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。
銅粉粒徑對3D打印成形和燒結成形性能的影響
工藝條件對電解銅粉過程能耗的影響規律研究