中國鑄造網(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化技術，一直是我國重點推廣的新技術項目。它采用電弧、等離子弧、燃氣一氧氣等形式的熱源，將金屬或非金屬材料加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，并在高速氣流的作用下使之霧化成微細熔滴或高溫顆粒，以很高的飛行速度噴射到經(jīng)過處理的工件表面，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、導電、密封、消毒、防微波輻射以及其他各種特殊物理化學性能。它可以在設備維修中修舊利廢，使報廢了的零部件“起死回生”；也可以在新產(chǎn)品制造中進行強化和預保護，使其“益壽延年”。

    噴涂粉末在整個熱噴涂材料中占據(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，分別應用于機械零部件的修理和防護。熱噴涂技術經(jīng)過多年的發(fā)展，在國內(nèi)已形成了一個完整的設備的研究和生產(chǎn)體系，目前從事這一工作的有二十多個單位，能夠生產(chǎn)各種類型的氧乙炔火焰噴涂設備、噴熔設備、電弧噴涂設備，成套等離子噴涂設備、噴焊設備，各種專用的配套設備等。熱噴涂合金粉末作為熱噴涂作業(yè)中的必需品，國內(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械性能好，塑性高、易于加工、耐蝕性好、摩擦系數(shù)低等特點。

    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。管狀焊絲問世雖然已有六十多年的歷史，但廣泛應用還是近十年來的事，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，當兩種或兩種以上的粉末在比重上相近的情況下，采用機械混合法仍不失為一種經(jīng)濟而實用的制粉工藝，至今，仍有不少生產(chǎn)廠家在采用。但當兩種或兩種以上的粉末在比重上相差較大時，采用機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，對焊接質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。為克服這一問題，有人專門做了試驗，選用了機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，進行焊接性能試驗。試驗結果表明，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。所以，采用中間合金不失為一個好的解決管狀焊絲粉末偏析的辦法，國內(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，目前我國剛起步，無論質(zhì)量、品種、數(shù)量與國外相比，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。這一點比起實芯焊絲和焊條來講有更大的優(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。粉末材料包羅萬象、適應性強、工藝可靠，能提供各種涂層功能，在高技術領域中應用很廣，這些特點是其它形式的材料無法比擬的。經(jīng)過多年的發(fā)展與創(chuàng)新，對各種化學組成的材料都建立了相當完善的制粉方法：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——氣冷和氣霧化一水冷三種方式。霧化工藝自六十年代初問世以來，給熱噴涂材料開創(chuàng)了新局面，用于熱噴涂的合金粉末，粉末的松裝密度、流動性、熔點、硬度、熱膨脹系數(shù)、氧含量等性能，對涂層的性能的影響是相當重要的，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→包裝入庫

    霧化法制作合金粉末，屬于物理方法制粉。它是將來自氣瓶的高壓氣體作為氣刀或將來自高壓水泵的高壓水作為水刀，對熔化后，經(jīng)漏嘴約束后成一細流的熔融金屬液流進行切割，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)過程

    在生產(chǎn)中，首先，按配方準備好制作金屬粉末的原材料，啟動中頻，按熔煉工藝的要求，放入金屬開始溶煉，一般容易氧化的金屬在熔化的后期放入。當本爐的金屬全部在爐內(nèi)熔化后，進行造渣，去除金屬液中的雜質(zhì)，然后進行脫氧。在此同時，啟動高壓水泵，（對于氣霧化，則是打開氣閥。）使霧化系統(tǒng)處于待命狀態(tài)。操作人員各就各位，作好霧化前的準備工作。準備好以后，開始進行金屬粉末的霧化，此時霧化現(xiàn)場噪聲很大，對于采用五十到六十公斤爐子的，正常的霧化時間在五分鐘左右。如果爐子的容量大，霧化的時間就長，有的長達半小時以上，這就會造成爐內(nèi)的金屬液前后的溫度相差較大，為了保溫，還得不斷對爐內(nèi)的金屬加熱，長時間處于液態(tài)下的金屬，會不停地氧化，隨著金屬元素的燒損，其化學成份也會發(fā)生變化，結果，生產(chǎn)出的金屬粉末，出現(xiàn)色差，總的含氧量增大，有時成份也會發(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，在高溫時還是相當容易氧化的，所以須在無氧或低氧的環(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，還得進行干燥處理。在干燥時，須根據(jù)金屬粉末對氧的敏感性，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，先取樣進行化學成份的化驗，如果合格，再按用戶的要求進行篩分，包裝入庫。對于同種的金屬粉末，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備

    制作熱噴涂的合金屬粉末的設備，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，其設備投資額在三十萬左右，主要要用到以下這些設備：

    中頻電源及熔煉爐，這是熔化金屬的主要設備，要求設備的耗電量低，熔化效率高，維修保養(yǎng)方便。這是標準設備，各地都有廠家生產(chǎn)。輔助的工具有筑爐的工具，熔煉時用的鐵棒、石墨棒、測溫儀、將大塊金屬切開的剪板機、氣割機等。

    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、管路系統(tǒng)、高壓水泵、離心水泵、水池、對于氣霧化，不需要高壓水泵、離心水泵、水池，但需要配備氣瓶組，及相應的閥和表。這是霧化制粉的核心設備，因為都是非標準設備，所以都是自行設計制造，其中的關鍵部分是霧化器，它對該套設備的生產(chǎn)效率有很大的影響。

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

    包裝設備：主要有篩分機、磅稱、打包機、混粉機、瓶裝氮氣、（用于容易氧化的金屬粉末的保護，一般是在放有容易氧化的金屬粉末的桶中，充入氮氣后密封，這樣可以在一定時間內(nèi)防止桶中的金屬氧化。）手推車等。

    檢測設備：成套的標準篩，用于粉末粒度的檢測；放大三十倍的顯微鏡；金相顯微鏡；硬度計；天平；粉末化學成份的檢測一般是外送當?shù)氐纳虣z局檢測，一是成份測得準，二是權威，可信度高。

    采用氣霧化時，受瓶裝氮氣壓力的限制，通?？刹捎玫撵F化壓力在八到十個大氣壓。采用水霧化時，常用的霧化壓力有一百個大氣壓到三百個大氣壓，為了生產(chǎn)三百目以上的細粉，也有采用五百個大氣壓的霧化壓力的。最近，為了能生產(chǎn)出細度在一千目以上的超細合金粉末，國內(nèi)已有廠家興建了霧化壓力在一千個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，合金受到的激冷度低，受到霧化介質(zhì)沖擊時，霧化成細小液滴的合金液不會馬上凝固，這給了合金液滴在下落過程中收縮成球的時間，所以容易獲得球形合金粉末。水霧化時情形正好相反，由于水對霧化成細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，呈土豆狀或不規(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。通過調(diào)整霧化參數(shù)和霧化時合金液的過熱度，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，形狀上沒有特別的要求，水霧化比較適合。

    5.2 化學成份

    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成份不會因為制作方法的不同而產(chǎn)生差異。

    5.3 金相組織

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

    5.4 合金粉末的氧含量

    合金粉末的氧含量，與合金本身對氧的敏感性和霧化時的霧化環(huán)境中的氧含量有關。如果合金本身對氧非常敏感，則不僅在霧化時要采取措施，在熔化時最好也采用真空熔煉。對于大多數(shù)合金，只要在霧化時采取減少與氧的接觸，就能達到降低合金粉末中氧的含量的目的。氣霧化時，通常是使用氮氣作為霧化介質(zhì)，大量的氮氣充滿了霧化區(qū)，將霧化區(qū)的氧氣驅逐掉了，所以能保護合金液滴在霧化及冷卻時很少氧化。

    當一爐熔融的合金液被霧化成金屬粉末時，它的表面積在霧化的一瞬間增大了無數(shù)倍，換言之，其與氧結合的面積也增大了，有更多的金屬表面暴露在霧化環(huán)境中。所以，水霧化時，如果不采取措施，是無法避免合金液滴的氧化的。為了在水霧化時，能讓霧化環(huán)境少氧或無氧，首先，必須將霧化筒體密封起來，將霧化環(huán)境與周圍的環(huán)境隔絕開來。其次，是要將已封閉起來的霧化筒體中的氧氣排除掉。最后，是在霧化的過程中一直保持這樣的一個無氧或低氧的霧化環(huán)境，直到霧化結束，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­——氣瓶組及表、閥投入?。凰F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，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，實際測算，一瓶氮氣，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）合到一公斤的合金粉末需要五到十元的霧化介質(zhì)費用。水霧化時，霧化介質(zhì)所消耗的主要是運行水泵時的電能，一次霧化下來，最多合到一公斤的合金粉末用掉零點五元的電費。由于這個原因，市場上氣霧化合金粉末一般要比水霧化的貴一些。