金属粉末的制备方法及基本原理

金属粉末的制备方法及基本原理金属粉末的制备方法及基本原理摘要制取粉末是粉末冶金的第一步。为了满足对粉末的各种要求，也就要有各种各样生产粉末的方法，机械法、物理法、物理化学法等超细金属粉末的制备方法，还原和机械法是制备金属粉末的基本方法关键词金属粉末的制备，机械研磨法，雾化法，还原法，电解法制取粉末是粉末冶金的第一步。为了满足对粉末的各种要求，也就要有各种各样生产粉末的方法，这些方法不外乎使金属、合金或者金属化合物从固态、液态或气态转变成粉末状态。在冶金制品生产时，其选择主要取决于以下两个因素：粉末的性能和最低的成本。是为能否制取一定物理机械性能和其它特殊性能的制品。主要取决于金属粉末的性能。从过程的实质来看，现有制粉方法大体上可归纳为两大类，即机械法和物理化学法。机械法是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本上不发生变化；物理化学法是借助化学的或物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的。粉末的生产方法很多，从工业规模而言，应用最广泛的是还原法、雾化法和电解法；而气相沉积法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。一机械研磨法固态金属的机械粉碎既是一种独立的制粉方法，又常作为某些制粉方法不可缺少的补充工序。因此，机械粉碎法在粉末生产中占有重要的地位机械研磨主要用来：粉碎脆性金属和合金，如锑、锰、铬、高碳铁、铁合金等以及研磨还原海绵状金属块或电解阴极沉积物；可以研磨经特殊处理后具有脆性的金属和合金，例如，研磨冷却处理后的铅以及加热处理后的锡；如钛经氢化处理后，进行研磨，最后脱氢可以制取细粒度的高纯钛粉下面主要以球磨为例讨论机械研磨的规律。1球磨机转速慢时，球和物料沿筒体上升至自然坡度角，然后滚下，称为泻落。这时物料的粉碎主要靠球的摩擦作用2球磨机转速较高时，球在离心力的作用下，随着筒体上升至比第一种情况更高的点平衡，这时物料不仅靠球与球之间的摩擦作用，而主要靠球落下时的冲击作用而被粉碎，其效果最好继续增加球磨机的转速，当离心力超过球体的重力时，紧靠衬板的球不脱离筒壁而与筒体一起回转，此时物料的粉碎作用将停止。影响球磨的因素：1球磨筒的转速；2装球量在一定范围内增加装球量能提高研磨效率。在转速固定时，装球量过少，球在倾斜面上主要是滑动，使研磨效率降低；3球料比，在研磨中还要注意球与料的比例。料太少，则球与球间碰撞加多，磨损太大；料过多，则磨削面积不够，不能很好磨细粉末，需要延长研磨时间，能量消耗增大。4球的大小，球的大小对物料的粉碎有很大影响。如果球的直径小，球的质量轻，则对物料的冲击力弱；但球的直径太大，则装球的个数太少，因而撞击次数减少，磨削面积减小，也使球磨效率降低。5研磨介质，物料除了在空气介质中干磨外，还可在液体介质中进行湿磨，后者在硬质合金、金属陶瓷及特殊材料的研磨工艺中常被采用。二雾化法雾化法属于机械制粉法，直接击碎液体金属或合金而制得粉末的方法，应用较广泛，生产规模仅次于还原法。雾化法又称喷雾法，可以制取铅、锡、铝、锌、铜、镍、铁等金属粉末，也可制取黄铜、合金钢、高速钢、不锈钢等预合金粉末。制造过滤器用的青铜、不锈钢、镍的球形粉末目前几乎全是采用雾化法生产。雾化法包括：二流雾化法，水雾化；离心雾化法，分旋转圆盘；其他雾化法，如真空雾化、油雾化等。下面主要讨论气体雾化和水雾化，并简要介绍离心雾化法二流雾化法雾化过程原理：二流雾化法是用高速气流或高压水击碎金属液流的，而机械粉碎法是借机械作用破坏固体金属原子间的结合，所以雾化法只要克服液体金属原子间的键合力就能使之分散成粉末，因而雾化过程所需消耗的外力比机械粉碎法小得多。从能量消耗这一点来说，雾化法是一种简便的经济的粉末生产方法。根据雾化介质（气体、水）对金属液流作用的方式不同，雾化具有多种形式：平行喷射，气流与金属液流平行；垂直喷射，气流或水流与金属液流互呈垂直方向，这样喷制的粉末较粗，常用来喷制锌、铝粉；互成角度的喷射，气流或水流与金属液流呈一定角度，这种呈角度的喷射又有以下几种形式：V型喷射、锥形喷射旋涡环形喷射。雾化过程是复杂的，影响因素很多，要综合考虑。显然，气流和金属液流的动力交互作用愈显著，雾化过程愈强烈。金属液流的破碎程度取决于气流的动能，特别是气流对金属液滴的相对速度以及金属液流的表面张力和运动粘度。一般来说，金属液流的表面张力、动粘度值是很小的，所以气流对金属液滴的相对速度是主要的因素影响雾化粉末性能的因素雾化介质类别的影响雾化介质分为气体和液体两类。气体可用空气和惰性气体氮、氩等，液体主要用水。不同的雾化介质对雾化粉末的化学成分、颗粒形状、结构有很大的影响。气体或水的压力的影响，实践证明，气体压力愈高，所得粉末愈细金属液流股直径的影响，当雾化压力与其他工艺参数不变时，金属液流股直径愈细，所得细粉末也愈多气体雾化法制取铜和铜合金粉工艺：气体雾化法制取铁粉工艺；水雾化法制取铁粉和合金钢粉的工艺。三还原法还原金属氧化物及盐类以生产金属粉末是一种应用最广泛的制粉方法。特别是直接使用矿石以及冶金工业废料如轧钢铁鳞作原料时，还原法最为经济。实践证明：用固体碳还原，不仅可以制取铁粉，而且可以制取钨粉；用氢或分解氨还原，可以制取钨、钼、铁、铜、钴、镍等粉末；用转化天然气作还原剂，可以制取铁粉等；用钠、钙、镁等金属作还原剂，可制取钽、铌、钛、锆、钍、铀等稀有金属粉末。归纳起来，不但还原剂可呈固态、气态以至液态，而被还原物料除固态外，还可以是气相和液相。以碳还原法为例碳还原铁氧化物的基本原理：铁氧化物的还原过程是分阶段进行的，即从高价氧化铁到低价氧化铁，最后转变成金属。固体碳还原金属氧化物的过程通常称为直接还原。影响还原过程和铁粉质量的因素研究铁氧化物还原的基本原理就是为了了解其实质和影响还原过程的内外在因素，以便在生产上控制这些因素，来提高还原速度和铁粉的质量。下面讨论这些因素的影响1原料中杂质的影响，原料中杂质的含量超过一定限度后，不仅还原时间延长，并且使还原不完全，铁粉中含铁量降低；原料粒度的影响。多相反应与界面有关，原料粒度愈细，界面的面积愈大，因而促进反应的进行2固体碳还原剂：木炭的还原能力最强，其次是焦炭，而无烟煤则较差。固体碳还原剂用量的影响在一定的还原条件下，固体碳还原剂的消耗量主要根据氧化铁的含氧量而定。如果还原温度变了，气相组成也随之改变，则固体碳的消耗量也会变化。3还原工艺条件在还原过程中，如其他条件不变，还原温度和还原时间又互相影响。实践证明，随着还原温度的提高，还原时间可以缩短。在还原温度一定时，料层厚度不同，还原时间也不同。4添加剂：加入少量的固体还原剂于原料中，可以同时起疏松剂和辅助还原剂的作用。四电解法电解法在粉末生产中占有重要的地位，其生产规模在物理化学法中仅次于还原法。不过，电解法耗电较多，一般来说成本比还原粉、雾化粉高。因此，在粉末总产量中，电解粉所占的比重是较小的。电解制粉又可分为：水溶液电解、有机电解质电解、熔盐电解和液体金属阴极电解，其中用得较多的还是水溶液电解和熔盐电解，而熔盐电解主要用于制取一些稀有难熔金属粉末。下面主要讨论水溶液电解法，也简单介绍熔盐电解法。水溶液电解法可生产铜镍、铁、银、锡、铅、铬、锰等金属粉末。从所得粉末特性来看，电解法有一个提纯过程，因而所得粉末较纯；同时，由于电解晶粉末形状一般为树枝状，压制性（包括压缩性和成形性）较好；电解还可以控制粉末粒度，因而可以生产超细粉末。水溶液电解法制铜粉的工艺电解法制取铜粉的工艺条件大体有高电流密度和低电流密度两种方案，前者电能消耗大，但生产率较高。见右图流程五，检测性能方法比较常用的是筛分析法，筛分析的原理、装置，操作都很简单，应用也很广泛。筛分析适于以上的中等和粗粉末的分级和粒度测定。显微镜法、沉降分析、光散射法、光遮法等等。随着技术的进步，金属粉末的应用领域不断扩展，市场需求急剧增加，且呈现出向高纯、超细方向发展的趋势。