专利名称：具有星型截面的金属滤芯及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种粉末冶金制品领域中的金属滤芯及其制备方法，具体涉及一种具有复杂星型截面的金属滤芯及其制备方法。
背景技术：
金属粉末多孔材料是一种具有特殊孔隙特性和金属结构强度的综合性能优异的一种功能材料。金属粉末多孔材料孔形稳定、孔隙度及孔径可控、力学性能好、耐高温抗热震，焊接性能优良。广泛应用于核能开发、石油化工、能源环保、国防军工和生物制药等工业过程中的过滤分离、流体管理、高效燃烧、强化传质传热、阻燃防爆等，是上述工业技术发展不可或缺的关键材料。
核燃料生产过程中使用的金属多孔过滤材料直接与核物质接触，失效之后需要进行处理。因此滤芯的体积越小，有效过滤面积越大，相应辅助设施会越小，失效退役之后的处理就更方便。此次星型结构的粉末滤芯在增加通量的同时还减小了体积，在核能开发领域具有重要的应用前景。
目前，烧结金属粉末滤芯大多采用圆形截面，其常规工艺流程为等静压或者粉末轧制。目前报道的折波星型截面主要是纤维毡滤芯，由于粉末星型粉末烧结滤芯结构复杂， 模具设计与加工困难，国内还很少有涉及。
虽然中国专利ZL 200420048154. X公开了一种星型包夹式速换过滤芯，该滤芯的制作方式为首先用实用金属做成一个星型的框架式结构，然后再在框架外表面固定一层滤网，框架起支持作用，滤网起过滤作用，但由于其滤网是包裹在星型框架上，所以其强度不够。发明内容
本发明的目的是针对过滤与净化行业提供一种结构紧凑，通量高，安全性好的粉末烧结滤芯的制备方法。
根据上述目的，本发明设计了星型截面粉末烧结金属滤芯，其特点在于该粉末滤芯通过特殊的模具设计，截面采用折波的星型结构，一次等静压成型密封下端面及上端面密封法兰结构，没有焊接，安全系数高，整体强度好，相比传统的圆形截面过滤管，有效过滤面积增加1 2倍。星型截面滤芯外径Φ 50mm Φ 200mm,平均孔径为3_35 μ m。
根据星型截面粉末烧结金属滤芯的设计理念，其制备工艺步骤为
1)粉末筛分
将粉末进行筛分定级，粉末粒度为-100+500目；
2)等静压成型
将一定粒度的粉末原料以松装比重2. 0-2. 8g/cm3，填入相应的模具，在振动台上振实，再采用冷等静压机成形，成形压力为100-300MPa，保压时间为10-30min。
3)真空/氢气高温烧结
采用真空/氢气高温烧结炉，对脱模后的生坯进行烧结，烧结温度为 1100-1350°C，保温时间为1-4小时，真空度< 1.0X KT1Pat5
通过上述工艺步骤，完成了一支完整的具有星型截面的金属滤芯的制备。
S卩，本发明提供一种通过粉末烧结得到的具有星型截面的金属滤芯，所述星型截面采用折波的星型结构，所述星型结构具有5角以上 12角以下的角数。
在上述具有星型截面的金属滤芯中，优选所述金属滤芯具有一体成型得到的密封下端面和上端面密封法兰。
在上述具有星型截面的金属滤芯中，优选所述粉末的材质为不锈钢316、316L、 304、304L、310S、904L、Inconel合金、Monel合金、FeCrAl合金、铁铝金属间化合物中任一种。
在上述具有星型截面的金属滤芯中，优选所述金属滤芯的管径Φ 50 Φ 200mm。
在上述具有星型截面的金属滤芯中，优选所述金属滤芯的平均孔径为3 35 μ m,渗透率为(0. 5 10) X l(T4L/cm2 · Pa · min。
在上述具有星型截面的金属滤芯中，优选所述金属滤芯与管板的连接方式为所述金属滤芯的上端面密封法兰与所述管板压紧密封。
本发明的另一侧面提供一种具有星型截面的金属滤芯的制备方法，该金属滤芯是上述的具有星型截面的金属滤芯，该制备方法包括粉末筛分步骤选取粉末粒度为-100+500目的粉末原料；等静压成形步骤将所述粉末原料以规定松装比重填入相应的具有星型截面的管状模具，将管状模具内的所述粉末原料振实并采用冷等静压机直接成型得到滤芯生坯；和真空/氢气高温烧结步骤采用真空高温烧结炉或者氢气高温烧结炉，对脱模后的滤芯生坯进行烧结得到所述金属滤芯。
在上述具有星型截面的金属滤芯的制备方法中，优选所述规定松装比重为 2. 0 2. 8g/cm3,在冷等静压机直接成型时，成形压力为100 300MPa，保压时间为10 30min,在烧结时，烧结温度为1100 1300°C，保温时间为1 4小时，采用真空高温烧结炉时的真空度< 1. OX KT1Pat5
在上述具有星型截面的金属滤芯的制备方法中，优选在所述等静压成形步骤中， 采用一次等静压成型金属滤芯的密封下端面及上端面密封法兰。
在上述具有星型截面的金属滤芯的制备方法中，优选所述管状模具包括内表面具有第一星型截面的胶套；和具有第二星型截面的内撑，所述内撑置于所述胶套内时，所述第二星型截面的角部一一对应进入所述第一星型截面的凹部，而且所述角部与所述凹部之间具有空间以填充粉末，所述胶套由第一段和第二段组成，所述第一星型内截面位于所述第一段的内表面，所述第二段的内表面为光滑的壁面，所述第一段的内径小于所述第二段的内径，所述内撑的一端突出进入所述第二段以用于成型密封法兰。
在上述具有星型截面的金属滤芯的制备方法中，优选将烧结得到的所述金属滤芯与管板加以连接，其连接方式为金属滤芯的法兰与所述管板压紧密封。
具有星型截面的滤芯相对于圆形截面滤芯具有有效过滤面积大、无焊接、安全性高、强度好等特点。在核能开发、石油化工、机械电子等领域中的气固、液固分离，除尘净化等方面具有广泛的应用前景，特别是在核燃料的制备和核三废的处理过程中具有体积少， 效率高、安全可靠等优点。
图1是基于本发明的具有星型截面的金属滤芯的结构示意图。
图2是本发明的金属滤芯的端面示意图。
图3是本发明的金属滤芯与管板的连接示意图。
图4是用于制造本发明的金属滤芯的管状模具的结构示意图
其中，附图标记说明如下
1整体成型下端面；2星型滤芯本体；3整体成型上端密封法兰；
4管板；5密封垫；6紧固螺母； 7压板；
8带星型截面的胶套；9带星型截面的内撑；10密封胶塞；
11紧固铁丝；12粉末填充空间；13加压介质。
具体实施方式
通过下列实施实例对本发明进行具体的描述，特别指出实施实例是对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明的保护范围的限制。
基于本发明的具有星型截面的金属滤芯的结构如图1所示，最左边的是12角星型，中间的是10角星型，右边的是8角星型，其中图中1代表整体成型的密封下端面；2代表星型滤芯本体，3代表整体成型的上端面密封法兰。该星型截面滤芯的外径为Φ60πιπι Φ 200mm，平均孔径为3_35 μ m，另外，基于本发明的制备方法的金属滤芯的渗透率为 (0. 5 10) X W4LZcm2 · Pa · min。
所述星型截面是指具有折波的结构，在本发明的金属滤芯中，优选所述星型结构具有五角以上 12角以下的角数。
该金属滤芯是通过特殊设计的模具(模具截面采用折波的星型结构，后面有详细介绍)进行等静压成型得到的，其中通过对规定粒度的粉末利用上述特殊设计的模具采用一次等静压整体成型密封下端面和上端密封法兰结构，如图2所示，然后进行高温烧结得到本发明具有星型截面的金属滤芯。由于在滤芯制造过程中没有焊接(指下端面没有通过焊接其他部件来密封、以及用于与管板连接的法兰也不是通过焊接而与金属滤芯结为一体的)，减少了因焊接造成的缺陷，所以滤芯的安全系数高，整体强度好。而且由于采用具有多角的星型截面，相比传统的圆形截面过滤管，其有效过滤面积增加1 2倍，在需要规定有效过滤面积的情况下，可以减小滤芯的体积，使其应用场合更加广泛。
将烧结得到的金属滤芯在使用时可以与管板加以连接，其连接方式为金属滤芯的法兰3与管板4压紧密封。如下图所示，待处理介质从管板下方(图中入口)进入，经过滤芯过滤之后从管板上方出去(图中出口)。滤芯的密封用法兰3通过密封垫5、紧固螺母6、 压板7和管板4密封连接。
作为用于制作具有星型截面的金属滤芯的粉末，其材质可为不锈钢316、316L、 304、304L、310S、904L、Inconel合金、Monel合金、FeCrAl合金、铁铝金属间化合物中任一种，粉末的粒度优选是在-100+500目。
根据星型截面粉末烧结金属滤芯的设计理念，其制备工艺步骤为
1)粉末筛分
根据实际使用场合，确定要使用的粉末材质，将粉末进行筛分定级，得到一定粒度的粉末原料，粉末粒度优选为-100+500目；
2)模具设计
设计特殊的管状模具，确保等静压工艺一次成型下端面和上端密封法兰结构，该模具如下图所示，包括内表面具有第一星型截面的胶套8 ；具有第二星型截面的内撑9 ；密封胶塞10(设置在胶套8的上端口处(即下述第二段)并紧贴其内壁对胶套8的上端口其密封作用)；和紧固铁丝11。内撑9置于胶套8内时，第二星型截面的角部一一对应进入第一星型截面的凹部，而且角部与凹部之间留有空间以填充粉末(即粉末填充空间12)。所述胶套由第一段和第二段两部分组成，其中所述第一段的内表面具有第一星型内截面的结构，而所述第二段的内表面为光滑的壁面，从尺寸上讲所述第一段的内径小于所述第二段的内径，当内撑9置于胶套8内时，内撑9的一端突出进入所述第二段以用于成型所述密封法兰结构。另外，胶套8的外表面是圆形。装配之后的模具放置于等静压设备中，通过加压介质13给模具填充空间内的粉末加压，粉末在压力的作用下成型为具有一定强度的生坯。 内撑9下端面和胶套8下端面之间的粉末在压力的作用下成型为过滤器的下端面。内撑9 上端面、胶塞11和胶套8上端圆筒部分(第二段)之间粉末在压力作用下成型为过滤的法兰部分。
3)等静压成形
将一定粒度的粉末原料以松装比重2. 0-2. 8g/cm3填入上一步特殊设计的管状模具，在振动台上振实，再采用冷等静压机直接成型，成形压力优选为100 300MPa，保压时间优选为10 30min ；
4)真空/氢气高温烧结
在等静压成型后，从管状模具内取出金属滤芯的生坯，采用真空/氢气高温烧结炉，对脱模后的生坯进行烧结，烧结温度优选为1100 1350°C，保温时间优选为1 4小时，真空度优选< LOXlO^1Pa0
5)连接管板
将烧结得到的金属滤芯与管板加以连接，其连接方式为滤芯的法兰与管板压紧密封。
实施例
表1列出了根据上述制备方法制备出的12角星型截面金属滤芯(图1左侧)、10 角星型截面金属滤芯(图1中间)、8角星型截面金属滤芯(图1右侧)与传统的圆形滤芯在外径尺寸都为55mm、长度为IOOOmm情况下的过滤面积对比，表1中所谓倍率是星型截面的滤芯表面积与同样外径的圆形滤芯表面积之比，表中的内径27mm是指星型过滤器内部的最小圆。
从表1中可以看出，随着星型截面的角数的增加，相比于圆形滤芯，表面积的增加倍数确实也在增加，即有效地实现了本发明的目的之一相比传统的圆形截面过滤管，有效过滤面积增加1 2倍。
表1星型截面与圆形截面粉末烧结金属滤芯表面积
权利要求
1.一种通过粉末烧结得到的具有星型截面的金属滤芯，其特征在于 所述星型截面采用折波的星型结构，所述星型结构具有5角以上 12角以下的角数。
2.根据权利要求1所述的具有星型截面的金属滤芯，其特征在于 所述金属滤芯具有一体成型得到的密封下端面和上端面密封法兰。
3.根据权利要求1所述的具有星型截面的金属滤芯，其特征在于所述粉末的材质为不锈钢316、316L、304、304L、310S、904L、Inconel合金、Monel合金、 FeCrAl合金、铁铝金属间化合物中任一种。
4.根据权利要求1所述的具有星型截面的金属滤芯，其特征在于 所述金属滤芯的管径Φ 50 Φ 200mm。
5.根据权利要求1所述的具有星型截面的金属滤芯，其特征在于所述金属滤芯的平均孔径为3 35 μ m，渗透率为(0. 5 10) X lO-Vcm2 · Pa · min。
6.根据权利要求1所述的具有星型截面的金属滤芯，其特征在于所述金属滤芯与管板的连接方式为所述金属滤芯的上端面密封法兰与所述管板压紧密封。
7.一种具有星型截面的金属滤芯的制备方法，所述金属滤芯是权利要求1 6之任一项所述的具有星型截面的金属滤芯，其特征在于，该制备方法包括粉末筛分步骤选取粉末粒度为-100+500目的粉末原料；等静压成形步骤将所述粉末原料以规定松装比重填入相应的具有星型截面的管状模具，将管状模具内的所述粉末原料振实并采用冷等静压机直接成型得到滤芯生坯；和真空/氢气高温烧结步骤采用真空高温烧结炉或者氢气高温烧结炉，对脱模后的滤芯生坯进行烧结得到所述金属滤芯。
8.如权利要求7所述的具有星型截面的金属滤芯的制备方法，其特征在于 所述规定松装比重为2. O 2. 8g/cm3,在冷等静压机直接成型时，成形压力为100 300MPa，保压时间为10 30min， 在烧结时，烧结温度为1100 1300°C，保温时间为1 4小时，采用真空高温烧结炉时的真空度< 1. OX IO-1Pa15
9.如权利要求7所述的具有星型截面的金属滤芯的制备方法，其特征在于在所述等静压成形步骤中，采用一次等静压成型金属滤芯的密封下端面及上端面密封法兰。
10.如权利要求7所述的具有星型截面的金属滤芯的制备方法，其特征在于，所述管状模具包括内表面具有第一星型截面的胶套；和具有第二星型截面的内撑，所述内撑置于所述胶套内时，所述第二星型截面的角部一一对应进入所述第一星型截面的凹部，而且所述角部与所述凹部之间具有空间以填充粉末，所述胶套由第一段和第二段组成，所述第一星型内截面位于所述第一段的内表面，所述第二段的内表面为光滑的壁面，所述第一段的内径小于所述第二段的内径，所述内撑的一端突出进入所述第二段以用于成型密封法兰。
11.根据权利要求7所述的具有星型截面的金属滤芯的制备方法，其特征在于将烧结得到的所述金属滤芯与管板加以连接，其连接方式为金属滤芯的法兰与所述管板压紧密封。
全文摘要
本发明提供一种通过粉末烧结得到的具有星型截面的金属滤芯，所述星型截面采用折波的星型结构，所述星型结构具有5角以上～12角以下的角数。星型截面滤芯采用一种折波状星型结构，外表面积是普通圆形截面的1～2倍。星型截面粉末滤芯采用特殊的模具设计，等静压工艺一次成型下端面和上端密封法兰结构，滤芯没有焊接，减少了因焊接造成的缺陷，安全系数高，整体强度好。采用星型截面滤芯，可以大幅度的减少使用滤芯的数量，从而有效的减小过滤系统的体积、阀门数量及其它辅助设备。同时也可以简化了控制系统流程，提高了效率，降低了成本。适用于气固、液固分离场合，在核能开发、气体净化、石油化工、能源环保等领域具有良好的应用前景。
文档编号B22F3/16GK102489078SQ201110455278
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者况春江, 安永涛, 毕景维, 王凡, 王浩, 谭华玉, 郭辉进, 陈利军 申请人:安泰科技股份有限公司