CN104630635A - 一种铁铬铝基多孔金属材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铁铬铝基多孔金属材料及其制备方法。所述材料中包含孔径为500nm-40um的通孔，制备该材料的原料包括金属铝、铬粉、铁粉以及碳化硅与稀土。所述材料的制备步骤为：首先将碳化硅粉、稀土与铁粉真空烧结得到含稀土的铁-碳化硅烧结块，随即将烧结块与铝锭、铬粉及余量的铁粉一起在氩气保护下熔炼得到铁铬铝基合金锭，将合金锭破碎后，真空球磨成合金粉，最后将合金粉、造孔剂、粘接剂混合均匀后压制成型并烧结即得到铁铬铝基多孔金属材料。本发明材料具有在高温环境使用寿命长等优点，并且，本发明制备方法可大规模实现工业化。
Description
技术领域
本发明涉及一种对高温含尘烟气或高温含微粒流体起过滤作用、且高温强度优良的多孔金属过滤元件及其制备方法，属于多孔金属材料制备技术领域。
背景技术
包括旋风收尘、电收尘、布袋收尘与湿法常温净化等在内的传统烟气处理方法，难以直接对高温烟气进行过滤；为了解决现有高温收尘中的问题，专利CN101934177B提出了采用颗粒床进行高温烟气的净化，但该专利技术依然难捕集烟气中的细颗粒粉尘等缺陷；多孔陶瓷可实现高温烟气的直接净化，但其抗热震性差等方面缺陷，严重影响了过滤***的使用寿命；尽管专利CN10195426B与专利CN101913874B对多孔陶瓷的寿命延长提出了不错的解决方案，但依然无法从根本上改变陶瓷材料所固有的缺陷。目前用在高温流体领域的过滤材料大多为莫来石或碳化硅的陶瓷过滤板，陶瓷过滤板最大的问题是脆性大、抗热震性差，另外，难以重复使用，这不仅导致了需要高温流体进行过滤企业的生产成本高，而且还造成了陶瓷资源的浪费；平板过滤元件的过滤面积小，在使用该材料时需要频繁更换，也是使用该类材料时成本高的另一个原因所在。
为了克服陶瓷的缺陷，专利1314477C提供了一种金属过滤元件，尽管该材料过滤性能优良，但由于该材料的过滤面积有限，在制作过滤***时需要用到大量的该类金属过滤元件，从而导致高温除尘成本较高。
铁铬铝合金是一类铁素体合金，因为能在高温环境下表面生成一层与基体结合紧密的致密氧化铝保护膜，使其具有耐腐蚀、抗氧化、抗渗碳以及耐磨等优点，从而在高温粉尘或高温流体过滤及催化载体等方面应用前景很大。目前国内外也开展了一些采用铁铬铝合金为基体来制备多孔金属材料的研究，如：专利CN102286669A首先在聚氨酯海绵等多孔体上喷涂铬粉和铝粉，经过导电胶浸涂、加温固化等工序后进行电沉积铁而得到铁铬铝多孔材料；专利CN101172257A制备泡沫铁铬铝是以泡沫形状金属(铁、镍、铜及其合金等)为基材，在基材的多孔表面进行火焰喷涂铁铬铝而得到。这些方法尽管可制备出铁铬铝多孔金属材料，但存在工艺复杂、原料成本高等问题；另一方面现有铁铬铝材料在高温下使用后，由于晶粒长大使其变得易脆，从而影响了这类材料在高温环境下的使用寿命。
针对现有高温环境所使用过滤元件所存在过滤面积小、使用寿命短、难循环使用等方面的问题，本发明人经反复研究，发明了一种高温环境使用的多孔金属过滤元件及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提高一种耐急冷急热性能好、抗高温腐蚀性能优良、过滤性好、强度高的铁铬铝基多孔金属材料及制备方法。
本发明一种铁铬铝基多孔金属材料，包括下述组分，按质量百分比组成：
铝 3-7，
铬 15-25，
碳化硅 2-10，
稀土 0.03-0.5，余量为铁。
本发明一种铁铬铝基多孔金属材料，所述稀土为镧铈混合稀土或稀土钇，镧铈混合稀土中各组分的质量按任意比例配置。
本发明一种铁铬铝基多孔金属材料，所述多孔金属材料中包含孔径为500nm-40um的通孔。
本发明一种铁铬铝基多孔金属材料的制备方法，包括下述步骤：
第一步：制备含稀土的铁-碳化硅烧结块
根据设计的铁铬铝基多孔金属材料中碳化硅、稀土的质量配比，按同比例放大后的碳化硅、稀土的质量比，分别称取碳化硅粉、稀土，与铁粉混合得到混合粉末，将混合粉末真空球磨混合均匀后，压制成型，于1200-1300℃真空烧结1-3小时后，随炉冷却得到含稀土的铁-碳化硅烧结块；控制混合粉末中碳化硅粉和稀土的总质量与铁粉质量比为1:1-2；
第二步：制备含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭
根据第一步得到的含稀土的铁-碳化硅烧结块中稀土、碳化硅、铁的质量，按设计的铁铬铝基多孔金属材料各组分配比，配置铝锭、铬粉及余量的铁粉，氩气保护气氛下于2000-2200℃熔炼1-3小时后，随炉冷却得到含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭；
第三步：制备粒度在1-100um的铁铬铝基合金粉
将第二步得到的铁铬铝基合金锭破碎后真空球磨至粒度为1-100um的铁铬铝基合金粉；
第四步：烧结成型
按质量比(8-10):(0.5-2):(0.5-1)分别称取第三步所制备合金粉、造孔剂、粘接剂，混合均匀，压制成型后，于惰性气氛或真空环境下，以1-3℃/min升温速率升至600-800℃保温0.5-2小时后，以5-10℃/min升温速率升至1200-1400℃，烧结0.5-2h，随炉冷却，得到铁铬铝基多孔金属材料。
本发明一种铁铬铝基多孔金属材料的制备方法，所述造孔剂选自淀粉、尿素、碳铵中的一种，造孔剂的粒度范围为0.5-40um。
本发明一种铁铬铝基多孔金属材料的制备方法，所述粘结剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟基丙烯纤维素、聚乙二醇、聚乙烯乙醇中的至少一种。
本发明所具有的优势分析：
(1)本发明材料的使用寿命长，特别是在高温下使用寿命长。这主要是因为：
①铁铬铝材料的金属特性，使其耐急冷急热性能优秀，可保证大压力下也不会压碎该过滤元件，这是陶瓷材料难以具备的；抗高温腐蚀性能优良，最高使用温度可达1400℃；
②碳化硅与稀土的存在，极大抑制了铁铬铝材料在高温环境下的晶粒长大，从根本上解决了铁铬铝材料的高温脆性问题；
(2)本发明材料可重复使用。这主要是因为：
①一方面，可以通过反吹等操作，将过滤材料中粉尘微粒吹出来，重新返回使用；另一方面，还可以用碱液、酸液等处理来疏通被堵的孔洞，实现反复利用。
②通过铁铬铝粉末的粒径选择和颗粒级配，可以获得不同孔隙率和孔径大小的多孔金属材料，这使本项目技术可用来生产适应于含不同粒径颗粒流体的过滤；并且，本发明材料的金属特性大大提升了材料的传热性能，为将该材料的应用由过滤拓展到极端环境的传热等领域奠定了基础。
附图说明
附图1为本发明实施例1制备的铁铬铝基多孔金属材料的SEM图。
从附图1可以看出，本发明实施例1制备的铁铬铝基多孔金属材料具有明显的三维连通孔洞，孔隙率达到62％。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施作进一步说明，但本发明并不受此限制。
实施例1
制备的铁铬铝基多孔金属材料组分，按质量百分比为：
铝3，铬18，碳化硅3，镧铈混合稀土0.03，余量为铁。
其制备方法，包括下述步骤：
第一步：制备含稀土的铁-碳化硅烧结块
根据设计的铁铬铝基多孔金属材料中碳化硅3、稀土0.03的质量配比，按同比例5倍放大后的碳化硅的质量比为15，稀土的质量比为0.15，分别称取碳化硅粉15公斤、稀土0.15公斤，与15.15公斤铁粉混合得到混合粉末，将混合粉末真空球磨混合均匀后，压制成型，于1200-1300℃真空烧结2小时后，随炉冷却得到含稀土的铁-碳化硅烧结块；
第二步：制备含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭
根据第一步得到的含稀土的铁-碳化硅烧结块中稀土、碳化硅、铁的质量，按设计的铁铬铝基多孔金属材料各组分配比，配置铝锭15公斤、铬粉90公斤，余量为铁粉，氩气保护气氛下于2000-2200℃熔炼2小时后，随炉冷却得到含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭；
第三步：制备粒度在1-100um的铁铬铝基合金粉
将第二步得到的铁铬铝基合金锭破碎后真空球磨至粒度为1-100um的铁铬铝基合金粉；
第四步：烧结成型
按质量比(8-10):(0.5-2):(0.5-1)分别称取第三步所制备合金粉、造孔剂、粘接剂，混合均匀，压制成型后，于惰性气氛或真空环境下，以1-3℃/min升温速率升至600-800℃保温0.5-2小时后，以5-10℃/min升温速率升至1200-1400℃，烧结1.5h，随炉冷却，得到铁铬铝基多孔金属材料。
造孔剂为淀粉，造孔剂的粒度范围为0.5-2um；粘接剂为聚乙烯醇；
本实施例制备的铁铬铝基多孔金属材料表现出了优良的抗压能力与抗氧化性能，其抗压强度达到52.68MPa；在空气中800℃氧化120min后的氧化增重率为1.0mg/g；另外，将所制备多孔材料先升温到800℃、后置于冷水中骤冷20个周期后，材料未见明显破坏，表明本发明材料的耐急冷急热能力优良。
实施例2
制备的铁铬铝基多孔金属材料组分，按质量百分比为：
铝5，铬20，碳化硅6，稀土钇0.25，余量为铁。
其制备方法，包括下述步骤：
第一步：制备含稀土的铁-碳化硅烧结块
根据设计的铁铬铝基多孔金属材料中碳化硅6、稀土0.25的质量配比，按同比例4倍放大后的碳化硅的质量比为24,稀土的质量比为1，分别称取碳化硅粉24公斤、稀土1公斤，铁粉50公斤混合得到混合粉末，将混合粉末真空球磨混合均匀后，压制成型，于1200-1300℃真空烧结2小时后，随炉冷却得到含稀土的铁-碳化硅烧结块；
第二步：制备含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭
根据第一步得到的含稀土的铁-碳化硅烧结块中稀土、碳化硅、铁的质量，按设计的铁铬铝基多孔金属材料各组分配比，配置铝锭20公斤、铬粉80公斤及余量的铁粉，氩气保护气氛下于2000-2200℃熔炼2小时后，随炉冷却得到含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭；
第三步：制备粒度在1-100um的铁铬铝基合金粉
将第二步得到的铁铬铝基合金锭破碎后真空球磨至粒度为1-100um的铁铬铝基合金粉；
第四步：烧结成型
按质量比(8-10):(0.5-2):(0.5-1)分别称取第三步所制备合金粉、造孔剂、粘接剂，混合均匀，压制成型后，于惰性气氛或真空环境下，以1-3℃/min升温速率升至600-800℃保温0.5-2小时后，以5-10℃/min升温速率升至1200-1400℃，烧结1.5h，随炉冷却，得到铁铬铝基多孔金属材料。
造孔剂为尿素，造孔剂的粒度范围为30-40um；粘接剂为羧甲基纤维素；
本实施例制备的铁铬铝基多孔金属材料的孔隙率为68％，抗压强度达到49.23MPa，在空气中800℃氧化240min后的氧化增重率为1.1mg/g；另外，将所制备多孔材料先升温到800℃、后置于冷水中骤冷30个周期后，材料未见明显破坏，表明本发明材料的耐急冷急热能力优良。
实施例3
制备的铁铬铝基多孔金属材料组分，按质量百分比为：
铝6，铬25，碳化硅10，稀土钇0.5，余量为铁。
其制备方法，包括下述步骤：
第一步：制备含稀土的铁-碳化硅烧结块
根据设计的铁铬铝基多孔金属材料中碳化硅10、稀土0.5的质量配比，按同比例2倍放大后的碳化硅的质量比为20，稀土的质量比为1，分别称取碳化硅粉20公斤、稀土1公斤，铁粉21公斤混合得到混合粉末，将混合粉末真空球磨混合均匀后，压制成型，于1200-1300℃真空烧结2小时后，随炉冷却得到含稀土的铁-碳化硅烧结块；
第二步：制备含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭
根据第一步得到的含稀土的铁-碳化硅烧结块中稀土、碳化硅、铁的质量，按设计的铁铬铝基多孔金属材料各组分配比，配置铝锭12公斤、铬粉50公斤及余量的铁粉，氩气保护气氛下于2000-2200℃熔炼2小时后，随炉冷却得到含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭；
第三步：制备粒度在1-100um的铁铬铝基合金粉
将第二步得到的铁铬铝基合金锭破碎后真空球磨至粒度为1-100um的铁铬铝基合金粉；
第四步：烧结成型
按质量比(8-10):(0.5-2):(0.5-1)分别称取第三步所制备合金粉、造孔剂、粘接剂，混合均匀，压制成型后，于惰性气氛或真空环境下，以1-3℃/min升温速率升至600-800℃保温0.5-2小时后，以5-10℃/min升温速率升至1200-1400℃，烧结2h，随炉冷却，得到铁铬铝基多孔金属材料。
造孔剂为碳铵，造孔剂的粒度范围为30-40um；粘接剂为聚乙烯乙醇；
本实施例制备的铁铬铝基多孔金属材料的孔隙率为65％，抗压强度达到51.65MPa，在空气中850℃氧化360min后的氧化增重率为1.0mg/g；另外，将所制备多孔材料先升温到800℃、后置于冷水中骤冷50个周期后，材料未见明显破坏，表明本发明材料的耐急冷急热能力优良。
Claims (9)
1.一种铁铬铝基多孔金属材料，包括下述组分，按质量百分比组成：
铝3-7，
铬15-25，
碳化硅2-10，
稀土0.03-0.5，余量为铁。
2.根据权利要求1所述的一种铁铬铝基多孔金属材料，其特征在于：所述稀土为镧铈混合稀土或稀土钇。
3.根据权利要求2所述的一种铁铬铝基多孔金属材料，其特征在于：所述多孔金属材料中包含孔径为500nm-40um的通孔。
4.根据权利要求3所述的一种铁铬铝基多孔金属材料的制备方法，包括下述步骤：
第一步：制备含稀土的铁-碳化硅烧结块
根据设计的铁铬铝基多孔金属材料中碳化硅、稀土的质量配比，按同比例放大后的碳化硅、稀土的质量比，分别称取碳化硅粉、稀土，与铁粉混合得到混合粉末，将混合粉末真空球磨混合均匀后，压制成型，于1200-1300℃真空烧结后，随炉冷却得到含稀土的铁-碳化硅烧结块；
第二步：制备含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭
根据第一步得到的含稀土的铁-碳化硅烧结块中稀土、碳化硅、铁的质量，按设计的铁铬铝基多孔金属材料各组分配比，配置铝锭、铬粉及余量的铁粉，氩气保护气氛下于2000-2200℃熔炼，随炉冷却得到含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭；
第三步：制备粒度在1-100um的铁铬铝基合金粉
将第二步得到的铁铬铝基合金锭破碎后真空球磨至粒度为1-100um的铁铬铝基合金粉；
第四步：烧结成型
按质量比(8-10):(0.5-2):(0.5-1)分别称取第三步所制备合金粉、造孔剂、粘接剂，混合均匀，压制成型后，于惰性气氛或真空环境下，以1-3℃/min升温速率升至600-800℃保温后，以5-10℃/min升温速率升至1200-1400℃，烧结，随炉冷却，得到铁铬铝基多孔金属材料。
5.根据权利要求4所述的一种铁铬铝基多孔金属材料的制备方法，其特征在于：第一步中，真空烧结时间为1-3小时。
6.根据权利要求4所述的一种铁铬铝基多孔金属材料的制备方法，其特征在于：第二步中，氩气保护气氛下于2000-2200℃熔炼1-3小时。
7.根据权利要求4所述的一种铁铬铝基多孔金属材料的制备方法，其特征在于：第四步中，600-800℃保温0.5-2小时，1200-1400℃，烧结0.5-2小时。
8.根据权利要求4所述的一种铁铬铝基多孔金属材料的制备方法，其特征在于：所述造孔剂选自淀粉、尿素、碳铵中的一种，造孔剂的粒度范围为0.5-40um。
9.根据权利要求4-8任意一项所述的一种铁铬铝基多孔金属材料的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟基丙烯纤维素、聚乙二醇、聚乙烯乙醇中的至少一种。
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