JP3569682B2 - High corrosion resistance metal sintered filter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チタン粉末焼結体からなる高耐食性金属焼結フィルタに関する。
【0002】
【従来の技術】
化学工業、高分子工業、薬品工業等で使用されるフィルタの一つとして金属粉末焼結フィルタがある。ここにおける金属としては、黄銅系、ステンレス鋼系が一般的であり、最近ではチタン系も用いられている。
【0003】
チタン系の焼結フィルタは、ステンレス鋼系のものと比べ、耐食性及び耐酸性等に優れるが、成形性が悪い。このため、比較的成形性の良好な水素化脱水素チタン粉末を金型プレスで成形し、その後焼結するのが一般的な製法とされており、水素化脱水素チタン粉末と同様に成形性が比較的良好なスポンジチタンの粉末を使用する製法も特開平7−238302号公報に記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水素化脱水素チタン粉末やスポンジチタン粉末を使用したチタン焼結フィルタでは、気孔の大きさ及び形状がランダムに分布している。この種のフィルタは、逆洗を繰り返しながら長期間使用されるが、気孔の大きさ及び形状がランダムであると、逆洗を行っても捕捉されている固形分が十分に除去されない。このため、逆洗再生性が低いという問題がある。
【0005】
金属粉末焼結フィルタの逆洗再生性を高めるために、フィルタの表面から裏面へ気孔径を増大させることは、ステンレス鋼系のものについては、特許第2791737号公報に記載されている。具体的には、仮焼結により得た多孔質体の表面に、微細粉末をバインダ樹脂溶液中に分散させたスラリーを塗布した後、本焼結を行うことにより、多孔質体の表面に微孔の皮層が形成される。
【0006】
この多層構造によると、処理液中の殆ど全ての固形分が、微孔の形成された皮層で捕捉され、基層内部の気孔には固形分が捕捉されないので、皮層に蓄積した固形分が逆洗により除去されやすくなる。しかし、その一方では以下の問題がある。
【0007】
ステンレス鋼はチタンより耐食性が劣る。また、ここで使用されているステンレス鋼粉末は水アトマイズ法により製造された不定形粒子からなり、皮層も含めて気孔の大きさ及び形状がランダムである。加えて、皮層は基層のようにプレス成形を受けていないため、基層以上に微孔の大きさ及び形状がランダムである。このため、逆洗後も皮層に固形物が残り、期待するほどの逆洗再生性は得られない。また、プレス成形を受けない皮層と、これを受けた基層とで空隙率が大きく異なるため、処理液の流通性が低下するおそれもある。
【0008】
本発明の目的は、耐食性及び逆洗再生性に優れた金属焼結フィルタを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
従来のチタン粉末焼結フィルタでは、そのチタン粉末として水素化脱水素チタン粉末やスポンジチタン粉末が使用される。これは、粉末を構成する粒子が不定形であるため、プレス成形性に優れることが主な理由である。また、粒子が不定形の場合、気孔径がばらつくため、プレス成形により気孔径を均一化する必要があり、そのプレス成形が不可欠となる。
【0010】
しかし、プレス成形を行っても、気孔径の均一性は依然として不十分であり、プレス成形を行わない皮層では、気孔径の不均一が顕著となることは、前述したとおりである。
【0011】
この問題を解消するために、本発明者らは球状ガスアトマイズチタン粉末に着目した。球状ガスアトマイズチタン粉末とは、ガスアトマイズ法により製造されたチタン又はチタン合金の粉末であり、個々の粒子は、チタン又はチタン合金の溶融飛沫が飛散中に凝固してできたものであるから、表面が滑らかな球形をしている。また、粒径は例えば平均で100μm以下と非常に微細にでき、篩分けにより粒度による区分も容易である。
【0012】
このような球状ガスアトマイズチタン粉末は流動性に非常に優れ、粒子同士の接触性が良いため、焼結容器に充填することより、加圧なしで均一かつ十分な充填密度が得られる。そして、これを焼結することにより、プレス成形なしで機械的強度の高い多孔質体が製造され、製造された多孔質体では、気孔径の均一性に優れ、気孔形状も球体に囲まれた滑らかな形状になる。また、粉末の粒径を変えること、即ち使用する粉末の粒径により、空隙率が一定のままで気孔径が広範囲に制御される。また、その空隙率としてはフィルタに適した35〜55%が無加圧で得られる。
【0013】
本発明の高耐食性金属焼結フィルタは、球状ガスアトマイズチタン粉末を焼結容器内に充填し焼結して形成されたチタン多孔質体からなり、且つその多孔質体の一方の表面から他方の表面へかけて気孔径が3〜70μmの範囲内で段階的に増大すると共に、前記多孔質体の一方の表面から他方の表面へかけて空隙率が35〜55%の範囲内で均一のものであり、逆洗再生性に優れると共に、多孔質体の一方の表面から他方の表面へかけて気孔径を増大せさせるにもかかわらず、均一な空隙率を得ることができる。
【0014】
図1は金属焼結フィルタの従来例及び本発明例における構造の相違を示すイメージ図である。
【0015】
図1(a)に示す従来例では、チタン粉末として水素化脱水素チタン粉末やスポンジチタン粉末等の、不定形なチタン粒子1からなる粉末が使用されており、表層ほど細粒が使用されることにより、表層ほど気孔径が縮小されている。プレス成形性が比較的良好でそのプレス成形により空隙率が均一化されるが、その均一化は不十分である。また、チタン粒子1間に形成される気孔2の形状が滑らかでないため、固形分の除去が困難である。これに対し、図1(b)に示す本発明例では、チタン粉末としてガスアトマイズ法により製造された球状のチタン粒子1からなる粉末が使用されており、表層ほど細粒が使用されることにより、表層ほど気孔径が縮小されているが、空隙率は無加圧でも一定である。また、チタン粒子1間に形成される気孔2の形状は、球面により滑らかに形成されているため、気孔2からの固形分の除去は容易である。
【0016】
球状ガスアトマイズチタン粉末としては、例えば粒径範囲によって区分された次の3種類が市販されている。即ち、45μm以下の細粒、45〜150μmの粗粒、更に粗い150μm以上の3種類であり、平均粒径は細粒で約25μm、粗粒で約80μmである。
【0017】
球状ガスアトマイズチタン粉末の粒径は、気孔径に影響する。フィルタの一方の面から他方の面にかけて使用する粉末の粒径を段階的に大きくすることにより、気孔径を段階的に増大できる。即ち、気孔径が段階的に増大する複数の多孔質層を重ね合わせた積層構造が得られる。球状粉末の粒径を変えた場合も、無加圧であれば空隙率は基本的に一定であるので、空隙率を変えずに気孔径を変化させることができる。ただし、焼結温度を変更すれば、粒子間の接触面積が変わることにより、気孔径が制御され、空隙率も制御される。
【0018】
気孔径としては3〜70μmの範囲内で選択する。即ち、高耐食性金属焼結フィルタとしては気孔径が70μm以下のものが濾過性の点から望まれているが、3μm未満の気孔径を得ようとすると、平均粒径が10μm以下の球状ガスアトマイズ粉末を使用する必要があり、製造コストが高くなってしまのである。
【0019】
空隙率については、球状ガスアトマイズチタン粉末として市販品を使用し、かつ充填時や焼結時に加圧を行わずとも、35〜55%の空隙率が得られる。本発明者らによる調査によれば、この空隙率は金属粉末焼結フィルタとして好ましい値であり、本発明での範囲である。
【0020】
球状ガスアトマイズチタン粉末の粒径範囲は特に限定せず、上述の市販品レベルで何ら問題ないが、ガスアトマイズ法といえども極端な細粒を歩留りよく工業的に生産することは困難である。また、粗粒の場合は薄型の多孔質体を製造したときに多孔質体の厚みに対するチタン粉末の接触面積が小さくなるために強度不足が懸念される。よって、粒径は、平均で10〜150μmの範囲内から、要求される気孔径に応じて選択するのが好ましい。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図2は本発明の一実施形態を示す金属焼結フィルタの模式断面図である。
【0022】
所定の平均粒径をもつ球状ガスアトマイズチタン粉末を高密度アルミナ製の焼結容器内に無加圧で充填した後、その球状ガスアトマイズチタン粉末を無加圧で真空焼結することにより、第1の板状多孔質体11を製造する。
【0023】
第1の板状多孔質体11に使用された球状ガスアトマイズチタン粉末より平均粒径が大きい球状ガスアトマイズチタン粉末を用いて、同様に第2の板状多孔質体12を製造する。第1の板状多孔質体11と同じ空隙率が得られるように、焼結温度を調整する。
【0024】
第2の板状多孔質体12に使用された球状ガスアトマイズチタン粉末より更に平均粒径が大きい球状ガスアトマイズチタン粉末を用いて、同様に第3の板状多孔質体13を製造する。第1の板状多孔質体11及び第2の板状多孔質体12と同じ空隙率が得られるように、焼結温度を調整する。
【0025】
製造された3枚の板状多孔質体11,12,13を重ね合わせて焼結することにより、3層構造の焼結フィルタ10を製造する。製造された焼結フィルタ10では、使用された粉末の粒径が異なるため、板状多孔質体11,12,13の順に気孔径が増大する。空隙率については、いずれも無加圧充填のために殆ど同じである。各多孔質体における気孔は、大きさのバラツキが少なく、形状も滑らかで揃ったものになる。
【0026】
フィルタとしての性能は、処理液を板状多孔質体11,12,13の順に通し、気孔径が最も小さい板状多孔質体11で処理液中の固形分の殆どを捕捉する設計とすることにより、優れた逆洗再生性が得られる。即ち、固形物が板状多孔質体12,13に分散しない上、板状多孔質体11における気孔の形状が滑らかで揃っているため、その気孔中に捕捉された固形分が逆洗でスムーズに除去されるのである。
【0027】
各焼結での焼結温度は、チタンの融点よりはるかに低温の850〜1200℃の範囲内で選択するのが好ましい。焼結温度が850℃より低い場合は、十分な焼結が行われない。1200℃を超えると、無加圧の場合でも焼結部分が個々の粒子同士の接触部にとどまらず、粒子同士が溶け合うため、適正な空隙率及び気孔径を確保できなくなる危険がある。この温度範囲内で焼結温度を変更することにより、空隙率及び気孔径が制御されることは前述したとおりである。
【0028】
本発明の実施例として、上記方法で3層構造のチタン焼結フィルタを作製した。各層の厚みは1mm(合計3mm)である。各層に使用した球状ガスアトマイズチタン粉末の平均粒径は20μm、60μm、100μmとし、各層の最大気孔径は6μm、22μm、37μmであった。また空隙率は各層とも45%であった。
【0029】
比較例として、水素化脱水素チタン粉末の市販品を使用して同様のチタン焼結フィルタを作製した。3枚の板状多孔質体の作製では、成形と気孔径の均一化のためにプレスが必要であった。空隙率は各層でばらつき、55%、48%、37%であった。
【0030】
両者の逆洗における再生性を比較した。即ち、平均粒径10μmのシリカビーズを10mg/Lとなるように水に配合した溶液を、それぞれのフィルタで濾過乾燥した後の重量増加量を一定とし、その後、空気圧力5kgf/cm2 で一定時間逆洗乾燥して使用前後の重量変化を測定して逆洗再生性を評価した。実施例では97%が逆洗により除去されたが、比較例では83%しか除去されなかった。
【0031】
上記実施形態では、予め気孔径が異なる多孔質体を作製して積層したが、粒径が異なるチタン粒子を層状に充填して焼結しても、同様の積層構造を得ることができる。ちなみに、図1(b)に示した積層構造は、後者の方法によるものである。
【0032】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の高耐食性金属焼結フィルタは、チタン粉末を使用するので、耐食性に非常に優れる。一方の表面から他方の表面へかけて気孔径が段階的に増大する上、各段階では気孔の大きさが揃い、形状も滑らかであるため、逆洗再生性にも優れる。また、一方の表面から他方の表面へかけて気孔径が段階的に増大するにもかかわらず、一方の表面から他方の表面へかけて空隙率が均一であるため、通液性への悪影響を回避できる。製造が簡単なため、製造コストも安価に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】金属焼結フィルタの従来例及び本発明例における構造の相違を示すイメージ図で、(a)は従来例、(b)は本発明例を示す。
【図2】本発明の一実施形態を示す金属焼結フィルタの模式断面図である。
【符号の説明】
1 チタン粒子
2 気孔
10 焼結フィルタ
11,12,13 板状多孔質体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a highly corrosion-resistant metal sintered filter made of a sintered titanium powder.
[0002]
[Prior art]
One of the filters used in the chemical industry, polymer industry, pharmaceutical industry, and the like is a metal powder sintered filter. As the metal here, brass and stainless steel are generally used, and recently titanium is also used.
[0003]
Titanium-based sintered filters have better corrosion resistance and acid resistance than stainless steel-based filters, but have poor moldability. For this reason, it is a common manufacturing method to mold a hydrodehydrogenated titanium powder with relatively good moldability by a mold press and then sinter it. Japanese Patent Application Laid-Open No. H7-238302 also discloses a production method using a sponge titanium powder having a relatively good quality.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a titanium sintered filter using titanium hydride dehydrogenated powder or sponge titanium powder, the size and shape of pores are randomly distributed. This type of filter is used for a long time while repeating backwashing. However, if the pores are random in size and shape, even if the backwashing is performed, the captured solids are not sufficiently removed. For this reason, there is a problem that the backwash regenerating property is low.
[0005]
Increasing the pore diameter from the front surface to the back surface of the metal powder sintered filter in order to enhance the backwash regenerating property is described in Japanese Patent No. 2791737 for a stainless steel type filter. Specifically, a slurry in which fine powder is dispersed in a binder resin solution is applied to the surface of the porous body obtained by the preliminary sintering, and then the main sintering is performed. A pore skin is formed.
[0006]
According to this multi-layer structure, almost all solids in the treatment liquid are captured by the skin layer in which the micropores are formed, and solids are not captured in pores inside the base layer. Facilitates removal. However, on the other hand, there are the following problems.
[0007]
Stainless steel has lower corrosion resistance than titanium. Further, the stainless steel powder used here is composed of irregular particles produced by a water atomizing method, and the size and shape of pores including the skin layer are random. In addition, since the skin layer is not subjected to press molding unlike the base layer, the size and shape of the micropores are more random than the base layer. For this reason, solids remain in the skin layer even after backwashing, and the expected backwashing reproducibility cannot be obtained. In addition, since the porosity of the skin layer that is not subjected to press molding is greatly different from the porosity of the base layer that has been subjected to press molding, the flowability of the treatment liquid may be reduced.
[0008]
An object of the present invention is to provide a sintered metal filter having excellent corrosion resistance and backwash regenerating property.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the conventional titanium powder sintered filter, hydrodehydrogenated titanium powder or sponge titanium powder is used as the titanium powder. This is mainly due to the fact that the particles constituting the powder are indefinite in shape and therefore excellent in press moldability. In the case where the particles are amorphous, the pore diameter varies, so that it is necessary to make the pore diameter uniform by press molding, and the press molding is indispensable.
[0010]
However, as described above, even when press molding is performed, the uniformity of the pore diameter is still insufficient, and in the skin layer not subjected to the press molding, the nonuniformity of the pore diameter becomes remarkable as described above.
[0011]
In order to solve this problem, the present inventors have focused on spherical gas atomized titanium powder. Spherical gas atomized titanium powder is a powder of titanium or a titanium alloy produced by a gas atomization method, and individual particles are formed by solidification of molten droplets of titanium or a titanium alloy during scattering. It has a smooth spherical shape. Further, the particle size can be extremely fine, for example, 100 μm or less on average, and it is easy to classify by particle size by sieving.
[0012]
Such a spherical gas atomized titanium powder is extremely excellent in fluidity and has good contact between particles. Therefore, by filling a sintering container, a uniform and sufficient packing density can be obtained without pressurization. Then, by sintering, a porous body having high mechanical strength is produced without press molding, and the produced porous body has excellent uniformity of pore diameter, and the pore shape is also surrounded by a sphere. It has a smooth shape. Further, by changing the particle size of the powder, that is, by controlling the particle size of the powder used, the pore size can be controlled over a wide range while the porosity is kept constant. The porosity is 35 to 55%, which is suitable for a filter, without pressure.
[0013]
The high corrosion-resistant metal sintered filter of the present invention comprises a porous titanium body formed by filling a spherical gas atomized titanium powder into a sintering container and sintering , and from one surface to the other surface of the porous body. The pore size increases stepwise within a range of 3 to 70 μm , and the porosity is uniform within a range of 35 to 55% from one surface to the other surface of the porous body. In addition, it has excellent backwash regenerating properties and can obtain a uniform porosity despite increasing the pore diameter from one surface to the other surface of the porous body .
[0014]
FIG. 1 is an image diagram showing a difference in structure between a conventional example of a metal sintered filter and an example of the present invention.
[0015]
In the conventional example shown in FIG. 1A, a powder composed of
[0016]
As the spherical gas atomized titanium powder, for example, the following three types classified by particle size range are commercially available. That is, there are three types of fine particles of 45 μm or less, coarse particles of 45 to 150 μm, and further coarse particles of 150 μm or more. The average particle size is about 25 μm for fine particles and about 80 μm for coarse particles.
[0017]
The particle size of the spherical gas atomized titanium powder affects the pore size. By gradually increasing the particle size of the powder used from one surface to the other surface of the filter, the pore diameter can be increased stepwise. That is, a laminated structure in which a plurality of porous layers whose pore diameters increase stepwise is obtained. Even when the particle diameter of the spherical powder is changed, the porosity is basically constant if no pressure is applied, so that the pore diameter can be changed without changing the porosity. However, if the sintering temperature is changed, the pore area is controlled and the porosity is controlled by changing the contact area between the particles.
[0018]
The pore diameter is selected within the range of 3 to 70 μm. That is, as a highly corrosion-resistant metal sintered filter, a filter having a pore size of 70 μm or less is desired from the viewpoint of filterability. Must be used, which increases manufacturing costs.
[0019]
As for the porosity, a porosity of 35 to 55% can be obtained without using a commercial product as a spherical gas atomized titanium powder and applying pressure during filling or sintering. According to the investigation by the present inventors, this porosity is a preferable value for a metal powder sintered filter and is within the range of the present invention .
[0020]
The particle size range of the spherical gas atomized titanium powder is not particularly limited, and there is no problem at the level of the above-mentioned commercially available products. However, it is difficult to produce extremely fine particles industrially with good yield even by the gas atomizing method. Further, in the case of coarse particles, when a thin porous body is manufactured, the contact area of the titanium powder with respect to the thickness of the porous body becomes small, so that there is a concern about insufficient strength. Therefore, it is preferable to select the particle size from an average of 10 to 150 μm according to the required pore size.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a schematic sectional view of a metal sintered filter showing one embodiment of the present invention.
[0022]
After filling a spherical gas atomized titanium powder having a predetermined average particle size into a high-density alumina sintering vessel without pressure, the spherical gas atomized titanium powder is vacuum-sintered without pressure to obtain a first gas. The plate-like porous body 11 is manufactured.
[0023]
The second plate-like porous body 12 is similarly manufactured using a spherical gas-atomized titanium powder having an average particle diameter larger than that of the spherical gas-atomized titanium powder used for the first plate-like porous body 11. The sintering temperature is adjusted so that the same porosity as that of the first plate-shaped porous body 11 is obtained.
[0024]
The third plate-like
[0025]
The
[0026]
The performance of the filter should be such that the processing liquid is passed in the order of the plate-like
[0027]
The sintering temperature in each sintering is preferably selected within the range of 850 to 1200 ° C., which is much lower than the melting point of titanium. When the sintering temperature is lower than 850 ° C., sufficient sintering is not performed. If the temperature exceeds 1200 ° C., even when no pressure is applied, the sintered portion does not remain at the contact portion between the individual particles, but the particles are melted with each other. Therefore, there is a risk that an appropriate porosity and pore diameter cannot be secured. As described above, the porosity and the pore diameter are controlled by changing the sintering temperature within this temperature range.
[0028]
As an example of the present invention, a titanium sintered filter having a three-layer structure was manufactured by the above method. The thickness of each layer is 1 mm (total 3 mm). The average particle diameter of the spherical gas atomized titanium powder used for each layer was 20 μm, 60 μm, and 100 μm, and the maximum pore diameter of each layer was 6 μm, 22 μm, and 37 μm. The porosity of each layer was 45%.
[0029]
As a comparative example, a similar titanium sintered filter was manufactured using a commercially available product of hydrodehydrogenated titanium powder. In the production of three plate-like porous bodies, a press was necessary for forming and making the pore diameter uniform. The porosity varied among the layers, being 55%, 48% and 37%.
[0030]
The reproducibility of the two in the backwash was compared. That is, a solution obtained by mixing in water to the silica beads with an average particle size of 10μm the 10 mg / L, the increase in weight after filtration dried in each filter is constant, then constant at air pressure 5 kgf / cm 2 After backwashing and drying for a time, the weight change before and after use was measured to evaluate the backwashing reproducibility. In the example, 97% was removed by backwashing, but in the comparative example, only 83% was removed.
[0031]
In the above embodiment, the porous bodies having different pore diameters were prepared and laminated in advance, but the same laminated structure can be obtained by filling and sintering titanium particles having different particle diameters in a layer. Incidentally, the laminated structure shown in FIG. 1B is based on the latter method.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, the highly corrosion-resistant metal sintered filter of the present invention uses titanium powder, and thus has extremely excellent corrosion resistance. Since the pore diameter increases stepwise from one surface to the other surface, and the pore size is uniform and the shape is smooth at each stage, the backwashing reproducibility is excellent. Also, despite the gradual increase in the pore size from one surface to the other surface, the porosity is uniform from one surface to the other surface, which has an adverse effect on liquid permeability. Can be avoided. Since the manufacturing is simple, the manufacturing cost can be suppressed at a low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an image diagram showing the difference in structure between a conventional example of a metal sintered filter and an example of the present invention, wherein (a) shows a conventional example and (b) shows an example of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of a metal sintered filter showing one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
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