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【ZT】新工艺，用高温高速火焰获得μm级粒径非晶细末已有5人参与
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【日经BP社报道】日本东北大学与日本HARD INDUSTRY合作开发出了使用高温高速火焰的雾化装置。并且，在岩手大学的协助下，使用该装置开发出了铁基细粉末的制造技术。日本东北大学、日本岩手大学及日本HARD INDUSTRY就合作开发的多项技术联合申请了专利。 采用三家机构合作开发的雾化方法，能够以低价格大量制备铁基细粉末。并且，能够制备平均粒径仅几μm的极细粉末。 如果在汽车上使用铁基细粉末，可以用于马达、电抗器、变压器的铁芯等磁力线通过的地方所使用的磁性材料、齿轮、连杆以及轴承盖等烧结合金零件。 磁性材料实现非晶态非常重要。因为处于非晶态时，磁滞小，可以降低损耗。使用此次开发的方法制备的铁基细粉末平均粒径小，能够加快冷却速度，容易实现非晶态。 粒径小对烧结合金也有好处。原来的粉末粒径在100～150μm，即使通过预成型冲压，也有7％左右的空洞。拉伸时，裂缝会由此扩大，因此强度得不到很大提高。有人曾想将变速箱的齿轮换成烧结金属来降低成本，但因烧结金属的强度不如通过切削和研削制造出来的普通齿轮而未能实现。而利用此次开发的方法制备的粒径比原来小2个数量级，因此空洞少，能够提高强度。 另外，此次开发出的粉末粒径已经小到了能从模具接缝漏出来的水平。要想实际使用，需要开发密封模具接缝的技术。 此外，作为精密铸造工艺的替代技术备受关注的MIM（Metal Injection Molding）法将金属粉末喷射到模具上来制造成型品。如果颗粒变细，则能够提高流动性，射出成型更加容易。 原来制造铁基细粉末时，多用水和气体喷流吹向熔融金属进行雾化。其中，水雾化法要使用2～10MPa左右的高压水，因此需要昂贵的高压水泵。而气雾化法要使用10MPa的高压气体，因此法律上的安全规定较为严格。采用这两种方法制造出来的材料成本都很高。 而此次开发的工艺是将熔化的金属放在火焰上加速加热。至于如何冷却制备粉末，将在今后陆续公布，该方法比现在的水雾化法和气雾化法都简单，有望以低价格大量制造铁基细粉末。 新雾化法燃烧便宜的煤油，形成速度为1600m/秒左右、温度为1600 ℃左右的向下的火焰。在其上由坩埚供应熔融的金属，然后加热加速（图1）。燃烧气体剪断熔融金属，制成细颗粒。由于温度高时，能够减小表面张力和粘性，因此颗粒变得很细。  图1：使用超小型L字型燃烧器的“Counter Frame Jet Atomized法”的模式图 实际上，燃烧器从4个方向环绕。 熔融金属从坩埚出来后变成高温，然后，在不接触任何地方的情况下骤冷。由于高温的熔融金属不接触任何地方，因此不管什么材料都可以提高温度。普通的水雾化法和气雾化法用坩埚来快速冷却熔融金属。从坩埚出来的金属温度受坩埚耐热温度限制，因此温度不能升得太高。如果勉强提高温度，会减少耐火材料的寿命，操作起来也很危险。 原来的方法一直努力提高气体和水喷流的温度和速度，而此次开发的方法大大改变了思路，转而提高熔融金属的温度和速度。 实验确认实现非晶态 此次开发的雾化装置要使火焰交叉合并，因此开发部门称之为“Counter Frame Jet Atomized法（CFJA法）”。有两种类型，使用多个燃烧器的类型和使用环状燃烧器的类型。其中，前者使用4台燃烧器，以50度顶角交叉合并。4个方向的喷流在交点合并后向下。 4台燃烧器的燃烧条件用定序器自动控制，以维持稳定火焰的速度平衡〔图2（a）〕。与4支火焰的交点（图上端中央的亮点）交叉后的火焰流保持稳定，不弯曲，竖直向下。交叉后，火焰内部仍有冲击波引起的条状痕迹，由此可以推测充分维持着超音速。 在4支火焰的交点上持续供应熔融金属〔图2（b）〕。可以发现熔融金属发明亮的橙色光。亮度随着位置下移缓慢降低，亮度分布也逐渐横向扩展。  图2：4台燃烧器的火焰交叉合并 （a）最上面的白色三角形正在交叉，只有燃烧气体向下流动。（b）由此浇注熔融金属，由于高温高速，能够制成细粉。 使用该工艺制备了磁性材料使用的铁基合金（Fe-2.5Cr-6.7Si-2.5B-0.7C）粉末。从粉末的X线衍射图上看不到表明有结晶的明显峰值，只看到广泛分布的图形（图3）。这表明处于非晶态。  图3：使用此次开发的装置制造的铁基合金粉末的X线衍射图 由于衍射强度没有明显的峰值，可以判断处于非晶态。 粉末外观方面，由于无法分级，看起来粒度不均，不过比较接近球状（图4）。而用水雾化法制备的粉末表面更加粗糙，形状不接近球形。此次的粉末接近球状，因此流动性好，烧结之后有望制成细密的成型品。放大时，可以看到含有粒径为几μm的颗粒（图5）。 （记者：浜田基彦，《日经汽车技术》）  图4：使用此次开发的装置制造的铁基合金粉末的电子显微镜照片 可见能够稳定制备接近球形的颗粒。如果采用水雾化法，表面会更加粗糙，不是球形。  图5：进一步放大图4的照片 可以看到几μm及更小的颗粒。 [ Last edited by comma on 2013-4-4 at 11:38 ] |
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