CN102580404A

CN102580404A - 一种非对称不锈钢过滤片的制备方法

Info

Publication number: CN102580404A
Application number: CN2012100248169A
Authority: CN
Inventors: 刘忠军
Original assignee: JIANGSU YUNCAI MATERIALS CO Ltd
Current assignee: JIANGSU YUNCAI MATERIALS CO Ltd
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-02-06
Also published as: CN102580404B

Abstract

本发明提供了一种非对称不锈钢过滤片的制备方法，涉及一种金属过滤片的制备方法。其制备过程是非对称不锈钢过滤片各粉末梯度层的模压压力是梯度变化的，随粉末粒度的降低而逐渐增加；根据过滤片的直径大小可对模压压力进行适度调节。本发明避免了不同粒度粉末一次成型过程中出现的多孔支撑层与过滤控制层之间界面不明显的问题，同时防止两不同粉末层之间出现分层，有效提高了产品脱模成功率；一次烧结成型，成本低；有效提高烧结成品率，避免开裂。

Description

一种非对称不锈钢过滤片的制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属过滤片的制备方法，具体涉及一种非对称不锈钢过滤片的制备方法。

背景技术

多孔材料，顾名思义，就是材料内部存在大量孔隙的一类材料，甚至部分多孔材料的孔隙率可以达到98%以上。金属多孔材料作为多孔材料家族中的重要一员，其在过滤应用领域具有独特的性能及优势。首先，就使用环境而言，它与有机及陶瓷多孔材料相比，其具有机械强度高、热传导性能良好、密封性良好等三大优点；就性能而言，金属多孔材料具有渗透性好、孔隙和孔径可控、形状稳定、耐高温、能再生、可加工等优点。金属多孔材料目前已被广泛应用在石油化工、能源、环保、食品、制药等领域的过滤、分离、流体分布等功能领域，并且是上述工业实现技术突破不可缺少的关键材料。

多孔金属材料目前可分为粉末烧结多孔材料、金属纤维毡、符合金属丝网材料及泡沫金属材料。

现代工业的发展对金属多孔材料的性能要求越来越高，比如在孔隙性能方面，要求孔径越来越小，孔隙度越来越大（孔隙度：多孔体中所有孔隙的体积与多孔体总体积之比）；对服役性能而言，要求过滤精度越来越高，透过率越来越大。导热导电率要好，抗腐蚀、抗疲劳等力学性能要高。例如，果汁澄清需要过滤精度为0.2-0.5μm的多孔材料，微生物分离与细胞碎片过滤需要过滤精度为0.2-1.6μm的多孔材料，血浆分离以及乳品工业中除菌、浓缩则需要过滤精度为0.1-1μm的多孔材料，高温气体除尘要求耐高温、耐腐蚀，燃料电池电极需要高导电率、高比表面积等等。然而，一些服役性能与孔隙性能之间存在着相互制约，如大流量与高精度对于多孔材料来说是一对矛盾：孔径越小，材料的过滤精度越高，流体透过量就越小。在保证多孔金属过滤材料透过性能的前提下，为提高其过滤精度，通常在多孔材料表面涂上一层或多层多孔膜来提高其过滤精度。

目前，对于非梯度金属多孔过滤片，在保证透过性能的前提下人们通常利用在多孔金属表面喷涂或刷涂一层陶瓷或金属多孔膜来实现对过滤精度的控制，但是这些方法都存在一定缺点。例如，多孔金属基体上的陶瓷膜经共烧结后其强度不高，在使用过程中容易出现脱落现象，导致产品寿命短，且与陶瓷膜复合的多孔过滤片的机械加工性差；另外，若在片状金属多孔基体上涂覆一层金属膜，由于烧结应力的作用，烧结过程中金属膜容易出现开裂、分层等现象，导致成品率不高，并严重影响产品的使用性能。

鉴于此，已有专利提出非对称多孔结构金属过滤材料的制备方法，如公开号分别为CN1686599、 CN101428346和CN101413071的专利，就提出了非对称金属过滤膜管的制备方法。对于非对称金属过滤膜管而言，由于管状的特殊结构，可以实现非对称不锈钢过滤膜管不同粉末梯度层之间烧结应力的相互抑制，进而实现同步烧结（共烧结），避免材料开裂现象的发生。然而，对于片状非对称金属过滤材料而言，不像管状非对称金属过滤膜管，可通过管状的特殊结构避免材料开裂，片状非对称金属过滤材料很容易因不恰当的成型方法及烧结工艺，必将导致开裂现象的发生。

公开号为 CN102179105A的发明专利“金属粉末涂层纳米级过滤精度不锈钢纤维毡的生产方法”介绍了一种提高非对称不锈钢纤维毡过滤精度的方法：通过在梯度不锈钢纤维毡表面涂覆一层金属粉末实现纳米级过滤精度；但是，该专利所述的金属多孔过滤纤维毡存在一些弊端：如金属粉末与纤维毡的结合强度有待检验，金属纤维毡的二次烧结无疑会增加产品的制造成本，不利于产品的工业化生产。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种非对称不锈钢过滤片的制备方法，克服不锈钢过滤片的多孔金属基体上的陶瓷膜经共烧结后其强度不高，在使用过程中容易出现脱落现象，导致产品寿命短，且与陶瓷膜复合的多孔过滤片的机械加工性差的问题。

正如前所述，对于非对称金属过滤膜管而言，由于管状的特殊结构，可以实现非对称不锈钢过滤膜管不同粉末梯度层之间烧结应力的相互抑制，进而实现同步烧结（共烧结），避免材料开裂现象的发生。然而，对于片状非对称金属过滤材料而言，不恰当的成型方法及烧结工艺，必将导致开裂现象的发生。本发明采用梯度模压成型工艺，在梯度模压时，选择不同的压力，来解决非对称不锈钢过滤片会出现开裂的现象。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案主要涉及一种非对称不锈钢过滤片的制备方法，其特征在于制备过程为：

（1）在经筛分过的、不同粒度的不锈钢粉末中分别加入少量树脂，混合均匀；

（2）首先称取步骤（1）中的粗粉末，然后放到模具中压制成型，压制压力为P₁，该层便为不锈钢过滤片的多孔支撑层；

（3）同步骤（2），称取相比步骤（2）中粉末更细的不锈钢粉末，然后平铺到步骤（2）中所述的模具中进行压制，压制压力为P₂（P₁﹤P₂）；若要制备连续梯度不锈钢过滤片，则该层为过滤片的过渡层；若要制备阶梯梯度不锈钢过滤片，则该层为过滤精度控制层；

（4）若要制备连续梯度不锈钢过滤片，则需要重复步骤（1）中的操作，称相取比步骤（3）中粉末更细的不锈钢粉末，然后平铺到步骤（3）中所述的管状金属模具中进行压制，压制压力为P₃（P₂﹤P₃）；

（5）重复步骤（4），分别选择粒度更细的不锈钢粉末进行叠压成型，直到得到所设计的非梯度不锈钢过滤片为止；叠压过程中的压力随粉末粒度的降低而逐渐增加；

（6）将最终得到的非梯度不锈钢过滤片生坯进行脱模；经脱模后的非对称不锈钢过滤片生坯在真空炉中进行烧结，烧结气氛为真空，或在氢气炉中烧结，烧结气氛为氢气或惰性气体。升温速率为3～10℃/min，烧结温度为1150～1250℃，保温1～4小时，冷却后即制得非对称不锈钢过滤片。

步骤（3）中所述在压制梯度层过程中，粗粉末层（基体层）与细粉末层（过渡层或控制层）的压力不同，呈递增关系，即P₁﹤P₂。

为在保证过滤精度的同时，又保证过滤片具有较高的透过性能，要求过滤片粗粉末层的质量大于精度控制层的粉末质量。

非对称不锈钢过滤片各粉末梯度层的模压压力是梯度变化的：随粉末粒度的降低而逐渐增加；根据过滤片的直径大小可对模压压力进行适度调节。

不同梯度层的不锈钢粉末质量可以不同。根据不同的性能要求，可以选择恰当的粉末层配比。

当我们对基体层的粉末进行压制时，选择压力为P₁，对其上面的精度控制层进行压制时的压力为P₂，现考虑以下几种情况：

如果P₁>=P₂，由于成型过程中两粉末层之间没有进行有效的压制复合，则在样品脱模时会极容易出现分层现象；

如果P₁=0，由于在成型过程中要通过调整母模具内腔的深度来平整粉末层，所以此时不能实现精度控制层的叠压；

如果P₁<P₂，在压制精度控制层粉末时，支撑层的粉末再次受压，与精度控制层的粉末实现具有较高强度的复合。所以，压力递增梯度模压成型方式是实现本专利所涉及的非对称不锈钢过滤片制备的关键。

非对称金属过滤片可以分成突变和渐变孔结构两种。突变（亦称阶梯状——具有明显的材料界面）孔径梯度多孔材料都是过滤控制层或过渡层附在前一层大孔的支撑体上，这类材料便是上面提到的金属膜材料。通过改变成型方法及烧结工艺，控制金属膜层的厚度，可以完成此类材料的制备，本专利便涉及这一内容。另外，本专利还可用于渐变（不具有明显的材料界面）孔结构金属过滤片的制备：通过不同粉末层之间烧结应力的相互抑制，实现连续梯度非对称不锈钢过滤片的成型、烧结。通过本专利制备的非对称不锈钢过滤片可以在保证较高过滤精度的前提下，使其具有优良的透过性能。

本发明的技术路线：粉末颗粒的筛选是制备金属多孔材料的一个重要环节。制备常规的金属多孔材料时，要根据过滤性能的要求选择一定颗粒尺寸分布的粉末，通常这类多孔材料中的大颗粒同小颗粒是杂乱混合的，这样材料在烧结时各个部分的烧结收缩率基本上是相同的，材料不容易发生烧结变形，但均匀金属多孔材料高的过滤精度和高的透过性能不能同时获得。

选择经筛分过的粗金属粉末在一定压力下（P₁）进行预压成型，然后根据过滤精度要求选择相对较细的金属粉末，均匀铺在预压成型后的粗金属粉末上，在一定压力下（P₂）进行最终压制成型，其中压力P₂大于P₁。选择此工艺的主要原因是在保证材料存在明显梯度界面的同时，又不出现分层现象。通过此工艺，选取连续的金属粉末进行叠层压制，可以制得连续梯度不锈钢过滤片。

本发明首次采用梯度压力成型工艺对梯度不锈钢过滤片分层现象进行解决，大大提高了非对称不锈钢过滤片压制成型及脱模的成功率，避免过滤片在压制成型过程中出现分层；针对实际应用中对金属过滤片的厚度要求，本发明可通过选择不同粒度分级的金属粉末，在保证过滤性能的前提下，其厚度也可以得到精度控制；本发明在保证金属过滤片过滤精度的同时，提高了非梯度不锈钢过滤片的透气系数。

有益效果：

本发明利用梯度压力成型制备非对称不锈钢过滤片，避免了不同粒度粉末一次成型过程中出现的诸多问题。如多孔支撑层与过滤控制层之间界面不明显的问题，同时防止两不同粉末层之间出现分层，有效提高了产品脱模成功率；本发明制备的非对称不锈钢过滤片是一次烧结成型，所需成本低于具有金属膜或陶瓷膜为过滤精度控制层的非对称不锈钢过滤片的制备成本；本发明涉及的在特定温度下进行低速升温的烧结工艺可以有效提高烧结成品率，避免烧结过程中开裂现象的发生；由于烧结应力的作用，烧结后非对称不锈钢过滤片会发生少许烧结变形，经简单机械加工后可以达到实际应用要求。

附图说明

图1为不同粉末制备的均匀不锈钢过滤片烧结过程中的径向收缩率。

图2为本发明采用梯度模压成型工艺制备非对称不锈钢过滤片的工艺示意图。

图3为采用本专利涉及的成型方法制备的连续梯度不锈钢过滤片的照片。

图4为本发明制备的连续梯度不锈钢过滤片的显微组织照片。

图5为采用本专利涉及的成型方法制备的阶梯梯度不锈钢过滤片的照片。

图6本发明制备的阶梯梯度不锈钢过滤片的显微组织图片。

图7为由不同粉末搭配制备的梯度不锈钢过滤片在烧结过程中的径向收缩率。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

实施例1

称取经筛分后具有不规则形状的不锈钢（304L）粉末A（粉末粒度范围见图1）3 g，与少量树脂混合，然后将粉末均匀平铺到直径为25 mm的管状模具中进行模压成型，成型压力为P₁（4 MPa）；然后称取粉末B 3 g，与少量树脂混合，然后将粉末均匀平铺到上述的管状模具中（粉末B在粉末A的上面）进行模压成型，成型压力为P₂（5 MPa）；重复以上步骤，分别在粉末A及B的上面顺序叠压粉末C、D、E和F（工艺路线见图2），粉末质量均为3 g，成型时的压力分别为P₃（6 MPa）、P₄（7 MPa）、P₅（8 MPa）和P₆（9 MPa）；完成以上步骤后进行脱模；在真空炉中对此连续梯度不锈钢过滤片生坯进行烧结，烧结时在特定温度范围内进行低速升温以防止样品开裂（图3为烧结后的样品照片）；最后测得此连续梯度（见图4）不锈钢过滤片的平均径向收缩率为3.5%，厚度方向上的收缩率为2.5%。

实施例2

称取经筛分后具有不规则形状的不锈钢（304L）粉末A（粉末粒度范围见图1）2 g，与少量树脂混合，然后将粉末均匀平铺到直径为25 mm的管状模具中进行模压成型，成型压力为P₁（3 MPa）；然后称取粉末B 2 g，与少量树脂混合，然后将粉末均匀平铺到上述的管状模具中（粉末B在粉末A的上面）进行模压成型，成型压力为P₂（4 MPa）；重复以上步骤，分别在粉末A及B的上面顺序叠压粉末C、D、E和F（工艺路线见图2），粉末质量均为2 g，成型时的压力分别为P₃（5 MPa）、P₄（6 MPa）、P₅（7 MPa）和P₆（8 MPa）；完成以上步骤后进行脱模；在真空炉中对此连续梯度不锈钢过滤片生坯进行烧结，烧结时在特定温度范围内进行低速升温以防止样品开裂；最后测得此连续梯度不锈钢过滤片的平均径向收缩率为3.9%，厚度方向上的收缩率为3.3%。

实施例3

称取经筛分后具有不规则形状的不锈钢（304L）粉末A（粉末粒度范围见图1）2 g，与少量树脂混合，然后将粉末均匀平铺到直径为25 mm的管状模具中进行模压成型，成型压力为P₁（3 MPa）；然后称取粉末B 2 g，与少量树脂混合，然后将粉末均匀平铺到上述的管状模具中（粉末B在粉末A的上面）进行模压成型，成型压力为P₂（4 MPa）；重复以上步骤，分别在粉末A及B的上面顺序叠压粉末C、D、E和F（工艺路线见图2），粉末质量均为2 g，成型时的压力分别为P₃（8 MPa）、P₄（15MPa）、P₅（19MPa）和P₆（23 MPa）；完成以上步骤后进行脱模；在真空炉中对此连续梯度不锈钢过滤片生坯进行烧结，烧结时在特定温度范围内进行低速升温以防止样品开裂；最后测得此连续梯度不锈钢过滤片的平均径向收缩率为4.0%，厚度方向上的收缩率为1.7%。

实施例4

称取经筛分后具有不规则形状的不锈钢（304L）粉末A（粉末粒度范围见图1）26 g，与少量树脂混合，然后将粉末均匀平铺到直径为60 mm的管状模具中进行模压成型，成型压力为P₁（25 MPa）；然后称取粉末C 26 g，与少量树脂混合，然后将粉末均匀平铺到上述的管状模具中（粉末C在粉末A的上面）进行模压成型，成型压力为P₂（40 MPa），工艺路线可见图2；完成以上步骤后进行脱模；在真空炉中对此阶梯梯度不锈钢过滤片生坯进行烧结，烧结时在特定温度范围内进行低速升温以防止样品开裂（图5为烧结后的样品照片）；最后测得此阶梯梯度（见图6）不锈钢过滤片的平均径向收缩率为0.8%。

实施例5

称取经筛分后具有不规则形状的不锈钢（304L）粉末A（粉末粒度范围见图1）26 g，与少量树脂混合，然后将粉末均匀平铺到直径为60 mm的管状模具中进行模压成型，成型压力为P₁（25 MPa）；然后称取粉末F 26 g，与少量树脂混合，然后将粉末均匀平铺到上述的管状模具中（粉末F在粉末A的上面）进行模压成型，成型压力为P₂（40 MPa），工艺路线可见图2；完成以上步骤后进行脱模；在真空炉中对此阶梯梯度不锈钢过滤片生坯进行烧结，烧结时在特定温度范围内进行低速升温以防止样品开裂；最后测得此阶梯梯度不锈钢过滤片的平均径向收缩率为1.3%。

重复实施例3或例4，利用本专利可以制备不同阶梯梯度的非对称不锈钢过滤片，产品的平均径向收缩率可见图7。

Claims

1.一种非对称不锈钢过滤片的制备方法，其制备过程为：

（1）在经筛分过的、不同粒度的不锈钢粉末中分别加入树脂，混合均匀；

（2）首先称取步骤（1）中的不锈钢粗粉末，然后放到模具中压制成型，压制压力为P₁，该层便为不锈钢过滤片的多孔支撑层；

（3）同步骤（2），称取相比步骤（2）中粉末更细的不锈钢粉末，然后平铺到步骤（2）中所述的模具中进行压制，压制压力为P₂，P₁﹤P₂；

（4）将最终得到的非梯度不锈钢过滤片生坯进行脱模；经脱模后的非对称不锈钢过滤片生坯在真空炉中进行烧结，烧结气氛为真空，或在惰性气体中烧结；升温速率为3 ～ 10℃/min，烧结温度为1150 ～ 1250℃，保温1～4小时，冷却后即制得非对称不锈钢过滤片。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

在第（3）步骤和第（4）步骤之间，重复步骤（1）中的操作，称相取比步骤（3）中粉末更细的的不锈钢粉末，然后平铺到步骤（3）中所述的模具中进行压制，压制压力为P₃，P₂﹤P₃；重复此反应步骤直到得到所设计的非梯度不锈钢过滤片为止。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤（4）烧结气体为氢气。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述在压制梯度层过程中，最高一层与多孔支撑层之间相差2 ～ 20 Mpa。