金屬粉末的制備方法及基本原理.doc

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金屬粉末的制備方法及基本原理 金屬粉末的制備方法及基本原理摘要制取粉末是粉末冶金的第一步。為了滿足對(duì)粉末的各種要求，也就要有各種各樣生產(chǎn)粉末的方法，機(jī)械法、物理法、物理化學(xué)法等超細(xì)金屬粉末的制備方法，還原和機(jī)械法是制備金屬粉末的基本方法關(guān)鍵詞金屬粉末的制備，機(jī)械研磨法，霧化法，還原法，電解法制取粉末是粉末冶金的第一步。為了滿足對(duì)粉末的各種要求，也就要有各種各樣生產(chǎn)粉末的方法，這些方法不外乎使金屬、合金或者金屬化合物從固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)轉(zhuǎn)變成粉末狀態(tài)。在冶金制品生產(chǎn)時(shí)，其選擇主要取決于以下兩個(gè)因素：粉末的性能和最低的成本。是為能否制取一定物理機(jī)械性能和其它特殊性能的制品。主要取決于金屬粉末的性能。從過(guò)程的實(shí)質(zhì)來(lái)看，現(xiàn)有制粉方法大體上可歸納為兩大類，即機(jī)械法和物理化學(xué)法。機(jī)械法是將原材料機(jī)械地粉碎，而化學(xué)成分基本上不發(fā)生變化；物理化學(xué)法是借助化學(xué)的或物理的作用，改變?cè)牧系幕瘜W(xué)成分或聚集狀態(tài)而獲得粉末的。粉末的生產(chǎn)方法很多，從工業(yè)規(guī)模而言，應(yīng)用最廣泛的是還原法、霧化法和電解法；而氣相沉積法和液相沉淀法在特殊應(yīng)用時(shí)亦很重要。 一 機(jī)械研磨法固態(tài)金屬的機(jī)械粉碎既是一種獨(dú)立的制粉方法，又常作為某些制粉方法不可缺少的補(bǔ)充工序。因此，機(jī)械粉碎法在粉末生產(chǎn)中占有重要的地位機(jī)械研磨主要用來(lái)：粉碎脆性金屬和合金，如銻、錳、鉻、高碳鐵、鐵合金等以及研磨還原海綿狀金屬塊或電解陰極沉積物；可以研磨經(jīng)特殊處理后具有脆性的金屬和合金，例如，研磨冷卻處理后的鉛以及加熱處理后的錫；如鈦經(jīng)氫化處理后，進(jìn)行研磨，最后脫氫可以制取細(xì)粒度的高純鈦粉下面主要以球磨為例討論機(jī)械研磨的規(guī)律。1 球磨機(jī)轉(zhuǎn)速慢時(shí)，球和物料沿筒體上升至自然坡度角，然后滾下，稱為瀉落。這時(shí)物料的粉碎主要靠球的摩擦作用2 球磨機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，球在離心力的作用下，隨著筒體上升至比第一種情況更高的點(diǎn)平衡，這時(shí)物料不僅靠球與球之間的摩擦作用，而主要靠球落下時(shí)的沖擊作用而被粉碎，其效果最好繼續(xù)增加球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)離心力超過(guò)球體的重力時(shí)，緊靠襯板的球不脫離筒壁而與筒體一起回轉(zhuǎn)，此時(shí)物料的粉碎作用將停止。影響球磨的因素：1 球磨筒的轉(zhuǎn)速；2 裝球量在一定范圍內(nèi)增加裝球量能提高研磨效率。在轉(zhuǎn)速固定時(shí)，裝球量過(guò)少，球在傾斜面上主要是滑動(dòng)，使研磨效率降低；3 球料比，在研磨中還要注意球與料的比例。料太少，則球與球間碰撞加多，磨損太大；料過(guò)多，則磨削面積不夠，不能很好磨細(xì)粉末，需要延長(zhǎng)研磨時(shí)間，能量消耗增大。4 球的大小，球的大小對(duì)物料的粉碎有很大影響。如果球的直徑小，球的質(zhì)量輕，則對(duì)物料的沖擊力弱；但球的直徑太大，則裝球的個(gè)數(shù)太少，因而撞擊次數(shù)減少，磨削面積減小，也使球磨效率降低。5 研磨介質(zhì)，　物料除了在空氣介質(zhì)中干磨外，還可在液體介質(zhì)中進(jìn)行濕磨，后者在硬質(zhì)合金、金屬陶瓷及特殊材料的研磨工藝中常被采用。 二 霧化法霧化法屬于機(jī)械制粉法，直接擊碎液體金屬或合金而制得粉末的方法，應(yīng)用較廣泛，生產(chǎn)規(guī)模僅次于還原法。霧化法又稱噴霧法，可以制取鉛、錫、鋁、鋅、銅、鎳、鐵等金屬粉末，也可制取黃銅、合金鋼、高速鋼、不銹鋼等預(yù)合金粉末。制造過(guò)濾器用的青銅、不銹鋼、鎳的球形粉末目前幾乎全是采用霧化法生產(chǎn)。霧化法包括：二流霧化法，水霧化；離心霧化法，分旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)；其他霧化法，如真空霧化、油霧化等。下面主要討論氣體霧化和水霧化，并簡(jiǎn)要介紹離心霧化法二流霧化法霧化過(guò)程原理：二流霧化法是用高速氣流或高壓水擊碎金屬液流的，而機(jī)械粉碎法是借機(jī)械作用破壞固體金屬原子間的結(jié)合，所以霧化法只要克服液體金屬原子間的鍵合力就能使之分散成粉末，因而霧化過(guò)程所需消耗的外力比機(jī)械粉碎法小得多。從能量消耗這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，霧化法是一種簡(jiǎn)便的經(jīng)濟(jì)的粉末生產(chǎn)方法。根據(jù)霧化介質(zhì)（氣體、水）對(duì)金屬液流作用的方式不同，霧化具有多種形式：平行噴射，氣流與金屬液流平行；垂直噴射，氣流或水流與金屬液流互呈垂直方向，這樣噴制的粉末較粗，常用來(lái)噴制鋅、鋁粉；互成角度的噴射，氣流或水流與金屬液流呈一定角度，這種呈角度的噴射又有以下幾種形式：V 型噴射、錐形噴射　　旋渦環(huán)形噴射。霧化過(guò)程是復(fù)雜的，影響因素很多，要綜合考慮。顯然，氣流和金屬液流的動(dòng)力交互作用愈顯著，霧化過(guò)程愈強(qiáng)烈。金屬液流的破碎程度取決于氣流的動(dòng)能，特別是氣流對(duì)金屬液滴的相對(duì)速度以及金屬液流的表面張力和運(yùn)動(dòng)粘度。一般來(lái)說(shuō)，金屬液流的表面張力、動(dòng)粘度值是很小的，所以氣流對(duì)金屬液滴的相對(duì)速度是主要的因素影響霧化粉末性能的因素霧化介質(zhì)類別的影響霧化介質(zhì)分為氣體和液體兩類。氣體可用空氣和惰性氣體氮、氬等，液體主要用水。不同的霧化介質(zhì)對(duì)霧化粉末的化學(xué)成分、顆粒形狀、結(jié)構(gòu)有很大的影響。氣體或水的壓力的影響，實(shí)踐證明，氣體壓力愈高，所得粉末愈細(xì)金屬液流股直徑的影響，當(dāng)霧化壓力與其他工藝參數(shù)不變時(shí)，金屬液流股直徑愈細(xì)，所得細(xì)粉末也愈多氣體霧化法制取銅和銅合金粉工藝：氣體霧化法制取鐵粉工藝；水霧化法制取鐵粉和合金鋼粉的工藝。 三 還原法還原金屬氧化物及鹽類以生產(chǎn)金屬粉末是一種應(yīng)用最廣泛的制粉方法。特別是直接使用礦石以及冶金工業(yè)廢料如軋鋼鐵鱗作原料時(shí)，還原法最為經(jīng)濟(jì)。實(shí)踐證明：用固體碳還原，不僅可以制取鐵粉，而且可以制取鎢粉；用氫或分解氨還原，可以制取鎢、鉬、鐵、銅、鈷、鎳等粉末；用轉(zhuǎn)化天然氣作還原劑，可以制取鐵粉等；用鈉、鈣、鎂等金屬作還原劑，可制取鉭、鈮、鈦、鋯、釷、鈾等稀有金屬粉末。歸納起來(lái)，不但還原劑可呈固態(tài)、氣態(tài)以至液態(tài)，而被還原物料除固態(tài)外，還可以是氣相和液相。以碳還原法為例碳還原鐵氧化物的基本原理：鐵氧化物的還原過(guò)程是分階段進(jìn)行的，即從高價(jià)氧化鐵到低價(jià)氧化鐵，最后轉(zhuǎn)變成金屬。固體碳還原金屬氧化物的過(guò)程通常稱為直接還原。影響還原過(guò)程和鐵粉質(zhì)量的因素研究鐵氧化物還原的基本原理就是為了了解其實(shí)質(zhì)和影響還原過(guò)程的內(nèi)外在因素，以便在生產(chǎn)上控制這些因素，來(lái)提高還原速度和鐵粉的質(zhì)量。下面討論這些因素的影響1 原料中雜質(zhì)的影響，原料中雜質(zhì)的含量超過(guò)一定限度后，不僅還原時(shí)間延長(zhǎng)，并且使還原不完全，鐵粉中含鐵量降低；原料粒度的影響。多相反應(yīng)與界面有關(guān)，原料粒度愈細(xì)，界面的面積愈大，因而促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行　2 固體碳還原劑：木炭的還原能力最強(qiáng)，其次是焦炭，而無(wú)煙煤則較差。固體碳還原劑用量的影響　　在一定的還原條件下，固體碳還原劑的消耗量主要根據(jù)氧化鐵的含氧量而定。如果還原溫度變了，氣相組成也隨之改變，則固體碳的消耗量也會(huì)變化。3 還原工藝條件在還原過(guò)程中，如其他條件不變，還原溫度和還原時(shí)間又互相影響。實(shí)踐證明，隨著還原溫度的提高，還原時(shí)間可以縮短?！≡谶€原溫度一定時(shí)，料層厚度不同，還原時(shí)間也不同。4 添加劑：加入少量的固體還原劑于原料中，可以同時(shí)起疏松劑和輔助還原劑的作用。 四 電解法電解法在粉末生產(chǎn)中占有重要的地位，其生產(chǎn)規(guī)模在物理化學(xué)法中僅次于還原法。不過(guò)，電解法耗電較多，一般來(lái)說(shuō)成本比還原粉、霧化粉高。因此，在粉末總產(chǎn)量中，電解粉所占的比重是較小的。電解制粉又可分為：水溶液電解、有機(jī)電解質(zhì)電解、熔鹽電解和液體金屬陰極電解，其中用得較多的還是水溶液電解和熔鹽電解，而熔鹽電解主要用于制取一些稀有難熔金屬粉末。下面主要討論水溶液電解法，也簡(jiǎn)單介紹熔鹽電解法。水溶液電解法可生產(chǎn)銅鎳、鐵、銀、錫、鉛、鉻、錳等金屬粉末。從所得粉末特性來(lái)看，電解法有一個(gè)提純過(guò)程，因而所得粉末較純；同時(shí)，由于電解晶粉末形狀一般為樹(shù)枝狀，壓制性（包括壓縮性和成形性）較好；電解還可以控制粉末粒度，因而可以生產(chǎn)超細(xì)粉末。水溶液電解法制銅粉的工藝電解法制取銅粉的工藝條件大體有高電流密度和低電流密度兩種方案，前者電能消耗大，但生產(chǎn)率較高。見(jiàn)右圖流程五，檢測(cè)性能方法比較常用的是篩分析法，篩分析的原理、裝置，操作都很簡(jiǎn)單，應(yīng)用也很廣泛。篩分析適于以上的中等和粗粉末的分級(jí)和粒度測(cè)定。顯微鏡法、沉降分析、光散射法、光遮法等等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，金屬粉末的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，市場(chǎng)需求急劇增加，且呈現(xiàn)出向高純、超細(xì)方向發(fā)展的趨勢(shì)。