如何“制造”金属微粉？

粉末冶金是将金属粉末制成金属（或金属与非金属混合物）粉末为原料，经过成型、烧结等工艺获得零件和制品的工艺方法。金属粉末作为工业的主要原料，广泛应用于机械、冶金、化工、航空航天材料等领域。金属粉末是粉末冶金工业的基础原料，其产量和质量决定着粉末冶金工业的发展。

金属粉末通常是小于1mm的金属颗粒的集合体，粒度区间的划分尚无统一规定，常用的分类方法是：粒度1000～50μm的颗粒为常规粉末；50～10μm为细粉末；10～0.5μm为极细粉末；<0.5μm为超细粉末；0.1～100nm为纳米粉末。每个粉末颗粒可能是一个晶体，也可能由多个晶体组成，这取决于粒度大小和制备方法。

2.金属粉末的制备方法

目前工业上生产粉末的方法有几十种，但按生产过程的实质分析，主要分为机械法和物理化学法两大类。粉末既可以由固态、液态和气态金属直接精炼而得，也可以由不同状态的金属化合物经还原、热解、电解转变等方法制得。难熔金属的碳化物、氮化物、硼化物和硅化物，一般可以用化合法或还原化合法直接制备。由于制备方法不同，同一种粉末的形状、结构、粒度往往有很大差异。

金属粉末生产方法的选择取决于原材料、粉末类型、粉末材料的性能要求以及粉末生产效率。随着粉末冶金制品的应用越来越广泛，对粉末颗粒的尺寸、形状和性能的要求也越来越高。因此，粉末制备技术也在不断发展和创新，以满足颗粒尺寸和性能的要求。

2.1 机械物理法

机械法是借助外加机械力将金属破碎成所需粒度粉末的加工方法。制备过程中材料的化学成分基本不变。目前常用的方法有球磨法和研磨法，其优点是工艺简单、产量大，可以制备一些常规方法难以获得的高熔点金属及合金的超细粉末。

2.1.1球磨法

机理：球磨法主要分为滚球法和振动球磨法，该方法利用金属颗粒在不同应变速率下因应变而破碎、细化的机理。

用途：本方法主要适用于制备锑、铬、锰、铁铬合金等粉末。

优缺点：优点是操作连续，生产效率高，适用于干磨和湿磨，可制备多种金属及合金的粉末。缺点是对物料的选择性不强，粉末制备过程中级配困难。

图1 150r/min球磨12h(a)、18h(b)、24h(c)所得锑粉样品的TEM照片

2.1.2 磨削方法

机理：研磨方式是将压缩气体经特制喷嘴后喷入研磨区，带动研磨区内物料相互碰撞、揉搓成粉；气流膨胀后随物料上升进入分级区，达到粒度的物料经涡流分级机分选出来，剩余的粗粉返回研磨区继续研磨，直至分离出所需粒度。

用途：广泛应用于非金属、化工原料、颜料、磨料、保健药品等行业的超细研磨。

优缺点：由于研磨法采用干法生产，省去了物料的脱水干燥工序；产品纯度高、活性高、分散性好、粒度细且分布窄、颗粒表面光滑。但研磨法也存在设备制造成本高，金属粉末生产过程中必须使用持续的惰性气体或氮气作为压缩气源，耗气量大，仅适用于脆性金属及合金的破碎、粉碎等缺点。

2.1.3 雾化法

机理：雾化法一般利用高压气体、高压液体或高速旋转的叶片，将高温高压下的熔融金属或合金破碎成细小的液滴，然后在收集器中冷凝，获得超细金属粉末。此过程不发生化学变化。雾化是生产金属及合金粉末的主要方法之一。雾化方法有很多，例如双流雾化、离心雾化、多级雾化、超声波雾化技术、紧耦合雾化技术、高压气体雾化、层流雾化、超声波紧耦合雾化和热气雾化。

应用：雾化法通常用于生产铁、锡、锌、铅、铜等金属粉末，以及青铜、黄铜、碳钢、合金钢等合金粉末。雾化法满足了3D打印耗材对金属粉末的特殊要求。图3显示了德国某厂商生产的不锈钢粉末的微观结构。

优缺点：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、适应多种金属粉末生产等优点，已成为高性能及特种合金粉末制备技术的主要发展方向。但雾化法存在生产效率低、超细粉末产率低、能耗相对较大等缺点。

图2 德国某厂商3D打印不锈钢粉末微观结构

2.2 物理化学法

物理化学法是指在粉体制备过程中，通过改变原料的化学组成或团聚状态来生产超细粉体的方法。根据化学原理不同，可分为还原法、电解法和化学置换法。

2.2.1 还原法

机理：还原法是在一定条件下用还原剂还原金属氧化物或金属盐来制备金属或合金粉末的方法，是生产中应用最广泛的制粉方法之一。常用的还原剂有气体还原剂（如氢气、分解氨、转化天然气等）、固体碳素还原剂（如木炭、焦炭、无烟煤等）和金属还原剂（如钙、镁、钠等）。以氢气为反应介质的加氢脱氢法是最具代表性的制备方法。它利用原料金属易加氢的特点，在一定温度下使金属与氢气加氢生成金属氢化物，然后用机械方法将得到的金属氢化物破碎成所需粒度的粉末，再在真空条件下脱除破碎后的金属氢化物粉末中的氢气，即得到金属粉末。

用途：主要用于制备Ti、Fe、W、Mo、Nb、W-Re等金属（合金）粉末。例如，钛（粉）在一定温度下开始与氢发生剧烈反应，当氢含量大于2.3%时，氢化物疏松，易被粉碎成细小颗粒的氢化钛粉末。在700℃左右温度下分解，除去钛粉中溶解的大部分氢，即可得到钛粉。

优缺点：优点是操作简单，工艺参数容易控制，生产效率高，成本低，适合工业化生产；缺点是只适用于易与氢发生反应，吸氢后材料变脆易碎的金属材料。

2.2.2电解法

机理：电解是通过电解熔融的盐或盐水溶液，使金属粉末在阴极沉积析出的方法。

应用：电解水溶液可生产Cu、Ni、Fe、Ag、Sn、FeNi等金属（合金）粉末，电解熔盐可生产Zr、Ta、Ti、Nb等金属粉末。

优缺点：优点是制备的金属粉末纯度高，一般单质粉末纯度可达99.7%以上；另外电解法可以很好地控制粉末粒度，并能生产出超细粉末。但电解粉碎电耗较大，粉碎成本较高。
图4 超声波电解制备铁粉装置

2.2.3羟基法

机理：某些金属（铁、镍等）与一氧化碳合成金属羰基化合物，重新加热分解为金属粉末和一氧化碳。

应用一个用途：工业上主要用于生产镍、铁的细粉、超细粉及FeNi、FeCo、NiCo等合金粉末。

优缺点：这种方式制备的粉末非常细，纯度高，但成本较高。

2.2.4 化学置换法

机理：化学置换法是将金属盐溶液中活性较低的金属，根据金属的活性，用活性较高的金属置换出来，再用其他方法对置换得到的金属（金属粉末）进行进一步处理、精炼。

用途：本方法主要应用于Cu、Ag、Au等不活泼金属粉末的制备。

金属粉末制备方法汇总如表1所示。

3.总结

随着科技的进步，金属粉末在冶金、化工、电子、磁性材料、精细陶瓷、传感器等领域得到了广泛的开发和应用，展现出良好的应用前景，金属粉末呈现出向高纯、超细（纳米）方向发展的趋势。虽然超细金属粉末的制备方法多种多样，可根据用途和经济技术要求选择不同的方法，但每种方法都存在一定的局限性，存在许多问题需要解决和改进。目前，应用最广泛的金属粉末制备方法有还原法、电解法和雾化法；此外，在改进传统生产工艺的基础上，也出现了许多新的生产工艺和方法，如真空蒸发冷凝法、超声雾化法、旋转圆盘雾化法、双辊及三辊雾化法、多级雾化法、等离子体旋转电极法、电弧法等。在金属粉末的制备方法中，虽然许多方法已在实践中得到应用，但仍然存在规模小和生产成本高等主要问题。为了促进金属粉末材料的开发和应用，必须综合利用不同的方法，取长补短，开发产量更大、成本更低的工艺方法。