專(zhuān)利名稱(chēng)：具有星型截面的金屬濾芯及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種粉末冶金制品領(lǐng)域中的金屬濾芯及其制備方法，具體涉及一種具有復(fù)雜星型截面的金屬濾芯及其制備方法。
背景技術(shù)：
金屬粉末多孔材料是一種具有特殊孔隙特性和金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的綜合性能優(yōu)異的一種功能材料。金屬粉末多孔材料孔形穩(wěn)定、孔隙度及孔徑可控、力學(xué)性能好、耐高溫抗熱震，焊接性能優(yōu)良。廣泛應(yīng)用于核能開(kāi)發(fā)、石油化工、能源環(huán)保、國(guó)防軍工和生物制藥等工業(yè)過(guò)程中的過(guò)濾分離、流體管理、高效燃燒、強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱、阻燃防爆等，是上述工業(yè)技術(shù)發(fā)展不可或缺的關(guān)鍵材料。
核燃料生產(chǎn)過(guò)程中使用的金屬多孔過(guò)濾材料直接與核物質(zhì)接觸，失效之后需要進(jìn)行處理。因此濾芯的體積越小，有效過(guò)濾面積越大，相應(yīng)輔助設(shè)施會(huì)越小，失效退役之后的處理就更方便。此次星型結(jié)構(gòu)的粉末濾芯在增加通量的同時(shí)還減小了體積，在核能開(kāi)發(fā)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
目前，燒結(jié)金屬粉末濾芯大多采用圓形截面，其常規(guī)工藝流程為等靜壓或者粉末軋制。目前報(bào)道的折波星型截面主要是纖維氈濾芯，由于粉末星型粉末燒結(jié)濾芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 模具設(shè)計(jì)與加工困難，國(guó)內(nèi)還很少有涉及。
雖然中國(guó)專(zhuān)利ZL 200420048154. X公開(kāi)了一種星型包夾式速換過(guò)濾芯，該濾芯的制作方式為首先用實(shí)用金屬做成一個(gè)星型的框架式結(jié)構(gòu)，然后再在框架外表面固定一層濾網(wǎng)，框架起支持作用，濾網(wǎng)起過(guò)濾作用，但由于其濾網(wǎng)是包裹在星型框架上，所以其強(qiáng)度不夠。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)過(guò)濾與凈化行業(yè)提供一種結(jié)構(gòu)緊湊，通量高，安全性好的粉末燒結(jié)濾芯的制備方法。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)了星型截面粉末燒結(jié)金屬濾芯，其特點(diǎn)在于該粉末濾芯通過(guò)特殊的模具設(shè)計(jì)，截面采用折波的星型結(jié)構(gòu)，一次等靜壓成型密封下端面及上端面密封法蘭結(jié)構(gòu)，沒(méi)有焊接，安全系數(shù)高，整體強(qiáng)度好，相比傳統(tǒng)的圓形截面過(guò)濾管，有效過(guò)濾面積增加1 2倍。星型截面濾芯外徑Φ 50mm Φ 200mm,平均孔徑為3_35 μ m。
根據(jù)星型截面粉末燒結(jié)金屬濾芯的設(shè)計(jì)理念，其制備工藝步驟為
1)粉末篩分
將粉末進(jìn)行篩分定級(jí)，粉末粒度為-100+500目；
2)等靜壓成型
將一定粒度的粉末原料以松裝比重2. 0-2. 8g/cm3，填入相應(yīng)的模具，在振動(dòng)臺(tái)上振實(shí)，再采用冷等靜壓機(jī)成形，成形壓力為100-300MPa，保壓時(shí)間為10-30min。
3)真空/氫氣高溫?zé)Y(jié)
采用真空/氫氣高溫?zé)Y(jié)爐，對(duì)脫模后的生坯進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為 1100-1350°C，保溫時(shí)間為1-4小時(shí)，真空度< 1.0X KT1Pat5
通過(guò)上述工藝步驟，完成了一支完整的具有星型截面的金屬濾芯的制備。
S卩，本發(fā)明提供一種通過(guò)粉末燒結(jié)得到的具有星型截面的金屬濾芯，所述星型截面采用折波的星型結(jié)構(gòu)，所述星型結(jié)構(gòu)具有5角以上 12角以下的角數(shù)。
在上述具有星型截面的金屬濾芯中，優(yōu)選所述金屬濾芯具有一體成型得到的密封下端面和上端面密封法蘭。
在上述具有星型截面的金屬濾芯中，優(yōu)選所述粉末的材質(zhì)為不銹鋼316、316L、 304、304L、310S、904L、Inconel合金、Monel合金、FeCrAl合金、鐵鋁金屬間化合物中任一種。
在上述具有星型截面的金屬濾芯中，優(yōu)選所述金屬濾芯的管徑Φ 50 Φ 200mm。
在上述具有星型截面的金屬濾芯中，優(yōu)選所述金屬濾芯的平均孔徑為3 35 μ m,滲透率為(0. 5 10) X l(T4L/cm2 · Pa · min。
在上述具有星型截面的金屬濾芯中，優(yōu)選所述金屬濾芯與管板的連接方式為所述金屬濾芯的上端面密封法蘭與所述管板壓緊密封。
本發(fā)明的另一側(cè)面提供一種具有星型截面的金屬濾芯的制備方法，該金屬濾芯是上述的具有星型截面的金屬濾芯，該制備方法包括粉末篩分步驟選取粉末粒度為-100+500目的粉末原料；等靜壓成形步驟將所述粉末原料以規(guī)定松裝比重填入相應(yīng)的具有星型截面的管狀模具，將管狀模具內(nèi)的所述粉末原料振實(shí)并采用冷等靜壓機(jī)直接成型得到濾芯生坯；和真空/氫氣高溫?zé)Y(jié)步驟采用真空高溫?zé)Y(jié)爐或者氫氣高溫?zé)Y(jié)爐，對(duì)脫模后的濾芯生坯進(jìn)行燒結(jié)得到所述金屬濾芯。
在上述具有星型截面的金屬濾芯的制備方法中，優(yōu)選所述規(guī)定松裝比重為 2. 0 2. 8g/cm3,在冷等靜壓機(jī)直接成型時(shí)，成形壓力為100 300MPa，保壓時(shí)間為10 30min,在燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)溫度為1100 1300°C，保溫時(shí)間為1 4小時(shí)，采用真空高溫?zé)Y(jié)爐時(shí)的真空度< 1. OX KT1Pat5
在上述具有星型截面的金屬濾芯的制備方法中，優(yōu)選在所述等靜壓成形步驟中， 采用一次等靜壓成型金屬濾芯的密封下端面及上端面密封法蘭。
在上述具有星型截面的金屬濾芯的制備方法中，優(yōu)選所述管狀模具包括內(nèi)表面具有第一星型截面的膠套；和具有第二星型截面的內(nèi)撐，所述內(nèi)撐置于所述膠套內(nèi)時(shí)，所述第二星型截面的角部一一對(duì)應(yīng)進(jìn)入所述第一星型截面的凹部，而且所述角部與所述凹部之間具有空間以填充粉末，所述膠套由第一段和第二段組成，所述第一星型內(nèi)截面位于所述第一段的內(nèi)表面，所述第二段的內(nèi)表面為光滑的壁面，所述第一段的內(nèi)徑小于所述第二段的內(nèi)徑，所述內(nèi)撐的一端突出進(jìn)入所述第二段以用于成型密封法蘭。
在上述具有星型截面的金屬濾芯的制備方法中，優(yōu)選將燒結(jié)得到的所述金屬濾芯與管板加以連接，其連接方式為金屬濾芯的法蘭與所述管板壓緊密封。
具有星型截面的濾芯相對(duì)于圓形截面濾芯具有有效過(guò)濾面積大、無(wú)焊接、安全性高、強(qiáng)度好等特點(diǎn)。在核能開(kāi)發(fā)、石油化工、機(jī)械電子等領(lǐng)域中的氣固、液固分離，除塵凈化等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是在核燃料的制備和核三廢的處理過(guò)程中具有體積少， 效率高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是基于本發(fā)明的具有星型截面的金屬濾芯的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的金屬濾芯的端面示意圖。
圖3是本發(fā)明的金屬濾芯與管板的連接示意圖。
圖4是用于制造本發(fā)明的金屬濾芯的管狀模具的結(jié)構(gòu)示意圖
其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下
1整體成型下端面；2星型濾芯本體；3整體成型上端密封法蘭；
4管板；5密封墊；6緊固螺母； 7壓板；
8帶星型截面的膠套；9帶星型截面的內(nèi)撐；10密封膠塞；
11緊固鐵絲；12粉末填充空間；13加壓介質(zhì)。
具體實(shí)施方式
通過(guò)下列實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，特別指出實(shí)施實(shí)例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制。
基于本發(fā)明的具有星型截面的金屬濾芯的結(jié)構(gòu)如圖1所示，最左邊的是12角星型，中間的是10角星型，右邊的是8角星型，其中圖中1代表整體成型的密封下端面；2代表星型濾芯本體，3代表整體成型的上端面密封法蘭。該星型截面濾芯的外徑為Φ60πιπι Φ 200mm，平均孔徑為3_35 μ m，另外，基于本發(fā)明的制備方法的金屬濾芯的滲透率為 (0. 5 10) X W4LZcm2 · Pa · min。
所述星型截面是指具有折波的結(jié)構(gòu)，在本發(fā)明的金屬濾芯中，優(yōu)選所述星型結(jié)構(gòu)具有五角以上 12角以下的角數(shù)。
該金屬濾芯是通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的模具(模具截面采用折波的星型結(jié)構(gòu)，后面有詳細(xì)介紹)進(jìn)行等靜壓成型得到的，其中通過(guò)對(duì)規(guī)定粒度的粉末利用上述特殊設(shè)計(jì)的模具采用一次等靜壓整體成型密封下端面和上端密封法蘭結(jié)構(gòu)，如圖2所示，然后進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)得到本發(fā)明具有星型截面的金屬濾芯。由于在濾芯制造過(guò)程中沒(méi)有焊接(指下端面沒(méi)有通過(guò)焊接其他部件來(lái)密封、以及用于與管板連接的法蘭也不是通過(guò)焊接而與金屬濾芯結(jié)為一體的)，減少了因焊接造成的缺陷，所以濾芯的安全系數(shù)高，整體強(qiáng)度好。而且由于采用具有多角的星型截面，相比傳統(tǒng)的圓形截面過(guò)濾管，其有效過(guò)濾面積增加1 2倍，在需要規(guī)定有效過(guò)濾面積的情況下，可以減小濾芯的體積，使其應(yīng)用場(chǎng)合更加廣泛。
將燒結(jié)得到的金屬濾芯在使用時(shí)可以與管板加以連接，其連接方式為金屬濾芯的法蘭3與管板4壓緊密封。如下圖所示，待處理介質(zhì)從管板下方(圖中入口)進(jìn)入，經(jīng)過(guò)濾芯過(guò)濾之后從管板上方出去(圖中出口)。濾芯的密封用法蘭3通過(guò)密封墊5、緊固螺母6、 壓板7和管板4密封連接。
作為用于制作具有星型截面的金屬濾芯的粉末，其材質(zhì)可為不銹鋼316、316L、 304、304L、310S、904L、Inconel合金、Monel合金、FeCrAl合金、鐵鋁金屬間化合物中任一種，粉末的粒度優(yōu)選是在-100+500目。
根據(jù)星型截面粉末燒結(jié)金屬濾芯的設(shè)計(jì)理念，其制備工藝步驟為
1)粉末篩分
根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)合，確定要使用的粉末材質(zhì)，將粉末進(jìn)行篩分定級(jí)，得到一定粒度的粉末原料，粉末粒度優(yōu)選為-100+500目；
2)模具設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)特殊的管狀模具，確保等靜壓工藝一次成型下端面和上端密封法蘭結(jié)構(gòu)，該模具如下圖所示，包括內(nèi)表面具有第一星型截面的膠套8 ；具有第二星型截面的內(nèi)撐9 ；密封膠塞10(設(shè)置在膠套8的上端口處(即下述第二段)并緊貼其內(nèi)壁對(duì)膠套8的上端口其密封作用)；和緊固鐵絲11。內(nèi)撐9置于膠套8內(nèi)時(shí)，第二星型截面的角部一一對(duì)應(yīng)進(jìn)入第一星型截面的凹部，而且角部與凹部之間留有空間以填充粉末(即粉末填充空間12)。所述膠套由第一段和第二段兩部分組成，其中所述第一段的內(nèi)表面具有第一星型內(nèi)截面的結(jié)構(gòu)，而所述第二段的內(nèi)表面為光滑的壁面，從尺寸上講所述第一段的內(nèi)徑小于所述第二段的內(nèi)徑，當(dāng)內(nèi)撐9置于膠套8內(nèi)時(shí)，內(nèi)撐9的一端突出進(jìn)入所述第二段以用于成型所述密封法蘭結(jié)構(gòu)。另外，膠套8的外表面是圓形。裝配之后的模具放置于等靜壓設(shè)備中，通過(guò)加壓介質(zhì)13給模具填充空間內(nèi)的粉末加壓，粉末在壓力的作用下成型為具有一定強(qiáng)度的生坯。 內(nèi)撐9下端面和膠套8下端面之間的粉末在壓力的作用下成型為過(guò)濾器的下端面。內(nèi)撐9 上端面、膠塞11和膠套8上端圓筒部分(第二段)之間粉末在壓力作用下成型為過(guò)濾的法蘭部分。
3)等靜壓成形
將一定粒度的粉末原料以松裝比重2. 0-2. 8g/cm3填入上一步特殊設(shè)計(jì)的管狀模具，在振動(dòng)臺(tái)上振實(shí)，再采用冷等靜壓機(jī)直接成型，成形壓力優(yōu)選為100 300MPa，保壓時(shí)間優(yōu)選為10 30min ；
4)真空/氫氣高溫?zé)Y(jié)
在等靜壓成型后，從管狀模具內(nèi)取出金屬濾芯的生坯，采用真空/氫氣高溫?zé)Y(jié)爐，對(duì)脫模后的生坯進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度優(yōu)選為1100 1350°C，保溫時(shí)間優(yōu)選為1 4小時(shí)，真空度優(yōu)選< LOXlO^1Pa0
5)連接管板
將燒結(jié)得到的金屬濾芯與管板加以連接，其連接方式為濾芯的法蘭與管板壓緊密封。
實(shí)施例
表1列出了根據(jù)上述制備方法制備出的12角星型截面金屬濾芯(圖1左側(cè))、10 角星型截面金屬濾芯(圖1中間)、8角星型截面金屬濾芯(圖1右側(cè))與傳統(tǒng)的圓形濾芯在外徑尺寸都為55mm、長(zhǎng)度為IOOOmm情況下的過(guò)濾面積對(duì)比，表1中所謂倍率是星型截面的濾芯表面積與同樣外徑的圓形濾芯表面積之比，表中的內(nèi)徑27mm是指星型過(guò)濾器內(nèi)部的最小圓。
從表1中可以看出，隨著星型截面的角數(shù)的增加，相比于圓形濾芯，表面積的增加倍數(shù)確實(shí)也在增加，即有效地實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的之一相比傳統(tǒng)的圓形截面過(guò)濾管，有效過(guò)濾面積增加1 2倍。
表1星型截面與圓形截面粉末燒結(jié)金屬濾芯表面積
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)粉末燒結(jié)得到的具有星型截面的金屬濾芯，其特征在于 所述星型截面采用折波的星型結(jié)構(gòu)，所述星型結(jié)構(gòu)具有5角以上 12角以下的角數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有星型截面的金屬濾芯，其特征在于 所述金屬濾芯具有一體成型得到的密封下端面和上端面密封法蘭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有星型截面的金屬濾芯，其特征在于所述粉末的材質(zhì)為不銹鋼316、316L、304、304L、310S、904L、Inconel合金、Monel合金、 FeCrAl合金、鐵鋁金屬間化合物中任一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有星型截面的金屬濾芯，其特征在于 所述金屬濾芯的管徑Φ 50 Φ 200mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有星型截面的金屬濾芯，其特征在于所述金屬濾芯的平均孔徑為3 35 μ m，滲透率為(0. 5 10) X lO-Vcm2 · Pa · min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有星型截面的金屬濾芯，其特征在于所述金屬濾芯與管板的連接方式為所述金屬濾芯的上端面密封法蘭與所述管板壓緊密封。
7.一種具有星型截面的金屬濾芯的制備方法，所述金屬濾芯是權(quán)利要求1 6之任一項(xiàng)所述的具有星型截面的金屬濾芯，其特征在于，該制備方法包括粉末篩分步驟選取粉末粒度為-100+500目的粉末原料；等靜壓成形步驟將所述粉末原料以規(guī)定松裝比重填入相應(yīng)的具有星型截面的管狀模具，將管狀模具內(nèi)的所述粉末原料振實(shí)并采用冷等靜壓機(jī)直接成型得到濾芯生坯；和真空/氫氣高溫?zé)Y(jié)步驟采用真空高溫?zé)Y(jié)爐或者氫氣高溫?zé)Y(jié)爐，對(duì)脫模后的濾芯生坯進(jìn)行燒結(jié)得到所述金屬濾芯。
8.如權(quán)利要求7所述的具有星型截面的金屬濾芯的制備方法，其特征在于 所述規(guī)定松裝比重為2. O 2. 8g/cm3,在冷等靜壓機(jī)直接成型時(shí)，成形壓力為100 300MPa，保壓時(shí)間為10 30min， 在燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)溫度為1100 1300°C，保溫時(shí)間為1 4小時(shí)，采用真空高溫?zé)Y(jié)爐時(shí)的真空度< 1. OX IO-1Pa15
9.如權(quán)利要求7所述的具有星型截面的金屬濾芯的制備方法，其特征在于在所述等靜壓成形步驟中，采用一次等靜壓成型金屬濾芯的密封下端面及上端面密封法蘭。
10.如權(quán)利要求7所述的具有星型截面的金屬濾芯的制備方法，其特征在于，所述管狀模具包括內(nèi)表面具有第一星型截面的膠套；和具有第二星型截面的內(nèi)撐，所述內(nèi)撐置于所述膠套內(nèi)時(shí)，所述第二星型截面的角部一一對(duì)應(yīng)進(jìn)入所述第一星型截面的凹部，而且所述角部與所述凹部之間具有空間以填充粉末，所述膠套由第一段和第二段組成，所述第一星型內(nèi)截面位于所述第一段的內(nèi)表面，所述第二段的內(nèi)表面為光滑的壁面，所述第一段的內(nèi)徑小于所述第二段的內(nèi)徑，所述內(nèi)撐的一端突出進(jìn)入所述第二段以用于成型密封法蘭。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有星型截面的金屬濾芯的制備方法，其特征在于將燒結(jié)得到的所述金屬濾芯與管板加以連接，其連接方式為金屬濾芯的法蘭與所述管板壓緊密封。
全文摘要
本發(fā)明提供一種通過(guò)粉末燒結(jié)得到的具有星型截面的金屬濾芯，所述星型截面采用折波的星型結(jié)構(gòu)，所述星型結(jié)構(gòu)具有5角以上～12角以下的角數(shù)。星型截面濾芯采用一種折波狀星型結(jié)構(gòu)，外表面積是普通圓形截面的1～2倍。星型截面粉末濾芯采用特殊的模具設(shè)計(jì)，等靜壓工藝一次成型下端面和上端密封法蘭結(jié)構(gòu)，濾芯沒(méi)有焊接，減少了因焊接造成的缺陷，安全系數(shù)高，整體強(qiáng)度好。采用星型截面濾芯，可以大幅度的減少使用濾芯的數(shù)量，從而有效的減小過(guò)濾系統(tǒng)的體積、閥門(mén)數(shù)量及其它輔助設(shè)備。同時(shí)也可以簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)流程，提高了效率，降低了成本。適用于氣固、液固分離場(chǎng)合，在核能開(kāi)發(fā)、氣體凈化、石油化工、能源環(huán)保等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B22F3/16GK102489078SQ201110455278
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者況春江, 安永濤, 畢景維, 王凡, 王浩, 譚華玉, 郭輝進(jìn), 陳利軍 申請(qǐng)人:安泰科技股份有限公司