超细金属粉末的制备方法

超细金属粉末的制备方法

摘要：介绍了机械法、物理法、物理一化学法等超细金属粉末的制备方法和研究进展及生产应用情况。虽然超细金

属粉末的制备方法有很多种，但每种方法都有一定的局限性，存在许多需要解决和完善的问题。机械法是制备金属粉

末的基本方法，但大多数机械法在制取粉末后存在分级困难的问题；旋转电极法和气体雾化法是目前制备高性能金属

及合金粉末的主要方法，但生产效率低，超细粉末的收得率不高，能耗相对较大；气流磨粉碎法、氢化脱氢法适合大批

量工业化生产，但对原料金属或合金的选择性较强。

关键词：制备方法；机械法；物理法；雾化法；物理一化学法

1 引言

超细金属粉末尺寸小，比表面积大，用其制得的金属零部件具有许多不同于常规材料的性质，如优良的力学性能、特殊的磁性能、高的电导率和扩散率、高的反应活性和催化活性等。这些特殊性质使得超细金属粉末材料在航空航天、舰船、汽车、冶金、化工等领域得到越来越广泛的应用。例如，在兵器工业领域，超细金属粉末被用做各种型号火器燃烧剂及引燃材料，而且，超细金属粉末制备技术的研究与应用已经成为各国武器装备水平不断提高的基础。

2 超细金属粉末的制备方法

2．1 机械法

机械法就是借助于机械力将大块金属破碎成所需粒径粉末的一种加工方法。按照机械力的不同将其分为机械冲击式粉碎法、气流磨粉碎法、球磨法和超声波粉碎法等[21。目前普遍使用的方法还是球磨法和气流磨粉碎法，其优点是工艺简单、产量大，可以制备一些常规方法难以得到的高熔点金属和合金的超细纳米粉末。

2．1．1 球磨法

球磨法主要分为滚动球法和振动球磨法。该方法利用了金属颗粒在不同的应变速率下因产生变形而破碎细化的机理。其优点是对物料的选择性不强，可连续操作，生产效率高，适用于干磨、湿磨，可以进行多种金属及合金的粉末制备。缺点是在粉末制备过程中分级比较困难[31。

2．1．2 气流磨粉碎法

气流磨粉碎法是目前制备磁性材料粉末应用最广的方法。具体的工艺过程为：压缩气体经过特殊设计的喷嘴后，被加速为超音速气流，喷射到研磨机的中心研磨区，从而带动研磨区内的物料互相碰撞，使粉末粉碎变细；气流膨胀后随物料上升进入分级区，由涡轮式分级器分选出达到粒度的物料，其余粗粉返回研磨区继续研磨，直至达到要求的粒度被分出为止。整个生产过程可以连续自动运行，并通过分级轮转速的调节来控制粉末粒径大小(平均粒度在3～8 m)。气流磨粉碎法适于大批量工业化生产，工艺成熟。缺点是在金属粉末的生产过程中，必须使用连续不断的惰性气体或氮气作为压缩气源，耗气量较大；只适合脆性金属及合金的破碎制粉。

2．2 物理法

物理法一般是通过高温、高压将块状金属材料熔化，并破碎成细小的液滴，并在收集器内冷凝而得到超细金属粉末，该过程不发生化学变化。目前研究和使

用最多的物理法主要有等离子旋转电极法和气体雾化法

2．2．1 等离子旋转电极法

等离子旋转电极法的原理是将金属或合金制成特定规格的棒料，然后装入旋转模腔，再将等离子枪移至棒料前，在等离子束的作用下，棒料端部开始熔化，形成的液体受到离心力和液体表面张力的双重作用，被破碎成液滴飞离电极棒，最终冷凝成球形金属粉末。该方法根据电极转速和等离子弧电流的大小调节控制粉末粒径。优点是所得粉末球形度好，氧含量低；缺点是超细粉末不易制取，每批次的材料利用率不高嘲。

2．2．2 气体雾化法

气体雾化法是生产金属及合金粉末的主要方法之一。气体雾化的基本原理是用高速气流将液态金属流破碎成小液滴并凝固成粉末的过程。雾化粉末具有球形度高、粉末粒度可控、氧含量低、生产成本低以及适应多种金属粉末的生产等优点，已成为高性能及特种合金粉末制备技术的主要发展方向。喷嘴是气体雾化的关键技术，其结构和性能决定了雾化粉末的性能和生产效率。因此，喷嘴结构设计与性能的不断提高决定着气体雾化技术的进步。

从雾化喷嘴结构设计的改进历程可以将雾化技术分为传统雾化技术和新型雾化技术。

2．2．2．1 传统雾化技术

传统雾化技术主要包括超声雾化技术、紧耦合雾化技术和高压气体雾化技术。

超声雾化技术最初由瑞典人发明，后由美国MIT的Grant改造完善[71。这项技术利用2～2．5 Ma的超音速气流和80～100 kHz的脉冲频率，气体介质压力为1．4～8．2 MPa，气流的最高速度640 m／s，粉末冷凝速度可达104～105 K／s。用该方法制备的铝粉平均粒度可达到22 Ixm，且粉末呈表面光滑的球状。该项技术的优点是效率较高，缺点是只能在金属液流直径小于5 mm的情况下才具有较好的效果，因此，适用于铝等低熔点金属粉末的生产，而对高熔点金属还处于实验阶段。据报道，美国坩埚材料公司(Cru—cible Materials)已引进该项技术进行工业化生~r412t。

紧耦合雾化技术是一种对限制式喷嘴结构进行改造的雾化技术。由于其气流出口至液流的距离达到最短[71，而提高了气体动能的传输效率。这种技术目前已被大多数雾化设备采用。雾化粉末的特点是微细粉末收得率高，粒径小(如铁合金粉末的平均粒度达10～20 Ixm)，粒度分布窄，冷却速度高。高的冷却速度有利于快速冷凝合金或非晶合金粉末的生产。缺点是当雾化气压增加到一定值时，导液管出口处将产生正压，使雾化过程不能进行；在高压雾化下，导液管出口处将产生真空(负压过低)，使金属液流率增加，不利于细粉末的产生。

高压气体雾化技术是由美国爱荷华州立大学Ames实验室的Anderson等人提出。该技术对紧耦合喷嘴结构进行进一步改进，将紧耦合喷嘴的环缝出口改为20～24个单一喷孔，通过提高气压和改变导液管出口处的形状设计，克服紧耦合喷嘴中存在的气流激波，使气流呈超声速层流状态，并在导液管出口处形成有效的负压。这一改进有效提高了雾化效率。高压气体雾化技术在生产微细粉方面很有成效，且能明显节约气体用量。

2．2．2．2 新型雾化技术

随着微细粉末在高新技术新材料中的应用，需要大量粒径小于20 Ixm或10 Ixm的金属及合金粉末，传统的雾化方法在生产这类粉末时仍然存在不足：①细