CN114433855A - 一种用于制备金属粉末的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于制备金属粉末的设备及方法，其中包括一种用于制备金属粉末的设备，包括，熔炼系统，用于将金属原料熔炼成合金熔体；雾化系统，用于将从熔炼系统流出的合金熔体雾化成合金液滴；机械破碎系统，包括粉碎腔室以及设于粉碎腔室内的高速转盘，所述高速转盘用于对降落的合金液滴进行撞击并高速离心分散，高速离心分散的合金液体与粉碎腔室内壁再次撞击形成高温金属粉末；冷却系统，用于降低高温金属粉末的温度；收集系统，用于收集降温后的金属粉末。本发明还公开一种制备金属粉末的方法，采用用于制备金属粉末的设备制备小粒径的金属粉末。
Description
技术领域
本发明涉及金属球状粉末的制备领域，特别涉及一种用于制备金属粉末的设备及方法。
背景技术
金属粉末是粉末冶金工业的基础原料之一，由于具有较大的比表面积及活性，因而在电、磁、光以及催化、吸附和化学反应性等领域都能起到极为重要的作用，具有十分广泛的用途，在工业生产上，特别是在粉末冶金、制造机械零件、生产摩擦材料、减摩材料、超硬材料、磁性材料、润滑剂及其制品、化工、切割、发热材料、焊条等领域具有良好的应用前景；且近年来，金属粉末在电磁、生物、医学、光学等诸多领域被越来越多的应用。
传统粉末冶金对粉末的尺寸、粒度分布、粉末形貌以及稳定性等方面并未形成严格的要求。然而，近十多年来随着金属注射成形、热喷涂、金属快速成形、表面贴装等技术的发展，金属粉末的几何特性对于保证高质量产品的精确性和稳定性已经变得与材料性能同等重要。例如：在金属注射成形中需要粉末粒径在10～15μm左右且分布集中的粉末，同时要求粉末具有球形度高，分散度良好，且具有优异流变性能的特点，这可提高金属注射成形工艺制备器件的密度，并可制备具有三维复杂形状的电子元器件，同时可保证金属注射成形过程的可靠性和稳定性；在耐磨耐蚀喷涂的工艺中采用粉末粒径在20μm以下的粉末，可使熔融颗粒在达到基体时处于基本相同的熔化状态，避免出现未熔化的过大颗粒，从而提高等离子喷涂和超音速火焰喷涂的涂层质量；在磁性吸波片中为提高吸波效果，通常采用厚度1μm左右的粉末，并且要求粉末具有固定的厚度宽度比，目前主要通过将平均粒径10～15μm左右的球形合金粉末通过辊压法压制获得。
综上所述，无论是在基础科学研究还是粉末冶金应用中，都要求粉末满足球形度高、氧含量低、粒径分布合理的特征。
目前，金属球形粉末的生产技术有气体雾化法、水雾化、等离子旋转电极法和超声雾化。气雾化法由于冷却速率较低，不易制备出完全非晶态的合金粉末，且粉末粒径大、不易得到平均粒径15μm以下的粉末，还受限于熔化液流粗且流体难控，气嘴结构复杂，气体利用率低，生产的粉末细粉少，产能低，且投资大生产成本高。水雾化法获得的粉末表面易形成氧化物，粉末形状不规则。等离子旋转电极法受限于转速和辅件而生产的粉末粒度粗，且生产成本高。超声雾化是利用超声波定向压强，使液体表面产生有限振幅的表面张力波，形成隆起液面，在隆起的液面周围发生空化作用，使液体雾化成小液滴，但超声雾化法仅适用于制备低熔点金属粉末。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于制备金属粉末的设备，能高效率的制备出粒径小的金属粉末，且能适用于各种熔点的金属粉末。
一种用于制备金属粉末的设备，包括，
熔炼系统，用于将金属原料熔炼成合金熔体；
雾化系统，用于将从熔炼系统流出的合金熔体雾化成合金液滴；
机械破碎系统，包括粉碎腔室以及设于粉碎腔室内的高速转盘，所述高速转盘用于对降落的合金液滴进行撞击并高速离心分散，高速离心分散的合金液体与粉碎腔室内壁再次撞击形成高温金属粉末；
冷却系统，用于降低高温金属粉末的温度；
收集系统，用于收集降温后的金属粉末。
具体的，在制备合金液滴时，按照需求配比金属原料而后将金属原料熔炼成合金熔体，再将合金熔体雾化成和合金液滴，破碎系统对合金液滴进行破碎制成高温金属粉末，冷却系统对高温金属粉末进行降温，收集系统收集制备好的金属粉末即可；
机械破碎系统对合金液滴进行破碎时，高速转盘将合金液滴进行撞击，经过高速转盘撞击后的合金液滴破碎，而后在离心力的作用下，破碎后的合金液滴被高速转盘离心分散并沿高速转盘的切线方向甩出，由于高速转盘为转速为900-25000rpm的超音速转盘，因此破碎的合金液滴能被均匀的离心分散，被离心分散的破碎的合金液滴再次撞击在粉碎腔室的内壁上，经破碎的合金液滴再次被破碎形成超细金属粉末。
优选的，所述粉碎腔室顶壁内表面与高速转盘顶面之间的距离为100-500mm。
具体的，为保证被高速转盘离心分散的破碎的合金液滴能与粉碎腔室的内壁发生撞击，粉碎腔室的顶壁内表面与高速转盘顶面之间的距离为100-500mm。
当需制备的金属粉末粒径小于10μm，高速转盘的转速优选为18000-20000rpm，粉碎腔室顶壁内表面与高速转盘顶面之间的距离为优选为100-120mm，漏孔的孔径优选为1-1.3mm，惰性气体的气压优选为6-8MPa。
当需制备的金属粉末粒径为10-15μm，高速转盘的转速优选为15000-18000rpm，粉碎腔室顶壁内表面与高速转盘顶面之间的距离为优选为120-130mm，漏孔的孔径优选为1-1.5mm，惰性气体的气压优选为4.5-6MPa。
当需制备的金属粉末粒径为15-25μm，高速转盘的转速优选为10000-15000rpm，粉碎腔室顶壁内表面与高速转盘顶面之间的距离为优选为130-200mm，漏孔的孔径优选为1-2mm，惰性气体的气压优选为4-5MPa。
当需制备的金属粉末粒径为25-35μm，高速转盘的转速优选为7000-15000rpm，粉碎腔室顶壁内表面与高速转盘顶面之间的距离为优选为200-300mm，漏孔的孔径优选为1-3mm，惰性气体的气压优选为3-4.5MPa。
当需制备的金属粉末粒径为35-50μm，高速转盘的转速优选为10000-15000rpm，粉碎腔室顶壁内表面与高速转盘顶面之间的距离为优选为300-400mm，漏孔的孔径优选为1-5mm，惰性气体的气压优选为2-4.5MPa。
当需制备的金属粉末粒径大于50μm，高速转盘的转速优选为4000-7000rpm，粉碎腔室顶壁内表面与高速转盘顶面之间的距离为优选为400-500mm，漏孔的孔径优选为5-8mm，惰性气体的气压优选为2-3MPa。
优选的，所述高速转盘包括圆盘，所述圆盘的一侧面为雾化平面，所述雾化平面相对的另一侧面为带有倾斜面的曲面，所述圆盘的厚度向着靠近圆盘中心的方向增厚；所述圆盘中心通过连接件与设置在高速电机上的转轴可拆卸连接。
具体的，在高速转盘高速旋转的过程中，由于高速转盘所受的离心力较大，高速转盘会出现不平稳的状态，当高速转盘旋转不平稳时，圆盘的雾化平面则无法保持水平状态，此时，落在圆盘上的合金熔体难以均匀的呈纤维状离散至圆盘边缘，导致制备出的金属粉末粒径分布区间大，一致性低。本方案提供的圆盘与雾化平面相对的侧面为带有倾斜面的曲面，高速转盘在高速旋转的过程中，经过曲面的空气流速大于经过雾化平面的空气流速，即高速转盘上方的压强大于下方的压强，在压强的作用下高速转盘高速旋转时依旧能保持雾化平面的水平状态，故而合金熔体能均匀的呈纤维状离散至圆盘边缘，制备出的金属粉末粒径分布区间较小，一致性高。
转轴与高速转盘通过轴承、胀紧套、旋转拉爪、磁流体、锥度刀柄中的一种或几种可拆卸连接；且圆盘采用高强度合金及其镀层制成。
优选的，所述倾斜面与水平方向上的夹角为10°-90°。
具体的，倾斜面与水平方向上的夹角即夹角α，当10°≤α≤90°时，高速转盘的转速最高可以达到25000rmp，当高速转盘转速达到20000rpm时，落在雾化平面上的合金熔体能够均匀的呈纤维状离散至圆盘边缘，同时高速转盘产生的离心力可将未凝固甚至半凝固的和合金液滴破碎，因此最终能制成粒径分布范围小的金属粉末。
优选的，所述冷却系统包括用于喷射冷却液的若干喷头，若干所述喷头固定在粉碎腔室的顶壁上。
具体的，所述喷头喷射出雾状的冷却液，雾状的冷却液表面积大且能均匀的分布在粉碎腔室内对高温金属粉末进行降温。
优选的，所述设备还包括真空系统；所述熔炼系统包括熔炼室，所述熔炼室内设有坩埚，所述坩埚的侧壁上设有用于加热的感应线圈；所述坩埚的出口处设有用于流出合金熔体的导流管和漏孔；所述真空系统与熔炼室连通，用于为熔炼室抽真空。
具体的，导流管由氧化铝制成，漏孔由氮化硼制成，且导流管和设置有由石墨、氮化硼、氧化铝、氧化锆、石英中的一种或几种制成的加热保护装置；此外为防止在高温熔炼的过程中，金属与空气发生化学反应，需设置真空系统对熔炼室抽真空。
优选的，所述雾化系统包括环绕所述漏孔设置的喷盘，所述喷盘与装填有惰性气体的高压气组连通；所述喷盘用于喷射惰性气体以将经漏孔流出的合金熔体雾化成合金液滴；
所述喷盘设有将惰性气体喷出的喷孔，所述喷孔喷射出的惰性气体的方向使合金熔体被雾化成呈伞状分布若干合金液滴。
具体的，所述喷盘可采用双层环孔式喷盘、连续环缝式喷盘、单层环孔式喷盘、离散环孔式盘中的任意一种；所述惰性气体为氮气或氩气。
喷孔喷射出的惰性金属气体将合金熔体雾化成呈伞状分布的若干合金液滴，即合金液滴形成封闭式气慕空间，可有效抑制金属液体提前凝结同时避免冷却液回旋上升。
优选的，所述漏孔的直径为1-10mm，所述喷孔喷射出的惰性气体的气压为2-10MPa；所述喷孔喷射出惰性气体的气压与漏孔直径配合以使合金液滴分布为顶部夹角为15-90°的伞状。
具体的，在次角度区间落下的合金液滴能快速均匀的落在高速转盘上，同时，冷却液在雾化平面上的落点与合金液滴在雾化平面上的落点之间的圆心角为90-270°。
优选的，所述粉碎腔室包括与熔炼系统固定的上腔室、与上腔室嵌套的下腔室；所述下腔室通过升降装置活动固定在底座上；所述升降装置通过控制下腔室的位置控制粉碎腔室与收集系统的连通状况。
具体的，制备金属粉末时，升降装置将下腔室向上顶升，下腔室与上腔室嵌套闭合；收集制备好的金属粉末时，升降装置带着下腔室向下运动，下腔室与上腔室之间打开即可对金属粉末进行收集。
本发明还提供一种制备金属粉末的方法，采用该方法制备出的金属粉末粒径小、且粒径分布范围小。
一种制备金属粉末的方法，采用如上任一项所述的用于制备金属粉末的设备，所述方法步骤包括：
利用熔炼系统将配比好的金属熔炼成合金熔体；
利用雾化系统将从熔炼系统流出的合金熔体雾化成合金液滴；利用高速旋转的高速转盘撞击降落在高速转盘上的合金液滴，同时高速转盘将经过撞击的合金液滴高速离心分散，高速离心分散的合金液体与粉碎腔室内壁再次撞击形成高温金属粉末；
高温金属粉末在重力的作用下降落至粉碎腔室的底壁上，在高温金属粉末下降的过程中利用冷却系统对降低高温金属粉末的温度；
利用收集系统收集粉碎腔室底壁上的金属粉末。
与现有技术相比，本发明的有益之处至少包括：
利用机械破碎系统的高速转盘对合金液滴进行撞击形成破碎的合金液滴，同时高速旋转的高速转盘将破碎的合金液滴均匀的离心分散至高速转盘边缘后甩出，在惯性的作用下，破碎的合金液滴与粉碎腔室的内壁发生再次撞击，破碎的合金液滴再次被破碎，经历过至少两次破碎的合金液滴被制成了粒径小的金属粉末；此装置合金液滴进行撞击形成金属粉末，对制备的金属粉末的熔点没有要求；同时机械破碎系统结合熔炼系统、雾化系统、冷却系统和收集系统实现了制备金属粉末的全自动化，显著的提高了小粒径金属粉末的生产效率。
附图说明
图1为本发明提供的用于制备金属粉末的设备的结构示意图；
图2为本发明提供的用于制备金属粉末的设备的部分零件的结构示意图；
图3为本发明提供的用于制备金属粉末的设备的高速转盘的结构示意图；
图4为本发明实施例1中制得的金属粉末SEM形貌图；
图5是本发明实施例2中各漏孔孔径下制得的粉末SEM形貌图；
图6是本发明实施例3中各惰性气体喷射气压下制得的粉末SEM形貌图；
图7是本发明实施例4中高速转盘的各转速制得的粉末SEM形貌图；
图8是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4不同孔径、气压、转速条件下制得的粉末的粒径尺寸变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1为本实施例提供的用于制备金属粉末的设备的结构示意图；如图1所示，用于制备金属粉末的设备，包括，
熔炼系统，用于将金属原料熔炼成合金熔体；
雾化系统，用于将从熔炼系统流出的合金熔体雾化成合金液滴；
机械破碎系统，包括粉碎腔室以及设于粉碎腔室内的高速转盘310，所述高速转盘310用于对降落的合金液滴进行撞击并高速离心分散，高速离心分散的合金液体与粉碎腔室内壁再次撞击形成高温金属粉末；
冷却系统，用于降低高温金属粉末的温度；
收集系统500，用于收集降温后的金属粉末。
在制备合金液滴时，按照需求配比金属原料而后将金属原料熔炼成合金熔体，再将合金熔体雾化成和合金液滴，破碎系统对合金液滴进行破碎制成高温金属粉末，冷却系统对高温金属粉末进行降温，收集系统500收集制备好的金属粉末即可；
机械破碎系统对合金液滴进行破碎时，高速转盘310将合金液滴进行撞击，经过高速转盘310撞击后的合金液滴破碎，而后在离心力的作用下，破碎后的合金液滴被高速转盘310离心分散并沿高速转盘310的切线方向甩出，由于高速转盘310为转速为900-25000rpm的超音速转盘，因此破碎的合金液滴能被均匀的离心分散，被离心分散的破碎的合金液滴再次撞击在粉碎腔室的内壁上，经破碎的合金液滴再次被破碎形成超细金属粉末。
所述粉碎腔室顶壁内表面与高速转盘310顶面之间的距离为100-500mm。
为保证被高速转盘310离心分散的破碎的合金液滴能与粉碎腔室的内壁发生撞击，粉碎腔室的顶壁内表面与高速转盘310顶面之间的距离为100-500mm，具体的数值根据高速转盘310的转速选择，高速转盘310的转速根据需制备的金属粉末的要求选择。
图3为本实施例提供的用于制备金属粉末的设备的高速转盘的结构示意图；如图3所示，所述高速转盘310包括圆盘，所述圆盘的一侧面为雾化平面311，所述雾化平面311相对的另一侧面为带有倾斜面312的曲面，所述圆盘的厚度向着靠近圆盘中心的方向增厚；所述圆盘中心通过连接件与设置在高速电机650上的转轴可拆卸连接。
在高速转盘310高速旋转的过程中，由于高速转盘310所受的离心力较大，高速转盘310会出现不平稳的状态，当高速转盘310旋转不平稳时，圆盘的雾化平面311则无法保持水平状态，此时，落在圆盘上的合金熔体难以均匀的呈纤维状离散至圆盘边缘，导致制备出的金属粉末粒径分布区间大，一致性低。本方案提供的圆盘与雾化平面311相对的侧面为带有倾斜面312的曲面，高速转盘310在高速旋转的过程中，经过曲面的空气流速大于经过雾化平面311的空气流速，即高速转盘310上方的压强大于下方的压强，在压强的作用下高速转盘310高速旋转时依旧能保持雾化平面311的水平状态，故而合金熔体能均匀的呈纤维状离散至圆盘边缘，制备出的金属粉末粒径分布区间较小，一致性高。
转轴与高速转盘310通过锥度刀柄可拆卸连接；且圆盘采用高强度合金及其镀层制成。
所述倾斜面312与水平方向上的夹角α为15°；此时高速转盘310的转速最高可以达到25000rmp，当高速转盘310转速达到20000rpm时，落在雾化平面311上的合金熔体能够均匀的呈纤维状离散至圆盘边缘，同时高速转盘310产生的离心力可将未凝固甚至半凝固的和合金液滴破碎，因此最终能制成粒径分布范围小的金属粉末。
所述冷却系统包括用于喷射冷却液的若干喷头410，若干所述喷头410固定在粉碎腔室的顶壁上。
所述喷头410喷射出雾状的冷却液，雾状的冷却液表面积大且能均匀的分布在粉碎腔室内对高温金属粉末进行降温。
图2为本实施例提供的用于制备金属粉末的设备的部分零件的结构示意图；如图1、2所示，所述设备还包括真空系统610；所述熔炼系统包括熔炼室110，所述熔炼室110内设有坩埚120，所述坩埚120的侧壁上设有用于加热的感应线圈130；所述坩埚120的出口处设有用于流出合金熔体的导流管210和漏孔220；所述真空系统610与熔炼室110连通，用于为熔炼室110抽真空。
所述导流管210由氧化铝制成，漏孔220设置氮化硼制成；所述导流管210和漏孔220还设有由石墨制成的加热保护套；此外为防止在高温熔炼的过程中，金属与空气发生化学反应，需设置真空系统610对熔炼室110抽真空。
所述雾化系统包括环绕所述漏孔220设置的喷盘230，所述喷盘230与装填有惰性气体的高压气组620连通；所述喷盘230用于喷射惰性气体以将经漏孔220流出的合金熔体雾化成合金液滴；
所述喷盘230设有将惰性气体喷出的喷孔231，所述喷孔231喷射出的惰性气体的方向使合金熔体被雾化成呈伞状分布若干合金液滴。
所述喷盘230采用双层环孔式喷盘；所述惰性气体为氩气。
喷孔231喷射出的惰性金属气体将合金熔体雾化成呈伞状分布的若干合金液滴，即合金液滴形成封闭式气慕空间，可有效抑制金属液体提前凝结同时避免冷却液回旋上升。
所述漏孔220的直径为1-10mm，所述喷孔231喷射出的惰性气体的气压为2-10MPa；所述喷孔231喷射出惰性气体的气压与漏孔220直径配合以使合金液滴分布为顶部夹角为60°的伞状。
在此角度区间落下的合金液滴能快速均匀的落在高速转盘310上，同时，冷却液在雾化平面311上的落点与合金液滴在雾化平面311上的落点之间的圆心角为90-270°。
所述粉碎腔室包括与熔炼系统固定的上腔室320、与上腔室320嵌套的下腔室330；所述下腔室330通过升降装置630活动固定在底座640上；所述升降装置630通过控制下腔室330的位置控制粉碎腔室与收集系统500的连通状况。
制备金属粉末时，升降装置630将下腔室330向上顶升，下腔室330与上腔室320嵌套闭合；收集制备好的金属粉末时，升降装置630带着下腔室330向下运动，下腔室330与上腔室320之间打开即可对金属粉末进行收集。
一种制备金属粉末的方法，所述方法步骤包括：
利用熔炼系统将配比好的金属熔炼成合金熔体；
利用雾化系统将从熔炼系统流出的合金熔体雾化成合金液滴；利用高速旋转的高速转盘310撞击降落在高速转盘310上的合金液滴，同时高速转盘310将经过撞击的合金液滴高速离心分散，高速离心分散的合金液体与粉碎腔室内壁再次撞击形成高温金属粉末；
高温金属粉末在重力的作用下降落至粉碎腔室的底壁上，在高温金属粉末下降的过程中利用冷却系统对降低高温金属粉末的温度；
利用收集系统500收集粉碎腔室底壁上的金属粉末。
以下为具体制造金属粉末的实施例。
实施例1
制备粒径为10-15μm的金属粉末。
熔炼室110内氮化硼熔炼坩埚120与氧化铝导流管210采用镁砂粘接，氧化铝导流管210与氮化硼漏孔220采用嵌套配合连接。其中氮化硼漏孔220孔径为1mm，氧化铝导流管210和氮化硼坩埚120口径与之对应，氧化铝导流管210和氮化硼漏孔220设置石墨加热保护套。
将纯铁、块状纯硅、预合金工业硼铁、预合金工业铬碳，Fe、Si、B、C、Cr分别按照质量比为87.8％、6.5％、2.5％、0.7％、2.5％比例进行配料，通过加热熔炼获得1500℃的FeSiBCCr合金熔体后依次通过氧化铝导流管210、氮化硼漏孔220，双层环孔式喷盘喷射4.5MPa高压氩气使合金液滴分散形成伞状雾区，获得FeSiBCCr合金液滴，合金液滴分布为顶角为60°的伞状。
FeSiBCCr伞状金属雾区进入机械破碎系统中，粉碎腔室的顶壁内表面与雾化平面311之间的距离为130mm，高速转盘310与合金液滴发生撞击并将撞击后形成的破碎的合金液滴沿切线方向甩出，然后破碎的合金液滴再次撞击粉碎室上、下腔体，凝缩成球状后得到较高温度的超细金属颗粒；
高强度铝合金的高速转盘310由频率为500Hz的高速电机650控制，使其转速达到15000rpm并稳定。其中高速电机650与高速转盘310采用锥度刀柄为中间连接机构进行连接；喷头410喷射出的冷却液在雾化平面311上的落点与合金液滴在雾化平面311上的落点之间的圆心角为270°，并提供持续高压、高速的冷却液，对高温金属粉末进行快速冷却，获得金属粉末；最后使用升降装置630打开粉碎腔体，进行粉末收集。
依据以上装备参数和工艺参数制得的FeSiBCCr粉末球形度如图4所示，球形度高、粉末粒径小、分布均匀、粉末表面光滑。粉末粒径大小如
表1所示。
表1
实施例2
熔炼室110内氮化硼熔炼坩埚120与氧化铝导流管210采用镁砂粘接，氧化铝导流管210与氮化硼漏孔220采用嵌套配合连接。其中氮化硼漏孔220孔径分别为1.5mm、2mm、2.5mm，氧化铝导流管210和氮化硼坩埚120口径与之对应，氧化铝导流管210和氮化硼漏孔220设置石墨加热保护套。
将纯铁、块状纯硅、预合金工业硼铁、预合金工业铬碳，Fe、Si、B、C、Cr分别按照质量比为87.8％、6.5％、2.5％、0.7％、2.5％比例进行配料，通过加热熔炼获得1500℃的FeSiBCCr合金熔体后依次通过氧化铝导流管210、氮化硼漏孔220，双层环孔式喷盘喷射4.5MPa高压氩气使合金液滴分散形成伞状雾区，获得FeSiBCCr合金液滴，合金液滴分布为顶角为60°的伞状。
FeSiBCCr伞状金属雾区进入机械破碎系统中，粉碎腔室的顶壁内表面与雾化平面311之间的距离为200mm，高速转盘310与合金液滴发生撞击并将撞击后形成的破碎的合金液滴沿切线方向甩出，然后撞击粉碎室上、下腔体，凝缩成球状后得到较高温度的超细金属颗粒；
高强度铝合金的高速转盘310由频率为500Hz的高速电机650控制，使其转速达到15000rpm并稳定。其中高速电机650与高速转盘310采用锥度刀柄为中间连接机构进行连接；喷头410喷射出的冷却液在雾化平面311上的落点与合金液滴在雾化平面311上的落点之间的圆心角为270°，并提供持续高压、高速的冷却液，对高温金属粉末进行快速冷却，获得金属粉末；最后使用升降装置630打开粉碎腔体，进行粉末收集。
依据以上装备参数和工艺参数制得的FeSiBCCr粉末球形度如图5所示，球形度高、粉末粒径小、分布均匀、粉末表面光滑。粉末粒径大小如表2所示。
表2
由表2可知，当惰性气体的气压和高速转盘310的转速不变时，漏孔220的孔径越小，制备得到的金属粉末的粒径越小。
实施例3
熔炼室110内氮化硼熔炼坩埚120与氧化铝导流管210采用镁砂粘接，氧化铝导流管210与氮化硼漏孔220采用嵌套配合连接。其中氮化硼漏孔220孔径为1mm，氧化铝导流管210和氮化硼坩埚120口径与之对应，氧化铝导流管210和氮化硼漏孔220设置石墨加热保护套。
将纯铁、块状纯硅、预合金工业硼铁、预合金工业铬碳，Fe、Si、B、C、Cr分别按照质量比为87.8％、6.5％、2.5％、0.7％、2.5％比例进行配料，通过加热熔炼获得1500℃的FeSiBCCr合金熔体后依次通过氧化铝导流管210、氮化硼漏孔220，双层环孔式喷盘喷射分别为2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa高压氩气使合金液滴分散形成伞状雾区，获得FeSiBCCr合金液滴，合金液滴分布为顶角为60°的伞状。
FeSiBCCr伞状金属雾区进入机械破碎系统中，流经粉碎腔室的顶壁内表面与雾化平面311之间的距离为300mm，高速转盘310与合金液滴发生撞击并将撞击后形成的破碎的合金液滴沿切线方向甩出，然后撞击粉碎室上、下腔体，凝缩成球状后得到较高温度的超细金属颗粒；
高强度铝合金的高速转盘310由频率为500Hz的高速电机650控制，使其转速达到15000rpm并稳定。其中高速电机650与高速转盘310采用锥度刀柄为中间连接机构进行连接；喷头410喷射出的冷却液在雾化平面311上的落点与合金液滴在雾化平面311上的落点之间的圆心角为270°，并提供持续高压、高速的冷却液，对高温金属粉末进行快速冷却，获得金属粉末；最后使用升降装置630打开粉碎腔体，进行粉末收集。
依据以上装备参数和工艺参数制得的FeSiBCCr粉末球形度如图6所示，球形度高、粉末粒径小、分布均匀、粉末表面光滑。粉末粒径大小如表3所示。
表3
由表3可知，当漏孔220的孔径和高速转盘310的转速不变时，惰性气体的气压越大制备出的金属粉末的粒径越小。
实施例4
熔炼室110内氮化硼熔炼坩埚120与氧化铝导流管210采用镁砂粘接，氧化铝导流管210与氮化硼漏孔220采用嵌套配合连接。其中氮化硼漏孔220孔径为1mm，氧化铝导流管210和氮化硼坩埚120口径与之对应，氧化铝导流管210和氮化硼漏孔220设置石墨加热保护套。
将纯铁、块状纯硅、预合金工业硼铁、预合金工业铬碳，Fe、Si、B、C、Cr分别按照质量比为87.8％、6.5％、2.5％、0.7％、2.5％比例进行配料，通过加热熔炼获得1500℃的FeSiBCCr合金熔体后依次通过氧化铝导流管210、氮化硼漏孔220，双层环孔式喷盘喷射4.5MPa高压氩气使合金液滴分散形成伞状雾区，获得FeSiBCCr合金液滴，合金液滴分布为顶角为60°的伞状。
FeSiBCCr伞状金属雾区进入机械破碎系统中，粉碎腔室的顶壁内表面与雾化平面311之间的距离为200mm，高速转盘310与合金液滴发生撞击并将撞击后形成的破碎的合金液滴沿切线方向甩出，然后破碎的合金液滴再次撞击粉碎室上、下腔体，凝缩成球状后得到较高温度的超细金属颗粒；
高强度铝合金的高速转盘310由高速电机650控制，使其转速分别达到7000rpm、9000rpm、11000rpm、13000rpm并稳定；其中高速电机650与高速转盘310采用锥度刀柄为中间连接机构进行连接；喷头410喷射出的冷却液在雾化平面311上的落点与合金液滴在雾化平面311上的落点之间的圆心角为270°，并提供持续高压、高速的冷却液，对金属粉末进行快速冷却，获得金属粉末；最后使用升降装置630打开粉碎腔体，进行粉末收集。
依据以上装备参数和工艺参数制得的FeSiBCCr粉末球形度如图7所示，球形度高、粉末粒径小、分布均匀、粉末表面光滑。粉末粒径大小如表4所示。
表4
由表4可知，当惰性气体的气压和漏220孔的孔径不变时，高速转盘310的转速越大制备出的金属粉末的粒径越小。
图8为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4不同漏孔220孔径、惰性气体的喷射气压、高速转盘310转速条件下制得的金属粉末的粒径尺寸变化曲线图；结合表1-4以及图8可知，在其它条件不变时，漏孔220的孔径越大，制备得到的金属粉末的中值粒径越大；在其他条件不变时，惰性气体的喷射气压越大，制备得到的金属粉末的中值粒径越小；在其它条件不变时，高速转盘310的转速越大，制备得到的金属粉末的中值粒径越小；因此可根据需制备的金属粉末的具体粒径要求合理的选择漏孔220的孔径、惰性气体的喷射气压以及高速转盘310的转速。
Claims (10)
1.一种用于制备金属粉末的设备，其特征在于，包括，
熔炼系统，用于将金属原料熔炼成合金熔体；
雾化系统，用于将从熔炼系统流出的合金熔体雾化成合金液滴；
机械破碎系统，包括粉碎腔室以及设于粉碎腔室内的高速转盘，所述高速转盘用于对降落的合金液滴进行撞击并高速离心分散，高速离心分散的合金液体与粉碎腔室内壁再次撞击形成高温金属粉末；
冷却系统，用于降低高温金属粉末的温度；
收集系统，用于收集降温后的金属粉末。
2.根据权利要求1所述的用于制备金属粉末的设备，其特征在于，所述粉碎腔室顶壁内表面与高速转盘顶面之间的距离为100-500mm。
3.根据权利要求1所述的用于制备金属粉末的设备，其特征在于，所述高速转盘包括圆盘，所述圆盘的一侧面为雾化平面，所述雾化平面相对的另一侧面为带有倾斜面的曲面，所述圆盘的厚度向着靠近圆盘中心的方向增厚；所述圆盘中心通过连接件与设置在高速电机上转轴可拆卸连接。
4.根据权利要求3所述的用于制备金属粉末的设备，其特征在于，所述倾斜面与水平方向上的夹角为10°-90°。
5.根据权利要求3所述的用于制备金属粉末的设备，其特征在于，所述冷却系统包括用于喷射冷却液的若干喷头，若干所述喷头固定在粉碎腔室的顶壁上。
6.根据权利要求1所述的用于制备金属粉末的设备，其特征在于，所述设备还包括真空系统；
所述熔炼系统包括熔炼室，所述熔炼室内设有坩埚，所述坩埚的侧壁上设有用于加热的感应线圈；所述坩埚的出口处设有用于流出合金熔体的导流管和漏孔；
所述真空系统与熔炼室连通，用于为熔炼室抽真空。
7.根据权利要求6所述的用于制备金属粉末的设备，其特征在于，所述雾化系统包括环绕所述漏孔设置的喷盘，所述喷盘与装填有惰性气体的高压气组连通；所述喷盘用于喷射惰性气体以将经漏孔流出的合金熔体雾化成合金液滴；
所述喷盘设有将惰性气体喷出的喷孔，所述喷孔喷射出的惰性气体的方向使合金熔体被雾化成呈伞状分布若干合金液滴。
8.根据权利要求7所述的用于制备金属粉末的设备，其特征在于，所述漏孔的直径为1-10mm，所述喷孔喷射出的惰性气体的气压为2-10MPa；所述喷孔喷射出惰性气体的气压与漏孔直径配合以使合金液滴分布为顶部夹角为15-90°的伞状。
9.根据权利要求1所述的用于制备金属粉末的设备，其特征在于，所述粉碎腔室包括与熔炼系统固定的上腔室、与上腔室嵌套的下腔室；所述下腔室通过升降装置活动固定在底座上；所述升降装置通过控制下腔室的位置控制粉碎腔室与收集系统的连通状况。
10.一种制备金属粉末的方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的用于制备金属粉末的设备，所述方法步骤包括：
利用熔炼系统将配比好的金属熔炼成合金熔体；
利用雾化系统将从熔炼系统流出的合金熔体雾化成合金液滴；利用高速旋转的高速转盘撞击降落在高速转盘上的合金液滴，同时高速转盘将经过撞击的合金液滴高速离心分散，高速离心分散的合金液体与粉碎腔室内壁再次撞击形成高温金属粉末；
高温金属粉末在重力的作用下降落至粉碎腔室的底壁上，在高温金属粉末下降的过程中利用冷却系统对降低高温金属粉末的温度；
利用收集系统收集粉碎腔室底壁上的金属粉末。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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