金屬粉末的制備方法及基本原理

1、金屬粉末的制備方法及基本原理1引言金屬粉末尺寸小，比表面積大，用其制得的金屬零部件具有許多不同于常規(guī)材料 的性質(zhì)，如優(yōu)良的力學(xué)性能、特殊的磁性能、高的電導(dǎo)率和擴散率、高的反應(yīng)活性 和催化活性等。這些特殊性質(zhì)使得金屬粉末材料在航空航天、艦船、汽車、冶金、 化工等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。2金屬粉末的制備方法2.1機械法機械法就是借助于機械力將大塊金屬破碎成所需粒徑粉末的一種加工方法。按 照機械力的不同可將其分為機械沖擊式粉碎法、氣流磨粉碎法、球磨法和超聲波粉 碎法等。目前普遍使用的方法還是球磨法和氣流磨粉碎法，其優(yōu)點是工藝簡單、產(chǎn)量大，可以制備一些常規(guī)方法難以得到的高熔點金屬和合金的納米粉末。球

2、磨法球磨法主要分為滾動球法和振動球磨法。該方法利用了金屬顆粒在不同的應(yīng)變 速率下因產(chǎn)生變形而破碎細化的機理。其優(yōu)點是對物料的選擇性不強，可連續(xù)操作,生產(chǎn)效率高，適用于干磨、濕磨，可以進行多種金屬及合金的粉末制備。缺點是在粉 末制備過程中分級比較困難3。氣流磨粉碎法氣流磨粉碎法是目前制備磁性材料粉末應(yīng)用最廣的方法。具體的工藝過程為：壓縮氣體經(jīng)過特殊設(shè)計的噴嘴后，被加速為超音速氣流，噴射到研磨機的中心研磨區(qū) 從而帶動研磨區(qū)內(nèi)的物料互相碰撞，使粉末粉碎變細；氣流膨脹后隨物料上升進入分級區(qū)，由渦輪式分級器分選出達到 粒度的物料，其余粗粉返回研磨區(qū)繼續(xù)研磨，直至達到要求的粒度被分出為止。整個 生產(chǎn)過程可

3、以連續(xù)自動運行，并通過分級輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來控制粉末粒徑大小（平均粒 度在38 ym氣流磨粉碎法適于大批量工業(yè)化生產(chǎn)，工藝成熟。缺點是在金屬粉末 的生產(chǎn)過程中，必須使用連續(xù)不斷的惰性氣體或氮氣作為壓縮氣源，耗氣量較大；只 適合脆性金屬及合金的破碎制粉。2.2物理法物理法一般是通過高溫、高壓將塊狀金屬材料熔化，并破碎成細小的液滴，并在 收集器內(nèi)冷凝而得到金屬粉末，該過程不發(fā)生化學(xué)變化。目前研究和使用最多的物 理法主要有等離子旋轉(zhuǎn)電極法和氣體霧化法。等離子旋轉(zhuǎn)電極法等離子旋轉(zhuǎn)電極法的原理是將金屬或合金制成特定規(guī)格的棒料，然后裝入旋轉(zhuǎn) 模腔，再將等離子槍移至棒料前，在等離子束的作用下，棒料端部開始熔化，

4、形成的液 體受到離心力和液體表面張力的雙重作用，被破碎成液滴飛離電極棒，最終冷凝成球 形金屬粉末4。該方法根據(jù)電極轉(zhuǎn)速和等離子弧電流的大小調(diào)節(jié)控制粉末粒徑。 優(yōu)點是所得粉末球形度好，氧含量低；缺點是粉末不易制取，每批次的材料利用率不 高。氣體霧化法氣體霧化法是生產(chǎn)金屬及合金粉末的主要方法之一。氣體霧化的基本原理是用 高速氣流將液態(tài)金屬流破碎成小液滴并凝固成粉末的過程。霧化粉末具有球形度 高、粉末粒度可控、氧含量低、生產(chǎn)成本低以及適應(yīng)多種金屬粉末的生產(chǎn)等優(yōu)點，已成為高性能及特種合金粉末制備技術(shù)的主要發(fā)展方向。噴嘴是氣體霧化的關(guān)鍵技術(shù)，其結(jié)構(gòu)和性能決 定了霧化粉末的性能和生產(chǎn)效率。因此，噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)

5、計與性能的不斷提高決定著氣 體霧化技術(shù)的進步。從霧化噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進歷程可以將霧化技術(shù)分為傳統(tǒng)霧化 技術(shù)和新型霧化技術(shù)。2.221傳統(tǒng)霧化技術(shù)傳統(tǒng)霧化技術(shù)主要包括超聲霧化技術(shù)、緊耦合霧化技術(shù)和高壓氣體霧化技術(shù)。 超聲霧化技術(shù)最初由瑞典人發(fā)明，后由美國M IT的Grant改造完善。這項技術(shù)利用 22.5 M a的超音速氣流和80100 kHz的脈沖頻率，氣體介質(zhì)壓力為1.48.2 M Pa氣 流的最高速度640 m/s粉末冷凝速度可達104105 K/s。用該方法制備的鋁粉平均 粒度可達到22卩m且粉末呈表面光滑的球狀。該項技術(shù)的優(yōu)點是效率較高,缺點是只能在金屬液流直徑小于5 mm的情況下才具

6、有較好的效果，因此,適用于鋁等低熔 點金屬粉末的生產(chǎn)，而對高熔點金屬還處于實驗階段。據(jù)報道，美國坩堝材料公司（CrucibleMaterials已引進該項技術(shù)進 行工業(yè)化生產(chǎn)。緊耦合霧化技術(shù)是一種對限制式噴嘴結(jié)構(gòu)進行改造的霧化技術(shù)。由 于其氣流出口至液流的距離達到最短7,因而提高了氣體動能的傳輸效率。這種技 術(shù)目前已被大多數(shù)霧化設(shè)備采用。霧化粉末的特點是微細粉末收得率高，粒徑?。ㄈ玷F合金粉末的平均粒度達1020卩m粒度分布窄，冷卻速度高。高的冷卻速度有利于 快速冷凝合金或非晶合金粉末的生產(chǎn)。缺點是當(dāng)霧化氣壓增加到一定值時，導(dǎo)液管出口處將產(chǎn)生正壓，使霧化過程不能進行；在高壓霧化下，導(dǎo)液管出口處將

7、產(chǎn)生真空 （負壓過低,使金屬液流率增加，不利于細粉末的產(chǎn)生。高壓氣體霧化技術(shù)是由美國愛荷華州立大學(xué)Ames實驗室的Anderson等人提出。該技術(shù)對緊耦合噴嘴結(jié)構(gòu)進行進一步改進 ，將緊耦合噴嘴 的環(huán)縫出口改為2024個單一噴孔，通過提高氣壓和改變導(dǎo)液管出口處的形狀設(shè)計， 克服緊耦合噴嘴中存在的氣流激波，使氣流呈超聲速層流狀態(tài)，并在導(dǎo)液管出口處形成有效的負壓13。這一改進有效提高了霧化效率。高壓氣體霧化技術(shù)在生產(chǎn)微細粉 方面很有成效，且能明顯節(jié)約氣體用量。新型霧化技術(shù)隨著微細粉末在高新技術(shù)新材料中的應(yīng)用，需要大量粒徑小于20卩r或 10卩r的金屬及合金粉末,傳統(tǒng)的霧化方法在生產(chǎn)這類粉末時仍然存在

8、不足：細粉末的產(chǎn)出率低（小于20% :氣體消耗量大，生產(chǎn) 成本高。為此，自20世紀90年代，人們對新型霧化技術(shù)進行大量的研究，并取得了可 喜成果。這些新型霧化技術(shù)大大提高了微細粉末的收得率，并且正在進入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用。新型霧化技術(shù)主要分為層流霧化技術(shù)、超聲緊耦合霧化技術(shù)和熱氣體霧化 技術(shù)3類。層流霧化技術(shù)是由德國Nanoval公司等提出14。該技術(shù)對常規(guī)噴嘴進 行了重大改進。改進后的霧化噴嘴霧化效率高，粉末粒度分布窄，冷卻速度達 106107 K/s。在2.0 M Pa的霧化壓力下，以Ar或N2為介質(zhì)霧化銅、鋁、316L不銹鋼等，粉末平均粒度達到10 ym該工藝的另一 個優(yōu)點是氣體消耗量低，經(jīng)

9、濟效益顯著，并且適用于大多數(shù)金屬粉末的生產(chǎn)。缺點是 技術(shù)控制難度大，霧化過程不穩(wěn)定，產(chǎn)量小（金屬質(zhì)量流率小于1 kg/min,不利于工業(yè) 化生產(chǎn)。Nan oval公司正致力于這些問題的解決。超聲緊耦合霧化技術(shù)是由英國 PSI公司提出。該技術(shù)對緊耦合環(huán)縫式噴嘴進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使氣流的出口速度超過聲速，并且增加金屬的質(zhì)量流率。在霧化高表面能的金屬如不銹鋼時，粉末平均 粒度可達20卩m左右,粉末的標準偏差最低可以降至1.5該技術(shù)的另一大優(yōu)點是大大提高了粉末的冷卻速度，可以生產(chǎn)快冷或非晶結(jié)的粉末7。從當(dāng)前的發(fā)展來 看,該項技術(shù)設(shè)備代表了緊耦合霧化技術(shù)的新的發(fā)展方向，且具有工業(yè)實用意義，可以 廣泛應(yīng)用于微

10、細不銹鋼、鐵合金、鎳合金、銅合金、磁性材料、儲氫材料等合金粉末的生 產(chǎn)。近年來，英國的PSI公司和美國的HJF公司分別對熱氣體霧化的作用及機理進 行了大量的研究。HJF公司在1.72 M Pa壓力下，將氣體加熱至200400 C霧化銀合 金和金合金，得出粉末的平均粒徑和標準偏差均隨溫度升高而降低15。與傳統(tǒng)的霧化技術(shù)相比，熱氣體霧化技 術(shù)可以提高霧化效率，降低氣體消耗量，易于在傳統(tǒng)的霧化設(shè)備上實現(xiàn)該工藝，是一項 具有應(yīng)用前景的技術(shù)。但是，熱氣體霧化技術(shù)受到氣體加熱系統(tǒng)和噴嘴的限制，僅有 少數(shù)幾家研究機構(gòu)進行研究。2.3物理-化學(xué)法物理-化學(xué)法是指在粉末制備過程中，同時借助化學(xué)反應(yīng)和物理破碎2種方式而獲得粉末的方法。該方法中最具代表性的是以氫氣為反應(yīng)介質(zhì) 的氫化-脫氫法（HDH。氫化脫氫法利用原料金屬易吸氫增脆的特性,在一定的溫度 下使金屬與氫氣發(fā)生氫化反應(yīng)生成金屬氫化物,然后借助機械方法將所得金屬氫化物破碎成期望粒度的粉末