粉末冶金材料特性的應(yīng)用案例

1、典型粉末冶金多孔材料制備技術(shù)和特性典型粉末冶金多孔材料制備技術(shù)和特性 （五）新型金屬多孔材料制備技術(shù)和應(yīng)用（五）新型金屬多孔材料制備技術(shù)和應(yīng)用 粉末冶金具有獨(dú)特的化學(xué)組成和機(jī)械、物理性能，而這些性能是用傳統(tǒng)的熔鑄方法無法獲得的。運(yùn)用粉末冶金技術(shù)可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油軸承、齒輪、凸輪、導(dǎo)桿、刀具等，是一種少無切削工藝。 1、粉末冶金技術(shù)可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的鑄造組織。在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲(chǔ)氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導(dǎo)材料、新型金屬材料（如Al-Li合金、耐熱Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高

2、溫結(jié)構(gòu)材料等）具有重要的作用。 2、可以制備非晶、微晶、準(zhǔn)晶、納米晶和超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優(yōu)異的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。3、可以容易地實(shí)現(xiàn)多種類型的復(fù)合，充分發(fā)揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷復(fù)合材料的工藝技術(shù)。4、可以生產(chǎn)普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分離膜材料、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。5、可以實(shí)現(xiàn)近凈形成形和自動(dòng)化批量生產(chǎn)，從而，可以有效地降低生產(chǎn)的資源和能源消耗。6、可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進(jìn)行材料再生和綜合利用的新技術(shù)

3、。 1、應(yīng)用：、應(yīng)用： 汽車、摩托車、紡織機(jī)械、工業(yè)縫紉機(jī)、電動(dòng)工具、五金工具、電器、工程機(jī)械、各種粉末冶金（鐵銅基）零件。2、分類：、分類： 粉末冶金多孔材料、粉末冶金減磨材料、粉末冶金摩擦材料、粉末冶金結(jié)構(gòu)零件、粉末冶金工模具材料、和粉末冶金電磁材料和粉末冶金高溫合金等。 粉末冶金多孔材料:又稱多孔燒結(jié)材料。用粉末冶金的方法制造的、由球狀或不規(guī)則形狀的金屬或合金粉末經(jīng)成型、燒結(jié)制成。材料內(nèi)部孔道縱橫交錯(cuò)、互相貫通，一般有30%60%的體積孔隙度 ，孔徑1100微米。透過性能和導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好，耐高溫 、低溫，抗熱震，抗介質(zhì)腐蝕。用于制造過濾器、多孔電極 、滅火裝置、防凍裝置等。常用的金屬或

4、合金有青銅、不銹鋼、鐵、鎳、鈦、鎢、鉬以及難熔金屬化合物等。做成的制品有坩堝狀、碟狀、管狀、板狀、薄膜等。 1、孔徑和孔隙度均可控制； 2、優(yōu)良的透過性能，且在使用后可以再生，因而使用壽命長(zhǎng)； 3、導(dǎo)熱、導(dǎo)電； 4、耐高溫、耐低溫、抗熱震； 5、抗介質(zhì)腐蝕； 6、比表面積大； 7、可焊接和加工等。因此它的綜合性能較傳統(tǒng)的紙質(zhì)、棉和化纖織品、陶瓷、玻璃、金屬絲網(wǎng)等過濾材料為好。 在現(xiàn)代技術(shù)中，多孔材料愈益發(fā)揮其重要作用，有兩方面的主要用途。 1、作過濾器用：利用其多孔的過濾分離作用凈化液體和氣體。例如用來凈化飛機(jī)和汽車上的燃料油和空氣；化學(xué)工業(yè)上各種液體和氣體的過濾；原子能工業(yè)上排出氣體中放射性

5、微粒的過濾等。 2、利用其孔隙的作用，制造多孔電極、滅火裝置、防凍裝置、耐高溫噴嘴等。多孔電極主要在電化學(xué)方面應(yīng)用。滅火裝置是利用其抗流作用而防止爆炸，如氣焊用的火焰防爆器等。防凍裝置是利用其多孔可通入預(yù)熱空氣或特殊液體，用來防止機(jī)翼和尾翼結(jié)冰。耐高溫噴嘴則是利用表面發(fā)汗而使熱表面冷卻的原理，被稱為發(fā)汗材料。 金屬多孔材料由于其結(jié)構(gòu)特性,可用于流體凈化、氣體除塵、氣體流態(tài)化、粉料流態(tài)化輸送、發(fā)汗冷卻、強(qiáng)化傳熱、消音降噪、阻燃防爆等不同用途。其中, 尺寸大型化、結(jié)構(gòu)異型化、多功能一體化、以及高精度、大通量金屬多孔材料的制備及產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)的研究正成為國內(nèi)外多孔材料學(xué)界前沿性熱點(diǎn)問題。典型粉末冶金多

6、孔材料制備技術(shù)和特性 燒結(jié)金屬粉末多孔材料是采用金屬或合金粉末為原料, 通過壓制成型和高溫?zé)Y(jié)而成、具有剛性結(jié)構(gòu)的多孔材料。其孔隙結(jié)構(gòu)由規(guī)則和不規(guī)則的粉末顆粒堆垛而成, 孔隙的大小和分布以及孔隙率大小取決于粉末粒度組成和加工工藝。圖1 給出燒結(jié)金屬粉末多孔材料典型的微觀結(jié)構(gòu), 它具有均質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。燒結(jié)金屬粉末多孔材料微觀結(jié)構(gòu)(a) 和元件(b)Microstructure of sintered metal powder porous materials (a) and elements (b)燒結(jié)金屬粉末多孔材料性能指標(biāo) Performance of sintered metal powde

7、r porous materials型號(hào)平均孔徑/m相對(duì)滲透性/(Lmin-1cm-2Pa-1)孔隙率/%強(qiáng)度/MpaSFM0055510-53080SFM010101.510-43290SFM02020510-432100 根據(jù)成型工藝不同, 燒結(jié)粉末多孔材料有模壓成型、等靜壓成型、軋制成型和擠壓成型等產(chǎn)品 模壓成型工藝適合于各種復(fù)雜形狀多孔材料產(chǎn)品的制作, 等靜壓成型工藝用于大尺寸無縫管件的制作, 軋制成型和擠壓成型工藝適合于大批量產(chǎn)品的制作, 可以制備出12 mm 厚的薄壁件。 燒結(jié)金屬粉末多孔材料具有最廣泛的應(yīng)用市場(chǎng), 包括用于氣體除塵、液體凈化, 氣流穩(wěn)定、流態(tài)化、流態(tài)化輸送、氣體限

8、流以及消音降噪、阻燃防爆等, 可廣泛應(yīng)用于航天航空、石油化工、醫(yī)藥、食品、電力、能源等領(lǐng)域。2 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)多孔材料燒結(jié)金屬絲網(wǎng)多孔材料 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)多孔材料是由多層金屬編織網(wǎng)疊合后, 經(jīng)過軋制成型和高溫?zé)Y(jié)而形成的具有剛性結(jié)構(gòu)的多孔材料。這種多孔材料具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu), 由支撐層、保護(hù)層和工作層組成。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)多孔材料具有流通性好、孔隙分布均勻、整體性好, 剛性好,強(qiáng)度高等特點(diǎn), 作為過濾材料, 表現(xiàn)出優(yōu)異的反吹(反沖洗) 再生性能。 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)多孔材料廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金、電力、能源等領(lǐng)域的流體過濾、氣流分布控制、流態(tài)化輸送、阻燃防爆等方面。燒結(jié)金屬絲網(wǎng)多孔材料

9、微觀結(jié)構(gòu)(a) 和元件(b)Microstructure of sintered metal mesh porous materials (a) and elements (b)燒結(jié)金屬絲網(wǎng)多孔材料性能指標(biāo) Performance of sintered metal mesh porous materials型號(hào)平均孔徑/m相對(duì)滲透性/(Lmin-1cm-2Pa-1)孔隙率/%強(qiáng)度/MpaSSW0055210-421100SSW01010810-422100SSW02020210-3241103 、燒結(jié)金屬纖維多孔材料、燒結(jié)金屬纖維多孔材料 燒結(jié)金屬纖維多孔材料是由金屬纖維迭合后,經(jīng)過壓制成型

10、和高溫?zé)Y(jié)而形成的多孔材料。燒結(jié)金屬纖維多孔材料的突出特點(diǎn)是孔隙率高, 可達(dá)到80 % , 具有很好的透氣性。 燒結(jié)纖維多孔材料的精度可達(dá)到510m。 燒結(jié)金屬纖維氈多孔材料廣泛應(yīng)用于化工、電力、冶金、能源等領(lǐng)域的氣體除塵、流體凈化等方面。燒結(jié)金屬纖維多孔材料微觀結(jié)構(gòu)(a) 和元件(b)Microstructure of sintered metal fiber porous materials (a) and elements (b)（五）新型金屬多孔材料制備技術(shù)和應(yīng)用（五）新型金屬多孔材料制備技術(shù)和應(yīng)用 安泰科技股份有限公司以納米粉體為基礎(chǔ), 采用粉末冶金方法, 開發(fā)了金屬膜材料專利制備技

11、術(shù)。金屬膜材料的精度達(dá)到0. 03 m , 過濾效率達(dá)99.999999 %。下圖給出了金屬膜材料的微觀結(jié)構(gòu)和元件。 產(chǎn)品已用于氣體分離、高純氣體凈化、液體凈化、氣溶膠過濾與凈化等。1 、金屬膜材料制備技術(shù)、金屬膜材料制備技術(shù) 金屬膜材料微觀結(jié)構(gòu)(a) 和元件(b) Microstructure of membrane materials (a) and elements (b)2、非對(duì)稱亞微米金屬多孔材料制備技術(shù)非對(duì)稱亞微米金屬多孔材料制備技術(shù) 傳統(tǒng)的燒結(jié)金屬粉末濾材孔徑一般在3m 以上, 無論在過濾精度、還是在大通量方面都很難滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展要求。 安泰開發(fā)了新型高精度、大通量亞微米多孔材

12、料。這種新型的濾材采用梯度結(jié)構(gòu), 即由骨架層、過渡層和工作層組成復(fù)合層結(jié)構(gòu)。其中, 骨架層支撐過渡層起增強(qiáng)作用,工作層是厚度較薄的小孔層, 起過濾作用。這種新型非對(duì)稱亞微米多孔材料具有很高的過濾精度, 同時(shí), 由于高精度的工作層很薄(20m) , 使得材料的流通性能大大提高3 、大型、異型結(jié)構(gòu)粉末冶金多孔材料制備技術(shù)、大型、異型結(jié)構(gòu)粉末冶金多孔材料制備技術(shù) 大型、異型結(jié)構(gòu)粉末冶金多孔材料是多孔材料新的發(fā)展方向。與常規(guī)結(jié)構(gòu)粉末冶金多孔材料相比, 其在壓制成型、燒結(jié)等工藝設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方面提出了更高要求和挑戰(zhàn)。 目前世界上大型、異型結(jié)構(gòu)粉末冶金多孔材料主要通過等靜壓成型工藝進(jìn)行生產(chǎn)制備。其基本特點(diǎn)是:

13、 由于其為各向同性壓制, 壓坯密度比較均勻; 易于實(shí)現(xiàn)大型、較長(zhǎng)壓坯的成型; 可在較大范圍內(nèi)調(diào)整壁厚; 消除了焊接對(duì)多孔材料本身所帶來的影響, 如焊接熱影響區(qū)易出現(xiàn)的缺陷、熱影響區(qū)對(duì)材料腐蝕性的影響等。4 、金屬多孔復(fù)合催化材料的研制、金屬多孔復(fù)合催化材料的研制 多孔復(fù)合催化材料是利用多孔材料良好的孔隙分布、優(yōu)異的傳熱特性和發(fā)達(dá)的比表面, 與高效催化劑復(fù)合制備而成的一種特殊功能材料。它繼承了多孔材料的結(jié)構(gòu)和功能特性, 具有良好的流體透過能力、豐富的比表面以及可控的流體分布特性, 與催化劑的功效結(jié)合起來可以極大地提高工業(yè)過程的反應(yīng)速度、提高生產(chǎn)率、降低能耗和簡(jiǎn)化工藝過程。 其工藝過程如下: 多孔

14、材料表面處理 負(fù)載陶瓷膜(-Al2O3) 負(fù)載催化劑活性組分(Pd 等) 研制的多孔金屬催化蒸餾構(gòu)件可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CDTECH , 應(yīng)用于催化蒸餾工藝。 另外, 金屬多孔催化材料和過濾元件的研制,還可以用于高溫氣體的除塵和凈化, 機(jī)動(dòng)車尾氣排放的后處理等。它在對(duì)顆粒物進(jìn)行捕集的同時(shí),還可以反應(yīng)脫除氣體中NOx , VOC 等有害組分。實(shí)現(xiàn)除塵、脫硝等功能一體化。5 、定向凝固多孔材料制備技術(shù)、定向凝固多孔材料制備技術(shù) 金屬/ 氣體共晶定向凝固技術(shù)(GASAR) 由烏克蘭科學(xué)家Shapovalov 發(fā)明。Gasar 技術(shù)被認(rèn)為是生產(chǎn)多孔金屬材料的革命性工藝, 不僅具有比傳統(tǒng)多孔材料優(yōu)異的性能特點(diǎn)

15、, 比如小的應(yīng)力集中、高的機(jī)械性能、良好的導(dǎo)熱能力等, 而且具有比相同材質(zhì)的致密材料高的綜合機(jī)械性能(密度低, 比強(qiáng)度、比模量高)。 另外, 該項(xiàng)制備工藝還易于通過改變工藝參數(shù), 實(shí)現(xiàn)對(duì)氣孔率、氣孔大小和分布的控制。 用PBR 氣泡孔徑滲透性測(cè)定儀檢測(cè)多孔結(jié)構(gòu)的微孔尺寸。平均微孔直徑在37 m。 由于研究的多孔發(fā)汗結(jié)構(gòu)為非等厚度的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，為分析其滲透均勻性，沿橫截面將發(fā)汗冷卻喉襯切割成上、中、下3 個(gè)部分，分別測(cè)量出每個(gè)部位的滲透性 滲透性主要由孔徑和孔隙率決定，對(duì)比高溫合金和不銹鋼粉末材料，其平均孔徑（6.8m，5.64m）、孔隙率（39%，35%）較為接近，滲透性也相差較小。發(fā)汗冷卻喉

16、襯的滲透性隨孔隙率的增大而增大，孔隙率對(duì)滲透性的影響較大。 多孔滲透結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度隨孔隙率的增大而下降。而不同材料的延伸率隨孔隙率的變化趨勢(shì)各不相同。不銹鋼304 和GH22 的延伸率隨孔隙率的增大而降低，而ZrCu 合金的延伸率則隨孔隙率的增大而升高。高溫合金和不銹鋼的抗拉強(qiáng)度和延伸率均遠(yuǎn)高于銅合金。 通過對(duì)高溫合金、不銹鋼、銅合金3 種材料力學(xué)性能的對(duì)比，高溫合金在孔隙率偏高的情況下仍顯示了較高的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，且高溫合金具有良好的高溫抗氧化和抗腐蝕性能。 從多孔材料與致密材料的對(duì)比情況來看，材料的孔隙率在15%以下，其抗拉強(qiáng)度能達(dá)到相同致密材料的50%以上，但延伸率與致密材料相比相差較多，只能達(dá)到30%左右，主要因?yàn)槎嗫撞牧媳憩F(xiàn)為脆性斷裂，對(duì)材料的延伸率影響很大。 由于銅合金的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)高于不銹鋼和高溫合金材料，當(dāng)作為熱防護(hù)材料時(shí)銅合金仍具有優(yōu)勢(shì)，盡管其強(qiáng)度低于高溫合金和不銹鋼材料，但對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求不是太高的燃燒裝置內(nèi)襯等高熱流強(qiáng)部位，適宜采用銅合金多孔材料； 對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高的熱防護(hù)裝置，也可以采用高溫合金或不銹鋼多孔材料，由于此時(shí)多孔結(jié)構(gòu)主要用于發(fā)汗冷卻或膜冷卻，這種冷卻方式冷卻效率高，調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)也可以滿足高熱流強(qiáng)的熱