專利名稱：大功率高頻電磁振蕩霧化制粉工藝及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大功率高頻電磁振蕩霧化制粉工藝及裝置，屬于一種速凝制備金屬和合金粉的粉末冶金制備領(lǐng)域。
目前利用速凝、快淬制備金屬或合金粉的方法有銅輥＋研磨法、高壓氣體霧化法、超高壓水霧化法、等離子體霧化法、層流霧化法和粉體包覆法。
(1)銅輥＋研磨法典型的，美國MQ磁粉是采用真空快淬(速凝薄片)工藝制備將熔化的合金射流到旋轉(zhuǎn)銅輥上急冷成薄片，研磨成粉。
(2)高壓氣體霧化法用高壓惰性氣體將合金熔液噴吹成霧滴，金屬霧滴被高壓氣流冷卻成粉。一般氣體霧化粉顆粒較粗，約為40-200μm。英國O sprey公司用高壓氬氣和氮?dú)?壓力高達(dá)5MPa)生產(chǎn)的不銹鋼粉末中有75％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的粉末粒度小于20μm，大大高于常規(guī)氣霧化法的20％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，其平均粒度為14μm。
(3)超高壓水霧化法日本的PAMCO、Kobe Steel發(fā)展一種超高壓水霧化法。采用1500MPa高壓水流霧化，大量生產(chǎn)水霧化粉末。PAMCO針對(duì)水霧化粉形狀不規(guī)則、搖實(shí)密度低、氧含量高等缺點(diǎn)，作了很多改進(jìn)?，F(xiàn)水霧化粉的氧含量達(dá)2900×10-6。Kobe Steel則采用其獨(dú)特的V型射流噴嘴生產(chǎn)水霧化金屬合金粉。
(4)等離子體霧化法加拿大Pyro Genesis公司和LTEE公司開發(fā)了一種等離子體霧化法，主要生產(chǎn)各種用于MIM的鈦及其他各種高活性粉末。該方法采用鈦金屬線材為原料，采用等離子噴嘴射出的高速的高溫等離子氣體作為霧化介質(zhì)。由于采用金屬線材為原料，并且采用同軸向成20°-40°的3個(gè)等離子噴嘴，使得金屬原料的喂入和熔化、霧化在同一步驟完成，保證了粉末的球形度，并且避免了熔融鈦水包的操作困難。除了生產(chǎn)鈦粉外，這兩家公司還生產(chǎn)Ti6A1-4V、Cu、Al、Mo、IN718Ni-Cu、Ni粉等。該方法采用金屬線材為原料，導(dǎo)致生產(chǎn)率較低，粉末成本高。
(5)層流霧化法德國Nanoval公司開發(fā)出了一種獨(dú)特的氣霧化技術(shù)，基本思路是應(yīng)用自穩(wěn)定的、嚴(yán)格成層狀的氣流，使熔化的金屬平行流動(dòng)。熔化了的金屬從拉瓦爾噴嘴的入口到最窄處被氣體壓縮迅速加速(從幾m/s到音速)，氣體為獲得穩(wěn)定而呈層狀流動(dòng)。在最窄處以下，氣流被快速壓縮，加速至超音速，在氣液流界面由于剪切應(yīng)力，金屬熔體絲以更高的速度變形，最終不穩(wěn)定而破裂成許多更細(xì)的絲，最終凝結(jié)成細(xì)小粉末。該方法制備的合金粉末粒度約為10μm，其中20μm粒度以下的粉末約占90％。
(6)粉體包覆法美國Powdermet公司和Advance Ceramics公司發(fā)展了一種粉體包覆法制備金屬粉末。采用循環(huán)快速流化床反應(yīng)器制備包覆粉末。采用粉體包覆法可以避免粉末預(yù)混合過程中的不均勻。
以上制備方法僅能生產(chǎn)粉粒度200-10μm的金屬粉。而以克為單爐產(chǎn)量單位的實(shí)驗(yàn)室制納米金屬與合金粉方法真空蒸鍍等方法近代不適用進(jìn)行金屬與合金粉末大生產(chǎn)。
本發(fā)明的目的在于提供一種除具有上述各種生產(chǎn)工藝的優(yōu)點(diǎn)外，還可大生產(chǎn)金屬或合金粉末，又可進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)納米晶結(jié)構(gòu)的微米級(jí)顆粒和納米級(jí)顆粒粉，而且生產(chǎn)的粉末顆粒均勻、成本低，并可根據(jù)需要生產(chǎn)出不同粒度分布的粉末的一種速凝生產(chǎn)金屬或合金粉末的制備方法及其裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明制粉工藝為在0.1-10MPa氣壓下，熔料坩堝內(nèi)金屬或合金在真空充氣熔料后，熔料坩堝內(nèi)的熔融態(tài)金屬或合金通過噴嘴，射流進(jìn)入桶罐形扼鐵的射流入口射流到水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤上，當(dāng)電磁振蕩頻率為5-200KHz、電磁場(chǎng)強(qiáng)度為800KAm-1-8000KAm-1，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速為500-2500轉(zhuǎn)/分時(shí)，利用熔融金屬或合金的射流動(dòng)力造成射流的紊流狀態(tài)，通過電磁振蕩，使打在水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤上的金屬或合金紊流射流霧化液滴，并急冷速凝成固態(tài)粉。
本發(fā)明裝置為熔料坩堝頂部設(shè)有坩堝入氣管，熔料坩堝底部設(shè)有噴嘴，熔料坩堝置于密封裝置內(nèi)，并由其固定安裝在桶罐形扼鐵上方，桶罐形扼鐵頂部開有射流入口，射流入口與噴嘴相對(duì)應(yīng)，底部分別開有出粉口、線包冷卻循環(huán)水進(jìn)、出口及軸孔，轉(zhuǎn)軸為非磁性中空轉(zhuǎn)軸，且為雙層軸，其內(nèi)設(shè)有冷卻循環(huán)水進(jìn)、出口，轉(zhuǎn)軸一端與電機(jī)連接，另一端穿過軸孔與置于桶罐形扼鐵內(nèi)的電磁振蕩器連接，電磁振蕩器由桶罐形扼鐵環(huán)閉，電磁振蕩器由水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤、磁性套管、水冷磁電發(fā)生器線包組成，水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)軸連接，位于轉(zhuǎn)盤下方且置于桶罐形扼鐵內(nèi)的轉(zhuǎn)軸上套裝有磁性套管，磁性套管上裝有帶水冷的磁電發(fā)生器線包。
可噴制金屬或合金熔點(diǎn)≤1600℃的金屬或合金。
生產(chǎn)出的粉末粒度為200μm-20nm的近圓形金屬或合金粉粒。
利用本發(fā)明裝置及其制粉工藝，可獲得納米晶結(jié)構(gòu)的微米級(jí)顆粒和納米級(jí)顆粒粉。
噴嘴的噴孔形狀可為圓形或長方形；噴孔可以是單孔、三孔、六孔、九孔或多孔。
桶罐形扼鐵外設(shè)有絕緣密閉外殼。
本發(fā)明是利用電磁振蕩和轉(zhuǎn)盤離心力干擾霧化紊流的金屬或合金熔流成液滴，并速凝固化成近圓形粉粒。通過調(diào)整射流氣壓、速度，噴嘴形狀、大小，電磁振蕩頻率，振蕩磁場(chǎng)強(qiáng)度和冷卻用轉(zhuǎn)盤速度，可以獲得納米晶結(jié)構(gòu)的微米級(jí)顆粒和納米級(jí)顆粒粉。理論上，改變液態(tài)金屬或合金射流的直徑，速度以及施加的縱向振蕩磁力和轉(zhuǎn)盤離心力的結(jié)合擾動(dòng)，任何大小的液滴都可制造出來。本發(fā)明在保持所有工藝參數(shù)不變，則可制造出所有顆粒為同樣大小的均勻粉末，不同粒度的均勻粉末進(jìn)行混合，則可生產(chǎn)出所需粒度分布的粉末。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意簡圖；圖2為本發(fā)明非磁性中空轉(zhuǎn)軸局部剖視圖。
本發(fā)明在熔流合金熔料坩堝2中裝入母合金料，進(jìn)行熔煉，料爐坩堝2頂部設(shè)有坩堝入氣管1，熔料坩堝2底部設(shè)有多孔噴嘴3，料爐坩堝2置于密閉裝置4內(nèi)，并由其固定安裝在桶罐形扼鐵6上方，桶罐形扼鐵6頂部設(shè)有射流入口5，此孔與噴嘴3相對(duì)應(yīng)，桶罐形扼鐵6底部兩端邊處分別開有出粉口11和12，底部并開有線包冷卻循環(huán)水進(jìn)、出口13和14及軸孔15，出粉口11、12分別與粉體收集器連接，線包冷卻循環(huán)水進(jìn)、出口13和14與水管綜合箱連接，轉(zhuǎn)軸10為非磁性中空轉(zhuǎn)軸，且為雙層軸，其內(nèi)設(shè)有冷卻循環(huán)水進(jìn)、出口17和18，轉(zhuǎn)軸10一端與電機(jī)連接，另一端穿過軸孔15與置于桶罐形扼鐵6內(nèi)，并由其環(huán)閉的電磁振蕩器16上的水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤7相連接，位于水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤7下方，且置于桶罐形扼鐵6內(nèi)的轉(zhuǎn)軸10上裝有磁性套管8、套管8上纏繞有帶水冷的磁電發(fā)生器線包9。
其制粉工藝如下
(1)如制造NdFeB粉末，在熔流合金熔料坩堝2中，裝入母合金NdFeB進(jìn)行熔煉，到高于母合金熔點(diǎn)150℃左右的溶液溫度，由入氣管1送入惰性氣體，在0.8MPa氣壓下，熔融態(tài)的NdFeB合金通過多孔噴嘴3由射流入口5射流到置于桶罐形扼鐵6中的電磁振蕩器16上的水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤7上，由于球狀液滴的表面能低于同體積的液柱的表面能，因而液體射流總是趨于破碎為液滴。射流破碎主要由于毛細(xì)不穩(wěn)定所致。利用帶空心鐵芯的螺旋線管產(chǎn)生交流磁場(chǎng)，鐵芯用鐵扼環(huán)閉，桶罐形鐵扼有合金熔流射流進(jìn)入孔5，鐵扼與轉(zhuǎn)盤7之間形成交變的漏磁場(chǎng)，產(chǎn)生縱向的漏磁場(chǎng)磁力，縱向交變的漏磁場(chǎng)磁力干擾紊流的合金液流，使之在轉(zhuǎn)盤7的離心力下成為粉狀。當(dāng)電磁振蕩頻率為50KHz，磁場(chǎng)強(qiáng)度是8000KAm-1，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分，使打在水冷轉(zhuǎn)盤7上的NdFeB合金紊流射流霧化成液滴，并急冷速凝成固態(tài)粉，固態(tài)粉的粒度為150μm左右，晶體粒度為50nm左右，固態(tài)粉通過出粉口11和12由粉體收集器收集，電機(jī)帶動(dòng)非磁性中空轉(zhuǎn)軸10轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，帶動(dòng)水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤7轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸10為雙層軸，其內(nèi)設(shè)有與水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤7的冷卻循環(huán)水相接的進(jìn)、出口17和18，纏繞在磁性套管8上的帶水冷的磁電發(fā)生器線包9，在外接電源下，產(chǎn)生磁場(chǎng)，電磁線圈冷卻水通過進(jìn)、出水口13和14通過水管綜合箱及冷卻水循環(huán)裝置進(jìn)行循環(huán)。
(2)如制造FeNiSiB粉末，在熔流合金熔料坩堝2中裝入母合金FeNiSiB進(jìn)行熔煉，到高于母合金熔點(diǎn)100℃以上的融態(tài)的FeNiSiB，在0.5MPa氣壓下，通過多孔噴嘴3及射流入口5射流到桶罐形扼鐵6中的水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤7上，由于桶罐形扼鐵6有合金熔流射流進(jìn)入孔5，桶罐形扼鐵6與轉(zhuǎn)盤7間形成交變漏磁場(chǎng)，產(chǎn)生縱向的漏磁場(chǎng)磁力，縱向交變的漏磁場(chǎng)磁力干擾紊流的合金液流。當(dāng)電磁振蕩頻率為100KHz，磁場(chǎng)強(qiáng)度為8000KAm-1，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為1600轉(zhuǎn)/分時(shí)，使打在水冷轉(zhuǎn)盤7上的FeNiSiB合金，在轉(zhuǎn)盤7的離心力作用下紊流霧化成液滴，并急冷速凝成固態(tài)粉末，固態(tài)粉的粒度為160μm左右，晶體粒度為40nm左右。
(3)如制造工業(yè)純鐵金屬，在熔流合金熔料坩堝2中，裝入工業(yè)純金屬，進(jìn)行熔煉，到離子金屬熔點(diǎn)150℃以上，融態(tài)的工業(yè)純鐵金屬在2.0MPa氣壓下，通過多孔噴嘴3及射流入口5，射流到桶罐形扼鐵6中的水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤7上，由于桶罐形扼鐵6有金屬熔流射流孔5，桶罐形扼鐵6與轉(zhuǎn)盤7之間形成交變漏磁場(chǎng)，產(chǎn)生縱向的漏磁場(chǎng)磁力，縱向交變的漏磁場(chǎng)磁力干擾紊流的金屬液。當(dāng)電磁振蕩頻率為200KHz，磁場(chǎng)強(qiáng)度為6000mKAm-1，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分時(shí)，使打在水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤7上的工業(yè)純鐵金屬在轉(zhuǎn)盤7的離心力作用下，紊流射流霧化成液滴，并急冷速凝成固態(tài)粉末，固態(tài)粉的粒度為0.05μm左右，晶體粒度為20nm左右。
(4)如制造鎳鉻鋼粉末，在上述相同的裝置、制備工藝下，當(dāng)高于母合金熔點(diǎn)150℃以上，在5.0MPa氣壓下，磁場(chǎng)振蕩頻率為100KHz，磁場(chǎng)強(qiáng)度為8000mKAm-1，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分時(shí)，可生成的固態(tài)粉粒度為1.0μm左右，晶體粒度為45nm左右。
(5)如制造鋁硅合金粉末，在上述相同的裝置、制備工藝下，當(dāng)高于母合金點(diǎn)200℃以上，在7.0MPa氣壓下，磁場(chǎng)振蕩頻率為100KHz，磁場(chǎng)強(qiáng)度為7000mKAm-1，盤轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/分時(shí)，可生成的固態(tài)粉粒度為0.1μm左右，晶體粒度為25nm左右。
近球形金屬粉末可用于過濾、金屬注射成形，快速原型制作，模壓燒結(jié)成形及熱噴涂(鍍)。
權(quán)利要求
1.大功率高頻電磁振蕩霧化制粉工藝，其特征在于在0.1-10MPa氣壓下，熔料坩堝(2)內(nèi)的金屬或合金在真空充氣熔料后，熔料坩堝(2)內(nèi)的熔融態(tài)金屬或合金通過噴嘴(3)，由射流入口(5)射流到水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤(7)上，當(dāng)電磁振蕩頻率為5-200KHz、電磁場(chǎng)強(qiáng)度為800K Am-1--8000K Am-1，轉(zhuǎn)盤(7)的轉(zhuǎn)速為500-2500轉(zhuǎn)/分時(shí)，利用熔融金屬或合金的射流動(dòng)力造成射流的紊流狀態(tài)，通過電磁振蕩，使打在水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤(7)上的金屬或合金紊流射流霧化成液滴，并急冷速凝成固態(tài)粉。
2.大功率高頻電磁振蕩霧化制粉裝置其特征在于熔料坩堝(2)頂部設(shè)有坩堝入氣管(1)，熔料坩堝(2)底部設(shè)有噴嘴(3)，熔料坩堝(2)置于密封裝置(4)內(nèi)，并由其固定安裝在桶罐形扼鐵(6)上方，桶罐形扼鐵(6)頂部開有射流入口(5)，射流入口(5)與噴嘴(3)相對(duì)應(yīng)，桶罐形扼鐵(6)底部開有出粉口(11)和(12)、線包冷卻循環(huán)水進(jìn)、出口(13)和(14)及軸孔(15)，轉(zhuǎn)軸(10)為非磁性中空轉(zhuǎn)軸，且為雙層軸，其內(nèi)設(shè)有冷卻循環(huán)水進(jìn)、出口(17)和(18)，轉(zhuǎn)軸(10)一端與電機(jī)連接，另一端穿過軸孔(15)與置于桶罐形扼鐵(6)內(nèi)的電磁振蕩器(16)連接，電磁振蕩器(16)由扼鐵環(huán)閉，電磁振蕩器(16)由水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤(7)、磁性套管(8)、水冷磁電發(fā)生器線包(9)組成，水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤(7)與轉(zhuǎn)軸(10)連接，位于轉(zhuǎn)盤(7)下方且置于桶罐形扼鐵(6)內(nèi)的轉(zhuǎn)軸(10)上套裝有磁性套管(8)，套管(8)上裝有帶水冷的磁電發(fā)生器線包(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制粉工藝，其特征在于可噴制金屬或合金熔點(diǎn)≤1600℃的金屬或合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于可生產(chǎn)粉末粒度為200μm-20nm的近圓形金屬或合金粉粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于噴嘴(3)的噴孔形狀可為長方形或圓形，噴孔可為單孔、三孔、六孔、九孔或多孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于桶罐形扼鐵(6)外設(shè)有絕緣密閉外殼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大功率高頻電磁振蕩霧化制粉工藝及裝置,屬于冶金制備領(lǐng)域。制粉工藝:在一定條件下,熔融態(tài)金屬或合金通過噴嘴,射流到帶有電磁振蕩裝置的旋轉(zhuǎn)器上,速凝成金屬或合金粉末。利用熔融金屬或合金的射流動(dòng)力使打在水冷磁鐵轉(zhuǎn)盤上的金屬或合金紊流射流霧化成液滴,并急冷速凝成固態(tài)粉。其裝置為熔料坩堝上有入氣管、噴嘴,熔料坩堝置于密封裝置內(nèi),并由其固定在桶罐形扼鐵上方,桶罐形扼鐵上開有射流入口、出粉口、軸孔,軸為雙層軸,其內(nèi)設(shè)有冷卻循環(huán)水進(jìn)、出口,轉(zhuǎn)軸分別與電機(jī)及電磁振蕩器上的轉(zhuǎn)盤連接。本發(fā)明可以獲得納米晶結(jié)構(gòu)的微米級(jí)和納米級(jí)顆粒粉,其顆粒粒度均勻,成本低。
文檔編號(hào)B22F9/08GK1334159SQ0012201
公開日2002年2月6日 申請(qǐng)日期2000年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月18日
發(fā)明者梁乃茹 申請(qǐng)人:包頭華美稀土制品有限公司, 梁乃茹