详述制作热喷涂粉末的工艺和设备

上海东建中

摘要：在焊接行业经常用到的合金粉末有用于钎焊的各类纯金属和合金粉末、用于热喷涂的铁基、镍基、钴基等各类合金粉末，用于管状焊丝的中间合金粉末。不同的用途对合金粉末的要求是不一样的，合金粉末的质量好坏将直接影响产品的质量。本文根据作者的多年实践经验，详细介绍了合金粉末的生产工艺和用于制作合金粉末的雾化制粉设备的性能和特点。

关键词：合金粉末、热喷涂、制粉设备、水雾化、气雾化

1．前言

在焊接行业，经常要用到各种合金粉末。它们有用于钎焊的各类纯金属和合金粉末、用于热喷涂的铁基、镍基、钴基等各类合金粉末，用于管状焊丝的中间合金粉末。

2．合金粉末的用途

2.1热喷涂合金粉末

热喷涂是一种表面强化技术，一直是我国重点推广的新技术项目。它采用电弧、等离子弧、燃气一氧气等形式的热源，将金属或非金属材料加热到熔化或半熔化状态，并在高速气流的作用下使之雾化成微细熔滴或高温颗粒，以很高的飞行速度喷射到经过处理的工件表面，形成牢固的覆盖层，从而使工件表面获得不同硬度、耐磨、耐腐、耐热、抗氧化、隔热、绝缘、导电、密封、消毒、防微波辐射以及其他各种特殊物理化学性能。它可以在设备维修中修旧利废，使报废了的零部件“起死回生”；也可以在新产品制造中进行强化和预保护，使其“益寿延年”。

喷涂粉末在整个热喷涂材料中占据十分重要的地位。热喷涂合金粉末包括镍基、铁基和钴基合金粉，按不同的涂层硬度，分别应用于机械零部件的修理和防护。热喷涂技术经过多年的发展，在国内已形成了一个完整的设备的研究和生产体系，目前从事这一工作的有二十多个单位，能够生产各种类型的氧乙炔火焰喷涂设备、喷熔设备、电弧喷涂设备，成套等离子喷涂设备、喷焊设备，各种专用的配套设备等。热喷涂合金粉末作为热喷涂作业中的必需品，国内也有几十家企业在生产。

2.2常用的热喷涂粉末的用途

表一就是几种常用的热喷涂合金粉末的化学成份，它们是钴基、镍基、铁基、铜基和不锈钢合金粉末。

表一：几种常用的热喷涂合金粉末的化学成份

牌号CBSiCrFeCoNiWMoCo-.8-1.20.5-2.01.5-2.-24≤7余量10--9-Co-.5-1.00.5-1.01.2-2.-28≤5余量-4-65-7Ni-25≤0.21.0-2.03.0-4.5-≤8-余量--Ni-.3-0.71.5-3.52.5-4.-17≤-16余量--Ni-.6-1.02.5-4.53.0-5.-17≤15-余量--Fe-.3-0.61.5-2.52.5-3.-16余量-26-32--Fe-.1-0.21.5-2.21.5-2.-19余量1-27-91-21-2Cu-1.0-2.01.5-4.5-≤3-12-17Mn≤1Cu余18-8≤0.06-1.-19余量-7-9--≤0.06-1.-19余量-11-13-1.5-2.5

注：粉末的粒度根据用户的要求确定，一般有-~+，-~+目等规格。

镍基自熔性合金粉末是以镍元素为基体，添加铬、硼、硅、碳、铜、钼、等元素组成，合金粉末熔点低，自溶性好，具有耐蚀、耐磨、耐热、抗氧化等性能，是目前使用最广泛的一种自熔性喷焊合金粉末。

铁基合金粉末分为两种，一种是不锈钢型，含有较多的镍和铬元素；另一种是高铬铸铁型，含有较高的铬和碳元素。

钴基自熔性合金粉末是以钴元素为基体，添加铬、钨、镍、硼、硅等元素组成，具有优越的高温性能，良好的红硬性、耐磨性和抗氧化性能。

铜基自熔性合金粉末是以铜元素为基体，添加适量的镍、铬、硼、硅、锰等元素组成，这类合金粉末具有机械性能好，塑性高、易于加工、耐蚀性好、摩擦系数低等特点。

2.3中间合金粉末

除了用于热喷涂的合金粉末外，制作管状焊丝的中间合金粉末的用量正在迅速增加。管状焊丝问世虽然已有六十多年的历史，但广泛应用还是近十年来的事，主要原因是它的制作工艺和管内填料的不成熟和不完善。特别是管内的填料，当两种或两种以上的粉末在比重上相近的情况下，采用机械混合法仍不失为一种经济而实用的制粉工艺，至今，仍有不少生产厂家在采用。但当两种或两种以上的粉末在比重上相差较大时，采用机械混合法就难以混合均匀，制成的管状焊丝存在着粉末偏析的情况，造成成份偏析，对焊接质量产生不利的影响。为克服这一问题，有人专门做了试验，选用了机械混合的金属粉和水雾化制造的合金粉两种填充粉末，制作成管状焊丝，进行焊接性能试验。试验结果表明，采用填充雾化合金粉末的管状焊丝，质量可靠，操作容易，堆焊层成份均匀，含氢量低，抗气孔能力强。所以，采用中间合金不失为一个好的解决管状焊丝粉末偏析的办法，国内已有厂家采用了这一工艺。

管状焊丝很可能是今后发展的主要焊材，目前我国刚起步，无论质量、品种、数量与国外相比，均有较大差距。管状焊丝可以利用碳钢带制成较高合金成分的药芯焊丝,如耐热钢、低温钢、耐候钢、不锈钢、管线用的专用药芯焊丝。这一点比起实芯焊丝和焊条来讲有更大的优越性。

2．雾化法制作合金粉末的工艺

2.1制粉原理

除电弧和线材火焰喷涂外，其它所有喷涂工艺都是以粉末为喷涂材料的。粉末材料包罗万象、适应性强、工艺可靠，能提供各种涂层功能，在高技术领域中应用很广，这些特点是其它形式的材料无法比拟的。经过多年的发展与创新，对各种化学组成的材料都建立了相当完善的制粉方法：其中金属、合金、自熔合金通常采用雾化法，即水雾化——水冷，气雾化——气冷和气雾化一水冷三种方式。雾化工艺自六十年代初问世以来，给热喷涂材料开创了新局面，用于热喷涂的合金粉末，粉末的松装密度、流动性、熔点、硬度、热膨胀系数、氧含量等性能，对涂层的性能的影响是相当重要的，为了制得所需的合金粉末，工业上主要采用的是气雾化法和水雾化法，两种方法的主要区别在于所采用的雾化介质不同，其制粉的原理是一样的。

雾化合金制粉的工艺过程[1]大致如下：

配料→熔炼→除渣→脱氧→雾化→粉末收集→干燥→筛分→成份检测→包装入库

雾化法制作合金粉末，属于物理方法制粉。它是将来自气瓶的高压气体作为气刀或将来自高压水泵的高压水作为水刀，对熔化后，经漏嘴约束后成一细流的熔融金属液流进行切割，雾化成极微小的金属液滴，最后凝固成合金粉末。

2.2生产过程

在生产中，首先，按配方准备好制作金属粉末的原材料，启动中频，按熔炼工艺的要求，放入金属开始溶炼，一般容易氧化的金属在熔化的后期放入。当本炉的金属全部在炉内熔化后，进行造渣，去除金属液中的杂质，然后进行脱氧。在此同时，启动高压水泵，（对于气雾化，则是打开气阀。）使雾化系统处于待命状态。操作人员各就各位，作好雾化前的准备工作。准备好以后，开始进行金属粉末的雾化，此时雾化现场噪声很大，对于采用五十到六十公斤炉子的，正常的雾化时间在五分钟左右。如果炉子的容量大，雾化的时间就长，有的长达半小时以上，这就会造成炉内的金属液前后的温度相差较大，为了保温，还得不断对炉内的金属加热，长时间处于液态下的金属，会不停地氧化，随着金属元素的烧损，其化学成份也会发生变化，结果，生产出的金属粉末，出现色差，总的含氧量增大，有时成份也会发生偏离。所以，为了减少金属液的氧化，金属熔炉采用五十到六十公斤的比较好。

凝固后的金属粉末，在高温时还是相当容易氧化的，所以须在无氧或低氧的环境下让其冷却到室温，才能减少粉末的含氧量。如果是采用水雾化法制作的金属粉末，还得进行干燥处理。在干燥时，须根据金属粉末对氧的敏感性，采用不同的烘干方法。容易氧化的金属粉末，要采用真空干燥方法。干燥后的金属粉末，先取样进行化学成份的化验，如果合格，再按用户的要求进行筛分，包装入库。对于同种的金属粉末，筛下物可作为回炉粉回收利用。

3．雾化法制作合金粉末的设备

制作热喷涂的合金属粉末的设备，可以有各种组合，以年产一百吨到二百吨的合金粉末制作系统为例，其设备投资额在三十万左右，主要要用到以下这些设备：

中频电源及熔炼炉，这是熔化金属的主要设备，要求设备的耗电量低，熔化效率高，维修保养方便。这是标准设备，各地都有厂家生产。辅助的工具有筑炉的工具，熔炼时用的铁棒、石墨棒、测温仪、将大块金属切开的剪板机、气割机等。

雾化装置，它包括金属液漏斗、中间漏包、雾化器（又称喷嘴）、筒体、操作平台、管路系统、高压水泵、离心水泵、水池、对于气雾化，不需要高压水泵、离心水泵、水池，但需要配备气瓶组，及相应的阀和表。这是雾化制粉的核心设备，因为都是非标准设备，所以都是自行设计制造，其中的关键部分是雾化器，它对该套设备的生产效率有很大的影响。

干燥装置，主要有远红外加热炉、真空烘干炉、烘粉盘、粉耙、勺子、漏斗、小车、盛粉桶等。

包装设备：主要有筛分机、磅称、打包机、混粉机、瓶装氮气、（用于容易氧化的金属粉末的保护，一般是在放有容易氧化的金属粉末的桶中，充入氮气后密封，这样可以在一定时间内防止桶中的金属氧化。）手推车等。

检测设备：成套的标准筛，用于粉末粒度的检测；放大三十倍的显微镜；金相显微镜；硬度计；天平；粉末化学成份的检测一般是外送当地的商检局检测，一是成份测得准，二是权威，可信度高。

采用气雾化时，受瓶装氮气压力的限制，通常可采用的雾化压力在八到十个大气压。采用水雾化时，常用的雾化压力有一百个大气压到三百个大气压，为了生产三百目以上的细粉，也有采用五百个大气压的雾化压力的。最近，为了能生产出细度在一千目以上的超细合金粉末，国内已有厂家兴建了雾化压力在一千个大气压的超高压水雾化装置。

4．水雾化与气雾化合金粉末性能及成本的比较

4.1粉末形状

水雾化与气雾化制作合金粉末的方法，虽然制粉的原理相同，但制得的粉末的物理性能相差还是很大的，特别是形状。由于气体的热容量要比水小，所以采用气雾化时，合金受到的激冷度低，受到雾化介质冲击时，雾化成细小液滴的合金液不会马上凝固，这给了合金液滴在下落过程中收缩成球的时间，所以容易获得球形合金粉末。水雾化时情形正好相反，由于水对雾化成细小合金液滴的激冷作用，几乎是在一瞬间，就凝固成了合金粉末，这使得那些表面张力较小的合金形成的合金粉末，呈土豆状或不规则形状，只有那些表面张力较大的合金，例如镍基合金，才能做成球形合金粉末。通过调整雾化参数和雾化时合金液的过热度，采用水雾化也能做出近似球形的合金粉末，满足热喷涂的需要。用于管状焊丝的中间合金粉末，形状上没有特别的要求，水雾化比较适合。

4.2化学成份

不论是采用水雾化还是采用气雾化，制作出的合金粉末的化学成份不会因为制作方法的不同而产生差异。

4.3金相组织

采用气雾化制作的合金粉末，合金的过冷度要比采用水雾化做的小许多，所以相同的化学成份，采用不同的雾化方法做出的合金粉末的金相组织会不一样。

4.4合金粉末的氧含量

合金粉末的氧含量，与合金本身对氧的敏感性和雾化时的雾化环境中的氧含量有关。如果合金本身对氧非常敏感，则不仅在雾化时要采取措施，在熔化时最好也采用真空熔炼。对于大多数合金，只要在雾化时采取减少与氧的接触，就能达到降低合金粉末中氧的含量的目的。气雾化时，通常是使用氮气作为雾化介质，大量的氮气充满了雾化区，将雾化区的氧气驱逐掉了，所以能保护合金液滴在雾化及冷却时很少氧化。

当一炉熔融的合金液被雾化成金属粉末时，它的表面积在雾化的一瞬间增大了无数倍，换言之，其与氧结合的面积也增大了，有更多的金属表面暴露在雾化环境中。所以，水雾化时，如果不采取措施，是无法避免合金液滴的氧化的。为了在水雾化时，能让雾化环境少氧或无氧，首先，必须将雾化筒体密封起来，将雾化环境与周围的环境隔绝开来。其次，是要将已封闭起来的雾化筒体中的氧气排除掉。最后，是在雾化的过程中一直保持这样的一个无氧或低氧的雾化环境，直到雾化结束，合金液滴全部凝固成合金粉末。

4.5投资额

水雾化和气雾化在设备上投入的资金是差不多的，气雾化的筒体的投入资金较大，但雾化介质工作组——气瓶组及表、阀投入小；水雾化则相反，雾化筒体投入要比气化小，但高压水泵、离心水泵的投入要大于气雾化雾化介质工作组。其它部分，二者的投入是相近的，综合起来，就差不多了。

主要的设备设资额估算：

1，中频电源及熔炼炉 　　　四万至五万，中频电源及熔炼炉，国内生产的企业有很多，质量也已很好，是一种成熟的产品，售后服务也不错，但价格相差很大，太别是一些比较小的企业，因为生产规模小，生产成本就高，开出的价就比较高，其高价的理由，可能是能为你提供一些别的生产企业所没有的比较特别的功能。其实，无论什么功能，就用户来讲，如果能了解其原理，就明白其实是不会因为有了这些功能，会给设备增加很大成本的。有的功能完全可以用其他方式获得。

2，水泵，高压水泵和其他水泵　五至六万　为了保证雾化正常进行，高压水泵是必不可少的，雾化的压力在二百至三百公斤，除此外，还须另外配小的水泵，用于中频线圈降温；以及其他辅助供水。

3，雾化本体，四至五万　包括中间包、漏嘴、雾化器（有的称为喷嘴或模具等）、雾化筒、收粉系统、表具、管路等，这部分是非标准设备，可自已按图制作，如果请供货方制作，则费用须翻一翻，因为制作者的材料、人工、税收、利润等，均是由你这里给出，制作方的利润通常为百分之四十左右。自己制作的另外一个优点是，可以将你的经验溶入到你的设备中去，为你以后改进工艺打下基础。同时，你在制作过程中，将核心技术掌握在了自己企业的手中，随着国内企业技术水平的不断提高，以后企业间的竟争，将从劳动力、资本、规模逐渐向技术方面转变，一个企业有自己的核心技术，才能在市场竞争中立于不败之地。

4，技术服务及技术诀窍费用，一般在五万。就雾化方法制作金属粉末来讲，设备是死的，通过一段时间的学习实践，就能熟练掌握。接下来，就是灵活地运用技术手段，制作金属粉末的过程了，这当中，实际上是一个知识运用与积累的过程，必要的指导能让你少走弯路，生产出优质产品来。

5，其他辅助设备　五万。如烘干、筛分、称量、包装、操作平台、风机、管道、检测设备等。这当中，有的设备可以使用厂里原来的，有的则需要另外购置。

6，不可预计费　五万。现在的材料价格，时有波动，它的波动，必然的会影响到整个投资额，所以需要预作准备。

根据以上的估算，整套设备，总的投入在二十五万至三十万，如果节省些的话，二十万也是可能拿下来的。

4.6单位合金粉末生产成本

每公斤合金粉末的生产成本，气雾化要比水雾化高，实际测算，一瓶氮气，大约可做十到二十公斤的合金粉末，（合格粉的收得率多少与雾化器的效率有关）合到一公斤的合金粉末需要五元左右的雾化费用。水雾化时，雾化介质所消耗的主要是运行水泵时的电能，一次雾化下来，最多合到一公斤的合金粉末用掉零点五元的电费。由于这个原因，市场上气雾化合金粉末一般要比水雾化的贵一些。

参考文献：

[1]东建中，不锈钢粉的高压水雾化制作及应用，[J]新材料产业，（1）：33

本文作者简介：

东建中，男，上海人，从事雾化法制作金属粉末的技术服务二十来年，对雾化法制作各类金属粉末、生产不锈钢丸、制作鳞片状金属粉末（铜金粉、铝银浆、片状锌粉、不锈钢鳞片粉等）的工艺和设备，深有研究。现为上海市机械工程学会会员、上海市焊接学会会员，从一九八九年起，陆续在全国性会议和专业刊物上发表有关金属粉末方面的技术文章三十余篇。