多孔的合金设计手册

1：介绍和定义：

此篇提供一般关于由合金粉末制造的多孔性烧结合金的信息，描述制造的方法和包括关于设计数据和应用的信息。

多孔性合金材料已经精密的处里，互相连接的多孔性是由合金粉末颗粒使用粉末冶金技术所制造。

以下的条件是有帮助去了解工业上的定义和相关的标准：

气孔-合金母体或网状物开放的体积。

互相连接的密闭气孔-开放孔是和表面连在一起且允许液体从这边流到那边，相反面，密闭孔不能连接表面和允许液体流动。

开孔率-一个开放体积粗略的量测等于100％减去零件的密度。互相连接的总开放体积和密闭孔一般包括这个数值。当叙述有效的开放体积时孔外形、孔大小、孔大小分布是关键的因素。

粒子保留等级-从流体过滤期间分离

粒子大小的表示。此测试方法和过滤效率比较于过滤器颗粒保留等级必须详细说明。

微米等级-一个比较测试结果说明被相互连接的密集气孔所保留的一个坚硬球形粒子尺寸。一般微米等级是要求当零件上沉入测试液体中最大气孔的泡引起空气的压力来计算。所计算的值通常称为「气泡点」而且高度的依据气孔形状。

渗透性- 在不同的规定压力下，多孔性材料每一规定表面积液体流动的比率。

2、应用和设计的优势

多孔性烧结合金主要的应用是如下：

1、为了从液体和气体提出固体的过滤器。即为了催化剂的保留、燃料油燃烧器、聚合物加工、仪器、压力调整器、低温流体、医学药物发送系统。

2、流体的流动测量和压力控制。

3、液体的储存槽。即自动润滑轴承、芯、冷却装备、热交换组件。

4、燃烧和火花阻拦器为了安全管理易燃气体。即熔接/切割火炬燃烧阻拦器。

5、声音抑制和衰减。即气动的消音器、麦克风衰减器。

6、气体的分散和喷洒。流体床表面、空气轴承、真空电镀、碳酸盐的喷气、脱氧、臭氧注射

7、媒介保留。即为了去湿的可渗透的障碍物，吸收剂和净化器

多孔性P/M零件最重要的设计优势包括：

1.)    性能：

a.高强度、防腐蚀、耐久特性是每一种合金粉末基本的特性。

b.控制多孔性取得指定的过滤特性。

c.控制渗透性满足流动性说明。

d.宽广的设计可能性允许过滤粒子达0.l到200mm

e.流动率从微泄漏到高容量。

f.刚性，防振和易于清洁。

2.)可利用性

a.在市场上可利用的合金粉末

b.在世界上由有经验的PM制造厂提供。

c.生产各种形状和尺寸

3.)成本

a.许多生产技术建立的很好。

b.零件经常适合自动化组合

c.接近的尺寸控制惯常地被取得

d.所有PM零件的净外形设计特征消除较大机器加工需要和较少的废料损失

4.)多孔性合金材料种类宽阔：

主要的多孔性材料包括如下：

a.不绣钢316 SS

b.青铜(铜-10%锡)

c.镍 200

d.以镍为主的合金((Monel ™, Inconel-™, Haynes-™) ™

e.钛、铜、铝、和贵金属

5.毛孔尺寸、密度、渗透性的工业标准

a. ISO 4003的平均和最大毛孔尺寸

b. ASTM E128-61的泡点毛孔尺寸

c. ISO 2738的干、湿密度测试法

d. ISO 4022的渗透性

3：制造的方法：依据零件的尺寸，结构和合适的多孔材料，大部份多孔的烧结合金产品是制造如下的过程：

1、轴紧密和烧结：

合金粉末在一个有足够的压力的模块内被压缩。粉末颗粒紧黏在它的接触点对于成形的零件带着足够的强度从模块中被操作引出。未烧结的生胚零件强度依据合金粉的特性(合成物、颗粒大小、外形、纯度等)和成形压力。多孔的合金零件不同于标准PM结构零件在他们被低的压力所压和可以紧密的囓合粉末的切割为了达到指定的多孔性需求。成形之后，这生胚零件当时是热的或在已控制下温度低于合金的溶点温度以下的气氛中烧结但还足过将结合颗粒在一起，如此显著地增加零件的强度。

不锈钢、钛、镍、镍合金和可靠的青铜零件大部份的处理都是用方法。优点包括高产量，良好的渗透性控制和优良的尺寸再现性。

零件尺寸和外形限定这些典型的PM制造的过程，详述于MPIF设计解答手册。

重力烧结：

重力或松散粉末烧结被使用于制造粉末多孔的合金零件，容易扩散-结合(大部份的零件由青铜制造)。在此处理过程中，没有外来的压力被应用于零件的外形。适当的材料，大小的分级，被注入模型的空穴，那是一个完成零件的空的形体。这些合金粉末接着加热在他们的冶金的烧结温度结合点，并且在接触点形成颈结合。考虑到以上的过程，设计者必须考虑零件的重力烧结，想象最后被围住完整的外形或模型的周围具有单一的例外TOP进入孔经过，能被粉末填充的孔穴。想象已烧结之后此已成形的外形能容易的从模型中取出。通常，10张草图在零件的旁边是足够从模型移动，虽然此拇指法则依靠材料等级和充填深度。

零件的公差能自由的被允许如以下的理由：

虽然I.D’s的趋向是可预期的，因为材料在烧结期间经常收缩到核心，此O.D.将依据大小、外形、材料和充填的密度从此部份到那部份些微的呈现变化。因此设计±2%的公差在重力烧结将做为指南。当需要时，更接近的公差将由整形给以持有。

大体上零件的长度将被指定为自由尺寸，首先避免二次加工。3%将是一个好的遵循法则，特殊的数值将随着材料等级和零件外形有所变化。

3、粉末滚动和烧结：

多孔PM薄片是由不锈钢、铜、青铜、镍、镍合金和钛制造。此薄片材料在烧结之前是由粉末直接滚动或重力模型充填和轮压机制造。指定的多孔性由选择适合的粉末颗粒大小获得。

依据材料和密度，PM薄片可得到从0.25 mm (0.010") t到 3 mm (0.12")种种的厚度，而面积的尺寸可上升到1 m2或数个ft2。此薄片能被切断，辗轧和焊接到不同的结构。

4. Isostatic Compaction and Sintering;

Isostatic Compacting is a process by which pressure is applied uniformly to a deformable container holding the metal powder to be compacted. This technique is especially useful in the manufacturing of parts having a large length-to-diameter ratio.

The system generally includes a pressure vessel designed to contain a fluid under high pressure, a deformable container and arbors (or cores) if tubes or special shapes are being made. By appropriate choice of pressurizing fluid and containers, the Isostatic process can be used at elevated temperatures (Hot Isostatic Pressing), although most porous parts are made at room temperature. The “green” part, removed from the Isostatic tooling, is sintered in the normal way. This process may be used with all conventional PM materials.

均压成形和烧结：

5. Metal Spraying;

Metal powders may be the source of a porous metal structure created by spraying molten metal onto a base with porosity control achieved by spraying conditions or by the co-spraying of a second material, which may later be removed.

6. Metal Coating and Sintering;

Metal powders can be mixed with special binders to form slurry that can be applied to porous substrates or used to form net shape components. Special care and equipment is normally required to insure appropriate binder removal and uniform porosity.

7. Metal Injection Molding and Sintering;

Porous materials can be fabricated by MIM processing by mixing metal powders with significant amounts of specially formulated binders to form a viscous material for highpressure injection. Depending on the material characteristics and MIM tool design, unique components with controlled density can be formed. Due to the large amount of shrinkage that occurs during binder removal, special debinding and sintering equipment is required for processing materials by this method. 

4：材料与物性：

1)     不锈钢：

典型地316L (UNS 31603) 合成物: 18%铬, 13% 镍, 2%钼, 1%硅, 0.03% 碳.

不锈钢的多孔性零件被指定具有优良的抗热和防腐蚀优点。从制造工场的立场而言，任何的奥式体等级的不绣钢(300系列)可以被使用。然而，从商业立场而言，只有316L型式才适合颗粒尺寸需要宽广范围用于生产符合多变化规格的PM零件。此外，316L型式粉末具有较高的镍和钼含量比302/303型式有更好的抗腐蚀性。由316L型式所生产的不绣钢的多孔性零件具有相同的抗氧化和当完全退火时升高温度使强度降低的情形。但抗腐蚀性则稍微低于加工的不绣钢。因为大的表面积和相对地小的内部颗粒结合关系。

2.) 青铜- 典型的合成物: 89%铜, 10% 锡, 1% 磷

多孔性PM青铜零件比其它的多孔性烧结金属较低的成本。因为大部份多孔性青铜零件是由球形或圆柱形粉末重力制造，而处理成本较低。不过，多孔性青铜零件的机械特性典型地是比其它多孔性合金需要紧密烧结材料为低。

3)镍和镍合金：

当需要特殊防热和防腐蚀之条件下不绣钢零件是不足的，以镍为基础的合金可以应用。多孔过滤材料等级的粉末经常使用镍，标准的蒙耐合金™ 和Inconel ™ 和一些Hastelloys™，指定这些材料之前，设计者将和卖主商议；一种材料的代替在设计者而言可节省特殊粉末的采购更重要的是节省成本。

a) Monel™或 Hastelloy™ 可能使用于酸性的水，不锈钢裂痕的地方将生锈。

b) Inconel™和the Hastelloys™使用于高温和应用于腐蚀场所。

c)镍找到特殊的应用不仅在蓄电池和燃料电池金属板，而且在高纯度气体过滤应用的微颗粒过滤。

典型地多孔的青铜和 316L的多孔性和渗透性资料如下表：

4.)钛：

多孔的钛提供优良的抗腐蚀和理想地适合应用于过滤在恶劣的环境。钛多孔的材料是可利用于薄片，管筒和合成已控制的多孔性范围从100 Micro到0.5Micro。多孔钛是比其它多孔材料昂贵地因为需要真空和亚气烧结处理。钛材料在烧结期间沿着氧气和氢气的量变脆。所以特殊的烧结炉是需要的避免暴露于空气和水分。商业上纯度最小99.5%。第二等级的钛或更高纯度的一般是使用于特殊场合如医学、化学、航空。

多孔的烧结材料测试：

除了标准的物理尺寸测试，控制密集多孔P/M零件大部份的限定测试是应用导向而非产品导向。

设计者指定的最好测试是性能测试，换言之：仪器设备必须满足产品的需求。流量控制要素是尤其重要，那些功能不仅在PM零件上而且也在组合装备的方法上。

典型的性能测试，是客户和制造厂建立相同的标准(每一个标准始于标准零件测试)。在这些标准，样品零件，预先组合在他们箱子，完全在同一工性能条件下被测试。

流量比率和压降被测量。每一测试点是周期兴地以标准测试零件再检查。当不同的多孔PM零件测试是相似时，因此到目前为止，在工业上没有固定的标准测试。每一测试步骤对供货商和客户之间共同解决是非常重要的。在大部份的情况下，PM零件能制造者能帮助设计固定的设备和制造标准站。一是为他的质量控制和也是为了他客户的进料检验部门。

典型的功能测试如以下所示：最平常使用的测试站，透过多孔零件的流动经一个流量计然后到大气。

当从一个PM零件收集气体很难时(一个长管)，此流量计可能被放在PM零件之前，此流量计读数由压力所改正。