什么是金属粉末?

[拼音]：jinshu fenmo

[外文]：metal powders

尺寸小于1mm的金属颗粒群。包括单一金属粉末、合金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末(图1)，是粉末冶金的主要原材料。金属粉末的制取和应用渊源久远。古代曾用金、银、铜、青铜及其某些氧化物粉末作涂料，用于陶器、首饰等器具的着色、装饰。20世纪初，美国人库利吉(W.D.Coolidge)用氢还原氧化钨生产钨粉以制取钨丝，是近代金属粉末生产的开端。此后用化学还原法制取了铜、钴、镍、铁、碳化钨等多种粉末，促进了早期粉末冶金制品（含油多孔轴承、多孔过滤器、硬质合金等）的发展；此时还发明了羰基法以制取铁粉和镍粉。30年代先是用涡流研磨法制取铁粉，后来用固体碳还原法生产铁粉，成本很低。30年代初还出现了熔融金属雾化法。这种方法起初用来制取低熔点金属如锡、铅、铝等粉末，到40年代初发展成为用高压空气雾化制取铁粉。50年代开始用高压水雾化制取合金钢和多种合金粉末。60年代研究出多种雾化方式生产高合金粉末，促进了高性能粉末冶金制品的发展。70年代以来出现了多种气相和液相物理化学反应方法，制取有重要用途的包覆粉末和超细粉末。

金属粉末属于松散状物质，其性能综合反映了金属本身的性质和单个颗粒的性状及颗粒群的特性。一般将金属粉末的性能分为化学性能、物理性能和工艺性能。化学性能是指金属含量和杂质含量。物理性能包括粉末的平均粒度和粒度分布，粉末的比表面和真密度，颗粒的形状、表面形貌和内部显微结构。工艺性能是一种综合性能，包括粉末的流动性、松装密度、振实密度、压缩性、成形性和烧结尺寸变化等。此外，对某些特殊用途还要求粉末具有其他的化学和物理特性，如催化性能、电化学活性、耐蚀性能、电磁性能、内摩擦系数等。金属粉末的性能在很大程度上取决于粉末的生产方法及其制取工艺。粉末的基本性能可用特定的标准检测方法测定。粉末粒度及其分布的测定方法很多，一般用筛分析法（＞44μm）、沉降分析法(0.5～100μm)、气体透过法、显微镜法等。超细粉末(＜0.5μm)用电子显微镜和 X射线小角度散射法测定。金属粉末习惯上分为粗粉、中等粉、细粉、微细粉和超细粉五个等级。

通常按转变的作用原理分为机械法和物理化学法两类，既可从固、液、气态金属直接细化获得，又可从其不同状态下的金属化合物经还原、热解、电解而转变制取。难熔金属的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物一般可直接用化合或还原－化合方法制取。因制取方法不同，同一种粉末的形状、结构和粒度等特性常常差别很大(图2)。粉末的制取方法列表如下，其中应用最广的是还原法、雾化法、电解法。

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。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。

将熔融金属雾化成细小液滴，在冷却介质中凝固成粉末（图3）。、图4广泛应用的二流（熔体流和高速流体介质）雾化法是用高压空气、氮气、氩气等（气体雾化）和高压水（水雾化）作喷射介质来击碎金属液体流。也有利用旋转盘粉碎和熔体自身（自耗电极和坩埚）旋转的离心雾化法，以及其他雾化方法如溶氢真空雾化、超声波雾化等。由于液滴细小和热交换条件好，液滴的冷凝速度一般可达到102～104K/s，比铸锭时高几个数量级。因此合金的成分均匀，组织细小，用它制成的合金材料无宏观偏析，性能优异。气雾化粉末一般近球形，水雾化可制得不规则形状。粉末的特性如粒度、形状和结晶组织等主要取决于熔体的性能(粘度、表面张力、过热度)和雾化工艺参数（如熔体流直径、喷嘴结构、喷射介质的压力、流速等）。几乎所有可被熔化的金属都可用雾化法生产，尤其适宜生产合金粉末。此法生产效率高，并易于扩大工业规模。目前不仅用于大量生产工业用铁、铜、铝粉和各种合金粉末，还用来生产高纯净度(O2＜100ppm)的高温合金、高速钢、不锈钢和钛合金粉末。此外，用激冷技术制取快速冷凝粉末（冷凝速度＞105K/s）日益受到重视。用它可以制出高性能的微晶材料（见快冷微晶合金）。

在金属盐水溶液中通以直流电、金属离子即在阴极上放电析出，形成易于破碎成粉末的沉积层。金属离子一般来源于同种金属阳极的溶解，并在电流作用下自阳极向阴极迁移。影响粉末粒度的因素主要是电解液的组成和电解条件（见水溶液电解）。一般电解粉末多呈树枝状，纯度较高，但此法耗电大，成本较高。电解法的应用也很广泛，常用来生产铜、镍、铁、银、锡、铅、铬、锰等多种金属粉末；在一定条件下也可制取合金粉末。对于钽、铌、钛、锆、铍、钍、铀等稀有难熔金属，常采用复合熔盐作为电解质（见熔盐电解）以制取粉末。

主要是通过压碎、击碎和磨削等作用将固态金属碎化成粉末。设备分粗碎和细碎两类。主要起压碎作用的有碾碎机、辊轧机、颚式破碎机等粗碎设备。主要起击碎和磨削作用的有锤碎机、棒磨机、球磨机、振动球磨机、搅动球磨机等细碎设备。机械粉碎法主要适用于粉碎脆性的和易加工硬化的金属和合金，如锡、锰、铬、高碳铁、铁合金等，也用来破碎还原法制得的海绵状金属、电解法制取的阴极沉积物；还用于破碎氢化后发脆的钛，然后再脱氢制取细钛粉。机械粉碎法效率低，能耗大，多作为其他制粉法的补充手段，或用于混合不同性质的粉末。此外，机械粉碎法还包括旋涡研磨机，它靠两个叶轮造成涡流，使被气流所夹裹的颗粒相互高速碰撞而粉碎，可用于塑性金属的碎化。冷流破碎法是用高速高压惰性气体流载带粗粉喷射到一金属靶上。由于在喷嘴出口处气流产生绝热膨胀，温度骤降至0℃以下，使具有低温脆性的金属和合金粗粉粉碎成细粉。机械合金化法是用高能球磨机将不同的金属和高熔点化合物研磨成为固溶或精细弥散的合金状态。

将某些金属(铁、镍等)与一氧化碳合成为金属羰基化合物，再热分解为金属粉末和一氧化碳。这样制得的粉末很细（粒度为几百埃至几个微米），纯度很高，但成本也高。工业上主要用来生产镍和铁的细粉和超细粉，以及Fe-Ni、Fe-Co、Ni-Co等合金粉末。

在高温下使碳、氮、硼、硅直接与难熔金属化合。还原－化合法则是用碳、氮、碳化硼、硅与难熔金属氧化物作用。这两种方法都是常用的生产碳化物、氮化物、硼化物和硅化物粉末的方法。

小于10μm 的微细粉末和超细粉末由于成分均匀、晶粒细小、活性大，在制造材料（如弥散强化合金、超微孔金属、金属磁带）和直接应用（如火箭的固体燃料和磁流体密封、磁性墨水等）方面有着特殊的地位。制造这类粉末除应用羰基法、电解法外，还应用真空蒸发冷凝法和电弧喷雾、共沉淀复盐分解、气相还原等方法。

包覆粉末在热喷涂、原子能工程材料等特殊用途方面日益显示出优异性。采用气相和液相沉积两类化学制粉方法，如氢还原热离解、高压氢还原、置换、电沉积等方法，可以制取金属和金属、金属和非金属混合的各种包覆粉末。

金属粉末可作为粉末冶金制品的原料，也可以直接应用。

用于这方面的金属粉末主要有铁、钨、钼、铜、钴、镍、钛、钽、铝、锡、铅等粉末，消耗量约占金属粉末总产量的2/3以上。

金属粉末的直接应用十分广泛。例如：

（1）焊条、火焰切割工艺用铁粉。

（2）喷涂、喷焊、熔烧焊用Ni－Cr－B－Si、Fe-Cr-B-Si、Co－Cr－W等合金粉末和镍包铝或三氧化二铝、镍或钴包碳化钨等包覆粉末。用以强化工件表面的耐磨、耐热和耐蚀性能。

（3）火箭固体燃料用超细铝粉。

（4）催化剂用镍、铁、钴粉。

（5）离合器、录音带、复印机用磁性粉末，如铁基合金粉等。

（6）炸药、焰火用铁、镍、钴、锰、镁、铝、铝镁合金等粉末。

（7）脱氧剂、化学试剂、金属热还原剂、置换剂等用铝、镁、铁粉等。

（8）表面着色、装饰、涂料颜料、油漆用铝、铜等粉末。

（9）表面加工用钢丸、青铜喷丸等。

（10）金属电化学沉积用铁粉和铜粉。

参考书目

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.