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粉末多孔性材料综述摘要：在大多数粉末冶金应用中，由金属粉末通过压制与烧结制备的材料都是 具有多孔性的作为结构零件材料，要求孔隙度低，但在其他应用中，对于有特 殊功能需要的产品则要求孔隙度可控粉末冶金多孔性材料中应用最广的是H润 滑轴承、金属过滤器、金属电极以及气液分离器等其他用途有：①介质分离器, 例如从水中分离油；②控制气流体，例如在流化床、通风装置、使气体起泡的起 泡装置和缓冲器的渗漏控制；③消声器和声音阻尼器，例如减低喷气式发动 【1】机的噪音和潜水艇的消声阀关键词：粉末多孔性材料；工艺；应用；对于牛产孔隙度可控的金属制品来说，粉末冶金是一种重要的、在许多情况下 唯一使用的方法在粉末冶金的多孔性产品中，孔隙的体积、大小和形状都是可 以控制的下面第一部分讨论表征孔隙度的方法，介绍对连通孔隙度的数量、孔 隙的大小及孔径分布和多孔性材料对气体与液体的通透性的测定方法第二部分 介绍一些产殆如自润发轴承、金属过滤器、金属电极的性能及牛产方法其中重 要的有：%1 根据测定粉末冶金零件连通孔隙度采取的步骤，描述标准方法；②介绍测 定粉末冶金零件总孔隙度的各种方法以及操作中的注意事项；③介绍多孔性粉 末冶金零件应用的重要领域；%1 描述用于粉末冶金零件的透过性和决定透过性的因素；%1 列举牛产多孔性自润滑轴承的工序，其中包括烧结、精整及含浸润滑剂。

1.1孔隙度的表征粉末冶金产品孔隙度的重要特征包括：总空隙容积、连通孔隙(与表而联通) 的数量、孔径大小及孔径分布1.1.1连通孔隙度对于自润滑轴承联通空隙数量的测定，已制定有标准方法，如GB/T5163、[2] 5164、5165——1985, ASTMB328这些测定方法基本上是测量联通空 隙的休积和整个轴承的体积，用前者的测量值除以后者的测量值就得到了联通空隙的 的体积分数1 测定经烧结和精整后的轴承的质量A；然后浸入润滑剂中，再抽取真空，用 来排除轴承孔隙中的气体，并使润滑剂进入孔隙中在空气中称量含润滑剂处理过的轴承的质量B两者的质量之差除以润滑剂的密度S,就得到了润滑剂 的体积(B-A) /So%1 轴承的总体积用阿基米德测定根据阿基米徳原理、式样在空气和水中称量 的质量除以水的密度等于式样的体积为了称量轴承在水小的质量，用细丝将轴 承悬挂在天平梁沟上浸入水中，测量得质量为C,其数值等于式样和细丝的质量 之和细丝的质量E是单独测定的，称量是要将细丝浸入水中，浸入的深度要 同式样和细丝共同浸入水中时的深度相同润滑剂含浸入处理过的轴承在水中的 质量为C-E,二者质量之差记为B- （C-E）,则经过润滑剂含浸处理后的轴承的 体积为（B・C+E） /L,式中L为水的密度（lg/cm3）o%1 润滑剂体积（B-A） /S与润滑剂含浸处理过的轴承的体积（B・C+E） /L之比 乘以一百就是轴承联通空隙的的体积分数.气体比重计是另外一种测量体积的方法，它是以理想气体气体定律为基础的。

根据气体定律，一•定是理想气体（如氮气）的体积和压力的乘积在恒温下是一个 常数（PV=nRT）o气体比重计是由一个式样室、一个容积已知的标准容积室和一 个测量压力的压力计组成，可以通过外部的阀门将标准容积室和式样室彼此分开 互相隔离当阀门打开时系统中的压力为常压然后使式样室和标准容积室隔离, 将多孔性式样放入式样室将试样室加压到已他压力、通常大约比常压高 0.1 MPa,再将试样室和标准容积室之间的阀门打开，使他们相互连通从试样 室和标准容积室之间的阀门打开前后的压力和他们的体积就可以计算出多孔性 式样的体积来为了防止加压的气体进入零件的连通孔隙中，零件的表面必须密 封1.1.2总孔隙度通过测定粉末冶金产品的质量和体积，并把所测定的密度与化学组成相同的材 料的理论密度进行比较，就可以确定其总孔隙度如果欲测定总孔隙度的产品形 状简单，诸如自润滑轴承，则其体积可以用千分尺测量的尺寸计算出来然而， 对于形状复杂的产詁，其总孔隙度的测定较复杂利用称量浸入水中的产甜质量 来测量体积的阿基米德法往往不使用，因为水会进入多孔性结构中为了对多孔 性产品的空隙度进行近似测定，在多孔性产品浸入水中称量前要密封其表面。

用光学显微照相和计算点的方法也可以测定总孔隙度，但在这种方法也有困 难，因为在研磨、抛光过程中难以保存空隙结构：表面扭曲可能导致材料被污染, 从而导致孔隙度的值减低；蚀刻抛光的表面可以去掉污染物，可以打开空隙，使 孔隙度的值增大在抛光之前用环氧树脂含浸表而可以缓解这一问题对于许多孔隙度为15%或者更高的粉末冶金产品，通常其联通孔隙度为95%或 更高，封闭空隙数量很少对于轴承和过滤器来讲，联通孔隙度是必不可少的， 但对于结构零件却是不需要的例如，如果零件应用于腐蚀性的环境吋，腐蚀性 材料不仅与外表面反应，也可以和零件内部的孔隙度面发牛•反应1.1.3孔隙的形状、大小和孔径分布%1 显微镜法可用扫描电镜来观测孔隙的三维特性过滤器的级别（2um与20um）是多孔 性结构过滤能力的尺度过滤能力是用相当理想化的标准方法测定的，如过滤悬 浮在液体介质中的玻璃珠实际上，多孔性过滤器通常有效出去的颗粒比其级别 表明的尺寸小得多对于涉及到用于气体、液体过滤的多孔性产品（例如过滤器） 中，孔隙的形状特别重要多孔性压培中不仅孔隙的形状各异，而II孔隙的大小以及孔径分布也相差很 大在大多数粉末冶金产品中，孔隙的大小可以用光学显微镜测量。

测量空隙尺寸及孔径分布还有另外两种方法：用冒泡法测量最大的联通孔隙尺 寸和用压入法估计多孔性压培的孔径分布1 冒泡法冒泡法是一种粗略测量存留在多孔性过滤器中的最大颗粒尺寸的方法往往可 用酒精作为实验液体来浸渍多孔性试样将多孔性试样浸泡在实验液体中，并用 一定压力将空气压入试样中根据此压力下第i个穿过多孔性试样从其表面冑出 的气泡，就能按下列公式计算其最大孔隙的尺寸d:d=4v/p公式中v是液体的表而能（表而张力），p是压力对于过滤器的几何尺度，在 推导孔隙尺寸和压力关系时做了一些假设基于这个原因，用冒泡法测定的过滤 器材料的最大孔隙度尺寸比实际存留在过滤器内的颗粒尺寸要大一些为了更精确的测量，又设计出了悬浊液过滤法，使一直尺寸的玻璃珠的悬浮液 通过过虑器，利用通过过滤器的玻璃珠的尺寸值來确定存留在过滤器中最人颗粒 尺寸冒泡法比悬浊液过滤法容易操作，用冒泡法测量的结果可用悬浊液过滤法 校准1 汞压入法汞压入法是基于下列现象：若流体和多孔性材料的接触角大于90则表面张 力将阻止流体进入孔隙，但可用外加压力来克夫这个阻力假设多孔性介质的孔 隙的横截而为圆筒形，则圆筒形孔隙直径d,液体的接触角a和压入液体所需压 力p之间的关系，可以用Washbum公式表示为d= （-4vcosa） /p对于汞的接触角ot经常设定为130。

这个值是测定过孔径分布的多孔性材料的 平均值汞的表面能v为0.485N/mo如果压力p用MPa表示，圆筒形孔隙直径 d用um表示，则孔径尺寸与压力之间的关系为d=1.2/p可用汞压仪测定多孔性固体材料的孔径分布汞压仪包括一个位于压力容器内 的加汞器室，加汞器室有膨胀计（它有一带有刻度的毛细管汞心柱）和放置试样 的玻璃管压力容器可以抽真空或加压为了排除吸附在多孔性试样表面的水蒸 气，压力容器和膨胀计要被抽真空，然后使汞进入加汞器，并完全浸没试样当 压力逐渐从真空状态增大到大气压吋，汞也逐渐渗入到试样的较大孔隙（孔隙大 小在17-100um之间）中，室中的汞量随之减少汞的减少量通过加汞器汞心柱 的刻度可直接读出最后将一-系列压力下的值转换成试样中孔隙的体积为了 测定尺寸小于17um的空隙体积，可以对压力容器施压随着压力壇高，汞渗入 到试样越来越小的孔隙中，汞的体积的变化可由加汞器汞心柱上读出在最大压 力4lOMPa下，能够测定出尺寸大小至0.003um孔隙的体积烧结零件的汞压入 体积与绝对压强以及相应孔隙直径之间的关系曲线可以看出，随着零件密度增 高，孔隙的尺寸减小试样具有简单的、单峰型孔径分布。

曲线的拐点给出了平 均孔径随着总孔隙度的减小，孔径分布的变化减少了这说明为了得到较高密 度，要施加较高的压制压力，以形成较小的孔隙汞压仪的测量读书必须足够慢，以便使力保持处于平衡的状态汞压入法最主 要的差异来源于所作的假设，即汞和多孔性材料的接触角为130和多孔隙材料 的横截面为圆筒形然而孔隙的横截面积并非都是圆筒形状的，而且沿着长度方向横截而积也可能不同：通道可能有的地方缩小，有的地方胀大，有的地方 甚至堵死这些偏差的一些重要性指标，可以通过测量增压过程渗入结构空隙小 的汞量和降压过程中流出孔隙的汞量来测定在加压和降压之间的滞后量就是孔隙形状偏离圆筒形尺度尽管做了一-些假 设，在测量和对比孔隙结构时汞压入法还是有用的孔径分布用其他方法很难测 疋o%1 透过性过滤器是用粉末冶金法制作的多孔性金属制品的最重要应用之一他们由具有 大量联通空隙的烧结材料制成，用于除去流体(例如液体、气体)中的小固体颗 粒流体通过过滤器的速率叫做透过率它取决于过滤器的尺寸，过滤器越薄， 横截面积越大，流体的流量越大其次，还取决于通过过滤器的压力，压力降越 大，流体的流量越大决定透过性的第三个因素是多孔性材料的结构。

为了测定 透过性与多孔性材料结构的关系，可以测定已知粘度和密度的实验流体通过一貝 尺寸的多孔性材料试样时的压力降和容积流速如果流体流动是层流者可利用层 流定律测定：(p2-pl) /L=Qp/(Ak)式中，p2-pl是流体通过多孔性材料横截面积的压力降，L是材料的厚度，A 是横截面面积，Q是流体的容积速率，卩是流体的黏度，k是透过性系数公式 可以直接用于测定液体的透过性，例如非压缩性的流体然而，空气的密度是压 力的函数，常常用于测量透过性，在这种情况下，层流定律则需要变形转换透 过性可用透过性系数k(单位为长度的平方)表征1.2产品、牛产工艺及性能牛产车间的各种设备必须按产品要求的工艺流程合理排放，使各阶段的半成 品，顺次流转设备配置要考虑牛产效率不同而进行牛产能力的平衡，有的设备 可能必须配置两台或多台，才能使牛产线的牛产能力得以平衡从而设备的合理 选配组合和牛产场地的布置，必须根据产品和牛产量来平衡综合考虑1.2.1自润滑轴承自润滑轴承是最早使用粉末冶金法制造的具有可控孔隙度的产品，其用作轴承 材料的优点已经在前面进行了简述经过压制、烧结、精整后的轴承，其空隙含 浸以润滑剂轴承安装后，当轴承开始转动时，在轴承和轴之间形成润滑膜；当 轴停止转动时，润滑膜又被多孔性轴承重新吸入。

对于许多自润滑轴承來讲，含 浸于轴承空隙内的润滑剂足够用到轴承失效为止，而其他轴承装有油塞、油杯或 在轴承外面放置有含油的多孔性油芯通过轴承补充油口润滑轴承-•般内部为中 空圆筒状，压配于轴承座中使用也有带凸缘的轴承和自调心球轴承，自调心球 轴承外部为球形的，以便安装在轴承座中后可以自行对中移动由于特殊牛产工 艺的要求，工矿企业的某些关键设备在极为恶劣的工况下运行由于设备重、环 境温度高，粉尘大或空气中含酸性腐蚀气体CO, SO2等，对设备的润滑带来很 多问题，摩擦磨损严重，截止H前为止，国内上述企业大部分仍沿用传统的油、 脂润滑，而事实丄这些工矿条件已超出了油、脂润滑的范围，极易发牛轴承及其 他摩擦副的咬伤或咬死，引起严重的零件磨损和损坏，经常性地导致设备停运 为了牛产连续运行，除在原始设计上要求安装多台设备轮修外，还须投入大量维修人员严重地限制着牛产率的提高，备品备件和能源消耗极大，已成为发展 牛产的重要障碍汽车制造、水泥牛产、石油化工等企业都提出。