CN107267847B - 一种抗高温氧化、耐碱蚀的铁基多孔材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗高温氧化、耐碱蚀的铁基多孔材料及其制备方法。本发明将Fe、Cr、Ni、Si高纯粉末按质量百分比为Cr 20～30%、Ni 15～25%、Si 2～10%、Fe为余量的比列混合均匀、干燥后，压制成型获得生坯，利用固相偏扩散的原理对生坯进行真空烧结反应合成Fe‑Cr‑Ni‑Si多孔材料。本发明制得的多孔材料孔隙丰富、均匀可控，制备工艺简单，具有优异的抗高温氧化、耐碱蚀性能，可应用于高温和碱蚀等过滤领域。

Description

一种抗高温氧化、耐碱蚀的铁基多孔材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种多孔材料的制备方法，具体涉及通过粉末冶金法制备的多孔材料，特别是涉及一种抗高温氧化、耐碱蚀的铁基多孔材料的制备方法。

背景技术

烧结金属多孔材料是20世纪以来发展较快的一类具有特殊性能的功能材料，其特点是内部含有大量连通或半连通的孔隙；因其比表面积大可作为过滤材料，广泛应用于冶金机械、石油化工、能源环保、原子能等工业领域。其中，有些领域是高温和腐蚀环境，要求所用金属多孔材料具有高温抗氧化、抗腐蚀等性能。如专利公告CN103397243A表明Fe₃Al金属间化合物虽然在高温下具有类似陶瓷的耐氧化、抗腐蚀性能，但存在高温脆性和可焊性较差的问题。近年来，Siemens Westinghouse公司发现宇航级Ni-Cr-Al-Fe合金材料在高温下具有突出的耐高温、抗氧化、耐腐蚀性能，特别是耐硫腐蚀性能和高温力学性能优于Fe₃Al，如在850℃下Ni-Cr-Al-Fe多孔材料的屈服强度是多孔Fe₃Al的10倍。同时，Ni-Cr-Al-Fe合金具有很好的焊接性能。但是，原料镍的成本较高，镍基的Ni-Cr-Al-Fe多孔材料的成本制约其推广应用。因此，为降低制备成本，开发一种抗氧化、耐腐蚀的铁基多孔高温材料代替镍基多孔材料很有必要。

铁基粉末冶金多孔材料因其强度、硬度高，耐高温、耐磨性好、价格便宜等优点，应用最为广泛。但是在一些性能要求较高的场合，铁基粉末冶金多孔材料无法满足使用要求，常在铁基体中添加一些合金元素来提高性能，如常用的合金元素有Ni、Si、Cr等。Ni的良好作用在于强化铁基粉末烧结体的同时，还具有提高铁基粉末烧结体塑性的特点，对铁基粉末冶金材料的强韧化非常有利。Cr的有利作用在于形成稳定的氧化膜而防止继续发生氧化，还在铁基粉末冶金多孔材料中起强化作用，对其强度和硬度十分有利。此外，Si是钢铁及有色合金中一种重要的合金元素，也是主要的提高耐蚀性能的元素之一。基于以上分析，在铁中加入Ni、Cr、Si元素可在其表面形成致密的氧化层，阻止内部金属的进一步氧化；而Cr元素的添加使得更多的Ni、Si形成氧化层，从而使得材料具有优异的抗高温氧化性能；同时，利用Ni、Si、Cr的偏扩散及Kirkendall效应，生成丰富的孔隙，并通过控制保温温度和时间达到孔结构可控的效果，得到Fe-Cr-Ni-Si抗高温氧化、耐碱蚀多孔材料。因此，利用偏扩散及Kirkendall效应原理制备Fe-Cr-Ni-Si多孔材料可有效地解决高温和碱蚀过滤环境中的氧化和腐蚀问题。

本发明提供一种抗高温氧化、耐碱蚀的铁基多孔材料的制备方法，在高温和碱蚀过滤领域中有着重要的应用价值及意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有丰富孔隙且孔径相对较大的抗高温氧化的粉末烧结金属多孔体的制备方法，本发明采用Fe、Cr、Ni、Si粉制成孔隙丰富的多孔材料，利用其优异的抗高温氧化和耐碱蚀性能，解决高温和碱蚀过滤环境中的氧化和腐蚀问题。

一种抗高温氧化、耐碱蚀铁基多孔材料的制备方法，它包括如下步骤：

(1)粉末配制：将粒径为200～350目的Fe、200～350目的Cr、200～350目的Ni、80～200目的Si四种高纯粉末按质量百分比为Cr 20～30％、Ni 15～25％、Si 2～10％、Fe为余量的比例配制；

(2)粉末处理：将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合8-16h后，加入粉末总质量1-3％的硬脂酸，再在40-60℃普通干燥箱中干燥6-1h；

(3)压制成型：将混合均匀的粉料在50～200MPa的压力下保压30～120s后压制成型，得到生坯；

(4)生坯烧结：将步骤(3)所制生坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为1x10^-2～10^-4Pa；烧结工艺为①5～10℃/min的升温速度从室温升至330～400℃，保温25～35min；②5～15℃/min的升温速度升温至600～700℃，保温30～40min；③1～10℃/min的升温速度升温至1100～1300℃并在该温度下保温2～4h；随炉冷却至室温，即得到所发明的抗高温氧化、耐碱蚀铁基多孔材料。

本发明的原理及有益效果在于：

(1)本发明所制得的Fe-Cr-Ni-Si多孔材料，充分利用压坯中粉末粒度之间的间隙孔和烧结过程中的反应造孔，所制得的孔结构尺寸均匀可控，孔隙丰富均匀，满足过滤材料的孔隙条件。

(2)所制得的Fe-Cr-Ni-Si多孔材料，力学性能优异，能够抵抗过滤过程中的各种外力作用，满足过滤材料的力学性能要求。

(3)本发明所使用的Fe、Cr、Ni、Si元素粉末来源广，能有效的控制材料成本。

(4)本发明提出的抗高温氧化、耐碱蚀的铁基多孔材料其烧结温度低，工艺简短可控，可批量化生产，制备成本低。

(5)所制得的Fe-Cr-Ni-Si多孔材料的抗高温氧化性能和抗腐蚀性能优异，在高温和碱蚀过滤过程中能够保持良好的孔隙结构和稳定性，符合实际工业应用的要求。

附图说明

图1为本发明实施例1中所制得的Fe-Cr-Ni-Si多孔材料的金相组织形貌。

图2为本发明实施例1中所制得的Fe-Cr-Ni-Si多孔材料强碱环境下腐蚀极化曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1：

将Fe粉、Cr粉、Ni粉、Si粉四种高纯粉末按比例配好，其中Cr含量为30wt％，粉末粒径为250目；Ni含量为15wt％，粉末粒径为200目；Si含量为10wt％，粉末粒径为80目；余量为粉末粒径为250目的铁粉。将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合10h后，加入粉末总质量1％的硬脂酸，再在40℃普通干燥箱中干燥8h，在150MPa的成型压力下保压60s，压制成型后得到压坯；将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为10^-3Pa，烧结工艺为：①烧结温度从室温升至330℃保温25min，升温速率控制在5℃/min；②将烧结温度升至600℃保温40min，升温速率控制在15℃/min；③将烧结温度升至1100℃保温240min，升温速率控制在10℃/min；烧结后随炉冷却即得到本发明的抗高温氧化、耐碱蚀铁基多孔材料。

用光学显微镜观察其断口金相组织，如图1所示在1100℃的最终烧结温度保温后，Fe-Cr-Ni-Si多孔材料孔隙比较丰富，孔径较大且分布均匀。用Archimedes的方法测定其开孔隙率为25～35％；最大孔径为40～60μm；在1000℃的空气中氧化，其高温氧化速率为Kp＝5.45×10^-5～1.07×10^-5(h^-1)。

图2所示为本实施例制备的Fe-Cr-Ni-Si多孔材料在6M KOH下的腐蚀极化曲线，可以看出，Fe-Cr-Ni-Si多孔材料有钝化现象，阳极电流较小，表现出优异的抗腐蚀性能。经过数据拟合得到Fe-Cr-Ni-Si多孔材料材料的腐蚀参数。Fe-Cr-Ni-Si多孔材料的自腐蚀电位为-0.64v，自腐蚀电流为4.7×10^-5，腐蚀速率为0.67。

上述数据表明本发明的Fe-Cr-Ni-Si多孔材料具有优异的抗高温氧化、耐碱蚀性能。

实施例2：

将Fe粉、Cr粉、Ni粉、Si粉四种高纯粉末按比例配好，其中Cr含量为30wt％，粉末粒径为350目；Ni含量为15wt％，粉末粒径为350目；Si含量为10wt％，粉末粒径为200目；余量为粉末粒径为350目的铁粉。将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合12h后，加入粉末总质量3％的硬脂酸，再在60℃普通干燥箱中干燥6h，在150MPa的成型压力下保压90s，压制成型后得到压坯；将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为10^-3Pa，烧结工艺为：①烧结温度从室温升至400℃保温25min，升温速率控制在10℃/min；②将烧结温度升至700℃保温40min，升温速率控制在15℃/min；③将烧结温度升至1300℃保温120min，升温速率控制在5℃/min；烧结后随炉冷却即得到本发明的抗高温氧化、耐碱蚀的铁基多孔材料。按照实施例1中的方法进行相同实验，得到与实施实例1中相似的结果。

实施例3：

将Fe粉、Cr粉、Ni粉、Si粉四种高纯粉末按比例配好，其中Cr含量为25wt％，粉末粒径为350目；Ni含量为20wt％，粉末粒径为350目；Si含量为5wt％，粉末粒径为200目；余量为粉末粒径为200目的铁粉。将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合8h后，加入粉末总质量2％的硬脂酸，再在50℃普通干燥箱中干燥8h，在100MPa的成型压力下保压90s，压制成型后得到压坯；将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为10^-3Pa，烧结工艺为：①烧结温度从室温升至350℃保温25min，升温速率控制在10℃/min；②将烧结温度升至700℃保温40min，升温速率控制在10℃/min；③将烧结温度升至1200℃保温180min，升温速率控制在10℃/min；烧结后随炉冷却即得到本发明的抗高温氧化、耐碱蚀的铁基多孔材料。按照实施例1中的方法进行相同实验，得到与实施例1中相似的结果。

实施例4：

将Fe粉、Cr粉、Ni粉、Si粉四种高纯粉末按比例配好，其中Cr含量为30wt％，粉末粒径为200目；Ni含量为15wt％，粉末粒径为200目；Si含量为2wt％，粉末粒径为200目；余量为粉末粒径为300目的铁粉。将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合12h后，加入粉末总质量1.5％的硬脂酸，再在45℃普通干燥箱中干燥10h，在100MPa的成型压力下保压100s，压制成型后得到压坯；将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为10^-3Pa，烧结工艺为：①烧结温度从室温升至330℃保温35min，升温速率控制在10℃/min；②将烧结温度升至700℃保温35min，升温速率控制在10℃/min；③将烧结温度升至1150℃保温200min，升温速率控制在8℃/min；烧结后随炉冷却即得到本发明的抗高温氧化、耐碱蚀的铁基多孔材料。按照实施例1中的方法进行相同实验，得到与实施例1中相似的结果。

实施例5：

将Fe粉、Cr粉、Ni粉、Si粉四种高纯粉末按比例配好，其中Cr含量为20wt％，粉末粒径为300目；Ni含量为25wt％，粉末粒径为300目；Si含量为5wt％，粉末粒径为150目；余量为粉末粒径为350目的铁粉。将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合16h后，加入粉末总质量2.5％的硬脂酸，再在55℃普通干燥箱中干燥8h，在50MPa的成型压力下保压180s，压制成型后得到压坯；将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为10^-3Pa，烧结工艺为：①烧结温度从室温升至330℃保温25min，升温速率控制在5℃/min；②将烧结温度升至600℃保温40min，升温速率控制在8℃/min；③将烧结温度升至1250℃保温140min，升温速率控制在3℃/min；烧结后随炉冷却即得到本发明的抗高温氧化、耐碱蚀的铁基多孔材料。按照实施例1中的方法进行相同实验，得到与实施例1中相似的结果。

实施例6：

将Fe粉、Cr粉、Ni粉、Si粉四种高纯粉末按比例配好，其中Cr含量为22wt％，粉末粒径为200目；Ni含量为18wt％，粉末粒径为250目；Si含量为2wt％，粉末粒径为200目；余量为粉末粒径为300目的铁粉。将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合8h后，加入粉末总质量1.8％的硬脂酸，再在40℃普通干燥箱中干燥10h，在100MPa的成型压力下保压180s，压制成型后得到压坯；将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为10^-3Pa，烧结工艺为：①烧结温度从室温升至400℃保温30min，升温速率控制在8℃/min；②将烧结温度升至700℃保温35min，升温速率控制在10℃/min；③将烧结温度升至1150℃保温220min，升温速率控制在5℃/min；烧结后随炉冷却即得到本发明的抗高温氧化、耐碱蚀的铁基多孔材料。按照实施例1中的方法进行相同实验，得到与实施例1中相似的结果。

实施例7：

将Fe粉、Cr粉、Ni粉、Si粉四种高纯粉末按比例配好，其中Cr含量为20wt％，粉末粒径为250目；Ni含量为15wt％，粉末粒径为300目；Si含量为10wt％，粉末粒径为150目；余量为粉末粒径为200目的铁粉。将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合14h后，加入粉末总质量2.8％的硬脂酸，再在60℃普通干燥箱中干燥6h，在150MPa的成型压力下保压90s，压制成型后得到压坯；将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为10^-3Pa，烧结工艺为：①烧结温度从室温升至360℃保温35min，升温速率控制在10℃/min；②将烧结温度升至700℃保温40min，升温速率控制在12℃/min；③将烧结温度升至1300℃保温140min，升温速率控制在10℃/min；烧结后随炉冷却即得到本发明的抗高温氧化、耐碱蚀的铁基多孔材料。按照实施例1中的方法进行相同实验，得到与实施例1中相似的结果。

实施例8：

将Fe粉、Cr粉、Ni粉、Si粉四种高纯粉末按比例配好，其中Cr含量为25wt％，粉末粒径为300目；Ni含量为22wt％，粉末粒径为300目；Si含量为7wt％，粉末粒径为150目；余量为粉末粒径为250目的铁粉。将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合10h后，加入粉末总质量2％的硬脂酸，再在45℃普通干燥箱中干燥10h，在150MPa的成型压力下保压90s，压制成型后得到压坯；将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为10^-3Pa，烧结工艺为：①烧结温度从室温升至350℃保温25min，升温速率控制在10℃/min；②将烧结温度升至700℃保温30min，升温速率控制在15℃/min；③将烧结温度升至1250℃保温160min，升温速率控制在7℃/min；烧结后随炉冷却即得到本发明的抗高温氧化、耐碱蚀的铁基多孔材料。按照实施例1中的方法进行相同实验，得到与实施例1中相似的结果。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种抗高温氧化、耐碱蚀的铁基多孔材料，其制备方法包括如下步骤：

（1）粉末配制：将粒径为200～350目的Fe、200～350目的Cr、200～350目的Ni、80～200目的Si四种高纯粉末按质量百分比为Cr20～30%、Ni 15～25%、Si2～10%、Fe为余量的比例配制；

（2）粉末处理：将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合8-16h后，加入粉末总质量1-3%的硬脂酸，再在40-60℃普通干燥箱中干燥6-10h；

（3）压制成型：将混合均匀的粉料在50～200MPa的压力下保压30～120s后压制成型，得到生坯；

（4）生坯烧结：将步骤（3）所制生坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为1x10^-2～10^{- 4}Pa；烧结工艺为①5～10℃/min的升温速度从室温升至330～400℃，保温25～35min；②5～15℃/min的升温速度升温至600～700℃，保温30～40min；③ 1～10℃/min的升温速度升温至1100～1300℃并在该温度下保温2～4h；随炉冷却至室温，即得到抗高温氧化、耐碱蚀铁基多孔材料。

2.一种抗高温氧化、耐碱蚀的铁基多孔材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）粉末配制：将粒径为200～350目的Fe、200～350目的Cr、200～350目的Ni、80～200目的Si四种高纯粉末按质量百分比为Cr20～30%、Ni 15～25%、Si2～10%、Fe为余量的比例配制；

（2）粉末处理：将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合8-16h后，加入粉末总质量1-3%的硬脂酸，再在40-60℃普通干燥箱中干燥6-10h；

（3）压制成型：将混合均匀的粉料在50～200MPa的压力下保压30～120s后压制成型，得到生坯；

（4）生坯烧结：将步骤（3）所制生坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为1x10^-2～10^{- 4}Pa；烧结工艺为①5～10℃/min的升温速度从室温升至330～400℃，保温25～35min；②5～15℃/min的升温速度升温至600～700℃，保温30～40min；③ 1～10℃/min的升温速度升温至1100～1300℃并在该温度下保温2～4h；随炉冷却至室温，即得到抗高温氧化、耐碱蚀铁基多孔材料。