第一章粉末的制取雾化法
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粉末的制备-物理法
水压对雾化青铜粉粒度组成的影响
液体金属温度 1050 °C
2）金属液流
(1) 金属液的表面张力和粘度的影响 在其他条件不变时，金属液的表面张力愈大，粉 末成球形的愈多，粉末粒度也较粗；相反，金属液的 表面张力小时，液滴易变形，所得粉末多呈不规则形 状，粒度也减小。 液体金属的表面张力受加热温度和化学成分的影响：
快速冷凝技术的主要特点： （1）急冷可大幅度地减少合金成分的偏析 （2）急冷可增加合金的固溶能力 （3）急冷可消除相偏聚和形成非平衡相 （4）某些有害相可能由于急冷而受到抑制甚至消除 （5）由于晶粒细化达微晶程度，在适当应变速度下可 能出现超塑性等
快速冷凝技术应用范围：
可制得非晶、准晶和微晶粉末，如有碳钢、不锈钢、 高速钢、镍基高温合金、铝、钛及其合金等粉末。 从液态金属制取快速冷凝粉末(RSP)机制：
旋转坩埚雾化
漏包 漏嘴 进气管
金属液流 环形喷射器 进水口 水流
雾化室
旋 转 水 流 雾 化 装 置 示 意 图
电动机 选料器
粉末收集室 固定钨丝
旋转自耗电极 惰性气体入口
旋转电极雾化装置示意图
电极
雾化半径 雾化缘
旋转坩埚
电极
旋 转 坩 埚 雾 化 装 置 示 意 图
2.1.3 快速冷凝技术
2）可以研磨经特殊处理后具有脆性的金属和合金。
（1）研磨的基本规律
球和物料随球磨筒转速不同的三种状态
(a) 低转速, (b) 适宜转速, (c) 临界转速
球在滚筒中的基本状态
转速慢， 泻落状态， 摩擦作用
转速较高时， 抛落状态， 摩擦、撞击破碎
转速继续增加， 临界转速，粉 碎作用停止
球的受力分析
(2) 聚粉装置参数的影响 液滴飞行路程（从雾化焦点到冷却水面的距离） 较长，有利于形成球形颗粒，粉末也较粗。这是因为 在缓慢冷却过程中，表面张力充 因而粗粉多。 用水作冷却介质对喷制熔点高的铁粉、钢粉等是必 要的。 熔点不高的铜、铜合金与低熔点金属锡、铅、锌、 铝等，常在空气中冷却或采用水冷夹套的聚粉装置。
01 第一章 粉末的制取雾化法
▪ 所得粉末呈球形而且纯 度很高。
三、雾化法
▪ 雾化法包括
– 二流雾化法，分气体雾化和水雾化。借助高压水流或 高压气流的冲击来破碎液流。
– 离心雾化：分旋转圆盘雾化、旋转 电极雾化、旋转坩 埚雾化等。借助于离心力破碎液流。
– 真空雾化：在真空中的雾化。 – 超声波雾化：利用超声波能量来实现液流的破碎。
▪ 二流雾化法是用高速气流或高压水击碎金属液流。
▪ 雾化法只要克服液体金属原于间的键合力就能使之 分散成粉末，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、经济 的粉末生产方法。
二流雾化图
1.平行喷 射 气流与
金属液流 平行
2.垂直喷射 气流或水流 与金属液流互成垂直方向， 这样喷制的粉末较粗，常 用来制锌、铝粉
(3)互成角度的喷射
气流或水流与金属液流成以下几种形式
（2）金属液流雾化过程
(I)负压紊流区： 在高速气流的抽吸作用下，在喷 嘴中心孔下方形成负压紊流层。 金属液流受到气流波的振动，以 不稳定的波浪状向下流，分散成 许多细纤维束，并在表面张力作 用下有自动收缩成液滴的趋势。
形成纤维束的地方离出口的距 离取决于金属液流的速度，金 属液流速度愈大，离形成纤维 束的距离就愈短
– 真空雾化：在真空中的雾化。 – 超声波雾化：利用超声波能量来实现液流的破碎。
➢ 离心雾化法
离心雾化法是借助离心力的作用将液态 金属破碎为小液滴，然后凝固为固态粉 末颗粒的方法。1974年，首先由美国提 出旋转电极雾化制粉法，后来又发展了 旋转锭模、旋转园盘等离心雾化方法。
1. 旋转圆盘雾化
这种方法可以喷制铁、钢等粉末。
▪ (II)原始液滴形成区：在气流的 冲刷下，从金属液流柱或纤维束 的表面不断分裂出许多液滴。
三、雾化法
▪ 雾化法包括
– 二流雾化法，分气体雾化和水雾化。借助高压水流或 高压气流的冲击来破碎液流。
– 离心雾化：分旋转圆盘雾化、旋转 电极雾化、旋转坩 埚雾化等。借助于离心力破碎液流。
– 真空雾化：在真空中的雾化。 – 超声波雾化：利用超声波能量来实现液流的破碎。
▪ 二流雾化法是用高速气流或高压水击碎金属液流。
▪ 雾化法只要克服液体金属原于间的键合力就能使之 分散成粉末，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、经济 的粉末生产方法。
二流雾化图
1.平行喷 射 气流与
金属液流 平行
2.垂直喷射 气流或水流 与金属液流互成垂直方向， 这样喷制的粉末较粗，常 用来制锌、铝粉
(3)互成角度的喷射
气流或水流与金属液流成以下几种形式
（2）金属液流雾化过程
(I)负压紊流区： 在高速气流的抽吸作用下，在喷 嘴中心孔下方形成负压紊流层。 金属液流受到气流波的振动，以 不稳定的波浪状向下流，分散成 许多细纤维束，并在表面张力作 用下有自动收缩成液滴的趋势。
形成纤维束的地方离出口的距 离取决于金属液流的速度，金 属液流速度愈大，离形成纤维 束的距离就愈短
– 真空雾化：在真空中的雾化。 – 超声波雾化：利用超声波能量来实现液流的破碎。
➢ 离心雾化法
离心雾化法是借助离心力的作用将液态 金属破碎为小液滴，然后凝固为固态粉 末颗粒的方法。1974年，首先由美国提 出旋转电极雾化制粉法，后来又发展了 旋转锭模、旋转园盘等离心雾化方法。
1. 旋转圆盘雾化
这种方法可以喷制铁、钢等粉末。
▪ (II)原始液滴形成区：在气流的 冲刷下，从金属液流柱或纤维束 的表面不断分裂出许多液滴。
粉末的制备
粉末的制备
机械制粉 物理制粉 化学制粉
第一章 机械制粉法
机械研磨 气流研磨
粉末的制备
机械制粉
物理制粉
化学制粉
机械研磨 气流研磨 液体雾化 蒸发凝聚 气相沉积 还原化合 电化学法
2.1 机械研磨法
机械制粉方法的实质就是利用动能来破坏材 料的内结合力，使材料分裂产生新的界面。
能够提供动能的方法可以设计出许多种，例如有锤捣、 研磨、辊轧、等，其中除研磨外，其他几种粉碎方法主要 是用于物料破碎及粗粉制备的。
第一节 雾化制粉法
雾化法是一种典型的物理制粉方法， 是通过高压雾化介质，如气体或水强烈 冲击液流，或通过离心力使之破碎、冷 却凝固来实现的。
雾化机理
雾化 聚并 凝固
过程一：大的液珠当受到外力冲击的瞬间，破碎成 数个小液滴，假设在破碎瞬间液体温度不变，则液 体的能量变化可近似为液体的表面能增加。
提高雾化制粉效率基本准则
1、能量交换准则
提高单位时间、单位质量液体从系统中吸 收能量的效率，以克服表面自由能的增加。
2、快速凝固准则
提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒 的再次聚集。
雾化制粉分类
双流雾化 指被雾化的液体流和喷射的介质流； 单流雾化 直接通过离心力、压力差或机械冲击力实现雾化
➢ 双流雾化法
气流研磨制粉的基本原则
1.动能准则： 提高粉末颗粒的动能
2.碰撞几率准则： 提高粉末颗粒的碰撞几率
由于粉末颗粒的运动是从流态气体中获得的，因此， 提高颗粒的动能必须要提高载流气体的速度。
两种办法来实现
提高气体的入口压力 气体喷嘴的气体动力学设计
通过这两种办法使喷嘴出口端的气体流速达超音速
气流研磨三种类型：
机械制粉 物理制粉 化学制粉
第一章 机械制粉法
机械研磨 气流研磨
粉末的制备
机械制粉
物理制粉
化学制粉
机械研磨 气流研磨 液体雾化 蒸发凝聚 气相沉积 还原化合 电化学法
2.1 机械研磨法
机械制粉方法的实质就是利用动能来破坏材 料的内结合力，使材料分裂产生新的界面。
能够提供动能的方法可以设计出许多种，例如有锤捣、 研磨、辊轧、等，其中除研磨外，其他几种粉碎方法主要 是用于物料破碎及粗粉制备的。
第一节 雾化制粉法
雾化法是一种典型的物理制粉方法， 是通过高压雾化介质，如气体或水强烈 冲击液流，或通过离心力使之破碎、冷 却凝固来实现的。
雾化机理
雾化 聚并 凝固
过程一：大的液珠当受到外力冲击的瞬间，破碎成 数个小液滴，假设在破碎瞬间液体温度不变，则液 体的能量变化可近似为液体的表面能增加。
提高雾化制粉效率基本准则
1、能量交换准则
提高单位时间、单位质量液体从系统中吸 收能量的效率，以克服表面自由能的增加。
2、快速凝固准则
提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒 的再次聚集。
雾化制粉分类
双流雾化 指被雾化的液体流和喷射的介质流； 单流雾化 直接通过离心力、压力差或机械冲击力实现雾化
➢ 双流雾化法
气流研磨制粉的基本原则
1.动能准则： 提高粉末颗粒的动能
2.碰撞几率准则： 提高粉末颗粒的碰撞几率
由于粉末颗粒的运动是从流态气体中获得的，因此， 提高颗粒的动能必须要提高载流气体的速度。
两种办法来实现
提高气体的入口压力 气体喷嘴的气体动力学设计
通过这两种办法使喷嘴出口端的气体流速达超音速
气流研磨三种类型：
01 第一章 粉末的制取雾化法
三、雾化法
▪ 雾化法包括
– 二流雾化法，分气体雾化和水雾化。借助高压水流或 高压气流的冲击来破碎液流。
– 离心雾化：分旋转圆盘雾化、旋转 电极雾化、旋转坩 埚雾化等。借助于离心力破碎液流。
– 真空雾化：在真空中的雾化。 – 超声波雾化：利用超声波能量来实现液流的破碎。
真空雾化
▪ 基本原理：液态金属在 一定压力下用气体（如 氢)过饱和，然后使其 在真空状态下快速地去 饱和，使气体膨胀而形 成细的粉末喷射流。真 空雾化又称真空溶气雾 化。
1、二流雾化法
机械粉碎法是借机械 作用破坏固体金属原 子间的结合。
▪ （1）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。
▪ 雾化法只要克服液体金属原于间的键合力就能使之 分散成粉末，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、经济 的粉末生产方法。
从漏嘴（6-8mm）流出的金属液流， 被具有一定压力（0.4-0.8MPa） 的水引至转动的圆盘上，被园盘上 特殊的叶片所击碎，并迅速冷却成 粉末。
通过改变圆盘的转数(1500—3500 转／分)、叶片的形状和数目，可 以调节粉末的粒度。
还可以借助氦气浪冲击已生成的粉 末颗粒来强化凝固，使凝固速度达 到104-106℃/s.
从热力学观点看，液滴成球形是最容易的， 因为表面目由能最小，故表面张力愈小， 颗粒形状偏离球形的可能性愈大
温度和化学成分对液体金属的表面张力的影响
(1)所有金属，除铜、镉外，其表面张力都随温度 升高（降低）而降低（增大）。 (2)氧、氮、碳、硫、磷等活性元素大大降低液金 属的表面张力。
温度和化学成分对液体金属粘度的影响
这些超声波气泡的破裂,产生很强的局部加热而在 冷液中形成“热点”,瞬时温度约为5000℃,压力约 1GPa,持续时间约10亿分之一秒。
粉末冶金学复习资料
第一章粉末的制取一．粉末制取的方法：机械粉碎法、雾化法、还原法、气相沉积法、液相沉积法、电解法、水热法、纳米及超细粉末的制备技术二．机械粉碎法●固态金属的机械粉碎既可以是一种独立的制粉方法，又可以是其他方法的补充。
●机械粉碎是靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属、合金或化合物机械地粉碎为粉末的。
●物料最终的粉碎程度：粗碎、细碎✓压碎：碾碎、辊轧、鄂式破碎✓击碎：锤磨✓击碎和磨削多方面作用：球磨、棒磨等机械研磨比较适用于脆性材料，涡旋研磨、冷气流粉碎多用于制取塑性金属或合金的粉末。
1.机械研磨法●研磨的任务(作用)包括：减小或增大粉末粒度；合金化；固态混料；改善、转变或改变材料的性能等。
●研磨后的金属粉末会有加工硬化、形状不规则以及出现流动性变坏和团块等特征。
（1）研磨规律●研磨是粉末冶金工艺中耗时最长、生产效率最低的一个工序。
研磨过程中作用在颗粒材料上的力：冲击、磨耗、剪切以及压缩✓冲击：是一个颗粒体被另一个颗粒体瞬时撞击，这时，两个颗粒体可能都在运动，或者一个颗粒体是静止的。
✓磨耗：由于两物体间的摩擦作用产生磨损碎屑或颗粒。
（较脆弱材料和耐磨性极低的材料）✓剪切：用切断法将颗粒断裂成单个颗粒，而同时产生很少的细屑。
压缩：缓慢施加压力于颗粒体上，压碎或挤压颗粒材料。
(2)影响球磨的因素●决定因素：装料比、球磨筒尺寸、球磨机转速、研磨时间、球磨体与被研磨物料的比例、研磨介质、球体直径等。
●球磨筒尺寸的影响：球筒直径D与长度L之比D/L：D/L>3 硬而脆的材料D/L<3 塑性材料2.介质的影响：物料除可以在空气介质中干磨外，还可以在液体介质中进行湿磨。
✓液体介质：水、酒精、汽油、丙酮等。
✓湿磨的特点：①可减少金属的氧化；②防止金属颗粒的再聚集长大；③减少物料的成分偏析；④防止粉末飞扬，改善劳动环境；⑤湿磨会增加辅助工序，如过滤、干燥等。
3.球体大小对物料的粉碎有很大的影响。
一般是把大小不同的球配合使用。
粉末冶金新技术
12
一、制粉新技术 5.电爆炸金属丝 电爆炸金属丝 制取纳米粉 大功率电脉冲施于氩气保 护的金属丝上, 护的金属丝上,并受到大 功率脉冲产生的特殊场约 束。柱形等离子体被加热 到15000Ｋ以上高温,因而 15000Ｋ以上高温, 电阻剧增, 电阻剧增,引起特殊场崩 溃。金属蒸气的高压引起 爆炸,产生冲击波, 爆炸,产生冲击波,形成的 金属气溶胶快速绝热冷却, 金属气溶胶快速绝热冷却, 制得纳米粉。 制得纳米粉。
21
二、粉末冶金成型新技术 许多合金钢粉用动磁压制做过实验, 许多合金钢粉用动磁压制做过实验,粉末中不 添加任何润滑剂,生坯密度均在 以上。 添加任何润滑剂,生坯密度均在95%以上。动磁压 以上 制件可以在常规烧结条件下进行烧结, 制件可以在常规烧结条件下进行烧结,其力学性能 高于传统压制件。 高于传统压制件。动磁压制适用于制造柱形对称 的近终形件、薄壁管、 的近终形件、薄壁管、纵横比高的零件和内部形 状复杂的零件。 状复杂的零件。
16
一、制粉新技术 7.声化学制取纳米金属粉 7.声化学制取纳米金属粉 美国科学家采用声化学 技术制取纳米金属粉。 技术制取纳米金属粉。 声化学是研究液体中高 强度超声波产生的小气 泡的形成、 泡的形成、长大与内向 破裂等现象的学科。 破裂等现象的学科。
17
一、制粉新技术 这些超声波气泡的破裂,产生很强的局部加热而在 这些超声波气泡的破裂 产生很强的局部加热而在 冷液中形成“热点” 瞬时温度约为 瞬时温度约为5000℃,压力约 冷液中形成“热点”,瞬时温度约为 ℃ 压力约 1GPa,持续时间约 亿分之一秒。 持续时间约10亿分之一秒 持续时间约 亿分之一秒。 粗略而形象地说, 粗略而形象地说,上述这些数据相当于太阳的表 面温度,大洋底部的压力,闪电的时间。 面温度,大洋底部的压力,闪电的时间。当气泡破 裂时, 裂时,气泡内所含金属的易挥发化合物分解成单个 金属原子,而后聚集为原子簇。 金属原子,而后聚集为原子簇。这些原子簇含有几 百个原子,直径约为2 百个原子,直径约为2～3nm。 。
一、制粉新技术 5.电爆炸金属丝 电爆炸金属丝 制取纳米粉 大功率电脉冲施于氩气保 护的金属丝上, 护的金属丝上,并受到大 功率脉冲产生的特殊场约 束。柱形等离子体被加热 到15000Ｋ以上高温,因而 15000Ｋ以上高温, 电阻剧增, 电阻剧增,引起特殊场崩 溃。金属蒸气的高压引起 爆炸,产生冲击波, 爆炸,产生冲击波,形成的 金属气溶胶快速绝热冷却, 金属气溶胶快速绝热冷却, 制得纳米粉。 制得纳米粉。
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二、粉末冶金成型新技术 许多合金钢粉用动磁压制做过实验, 许多合金钢粉用动磁压制做过实验,粉末中不 添加任何润滑剂,生坯密度均在 以上。 添加任何润滑剂,生坯密度均在95%以上。动磁压 以上 制件可以在常规烧结条件下进行烧结, 制件可以在常规烧结条件下进行烧结,其力学性能 高于传统压制件。 高于传统压制件。动磁压制适用于制造柱形对称 的近终形件、薄壁管、 的近终形件、薄壁管、纵横比高的零件和内部形 状复杂的零件。 状复杂的零件。
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一、制粉新技术 7.声化学制取纳米金属粉 7.声化学制取纳米金属粉 美国科学家采用声化学 技术制取纳米金属粉。 技术制取纳米金属粉。 声化学是研究液体中高 强度超声波产生的小气 泡的形成、 泡的形成、长大与内向 破裂等现象的学科。 破裂等现象的学科。
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一、制粉新技术 这些超声波气泡的破裂,产生很强的局部加热而在 这些超声波气泡的破裂 产生很强的局部加热而在 冷液中形成“热点” 瞬时温度约为 瞬时温度约为5000℃,压力约 冷液中形成“热点”,瞬时温度约为 ℃ 压力约 1GPa,持续时间约 亿分之一秒。 持续时间约10亿分之一秒 持续时间约 亿分之一秒。 粗略而形象地说, 粗略而形象地说,上述这些数据相当于太阳的表 面温度,大洋底部的压力,闪电的时间。 面温度,大洋底部的压力,闪电的时间。当气泡破 裂时, 裂时,气泡内所含金属的易挥发化合物分解成单个 金属原子,而后聚集为原子簇。 金属原子,而后聚集为原子簇。这些原子簇含有几 百个原子,直径约为2 百个原子,直径约为2～3nm。 。
粉末冶金技术
脉冲射到液体时，形成极小的“热点”,使硝酸
银与还原剂发生反应,生成极小的银颗粒。通过
改变激光强度、搅拌器转速与反应成分,可控制
银粉粒度,在一定程度上也可控制颗粒形状。
8
一、制粉新技术 4.机械化学法生产廉价的纳米粉末 澳大利亚开发出一种机械化学法,可廉价生产 纳米金属粉与陶瓷粉。它采用球磨机来激活化学 反应,使形成极细的纳米金属或化合物晶粒,再分 离与提取微细晶粒。例如机械研磨FeCl3,由钠、 钙或铝将其还原为铁与氯化物的混合物。用适当 洗涤法去除氯化物后,便可得到纳米铁颗粒。
13
二、粉末冶金成型新技术 原理:将粉末装于一个导电 的容器(护套)内,置于高强 磁场线圈的中心腔中。电容 器放电在数微秒内对线圈通 入高脉冲电流,线圈腔中形 成磁场,护套内产生感应电 流。感应电流与施加磁场相 互作用,产生由外向内压缩 护套的磁力,因而粉末得到 二维压制。整个压制过程不 足1ms。 14
15
二、粉末冶金成型新技术 许多合金钢粉用动磁压制做过实验,粉末中不 添加任何润滑剂,生坯密度均在95%以上。动磁压 制件可以在常规烧结条件下进行烧结,其力学性能
高于传统压制件。动磁压制适用于制造柱形对称
的近终形件、薄壁管、纵横比高的零件和内部形
状复杂的零件。
16
二、粉末冶金成型新技术
动磁压制有可能使电机设计与制造方法产生革
热源、施加外力等作用在较短的时间里
使粉体致密化的过程，主要有微波烧结 技术和电火花烧结技术等。
28
三、烧结新技术 1.微波烧结技术 微波烧结是通过被烧结粉体吸收微波，将电磁 波能量直接转化成物质中粒子的能量，使其内部产 生热而烧结的方法。它热效率高，可急速升温缩短
烧结时间，加上微波与粒子间的交互作用，降低了
银与还原剂发生反应,生成极小的银颗粒。通过
改变激光强度、搅拌器转速与反应成分,可控制
银粉粒度,在一定程度上也可控制颗粒形状。
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一、制粉新技术 4.机械化学法生产廉价的纳米粉末 澳大利亚开发出一种机械化学法,可廉价生产 纳米金属粉与陶瓷粉。它采用球磨机来激活化学 反应,使形成极细的纳米金属或化合物晶粒,再分 离与提取微细晶粒。例如机械研磨FeCl3,由钠、 钙或铝将其还原为铁与氯化物的混合物。用适当 洗涤法去除氯化物后,便可得到纳米铁颗粒。
13
二、粉末冶金成型新技术 原理:将粉末装于一个导电 的容器(护套)内,置于高强 磁场线圈的中心腔中。电容 器放电在数微秒内对线圈通 入高脉冲电流,线圈腔中形 成磁场,护套内产生感应电 流。感应电流与施加磁场相 互作用,产生由外向内压缩 护套的磁力,因而粉末得到 二维压制。整个压制过程不 足1ms。 14
15
二、粉末冶金成型新技术 许多合金钢粉用动磁压制做过实验,粉末中不 添加任何润滑剂,生坯密度均在95%以上。动磁压 制件可以在常规烧结条件下进行烧结,其力学性能
高于传统压制件。动磁压制适用于制造柱形对称
的近终形件、薄壁管、纵横比高的零件和内部形
状复杂的零件。
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二、粉末冶金成型新技术
动磁压制有可能使电机设计与制造方法产生革
热源、施加外力等作用在较短的时间里
使粉体致密化的过程，主要有微波烧结 技术和电火花烧结技术等。
28
三、烧结新技术 1.微波烧结技术 微波烧结是通过被烧结粉体吸收微波，将电磁 波能量直接转化成物质中粒子的能量，使其内部产 生热而烧结的方法。它热效率高，可急速升温缩短
烧结时间，加上微波与粒子间的交互作用，降低了
粉末的制取
1.3.1 离心雾化
用离心力破碎液流称为离心雾化。 离心雾化的发展是与控制粉末粒度的要求和解决制取活性金属 粉末的困难有关。 离心雾化：旋转圆盘雾化、旋转坩埚雾化、旋转电极雾化等。
雾化方法的比较及应用
工艺
旋转电极 旋转圆盘 旋转坩埚
水雾化 气雾化
粒度 /μm
200~600
100~300 200~1000
1.2.1 机械研磨法
4. 强化球磨
振动球磨
行星球磨
装填系数较高，达0.8 高频振动下的弹簧容易疲劳
1.2.2 机械合金化
可制造具有可控细显微组织的复合金属粉末。 在高速搅拌球磨的条件下，利用金属粉末混合物的重复冷焊和 断裂进行进行合金化的。也可以在金属粉末中加入非金属粉末 来实现机械合金化。
1.4 还原法
用还原剂还原金属氧化物及盐类来制取金属粉末的工艺。
还原法的使用范围
1.4 还原法
还原反应的热力学和动力学条件
（1）还原反应
MeO + X = Me + XO
（2）热力学条件：还原剂X对O的亲和力>金属M对O的亲和力
采用标准生成自由能作为衡量对氧亲和力大小的尺度
（3）动力学条件：
还原反应进行的速度和还原的程度与反应进行的条件有关，如反应物的浓度、 温度、界面性质、扩散等。
1 粉末的制取
（1） • 机械粉碎法 （2） • 雾化法 （3） • 还原法
(4) • 气相沉积法 （5） • 液相沉淀法 （6） • 电解法
1.1 粉末制取方法概述
纯金 属
非金 属
化合 物
粉末
机
原材料机械粉碎而化
械
学成分基本不发生变化
法
粉末的制取
物理蒸发冷凝法/物理气相沉积法（PVD）
采用不同的能量输入方式使金属汽化，然后 再在冷凝壁上沉积，从而获得金属粉末。 • 类型 ①电阻加热方式 ②等离子束加热方式 ③激光加热方式 ④电子束加热方式 ⑤高频感应加热方式
电阻加热蒸发
激光加热蒸发
电子束加热蒸发
பைடு நூலகம்
高频感应加热蒸发
• (1)旋转圆盘法/D.P.G法
最 早 于 1976 年 由 美 国 的 Pratt ＆ Whitney 飞 机 制 造 公司研制出来、用以制备 超合金粉末，而后这种离 心雾化装置相继在日本、 前苏联等国问世。
1—带叶片的旋转 圆盘；2—漏包
• (2)旋转水流雾化法
最早由美国钒合金钢公 司用来制造不锈钢粉。
机械作用力雾化法
双辊雾化法
a、水溶液急冷式, b、快淬辊式 1-惰性气体；2-喷嘴；3-感应加热器；4-双辊；5-急冷装置
电动力学雾化法
真空雾化法（可溶性气体雾化法）
利用不同压力下气体在液态金属中的 溶解度不同而将金属雾化成粉末的工艺方 法。
多级雾化法
多种雾化机构组合在一起；第一级一般为双流 雾化、后几级为离心雾化或机械作用力雾化等。
过程三：液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。
• 提高雾化制粉效率的两条基本准则 能量交换准则：提高单位时间内单位质量液体 从系统中吸收能量的效率，以克服表面自由 能的增加；
快速凝固准则：提高雾化液滴的冷却速度，防 止液体微粒的再次聚集。
• 雾化方法
双流雾化法
离心雾化法
真空雾化法 特殊雾化法：多级雾化、固体雾化
双流雾化法（Double-Stream Atomization）： 金属液流和雾化介质流
类型
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(1) 金属液流的粘度随温度升高而减小； (2) 金属液强烈氧化时，粘度大大提高，金属中含有 硅、铝等元素也使粘度增加； (3) 合金熔体的粘度随成分变化的规律是：
▪ (II)原始液滴形成区：在气流的 冲刷下，从金属液流柱或纤维束 的表面不断分裂出许多液滴。
▪ (III)有效雾化区：由于气流能 量集中于焦点，对原始液滴产生 强烈击碎作用，使其分散成细的 液滴颗粒。
▪ (IV)冷却凝固区：形成的液滴 颗粒分散开，并最终凝结成粉末 颗粒。
喷嘴的结构
喷嘴是雾化浆置中使雾化介质获 得高能量、高速度的部件，也是 对雾化效率和雾化过程稳定性起 重要作用的关键性部件。
C.用水作雾化介质的特点
(1)水的热容比气体大得多，对金属液滴的冷却能力强。 因此，用水作雾化介质时，粉末多为不规则形状，同时， 随着雾化压力的提高，不规则形状的颗粒愈多，颗粒的 晶粒结构愈细。
气体雾化易得球形粉，水雾化得无规则粉 (2)内于金属液滴冷却速度快，粉末表面氧化大大减少。 所以，铁、低碳钢、合金钢多用水雾化。
– 真空雾化：在真空中的雾化。 – 超声波雾化：利用超声波能量来实现液流的破碎。
声化学制取纳米金属粉
美国科学家采用声化学 技术制取纳米金属粉。 声化学是研究液体中高 强度超声波产生的小气 泡的形成、长大与内向 破裂等现象的学科。
这些超声波气泡的破裂,产生很强的局部加热而在 冷液中形成“热点”,瞬时温度约为5000℃,压力约 1GPa,持续时间约10亿分之一秒。
粗略而形象地说,上述这些数据相当于太阳的表 面温度,大洋底部的压力,闪电的时间。当气泡破 裂时,气泡内所含金属的易挥发化合物分解成单个 金属原子,而后聚集为原子簇。这些原子簇含有几 百个原子,直径约为2～3nm。
1、二流雾化法
机械粉碎法是借机械 作用破坏固体金属原 子间的结合。
▪ （1）雾化过程原理
不同的雾化介质对 雾化份末的化学成 分、颗粒形状，结 构有很大影响
▪ 气体 －空气 和惰性气体（N2，Ar) ▪ 液体－主要用水。
B. 雾化介质的选择
空气作雾化化介质： 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 和碳钢等
采用惰性气体雾化： 可以减少金属液的 氧化和气体溶解，防止粉末氧化。用于喷 制铬粉以及含元素的合金钢粉或镍基、钴 基超合金 Cr 、Mn、Si、V、Ti、Zr等活 性金属。
▪ 喷嘴设计要满足以下要求：
(1)能使雾化介质获得尽可能大的出口速度和所需要的能 量；
(2)能保证雾化介质与金属液流之间形成最合理的喷射角 度；
(3)使金属液流产生最大的紊流； (4)工作稳定性要好，喷嘴不被堵塞； (5)加工制造简单。
自由降落式喷嘴
金属液流可以在从容器(漏包)出口到 与雾化介质相遇点之间无约束地自由 降落。
▪ 二流雾化法是用高速气流或高压水击碎金属液流。
▪ 雾化法只要克服液体金属原于间的键合力就能使之 分散成粉末，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、经济 的粉末生产方法。
二流雾化图
1.平行喷 射 气流与
金属液流 平行
2.垂直喷射 气流或水流 与金属液流互成垂直方向， 这样喷制的粉末较粗，常 用来制锌、铝粉
从热力学观点看，液滴成球形是最容易的， 因为表面目由能最小，故表面张力愈小， 颗粒形状偏离球形的可能性愈大
温度和化学成分对液体金属的表面张力的影响
(1)所有金属，除铜、镉外，其表面张力都随温度 升高（降低）而降低（增大）。 (2)氧、氮、碳、硫、磷等活性元素大大降低液金 属的表面张力。
温度和化学成分对液体金属粘度的影响
水雾化法不适于活性很大的金属与合金、超合金等
D. 气体或水的压力的影响
实践证明：气体压力或水的压力愈高， 所得粉末愈细。
（5）影响二流雾化性能的因素
（2）金属液流
A. 金属液的表面张力和粘度的影响 金属液的表面张力大、粘度高，粉末成球形的多， 粉末粒度也较粗 金属液的表面张力小、粘度低时，液滴易变形，所得 粉末多呈不规则形状，粒度也减小。
(3)互成角度的喷射
气流或水流与金属液流成以下几种形式
（2）金属液流雾化过程
(I)负压紊流区： 在高速气流的抽吸作用下，在喷 嘴中心孔下方形成负压紊流层。 金属液流受到气流波的振动，以 不稳定的波浪状向下流，分散成 许多细纤维束，并在表面张力作 用下有自动收缩成液滴的趋势。
形成纤维束的地方离出口的距 离取决于金属液流的速度，金 属液流速度愈大，离形成纤维 束的距离就愈短
（3）气雾化
（3）气雾化
（4）水雾化
水雾化和气雾化的比较
（5）影响二流雾化性能的因素
▪ 雾化粉末三个重要的性能
– 粒度：平均粒度、粒度分布及可用粉末收得率等 – 颗粒形状及与其有关的性能如松装密度、流动性、压
坯密度及比表面等 – 粒度的纯度和结构
（5）影响二流雾化性能的因素
(1)雾化介质 A. 雾化介质类别:
所有水雾化的喷嘴和 多数气体雾化的喷嘴 都采用这形式
侧限式喷嘴
金属液流在喷嘴出口处被 破碎。
这种形式的喷嘴传递气体 到金属的能量最大，主要 用于铝、锌等低熔点金属 的雾化。
其他喷嘴
▪ 为了增大金属液流与雾化介质相交的接触面，使 金属液流不易偏离雾化焦点，还可以采用下述喷 嘴。
（3）气雾化
熔化温度：14000C 雾化介质：氩气 气体压力：2MPa 气体速度：100m/s 过 热 度：1500C 夹 角：400 金属液流速：20kg/min 平均粒度：120µm
黄铜、青铜、合金钢、高速钢、不锈钢等预合金粉末。制造过 滤器用青铜、不锈钢、镍的球形粉末目前几乎全是采用雾化
– 二流雾化法，分气体雾化和水雾化。借助高压水流或 高压气流的冲击来破碎液流。
– 离心雾化：分旋转圆盘雾化、旋转 电极雾化、旋转坩 埚雾化等。借助于离心力破碎液流。
三、雾化法
▪ 雾化法是将液体金属或合金直接破碎，形成直径小于150μm 的细小液滴，冷凝而成为粉末。该法可以用来制取多种金属粉 末和各种合金粉末。实际上，任何能形成液体的材料都可以通 过雾化来制取粉末 。
▪ 应用较广泛，生产规模仅次于还原法。 ▪ 可以制取铅、锡、铝、锌、铜、镍、铁等金属粉末，也可制取
▪ (II)原始液滴形成区：在气流的 冲刷下，从金属液流柱或纤维束 的表面不断分裂出许多液滴。
▪ (III)有效雾化区：由于气流能 量集中于焦点，对原始液滴产生 强烈击碎作用，使其分散成细的 液滴颗粒。
▪ (IV)冷却凝固区：形成的液滴 颗粒分散开，并最终凝结成粉末 颗粒。
喷嘴的结构
喷嘴是雾化浆置中使雾化介质获 得高能量、高速度的部件，也是 对雾化效率和雾化过程稳定性起 重要作用的关键性部件。
C.用水作雾化介质的特点
(1)水的热容比气体大得多，对金属液滴的冷却能力强。 因此，用水作雾化介质时，粉末多为不规则形状，同时， 随着雾化压力的提高，不规则形状的颗粒愈多，颗粒的 晶粒结构愈细。
气体雾化易得球形粉，水雾化得无规则粉 (2)内于金属液滴冷却速度快，粉末表面氧化大大减少。 所以，铁、低碳钢、合金钢多用水雾化。
– 真空雾化：在真空中的雾化。 – 超声波雾化：利用超声波能量来实现液流的破碎。
声化学制取纳米金属粉
美国科学家采用声化学 技术制取纳米金属粉。 声化学是研究液体中高 强度超声波产生的小气 泡的形成、长大与内向 破裂等现象的学科。
这些超声波气泡的破裂,产生很强的局部加热而在 冷液中形成“热点”,瞬时温度约为5000℃,压力约 1GPa,持续时间约10亿分之一秒。
粗略而形象地说,上述这些数据相当于太阳的表 面温度,大洋底部的压力,闪电的时间。当气泡破 裂时,气泡内所含金属的易挥发化合物分解成单个 金属原子,而后聚集为原子簇。这些原子簇含有几 百个原子,直径约为2～3nm。
1、二流雾化法
机械粉碎法是借机械 作用破坏固体金属原 子间的结合。
▪ （1）雾化过程原理
不同的雾化介质对 雾化份末的化学成 分、颗粒形状，结 构有很大影响
▪ 气体 －空气 和惰性气体（N2，Ar) ▪ 液体－主要用水。
B. 雾化介质的选择
空气作雾化化介质： 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 和碳钢等
采用惰性气体雾化： 可以减少金属液的 氧化和气体溶解，防止粉末氧化。用于喷 制铬粉以及含元素的合金钢粉或镍基、钴 基超合金 Cr 、Mn、Si、V、Ti、Zr等活 性金属。
▪ 喷嘴设计要满足以下要求：
(1)能使雾化介质获得尽可能大的出口速度和所需要的能 量；
(2)能保证雾化介质与金属液流之间形成最合理的喷射角 度；
(3)使金属液流产生最大的紊流； (4)工作稳定性要好，喷嘴不被堵塞； (5)加工制造简单。
自由降落式喷嘴
金属液流可以在从容器(漏包)出口到 与雾化介质相遇点之间无约束地自由 降落。
▪ 二流雾化法是用高速气流或高压水击碎金属液流。
▪ 雾化法只要克服液体金属原于间的键合力就能使之 分散成粉末，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、经济 的粉末生产方法。
二流雾化图
1.平行喷 射 气流与
金属液流 平行
2.垂直喷射 气流或水流 与金属液流互成垂直方向， 这样喷制的粉末较粗，常 用来制锌、铝粉
从热力学观点看，液滴成球形是最容易的， 因为表面目由能最小，故表面张力愈小， 颗粒形状偏离球形的可能性愈大
温度和化学成分对液体金属的表面张力的影响
(1)所有金属，除铜、镉外，其表面张力都随温度 升高（降低）而降低（增大）。 (2)氧、氮、碳、硫、磷等活性元素大大降低液金 属的表面张力。
温度和化学成分对液体金属粘度的影响
水雾化法不适于活性很大的金属与合金、超合金等
D. 气体或水的压力的影响
实践证明：气体压力或水的压力愈高， 所得粉末愈细。
（5）影响二流雾化性能的因素
（2）金属液流
A. 金属液的表面张力和粘度的影响 金属液的表面张力大、粘度高，粉末成球形的多， 粉末粒度也较粗 金属液的表面张力小、粘度低时，液滴易变形，所得 粉末多呈不规则形状，粒度也减小。
(3)互成角度的喷射
气流或水流与金属液流成以下几种形式
（2）金属液流雾化过程
(I)负压紊流区： 在高速气流的抽吸作用下，在喷 嘴中心孔下方形成负压紊流层。 金属液流受到气流波的振动，以 不稳定的波浪状向下流，分散成 许多细纤维束，并在表面张力作 用下有自动收缩成液滴的趋势。
形成纤维束的地方离出口的距 离取决于金属液流的速度，金 属液流速度愈大，离形成纤维 束的距离就愈短
（3）气雾化
（3）气雾化
（4）水雾化
水雾化和气雾化的比较
（5）影响二流雾化性能的因素
▪ 雾化粉末三个重要的性能
– 粒度：平均粒度、粒度分布及可用粉末收得率等 – 颗粒形状及与其有关的性能如松装密度、流动性、压
坯密度及比表面等 – 粒度的纯度和结构
（5）影响二流雾化性能的因素
(1)雾化介质 A. 雾化介质类别:
所有水雾化的喷嘴和 多数气体雾化的喷嘴 都采用这形式
侧限式喷嘴
金属液流在喷嘴出口处被 破碎。
这种形式的喷嘴传递气体 到金属的能量最大，主要 用于铝、锌等低熔点金属 的雾化。
其他喷嘴
▪ 为了增大金属液流与雾化介质相交的接触面，使 金属液流不易偏离雾化焦点，还可以采用下述喷 嘴。
（3）气雾化
熔化温度：14000C 雾化介质：氩气 气体压力：2MPa 气体速度：100m/s 过 热 度：1500C 夹 角：400 金属液流速：20kg/min 平均粒度：120µm
黄铜、青铜、合金钢、高速钢、不锈钢等预合金粉末。制造过 滤器用青铜、不锈钢、镍的球形粉末目前几乎全是采用雾化
– 二流雾化法，分气体雾化和水雾化。借助高压水流或 高压气流的冲击来破碎液流。
– 离心雾化：分旋转圆盘雾化、旋转 电极雾化、旋转坩 埚雾化等。借助于离心力破碎液流。
三、雾化法
▪ 雾化法是将液体金属或合金直接破碎，形成直径小于150μm 的细小液滴，冷凝而成为粉末。该法可以用来制取多种金属粉 末和各种合金粉末。实际上，任何能形成液体的材料都可以通 过雾化来制取粉末 。
▪ 应用较广泛，生产规模仅次于还原法。 ▪ 可以制取铅、锡、铝、锌、铜、镍、铁等金属粉末，也可制取