學術干貨|金屬粉末的制備方法
1.?前言
粉末冶金是一種制取金屬粉末以及用金屬（或金屬與非金屬混合物）粉末作為原料，經過成型和燒結獲得零件制品的工藝過程。金屬粉末作為工業的主要原材料，廣泛地應用在機械、冶金、化工、航空航天材料領域。金屬粉末是粉末冶金工業的基礎原材料，它的產量、品質決定著粉末冶金工業的發展。
金屬粉末通常為小于1mm的金屬顆粒的集合體。粒度區間的劃分并沒有統一的規定。常用的劃分方法為：顆粒在1000~50μm的為常規粉末；50~10μm稱細粉末；10~0.5μm稱極細粉末；<0.5μm稱超細粉末；0.1~100nm稱納米級粉末。每一個粉末顆粒可能是—個晶體，也可能由許多晶體所組成的，這取決于顆粒大小和制備方法。
2.?金屬粉末的制備方法
目前工業生產粉末的方法達數十種，但就生產過程的實質分析，主要分為機械法和物理化學法兩大類，既可從固、液、氣態金屬直接細化獲得，又可從其不同狀態下的金屬化合物經還原、熱解、電解轉變制取。難熔金屬的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物一般可直接用化合或還原－化合方法制取。因制取方法不同，同一種粉末的形狀、結構和粒度等特性常常差別很大。
圖1 不同方法生產的金屬粉末形狀
金屬粉末生產方法的選擇取決于原材料、粉末類型、粉末材料的性能要求和粉末的生產效率等。隨著粉末冶金產品的應用越來越廣泛，對粉末顆粒的尺寸形狀和性能的要求越來越高，因此粉末制備技術也在不斷地發展和創新，以適應顆粒尺寸和性能的要求。
2.1 機械物理法
機械法是借助于機械外力將金屬破碎成所需粒徑粉末的一種加工方法，該方法制備過程中材料的化學成分基本不變。目前普遍使用的方法是球磨法和研磨法，其優點是工藝簡單、產量大，可以制備一些常規方法難以得到的高熔點金屬和合金的超細粉末。
2.1.1 球磨法
機理：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變速率下產生應變而破碎細化的機理。
應用：此方法主要適用于Sb、Cr、Mn、Fe-Cr合金等粉末的制取。
優缺點：優點是可連續操作，生產效率高，適用于干磨、濕磨，可以進行多種金屬及合金的粉末制備。缺點是對物料的選擇性不強，在粉末制備過程中分級比較困難。
圖2 150r/min轉速下球磨12h(a)、18h(b)、24h(c)所得銻粉樣品的TEM照片
2.1.2 研磨法
機理：研磨法是將壓縮氣體經過特殊噴嘴后，噴射到研磨區，從而帶動研磨區內的物料互相碰撞，摩擦成粉；氣流膨脹后隨物料上升進入分級區，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繼續研磨，直至達到要求的粒度被分出為止。
應用：被廣泛地應用于非金屬、化工原料、顏料、磨料、保健藥品等行業的超細粉碎中。
優缺點：由于研磨法采用干法生產，從而省去了物料的脫水、烘干等工藝；其產品純度高、活性大、分散性好，粒度細且分布較窄，顆粒表面光滑。但研磨法也存在設備制造成本高，在金屬粉末的生產過程中，必須使用連續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等不足。
2.1.3 霧化法
機理：霧化法一般是利用高壓氣體、高壓液體或高速旋轉的葉片，將經高溫、高壓熔融的金屬或合金破碎成細小的液滴，然后在收集器內冷凝而得到超細金屬粉末，該過程不發生化學變化。霧化法是生產金屬及合金粉末的主要方法之一。霧化的方法很多，如雙流霧化、離心霧化、多級霧化、超聲霧化技術、緊耦合霧化技術、高壓氣體霧化、層流霧化、超聲緊耦合霧化和熱氣體霧化等。
應用：霧化法通常應用于Fe、Sn、Zn、Pb、Cu等金屬粉末的生產，也可用于制取青銅、黃銅、碳鋼、合金鋼等合金粉末的生產。霧化法滿足3D打印耗材金屬粉末的特殊要求，圖3為德國某廠家不銹鋼粉末的微觀結構。
優缺點：霧化粉末具有球形度高、粉末粒度可控、氧含量低、生產成本低以及適應多種金屬粉末的生產等優點，已成為高性能及特種合金粉末制備技術的主要發展方向，但霧化法具有生產效率低，超細粉末的收得率不高，能耗相對較大等缺陷。
圖3 德國某廠家3D打印不銹鋼粉末的微觀結構
2.2 物理-化學法
物理-化學法是指在粉末制備過程中，通過改變原料的化學成分或集聚狀態而獲得超細粉末的生產方法。按照化學原理的不同可將其分為還原法、電解法和化學置換法。
2.2.1 還原法
機理：還原法是利用還原劑在一定條件下將金屬氧化物或金屬鹽類等進行還原而制取金屬或合金粉末的方法，是生產中應用最廣的制粉方法之一。常用的還原劑有氣體還原劑(如氫、分解氨、轉化天然氣等)、固體碳還原劑(如木炭、焦炭、無煙煤等)和金屬還原劑(如鈣、鎂、鈉等)。以氫氣為反應介質的氫化脫氫法是最具代表性的制備方法，其利用原料金屬易氫化的特性，在一定的溫度下使金屬與氫氣發生氫化反應生成金屬氫化物，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，再將破碎后的金屬氫化物粉末中的氫在真空條件下脫除，從而得到金屬粉末。
應用：主要應用于Ti、Fe、W、Mo、Nb、W-Re等金屬（合金）粉末的制取。如金屬鈦（粉）在一定溫度下便開始與氫氣發生劇烈的反應，當含氫量大于2.3%時，氫化物疏松，易于粉碎成細小顆粒的氫化鈦粉，氫化鈦粉在大約700℃左右的溫度，將其分解以及將鈦粉中固溶的大部分氫除去，即可得到鈦粉。
優缺點：優點是操作簡單，工藝參數易于控制，生產效率高，成本較低，適合工業化生產；缺點是只適用于易與氫氣反應、吸氫后變脆易破碎的金屬材料。
2.2.2 電解法
機理：電解法是通過電解熔鹽或鹽的水溶液使得金屬粉末在陰極沉積析出的方法。
應用：電解水溶液可以生產Cu、Ni、Fe、Ag、Sn、Fe-Ni等金屬（合金）粉末，電解熔鹽可以生產Zr、Ta、Ti、Nb等金屬粉末。
優缺點：其優點是制取的金屬粉末純度較高，一般單質粉末的純度可達99.7%以上；另外，電解法可以很好的控制粉末的粒度，可以制取出超精細粉末。但是電解法制粉耗電量大，制粉成本較高。
圖4 超聲波電解制備鐵粉裝置圖
2.2.3羥基法
機理：將某些金屬(鐵、鎳等)與一氧化碳合成為金屬羰基化合物，再熱分解為金屬粉末和一氧化碳。
應用：工業上主要用來生產鎳和鐵的細粉和超細粉，以及Fe-Ni、Fe-Co、Ni-Co等合金粉末
優缺點：這樣制得的粉末很細，純度很高，但成本高。
2.2.4化學置換法
機理：化學置換法是根據金屬的活潑性強弱，用活潑性強的金屬將活性較小的金屬從金屬鹽溶液中將其置換出來，將置換所得到的金屬（金屬粉粒）用其他方法進一步處理細化。
應用：此法主要應用于Cu、Ag、Au等不活潑金屬粉末的制備。
金屬粉末的制取方法總結表如表1所示。
表1 金屬粉末的制取方法
3.?小結
隨著技術的進步，金屬粉末在冶金、化工、電子、磁性材料、精細陶瓷、傳感器等方面均得到開發應用，顯示了良好的應用前景，且金屬粉末呈現出向高純、超細（納米）方向發展的趨勢。雖然超細金屬粉末的制備方法多種多樣，可根據用途和經濟技術要求選用不同的方法，但每種方法都有一定的局限性，存在許多需要解決和完善的問題。當前，制取金屬粉末應用最廣泛的方法當屬還原法、電解法和霧化法；另外在傳統生產工藝的基礎上進行改進，得到了許多新型的的生產工藝和方法，如真空蒸發冷凝法、超聲霧化法、旋轉盤霧化法、雙輥及三輥霧化法、多級霧化法、等離子旋轉電極法、電弧法等。金屬粉末的制取方法中，雖然不少方法已經得到實際應用，但仍存在著兩個主要問題，即規模較小和生產成本高。為了促進金屬粉末材料的發展應用，必須對不同的方法加以綜合利用，取長補短，開發出生產量更大、成本更低的工藝方法。
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本文由材料人編輯部學術干貨組deer供稿，材料牛編輯整理。
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