一文了解金属粉末(下)
1.雾化法
雾化法属于机械制粉法,是直接击碎液体金属或合金而值得粉末的方法,应用较广泛,规模仅次于还原法。雾化法又称喷雾法,可以制取铅、锡、铝、铜、镍、铁等金属粉末,也可用于制取青铜、黄铜、碳钢、合金钢等合金粉末的生产。
雾化法一般是利用高压气体、高压液体或高速旋转的叶片,将经高温、高压熔融的金属或合金破碎成细小的液滴,然后在收集器内冷凝而得到超细金属粉末,该过程不发生化学变化。雾化法是生产金属及合金粉末的主要方法之一。雾化的方法很多,如双流雾化、离心雾化、多级雾化、超声雾化技术、紧耦合雾化技术、高压气体雾化、层流雾化、超声紧耦合雾化和热气体雾化等。
雾化粉末具有球形度高、粉末粒度可控、氧含量低、生产成本低以及适应多种金属粉末的生产等优点,已成为高性能及特种合金粉末制备技术的主要发展方向,但雾化法具有生产效率低,超细粉末的收得率不高,能耗相对较大等缺陷。
2.机械粉碎法
固体金属的机械粉碎是一种独立的制粉方法,其机理的发展与固体应变的最终状态以及粉碎中裂纹的形成和扩展密切相关。同时,又作为某些制粉方法不可缺少的补充工序。例如研磨电解制得的硬脆阴极沉淀物,研磨还原制得的海绵状金属块等。因此,机械粉碎法在粉末生产中占有重要的地位。
粉碎方式由于物料的性质以及要求的粉碎细度不同,粉碎方式也不同。按施加外力作用方式不同,物料粉碎一般通过挤压、冲击、磨削和劈裂集中方式进行,各种粉碎设备的工作原理也多以这几种原理为主。
其中,球磨法主要分为滚动球法和振动球磨法。该方法利用了金属颗粒在不同的应变速率下因产生变形而破碎细化的机理。其优点是对物料的选择性不强,可连续操作,生产效率高,适用于干磨、湿磨,可以进行多种金属及合金的粉末制备。缺点是在粉末制备过程中分级比较困难。
3.研磨法
研磨法是将压缩气体经过特殊喷嘴后,喷射到研磨区,从而带动研磨区内的物料互相碰撞,摩擦成粉;气流膨胀后随物料上升进入分级区,由涡轮式分级器分选出达到粒度的物料,其余粗粉返回研磨区继续研磨,直至达到要求的粒度被分出为止。由于研磨法采用干法生产,从而省去了物料的脱水、烘干等工艺;其产品纯度高、活性大、分散性好,粒度细且分布较窄,颗粒表面光滑,被广泛地应用于非金属、化工原料、颜料、磨料、保健药品等行业的超细粉碎中。但研磨法也存在设备制造成本高,在金属粉末的生产过程中,必须使用连续不断的惰性气体或氮气作为压缩气源,耗气量较大,只适合脆性金属及合金的破碎制粉等不足。
性能指标
金属粉末属于松散状物质,其性能综合反映了金属本身的性质和单个颗粒的性状及颗粒群的特性。一般将金属粉末的性能分为化学性能、物理性能和工艺性能。化学性能是指金属含量和杂质含量。物理性能包括粉末的平均粒度和粒度分布,粉末的比表面和真密度,颗粒的形状、表面形貌和内部显微结构。工艺性能是一种综合性能,包括粉末的流动性、松装密度、振实密度、压缩性、成形性和烧结尺寸变化等。此外,对某些特殊用途还要求粉末具有其他的化学和物理特性,如催化性能、电化学活性、耐蚀性能、电磁性能、内摩擦系数等。金属粉末的性能在很大程度上取决于粉末的生产方法及其制取工艺。粉末的基本性能可用特定的标准检测方法测定。粉末粒度及其分布的测定方法很多,一般用筛分析法(>44μm)、沉降分析法(0.5~100μm)、气体透过法、显微镜法等。超细粉末(<0.5μm)用电子显微镜和 X射线小角度散射法测定。金属粉末习惯上分为粗粉、中等粉、细粉、微细粉和超细粉五个等级。
1.化学元素
对于3D打印用金属粉末纯净度要求很高。除测定主要元素及杂质元素外,对原材料的氧、氮、氢含量也有要求。
测定方法:由于测定方法众多,本文在此以钛合金为例说明:光谱分析仪测定钛合金中Fe、Al、V等元素;以惰性气体熔热传导/红外线原理的氧氮氢分析仪测定材料中氧、氮、氢含量;碳/硫分析仪测定原材料中碳元素含量,以上测定方法可综合使用。另外,还可采用能谱仪及X射线衍射仪定性或半定量对元素成分测定。
2.颗粒形状
颗粒形状是指粉末颗粒的几何形状。可笼统的划分为规则形状和不规则形状。而颗粒的形状对粉末的流动性、送装密度以及烧结熔融过程的影响很大。通常情况下金属粉床熔融过程要求粉末球形度越高越好。测定颗粒形貌时常用表面形状因子、体积形状因子和比例形状因子。
一般情况下,非球形粉末表面和内部结构疏松,导致打印件内部存在一定的气孔缺陷,而球形粉末在这一方面能较好的改善。
测定方法:颗粒表面积观测设备可用扫描电子显微镜。
3.粒径及粒度分布
通常用直径表示颗粒的大小称之为粒径。由于组成粉末的无数颗粒不属于同一粒径,因此需要用不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量来表征粉末颗粒的分布情况。表示不同尺寸的在一定尺寸区间的体积百分比。
4.松装密度
松装密度是粉末试样自然地充满规定容器时,单位容积的粉末质量。一般情况,粉末粒度越粗松装密度越大。粗细搭配的粉末能够获得更高的送装密度。
测定方法:松装密度的测定方法有:漏斗法、斯科特容量计法或震动漏斗法。漏斗法是用容积恒定及标准漏斗,粉末自由通过漏斗孔径到量杯中,直至完全充满量杯并有粉末从量杯溢出为止。利用公式:ρ=m/v,其中m为粉末试样质量;V为量杯容积。
5.流动性
流动性是指50g粉末从标准的流速漏斗流出所需要的时间,单位为s/50g。其倒数是单位时间流出的粉末的质量称之为流速。流动性是一个与形貌、粒度分布及送装密度相关的综合性参数。一般来说,粉末颗粒越大、颗粒形状越规则、粒度组成中极细的粉末所占的比例小,流动性相对比较好。而颗粒表面吸附水、气体等会降低粉末流动性。
与流动性相关的三个测试点:休止角、流出速度和压缩度,休止角是粉体堆积层的自由斜面与水平面所形成的最大角,是粒子在粉体堆积层的自由斜面上滑动时所受重力和粒子间摩擦力达到平衡而处于静止状态下测得。流出速度是将物料加入于漏斗中用测定的全部物料流出所需的时间来描述。压缩度反映了粉体的凝聚性、松软状态,是粉体流动性的重要指标。
测定方法: 测定粉末流动性使用两种流量计:霍尔流量计漏斗和卡尼漏斗。