中國(guó)鑄造網(wǎng)： 1．前言

    在焊接行業(yè)，經(jīng)常要用到各種合金粉末。它們有用于釬焊的各類純金屬和合金粉末、用于熱噴涂的鐵基、鎳基、鈷基等各類合金粉末，用于管狀焊絲的中間合金粉末。

    2．合金粉末的用途

    2.1 熱噴涂合金粉末

    熱噴涂是一種表面強(qiáng)化技術(shù)，一直是我國(guó)重點(diǎn)推廣的新技術(shù)項(xiàng)目。它采用電弧、等離子弧、燃?xì)庖谎鯕獾刃问降臒嵩矗瑢⒔饘倩蚍墙饘俨牧霞訜岬饺刍虬肴刍癄顟B(tài)，并在高速氣流的作用下使之霧化成微細(xì)熔滴或高溫顆粒，以很高的飛行速度噴射到經(jīng)過(guò)處理的工件表面，形成牢固的覆蓋層，從而使工件表面獲得不同硬度、耐磨、耐腐、耐熱、抗氧化、隔熱、絕緣、導(dǎo)電、密封、消毒、防微波輻射以及其他各種特殊物理化學(xué)性能。它可以在設(shè)備維修中修舊利廢，使報(bào)廢了的零部件“起死回生”；也可以在新產(chǎn)品制造中進(jìn)行強(qiáng)化和預(yù)保護(hù)，使其“益壽延年”。

    噴涂粉末在整個(gè)熱噴涂材料中占據(jù)十分重要的地位。熱噴涂合金粉末包括鎳基、鐵基和鈷基合金粉，按不同的涂層硬度，分別應(yīng)用于機(jī)械零部件的修理和防護(hù)。熱噴涂技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在國(guó)內(nèi)已形成了一個(gè)完整的設(shè)備的研究和生產(chǎn)體系，目前從事這一工作的有二十多個(gè)單位，能夠生產(chǎn)各種類型的氧乙炔火焰噴涂設(shè)備、噴熔設(shè)備、電弧噴涂設(shè)備，成套等離子噴涂設(shè)備、噴焊設(shè)備，各種專用的配套設(shè)備等。熱噴涂合金粉末作為熱噴涂作業(yè)中的必需品，國(guó)內(nèi)也有十多家企業(yè)在生產(chǎn)。

    2.2 常用的熱噴涂粉末的用途

    鎳基自熔性合金粉末是以鎳元素為基體，添加鉻、硼、硅、碳、銅、鉬、等元素組成，合金粉末熔點(diǎn)低，自溶性好，具有耐蝕、耐磨、耐熱、抗氧化等性能，是目前使用最廣泛的一種自熔性噴焊合金粉末。

    鐵基合金粉末分為兩種，一種是不銹鋼型，含有較多的鎳和鉻元素；另一種是高鉻鑄鐵型，含有較高的鉻和碳元素。

    鈷基自熔性合金粉末是以鈷元素為基體，添加鉻、鎢、鎳、硼、硅等元素組成，具有優(yōu)越的高溫性能，良好的紅硬性、耐磨性和抗氧化性能。

    銅基自熔性合金粉末是以銅元素為基體，添加適量的鎳、鉻、硼、硅、錳等元素組成，這類合金粉末具有機(jī)械性能好，塑性高、易于加工、耐蝕性好、摩擦系數(shù)低等特點(diǎn)。

    2.3 中間合金粉末

    除了用于熱噴涂的合金粉末外，制作管狀焊絲的中間合金粉末的用量正在迅速增加。管狀焊絲問(wèn)世雖然已有六十多年的歷史，但廣泛應(yīng)用還是近十年來(lái)的事，主要原因是它的制作工藝和管內(nèi)填料的不成熟和不完善。特別是管內(nèi)的填料，當(dāng)兩種或兩種以上的粉末在比重上相近的情況下，采用機(jī)械混合法仍不失為一種經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的制粉工藝，至今，仍有不少生產(chǎn)廠家在采用。但當(dāng)兩種或兩種以上的粉末在比重上相差較大時(shí)，采用機(jī)械混合法就難以混合均勻，制成的管狀焊絲存在著粉末偏析的情況，造成成份偏析，對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。為克服這一問(wèn)題，有人專門做了試驗(yàn)，選用了機(jī)械混合的金屬粉和水霧化制造的合金粉兩種填充粉末，制作成管狀焊絲，進(jìn)行焊接性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用填充霧化合金粉末的管狀焊絲，質(zhì)量可靠，操作容易，堆焊層成份均勻，含氫量低，抗氣孔能力強(qiáng)。所以，采用中間合金不失為一個(gè)好的解決管狀焊絲粉末偏析的辦法，國(guó)內(nèi)已有廠家采用了這一工藝。

    管狀焊絲很可能是今后發(fā)展的主要焊材，目前我國(guó)剛起步，無(wú)論質(zhì)量、品種、數(shù)量與國(guó)外相比，均有較大差距。管狀焊絲可以利用碳鋼帶制成較高合金成分的藥芯焊絲,如耐熱鋼、低溫鋼、耐候鋼、不銹鋼、管線用的專用藥芯焊絲。這一點(diǎn)比起實(shí)芯焊絲和焊條來(lái)講有更大的優(yōu)越性。

    3．霧化法制作合金粉末的工藝

    3.1 制粉原理

    除電弧和線材火焰噴涂外，其它所有噴涂工藝都是以粉末為噴涂材料的。粉末材料包羅萬(wàn)象、適應(yīng)性強(qiáng)、工藝可靠，能提供各種涂層功能，在高技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用很廣，這些特點(diǎn)是其它形式的材料無(wú)法比擬的。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展與創(chuàng)新，對(duì)各種化學(xué)組成的材料都建立了相當(dāng)完善的制粉方法：其中金屬、合金、自熔合金通常采用霧化法，即水霧化——水冷，氣霧化——?dú)饫浜蜌忪F化一水冷三種方式。霧化工藝自六十年代初問(wèn)世以來(lái)，給熱噴涂材料開(kāi)創(chuàng)了新局面，用于熱噴涂的合金粉末，粉末的松裝密度、流動(dòng)性、熔點(diǎn)、硬度、熱膨脹系數(shù)、氧含量等性能，對(duì)涂層的性能的影響是相當(dāng)重要的，為了制得所需的合金粉末，工業(yè)上主要采用的是氣霧化法和水霧化法，兩種方法的主要區(qū)別在于所采用的霧化介質(zhì)不同，其制粉的原理是一樣的。

    霧化合金制粉的工藝過(guò)程大致如下：

    配料→熔煉→除渣→脫氧→霧化→粉末收集→干燥→篩分→成份檢測(cè)→包裝入庫(kù)

    霧化法制作合金粉末，屬于物理方法制粉。它是將來(lái)自氣瓶的高壓氣體作為氣刀或?qū)?lái)自高壓水泵的高壓水作為水刀，對(duì)熔化后，經(jīng)漏嘴約束后成一細(xì)流的熔融金屬液流進(jìn)行切割，霧化成極微小的金屬液滴，最后凝固成合金粉末。

    3.2 生產(chǎn)過(guò)程

    在生產(chǎn)中，首先，按配方準(zhǔn)備好制作金屬粉末的原材料，啟動(dòng)中頻，按熔煉工藝的要求，放入金屬開(kāi)始溶煉，一般容易氧化的金屬在熔化的后期放入。當(dāng)本爐的金屬全部在爐內(nèi)熔化后，進(jìn)行造渣，去除金屬液中的雜質(zhì)，然后進(jìn)行脫氧。在此同時(shí)，啟動(dòng)高壓水泵，（對(duì)于氣霧化，則是打開(kāi)氣閥。）使霧化系統(tǒng)處于待命狀態(tài)。操作人員各就各位，作好霧化前的準(zhǔn)備工作。準(zhǔn)備好以后，開(kāi)始進(jìn)行金屬粉末的霧化，此時(shí)霧化現(xiàn)場(chǎng)噪聲很大，對(duì)于采用五十到六十公斤爐子的，正常的霧化時(shí)間在五分鐘左右。如果爐子的容量大，霧化的時(shí)間就長(zhǎng)，有的長(zhǎng)達(dá)半小時(shí)以上，這就會(huì)造成爐內(nèi)的金屬液前后的溫度相差較大，為了保溫，還得不斷對(duì)爐內(nèi)的金屬加熱，長(zhǎng)時(shí)間處于液態(tài)下的金屬，會(huì)不停地氧化，隨著金屬元素的燒損，其化學(xué)成份也會(huì)發(fā)生變化，結(jié)果，生產(chǎn)出的金屬粉末，出現(xiàn)色差，總的含氧量增大，有時(shí)成份也會(huì)發(fā)生偏離。所以，為了減少金屬液的氧化，金屬熔爐采用五十到六十公斤的比較好。

    凝固后的金屬粉末，在高溫時(shí)還是相當(dāng)容易氧化的，所以須在無(wú)氧或低氧的環(huán)境下讓其冷卻到室溫，才能減少粉末的含氧量。如果是采用水霧化法制作的金屬粉末，還得進(jìn)行干燥處理。在干燥時(shí)，須根據(jù)金屬粉末對(duì)氧的敏感性，采用不同的烘干方法。容易氧化的金屬粉末，要采用真空干燥方法。干燥后的金屬粉末，先取樣進(jìn)行化學(xué)成份的化驗(yàn)，如果合格，再按用戶的要求進(jìn)行篩分，包裝入庫(kù)。對(duì)于同種的金屬粉末，篩下物可作為回爐粉回收利用。

    4．霧化法制作合金粉末的設(shè)備

    制作熱噴涂的合金屬粉末的設(shè)備，可以有各種組合，以年產(chǎn)一百噸到二百噸的合金粉末制作系統(tǒng)為例，其設(shè)備投資額在三十萬(wàn)左右，主要要用到以下這些設(shè)備：

    中頻電源及熔煉爐，這是熔化金屬的主要設(shè)備，要求設(shè)備的耗電量低，熔化效率高，維修保養(yǎng)方便。這是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，各地都有廠家生產(chǎn)。輔助的工具有筑爐的工具，熔煉時(shí)用的鐵棒、石墨棒、測(cè)溫儀、將大塊金屬切開(kāi)的剪板機(jī)、氣割機(jī)等。

    霧化裝置，它包括金屬液漏斗、中間漏包、霧化器（又稱噴嘴）、筒體、操作平臺(tái)、管路系統(tǒng)、高壓水泵、離心水泵、水池、對(duì)于氣霧化，不需要高壓水泵、離心水泵、水池，但需要配備氣瓶組，及相應(yīng)的閥和表。這是霧化制粉的核心設(shè)備，因?yàn)槎际欠菢?biāo)準(zhǔn)設(shè)備，所以都是自行設(shè)計(jì)制造，其中的關(guān)鍵部分是霧化器，它對(duì)該套設(shè)備的生產(chǎn)效率有很大的影響。

    干燥裝置，主要有遠(yuǎn)紅外加熱爐、真空烘干爐、烘粉盤、粉耙、勺子、漏斗、小車、盛粉桶等。

    包裝設(shè)備：主要有篩分機(jī)、磅稱、打包機(jī)、混粉機(jī)、瓶裝氮?dú)?、（用于容易氧化的金屬粉末的保護(hù)，一般是在放有容易氧化的金屬粉末的桶中，充入氮?dú)夂竺芊?，這樣可以在一定時(shí)間內(nèi)防止桶中的金屬氧化。）手推車等。

    檢測(cè)設(shè)備：成套的標(biāo)準(zhǔn)篩，用于粉末粒度的檢測(cè)；放大三十倍的顯微鏡；金相顯微鏡；硬度計(jì)；天平；粉末化學(xué)成份的檢測(cè)一般是外送當(dāng)?shù)氐纳虣z局檢測(cè)，一是成份測(cè)得準(zhǔn)，二是權(quán)威，可信度高。

    采用氣霧化時(shí)，受瓶裝氮?dú)鈮毫Φ南拗?，通常可采用的霧化壓力在八到十個(gè)大氣壓。采用水霧化時(shí)，常用的霧化壓力有一百個(gè)大氣壓到三百個(gè)大氣壓，為了生產(chǎn)三百目以上的細(xì)粉，也有采用五百個(gè)大氣壓的霧化壓力的。最近，為了能生產(chǎn)出細(xì)度在一千目以上的超細(xì)合金粉末，國(guó)內(nèi)已有廠家興建了霧化壓力在一千個(gè)大氣壓的超高壓水霧化裝置。

    5．水霧化與氣霧化合金粉末性能及成本的比較

    5.1 粉末形狀

    水霧化與氣霧化制作合金粉末的方法，雖然制粉的原理相同，但制得的粉末的物理性能相差還是很大的，特別是形狀。由于氣體的熱容量要比水小，所以采用氣霧化時(shí)，合金受到的激冷度低，受到霧化介質(zhì)沖擊時(shí)，霧化成細(xì)小液滴的合金液不會(huì)馬上凝固，這給了合金液滴在下落過(guò)程中收縮成球的時(shí)間，所以容易獲得球形合金粉末。水霧化時(shí)情形正好相反，由于水對(duì)霧化成細(xì)小合金液滴的激冷作用，幾乎是在一瞬間，就凝固成了合金粉末，這使得那些表面張力較小的合金形成的合金粉末，呈土豆?fàn)罨虿灰?guī)則形狀，只有那些表面張力較大的合金，例如鎳基合金，才能做成球形合金粉末。通過(guò)調(diào)整霧化參數(shù)和霧化時(shí)合金液的過(guò)熱度，采用水霧化也能做出近似球形的合金粉末，滿足熱噴涂的需要。用于管狀焊絲的中間合金粉末，形狀上沒(méi)有特別的要求，水霧化比較適合。

    5.2 化學(xué)成份

    不論是采用水霧化還是采用氣霧化，制作出的合金粉末的化學(xué)成份不會(huì)因?yàn)橹谱鞣椒ǖ牟煌a(chǎn)生差異。

    5.3 金相組織

    采用氣霧化制作的合金粉末，合金的過(guò)冷度要比采用水霧化做的小許多，所以相同的化學(xué)成份，采用不同的霧化方法做出的合金粉末的金相組織會(huì)不一樣。

    5.4 合金粉末的氧含量

    合金粉末的氧含量，與合金本身對(duì)氧的敏感性和霧化時(shí)的霧化環(huán)境中的氧含量有關(guān)。如果合金本身對(duì)氧非常敏感，則不僅在霧化時(shí)要采取措施，在熔化時(shí)最好也采用真空熔煉。對(duì)于大多數(shù)合金，只要在霧化時(shí)采取減少與氧的接觸，就能達(dá)到降低合金粉末中氧的含量的目的。氣霧化時(shí)，通常是使用氮?dú)庾鳛殪F化介質(zhì)，大量的氮?dú)獬錆M了霧化區(qū)，將霧化區(qū)的氧氣驅(qū)逐掉了，所以能保護(hù)合金液滴在霧化及冷卻時(shí)很少氧化。

    當(dāng)一爐熔融的合金液被霧化成金屬粉末時(shí)，它的表面積在霧化的一瞬間增大了無(wú)數(shù)倍，換言之，其與氧結(jié)合的面積也增大了，有更多的金屬表面暴露在霧化環(huán)境中。所以，水霧化時(shí)，如果不采取措施，是無(wú)法避免合金液滴的氧化的。為了在水霧化時(shí)，能讓霧化環(huán)境少氧或無(wú)氧，首先，必須將霧化筒體密封起來(lái)，將霧化環(huán)境與周圍的環(huán)境隔絕開(kāi)來(lái)。其次，是要將已封閉起來(lái)的霧化筒體中的氧氣排除掉。最后，是在霧化的過(guò)程中一直保持這樣的一個(gè)無(wú)氧或低氧的霧化環(huán)境，直到霧化結(jié)束，合金液滴全部凝固成合金粉末。

    5.5 投資額

    水霧化和氣霧化在設(shè)備上投入的資金是差不多的，氣霧化的筒體的投入資金較大，但霧化介質(zhì)工作組­——?dú)馄拷M及表、閥投入小；水霧化則相反，霧化筒體投入要比氣化小，但高壓水泵、離心水泵的投入要大于氣霧化霧化介質(zhì)工作組。其它部分，二者的投入是相近的，綜合起來(lái)，就差不多了。

    5.6 單位合金粉末生產(chǎn)成本

    每公斤合金粉末的生產(chǎn)成本，氣霧化要比水霧化高，實(shí)際測(cè)算，一瓶氮?dú)?，大約可做十到二十公斤的合金粉末，（合格粉的收得率多少與霧化器的效率有關(guān)）合到一公斤的合金粉末需要五到十元的霧化介質(zhì)費(fèi)用。水霧化時(shí)，霧化介質(zhì)所消耗的主要是運(yùn)行水泵時(shí)的電能，一次霧化下來(lái)，最多合到一公斤的合金粉末用掉零點(diǎn)五元的電費(fèi)。由于這個(gè)原因，市場(chǎng)上氣霧化合金粉末一般要比水霧化的貴一些。