CN104451344B - 一种大孔径高孔隙率多孔铁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大孔径高孔隙率多孔铁及其制备方法，属于多孔材料制备技术领域。技术方案包括：1)将造孔剂与铁粉充分混匀，得到混合物料，将混合物料压制成型，得到预压坯体；2)将预压坯体先用稀酸溶液处理后，再用清水洗净稀酸溶液，最后静置于无水乙醇中去除造孔剂，制得坯体；3)将经步骤2)处理后的坯体烧结后，冷却，制得大孔径高孔隙率多孔铁。经本发明制得的多孔铁的孔隙分布均匀，密度在4g/cm³以下，孔隙率65％以上，宏观大孔隙尺寸在0.5mm～1.5mm之间，具有一定的强度(20～110MPa)；并且材料的制备工艺简单，对设备要求低，成本低廉，实用性强，可实现工业化生产。

Description

一种大孔径高孔隙率多孔铁及其制备方法

技术领域

本发明属于多孔金属材料制备技术领域，具体涉及一种大孔径高孔隙率多孔铁及其制备方法。

背景技术

多孔金属材料是20世纪80年代后期迅速发展起来的一种具有结构和功能双重属性的新型金属材料，广泛应用于很多工程领域。多孔金属材料是一种金属基体中含有一定量的数量、孔径和孔隙率的金属材料。相对于致密金属材料，多孔金属具有诸多优异的特性，如密度小、比表面积大、吸能减震性能好、渗透性好、耐高温、能再生、可加工等特点，广泛应用于航空航天、原子能、电化学、石油化工、冶金、机械、医药、环保等行业的过滤、分离、消音、催化、热交换等工艺中，在海陆空武器装备、通信、轻量化等方面也有着潜在的用途。

铁是地核中的主要物质，也是人们最为熟知的一种金属([1]刘培生，多孔材料引论[M].北京：清华大学出版社，2004)。铁具有高熔点、密度大，延展性和磁性的物理性能。作为多孔金属，多孔铁有如下几种典型的应用：(1)由于多孔铁存在大量的孔洞，在减震减摩领域以及在含油轴承等方面都起着重要的作用；(2)由于多孔铁的抗压缩性能、能量吸收性能及耐高温性能等都优于多孔铝等低熔点多孔金属材料，在汽车制造、船舶制造、高层建筑、桥梁及交通运输等领域均有着更广阔的应用前景；([2]王丹.铁基多孔金属材料的研究现状[J].热加工工艺,2011,40(8):75-83.)(3)用多孔铁制备的过滤净化装置，在汽车尾气等分离净化领域有应用，它既克服了多孔高分子不耐高温，对分离物有选择性的缺点，又弥补了多孔陶瓷脆性高，刚性差的不足([3]吴伟，泡沫铁材料的制备及其性能的研究[D].燕山大学硕士论文，2012)。

目前多孔金属的制备方法大多针对低熔点的多孔金属，而铁的熔点为1535℃，相对较高，制备过程不易控制，制备方法相对较少。然而多孔铁材料相对于其他多孔金属材料具有价格低廉，操作工艺简单，环境污染小，比刚度较高等优势，因此从长远来说是很有经济意义和社会意义的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大孔径高孔隙率多孔铁及其制备方法，该方法操作简单，实用性强，经该方法制得的多孔铁的孔隙率达85％，孔隙分布均匀，密度小，强度高。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种大孔径高孔隙率多孔铁的制备方法，包括以下步骤：

1)将造孔剂与铁粉按照(1～3):(9～7)的质量比，充分混匀，得到混合物料，将混合物料压制成型，得到预压坯体；

2)将预压坯体先用稀酸溶液处理后，再用清水洗净稀酸溶液，最后静置于无水乙醇中溶解去除造孔剂，制得坯体；

3)将经步骤2)处理后的坯体烧结后，冷却，制得大孔径高孔隙率多孔铁。

所述的造孔剂为CO(NH₂)₂颗粒，且该CO(NH₂)₂颗粒的粒径为1mm～2mm。

所述铁粉为细度小于40目的纯铁粉。

所述铁粉在与造孔剂混匀前经预处理，具体操作为：将铁粉先用稀酸溶液清洗，再用清水充分洗净后，在氮气保护氛围下进行干燥，最后用无水乙醇润湿。

步骤1)所述的压制成型是将混合物料置于钢模中在压力机下压制成圆柱形预压坯体，且采用的压力为300MPa～600MPa。

所述钢模在使用前先经稀酸溶液清洗去除钢模表面氧化物，再经碱性溶液中和钢模表面残留的稀酸溶液，最后用无水乙醇将钢模清洗干净后用润滑剂润滑钢模。

所述稀酸溶液为质量分数为5％～30％的盐酸溶液。

步骤3)所述的烧结分两阶段进行，第一阶段将坯体由室温升温至200～300℃，保温1～3h；第二阶段是将坯体继续升温至1000～1200℃后，烧结1～4h。

所述的烧结是将坯体置于高温井式气氛保护电阻炉中，在氮气保护氛围下进行烧结。

该大孔径高孔隙率多孔铁的密度小于4g/cm3，孔隙率为65％～85％，孔径为0.5mm～1.5mm，强度为20～110MPa。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的大孔径高孔隙率多孔铁的制备方法，选用CO(NH₂)₂颗粒作为造孔剂，能够制得孔隙率达到85％的多孔铁材料。本发明选取CO(NH₂)₂颗粒为造孔剂，首先是因为CO(NH₂)₂颗粒极易溶于水和无水乙醇，易于溶除；其次由于CO(NH₂)₂颗粒熔点低，热处理过程易除去残留CO(NH₂)₂；最后CO(NH₂)₂本身在压制过程中可起到润滑的作用，有利于提高压坯的致密度且易于退模。且如果采用不同质量分数的CO(NH₂)₂颗粒则可以实现大孔径高孔隙率多孔铁的可控性制备。本发明方法工艺简单，对设备要求低，原料来源广泛，环境友好，适合工业化大规模生产。

经本发明方法制得的多孔铁的密度小于4g/cm³，孔隙率为65％～85％，孔径为0.5mm～1.5mm，强度为20～110MPa。

附图说明

图1是本发明实施例1所制备多孔铁的宏观结构图；

图2是本发明实施例1所制备多孔铁的应力应变图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明所采用的技术方案是：

一种采用粉末烧结法制备大孔径高孔隙率多孔铁的方法，包括如下步骤：

步骤1：铁粉的预处理；

铁粉先用一定质量分数的稀酸清洗，以便除去铁粉表面的氧化物，再用清水充分洗涤干净后在氮气保护干燥箱中干燥，最后加入一定量的无水乙醇润湿，此处无水乙醇作为粘接剂，便于铁粉与CO(NH₂)₂颗粒混合均匀。

该CO(NH₂)₂颗粒的粒径为1mm～2mm，铁粉为细度小于40目的纯铁粉。

步骤2：以CO(NH₂)₂颗粒为造孔剂，将造孔剂和步骤1得到的材料按质量比为1～3：9～7的比例一起置于行星式混料机内充分混合均匀；

选取CO(NH₂)₂颗粒为造孔剂一方面是因为CO(NH₂)₂颗粒极易溶于水和无水乙醇，易于溶除；其次CO(NH₂)₂颗粒熔点低，热处理过程易除去残留CO(NH₂)₂；另外CO(NH₂)₂本身在压制过程中可起到润滑的作用，有利于提高压坯的致密度且易于退模。

步骤3：将步骤2中得到的混合物料置于钢模中在压力机下压制成圆柱形预压坯，选用的压力为300MPa～600MPa；

压坯前模具需要先用稀酸清洗，除去模具表面氧化物，再用碱性溶液中和模具表面残留的稀酸，最后用无水乙醇将模具清洗干净后润滑。

步骤4：将压制好的预压坯在稀酸中静置5～10分钟，除去预压坯在压制过程中表面产生的氧化物，之后用清水将稀酸清洗干净，再放入无水乙醇中溶解部分造孔剂；

步骤5：将步骤4所得物料放入高温井式气氛保护电阻炉(采用氮气保护)进行烧结，即制得多孔铁。

烧结分为两个阶段，第一阶段为将坯料由室温升温至200℃～300℃，保温1～3h，除去残留的尿素；第二阶段为将坯料继续升温至1000℃～1200℃烧结1～4h，最后取出试样冷至室温。

具体实施例

实施例1

一种大孔径高孔隙率多孔铁的制备方法，包括以下步骤：

(1)选取质量比为1～2：9～8的CO(NH₂)₂颗粒和铁粉(铁粉小于40目)，铁粉先用稀酸清洗，再用清水充分洗涤干净后在氮气保护干燥箱中干燥，最后加入一定量的无水乙醇润湿。

(2)将CO(NH₂)₂颗粒和铁粉置于行星式混料机进行混料。

(3)将模具先用稀酸清洗，再用碱性溶液清洗，最后用无水乙醇将模具清洗干净后润滑模具。

(4)将混好的物料置于模具中在500～600MPa下压制成预压坯。

(5)压制好的预压坯先在稀酸中静置5～10分钟，之后用清水将稀酸冲洗干净，再放入无水乙醇中溶解部分造孔剂，制得坯体。

(6)将坯体置于高温井式气氛保护电阻炉，采用氮气保护，分两个阶段进行烧结，第一阶段为将坯料由室温升温至200℃～300℃，保温1～3h，除去残留的尿素；第二阶段为将坯料继续升温至1000℃～1200℃烧结1～4h，最后取出试样冷至室温，制得大孔径高孔隙率多孔铁。

所得的大孔径高孔隙率多孔铁的密度为3.948g/cm³；图1为本实施例制得的大孔径高孔隙率多孔铁的宏观结构图，图中白色部分为白色粉笔灰填充的试样孔隙，黑色部分为金属铁粉末，用IPP分析软件测出该多孔铁宏观孔隙的平均尺寸约为0.63mm，通过计算白色(孔隙)部分所占面积比，得出平均孔隙率为68.8％；压缩强度为109.4MPa，图2为本实施例制得多孔铁的应力应变图，最高点为压缩强度最大处，其值为109.4MPa。

实施例2

一种大孔径高孔隙率多孔铁的制备方法，包括以下步骤：

(1)选取质量比为2～3：8～7的CO(NH₂)₂颗粒和铁粉(<40目)，铁粉先用稀酸清洗，再用清水充分洗涤干净后在氮气保护干燥箱中干燥，最后加入一定量的无水乙醇润湿。

(2)将CO(NH₂)₂颗粒和铁粉置于行星式混料机进行混料。

(3)将模具先用稀酸清洗，再用碱性溶液清洗，最后用无水乙醇将模具清洗干净后润滑模具。

(4)将混好的物料置于模具中在300～400MPa下压制成预压坯。

(5)压制好的预压坯先在稀酸中静置5～10分钟，之后用清水将稀酸冲洗干净，再放入无水乙醇中溶解部分造孔剂，制得坯体。

(6)将坯体置于高温井式气氛保护电阻炉，采用氮气保护，分两个阶段进行烧结，第一阶段为将坯料由室温升温至200℃～300℃，保温1～3h，除去残留的尿素；第二阶段为将坯料继续升温至1000℃～1200℃烧结1～4h，最后取出试样冷至室温，制得大孔径高孔隙率多孔铁。

本实施例所得的多孔铁密度为1.991g/cm³，宏观孔隙的平均尺寸约为1.43mm，孔隙率为84.3％，压缩强度为21.3MPa。

实施例3

一种大孔径高孔隙率多孔铁的制备方法，包括以下步骤：

(1)选取质量比为2：8的CO(NH₂)₂颗粒和铁粉(<40目)，铁粉先用质量分数为10％盐酸溶液清洗，再用清水充分洗涤干净后在氮气保护干燥箱中干燥，最后加入一定量的无水乙醇润湿。

(2)将CO(NH₂)₂颗粒和铁粉置于行星式混料机进行混料。

(3)将模具先用质量分数为10％盐酸清洗，再用碱性溶液清洗，最后用无水乙醇将模具清洗干净后润滑模具。

(4)将混好的物料置于模具中在300MPa下压制成预压坯。

(5)压制好的预压坯先在质量分数为10％盐酸溶液中静置5分钟，之后用清水将稀酸冲洗干净，再放入无水乙醇中溶解部分造孔剂，制得坯体。

(6)将坯体置于高温井式气氛保护电阻炉，采用氮气保护，分两个阶段进行烧结，第一阶段为将坯料由室温升温至200℃，保温1h，除去残留的尿素；第二阶段为将坯料继续升温至1000℃烧结4h，最后取出试样冷至室温，制得大孔径高孔隙率多孔铁。

本实施例所得的多孔铁密度为2.582g/cm³，宏观孔隙的平均尺寸约为0.72mm，孔隙率为79.6％，压缩强度为71.1MPa。

实施例4

一种大孔径高孔隙率多孔铁的制备方法，包括以下步骤：

(1)选取质量比为1：9的CO(NH₂)₂颗粒和铁粉(<40目)，铁粉先用质量分数为20％盐酸溶液清洗，再用清水充分洗涤干净后在氮气保护干燥箱中干燥，最后加入一定量的无水乙醇润湿。

(2)将CO(NH₂)₂颗粒和铁粉置于行星式混料机进行混料。

(3)将模具先用质量分数为20％盐酸清洗，再用碱性溶液清洗，最后用无水乙醇将模具清洗干净后润滑模具。

(4)将混好的物料置于模具中在500MPa下压制成预压坯。

(5)压制好的预压坯先在质量分数为20％盐酸溶液中静置5分钟，之后用清水将稀酸冲洗干净，再放入无水乙醇中溶解部分造孔剂，制得坯体。

(6)将坯体置于高温井式气氛保护电阻炉，采用氮气保护，分两个阶段进行烧结，第一阶段为将坯料由室温升温至260℃，保温1h，除去残留的尿素；第二阶段为将坯料继续升温至1100℃烧结3h，最后取出试样冷至室温，制得大孔径高孔隙率多孔铁。

本实施例所得的多孔铁密度为3.525g/cm³，宏观孔隙的平均尺寸约为0.82mm，孔隙率为72.2％，压缩强度为93.4MPa。

实施例5

一种大孔径高孔隙率多孔铁的制备方法，包括以下步骤：

(1)选取质量比为3：7的CO(NH₂)₂颗粒和铁粉(<40目)，铁粉先用质量分数为30％盐酸溶液清洗，再用清水充分洗涤干净后在氮气保护干燥箱中干燥，最后加入一定量的无水乙醇润湿。

(2)将CO(NH₂)₂颗粒和铁粉置于行星式混料机进行混料。

(3)将模具先用质量分数为30％盐酸清洗，再用碱性溶液清洗，最后用无水乙醇将模具清洗干净后润滑模具。

(4)将混好的物料置于模具中在600MPa下压制成预压坯。

(5)压制好的预压坯先在质量分数为30％盐酸溶液中静置5分钟，之后用清水将稀酸冲洗干净，再放入无水乙醇中溶解部分造孔剂，制得坯体。

(6)将坯体置于高温井式气氛保护电阻炉，采用氮气保护，分两个阶段进行烧结，第一阶段为将坯料由室温升温至300℃，保温1h，除去残留的尿素；第二阶段为将坯料继续升温至1200℃烧结2h，最后取出试样冷至室温，制得大孔径高孔隙率多孔铁。

本实施例所得的多孔铁密度为2.414g/cm³，宏观孔隙的平均尺寸约为1.25mm，孔隙率为80.9％，压缩强度为31.8MPa。

Claims (6)

1.一种大孔径高孔隙率多孔铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将造孔剂与铁粉按照(1～3):(9～7)的质量比，充分混匀，得到混合物料，将混合物料压制成型，得到预压坯体；

所述的造孔剂为CO(NH₂)₂颗粒，且该CO(NH₂)₂颗粒的粒径为1mm～2mm；

铁粉在与造孔剂混匀前经预处理，具体操作为：将铁粉先用稀酸溶液清洗，再用清水充分洗净后，在氮气保护氛围下进行干燥，最后用无水乙醇润湿；

压制成型是将混合物料置于钢模中在压力机下压制成圆柱形预压坯体，且采用的压力为300MPa～600MPa；

2)将预压坯体先用稀酸溶液处理后，再用清水洗净稀酸溶液，最后静置于无水乙醇中溶解去除造孔剂，制得坯体；

3)将经步骤2)处理后的坯体烧结后，冷却，制得大孔径高孔隙率多孔铁；

所述的烧结分两阶段进行，第一阶段将坯体由室温升温至200～300℃，保温1～3h；第二阶段是将坯体继续升温至1000～1200℃后，烧结1～4h。

2.根据权利要求1所述的一种大孔径高孔隙率多孔铁的制备方法，其特征在于，所述铁粉为细度小于40目的纯铁粉。

3.根据权利要求1所述的一种大孔径高孔隙率多孔铁的制备方法，其特征在于，所述钢模在使用前先经稀酸溶液清洗去除钢模表面氧化物，再经碱性溶液中和钢模表面残留的稀酸溶液，最后用无水乙醇将钢模清洗干净后用润滑剂润滑钢模。

4.根据权利要求1或3所述的一种大孔径高孔隙率多孔铁的制备方法，其特征在于，所述稀酸溶液为质量分数为5％～30％的盐酸溶液。

5.根据权利要求1所述的一种大孔径高孔隙率多孔铁的制备方法，其特征在于，所述的烧结是将坯体置于高温井式气氛保护电阻炉中，在氮气保护氛围下进行烧结。

6.采用权利要求1～5中任意一项所述的方法制得的大孔径高孔隙率多孔铁，其特征在于，该大孔径高孔隙率多孔铁的密度小于4g/cm³，孔隙率为65％～85％，孔径为0.5mm～1.5mm，强度为20～110MPa。