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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(xué)性能、物理性能和藝性能。化學(xué)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(jié)構(gòu)。藝性能是種綜合性能，包括粉末的流動性、松裝密度、振實(shí)密度、壓縮性、成形性和燒結(jié)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(xué)和物理性，如催化性能、電化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(xí)慣上分為粗粉、中等粉、細(xì)粉、微細(xì)粉和細(xì)粉五個等。

　　制取方法

　　通常按轉(zhuǎn)變的作用原理分為機(jī)械法和物理化學(xué)法兩類，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(jié)構(gòu)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(yīng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)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(yīng)用的方法。

　　霧化法

　　將熔融金屬霧化成細(xì)小液滴，在冷卻介質(zhì)中凝固成粉末(圖3)。圖4廣泛應(yīng)用的二流(熔體流和速流體介質(zhì))霧化法是用壓空氣、氮?dú)狻鍤獾?span>(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(xì)小和熱交換條件好，液滴的冷凝速度般可達(dá)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(xì)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(jié)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(jié)構(gòu)、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(kuò)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(yīng)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(fù)合熔鹽作為電解質(zhì)(見熔鹽電解)以制取粉末。

　　機(jī)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(shè)備分粗碎和細(xì)碎兩類。主要起壓碎作用的有碾碎機(jī)、輥軋機(jī)、顎式破碎機(jī)等粗碎設(shè)備。主要起擊碎和磨削作用的有錘碎機(jī)、棒磨機(jī)、磨機(jī)、振動磨機(jī)、攪動磨機(jī)等細(xì)碎設(shè)備。機(jī)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(xì)鈦粉。機(jī)械粉碎法效率低，能耗大，多作為其他制粉法的補(bǔ)充手段，或用于混合不同性質(zhì)的粉末。此外，機(jī)械粉碎法還包括旋渦研磨機(jī)，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(xì)粉。機(jī)械合金化法是用能磨機(jī)將不同的金屬和熔點(diǎn)化合物研磨成為固溶或細(xì)彌散的合金狀態(tài)。