粉末冶金行业中粉末的制备方法有哪些

粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。广义的粉末冶金制品业涵括了铁石刀具、硬质合金、磁性材料以及粉末冶金制品等。狭义的粉末冶金制品业仅指粉末冶金制品，包括粉末冶金零件(占绝大部分)、含油轴承和金属射出成型制品等。

粉末冶金主要是适用于汽车行业、装备制造业、金属行业、航空航天、军事工业、仪器仪表、五金工具、电子家电等领域的零配件。

粉末冶金常用的金属粉末有铁、铜、铝等及其合金的粉末。在制作过程中杂质和气体含量不超过1%～2%，并且粉末颗粒尺寸不大于 5μm～10μm，否则会影响制品的质量。粉末颗粒的外观几何形状。常见的有球状、柱状、针状、板状和片状等，可以通过显微镜的观察确定。

粉末冶金工艺从制取粉末原料开始，这些粉末原料可以是纯金属，也可以是化合物，生产粉末的方法有很多，与后续成型工艺相关的颗粒大小、形状、松装密度、化学成分、压制性、烧结性等都取决于制粉的工艺路线。

原材料→混合→工装→压实→烧结

粉末的制备方法，主要有两大类：其一是物理化学方法，这类方法借助化学或者物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而而获得粉末的工艺过程；其二是机械粉碎法：将原材料进行机械粉碎，而其在化学成分基本不发生变化的工艺过程。

各种粉末及其生产方法

几种常见的粉末冶金粉制取方法

1、还原法

用还原剂还原金属氧化物及盐类来生产金属粉末是一种最广泛采用的制粉方法，其工作原理（如下式）是利用还原剂夺取金属氧化物粉末中的氧，而使金属被还原成粉状，还原剂可以是固态、气态及液态物质。气体还原剂有氢、氨、煤气、转化天然气等，固体还原剂有碳和钠、钙、镁等金属。

氢或氨还原，常用来生产钨、钼、铁、铜、镍、钴等金属粉末。碳还原常用来生产铁粉。用金属强还原剂钠、镁、钙等，可以生产钽、铌、钛、锆、钒、铍、钍、铀等金属粉末（见金属热还原）。用高压氢气还原金属盐类水溶液，可制得镍、铜、钴及其合金或包覆粉末（见湿法冶金）。还原法制成的粉末颗粒大多为海绵结构的不规则形状。粉末粒度主要取决于还原温度、时间和原料的粒度等因素。还原法可制取大多数金属的粉末，是一种广泛应用的方法。

应用案例：隧道窑法制取还原铁粉工艺流程图

2、电解法

电解法在粉末生产中占有一定的地位，其生产规模在物理化学制备金属粉末中仅次于还原法。电解法消耗电量较多，电解粉的成本通常比还原粉和雾化粉要高。但是电解法制的粉末纯度高，形状为树枝状，压制性能好。电解法主要包括水溶液电解法（可制取铜、铁、锡等金属粉末）、熔盐电解法（制取一些稀有金属难熔金属粉末）、有机电解质电解法和液体金属阴极电解法。 用电解法制取粉末过程的基本原理是∶当在溶液或熔盐中通人直流电时，金属化合物的水溶液或熔盐发生分解。金属电解的实质是金属离子在阴极上放电。当电解质溶液中通入直流电后，产生了正负离子的迁移。正离子移向阴极，在阴极上放电，发生还原反应，并在阴极上析出还原产物。负离子移向阳极，在阳极上发生氧化反应，并析出氧化产物，如下图。

水溶液电解过程示意图

3、雾化法

自从第二次世界大战期间首先开始大规模生产雾化铁粉以来，雾化工艺获得不断的发展，而且日益完善。各种雾化高质量粉末与新的致密化技术相结合，导致粉末冶金产品的许多新的应用，并且产品性能往往取代相对应的铸锻产品。 雾化法是利用高速流体直接击碎液体金属或合金而获得大小约小于150μm的金属粉末的方法。它属于机械制粉法，生产规模仅次于还原法。用雾化法可以生产熔点低于1700℃左右的各种金属及合金粉末。如Pb、Sn、Al、Zn、Cu、Ni、Fe等金属粉末，以及各种铁合金、铝合金、镍合金、低合金钢、不锈钢、高速钢和高温合金等合金粉末。制造过滤器用的球形青铜粉、不锈钢粉、镍粉几乎全是采用雾化法生产的。

铝粉

雾化法的基本原理。所谓雾化，是指熔融金属液流被高速运动的气流或液流介质 （雾化介质）切断、分散、裂化成为微小液滴的过程。雾化介质分为气体（惰性气体、空气、氮气等）和液体（通常为水）两类。不同的雾化介质对雾化粉末的化学成分、颗粒形状、内部结构有不同的影响。例如采用空气作为雾化介质，适用于在雾化过程中氧化不严重或雾化后经还原处理可脱氧的金属，如铜、铁以及碳钢等。采用惰性气体作为雾化介质，可以防止在雾化过程中金属液滴的氧化和气体的溶解，如用于雾化铬粉以及含Cr、Mn、Si、V、T、Zn等活性元素的合金钢粉或镍基、钴基超合金粉末。采用氮气作为雾化介质，可喷制不锈钢粉和合金钢粉。用氩气作为雾化介质，可喷制含Ti、Zr等元素或镍基、钴基的超合金粉末。 采用水作为雾化介质，与气体雾化介质比较有以下几点∶1，用水作为雾化介质所得的颗粒多为不规则状，同时，随水压不断增加，不规则状粉末越多，颗粒的晶粒结构越细。而气体雾化则容易制得形状规则的球形粉末；2，水雾化对金属液滴的冷却速度快，粉末表面氧化大大减少，并且粉末颗粒内部化学成分较均匀。因此，铁粉、低碳钢粉、合金钢粉多用水雾化制取，但目前水雾化法不太适用于活性很大的金属或合金、超合金粉的制取。

a-气体雾化法制取铁粉的工艺流程；b—水雾化法制取铁粉的工艺流程

应用案例：雾化法制取铁粉

4、机械粉碎法

机械粉碎是靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属或合金粉碎成粉末的。它既是一种独立的制粉方法，又是某些制粉方法不可缺少的补充工作。如氧化物还原的海绵块，雾化粉末或电解粉末的二次研磨。 实践表明，机械研磨比较适于脆性材料，而塑性金属和合金的研磨主要是旋涡研磨，冷气流粉碎等。这里我们仅介绍机械研磨法。研磨的任务是减小或增大粒度（后者类似造粒），使粉末机械合金化，完成固态混料并改善、转变或改变材料的性能。

安全防爆型气流粉碎系统

参考资料： 1、粉末冶金工艺及材料；陈文革，王发展编著；丁秉钧审核。