金屬粉末
正文
金屬粉末是指尺寸小於1mm的金屬顆粒群。包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質的某些難熔化合物粉末，是粉末冶金的主要原材料。尺寸小於1mm的金屬顆粒群。包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質的某些難熔化合物粉末(圖1),是粉末冶金的主要原材料。金屬粉末的製取和套用淵源久遠。古代曾用金、銀、銅、青銅及其某些氧化物粉末作塗料，用於陶器、首飾等器具的著色、裝飾。20世紀初,美國人庫利吉(W.D.Coolidge)用氫還原氧化鎢生產鎢粉以製取鎢絲，是近代金屬粉末生產的開端。此後用化學還原法製取了銅、鈷、鎳、鐵、碳化鎢等多種粉末，促進了早期粉末冶金製品（含油多孔軸承、多孔過濾器、硬質合金等）的發展；此時還發明了羰基法以製取鐵粉和鎳粉。30年代先是用渦流研磨法製取鐵粉，後來用固體碳還原法生產鐵粉，成本很低。30年代初還出現了熔融金屬霧化法。這種方法起初用來製取低熔點金屬如錫、鉛、鋁等粉末，到40年代初發展成為用高壓空氣霧化製取鐵粉。50年代開始用高壓水霧化製取合金鋼和多種合金粉末。60年代研究出多種霧化方式生產高合金粉末，促進了高性能粉末冶金製品的發展。70年代以來出現了多種氣相和液相物理化學反應方法，製取有重要用途的包覆粉末和超細粉末。
金屬粉末製取方法 通常按轉變的作用原理分為機械法和物理化學法兩類，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、電解而轉變製取。難熔金屬的碳化物、氮化物、硼化物、矽化物一般可直接用化合或還原－化合方法製取。因製取方法不同，同一種粉末的形狀、結構和粒度等特性常常差別很大(圖2)。粉末的製取方法列表如下，其中套用最廣的是還原法、霧化法、電解法。
金屬粉末霧化法 將熔融金屬霧化成細小液滴，在冷卻介質中凝固成粉末（圖3）。、圖4廣泛套用的二流（熔體流和高速流體介質）霧化法是用高壓空氣、氮氣、氬氣等（氣體霧化）和高壓水（水霧化）作噴射介質來擊碎金屬液體流。也有利用鏇轉盤粉碎和熔體自身（自耗電極和坩堝）鏇轉的離心霧化法，以及其他霧化方法如溶氫真空霧化、超音波霧化等。由於液滴細小和熱交換條件好，液滴的冷凝速度一般可達到102 ～104 K/s,比鑄錠時高几個數量級。因此合金的成分均勻，組織細小，用它製成的合金材料無巨觀偏析，性能優異。氣霧化粉末一般近球形，水霧化可製得不規則形狀。粉末的特性如粒度、形狀和結晶組織等主要取決於熔體的性能(粘度、表面張力、過熱度)和霧化工藝參數（如熔體流直徑、噴嘴結構、噴射介質的壓力、流速等）。幾乎所有可被熔化的金屬都可用霧化法生產,尤其適宜生產合金粉末。此法生產效率高,並易於擴大工業規模。目前不僅用於大量生產工業用鐵、銅、鋁粉和各種合金粉末，還用來生產高純淨度(O2＜100ppm)的高溫合金、高速鋼、不鏽鋼和鈦合金粉末。此外，用激冷技術製取快速冷凝粉末（冷凝速度＞105 K/s）日益受到重視。用它可以制出高性能的微晶材料（見快冷微晶合金）。
金屬粉末
金屬粉末
金屬粉末電解法 在金屬鹽水溶液中通以直流電、金屬離子即在陰極上放電析出，形成易於破碎成粉末的沉積層。金屬離子一般來源於同種金屬陽極的溶解，並在電流作用下自陽極向陰極遷移。影響粉末粒度的因素主要是電解液的組成和電解條件（見水溶液電解）。一般電解粉末多呈樹枝狀，純度較高,但此法耗電大,成本較高。電解法的套用也很廣泛，常用來生產銅、鎳、鐵、銀、錫、鉛、鉻、錳等多種金屬粉末；在一定條件下也可製取合金粉末。對於鉭、鈮、鈦、鋯、鈹、釷、鈾等稀有難熔金屬，常採用複合熔鹽作為電解質（見熔鹽電解）以製取粉末。
機械粉碎法 主要是通過壓碎、擊碎和磨削等作用將固態金屬碎化成粉末。設備分粗碎和細碎兩類。主要起壓碎作用的有碾碎機、輥軋機、顎式破碎機等粗碎設備。主要起擊碎和磨削作用的有錘碎機、棒磨機、球磨機、振動球磨機、攪動球磨機等細碎設備。機械粉碎法主要適用於粉碎脆性的和易加工硬化的金屬和合金，如錫、錳、鉻、高碳鐵、鐵合金等，也用來破碎還原法製得的海綿狀金屬、電解法製取的陰極沉積物；還用於破碎氫化後發脆的鈦，然後再脫氫製取細鈦粉。機械粉碎法效率低，能耗大，多作為其他制粉法的補充手段，或用於混合不同性質的粉末。此外，機械粉碎法還包括鏇渦研磨機，它靠兩個葉輪造成渦流，使被氣流所夾裹的顆粒相互高速碰撞而粉碎，可用於塑性金屬的碎化。冷流破碎法是用高速高壓惰性氣體流載帶粗粉噴射到一金屬靶上。由於在噴嘴出口處氣流產生絕熱膨脹，溫度驟降至0℃以下,使具有低溫脆性的金屬和合金粗粉粉碎成細粉。機械合金化法是用高能球磨機將不同的金屬和高熔點化合物研磨成為固溶或精細彌散的合金狀態。
篩分法利用不同孔徑的篩子來篩分粉末，得到不同粒度的粉末。就像建築工人篩沙子一樣，根據需要的粒度，來決定用什麼樣子的篩子。現在，有專門的篩分機，可以把幾個篩子由孔徑大到小的（從上到下）摞起來用，於是，得到的篩上物，就是所需要的一定粒度的粉末。
羰基法 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。這樣製得的粉末很細（粒度為幾百埃至幾個微米），純度很高，但成本也高。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。
直接化合法 在高溫下使碳、氮、硼、矽直接與難熔金屬化合。還原－化合法則是用碳、氮、碳化硼、矽與難熔金屬氧化物作用。這兩種方法都是常用的生產碳化物、氮化物、硼化物和矽化物粉末的方法。
其他方法 小於10μm 的微細粉末和超細粉末由於成分均勻、晶粒細小、活性大，在製造材料（如彌散強化合金、超微孔金屬、金屬磁帶）和直接套用（如火箭的固體燃料和磁流體密封、磁性墨水等）方面有著特殊的地位。製造這類粉末除套用羰基法、電解法外，還套用真空蒸發冷凝法和電弧噴霧、共沉澱復鹽分解、氣相還原等方法。
包覆粉末在熱噴塗、原子能工程材料等特殊用途方面日益顯示出優異性。採用氣相和液相沉積兩類化學制粉方法，如氫還原熱離解、高壓氫還原、置換、電沉積等方法，可以製取金屬和金屬、金屬和非金屬混合的各種包覆粉末。
用途 金屬粉末可作為粉末冶金製品的原料，也可以直接套用。
用作粉末冶金製品的原料 用於這方面的金屬粉末主要有鐵、鎢、鉬、銅、鈷、鎳、鈦、鉭、鋁、錫、鉛等粉末，消耗量約占金屬粉末總產量的2/3以上。
直接套用 金屬粉末的直接套用十分廣泛。例如:①焊條、火焰切割工藝用鐵粉。②噴塗、噴焊、熔燒焊用Ni－Cr－B－Si、Fe-Cr-B-Si、Co－Cr－W等合金粉末和鎳包鋁或三氧化二鋁、鎳或鈷包碳化鎢等包覆粉末。用以強化工件表面的耐磨、耐熱和耐蝕性能。③火箭固體燃料用超細鋁粉。④催化劑用鎳、鐵、鈷粉。⑤離合器、錄音帶、複印機用磁性粉末，如鐵基合金粉等。⑥炸藥、焰火用鐵、鎳、鈷、錳、鎂、鋁、鋁鎂合金等粉末。⑦脫氧劑、化學試劑、金屬熱還原劑、置換劑等用鋁、鎂、鐵粉等。⑧表面著色、裝飾、塗料顏料、油漆用鋁、銅等粉末。⑨表面加工用鋼丸、青銅噴丸等。⑩金屬電化學沉積用鐵粉和銅粉。
參考書目
W.D. Jones, Fundamental Principles of Powder Metallurgy,Edward Arnold Ltd.,London,1960.
F.V. Lenel, Powder Metallurgy, Metal Powder Industries Federation（MPIF）,Princeton,1980.
影響金屬粉末因素
在生產金屬粉末冶金製品時，原始金屬粉末製取方法的選擇主要決定於以下兩個因素：最低的成本和金屬粉末的性能。因為，能否製取一定的物理機械性能和其它特殊性能的製品，要取決於金屬粉末的性能。金屬粉末製取方法
機械法機械法是將原材料磨碎成粉而不改變原材料的化學成分。如用切削加工的方法將金屬切削成金屬粉末顆粒j在球磨機和錘式破碎機中把金屬研磨成金屬粉末以及在渦鏇研磨機中使金屬粉碎等均屬機械法。另外，屬於這類方法的還有液態金屬的制粒和霧化。液態金屬的霧化是藉助於壓縮空氣(或水)或者靠轉盤葉片的衝擊使金屬液流碎化。
這些機械制粉方法，例如：霧化、渦鏇研磨等，由於生產率高，所以廣泛地被用來製取各種金屬和合金金屬粉末。但是，這些方法的共同缺點是：金屬粉末的成本相當高。因為，金屬粉末的成本中還要包括用熔鑄法製取金屬和合金所需的費用。
物理化學法
物理化學法，是在製取金屬粉末過程小，由於原材料受到化學或物理的作用(不是機械的作用)，而使其化學成分和集聚狀態發生變化的工藝過程。用氣體或固體還原劑還原金屬氧化物、電解水溶液或熔鹽、熱離解羰基化合物、冷凝金屬蒸汽、晶間腐蝕和電腐蝕法都屬於物理化學制粉法。在大多數情況下，這些物理化學制粉法是以還原和離解等化學反應為基礎的。
