1. 前言

  粉末冶金是一種制取金屬粉末以及用金屬（或金屬與非金屬混合物）粉末作為原料，經(jīng)過(guò)成型和燒結(jié)獲得零件制品的工藝過(guò)程。金屬粉末作為工業(yè)的主要原材料，廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、冶金、化工、航空航天材料領(lǐng)域。金屬粉末是粉末冶金工業(yè)的基礎(chǔ)原材料，它的產(chǎn)量、品質(zhì)決定著粉末冶金工業(yè)的發(fā)展。

  金屬粉末通常為小于1mm的金屬顆粒的集合體。粒度區(qū)間的劃分并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定。常用的劃分方法為：顆粒在1000~50µm的為常規(guī)粉末；50~10µm稱細(xì)粉末；10~0.5µm稱極細(xì)粉末；<0.5µm稱超細(xì)粉末；0.1~100nm稱納米級(jí)粉末。每一個(gè)粉末顆粒可能是—個(gè)晶體，也可能由許多晶體所組成的，這取決于顆粒大小和制備方法。

  2. 金屬粉末的制備方法

  目前工業(yè)生產(chǎn)粉末的方法達(dá)數(shù)十種，但就生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)質(zhì)分析，主要分為機(jī)械法和物理化學(xué)法兩大類，既可從固、液、氣態(tài)金屬直接細(xì)化獲得，又可從其不同狀態(tài)下的金屬化合物經(jīng)還原、熱解、電解轉(zhuǎn)變制取。難熔金屬的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物一般可直接用化合或還原－化合方法制取。因制取方法不同，同一種粉末的形狀、結(jié)構(gòu)和粒度等特性常常差別很大。

圖1 不同方法生產(chǎn)的金屬粉末形狀

  金屬粉末生產(chǎn)方法的選擇取決于原材料、粉末類型、粉末材料的性能要求和粉末的生產(chǎn)效率等。隨著粉末冶金產(chǎn)品的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)粉末顆粒的尺寸形狀和性能的要求越來(lái)越高，因此粉末制備技術(shù)也在不斷地發(fā)展和創(chuàng)新，以適應(yīng)顆粒尺寸和性能的要求。

  2.1 機(jī)械物理法

  機(jī)械法是借助于機(jī)械外力將金屬破碎成所需粒徑粉末的一種加工方法，該方法制備過(guò)程中材料的化學(xué)成分基本不變。目前普遍使用的方法是球磨法和研磨法，其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)量大，可以制備一些常規(guī)方法難以得到的高熔點(diǎn)金屬和合金的超細(xì)粉末。

  2.1.1 球磨法
  機(jī)理：球磨法主要分為滾動(dòng)球法和振動(dòng)球磨法。該方法利用了金屬顆粒在不同的應(yīng)變速率下產(chǎn)生應(yīng)變而破碎細(xì)化的機(jī)理。

  應(yīng)用：此方法主要適用于Sb、Cr、Mn、Fe-Cr合金等粉末的制取。

  優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是可連續(xù)操作，生產(chǎn)效率高，適用于干磨、濕磨，可以進(jìn)行多種金屬及合金的粉末制備。缺點(diǎn)是對(duì)物料的選擇性不強(qiáng)，在粉末制備過(guò)程中分級(jí)比較困難。

圖2 150r/min轉(zhuǎn)速下球磨12h(a)、18h(b)、24h(c)所得銻粉樣品的TEM照片

  2.1.2 研磨法

  機(jī)理：研磨法是將壓縮氣體經(jīng)過(guò)特殊噴嘴后，噴射到研磨區(qū)，從而帶動(dòng)研磨區(qū)內(nèi)的物料互相碰撞，摩擦成粉；氣流膨脹后隨物料上升進(jìn)入分級(jí)區(qū)，由渦輪式分級(jí)器分選出達(dá)到粒度的物料，其余粗粉返回研磨區(qū)繼續(xù)研磨，直至達(dá)到要求的粒度被分出為止。

  應(yīng)用：被廣泛地應(yīng)用于非金屬、化工原料、顏料、磨料、保健藥品等行業(yè)的超細(xì)粉碎中。

  優(yōu)缺點(diǎn)：由于研磨法采用干法生產(chǎn)，從而省去了物料的脫水、烘干等工藝；其產(chǎn)品純度高、活性大、分散性好，粒度細(xì)且分布較窄，顆粒表面光滑。但研磨法也存在設(shè)備制造成本高，在金屬粉末的生產(chǎn)過(guò)程中，必須使用連續(xù)不斷的惰性氣體或氮?dú)庾鳛閴嚎s氣源，耗氣量較大，只適合脆性金屬及合金的破碎制粉等不足。

  2.1.3 霧化法

  機(jī)理：霧化法一般是利用高壓氣體、高壓液體或高速旋轉(zhuǎn)的葉片，將經(jīng)高溫、高壓熔融的金屬或合金破碎成細(xì)小的液滴，然后在收集器內(nèi)冷凝而得到超細(xì)金屬粉末，該過(guò)程不發(fā)生化學(xué)變化。霧化法是生產(chǎn)金屬及合金粉末的主要方法之一。霧化的方法很多，如雙流霧化、離心霧化、多級(jí)霧化、超聲霧化技術(shù)、緊耦合霧化技術(shù)、高壓氣體霧化、層流霧化、超聲緊耦合霧化和熱氣體霧化等。

  應(yīng)用：霧化法通常應(yīng)用于Fe、Sn、Zn、Pb、Cu等金屬粉末的生產(chǎn)，也可用于制取青銅、黃銅、碳鋼、合金鋼等合金粉末的生產(chǎn)。霧化法滿足3D打印耗材金屬粉末的特殊要求，圖3為德國(guó)某廠家不銹鋼粉末的微觀結(jié)構(gòu)。

  優(yōu)缺點(diǎn)：霧化粉末具有球形度高、粉末粒度可控、氧含量低、生產(chǎn)成本低以及適應(yīng)多種金屬粉末的生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，已成為高性能及特種合金粉末制備技術(shù)的主要發(fā)展方向，但霧化法具有生產(chǎn)效率低，超細(xì)粉末的收得率不高，能耗相對(duì)較大等缺陷。

圖3 德國(guó)某廠家3D打印不銹鋼粉末的微觀結(jié)構(gòu)

  2.2 物理-化學(xué)法

  物理-化學(xué)法是指在粉末制備過(guò)程中，通過(guò)改變?cè)系幕瘜W(xué)成分或集聚狀態(tài)而獲得超細(xì)粉末的生產(chǎn)方法。按照化學(xué)原理的不同可將其分為還原法、電解法和化學(xué)置換法。

  2.2.1 還原法

  機(jī)理：還原法是利用還原劑在一定條件下將金屬氧化物或金屬鹽類等進(jìn)行還原而制取金屬或合金粉末的方法，是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的制粉方法之一。常用的還原劑有氣體還原劑(如氫、分解氨、轉(zhuǎn)化天然氣等)、固體碳還原劑(如木炭、焦炭、無(wú)煙煤等)和金屬還原劑(如鈣、鎂、鈉等)。以氫氣為反應(yīng)介質(zhì)的氫化脫氫法是最具代表性的制備方法，其利用原料金屬易氫化的特性，在一定的溫度下使金屬與氫氣發(fā)生氫化反應(yīng)生成金屬氫化物，然后借助機(jī)械方法將所得金屬氫化物破碎成期望粒度的粉末，再將破碎后的金屬氫化物粉末中的氫在真空條件下脫除，從而得到金屬粉末。

  應(yīng)用：主要應(yīng)用于Ti、Fe、W、Mo、Nb、W-Re等金屬（合金）粉末的制取。如金屬鈦（粉）在一定溫度下便開始與氫氣發(fā)生劇烈的反應(yīng)，當(dāng)含氫量大于2.3%時(shí)，氫化物疏松，易于粉碎成細(xì)小顆粒的氫化鈦粉，氫化鈦粉在大約700℃左右的溫度，將其分解以及將鈦粉中固溶的大部分氫除去，即可得到鈦粉。

  優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，工藝參數(shù)易于控制，生產(chǎn)效率高，成本較低，適合工業(yè)化生產(chǎn)；缺點(diǎn)是只適用于易與氫氣反應(yīng)、吸氫后變脆易破碎的金屬材料。

  2.2.2 電解法

  機(jī)理：電解法是通過(guò)電解熔鹽或鹽的水溶液使得金屬粉末在陰極沉積析出的方法。

  應(yīng)用：電解水溶液可以生產(chǎn)Cu、Ni、Fe、Ag、Sn、Fe-Ni等金屬（合金）粉末，電解熔鹽可以生產(chǎn)Zr、Ta、Ti、Nb等金屬粉末。

  優(yōu)缺點(diǎn)：其優(yōu)點(diǎn)是制取的金屬粉末純度較高，一般單質(zhì)粉末的純度可達(dá)99.7%以上；另外，電解法可以很好的控制粉末的粒度，可以制取出超精細(xì)粉末。但是電解法制粉耗電量大，制粉成本較高。

圖4 超聲波電解制備鐵粉裝置圖

  2.2.3羥基法

  機(jī)理：將某些金屬(鐵、鎳等)與一氧化碳合成為金屬羰基化合物，再熱分解為金屬粉末和一氧化碳。

  應(yīng)用：工業(yè)上主要用來(lái)生產(chǎn)鎳和鐵的細(xì)粉和超細(xì)粉，以及Fe-Ni、Fe-Co、Ni-Co等合金粉末

  優(yōu)缺點(diǎn)：這樣制得的粉末很細(xì)，純度很高，但成本高。

  2.2.4化學(xué)置換法

  機(jī)理：化學(xué)置換法是根據(jù)金屬的活潑性強(qiáng)弱，用活潑性強(qiáng)的金屬將活性較小的金屬?gòu)慕饘冫}溶液中將其置換出來(lái)，將置換所得到的金屬（金屬粉粒）用其他方法進(jìn)一步處理細(xì)化。

  應(yīng)用：此法主要應(yīng)用于Cu、Ag、Au等不活潑金屬粉末的制備。

  金屬粉末的制取方法總結(jié)表如表1所示。

表1 金屬粉末的制取方法

  3. 小結(jié)

  隨著技術(shù)的進(jìn)步，金屬粉末在冶金、化工、電子、磁性材料、精細(xì)陶瓷、傳感器等方面均得到開發(fā)應(yīng)用，顯示了良好的應(yīng)用前景，且金屬粉末呈現(xiàn)出向高純、超細(xì)（納米）方向發(fā)展的趨勢(shì)。雖然超細(xì)金屬粉末的制備方法多種多樣，可根據(jù)用途和經(jīng)濟(jì)技術(shù)要求選用不同的方法，但每種方法都有一定的局限性，存在許多需要解決和完善的問(wèn)題。當(dāng)前，制取金屬粉末應(yīng)用最廣泛的方法當(dāng)屬還原法、電解法和霧化法；另外在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，得到了許多新型的的生產(chǎn)工藝和方法，如真空蒸發(fā)冷凝法、超聲霧化法、旋轉(zhuǎn)盤霧化法、雙輥及三輥霧化法、多級(jí)霧化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極法、電弧法等。金屬粉末的制取方法中，雖然不少方法已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用，但仍存在著兩個(gè)主要問(wèn)題，即規(guī)模較小和生產(chǎn)成本高。為了促進(jìn)金屬粉末材料的發(fā)展應(yīng)用，必須對(duì)不同的方法加以綜合利用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，開發(fā)出生產(chǎn)量更大、成本更低的工藝方法。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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