低松裝密度霧化銅粉生產
2019-09-02
1前言
銅粉是粉末冶金制品生產使用的重要原料。國際工業性銅粉的生產開始于20世紀20年代，當時使用的生產方法為還原銅氧化法和電解法。50年代以后，國際上出現了新的銅粉生產方法——置換沉淀法和水冶法，后來，又出現了霧化法。
我國于1958年開始了銅粉的試制工作。當時進行的是電解銅粉的生產試驗。60年代中期，電解銅粉試制獲得成功并投入小批量生產。70年代中期，我國建立了第一條電解銅粉的生產線。80年代并90年代，隨著我國國民經濟的迅速發展，銅粉用量大幅度增加。為了滿足市場需求，國內一些大型企業通過挖潛革新和進行技術改造，使銅粉產量翻了幾番。在此期間，相繼建立和發展了10多個銅粉生產企業，全國銅粉的生產能力達到4000t左右，年產量平均約1400t。
銅粉的生產方法主要有電解法，水霧化法和氧化還原法3種。電解法生產歷史悠久，工藝成熟。用電解法生產的銅粉，具有樹枝狀的微觀形狀，還有比表面發達、純度高、成形性能好等特點，因而廣泛應用于粉末冶金制品、電碳制品、銅基摩擦材料、金剛石制品和電工合金等生產領域，目前在我國仍有廣闊的市場。然而，用電解法生產銅粉有著嚴重污染環境和能耗高的缺點。為此，60年代國外開始采用Atmising-Oxidizing-Reducing（簡稱AOR）法制造銅粉。美國OMG（SCM）公司使用AOR法生產低松裝密度銅粉已達30多年，目前的年產量近2萬t（基本情況可參閱IntroductionofOMGroupInc）。但是在我國，這項技術最近兩年才開始研究。這說明，隨著當前我國政府和人民的生態環境保護意識的提高，已在考慮并著手采用低能耗，無環境污染的生產方法來進行工業生產。在銅粉生產方面，能夠替代電解法的，當首推霧化制粉法。但是，實踐證明，單一霧化法生產的銅粉存在松裝密度大、成形性差等缺點，在實際應用中無法替代電解銅粉。因此，近年筆者采用水霧化制粉，再加上氧化還原等后續處理工藝（即AOR法），研制開發了符合環保需要的低松裝密度霧化銅粉。本文僅對該產品的生產工藝、粉末形貌和性能，以及應用結果等作一個簡要的介紹。
2生產工藝
AOR銅粉的工藝流程如圖1所示。
圖1AOR銅粉工藝流程圖
2.1霧化
工業化的霧化銅粉生產分氣霧化法和水霧化法兩種。生產實踐證明，水霧化生產效果比氣霧化好。相同的粒度及粒度組成的水霧化和氣霧化銅粉，在相同的后續處理條件下，其氧化效果及成品的松裝密度是不同的，見表1。
表1相同粒度及粒度組成銅粉的氧化結果比較
究其原因，水霧化粉末的顆粒形狀比氣霧化粉末不規則，因而更有利于加快氧化速度。
2.2氧化
氧化過程對生產高性能低松裝密度銅粉的影響極大。在生產中發現，氧化方式、氧化時間及氧化溫度對粉末的氧化效果影響很大。特別是在相同的氧化時間和氧化溫度條件下，氧化方式對氧化效果的影響尤其大。氧化方式分為靜態及動態兩種方式。靜態氧化時，銅粉氧化速度十分緩慢，而且容易結塊;動態氧化則不然，故其氧化效果甚佳。兩種氧化方式的比較見表2。
表2氧化方式對銅粉氧化效果的影響
當然，在氧化過程中，適當的氧化溫度和氧化時間也很重要，這里不再論述。
2.3還原
還原過程相對比較簡單，還原溫度一般為400～600℃，時間60～120min。
2.4破碎
還原后的銅粉，呈塊狀，有時板結嚴重，需要破碎。但須注意，破碎方式對成品的松裝密度影響很大，它能直接影響成品的成形性能。普通滾動球磨，僅只磨15～30min，就會使松裝密度從2.49g/cm3提高到3.3g/cm3。為了克服該問題，筆者專門設計并制造了一套破碎裝置，使用時不會提高粉末的松裝密度，而且破碎效率高，效果十分理想。
2.5抗氧化處理
銅粉由于自身特點，容易氧化，我們采用自己開發的氧化劑處理后，其抗氧化效果可達2年之久。
3粉末性能
3.1粉末形貌
采用AOR法研制開發的低松裝密度霧化銅粉，其微觀形狀為珊瑚不規則狀，比表面發達，成形性好，能夠替代電解銅粉，其顆粒形貌見圖2。
圖2所制AOR銅粉的顆粒形貌
3.2粉末性能
所制AOR銅粉的化學成分和工藝性能分別示于表3和表4。
表3AOR銅粉的化學成分
表4AOR銅粉的工藝性能
4應用結果
用AOR法生產的銅粉，由于微觀形狀呈不規則狀，氧含量低，成形性好，工藝性能穩定，故能替代電解銅粉。應用于鐵基制品及對生坯強度要求較高的銅基摩擦材料、電碳制品中，經過國內幾家知名的粉末冶金和電碳企業大量使用，效果十分理想。
AOR銅粉在抗氧化效果方面比電解銅粉好，在相同條件下，AOR法銅粉抗氧化效果比電解銅粉高1倍。這一點對使用銅粉的金剛石工具生產企業尤為重要，因為這些企業銅粉一次用量較少，因而要求粉末的保質期長，抗氧化效果好。使用結果令用戶滿意。
5結論
(1)使用AOR法成功地生產出低松裝密度銅粉。該方法完全可以替代污染環境、能耗高的電解法，從而開辟了高性能銅粉生產的新工藝。
(2)AOR銅粉具有形狀不規則、成形性好、抗氧化性好等優點，在應用方面完全可以替代電解銅粉。
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