摘要：本文概述了霧化法制備銅粉的研究進展，闡述了霧化法制備銅粉各工序的基本原理，探討了霧化介質、氧化還原、還原、霧化方式、熔煉、破碎球磨等工序的技術特點，提出了更加合理的低松裝密度霧化銅粉的生產工藝流程。

關鍵詞：霧化銅粉;制備技術;低松裝密度;氧化還原

銅粉作為粉末冶金制品的重要原料之一，在工業生產中發揮著不可替代的作用，主要用于粉末冶金機械零件、摩擦材料、電碳制品。金剛石工具等行業"。我國銅粉的生產早期主要采用傳統的化學還原法和電解法兩種方法?；瘜W還原法制備銅粉雖有其獨到的優點，如設備簡單、工藝流程短、易工業化生產等，但是，使用的還原劑有甲醛、抗壞血酸、次亞磷酸鈉、水合肼等，由于劇毒、成本等因素，仍需尋找更為合適的還原劑。電解法生產的銅粉純度較高，比表面積較大因而壓制性好，但是生產能耗高從而成本高，環境污染嚴重，同時電解銅粉因其流動性差，不能滿足高性能粉末冶金產品(如粉末冶金含油軸承)的需求所需的低松裝密度霧化銅粉主要從國外進口。

根據中國鋼協粉末冶金分會公布的數據，2009年全國電解銅粉產量20000t，而霧化銅及其合金粉末產量為20500t，已經超過電解銅粉。霧化法和電解法相比能耗低、成本低、無污染，已成為當今銅粉生產技術的發展趨勢。霧化法可生產低松裝密度的銅粉，但技術要求較高，我國近幾年來才開始著手研究這項技術，因此本文從霧化介質、氧化還原、還原、霧化方式、熔煉、破碎球磨等工序對霧化銅粉的生產技術進行分析與總結。

1霧化介質

霧化銅粉是銅基粉末中的一種，它是由氣霧化或水霧化法制造的，這兩種方法的主要區別在于所采用的霧化介質不同，其制粉的原理是一樣的。根據不同氣體介質可分為空氣霧化、氬氣霧化，同時為了獲得更細的粉末采用超音速霧化。但是由于氣霧化法生產的銅粉粉末多呈球形或淚滴形，存在松裝密度大、燒結時接觸面積?。ㄐ∮陔娊忏~粉的枝梢部分的接觸面積），成形性差，無法替代電解銅粉，且氣霧化成本高，氣體回收凈化技術難度大。目前世界普遍采用的水霧化+氧化還原法（現在AOR法）生產的銅粉，表面加以改性，其微觀形狀為不規劃珊瑚狀，比表面發達，成形性好，既具有電解銅粉低的松裝密度（一般為1.5~3.0g/cm3），又具有水霧化銅粉良好的流動性性（一般流動性小于35s/50g），而且工藝性能穩定，故能取代大部分電解銅粉。

2低松裝密度水霧化

2.1常規生產工藝

低松裝密度水霧化銅粉的常規生產工藝流程如圖1所示。

圖 1 低松比水霧化銅粉常規生產工藝流程

以電解銅為原料（其純度不低于99.95%），采用水霧化工藝生產銅粉，然后將水霧化銅粉在一定溫度、一定時間內進行氧化。通過氧化使水霧化銅粉加以表面改性而獲得的海綿狀銅粉，其松裝密度明顯降低，流動性稍變差。在氧化過程中，氧化粉末有結塊現象，因此需要破碎。在氫氣中還原后粉末結成塊狀，易破碎，還原后粉末氧含量不大于0.2%(質量分數)，表明還原充分。由于不同用戶對粉末;的粒度和松裝密度要求不同，為了保證產品性能穩定，還原后的粉末需進行分級，然后根據使用的不同要求進行合批包裝后即成成品。

隨著科學技術的不斷進步，客戶對低松比水霧化銅粉的要求越來越高，經過不斷研究和探索，其工藝技術已在常規生產工藝的基礎上取得了長足的進步，降低了生產成本，提高了產品質量。

2.2水霧化+氧化還原（AOR法）

采用高壓水霧化制取銅粉，真空干燥后采用動態氧化/還原處理對銅粉表面進行改性，降低粉末松裝密度。水霧化銅粉的氧化是銅粉表面改性的關鍵，靜態氧化速度慢，粉末易結塊，工藝過程容易控制，動態氧化可增大粉末氧化接觸面積，氧化速度快，粉末結塊程度輕，但工藝過程較難控制。表1為采用動態氧化/還原處理法對各種不同氧化還原工藝處理后銅粉的性能對比。

表 1 不同氧化還原工藝對比

在氧化過程中，空氣中的氧原子從銅粉表面向內擴散，形成的氧化銅或氧化亞銅的真密度（分別為6.31g/cm3和5.88g/cm3）都比銅?。?.9g/cm3），粉末體積發生膨脹，因此，粉末氧化程度越高，松裝密度越低，但另一方面由于松裝密度下降，一定質量（如50g）粉末的體積增大，這樣使得通過一定直徑漏孔的時間變長，這就是粉末流動性下降的原因，故需控制好氧化溫度和時間。若在氧化過程中添加銅的化合物，該添加劑和銅粉、氧氣通過氣相反應促進

銅粉的氧化，縮短了同樣氧化程度所需的氧化時間。在還原過程中，粉末中的氧原子被還原出來，其表層形成了外部為多孔海綿狀、內部為致密銅芯的不規則狀組織，這就是粉末松裝密度下降的主要原因。

2.3水霧化+還原

水霧化+氧化還原法（AOR法）生產的銅粉，工藝流程長、復雜，高溫氧化時粉末燒結嚴重，需經破碎處理，能耗大，成本高，勞動強度大，工序效率低，運送成本高?，F經過改進，可不經氧化直接進行還原生產出低松裝密度的霧化銅粉。表2為各種不經氧化直接還原處理后的工藝對比。

表 2 各種不經氧化直接還原處理后的工藝

霧化法生產的粉末顆粒為類球形其粉末松裝密度大。工藝1采用氨水浸泡是借助于氨水對銅的腐蝕和銅在高溫下被氧化還原的綜合作用，加速銅粉的顆粒形狀和內部結構的改變，從而獲得海綿狀銅粉，降低粉末松裝密度;工藝2霧化脫水后含水量3%~5%，松裝密度在2.5~2.9g/cm3的濕粉直接還原燒結，濕粉中所攜帶的水分在還原過程中汽化使得銅粉能與還原性氣體接觸充分，還原反應徹底，能夠直接得到松裝密度在2.5~2.7g/cm3的低松比銅粉;工藝3通過對各項霧化工藝參數進行計算調整，改進噴嘴結構、漏嘴孔徑和霧化桶結構，實現霧化速度精確可控達到最佳的水霧化效果，使熔液在霧化過程中頻繁碰撞破碎成粉并進而團聚，形成細顆粒團聚不規則狀。此時粉末的松比已為2.5~3.5g/cm3，不需要經過單獨的氧化、破碎工序，直接進入還原燒結工序，最后得到細顆粒團聚的不規則粉末，松比在1.8~2.5g/cm3。

2.4霧化方式

根據粉末顆粒形狀越不規則，粉末松比越低的原則，采用水霧化銅粉經表面改性處理，以達到不規則形狀，從而實現低松比，這種工藝對水霧化工藝本身要求不高。而水霧化后無需表面改性處理就可以得到不規則低松比的要求，則對水霧化技術提出了更高的要求，霧化過程是工藝技術的關鍵所在。表3為各種霧化方式的對比效果。

表 3 各種不同霧化方式的對比

由于環孔噴嘴(即在以金屬液流的中心孔為圓心的圓周上等距離分布若干數量的小圓孔形噴能形成封閉式的環狀V形噴射，具有金屬液流不易偏離霧化焦點各向傳質熱均勻，粉末粒度小而相對集中，成粉率高等優點。

方式一，采用20個孔徑為1.6~1.8mm的噴嘴，角度在35°~45°之間，霧化水壓在12~19MPa金屬銅液溫度控制在1160~1200℃，漏嘴孔徑在4~5mm進行霧化，最后得到松比為2.5~2.7g/cn3的不規則粉末。

方式二，在傳統水霧化噴嘴下方增加額外冷卻噴嘴的水-水急冷組合二次霧化技術，該技術由于二次霧化效應，可使部分尚未凝固的粉末進--步被破碎，從而使粉末細化同時由于二次霧化水的急冷效果，可使粉末冷卻速度由103K/s增加到104K/s，該冷卻速度的提高，可使粉末含氧量降低顆粒外形變得更加不規則。

方式三，在水-水急冷組合二次霧化技術思路上，采用新型噴嘴結構，控制水霧化的水/金屬熔液流的比值，加大金屬熔液流的冷卻效果，在高壓水沖擊下，金屬熔液流霧化形成了細微不規則小顆粒。環形多焦點噴射水流進行霧化，噴射水流可形成一個主焦點和多個輔焦點，對銅液粒進行多次擊打和冷卻改變了現有技術霧化水流的單焦點、一次擊打的慣例和定勢，使銅粉粒度更小。方式三，采用8~12個孔徑為1.8~2.6mm的噴嘴，噴嘴的噴流扇形角9°~25°，噴嘴的噴射主焦點的水柱夾角在25°~45°之間，霧化水壓在8~15MPa，金屬銅液溫度控制在1150~1250℃，漏嘴孔徑在3~6mm進行霧化最后得到松比為1.8~2.5g/cm3的不規則粉末。

2.5熔煉

在霧化工序之前，最重要的工序就是熔煉。通過控制銅的熔煉過程也同樣可以達到降低銅粉的密度的效果。表4為兩種不同銅的熔煉過程對比。

表 4 兩種不同銅的熔煉過程對比

方式一，在1160~1190℃溫度下熔煉的銅熔液中加入純銅質量3%~8%的氧化銅粉并攪拌均勻，從而降低銅熔液表面張力并增加銅熔液黏性，使得在其后的霧化過程中更易得到不規則形狀的粉末。但該方法需要使用純銅質量3%~8%的氧化銅粉，生產成本高其該法生產的銅粉熱阻值高，導熱性能較差不能用于生產IT行業使用的熱導管。

方式二將原料放入溫度在300~1100℃之間的熔煉爐中進行熔煉不斷攪拌并同時進行吹空氣作業。該方法用進行吹空氣作業替換現有的使用加入氧化銅粉通過控制銅的熔煉過程來降低銅粉的松裝密度，該方法的優點是不使用氧化銅降低了生產成本，同時通過吹空氣作業對銅粉進行氧化，通過還原工序控制銅粉達到團化效果，熱阻值低，導熱性能好，該法生產的銅粉可以用于生產IT行業使用的熱導管。

2.6破碎球磨

銅粉的松裝密度與粉末顆粒形態有較大的關系如果能將球狀或類球狀的銅粉顆粒進行變形，使其成為其他非球形或片狀或鱗片狀，即可降低銅粉的松裝密度。王有林等基于此原理和事實，將經霧化生產的銅粉在常溫下直接用攪拌磨或高效球磨機等高效破碎裝置進行球磨，使霧化銅粉在高效破碎裝置中的碾壓作用下發生形變，從而將球狀或類球狀的銅粉末顆粒改變成片狀或鱗片狀，通過改變銅粉末的形態來降低粉末的松裝密度。該技術在進行銅粉末變形后，可以再進行部分氧化或完全氧化，還原，或者在添加活化劑條件下進行退火或還原，或者再繼續進行形變加工，中國專利公開號CN1292861C129也采用密度為3.0~6.5g/cm3粒徑為05mm或0.5mm以下的介質球，通過高能球磨機壓縮銅粉顆粒使之塑性變形，將其制成片狀。中國專利公開號CN101524760A采用1~2μm的球形銅粉為原料，配合一定數量比例的直徑為1~2mm的氧化鋯為磨介球，同時添加一定比例的助磨劑和分散劑，球磨一定時間后將銅粉漿料過濾，真空干燥，得到片徑小于20μm的片狀銅粉。

無論采用哪種改進后的工藝進行霧化銅粉的生產，都需要進行還原，而還原后的銅粉，呈塊狀，有時板結嚴重，需要破碎球磨。根據上述原理和具體實例，若前面有任何工序沒有控制好產品質量，可以通過破碎球磨對其進行補救，并確保最終產品符合客戶質量要求。

3結語

低松裝密度霧化銅粉既具有電解銅粉低的松裝密度，又有霧化銅粉良好的流動性，是未來逐步代替電解銅粉的首選產品。本文通過對霧化銅粉現有生產工藝技術進行倒推式分析總結，根據各工序對比最佳工藝，提出以下更加合理的生產工藝如圖2，以便各生產企業進行借鑒并不斷優化改進。

圖 2 低松比水霧化銅粉新生產工藝流程

該工藝流程具有以下優點：

（1）該工藝流程比常規的生產流程更短，減去了真空干燥、氧化、破碎工序，降低了勞動強度，節約了生產成本。

（2）該工藝流程多個工序(如熔煉、霧化、還原和球磨)可以控制粉末形貌和粒度，保證了產品質量。