粉末冶金粉體常見的制(zhi)備方法及綜(zong)述(shu)
摘要(yao)： 粉(fen)末(mo)(mo)冶金方法起源于公元(yuan)前三千多(duo)年。制(zhi)造鐵的第一個方法實質上(shang)采用(yong)的就(jiu)是粉(fen)末(mo)(mo)冶金方法。粉末(mo)冶金(jin)制(zhi)品(pin)的(de)應用范圍十分廣泛，從普通機械制(zhi)造(zao)到(dao)精(jing)密儀器；從五金(jin)工具到(dao)大型(xing)機械；從(cong)電子(zi)工(gong)業到電機制造；從(cong)民用工(gong)業到軍事(shi)工(gong)業；從(cong)一般技術到尖端高技術，均(jun)能見到粉末冶金工(gong)藝的(de)身(shen)影。目(mu)前，我國粉(fen)末(mo)冶金行業整(zheng)體技術水平低下、工(gong)藝裝備落后，與國外先(xian)進技術水平相比存(cun)在較大差(cha)距。本文介紹了(le)粉末冶(ye)金粉體的(de)制(zhi)備方(fang)法(fa)(fa)(fa)，包括(kuo)物理方(fang)法(fa)(fa)(fa)和(he)化學方(fang)法(fa)(fa)(fa)，物理法(fa)(fa)(fa)包括(kuo)機(ji)械粉碎(sui)法(fa)(fa)(fa)，化學法(fa)(fa)(fa)包括(kuo)氣相沉積(ji)法、霧化法和電解法，氣相(xiang)沉積法、霧化法(fa)和電解法目前在工業上已經得到了廣(guang)泛的應用。
一、引言
粉(fen)末(mo)(mo)(mo)冶金(jin)(jin)是制(zhi)(zhi)取金(jin)(jin)屬或用金(jin)(jin)屬粉(fen)末(mo)(mo)(mo)(或金(jin)(jin)屬粉(fen)末(mo)(mo)(mo)與非金(jin)(jin)屬粉(fen)末(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)混合物(wu))作為原料，經過成(cheng)形和燒結，制(zhi)(zhi)造(zao)金(jin)(jin)屬材料、復合以及各(ge)種類型制(zhi)(zhi)品(pin)的(de)(de)(de)(de)工(gong)藝技術。由于(yu)粉(fen)末(mo)(mo)(mo)冶金(jin)(jin)技術的(de)(de)(de)(de)優點，它已成(cheng)為解決(jue)新(xin)材料問題的(de)(de)(de)(de)鑰匙，在新(xin)材料的(de)(de)(de)(de)發展中(zhong)起著舉(ju)足(zu)輕重的(de)(de)(de)(de)作用。
二、粉體的制備及(ji)綜述
粉末冶金的(de)生(sheng)產工藝是從制取原材料——粉末開(kai)始的(de)。這些粉末可(ke)以純金屬，也(ye)可(ke)以是非金屬，還(huan)可(ke)以是化合物。制取粉末的(de)方法有很多，他(ta)的(de)選擇主要(yao)取決于該材料的(de)特殊性能及制(zhi)取方法(fa)的成本。
粉體的的制(zhi)備方(fang)法如下：
（一(yi)）物(wu)理(li)法（機械(xie)粉碎法）
機(ji)械粉碎法(fa)是一(yi)種常見的(de)固相制粉(fen)工藝。尤其是制備粒(li)度在微米級(ji)以上的(de)陶瓷(ci)粉體(ti)時，用機械粉碎法方便快(kuai)捷，成本也(ye)比較低廉。
1、常用的粉(fen)碎法有：
（1）輥碾式
將單(dan)根或多根研棒(bang)或環(huan)等裝(zhuang)入磨(mo)腔(qiang)內，借(jie)助某(mou)種(zhong)特(te)殊力使(shi)磨(mo)腔(qiang)內的棒(bang)或環(huan)作旋轉運(yun)動，棒(bang)與棒(bang)之(zhi)間或環(huan)與環(huan)之(zhi)間以及它(ta)們與磨(mo)腔(qiang)內壁之(zhi)間產生的碰撞(zhuang)、擠壓、研磨(mo)、剪(jian)切等作用，使(shi)它(ta)們之(zhi)間的物料被(bei)破(po)碎。
（2）高(gao)速旋(xuan)轉式
主要是利用(yong)高速旋轉(zhuan)的(de)部(bu)件產(chan)生(sheng)的(de)強(qiang)沖擊力(li)、剪(jian)切力(li)摩擦(ca)而使(shi)物料被(bei)粉(fen)(fen)(fen)碎(sui)。 高速旋轉(zhuan)粉(fen)(fen)(fen)碎(sui)機(ji)由于結(jie)構及作用(yong)力(li)的(de)方式(shi)不同又分(fen)為：銷棒粉(fen)(fen)(fen)碎(sui)機(ji)（針狀磨(mo)）、擺式(shi)粉(fen)(fen)(fen)碎(sui)機(ji)、軸流(liu)式(shi)粉(fen)(fen)(fen)碎(sui)機(ji)（籠式(shi)磨(mo)）、篩(shai)分(fen)磨(mo)、離心分(fen)級磨(mo)等。
（3）球磨(mo)式
; 近(jin)期(qi)在球(qiu)磨(mo)機(ji)的基礎上，開發(fa)出(chu)了(le)多種形式的廣義球(qiu)磨(mo)機(ji)，如振動球(qiu)磨(mo)、離(li)心(xin)球(qiu)磨(mo)、行星(xing)磨(mo)、離(li)心(xin)滾動磨(mo)等(deng)。
（4）介質攪拌(ban)式
是依靠磨(mo)(mo)(mo)腔中機(ji)(ji)械攪拌棒、齒或片帶動研磨(mo)(mo)(mo)介(jie)質運(yun)動，利用研磨(mo)(mo)(mo)介(jie)質之間(jian)的(de)(de)擠(ji)壓力(li)和(he)剪切力(li)使(shi)物(wu)料(liao)(liao)粉(fen)碎(sui)。它實際上是一(yi)種內(nei)部(bu)有動件的(de)(de)球磨(mo)(mo)(mo)機(ji)(ji)，靠內(nei)部(bu)動件帶動磨(mo)(mo)(mo)介(jie)運(yun)動來對物(wu)料(liao)(liao)進行粉(fen)碎(sui)。攪拌磨(mo)(mo)(mo)早期主要用于染料(liao)(liao)、油漆、涂料(liao)(liao)行業(ye)漿料(liao)(liao)分散與混合。后來經多次改進，逐步發展成為一(yi)種新型的(de)(de)高效超細(xi)粉(fen)碎(sui)機(ji)(ji)。有時稱之為介質磨，也有人(ren)稱之(zhi)為“剝(bo)片(pian)機”。
（5）氣流式粉碎(sui)機(ji)
是在高速(su)氣(qi)流(liu)(liu)作(zuo)用(yong)(yong)下，物(wu)(wu)料(liao)通(tong)過本身顆粒之間的撞擊，氣(qi)流(liu)(liu)對(dui)物(wu)(wu)料(liao)的剪(jian)切(qie)作(zuo)用(yong)(yong)以及物(wu)(wu)料(liao)與(yu)其它部(bu)件的沖擊、摩擦、剪(jian)切(qie)而使物(wu)(wu)料(liao)粉(fen)碎(sui)。先后有：扁平(ping)式(shi)(shi)（圓(yuan)盤式(shi)(shi)）氣(qi)流(liu)(liu)磨(mo)、循環式(shi)(shi)氣(qi)流(liu)(liu)磨(mo)、對(dui)撞式(shi)(shi)氣(qi)流(liu)(liu)磨(mo)、流(liu)(liu)化(hua)床氣(qi)流(liu)(liu)磨(mo)、靶式(shi)(shi)氣(qi)流(liu)(liu)磨(mo)、超(chao)音速(su)氣(qi)流(liu)(liu)磨(mo)等。廣泛應用(yong)(yong)于化(hua)工、材料(liao)、冶金、非礦(kuang)、農藥、電子、食品(pin)、生物(wu)(wu)工程(cheng)、醫(yi)藥、軍工、航天、航空等領域。
2、新近開發的粉碎法有：液(ye)流式(shi)、射流粉碎機(ji)、超低溫、超臨界、超聲粉碎機(ji)等。
構筑法(fa)是通過物質的(de)物理狀態(tai)變(bian)化來生成粉體。由小至大（納米級）。
（二）化學法
包括(kuo)氣相(xiang)沉積法(fa)、霧化法(fa)和(he)電解法(fa)等，其中，氣相(xiang)沉積法(fa)、霧化(hua)法和電解(jie)法(fa)目前在工業(ye)上已(yi)經得(de)到(dao)了廣泛的(de)應用(yong)。
。
1、氣相法
氣相法是(shi)直接(jie)利用氣體或(huo)者通過各種(zhong)手段將物質（固相或(huo)液相）變(bian)成氣體，使之(zhi)在氣體狀(zhuang)態下發生物理(li)變(bian)化或(huo)化學變(bian)化，最后在冷(leng)卻過程中凝聚長大形成納米(mi)微粒的(de)方法(fa)(fa)。氣(qi)相(xiang)法(fa)(fa)又大(da)致可分為氣(qi)體中(zhong)蒸(zheng)發法(fa)(fa)、化(hua)學氣(qi)相(xiang)反應法(fa)(fa)和濺射法(fa)(fa)。
（1）氣(qi)體(ti)中蒸發法(fa)（蒸發冷(leng)凝(ning)法(fa)）
主要是將待(dai)蒸發(fa)物(wu)質(zhi)（金屬、合金或陶瓷）裝(zhuang)入一密(mi)封容器(qi)中，并通過泵(beng)將該容器(qi)抽至100Pa高(gao)(gao)真空（真空蒸發(fa)室），然(ran)后(hou)(hou)(hou)充入低(di)壓(ya)（約為(wei)2KPa）惰性氣(qi)體(ti)(ti)（He，Ne，Ar。注：純(chun)度(du)約為(wei)99.9996%），然(ran)后(hou)(hou)(hou)加熱（通過電(dian)阻、等離子(zi)(zi)體(ti)(ti)、電(dian)子(zi)(zi)束、激(ji)光、高(gao)(gao)頻感應等加熱源）蒸發(fa)源，使物(wu)質(zhi)蒸發(fa)成霧狀原(yuan)子(zi)(zi)（氣(qi)化或形(xing)成等離子(zi)(zi)體(ti)(ti)），與惰性原(yuan)子(zi)(zi)碰(peng)撞而失去能(neng)量，然(ran)后(hou)(hou)(hou)驟冷，隨惰性氣(qi)體(ti)(ti)流冷凝到冷凝器(qi)上。將聚集的納米(mi)尺(chi)度(du)粒子(zi)(zi)刮下、收集，即(ji)得到納米(mi)粉體(ti)(ti)。用此(ci)粉體(ti)(ti)最后(hou)(hou)(hou)在較(jiao)高(gao)(gao)壓(ya)力下（1Gpa-10GPa）壓(ya)實，即(ji)得到納米(mi)材(cai)料。
（2）氣相化學反應(ying)法（也(ye)叫化學氣相沉積法CVD Chemical Vapor Deposition）
利用金屬化(hua)合物(wu)的(de)蒸氣，通過化(hua)學(xue)反應生成所(suo)需要的(de)化(hua)合物(wu)，在保護氣體環境下(xia)快速冷凝，從而制備各類物(wu)質的(de)納米(mi)微粒。
第一：揮(hui)發性金屬鹵化物(wu)和氫化物(wu)；
第二：有機金屬化合(he)物等蒸(zheng)氣為(wei)原料，進行氣相熱分解和(he)其它化學反(fan)應來(lai)合(he)成(cheng)(cheng)細(xi)粉。它是合(he)成(cheng)(cheng)高熔點無機化(hua)合物超細粉最(zui)引人注目(mu)的方法。
優點：顆粒均勻、純度(du)(du)高(gao)、粒度(du)(du)小、分散(san)性(xing)好、化學反(fan)應活性(xing)高(gao)、工藝可控(kong)和過程連續等。
適(shi)合于制備各(ge)類金(jin)(jin)屬、金(jin)(jin)屬化(hua)合物(wu)(wu)以及(ji)非金(jin)(jin)屬化(hua)合物(wu)(wu)納米微粒。如各(ge)種金(jin)(jin)屬、氮化(hua)物(wu)(wu)、碳化(hua)物(wu)(wu)、硼(peng)化(hua)物(wu)(wu)等。
按體系反應類(lei)型：分為(wei)氣(qi)相分解和氣(qi)相合成。
單一化合物(wu)的熱分解(jie)（氣相分解(jie)法）
對待(dai)分解的(de)(de)化(hua)(hua)(hua)合物(wu)(wu)或經前(qian)期預處(chu)理的(de)(de)中間化(hua)(hua)(hua)合物(wu)(wu)進行加熱、蒸發（物(wu)(wu)理變(bian)化(hua)(hua)(hua)）、分解（化(hua)(hua)(hua)學變(bian)化(hua)(hua)(hua)），得(de)到目(mu)標(biao)物(wu)(wu)質的(de)(de)納米微(wei)粒(li)(li)。熱分解法要求必須具備目(mu)標(biao)納米微(wei)粒(li)(li)物(wu)(wu)質的(de)(de)全部(bu)所需(xu)元素的(de)(de)適當化(hua)(hua)(hua)合物(wu)(wu)。
‚兩(liang)種以上物質之(zhi)間的氣相反(fan)應(ying)（氣相合成(cheng)法）
利用兩種(zhong)以(yi)上物質(zhi)之(zhi)間的氣(qi)相化學反應，在高溫下合(he)(he)成出相應的化合(he)(he)物，再(zai)經過快速(su)冷凝，制備各類物質(zhi)的微(wei)粒。用該法可以(yi)進行多種(zhong)微(wei)粒的合(he)(he)成，具(ju)有(you)靈活性(xing)和(he)互換性(xing)。
2霧化法
自從第二次世界大戰期間開始生產(chan)霧(wu)化(hua)(hua)鐵粉(fen)以來(lai)，霧(wu)化(hua)(hua)工藝獲得了不斷地發(fa)展，并日益完善(shan)。各(ge)種霧(wu)化(hua)(hua)高質量粉(fen)末與(yu)新(xin)的(de)(de)致密(mi)技(ji)術相結合，便出現(xian)許多粉(fen)末冶金(jin)新(xin)產(chan)品，其(qi)性能往(wang)往(wang)優于相應(ying)的(de)(de)鑄鍛產(chan)品。
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(fa)生產的粉末成本較高，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、結束(shu)語
目前，工業中用得最多的(de)(de)是通過(guo)粉(fen)碎(sui)(sui)法，應用最多的(de)(de)粉(fen)體是通過(guo)粉(fen)碎(sui)(sui)法、化學法產生的(de)(de)微米級和亞(ya)微米級粉(fen)體，納米粉(fen)體的(de)(de)生產及(ji)使用量(liang)相對較(jiao)少。隨著技(ji)術的(de)(de)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。
