RU2044090C1

RU2044090C1 - Multilayer metallic filtering material production method

Info

Publication number: RU2044090C1
Application number: RU93036736A
Authority: RU
Inventors: А.В. Загнитько; О.А. Иванов; В.Г. Карамышев; А.А. Косяков; Е.А. Никулин; Б.С. Поспелов; В.Н. Прусаков; Н.М. Троценко; А.Н. Аршинов
Original assignee: Российский научный центр "Курчатовский институт"
Priority date: 1993-07-16
Filing date: 1993-07-16
Publication date: 1995-09-20

Abstract

FIELD: air and industrial gasses fine filtration to prevent high-dispersive micro impurities. SUBSTANCE: method to produce multilayer metallic filtering material provides for formation of rough porous base of metal powder, its sintering, creation of selective fine-porous layer by vacuum treatment of suspension of ultradispersive powder with particles of dendritic form till formation of structure with special fractional size of pores 0.1 0.5 mcm with following its sintering. Then front surfaces of rough-porous bases are connected and sintered under temperature of 300 400 C. EFFECT: increased efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам получения спеченных металлических фильтрующих материалов, и может быть использовано для высокоэффективной очистки технологических сред от дисперсных микрозагрязнений в микроэлектронике, медицине, биотехнологии и пищевой промышленности. The invention relates to powder metallurgy, and in particular to methods for producing sintered metal filter materials, and can be used for highly efficient cleaning of process media from dispersed microcontaminants in microelectronics, medicine, biotechnology, and the food industry.

Известен способ изготовления спеченного порошкового металлокерамического материала, включающий прессование пористых заготовок, их загрузку в контейнер, помещение на пористую заготовку в контейнере слоя тонкодисперсного порошка, пропускание через нее потока газа и соответственно конвективное заполнение пор тонкодисперсными частицами и последующее их спекание. A known method of manufacturing sintered powder metal-ceramic material, including pressing porous preforms, loading them into a container, placing a layer of fine powder on a porous workpiece in a container, passing a gas stream through it and accordingly convectively filling pores with fine particles and their subsequent sintering.

Способ позволяет создать неоднородную тонкопористую фильтрующую структуру, однако материал не позволяет осуществить высокоэффективную очистку газа от субмикронных аэрозольных частиц с размером менее 1 мкм из-за слабого развития поверхностей пор, наличия микронеоднородностей (проколы, трещины) тонкопористой фильтрующей структуры, а также микропыления материала, недопустимого при высокоэффективной очистке газов. The method allows to create an inhomogeneous finely porous filtering structure, however, the material does not allow highly efficient gas purification from submicron aerosol particles with a size of less than 1 μm due to the poor development of pore surfaces, the presence of microinhomogeneities (punctures, cracks) of a finely porous filtering structure, as well as micro-dusting of an unacceptable material with highly efficient gas cleaning.

Известен способ получения спеченных пористых изделий с образованием многослойной металлической структуры путем формирования грубопористой подложки из металлического порошка, ее спекания с последующим созданием селективного тонкопористого слоя протяжкой через подложку суспензии частиц металлического порошка того же металла с размером 0,01-0,1 размера максимальных пор, воздействие на подложку ультразвуковыми колебаниями под слоем жидкости и повторное спекание при температуре 0,8-0,9 Т первого спекания. Способ обеспечивает создание селективного тонкопористого слоя на фронтальной поверхности грубопористой подложки, а также создание тонкопористой структуры в подложке. A known method of producing sintered porous products with the formation of a multilayer metal structure by forming a coarse-porous substrate from a metal powder, sintering it, followed by creating a selective finely porous layer by pulling through a substrate a suspension of particles of a metal powder of the same metal with a size of 0.01-0.1 maximum pore size, exposure to the substrate by ultrasonic vibrations under the liquid layer and re-sintering at a temperature of 0.8-0.9 T of the first sintering. The method provides the creation of a selective finely porous layer on the front surface of a coarse-porous substrate, as well as the creation of a finely porous structure in the substrate.

Однако фильтрующий материал имеет большое сопротивление потоку газа и не обеспечивает высокоэффективное улавливание субмикронных аэрозольных частиц из-за наличия микродефектов тонкопористой структуры (трещины, проколы, крупные поры). В результате качество материала γ= -lg(1-E)/ Δp/u) является низким и не отвечает современным требованиям, где Е эффективность улавливания наиболее проникающих частиц; Δр сопротивление материала при скорости фильтрации газа u. However, the filter material has a high resistance to gas flow and does not provide highly efficient capture of submicron aerosol particles due to the presence of microdefects of a finely porous structure (cracks, punctures, large pores). As a result, the quality of the material γ = -lg (1-E) / Δp / u) is low and does not meet modern requirements, where E is the efficiency of capture of the most penetrating particles; Δp material resistance at gas filtration rate u.

Задача изобретения связана с повышением качества многослойного металлического фильтрующего материала путем увеличения эффективности улавливания аэрозольных частиц и уменьшения сопротивления потоку газа за счет создания более однородной многослойной тонкопористой структуры и уменьшения микродефектов фильтрующего материала вследствие их одновременного перекрытия и выравнивания размеров пор селективных слоев. The objective of the invention is to improve the quality of the multilayer metal filter material by increasing the efficiency of trapping aerosol particles and reducing the resistance to gas flow by creating a more homogeneous multilayer finely porous structure and reducing microdefects of the filter material due to their simultaneous overlap and equalization of pore sizes of the selective layers.

Для решения поставленной задачи в способе получения многослойного металлического фильтрующего материала для высокоэффективной очистки технологических сред путем формования грубопористой подложки из металлического порошка, ее спекания, создание селективного тонкопористого слоя протяжкой через подложку суспензии частиц металлического порошка с последующим спеканием, селективный фильтрующий тонкопористый слой создают вакуумной протяжкой суспензии ультрадисперсного порошка с частицами дендритной формы до образования на фронтальной поверхности подложки тонкопористой структуры с характерным фрактальным размером пор 0,1-0,5 мкм, после спекания которой проводят соединение фронтальных поверхностей грубопористых подложек со стороны селективных тонкопористых слоев прессованием с последующим их спеканием при температуре 300-400^оС.To solve the problem in a method for producing a multilayer metal filter material for highly efficient cleaning of technological environments by forming a coarse-porous substrate from a metal powder, sintering it, creating a selective finely porous layer by pulling a suspension of metal powder particles through the substrate, followed by sintering, a selective filtering finely porous layer is created by vacuum broaching the suspension ultrafine powder with dendritic particles to form on the frontal second surface of the substrate fine pore structure with a typical fractal pore size 0.1-0.5 microns, after which sintering is performed compound frontal surfaces coarse-porous substrates by selective finely porous layer pressing, followed by sintering at a temperature of 300-400 ° ^C.

Таким образом высокоэффективный фильтрующий селективный слой материала состоит из двух независимо сформированных слоев, соединенных прессованием и спеканием, и расположен между грубопористыми подложками. Thus, a highly effective filtering selective material layer consists of two independently formed layers connected by pressing and sintering, and is located between the coarse-porous substrates.

Создание тонкого высокоэффективного однородного слоя (с незначительным газодинамическим сопротивлением потоку газа) на фронтальной фильтрующей поверхности грубопористой подложки крайне затруднительно из-за возникающих дефектов (проколы, трещины, разломы) при его формировании. Увеличить качество разработанного фильтрующего материала за счет увеличения его эффективности и уменьшения сопротивления удается в результате перекрытия микродефектов при соединении прессованием и спеканием независимо сформированных селективных слоев, защищенных с двух сторон грубопористыми подложками, а также в результате выравнивания размеров пор высокоэффективного селективного фильтрующего слоя материала в процессе прессования и плотного соединения неспеченных селективных слоев, находящихся в легкоподвижном состоянии, и последующего спекания. The creation of a thin highly efficient homogeneous layer (with insignificant gas-dynamic resistance to gas flow) on the front filtering surface of a coarse-porous substrate is extremely difficult due to defects (punctures, cracks, breaks) during its formation. It is possible to increase the quality of the developed filter material by increasing its efficiency and decreasing resistance as a result of overlapping microdefects when pressing and sintering independently formed selective layers protected on both sides by porous substrates, as well as by aligning the pore sizes of the highly effective selective filtering material layer during pressing and a dense connection of non-sintered selective layers in a mobile state, and leduyuschego sintering.

На фиг. 1 приведена характерная структура фильтрующего материала, созданного по предлагаемому способу; на фиг. 2 принципиальная схема его осуществления. In FIG. 1 shows the characteristic structure of the filter material created by the proposed method; in FIG. 2 schematic diagram of its implementation.

А пористая подложка из металлического грубодисперсного порошка (например, пористый диск); Б селективный тонкопористый слой с однородным распределением пор по размерам, нанесенный на фронтальную поверхность подложки А; В многослойный металлический фильтрующий материал; Г высокоэффективный фильтрующий слой, состоящий из двух плотно соединенных селективных слоев Б. A porous substrate of a metal coarse powder (for example, a porous disk); B a selective finely porous layer with a uniform pore size distribution deposited on the front surface of the substrate A; In a multilayer metal filter material; G high-performance filter layer, consisting of two tightly connected selective layers B.

Устройство для реализации способа содержит (фиг. 2) блок 1 формирования грубопористой подложки А; блок 2 формирования селективного тонкопористого слоя Б на фронтальной поверхности грубопористой подложки А вакуумной протяжкой суспензии ультрадисперсных дендритной формы частиц из генератора 3 металлического порошка; блок 4 образования многослойного металлического фильтрующего материала В прессованием грубопористых подложек А с селективными слоями Б с последующим их спеканием при 300-400^оС.A device for implementing the method comprises (Fig. 2) a unit 1 for forming a coarse-porous substrate A; block 2 for the formation of a selective finely porous layer B on the front surface of the coarse-porous substrate A by vacuum drawing a suspension of ultrafine dendritic particles from a generator 3 of metal powder; formation unit 4 multilayer metal filter material in compression A coarse-porous substrates with selective layers B with subsequent sintering at 300-400 ° ^C.

Способ осуществляют следующим образом. В блоке 1 формуют грубопористую подложку прессованием листового пористого металлического материала из грубодисперсного порошка с размером частиц более 3-5 мкм с последующим его спеканием. В блоке 2 на фронтальной поверхности грубопористой подложки А создают селективный тонкопористый слой Б толщиной менее 10 мкм путем вакуумной протяжки водной суспензии ультрадисперсного порошка с частицами дендритной формы. The method is as follows. In block 1, a coarse-porous substrate is formed by pressing a sheet of porous metallic material from a coarse powder with a particle size of more than 3-5 μm, followed by sintering. In block 2, on the front surface of the coarse-porous substrate A, a selective fine-porous layer B is created with a thickness of less than 10 μm by vacuum drawing an aqueous suspension of ultrafine powder with dendritic particles.

Частицы получают в генераторе 3, например, электрохимическим способом в электролизной ванне с диспергированным катодом при катодной плотности тока до нескольких тысяч Ампер/см². В заявленном способе используют дендритные частицы с размером d ≃ 0,1-0,5 мкм. При этом после спекания образуется механически достаточно жесткий и прочный тонкопористый селективный слой из фракталей частиц дендритной формы с фрактальным размером пор от 0,1 до 0,5 мкм, который достаточно эффективно задерживает субмикронные аэрозольные частицы (

1 мкм). Размер пор 0,1-0,5 мкм зависит от размера частиц порошка, поэтому использование суспензии порошка с d > 0,5 мкм нецелесообразно, поскольку после спекания образуется грубопористая (фрактальная) структура, в которой субмикронные частицы осаждаются неэффективно, так как диффузионное осаждение и механизм зацепления неэффективны в грубопористых структурах небольшой толщины (десятки микрон).Particles are obtained in the generator 3, for example, by the electrochemical method in an electrolysis bath with a dispersed cathode at a cathode current density of up to several thousand Amperes / cm ² . In the inventive method, dendritic particles with a size of d ≃ 0.1-0.5 μm are used. In this case, after sintering, a mechanically sufficiently rigid and strong finely porous selective layer of fractals of dendritic particles with a fractal pore size of 0.1 to 0.5 μm is formed, which effectively retains submicron aerosol particles (

1 μm). The pore size of 0.1-0.5 μm depends on the particle size of the powder, therefore, the use of a powder suspension with d> 0.5 μm is impractical, since after sintering a coarse-porous (fractal) structure is formed in which submicron particles are ineffectively deposited, since diffusion deposition and the engagement mechanism is ineffective in coarse-porous structures of small thickness (tens of microns).

Использование частиц порошка с d < 0,1 мкм, также нецелесообразно, поскольку образуется фрактальная пористая структура с большим сопротивлением и с существенными микронеоднородностями из-за изменения размеров столь мелких дендритных частиц при спекании. Процесс создания селективного слоя ведут до образования пористой структуры с характерным фрактальным размером пор около 0,1 мкм и контролируют его, например, путем измерения среднего размера пор, сопротивления материала и величины проскока монодисперсных частиц с размером от 0,1 до 0,3 мкм через образованную структуру на стенде испытания эффективности и аэродинамических характеристик фильтров. The use of powder particles with d <0.1 μm is also impractical, since a fractal porous structure with high resistance and significant microinhomogeneities is formed due to a change in the size of such small dendritic particles during sintering. The process of creating a selective layer is carried out until a porous structure with a characteristic fractal pore size of about 0.1 μm is formed and controlled, for example, by measuring the average pore size, material resistance and the size of the breakthrough of monodisperse particles with a size of from 0.1 to 0.3 μm through formed structure at the test bench for the efficiency and aerodynamic characteristics of filters.

Далее на блоке 4 производят прессование грубодисперсных подложек с селективными слоями, так что высокоэффективный фильтрующий слой Г состоит из двух соединенных, независимо сформированных селективных тонкопористых слоев Б и расположен между грубопористыми подложками А. Затем сформированный таким образом материал подвергают спеканию при температуре 300-400^оС.Next, at block 4 produces a compaction of coarse substrates selective layers so that a highly efficient filter layer D consists of two connected independently selectable formed finely porous layer B is located between the coarse-porous substrates A. Then the material thus formed is sintered at a temperature of 300-400 ^C. .

В процессе спекания ультрадисперсные частицы, находящиеся в контакте между собой и стенками пор, спекаются между собой и стенками пор, а частицы, контактирующие с поверхностью грубых пор, припекаются к ней и соответственно развивают ее. При этом однако возможно появление микродефектов структуры селективного слоя, число которых минимально при температуре спекания 300-400^оС, а эффективность фильтрующего материала, наоборот, максимальна по наиболее проникающим частицам с размером более 0,05 мкм.During sintering, ultrafine particles that are in contact with each other and the pore walls are sintered between themselves and the pore walls, and particles in contact with the surface of the coarse pores are baked to it and accordingly develop it. In this case however, may cause microdefects selective layer structure, the number of which minimally at a sintering temperature 300-400 ^{° C,} while the efficiency of the filter material, on the contrary, the maximum of the most penetrating particle size greater than 0.05 micron.

В результате такой технологии формирования высокоэффективного фильтрующего селективного слоя уменьшается вероятность влияния микронеоднородностей (дефектов) структуры селективного слоя Г на эффективность тонкой очистки (более 99,9999%), так как создание многослойной фильтрующей структуры приводит, с одной стороны, к перекрытию возможных неоднородностей слоев (трещины, проколы, разломы), а с другой происходит выравнивание размеров пор неспеченных селективных слоев Б, находящихся в легкоподвижном состоянии, в процессе последующего прессования и спекания, т.е. эффект соединения селективных слоев Б является не суммарным при тонком обеспыливании технологических газов и воздуха. Кроме того, значительно уменьшается количество возможных микродисперсных выделений (фон фильтра) в очищаемый газ с поверхности спеченного материала, поскольку каждый слой улавливает частицы с поверхности пор в случае их вероятного отрыва. Наконец, высокоэффективный слой Г защищен от механических повреждений, поскольку он расположен между грубопористыми подложками А (см. фиг. 1), что существенно для длительной эксплуатации фильтра в производственных условиях. As a result of this technology of forming a highly efficient filtering selective layer, the probability of the influence of microinhomogeneities (defects) of the structure of the selective layer G on the efficiency of fine cleaning decreases (more than 99.9999%), since the creation of a multilayer filtering structure leads, on the one hand, to overlapping possible layer inhomogeneities ( cracks, punctures, breaks), and on the other, the pore sizes of the non-sintered selective layers B, which are in an easily moving state, are aligned during the subsequent press sintering, i.e. the effect of combining the selective layers B is not cumulative with thin dedusting of process gases and air. In addition, the number of possible microdispersed emissions (filter background) into the gas to be cleaned from the surface of the sintered material is significantly reduced, since each layer traps particles from the surface of the pores in the event of their likely separation. Finally, the high-performance layer G is protected from mechanical damage, since it is located between the coarse-porous substrates A (see Fig. 1), which is essential for long-term operation of the filter in production conditions.

П р и м е р. Грубопористая подложка толщиной около 150-200 мкм изготовлена прокатом порошка частиц никеля с размером 3-5 мкм. Селективный слой Б толщиной около 10 мкм нанесен на подложку вакуумной протяжкой суспензии ультрадисперсных дендритных частиц никеля с размером от 0,1 до 0,14 мкм. Суспензию столь мелких частиц получали в генераторе 3, в качестве которого использовали электролизную ванну с диспергированным катодом при температуре 40-80^оС, катодной плотности тока до 8300 А/дм² и водородном показателе рН 2-7. После прессования и последующего спекания в течение 20 мин образец имел эффективность Е ≈ 99,5% по частицам с d > 0,05 мкм при обычных скоростях тонкой фильтрации 3-5 см/с (сопротивление материала составляло 70 мм Н₂О при скорости фильтрации воздуха 1 см/с в нормальных условиях). Аэрозольные частицы хлористого натрия, масляного тумана и конденсационный аэрозоль в широком диапазоне размеров получали стандартными методиками и детектировали оптическим и электрозарядным методом на стенде испытания фильтров.PRI me R. A coarse-porous substrate with a thickness of about 150-200 μm is made by rolling a powder of nickel particles with a size of 3-5 μm. Selective layer B with a thickness of about 10 μm is deposited on a substrate by vacuum drawing a suspension of ultrafine nickel dendritic particles with a size of 0.1 to 0.14 μm. A suspension as fine particles was prepared in the generator 3, which was used as an electrolytic bath with a cathode dispersed at a temperature of 40-80 ^{° C,} cathode current density up to 8300 A / dm ² and a pH 2-7. After pressing and subsequent sintering for 20 min, the sample had an efficiency of E ≈ 99.5% for particles with d> 0.05 μm at ordinary fine filtration rates of 3-5 cm / s (material resistance was 70 mm H ₂ O at the filtration rate air 1 cm / s under normal conditions). Aerosol particles of sodium chloride, oil mist and condensation aerosol in a wide range of sizes were obtained by standard methods and were detected by the optical and electric charging method at the filter test bench.

После создания многослойного никелевого фильтрующего материала прессованием с последующим спеканием при температуре 300-400^оС грубопористых подложек с селективными тонкопористыми слоями толщиной 7-10 мкм и фрактальным размером пор около 0,1 мкм, разработанный фильтр имел эффективность Е > 99,9999% по частицам с d

0,05 мкм при скорости фильтрации до 5 см/с. Сопротивление материала не превышало 150 мм Н₂О для скорости фильтрации воздуха 1 см/с в нормальных условиях. При этом высокоэффективный слой Г толщиной около 15-20 мкм защищен от механических повреждений, поскольку он расположен между грубопористыми подложками.After creating a multilayer nickel filtering material by pressing followed by sintering at a temperature of 300-400 ^о С of coarse-porous substrates with selective finely porous layers with a thickness of 7-10 μm and a fractal pore size of about 0.1 μm, the developed filter had an efficiency of E> 99.9999% for particles with d

0.05 μm at a filtration rate of up to 5 cm / s. The resistance of the material did not exceed 150 mm H ₂ O for an air filtration rate of 1 cm / s under normal conditions. In this case, the highly efficient layer Г with a thickness of about 15-20 μm is protected from mechanical damage, since it is located between the coarse-porous substrates.

Таким образом, разработанный многослойный металлический фильтрующий материал отвечает требованиям, предъявляемым к фильтрам тонкой очистки воздуха и технологических газов:
эффективность улавливания Е ≥ 99.9999% по наиболее проникающим частицам с d

0,05 мкм;
достаточно низкое сопротивление (150 мм Н₂О при скорости очистки 1 см/с);
по своему качеству γ не уступает качеству зарубежных металлических фильтров для высокоэффективного обеспыливания газов.Thus, the developed multilayer metal filter material meets the requirements for fine filters of air and process gases:
capture efficiency E ≥ 99.9999% for the most penetrating particles with d

0.05 microns;
fairly low resistance (150 mm H ₂ O at a cleaning rate of 1 cm / s);
in its quality, γ is not inferior to the quality of foreign metal filters for highly efficient dedusting of gases.

Claims

METHOD FOR PRODUCING A MULTI-LAYERED METAL FILTERING MATERIAL, comprising forming a coarse-porous substrate from a metal powder, its sintering, creating a selective filtering fine-porous layer by pulling a suspension of metal powder particles through the substrate, followed by sintering, characterized in that a selective filtering thin layer of ultrafine powder dendritic form until a finely porous structure is formed on the front surface of the substrate ry with fractal characteristic pore size 0.1-0.5 microns, after which sintering is performed compound coarseporous front surfaces of the substrates, followed by sintering at 300-400 ^o C.