高壓水霧化法制備MIM不銹鋼粉末工藝研究

摘要:利用水霧化法制備不銹鋼粉末，并研究了漏嘴內徑和霧化壓力對粉末形貌、氧含量、粉末粒度分布以及振實密度的影響。采用激光粒度分析儀、掃描電子顯微鏡對樣品進行表征。結果表明:當水霧化壓力為115 MPa.漏嘴內徑為3.5 mm時，可制備出平均粒徑較小且分布均勻(D₅₀為8.83μm，D₉₀為20.80μm)氧含量較低，振實密度高的不銹鋼細粉。

關鍵詞:高壓水霧化;不銹鋼粉末;粒度;氧含量;振實密度

   不銹鋼作為一種高合金含量的特殊鋼種，具有良好的抗腐蝕性能、抗氧化性能以及強度高、韌性好等諸多優異性能，應用領域極其廣泛。隨著粉末冶金相關工藝的發展，對不銹鋼粉末也提出了越來越高的要求。目前，工業化制備不銹鋼粉末多采用霧化法，主要包括水霧化法和氣霧化法。氣霧化方法制備的粉末具有良好的球形度、高振實密度和低氧含量等特性。但較水霧化相比，氣霧化采用惰性氣體為霧化介質，在一定程度上增加了成本，且氣體介質能量低，霧化制備的粉末粒度較粗。水霧化采用高壓水作為霧化介質，具有霧化動力大，冷卻速率快，成分均勻，壓制成形性能好以及生產成本低廉等優點，得到越來越廣泛的應用。一般來說，在水霧化過程中，金屬熔體與介質水在高溫下易發生氧化反應，致使粉末的氧含量較高。此外，由于水霧化冷卻速率快，粉末呈現出不規則形貌。目前，國內在采用水霧化法制備金屬粉末時，多采用相對較低的霧化壓力，約為80 MPa，制備的金屬粉末平均粒徑相對較粗，且難以制備出球形度較好，尺寸分布均勻的細粉，一定程度上限制了該方法的發展。

   本文采用激光粒度分析儀、掃描電子顯微鏡、氧氮分析儀和振實密度測試儀，研究在超高壓水霧化制備不銹鋼金屬粉末過程中，漏嘴內徑和霧化壓力對不銹鋼粉末的粒度分布、形貌、氧含量以及振實密度的影響。

1實驗

1.1實驗方法

   主要原料為316L不銹鋼棒材。根據鋼種成分要求，將主要原材料及相關輔料按配比在中頻感應爐中進行冶煉熔化，熔化溫度為1 320 ～1 380 ℃ ;然后，在熔化后的鋼水中取樣，并采用直讀光譜儀檢測成分，以確保鋼液成分在實驗要求范圍內，其成分范圍如表1所示。熔化后的鋼液從中問包中過渡注入霧化區后，經不同內徑的漏嘴流出，被不同壓力的高壓水流擊碎分散成不銹鋼粉末，選用的霧化壓力分別為70 , 85 , 95 , 105 ,115MPa，漏嘴內徑分別為3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 mm;隨后，霧化后的粉末再經水粉分離、真空干燥等處理。

圖1為高壓水霧化制備不銹鋼粉末的工藝流程圖。

表1 316L不銹鋼成分分布(質量分數)%

圖1高壓水霧化制備不銹鋼粉末的工藝流程圖

1.2實驗表征

   將霧化后的粉末經真空干燥處理，然后進行微觀結構和宏觀性能的表征。采用白特儀器有限公司的BT-800激光粒度分析儀測試粉末的平均粒徑及顆粒分布曲線，采用日本電子JXA-8100型掃描電子顯微鏡來表征粉末微觀形貌，采用鋼研納克檢測技術有限公司的ON-1000型氧氮分析儀分析粉末的氧元素質量分數，采用恒宇儀器有限公司的HY-100粉體密度測試儀測定振實密度。

2結果及討論

2.1漏嘴內徑對不銹鋼粉末粒度的影響

   由于實驗中采用的漏嘴內徑較小，為了確保所選用的不同型號漏嘴均不出現堵包，水霧化壓力采用115 MPa。圖2是在水霧化壓力為115 MPa的條件下，漏嘴內徑尺寸與不銹鋼粉末顆粒尺寸的關系曲線。

   由圖2可知，隨著漏嘴內徑的減小，粉末平均粒徑D₅₀從11.73μm降低到8.83 μm, D₉₀則由28.19μm降到了20.80 μm，即在115 MPa水霧化條件下，隨漏嘴內徑的減小，不銹鋼粉末粒度越來越小。這是因為，隨漏嘴內徑的減小，單位時問進入霧化區的熔漿體積流量減小，單位熔漿所受到的高壓水沖擊力明顯增加，熔漿得以充分破碎，在一定程度上減小了粉末顆粒的平均尺寸。當漏嘴內徑為3.0 mm時，粉末平均粒徑最小，約為7.36 μm，但由于熔體流量小，粉末冷卻速度較快，粉末多呈現不規則形貌，振實密度( 3.5～3.8 g/cm³)偏低。此外，由于漏嘴內徑尺寸過小，熔體在漏嘴里的溫度明顯降低，熔體黏度增加，在霧化過程中易凝固堵包，所以不考慮3.0mm的漏嘴。因此，本實驗選擇3.5 mm的漏嘴內徑進行以下水霧化壓力的研究。

圖2不同漏嘴內徑與粉末顆粒尺寸的關系

2.2水霧化壓力對不銹鋼粉末粒度的影響

圖3是漏嘴內徑為3.5 mm時，粉末顆粒尺寸隨不同霧化壓力的變化曲線。研究表明，當霧化壓力從70 MPa逐漸升高至115 MPa，粉末平均粒徑D₅₀由13.69μm降低至8.83 μm, D₉₀由31.30μm降低到20.80 μm，即隨霧化壓力的增加，不銹鋼粉末顆粒尺寸越來越小。這主要是因為，隨著霧化壓力的增加，高壓水流從噴嘴中出來的速度增大，動能增加，對熔漿的沖擊力明顯增大，粉末的霧化效果更加明從而制備出不銹鋼粉末的顆粒尺寸偏小。當也并非霧化壓力越大越好，霧化壓力過大，不僅顯然增加了能耗，對設備要求也更高，生產成本增加。

圖3不同水霧化壓力與粉末顆粒尺寸的關系

圖4(a)是漏嘴內徑為3.5 mm時，不同霧化壓力條件下，不銹鋼粉末的累積顆粒尺寸分布圖。由圖可知，當霧化壓力為115 MPa時，不銹鋼粉末尺寸基本都小于30.00 μm;當霧化壓力降至70 MPa時，不銹鋼粉末的尺寸多數達到40.00 μm;此外，當霧化壓力為85～105 MPa時，粉末的累積顆粒尺寸分布變化不大。圖4(b)為與圖4(a)對應的顆粒尺寸區問分布圖。由圖可知，霧化壓力為70 MPa制備的不銹鋼粉末尺寸分布范圍較寬，且存在2個主峰，分別對應于2.50 μm和10.00 μm，尺寸分布極不均勻。隨著霧化壓力的增加，主峰往顆粒尺寸變小的方向平移，且分布范圍越來越窄，粉末顆粒尺寸隨霧化壓力的增大越來越均勻，當霧化壓力為115 MPa時，顆粒尺寸分布范圍相對最窄，尺寸更均勻。其原因是，采用3.5 mm的漏嘴內徑，熔體流量適中，在115 MPa高壓水沖擊和表面張力作用下，熔體得以充分破碎、形成細小的球形液滴并以合適速率進行冷卻等。

(a)累積分布;(b)區間分布

圖4不同水霧化壓力制備不銹鋼粉末的顆粒尺寸分布

2.3霧化壓力對不銹鋼粉末形貌的影響

   圖5是不同水霧化壓力下所制備不銹鋼粉末的形貌。由圖可知，當霧化壓力為70 MPa時(圖5(a))顆粒尺寸極不均勻，鋼液霧化不完全，粉末顆粒表面較為粗糙，球形度很低;此外，由于粉末顆粒較為粗大，粉末的冷卻速度過慢，易發生氧化反應，顆粒表面氧化層較厚，致使粉末也呈現出不規則形貌。隨霧化壓力的增加，粉末顆粒尺寸趨于均勻，球形度越來越好。當水霧化壓力為115 MPa時，不銹鋼粉末的球形度最高，顆粒尺寸分布最為均勻，與上述的粒度分析結果相符。

2.4霧化壓力對粉末振實密度和氧含量的影響

粉末的比表面積隨顆粒尺寸減小而顯著增大，表面能增高，氧含量控制困難。另外，不銹鋼中常存在少量Cr, Si等元素，容易形成相應氧化物。如果制備過程中，在粉末表面形成Cr₂O₃,Si0₂等薄膜，在后續真空及H₂氣氛燒結時，這些氧化物不易被還原，影響燒結過程的致密化，進而嚴重影響材料的性能。此外，氧含量過高，制備的產品不僅容易生銹，且抗腐蝕等性能明顯降低。當漏嘴內徑為3.5mm時，霧化壓力對不銹鋼粉末振實密度和氧含量的影響如表2所示。由表可知，當水霧化壓力為115 MPa時，制備出的不銹鋼粉末氧含量最低，性能**。這主要是由于霧化壓力越大，霧化介質水對粉末的冷卻效果越明顯，粉末的平均粒度越小，在一定程度上防止了不銹鋼粉末顆粒的氧化，故隨霧化壓力增加，粉末的氧含量呈不斷降低的趨勢。

   振實密度在一定程度上反映粉末的球形度。在相同的平均粒度條件下，振實密度高即球形度好的粉末制備喂料具有如下特性:(1)喂料所需粘結劑量較少;(2)喂料具有較好的流動性;(3}制品的燒結收縮尺寸易于控制，易于制備出尺寸精度要求較高的制品。因此，粉末的振實密度越高，性能越好。由表2可知，在115 MPa的霧化壓力條件下制備的不銹鋼粉末振實密度最高，球形度**，與SEM結果相符。

(a) 70 MPa; (b) 85MPa；(c) 95 MPa；(d) 105 MPa；(e) 115 MPa

圖5不同霧化壓力下制備不銹鋼粉末的SEM照片

表2在不同霧化壓力條件下制備不銹鋼粉末的性能

3.結論

   采用高壓水霧化法制備不銹鋼粉末，并研究了漏嘴內徑和霧化壓力對粉末粒度分布、微觀形貌、氧含量以及振實密度的影響。結果表明:

   (1)在115 MPa霧化壓力，漏嘴內徑為3.5 mm的條件下，不銹鋼粉末平均粒徑最小(D₅₀為8.83 μm,D₉₀為20.80μm);

   (2)隨著漏嘴內徑的增大，粉末顆粒尺寸逐漸增大;

   (3)隨著霧化壓力增大，粉末顆粒尺寸逐漸減小，尺寸分布更加均勻，氧含量較低，振實密度較高。