松裝密度

粉末燒結多孔材料是當前發展較快的一種功能材料，它具有滲透性好，孔徑大小、透氣率、孔隙度可調節，耐腐蝕、耐高温、強度高等優點，因此可以製成過濾器、分離膜、消音器、催化劑載體、熱管用毛細芯、電池電極、阻燃防爆等元件，在原子能、石油化工、冶金、機械、醫藥、航天航空、環保等行業已得到了廣泛的應用。

粉末燒結多孔材料一般是由球狀或不規則形狀的金屬或合金粉末經成形與燒結等工序製備。由於製取粉末的方法不同，所得到的粉末的形狀也大不相同。常用的粉末的製備方法有：霧化法、電解法、羰基法、還原法等，所製備的粉末形狀大致分為球形、近球形、不規則、海綿狀等形狀。

粉末顆粒的形狀對粉末的工藝性能，如松裝密度、流動性及壓制性等有很大影響。而製造粉末燒結多孔材料的原料粉末的粒度、形狀及松裝密度等性能最終決定了粉末燒結多孔材料的孔徑、滲透性、孔隙度等最為主要的特性。因此，有必要對粉末的形狀以及松裝密度對燒結多孔材料製備工藝及製品性能的影響進行系統的研究。

粉末的松裝密度是指粉末試樣自然地充填規定的容器時，單位容積粉末的質量，其單位為：g/cm³。粉末的松裝密度除了取決於原料的密度外，很大程度上與粉末顆粒的形狀、粒度與粒度分佈、粉末顆粒的表面狀態等因素相關 ^[1]  。

粉末松裝密度的測量方法有3種：漏斗法；斯柯特容量計法；振動漏斗法。

1.漏斗法。粉末從漏斗孔按一定高度自由落下充滿杯子。

2.斯柯特容量計法。是把粉末放入上部組合漏斗的篩網上，自由或靠外力流入布料箱，交替經過布料箱中4塊傾斜角為25°的玻璃板和方形漏斗，最後從漏斗孔按一定高度自由落下充滿杯子。

3.振動漏斗法。是將粉末裝入帶有振動裝置的漏斗中，在一定條件下進行振動，粉末藉助於振動，從漏斗孔按一定高度自由落下充滿杯子。對於在特定條件下能自由流動的粉末，採用漏斗法；對於非自由流動的粉末，採用後兩種方法 ^[2]  。

影響粉末松裝密度的因素很多，如粉末顆粒形狀、尺寸、表面粗糙度及粒度分佈等。通常這些因素因粉末的製取方法及其工藝條件的不同而有明顯差別。一般地説，粉末松裝密度隨顆粒尺寸的減小、顆粒非球狀係數的增大以及表面粗糙度的增加而減小。粉末粒度組成對其松裝密度的影響不是單值的，常由顆粒填充空隙和架橋兩種作用來決定。若以後者為主，則使粉末松裝密度降低；若以前者為主，則使粉末松裝密度提高。為獲得所需要的粉末松裝密度值，除考慮以上的因素外，合理地分級合批也是可行的辦法。

粉末的松裝密度除了取決於原料的密度外，很大程度上與粉末顆粒的形狀、粒度與粒度分佈、粉末顆粒的表面狀態等因素相關。形狀不規則的粉末比形狀規則的粉末松裝密度小；粉末的形狀越不規則，松裝密度越低。原因之一是：因為粉末越不規則，其比表面越大，顆粒間的摩擦力越大，因而松裝密度較低; 同樣，粉末顆粒越小其比表面越大，所以較細的粉末松狀密度就越低 ^[3]  。

不鏽鋼粉末燒結多孔材料的孔隙度一般控制在30% ～ 50%之間，為了保證其具有較高的孔隙度及透過性，採用較低的成形壓力；這種壓力主要用來維持製品的形狀和使製品能夠在燒結前轉移工裝所需的最低強度。

不鏽鋼粉末的松裝密度< 2g /cm³時所用的壓制壓力為150～200 MPa，並且製品成形性良好。這是因為：粉末松裝密度越低，粉末的形狀就越不規則，粉末的表面積就越大，壓制成形時用較低的壓力就可以使粉末顆粒之間很好地“咬合”。

高松裝密度的水霧化球形不鏽鋼粉末由於其比表面小（與不規則粉末相同粒度時），壓制成形時接觸面就小；要使這樣的粉末很好地“咬合”就要施加相對更高的壓力，並且需加入成形劑。試驗結果表明，當不鏽鋼粉末的松裝密度> 3g/cm³ 時，單靠提高成形壓力也很難得到高質量的壓坯，必須通過添加成形劑來改善粉末的成形性。

當選用粒度為0.45～0.60mm、0.60～0.90mm 兩種粉末製成的壓坯進行燒結時，隨着粉末的松裝密度增高，多孔材料的燒結温度也明顯增高。相同粒度及松裝密度高的粉末，球形粉末的燒結温度比松裝密度低的不規則粉末高60～70℃。

粉末冶金多孔材料燒結過程的實質是固體粉末顆粒在高温時粘着成聚結體的過程。粉末的松裝密度越大，粉末的表面就越光滑，粉末成形後粉末間的接觸面積就越少; 燒結時燒結頸形成所需的温度就越高。相反，粉末松裝密度越低，粉末的表面活性就越高，也就越利於燒結頸的形成，所以燒結温度相對於同粒度的高松裝密度的粉末就低很多 ^[3]  。

原始粉末的形狀對過濾元件製品的透氣性有極其重要的影響。在其它條件相同的情況下，粉末松裝密度越大，形狀越規則，所製備的多孔材料透氣性能越好; 而粒狀的或等軸性好的粉末次之，不規則粉末所製備的多孔材料的透氣性越差。當孔隙度相同、顆粒尺寸一樣時，粉末形狀愈不規則透過性能愈差。

通過粒度範圍是0.45～0.60mm，不同形狀的粉末，在相同工藝制度下製備的過濾元件的透氣性能比較。在相同流量下，由球形粉末製備的過濾元件對空氣的壓降要低。即由球形粉末製備的過濾元件比由不規則粉製備的過濾元件對空氣的透過性要好。

引用了壓力損失係數的概念來描述不同形狀粉末製備的多孔材料透氣性能之差別，認為: 流體經多孔材料孔道時必然產生壓力損失，而壓力損失係數與孔道的幾何彎曲係數及孔表面宏觀粗糙度有關。作者通過計算這些係數得出，由球形顆粒製成的多孔元件壓力損失係數為2.37，而由任意形狀顆粒製成的多孔元件的壓力損失係數在3.12～7.80之間變化。粉末松裝密度越大，粉末形狀就越規則，製備的多孔材料的孔道表面就越光滑，因而介質流經多孔材料表面時壓力損失越小，透過性能就越好。由松裝密度為4.19g/cm³球形不鏽鋼粉末及松裝密度為2. 67g/cm³ 不規則不鏽鋼粉末所製備的多孔材料的微孔孔道的微觀形貌。球形不鏽鋼粉末所製備的燒結多孔材料的微孔孔道表面明顯比由不規則粉末所製備的燒結多孔材料的孔道光滑 ^[1]  。

不鏽鋼製品的拉伸強度隨粉末原料松裝密度增大而降低。這是因為：粉末松裝密度越高，形狀就越規則，所製備的多孔材料粉末顆粒間的接觸面積就減小，燒結中所形成的燒結頸的面積也就減小，製品強度性能必然降低。

1.粉末的松裝密度與粉末顆粒的形狀、粒度與粒度分佈、粉末顆粒的表面狀態等因素相關。粒度範圍為0.18 ～ 0.90mm 時，形狀不規則的不鏽鋼粉末松裝密度最低，為1.50g /cm³；而球形不鏽鋼粉末松裝密度高達4.19g /cm³。

2.不鏽鋼粉末燒結多孔材料的成形壓力隨原料粉末的松裝密度增大而加大，成形壓力在150～300MPa 間變化。

3.相同粒度的粉末燒結多孔材料需要的燒結温度隨原料粉末的松裝密度增大而升高。粒度範圍為0.18 ～ 0.90mm 時，製備同一不鏽鋼多孔製品，採用松裝密度大的球形粉末所需的燒結温度比採用松裝密度小的不規則粉末要高60～70℃。

4.對於不鏽鋼多孔材料的透氣性，採用松裝密度大的球形粉末原料比用松裝密度小的不規則形狀粉末的透氣性高。粒度為0.45～0.60mm 時，選用松裝密度為4.13g/cm³ 粉末所製備的多孔製品的透氣性為3.16 × 10^-10m²，而選用松裝密度為2. 67g/cm³ 的粉末所製取的多孔製品的透氣性僅為8.8×10 ^-11m²。

5.不鏽鋼多孔材料的強度受原料粉末的松裝密度影響明顯。粒度相同、製備工藝相同時，採用較低松裝密度粉末的製品能夠得到較高的強度 ^[2]  。