制备金属粉末的物理化学法是通过化学的或物理的作用,改变原料的化学成分或聚集状态而获得粉末的工艺过程。目前应用最广、产量最高的是还原法。常见的还有电解法,羟基法,沉淀法,冷凝法,置换法等。

1.还原法

金属氧化物还原法是生产金属粉末的常用方法,例如大量工业铁粉都是以冶金工业废料为原料进行生产的,这是一种十分经济的方法。用固体碳还原,不仅可以制取铁粉,而且可以制取钨粉;用氢或分解氨还原,可以制取钨、铜、铁、钢、钻、镍等粉末。用转化天然气作还原剂,可制取铁粉等;用钠、钙、镁等金属作还原剂,可制取铝、铌、钛、锆、钍、铀等稀有金属粉末。

还原反应可以用一般的化学式表示出：

只有当金属氧化物的离解压大于还原剂氧化物的离解压时,还原剂才能从金属氧化物中还原出金属来。也就是说,还原剂与氧生成的氧化物应该比被还原的金属氧化物稳定。

图7-4　用焦炭屑还原铁鳞生产铁粉的工艺流程(日本川崎)

2.电解法

电解法在粉末生产中有一定的地位,其生产规模在物理化学法制备金属粉末中仅次于还原法。

工业生产中多采用电解熔盐水溶液来制取硬脆的为氢饱和的致密沉积物。电解制粉一般是用硫酸盐槽或氯化物槽来生产的。

(1)用硫酸盐槽电解生产铁粉。电解质的成分为：硫酸铁110～140K/L,氯化钠40～50K/L,游离硫酸0.20～0.23K/L。电流密度400～500A/m,槽电压1.5～1.7V。电解质温度为55～65℃。为了制取具有分层结构、容易粉碎的沉积物,电解时必须周期地(每隔15～20min)断电一次。电解所得的沉积物经粉碎和退火处理后,铁粉的含铁量为98.5%～99%。每吨铁粉的耗电为3500～3800kW·h。

(2)用氯化物槽电解制取铁粉。与硫酸盐槽相比,由氯化物槽电解制取铁粉时,电解质的导电性较好,没有阳极钝化现象,形成氢氧化物的可能性小。由氯化物电解质带入铁粉中的杂质易除去,并且铁粉不含硫。

3.羟基法

羟基法属于热分解法。羟基法已在工业上得到应用。这种方法是将Fe或Ni与CO反应制成液态的羟基铁[Fe(CO)5]或羟基镍[Ni(CO)4],将这些液体在250℃或180℃左右的温度下,与热解塔中热离解而制成纯铁粉或纯镍粉。

4.金属置换法(www.daowen.com)

置换法适用于大量生产经济而优质的锡、铜、银粉。根据电位序,往金属水溶液中加入更高电位序的金属时,即从水溶液中置换沉淀较低电位的金属的粉末。例如将金属锌加入氯化亚锡(SnCl2)的水溶液中,可沉淀出锡粉。同样,将铜或铁加入硝酸银水溶液中即可置换得到银粉。

这种方法是以一种金属为核心,包覆另一种金属外壳形成的所谓复合粉末。如制造碳轴承所使用的包铜铅粉,即将细铅粉末加入到具有一定温度并被搅拌着的硫酸铜水溶液中,铅粒与硫酸铜之间进行反应,结果铅粒子表面部分溶解,而铜则沉积在铅粒子表面,当铅粉上全部表面都被铜所包覆时,反应即停止。

5.气体雾化法

如图7-5所示为气体雾化法制取铜合金粉的设备示意图。该法可以制取高质量的合金粉末,但是效率较低,成本高。

粉末的颗粒结构示意图如图7-6所示,粉末的颗粒形状示意图如图7-7所示。铁粉颗粒大小的分级见表7-3。

图7-5　气体雾化法制取铜合金粉的设备示意图

1.移动式可倾燃油坩埚熔化炉 2.排气罩 3.保温漏包 4.喷嘴 5.集粉器 6.集细粉器7.取粉车 8.空气压缩机 9.压缩空气容器 10.氮气瓶 11.分配阀

图7-6　粉末的颗粒结构示意图

(a)团粒中的单颗粒 (b)孔隙
1.单颗粒 2.团粒 3.晶粒

图7-7　粉末的颗粒形状示意图

1.球形 2.近球形 3.多角形 4.片状 5.树枝状 6.不规则状 7.多孔海绵状 8.碟状

表7-3　铁粉颗粒大小分级