CN101914707B

CN101914707B - 一种Ni-Cu-Fe-Si多孔合金及其制备方法

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Publication number: CN101914707B
Application number: CN2010102835591A
Authority: CN
Inventors: 刘兴军; 怀震; 王翠萍; 张锦彬; 黄艺雄; 马云庆; 施展
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: CN101914707A

Abstract

一种Ni-Cu-Fe-Si多孔合金及其制备方法，涉及一种多孔材料。提供一种方法简单易行，制备的产品的孔隙率可达45％～80％，抗压强度达80～100MPa的Ni-Cu-Fe-Si多孔合金及其制备方法。多孔合金的原料组成及按原子百分比含量为镍∶铜∶铁∶硅＝65∶30∶3∶2。将镍、铜、铁、硅粉末混合，球磨，得合金粉；将球磨后的合金粉与架空材料混合，将混合粉体放置在球磨罐中，真空混合至均匀；将混合粉体压片，得生坯；将生坯烧结后浸泡在水中，加热，清洗，溶解残留的NaCl；将清洗后的样品浸泡在水中，加热，检测样品中的NaCl是否清洗干净，清洗后的样品干燥，得Ni-Cu-Fe-Si多孔合金。

Description

一种Ni-Cu-Fe-Si多孔合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种多孔材料，尤其是涉及一种采用NaCl作为架空材料，通过控制NaCl的体积分数、保温温度和保温时间，达到控制材料孔隙率及力学性能的Ni-Cu-Fe-Si多孔合金及其制备方法。

背景技术

蒙乃尔合金(1.Kyung-Ho Park，Debasish Mohapatra，B.Ramachandra Reddy，etal.Hydrometallurgy.86(2007)164-171)是以金属Ni为基的Ni-Cu合金，它是镍基耐蚀合金中应用最广泛的合金。通过向镍铜二元合金体系中加入少量其他金属或非金属元素，可以获得不同体系的蒙乃尔合金。该合金具有优良的耐腐蚀性、耐摩擦性、高的强度和硬度及良好的加工性能，因此特别适用于腐蚀性环境及摩擦严重的场合。

多孔材料的应用通常取决于其宏观结构(孔的尺寸和整体的孔隙率)以及合金本身所具有的性能(屈服强度等)。选择合适的合金体系，合理控制材料的孔隙，采用适当的制备方法即可制得所需性能的多孔材料。目前，常用的多孔材料制备方法有共晶凝固法、置换法、气孔形成剂分解法、自蔓延烧结法及盐复制成型法(2.J.Banhart，Prog.Mater.Sci.46(2001)559-632)(3.J.T.Clemow，A.M.Weinstein，J.J.Klawitter，J.Koeneman，J.Anderson，J.Biomed.Material.Res.15(1981)73)。其中，盐复制成型法应用最为广泛，生产成本也比较低，常规的金属多孔材料都可以通过这种相对简单且实用的方法来进行制备(4.J.F.Despois，A.Marmottant，L.Salvo，A.Mortensen，Mater.Sci.Eng.A 54(2006)2069-2073；5.K.Kitazono，Y.Takiguchi，Scripta Mater.55(2006)501-504；6.B.Y.Li，L.J.Rong，Y.Y.Li，V.E.Gjunter，ActaMater.48(2000)3895-3904)。但是，盐复制成型法最大的问题在于制备的材料渗透性较差，主要是因为熔融的合金通常与盐反应，将盐包裹起来，堵塞孔隙，降低材料孔隙率。

已有一些与Ni-Cu-Fe-Si多孔合金相关的专利报道，如：

公开号为KR20070010829(A)的韩国专利介绍了一种制备镍铜多孔合金的方法，首先用氨基酸甲酯作为前躯体，把铜粉涂在前躯体表面，达到预定的厚度，形成三维结构的铜基体；再将镍粉涂在预先制备好的铜基体表面，最后把制备好的生坯在还原性中烧结，氨基酸甲酯受热分解，形成多孔镍铜合金。该方法的优点在于，制备的多孔合金孔隙率可以达到很高；其缺点在于，制备的多孔镍铜合金力学性能不会很高，而且镍铜的成分不易于控制。

公开号为JP10046268(A)的日本专利介绍一种制备镍铬多孔合金的方法，该方法利用泡沫松香树脂作为基体，将镍粉、铬粉涂覆在树脂表面。然后加热至700～900℃，使松香树脂分解，再加热至1100～1300℃，进行合金化处理，制备出镍铬多孔合金。该方法与专利KR20070010829(A)相似，缺点也是成分不容易精确控制，力学性能不高。

公开号为GB 1013375的英国专利介绍了一种采用有机粘结金属混合物制备多孔合金材料，该发明的不足之处在于粘结金属的颗粒尺度要求在10nm以下，在与基体材料混合时容易形成团簇，并且在混合及烧结过程容易氧化。制备的产品孔隙率较低，并且形成的孔隙多是封闭的，过滤效果不好。

目前，Ni-Cu-Fe-Si多孔合金的研究还处在初级阶段，针对其制备方法及应用的报道也较少。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的Ni-Cu-Fe-Si多孔合金存在的上述问题，提供一种方法简单易行，制备的产品的孔隙率可达45％～80％，抗压强度达80～100MPa的Ni-Cu-Fe-Si多孔合金及其制备方法。

本发明所述Ni-Cu-Fe-Si多孔合金的原料组成及按原子百分比含量为：镍(Ni)∶铜(Cu)∶铁(Fe)∶硅(Si)＝65∶30∶3∶2。

本发明所述Ni-Cu-Fe-Si多孔合金的制备方法包括以下步骤：

1)将镍、铜、铁、硅粉末混合，球磨，得合金粉；

2)将球磨后的合金粉与架空材料混合，将混合粉体放置在球磨罐中，真空混合至均匀；

3)将混合粉体压片，得生坯；

4)将生坯烧结后浸泡在水中，加热，清洗，溶解残留的NaCl；

5)将清洗后的样品浸泡在水中，加热，检测样品中的NaCl是否清洗干净，清洗后的样品干燥，得Ni-Cu-Fe-Si多孔合金。

在步骤1)中，所述球磨，可将镍、铜、铁、硅粉末混合后，在行星式球磨机中球磨8～12h，至粉末颗粒大小为400目；所述球磨，可在球磨过程中加入过程控制剂，以防止粉末在球磨过程中团聚或粘在球磨罐壁上；所述过程控制剂可采用硬脂酸或酒精等。

在步骤2)中，所述架空材料可采用NaCl等；所述架空材料的体积分数可为45％～80％。

在步骤3)中，所述压片，可采用单向压片机压片，所述单向压片机压片的压力可为200～250MPa。

在步骤4)中，所述烧结的温度可为900～1100℃，相应保温的时间可为4～24h，烧结过程中可通入氩气作为保护气体；所述加热的温度可为50℃，保温12h。

在步骤5)中，所述加热的温度可为50℃，所述检测样品中的NaCl是否清洗干净，可采用AgNO₃溶液。

本发明通过调节合金粉末与架空材料(NaCl)的体积比，制备不同孔隙率的多孔材料；也可以通过控制保温温度和保温时间调节孔隙率、孔隙的大小和分布。孔隙率不同，相应的多孔材料抗压强度等力学性能也有所不同。

在本发明中，向Ni-Cu合金中加入少量的Fe及Si，即可获得Ni-Cu-Fe-Si合金。多孔Ni-Cu-Fe-Si合金兼有块体Ni-Cu-Fe-Si合金耐腐蚀、耐磨擦、较高的力学性能及多孔材料的综合性能。

本发明采用NaCl作为架空材料来制备Ni-Cu-Fe-Si多孔合金。采用这种方法制备多孔材料最大的优点在于多孔材料的结构参数(孔隙率、孔隙大小等)的可控性，并且参数可变范围较大。选择合适的架空材料制备所需多孔合金体系，可以降低孔隙被堵塞的程度。

附图说明

图1为球磨之后Ni-Cu-Fe-Si合金粉体的SEM图像。在图1中，a为采用硬脂酸作为过程控制剂，球磨之后的形貌，呈现层片状；b为采用酒精作为过程控制剂，球磨之后的形貌，呈现颗粒状；颗粒状粉体成型后试样的性能比层片状粉体成型后试样的性能好，因此在后续的实验中，均采用酒精作为过程控制剂；标尺均为10μm。

图2为NaCl体积分数为65％的试样，在保温不同时间下所制备的样品的SEM图像。在图2中，a为保温4h的样品；b为保温8h的样品；c为保温12h的样品；d为保温24h的样品，温度均为1100℃；当保温时间为8h时，孔隙较为均匀，孔隙率最大，为52％左右；当保温时间过长，超过12h时，孔隙开始收缩，孔隙率下降；标尺均为100μm。

图3为NaCl体积分数为65％，在1100℃保温不同时间所得试样的最终抗压强度。在图3中，横坐标为保温时间/h，纵坐标为最终抗压强度/MPa；点a为在1100℃保温4h试样的最终抗压强度，强度值为78MPa；点b为在1100℃保温8h试样的最终抗压强度，强度值为98MPa；点c为在1100℃保温12h试样的最终抗压强度，强度值为93MPa；点d为在1100℃保温24h试样的最终抗压强度，强度值为96MPa。

具体实施方式

实施例1：将镍粉，铜粉，铁粉，硅粉按原子百分比65∶30∶3∶2均匀混合，置于行星式球磨机中球磨8h-12h。球磨过程中加入硬脂酸或酒精作为过程控制剂，防止在球磨过程中合金粉发生团聚或粘结在球磨罐壁上。待球磨机完全冷却之后，取出球磨之后的合金粉末。球磨之后的合金粉末在SEM下观察，颗粒形貌如图1所示。采用酒精作为过程控制剂，球磨之后粉体的性能较为优异。因此，在后续实验中均采用酒精作为过程控制剂。将球磨后的合金粉末与架空材料(NaCl)均匀混合，NaCl体积分数为45％。混合均匀的粉末采用单向压片机压制成型。将压制成型的生坯放置在管式炉中烧结，烧结过程中始终通入氩气作为保护气体。管式炉升温过程中，首先在810℃保温4h，然后升温至900℃，再次保温4h，随炉冷却。烧结后的样品浸泡在蒸馏水中，恒温水浴加热至50℃，保温12h。多次清洗，溶解残留的NaCl。蒸馏水清洗后的样品浸泡在去离子水中，恒温水浴加热至50℃。用AgNO₃溶液检测样品中残留的NaCl是否清洗干净。去离子水清洗后的样品放在真空干燥箱中，至样品烘干完全。将制备好的样品在扫描电镜(SEM)下观察，利用压汞仪测得试样的孔隙率约为35.6％，最终抗压强度可达90Mpa。

实施例2、3

与实施例1步骤相同，只是NaCl的体积分数分别为65％、80％，测得孔隙率为分别为52.7％、69.3％，最终抗压强度分别为48MPa、90MPa。

实施例4、5

与实施例2步骤相同，只是最终烧结温度分别为1000℃、1100℃，测得孔隙率55.6％、51.3％，最终抗压强度为83MPa、88MPa。

实施例6～8

与实施例5步骤相同，只是在1100℃保温时间分别为8h、12h、24h，测得孔隙率为49.6％、32％、21％，最终抗压为98MPa、93MPa、91.6MPa。

Claims

1.一种Ni-Cu-Fe-Si多孔合金的制备方法，其特征在于所述Ni-Cu-Fe-Si多孔合金的原料组成及按原子百分比含量为：镍∶铜∶铁∶硅＝65∶30∶3∶2；所述制备方法包括以下步骤：

1)将镍、铜、铁、硅粉末混合，球磨，得合金粉；所述球磨，是将镍、铜、铁、硅粉末混合后，在行星式球磨机中球磨8～12h，至粉末颗粒大小为400目；在球磨过程中加入过程控制剂；所述过程控制剂为硬脂酸或酒精；

2)将球磨后的合金粉与架空材料混合，将混合粉体放置在球磨罐中，真空混合至均匀；所述架空材料为NaCl，所述架空材料的体积分数为45％～80％；

3)将混合粉体压片，得生坯；

4)将生坯烧结后浸泡在水中，加热，清洗，溶解残留的NaCl；所述烧结的温度为900～1100℃，相应保温的时间为4～24h；烧结过程中通入氩气作为保护气体；所述加热的温度为50℃，保温12h；

2.如权利要求1所述的一种Ni-Cu-Fe-Si多孔合金的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述压片，是采用单向压片机压片，所述单向压片机压片的压力为200～250MPa。

3.如权利要求1所述的一种Ni-Cu-Fe-Si多孔合金的制备方法，其特征在于在步骤5)中，所述加热的温度为50℃。

4.如权利要求1所述的一种Ni-Cu-Fe-Si多孔合金的制备方法，其特征在于在步骤5)中，所述检测样品中的NaCl是否清洗干净，是采用AgNO₃溶液。