霧化工藝對彌散銅粉末制備及成形的影響

文章編號：2096-2983（2025）04-0076-06

引文格式：，．霧化工藝對彌散銅粉末制備及成形的影響[J]．有色金屬材料與工程，2025，46（4）：76-81．DOI： 10.13258/j.cnki.nmme.202407020o1.XU Chunwei， LOU Dongge.Influence of atomization process on the preparation and forming of dispersed copper powder[J].Nonferrous Metal Materials and Engineering， 2025， 46（4）： 76-81.

關鍵詞：氮氣霧化；水霧化； Al₂O₃ 彌散銅；粉末中圖分類號：TG146.11 文獻標志碼：A

Influence of atomization process on the preparation and forming of dispersed copper powder

XU Chunwei， LOU Dongge （Chinalco Luoyang Copper Processing Co.， Ltd.，Luoyang 471oo3， China）

Abstract： To gain a deper understanding of the influence of atomization processes on the properties and formability of Al₂O₃ -dispersed copper powders， two atomization methods nitrogen atomization and water atomization were employed to prepare Al₂O₃ -dispersed copper powders. This study investigated the effects of atomization pressure on the particle size composition， oxidation degree，and apparent density of the powders produced by both methods.Additionally，the cold isostatic pressing （CIP） formability of the nitrogen-atomized and water-atomized Al₂O₃ -dispersed copper powders was explored.The results indicated that， under an atomization pressure of 10MPa ， the powder yield of -100- mesh water-atomized dispersed copper powders was approximately 30% higher than that of nitrogenatomized powders. Water-atomized powders contained a significantly higher content of Al₂O₃ ， with the Al₂O₃ content exceeding twice that of nitrogen-atomized powders at the same particle size. Moreover， the tap density of water-atomized powders was lower， reaching around 70% of that of nitrogen-atomized powders. Under the same particle size and loose packing conditions， the CIP formability of nitrogenatomized dispersed copper powders was inferior to that of water-atomized powders.

Keywords： nitrogen atomization; water atomization; Al₂O₃ dispersion copper; powder

Al₂O₃ 彌散強化銅因具有優良的高溫強度、高導電性和高導熱性[-3]，在電阻焊電極、大推力火箭發動機內襯、結晶器、高鐵接觸線及電磁發射裝置等高新技術領域具有廣闊的應用前景[47]。但彌散強化銅合金制備工藝復雜、周期長，且影響其質量因素較多。其中，首道工序霧化制粉是關鍵，粉末質量直接決定產品的最終性能。

霧化法制備金屬以及合金粉末在粉末冶金行業中生產使用率較高[8，且成本較低，目前已實現大規模生產[]。其原理為：霧化介質沖擊金屬液流，使金屬液流破碎成小液滴，小液滴經快速冷卻后，形成金屬粉末[]。常見的霧化方法有水霧化和氣霧化，水霧化制備金屬粉末雖生產成本低、粒度范圍窄，但所得金屬粉末氧含量較高，球形度較差[1-12]。氣霧化制備的金屬粉末球形度高，然而，因高壓下氣體能量較低，制備的粉末粒度范圍較廣，且氣體霧化的生產成本更高[13]。高性能、低成本粉末的廣泛應用不僅改變了粉末冶金工業的生產內容，還促進了粉末冶金生產方式的變革。發展高性能粉末及其制備技術已成為當今材料科學與工程研究中一個十分活躍的高科技前沿領域[14-20]。本文采用高純氮氣和水兩種霧化介質制備彌散銅合金粉末，分析了霧化壓力對 Al₂O₃ 彌散強化銅粉末粒度組成、氧化程度及松裝密度的影響；探討了氮氣和水兩種霧化方式對 Al₂O₃ 彌散強化銅合金材料冷等靜壓成形性的影響，研究結果可為 Al₂O₃ 彌散強化銅合金生產提供一定的借鑒

試驗部分

1.1 試驗設備

試驗采用KGPS160-1型中頻感應爐熔煉銅鋁母合金，然后采用水霧化法或氮氣霧化法將熔融的銅鋁母合金霧化成粉末，氣體霧化設備示意圖如圖1所示。水霧化設備示意圖與氣體霧化設備示意圖結構相似。

1—感應加熱坩蝸熔化爐；2—排氣罩；3—保溫漏包；4—噴嘴；5—集粉器； 6—集細粉器；7—取粉車；8—空氣壓縮機；9—壓縮空氣容器；10—氮氣瓶；11—分配閥。

圖1氣體霧化制取銅鋁合金粉設備示意圖Fig.1Schematic diagram of equipment for producing copper aluminum alloy powder by gas atomization

1.2 試驗方法

分別用高純氮氣和水作為霧化介質，制備Al₂O₃ 彌散強化銅粉末，并觀察其形貌。在不同壓力條件下氮氣霧化和水霧化制備 Cu-0.58Al 彌散強化銅粉末，分析霧化壓力對 Al₂O₃ 彌散強化銅粉末粒度組成、氧化程度及松裝密度的影響。采用相同-100目及以下氮氣霧化和水霧化粉末（ Cu-0.58Al） ，進行冷等靜壓，觀察氮氣霧化和水霧化制備粉末冷等靜壓成形情況。

2 試驗結果及分析

2.1 氮氣霧化和水霧化彌散銅粉末形貌

氮氣霧化制備彌散銅合金粉末，由于氮氣霧化冷卻速度慢，液滴在冷卻過程中受表面張力的影響，液滴趨向于球形，因此凝固后的粉末顆粒多呈橢圓形或球形（AI含量越低，球形粉末占比越高）。水霧化制備彌散銅粉末，由于水冷卻速度快，液滴來不及球化，因此，多呈不規則形狀，見圖2和圖3。

2.2 霧化壓力對彌散銅粉末的影響

霧化介質壓力是影響霧化粉末性能的主要因素之一。霧化介質流體的動能越大，金屬液流的破碎效果就越好。而流體的動能與運動的機械能一樣，可用其速度和質量（對流體來說是流量）兩個參數來描述，即 N=mν²/2 。因此，要增大氣體的動能 N_?rosun 可以增大流量，也可以提高流速，但因為 Nooν² ，故提高流速效果更為顯著。用水作霧化介質時，由于水不可壓縮，只有采用高壓水才能獲得更高的流速[21-22]。分別用不同壓力的氮氣霧化和水霧化制備Cu-0.58A1彌散強化銅粉末，分析其對粉末粒度、氧化程度及松裝密度的影響。

2.2.1氮氣霧化及水霧化壓力對粉末粒度的影響

霧化彌散銅粉所得粉末粒度組成與壓縮氮氣和水壓力之間的關系見表1，從表1可以看出， 10MPa 壓力條件下氮氣霧化-100目出粉率為 52% ，而水霧化制備的彌散銅合金粉末 -100 目出粉率達到80% 以上； 5MPa 壓力條件下，氮氣霧化-100目出粉率僅為 43% ，而水霧化制備的彌散銅合金粉末-100 目出粉率為 72% ，即同種（不同）霧化介質條件下，氣體（液體）壓力越高，所得粉末越細，這是因為隨著壓力的增加，霧化介質的出口速度增大，動能也增大，因而沖擊熔體更加劇烈，使熔體破碎更加充分。相同壓力條件下，水霧化-40目以下的出粉率較氮氣霧化出粉率高。這是由于水比氣體的黏度大且冷卻能力強。

圖2彌散銅霧化粉末Fig.2Dispersed copper atomized powder

圖3彌散銅霧化粉末顯微組織

Fig.3Microscopic structure of dispersed copper atomized powder

表1霧化壓力對氮氣和水霧化彌散銅粉末粒度組成的影響Tab.1Effect of atomization pressure on particle size composition of nitrogen and water atomized dispersed copper powdel

注： +40 目表示40目篩不可通過； -40 目表示40目篩可通過，余同。

2.2.2氮氣及水霧化壓力對粉末氧化程度的影響

氣體壓力不但直接影響粉末的粒度組成，同時還間接影響粉末的成分。表面氧化物是霧化粉末中氧含量的主要來源[18]。彌散銅粉霧化過程中，溶體溫度高，溶質鋁易于氧反應生成 Al₂O₃ Al₂O₃ 含量的多少，反映了彌散銅粉末的氧化程度。分析不同壓力條件下氮氣霧化與水霧化后粉末中 Al₂O₃ 形成的含量，見表2，從表中可以看出，氮氣霧化時， 10MPa 及 5MPa 壓力條件下， Al₂O₃ 含量質量分數均在0.049% 以下，而水霧化時， 10MPa 及 5MPa 壓力條件下， Al₂O₃ 質量分數在 0.10% 左右，粉末越細，氧化越嚴重， Al₂O₃ 質量分數也越高。這是由于氮氣是惰性氣體，在霧化前，對霧化筒內進行抽真空處理，再沖入氮氣，然后進行氮氣霧化。氮氣霧化時，氧含量很低，霧化過程中，溶質鋁高溫氧化形成的Al₂O₃ 含量也較低；水霧化時，當熔融的金屬流體與高壓霧化水接觸時會產生大量的水蒸氣，高溫下水蒸氣會與金屬發生反應，反應生成的金屬氧化膜附著在粉末表面而導致粉末的氧含量上升，因此霧化時形成的 Al₂O₃ 質量分數量也較高，相同粒度下Al₂O₃ 質量分數量為氮氣霧化的2倍以上。

表2霧化壓力對氮氣和水霧化彌散銅粉末 Al₂O₃ 含量的影響

Tab.2 Effect of atomization pressure on the Al₂O₃ content of nitrogen and water atomized dispersed copper powdel

2.2.3氮氣及水霧化壓力對松裝密度的影響

粉末顆粒的充填結構是粉末成形的關鍵。粉末的充填密度直接關系到粉末的體積壓實程度、黏結劑含量及燒結時的收縮率。不同壓力條件下氮氣霧化與水霧化粉末的松裝密度分析結果見表3。從表3中可以看出，同種霧化條件下，彌散銅粉末顆粒越細，松裝密度越大；不同霧化條件下，水霧化彌散銅粉末松裝密度較氮氣霧化彌散銅粉末低，約為氮氣霧化粉末的 70% 左右。這主要是由于水霧化顆粒表面不規則，顆粒間存在摩擦力。表面粗糙度越大，形狀越不規則，則粉末的松裝密度越低。粒度相同形狀不同的粉末，松裝密度隨形狀偏離球形程度的增大而降低。

2.3 氮氣霧化和水霧化對彌散銅合金冷等靜壓成形性的影響

冷等靜壓成形是將裝滿粉末并密封好的包套模浸泡于充滿液體的壓室中，封閉壓室后通過外部的液壓裝置對包套施加壓力，壓制完成后，將包套從壓室中取出，解除包套密封后，即可獲得壓制后的壓坯。采用-100目及以下氮氣霧化和水霧化粉末（ Cu-0.58Al） 相同方式松裝包套后進行冷等靜壓，由圖4可知，水霧化彌散銅粉末形狀不規則，冷等靜壓粉錠成形性能好良好，壓出來的粉錠表面光滑，兩端壓的很實，不易掉粉；而氮氣霧化則不同，粉錠成形性能較差，兩端不易壓實，粉末損失較大，有時會出現斷裂甚至不成形。

表3霧化壓力對氮氣和水霧化彌散銅粉松裝密度的影響

Tab.3Effect of atomization pressure on the loose density of nitrogen and water atomized dispersed copper powder

圖4彌散銅冷等靜壓錠

Fig.4Dispersive copper cold isostatic pressing ingot

3結論

（1）氮氣霧化粉末較水霧化粉末球形度高，霧 化壓力越高，所得粉末粒度越細。 （2）水霧化制備的彌散銅合金粉末中 Al₂O₃ 的 質量分數較氮氣霧化粉末的高，相同粒度下 Al₂O₃ 的質量分數為氮氣霧化粉末的2倍以上。 （3）粉末顆粒越細，松裝密度越大；水霧化彌散 銅粉末的松裝密度較氮氣霧化彌散銅粉末的低，約 為氮氣霧化粉末的 70% 左右。 （4）同粒度松裝條件下，氮氣霧化制備彌散銅 合金粉末冷等靜壓成形性較水霧化制備的彌散銅 合金粉末差。

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（編輯：畢莉明）