低松装密度雾化铜粉生产

2019-09-02

1前言

铜粉是粉末冶金制品生产使用的重要原料。国际工业性铜粉的生产开始于20世纪20年代,当时使用的生产方法为还原铜氧化法和电解法。50年代以后,国际上出现了新的铜粉生产方法——置换沉淀法和水冶法,后来,又出现了雾化法。

我国于1958年开始了铜粉的试制工作。当时进行的是电解铜粉的生产试验。60年代中期,电解铜粉试制获得成功并投入小批量生产。70年代中期,我国建立了第一条电解铜粉的生产线。80年代并90年代,随着我国国民经济的迅速发展,铜粉用量大幅度增加。为了满足市场需求,国内一些大型企业通过挖潜革新和进行技术改造,使铜粉产量翻了几番。在此期间,相继建立和发展了10多个铜粉生产企业,全国铜粉的生产能力达到4000t左右,年产量平均约1400t。

铜粉的生产方法主要有电解法,水雾化法和氧化还原法3种。电解法生产历史悠久,工艺成熟。用电解法生产的铜粉,具有树枝状的微观形状,还有比表面发达、纯度高、成形性能好等特点,因而广泛应用于粉末冶金制品、电碳制品、铜基摩擦材料、金刚石制品和电工合金等生产领域,目前在我国仍有广阔的市场。然而,用电解法生产铜粉有着严重污染环境和能耗高的缺点。为此,60年代国外开始采用Atmising-Oxidizing-Reducing(简称AOR)法制造铜粉。美国OMG(SCM)公司使用AOR法生产低松装密度铜粉已达30多年,目前的年产量近2万t(基本情况可参阅IntroductionofOMGroupInc)。但是在我国,这项技术最近两年才开始研究。这说明,随着当前我国政府和人民的生态环境保护意识的提高,已在考虑并着手采用低能耗,无环境污染的生产方法来进行工业生产。在铜粉生产方面,能够替代电解法的,当首推雾化制粉法。但是,实践证明,单一雾化法生产的铜粉存在松装密度大、成形性差等缺点,在实际应用中无法替代电解铜粉。因此,近年笔者采用水雾化制粉,再加上氧化还原等后续处理工艺(即AOR法),研制开发了符合环保需要的低松装密度雾化铜粉。本文仅对该产品的生产工艺、粉末形貌和性能,以及应用结果等作一个简要的介绍。

2生产工艺
AOR铜粉的工艺流程如图1所示。

图1AOR铜粉工艺流程图

2.1雾化
工业化的雾化铜粉生产分气雾化法和水雾化法两种。生产实践证明,水雾化生产效果比气雾化好。相同的粒度及粒度组成的水雾化和气雾化铜粉,在相同的后续处理条件下,其氧化效果及成品的松装密度是不同的,见表1。
表1相同粒度及粒度组成铜粉的氧化结果比较


究其原因,水雾化粉末的颗粒形状比气雾化粉末不规则,因而更有利于加快氧化速度。

2.2氧化
氧化过程对生产高性能低松装密度铜粉的影响极大。在生产中发现,氧化方式、氧化时间及氧化温度对粉末的氧化效果影响很大。特别是在相同的氧化时间和氧化温度条件下,氧化方式对氧化效果的影响尤其大。氧化方式分为静态及动态两种方式。静态氧化时,铜粉氧化速度十分缓慢,而且容易结块;动态氧化则不然,故其氧化效果甚佳。两种氧化方式的比较见表2。
表2氧化方式对铜粉氧化效果的影响


当然,在氧化过程中,适当的氧化温度和氧化时间也很重要,这里不再论述。

2.3还原
还原过程相对比较简单,还原温度一般为400~600℃,时间60~120min。

2.4破碎
还原后的铜粉,呈块状,有时板结严重,需要破碎。但须注意,破碎方式对成品的松装密度影响很大,它能直接影响成品的成形性能。普通滚动球磨,仅只磨15~30min,就会使松装密度从2.49g/cm3提高到3.3g/cm3。为了克服该问题,笔者专门设计并制造了一套破碎装置,使用时不会提高粉末的松装密度,而且破碎效率高,效果十分理想。

2.5抗氧化处理
铜粉由于自身特点,容易氧化,我们采用自己开发的氧化剂处理后,其抗氧化效果可达2年之久。

3粉末性能
3.1粉末形貌
采用AOR法研制开发的低松装密度雾化铜粉,其微观形状为珊瑚不规则状,比表面发达,成形性好,能够替代电解铜粉,其颗粒形貌见图2。

图2所制AOR铜粉的颗粒形貌


3.2粉末性能
所制AOR铜粉的化学成分和工艺性能分别示于表3和表4。
表3AOR铜粉的化学成分


表4AOR铜粉的工艺性能


4应用结果
用AOR法生产的铜粉,由于微观形状呈不规则状,氧含量低,成形性好,工艺性能稳定,故能替代电解铜粉。应用于铁基制品及对生坯强度要求较高的铜基摩擦材料、电碳制品中,经过国内几家知名的粉末冶金和电碳企业大量使用,效果十分理想。
AOR铜粉在抗氧化效果方面比电解铜粉好,在相同条件下,AOR法铜粉抗氧化效果比电解铜粉高1倍。这一点对使用铜粉的金刚石工具生产企业尤为重要,因为这些企业铜粉一次用量较少,因而要求粉末的保质期长,抗氧化效果好。使用结果令用户满意。

5结论
(1)使用AOR法成功地生产出低松装密度铜粉。该方法完全可以替代污染环境、能耗高的电解法,从而开辟了高性能铜粉生产的新工艺。

(2)AOR铜粉具有形状不规则、成形性好、抗氧化性好等优点,在应用方面完全可以替代电解铜粉。

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