1、第 21 卷 第 2 期2012 年 6 月矿 冶MINING METALLURGYVol. 21， No. 2June 2012文章编号 : 1005-7854( 2012) 02-0106-05粉末冶金材料的密度测定沈波涛1雷 霆2方树铭3姬成岗1张报清1( 1 昆明理工大学 冶金与能源工程学院 ， 昆明 650093; 2 昆明冶金高等专科学校 ， 昆明 650033;3 云南冶金集团股份有限公司技术中心 ， 昆明 650091)摘 要 : 探讨了粉末冶金材料的密度及开气孔率的测定方法 ， 指出在用排水法精确测定密度时 ， 要注意消除系统误差和偶然误差 。试验过程中采用无防水膜的方法 ，
2、 允许水充分浸入多孔材料并测出试样的饱和质量 ， 用以修正排水法精确测定密度的计算公式 。实践证明 ， 这种方法易操作 、精度高 ， 可在粉末冶金材料领域推广应用 。关键词 : 排水法 ; 密度测定 ; 开气孔率中图分类号 : TF122+5 文献标识码 : A doi: 10. 3969/j. issn. 1005-7854. 2012. 02. 025DENSITY DETERMINATION FOR METALLURGICALPOWDER MATERIALSHEN Bo-tao1LEI Ting2FANG Shu-ming3JI Cheng-gang1ZHANG Bao-qing1( 1
3、 Faculty of Metallurgical and Energy Engineering， Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093， China; 2 Kunming Metallurgy College， Kunming 650033， China;3 Technical Center of Yunnan Metallurgical Group Co ， LTD， Kunming 650091， China)ABSTRACT: The method of determining the density a
4、nd open porosity of metallurgical powder material is dis-cussed in this paper It is pointed out that any systematic and accidental errors should be eliminated when the meth-od of water immersion is used to precisely measure the density No waterproof membrane is used in the experiment，thus water can
5、fully penetrate into the porous materials The saturation quality of the test sample is measured to a-mend the density calculation formula using the method of water immersion The method has been proved to be easyto operate and with high accuracy， and its application can be promoted in the field of me
6、tallurgical powder materi-alKEY WORDS: the method of water immersion; measurement of density; open porosity收稿日期 : 2011-10-21基金项目 : 国家科技部国际科技合作项目 ( 2009DFB50410) ; 云南省科技厅国际科技合作重点项目 ( 2009AC012)作者简介 : 沈波涛 ， 有色冶金专业在读硕士研究生 。通讯作者 : 雷霆 ， 教授 ， 博士生导师 ， 研究方向 : 粉末冶金法制备钛及钛合金 。粉末冶金材料一般都是由基体和空隙组成的复合体1-2。几乎每一研究都需
7、要测定密度和孔隙度 ，而且密度和孔隙度的精确测定是控制烧结制品的力学 、化学 、物理和工艺性能的主要方法之一3-5。粉末冶金材料的多孔性又对密度测试的准确性 ( 尤其是外貌不规则物体 ) 有着很大的影响 ， 因此 ， 准确测试多孔材料的密度是非常重要的 。1 实验材料及方法1. 1 材料及仪器所使用的材料有 : TiH2粉末 ， 纯度 99. 4%， 平均粒度为 44 m; 经真空烧结炉 1200 烧结的 Ti锭纯度 99. 6%; 纯净水 。所使用 的 仪 器 有 : Q-4A 金相试样切割机 ;KQ5200B 型超声波清洗器 ; KJYS 系列冷等静压机 ;ZSJ-35/35/70 高温高
8、真空烧结炉 ; DZF-6050 型真空干燥箱 ; JA2003 电子天平 。1. 2 传统测定方法测量密度的方法是以阿基米德原理为依据的 ，根据此原理 : 液体中的流体静压力产生的浮力和浸在液体中的物体的体积相关 ， 浮力的大小等于该物体排开液体的重量 。汞具有不易渗透进多孔材料的特性 ， 这种特性使得将汞作为测试液体来测试多孔材料的密度具有独特的优势 。但是汞是有毒物质 ， 对人体危害极大 ，长期接触会严重影响人的健康 。煤油无毒性 ， 且与多孔材料有较好的润湿性 ， 煤油作为测试液体来测试多孔材料的密度也是一种较好的材料 ， 但是大量使用煤油会污染环境 ， 并且容易弄脏手 、衣服 、工作
9、台及相关设备等 。油浸或者材料表面涂一层凡士林或者包蜡法6-9做一层防水膜使被测试样与浸液完全分开 ， 有效地防止了水渗进多孔材料的微孔中 ， 但是 ， 实践证明防水膜也难以做到完全防渗 ， 防水膜太厚 ， 本身的重量和体积就会给密度测量结果带来很大的误差 ，防水膜太薄 ， 特别是多孔材料形状复杂时更是难以做到涂抹均匀 。1. 3 新方法的探讨在多孔材料密度的测定方面 ， 我国在不同领域设定了多个标准 ， 其中主要是 GB 51632006， 它综合了 1985 年的 GB 51631985、GB 51641985 和GB 51651985 三个标准 。其测量方法为 : 干燥试样空气中质量 w
10、1， 浸油试样在水中质量 w2， 浸油后空气中质量 w3， 查出所用的油和水在温度 t 时的密度分别为 to和 tw， 表 1 为不同温度下的水密度 ， 则可计算出温度 t 时试样的密度 o和开气孔率 p0( 开口气孔体积与试样体积的比值 ) 。o=w1w3 w2tw( 1)p0=w3 w1w3 w2twto 100% ( 2)在实验室中 ， 排水法测密度在粉末冶金材料的检测中得到了广泛的应用 。作者在文献11中发现有一公司开发出了一种密度测量天平 ， 操作时一些参数受计算机软件控制 ， 可自动修正水温 ， 使用快速方便 ， 但是试样质量参数值只有两个 ， 试样重 : 即试样在空气中的干重 m
11、1; 悬浮重 : 即试样在水中的悬浮重 m2; 不测试样在空气中的饱和重 m3， 此密度仪就以这两个质量参数按照下式计算并读出了密度值 。表 1 水在常用温度下的密度10Table 1 The density of water under common temperatures温度 /密度 /( gcm3)温度 /密度 /( gcm3)温度 /密度 /( gcm3)0 0. 99987 16 0. 99897 32 0. 995052 0. 99997 18 0. 99862 34 0. 994404 1. 00000 20 0. 99823 36 0. 993716 0. 99997 22
12、0. 99780 38 0. 992998 0. 99988 24 0. 99732 40 0. 9922410 0. 99973 26 0. 99681 42 0. 9914712 0. 99952 28 0. 99626 44 0. 9906614 0. 99927 30 0. 99567 46 0. 98982误=m1m1 m2tw( 3)公式 ( 3) 比较简便 ， 仅测量两次重量 ， 忽略了开气孔对试样体积的贡献 ， 但是这会带来一定程度的误差 。此文采用无油浸及无防水膜的方法 ， 允许水充分渗进试样并测出所渗水的重量 ， 修正排水法测多孔材料的密度公式 ， 以期更精确地测定多孔材料
13、的密度5， 12， 例如多孔陶瓷砖的标准 GB/T 19661996 和 GB/T 3810. 32006 就是采用的浸水法 ， 采用抽真空法或煮沸法使试样孔隙完全被水占据 。为了方便处理数据 ， 本文假设 V1为被水占部分体积 ，其余部分体积 ( 试样实体部分和封闭孔隙部分 ) 为V2， 试样的总体积 ( 包括材料的实体积部分和全部孔隙所占的体积部分 ) 为 V， 试样的密度为 ， 开气孔率为 p， 由此可得V1=m3 m1tw( 4)V2=m1 m2tw( 5)V = V1+ V2( 6)=m3 m1tw+m1 m2tw=m3 m2tw则试样的密度 =m1V=m1m3 m2tw( 7)试样
14、的开气孔率 p =V1V 100%=m3 m1m3 m2 100% ( 8)701沈波涛等 : 粉末冶金材料的密度测定式 ( 7) 、( 8) 分别就是修正后的密度及开气孔率的计算公式 ， 该公式消除了气孔中所渗入的液体对多孔材料密度测试的影响 ， 减少了试验误差 ， 由此提高了多孔材料密度测试的准确度 。由 ( 4) 式可知 ， 当 V1= 0 时 ， 即多孔材料的孔隙很少 ， 至少是开气孔隙很少甚至为零时 ， 能够渗入多孔材料中的液体量少至为零 ( 即充分浸泡后的多孔材料的重量与浸泡前基本一样 ) 时 ， 则 m3= m1， 将其代入公式 ( 7) 可得 : =m1m1 m2tw( 9)公
15、式 ( 9) 与公式 ( 3) 的表达形式一样 。由此可知公式 ( 3) 是公式 ( 7) 的一种特殊表达形式 ， 即公式( 3) 对于致密材料的密度测定较准确方便 ， 但是用于测定多孔材料密度时就会产生较大误差 ， 开气孔愈多 ， 浸入水愈多 ， 其偏差愈大 。舍弃防水膜的保护 ， 并且用水浸代替油浸 ， 工作较为便利 、卫生 ， 测试结果也较为准确 ， 同时成本也较低 ， 故直接用水浸的排水法测定粉末冶金材料的密度既高效又环保 。2 实验结果及分析2. 1 数据的测量及分析本文测定了一些形状不规则 、质量相差大的等静压 TiH2粉末的压坯和烧结 Ti 锭试样 。试样密度的计算按照有效数字处
16、理规定 ， 超过 10 个数据的统计平均值有效数字可增加一位 ， 故本文计算的试样密度值修约到小数点后第 3 位11， 13。试样质量测定及密度和开气孔率计算结果如下表 2， 表 3。计算结果中的密度 ( 正 ) 、密度 ( 误 ) 分别为公式 ( 7) 、( 3)的计算结果 ，密度差 = 密度 ( 误 ) 密度 ( 正 ) ，相对误差 =密度差密度 ( 正 ) 100%。表 2 等静压 TiH2粉末压坯的密度测定值Table 2 The density of cold isostatic pressing TiH2powder compacts编号 样品重 /g 悬浮重 /g 饱和重 /g密
17、度 ( 正 ) /( gcm3)密度 ( 误 ) /( gcm3)密度差 /( gcm3)相对误差 /%开气孔率 /%1 7. 6541 5. 5633 7. 8381 3. 363 3. 659 0. 296 8. 80 8. 092 8. 3460 6. 1000 8. 5496 3. 406 3. 714 0. 308 9. 04 8. 313 9. 7636 7. 1428 10. 0140 3. 399 3. 724 0. 325 9. 56 8. 784 10. 2921 7. 5161 10. 5440 3. 396 3. 705 0. 309 9. 10 8. 325 11.
18、7990 8. 5962 12. 0911 3. 374 3. 681 0. 307 9. 10 8. 366 8. 5643 6. 2546 8. 7725 3. 400 3. 706 0. 306 9. 00 8. 277 8. 3445 6. 0973 8. 5520 3. 389 3. 701 0. 312 9. 21 8. 438 7. 9354 5. 7761 8. 1306 3. 369 3. 674 0. 305 9. 05 8. 299 9. 8791 7. 2095 10. 1236 3. 388 3. 698 0. 310 9. 15 8. 1410 9. 0758 6.
19、 6053 9. 2968 3. 370 3. 671 0. 301 8. 93 8. 2111 8. 9322 6. 5238 9. 1516 3. 397 3. 706 0. 309 9. 10 8. 35平均值 3. 386 3. 694 0. 308 9. 09 8. 32标准差 0. 014 0. 019 0. 007 0. 181 0. 172表 3 真空烧结 Ti 锭的密度测定值Table 3 The density of vacuum sintered Ti ingots编号 样品重 /g 悬浮重 /g 饱和重 /g密度 ( 正 ) /( gcm3)密度 ( 误 ) /( gc
20、m3)密度差 /( gcm3)相对误差 /%开气孔率 /%1 8. 7131 6. 7625 8. 7167 4. 456 4. 464 0. 008 0. 18 0. 192 3. 2760 2. 5351 3. 2780 4. 407 4. 419 0. 012 0. 27 0. 273 3. 2762 2. 5358 3. 2781 4. 411 4. 423 0. 012 0. 27 0. 274 2. 3637 1. 8294 2. 3654 4. 410 4. 424 0. 014 0. 32 0. 325 2. 3633 1. 8263 2. 3661 4. 375 4. 400
21、 0. 025 0. 57 0. 566 3. 2761 2. 5222 3. 2800 4. 320 4. 343 0. 023 0. 53 0. 537 7. 8673 6. 0935 7. 8719 4. 422 4. 434 0. 012 0. 27 0. 268 6. 7895 5. 2529 6. 7943 4. 403 4. 417 0. 014 0. 32 0. 319 7. 1849 5. 5643 7. 1896 4. 419 4. 432 0. 013 0. 29 0. 2910 8. 2574 6. 3896 8. 2630 4. 405 4. 418 0. 013 0
22、. 30 0. 3011 7. 2776 5. 6426 7. 2810 4. 439 4. 448 0. 009 0. 20 0. 21平均值 4. 406 4. 420 0. 014 0. 32 0. 32标准差 0. 021 0. 029 0. 005 0. 12 0. 11801 矿 冶从表 2 可见 ， 测量等静压零件的密度及开气孔率时 ， 由于等静压压强不是很大 ， 并且所使用的粉末在等静压压制过程中没有添加任何黏结剂 ， 这造成压坯具有一定的空隙并且多为连通孔 ， 为水的顺利浸入创造了有利条件 。由于压坯存在一定量的孔隙度 ， 浸入水后 ， 饱和重 m3大于样品干重 m1， 若不
23、考虑饱和重则会带来测量误差 。本表中开气孔率为8. 32%， 若按照公式 ( 7) 测量三次试样质量 ， 得到的试样密度为 3. 386 g/cm3， 若按照公式 ( 3) 测量两次试样质量 ， 则得到的密度为 3. 694 g/cm3， 比实际计算值高出了 0. 380 g/cm3， 相对偏差为 9. 09%。开孔愈多 ， 浸入水愈多 ， 两公式计算结果偏差愈大 。从表 3 可见 ， 测量真空烧结零件的密度值时 ， 样品重 m1和饱和重 m3数值几乎一样 ， 开气孔率很小 ，几乎为零 ， 公式 ( 7) 和 ( 3) 的计算结果相差 0. 014 g/cm3， 相对误差为 0. 32%， 计
24、算结果显示差别甚微 ，其开气孔率比压坯开气孔率少的多 。这是因为在烧结过程中 ， 由于毛细管力的作用使烧结压坯急剧收缩 ， 这时 ， 在颗粒表面上的凹凸处形成的空隙首先被消除掉 ， 接着是颗粒间空隙的消失 ; 此外 ， 由于烧结体在高温高真空条件下使在压制时压坯中残留的气体与压坯外的气压差变大 ， 致使一部分残留气体溢出压坯 ， 溢出气体的空穴被液体金属填充 ， 则空隙被消除 ， 烧结体体积变小 。如此 ， 空隙的体积缩小 ， 同时烧结体密度增加 ， 趋于致密化 ， 故对于密度 ( 正 )和密度 ( 误 ) 的计算值差别细微 。2. 2 关于测量材料质量的影响及修正对于试样在空气中的干重 m1
25、而言 ， 由于周围环境的影响造成试样含有一定的水分 ， 或者表面粘附一些污染物 ， 这都将影响 m1的测定 。鉴于此 ， 将打磨好的试样先用超声波清洗器清洗 ， 之后放入电热烘箱中于 105 110 下烘干 2 h 或在允许的更高温度下烘干至恒重 ， 并于干燥器中自然冷却至室温 ， 称量试样的质量 m1， 精确至 0. 0001g。试样干燥至最后两次称量之差不大于其前一次的 0. 1%， 即为恒重 。对于试样悬浮重 m2而言 ， 悬丝一般用细的尼龙丝或者金属丝等悬挂被测试样 ， 悬丝的重量及在水中的体积将对试样悬浮重 m2的精确测定产生严重影响 。鉴于此 ， 用尺子量取一定长度的悬丝放在液面下
26、面 ， 并在液面处用笔做一标志 ， 用以确定每次测量时保证液面下的悬丝长度一定 。把龙门架 、悬丝 、吊蓝 、烧杯架和盛有一定体积水的烧杯放在电子天平上 ， 摆放方式如图 1 所示 。打开电子天平待系统稳定后清零 ， 则悬丝对于试样悬浮重 m2的精确测定的影响即可消除 ， 而对于悬丝或者试样表面的附着气泡 ， 则可以用抖动悬丝的方法除去 ， 或者拿一细玻璃棒轻轻搅动液体除去气泡 。图 1 液体静力天平Fig. 1 Hydrostatic pressure balance对于试样在空气中的饱和重 m3而言 ， 饱和试样的开气孔都浸满了液体 ， 从液体中取出进行质量测定时无论表面的毛细孔中液体被吸
27、出还是表面积存了一部分液体 ， 这都将影响质量的精确测定 。鉴于此 ， 用饱和了浸液的湿毛巾小心地擦去饱和试样表面多余的液滴 ( 但同时不能把气孔中的液体吸出 ) 。迅速称量饱和试样在空气中的质量 m3， 精确至0. 0001g。对于上述有关材料重量的测试时 ， 为了减少实验误差 ， 每一种重量都要测定 3 5 次 ， 详细记录每次称量结果 ， 并计算其平均值 。2. 3 关于水温的影响及修正当样品重量小于 200 g 或需要精确测量时 ， 应当考虑水温的影响 ， 用水银温度计或酒精玻璃管温度计测量水温 。水的密度值可查表 1 代入 ， 但是对于水的温度在两个温度之间的情况 ， 除了查表以外
28、，还可以用拉格朗日插值公式 ( 线性 ) 进行数学计算 ，计算水在对应温度下的密度值 ， 见公式 。Y = 1( t) =( t t1)( t0 t1)Y0+( t t0)( t1 t0)Y1( 10)设 t0=14 ， Y0= 0. 99927 g/cm3， t1=18 ， Y1=0. 99862 g/cm3， t = 20 ， 求水密度 Y。根据公式 ( 10) 可计算出水的计算密度为 0. 99830 g/cm3。水在 20 的真实密度为 0. 99823 g/cm3， 由此可知水在 20 的计算密度与真实密度仅相差( 0. 99830 0. 99823) /0. 99823 =0. 0
29、07%， 故在某种条件下 ， 用水的计算密度代替真实密度也不失为一种测量手段 。3 结论1) 无膜排水法既在理论上考虑了渗水体积的901沈波涛等 : 粉末冶金材料的密度测定影响 ， 又在实际操作上避免了防水膜的影响 ， 是一种能更精确地测量多孔材料密度的新方法 ， 它操作简单 、成本低 、无污染 ， 易于推广应用 ， 因而这是一种适合于粉末冶金材料密度测试的更为精确的方法 。2) 对于密度较低的压坯或者开气孔率较大的多孔材料进行密度测定时 ， 要分别准确测量出试样的干重 、悬浮重及饱和重 ; 对于致密试样的密度测定 ， 准确测定试样的三个重量值或者忽略饱和重对测定结果影响不大 。而对于这两种测
30、定方法都要考虑不同温度时水密度对试样密度测定的影响 。3) 等静压零件的密实性较差 ， 开气孔率较大 ;真空烧结零件的密实性较好 ， 趋于致密化 ， 开气孔率较小 。参考文献 :1徐润泽 粉末冶金结构材料学 M 长沙 : 中南工业大学出版社 ， 2002: 12-192Razieh Khalifehzadeh S F， Hamed A Prediction of theeffect of vacuum sintering conditions on porosity and hard-ness of porous NiTi shape memory alloy using ANFIS J Co
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33、金材料性能数据的有效位数 J 粉末冶金工业 ， 2006， 16( 4) :42-45( 上接第 105 页 )3 结论上述实验表明 ， 采用本方法测定过氧化氢不溶物方法简单 、准确 ， 完全满足无定形硼粉产品的测定要求 。参考文献 :1伍继君 ， 马文会 ， 张广立 镁热还原法制备超微细无定形硼粉 J . 中国有色金属学报 ， . 2007， 17( 12) : 20-34.2李钟模 . 我国硼矿资源发展现状 J 化工矿物与加工 ，2003( 9) : 38.3王兆文 ， 邱竹贤 . 电解制取单质硼 J 有色矿冶 ， 1998( 2) : 23-26.4伍继君 . 超细无定形硼粉的制备与研究
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