[科普中国]-松装密度

简介

粉末烧结多孔材料是当前发展较快的一种功能材料，它具有渗透性好，孔径大小、透气率、孔隙度可调节，耐腐蚀、耐高温、强度高等优点，因此可以制成过滤器、分离膜、消音器、催化剂载体、热管用毛细芯、电池电极、阻燃防爆等元件，在原子能、石油化工、冶金、机械、医药、航天航空、环保等行业已得到了广泛的应用。

粉末烧结多孔材料一般是由球状或不规则形状的金属或合金粉末经成形与烧结等工序制备。由于制取粉末的方法不同，所得到的粉末的形状也大不相同。常用的粉末的制备方法有：雾化法、电解法、羰基法、还原法等，所制备的粉末形状大致分为球形、近球形、不规则、海绵状等形状。

粉末颗粒的形状对粉末的工艺性能，如松装密度、流动性及压制性等有很大影响。而制造粉末烧结多孔材料的原料粉末的粒度、形状及松装密度等性能最终决定了粉末烧结多孔材料的孔径、渗透性、孔隙度等最为主要的特性。因此，有必要对粉末的形状以及松装密度对烧结多孔材料制备工艺及制品性能的影响进行系统的研究。

粉末的松装密度是指粉末试样自然地充填规定的容器时，单位容积粉末的质量，其单位为：g/cm3。粉末的松装密度除了取决于原料的密度外，很大程度上与粉末颗粒的形状、粒度与粒度分布、粉末颗粒的表面状态等因素相关1。

测量方法粉末松装密度的测量方法有3种：漏斗法；斯柯特容量计法；振动漏斗法。

1.漏斗法。粉末从漏斗孔按一定高度自由落下充满杯子。

2.斯柯特容量计法。是把粉末放入上部组合漏斗的筛网上，自由或靠外力流入布料箱，交替经过布料箱中4块倾斜角为25°的玻璃板和方形漏斗，最后从漏斗孔按一定高度自由落下充满杯子。

3.振动漏斗法。是将粉末装入带有振动装置的漏斗中，在一定条件下进行振动，粉末借助于振动，从漏斗孔按一定高度自由落下充满杯子。对于在特定条件下能自由流动的粉末，采用漏斗法；对于非自由流动的粉末，采用后两种方法2。

影响因素影响粉末松装密度的因素很多，如粉末颗粒形状、尺寸、表面粗糙度及粒度分布等。通常这些因素因粉末的制取方法及其工艺条件的不同而有明显差别。一般地说，粉末松装密度随颗粒尺寸的减小、颗粒非球状系数的增大以及表面粗糙度的增加而减小。粉末粒度组成对其松装密度的影响不是单值的，常由颗粒填充空隙和架桥两种作用来决定。若以后者为主，则使粉末松装密度降低；若以前者为主，则使粉末松装密度提高。为获得所需要的粉末松装密度值，除考虑以上的因素外，合理地分级合批也是可行的办法。

粉末形状对松装密度的影响粉末的松装密度除了取决于原料的密度外，很大程度上与粉末颗粒的形状、粒度与粒度分布、粉末颗粒的表面状态等因素相关。形状不规则的粉末比形状规则的粉末松装密度小；粉末的形状越不规则，松装密度越低。原因之一是：因为粉末越不规则，其比表面越大，颗粒间的摩擦力越大，因而松装密度较低; 同样，粉末颗粒越小其比表面越大，所以较细的粉末松状密度就越低3。

松装密度对成形压力的影响不锈钢粉末烧结多孔材料的孔隙度一般控制在30% ～ 50%之间，为了保证其具有较高的孔隙度及透过性，采用较低的成形压力；这种压力主要用来维持制品的形状和使制品能够在烧结前转移工装所需的最低强度。

不锈钢粉末的松装密度

高松装密度的水雾化球形不锈钢粉末由于其比表面小（与不规则粉末相同粒度时），压制成形时接触面就小；要使这样的粉末很好地“咬合”就要施加相对更高的压力，并且需加入成形剂。试验结果表明，当不锈钢粉末的松装密度> 3g/cm3 时，单靠提高成形压力也很难得到高质量的压坯，必须通过添加成形剂来改善粉末的成形性。

松装密度对烧结温度的影响当选用粒度为0.45～0.60mm、0.60～0.90mm 两种粉末制成的压坯进行烧结时，随着粉末的松装密度增高，多孔材料的烧结温度也明显增高。相同粒度及松装密度高的粉末，球形粉末的烧结温度比松装密度低的不规则粉末高60～70℃。

粉末冶金多孔材料烧结过程的实质是固体粉末颗粒在高温时粘着成聚结体的过程。粉末的松装密度越大，粉末的表面就越光滑，粉末成形后粉末间的接触面积就越少; 烧结时烧结颈形成所需的温度就越高。相反，粉末松装密度越低，粉末的表面活性就越高，也就越利于烧结颈的形成，所以烧结温度相对于同粒度的高松装密度的粉末就低很多3。

松装密度对多孔材料透气性的影响原始粉末的形状对过滤元件制品的透气性有极其重要的影响。在其它条件相同的情况下，粉末松装密度越大，形状越规则，所制备的多孔材料透气性能越好; 而粒状的或等轴性好的粉末次之，不规则粉末所制备的多孔材料的透气性越差。当孔隙度相同、颗粒尺寸一样时，粉末形状愈不规则透过性能愈差。

通过粒度范围是0.45～0.60mm，不同形状的粉末，在相同工艺制度下制备的过滤元件的透气性能比较。在相同流量下，由球形粉末制备的过滤元件对空气的压降要低。即由球形粉末制备的过滤元件比由不规则粉制备的过滤元件对空气的透过性要好。

引用了压力损失系数的概念来描述不同形状粉末制备的多孔材料透气性能之差别，认为: 流体经多孔材料孔道时必然产生压力损失，而压力损失系数与孔道的几何弯曲系数及孔表面宏观粗糙度有关。作者通过计算这些系数得出，由球形颗粒制成的多孔元件压力损失系数为2.37，而由任意形状颗粒制成的多孔元件的压力损失系数在3.12～7.80之间变化。粉末松装密度越大，粉末形状就越规则，制备的多孔材料的孔道表面就越光滑，因而介质流经多孔材料表面时压力损失越小，透过性能就越好。由松装密度为4.19g/cm3球形不锈钢粉末及松装密度为2. 67g/cm3 不规则不锈钢粉末所制备的多孔材料的微孔孔道的微观形貌。球形不锈钢粉末所制备的烧结多孔材料的微孔孔道表面明显比由不规则粉末所制备的烧结多孔材料的孔道光滑1。

松装密度对多孔材料强度的影响不锈钢制品的拉伸强度随粉末原料松装密度增大而降低。这是因为：粉末松装密度越高，形状就越规则，所制备的多孔材料粉末颗粒间的接触面积就减小，烧结中所形成的烧结颈的面积也就减小，制品强度性能必然降低。

总结1.粉末的松装密度与粉末颗粒的形状、粒度与粒度分布、粉末颗粒的表面状态等因素相关。粒度范围为0.18 ～ 0.90mm 时，形状不规则的不锈钢粉末松装密度最低，为1.50g /cm3；而球形不锈钢粉末松装密度高达4.19g /cm3。

2.不锈钢粉末烧结多孔材料的成形压力随原料粉末的松装密度增大而加大，成形压力在150～300MPa 间变化。

3.相同粒度的粉末烧结多孔材料需要的烧结温度随原料粉末的松装密度增大而升高。粒度范围为0.18 ～ 0.90mm 时，制备同一不锈钢多孔制品，采用松装密度大的球形粉末所需的烧结温度比采用松装密度小的不规则粉末要高60～70℃。

4.对于不锈钢多孔材料的透气性，采用松装密度大的球形粉末原料比用松装密度小的不规则形状粉末的透气性高。粒度为0.45～0.60mm 时，选用松装密度为4.13g/cm3 粉末所制备的多孔制品的透气性为3.16 × 10-10m2，而选用松装密度为2. 67g/cm3 的粉末所制取的多孔制品的透气性仅为8.8×10 -11m2。

5.不锈钢多孔材料的强度受原料粉末的松装密度影响明显。粒度相同、制备工艺相同时，采用较低松装密度粉末的制品能够得到较高的强度2。