一种基于金属微球成型装置制备脆性金属微球的方法

摘要

本发明公开了一种基于金属微球成型装置制备脆性金属微球的方法，金属微球成型装置包括上部熔室和下部腔体；熔室主要用于融化脆性金属，熔融脆性金属通过一个喷嘴喷入腔体，在腔体中冷却固化成型，制备的脆性金属微球粒径分布均匀，在1～4mm之间，形貌为标准球形；该方法设备简单，操作性强，可以连续生产，满足工业生产要求。

权利要求

1.一种基于金属微球成型装置制备脆性金属微球的方法，其特征在于：所述的金属微球成型装置包括上部熔室和下部腔体；

所述熔室的内部设有加热器，顶部设有压缩气体进气口，底部设有喷嘴；所述喷嘴出口置于所述腔体内的顶部；

所述腔体的上部设有脉冲气体入口和排气口，中部的外围设有冷却单元，下部设有进气口；

所述脉冲气体入口设置在喷嘴出口周围，且垂直于喷嘴出口方向设置；所述腔体内的底部设有回收容器；

开启加热器和冷却单元，以及从进气口连续通入保护气体；将脆性金属置于熔室内，加热熔融；熔融脆性金属被压缩气体进气口通入的压缩气体挤压，从喷嘴出口喷出，进入腔体；从喷嘴出口喷出的熔融脆性金属被脉冲气体入口喷出的脉冲气体冲击剪切，形成脆性金属液滴；所述脉冲气体喷出方向与喷嘴出口方向垂直；所述脆性金属液滴在腔体内下落过程中依靠自身表面张力形成球型，同时被冷却固化形成脆性金属微球，掉入回收容器中；

所述的压缩气体压力大小为0～2MPa；

所述的喷嘴孔径为0.1～2mm；

所述的脉冲气体脉冲频率为1～100赫兹；

所述脆性金属微球粒径为1～4mm。

2.根据权利要求1所述的基于金属微球成型装置制备脆性金属微球的方法，其特征在于：所述的压缩气体为氮气和/或氩气。

3.根据权利要求1所述的基于金属微球成型装置制备脆性金属微球的方法，其特征在于：所述的脉冲气体为氮气和/或氩气。

4.根据权利要求1所述的基于金属微球成型装置制备脆性金属微球的方法，其特征在于：所述的保护气体为氮气和/或氩气。

5.根据权利要求1所述的基于金属微球成型装置制备脆性金属微球的方法，其特征在于：所述的冷却单元控制腔体内中下部的温度为0℃以下。

说明书

一种基于金属微球成型装置制备脆性金属微球的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种脆性金属微球的制备方法，特别涉及一种通过设计金属微球成型装置，利用表面张力制造脆性金属微球的方法，属于金属材料制备领域。

背景技术

[0002] 目前，金属球广泛应用于机械领域(轴承滚珠)、电子封装领域(BGA锡球、铜-锡核壳结构粒子)、化学催化领域(镍基合金粒子)等。为了满足以上各领域的需求，不仅要满足尺寸均匀、球形度高等要求，还要满足制备过程的热履历相同，因而国内外仍有相当多的研究投入到金属球的制备技术上。

[0003] 金属球的制备方法从成球机理方面来分，大致可以分为铸造法、锻造研磨法、切丝或打孔重熔法、雾化法、均匀液滴喷射法、脉冲微孔喷射法。

[0004] 铸造法是将金属熔融后浇铸到磨具中而成球。该方法成本低，粒径均匀，但表面质量差，且不能制造5mm以下的金属球。

[0005] 锻造研磨法是将短小金属丝放在金属模中进行锻造研磨而成球，主要用于制造轴承滚珠。该方法能制造1mm以上的金属球，但受材料物理性能的限制，不能制造脆性金属球。

[0006] 切丝或打孔重熔法首先通过拉丝剪切或箔片冲压等机械加工方式把需要制备的材料加工成均匀质量的微小单元投入到液体介质中重熔成液滴，然后凝固成球，再经过筛分、清洗、检验从而得到满足要求的金属球。该方法可控性较好，但对于小粒径的球或塑性加工性能不好的金属比较困难，同时必须将制得的金属球进行清洗，显著影响了生产效率和效益。

[0007] 雾化法是工业上主要采用的制备金属球形粒子的方法，如气雾化法、离心雾化法、等离子体雾化、水雾化法和真空雾化法等，其中采用较多的为气雾化法和离心雾化法两类。气雾化法(GA)是指利用气体压力将流经喷嘴的液体冲击破碎的方法。离心雾化(CA)是将要雾化的熔融液体流到旋转的圆盘上，在离心力的作用下，脱离转盘的边缘，落入冷却介质中固化的方法。雾化法生产效率高，成本较低，但是其生产的微粒子粒径分布范围很大，热履历不一致。

[0008] 均匀液滴喷射法利用了腊肠型射流不稳定原理，通过对从毛细管中喷出的液流施加周期性扰动，液流在扰动作用下断裂并形成均匀液滴。根据施加扰动的不同，均匀液滴法又可分为机械振动法、压电振动法、电场雾化法。该方法制备的粒子粒径一致，圆球度好，具有较好的发展前景，多用于制备1mm以下的金属球形粒子。然而该方法存在设备庞大、机构复杂、成本高等缺点。

[0009] 脉冲微孔喷射法是将原材料在熔化装置中熔化成液体，再将液体导入到液滴产生装置中，使其充满整个空间并保持一定压力，通过压电陶瓷产生微小位移，并把此位移传递到坩埚中的液体上，通过能量传递使一定量的微小液柱从坩埚底部的小孔中喷出，每次喷出的液体形成一个液滴，在表面张力和重力的作用下形成球形液滴并在降落的过程中无容器凝固形成球形粒子。该方法热履历一致、球形度高、尺寸均匀，可以实现按需喷射。与均匀液滴喷射法类似，该方法主要用于制备小于1mm的球形粒子，同样存在设备庞大、机构复杂、成本高等缺点。

[0010] 由此可见，上述现有金属球的制备方法都存在一定缺陷，特别是难以制造1～4mm的脆性金属微球。

发明内容

[0011] 针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是在于提供一种制备粒径分布均匀，在1～4mm之间，形貌为标准球形的脆性金属微球的方法，该方法采用的设备简单、成本低，易于大规模生产。

[0012] 为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于金属微球成型装置制备脆性金属微球的方法，

[0013] 所述的金属微球成型装置包括上部熔室和下部腔体；

[0014] 所述熔室的内部设有加热器，顶部设有压缩气体进气口，底部设有喷嘴；

[0015] 所述喷嘴出口置于所述腔体内的顶部；

[0016] 所述腔体的上部设有脉冲气体入口和排气口，中部的外围设有冷却单元，下部设有进气口；

[0017] 所述脉冲气体入口设置在喷嘴出口周围，且垂直于喷嘴出口方向设置；所述腔体内的底部设有回收容器；

[0018] 制备脆性金属微球的过程为：开启加热器和冷却单元，以及从进气口连续通入保护气体；将脆性金属置于熔室内，加热熔融；熔融脆性金属被压缩气体进气口通入的压缩气体挤压，从喷嘴出口喷出，进入腔体；从喷嘴出口喷出的熔融脆性金属被脉冲气体入口喷出的脉冲气体冲击剪切，形成脆性金属液滴；所述脆性金属液滴在腔体内下落过程中依靠自身表面张力形成球型，同时被冷却固化形成脆性金属微球，掉入回收容器中。

[0019] 优选的方案，压缩气体压力大小为0～2MPa。

[0020] 优选的方案，喷嘴孔径为0.1～2mm。

[0021] 优选的方案，脉冲气体脉冲频率为1～100赫兹。

[0022] 优选的方案，脆性金属微球粒径为1～4mm。

[0023] 优选的方案，压缩气体为氮气和/或氩气。

[0024] 优选的方案，脉冲气体为氮气和/或氩气。

[0025] 优选的方案，保护气体为氮气和/或氩气。

[0026] 优选的方案，冷却单元控制腔体内中下部的温度为0℃以下。

[0027] 本发明的压缩气体、脉冲气体以及保护气体均采用氮气或惰性气体，能有效防止金属氧化。

[0028] 本发明的金属微球成型装置中的熔室和腔体均由304不锈钢构成，该装置适合铋、锑、锰等脆性金属制备脆性金属微球。

[0029] 相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益效果：

[0030] 1、本发明的技术方案设计出一种特殊结构的金属微球成型一体化装置，该装置可实现金属的熔融、挤出及成型过程，可获得金属微球；特别是充分利用液体金属的表面张力，使液态金属形成标准球形，并快速固化，得到的金属微球的球形度高。

[0031] 2、本发明的技术方案通过调控压缩气体压力大小，喷嘴孔径以及脉冲气体频率等，可以控制脆性金属微球的粒径大小及均匀性，脆性金属微球的粒径大小控制在1～4mm范围内。

[0032] 3、本发明的技术方案采用的设备简单，成本低，适用于大规模生产化需求。

附图说明

[0033] 【图1】为金属微球成型装置的剖视图：

[0034] 【图2】为实施例1制备的脆性金属微球；

[0035] 其中，1为压缩气体进气口，2为喷嘴，3为熔室，4为脉冲气体入口，5为腔体，6为进气口，7为排气口，8为冷却单元，9为回收容器。

具体实施方式

[0036] 以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明权利要求的保护范围。

[0037] 图1为本发明方法的金属微球成型装置，其主要组成部分为熔室3和腔体5。

[0038] 熔室3内置加热器(图1中未显示，但属于本技术领域人员可以理解的范围)，用于加热熔融金属。压缩气体进气口1位于熔室3顶部，用于向熔室3通入压缩气体，从而使熔融金属在压力和自身重力的作用下通过喷嘴2喷出，进入腔体5；为防止金属氧化，通入的压缩气体采用惰性气体。压缩气体的压强和喷嘴2的孔径根据要制造的金属微球的大小而设定。

[0039] 脉冲气体入口4位于腔体5上部，且与喷嘴2的出口垂直设置，用于通入脉冲气体从而对喷出的熔融金属进行冲击、剪切，使其吹离喷嘴2，跌落，形成金属液滴。为防止金属氧化，通入的脉冲气体为惰性气体，如氩气。脉冲气体的频率根据要制造的金属微球的大小而设定。

[0040] 在腔体5中部设有冷却单元8，通过向冷却单元8中通入冷却剂并循环，冷却腔体5的内部，从而使跌落的金属液滴冷却固化。因此，冷却单元8的冷却能力被设置成这样，即能够使金属液滴在经过该区域后被冷却固化，一般使腔体内相应区域的温度维持在0℃以下。

[0041] 进气口6用于向腔体5内充入保护气体(惰性气体，如氩气)，排气口7用于排出空气和脉冲气体以及保护气体，从而使腔体5内部形成惰性气体环境。

[0042] 在腔体5内部的底部放置有回收容器9。回收容器9通过腔体5两侧的两个回收开口(图1中未显示出，但属于本技术领域人员可以理解的范围)而插入腔体5内以及从该腔体5内取出。

[0043] 实施例1

[0044] 一旦根据要制造的金属球的大小确定压缩气体压力、喷嘴孔径和脉冲气体频率后(压缩气体压力0.5MPa，喷嘴孔径0.2mm，脉冲气体频率50Hz)，将金属铋置于熔室3内，加热使其熔化。通过压缩气体进气口1向熔室3通入压缩气体，使熔融的铋通过喷嘴2喷出。

[0045] 熔融铋喷出后被通过脉冲气体进气口4通入的脉冲气体吹离喷嘴2，使其跌落，从而形成铋液滴。铋液滴在跌落的过程中由于表面张力而转变成几乎完美的球形，通过冷却单元8所在的区域后冷却固化(具体保证该区域的温度在0℃以下)成金属铋球。然后，金属铋球落入回收容器9，并收集在该回收容器9中。当回收容器9几乎装满时，将回收容器9通过腔体5一侧的回收开口从腔体5中取出，同时通过腔体5另一侧的回收开口将空的回收容器9放入腔体5内。如此便可大量生产金属铋微球。为防止落入回收容器9的金属铋微球擦伤，可以在回收容器9中装满油或水等液体。

[0046] 金属铋液滴由于表面张力而几乎为球形，并通过冷却固化成固态金属微球。因此，很难在这些金属微球表面上形成不规则的部分，球形度极高。

[0047] 此外，通过调节通入的压缩气体的压强、喷嘴孔径和脉冲气体频率可以控制金属液滴的大小，从而控制固体金属微球的大小，可控制微球粒径在1～4mm范围内。

[0048] 为了便于读者，上述说明集中了所有可能实施例的代表实例，该实例介绍了本发明的原理，并说明了实施本发明的最佳方式。本说明并不试图穷举所有可能的变化形式。也可以有其他未进行说明的变化或改变。