，使用范围广。
在上述实施例的基础上，又一个实施例，所述两杆等离子枪3分别与所述金属棒料2呈45°夹角，所述金属棒料2的直径为60mm，长度为1000mm。
在上述实施例的基础上，又一个实施例，还包括旋转进给机构8和旋转杆12，所述旋转进给机构8与所述连接端固定连接；所述旋转杆12的上端部穿过所述制粉炉体的底部中心位置与所述旋转盘10固定连接，所述旋转杆12的下端与所述旋转驱动机构11连接；
其中，所述旋转杆12上套设一旋转动密封9，所述旋转动密封9位于所述制粉炉体1的底部中心位置，所述金属棒料2与所述制粉炉体1的顶部中心位置处设置一动密封7；
其中，所述旋转驱动机构的转速为40000-60000r/min。
所述旋转驱动机构11高速旋转，通过所述旋转杆12带动所述旋转盘10高速旋转，从而使得制备的粉末粒径细小，颗粒均匀，流动性好。
其中，所述旋转进给机构的转速为60-80r/min，进给速度为2-5mm/s。
在上述实施例的基础上，再一个实施例，还包括：真空组件，其设置在所述制粉炉体1的顶部一侧，所述真空组件包括真空机组4，第一管道17及缓冲罐18，所述第一管道17与所述制粉炉体1贯通，所述真空机组4通过所述第一管道17连接至所述制粉炉体1的顶部一侧，所述缓冲罐18设置在所述第一管道17上；惰性气瓶5，其通过第二管道16连接至所述制粉炉体1的顶部另一侧，所述惰性气瓶5提供的所述惰性气体为氩气或者氦气。
所述真空机组4对所述制粉炉体1内部进行抽真空，然后，所述惰性气瓶通过所述第二管道16对所述制粉炉体1内部充入惰性气体，所述惰性气体的质量纯度大于或者等于99.999％，所述金属棒料2熔化及雾化制粉流程均在惰性气氛下，保证所制备粉末的低氧高纯净。
在上述实施例的基础上，再一个实施例，所述制粉炉体1的底部中心位置将所述制粉炉体1的底壁分成两块向下倾斜的出粉板15，所述出粉板15向下倾斜的一端的边缘向下延伸形成竖直板，所述竖直板与所述制粉炉体1的侧壁形成出粉口19，所述出粉口19上连接有出粉阀13，所述出粉口19的下端设置有收粉桶14。
冷凝后的球形金属粉末经过所述出粉板15和所述出粉口19流入所述收粉桶14中，对制备出的球形金属粉末进行收集。
如附图2所示，本发明提供了一种利用所述的装置制备球形金属粉末的方法，本发明选择的两杆等离子枪在制粉炉体上部偏离中心位置为260mm，现提供以下三个实施例：
实施例1
一种利用所述的装置制备球形金属粉末的方法，包括以下步骤：
步骤一、先对直径为30mm、长度300mm的钼合金棒料用去污剂进行去油污，以及用无水乙醇进行去杂质的表面处理；然后再将所述金属棒料穿过制粉炉体的顶部中心位置和设置在所述顶部中心位置处的动密封，使得所述金属棒料的一部分位于所述制粉炉体的外部，形成连接端，使所述金属棒料的另一部分位于所述制粉炉体的内部，形成自由端，将所述连接端与旋转进给机构固定连接，驱动所述旋转进给机构，所述旋转进给机构的转速为80r/min，进给速度为5mm/s，把所述金属棒料匀速旋转并伸入制粉炉体内；
步骤二、开启真空机组，对所述制粉炉体内部抽真空至预定真空度5×10-3Pa，关闭真空机组；
打开惰性气瓶，向所述制粉炉体内部充入纯度大于99.999％的氩气；
步骤三、在氩气气氛下，启动旋转驱动机构，驱动旋转盘以40000r/min的预定转速转动，设定所述电源电流为1200A，开启所述等离子枪，所述等离子枪产生等离子弧，在所述等离子弧作用下，所述自由端熔化形成金属熔体，所述金属熔体落入所述旋转盘中，在所述旋转盘的旋转离心力作用下，甩出所述旋转盘，冷凝成球形金属粉末；
步骤四、打开出粉阀，使步骤三得到的所述球形金属粉末经过出粉板和出粉口流入收粉桶内，完成收集。
实施例2
一种利用所述的装置制备球形金属粉末的方法，包括以下步骤：
步骤一、先对直径为60mm、长度1000mm的铌金属棒料用去污剂进行去油污，以及用无水乙醇进行去杂质的表面处理；然后再将所述金属棒料穿过制粉炉体的顶部中心位置和设置在所述顶部中心位置处的动密封，使得所述金属棒料的一部分位于所述制粉炉体的外部，形成连接端，使所述金属棒料的另一部分位于所述制粉炉体的内部，形成自由端，将所述连接端与旋转进给机构固定连接，驱动所述旋转进给机构，所述旋转进给机构的转速为70r/min，进给速度为3mm/s，把所述金属棒料匀速旋转并伸入制粉炉体内；
步骤二、开启真空机组，对所述制粉炉体内部抽真空至预定真空度1×10-2Pa，关闭所述真空机组；
打开惰性气瓶，向所述制粉炉体内部充入纯度大于99.999％的氦气；
步骤三、在氦气气氛下，启动旋转驱动机构，驱动旋转盘以55000r/min的预定转速转动，设定所述电源电流为1500A，开启所述等离子枪，所述等离子枪产生等离子弧，在等离子弧作用下，所述自由端熔化形成金属熔体，所述金属熔体落入所述旋转盘中，在所述旋转盘的旋转离心力作用下，甩出所述旋转盘，冷凝成球形金属粉末；
步骤四、打开出粉阀，使步骤三得到的所述球形金属粉末经过出粉板和出粉口流入收粉桶内，完成收集。
实施例3
一种利用所述的装置制备球形金属粉末的方法，包括以下步骤：
步骤一、先对直径为80mm、长度2000mm的高温合金金属棒料用去污剂进行去油污，以及用无水乙醇进行去杂质的表面处理；然后再将所述金属棒料穿过制粉炉体的顶部中心位置和设置在所述顶部中心位置处的动密封，使得所述金属棒料的一部分位于所述制粉炉体的外部，形成连接端，使所述金属棒料的另一部分位于所述制粉炉体的内部，形成自由端，将所述连接端与旋转进给机构固定连接，驱动所述旋转进给机构，所述旋转进给机构的转速为60r/min，进给速度为2mm/s，把所述金属棒料匀速旋转并伸入制粉炉体内；
步骤二、开启真空机组，对所述制粉炉体内部抽真空至预定真空度2×10-2Pa，关闭真空机组；
打开惰性气瓶，向所述制粉炉体内部充入纯度大于99.999％的氦气；
步骤三、在氦气气氛下，启动旋转驱动机构，驱动旋转盘以60000r/min的预定转速转动，设定所述电源电流为1800A，开启所述等离子枪，所述等离子枪产生等离子弧，在等离子弧作用下，所述自由端熔化形成金属熔体，所述金属熔体落入所述旋转盘中，在所述旋转盘的旋转离心力作用下，甩出所述旋转盘，冷凝成球形金属粉末；
步骤四、打开出粉阀，使步骤三得到的所述球形金属粉末经过出粉板和出粉口流入收粉桶内，完成收集。
在实施例1中，制备出直径小于45μm的钼合金粉末颗粒占总粉末颗粒的27％，制粉效果好。
在实施例2中，制备出直径小于45μm的铌金属粉末颗粒占总粉末颗粒的45％，制粉效果好。
在实施例3中，制备出直径小于45μm的高温合金金属粉末颗粒占总粉末颗粒的48％，制粉效果好。
本发明在长期实验过程中，还选择了铝金属棒料等其他金属棒料进行实验，制备出的粉末颗粒直径小于45μm的颗粒占总粉末颗粒的20％以上，制粉效果好，具有很好的市场竞争力。
本发明还有其他供选择的实施例，这里就不再做详细说明。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种制备球形金属粉末的装置，其特征在于，包括：
金属棒料，其设置在制粉炉体的顶部中心位置，所述金属棒料包括连接端和自由端，所述连接端位于所述制粉炉体的外部，所述自由端位于所述制粉炉体的内部；
至少一杆等离子枪，其设置在所述金属棒料的周围，且与所述金属棒料呈预定角度，所述至少一杆等离子枪的能量提供装置为电源；
旋转盘，其设置在所述自由端的正下方，由旋转驱动机构驱动旋转；
其中，所述制粉炉体的内部充满惰性气体。
2.如权利要求1所述的制备球形金属粉末的装置，其特征在于，所述至少一杆等离子枪为两杆等离子枪，所述两杆等离子枪分别设置在所述金属棒料的两侧，所述两杆等离子枪分别与所述金属棒料呈30-60°夹角，所述金属棒料的直径为30-80mm，长度为300-2000mm。
3.如权利要求2所述的制备球形金属粉末的装置，其特征在于，所述两杆等离子枪分别与所述金属棒料呈45°夹角，所述金属棒料的直径为60mm，长度为1000mm。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的制备球形金属粉末的装置，其特征在于，还包括旋转进给机构和旋转杆，所述旋转进给机构与所述连接端固定连接；所述旋转杆的上端部穿过所述制粉炉体的底部中心位置与所述旋转盘固定连接，所述旋转杆的下端与所述旋转驱动机构连接；
其中，所述旋转杆上套设一旋转动密封，所述旋转动密封位于所述制粉炉体的底部中心位置，所述金属棒料与所述制粉炉体的顶部中心位置处设置一动密封；
其中，所述旋转驱动机构的转速为40000-60000r/min；
其中，所述旋转进给机构的转速为60-80r/min，进给速度为2-5mm/s。
5.如权利要求4所述的制备球形金属粉末的装置，其特征在于，还包括：真空组件，其设置在所述制粉炉体的顶部一侧，所述真空组件包括真空机组，第一管道及缓冲罐，所述第一管道与所述制粉炉体贯通，所述真空机组通过所述第一管道连接至所述制粉炉体的顶部一侧，所述缓冲罐设置在所述第一管道上；
惰性气瓶，其通过第二管道连接至所述制粉炉体的顶部另一侧，所述惰性气瓶提供的所述惰性气体为氩气或者氦气。
6.如权利要求5所述的制备球形金属粉末的装置，其特征在于，所述制粉炉体的底部中心位置将所述制粉炉体的底壁分成两块向下倾斜的出粉板，所述出粉板向下倾斜的一端的边缘向下延伸形成竖直板，所述竖直板与所述制粉炉体的侧壁形成出粉口，所述出粉口上连接有出粉阀，所述出粉口的下端设置有收粉桶。
7.一种利用如权利要求1所述的装置制备球形金属粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将金属棒料穿过制粉炉体的顶部中心位置和设置在所述顶部中心位置处的动密封，使得所述金属棒料的一部分位于所述制粉炉体的外部，形成连接端，使所述金属棒料的另一部分位于所述制粉炉体的内部，形成自由端，将所述连接端与旋转进给机构固定连接，驱动所述旋转进给机构，设置所述旋转进给机构的转速为60-80r/min，进给速度为2-5mm/s，把所述金属棒料匀速旋转并伸入制粉炉体内；
步骤二、开启真空机组，对所述制粉炉体内部抽真空至预定真空度5×10-3-2×10-2Pa，然后关闭所述真空机组；
打开惰性气瓶，向所述制粉炉体内部充入纯度大于或者等于99.999％的惰性气体；
步骤三、在惰性气氛下，启动旋转驱动机构，驱动旋转盘以40000-60000r/min的预定转速转动，设定所述电源电流为1200-1800A，开启所述等离子枪，所述等离子枪产生等离子弧，在所述等离子弧作用下，所述自由端熔化形成金属熔体，所述金属熔体落入所述旋转盘中，在所述旋转盘的旋转离心力作用下，甩出所述旋转盘，冷凝成球形金属粉末；
步骤四、打开出粉阀，使步骤三得到的所述球形金属粉末经过出粉板和出粉口流入收粉桶内，完成收集。
8.如权利要求7所述的制备球形金属粉末的方法，其特征在于，在步骤一中，所述金属棒料预先用去污剂进行去油污，以及用无水乙醇进行去杂质的表面处理；所述金属棒料直径为30-80mm、长度300mm-2000mm；
在所述步骤二中，所述预定真空度为1×10-2Pa。
9.如权利要求8所述的制备球形金属粉末的方法，其特征在于，所述金属棒料的直径为60mm、长度1000mm，所述电源电流为1500A，所述旋转驱动机构的转速为55000r/min。
10.如权利要求9所述的制备球形金属粉末的方法，其特征在于，所述旋转进给机构的转速为70r/min，进给速度为3mm/s。
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