CN103056366B - 一种多孔不锈钢的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多孔不锈钢的制备方法，先按需要确定所得多孔不锈钢的体积V总和孔隙率，再按公式计算各原料体积V后，再按计算结果取不锈钢粉末和造孔剂，并进行混合60～210min；将混合粉末在温度为700～1100℃的条件下进行放电等离子烧结10～30min，得到烧结体；待冷却到室温，然后用水冲泡30～180min，使造孔剂完全溶解或水解，即得到多孔不锈钢。通过粉末粒度、体积百分比对孔隙率及孔径进行控制，利用SPS的强化烧结作用及水溶（解）性盐造孔剂的溶除，实现可控孔结构多孔不锈钢的制备。所得多孔不锈钢的孔隙率为30～70%、孔径为75～1000μm，具有低成本、孔结构可控、工艺简单稳定高效的特点，可实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔不锈钢的制备方法，特别是涉及一种基于SPS及可去除造孔剂的多孔不锈钢制备方法，属于多孔材料技术领域。
背景技术
多孔不锈钢具有良好的耐腐蚀性和优异的物理和力学性能，在过滤、流体分散、热能、生物材料等领域具有广阔的应用市场。目前公知的多孔不锈钢的制备方法主要是粉末冶金法，存在孔结构（孔径、孔隙率）控制困难、工艺复杂、能耗高的不足。
放电等离子烧结（Spark plasma sintering，简称SPS）是制备材料的一种新技术，具有升温速度快、烧结时间短、压力烧结等特点，用于制备金属材料、陶瓷材料、复合材料等。
造孔剂技术是粉末冶金多孔材料制备中采用的一种方法，可去除性是造孔剂的重要性质，目前常用的造孔剂有两类，一是有烧结过程中去除的，如可分解及燃烧的碳酸铵及有机物等；二是烧结后去除的，如可溶于水或有机溶剂、可水解的盐等。
发明内容
本发明将造孔剂技术和SPS技术相结合，选取高熔点水溶（解）性且在SPS烧结时能稳定存在的造孔剂，利用造孔剂控制制品的孔结构，利用SPS进行高效强化烧结，克服了现有制备技术孔结构调控困难、工艺不稳定等不足，具有短流程、低成本、高效率的特点。
本发明通过下列技术方案实现：一种多孔不锈钢的制备方法，经过下列各步骤：
（1）先按需要确定所得多孔不锈钢的体积V总和孔隙率，再按下列公式计算各原料体积V后，再按计算结果取不锈钢粉末和造孔剂，并进行混合60～210min：
（1）
（2）
（3）
式中，V表示体积；P为各成分所占的体积分数；其中P 造孔剂为30～70%；
（2）将步骤（1）得到的混合粉末在温度为700～1100℃的条件下进行放电等离子烧结10～30min，得到烧结体；
（3）将步骤（2）得到的烧结体冷却到室温，依据可溶性造孔剂在水中的溶解度或可水解性造孔剂与水反应的原理，然后用水冲泡30～180min，使造孔剂完全溶解或水解，即得到孔隙率为30～70%、孔径为75～1000μm的多孔不锈钢。
所述步骤（1）的不锈钢粉末为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢或马氏体不锈钢粉末。
所述不锈钢粉末的粒度为30～70μm、纯度为98.8～99.9%。
所述步骤（1）造孔剂熔点高于750℃，在SPS烧结温度范围内不会发生热分解，粒度为75～1000μm，纯度≥98%。
所述造孔剂为K2CO3、SrSO4或BaC2。
本发明是将高熔点的水溶（解）性盐作为造孔剂，与不锈钢粉末混合后进行放电等离子烧结，再用水溶（解）的方法处理除去造孔剂，实现孔结构可控的多孔不锈钢制备。其发明的原理是：
1、放电等离子烧结（SPS）原理
放电等离子烧结是一种快速、低温、节能、环保的材料加工制备新技术。该技术是对承压导电模具加上可控脉冲电流，即在加压粉体颗粒之间直接通入直流脉冲电能，由焦耳热导致颗粒生热及在颗粒内部与表面产生温差，实现烧结颈的形成、扩展和致密化，有强化烧结的作用。
2、造孔剂的热稳定性：
造孔剂在烧结温度范围内，应具有良好的热稳定性，即在烧结过程中不发生分解稳定地存在。造孔剂的热稳定性，可以通过TG-DSC方法进行分析。例如，从SrSO4的TG-DSC热分析曲线（图1）可知，SrSO4从室温至1100℃范围内的热物理性能非常稳定，可以满足其在烧结过程中安全、稳定地存在。BaC2加热到1750℃时发生分解，在SPS烧结的温度范围内能够稳定存在。
3、造孔剂造孔及分离原理
1）造孔原理：在进行SPS烧结时，造孔剂能稳定存在，且不与其他成分发生反应，其存在位置即为产品形成孔的位置。
2）造孔剂分离原理：
对于水溶性造孔剂，可通过水熔解的方法去除。例如，室温下1gSrSO4溶于约8800ml水，利用水溶的方法将烧结混合体水洗30~180min，可达到除去造孔剂的目的。
对于水解性造孔剂，可通过水解反应的方法去除造孔剂。例如，BaC2的水解化学反应为：BaC2+H2O=Ba(OH)2+C2H2↑，反应产物Ba(OH)2易溶于水（20℃时，1克Ba(OH)2溶于约14ml水中），通过BaC2的水解及其后Ba(OH)2的水溶除，达到除去造孔剂BaC2的目的。
4、孔结构控制原理：
1）孔隙率的控制：由于造孔剂不与不锈钢反应，烧结过程中不会发生热分解，故造孔剂的体积分数P造孔剂即为样品孔隙率，由此实现对孔隙率的控制。
2）孔径的控制：孔径的大小与造孔剂粒度的大小相当，通过造孔剂粒度范围的控制，实现对孔径范围的控制。
本发明的优点及积极效果：通过粉末粒度、体积百分比对孔隙率及孔径进行控制，利用SPS的强化烧结作用及水溶（解）性盐造孔剂的溶除，实现可控孔结构多孔不锈钢的制备。所得多孔不锈钢的孔隙率为30～70%、孔径为75～1000μm，具有低成本、孔结构可控、工艺简单稳定高效的特点，可实现工业化生产。
附图说明
图1为SrSO4的TG-DSC热分析曲线；
图2为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
（1）先按需要确定所得多孔不锈钢的体积V总=12.56cm3和孔隙率为30%，再按下列公式计算各原料体积V后，再按计算结果取粒度为30～70μm纯度为98.8～99.9%的304奥氏体不锈钢和分析纯BaC2（熔点高于750℃，在SPS烧结温度范围内不会发生热分解，粒度为75～250μm，纯度≥98%），并进行混合210min：
（1）
（2）
（3）
式中，V表示体积；P为各成分所占的体积分数；其中P 造孔剂为30%；V造孔剂=3.768cm3，V不锈钢=8.792cm3；
（2）将步骤（1）得到的混合粉末装入石墨模具中，在温度为1100℃的条件下进行放电等离子烧结10min，得到烧结体；
（3）将步骤（2）得到的烧结体冷却到室温，依据可溶性造孔剂在水中的溶解度或可水解性造孔剂与水反应的原理，然后用水冲泡30min，使造孔剂完全溶解或水解，即得到孔隙率为30%、孔径为75～250μm的多孔不锈钢。
实施例2
（1）先按需要确定所得多孔不锈钢的体积V总=12.56cm3和孔隙率为50%，再按下列公式计算各原料体积V后，再按计算结果取粒度为30～70μm纯度为98.8～99.9%的410马氏体不锈钢粉末和分析纯K2CO3（熔点高于750℃，在SPS烧结温度范围内不会发生热分解，粒度为250～600μm，纯度≥98%），并进行混合180min：
（1）
（2）
（3）
式中，V表示体积；P为各成分所占的体积分数；其中P 造孔剂为50%；V造孔剂=6.28cm3，V不锈钢=6.28cm3；
（2）将步骤（1）得到的混合粉末装入石墨模具中，在温度为800℃的条件下进行放电等离子烧结14min，得到烧结体；
（3）将步骤（2）得到的烧结体冷却到室温，依据可溶性造孔剂在水中的溶解度或可水解性造孔剂与水反应的原理，然后用水冲泡90min，使造孔剂完全溶解或水解，即得到孔隙率为50%、孔径为250～6000μm的多孔不锈钢。
实施例3
（1）先按需要确定所得多孔不锈钢的体积V总=12.56cm3和孔隙率为70%，再按下列公式计算各原料体积V后，再按计算结果取粒度为30～70μm纯度为98.8～99.9%的铁素体不锈钢和分析纯SrSO4（熔点高于750℃，在SPS烧结温度范围内不会发生热分解，粒度为600～1000μm，纯度≥98%），并进行混合60min：
（1）
（2）
（3）
式中，V表示体积；P为各成分所占的体积分数；其中P 造孔剂为70%；V造孔剂=8.792cm3，V不锈钢=3.768cm3；
（2）将步骤（1）得到的混合粉末装入石墨模具中，在温度为700℃的条件下进行放电等离子烧结30min，得到烧结体；
（3）将步骤（2）得到的烧结体冷却到室温，依据可溶性造孔剂在水中的溶解度或可水解性造孔剂与水反应的原理，然后用水冲泡180min，使造孔剂完全溶解或水解，即得到孔隙率为70%、孔径为600～1000μm的多孔不锈钢。
Claims (4)
1.一种多孔不锈钢的制备方法，其特征在于经过下列各步骤：
（1）先按需要确定所得多孔不锈钢的体积V总和孔隙率，再按下列公式计算各原料体积V后，再按计算结果取不锈钢粉末和造孔剂，并进行混合60～210min，其中造孔剂为K2CO3、SrSO4或BaC2：
式中，V表示体积；P为各成分所占的体积分数；其中为30～70%；
（2）将步骤（1）得到的混合粉末在温度为700～1100℃的条件下进行放电等离子烧结10～30min，得到烧结体；
（3）将步骤（2）得到的烧结体冷却到室温，然后用水冲泡30～180min，使造孔剂完全溶解或水解，即得到多孔不锈钢。
2.根据权利要求1所述的多孔不锈钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的不锈钢粉末为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢或马氏体不锈钢粉末。
3.根据权利要求1或2所述的多孔不锈钢的制备方法，其特征在于：所述不锈钢粉末的粒度为30～70μm、纯度为98.8～99.9%。
4.根据权利要求1所述的多孔不锈钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）造孔剂熔点高于750℃，在SPS烧结温度范围内不会发生热分解，粒度为75～1000μm，纯度≥98%。
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