粉末燒結金屬多孔體的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種綜合性能較好，尤其對氫氟酸具有良好的耐腐蝕性的粉末燒結金屬多孔體的制備方法。步驟包括：1）制備混合粉料：將粒徑為-250～+400目的Cu元素粉、粒徑為-200～+300目的Ni元素粉按制備得到的粉末燒結金屬多孔體中Cu的重量百分含量為23～40%，其余為Ni的配比進行混合；2）造粒、干燥和成型，得到壓坯；3）燒結：第一階段：燒結溫度從室溫升至400～450℃，升溫速率控制在5～10℃/min，并在400～450℃下保溫120～240分鐘；第二階段：將燒結溫度升至750～850℃，升溫速率控制在5～10℃/min，并在750～850℃下保溫90～180分鐘；第三階段：將燒結溫度升至1000～1200℃，升溫速率控制在3～5℃/min，并在1000～1200℃下保溫180～300分鐘。
【專利說明】粉末燒結金屬多孔體的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及粉末燒結金屬多孔體的制備方法。
【背景技術】
[0002] 在無機膜分離領域，粉末燒結金屬多孔材料是一種主要的過濾材料。通常來講，孔 結構和化學穩定性是這類材料最為重要的技術指標。其中，孔結構是影響材料過濾精度、滲 透性能和反沖再生能力的關鍵因素，它由粉末燒結金屬多孔材料制備中的成孔方式決定； 化學穩定性則是影響材料在特定體系下耐腐蝕性等的關鍵因素，它由物質本身的化學特性 決定。
[0003] 目前，已應用在粉末燒結金屬多孔材料制備中的成孔方式主要有：第一，通過化學 反應成孔，其原理是基于不同元素本征擴散系數的較大差異所引起的偏擴散效應，使得材 料中產生Kirkendall孔隙；第二，通過原料粒子物理堆積成孔；第三，通過添加成分脫出成 孔。基于上述不同成孔方式所生成的燒結多孔材料往往具有差異化的孔結構。
[0004] 隨著膜分離技術的發展，對粉末燒結金屬多孔材料的性能也提出了越來越高的要 求。開發具有優異的孔結構和化學穩定性的粉末燒結金屬多孔材料已成為現實需要。為 了開發這種具有優異孔結構和化學穩定性的粉末燒結金屬多孔材料，既要求尋找到理想的 合金成分，又要探索與之相應的成孔方式。本發明即在這樣的技術背景下，提出以下發明創 造。
【發明內容】
[0005] 首先，本發明所要解決的技術問題是提供一種綜合性能較好，尤其對氫氟酸具有 良好的耐腐蝕性的粉末燒結金屬多孔體及應用它的過濾元件。本發明還要提供該粉末燒結 金屬多孔體的制備方法。
[0006] 本發明的粉末燒結金屬多孔體，其孔隙率為25?60%，平均孔徑為0. 5?50 μ m， 且該粉末燒結金屬多孔體由占該粉末燒結金屬多孔體23?40%重量的Cu、0?5%重量的 Si以及余下重量的Ni構成,在質量分數為5%的氫氟酸溶液中室溫浸泡20天后的失重率為 1%以下。
[0007] 上述粉末燒結金屬多孔體可以僅由Cu、Ni兩種元素構成，此時，該粉末燒結金屬 多孔體的物相為（Cu, Ni)固溶體。
[0008] 上述粉末燒結金屬多孔體也可以由Cu、Si、Ni三種元素構成，此時，Si在該粉末 燒結金屬多孔體中的重量百分含量應不超過5%。其中Si的重量百分含量可進一步優選為 0. 5 ?4%。
[0009] 在粉末燒結金屬多孔體中添加 Si,可以提高粉末燒結金屬多孔體的抗腐蝕性能， 尤其是在氧化性介質體系中的抗腐蝕性能。若Si超過5%，會增大材料的燒結難度。
[0010] 本發明中的術語"粉末燒結金屬多孔體"是指將原料粉先后經過成型、燒結從而制 備得的金屬多孔體。上述粉末燒結金屬多孔體中，Cu、Ni既可以通過摻入原料粉中的Cu元 素粉和Ni元素粉而引入該粉末燒結金屬多孔體，也可以通過原料粉中的Cu-Ni合金粉而引 入粉末燒結金屬多孔體。
[0011] 然而，本發明強烈建議采用Cu元素粉和Ni元素粉的方式。通過試驗令人驚異的 發現，當采用Cu元素粉和Ni元素粉時，燒結時Cu、Ni之間因相互擴散導致所得粉末燒結金 屬多孔體的曲折因子達到1. 02?1. 25。而采用Cu-Ni合金粉時，所得粉末燒結金屬多孔體 的曲折因子僅為1.6以上。
[0012] "曲折因子"是除孔隙率、平均孔徑外，反映材料孔結構的又一重要的結構參數，其 是用流體流過多孔體的最短距離與多孔體厚度的比值來定義，表征了多孔體中三維連通孔 隙的彎曲程度。曲折因子越接近1，說明流體流過多孔體的最短距離越小，滲透速度越快。 因此，在接近的孔隙率和平均孔徑的條件下，采用Cu元素粉和Ni元素粉的方式得到的粉末 燒結金屬多孔體具有顯著提高的滲透性能和反沖再生能力。
[0013] 顯然，鑒于上面已經揭示出Cu元素粉、Ni元素粉與曲折因子之間的關聯，因此，本 發明還將附帶提供一種改善粉末燒結金屬多孔體滲透性的方法：所述粉末燒結金屬多孔體 的孔隙率為25?60%，平均孔徑為0. 5?50 μ m，并由23?40%重量的Cu、0?5%重量的 Si以及余下重量的Ni構成；其中，Cu、Ni分別通過摻入原料粉中的Cu元素粉和Ni元素粉 而引入到該粉末燒結金屬多孔體中，所述的原料粉先后經過成型、燒結從而制備得到粉末 燒結金屬多孔體，燒結時，Cu、Ni之間相互擴散導致粉末燒結金屬多孔體的曲折因子達到 1. 02 ?1. 25。
[0014] 本發明所提供的的過濾元件為一種含有上述的粉末燒結金屬多孔體的過濾元件。 "含有上述的粉末燒結金屬多孔體"具體是指，該過濾元件可以由上述粉末燒結金屬多孔體 所構成；或者，上述粉末燒結金屬多孔體僅作為該過濾元件的支撐層，該支撐層的表面還附 著有用于過濾的工作層等情況。
[0015] 當支撐層的表面附著工作層時，該工作層最好為鎳多孔膜、鎳基合金多孔膜中的 一種，這樣，由于工作層和支撐層均為鎳基金屬材料，兩者結合性很好，不會因為反復反沖 再生等原因而發生脫離，可保持過濾元件長久的使用壽命。所說的"鎳基合金多孔膜"，包括 與本發明粉末燒結金屬多孔體化學成分相同的多孔膜。
[0016] 本發明粉末燒結金屬多孔體的一種具體制備方法的步驟包括：1)制備混合粉料： 將粒徑為-250?+400目的Cu元素粉、粒徑為-200?+300目的Ni元素粉按制備得到的 粉末燒結金屬多孔體中Cu的重量百分含量為23?40%，其余為Ni的配比進行混合；2)造 粒、干燥和成型：將含有上述Cu元素粉、Ni元素粉混合粉料依次進行造粒、干燥，將干燥溫 度設定為40?60°C，干燥時間設定為4?8小時，然后進行冷壓成型，在80?200MPa成型 壓力下保壓20?80秒，冷壓成型后得到壓坯；3)燒結：將壓坯置于燒結爐中進行燒結，燒 結制度包含以下三個階段：第一階段：燒結溫度從室溫升至400?450°C，升溫速率控制在 5?KTC /min，并在400?450°C下保溫120?240分鐘；第二階段：將燒結溫度升至750? 850°C，升溫速率控制在5?KTC/min，并在750?850°C下保溫90?180分鐘；第三階段： 將燒結溫度升至1000?1200°C，升溫速率控制在3?5°C /min，并在1000?1200°C下保 溫180?300分鐘；燒結后隨爐冷卻即得到粉末燒結金屬多孔體，該粉末燒結金屬多孔體由 Cu、Ni元素構成，其曲折因子達到1. 02?1. 25。
[0017] 本發明粉末燒結金屬多孔體的又一種具體制備方法的步驟包括：1)制備混合粉 料：將粒徑為-250?+400目的Cu元素粉、粒徑為3?10 μ m的Si元素粉、粒徑為-200? +300目的Ni元素粉按制備得到的粉末燒結金屬多孔體中Cu的重量百分含量為23?40%， Si的重量百分含量為0. 5?4%，其余為Ni的配比進行混合；2)造粒、干燥和成型：將含有上 述Cu元素粉、Si元素粉和Ni元素粉混合粉料依次進行造粒、干燥，將干燥溫度設定為40? 60°C，干燥時間設定為4?8小時，然后進行壓力成型，在100?200MPa成型壓力下保壓 20?80秒，壓力成型后得到壓坯；3)燒結：將壓坯置于燒結爐中進行燒結，燒結制度包含以 下三個階段：第一階段：燒結溫度從室溫升至400?450°C，升溫速率控制在5?KTC/min， 并在400?450°C下保溫120?180分鐘；第二階段：將燒結溫度升至750?850°C，升溫速 率控制在5?KTC /min，并在750?850°C下保溫120?240分鐘；第三階段：將燒結溫度 升至1000?1200°C，升溫速率控制在3?5°C /min，并在1000?1200°C下保溫180?300 分鐘；燒結后隨爐冷卻即得到粉末燒結金屬多孔體，該粉末燒結金屬多孔體由Cu、Si、Ni元 素構成，其曲折因子達到1. 02?1. 25。
[0018] 本發明的粉末燒結金屬多孔體具有如下有益的技術效果：
[0019] 一、具有良好的機械性能和可加工性能，抗拉強度可達到SOMPa以上；
[0020] 二、在酸性介質尤其是氫氟酸介質中具有優異的耐腐蝕性，并且對熱濃堿液也有 優良的耐腐蝕性，同時還耐中性溶液、氟氣、水、海水、大氣、有機化合物等的腐蝕；
[0021] 三、尤其令人驚訝的是，當Cu、Ni分別通過摻入原料粉中的Cu元素粉和Ni元素粉 引入到該粉末燒結金屬多孔體中時，粉末燒結金屬多孔體具有顯著提高的滲透性能和反沖 再生能力。
【具體實施方式】
[0022] 下面通過試驗對粉末燒結金屬多孔體的制備方法和由這些方法得到的粉末燒結 金屬多孔體進行具體說明。通過這些說明，本領域技術人員能夠清楚認識到本發明的粉末 燒結金屬多孔體所具有的突出特點。以下涉及的試驗例的編號與對應"壓坯"、"試樣"的編 號一至文。
[0023] 一、材料制備工藝
[0024] 如表1所示，為說明本發明的粉末燒結金屬多孔體及其制備，共準備了以下兩類 試驗，即"A類試驗"和"B類試驗"。A類試驗又分為三組試驗，目卩"ΑΓ'、"Α2"和"A3"，B類 試驗也分為三組試驗，即"Β1"、"Β2"和"Β3"。試驗Al和試驗Bl的原料中Cu、Ni比例相同， 區別為試驗Al采用Cu元素粉和Ni元素粉，而試驗Bl采用Cu-Ni合金粉；試驗A2和試驗 B2的原料中Cu、Ni、Si比例相同，區別為試驗A2采用Cu元素粉、Si元素粉和Ni元素粉， 而試驗B2采用Cu-Ni合金粉和Si元素粉；同理，試驗A3和試驗B3的原料中Cu、Ni比例相 同，區別為試驗A3采用Cu元素粉和Ni元素粉，而試驗B3采用Cu-Ni合金粉。為了準確的 體現A類試驗所得粉末燒結金屬多孔體的曲折因子的值，試驗Al包含了三個平行試驗，即 "八1-1"、11-2"、11-3"，試驗41的曲折因子將取試樣41-1^1-2、41-3的平均值 ；試驗八2 包含了三個平行試驗，即12-1"、12-2"、12-3"，試驗42的曲折因子將取試樣八2-142-2、 A2-3的平均值；同理，試驗A3包含了三個平行試驗，ΒΓΑ3-1"、"Α3-2"、"Α3-3"。表1中所 使用的Cu元素粉的粒徑均為-250?+400目，Ni元素粉的粒徑均為-200?+300目，Si元 素粉的粒徑均為3?10 μ m，Cu-Ni合金粉的粒徑均為-200?+300目。
[0025] 表I :試驗所用原料的成分及含量
[0026]
【權利要求】
1. 粉末燒結金屬多孔體的制備方法，其步驟包括： 1) 制備混合粉料 將粒徑為-250?+400目的Cu元素粉、粒徑為-200?+300目的Ni元素粉按制備得 到的粉末燒結金屬多孔體中Cu的重量百分含量為23?40%，其余為Ni的配比進行混合； 2) 造粒、干燥和成型 將含有上述Cu元素粉、Ni元素粉混合粉料依次進行造粒、干燥，將干燥溫度設定為 40?60°C，干燥時間設定為4?8小時，然后進行冷壓成型，在80?200MPa成型壓力下保 壓20?80秒，冷壓成型后得到壓述； 3) 燒結 將壓坯置于燒結爐中進行燒結，燒結制度包含以下三個階段： 第一階段：燒結溫度從室溫升至400?450°C，升溫速率控制在5?1(TC /min，并在 400?450°C下保溫120?240分鐘； 第二階段：將燒結溫度升至750?850°C，升溫速率控制在5?10°C /min，并在750? 850°C下保溫90?180分鐘； 第三階段：將燒結溫度升至1〇〇〇?1200°C，升溫速率控制在3?5°C /min，并在 1000?1200°C下保溫180?300分鐘； 燒結后隨爐冷卻即得到粉末燒結金屬多孔體，該粉末燒結金屬多孔體由Cu、Ni元素構 成，其曲折因子達到1. 02?1. 25。
2. 粉末燒結金屬多孔體的制備方法，其步驟包括： 1) 制備混合粉料 將粒徑為-250?+400目的Cu元素粉、粒徑為3?10 ii m的Si元素粉、粒徑為-200? +300目的Ni元素粉按制備得到的粉末燒結金屬多孔體中Cu的重量百分含量為23?40%， Si的重量百分含量為0. 5?4%，其余為Ni的配比進行混合； 2) 造粒、干燥和成型 將含有上述Cu元素粉、Si元素粉和Ni元素粉混合粉料依次進行造粒、干燥，將干燥溫 度設定為40?60°C，干燥時間設定為4?8小時，然后進行壓力成型，在100?200MPa成 型壓力下保壓20?80秒，壓力成型后得到壓坯； 3) 燒結 將壓坯置于燒結爐中進行燒結，燒結制度包含以下三個階段： 第一階段：燒結溫度從室溫升至400?450°C，升溫速率控制在5?1(TC /min，并在 400?450°C下保溫120?180分鐘； 第二階段：將燒結溫度升至750?850°C，升溫速率控制在5?10°C /min，并在750? 850°C下保溫120?240分鐘； 第三階段：將燒結溫度升至1〇〇〇?1200°C，升溫速率控制在3?5°C /min，并在 1000?1200°C下保溫180?300分鐘； 燒結后隨爐冷卻即得到粉末燒結金屬多孔體，該粉末燒結金屬多孔體由Cu、Si、Ni元 素構成，其曲折因子達到1. 02?1. 25。
【文檔編號】C22C19/03GK104419841SQ201310389694
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月30日 優先權日:2013年8月30日
【發明者】高麟, 賀躍輝, 汪濤, 江垚, 李波 申請人:成都易態科技有限公司