鋅鋁合金多級制粉裝置的設(shè)計及制備工藝研究

鋅鋁合金多級制粉裝置的設(shè)計及制備工藝研究

白云亮, 嚴(yán)鵬飛, 嚴(yán)彪

(同濟大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 上海市金屬功能材料重點實驗室, 上海201804)

摘要：在霧化法和離心法制備金屬粉技術(shù)的基礎(chǔ)之上,設(shè)計了一種新型的多級細化制備金屬粉末的裝置用于Zn-5Al合金粉末的制備.通過改變一級細化過程中的噴嘴壓力和二級細化過程中高速轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速,發(fā)現(xiàn) Zn-5Al合金的產(chǎn)粉率隨著噴嘴壓力的增加有增大趨勢,隨著高速轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速提高有增大趨勢,粉末形狀大部分為非球形.

關(guān)鍵詞：鋅鋁合金; 金屬粉末; 產(chǎn)粉率; 裝置設(shè)計; 工藝研究

收稿日期：2015-01-05

作者簡介：白云亮(1985—),男,碩士研究生,主要從事超細金屬粉末裝置設(shè)計及工藝探索方面的研究. E-mail:BYL4515910@163.com

通訊作者：嚴(yán)彪(1961—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事金屬材料表面處理等方面的研究.E-mail:84016@#edu.cn

中圖分類號：TG 146.4文獻標(biāo)志碼： A

Study on the Device Design and Craft of Zinc-aluminum Alloy Fine Metal Powder PreparationBAI Yunliang, YAN Pengfei, YAN Biao

(Shanghai Key Lab. of D & A for Metal-Functional Materials, School of Materials Science

and Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：The device design and craft of zinc-aluminum alloyfine metal powder preparation was studied based on the method of atomization and centrifugation.The production rate of Zn-5Al alloy powder had a tendency that increase with the of nozzle pressure in the level one of refinement process and with the increase high-speed rotary speed in the level twoof refinement process.

Keywords：Zn-Al alloy; metal powder; production rate; device design; craft

0　引　言

無論是傳統(tǒng)的粉末冶金行業(yè),還是新興的金屬注射成型技術(shù)[1-4],又或者是未來非常有發(fā)展前景并被業(yè)內(nèi)人士稱之為“第三次工業(yè)革命”的3D打印的增材制造技術(shù)[5-7],在制備金屬制品方面,其原材料均為金屬粉末.所以能否制取一定力學(xué)性能和其他特殊性能的制品,主要取決于金屬粉末的性能,而制品的成本也主要取決于粉末的成本.目前制備金屬粉末的方法很多,但都有各自的優(yōu)缺點.常用的有霧化法制粉和離心法制粉.

霧化法制粉是只將霧化介質(zhì)加速成為高速運動的介質(zhì)流,利用此介質(zhì)流將熔融的金屬擊碎成為細小顆粒的一種常用的制粉方法.此種方法雖能制備出符合要求的金屬粉末,但其在制粉過程中能量轉(zhuǎn)化率低,且粉末容易團聚,還需進行后續(xù)處理.離心法制粉是指金屬液經(jīng)導(dǎo)液管連續(xù)地流在高速旋轉(zhuǎn)盤的中心上,在離心力的作用下,熔體逐漸向四周鋪展.隨著熔體的不斷擴大,處在最外層的熔體所受的離心力越來越大,當(dāng)離心力能克服液體表面張力時,熔體破碎成小液滴,快速濺射飛離軸心,在保護氣氛中收縮、球化,凝固成粉末顆粒.此種制粉方法雖然能夠連續(xù)地生產(chǎn)金屬粉末,但在粉末粒徑方面很難直接制備出足夠細小的金屬粉末.本文結(jié)合霧化法和離心法的優(yōu)點研發(fā)了一種新型多級細化制粉方法.

1　金屬粉末制備裝置的設(shè)計

1.1制粉工藝流程

本試驗裝置的設(shè)計主要是在氣霧化法制粉[8-10]和離心法制粉的原理之上而展開的一種新型的制粉方法.制粉的主要流程如圖1所示.

圖1　超細金屬粉末制粉工藝流程

制粉步驟如下:

(1) 根據(jù)最終所需粉末要求進行母合金的配比,在熔煉爐中進行熔煉,使用相應(yīng)模具將熔融金屬液澆筑成下一工序所需坯料的形狀及大小;(2) 在超音頻線圈感應(yīng)加熱下,將熔煉好的母合金坯料在特制的石英坩堝中熔融到指定的程度;(3) 在惰性氣體的吹壓下,將熔融的合金噴射到特制的噴嘴中;(4) 高壓N2經(jīng)過特制的噴嘴將熔融的金屬液流擊碎,進行第一次金屬細化;(5) 經(jīng)一次細化的處于液態(tài)或半液態(tài)的金屬液體在高速旋轉(zhuǎn)盤的甩動下進行第二次金屬細化;(6) 粉末的收集及篩分.

1.2制粉裝置工作原理

圖2是金屬粉末的制粉原理示意圖.由圖2中可以看出,熔融的金屬溶液在氣壓的作用下通過直徑A的小孔,經(jīng)過距離B后進入噴嘴.在噴嘴壓力為P的高壓氣體作用下,將熔融的金屬液流擊碎以完成第一次細化粉末,經(jīng)首次細化的金屬液體在封閉的腔內(nèi)飛經(jīng)距離C落到轉(zhuǎn)速為R的高速轉(zhuǎn)盤上來完成第二次金屬細化,最終制得金屬粉末.

在上述過程中有很多參數(shù)變量會影響到最終的粉末形貌及粒徑分布.本試驗的主要實施方案是通過控制變量的方法經(jīng)多次反復(fù)試驗最終尋找到一條較佳的制粉工藝路線.本試驗中主要控制和調(diào)節(jié)的變量參數(shù)為:

圖2　金屬粉末制粉原理示意圖

(1) 特制噴嘴的進氣壓力P(0.5～2 MPa);(2) 高速甩盤的轉(zhuǎn)速R(4 000～7 000 r/min);(3) 進入噴嘴的熔融金屬液流直徑A(1～2 mm);(4) 一次細化后金屬粉末的飛行垂直距離C(150～300 mm);(5) 熔融金屬離開加熱裝置后進入噴嘴前的距離B(30～50 mm).

2　金屬粉末制備裝置的工藝研究

2.1試驗方法

本試驗主要使用控制變量的方法對上述的P、R、A、C和B5個參數(shù)進行了10組試驗,代號為1～10.經(jīng)前期的設(shè)備調(diào)試和試驗結(jié)果得知,A、B、C3個參數(shù)的變化將會影響到整個試驗的成敗,而對制備的金屬粉末的粒徑和粒徑分布影響不大.不同的原材料也需要不同的A、B、C值,本試驗采用的原材料為Zn-5Al,當(dāng)A=1.5 mm、B=40 mm、C=260 mm時,試驗效果最好.所以本試驗重點研究了噴嘴的進氣壓力P和高速轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速度R對Zn-5Al粉末粒徑、粒徑分布及形貌的影響,并且在SU1510型掃描電子顯微鏡(SEM)下進行了觀察.試驗方案見表1.

表1　噴嘴壓力 P和甩盤速度 R對Zn-5Al粉末粒徑及粒徑分布影響的試驗方案

2.2試驗結(jié)果分析

2.2.1噴嘴壓力P對粉末粒徑分布的影響

1～5組試驗主要探究了此裝置中噴嘴壓力對產(chǎn)粉率的影響.如圖3所示,隨著噴嘴壓力的增大,Zn-5Al的各個粒徑范圍的產(chǎn)粉率呈現(xiàn)出上升趨勢,尤其是50 μm以下的金屬粉末.當(dāng)噴嘴壓力P>0.6 MPa時,產(chǎn)粉率上升非常明顯.本試驗采用的是非限制性噴嘴結(jié)構(gòu),所以當(dāng)噴嘴壓力太高時就會出現(xiàn)金屬液反噴現(xiàn)象.當(dāng)噴嘴壓力增至1.2 MPa時,從本裝置的石英坩堝中出來的金屬液出現(xiàn)反噴現(xiàn)象,幾乎沒有收集到金屬粉末.所以如何解決金屬液反噴問題將會是本裝置下一步改進的重點之一.

2.2.2旋轉(zhuǎn)速度R對粉末粒徑分布的影響

上述的1～5組試驗已經(jīng)證實,此裝置在噴嘴壓力P=1時制粉效果相對最好.所以在6～10組的探究轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速R對粉末粒徑的影響試驗中,將噴嘴壓力設(shè)置為1 MPa.如圖4所示,隨著高速甩盤轉(zhuǎn)速R的增加,各個粒徑范圍的產(chǎn)粉率總體也呈現(xiàn)出上升趨勢.粒徑為50 μm

2.2.3SEM下金屬粉末的形貌

圖3　噴嘴壓力對不同粒徑粉末產(chǎn)粉率的影響

圖4　甩盤轉(zhuǎn)速對不同粒徑粉末產(chǎn)粉率的影響

圖5為6～10組試驗中相應(yīng)的SEM圖.從圖中可以看出,粉末的形貌主要以不規(guī)則的非球形為主,而且隨著轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速增加,細粉顆粒比例有增大趨勢.從圖6及表2的統(tǒng)計中可以看出,不規(guī)則形狀占整體的70%左右,d≤10 μm粉末占總體30%左右.

圖5　SEM下粉末形貌

粒徑及形狀/μmd<1010

3　結(jié)　論

通過制粉裝置的設(shè)計制造及工藝參數(shù)的調(diào)試得出以下結(jié)論:

(1) 超細金屬粉的產(chǎn)粉率隨著噴嘴壓力的增加有增大趨勢,隨著高速轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的提高有先增后減的趨勢.

(2) 使用此裝置制備d≤50 μm的金屬粉末,使用參數(shù)為A=1.5 mm、B=40 mm、C=260 mm、P=1 MPa、R=6 500 r/min.

(3) 使用此裝置制備50 μm

參考文獻:

[1]Theilgaard N.Effects of particle size distribution on the properties and processing of ceramics by injection moulding[J].Key Engineering Materials,1991,53-55:394-401.

[2]German R M.Importance of particle characteristics in powder injection molding[J].Reviews in Particulate Materials,1993,1:109-160.

[3]Qu X H,Gao J X,Qin M L,etal.Application of a wax-based binder in PIM of WC-TiC-Co cemented carbides[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2005,23(4-6):273-277.

[4]李滌塵,賀健康,田小永,等.增材制造:實現(xiàn)宏微結(jié)構(gòu)一體化制造[J].機械工程學(xué)報,2013,49(6):129-135.

[5]喬益民,王家民.3D打印技術(shù)在包裝容器成型中的應(yīng)用[J].包裝工程,2012,33(22):68-72.

[6]王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2012(26):3-5.

[7]Rota A,Imgrund P,Petzoldt F.Fine powders give micro producers the cutting edge[J].Metal Powder Report,2004,59(2):14-17.

[8]Dowson A R.Atomization dominates powder production[J].Metal Power Report,1999,54(1):15-17.

[9]貝多(Beddow J K).霧化法生產(chǎn)金屬粉末[M].胡云秀,曹勇家譯.北京:冶金工業(yè)出版社,1985.

[10]German R M.Powder metallurgy science[D].Princeton,NJ:Metal Powder Industries Federation,1984.Effects of particle size distribution on the properties and processing of ceramics by injection moulding[J].Key Engineering Materials,1991,53-55:394-401.

[2]German R M.Importance of particle characteristics in powder injection molding[J].Reviews in Particulate Materials,1993,1:109-160.

[3]Qu X H,Gao J X,Qin M L,etal.Application of a wax-based binder in PIM of WC-TiC-Co cemented carbides[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2005,23(4-6):273-277.

[4]李滌塵,賀健康,田小永,等.增材制造:實現(xiàn)宏微結(jié)構(gòu)一體化制造[J].機械工程學(xué)報,2013,49(6):129-135.

[5]喬益民,王家民.3D打印技術(shù)在包裝容器成型中的應(yīng)用[J].包裝工程,2012,33(22):68-72.

[6]王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2012(26):3-5.

[7]Rota A,Imgrund P,Petzoldt F.Fine powders give micro producers the cutting edge[J].Metal Powder Report,2004,59(2):14-17.

[8]Dowson A R.Atomization dominates powder production[J].Metal Power Report,1999,54(1):15-17.

[9]貝多(Beddow J K).霧化法生產(chǎn)金屬粉末[M].胡云秀,曹勇家譯.北京:冶金工業(yè)出版社,1985.

[10]German R M.Powder metallurgy science[D].Princeton,NJ:Metal Powder Industries Federation,1984.