CN114472885A - 一种金属粉末返回料的循环利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属粉末返回料的循环利用方法，所述金属粉末返回料循环利用方法包括如下步骤：将返回料置于混料机中进行混合，均匀混料成粗粉；采用可挥发高分子材料包套，将粗粉进行包覆，形成粉末包套；将粉末包套置入模腔中，采用200吨压力的压力机，对粉末包套进行模压成型，压制速率为2次/min，返回料被压制成块状；将块状的返回料直接进行熔炼得到成品，无需添加任何母合金或块状散料，实现98%以上的循环利用。所述返回料循环利用方法，可以实现返回料高效循环利用，可不搭配母合金或块状散料，直接进行熔炼，实现超高循环利用率。

Description

一种金属粉末返回料的循环利用方法

技术领域

本发明涉及一种金属粉末返回料的循环利用方法，属于金属粉末制备技术领域。

背景技术

雾化制粉技术是利用高能雾化介质（水、气），将熔融金属液破碎成细小的液滴，并冷却凝固成固态粉末的过程。雾化粉末在传统粉末冶金、注射成型、激光熔覆、增材制造等各个领域具有广泛应用。不同的应用领域所适用的粉末牌号和粒度范围有所区别，如传统粉末冶金领域，一般使用0-75μm的粉末；而在注射成型领域，一般使用0-20μm的粉末；激光熔覆通常使用53-150μm的粉末；增材制造（即3D打印）通常使用15-53μm的粉末。而雾化制粉所得到的通粉一般为0-250μm全粒度段，受限于不同的应用，目标粒度段收得率通常只有20%-50%，因此，如何对目标粒度段以外的返回料，在不影响最终制备粉末性能的前提下，以低成本高效率的方式循环利用，是雾化制粉领域亟待解决的问题之一。

对于一种粉末而言，只要不是目标成品的粒度范围段，其他范围段的都称为返回料。例如对3D打印领域，目标成品是15-53微米，那么0-15和53-250μm都是返回料。但是对于激光熔覆，53-150是成品，那么返回料就是0-53和150-250μm。

目前行业内针对返回料的再利用，现有的方案是返回料与母合金或新配散料进行搭配直接回炉熔炼。

现有方案存在以下缺点：

（1）返回料必须搭配母合金或块状散料才能进行熔炼，导致利用率低，熔炼速度慢：由于返回料是粉末状，磁感应效应很差，无法通过感应加热直接熔化。因此必须搭配至少50%重量比例以上的母合金或块状散料熔炼，令熔炼坩埚中产生熔池后才能熔化粉末，这降低了返回料的利用率，也降低了熔炼的速度和效率；

（2）返回料比表面积大，在熔炼中增氧增氮严重，其中氧氮含量是3D打印粉末最重要的性能指标之一，越低越好。但是由于返回料比表面积大，吸氧吸氮严重，因此熔炼过程中钢液增氧增氮严重，尤其是在非真空熔炼制粉中更为明显；

（3）返回料搭配母合金或块状散料熔炼过程中存在较大安全隐患：在真空熔炼中，返回料熔化速度慢且易结块搭桥，导致熔炼坩埚内物料产生架空现象，使操作人员误判熔炼温度，带来钢液穿炉、爆炸等安全隐患；

综上，开发一种实现高循环利用率、绿色安全、并能改善产品性能的返回料利用方案，具有至关重要的意义。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种金属粉末返回料的循环利用方法，可以实现返回料高效循环利用，可不搭配母合金或块状散料，直接进行熔炼，并且可有效控制粉末的氧氮含量，提高熔炼效率和安全性。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种金属粉末返回料的循环利用方法，所述返回料循环利用方法包括如下步骤：

（1）将返回料置于混料机中进行混合，均匀混料成返回料；

（2）采用可挥发高分子材料包套，将所述返回料进行包覆，形成粉末包套；

（3）将所述粉末包套置入模腔中，采用压力机，对粉末包套进行模压成型，返回料被压制成块状；

（4）将块状的返回料进行熔炼得到成品。

进一步的，所述可挥发高分子材料包套的成分包括聚乙烯、聚氯乙烯、硬脂酸锌和石蜡。

进一步的，按照重量份数计，所述可挥发高分子材料包套的成分包括聚乙烯30-80份，聚氯乙烯50-100份，硬脂酸锌0.5-2份，石蜡0.5-2份。

进一步的，所述可挥发高分子材料包套的制备过程为：将聚乙烯、聚氯乙烯、硬脂酸锌和石蜡加入高速混合机中，升温，混料均匀；将高速混合机内混合均匀的物料转至密炼机中进行密炼；密炼后的物料送入挤出机中进行挤出操作；挤出后的物料通过压延机的压延、拉伸、冷却，得到所述的可挥发高分子材料包套。

进一步的，所述聚乙烯、聚氯乙烯、硬脂酸锌和石蜡在所述高速混合机中升温至60-85℃，混料时间为10-15min；所述密炼机中的温度为120-160℃，密炼时间为10-30min；所述挤出机的温度为150-170℃，所述压延机的辊筒温度为155-175℃。

进一步的，步骤（1）中，所述混料机的转速为3-10转/分，均匀混料的时间为0.5-4小时。

进一步的，所述可挥发高分子材料包套的厚度为0.1-1mm，所述可挥发高分子材料包套在粉末包套的质量占比小于1%。

进一步的，所述可挥发高分子材料包套的厚度为0.3mm，所述可挥发高分子材料包套在粉末包套的质量占比小于0.1%。

进一步的，步骤（3）中，将粉末包套置入模腔中，采用200吨压力的压力机，对粉末包套进行模压成型，压制速率为2次/min，所述返回料被压制成块状圆柱体、块状长方体或中空厚壁状。

进一步的，步骤（3）中，所述模腔的直径为30-100mm，所述模腔的高度为30-100mm，所述返回料被压制成块状圆柱体。

本发明的有益效果是：

1、返回料压块后可不搭配母合金或块状散料，直接进行熔炼，实现98%以上的循环利用，循环利用率极高，由于返回料压块后强度密度较高，致密度均在85%左右，因此磁感应效应比与粉末状的大大增强，可直接进行熔炼；

2、采用可挥发高分子材料包套包覆粗粉后进行干法压制，保护模具、便于压制脱模的同时，不会带入水分，也不会带入其他任何杂质，避免对最终粉末产品成分造成污染：传统的模压法一般采用湿法压制，并且需要掺杂粘结剂，与粉末均匀混合后进行压制，而本专利的方法，直接在干燥状态下即可压制粉末，避免带入水分；另一方面，可挥发高分子材料包套覆盖在粉末压块外围，在压制和脱模过程中对模具起润滑和保护作用，也可以避免粉末在压制变形时钻入压杆和模腔的内壁缝隙，造成脱模困难和磨具拉伤；同时，可挥发高分子材料包套在熔炼过程中，受热到100-200℃即可完全挥发，不会对粉末成分造成污染；

3、返回料压制成块后熔炼，比返回料搭配母合金或块状散料熔炼，最终粉末产品的氧氮含量降低50%以上。同时，返回料压块后，熔炼速度更快且无架桥等安全隐患，200kg投炉的单炉熔炼时间，由2.8-3.5小时降低至2.2-2.5小时，这是由于压块单重大、致密度高，相对于松散的粉末而言，磁感应效应更强，因此加热升温速度更快，从而提高了熔炼效率和安全性。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1-8

可挥发高分子材料包套的制备实施例：

实施例1-8按照如下表1配方情况制备可挥发高分子材料包套：

实施例1-8可挥发高分子材料包套的具体制备工艺为：

按照表1的配方情况，将各原料物质加入高速混合机中，升温至75℃，混料时间为12min，混料均匀；将高速混合机内混合均匀的物料转至密炼机中进行密炼，所述密炼机中的温度为140℃，密炼时间为25min；密炼后的物料送入挤出机中进行挤出操作，所述挤出机的温度为160℃；挤出后的物料通过压延机的压延、拉伸、冷却，所述压延机的辊筒温度为170℃，压延和拉伸过程中测定薄膜厚度直到达到表1中各实施例中所需的厚度，最终得到所述的可挥发高分子材料包套。

将实施例1-8中获得的可挥发高分子材料包套，对不同应用领域的粉末，进行如下应用实施例：

一、以增材制造领域常用的高温合金粉GH3536为例：在增材制造领域，应用的粉末粒度段为15-53μm，但是该粒度段的粉末收得率只有35%左右，0-15μm和53-250μm粒度段的返回料粉末占比高达65%难以利用，现采用本专利的方法，以GH3536的返回料为例进行如下实施例的说明：

实施例9

采用本申请技术方案进行GH3536返回料的循环利用，具体方法如下：

（1）将0-15微米及53-250微米的GH3536返回料放入混料机中，混料机以8转/分的转速，混合3小时，均匀混料成粗粉；

（2）采用实施例1的可挥发高分子材料包套（成分为：聚乙烯、聚氯乙烯、硬脂酸锌、石蜡），将粗粉进行包覆，形成粉末包套，挥发高分子材料包套质量占比小于0.1%；

（3）将粉末包套置入直径φ50，高度50mm的模腔中，采用200吨压力的压力机，对粉末包套进行模压成型，压制速率为2次/min；将返回料压制成块状圆柱体；

（4）将返回料块状圆柱体直接进行熔炼得到成品。

实施例10

采用实施例9相同的方法进行GH3536返回料的循环利用，区别在于将“实施例1的可挥发高分子材料包套”换成“实施例2的可挥发高分子材料包套”。

实施例11

采用实施例9相同的方法进行GH3536返回料的循环利用，区别在于将“实施例1的可挥发高分子材料包套”换成“实施例3的可挥发高分子材料包套”。

实施例12

采用实施例9相同的方法进行GH3536返回料的循环利用，区别在于将“实施例1的可挥发高分子材料包套”换成“实施例4的可挥发高分子材料包套”。

实施例13

采用实施例9相同的方法进行GH3536返回料的循环利用，区别在于将“实施例1的可挥发高分子材料包套”换成“实施例5的可挥发高分子材料包套”。

实施例14

采用实施例9相同的方法进行GH3536返回料的循环利用，区别在于将“实施例1的可挥发高分子材料包套”换成“实施例6的可挥发高分子材料包套”。

实施例15

采用实施例9相同的方法进行GH3536返回料的循环利用，区别在于将“实施例1的可挥发高分子材料包套”换成“实施例7的可挥发高分子材料包套”。

实施例16

采用实施例9相同的方法进行GH3536返回料的循环利用，区别在于将“实施例1的可挥发高分子材料包套”换成“实施例8的可挥发高分子材料包套”。

对比例1

以高温合金粉GH3536为例，返回料不压块时进行熔炼，搭配55%的母合金进行熔炼才能得到可循环利用的成品。

对比例2

以GH3536返回料为例，采用传统的模压法进行压制时，不使用可挥发高分子材料包套，粗粉中掺杂3%的粘结剂进行湿法压制，压制过程中，不可避免地在压块中带入水分，导致熔炼时，需先缓慢预热以烘干水分，从而增加了熔炼时间，降低了熔炼效率，也给熔炼过程带来安全隐患；同时，压制时模腔内粉末由于受到压杆挤压，产生位移及形变，粉末易嵌入模腔与压杆的缝隙中，导致脱模困难，压制238次后就造成压杆及模腔内壁拉伤，压制过程连续性较差且造成模具使用寿命下降。

将实施例9-16、对比例1-2的返回料循环利用成品进行熔炼，检测数据如下表2：

通过表2数据可以得出如下结论：

实施例9-13中采用本发明技术所述的可挥发高分子材料包套包覆粗粉后，受益于粗粉和模腔的隔离保护，以及可挥发高分子材料包套的润滑作用，压力机可连续顺利压制5000次以上，压杆及模腔内壁不会受到损坏，无需添加任何母合金或块状散料，实现98%以上的循环利用，如果操作过程中无外撒，则可以实现100%的完全循环利用，循环利用率极高。另外，通过实施例9-16和对比例1可以看出，返回料压制成块后熔炼，成品氧含量为40-80ppm、氮含量为30-70ppm；但是返回料搭配母合金熔炼，成品氧含量为171ppm，氮含量为158ppm。由此可以看出，返回料压制成块后熔炼比直接添加粉末搭配母合金熔炼氧氮含量降低50%以上。同时，从熔炼时间来看，返回料压块后，熔炼速度更快，200kg投炉的单炉熔炼时间，由2.9-3.5小时降低至2.2-2.5小时，提高了熔炼效率和安全性。

另外通过实施例6-8和实施例14-16可以看出，当可挥发高分子材料包套中不含有硬脂酸锌、石蜡时，压制效果明显下降，压力机不能实现连续压制5000次以上，压杆的摩擦力增大，可挥发高分子材料包套易受损，导致脱模困难，循环利用率也降低。

实验过程中还通过空白例发现：如果不进行压块操作，也不搭配母合金，将GH3536返回料直接熔炼时，返回料不能熔化，导致无法实现循环利用的需求。

对GH3536返回料采用传统的模压法进行压制时，不使用可挥发高分子材料包套，则粗粉中需掺杂1%-5%的粘结剂进行湿法压制，压制过程中，不可避免地在压块中带入水分。由于这些水分的存在，熔炼过程中必须缓慢预热以烘干水分，导致延长了熔炼时间，降低了熔炼效率，也给熔炼过程带来安全隐患；同时，压制时模腔内粉末由于受到压杆挤压，产生位移及形变，粉末易嵌入模腔与压杆的缝隙中，导致脱模困难，压制上百次就造成压杆及模腔内壁拉伤，压制过程连续性较差且造成模具使用寿命下降。

二、以激光熔覆领域常用材料Ni15为例：在激光熔覆领域，应用的粉末粒度段为53-150μm，但是该粒度段的粉末收得率只有40%左右，0-53μm和150-250μm粒度段的返回料粉末占比高达60%难以利用，现采用本专利的方法，将，0-53μm和150-250μm粒度段返回料混匀后压块熔炼制粉，具体为如下实施例17：

实施例17

采用实施例9相同的方法进行Ni15返回料的循环利用，区别在于将实施例9的“0-15微米及53-250微米的GH3536返回料”换成“0-53μm和150-250μm的Ni15返回料”。

对比例3

以实施例17中Ni15返回料为例，Ni15返回料不压块时进行熔炼，搭配55%的块状散料进行熔炼得到可循环利用的成品。

将实施例17、对比例3的返回料循环利用成品进行熔炼，检测数据如下表3：

三、以注射成型领域常用材料F75为例：在注射成型领域，应用的粉末粒度段为0-25μm，但是该粒度段的粉末收得率只有30%左右，25-250μm粒度段的返回料粉末占比高达70%难以利用，现采用本专利的方法，将25-250μm粒度段返回料混匀后压块熔炼制粉，具体为如下实施例18：

实施例18

采用实施例9相同的方法进行F75返回料的循环利用，区别在于将实施例9的“0-15微米及53-250微米的GH3536返回料”换成“25-250μm的F75返回料”。

对比例4

以实施例18中F75返回料为例，F75返回料不压块时进行熔炼，搭配55%的块状散料进行熔炼得到可循环利用的成品。

将实施例18、对比例4的返回料循环利用成品进行熔炼，检测数据如下表4：

通过以上实施例的数据可以明确得出，采用本发明技术方案对返回料进行处理，可以实现金属粉末返回料的循环利用。本发明所述的方法适用于不同领域的金属粉末，例如增材制造、注射成型、激光熔覆等，但不仅仅局限于这几种领域。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种金属粉末返回料循环利用方法，其特征在于，所述返回料循环利用方法包括如下步骤：

（1）将返回料置于混料机中进行混合，均匀混料成粗粉；

（2）采用可挥发高分子材料包套，将所述粗粉进行包覆，形成粉末包套；

（3）将所述粉末包套置入模腔中，采用压力机，对粉末包套进行模压成型，返回料被压制成块状；

（4）将块状的返回料进行熔炼得到成品。

2.根据权利要求1所述的一种金属粉末返回料循环利用方法，其特征在于，所述可挥发高分子材料包套的成分包括聚乙烯、聚氯乙烯、硬脂酸锌和石蜡。

3.根据权利要求2所述的一种金属粉末返回料循环利用方法，其特征在于，按照重量份数计，所述可挥发高分子材料包套的成分包括聚乙烯30-80份，聚氯乙烯50-100份，硬脂酸锌0.5-2份，石蜡0.5-2份。

4.根据权利要求2或3所述的一种金属粉末返回料循环利用方法，其特征在于，所述可挥发高分子材料包套的制备过程为：将聚乙烯、聚氯乙烯、硬脂酸锌和石蜡加入高速混合机中，升温，混料均匀；将高速混合机内混合均匀的物料转至密炼机中进行密炼；密炼后的物料送入挤出机中进行挤出操作；挤出后的物料通过压延机的压延、拉伸、冷却，得到所述的可挥发高分子材料包套。

5.根据权利要求4所述的一种金属粉末返回料循环利用方法，其特征在于，所述聚乙烯、聚氯乙烯、硬脂酸锌和石蜡在所述高速混合机中升温至60-85℃，混料时间为10-15min；所述密炼机中的温度为120-160℃，密炼时间为10-30min；所述挤出机的温度为150-170℃，所述压延机的辊筒温度为155-175℃。

6.根据权利要求1所述的一种金属粉末返回料循环利用方法，其特征在于，步骤（1）中，所述混料机的转速为3-10转/分，均匀混料的时间为0.5-4小时。

7.根据权利要求1所述的一种金属粉末返回料循环利用方法，其特征在于，所述可挥发高分子材料包套的厚度为0.1-1mm，所述可挥发高分子材料包套在粉末包套的质量占比小于1%。

8.根据权利要求7所述的一种金属粉末返回料循环利用方法，其特征在于，所述可挥发高分子材料包套的厚度为0.3mm，所述可挥发高分子材料包套在粉末包套的质量占比小于0.1%。

9.根据权利要求1所述的一种金属粉末返回料循环利用方法，其特征在于，步骤（3）中，将粉末包套置入模腔中，采用200吨压力的压力机，对粉末包套进行模压成型，压制速率为2次/min，所述返回料被压制成块状圆柱体、块状长方体或中空厚壁状。

10.根据权利要求9所述的一种金属粉末返回料循环利用方法，其特征在于，步骤（3）中，所述模腔的直径为30-100mm，所述模腔的高度为30-100mm，所述返回料被压制成块状圆柱体。