粉末冶金材料特性的应用案例解析

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　　粉末冶金材料特性应用实例 ——粉末冶金多孔材料 主要内容 一、粉末冶金的技术特点 二、粉末冶金材料的应用与分类 三、粉末冶金材料特性的应用 ——粉末冶金多 孔材料 （一）粉末冶金多孔材料简介 （二）粉末冶金多孔材料的特点 （三）粉末冶金多孔材料的作用 （四）几种典型粉末冶金多孔材料制备技术和特性 （五）新型金属多孔材料制备技术和应用 （六）粉末冶金多孔发汗结构的渗透性能和力学性能 一、粉末冶金的技术特点 粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性 能，而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。 运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或 全致密材料和制品，如含油轴承、齿轮、凸轮、 导杆、刀具等，是一种少无切削工艺。 1、粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分 偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。在制备高 性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材 料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料 （如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀 不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材 料等）具有重要的作用。 2、可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶 体等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的 电学、磁学、光学和力学性能。 3、可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元 材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和 陶瓷复合材料的工艺技术。 4、可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性 能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜 材料、高性能结构陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。 5、可以实现近净形成形和自动化批量生产，从而，可 以有效地降低生产的资源和能源消耗。 6、可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、 回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和 综合利用的新技术。 二、粉末冶金材料的应用与分类 1、应用： 汽车、摩托车、纺织机械、工业缝纫机、 电动工具、五金工具、电器、工程机械、各种 粉末冶金（铁铜基）零件。 2、分类： 粉末冶金多孔材料、粉末冶金减磨材料、 粉末冶金摩擦材料、粉末冶金结构零件、粉末 冶金工模具材料、和粉末冶金电磁材料和粉末 冶金高温合金等。 三、粉末冶金材料特性的应 用 ——粉末冶金多孔材料 （一）粉末冶金多孔材料简介 粉末冶金多孔材料:又称多孔烧结材料。用粉末 冶金的方法制造的、由球状或不规则形状的金属或 合金粉末经成型、烧结制成。材料内部孔道纵横交 错、互相贯通，一般有30%～60%的体积孔隙度 ， 孔径1～100微米。透过性能和导热、导电性能好， 耐高温 、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过 滤器、多孔电极 、灭火装置、防冻装置等。常用的 金属或合金有青铜、不锈钢、铁、镍、钛、钨、钼 以及难熔金属化合物等。做成的制品有坩埚状、碟 状、管状、板状、薄膜等。 （二）粉末冶金多孔材料的特点 1、孔径和孔隙度均可控制； 2、优良的透过性能，且在使用后可以再生，因而 使用寿命长； 3、导热、导电； 4、耐高温、耐低温、抗热震； 5、抗介质腐蚀； 6、比表面积大； 7、可焊接和加工等。因此它的综合性能较传统的 纸质、棉和化纤织品、陶瓷、玻璃、金属丝网等 过滤材料为好。 （三）粉末冶金多孔材料的作用 在现代技术中，多孔材料愈益发挥其重要作 用，有两方面的主要用途。 1、作过滤器用：利用其多孔的过滤分离作用 净化液体和气体。例如用来净化飞机和汽车上的 燃料油和空气；化学工业上各种液体和气体的过 滤；原子能工业上排出气体中放射性微粒的过滤 等。 2、利用其孔隙的作用，制造多孔电极、灭火 装置、防冻装置、耐高温喷嘴等。多孔电极主要 在电化学方面应用。灭火装置是利用其抗流作用 而防止爆炸，如气焊用的火焰防爆器等。防冻装 置是利用其多孔可通入预热空气或特殊液体，用 来防止机翼和尾翼结冰。耐高温喷嘴则是利用表 面发汗而使热表面冷却的原理，被称为发汗材料。 金属多孔材料由于其结构特性,可用于 流体净化、气体除尘、气体流态化、粉料 流态化输送、发汗冷却、强化传热、消音 降噪、阻燃防爆等不同用途。其中, 尺寸大 型化、结构异型化、多功能一体化、以及 高精度、大通量金属多孔材料的制备及产 品应用技术的研究正成为国内外多孔材料 学界前沿性热点问题。 （四）几种典型粉末冶金多孔材 料制备技术和特性 1 、烧结金属粉末多孔材料 烧结金属粉末多孔材料是采用金属或合金 粉末为原料, 通过压制成型和高温烧结而成、 具有刚性结构的多孔材料。其孔隙结构由规则 和不规则的粉末颗粒堆垛而成, 孔隙的大小和 分布以及孔隙率大小取决于粉末粒度组成和加 工工艺。图1 给出烧结金属粉末多孔材料典型 的微观结构, 它具有均质结构特征。 烧结金属粉末多孔材料微观结构(a) 和元件(b) Microstructure of sintered metal powder porous materials (a) and elements (b) 烧结金属粉末多孔材料性能指标 Performance of sintered metal powder porous materials 型号 平均孔径 /μ m 5 10 20 相对渗透性 /(L· min-1· cm2 · Pa-1) 孔隙率 /% 30 32 32 强度 /Mpa ≥80 ≥90 ≥100 SFM005 SFM010 SFM020 5×10-5 1.5×10-4 5×10-4 根据成型工艺不同, 烧结粉末多孔材料有模 压成型、等静压成型、轧制成型和挤压成型等产 品 模压成型工艺适合于各种复杂形状多孔材料 产品的制作, 等静压成型工艺用于大尺寸无缝管 件的制作, 轧制成型和挤压成型工艺适合于大批 量产品的制作, 可以制备出1～2 mm 厚的薄壁 件。 烧结金属粉末多孔材料具有最广泛的应用市 场, 包括用于气体除尘、液体净化, 气流稳定、 流态化、流态化输送、气体限流以及消音降噪、 阻燃防爆等, 可广泛应用于航天航空、石油化工、 医药、食品、电力、能源等领域。 2 烧结金属丝网多孔材料 烧结金属丝网多孔材料是由多层金属编织网 叠合后, 经过轧制成型和高温烧结而形成的具有 刚性结构的多孔材料。这种多孔材料具有非对称 结构, 由支撑层、保护层和工作层组成。由于其 独特的结构设计, 烧结金属丝网多孔材料具有流 通性好、孔隙分布均匀、整体性好, 刚性好,强度 高等特点, 作为过滤材料, 表现出优异的反吹(反 冲洗) 再生性能。 烧结金属丝网多孔材料广泛应用于石油化工、 冶金、电力、能源等领域的流体过滤、气流分布 控制、流态化输送、阻燃防爆等方面。 烧结金属丝网多孔材料微观结构(a) 和元件(b) Microstructure of sintered metal mesh porous materials (a) and elements (b) 烧结金属丝网多孔材料性能指标 Performance of sintered metal mesh porous materials 平均孔径 相对渗透性/(L· min- 孔隙率 1 · /μ m cm-2· Pa-1) /% 强度 /Mpa 型号 SSW005 SSW010 SSW020 5 10 20 2×10-4 8×10-4 2×10-3 21 22 24 ≥100 ≥100 ≥110 3 、烧结金属纤维多孔材料 烧结金属纤维多孔材料是由金属纤维迭合后, 经过压制成型和高温烧结而形成的多孔材料。烧 结金属纤维多孔材料的突出特点是孔隙率高, 可 达到80 % , 具有很好的透气性。 烧结纤维多孔材料的精度可达到5～10μm。 烧结金属纤维毡多孔材料广泛应用于化工、 电力、冶金、能源等领域的气体除尘、流体净化 等方面。 烧结金属纤维多孔材料微观结构(a) 和元件(b) Microstructure of sintered metal fiber porous materials (a) and elements (b) （五）新型金属多孔材料制备技术和应用 1 、金属膜材料制备技术 安泰科技股份有限公司以纳米粉体为基础, 采用粉末冶金方法, 开发了金属膜材料专利制备 技术。金属膜材料的精度达到0. 03 μm , 过滤 效率达99.999999 %。下图给出了金属膜材料 的微观结构和元件。 产品已用于气体分离、高纯气体净化、液体 净化、气溶胶过滤与净化等。 金属膜材料微观结构(a) 和元件(b) Microstructure of membrane materials (a) and elements (b) 2、非对称亚微米金属多孔材料制备技术 传统的烧结金属粉末滤材孔径一般在3μm 以上, 无论在过滤精度、还是在大通量方面都很 难满足现代工业发展要求。 安泰开发了新型高精度、大通量亚微米多孔 材料。这种新型的滤材采用梯度结构, 即由骨架 层、过渡层和工作层组成复合层结构。其中, 骨 架层支撑过渡层起增强作用,工作层是厚度较薄 的小孔层, 起过滤作用。这种新型非对称亚微米 多孔材料具有很高的过滤精度, 同时, 由于高精 度的工作层很薄(20μm) , 使得材料的流通性能 大大提高 3 、大型、异型结构粉末冶金多孔材料制备技术 大型、异型结构粉末冶金多孔材料是多孔材 料新的发展方向。与常规结构粉末冶金多孔材料 相比, 其在压制成型、烧结等工艺设备的实现方 面提出了更高要求和挑战。 目前世界上大型、异型结构粉末冶金多孔材 料主要通过等静压成型工艺进行生产制备。其基 本特点是: 由于其为各向同性压制, 压坯密度比 较均匀; 易于实现大型、较长压坯的成型; 可在 较大范围内调整壁厚; 消除了焊接对多孔材料本 身所带来的影响, 如焊接热影响区易出现的缺陷、 热影响区对材料腐蚀性的影响等。 4 、金属多孔复合催化材料的研制 多孔复合催化材料是利用多孔材料良好的孔隙分布、 优异的传热特性和发达的比表面, 与高效催化剂复合制 备而成的一种特殊功能材料。它继承了多孔材料的结构 和功能特性, 具有良好的流体透过能力、丰富的比表面 以及可控的流体分布特性, 与催化剂的功效结合起来可 以极大地提高工业过程的反应速度、提高生产率、降低 能耗和简化工艺过程。 其工艺过程如下: 多孔材料表面处理→ 负载陶瓷膜(γ-Al2O3) →负载催 化剂活性组分(Pd 等) 研制的多孔金属催化蒸馏构件可以代替传统的 CDTECH , 应用于催化蒸馏工艺。 另外, 金属多孔催化材料和过滤元件的研制, 还可以用于高温气体的除尘和净化, 机动车尾气 排放的后处理等。它在对颗粒物进行捕集的同时, 还可以反应脱除气体中NOx , VOC 等有害组分。 实现除尘、脱硝等功能一体化。 5 、定向凝固多孔材料制备技术 金属/ 气体共晶定向凝固技术(GASAR) 由乌克兰 科学家Shapovalov 发明。Gasar 技术被认为是生产多 孔金属材料的革命性工艺, 不仅具有比传统多孔材料优 异的性能特点, 比如小的应力集中、高的机械性能、良 好的导热能力等, 而且具有比相同材质的致密材料高的 综合机械性能(密度低, 比强度、比模量高)。 另外, 该项制备工艺还易于通过改变工艺参数, 实 现对气孔率、气孔大小和分布的控制。 （六）粉末冶金多孔发汗结构的渗透性 能和力学性能 用PBR 气泡孔径渗透性测定仪检测多孔 结构的微孔尺寸。平均微孔直径在3～7 μm。 由于研究的多孔发汗结构为非等厚度的回 转体结构，为分析其渗透均匀性，沿横截面将 发汗冷却喉衬切割成上、中、下3 个部分，分 别测量出每个部位的渗透性 渗透性主要由孔径和孔隙率决定，对比高温 合金和不锈钢粉末材料，其平均孔径（6.8μm， 5.64μm）、孔隙率（39%，35%）较为接近， 渗透性也相差较小。发汗冷却喉衬的渗透性随孔 隙率的增大而增大，孔隙率对渗透性的影响较大。 多孔渗透结构的抗拉强度随孔隙率的增大而 下降。而不同材料的延伸率随孔隙率的变化趋势 各不相同。不锈钢304 和GH22 的延伸率随孔 隙率的增大而降低，而ZrCu 合金的延伸率则随 孔隙率的增大而升高。高温合金和不锈钢的抗拉 强度和延伸率均远高于铜合金。 通过对高温合金、不锈钢、铜合金3 种材料 力学性能的对比，高温合金在孔隙率偏高的情况 下仍显示了较高的强度优势，且高温合金具有良 好的高温抗氧化和抗腐蚀性能。 从多孔材料与致密材料的对比情况来看，材 料的孔隙率在15%以下，其抗拉强度能达到相 同致密材料的50%以上，但延伸率与致密材料 相比相差较多，只能达到30%左右，主要因为 多孔材料表现为脆性断裂，对材料的延伸率影响 很大。 由于铜合金的导热率远高于不锈钢和高温合 金材料，当作为热防护材料时铜合金仍具有优势， 尽管其强度低于高温合金和不锈钢材料，但对于 结构强度要求不是太高的燃烧装置内衬等高热流 强部位，适宜采用铜合金多孔材料； 对于结构强度要求较高的热防护装置，也可 以采用高温合金或不锈钢多孔材料，由于此时多 孔结构主要用于发汗冷却或膜冷却，这种冷却方 式冷却效率高，调整结构参数和工作参数也可以 满足高热流强的热防护要求。 结束语 在过去的几十年里, 粉末冶金多孔材料得到了快速 的发展, 它的应用渗透到工业部门的方方面面, 从而推 动着相关工业技术的迅速发展; 同时由于工业水平的大 幅度提高, 又促进了粉末冶金多孔材料向纵深发展, 为 满足工业生产的需要, 不断涌现出新的制备工艺和应用 技术, 使其成为当代发展最为迅速的材料科学与工程领 域的关键技术之一。未来金属多孔材料将进一步向高精 度、大通量、多功能一体化以及尺寸大型化和结构异型 化方向发展。 另外,国际制造业向中国的转移将给中国企业带来很 多机遇和挑战, 也必将进一步推动金属多孔材料制备技 术的发展。