CN103909266A - 粉末烧结多孔过滤元件的制备方法、设备及产品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够利用粉末原料中颗粒物粒径不均匀的客观现象并由此提高粉末烧结多孔过滤元件过滤性能的粉末烧结多孔过滤元件的制备方法，由该方法得到的产品以及为实施该方法而设计的设备。该方法的步骤包括：a.将该等静压成型模具安装到一旋转注料装置上；b.通过旋转注料装置向模具型腔内充填粉末原料并驱动等静压成型模具以其模具型腔的中心轴线为旋转轴按最高不低于50转/分的速度进行旋转；c.将填注好粉末原料的等静压成型模具进行封装后投入等静压成型机中进行成型，成型后从等静压成型模具中取出压制成型的过滤元件中间管坯；d.将过滤元件中间管坯置于烧结炉内，通过烧结使过滤元件中间管坯转变得到所述粉末烧结多孔过滤元件。

Description

粉末烧结多孔过滤元件的制备方法、设备及产品

技术领域

本发明涉及粉末烧结多孔过滤元件的制备方法，由该方法得到的产品以及为实施该方法而设计的设备。

背景技术

目前使用十分普遍的粉末烧结多孔过滤元件是一种至少一端开口的管状过滤元件，其管壁的外侧面为过滤面，过滤时，待过滤介质（气体或液体）在压力作用下从管壁的外侧面向管壁的内侧面渗透，被过滤净化下来的已过滤介质进入过滤元件的管腔内并从此管腔流出，而截留下来的杂质大多附着在过滤面上，后续再通过在过滤元件上施加流向与上述过滤方向相反的反冲介质等方式将杂质从过滤面上除去，从而使过滤元件得以重复利用。上述这种管状过滤元件的现有制备方法一般包括备料、成型、烧结等几个主要步骤。所谓备料是指根据粉末烧结多孔过滤元件的材料要求准备一种以上的物质经过必要处理后形成粉末原料的步骤；成型是指将该粉末原料充填在一个用于制造过滤元件中间管坯的等静压成型模具中，然后将填注好粉末原料的等静压成型模具进行封装后投入等静压成型机中进行成型，最后从等静压成型模具中取出压制成型的过滤元件中间管坯的步骤；烧结是指将过滤元件中间管坯置于烧结炉内，通过烧结使过滤元件中间管坯转变得到所述粉末烧结多孔过滤元件的步骤。上述方法中涉及的等静压成型模具已在申请人申请的CN103009055A、CN201784027U、CN202200576U等多篇专利文件中公开，该模具的外形为一个长筒体，内部有一个用于填注粉末原料的模具型腔，等静压成型时该模具型腔在压力下发生收缩从而将粉末原料压制成过滤元件中间管坯。

在向模具型腔内填注粉末原料时，要求模具型腔中各处粉末原料的化学成分尽可能均匀，否则烧结反应后制造出来的粉末烧结多孔过滤元件不同部位的物理化学性质就会有较大差异，从而影响后续使用。为了确保进入模具型腔中各处粉末原料的化学成分的均匀性，通常采取对粉末原料进行造粒，使造粒形成的颗粒物中包含尽可能一致的化学物质。但是，造粒难以确保颗粒物粒径十分的均匀。另外，在某些情况下，粉末原料只含有一种物质（例如某种合金粉），此时，由于没有必要对其进行造粒的，因此粉末原料中的颗粒粒径往往分布范围较宽。根据粉末烧结多孔材料的烧结成孔机理，粉末原料中的颗粒粒径大小与烧结形成的多孔材料孔道的孔径大小存在正相关。而当粉末原料中的颗粒粒径不均匀性较大时，粉末烧结多孔过滤元件上不同部位的孔径差异也会较大，这时，粉末烧结多孔过滤元件上不同部位的过滤性能（主要是过滤精度）就会不一致，从而影响过滤元件的使用。目前，在面对粉末原料中颗粒物粒径不均匀的问题时，本领域往往采取加强原料选购限制或增加颗粒物筛分等方式，对实际生产造成了一定影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够利用粉末原料中颗粒物粒径不均匀的客观现象并由此提高粉末烧结多孔过滤元件过滤性能的粉末烧结多孔过滤元件的制备方法，由该方法得到的产品以及为实施该方法而设计的设备。

本发明的粉末烧结多孔过滤元件的制备方法，由该方法制备得到的过滤元件是一个至少一端开口的管状结构，其管壁的外侧面为过滤面，该方法的步骤包括：a.组装一个用于制造过滤元件中间管坯的等静压成型模具，然后将该等静压成型模具安装到一旋转注料装置上；b.通过旋转注料装置向模具型腔内充填粉末原料并驱动等静压成型模具以其模具型腔的中心轴线为旋转轴按最高不低于50转/分的速度进行旋转；c.将填注好粉末原料的等静压成型模具进行封装后投入等静压成型机中进行成型，成型后从等静压成型模具中取出压制成型的过滤元件中间管坯；d.将过滤元件中间管坯置于烧结炉内，通过烧结使过滤元件中间管坯转变得到所述粉末烧结多孔过滤元件。由于本发明的上述制备方法中采取了驱动充填有粉末原料的等静压成型模具以其模具型腔的中心轴线为旋转轴按最高不低于50转/分的速度进行旋转的技术手段，在模具旋转过程中，充填于模具型腔内的粉末颗粒受到向外运动的离心力，这时，粒径越小的颗粒越容易通过粉末原料堆积的缝隙而向外扩散，因此，旋转后充填于模具型腔内的粉末颗粒中位于模具型腔外层的颗粒物粒径较小，位于模具型腔内层的颗粒物粒径较大，压制成型的过滤元件中间管坯保持了这样的颗粒物粒径分布方式，即构成该中间管坯管壁的粉末颗粒的平均粒径在其壁厚方向上由外向内变大，最终也就使得烧结得到的粉末烧结多孔过滤元件中构成其管壁的多孔材料的平均孔径在所述壁厚方向上由外向内增大，形成了材料孔径内外“非对称”的结构形态，利用平均孔径相对较小一侧（即管壁外侧的过滤面）来实现待过滤介质的分离而提高了过滤精度，随后已过滤介质进入平均孔径相对较大的孔道而提高了其渗透能力，后续反冲时也能够提高反冲净化效果。

上述的粉末烧结多孔过滤元件的制备方法中，其步骤b中等静压成型模具的最高转速最好控制在3000转/分以下，从而控制对旋转注料装置设计技术要求；另外从本发明实际需要出发，也没有将等静压成型模具的转速提高到3000转/分以上的必要。此外，步骤b中既可以在完成向模具型腔内充填粉末原料后再驱动等静压成型模具旋转，也可以在向模具型腔内充填粉末原料的同时即驱动等静压成型模具旋转。当然，当采取向模具型腔内充填粉末原料的同时即驱动等静压成型模具旋转时，可以利用旋转产生的振动从而有助于粉末原料充填的均质化。在此基础上进一步建议可在向模具型腔内充填粉末原料时先将等静压成型模具的转速保持在30－80转/分，充填完成后再将等静压成型模具的转速调整至300－1000转/分。向模具型腔内充填粉末原料时先将等静压成型模具的转速保持在30－80转/分，有助于粉末原料充填的均质化、致密化（因为转速太快会造成充填不充分），充填完成后再将等静压成型模具的转速调整至300－1000转/分能够达到较为理想的分层效果。

本发明的粉末烧结多孔过滤元件，该过滤元件是一个至少一端开口的管状结构，其管壁的外侧面为过滤面，管壁的外侧面与内侧面之间形成过滤元件的壁厚，该过滤元件中构成其管壁的多孔材料的平均孔径在所述壁厚方向上由外向内增大，并且该过滤元件是由上述粉末烧结多孔过滤元件的制备方法所制备得到的。由于该粉末烧结多孔过滤元件中构成其管壁的多孔材料的平均孔径在所述壁厚方向上由外向内增大，故形成了材料孔径内外“非对称”的结构形态，利用平均孔径相对较小一侧（即管壁外侧的过滤面）来实现待过滤介质的分离而提高了过滤精度，随后已过滤介质进入平均孔径相对较大的孔道而提高了其渗透能力，后续反冲时也能够提高反冲净化效果。

本发明还进一步提供了一种过滤元件中间管坯，该过滤元件中间管坯是由上述粉末烧结多孔过滤元件的制备方法中所得到的过滤元件中间管坯，构成该中间管坯管壁的粉末颗粒的平均粒径在其壁厚方向上由外向内变大。由于构成该中间管坯管壁的粉末颗粒的平均粒径在其壁厚方向上由外向内变大，从而也就使得烧结得到的粉末烧结多孔过滤元件中构成其管壁的多孔材料的平均孔径在所述壁厚方向上由外向内增大，从而既能够确保粉末烧结多孔过滤元件过滤精度，也能够保证其渗透能力和对粉末烧结多孔过滤元件的反冲净化效果。

为实施上述粉末烧结多孔过滤元件的制备方法而设计的旋转注料装置，该装置包括底部支撑旋转机构、中部定心夹持机构和顶部加料机构，所述底部支撑旋转机构包括可旋转的模具安装座和与该模具安装座相连接的旋转驱动装置，所述中部定心夹持机构包括至少三个周向均布的定位夹辊，其中至少有一个定位夹辊是可活动的以便当该定位夹辊处于非工作位置时将用于制造过滤元件中间管坯的等静压成型模具装入该旋转注料装置中，所述顶部加料机构包括加料器，加料器下端设有加料口，当所述等静压成型模具正确装入该旋转注料装置后，等静压成型模具的底部安装在可旋转模具安装座上，等静压成型模具的筒身则由所述至少三个均处于工作位置上的定位夹辊所保持，此时同时与所述至少三个定位夹辊的外圆相切而被确定的基准圆的圆心位于所述模具安装座的旋转轴线上，所述加料器下端加料口与等静压成型模具上端受料口上下对应导通。上述旋转注料装置能够实现向安装在该旋转注料装置中的等静压成型模具的模具型腔内充填粉末原料并驱动该等静压成型模具以其模具型腔的中心轴线为旋转轴按要求的速度进行旋转的目的，且由于底部支撑旋转机构与中部定心夹持机构功能相分离的技术特点，等静压成型模具转动时产生一定的振动，更有利于粉末颗粒的流动。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的一种粉末烧结多孔过滤元件。

图2为本发明具体实施方式中制造图1所示的粉末烧结多孔过滤元件的旋转注料装置。

图3为图2中A-A向剖视图。

具体实施方式

如图1所示的粉末烧结多孔过滤元件100，该过滤元件100为一个一端开口一端封闭的管状结构，其管壁的外侧面110为过滤面，管壁的外侧面110与内侧面120之间形成过滤元件的壁厚t。图1所示的粉末烧结多孔过滤元件100具体应用在气体过滤器（气体过滤器的则结构属于本领域公知常识，故未在附图中示出）中，过滤元件100的开口端向上并通过孔板安装在过滤器筒体内，筒体内位于孔板的下方为原气室，筒体内位于孔板的上方为净气室，使用时待过滤气体首先进入到原气室中，然后从过滤元件管壁的外侧面110向其内侧面120渗透，经过滤后的干净气体进入过滤元件的管腔，然后再进入净气室，最后从过滤器排出，待过滤气体中被过滤下来的粉尘则附着在过滤面上，并逐渐形成滤饼，当滤饼层达到一定厚度时，启动反冲装置，反冲气体从反冲装置中喷出并从过滤元件100的开口端由上往下进入过滤元件100的管腔，然后从管壁的内侧面120向外侧面110运动，从而对滤饼层进行破坏，实现过滤元件100的重复使用。

如图2和3所示，上述粉末烧结多孔过滤元件的制备方法所包括的步骤为：a.组装一个用于制造过滤元件中间管坯的等静压成型模具200，然后将该等静压成型模具200安装到一旋转注料装置300上；b.通过旋转注料装置300向模具型腔210内充填粉末原料并驱动等静压成型模具200以其模具型腔210的中心轴线220为旋转轴且按一定速度进行旋转，其中在向模具型腔210内充填粉末原料时将等静压成型模具200的转速保持在30－80转/分，充填完成后再将等静压成型模具200的转速调整至300－1000转/分；c.将填注好粉末原料的等静压成型模具200进行封装后投入等静压成型机中进行成型，成型后从等静压成型模具200中取出压制成型的过滤元件中间管坯；d.将过滤元件中间管坯置于烧结炉内，通过烧结使过滤元件中间管坯转变得到所述粉末烧结多孔过滤元件100。上述方法中的旋转注料装置300应当能够第一、向模具型腔210内充填粉末原料；第二、带动等静压成型模具200以其模具型腔210的中心轴线220为旋转轴进行旋转；第三、转速达到规定的要求并且能够进行调节。本领域技术人员可以根据这三点基本要求设计旋转注料装置300，因此存在不同结构的旋转注料装置300的情况是可预见的。

而本具体实施方式中，旋转注料装置的具体结构如图2和3所示，其包括底部支撑旋转机构310、中部定心夹持机构320和顶部加料机构330，所述底部支撑旋转机构310具体包括可旋转的模具安装座311和与该模具安装座311相连接的调频电机，所述顶部加料机构330具体包括可上下升降的加料器331，加料器下端设有加料口，所述中部定心夹持机构320具体包括三个周向均布的定位夹辊321，其中两个定位夹辊321为伸缩式定位夹辊，另一个定位夹辊321为固定式定位夹辊（即基准辊），伸缩式定位夹辊分别由各自的气缸321a进行驱动，当两个伸缩式定位夹辊缩回时，以便将用于制造过滤元件中间管坯的等静压成型模具200装入该旋转注料装置中，等静压成型模具200的底部安装在可旋转模具安装座311上，等静压成型模具200的筒身先由固定式定位夹辊定位，然后驱动两个伸缩式定位夹辊前伸，直至筒身由上述三个周向均布的定位夹辊321夹持定位，此时，同时与所述至少三个定位夹辊321的外圆相切而被确定的基准圆的圆心（即相当于模具型腔210的中心轴线220）基本上位于所述模具安装座311的旋转轴线311b上，此后加料器331下降以使该加料器下端加料口331刚好与等静压成型模具200上端受料口上下对应导通。另外，如图2所示，所述模具安装座311上设置有与所述等静压成型模具200的下端部相配合的凹槽311a，这样能够在等静压成型模具200转动时防止其下端移动，提高安全性。

进一步如图2、3，上述用于制造过滤元件中间管坯的等静压成型模具200的结构与现有用于制造同类过滤元件中间管坯（即一端开口一端封闭的管状结构，其管壁的外侧面为过滤面）的等静压成型模具的结构基本无差异（可参见CN103009055A中记载的模具结构），即模具具体为一个由橡胶材料制成的外成型模套250、钢制的内成型芯棒260、下成型定位件270和上芯棒定位件280所构成的长筒体结构，内成型芯棒260套置在外成型模套250内，下成型定位件270安装在外成型模套250和内成型芯棒260的下端，上芯棒定位件280安装在外成型模套250和内成型芯棒260的上端，外成型模套250、内成型芯棒260、下成型定位件270和上芯棒定位件280之间构成所述的模具型腔210，上芯棒定位件280上设有受料口（这样就不会影响粉末原料由上至下进入模具型腔。另外，当对等静压成型模具200进行封装时通常要取下所述的上芯棒定位件280再安装一个下成型定位件，例如可参见CN103009055A记载的相关内容）。上述等静压成型模具200中的外成型模套250与内成型芯棒260之间由下成型定位件270和上芯棒定位件280定位并保持同轴，因此，所述模具型腔210的中心轴线220也就是外成型模套250或内成型芯棒260的中心轴线。

上面的等静压成型模具200中，由于其外成型模套250是橡胶材料制作的（这样在等静压成型时外成型模套250才能在压力下向内收缩，由此使粉末原料压制成型），因此如果让上述至少三个定位夹辊321直接夹持在外成型模套250的外表面，不仅定位准确度不高，引起旋转时模具振动偏大，同时当等静压成型模具200快速旋转时外成型模套250也容易产生变形。因此，如图2、3所示，本具体实施方式还进行了以下改进：首先，外成型模套250的表面还套有一层钢套240，该且钢套240采取了瓣合式的结构，从而能够方便的在外成型模套250的外圆柱面上进行组装和拆卸，这样，通过该钢套240的支撑强化也就解决了等静压成型模具200快速旋转时外成型模套250容易产生变形的问题。其次，在钢套240上还固定安装有一个刚性锥形环230，该刚性锥形环230上套有一刚性包套340，所述刚性包套340的外侧面为圆柱面，内侧面为与刚性锥形环230锥面契合的锥形面，刚性包套340与刚性锥形环230装配后刚性包套340的外圆圆心与该等静压成型模具200的模具型腔210的中心轴线220重合，处于工作位置上的各定位夹辊321则分别与刚性包套340的外圆接触相切，而不是直接与外成型模套250的外圆相切，这样，就很好的解决了定位夹辊321直接夹持在外成型模套250的外表面时所面临的定位准确度不高的问题。

实施例

粉末烧结多孔过滤元件100的设计长度为600毫米，设计壁厚t为5毫米。首先，将粒径为-250～+400目的Cu元素粉、粒径为-200～+300目的Ni元素粉按制备得到的粉末烧结多孔过滤元件中Cu的重量百分含量为30%，其余为Ni的配比进行混合、造粒并干燥，从而得到粉末原料。按图2和3所示方式将该粉末原料充填至模具型腔210并驱动等静压成型模具200以其模具型腔210的中心轴线220为旋转轴进行旋转，其中在向模具型腔210内充填粉末原料时将等静压成型模具200的转速保持在50转/分，充填完成后再将等静压成型模具200的转速调整至600转/分，并在该转速下持续转动3分钟，然后将填注好粉末原料的等静压成型模具200进行封装后投入等静压成型机中进行成型，成型后从等静压成型模具200中取出压制成型的过滤元件中间管坯，然后将过滤元件中间管坯置于烧结炉内，通过烧结使过滤元件中间管坯转变得到粉末烧结多孔过滤元件100。SEM扫描显示，构成所述中间管坯管壁的粉末颗粒的平均粒径在其壁厚方向上由外向内变大，并且，最终形成的粉末烧结多孔过滤元件100中构成其管壁的多孔材料的平均孔径在所述壁厚t方向上由外向内增大。通过过滤试验证明，该粉末烧结多孔过滤元件100的过滤精度、渗透性能均优于采用相同原料成分和烧结工艺但使用普通模具填料方式制造的粉末烧结多孔过滤元件。

Claims (10)

1.粉末烧结多孔过滤元件的制备方法，由该方法制备得到的过滤元件是一个至少一端开口的管状结构，其管壁的外侧面（110）为过滤面，该方法的步骤包括：a.组装一个用于制造过滤元件中间管坯的等静压成型模具（200），然后将该等静压成型模具（200）安装到一旋转注料装置（300）上；b.通过旋转注料装置（300）向模具型腔（210）内充填粉末原料并驱动等静压成型模具（200）以其模具型腔（210）的中心轴线（220）为旋转轴按最高不低于50转/分的速度进行旋转；c.将填注好粉末原料的等静压成型模具（200）进行封装后投入等静压成型机中进行成型，成型后从等静压成型模具（200）中取出压制成型的过滤元件中间管坯；d.将过滤元件中间管坯置于烧结炉内，通过烧结使过滤元件中间管坯转变得到所述粉末烧结多孔过滤元件（100）。

2.如权利要求1所述的粉末烧结多孔过滤元件的制备方法，其特征在于：步骤b中等静压成型模具（200）的最高转速控制在3000转/分以下。

3.如权利要求1或2所述的粉末烧结多孔过滤元件的制备方法，其特征在于：步骤b中在完成向模具型腔（210）内充填粉末原料后再驱动等静压成型模具（200）旋转。

4.如权利要求1或2所述的粉末烧结多孔过滤元件的制备方法，其特征在于：步骤b中在向模具型腔（210）内充填粉末原料的同时即驱动等静压成型模具（200）旋转。

5.如权利要求4所述的粉末烧结多孔过滤元件的制备方法，其特征在于：步骤b中在向模具型腔（210）内充填粉末原料时将等静压成型模具（200）的转速保持在30－80转/分，充填完成后再将等静压成型模具（200）的转速调整至300－1000转/分。

6.粉末烧结多孔过滤元件，该过滤元件是一个至少一端开口的管状结构，其管壁的外侧面（110）为过滤面，管壁的外侧面（110）与内侧面（120）之间形成过滤元件的壁厚（t），其特征在于：该过滤元件中构成其管壁的多孔材料的平均孔径在所述壁厚（t）方向上由外向内增大，并且该过滤元件是由权利要求1至5中任意一项权利要求所述的粉末烧结多孔过滤元件的制备方法所制备得到的。

7.过滤元件中间管坯，其特征在于：该过滤元件中间管坯是由权利要求1至5中任意一项权利要求所述的粉末烧结多孔过滤元件的制备方法中所得到的过滤元件中间管坯，构成该中间管坯管壁的粉末颗粒的平均粒径在其壁厚方向上由外向内变大。

8.为实施权利要求1至5中任意一项权利要求所述的粉末烧结多孔过滤元件的制备方法而设计的旋转注料装置，其特征在于：该装置包括底部支撑旋转机构（310）、中部定心夹持机构（320）和顶部加料机构（330），所述底部支撑旋转机构（310）包括可旋转的模具安装座（311）和与该模具安装座（311）相连接的旋转驱动装置（312），所述中部定心夹持机构（320）包括至少三个周向均布的定位夹辊（321），其中至少有一个定位夹辊（321）是可活动的以便当该定位夹辊（321）处于非工作位置时将用于制造过滤元件中间管坯的等静压成型模具（200）装入该旋转注料装置中，所述顶部加料机构（330）包括加料器（331），加料器下端设有加料口，当所述等静压成型模具（200）正确装入该旋转注料装置后，等静压成型模具（200）的底部安装在可旋转模具安装座（311）上，等静压成型模具（200）的筒身则由所述至少三个均处于工作位置上的定位夹辊（321）所保持，此时同时与所述至少三个定位夹辊（321）的外圆相切而被确定的基准圆的圆心位于所述模具安装座（311）的旋转轴线（311b）上，所述加料器下端加料口（331）与等静压成型模具（200）上端受料口上下对应导通。

9.如权利要求8所述的旋转注料装置，其特征在于：所述等静压成型模具（200）的筒身上固定安装有一个刚性锥形环（230），该刚性锥形环（230）上设置有一刚性包套（340），所述刚性包套（340）的外侧面为圆柱面，内侧面为与刚性锥形环（230）锥面契合的锥形面，刚性包套（340）与刚性锥形环（230）装配后刚性包套（340）的外圆圆心与该等静压成型模具（200）的模具型腔（210）的中心轴线（220）重合，处于工作位置上的各定位夹辊（321）分别与刚性包套（340）的外圆接触相切。

10.如权利要求8或9所述的旋转注料装置，其特征在于：模具安装座（311）上设置有与所述等静压成型模具（200）的下端部相配合的凹槽（311a）。