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技术干货——金属粉末的制备要领

宣布时间：

2023-01-11 12:47

　　1. 前言

　　粉末冶金是一种制取金属粉末以及用金属(或金属与非金属混淆物)粉末作为原料，经过成型和烧结获得零件制品的工艺历程。金属粉末作为工业的主要原质料，广泛地应用在机械、冶金、化工、航空航天质料领域。金属粉末是粉末冶金工业的基础原质料，它的产量、品质决定着粉末冶金工业的生长。

　　金属粉末通常为小于1mm的金属颗粒的荟萃体。粒度区间的划分并没有统一的划定。常用的划分要领为：颗粒在1000~50?m的为通例粉末;50~10?m称细粉末;10~0.5?m称极细粉末;<0.5?m称超细粉末;0.1~100nm称纳米级粉末。每一个粉末颗粒可能是—个晶体，也可能由许多晶体所组成的，这取决于颗粒巨细和制备要领。

　　2. 金属粉末的制备要领

　　目前工业生产粉末的要领达数十种，但就生产历程的实质剖析，主要分为机械法和物理化学法两大类，既可从固、液、气态金属直接细化获得，又可从其差别状态下的金属化合物经还原、热解、电解转变制取。难熔金属的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物一般可直接用化合或还原-化合要领制取。因制取要领差别，同一种粉末的形状、结构和粒度等特性经常差别很大。

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图1 差别要领生产的金属粉末形状

　　金属粉末生产要领的选择取决于原质料、粉末类型、粉末质料的性能要求和粉末的生产效率等。随着粉末冶金产品的应用越来越广泛，对粉末颗粒的尺寸形状和性能的要求越来越高，因此粉末制备技术也在不绝地生长和立异，以适应颗粒尺寸和性能的要求。

　　2.1 机械物理法

　　机械法是借助于机械外力将金属破碎成所需粒径粉末的一种加工要领，该要领制备历程中质料的化学身分基本稳定。目前普遍使用的要领是球磨法和研磨法，其优点是工艺简单、产量大，可以制备一些通例要领难以获得的高熔点金属和合金的超细粉末。

　　2.1.1 球磨法

　　机理：球磨法主要分为转动球法和振动球磨法。该要领利用了金属颗粒在差别的应变速率下爆发应变而破碎细化的机理。

　　应用：此要领主要适用于Sb、Cr、Mn、Fe-Cr合金等粉末的制取。

　　优缺点：优点是可连续操作，生产效率高，适用于干磨、湿磨，可以进行多种金属及合金的粉末制备。缺点是对物料的选择性不强，在粉末制备历程中分级比较困难。

图2 150r/min转速下球磨12h(a)、18h(b)、24h(c)所得锑粉样品的TEM照片

　　2.1.2 研磨法

　　机理：研磨法是将压缩气体经过特殊喷嘴后，喷射到研磨区，从而发动研磨区内的物料相互碰撞，摩擦成粉;气流膨胀后随物料上升进入分级区，由涡轮式分级器分选出抵达粒度的物料，其余粗粉返回研磨区继续研磨，直至抵达要求的粒度被分出为止。

　　应用：被广泛地应用于非金属、化工原料、颜料、磨料、保健药品等行业的超细破坏中。

　　优缺点：由于研磨法接纳干法生产，从而省去了物料的脱水、烘干等工艺;其产品纯度高、活性大、疏散性好，粒度细且漫衍较窄，颗粒外貌平滑。但研磨法也保存设备制造本钱高，在金属粉末的生产历程中，必须使用连续不绝的惰性气体或氮气作为压缩气源，耗气量较大，只适合脆性金属及合金的破碎制粉等缺乏。

　　2.1.3 雾化法

　　机理：雾化法一般是利用高压气体、高压液体或高速旋转的叶片，将经高温、高压熔融的金属或合金破碎成细小的液滴，然后在收集器内冷凝而获得超细金属粉末，该历程不爆发化学变革。雾化法是生产金属及合金粉末的主要要领之一。雾化的要领许多，如双流雾化、离心雾化、多级雾化、超声雾化技术、紧耦合雾化技术、高压气体雾化、层流雾化、超声紧耦合雾化和热气体雾化等。

　　应用：雾化法通常应用于Fe、Sn、Zn、Pb、Cu等金属粉末的生产，也可用于制取青铜、黄铜、碳钢、合金钢等合金粉末的生产。雾化法满足3D打印耗材金属粉末的特殊要求，图3为德国某厂家不锈钢粉末的微观结构。

　　优缺点：雾化粉末具有球形度高、粉末粒度可控、氧含量低、生产本钱低以及适应多种金属粉末的生产等优点，已成为高性能及特种合金粉末制备技术的主要生长偏向，但雾化法具有生产效率低，超细粉末的收得率不高，能耗相对较大等缺陷。

图3 德国某厂家3D打印不锈钢粉末的微观结构

　　2.2 物理-化学法

　　物理-化学法是指在粉末制备历程中，通过改变原料的化学身分或集聚状态而获得超细粉末的生产要领。凭据化学原理的差别可将其分为还原法、电解法和化学置换法。

　　2.2.1 还原法

　　机理：还原法是利用还原剂在一定条件下将金属氧化物或金属盐类等进行还原而制取金属或合金粉末的要领，是生产中应用最广的制粉要领之一。常用的还原剂有气体还原剂(如氢、剖析氨、转化天然气等)、固体碳还原剂(如木炭、焦炭、无烟煤等)和金属还原剂(如钙、镁、钠等)。以氢气为反应介质的氢化脱氢法是最具代表性的制备要领，其利用原料金属易氢化的特性，在一定的温度下使金属与氢气爆发氢化反应生成金属氢化物，然后借助机械要领将所得金属氢化物破碎成期望粒度的粉末，再将破碎后的金属氢化物粉末中的氢在真空条件下脱除，从而获得金属粉末。

　　应用：主要应用于Ti、Fe、W、Mo、Nb、W-Re等金属(合金)粉末的制取。如金属钛(粉)在一定温度下便开始与氢气爆发剧烈的反应，当含氢量大于2.3%时，氢化物疏松，易于破坏成细小颗粒的氢化钛粉，氢化钛粉在约莫700℃左右的温度，将其剖析以及将钛粉中固溶的大部分氢除去，即可获得钛粉。

　　优缺点：优点是操作简单，工艺参数易于控制，生产效率高，本钱较低，适合工业化生产;缺点是只适用于易与氢气反应、吸氢后变脆易破碎的金属质料。

　　2.2.2 电解法

　　机理：电解法是通过电解熔盐或盐的水溶液使得金属粉末在阴极沉积析出的要领。

　　应用：电解水溶液可以生产Cu、Ni、Fe、Ag、Sn、Fe-Ni等金属(合金)粉末，电解熔盐可以生产Zr、Ta、Ti、Nb等金属粉末。

　　优缺点：其优点是制取的金属粉末纯度较高，一般单质粉末的纯度可达99.7%以上;另外，电解法可以很好的控制粉末的粒度，可以制取出超精细粉末。可是电解法制粉耗电量大，制粉本钱较高。

图4 超声波电解制备铁粉装置图

　　2.2.3羟基法

　　机理：将某些金属(铁、镍等)与一氧化碳合成为金属羰基化合物，再热剖析为金属粉末和一氧化碳。

　　应用：工业上主要用来生产镍和铁的细粉和超细粉，以及Fe-Ni、Fe-Co、Ni-Co等合金粉末

　　优缺点：这样制得的粉末很细，纯度很高，但本钱高。

　　2.2.4化学置换法

　　机理：化学置换法是凭据金属的生动性强弱，用生动性强的金属将活性较小的金属从金属盐溶液中将其置换出来，将置换所获得的金属(金属粉粒)用其他要领进一步处理细化。

　　应用：此法主要应用于Cu、Ag、Au等不生动金属粉末的制备。

　　金属粉末的制取要领总结表如表1所示。

表1 金属粉末的制取要领

　　3. 小结

　　随着技术的进步，金属粉末在冶金、化工、电子、磁性质料、精细陶瓷、传感器等方面均获得开发应用，显示了良好的应用前景，且金属粉末泛起出向高纯、超细(纳米)偏向生长的趋势。虽然超细金属粉末的制备要领多种多样，可凭据用途和经济技术要求选用差别的要领，但每种要领都有一定的局限性，保存许多需要解决和完善的问题。目今，制取金属粉末应用最广泛的要领当属还原法、电解法和雾化法;另外在古板生产工艺的基础上进行革新，获得了许多新型的的生产工艺和要领，如真空蒸发冷凝法、超声雾化法、旋转盘雾化法、双辊及三辊雾化法、多级雾化法、等离子旋转电极法、电弧法等。金属粉末的制取要领中，虽然不少要领已经获得实际应用，但仍保存着两个主要问题，即规模较小和生产本钱高。为了增进金属粉末质料的生长应用，必须对差别的要领加以综合利用，取长补短，开发出生产量更大、本钱更低的工艺要领。(文章内容转载粉体人)

　　j9九游会建立于2015年，总投资规模23.4亿元人民币，是全国500强企业---j9九游会集团的全资子公司，公司位于河北省石家庄市平山县南甸镇j9九游会集团工业园区，是一家集专业研发、生产、销售高端气雾化金属粉末、激光再制造、3D打印效劳于一体的全流程增材制造公司。

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