粉(fen)末(mo)冶金粉(fen)體常見(jian)的制備方法及綜(zong)述(shu)
摘要： 粉(fen)末(mo)冶金方法起源于公元前三千多年。制造鐵的(de)第一(yi)個方法實質上采用(yong)的(de)就是(shi)粉(fen)末(mo)冶金方法。粉末冶(ye)金(jin)制品的應用范圍十分廣泛(fan)，從普通機械制造(zao)到精密儀器；從五(wu)金(jin)工具到大型機械；從(cong)(cong)電子工(gong)業(ye)到電機制造；從(cong)(cong)民用(yong)工(gong)業(ye)到軍事工(gong)業(ye)；從(cong)(cong)一般技術到尖(jian)端高技術，均能見到粉末冶金工(gong)藝的身影。目(mu)前，我國粉末冶(ye)金行業整體技(ji)術水(shui)平低下、工藝(yi)裝備落(luo)后，與國外先進技(ji)術水(shui)平相比存在(zai)較(jiao)大差距(ju)。本文介紹(shao)了粉(fen)(fen)(fen)末冶(ye)金粉(fen)(fen)(fen)體(ti)的制備方(fang)法(fa)，包括(kuo)(kuo)物(wu)理方(fang)法(fa)和化學方(fang)法(fa)，物(wu)理法(fa)包括(kuo)(kuo)機械粉(fen)(fen)(fen)碎(sui)法(fa)，化學法(fa)包括(kuo)(kuo)氣相沉積法、霧化法(fa)和(he)電解法(fa)，氣相沉積(ji)法、霧(wu)化法和電解法目前在工業上已(yi)經得(de)到了廣(guang)泛的(de)應用(yong)。
一、引(yin)言
粉(fen)末(mo)冶金(jin)是(shi)制(zhi)取(qu)金(jin)屬(shu)或(huo)用(yong)金(jin)屬(shu)粉(fen)末(mo)(或(huo)金(jin)屬(shu)粉(fen)末(mo)與(yu)非金(jin)屬(shu)粉(fen)末(mo)的(de)混合物)作為(wei)原料，經過(guo)成形(xing)和燒(shao)結，制(zhi)造金(jin)屬(shu)材(cai)料、復(fu)合以及各種類型制(zhi)品的(de)工藝技(ji)術(shu)。由于粉(fen)末(mo)冶金(jin)技(ji)術(shu)的(de)優點，它已(yi)成為(wei)解決(jue)新(xin)材(cai)料問題的(de)鑰匙，在新(xin)材(cai)料的(de)發展中起著舉足(zu)輕(qing)重的(de)作用(yong)。
二、粉(fen)體的制備(bei)及綜(zong)述
粉(fen)末(mo)冶金的(de)生(sheng)產工藝是從(cong)制(zhi)(zhi)取原材(cai)料——粉(fen)末(mo)開始的(de)。這些粉(fen)末(mo)可以純金屬，也可以是非(fei)金屬，還可以是化合物。制(zhi)(zhi)取粉(fen)末(mo)的(de)方法有很多，他的(de)選(xuan)擇主(zhu)要取決(jue)于該材(cai)料的(de)特(te)殊性能及制取方法的成本。
粉體的(de)的(de)制備方法如(ru)下(xia)：
（一）物理法（機械(xie)粉碎(sui)法）
機(ji)械(xie)粉(fen)碎法(fa)是一種常(chang)見的(de)固相制(zhi)粉工藝。尤其(qi)是制(zhi)備粒度在微米級以上的陶瓷粉體時，用機械粉碎法方便快捷，成本也比較低廉。
1、常用的粉碎法(fa)有(you)：
（1）輥碾(nian)式
將單根(gen)或(huo)多(duo)根(gen)研(yan)棒或環等(deng)裝入磨腔內(nei)，借(jie)助某種特殊力使(shi)磨腔內(nei)的棒或(huo)環(huan)作旋轉運動，棒與(yu)棒之(zhi)間或(huo)環(huan)與(yu)環(huan)之(zhi)間以及(ji)它們(men)與(yu)磨腔內(nei)壁之(zhi)間產(chan)生(sheng)的碰撞(zhuang)、擠(ji)壓、研磨、剪切等(deng)作用，使(shi)它們(men)之(zhi)間的物料被破(po)碎(sui)。
（2）高速旋(xuan)轉式
主要是利(li)用高(gao)速旋(xuan)轉的(de)部件產生的(de)強(qiang)沖擊力(li)、剪切力(li)摩(mo)擦而使物(wu)料被粉(fen)(fen)碎(sui)(sui)(sui)。 高(gao)速旋(xuan)轉粉(fen)(fen)碎(sui)(sui)(sui)機(ji)(ji)由于結構及作用力(li)的(de)方式(shi)不(bu)同又(you)分(fen)為：銷棒粉(fen)(fen)碎(sui)(sui)(sui)機(ji)(ji)（針狀磨）、擺式(shi)粉(fen)(fen)碎(sui)(sui)(sui)機(ji)(ji)、軸流式(shi)粉(fen)(fen)碎(sui)(sui)(sui)機(ji)(ji)（籠式(shi)磨）、篩分(fen)磨、離(li)心分(fen)級磨等。
（3）球磨式
近期(qi)在球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)(mo)機的基礎上(shang)，開發出了多種形式的廣義(yi)球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)(mo)機，如振(zhen)動球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)(mo)、離心球(qiu)磨(mo)(mo)(mo)(mo)、行星磨(mo)(mo)(mo)(mo)、離心滾動磨(mo)(mo)(mo)(mo)等。
（4）介質(zhi)攪拌式
是依靠磨(mo)(mo)(mo)腔中機械攪拌(ban)棒、齒或(huo)片帶動研磨(mo)(mo)(mo)介質運動，利用研磨(mo)(mo)(mo)介質之間的擠壓(ya)力和剪切力使物料(liao)粉(fen)碎。它(ta)實(shi)際上是一(yi)種內部有(you)動件(jian)的球磨(mo)(mo)(mo)機，靠內部動件(jian)帶動磨(mo)(mo)(mo)介運動來(lai)對物料(liao)進(jin)行(xing)(xing)粉(fen)碎。攪拌(ban)磨(mo)(mo)(mo)早期主要用于染料(liao)、油漆、涂(tu)料(liao)行(xing)(xing)業漿料(liao)分散(san)與混合(he)。后來(lai)經多(duo)次改進(jin)，逐步發展成為一(yi)種新型的高(gao)效(xiao)超細粉(fen)碎機。有(you)時(shi)稱(cheng)之為介質磨，也有(you)人稱之(zhi)為“剝(bo)片機”。
（5）氣(qi)流(liu)式粉碎機
是在高(gao)速氣(qi)(qi)(qi)流(liu)(liu)作(zuo)用(yong)下(xia)，物(wu)(wu)(wu)料(liao)通過本身(shen)顆粒之間的撞(zhuang)擊，氣(qi)(qi)(qi)流(liu)(liu)對(dui)物(wu)(wu)(wu)料(liao)的剪(jian)切(qie)作(zuo)用(yong)以及物(wu)(wu)(wu)料(liao)與(yu)其(qi)它部(bu)件的沖(chong)擊、摩(mo)擦、剪(jian)切(qie)而(er)使物(wu)(wu)(wu)料(liao)粉碎。先后(hou)有(you)：扁平(ping)式（圓盤式）氣(qi)(qi)(qi)流(liu)(liu)磨(mo)、循環(huan)式氣(qi)(qi)(qi)流(liu)(liu)磨(mo)、對(dui)撞(zhuang)式氣(qi)(qi)(qi)流(liu)(liu)磨(mo)、流(liu)(liu)化床(chuang)氣(qi)(qi)(qi)流(liu)(liu)磨(mo)、靶式氣(qi)(qi)(qi)流(liu)(liu)磨(mo)、超音速氣(qi)(qi)(qi)流(liu)(liu)磨(mo)等。廣泛應用(yong)于化工、材料(liao)、冶金(jin)、非礦、農(nong)藥、電子、食(shi)品、生物(wu)(wu)(wu)工程、醫藥、軍工、航天、航空等領域。
2、新近開(kai)發的粉(fen)碎法有：液(ye)流式(shi)、射(she)流粉(fen)碎機、超低溫、超臨界、超聲粉(fen)碎機等。
構(gou)筑法(fa)是通過物(wu)(wu)質的物(wu)(wu)理狀態變(bian)化來生成(cheng)粉體。由小至(zhi)大（納米級）。
（二(er)）化學法(fa)
包括(kuo)氣相沉積法、霧化法和(he)電解法等(deng)，其中(zhong)，氣(qi)相(xiang)沉積法、霧(wu)化法和電解(jie)法目前(qian)在工業上已經得到了廣泛(fan)的應用(yong)。
。
1、氣相(xiang)法
氣相法(fa)是直接利用氣體(ti)或(huo)者通過各種(zhong)手段將物(wu)質（固相或(huo)液相）變成氣體(ti)，使之在氣體(ti)狀(zhuang)態下發生物(wu)理變化或(huo)化學變化，最后在冷卻過程中凝聚長大形成(cheng)納米微粒(li)的方法(fa)。氣(qi)相法(fa)又(you)大致(zhi)可分為氣(qi)體中蒸發法(fa)、化學(xue)氣(qi)相反應法(fa)和濺(jian)射法(fa)。
（1）氣體中蒸(zheng)發法(fa)（蒸(zheng)發冷凝法(fa)）
主要是將待蒸(zheng)(zheng)發(fa)物(wu)質(zhi)（金屬、合金或陶瓷）裝入一密封容(rong)器中，并通過泵(beng)將該(gai)容(rong)器抽至100Pa高真(zhen)空（真(zhen)空蒸(zheng)(zheng)發(fa)室），然后充入低壓（約為2KPa）惰(duo)性氣體(ti)(ti)（He，Ne，Ar。注：純度約為99.9996%），然后加(jia)(jia)熱（通過電(dian)阻、等離(li)子(zi)(zi)體(ti)(ti)、電(dian)子(zi)(zi)束、激光、高頻感(gan)應(ying)等加(jia)(jia)熱源）蒸(zheng)(zheng)發(fa)源，使物(wu)質(zhi)蒸(zheng)(zheng)發(fa)成霧狀(zhuang)原子(zi)(zi)（氣化或形成等離(li)子(zi)(zi)體(ti)(ti)），與(yu)惰(duo)性原子(zi)(zi)碰撞而失去能(neng)量，然后驟冷，隨(sui)惰(duo)性氣體(ti)(ti)流冷凝到冷凝器上。將聚集(ji)的納米尺度粒子(zi)(zi)刮(gua)下(xia)、收(shou)集(ji)，即得到納米粉體(ti)(ti)。用此粉體(ti)(ti)最后在較高壓力下(xia)（1Gpa-10GPa）壓實，即得到納米材料(liao)。
（2）氣相(xiang)化(hua)學反應法（也叫化(hua)學氣相(xiang)沉積(ji)法CVD Chemical Vapor Deposition）
利用(yong)金屬化(hua)(hua)合物的蒸氣(qi)，通過化(hua)(hua)學(xue)反(fan)應生成所需要的化(hua)(hua)合物，在(zai)保護氣(qi)體環境下(xia)快速冷凝，從而制備(bei)各(ge)類物質的納米微粒。
第(di)一：揮發性金屬鹵化物(wu)和(he)氫化物(wu)；
第二(er)：有機金(jin)屬化(hua)合(he)物等蒸氣(qi)為原料(liao)，進行氣(qi)相熱分解和(he)其(qi)它化(hua)學反應來合(he)成(cheng)細粉(fen)。它是合(he)成(cheng)高熔點(dian)無機化合物超細粉最引人(ren)注目的方(fang)法。
優點：顆粒均(jun)勻、純度高、粒度小、分(fen)散(san)性好(hao)、化學反應活性高、工藝可控和過程連續等。
適合(he)于制備各類金屬(shu)(shu)、金屬(shu)(shu)化(hua)合(he)物以及非金屬(shu)(shu)化(hua)合(he)物納米微粒。如各種金屬(shu)(shu)、氮化(hua)物、碳(tan)化(hua)物、硼(peng)化(hua)物等。
按體(ti)系反應(ying)類型(xing)：分(fen)為氣相分(fen)解和氣相合成。
單(dan)一化合物(wu)的熱分解（氣相分解法）
對(dui)待分(fen)解的(de)化(hua)(hua)合(he)物(wu)(wu)或經前期預處理(li)的(de)中間化(hua)(hua)合(he)物(wu)(wu)進(jin)行(xing)加熱、蒸發（物(wu)(wu)理(li)變化(hua)(hua)）、分(fen)解（化(hua)(hua)學變化(hua)(hua)），得(de)到目(mu)標物(wu)(wu)質(zhi)的(de)納米微粒。熱分(fen)解法(fa)要求必須具備目(mu)標納米微粒物(wu)(wu)質(zhi)的(de)全部所需元(yuan)素的(de)適當(dang)化(hua)(hua)合(he)物(wu)(wu)。
‚兩種以上物質之間的氣相(xiang)反(fan)應（氣相(xiang)合成法）
利用兩(liang)種以上物質(zhi)之間的(de)氣相化學(xue)反應(ying)，在高溫下合(he)成出相應(ying)的(de)化合(he)物，再經過快速冷凝，制備各(ge)類物質(zhi)的(de)微粒。用該(gai)法可以進行多種微粒的(de)合(he)成，具(ju)有(you)靈活性(xing)和互換性(xing)。
2霧化法
自從第(di)二次世(shi)界大(da)戰期間開始生產霧(wu)化鐵(tie)粉(fen)(fen)以來，霧(wu)化工藝獲得(de)了不(bu)斷地(di)發展，并日益完善。各種霧(wu)化高質(zhi)量粉(fen)(fen)末與新的致密技術相結合，便出現許多(duo)粉(fen)(fen)末冶金新產品(pin)，其性能(neng)往往優于(yu)相應的鑄鍛產品(pin)。
霧化法是將液體金屬或合金直接破碎成為細小的液滴，其大小一般小于150μm,而成為粉末。霧化法可以用來制取多種金屬粉末，也可制取各種預合金粉末。實際上，任何能形成液體的材料都可以進行霧化。
用于制造大顆粒粉末的工藝稱為“制粒”。它是讓熔融金屬通過小孔或篩網自動地注入空氣或水中，冷凝后便得到金屬粉末。這種方法制得的粉末粒度較粗，一般為0.5～1mm，它適于制取低熔點金屬粉末。
借助高壓水流或氣流的沖擊來破碎液流，稱為水霧化或氣霧化，也稱二流霧化(圖6)；用離心力破碎液流稱為離心霧化(圖5)；在真空中霧化叫做真空霧化(圖7)；利用超聲波能量來實現液流的破碎稱作超聲波霧化(圖8)。
圖5 離心霧化示意圖
圖6 水霧化和氣霧化示意圖 (a)水霧化；(b)氣霧化
圖7 真空（溶氣）霧化示意圖
圖8 超聲霧化示意圖
3電解(jie)法
在(zai)一定(ding)條件下，粉(fen)末可以在(zai)電(dian)解槽的陰極上沉積出來(lai)。一般說(shuo)來(lai)，電解法(fa)生產的粉末(mo)成本較高(gao)，因此在粉末生產中所占的比重是較小的。電解粉末具有吸引力的原因是它的純度高。電解法制取粉末主要采用水溶液電解和熔鹽電解。水溶液電解可以生產銅、鐵、鎳、銀、錫、鉛、鉻、錳等金屬粉末；在一定條件下也可以使幾種元素同時沉積而制得鐵－鎳、鐵－鉻等合金粉末。圖1-14為電解過程示意圖。
圖1-14 電解過程示意圖
三、結(jie)束語
目(mu)前，工業中用(yong)得最多的是通(tong)過粉(fen)碎法，應用(yong)最多的粉(fen)體是通(tong)過粉(fen)碎法、化學法產生的微(wei)米(mi)級(ji)和亞(ya)微(wei)米(mi)級(ji)粉(fen)體，納米(mi)粉(fen)體的生產及使(shi)用(yong)量相對較少。隨著技術的進步，粉末冶金材料和制品的今后發展方向1、有代表性的鐵基合金，將向大體積的精密制品，高質量的結構零部件發展。2、制造具有均勻顯微組織結構的、加工困難而完全致密的高性能合金。3、用增強致密化過程來制造一般含有混合相組成的特殊合金。4、制造非均勻材料、非晶態、微晶或者亞穩合金。5、加工獨特的和非一般形態或成分的復合零部件。
