A Study of Parameters and Properties Influencing the Size, Morphology and Oxygen Content of Water Atomized Metal Powders
Tid: Må 2021-12-20 kl 10.00
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/s/68638736525?pwd=dHpsVnB4WE1rUXpISit3QnhMUHZHUT09
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap
Respondent: Fredrik Persson , Processer
Opponent: Professor emeritus Lauri Holappa, Aalto University, Finland
Handledare: Professor Pär Jönsson, Processer; Assistant Professor Christopher Neil Hulme,
Abstract
Vattenatomisering är en väletablerad produktionsprocess, som kan användas för att tillverka metallpulver för flera olika produktapplikationer och partikelstorlekar. Generellt råder det en brist på detaljerad kunskap över hur processparametrar påverkar pulveregenskaperna för vattenatomiserade metallpulver. Följande avhandling studerar hur parametrar och egenskaper påverkar partikelstorleken, morfologin och syrehalten för vattenatomiserade järnpulver. En noggrann styrning av partikelstorleken är väsentlig för att kunna atomisera metallpulver med hög produktkvalitet och låg tillverkningskostnad. Krav på partikelform varierar beroende på den slutliga applikationen för produkten. Styrning av både atomiseringsparametrar och smältans fysikaliska egenskaper är här väsentliga, för att kunna producera pulver med en jämn partikelform och sintrade ståldetaljer med snäva toleranser. Oxidationen av metallsmältan bör också minimeras i processen, för att undvika att en större mängd skadliga oxider bildas i det atomiserade pulvret. Porer betraktas generellt som defekter i metallpulver, varför partikelporositeten bör vara så låg som möjligt.
Det övergripande målet med detta arbete är att öka kunskapen om vattenatomisering av metallpulver, genom att i detalj studera några fundamentala delar av processen. Avhandlingen undersöker hur pulvrets mediandiameter (d50 värdet) påverkas av vattentrycket, stålstrålens diameter, dysvinkeln, vattennivån i atomiseringstanken, ändrade dysmunstycken, smältans övertemperatur samt kol- och svavelhalten i stålsmältan. Studien behandlar även faktorer som påverkar pulvrets partikelform och porositet samt oxidationen av det vattenatomiserade järnpulvret.
Försök i laboratorie- och pilotskala visar att inverkan på d50 värdet var stor för vattentrycket, medelstor för vatten/metall kvoten, smältans viskositet och ytspänning, samt låg för stålstrålens diameter. Modellberäkningar indikerar även att dysvinkeln har stor inverkan på d50 värdet. I praktiken begränsas detta dock av att atomiseringen blir instabil vid för höga dysvinklar.
Pilotskaleförsök visade även att partikelstorleken minskar med ökande kol- och svavelhalter i stålsmältan, vilket kan bero en sänkt viskositet respektive ytspänning. En annan möjlig förklaring kan vara att de högre övertemperaturerna vid högre kolhalter har ökat tiden som de atomiserade partiklarna är flytande under atomiseringen. Detta kan också ha minskat d50 värdet. Beräkningar med en utvecklad d50 modell visar även att en sänkt viskositet från 6.8 mPa s till 4.3 mPa s minskar d50 värdet med 33%. En sänkt ytspänning från 1840 mN/m till 900 mN/m uppskattas på samma sätt minska d50 värdet med 27%.
Fördelningen av oxider i Fe-Mn-C pulver atomiserade i pilotskala undersöktes med optiskt ljus- och svepelektronmikroskop, med energidispersiv röntgendetektor. Syret var huvudsakligen fördelat som tunna ytoxidskikt i de atomiserade pulvren. Oxidskikten uppskattas öka i tjocklek från 10 nm till 50 nm, vid en ökad partikelstorlek från 10 mikron till 750 mikron. Vidare var manganoxider ojämnt fördelade på ytan av ett flertal pulverpartiklar för järnpulver legerade med 0.3 vikts% mangan. Experimentella data indikerar även att 10 - 20% av manganet förelåg som oxider i materialet. Dessutom visar termodynamiska beräkningar vid 1550 °C en stark drivande kraft att oxidera mangan, där endast 4% av den ursprungliga manganhalten uppskattades vara kvar i stålet efter atomiseringen.
Rundheten för de atomiserade pulvren minskade med en ökad partikelstorlek. En möjlig förklaring till att några större partiklar är oregelbundna kan vara att de är bildade genom kollisioner mellan mindre partiklar. Vidare kan små partiklar ha bildats direkt vid sönderdelningen av stålsmältan och inte genom kollisioner av metalldroppar. Rundheten ökar för storleksfraktionen 20 - 45 mikron med en ökad kolhalt, från 0.2 till 4.2 vikts%. De atomiserade metalldropparna med högre kolhalter tillbringar en längre tid i flytande tillstånd under atomiseringen, vilket kan medföra en längre tid att nå en rund partikelform jämfört med partiklar med lägre kolhalter. Porositeten för järnpulver ökar med stigande kolhalt i smältan. Spjälkning av vattenånga till vätgas vid smältans yta samt vätgasutskiljning i metalldropparna bedöms vara den mest troliga mekanismen för att bilda porer i pulvren.
Nyckelord: vattenatomisering; metallpulver; partikelstorlek; syrehalt; partikelform; porositet; stålframställning