多孔的合金設計手冊

1：介紹和定義：

此篇提供一般關于由合金粉末制造的多孔性燒結合金的信息，描述制造的方法和包括關于設計數據和應用的信息。

多孔性合金材料已經精密的處里，互相連接的多孔性是由合金粉末顆粒使用粉末冶金技術所制造。

以下的條件是有幫助去了解工業上的定義和相關的標準：

氣孔-合金母體或網狀物開放的體積。

互相連接的密閉氣孔-開放孔是和表面連在一起且允許液體從這邊流到那邊，相反面，密閉孔不能連接表面和允許液體流動。

開孔率-一個開放體積粗略的量測等于100％減去零件的密度?；ハ噙B接的總開放體積和密閉孔一般包括這個數值。當敘述有效的開放體積時孔外形、孔大小、孔大小分布是關鍵的因素。

粒子保留等級-從流體過濾期間分離

粒子大小的表示。此測試方法和過濾效率比較于過濾器顆粒保留等級必須詳細說明。

微米等級-一個比較測試結果說明被相互連接的密集氣孔所保留的一個堅硬球形粒子尺寸。一般微米等級是要求當零件上沉入測試液體中最大氣孔的泡引起空氣的壓力來計算。所計算的值通常稱為「氣泡點」而且高度的依據氣孔形狀。

滲透性- 在不同的規定壓力下，多孔性材料每一規定表面積液體流動的比率。

2、應用和設計的優勢

多孔性燒結合金主要的應用是如下：

1、為了從液體和氣體提出固體的過濾器。即為了催化劑的保留、燃料油燃燒器、聚合物加工、儀器、壓力調整器、低溫流體、醫學藥物發送系統。

2、流體的流動測量和壓力控制。

3、液體的儲存槽。即自動潤滑軸承、芯、冷卻裝備、熱交換組件。

4、燃燒和火花阻攔器為了安全管理易燃氣體。即熔接/切割火炬燃燒阻攔器。

5、聲音抑制和衰減。即氣動的消音器、麥克風衰減器。

6、氣體的分散和噴灑。流體床表面、空氣軸承、真空電鍍、碳酸鹽的噴氣、脫氧、臭氧注射

7、媒介保留。即為了去濕的可滲透的障礙物，吸收劑和凈化器

多孔性P/M零件最重要的設計優勢包括：

1.)    性能：

a.高強度、防腐蝕、耐久特性是每一種合金粉末基本的特性。

b.控制多孔性取得指定的過濾特性。

c.控制滲透性滿足流動性說明。

d.寬廣的設計可能性允許過濾粒子達0.l到200mm

e.流動率從微泄漏到高容量。

f.剛性，防振和易于清潔。

2.)可利用性

a.在市場上可利用的合金粉末

b.在世界上由有經驗的PM制造廠提供。

c.生產各種形狀和尺寸

3.)成本

a.許多生產技術建立的很好。

b.零件經常適合自動化組合

c.接近的尺寸控制慣常地被取得

d.所有PM零件的凈外形設計特征消除較大機器加工需要和較少的廢料損失

4.)多孔性合金材料種類寬闊：

主要的多孔性材料包括如下：

a.不繡鋼316 SS

b.青銅(銅-10%錫)

c.鎳 200

d.以鎳為主的合金((Monel ?, Inconel-?, Haynes-?) ?

e.鈦、銅、鋁、和貴金屬

5.毛孔尺寸、密度、滲透性的工業標準

a. ISO 4003的平均和最大毛孔尺寸

b. ASTM E128-61的泡點毛孔尺寸

c. ISO 2738的干、濕密度測試法

d. ISO 4022的滲透性

3：制造的方法：依據零件的尺寸，結構和合適的多孔材料，大部份多孔的燒結合金產品是制造如下的過程：

1、軸緊密和燒結：

合金粉末在一個有足夠的壓力的模塊內被壓縮。粉末顆粒緊黏在它的接觸點對于成形的零件帶著足夠的強度從模塊中被操作引出。未燒結的生胚零件強度依據合金粉的特性(合成物、顆粒大小、外形、純度等)和成形壓力。多孔的合金零件不同于標準PM結構零件在他們被低的壓力所壓和可以緊密的囓合粉末的切割為了達到指定的多孔性需求。成形之后，這生胚零件當時是熱的或在已控制下溫度低于合金的溶點溫度以下的氣氛中燒結但還足過將結合顆粒在一起，如此顯著地增加零件的強度。

不銹鋼、鈦、鎳、鎳合金和可靠的青銅零件大部份的處理都是用方法。優點包括高產量，良好的滲透性控制和優良的尺寸再現性。

零件尺寸和外形限定這些典型的PM制造的過程，詳述于MPIF設計解答手冊。

重力燒結：

重力或松散粉末燒結被使用于制造粉末多孔的合金零件，容易擴散-結合(大部份的零件由青銅制造)。在此處理過程中，沒有外來的壓力被應用于零件的外形。適當的材料，大小的分級，被注入模型的空穴，那是一個完成零件的空的形體。這些合金粉末接著加熱在他們的冶金的燒結溫度結合點，并且在接觸點形成頸結合?？紤]到以上的過程，設計者必須考慮零件的重力燒結，想象最后被圍住完整的外形或模型的周圍具有單一的例外TOP進入孔經過，能被粉末填充的孔穴。想象已燒結之后此已成形的外形能容易的從模型中取出。通常，10張草圖在零件的旁邊是足夠從模型移動，雖然此拇指法則依靠材料等級和充填深度。

零件的公差能自由的被允許如以下的理由：

雖然I.D’s的趨向是可預期的，因為材料在燒結期間經常收縮到核心，此O.D.將依據大小、外形、材料和充填的密度從此部份到那部份些微的呈現變化。因此設計±2%的公差在重力燒結將做為指南。當需要時，更接近的公差將由整形給以持有。

大體上零件的長度將被指定為自由尺寸，首先避免二次加工。3%將是一個好的遵循法則，特殊的數值將隨著材料等級和零件外形有所變化。

3、粉末滾動和燒結：

多孔PM薄片是由不銹鋼、銅、青銅、鎳、鎳合金和鈦制造。此薄片材料在燒結之前是由粉末直接滾動或重力模型充填和輪壓機制造。指定的多孔性由選擇適合的粉末顆粒大小獲得。

依據材料和密度，PM薄片可得到從0.25 mm (0.010") t到 3 mm (0.12")種種的厚度，而面積的尺寸可上升到1 m2或數個ft2。此薄片能被切斷，輾軋和焊接到不同的結構。

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.

均壓成形和燒結：

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：材料與物性：

1)     不銹鋼：

典型地316L (UNS 31603) 合成物: 18%鉻, 13% 鎳, 2%鉬, 1%硅, 0.03% 碳.

不銹鋼的多孔性零件被指定具有優良的抗熱和防腐蝕優點。從制造工場的立場而言，任何的奧式體等級的不繡鋼(300系列)可以被使用。然而，從商業立場而言，只有316L型式才適合顆粒尺寸需要寬廣范圍用于生產符合多變化規格的PM零件。此外，316L型式粉末具有較高的鎳和鉬含量比302/303型式有更好的抗腐蝕性。由316L型式所生產的不繡鋼的多孔性零件具有相同的抗氧化和當完全退火時升高溫度使強度降低的情形。但抗腐蝕性則稍微低于加工的不繡鋼。因為大的表面積和相對地小的內部顆粒結合關系。

2.) 青銅- 典型的合成物: 89%銅, 10% 錫, 1% 磷

多孔性PM青銅零件比其它的多孔性燒結金屬較低的成本。因為大部份多孔性青銅零件是由球形或圓柱形粉末重力制造，而處理成本較低。不過，多孔性青銅零件的機械特性典型地是比其它多孔性合金需要緊密燒結材料為低。

3)鎳和鎳合金：

當需要特殊防熱和防腐蝕之條件下不繡鋼零件是不足的，以鎳為基礎的合金可以應用。多孔過濾材料等級的粉末經常使用鎳，標準的蒙耐合金? 和Inconel ? 和一些Hastelloys?，指定這些材料之前，設計者將和賣主商議；一種材料的代替在設計者而言可節省特殊粉末的采購更重要的是節省成本。

a) Monel?或 Hastelloy? 可能使用于酸性的水，不銹鋼裂痕的地方將生銹。

b) Inconel?和the Hastelloys?使用于高溫和應用于腐蝕場所。

c)鎳找到特殊的應用不僅在蓄電池和燃料電池金屬板，而且在高純度氣體過濾應用的微顆粒過濾。

典型地多孔的青銅和 316L的多孔性和滲透性資料如下表：

4.)鈦：

多孔的鈦提供優良的抗腐蝕和理想地適合應用于過濾在惡劣的環境。鈦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圍從100 Micro到0.5Micro。多孔鈦是比其它多孔材料昂貴地因為需要真空和亞氣燒結處理。鈦材料在燒結期間沿著氧氣和氫氣的量變脆。所以特殊的燒結爐是需要的避免暴露于空氣和水分。商業上純度最小99.5%。第二等級的鈦或更高純度的一般是使用于特殊場合如醫學、化學、航空。

多孔的燒結材料測試：

除了標準的物理尺寸測試，控制密集多孔P/M零件大部份的限定測試是應用導向而非產品導向。

設計者指定的最好測試是性能測試，換言之：儀器設備必須滿足產品的需求。流量控制要素是尤其重要，那些功能不僅在PM零件上而且也在組合裝備的方法上。

典型的性能測試，是客戶和制造廠建立相同的標準(每一個標準始于標準零件測試)。在這些標準，樣品零件，預先組合在他們箱子，完全在同一工性能條件下被測試。

流量比率和壓降被測量。每一測試點是周期興地以標準測試零件再檢查。當不同的多孔PM零件測試是相似時，因此到目前為止，在工業上沒有固定的標準測試。每一測試步驟對供貨商和客戶之間共同解決是非常重要的。在大部份的情況下，PM零件能制造者能幫助設計固定的設備和制造標準站。一是為他的質量控制和也是為了他客戶的進料檢驗部門。

典型的功能測試如以下所示：最平常使用的測試站，透過多孔零件的流動經一個流量計然后到大氣。

當從一個PM零件收集氣體很難時(一個長管)，此流量計可能被放在PM零件之前，此流量計讀數由壓力所改正。