一種基于金屬微球成型裝置制備脆性金屬微球的方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于金屬微球成型裝置制備脆性金屬微球的方法，金屬微球成型裝置包括上部熔室和下部腔體；熔室主要用于融化脆性金屬，熔融脆性金屬通過一個噴嘴噴入腔體，在腔體中冷卻固化成型，制備的脆性金屬微球粒徑分布均勻，在1～4mm之間，形貌為標準球形；該方法設備簡單，操作性強，可以連續生產，滿足工業生產要求。
【專利說明】
一種基于金屬微球成型裝置制備脆性金屬微球的方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種脆性金屬微球的制備方法，特別涉及一種通過設計金屬微球成型裝置，利用表面張力制造脆性金屬微球的方法，屬于金屬材料制備領域。
【背景技術】
[0002]目前，金屬球廣泛應用于機械領域(軸承滾珠)、電子封裝領域(BGA錫球、銅-錫核殼結構粒子)、化學催化領域(鎳基合金粒子)等。為了滿足以上各領域的需求，不僅要滿足尺寸均勻、球形度高等要求，還要滿足制備過程的熱履歷相同，因而國內外仍有相當多的研究投入到金屬球的制備技術上。
[0003]金屬球的制備方法從成球機理方面來分，大致可以分為鑄造法、鍛造研磨法、切絲或打孔重熔法、霧化法、均勻液滴噴射法、脈沖微孔噴射法。
[0004]鑄造法是將金屬熔融后澆鑄到磨具中而成球。該方法成本低，粒徑均勻，但表面質量差，且不能制造5mm以下的金屬球。
[0005]鍛造研磨法是將短小金屬絲放在金屬模中進行鍛造研磨而成球，主要用于制造軸承滾珠。該方法能制造Imm以上的金屬球，但受材料物理性能的限制，不能制造脆性金屬球。
[0006]切絲或打孔重熔法首先通過拉絲剪切或箔片沖壓等機械加工方式把需要制備的材料加工成均勻質量的微小單元投入到液體介質中重熔成液滴，然后凝固成球，再經過篩分、清洗、檢驗從而得到滿足要求的金屬球。該方法可控性較好，但對于小粒徑的球或塑性加工性能不好的金屬比較困難，同時必須將制得的金屬球進行清洗，顯著影響了生產效率和效益。
[0007]霧化法是工業上主要采用的制備金屬球形粒子的方法，如氣霧化法、離心霧化法、等離子體霧化、水霧化法和真空霧化法等，其中采用較多的為氣霧化法和離心霧化法兩類。氣霧化法(GA)是指利用氣體壓力將流經噴嘴的液體沖擊破碎的方法。離心霧化(CA)是將要霧化的熔融液體流到旋轉的圓盤上，在離心力的作用下，脫離轉盤的邊緣，落入冷卻介質中固化的方法。霧化法生產效率高，成本較低，但是其生產的微粒子粒徑分布范圍很大，熱履歷不一致。
[0008]均勻液滴噴射法利用了臘腸型射流不穩定原理，通過對從毛細管中噴出的液流施加周期性擾動，液流在擾動作用下斷裂并形成均勻液滴。根據施加擾動的不同，均勻液滴法又可分為機械振動法、壓電振動法、電場霧化法。該方法制備的粒子粒徑一致，圓球度好，具有較好的發展前景，多用于制備Imm以下的金屬球形粒子。然而該方法存在設備龐大、機構復雜、成本尚等缺點。
[0009]脈沖微孔噴射法是將原材料在熔化裝置中熔化成液體，再將液體導入到液滴產生裝置中，使其充滿整個空間并保持一定壓力，通過壓電陶瓷產生微小位移，并把此位移傳遞到坩禍中的液體上，通過能量傳遞使一定量的微小液柱從坩禍底部的小孔中噴出，每次噴出的液體形成一個液滴，在表面張力和重力的作用下形成球形液滴并在降落的過程中無容器凝固形成球形粒子。該方法熱履歷一致、球形度高、尺寸均勻，可以實現按需噴射。與均勻液滴噴射法類似，該方法主要用于制備小于Imm的球形粒子，同樣存在設備龐大、機構復雜、成本尚等缺點。
[0010]由此可見，上述現有金屬球的制備方法都存在一定缺陷，特別是難以制造I?4mm的脆性金屬微球。
【發明內容】
[0011 ]針對現有技術存在的缺陷，本發明的目的是在于提供一種制備粒徑分布均勻，在I?4_之間，形貌為標準球形的脆性金屬微球的方法，該方法采用的設備簡單、成本低，易于大規模生產。
[0012]為了實現上述技術目的，本發明提供了一種基于金屬微球成型裝置制備脆性金屬微球的方法，
[0013]所述的金屬微球成型裝置包括上部熔室和下部腔體；
[0014]所述熔室的內部設有加熱器，頂部設有壓縮氣體進氣口，底部設有噴嘴；
[0015]所述噴嘴出口置于所述腔體內的頂部；
[0016]所述腔體的上部設有脈沖氣體入口和排氣口，中部的外圍設有冷卻單元，下部設有進氣口；
[0017]所述脈沖氣體入口設置在噴嘴出口周圍，且垂直于噴嘴出口方向設置;所述腔體內的底部設有回收容器；
[0018]制備脆性金屬微球的過程為:開啟加熱器和冷卻單元，以及從進氣口連續通入保護氣體;將脆性金屬置于熔室內，加熱熔融;熔融脆性金屬被壓縮氣體進氣口通入的壓縮氣體擠壓，從噴嘴出口噴出，進入腔體;從噴嘴出口噴出的恪融脆性金屬被脈沖氣體入口噴出的脈沖氣體沖擊剪切，形成脆性金屬液滴;所述脆性金屬液滴在腔體內下落過程中依靠自身表面張力形成球型，同時被冷卻固化形成脆性金屬微球，掉入回收容器中。
[0019]優選的方案，壓縮氣體壓力大小為O?2MPa。
[0020]優選的方案，噴嘴孔徑為0.1?2mm。
[0021]優選的方案，脈沖氣體脈沖頻率為I?100赫茲。
[0022]優選的方案，脆性金屬微球粒徑為I?4mm。
[0023]優選的方案，壓縮氣體為氮氣和/或氬氣。
[0024]優選的方案，脈沖氣體為氮氣和/或氬氣。
[0025]優選的方案，保護氣體為氮氣和/或氬氣。
[0026]優選的方案，冷卻單元控制腔體內中下部的溫度為(TC以下。
[0027]本發明的壓縮氣體、脈沖氣體以及保護氣體均采用氮氣或惰性氣體，能有效防止金屬氧化。
[0028]本發明的金屬微球成型裝置中的熔室和腔體均由304不銹鋼構成，該裝置適合鉍、銻、錳等脆性金屬制備脆性金屬微球。
[0029]相對現有技術，本發明的技術方案帶來的有益效果:
[0030]1、本發明的技術方案設計出一種特殊結構的金屬微球成型一體化裝置，該裝置可實現金屬的熔融、擠出及成型過程，可獲得金屬微球;特別是充分利用液體金屬的表面張力，使液態金屬形成標準球形，并快速固化，得到的金屬微球的球形度高。
[0031]2、本發明的技術方案通過調控壓縮氣體壓力大小，噴嘴孔徑以及脈沖氣體頻率等，可以控制脆性金屬微球的粒徑大小及均勾性，脆性金屬微球的粒徑大小控制在I?4_范圍內。
[0032]3、本發明的技術方案采用的設備簡單，成本低，適用于大規模生產化需求。
【附圖說明】
[0033]【圖1】為金屬微球成型裝置的剖視圖:
[0034]【圖2】為實施例1制備的脆性金屬微球；
[0035]其中，I為壓縮氣體進氣口，2為噴嘴，3為熔室，4為脈沖氣體入口，5為腔體，6為進氣口，7為排氣口，8為冷卻單元，9為回收容器。
【具體實施方式】
[0036]以下實施例旨在進一步說明本
【發明內容】
，而不是限制本發明權利要求的保護范圍。
[0037]圖1為本發明方法的金屬微球成型裝置，其主要組成部分為熔室3和腔體5。
[0038]熔室3內置加熱器(圖1中未顯示，但屬于本技術領域人員可以理解的范圍)，用于加熱熔融金屬。壓縮氣體進氣口 I位于熔室3頂部，用于向熔室3通入壓縮氣體，從而使熔融金屬在壓力和自身重力的作用下通過噴嘴2噴出，進入腔體5;為防止金屬氧化，通入的壓縮氣體采用惰性氣體。壓縮氣體的壓強和噴嘴2的孔徑根據要制造的金屬微球的大小而設定。
[0039]脈沖氣體入口4位于腔體5上部，且與噴嘴2的出口垂直設置，用于通入脈沖氣體從而對噴出的熔融金屬進行沖擊、剪切，使其吹離噴嘴2，跌落，形成金屬液滴。為防止金屬氧化，通入的脈沖氣體為惰性氣體，如氬氣。脈沖氣體的頻率根據要制造的金屬微球的大小而設定。
[0040]在腔體5中部設有冷卻單元8，通過向冷卻單元8中通入冷卻劑并循環，冷卻腔體5的內部，從而使跌落的金屬液滴冷卻固化。因此，冷卻單元8的冷卻能力被設置成這樣，即能夠使金屬液滴在經過該區域后被冷卻固化，一般使腔體內相應區域的溫度維持在(TC以下。
[0041]進氣口6用于向腔體5內充入保護氣體(惰性氣體，如氬氣)，排氣口 7用于排出空氣和脈沖氣體以及保護氣體，從而使腔體5內部形成惰性氣體環境。
[0042]在腔體5內部的底部放置有回收容器9。回收容器9通過腔體5兩側的兩個回收開口(圖1中未顯示出，但屬于本技術領域人員可以理解的范圍)而插入腔體5內以及從該腔體5內取出。
[0043]實施例1
[0044]—旦根據要制造的金屬球的大小確定壓縮氣體壓力、噴嘴孔徑和脈沖氣體頻率后(壓縮氣體壓力0.5MPa，噴嘴孔徑0.2mm，脈沖氣體頻率50Hz)，將金屬鉍置于熔室3內，加熱使其熔化。通過壓縮氣體進氣口 I向熔室3通入壓縮氣體，使熔融的鉍通過噴嘴2噴出。
[0045]熔融鉍噴出后被通過脈沖氣體進氣口4通入的脈沖氣體吹離噴嘴2，使其跌落，從而形成鉍液滴。鉍液滴在跌落的過程中由于表面張力而轉變成幾乎完美的球形，通過冷卻單元8所在的區域后冷卻固化(具體保證該區域的溫度在(TC以下)成金屬鉍球。然后，金屬鉍球落入回收容器9，并收集在該回收容器9中。當回收容器9幾乎裝滿時，將回收容器9通過腔體5—側的回收開口從腔體5中取出，同時通過腔體5另一側的回收開口將空的回收容器9放入腔體5內。如此便可大量生產金屬祕微球。為防止落入回收容器9的金屬祕微球擦傷，可以在回收容器9中裝滿油或水等液體。
[0046]金屬鉍液滴由于表面張力而幾乎為球形，并通過冷卻固化成固態金屬微球。因此，很難在這些金屬微球表面上形成不規則的部分，球形度極高。
[0047]此外，通過調節通入的壓縮氣體的壓強、噴嘴孔徑和脈沖氣體頻率可以控制金屬液滴的大小，從而控制固體金屬微球的大小，可控制微球粒徑在I?4mm范圍內。
[0048]為了便于讀者，上述說明集中了所有可能實施例的代表實例，該實例介紹了本發明的原理，并說明了實施本發明的最佳方式。本說明并不試圖窮舉所有可能的變化形式。也可以有其他未進行說明的變化或改變。
【主權項】
1.一種基于金屬微球成型裝置制備脆性金屬微球的方法，其特征在于: 所述的金屬微球成型裝置包括上部熔室和下部腔體； 所述熔室的內部設有加熱器，頂部設有壓縮氣體進氣口，底部設有噴嘴;所述噴嘴出口置于所述腔體內的頂部； 所述腔體的上部設有脈沖氣體入口和排氣口，中部的外圍設有冷卻單元，下部設有進氣口； 所述脈沖氣體入口設置在噴嘴出口周圍，且垂直于噴嘴出口方向設置;所述腔體內的底部設有回收容器； 開啟加熱器和冷卻單元，以及從進氣口連續通入保護氣體;將脆性金屬置于熔室內，加熱熔融;熔融脆性金屬被壓縮氣體進氣口通入的壓縮氣體擠壓，從噴嘴出口噴出，進入腔體;從噴嘴出口噴出的恪融脆性金屬被脈沖氣體入口噴出的脈沖氣體沖擊剪切，形成脆性金屬液滴;所述脆性金屬液滴在腔體內下落過程中依靠自身表面張力形成球型，同時被冷卻固化形成脆性金屬微球，掉入回收容器中。2.根據權利要求1所述的基于金屬微球成型裝置制備脆性金屬微球的方法，其特征在于:所述的壓縮氣體壓力大小為O?2MPa。3.根據權利要求1所述的基于金屬微球成型裝置制備脆性金屬微球的方法，其特征在于:所述的噴嘴孔徑為0.1?2_。4.根據權利要求1所述的基于金屬微球成型裝置制備脆性金屬微球的方法，其特征在于:所述的脈沖氣體脈沖頻率為I?100赫茲。5.根據權利要求1?4任一項所述的基于金屬微球成型裝置制備脆性金屬微球的方法，其特征在于:所述脆性金屬微球粒徑為I?4mm。6.根據權利要求1或2所述的基于金屬微球成型裝置制備脆性金屬微球的方法，其特征在于:所述的壓縮氣體為氮氣和/或氬氣。7.根據權利要求1或4所述的基于金屬微球成型裝置制備脆性金屬微球的方法，其特征在于:所述的脈沖氣體為氮氣和/或氬氣。8.根據權利要求1所述的基于金屬微球成型裝置制備脆性金屬微球的方法，其特征在于:所述的保護氣體為氮氣和/或氬氣。9.根據權利要求1所述的基于金屬微球成型裝置制備脆性金屬微球的方法，其特征在于:所述的冷卻單元控制腔體內中下部的溫度為0°C以下。
【文檔編號】B22F9/08GK106001589SQ201610569481
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月19日
【發明人】趙科湘, 趙家浩
【申請人】株洲科能新材料有限責任公司