学术干货|金属粉末的制备方法
1.前言
粉末冶金是一种制取金属粉末以及用金属（或金属与非金属混合物）粉末作为原料，经过成型和烧结获得零件制品的工艺过程。金属粉末作为工业的主要原材料，广泛地应用在机械、冶金、化工、航空航天材料领域。金属粉末是粉末冶金工业的基础原材料，它的产量、品质决定着粉末冶金工业的发展。
金属粉末通常为小于1mm的金属颗粒的集合体。粒度区间的划分并没有统一的规定。常用的划分方法为：颗粒在1000~50µm的为常规粉末；50~10µm称细粉末；10~0.5µm称极细粉末；<0.5µm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，这取决于颗粒大小和制备方法。
2.金属粉末的制备方法
目前工业生产粉末的方法达数十种，但就生产过程的实质分析，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，又可从其不同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－化合方法制取。因制取方法不同，同一种粉末的形状、结构和粒度等特性常常差别很大。
图1 不同方法生产的金属粉末形状
金属粉末生产方法的选择取决于原材料、粉末类型、粉末材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断地发展和创新，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方法，该方法制备过程中材料的化学成分基本不变。目前普遍使用的方法是球磨法和研磨法，其优点是工艺简单、产量大，可以制备一些常规方法难以得到的高熔点金属和合金的超细粉末。
2.1.1球磨法
机理：球磨法主要分为滚动球法和振动球磨法。该方法利用了金属颗粒在不同的应变速率下产生应变而破碎细化的机理。
应用：此方法主要适用于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，在粉末制备过程中分级比较困难。
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，从而带动研磨区内的物料互相碰撞，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达到粒度的物料，其余粗粉返回研磨区继续研磨，直至达到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粉碎中。
优缺点：由于研磨法采用干法生产，从而省去了物料的脱水、烘干等工艺；其产品纯度高、活性大、分散性好，粒度细且分布较窄，颗粒表面光滑。但研磨法也存在设备制造成本高，在金属粉末的生产过程中，必须使用连续不断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不足。
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得到超细金属粉末，该过程不发生化学变化。雾化法是生产金属及合金粉末的主要方法之一。雾化的方法很多，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、生产成本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发展方向，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过程中，通过改变原料的化学成分或集聚状态而获得超细粉末的生产方法。按照化学原理的不同可将其分为还原法、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方法，是生产中应用最广的制粉方法之一。常用的还原剂有气体还原剂(如氢、分解氨、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方法，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发生氢化反应生成金属氢化物，然后借助机械方法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，从而得到金属粉末。
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发生剧烈的反应，当含氢量大于2.3%时，氢化物疏松，易于粉碎成细小颗粒的氢化钛粉，氢化钛粉在大约700℃左右的温度，将其分解以及将钛粉中固溶的大部分氢除去，即可得到钛粉。
优缺点：优点是操作简单，工艺参数易于控制，生产效率高，成本较低，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材料。
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方法。
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。但是电解法制粉耗电量大，制粉成本较高。
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，再热分解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，但成本高。
2.2.4化学置换法
机理：化学置换法是根据金属的活泼性强弱，用活泼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，将置换所得到的金属（金属粉粒）用其他方法进一步处理细化。
应用：此法主要应用于Cu、Ag、Au等不活泼金属粉末的制备。
金属粉末的制取方法总结表如表1所示。
表1 金属粉末的制取方法
3.小结
随着技术的进步，金属粉末在冶金、化工、电子、磁性材料、精细陶瓷、传感器等方面均得到开发应用，显示了良好的应用前景，且金属粉末呈现出向高纯、超细（纳米）方向发展的趋势。虽然超细金属粉末的制备方法多种多样，可根据用途和经济技术要求选用不同的方法，但每种方法都有一定的局限性，存在许多需要解决和完善的问题。当前，制取金属粉末应用最广泛的方法当属还原法、电解法和雾化法；另外在传统生产工艺的基础上进行改进，得到了许多新型的的生产工艺和方法，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。金属粉末的制取方法中，虽然不少方法已经得到实际应用，但仍存在着两个主要问题，即规模较小和生产成本高。为了促进金属粉末材料的发展应用，必须对不同的方法加以综合利用，取长补短，开发出生产量更大、成本更低的工艺方法。
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