粉末冶金原理

1、第七章粉末材料的孔隙性能與復(fù)合材料的強(qiáng)韌化第七章粉末材料的孔隙性能與復(fù)合材料的強(qiáng)韌化第二節(jié) 粉末材料的孔隙度特性 一般粉末冶金材料是金屬和孔隙的復(fù)合體，其孔隙度范圍很廣，有低于1%-2%殘留孔隙度的致密材料，有10%左右孔隙度的半致密材料，有15% 孔隙度的多孔材料，也有高達(dá)98%孔隙度的泡沫材料?？紫堵适欠勰┮苯鸩牧瞎逃械奶匦?，孔隙度顯著地影響粉末冶金材料的機(jī)械、物理、化學(xué)和工藝性能。 在普通鑄件中，氣孔和縮孔是常見(jiàn)的缺陷，也是熔鑄法難以克服的問(wèn)題；而用粉末冶金法制取的材料，其孔隙度、孔徑及分布可以有效地控制，并且可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)調(diào)整。由于孔隙的存在，多孔材料具有大的比表面和優(yōu)良的透過(guò)性能

2、，以及易壓縮變形、吸收能量好和質(zhì)量輕等特性。這些孔隙度特性是粉末冶金多孔材料的基本特性，也是它們得到廣泛應(yīng)用的基本原因。一、粉末材料孔隙度和孔徑的測(cè)定 孔隙度和密度是粉末冶金材料的基本特性，孔隙度和密度的測(cè)定是控制粉末冶金材料質(zhì)量的主要方法之一。試樣的體積可采用量度幾何尺寸的方法，也可采用液體靜力學(xué)稱量方法來(lái)測(cè)定。對(duì)于致密材料，可直接將試樣放在水中稱重，其殘留孔隙度也可以采用顯微鏡法進(jìn)行定量估算。對(duì)于具有開(kāi)孔隙的材料，用液體靜力學(xué)法稱量時(shí)，為了不讓液體介質(zhì)進(jìn)入孔隙，可浸漬熔融石蠟、石蠟泵油、無(wú)水乙醇液體石蠟、油、二甲苯和苯甲醇等物質(zhì)，或者涂覆硅樹(shù)脂汽油溶液、透明膠溶液和凡士林等物質(zhì)，使燒結(jié)體的

3、開(kāi)孔隙飽和或堵塞。按下列公式計(jì)算燒結(jié)試樣的密度和孔隙度： “假合金”和成分之間相互作用很弱的合金，可采用加和法求其理論密度；否則，需要采用與測(cè)定粉末真密度相同的方法進(jìn)行測(cè)定。求加和密度的公式為： 圖7-3表示燒結(jié)鐵的開(kāi)孔隙度、閉孔隙度和總孔隙度之間的關(guān)系。當(dāng)總孔隙度為20%-30%時(shí)，閉孔隙度大約為1%-2%；當(dāng)總孔隙度為8%左右時(shí)，全部開(kāi)空隙都變成了閉孔隙。燒結(jié)溫度： 目前測(cè)定孔徑及其分布的方法很多，主要有：汞壓入法、氣泡法，離心力法、懸濁液過(guò)濾法、透過(guò)法、氣體吸附法、射線小角度散射法和顯微鏡分析法等等，其中使用較多的是汞壓入法。這是利用汞對(duì)固體表面不潤(rùn)濕的特性，把汞用一定壓力壓入多孔體的孔

4、隙中以克服毛細(xì)管阻力。假設(shè)在孔壁光滑的直圓柱形毛細(xì)管孔內(nèi)，當(dāng)作用在液面與孔壁的接觸線的平面法線方向上的壓力D2p/4與同一平面上表面張力在法線方向上的分量Drcosa平衡，則： 如果r取0.473N/m(20)，對(duì)于多孔鎳來(lái)說(shuō)a=130，壓強(qiáng)以MPa表示，則(7-1)式可簡(jiǎn)化為： 汞壓入法測(cè)定多孔材料孔徑分布的方法如下：將試樣置于膨脹計(jì)中，并放入充汞裝置內(nèi)，在真空條件(真空度為1.330.013Pa)下，向膨脹計(jì)充汞，浸沒(méi)試樣。壓入多孔體的汞量是以與試樣部分相聯(lián)結(jié)的膨脹計(jì)毛細(xì)管內(nèi)汞柱的高度變化來(lái)表示的。當(dāng)對(duì)汞所施的附加壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)時(shí)，向充汞裝置中導(dǎo)入大氣，從而使膨脹計(jì)中的汞，對(duì)于多孔鎳來(lái)說(shuō)

5、，獲得可測(cè)大于1.22um以上的孔徑所需的壓強(qiáng)。為了使汞進(jìn)入孔徑小于1.22um的孔隙，必須對(duì)汞施加高壓。隨著對(duì)汞所施壓強(qiáng)的增加，汞逐漸地充滿到小孔隙中，直到開(kāi)孔隙為汞所填滿為止。 從而得到汞壓入量與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線，并由此可求得其開(kāi)孔孔徑分布。汞壓入法可測(cè)定的最小孔徑為2um左右。但由于裝置結(jié)構(gòu)必然具有一定的汞頭壓力，所以最大孔徑的測(cè)定是有限的。一般可測(cè)最大孔徑，對(duì)于高壓汞壓測(cè)孔儀來(lái)說(shuō)不超200um，對(duì) 于低壓汞壓測(cè)孔儀來(lái)說(shuō)可達(dá)300um。由于汞壓入法可測(cè)范圍寬，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性好，儀器專門化，操作和數(shù)據(jù)處理比較簡(jiǎn)便，也比較精確，所以已成為研究多孔材料孔隙度特性的重要手段之一，可用來(lái)測(cè)定孔徑及其

6、分布、孔道形狀分布、比表面、孔隙度和密度等。二、粉末多孔材料的透過(guò)性能 對(duì)于過(guò)濾器、含油軸承和其他多孔材料來(lái)說(shuō)，透過(guò)性能是一種很重要的孔隙度特性。研究流體通過(guò)多孔材料的透過(guò)性能，可為設(shè)計(jì)、工藝和應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。在多孔體中，當(dāng)作用在流體上的壓差較小，流速較低，流體的雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)時(shí)，則為層流。對(duì)于多孔材料來(lái)說(shuō)，臨界雷諾數(shù)與孔中流體的雷諾數(shù)、孔道表面的相對(duì)粗糙度，以及孔道長(zhǎng)度上孔截面的變化程度有關(guān)。 在多孔材料中，層流時(shí)比能損失較小(和流速的一次方成正比)，而且在流體流過(guò)很細(xì)的孔道時(shí)，流速一般不會(huì)很高。下面著重研究在層流條件下流體的透過(guò)規(guī)律。當(dāng)有層流的流體通過(guò)多孔材料時(shí)，在單位面積上的流速

7、與其壓力梯度成正比，通常以達(dá)爾西公式表示： 為了工程上使用方便，在實(shí)際測(cè)量中多采用相對(duì)透過(guò)系數(shù) 對(duì)于氣體叫相對(duì)透氣系數(shù)；對(duì)于液體叫相對(duì)滲透系數(shù)。則式(7-3)可變?yōu)椋?還應(yīng)該指出，當(dāng)孔徑較小，例如23um 時(shí)，液體與氣體的透過(guò)系數(shù)相差可達(dá)20倍。這種現(xiàn)象，并不是濾流的層流條件被破壞所產(chǎn)生的，而是由于固體和液體的介電常數(shù)的數(shù)量級(jí)不同，使固體表面形成過(guò)剩電場(chǎng)，處于固體表面的液體附面層的物理性質(zhì)與液體內(nèi)部的性質(zhì)不同，使液體附面層的粘滯系數(shù)較高，并且在凈化液體中可能存在固體微粒，從而引起所謂毛細(xì)通道“閉合”現(xiàn)象 。三、粉末多孔材料的表面特性 大量孔隙的存在使多孔材料具有很大的比表面，而比表面的大小又是

8、決定其使用性能的重要指標(biāo)。測(cè)定開(kāi)孔隙比表面的方法很多，可用類似于測(cè)量粉末比表面的方法來(lái)測(cè)定。用BET法測(cè)定每克只有十分之幾平方厘米的比表面的試樣已相當(dāng)困難，因此，對(duì)一般由粒度在微米以上的粉末制取的多孔材料，就不大適用了。當(dāng)孔隙度大于20%時(shí)，用透過(guò)法定比表面可以得到足夠精確的結(jié)果，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。 測(cè)定比表面的透過(guò)法是通過(guò)測(cè)定透過(guò)系數(shù)來(lái)求得比表面的。這個(gè)方法的原理是根據(jù)柯-卡門公式： 測(cè)定比表面的透過(guò)法，通常是以氣體（特別是空氣）為介質(zhì)，操作簡(jiǎn)便、迅速，得到了廣泛應(yīng)用。但此法只適用于層流而不適用于紊流，并且當(dāng)孔道很細(xì)，接近氣體分子平均自由程時(shí)，也不適用。四、粉末多孔材料的其他特性 粉末多孔材料易壓縮變形的特性，是通過(guò)各種變形方式使多孔體致密化的基礎(chǔ)。關(guān)于多孔體的變形特性，第六章已經(jīng)詳細(xì)討論過(guò)，不再重復(fù)。在工業(yè)技術(shù)上也常利用這一特性來(lái)制取密封材料。高孔隙度的多孔鐵的柔軟性和易壓縮變形特性接近于鉛。德國(guó)曾用多孔鐵代替銅制造炮彈箍，以節(jié)約大量銅材，它具有和鑄銅相同的硬度，當(dāng)炮彈沿炮身來(lái)復(fù)線射出時(shí)，炮彈箍由于易壓縮變形和孔隙中潤(rùn)滑劑的作用，不至于磨壞來(lái)復(fù)線。 粉末多孔材料除了可作通常的管接頭