詳述製作熱噴塗粉末的工藝和設備
上海 東建中
摘要：在焊接行業經常用到的合金粉末有用於釺焊的各類純金屬和合金粉末、用於熱噴塗的鐵基、鎳基、鈷基等各類合金粉末，用於管狀焊絲的中間合金粉末。不同的用途對合金粉末的要求是不一樣的，合金粉末的質量好壞將直接影響產品的質量。本文根據作者的多年實踐經驗，詳細介紹了合金粉末的生產工藝和用於製作合金粉末的霧化制粉設備的性能和特點。
關鍵詞：合金粉末、熱噴塗、制粉設備、水霧化、氣霧化
1．前言
在焊接行業，經常要用到各種合金粉末。它們有用於釺焊的各類純金屬和合金粉末、用於熱噴塗的鐵基、鎳基、鈷基等各類合金粉末，用於管狀焊絲的中間合金粉末。
2．合金粉末的用途
2.1熱噴塗合金粉末
熱噴塗是一種表面強化技術，一直是我國重點推廣的新技術項目。它採用電弧、等離子弧、燃氣一氧氣等形式的熱源，將金屬或非金屬材料加熱到熔化或半熔化狀態，並在高速氣流的作用下使之霧化成微細熔滴或高溫顆粒，以很高的飛行速度噴射到經過處理的工件表面，形成牢固的覆蓋層，從而使工件表面獲得不同硬度、耐磨、耐腐、耐熱、抗氧化、隔熱、絕緣、導電、密封、消毒、防微波輻射以及其他各種特殊物理化學性能。它可以在設備維修中修舊利廢，使報廢了的零部件「起死回生」；也可以在新產品製造中進行強化和預保護，使其「益壽延年」。
噴塗粉末在整個熱噴塗材料中佔據十分重要的地位。熱噴塗合金粉末包括鎳基、鐵基和鈷基合金粉，按不同的塗層硬度，分別應用於機械零部件的修理和防護。熱噴塗技術經過多年的發展，在國內已形成了一個完整的設備的研究和生產體系，目前從事這一工作的有二十多個單位，能夠生產各種類型的氧乙炔火焰噴塗設備、噴熔設備、電弧噴塗設備，成套等離子噴塗設備、噴焊設備，各種專用的配套設備等。熱噴塗合金粉末作為熱噴塗作業中的必需品，國內也有幾十家企業在生產。
2.2常用的熱噴塗粉末的用途
表一就是幾種常用的熱噴塗合金粉末的化學成份，它們是鈷基、鎳基、鐵基、銅基和不鏽鋼合金粉末。
表一：幾種常用的熱噴塗合金粉末的化學成份
牌號CBSiCrFeCoNiWMoCo-420.8-1.20.5-2.01.5-2.418-24≤7餘量10-167-9-Co-420.5-1.00.5-1.01.2-2.224-28≤5餘量-4-65-7Ni-25≤0.21.0-2.03.0-4.5-≤8-餘量--Ni-450.3-0.71.5-3.52.5-4.514-17≤148-16餘量--Ni-600.6-1.02.5-4.53.0-5.014-17≤15-餘量--Fe-300.3-0.61.5-2.52.5-3.510-16餘量-26-32--Fe-400.1-0.21.5-2.21.5-2.517-19餘量1-27-91-21-2Cu-1.0-2.01.5-4.5-≤3-12-17Mn≤1Cu餘18-8≤0.06-<1.017-19餘量-7-9--316≤0.06-<1.017-19餘量-11-13-1.5-2.5
註：粉末的粒度根據用戶的要求確定，一般有-100~+250，-140~+320目等規格。
鎳基自熔性合金粉末是以鎳元素為基體，添加鉻、硼、矽、碳、銅、鉬、等元素組成，合金粉末熔點低，自溶性好，具有耐蝕、耐磨、耐熱、抗氧化等性能，是目前使用最廣泛的一種自熔性噴焊合金粉末。
鐵基合金粉末分為兩種，一種是不鏽鋼型，含有較多的鎳和鉻元素；另一種是高鉻鑄鐵型，含有較高的鉻和碳元素。
鈷基自熔性合金粉末是以鈷元素為基體，添加鉻、鎢、鎳、硼、矽等元素組成，具有優越的高溫性能，良好的紅硬性、耐磨性和抗氧化性能。
銅基自熔性合金粉末是以銅元素為基體，添加適量的鎳、鉻、硼、矽、錳等元素組成，這類合金粉末具有機械性能好，塑性高、易於加工、耐蝕性好、摩擦係數低等特點。
2.3中間合金粉末
除了用於熱噴塗的合金粉末外，製作管狀焊絲的中間合金粉末的用量正在迅速增加。管狀焊絲問世雖然已有六十多年的歷史，但廣泛應用還是近十年來的事，主要原因是它的製作工藝和管內填料的不成熟和不完善。特別是管內的填料，當兩種或兩種以上的粉末在比重上相近的情況下，採用機械混合法仍不失為一種經濟而實用的制粉工藝，至今，仍有不少生產廠家在採用。但當兩種或兩種以上的粉末在比重上相差較大時，採用機械混合法就難以混合均勻，製成的管狀焊絲存在著粉末偏析的情況，造成成份偏析，對焊接質量產生不利的影響。為克服這一問題，有人專門做了試驗，選用了機械混合的金屬粉和水霧化製造的合金粉兩種填充粉末，製作成管狀焊絲，進行焊接性能試驗。試驗結果表明，採用填充霧化合金粉末的管狀焊絲，質量可靠，操作容易，堆焊層成份均勻，含氫量低，抗氣孔能力強。所以，採用中間合金不失為一個好的解決管狀焊絲粉末偏析的辦法，國內已有廠家採用了這一工藝。
管狀焊絲很可能是今後發展的主要焊材，目前我國剛起步，無論質量、品種、數量與國外相比，均有較大差距。管狀焊絲可以利用碳鋼帶製成較高合金成分的藥芯焊絲,如耐熱鋼、低溫鋼、耐候鋼、不鏽鋼、管線用的專用藥芯焊絲。這一點比起實芯焊絲和焊條來講有更大的優越性。
2．霧化法製作合金粉末的工藝
2.1制粉原理
除電弧和線材火焰噴塗外，其它所有噴塗工藝都是以粉末為噴塗材料的。粉末材料包羅萬象、適應性強、工藝可靠，能提供各種塗層功能，在高技術領域中應用很廣，這些特點是其它形式的材料無法比擬的。經過多年的發展與創新，對各種化學組成的材料都建立了相當完善的制粉方法：其中金屬、合金、自熔合金通常採用霧化法，即水霧化——水冷，氣霧化——氣冷和氣霧化一水冷三種方式。霧化工藝自六十年代初問世以來，給熱噴塗材料開創了新局面，用於熱噴塗的合金粉末，粉末的松裝密度、流動性、熔點、硬度、熱膨脹係數、氧含量等性能，對塗層的性能的影響是相當重要的，為了製得所需的合金粉末，工業上主要採用的是氣霧化法和水霧化法，兩種方法的主要區別在於所採用的霧化介質不同，其制粉的原理是一樣的。
霧化合金制粉的工藝過程[1]大致如下：
配料→熔煉→除渣→脫氧→霧化→粉末收集→乾燥→篩分→成份檢測→包裝入庫
霧化法製作合金粉末，屬於物理方法制粉。它是將來自氣瓶的高壓氣體作為氣刀或將來自高壓水泵的高壓水作為水刀，對熔化後，經漏嘴約束後成一細流的熔融金屬液流進行切割，霧化成極微小的金屬液滴，最後凝固成合金粉末。
2.2生產過程
在生產中，首先，按配方準備好製作金屬粉末的原材料，啟動中頻，按熔煉工藝的要求，放入金屬開始溶煉，一般容易氧化的金屬在熔化的後期放入。當本爐的金屬全部在爐內熔化後，進行造渣，去除金屬液中的雜質，然後進行脫氧。在此同時，啟動高壓水泵，（對於氣霧化，則是打開氣閥。）使霧化系統處於待命狀態。操作人員各就各位，作好霧化前的準備工作。準備好以後，開始進行金屬粉末的霧化，此時霧化現場噪聲很大，對於採用五十到六十公斤爐子的，正常的霧化時間在五分鐘左右。如果爐子的容量大，霧化的時間就長，有的長達半小時以上，這就會造成爐內的金屬液前後的溫度相差較大，為了保溫，還得不斷對爐內的金屬加熱，長時間處於液態下的金屬，會不停地氧化，隨著金屬元素的燒損，其化學成份也會發生變化，結果，生產出的金屬粉末，出現色差，總的含氧量增大，有時成份也會發生偏離。所以，為了減少金屬液的氧化，金屬熔爐採用五十到六十公斤的比較好。
凝固後的金屬粉末，在高溫時還是相當容易氧化的，所以須在無氧或低氧的環境下讓其冷卻到室溫，才能減少粉末的含氧量。如果是採用水霧化法製作的金屬粉末，還得進行乾燥處理。在乾燥時，須根據金屬粉末對氧的敏感性，採用不同的烘乾方法。容易氧化的金屬粉末，要採用真空乾燥方法。乾燥後的金屬粉末，先取樣進行化學成份的化驗，如果合格，再按用戶的要求進行篩分，包裝入庫。對於同種的金屬粉末，篩下物可作為回爐粉回收利用。
3．霧化法製作合金粉末的設備
製作熱噴塗的合金屬粉末的設備，可以有各種組合，以年產一百噸到二百噸的合金粉末製作系統為例，其設備投資額在三十萬左右，主要要用到以下這些設備：
中頻電源及熔煉爐，這是熔化金屬的主要設備，要求設備的耗電量低，熔化效率高，維修保養方便。這是標準設備，各地都有廠家生產。輔助的工具有築爐的工具，熔煉時用的鐵棒、石墨棒、測溫儀、將大塊金屬切開的剪板機、氣割機等。
霧化裝置，它包括金屬液漏鬥、中間漏包、霧化器（又稱噴嘴）、筒體、操作平臺、管路系統、高壓水泵、離心水泵、水池、對於氣霧化，不需要高壓水泵、離心水泵、水池，但需要配備氣瓶組，及相應的閥和表。這是霧化制粉的核心設備，因為都是非標準設備，所以都是自行設計製造，其中的關鍵部分是霧化器，它對該套設備的生產效率有很大的影響。
乾燥裝置，主要有遠紅外加熱爐、真空烘乾爐、烘粉盤、粉耙、勺子、漏鬥、小車、盛粉桶等。
包裝設備：主要有篩分機、磅稱、打包機、混粉機、瓶裝氮氣、（用於容易氧化的金屬粉末的保護，一般是在放有容易氧化的金屬粉末的桶中，充入氮氣後密封，這樣可以在一定時間內防止桶中的金屬氧化。）手推車等。
檢測設備：成套的標準篩，用於粉末粒度的檢測；放大三十倍的顯微鏡；金相顯微鏡；硬度計；天平；粉末化學成份的檢測一般是外送當地的商檢局檢測，一是成份測得準，二是權威，可信度高。
採用氣霧化時，受瓶裝氮氣壓力的限制，通常可採用的霧化壓力在八到十個大氣壓。採用水霧化時，常用的霧化壓力有一百個大氣壓到三百個大氣壓，為了生產三百目以上的細粉，也有採用五百個大氣壓的霧化壓力的。最近，為了能生產出細度在一千目以上的超細合金粉末，國內已有廠家興建了霧化壓力在一千個大氣壓的超高壓水霧化裝置。
4．水霧化與氣霧化合金粉末性能及成本的比較
4.1粉末形狀
水霧化與氣霧化製作合金粉末的方法，雖然制粉的原理相同，但製得的粉末的物理性能相差還是很大的，特別是形狀。由於氣體的熱容量要比水小，所以採用氣霧化時，合金受到的激冷度低，受到霧化介質衝擊時，霧化成細小液滴的合金液不會馬上凝固，這給了合金液滴在下落過程中收縮成球的時間，所以容易獲得球形合金粉末。水霧化時情形正好相反，由於水對霧化成細小合金液滴的激冷作用，幾乎是在一瞬間，就凝固成了合金粉末，這使得那些表面張力較小的合金形成的合金粉末，呈土豆狀或不規則形狀，只有那些表面張力較大的合金，例如鎳基合金，才能做成球形合金粉末。通過調整霧化參數和霧化時合金液的過熱度，採用水霧化也能做出近似球形的合金粉末，滿足熱噴塗的需要。用於管狀焊絲的中間合金粉末，形狀上沒有特別的要求，水霧化比較適合。
4.2化學成份
不論是採用水霧化還是採用氣霧化，製作出的合金粉末的化學成份不會因為製作方法的不同而產生差異。
4.3金相組織
採用氣霧化製作的合金粉末，合金的過冷度要比採用水霧化做的小許多，所以相同的化學成份，採用不同的霧化方法做出的合金粉末的金相組織會不一樣。
4.4合金粉末的氧含量
合金粉末的氧含量，與合金本身對氧的敏感性和霧化時的霧化環境中的氧含量有關。如果合金本身對氧非常敏感，則不僅在霧化時要採取措施，在熔化時最好也採用真空熔煉。對於大多數合金，只要在霧化時採取減少與氧的接觸，就能達到降低合金粉末中氧的含量的目的。氣霧化時，通常是使用氮氣作為霧化介質，大量的氮氣充滿了霧化區，將霧化區的氧氣驅逐掉了，所以能保護合金液滴在霧化及冷卻時很少氧化。
當一爐熔融的合金液被霧化成金屬粉末時，它的表面積在霧化的一瞬間增大了無數倍，換言之，其與氧結合的面積也增大了，有更多的金屬表面暴露在霧化環境中。所以，水霧化時，如果不採取措施，是無法避免合金液滴的氧化的。為了在水霧化時，能讓霧化環境少氧或無氧，首先，必須將霧化筒體密封起來，將霧化環境與周圍的環境隔絕開來。其次，是要將已封閉起來的霧化筒體中的氧氣排除掉。最後，是在霧化的過程中一直保持這樣的一個無氧或低氧的霧化環境，直到霧化結束，合金液滴全部凝固成合金粉末。
4.5投資額
水霧化和氣霧化在設備上投入的資金是差不多的，氣霧化的筒體的投入資金較大，但霧化介質工作組——氣瓶組及表、閥投入小；水霧化則相反，霧化筒體投入要比氣化小，但高壓水泵、離心水泵的投入要大於氣霧化霧化介質工作組。其它部分，二者的投入是相近的，綜合起來，就差不多了。
主要的設備設資額估算：
1，中頻電源及熔煉爐 四萬至五萬，中頻電源及熔煉爐，國內生產的企業有很多，質量也已很好，是一種成熟的產品，售後服務也不錯，但價格相差很大，太別是一些比較小的企業，因為生產規模小，生產成本就高，開出的價就比較高，其高價的理由，可能是能為你提供一些別的生產企業所沒有的比較特別的功能。其實，無論什麼功能，就用戶來講，如果能了解其原理，就明白其實是不會因為有了這些功能，會給設備增加很大成本的。有的功能完全可以用其他方式獲得。
2，水泵，高壓水泵和其他水泵 五至六萬 為了保證霧化正常進行，高壓水泵是必不可少的，霧化的壓力在二百至三百公斤，除此外，還須另外配小的水泵，用於中頻線圈降溫；以及其他輔助供水。
3，霧化本體，四至五萬 包括中間包、漏嘴、霧化器（有的稱為噴嘴或模具等）、霧化筒、收粉系統、表具、管路等，這部分是非標準設備，可自已按圖製作，如果請供貨方製作，則費用須翻一翻，因為製作者的材料、人工、稅收、利潤等，均是由你這裡給出，製作方的利潤通常為百分之四十左右。自己製作的另外一個優點是，可以將你的經驗溶入到你的設備中去，為你以後改進工藝打下基礎。同時，你在製作過程中，將核心技術掌握在了自己企業的手中，隨著國內企業技術水平的不斷提高，以後企業間的竟爭，將從勞動力、資本、規模逐漸向技術方面轉變，一個企業有自己的核心技術，才能在市場競爭中立於不敗之地。
4，技術服務及技術訣竅費用，一般在五萬。就霧化方法製作金屬粉末來講，設備是死的，通過一段時間的學習實踐，就能熟練掌握。接下來，就是靈活地運用技術手段，製作金屬粉末的過程了，這當中，實際上是一個知識運用與積累的過程，必要的指導能讓你少走彎路，生產出優質產品來。
5，其他輔助設備 五萬。如烘乾、篩分、稱量、包裝、操作平臺、風機、管道、檢測設備等。這當中，有的設備可以使用廠裡原來的，有的則需要另外購置。
6，不可預計費 五萬。現在的材料價格，時有波動，它的波動，必然的會影響到整個投資額，所以需要預作準備。
根據以上的估算，整套設備，總的投入在二十五萬至三十萬，如果節省些的話，二十萬也是可能拿下來的。
4.6單位合金粉末生產成本
每公斤合金粉末的生產成本，氣霧化要比水霧化高，實際測算，一瓶氮氣，大約可做十到二十公斤的合金粉末，（合格粉的收得率多少與霧化器的效率有關）合到一公斤的合金粉末需要五元左右的霧化費用。水霧化時，霧化介質所消耗的主要是運行水泵時的電能，一次霧化下來，最多合到一公斤的合金粉末用掉零點五元的電費。由於這個原因，市場上氣霧化合金粉末一般要比水霧化的貴一些。
參考文獻：
[1]東建中，不鏽鋼粉的高壓水霧化製作及應用，[J]新材料產業，2003（1）：33
本文作者簡介：
東建中，男，上海人，從事霧化法製作金屬粉末的技術服務二十來年，對霧化法製作各類金屬粉末、生產不鏽鋼丸、製作鱗片狀金屬粉末（銅金粉、鋁銀漿、片狀鋅粉、不鏽鋼鱗片粉等）的工藝和設備，深有研究。現為上海市機械工程學會會員、上海市焊接學會會員，從一九八九年起，陸續在全國性會議和專業刊物上發表有關金屬粉末方面的技術文章三十餘篇。