中瑞祥解析金屬粉末性能和制取方法

金屬粉末是尺寸小于1mm的金屬顆粒群。包括單金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質(zhì)的某些難熔化合物粉末，是粉末冶金的主要原材料。

　　粉末性能

　　金屬粉末屬于松散狀物質(zhì)，其性能綜合反映了金屬本身的性質(zhì)和單個顆粒的性狀及顆粒群的性。般將金屬粉末的性能分為化學性能、物理性能和藝性能?；瘜W性能是金屬含量和雜質(zhì)含量。物理性能包括粉末的平均粒度和粒度分布，粉末的比表面和真密度，顆粒的形狀、表面形貌和內(nèi)顯微結構。藝性能是種綜合性能，包括粉末的流動性、松裝密度、振實密度、壓縮性、成形性和燒結尺寸變化等。此外，對某些殊用途還要求粉末具有其他的化學和物理性，如催化性能、電化學活性、耐蝕性能、電磁性能、內(nèi)摩擦系數(shù)等。金屬粉末的性能在很大程度上取決于粉末的方法及其制取藝。粉末的基本性能可用定的標準檢測方法測定。粉末粒度及其分布的測定方法很多，般用篩分析法(>44μm)、沉降分析法(0.5~100μm)、氣體透過法、顯微鏡法等。細粉末(<0.5μm)用電子顯微鏡和 X射線小角度散射法測定。金屬粉末習慣上分為粗粉、中等粉、細粉、微細粉和細粉五個等。

　　制取方法

　　通常按轉(zhuǎn)變的作用原理分為機械法和物理化學法兩類，既可從固、液、氣態(tài)金屬直接細化獲得，又可從其不同狀態(tài)下的金屬化合物經(jīng)還原、熱解、電解而轉(zhuǎn)變制取。難熔金屬的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物般可直接用化合或還原-化合方法制取。因制取方法不同，同種粉末的形狀、結構和粒度等性常常差別很大(圖2)。粉末的制取方法列表如下，其中應用廣的是還原法、霧化法、電解法。

　　還原法

　　利用還原劑奪取金屬氧化物粉末中的氧,而使金屬被還原成粉狀。氣體還原劑有氫、氨、煤氣、轉(zhuǎn)化天然氣等。固體還原劑有碳和鈉、鈣、鎂等金屬。氫或氨還原，常用來鎢、鉬、鐵、銅、鎳、鈷等金屬粉末。碳還原常用來鐵粉。用金屬強還原劑鈉、鎂、鈣等，可以鉭、鈮、鈦、鋯、釩、鈹、釷、鈾等金屬粉末(見金屬熱還原)。用壓氫氣還原金屬鹽類水溶液，可制得鎳、銅、鈷及其合金或包覆粉末(見濕法冶金)。還原法制成的粉末顆粒大多為海綿結構的不規(guī)則形狀。粉末粒度主要取決于還原溫度、時間和原料的粒度等因素。還原法可制取大多數(shù)金屬的粉末，是種廣泛應用的方法。

　　霧化法

　　將熔融金屬霧化成細小液滴，在冷卻介質(zhì)中凝固成粉末(圖3)。圖4廣泛應用的二流(熔體流和速流體介質(zhì))霧化法是用壓空氣、氮氣、氬氣等(氣體霧化)和壓水(水霧化)作噴射介質(zhì)來擊碎金屬液體流。也有利用旋轉(zhuǎn)盤粉碎和熔體自身(自耗電和坩堝)旋轉(zhuǎn)的離心霧化法，以及其他霧化方法如溶氫真空霧化、聲波霧化等。由于液滴細小和熱交換條件好，液滴的冷凝速度般可達到100~10000K/s,比鑄錠時幾個數(shù)量。因此合金的成分均勻，組織細小，用它制成的合金材料無宏觀偏析，性能優(yōu)異。氣霧化粉末般近形，水霧化可制得不規(guī)則形狀。粉末的性如粒度、形狀和結晶組織等主要取決于熔體的性能(粘度、表面張力、過熱度)和霧化藝參數(shù)(如熔體流直徑、噴嘴結構、噴射介質(zhì)的壓力、流速等)。幾乎所有可被熔化的金屬都可用霧化法,尤其適宜合金粉末。此法效率,并易于擴大業(yè)規(guī)模。目前不僅用于大量業(yè)用鐵、銅、鋁粉和各種合金粉末，還用來純凈度(O2<100ppm)的溫合金、速鋼、不銹鋼和鈦合金粉末。此外，用激冷制取快速冷凝粉末(冷凝速度>100,000K/s)日益受到重視。用它可以制出性能的微晶材料(見快冷微晶合金)。

　　電解法

　　在金屬鹽水溶液中通以直流電、金屬離子即在陰上放電析出，形成易于破碎成粉末的沉積層。金屬離子般來源于同種金屬陽的溶解，并在電流作用下自陽向陰遷移。影響粉末粒度的因素主要是電解液的組成和電解條件(見水溶液電解)。般電解粉末多呈樹枝狀，純度較,但此法耗電大,成本較。電解法的應用也很廣泛，常用來銅、鎳、鐵、銀、錫、鉛、鉻、錳等多種金屬粉末;在定條件下也可制取合金粉末。對于鉭、鈮、鈦、鋯、鈹、釷、鈾等稀有難熔金屬，常采用復合熔鹽作為電解質(zhì)(見熔鹽電解)以制取粉末。

　　機械粉碎法

　　主要是通過壓碎、擊碎和磨削等作用將固態(tài)金屬碎化成粉末。設備分粗碎和細碎兩類。主要起壓碎作用的有碾碎機、輥軋機、顎式破碎機等粗碎設備。主要起擊碎和磨削作用的有錘碎機、棒磨機、磨機、振動磨機、攪動磨機等細碎設備。機械粉碎法主要適用于粉碎脆性的和易硬化的金屬和合金，如錫、錳、鉻、碳鐵、鐵合金等，也用來破碎還原法制得的海綿狀金屬、電解法制取的陰沉積物;還用于破碎氫化后發(fā)脆的鈦，然后再脫氫制取細鈦粉。機械粉碎法效率低，能耗大，多作為其他制粉法的補充手段，或用于混合不同性質(zhì)的粉末。此外，機械粉碎法還包括旋渦研磨機，它靠兩個葉輪成渦流，使被氣流所夾裹的顆粒相互速碰撞而粉碎，可用于塑性金屬的碎化。冷流破碎法是用速壓惰性氣體流載帶粗粉噴射到金屬靶上。由于在噴嘴出口處氣流產(chǎn)生熱膨脹，溫度驟降至0℃以下,使具有低溫脆性的金屬和合金粗粉粉碎成細粉。機械合金化法是用能磨機將不同的金屬和熔點化合物研磨成為固溶或細彌散的合金狀態(tài)。