粉末冶金多孔材料
粉末冶金多孔材料Powder Metallurgy Porous Materials供稿|贾成厂1，金成海2/ JIA Cheng-chang 1，JIN Cheng-hai 2作者单位：1. 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083；2. 钢铁研究总院，北京 100088概 述多孔材料，顾名思义就是有很多孔的材料，是由材料实体与孔隙构成的相互贯通或封闭的网络结构。
如果孔隙之间是相互相通的，则称为开孔；如果孔隙与孔隙之间是完全隔开的，则称为闭孔；也有些孔隙则是半开半闭的。
粉末冶金多孔材料，又称多孔烧结材料，由金属或合金粉末 (球状或不规则形状)，或短纤维，经成形、烧结制成。
材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有 30%~60% 的孔隙度，孔径 1~100 μm 。
常用的金属或合金粉末冶金多孔材料，也称多孔烧结材料，由金属或合金粉末经成形、烧结工艺而制成。
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。
粉末冶金多孔材料具有孔径和孔隙度均可控制、导热、导电、可焊接和加工、高的比强度、冲击韧性、能量吸收性能、化学活性、阻波性能、独特的光学性能、良好的透过性、选择性的渗透与吸附性、止振性能等一系列优异的性能。
在气体和液体过滤、高温燃气的净化过滤、熔融金属的过滤、固体催化、缓冲器及吸震器、电极材料、屏蔽材料、流体分布装置、热交换器、加热器、散热器、结构材料、生物材料等领域得到广泛应用。
内容导读有青铜、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。
粉末冶金多孔材料导热、导电性能好，透过性能好，耐高温与低温，抗热震，抗介质腐蚀。
可用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。
图 1 是多孔铝，图 2 是多孔镍。
多孔材料的优异性能力学性能由于粉末冶金多孔材料中存在大量的孔隙，所以其密度显著减小。
例如多孔钢的密度与致密材料相比能够减轻 34.2%。
铝合图 1 多孔铝图 2 多孔镍DOI: 10.3969/j.issn.1000–6826.2013.01.004金多孔材料或镁合金的的密度可以小于 l g/cm 3，当材料的外表致密时，则可以浮出水面。
粉末冶金多孔材料密度低，比强度 (强度与密度之比) 大，广泛应用于机械工具和交通运输工具等领域。
多孔材料轧制而成的板材，可以制作汽车、机器的蒙皮，取代目前所用的板材。
应用在航天、航空业也有较大的优势。
在飞机中，如果将一些致密材料改用多孔材料，就能够在维持同等性能的条件下，将其重量大幅度减小。
能量吸收特性粉末冶金多孔材料具有很多致密金属所难以具备的功能，例如能吸收能量，起缓冲的作用。
机械波及机械振动的传播性能在有孔隙结构的多孔材料中传播时会发生变化，就是说，当波传播至材料的致密部分与孔隙的界面时，就会有反射和折射的发生。
多孔材料能够起到阻波的作用，这是由于孔隙的存在而增多了反射、折射与衍射的机会。
可以依据这种性质将粉末冶金多孔材料制作隔音材料、减振材料和抗爆炸冲击材料。
利用粉末冶金多孔材料所具有的能量吸收特性，可以将其用来制造能量吸收器、减震缓冲器等，应用于机械工程和车辆工程，当它们受到突然的冲击时，可避免或减少恶性事故的发生。
光电性能粉末冶金多孔材料具有独特的光学性能与电学性能。
例如，微孔的多孔硅材料在激光的照射下能够发出可见光，有希望成为制造新型光电子元件的理想材料。
利用多孔材料的特殊光电性能，还可以制作燃料电池的多孔电极，这种电池被认为是很有前途的下一代汽车能源装置。
透过性、渗透与吸附性粉末冶金多孔材料具有良好的透过性，选择性的渗透与吸附性。
孔隙能透过气、液介质。
现在已经制造出具有规则形状与排列、且孔的尺寸和方向都能够控制的多孔材料。
将粉末冶金多孔材料制成分子筛，例如用于高效气体分离膜、可重复使用的特殊过滤装置等。
每种气体或液体分子的直径不同，运动的自由程也不同，因此，不同孔径的多孔材料对不同气体或液体的吸附能力也就不同。
利用这种性质，可以制作出用于水净化、且可重复使用的高效液体分离膜。
化学性能由于粉末冶金多孔材料内部有很多孔，所以其活性一般会增加。
基于具有分子识别功能的多孔材料会产生人造酶，从而能够大幅度提高催化反应的速度。
由于孔隙的存在，烧结多孔材料力学性能等可能会不如致密金属，但由于比表面增大，有些性能却比致密金属好得多，如热交换能力、电化学活性、催化作用等。
多孔材料还具有热交换效率高、电化学活性、声阻性、抗介质腐蚀等优点。
止振性能粉末冶金多孔材料内部存在的大量气体，使得当材料接收到振动源的能量时，会在材料内部产生很大的内耗，从而将传递来的能量化解掉。
粉末冶金多孔材料还具有很好的吸声能力，所以广泛应用于隔离噪音源的材料，如铝合金多孔材料、镁合金多孔材料可应用于潜水艇内的隔墙，能够很好地防止声纳的跟踪。
用于人流嘈杂地方的天花板，可以大幅度地降低噪音。
该材料将来还可以用于汽车等交通工具上，降低发动机的噪音。
其他性能粉末冶金多孔材料还具有孔径和孔隙度均可控制、导热、导电、可焊接和加工、电磁波吸收特性良好、对气体敏感等特性，所以粉末冶金多孔材料在通讯工程，环保工程等领域有广泛的应用前景。
利用仿真技术开发的粉末冶金多孔材料人工骨骼，具有生物材料的特性，所以可以作为人体理想的骨骼材料。
多孔材料的性能参数表征多孔材料的最大特点是“多孔”。
孔的物理结构有三种：(1) 孔全部被封，孔与孔之间由材料实体隔开；(2) 孔与孔被“半封住”，即相邻的孔之间的固体墙壁内部，藏有狭小的通道，气体或液体分子可以经过这些小管子在孔之间通过，但是比较费劲；(3) 孔与孔之间有很宽敞的通道，气体或液体分子可以在整个孔隙中自由流通。
为了保证多孔材料的性能，需要对其结构进行表征。
其主要参数有孔隙度、最大孔径、平均孔径、孔径分布、孔隙形状和比表面。
对材料的力学性能和各种使用性能有决定性影响的因素当然首先是材质，但材料的多孔结构也是重要的参数。
孔隙是由粉末颗粒性状与工艺条件所决定的，所以原料粉末的物理和化学性能，尤其是粉末颗粒的尺寸、尺寸分布和形状，是决定多孔结构以及最终使用性能的主要因素。
对于多孔结构参数，有多种测定方法。
孔隙度。
是指孔隙的含量，一般使用体积分数。
是由 1 减去相对密度而得，相对密度则是实际密度(包含孔隙) 与理论密度的比值。
孔径。
是指孔隙的尺寸大小。
常用的测量方法有气泡法、气体透过法、吸附法和汞压法等。
选择测定方法时应尽量与使用条件相接近。
流体透过多孔体的运动在层流条件下流速与压力梯度成正比，与流体黏度成反比，其比例常数就是透过系数，该系数反映了多孔材料透过能力。
烧结多孔材料的透过能力随贯通孔隙度的增大、孔径的增大、多孔体厚度的减小、以及流体黏度的减小而增大。
烧结金属多孔材料的力学性能随孔隙度的增大及孔径的增大而下降，而且，力学性能对孔的形状非常敏感，这是由应力集中所造成的。
孔隙度一定时，孔径小的多孔材料透过性小，但强度大。
过滤精度也称为阻截能力，是指透过多孔体的流体中的最小固体颗粒尺寸。
孔径分布是描述不同尺寸孔隙的存在状况的参数，也是判断多孔结构是否均匀的依据。
对于过滤材料，要求在有足够强度的前提下，尽可能增大透过性与过滤精度。
根据这些原理，可以采用分级的球形粉末为原料，制成均匀的多孔结构，用粉末轧制法制造多孔的薄带与焊接薄壁管，还有粗孔层与细孔层组合的双层多孔材料。
比表面。
是指材料的表面积与质量或体积的比值。
常用低温氮吸附法和流体透过法来测定。
粉末冶金多孔材料的制备工艺一般说来，可以选用球形和不规则形状的粉末或金属纤维，作为制造多孔材料的粉末原料。
采用球形粉末作为原料时，获得的多孔材料流体阻力小、结构均匀、再生性好；而采用不规则形状粉末或纤维作为原料时，能够制造孔隙度更高的材料，且力学性能较好。
制造多孔材料的成形压力和烧结温度一般会略低于制造烧结致密材料，这是为了获得具有理想结构的多孔结构。
所选用粉末的平均粒度、粒度分布、颗粒形状等对于所制备多孔材料的孔径、强度等性能起着很大的作用。
对原料粉末进行预处理是为了获得预定的微观组织结构与性能，预处理包括退火、粒度分级、球化与球选、加入各种造孔剂、润滑剂、增塑剂等。
成形固结工艺可以采用模压–烧结工艺；如果是简单异形制品，则可以选用松装烧结工艺进行成形；对于厚度为 0.1~3 mm 的板、带、管，可以采用粉末轧制工艺；对于异形长制品，可以采用粉末挤压工艺；对于异形大制品，可以采用等静压制工艺；对于复杂异形制品，可以采用粉浆浇注工艺。
如果是金属纤维作原料，可以使其在液体中沉积，得到均匀分布的纤维毡，然后压制、烧结成金属纤维多孔材料。
制造泡沫金属(孔隙度更大的材料) 时，是将原料粉末、发泡剂、固化剂等一起均匀混合成形，固化和烧结。
由于在加热过程中发泡，所以可获得理想的组织与性能。
泡沫金属的孔隙度可高达 90% 以上。
可以选用不同粒度的粉末制作不同孔径的双层或多层结构的材料，还可以将粉末与金属网或纤维一起成形，制成纤维增强材料，能够改善多孔材料的综合性能。
粉末冶金多孔材料的应用粉末冶金多孔材料中的孔隙，是一种有用的结构。
当孔隙为连通开孔时，孔隙可以作为“仓库”或“通道”。
前者的典型应用例子为烧结金属含油轴承[1]，后者的典型应用例子为过滤器。
当孔隙为闭孔时，孔隙内充满了空气，多孔材料主要用于隔热、隔音材料。
气体和液体过滤粉末冶金多孔材料中的孔隙允许流体(气体或液体) 以及小于一定尺寸的固体颗粒通过，将大于该尺寸的固体颗粒截留，就是说，能够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。
粉末冶金多孔材料作为过滤器，具有以下优点：优良的透过性能，过滤速度大；孔径与孔隙度可以控制，过滤精度高、分离效果好，用于仪器、仪表可以精确地控制流体的流动；强度高、韧性好，适用于高压环境；抗腐蚀性能好，适用于多种酸、碱等腐蚀性介质；再生性能好，再生后过滤性能恢复 90% 以上，可重复多次使用；使用寿命长。
除了可以对一般的气体和液体过滤之外，还可以进行高温燃气的净化过滤。
如果多孔材料的材质是高熔点金属或陶瓷，还可以用于冶炼铸造时熔融金属的过滤。
当多孔材料的孔隙小到介孔尺度时，还可以作为分子筛来分离气体。
表 1 是一些多孔材料过滤器的使用温度范围与适用环境。
图3 是多孔材料过滤器的实例。
图 4 是分子筛制氧设备。
固体催化剂利用粉末冶金多孔材料的比表面大且具有支撑强度等特点，可以制作高效催化剂或催化剂载体，应用于化学工业。
发生在两相界面上的催化作用。
通常催化剂为多孔固体材料，反应物为液体或气体。
在多相催化反应中，固体催化剂对反应物分子发生化学吸附作用，使反应物分子得到活化，降低了化学反应的活化能，而使反应速率加快。
多孔(泡沫)材料制备方法综述
一、粉末冶金法
3
5) 混合烧结法
将金属粉末混合到发泡树脂中，形成发泡柱。焙烧 热分解除去树脂，然后烧结并除去氧化物，即得多孔金 属泡沫，或将金属粉末填入多孔树脂中一起烧结，也可 将金属粉末和造孔剂混合均匀后烧结或熔化，最大空率 可达98%。
还有一种较新发展的粉末冶金技术，适合于制备高 空率金属材料。将铝或铝合金粉末按传统方式与发泡剂 混合，然后压实成具有一定密度的半成品，单向压或辊 压都可以。加热到熔点温度范围，膨胀成为高孔率结构。
四、金属沉积法
3
2) 真空蒸镀
该法是用电子束、电阻加热等方式加热, 蒸发欲 蒸镀的物质, 并使其沉积在基材上。真空镀法的镀层一 般很薄。特别是对合成树脂作基体, 在真空中熔化。蒸 镀金属过程中, 由金属熔化时的辐射热, 加热了基材, 因此只能镀0.1-1.0μ m的薄膜。向真空镀室的冷却外套 通人-30℃ 的冷却介质, 使真空镀室中的气氛温度降低, 和冷却导辊的直接冷却, 使通过真空镀室的网带或多孔 材料带等有机基体的温度降低大约在50℃ 以下。因此, 不论何种基材, 何种蒸镀金属, 都能蒸镀成厚膜, 多孔 金属的孔也不易变形。蒸镀后在氢气气氛中除去多孔基 材, 烧结, 制成所需多孔金属材料。
四、金属沉积法
3
5) 电沉积
目前在国内外普遍采用该法进行大规模制备高孔率 金属,其产品不但孔率高（达80%-99%）, 而且孔结构分 布均匀, 孔隙相互连通。该法以高孔率开口结构为基体, 一般采用三维网状的有机泡沫, 常用的有聚氨基甲酸乙 酯（包括聚醚氨基甲酸乙酯泡沫和聚脂氨基甲酸乙酯泡 沫）, 聚脂、烯聚合物（如聚丙烯或聚乙烯）、乙烯基 和苯乙烯聚合物及聚酰胺等。也可采用纤维毡等。主要 过程分基材预处理、导电化处理、电镀和还原烧结4步。 首先应将基体材料进行碱（或酸）溶液处理, 以除油、 表面粗化和消除闭孔, 然后清洗干净。
粉末冶金材料概述
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粉末冶金材料概述
现代粉末冶金技术与发展
• 技术特征： • 技术多样性;
粉末制备、成形、烧结技术多选择
• 工艺复杂性; • 手段先进性；
压机、烧结炉等设备与最新科技结合
• 性能优异性； • 零件复杂性； • 规模扩大性； • 成本低廉性。
530人，年销售额6210万 美元，人均年销售额97.25 万元人民币。
宁波粉末冶金厂
400人，年销售额1.2亿元，人 均年销售额30万元； 扬州保来得公司
300人，年销售额1.8亿元，人 均年销售额60万元； 国内一般粉末冶金厂
人均年销售2万元。
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粉末冶金材料概述
• 发展趋势
• 辐射领域越来越广
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粉末冶金材料概述
• PM Production of notch segment for truck transmission
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粉末冶金材料概述
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粉末冶金材料概述
• 采用PM技术制备材料/产品的缺点：
• 原料粉末价格较贵； • 模具成本高，靠产量规模降低费用； • 烧结制品残余孔隙影响性能； • 氧和杂质含量较高； • 制备高纯活性金属困难；
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粉末冶金材料概述
St*
*1st=0.9078
**Reflects P/M grade powders only includes stainless steels after 1996
Sourse:MPIF,JPMA,EPMA
International iron and steel powder Metal powder in
粉末材料的孔隙度特性知识讲解
多孔体止火的原理，是根据火焰通过毛细孔时产 生热交换，使燃烧物的热量通过孔壁而散失，从 而阻止燃烧过程的进行，使火焰熄灭。换句话说， 火焰在管道中传播的速度和孔隙大小是有一定关 系的，当孔径减小到某一临界尺寸时，可燃气体 将不可能着火。孔径的这一极限值称为临界熄火 孔径。粉末多孔材料孔径小、透气性好、强度高， 最适于作高速火焰的止火器。粉末多孔电极具有 大的比表面和晶体缺陷，可以有效地降低氢的超 电压。
一、粉末材料孔隙度和孔径的测定
• 孔隙度和密度是粉末冶金材料的基本特性，孔 隙度和密度的测定是控制粉末冶金材料质量的 主要方法之一。
• 对于致密材料，可直接将试样放在水中称重， 其残留孔隙度也可以采用显微镜法进行定量估 算。
• 对于具有开孔隙的材料，用液体静力学法称量 时，为了不让液体介质进入孔隙，可浸渍熔融 石蜡、石蜡泵油、无水乙醇液体石蜡、油、二 甲苯和苯甲醇等物质，或者涂覆硅树脂汽油溶 液、透明胶溶液和凡士林等物质，使烧结体的 开孔隙饱和或堵塞。
粉末材料的孔隙度特性
粉末冶金多孔材料的基本特性：由于孔隙的 存在，多孔材料具有大的比表面和优良的透过性 能，以及易压缩变形、吸收能量好和质量轻等特 性。
在普通铸件中，气孔和缺陷是常见的缺 陷，也是熔铸法难以克服的问题；而用粉末冶金 法制取的材料，其孔隙度、孔径及分布可以有效 地控制，并且可在相当宽的范围内调整。
孔隙直径：
汞压入法测定多孔材料孔径分布的方法如下：将 试样置于膨胀计中，并放入充汞装置内，在真空 条件下下，向膨胀计充汞，浸没试样。压入多孔 体的汞量是以与试样部分相联结的膨胀计毛细管 内汞柱的高度变化来表示的。当对汞所施的附加 压强低于大气压强时，向充汞装置中导入大气， 从而使膨胀计中的汞，对于多孔镍来说，获得可 测大于1.22μm以上的孔径所需的压强。
粉末冶金多孔材料过滤材料
多孔金属过滤原理
•
多孔金属具有优良的渗透 性,是适合于制备多种过滤 器的理想材料。利用多孔 金属的孔道对流体介质中 固体粒子的阻留和捕集作 用,将气体或液体进行过滤 与分离,从而达到介质的净 化或分离作用。金属微孔 孔径与孔隙易于控制，用 于过滤时的过滤精度高；
过滤材料的应用 • 目前多孔金属材料被广泛应用于航空 航天、原子能、电化学、石油化工、冶金、 机械、医药、环保、建筑等行业的过滤、 分离，总之,只要涉及固- 液、液- 液、 气- 液过滤与分离的场合,基本上均可采 用金属多孔材料。加工成滤芯，滤片，滤 棒，滤塞，滤罩，气罩，探头，滤碗，滤 杯等
过滤材料中常用的金属
粉末冶金多孔材料 ——过滤材料
粉末冶金多孔材料
粉末冶金多孔材料是金 属和孔隙的复合体,一般由 球状或不规则形状的金属 或合金粉末经成形和烧结 制成，又称烧结多孔材料。 这种材料为孔道纵横交 错、互相贯通的多孔体， 通常具有30～60％体积的 孔隙度，孔径1～100微米。
泡沫镍和泡沫镍的微观结构
粉末冶金多孔材料的特征
青铜、不锈钢、镍和钛多孔过滤材料
固- 液分离
多孔钛过滤材料
多孔钛过滤材料是一种新型过滤材料。其 特点是耐腐蚀性能好、力学性能好、过滤精度 高，易再生、寿命长等。其中微孔钛管所组成 的二级过滤系统可取代纱滤芯系统用于饮用水 的过滤净化。效果为砂滤芯的10-15倍，滤水 费用降低20%-30%。
特点:1:外表面光滑、易清洗. 2:化学稳定性好，能耐酸、 耐碱、可在命长。孔径分布窄， 分离效率高。 4:抗微生物能力强，不与 微生物发生作用，可以在生物 工程及医学领域应用。 5:耐高温，一般可在 300℃以下正常使用。 6:无微料脱落，不对物液 形成二次 污染。
粉末冶金原理简介课件
化学共沉淀法
总结词
通过化学反应使金属离子共沉淀形成均匀的金属氧化物或硫化物粉末。
详细描述
化学共沉淀法是一种制备金属粉末的方法，通过化学反应使金属离子共沉淀形成 均匀的金属氧化物或硫化物粉末。在沉淀过程中，控制溶液的pH值和浓度等条 件，使不同金属离子同时沉淀，形成成分均匀的混合物粉末。
喷雾干燥法
定义
粉末烧结是一种通过加热使粉末颗粒 间发生粘结，从而将它们转化为致由烧结和压制烧结。
烧结原理与过程
原理
烧结过程中，粉末颗粒通过表面扩散、粘性流动和塑性变形等机制相互粘结， 形成连续的固体结构。
过程
烧结过程通常包括加热、保温和冷却三个阶段，其中保温阶段是粉末颗粒粘结 的主要阶段。
能源领域
粉末冶金多孔材料可用于制造 燃料电池电极、核反应堆控制 棒等能源相关领域。
医疗器械
粉末冶金材料具有生物相容性 和耐腐蚀性，适用于医疗器械 制造，如人工关节、牙科植入
物等。
粉末冶金的发展历程
01
02
03
早期发展
粉末冶金起源于古代金属 加工技术，如青铜器时代 的铜合金制造。
20世纪发展
随着科技的发展，粉末冶 金在20世纪得到了广泛研 究和应用，涉及领域不断 扩大。
05
粉末冶金材料性能
力学性能
高强度和硬度
粉末冶金材料通过细晶强 化等手段，表现出较高的 硬度和强度，能够满足各 种复杂工况的需求。
良好的耐磨性
由于粉末冶金材料的晶粒 细小且均匀，其耐磨性优 于传统铸造和锻造材料。
抗疲劳性能
由于材料的内部结构均匀 ，可以有效抵抗疲劳裂纹 的扩展，提高零件的寿命 。
特点
粉末冶金具有能够制备传统熔炼 方法难以制备的合金、材料纯度 高、材料性能可调范围广、节能 环保等优点。
粉末冶金中孔隙的功能特征
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
多空金属材料的功能
1、机械性能的改变 应用多孔材料能提高强度和刚度等机械性能, 同时降 低密度, 这样应用在航天、航空业就有一定的优势。 2、对机械波及机械振动的传播性能的改变 波传播至两种介质的界面上时, 会发生反射和折射。 3、对光电性能改变 多孔材料具有独特的光学性能, 微孔的多孔硅材料在 激光的照射下可以发出可见光, 将成为制造新型光电子 元件的理想材料。
针对高孔隙率通孔铁基(或镍基) 泡沫耐高温的优点，西安交通 大学和英国剑桥大学、Rolls Royce公司联合开展了将此材料 用于(航空发动机)稀预混合燃烧 室降噪的研究：与传统的燃烧 室相比，稀预混合燃烧室的 C02排放量有很大减少(因而为 各生产厂商所亲睐)，但其噪音 则有显著增加．为保护稀预混 合燃烧室内部结构的安全运作 和减少环境污染，必须采取适 当措施降噪．此外，常用的木 质或化学纤维虽然具有很好的 空气吸声效果，但其在水下时 由于阻抗不匹配以及水压水温 的影响而不具有实用性．
多孔金属介质在解决 阻抗匹配以及水温水 压影响方面则具有不 可多得的优势，同时 还避免了化学纤维的 易污染性．因为轻质 高强的特点，在汽车、 船舶以及航空飞行结 构中的阻尼减震方面， 多孔金属也具有相当 的应用前景．
谢谢！
4、选择渗透性 利用这种性能可以制成分子筛, 比如高效气体分离膜、可 重复使用的特殊过滤装置等。 5、选择吸附性 由于每种气体或液体分子的直径不同, 其运动的自由程不 同, 所以不同孔径的多孔材料对不同气体或液体的吸附能力 就不同。可以利用这种性质制作出用于空气或水净化的高 效气体或液体分离膜, 这种分离膜甚至还可重复使用。 6、化学性能的改变 多孔材料由于密度的变小, 一般材料的活性都将增加。基 于具有分子识别功能的多孔材料而产生的人造酶, 能大大提 高催化反应速度。
轴承合金及粉末冶金材料
2．轴承合金的分类及用途 按化学成分的不同，常用的轴承合金可分为锡基、铅基、铝基、铜基和铁基 等数种。使用最多的是锡基与铅基轴承合金，它们又称巴氏合金。巴氏合金的牌 号编号方法为“Z”+基本元素符号+主加元素符号+主加元素含量+辅加元素符号 +辅加元素含量，其中“Z”是“铸造”的意思。例如，ZSnSb11Cu6表示主加元素
图8-14 铁基多孔轴承的显微组织（250 ）
（2）铜基多孔轴承 常用的铜基多孔轴承是由ZCuSn5Pb5Zn5青铜粉末与石墨粉末制成，硬度为 ， 它的成分与ZCuSn5Pb5Zn5锡青铜相近，但其中有质量分数为0.3%～2%的石墨， 组织是 α 固溶体+石墨+铅+孔隙。它有较好的导热性、耐蚀性、抗咬合性，但承压 能力较铁基多孔轴承小，常用于制作纺织机械、精密机械、仪表等。
工程材料及热处理
轴承合金及粉末冶金材料
1.1 轴承合金
1．轴承合金的性能要求 滑动轴承是汽车、拖拉机、机床及其他机器中的重要部件。轴承合金是制造滑动轴承的轴瓦及内 衬的材料。轴承支撑着轴，当轴旋转时，轴瓦和轴发生强烈的摩擦，并承受轴颈传来的周期性载荷。 因此，轴承合金应具有以下性能。 （1）足够的强度和硬度，以承受轴颈较大的单位压力。 （2）足够的塑性和韧性，高的疲劳强度，以承受轴颈的周期性载荷，并抵抗冲击和振动。 （3）良好的磨合能力，使其与轴能较快地紧密配合。 （4）高的耐磨性，与轴的摩擦系数小，并能保留润滑油，减轻磨损。 （5）良好的抗蚀性、导热性，较小的膨胀系数，防止因摩擦升温而发生咬合。 为了满足上述提出的性能要求，轴承合金的组织最好是在软基体上分布着硬质点。这样，当轴在 轴瓦中转动时，软基体（或软质点）被磨损而凹陷，硬质点（或硬基体）耐磨相对凸起。凹陷部分可 保持润滑油，凸起部分可支持轴的压力，并使轴与轴瓦的接触面积减小，从而保证了近乎理想的摩擦 条件和极低的摩擦系数。另外，软基体（或软质点）还能起嵌藏外来硬质点的作用，以免划伤轴颈。
粉末冶金产品及其应用详解
雾化片
轴距齿距定位套
硬质合金刀具
纯钨制品
钨基高密度合金产品
磁性材料
铜基过滤元件
高强度温压零件
钼制品
高密度钨合金制品
粉末冶金制品
注射成形制品
流 体 分 布 元 件
多 孔 电 极
密 封 材 料
吸 音 材 料
铁铝铜 基基基 含含含 油油油 轴轴轴 承承承
粉末冶金铁基结构零件
以铁粉或合金钢粉为主要原料，密度大、强度 高、耐磨，可进行热处理（淬火、渗碳）、化学 处理、水蒸汽处理、渗锌、渗铜、电镀等工艺处 理。有较好的工艺性能。可取代一般的铸铁、中 碳钢和部分合金钢。典型的粉末冶金结构零件有 中强度齿轮、凸轮、垫、推杆体等。
铀
弥
合
散
金化强
、合化
钚 物型
合核复
金元合
核件核
元
元
件
件
减反控屏
反
速 材
射 材
制 材
蔽 材
应料料料料
堆
结
构
材
料
粉末冶金制品
粉末搭扣活塞环
拉丝模具
机械零件
机械零件
汽车零件
齿轮
齿轮
传动链轮 液压零件
碎纸机配件 电动工具
含油轴承
含油轴承
纺 织 机 配 件
锁具零件 弹簧垫圈
增压器成品备件
强
强
化
化
化
型
型
型
高
高
高
温
温
温
转
转
转
子
子
子
材
材
材
料
料
料
电工材料
电接触材料电热材料电真空材料 Nhomakorabea电
多孔材料
气体吸附法
在恒温下，将作为吸附质 的气体分压从0.01-1atm逐 步升高，测出多孔试样对 其相应的吸附量，由吸附 量对分压作图，可得到多 孔体的吸附等温线；反之， 测定相应的脱附量，由脱 附量对分压作图，则可得 到对应的脱附等温线 。试 样的孔隙体积由气体吸附 质在沸点温度下的吸附量 计算。 根据开尔文方程，孔隙半 径可表示为：
在航天、建筑业、铁道业、造船业等领域的应 用也都是利用多孔金属的以上种种优点； 除了上述工程应用外，多孔金属材料还有另外 一些用途，如以金、银为基体的泡沫金属具有 美丽的外观，可考虑作为潜在的新型轻质珠宝 饰物；泡沫铝用来制造奇特的家具、时钟和灯 具等。
多孔金属的制备
从20世纪初人类开始用粉末冶金方法制备多孔 金属材料算起，多孔金属的制造史已近百年。 所得产品的孔率从原来的百分之十几、二十几 到现在的可达98%以上的高孔率。 目前，已有很多制备多孔金属的工艺方法，其 中有的类似于液态发泡技术，有的是利用金属 特性（如烧结活性或电沉积等）的特殊制备方 法。
多孔金属材料
相对于致密金属材料，多孔金属具有许多优良特性， 如密度小、比表面积大、能量吸收性好、热导率低、 换热散热能力高、吸声性和好、隔音性佳、透过性优、 电磁波吸收性好、阻火、抗热震等。 常用多孔金属材料的材质有青铜、镍、钛、铝、不锈 钢，以及其他金属和合金。在所有多孔金属中受到特 别重视的是泡沫铝。 在许多应用中，都需要液体或气体等介质能够通过多 孔材料。尤其是在高速流体流过的情况下，更应有一 个极高的开孔率。而承受载荷的结构材料则大多要求 是闭孔材料。
ρ∗ θ = (1 − ρ r ) × 100% = (1 − ) × 100% ρs
孔率的测定
1 显微分析法：由显微镜观测出截面的总面积 S0 ，和SP， 再通过如下公式计算出其中包含的孔隙面积多孔体的孔率：
多孔金属材料的制备方法及应用研究论文(通用)
多孔金属材料的制备方法及应用研究论文（通用）1、多孔金属材料的制备方法1.1铸造法铸造法分为熔融金属发泡法、渗流铸造法和熔模铸造法等.1.1.1熔融金属发泡法熔融金属发泡法包括气体发泡法和固体发泡法.此方法的关键措施是选择合适的增粘剂，控制金属粘度和搅拌速度，以优化气泡均匀性和样品孔结构控制的程度.此法主要用于制备泡沫铝、泡沫镁、泡沫锌等低熔点泡沫金属.对于熔融金属发泡法，当前研究较多的是泡沫铝.李言祥对泡沫铝的制备工艺、泡沫结构特点及气孔率方面进行了深入的实验研究;于利民等人根据采用此法生产泡沫铝在国内外泡沫金属的发展形势，总结并探讨了其制备工艺及优缺点.1)气体发泡法气体发泡法指的是向金属熔体的底部直接吹入气体的方法.为增加金属熔体的粘度，需要加入高熔点的固体小颗粒作为增粘剂，如Al2O3和SiC等.吹入的气体可选择空气或者像CO2等惰性气体.虽然设备简单、成本低，但孔隙尺寸和均匀程度难以控制.徐方明等用这种方法制备出了孔隙率为90!以上的闭孔泡沫铝;覃秀凤等介绍了该方法原理，并研究了增粘剂、发泡气体流量和搅拌速度等工艺参数对实验结果的影响.2)固体发泡法固体发泡法即向熔融金属中加入金属氢化物的方法. 发泡剂之所以为金属氢化物，是因为它会受热分解，生成的气体逐渐膨胀致使金属液发泡，然后在冷却的过程中形成多孔金属. 增粘剂主要选择Ca粉来调节熔体粘度，发泡剂一般为TiH2 . 采用同样的方法原理，可以通过向铁液中加入钨粉末和发泡剂的方式生成泡沫铁，但很少有相关的文献报道.Miyoshi T 等人采用这种方法制备出了泡沫铝.1.1.2渗流铸造法和熔模铸造法两种方法的相似之处在于都是将液态金属注入装有填料的模型中，构成多孔金属的复合体，然后通过热处理等的方式将杂质除去，经过冷却凝固得到终产物多孔金属;区别在于前者模型中填充的是固体可溶性颗粒(如NaCl、MgSO4等)或低密度中空球，后者铸模由无机或有机塑料泡沫(如聚氨酯)和良好的耐火材料构成.Covaciu M等用渗流铸造法制备了开孔型和闭孔型的多孔金属材料，John Banhart用熔模铸造法制备了多孔金属，详细研究了产品结构、性能及应用. 用渗流铸造法制备的多孔金属，其孔隙率小于80!，常用来制备多孔不锈钢及多孔铸铁、镍、铝等合金，虽然用这种方法制备的多孔金属孔隙尺寸得到准确控制，但成本较高. 熔模铸造法制备的多孔金属成本也很高，孔隙率比前者高，但产品强度低.1.2金属烧结法金属烧结法包括粉末烧结法、纤维烧结法、中空球烧结法、金属氧化物还原烧结法、有机化合物分解法等.1.2.1粉末烧结法粉末烧结法指的是金属粉末或合金粉末与添加剂按一定的配比均匀混合，压制成型，形成具有一定致密度的预制体，然后进行真空环境下高温烧结或钢模中加热的方式除去添加剂，最终得到多孔金属材料.此法可用来制备多孔铝、铜、镍、钛、铁、不锈钢等材料.通过粉末烧结法制备的多孔金属材料，其孔隙特性主要取决于采用的方法工艺和粉末的粒度.王录才等采用冷压、热压、挤压三种方式制备预制体，详细研究了铝在不同炉温下加热的发泡行为.根据所选添加剂的不同，粉末烧结法又分为粉末冶金法和浆料发泡法.两者选用的添加剂分别为造孔剂和发泡剂.造孔剂分为很多种，如NH4HCO3、尿素等. 陈巧富等用NH4HCO3作造孔剂，经过低温加热和高温烧结的方式制备出了多孔Ti-HA 生物复合材料，孔径范围100 ～500 μm，抗压强度高达20 MPa，可作为人体骨修复材料. 国外David C. D等用尿素作造孔剂制备出了具有一定孔隙率的泡沫钛; JaroslavCapek等以NH4HCO3为造孔剂，用粉末冶金法制备出了孔隙率为34 !～ 51!的多孔铁，并作出了多孔铁在骨科应用方面的设想.关于发泡剂的选择，TiH2或ZrH2常作发泡剂制备多孔铝、锌，而SrCO3常作为发泡剂制备多孔碳钢. 李虎等用H2O2作发泡剂，用浆料发泡法制备出了多孔钛，经过对其力学性能测试和碱性处理获得了有望成为负重骨修复的理想材料.1.2.2纤维烧结法纤维烧结法指金属纤维经过特殊处理后经过压制、成型、高温烧结的过程形成的多孔金属.运用这种方法制备的多孔金属材料，其强度高于烧结法.1.2.3中空球烧结法中空球烧结法指金属空心球粘结起来进行烧结，从而得到多孔金属材料的方法.常用来制备多孔镍、钛、铜、铁等，制得的金属兼具闭孔和开孔结构.其中金属空心球的制备方法是:用化学沉积或电沉积的方法在球形树脂表面镀一层金属，然后除去球形树脂.特别的是，多孔金属的孔隙尺寸可以通过调整空心球的方式来进行控制.1.2.4金属氧化物还原烧结法该方法旨在氧化气氛中加热金属氧化物获得多孔的、透气的、可还原金属氧化物烧结体，再在还原气氛中且低于金属的熔点温度下进行还原，从而得到开口的多孔金属. 这种方法可用来制备多孔镍、钼、铁、铜、钨等. 因为很难找到制备高孔隙率的多孔铁的方法，Taichi Murakami等用炉渣中的氧化物发泡，并采用氧化还原法制备出了多孔铁基材料.1.2.5有机化合物分解法将金属的草酸盐或醋酸盐等进行成型处理后，再在合适的气氛下加热烧结.如草酸盐分解反应式为Mx(COO)y→xM+YCO2式中:M为金属·金属的草酸盐分解释放CO2，在烧结体中形成贯通的孔隙.在制备过程中金属有机化合物可以成型后加热分解，再进行烧结.1.3沉积法此法是指通过采用物理或化学的方法，将金属沉积在易分解的且具有一定孔隙结构的有机物上，然后通过热处理方法或其他方法除去有机物，从而得到多孔金属.沉积法一般分为电沉积法、气相沉积法、反应沉积法等.1.3.1电沉积法该法是以金属的离子态为起点，用电化学的方法将金属沉积在易分解的且有高孔隙率三维网状结构的有机物基体上，然后经过焙烧使有机物材料分解或用其他的工艺将其除去，最终得到多孔金属. 具体操作步骤为:预处理、基体导电化处理、电镀、后续处理. 常用来制备多孔铜、镍、铁、钴、金、银等.国外Badiche X等用这种方法对泡沫镍的制备及性能进行了深入研究; 单伟根等电沉积法制备了泡沫铁，确定了基体的热解方式对泡沫铁的结构性能方面造成不同的影响，并且确定了最佳实验条件. Nina Kostevsek等研究了平板电极上和多孔氧化铝模板上的铁钯合金，并对二者的电化学沉积动力学进行了比较.1.3.2气相沉积法该法是在真空状态下加热液态金属，使其以气态的形式蒸发，金属蒸气会沉积在固态的基底上，待形成一定厚度的金属沉积层后进行冷却，然后采用热处理方法或化学方法去除基底聚合物，从而得到通孔泡沫金属材料.蒸镀金属可以为Al、Zn、Cu、Fe、Ti等.1.3.3反应沉积法反应沉积法，顾名思义指的是金属化合物通过发生反应，然后沉积在基体上的过程.具体操作环节是，首先将泡沫结构体放置在含有金属化合物的装置中，加热使金属化合物分解，分解得到的金属沉积在多孔泡沫基体上，然后进行烧结去除基底，得到多孔金属.通常情况下，金属化合物为羟基金属，在高温条件下发生分解反应，如制备多孔铁、镍等.2、多孔金属材料的性能及应用多孔金属材料可作为结构材料，也可作为功能材料. 同时结构决定性能，对于多孔金属而言，它的结构特点表现为气孔的类型( 开孔或闭孔) 、大小、形状、数量、分布、比表面积等方面. 多孔金属材料在航空航天、化学工程、建筑行业、机械工程、冶金工业等行业得到了广泛的应用，此外，在医学和生物领域也具有广阔的发展潜力. Qin Junhua等对多孔金属材料性能和用途两方面的研究进展做了重要阐述，并提出针对当前的形势，需要拓展多孔金属材料其他方面用途的必要性.2.1结构材料多孔金属材料具有比重小、强度高、导热性好等特点，常用作结构材料.可作汽车的高强度构件，如盖板等;可作建筑上的元件或支撑体，如电梯、高速公路的护栏等;也可作为航天工业上的支撑结构，如机翼金属外壳支撑体、光学系统支架，或用来制作飞行器等.最常用的是多孔铝.魏剑等提到了多孔金属材料可用来制作节能门窗、防火板材等，实现了其在建筑领域的应用价值.利用多孔金属材料的吸能性能，可制作能量吸收方面的材料，如缓冲器、吸震器等.最常见的是多孔铝.比如汽车的冲击区安装上泡沫铝元件，可控制最大能耗的变形;还有将泡沫铝填充入中空钢材中，可以防止部件承受载荷时出现严重的变形.与此同时，多孔铝兼具了吸音、耐热、防火、防潮等优势.2.2功能材料2.2.1过滤与分离材料根据多孔金属的渗透性，由多孔金属材料制作的过滤器可用来进行气-固、液-固、气-液、气-总第209期李欣芳，等:多孔金属材料的制备方法及应用研究13气分离.多孔金属的渗透性主要取决于孔的性质和渗透流体的性质.过滤器的原理是利用多孔金属的孔道对流体介质中粒子的阻碍作用，使得要过滤的粒子在渗透过程中得到过滤，从而达到净化分离的目的.铜、不锈钢、钛等多孔金属常用来制作金属过滤器，多孔金属过滤器被广泛应用于冶金、化工、宇航工业、环保等领域.在冶金工业中，通常用多孔不锈钢对高炉煤气进行除尘;回收流化床尾气中的催化剂粉尘;在锌冶炼中用多孔钛过滤硫酸锌溶液;熔融的金属钠所采用的是镍过滤器，此过程用于湿法冶炼钽粉等.在化工行业中，多孔不锈钢、多孔钛具有耐腐蚀性，常用作过滤器来进行过滤.比如一些无机酸或有机酸，如硝酸、亚硝酸、硼酸、96!硫酸、醋酸、草酸;碱、氢氧化钠;熔融盐;酸性气体，如硫化氢、气态氟化氢;一些有机物，如乙炔;此外，还有蒸汽、海水等.在宇航工业中，航空器的净化装置采用的是多孔不锈钢，制导舵螺中液压油和自动料管路中气体的净化也是采用这种材料，此外还可用于碳氢化合工艺中催化剂的回收.在环保领域里，主要是利用过滤器来净化烟气、废气及污水处理等方面.其中要实现气-气分离，需要对多孔材料的尺寸有更精准的要求，涉及到纳米多孔金属材料的制备工艺及其具有的性能等问题.奚正平等对洁净煤、高温气体净化、汽车尾气净化等技术作了具体的阐述，使用这些技术有利于缓解当前的环保问题.此外，医学上常用多孔钛可过滤氯霉素水解物，也可作为医疗器械中人工心肺机的发泡板等.2.2.2消音减震材料利用多孔金属材料的高孔隙率性能，可制作吸声材料.在吸声的作用上，通孔材料明显优于闭孔材料.通过改善声波的传播途径来达到消音的目的，这与多孔金属材料的材质和孔洞的结构密切相关.因为多孔钛还具有良好的耐高温、高速气流冲刷和抗腐蚀性能，所以被应用到燃气轮机排气系统等一些特殊的工作条件中，这种排气消声装置轻质、高效率、使用寿命长.段翠云等介绍了吸声材料的分类及应用，探讨了空气流阻和孔隙结构对吸声特性的影响. 王月等制备了孔径为2 ～ 7 mm，孔隙率为80!～90!，平均吸声系数为0. 4 ～ 0. 52 的泡沫铝，结果表明孔径越小，孔隙率、厚度越大，吸声性能越好. Ashby MF等在书中提到了利用泡沫金属的吸声性能可以生产消声器产品.利用多孔金属材料的抗冲击性，可用来制作减震材料.多孔金属的应力-应变(σ-ε)曲线可以分为三个阶段，即弹性变形阶段、脆性破碎阶段和紧实阶段，进而可以划分为三个区域.从曲线走势来分析，当多孔金属材料在受到冲击力时，应变滞后于应力，所以其在受到外界应力时首先变形的是它的骨架部分，随着外界应力的增大，骨架易发生破碎，当骨架受到挤压时，应变不再发生很大的变化.其中破碎阶段的起点为多孔材料的屈服强度.当受到外加载荷时，孔的变形和坍塌会消耗大量能量，从而使得在较低的应力水平上有效地吸收冲击能.中间部分区域表现出它的能量吸收能力，左边部分区域面积表现出它的抗冲击能力，面积越大，它所属的性能越好.2.2.3电极材料由于多孔金属材料具有高孔隙率、比表面积大等优点，因此常用来制作电极材料，常用的有多孔铅、镍等.刘培生等结合多孔金属电极的类型和特点，阐述了其制备工艺和性能强化的必要性，值得深思.多孔铅可用作铅酸电池中反应物的载体，可以填充更多的活性物质，减轻了电池重量，也可以用作良好的导电网络以降低电池内电阻.轻质高孔隙率的泡沫基板和纤维基板，与传统的烧结镍基板相比有明显的优势，前者有高能量密度、良好的耐过充放电能力、低成本，满足了氢镍、镉镍等二次碱性电池的技术要求.多孔镍在化学反应工程中用作流通性和流经型多孔电极，因为它除具有上述优点外，还可以促进电解质的扩散、迁移以及物质交换等.此外，它还可用作电化学反应器.袁安保等具体分析了镍电极活性物质的结构、性质以及热力学和动力学，而且研究了它的制备工艺及应用，对MH-Ni电池的开发具有重要意义.孔德帅等制备出了纳米多孔结构的镍基复合膜电极，结果表明，此复合膜在20A·g-1的冲放电流密度下，经过1000次充放电循环，电容保持率为94!.近年来，对锌镍电池的研究受到了国内外的热切关注，费锡明等针对锌镍电池制作技术的进展，阐述了当前面临的诸多问题并提出了相应的解决方案，为新型化学电池的进一步研究提供了重要线索.2.2.4催化载体材料泡沫金属韧性强、高传导、耐高温、耐腐蚀等性能，可制作催化载体材料.由于载体本身的比表面积较小，为增大金属载体与催化剂活性组分之间的结合力，需预先在载体上涂上一层氧化物.然后将催化剂浆料均匀涂抹在泡沫金属片的表面，经过压制成型，再将其置于高温环境中，可以使电厂废弃料得到有效妥善处理.2.2.5生物医学材料多孔钛及钛合金在医学上作为修复甚至替代骨组织的材料，需要具有较好的生物相容性，否则会使人体产生不良反应.而且要与需替代组织的力学性能相匹配.一般通过控制孔隙的结构和数量来调整多孔钛的强度和杨氏模量.多孔镁在生物降解和生物吸收上有很好的作用，也可作为植入骨的生物材料.此外，多孔金属材料具有良好的电磁波吸收性能，可以作电磁屏蔽材料;对流体流量控制有较高的精准度;具有独特的视觉效果，利润高，可以用作如珠宝、家具等装饰材料.3、多孔金属材料的研究现状及存在问题1)近些年来对多孔金属的研究多为低熔点、轻金属，其中研究最多的为泡沫铝.人们利用多孔金属的性能，将其运用到了实际生产和生活中，但对它的其他性能还有待研究和探索.多孔金属的研究范围、应用领域还需要进一步扩展，如多孔金属在催化领域、电化学领域或其他领域的应用等.2)在多孔金属材料的制备方法中，都存在孔隙在金属基体上的数量和分布等关键问题.孔径尺寸、孔隙率的可控性和孔隙分布的均匀性等性质，以及多孔金属的作用机制还需要进一步探究和完善.3)多孔金属材料作为冶金和材料科学的交叉领域，需要强化综合多方面的理论知识，而不是就单一方面进行研究.在多孔金属材料课题研究过程中，需要在理论分析的基础上，在实践过程中尽可能降低成本，避免材料的浪费，简化工艺，缩短工序.4)一些多孔金属材料的开发，还停留在实验室阶段，距工业中大规模生产和应用还存在着很大距离，需要研究者们共同努力，早日实现需求-设计-制备-性能-应用一体化.对金属多空材料的应用有着重要的作用，金属多孔材料是有着功能和结构双重属性的工程材料，尤其是在近些年的'发展过程中使其得到了较为广泛的应用。