粉末冶金粉體常見的制備方法及綜述1

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一、引言

粉末冶金是制取金屬或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合以及各種類型制品的工藝技術(shù)。由于粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，它已成為解決新材料問題的鑰匙，在新材料的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。

二、粉體的制備及綜述

粉末冶金的生產(chǎn)工藝是從制取原材料——粉末開始的。這些粉末可以純金屬，也可以是非金屬，還可以是化合物。制取粉末的方法有好多，他的選擇主要取決于該材料的特別性能及制取方法的成本。

粉體的的制備方法如下：

（一）物理法（機(jī)械粉碎法）機(jī)械粉碎法是一種常見的固相制粉工藝。特別是制備粒度在微米級以上的陶瓷粉體時(shí)，用機(jī)械粉碎法便利快捷，成本也比較低廉。

1、常用的粉碎法有：

（1）輥碾式

將單根或多根研棒或環(huán)等裝入磨腔內(nèi)，借助某種特別力使磨腔內(nèi)的棒或環(huán)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，棒與棒之間或環(huán)與環(huán)之間以及它們與磨腔內(nèi)壁之間產(chǎn)生的碰撞、擠壓、研磨、剪切等作用，使它們之間的物料被破碎。

（2）高速旋轉(zhuǎn)式

主要是利用高速旋轉(zhuǎn)的部件產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊力、剪切力摩擦而使物料被粉碎。

高速旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)由于結(jié)構(gòu)及作用力的方式不同又分為：銷棒粉碎機(jī)（針狀磨）、擺式粉碎機(jī)、軸流式粉碎機(jī)（籠式磨）、篩分磨、離心分級磨等。

（3）球磨式

近期在球磨機(jī)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了多種形式的廣義球磨機(jī)，如振動(dòng)球磨、離心球磨、行星磨、離心滾動(dòng)磨等。

（4）介質(zhì)攪拌式

是依靠磨腔中機(jī)械攪拌棒、齒或片帶動(dòng)研磨介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，利用研磨介質(zhì)之間的擠壓力和剪切力使物料粉碎。它實(shí)際上是一種內(nèi)部有動(dòng)件的球磨機(jī)，靠內(nèi)部動(dòng)件帶動(dòng)磨介運(yùn)動(dòng)來對物料進(jìn)行粉碎。攪拌磨早期主要用于染料、油漆、涂料行業(yè)漿料分散與混合。后來經(jīng)屢屢改進(jìn)，逐步發(fā)展成為一種新型的高效超細(xì)粉碎機(jī)。有時(shí)稱之為介質(zhì)磨，也有人稱之為“剝片機(jī)〞。

（5）氣流式粉碎機(jī)

是在高速氣流作用下，物料通過本身顆粒之間的撞擊，氣流對物料的剪切作用以及物料與其它部件的沖擊、摩擦、剪切而使物料粉碎。先后有：扁平式（圓盤式）氣流磨、循環(huán)式氣流磨、對撞式氣流磨、流化床氣流磨、靶式氣流磨、超音速氣流磨等。廣泛應(yīng)用于化工、材料、冶金、非礦、農(nóng)藥、電子、食品、生物工程、醫(yī)藥、軍工、航天、航空等領(lǐng)域。

2、新近開發(fā)的粉碎法有：液流式、射流粉碎機(jī)、超低溫、超臨界、超聲粉碎機(jī)等。

構(gòu)筑法是通過物質(zhì)的物理狀態(tài)變化來生成粉體。由小至大（納米級）。

（二）化學(xué)法

包括氣相沉積法、霧化法和電解法等，其中，氣相沉積法、霧化法和電解法目前在工業(yè)上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。。

1、氣相法

氣相法是直接利用氣體或者通過各種手段將物質(zhì)（固相或液相）變成氣體，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理變化或化學(xué)變化，最終在冷卻過程中凝聚長大形成納米微粒的方法。氣相法又大致可分為氣體中蒸發(fā)法、化學(xué)氣相反應(yīng)法和濺射法。

（1）氣體中蒸發(fā)法（蒸發(fā)冷凝法）

主要是將待蒸發(fā)物質(zhì)（金屬、合金或陶瓷）裝入一密封容器中，并通過泵將該容器抽至100Pa高真空（真空蒸發(fā)室），然后充入低壓（約為2KPa）惰性氣體（He，Ne，Ar。注：純度約為99.9996%），然后加熱（通過電阻、等離子體、電子束、激光、高頻感應(yīng)等加熱源）蒸發(fā)源，使物質(zhì)蒸發(fā)成霧狀原子（氣化或形成等離子體），與惰性原子碰撞而失去能量，然后驟冷，隨惰性氣體流冷凝到冷凝器上。將聚集的納米尺度粒子刮下、收集，即得到納米粉體。用此粉體最終在較高壓力下（1Gpa-10GPa）落實(shí)，即得到納米材料。

（2）氣相化學(xué)反應(yīng)法（也叫化學(xué)氣相沉積法CVDChemicalVaporDeposition）

利用金屬化合物的蒸氣，通過化學(xué)反應(yīng)生成所需要的化合物，在保護(hù)氣體環(huán)境下快速冷凝，從而制備各類物質(zhì)的納米微粒。

第一：揮發(fā)性金屬鹵化物和氫化物；

其次：有機(jī)金屬化合物等蒸氣為原料，進(jìn)行氣相熱分解和其它化學(xué)反應(yīng)來合成細(xì)粉。它是合成高熔點(diǎn)無機(jī)化合物超細(xì)粉最引人注目的方法。

優(yōu)點(diǎn)：顆粒均勻、純度高、粒度小、分散性好、化學(xué)反應(yīng)活性高、工藝可控和過程連續(xù)等。

適合于制備各類金屬、金屬化合物以及非金屬化合物納米微粒。如各種金屬、氮化物、碳化物、硼化物等。

按體系反應(yīng)類型：分為氣相分解和氣相合成。

單一化合物的熱分解（氣相分解法）

對待分解的化合物或經(jīng)前期預(yù)處理的中間化合物進(jìn)行加熱、蒸發(fā)（物理變化）、分解（化學(xué)變化），得到目標(biāo)物質(zhì)的納米微粒。熱分解法要求必需具備目標(biāo)納米微粒物質(zhì)的全部所需元素的適當(dāng)化合物。

兩種以上物質(zhì)之間的氣相反應(yīng)（氣相合成法）

利用兩種以上物質(zhì)之間的氣相化學(xué)反應(yīng)，在高溫下合成出相應(yīng)的化合物，再經(jīng)過快速冷凝，制備各類物質(zhì)的微粒。用該法可以進(jìn)行多種微粒的合成，具有靈活性和互換性。

2霧化法

自從其次次世界大戰(zhàn)期間開始生產(chǎn)霧化鐵粉以來，霧化工藝獲得了不斷地發(fā)展，并日益完善。各種霧化高質(zhì)量粉末與新的致密技術(shù)相結(jié)合，便出現(xiàn)大量粉末冶金新產(chǎn)品，其性能往往優(yōu)于相應(yīng)的鑄鍛產(chǎn)品。

霧化法是將液體金屬或合金直接破碎成為細(xì)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(yù)合金粉末。實(shí)際上，任何能形成液體的材料都可以進(jìn)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(wǎng)自動(dòng)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)液流的破碎稱作超聲波霧化(圖8)。

5離心霧化示意圖

6水霧化和氣霧化示意圖水霧化；(b)氣霧化圖圖(a)

圖7真空（溶氣）霧化示意圖

圖8超聲霧化示意圖

3電解法

在一定條件下，粉末可以在電解槽的陰極上沉積出來。一般說來，電解法生產(chǎn)的粉末成本較高，因此在粉末生產(chǎn)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(chǎn)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(shí)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、終止語

目前，工業(yè)中用得最多的是通過粉碎法，應(yīng)用最多的粉體是

通過粉碎法、化學(xué)法產(chǎn)生的微米級和亞