采用气流或液流作为雾化介质的双流雾化<1>是制备金属粉末的主要方法之一.而该方法能量 利用率却极低,一般仅为1%左右<2>.同时,对于粘度大、流动性差的金属或合金,容易产生 堵嘴现象,工业化生产上一般采用加大导液管直径的方法,这势必降低气液比,导致细粉收得率低 .高硅铝合金具有密度小、耐磨性优异和热膨胀系数小等优点,且随硅含量的增加,其优点越来越 突出.但同时也将导致熔体粘度增大,流动性差.给粉末的雾化生产带来了很大的困难.本实验采 用自行发明的固体雾化工艺,在雾化气流中加入铁粉,成功制备出了高硅铝合金粉末,且粉末细粉 率高、冷速高、微观组织细小.结果表明,固体铁粉雾化工艺是高硅铝合金粉末工业化生产的有效方法.1 实验装置方案实验采用自行设计的固体雾化装置,装置示意2003年10月Oct2003图如图1所示 (a)气力输送装置部分 (b)雾化装置部分1.雾化室 2.水环 3.雾化器 4. 漏包5.发送罐 6.
铁粉 7.气阀 8.空气压缩机图1 固体雾化实验装置示意图Fig. 1 Schematicdiagramoftheexperimentaldeviceus ingFeparticlesastheatomizationmedium实验过程为:首 先将工业纯Al和Si按70%和30%的质量比例配好,在中频感应炉中进行熔炼.铁粉预先装 入发送罐中,由空气压缩机所产生的高压气体流,将铁粉颗粒通过环缝喷嘴从环缝中喷出,直接击碎熔体制得Al30wt%Si粉末,粉末落入雾化筒底部的水中.经干燥,用磁选机(本试验采用磁铁)将铁粉从合金粉末中分离出来,从而得到比较纯净的Al 30wt%Si粉末.粉末的粒度用筛分法测定,显微组织用金相显微镜观察.实验参数为:气体压 力为0.8MPa,输出的气流流量约为6m3/min.熔体温度为950℃,采用限制式环缝 喷嘴,导液管直径为6mm,环缝宽2.4mm,铁粉粒度为-80～+200目.作为比较的普 通气体雾化工艺则将发送罐置空.雾化工艺参数相同.2 粉末粒度2.1 实验结果本研究进行 了4次固体铁粉雾化实验,并进行了两次常规气体雾化实验以做比较.表1为两种方法制得的粉末 粒度分布的比较.表中G1,G2列为2次常规气体雾化粉末的编号,S1,S2,S3,S4为4次固体铁粉雾化的编号,S1的铁粉流量为563kg/min,S2的流量为5 14kg/min,S3的流量为4.68kg/min,S4的流量为4.25kg/min.实 验结果表明,在同等气体压力和气体流量下,采用常规气体雾化工艺所得粉末的平均粒度为160 μm,其中-80目粉末所占的比例不到50%,-200目的粉末所占的比例仅为15%左右; 而固体铁粉雾化工艺所得粉末的平均粒度为66μm,其中-80目的粉末所占的比例大约为90 %,-200目的粉末所占的比例都在40%以上.可以看出,采用含有固体铁粉的气流雾化制得 的粉末比常规气体雾化制得粉末细得多. 表1 固体雾化与普通气体雾化制得粉末粒度分布比较 Tab.1 Comparisonofparticlesizedistribution betweenthesolidmediumatomizationandgasatomi zation试样编号G1G2S1S2S3S4粉末粒度分布质量分数/%+45目39.98 46.292.194.46.467.82-45目+80目14.2711.368.388 .758.749.05-80目+100目10.1912.6312.4610.188.0 88.42-100目+150目10.579.8219.5616.0416.3718.5 7-150目+200目8.1611.0515.0316.0526.5131.04-20 0目+260目2.511.535.805.561.003.50-260目+325目0. 520.612.276.233.744.29-325目+400目6.077.8314. 4314.8714.0212.58-400目+500目5.074.358.3811.2 311.319.63-500目3.034.5511.486.543.963.242.2 结果分析根据Bradly的雾化模型,最终的液滴直径可以由下式<3>表示:d=2.95 γLρgU2s(1)式中,L为与气雾化过程相关的参数,ρg为气体的密度,γ为金属液流的 表面能,Us为气体流速.对于固体雾化来说,气体仍在雾化过程中起主要作用.因此,上述气雾 化模型同样适用于固体雾化.由于铁粉的流态化特性<4>,气体在输送铁粉的过程中损失的能量 不多,并且在加入铁粉后,气体的密度大大提高了.由式(1)可以看出,气体密度的提高可以使 液滴直径降低,从而使粉末的粒度减小.气体雾化中,金属液的破碎主要是由于气体的剪切作用< 5>,而在加入铁粉后,铁粉颗粒能够直接冲入金属液流的内部,起了撞击溅射的作用,从而能更 充分地破碎液流.3 粉末的冷却速度两种方法所得粉末的金相照片如图2所示.由图可见,固体雾化所得粉末中的初晶硅较小,可见加入铁粉后可提高液滴的冷却速度.根据初晶硅的大小可以确定冷速,平均冷速T与粉末初晶硅直径d之间存在以下关系式 T=Ad-n(2)式中,A和n为常数,从而固体雾化冷速 T1和普通(a)固体铁粉雾化粉末(×400)(b)气体雾化粉末(×400)图2 不同雾化工艺制备的Al Si粉末显微组织Fig.2 MicrostructuresofAl Sialloyparticlespreparedbydifferentatomizationprocesses气体雾化冷速 T2之比为: T1 T2=d2d1n(3)根据文献<6>可取1
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@刘强$湖南大学材料科学与工程学院!湖南长沙 410082
@龙小兵$湖南大学材料科学与工程学院!湖南长沙 410082雾化;; 金属粉末;; 粉末冶金 固体雾化是在普通气体雾化基础上改变了雾化介质而发展起来的一种新型的雾化制粉方法.这种方 法采用含有固体介质颗粒的高速固气两相流对熔融金属或合金进行雾化,从而得到粉末.与普通气 体雾化相比,雾化介质的能量利用率得到了很大的提高.本文采用了可通过磁选而除去的铁粉作为 固体颗粒对高硅铝合金进行了固体雾化制粉研究,结果表明:在雾化工艺参数均保持相同的情况下 ,固体雾化制得粉末的粒度更细,冷速更高.<1> FRITZLENEL.PowderMe tallurgyPrinciplesandApplications.NewJersey:MPIFPrinceton,1992.
<2> 黄培云.粉末冶金原理.北京:冶金工业出版社,1997.
<3> BRADLYD.OntheAtomizationofLiquidbyHigh VelocityGases.JPhysDeAppPhys,1973,6,1724-1732.
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<5> JONEH.RapidSolidificationofMetalsandAlloys.London:InstMetallurgists,1982.
<6> 程天一.快速凝固技术及新型合金.北京:宇航出版社,1999.71国家自然科学基金项目(50174025);;教育部博士点基金项目粉末X ray衍射图谱Fig.3 X raydiffractionpatternsofthepowdersatomizedby solidFeparticle5 结论经过高硅铝的固体铁粉雾化实验,得出以下结论:(1 )在同等气体压力和流量的条件下,气体雾化粉末的平均粒度为160μm,而固体雾化所得粉末 平均粒度为66μm.(2)固体雾化粉末的冷却速度大致为104K/s,比常规气体雾化的冷却速度高出一个数量级.(3)采用磁选的方法可以有效去除AlSi合金粉末中的铁粉.(4)固体雾化适合于制备熔体粘度较高的合金粉末.高硅铝合金的固体铁粉雾化@陈刚$湖南大学材料科学与工程学院!湖南长沙 410082
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@龙小兵$湖南大学材料科学与工程学院!湖南长沙 410082 雾化;;金属粉末;;粉
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