粉末的制備-物理法

2.1霧化法霧化法屬于機械制粉法，是直接擊碎液體金屬或合金而制得粉末的方法，應(yīng)用較廣泛，生產(chǎn)規(guī)模僅次于還原法。霧化法（噴霧法）可以制取鉛、錫、鋁、鋅、銅、鎳、鐵等金屬粉末制取黃銅、青銅、合金鋼、高速鋼、不銹鋼等預(yù)合金粉末霧化法二流霧化法氣體霧化水霧化離心霧化法旋轉(zhuǎn)圓盤霧化旋轉(zhuǎn)電極霧化旋轉(zhuǎn)坩堝霧化其他霧化法油霧化轉(zhuǎn)輥霧化真空霧化2.1.1二流霧化法

二流霧化法是用高速氣流或高壓水擊碎金屬液流的，而機械粉碎法是借機械作用破壞固體金屬原子間的結(jié)合，所以霧化法只要克服液體金屬原子間的鍵合力就能使之分散成粉末，因而霧化過程所需消耗的外力比機械粉碎法小得多。從能量消耗這一點來說，霧化法是一種簡便的經(jīng)濟(jì)的粉末生產(chǎn)方法。1.霧化過程原理根據(jù)的方式不同，霧化具有多種形式：霧化法霧化介質(zhì)（氣體、水）對金屬液流作用平行噴射垂直噴射互成角度的噴射V型噴射錐型噴射旋渦環(huán)形噴射

平行噴射示意圖氣流噴嘴金屬液流

垂直噴射示意圖氣流金屬液流

V型噴射示意圖

金屬液流

錐形噴射示意圖噴孔

旋渦環(huán)形噴射目前從定量方面研究金屬液流霧化機構(gòu)還很不夠，現(xiàn)以氣體霧化為例說明其一般規(guī)律。金屬液流霧化過程1.金屬液流在氣流作用下分為四個區(qū)域：（1）負(fù)壓紊流區(qū)（Ⅰ）由于氣流的抽氣作用，在噴嘴中心孔下方形成負(fù)壓紊流層，金屬液流受到氣流波的振動，以不穩(wěn)定的波浪狀向下流，分散成許多細(xì)纖維束，并在表面張力作用下有自動收縮成液滴的趨勢。形成纖維束的地方離出口的距離取決于金屬液流的速度，金屬液流速度愈大，離形成纖維束的距離就愈短。

（2）原始液滴形成區(qū)（Ⅱ）在氣流的沖刷下，從金屬液流柱或纖維束的表面不斷分裂出許多液滴。（3）有效霧化區(qū)（Ⅲ）由于氣流能量集中于焦點，對原始液滴產(chǎn)生強烈擊碎作用，使其分散成細(xì)的液滴顆粒。（4）冷卻凝固區(qū)（Ⅳ）形成的液滴顆粒分散開，并最終凝結(jié)成粉末顆粒。

2.噴嘴結(jié)構(gòu)噴嘴是霧化裝置中使霧化介質(zhì)獲得高能量、高速度的部件，也是對霧化效率和霧化過程穩(wěn)定性起重要作用的關(guān)鍵性部件。好的噴嘴設(shè)計要滿足以下要求1）能使霧化介質(zhì)獲得盡可能大的出口速度和所需要的能量。2）能保證霧化介質(zhì)與金屬液流之間形成最合理的噴射角度。3）使金屬液流產(chǎn)生最大的紊流。4）工作穩(wěn)定性好，噴嘴不易堵塞。5）加工制造簡單。噴嘴結(jié)構(gòu)基本上可分為兩類（1）自由降落式噴嘴金屬液流在從容器（漏包）出口到與霧化介質(zhì)相遇點之間無約束地自由降落。所有水霧化的噴嘴和多數(shù)氣體霧化的噴嘴都采用這種形式。自由降落式噴嘴示意圖氣流與金屬液流間的交角噴口與金屬液流軸線間的距離（2）限制式噴嘴金屬液流在噴嘴出口處即被破碎。這種形式的噴嘴傳遞氣體到金屬的能量最大，主要用于鋁、鋅等低熔點金屬的霧化。限制式噴嘴示意圖漏嘴突出噴嘴部分噴射寬度為了減少和防止堵塞現(xiàn)象，設(shè)計噴嘴時，可考慮采取以下措施：（1）減小噴射頂角或氣流與金屬液流間的交角。因減小氣流與金屬液流間的交角可使霧化焦點下移，減低了液滴濺到噴口的可能性。（2）增加噴口與金屬液流軸線間的距離。增加噴口與金屬液流軸線間的距離可提高霧化過程的穩(wěn)定性。（4）金屬液流漏嘴伸長超出噴口水平面外。此時，粉末會粗一些。（3）環(huán)縫寬度不能過小。d≥0.5mm(5)增加輔助風(fēng)孔和二次風(fēng)。采用輔助風(fēng)孔和二次風(fēng)的環(huán)縫噴嘴結(jié)構(gòu)。四個或八個輔助風(fēng)孔將一部分氣流引向順著中心的孔壁向下形成二次風(fēng)，這樣可維持噴口附近氣壓平衡，從而盡可能不使金屬液滴返回風(fēng)口。進(jìn)風(fēng)管噴嘴體內(nèi)環(huán)導(dǎo)向管二次風(fēng)環(huán)輔助風(fēng)口3.影響霧化粉末性能的因素1）霧化介質(zhì)（1）霧化介質(zhì)類別的影響

霧化介質(zhì)分為氣體和液體兩類。氣體可用空氣和惰性氣體:氮、氬等，液體主要用水。在霧化過程中氧化不嚴(yán)重或霧化后經(jīng)還原處理可脫氧的金屬（銅、鐵和碳鋼等）一般可選擇空氣作霧化介質(zhì)。采用惰性氣體霧化可以減少金屬液的氧化和氣體溶解。

用水作霧化介質(zhì)，與氣體比較有以下的特點：（a）由于水的熱容比氣體大得多，對金屬液滴的冷卻能力強。因此，用水作霧化介質(zhì)時，粉末多為不規(guī)則形狀，同時，隨著霧化壓力的提高，不規(guī)則形狀的顆粒愈多，顆粒的晶粒結(jié)構(gòu)愈細(xì)。相反，氣體霧化易得球形粉末。（b）由于金屬液滴冷卻速度快，粉末表面氧化大大減少。所以，鐵、低碳鋼、合金鋼多用水霧化制粉。雖然在水中添加某些防腐劑可以減少粉末的氧化，但目前水霧化法還不適于活性很大的金屬與合金、超合金等。(2)氣體或水的壓力的影響實踐證明，氣體壓力愈高，所得粉末愈細(xì)?？諝鈮毫F化鐵粉粒度組成的影響

液體金屬溫度1300°C，漏嘴直徑6mm：噴嘴環(huán)縫寬1.3mm

水壓對霧化青銅粉粒度組成的影響液體金屬溫度1050°C2）金屬液流在其他條件不變時，金屬液的表面張力愈大，粉末成球形的愈多，粉末粒度也較粗；相反，金屬液的表面張力小時，液滴易變形，所得粉末多呈不規(guī)則形狀，粒度也減小。(1)金屬液的表面張力和粘度的影響a)所有金屬，除銅、鎘外，其表面張力都是隨溫度升高而降低的。b)氧、氮、碳、硫、磷等活性元素大大降低液體金屬的表面張力。液體金屬的表面張力受加熱溫度和化學(xué)成分的影響：

1).金屬液流的粘度隨溫度升高而減??；2).金屬液強烈氧化時，粘度大大提高；3).金屬中含有硅、鋁等元素也使粘度增加；4).合金熔體的粘度隨成分變化的規(guī)律是：固態(tài)或液態(tài)下都互溶的二元合金，其粘度介于兩種金屬之間；液態(tài)合金在有穩(wěn)定化合物存在的成分下粘度最大；共晶成分的液態(tài)合金的粘度最小。液體金屬粘度也受溫度和化學(xué)成分的影響：在霧化壓力和噴嘴相同時，金屬液過熱溫度愈高，細(xì)粉末產(chǎn)出率愈高，愈容易得球形粉末。(2)金屬液過熱溫度的影響金屬熔體的粘度和表面張力，隨著溫度的降低總是增加的，因而影響粉末粒度和形狀。粘度愈低，愈容易霧化得到細(xì)的粉末。溫度高的液滴冷凝過程長，表面張力收縮液滴表面的作用時間也長，故容易得到球形粉末。特別是水霧化時，增加過熱溫度，總是增加球狀粉末的。

生產(chǎn)上按金屬與合金的熔點選擇過熱溫度:低熔點金屬（如錫、鉛、鋅等）為50～100°C銅合金為100～150°C鐵及合金鋼為150～200°C金屬液不同過熱溫度對鐵粒粒度組成的影響1570°C1650°C1720°C

(3)金屬液流股直徑的影響

當(dāng)霧化壓力與其他工藝參數(shù)不變時，金屬液流股直徑愈細(xì)所得細(xì)粉末也愈多。金屬液流股直徑對細(xì)粉產(chǎn)出率的影響生鐵鐵鐵鋁合金

1).降低霧化粉末生產(chǎn)率;金屬液流股直徑太小還會引起：3).金屬液流過冷，反而不易得到細(xì)粉末，或者難以得到球形粉末。2).容易堵塞漏嘴;3）其他工藝因素

(1)噴射參數(shù)的影響

金屬液流長度（金屬液流從出口到霧化焦點的距離）短、噴射長度（氣流從噴口到霧化焦點的距離）短、噴射頂角適當(dāng)都能更充分地利用氣流的動能，從而有利于霧化得到細(xì)顆粒粉末。

液滴飛行路程（從霧化焦點到冷卻水面的距離）較長，有利于形成球形顆粒，粉末也較粗。這是因為在緩慢冷卻過程中，表面張力充分作用于液滴使之聚成球形；同時，由于冷卻慢，在途中顆粒互相粘結(jié)，因而粗粉多。(2)聚粉裝置參數(shù)的影響用水作冷卻介質(zhì)對噴制熔點高的鐵粉、鋼粉等是必要的。熔點不高的銅、銅合金與低熔點金屬錫、鉛、鋅、鋁等，常在空氣中冷卻或采用水冷夾套的聚粉裝置。4.氣體和水霧化法的工藝（1）氣體霧化法制取銅和銅合金粉工藝（2）氣體霧化法制取鐵粉工藝

（3）水霧化法制取鐵粉和合金鋼粉的工藝

請大家課后自己學(xué)習(xí)！

2.1.2離心霧化法離心霧化法利用機械旋轉(zhuǎn)的離心力將金屬液流擊碎成細(xì)的液滴，然后冷卻凝結(jié)成粉末旋轉(zhuǎn)電極霧化旋轉(zhuǎn)坩堝霧化旋轉(zhuǎn)圓盤霧化旋轉(zhuǎn)水流霧化進(jìn)氣管漏包漏嘴金屬液流水流環(huán)形噴射器霧化室進(jìn)水口旋轉(zhuǎn)水流霧化裝置示意圖旋轉(zhuǎn)電極霧化裝置示意圖電動機選料器粉末收集室固定鎢絲旋轉(zhuǎn)自耗電極惰性氣體入口旋轉(zhuǎn)坩堝霧化裝置示意圖電極霧化半徑霧化緣旋轉(zhuǎn)坩堝電極2.1.3快速冷凝技術(shù)快速冷凝技術(shù)的主要特點：（1）急冷可大幅度地減少合金成分的偏析（2）急冷可增加合金的固溶能力（3）急冷可消除相偏聚和形成非平衡相（4）某些有害相可能由于急冷而受到抑制甚至消除（5）由于晶粒細(xì)化達(dá)微晶程度，在適當(dāng)應(yīng)變速度下可能出現(xiàn)超塑性等快速冷凝技術(shù)應(yīng)用范圍：可制得非晶、準(zhǔn)晶和微晶粉末，如有碳鋼、不銹鋼、高速鋼、鎳基高溫合金、鋁、鈦及其合金等粉末。從液態(tài)金屬制取快速冷凝粉末(RSP)機制：（1）傳導(dǎo)傳熱機制基于傳導(dǎo)傳熱機制的方法，其冷卻速度在106～108°C/s熔體噴紡法熔體沾出法熔體噴紡法過程示意圖氣體壓力熔體熔體流股極冷表面帶熔體沾出法過程示意圖水冷帶切口圓盤熔融金屬帶（2）對流傳熱機制基于對流傳熱機制的方法，其冷卻速度在104～106°C/s超聲氣體霧化法離心霧化法氣體霧化與旋轉(zhuǎn)盤霧化相結(jié)合的霧化法旋轉(zhuǎn)盤霧化法旋轉(zhuǎn)杯霧化法2.2機械粉碎法

機械粉碎是靠壓碎、擊碎和磨削等作用，將塊狀金屬或合金機械地粉碎成粉末的。

機械研磨比較適用于脆性材料。研磨塑性金屬和合金制取粉末的有旋渦研磨、冷氣流粉碎等。

1.機械研磨法機械研磨法應(yīng)用范圍：1）粉碎脆性金屬和合金。

2）可以研磨經(jīng)特殊處理后具有脆性的金屬和合金。（1）研磨的基本規(guī)律低轉(zhuǎn)速,(b)適宜轉(zhuǎn)速,(c)臨界轉(zhuǎn)速球和物料隨球磨筒轉(zhuǎn)速不同的三種狀態(tài)

球在滾筒中的基本狀態(tài)轉(zhuǎn)速慢，瀉落狀態(tài)，摩擦作用

轉(zhuǎn)速較高時，拋落狀態(tài)，摩擦、撞擊破碎轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，臨界轉(zhuǎn)速，粉碎作用停止球的受力分析假設(shè):a只一個球，b球直徑比桶直徑小c球與筒壁之間不產(chǎn)生相對滑動，也不考慮摩擦力的影響球受到兩個力作用，P：離心力G：重力V：線速度加到球體上的力的相互作用在拋落點平衡時（A點）：二力相等，

P＝P'從上式看出球上升的高度取決于筒體的轉(zhuǎn)速和球的回轉(zhuǎn)半徑，而與球的重量無關(guān)。臨界狀態(tài)當(dāng)轉(zhuǎn)速加快，球不落下，球轉(zhuǎn)到最高點A1點，此時在這臨界狀態(tài)下，D-球磨筒的直徑，m總之，要粉碎物料，球磨轉(zhuǎn)速即通常所說的工作轉(zhuǎn)速必須小于臨界轉(zhuǎn)速。球在筒體內(nèi)呈拋落狀態(tài)時效果最好。此時

（2）影響球磨效果的因素

a、球料比：一般粉末填滿球體之間的間隙或裝料量為磨筒容積的20％b、球體直徑：選擇范圍c、研磨介質(zhì)：分干磨和濕磨濕磨的優(yōu)點：（1）可減少金屬的氧化（2）可防止金屬顆粒的再聚集和長大，因為顆粒間的介電常數(shù)增大了，原子間的引力減小了（3）可減少物料的成分偏析并有利于成形劑的均勻分散（4）加入表面活性物質(zhì)時可促進(jìn)粉碎作用（5）可減少粉塵飛揚，改善勞動環(huán)境d、球磨筒的轉(zhuǎn)