氣霧化制備鎳基合金釬焊粉的研究方法

林業偉+蔡志紅+劉宏江+陳平

摘 要：本文針對電熱行業中鎳基焊膏對不銹鋼釬焊工藝的要求，通過改進氣霧化制粉工藝，制取粒度細小、球形度高、氧含量低、高效低成本的鎳基合金釬焊粉，以滿足焊膏要求。通過對比實驗研究了霧化介質、熔液黏度、熔液過熱度、流速、霧化壓力及噴嘴結構等因素對霧化過程的影響，結果表明：采用真空霧化技術，氮氣壓力為3.5MPa、熔液過熱度為150℃、管徑為5mm、伸出長度為11mm時，采用緊耦合限制式噴嘴霧化出的粉末，具備微細、球形度高、氧含量低，高效低成本等特點，滿足了焊膏的制備要求。

關鍵詞：霧化；粉末；噴嘴；鎳基合金釬焊粉

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.021

在電熱行業中，很多焊口需要足夠的穩定性和耐腐蝕性。由于鎳基合金釬料在不銹鋼中的釬焊性較好，具有焊接強度高，耐腐蝕性強[1]等特點，而且焊口顏色與母材相近。在電熱行業中得到廣泛運用。

鎳基合金釬料熔點較高，且釬焊條件較為苛刻，一般采用爐中焊。有些不銹管的焊口極為復雜，在爐中焊前需先涂抹鎳基焊膏，而鎳基合金釬焊粉是焊膏質量好壞的一個關鍵組元。氣霧化法制備的粉末粒度細小、球形度高、氧含量低，是目前制備高性能合金粉末的主要方法[2-3]。

氣霧化制取鎳基合金釬焊粉過程中時常遇到霧化過中斷堵包，粉末較粗，球形度不高，氧含量較高等問題。本文通過研究霧化因素對霧化過程的影響，以提高鎳基釬焊粉的質量和效率。

1 試驗部分

（1）原料及設備。原料：BNi-7（BNi76CrP10）；設備：50kg真空感應爐、自行研制的霧化塔、氮氣站、篩粉機、混料機。

霧化塔高度8 m，直徑2 m，最高溫度可達1700℃；氮氣最高壓力設定為3MPa，供氣量為10m3/min，氣體純度為99.999%。篩粉機為實驗用篩粉機?；炝蠙C為V型混料機。

（2）工藝流程。投料量為40kg鎳基合金在真空感應爐中熔煉，抽真空后充入氮氣保護。當溫度達到1600℃時，把熔液倒入中間包，通過導液管進入霧化噴嘴，在高壓氣體下破碎成小液滴，并快速凝固成粉末，粉末收集于接粉罐中，更細的粉末經旋風抽吸進入旋風收集罐中。粉末經過140目孔徑的篩子篩分后，取140目以下粉末經過混料機均勻混合，最后再配制成膏。

2 霧化因素影響的結果分析

（1）霧化介質。氣霧化制粉主要分為兩種。一種是空氣霧化，利用空壓機壓縮獲得高壓氣體，通過噴嘴對熔體進行快速破碎，并迅速凝固成微細粉末。空氣來源簡單經濟，工藝適合規模化生產，但是粉末氧含量高，粉末形貌不規則，焊膏釬焊性能差。

另一種是真空霧化，真空霧化是在惰性氣體保護下，用惰性氣體進行霧化的方法。本廠采用高純氮氣制備出來的粉末具有氧含量低，球形度高，焊膏釬焊性能好。

（2）熔液過熱度。設定合金熔液過熱度分別為100℃、200℃，其他條件不變。經篩分后得粉率比較：200℃>100℃

這是因為合金熔液的過熱度愈高，熔液的黏度越小，破碎的阻力也越小，能量轉換更加充分，因此細粉產出率也越高。

但是在實際生產中，不能為了提高得粉率而無限制的提高熔液的過熱度。這樣做的結果會導致能耗增加，過高的溫度并不能明顯地提高細粉得率。另外，過高的溫度會降低坩堝和導流管的壽命，而且還會對設備安全構成一定的威脅。綜合考慮下，過熱度為150℃比較適合。

（3）流速。設定合金熔液過熱度為150℃，其他條件不變，我們使用的導流管有4mm、5mm、7mm，流速分別為5.7kg/min、10kg/min、20kg/min，霧化篩分后得粉率比較：4mm>5mm>7mm。

這是因為管徑越小，霧化時間越長，細粉收得率越高。但是，過細的管子在實際生產中并不理想，一是容易造成霧化過程中斷堵包，這是因為流速過慢，熔液溫度交換過慢，易造成固液共存現象，導致黏度增加，凝固的機率增大。二是流速過慢，導流管長時間在高溫下容易老化變形，這也是造成堵包的原因之一；嚴重時甚至造成管子熔穿。綜合考慮下，管徑5mm的導流管是最適宜的。

（4）噴嘴處管子伸出長度。設定管徑為5mm，其他條件不變，調整導流管在噴嘴口伸出的長度分別為10mm、11mm、12mm。霧化篩分后得粉率結果：10mm>11mm>12mm。

這是因為氣體交匯處的焦點的動能最大，吸力最大，導流管離焦點越近，流注被破碎的程度也越大。但是，在實際生產中，伸出的長度過短，管口處于焦點以上的回流區，此處回流壓力較大，就會造成熔液反冒現象，造成霧化中斷。在綜合比較之下，伸出的長度最合適為21mm。

（5）霧化壓力。設定其他條件不變，霧化壓力分別為3.0Mp和4.0Mp。霧化篩分后得粉率比較：3.0Mp<4.0Mp。

霧化壓力越大，熔體被破碎的程度也越大，細粉的收得率也越高。但是，不能為了提高得粉率而無限制的加大霧化壓力，這是因為真空爐是在密封的狀態下進行霧化的，壓力過大，會對爐身和管道構成一定的威脅。另外，過大的壓力也會造成氮氣浪費。所以綜合考慮下，霧化壓力為3.5MPa比較適合。

（6）霧化噴嘴。設定熔液流經兩種不同的霧化噴嘴，即自由落體式噴嘴和緊耦合限制式噴嘴。篩分后結果表明：采用緊耦合限制式噴嘴霧化出來的粉末較細，這是因為緊耦合限制式噴嘴縮短了氣體飛行的距離，減少了氣體流動過程動能的損失，從而提高了與金屬作用的氣流的速度和密度，增加了細粉的產量[4]。

3 結論

采用霧化介質為氮氣，過熱度為150℃，管徑為5.0，導流管伸出長度為21mm，霧化壓力為3.5 MPa，噴嘴結構為緊耦合限制式噴嘴的氣霧化工藝，制備出的鎳基合金釬焊粉具備微細、球形度高、氧含量低，高效低成本等特點，滿足了鎳焊膏的要求。

參考文獻：

[1]張啟運.釬焊手冊[M].北京：機械工業出版社，1999：83.

[2]歐陽洪武，陳欣，余文燾，黃伯云.氣霧化制粉技術發展歷程及展望[J].粉末冶金技術，2007（01）.

[3]陳仕奇，黃伯云.金屬粉末氣體霧化制備技術的研究現狀與進展[J].粉末冶金材料科學與工程，2003（03）.

[4]Miller S A. Close-coupled gas atomization of metal alloys [J].Metal Powder Report，1987（10）：702.