机械粉碎法制备金属基粉末的研究进展

机械粉碎法制备金属基粉末的研究进展

粉末的制备、形成和燃烧是粉末过程中的三个基本环节。粉末制备是粉末冶金的第一步。随着粉末冶金材料和制品的不断增多,质量的不断提高,要求提供的粉末的种类也越来越多。粉末制备方法很多,但总体上分为机械法、物理法和化学反应法三大类。此外随着超微粉末应用的增加,超微粉末制备的研究也愈来愈重要。1细化粗粉颗粒机械粉碎法,是用研磨或气流、超声的方法将大块固体或粗粉破碎,使颗粒细化。按照机械力的不同可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。目前应用比较广泛的主要是机械研磨法和冷气流粉碎法。1.1wc-co复合粉末的制备机械研磨法主要分为滚动球磨法和振动球磨法。该方法利用了金属颗粒在不同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,可以进行多种金属及合金的粉末制备。北京有色金属研究总院的毛昌辉通过高能机械研磨制备了纳米结构的WC-Co复合粉末,WC的晶粒达10nm以下,WC晶粒为Co薄层覆盖。胡保全等采用高能研磨法制备了Mo-3%Cu纳米晶复合粉末。1.2sic粉体的破碎冷气流粉碎法是目前制备磁性材料粉末应用最广的方法。气流粉碎是利用气流的能量使物料颗粒发生相互碰撞或与固定板碰撞而粉碎(平均粒度在3~8μm)。冷气流粉碎法适用于金属及其氧化物粉末的制备,工艺成熟。但在金属粉末的生产过程中必须消耗大量的惰性气体或氮气,且只适合脆性金属及合金的破碎制粉。郭兴忠等采用流化床对撞式球磨破碎制备了SiC超微粉末,SiC颗粒平均粒径由3.01μm降低到0.75μm。学周喜等采用流化床气流研磨制备了粒度为1~5μm的氧化铈粉末。2材料组合的影响物理法主要是通过机械力或外部物理力的作用将两种或多种材料(至少有一种为金属或合金)组合在一起形成复合粉末,其过程不会发生化学成分的变化及化学反应。它主要包括雾化法、机械合金化法、溶胶-凝胶法等。2.1雾化技术雾化法将作为芯核颗粒的金属(或合金)、非金属、陶瓷粉末与另一种熔融的金属或合金熔体混合熔体用高速流体(通常用水、空气、氩气等)对其进行雾化制得金属粉末和复合粉末。加拿大的Quebec金属粉末公司采用高压水雾化制备高碳纯铁粉,具有杂质少、质量均匀一致的特点。德国LeyboldDurferit公司开发了两种雾化技术,即电极感应熔炼气体雾化技术(EIGA)和等离子熔炼感应加热导液管气体雾化技术(PIGA),已成功地应用于纯金属粉、合金粉及复合粉的制备。张曙光等人采用真空/惰性气体雾化制备了NiMn25Co5合金粉末,成分均匀,组织细小。2.2机械合金粉体机械合金化是美国Benjamin等于1969年研制成功的一种制粉技术,通过两种或两种以上的金属或非金属粉体的球磨,在固态下完成固相反应和相变,获得细晶合金粉体。目前机械合金化广泛用于制备纳米晶、准晶、金属间化合物和非晶合金等亚稳材料。HililArik研究了机械合金化工艺参数对Si3N4颗粒对于铝基复合材料力学性能的影响。MostaanH研究了机械和进化过程中形成NbAl3金属间化合物的形成机理。张宏等采用机械合金化制备了Sn-Cu合金超细粉体,粒径为1~3μm。陈维平采用机械合金化制备了钛基非晶粉末。何培研究了转速和球磨时间对于氧化物弥散强化合金粉末的微观形貌和结构的影响。2.3包覆层的制备溶胶-凝胶法近年来成功应用于超细粉体表面包覆,包括被包覆粒子的制备、包覆用溶胶的制备和包覆层的制备,将所需包覆的颗粒分散于所制备的溶胶中,再在一定的反应条件下完成凝胶化,即可在颗粒表面形成所需的包覆层。DENGZan-hong采用溶胶-凝胶法制备了CuAlO2陶瓷颗粒,李抗等以柠檬酸为络合剂,采用络合溶胶-凝胶法合成了CuAlO2微晶,颗粒细小,成分均匀。3化学法和电解法化学法是利用各种化学反应使金属材料和其他材料组合而形成复合粉末。主要包括氧化还原法、液相沉积法、气相沉积法等。3.1低热值变形粉末制备氧化还原法是生产金属粉末的一种应用最广泛的制粉方法。用固体碳还原不仅可以制取铁粉和钨粉;用氢或分解氨还原,可以制取钨、钼、铁、铜、钴镍等粉末;用钠、钙、镁等金属作还原剂可以制取钽、铌、钛、锆、钍、铀等稀有金属粉末。用还原-化合法可以制取碳化物、硼化物、硅化物、氮化物等难熔化合物粉末。李云平采用氧化-球磨-还原法制备了弥散分布的钨铜复合粉末,可以缩短球磨时间,且粉末粒度小。陈立宝研究了氧化-还原法再生回收高密度合金切削粉末,粒度约为1μm,氧含量大大降低。近年来采用化学还原法制备合金粉末的研究较多,如用硼氢化物化学还原法制备非晶超细TM-B合金粉末,颗粒的平均直径可达约80nm;用超声喷雾热转换制取纳米级WO3-NiO-FeO超细复合氧化物粉,加入碳黑,分别在氢气和氮气气氛下进行还原碳化,可制得平均粒径在200~300nm的WC-Ni-Fe合金粉。3.2化学计量材料cvd的研究和应用化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition,简称CVD)是在热、光和等离子体等的激活和驱动下使气态物质在气相或气固界面上发生化学反应,从而制得稳定固态沉积物。1893年Lodyguine采用CVD制备了钼、钨等难熔金属的白炽灯丝。20世纪50年代初到60年代末是CVD技术研究和应用的一个高峰期。1960年后,CVD技术在制备半导体薄膜、刀具涂层以及各种耐氧化、耐腐蚀和耐热冲击涂层等上得到了广泛的工业应用。20世纪70年代初至今,CVD技术在材料制备领域取得了重大成功,当前,CVD技术在提纯物质、研制新晶体、制备各种单晶体、多晶体以及无定形态无机薄膜材料等领域均有所应用。郑华均等采用CVD制备了粒径为20~35nm的球状WC粉末。3.3金属基导电材料电解法在粉末生产中具有重要作用,但耗电较多,成本比还原粉和雾化粉高,因此限制了其应用。电解制粉可分为:直接沉积电解熔盐电解和液体金属阴极电解,其中用的较多的是水溶液电解和熔盐电解,熔盐电解主要是用来制取一些稀有难熔金属粉末。电解沉积法所生产的金属或合金粉末纯度高,颗粒呈树枝状。用电解法可生产Ni、Fe、Ag、Sn、Pb、Cr、Mn及Cu-Zn、Cu-Ni、Fe-Ni等多种金属和合金粉末,粉末粒径均匀,颗粒平均大小为80nm。王旭采用熔盐电解法制备了CaB6,粉末粒度为2~8μm,颗粒为规则长方体。4超声制备技术超微粉末一般指平均粒度在100nm以下的粉末,超微粒子具有特殊的表面效应、体积效应和量子隧道效应,在航空航天、冶金、化工等领域具有重要的应用价值和学术价值。世界各国对超微粉末的研究都很活跃。1991年日本电镜专家Iijima发现了纳米碳管。日本学者在Au超微粒子的研究中先后发现了超微粒子熔点下降现象,发现了超微粒子的熔化过热现象,对超微粒子的相变现象进行了合理的解释,研究了超微粒子的热力学特性。金属基超微粒子的制备方法包括蒸发凝聚法、气相沉积法、电解法、机械合金化法和溶胶-凝胶法。蒸发凝聚法是大批量生产超微粉末的理想方法,制备工艺简单、平均粒度和粒度分布可控、纯度高,日本、美国和法国的蒸发凝聚法已进入实用化阶段,国内还处于研究的初级阶段。严红革在氩气气氛中采用中频感应加热使坩埚中的铜熔融蒸发,以水冷螺线管捕获蒸发过程中的微粉,生产率达42.8g/h。采用直流电弧作为加热源气相沉积可制备金属基超微粉末,该方法具有加热温度高、能量集中、热效高、金属蒸发速率高的优点。高伟丽采用直流电弧加热源,在高纯氩气气氛下通过气相沉积制备出粒度小于60nm的Ni-Al纳米粉末。传统的电解法以水溶性电解质为特征,制备相对氢不活泼的金属纳米粉末,如铜、银等。主要研究水溶液电解体系的成分、阴极沉积金属粉末的剥离方式、纳米金属粉末的防氧化和防团聚等。常文贵在N2保护下采用电解法制备出平均粒径为75nm的铜粉。尹秉胜用Pt作点击,在KNO3、AgNO3和PVP组成的电解液中,电解制备出纳米银颗粒,其粒径可控。随着超声波、有机溶剂与电解法的结合,出现了制备超微粉末的新型电解法:超声波/水溶液电解法、有机溶剂电解法等。王菊香用超声波电解法制备出平均粒度为90nm的铜粉和50nm的镍粉,认为超声空化作用是制备出纳米金属粉末的主要原因。此外,刘文胜采用机械合金化制备了93W-4.9Ni-2.1Fe超微粉末,球磨50h后粒度为0.29μm。刘媛采用溶胶-凝胶法制备尖晶石结构的纳米镍锌铁氧体,并发现pH值影响产物晶粒的尺寸和分散性。5制备粉末技术存在的问题(1)机械粉碎法成本低、产量大,但一般只能制得十几微米的细粉,且一般适用于脆性材料粉末的制备,在生产上受到很大的局限性,因此需细化粉末粒度,扩大材料范围。(2)物理法制备粉末已经产业化,但合金粉体粒径一般在微米级,纯度受设备和工艺影响较大,合金