粉末軋制大尺寸多孔鈦板制備工藝研究

趙少陽(yáng)，談 萍，李廣忠，楊 坤，劉曉青，吳 琛

(西北有色金屬研究院 金屬多孔材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710016)

粉末軋制技術(shù)是將金屬粉末由供料裝置不斷送入轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反且處在同一平面的2個(gè)軋輥之間的縫隙，通過(guò)軋輥的壓力將粉料壓成連續(xù)的坯材，制成具有一定厚度和孔隙度且有適當(dāng)機(jī)械強(qiáng)度的板帶坯料。通過(guò)燒結(jié)或者后續(xù)軋制及熱處理，以進(jìn)一步提高致密度并消除應(yīng)力，從而獲得足夠的強(qiáng)度和塑性，即可獲得性能均勻的粉末軋制多孔板材[1-3]。

近年來(lái)，粉末軋制的多孔板材雖然已經(jīng)在冶金、醫(yī)藥和化工等行業(yè)的某些氣固及液固分離環(huán)節(jié)中取得了一定的應(yīng)用，但受到粉末軋機(jī)設(shè)備能力和軋輥寬度的限制，國(guó)內(nèi)目前制備的粉末軋制多孔板材寬度小于270 mm，無(wú)法滿足如電解水、制藥和石油化工等行業(yè)中對(duì)于大尺寸板狀過(guò)濾元件的需求。而且，目前僅有的報(bào)道多集中在粉末軋制多孔板材性能表征方面[4-7]，鮮有粉末軋制大尺寸多孔板材制備工藝研究的報(bào)道。因此，開(kāi)展粉末軋制技術(shù)制備大尺寸多孔過(guò)濾板材顯得尤為重要。

本研究從工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于大尺寸板狀過(guò)濾元件的實(shí)際需求出發(fā)，以氫化脫氫鈦粉為原料，采用粉末軋制和真空燒結(jié)工藝制備大尺寸多孔鈦板。通過(guò)對(duì)喂料和燒結(jié)制備工藝的優(yōu)化改進(jìn)，以獲得過(guò)濾性能均勻的粉末軋制大尺寸多孔鈦板。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以氫化脫氫鈦粉為原料，粉末形貌不規(guī)則，平均粒徑為100 μm，松裝密度為1.54 g/cm3。表1為氫化鈦粉末原料的化學(xué)成分。軋制過(guò)程中為了減少粉末原料從輥縫和軋輥兩端的流失，在粉末中添加2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的無(wú)水乙醇，以增強(qiáng)粉末顆粒間的團(tuán)聚能力，保證軋制過(guò)程順利進(jìn)行。

表1 氫化脫氫鈦粉化學(xué)成分(w/%)

軋制設(shè)備為西北有色金屬研究院自主研發(fā)的四輥臥式粉末軋機(jī)，最大軋制力為3000 kN，工作輥直徑為φ200 mm，支撐輥直徑為φ400 mm，軋輥寬度500 mm且水平布置，垂直方向進(jìn)料。在粉末軋制前，用絹紡白綢蘸取無(wú)水乙醇擦洗軋輥表面，以確保軋輥表面無(wú)灰塵和其他粉末顆粒附著。將粉末原料放入定量喂料裝置中，經(jīng)過(guò)粉末軋制，最終軋制出厚度1.2 mm、長(zhǎng)度4.5 m的多孔生坯鈦板。軋制速度為1.6 m/min，軋輥縫隙為0.3 mm，軋制力約為1200 kN。將軋制好的坯料切成規(guī)格為430 mm×1000 mm的板材，用細(xì)毛刷刷掉生坯板材兩面的浮粉，然后裝入限位燒結(jié)裝置中進(jìn)行真空爐燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1100 ℃，保溫時(shí)間為1 h。

基于Archimedes定律，用XS205分析天平測(cè)定粉末樣品的密度、孔隙率(GB/T3850—1983)。根據(jù)N/XB0305—2000標(biāo)準(zhǔn)，采用Topas PSM165孔徑檢測(cè)儀測(cè)定樣品的最大孔徑，并測(cè)定樣品的透氣度。用AFC-131型TOPAS多孔材料氣/固分離實(shí)驗(yàn)臺(tái)，參照EN779—2002標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量樣品的壓差-流量以及過(guò)濾精度。

2 結(jié)果與討論

2.1 喂料方式的影響

金屬粉末軋制過(guò)程中，軋制力P是一個(gè)被動(dòng)數(shù)值，它是由喂料速度、軋輥縫隙等共同決定的，是影響多孔板材厚度的關(guān)鍵因素[8]。相關(guān)報(bào)道[9]表明，軋制力P與多孔板厚度h相關(guān)系數(shù)為0.976，與給料速度β的相關(guān)系數(shù)為0.816。前蘇聯(lián)學(xué)者研究得出了軋制力P的計(jì)算式[3]：

(1)

式中：P為粉末軋制的總壓力;σmax為最大單位軋制壓力；B為帶坯寬度；h為帶坯厚度；H為咬入厚度；為壓制系數(shù)；R為軋輥半徑；μ為粉末體與軋輥之間的摩擦系數(shù)；α1為軋制中心角；α2為軋輥彈性壓縮角；φ為傾斜角。從式(1)中可見(jiàn)，軋制帶坯的厚度和相對(duì)密度對(duì)軋制壓力影響較大，軋制力隨著軋制帶坯厚度和相對(duì)密度的增加而增加。

粉末軋制帶坯厚度h的計(jì)算式[3]：

(2)

式中：α為咬入角；ρ2為軋制后帶坯的密度；ρ1為軋制前粉末的松裝密度；λ為延伸系數(shù)。從式(2)可見(jiàn)，粉末軋制時(shí)軋出的帶坯厚度與咬入角的平方和軋輥半徑成正比[10]，并與延伸系數(shù)和壓實(shí)系數(shù)有關(guān)。

在粉末軋制這種連續(xù)成形的軋制過(guò)程中，必須要保證粉末能連續(xù)、均勻地輸送進(jìn)輥縫間的變形區(qū)內(nèi)，才能軋制出高質(zhì)量的帶坯。喂料一旦出現(xiàn)不連續(xù)或者不均勻的情況，軋制過(guò)程就會(huì)中斷或者軋制出的帶坯厚度不均等情況。常見(jiàn)的喂料方式分為強(qiáng)制喂料和自由喂料，水平軋制時(shí)通常采用強(qiáng)制喂料方式，垂直方向軋制時(shí)則采用自由喂料方式[11]。本次實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為臥式粉末軋機(jī)，以垂直方向軋制，所以采用的是如圖1a所示的中間自由喂料方式。通過(guò)圖1b所示軋制力的在線監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)軋制過(guò)程中軋制力波動(dòng)較大，最大波動(dòng)達(dá)25%。通過(guò)對(duì)軋制出的帶坯進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)軋制出的多孔鈦板在長(zhǎng)度方向上厚度不均勻，厚度誤差達(dá)15%。

圖1 中間自由喂料粉末軋制示意圖及軋制力在線監(jiān)測(cè)曲線Fig.1 Schematic diagram of powder rolling with intermediate free feeding (a) and on line monitoring curve of rolling force (b)

這是因?yàn)樵谲堉崎_(kāi)始時(shí)軋輥縫隙一定，隨著軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，粉末在自重力作用下和軋輥表面摩擦力的帶動(dòng)下，從上往下流入到輥縫中，最終經(jīng)過(guò)聚攏、排列、壓實(shí)而成帶坯。在進(jìn)入軋制變形區(qū)前粉末受到上方粉末原料的自重力而得到預(yù)先的壓縮，松裝密度增大。隨著軋制過(guò)程的不斷進(jìn)行，粉末咬入量逐漸增加，且壓實(shí)程度不斷增大，這將引起軋機(jī)的彈性變形，被咬入的粉末對(duì)機(jī)架產(chǎn)生一種楔開(kāi)力[3]使軋輥縫隙增大，從而讓更多的粉末咬入變形區(qū)，軋制出的多孔板材的厚度就相應(yīng)增加。而這種從中間自由喂料方式，無(wú)法保證堆積在輥縫的粉末為定值，粉末在自身重力作用下向下沉降，這樣被咬入到輥縫的粉末量不是恒定值且一直波動(dòng)。同時(shí)，受到預(yù)壓的變形區(qū)的粉末由于相對(duì)密度增大，引起測(cè)壓系數(shù)的值增加，粉末咬入角也增大，最終導(dǎo)致軋制出的帶坯密度也增大。

為此，針對(duì)上述問(wèn)題對(duì)喂料裝置做了優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)為圖2所示的限制式定量喂料裝置。該喂料裝置設(shè)置了3層交錯(cuò)式擋板，使供料自由流動(dòng)區(qū)和粉末咬入?yún)^(qū)的粉末始終處于松散的堆積狀態(tài)(即喂料高度和松裝密度恒定)，使進(jìn)入到軋制咬入?yún)^(qū)的粉末始終保持在一定量，咬入?yún)^(qū)上下的粉末松裝密度始終保持一致，從而保證了粉末喂料的均勻性。圖2b為改進(jìn)后的限制式定量喂料方式下的軋制力曲線。從圖2中可見(jiàn)，限制式定量喂料方式下軋制力曲線始終較為平緩，軋制力波動(dòng)<5%。對(duì)軋制帶坯的厚度進(jìn)行測(cè)量，厚度誤差均在2%以內(nèi)。因此，在粉末軋制過(guò)程中，要保證喂料均勻，它是影響軋制帶坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

圖2 限制式定量喂料粉末軋制示意圖及軋制力 在線監(jiān)測(cè)曲線Fig.2 Schematic diagram of powder rolling with limited quantitative feeding (a) and on line monitoring curve of rolling force (b)

2.2 燒結(jié)方式的影響

燒結(jié)是通過(guò)金屬粉末原子間的擴(kuò)散、物質(zhì)遷移流動(dòng)和組分之間物理化學(xué)反應(yīng)等綜合應(yīng)用，使成形生坯中的氣孔率進(jìn)一步減小，顆粒間的結(jié)合力進(jìn)一步增強(qiáng)。一般將軋制帶坯用卷取機(jī)卷成卷狀，或者一層層摞起來(lái)在燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)。成形帶坯經(jīng)過(guò)

燒結(jié)，密度和強(qiáng)度都會(huì)得到大幅度的提高。粉末軋制帶坯的燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間等工藝原理與一般的粉末冶金壓制制品基本類(lèi)似。鑒于粉末軋制帶坯的厚度一般較薄，因而保溫時(shí)間比一般壓制制品略短，且燒結(jié)溫度比一般壓制制品燒結(jié)溫度低30～50 ℃[1，2]。

粉末軋制多孔鈦板在如圖3a所示的自由燒結(jié)工裝中高溫?zé)Y(jié)，將軋制料坯平鋪在砂粒上，這種燒結(jié)方式雖有利于燒結(jié)過(guò)程中熱量傳導(dǎo)均勻，但是燒制的多孔鈦板容易發(fā)生如圖3b所示的翹曲變形，且多孔鈦板表面坑洼不平整，嚴(yán)重影響過(guò)濾使用。同時(shí)，因鈦金屬的活性較高，常用的鉬板料舟也容易與之發(fā)生粘結(jié)反應(yīng)，使多孔鈦板因粘結(jié)而產(chǎn)生破壞性變形。

圖3 自由燒結(jié)工裝及燒結(jié)變形的多孔鈦板 Fig.3 Free sintering tooling (a) and deformed porous titanium plate after sintering (b)

為解決鈦板在燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生粘結(jié)、翹曲變形，對(duì)常用的燒結(jié)裝置進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)了如圖4a所示的限位燒結(jié)裝置。在低成本的不銹鋼燒結(jié)工裝表面涂了一層氧化鋯防粘涂層，在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中有效地隔絕了鈦金屬與燒結(jié)工裝的反應(yīng)，同時(shí)降低費(fèi)用。在燒結(jié)過(guò)程中，該燒結(jié)工裝豎立在加熱爐內(nèi)，以減少料舟自重對(duì)多孔鈦板的壓力，多孔鈦板夾在2個(gè)料舟中間從而限制其移動(dòng)。燒結(jié)后的多孔板材如圖4b所示，其表面平整無(wú)粘結(jié)，呈光亮的金屬色，滿足過(guò)濾用大尺寸多孔鈦板的要求。限位燒結(jié)工裝徹底解決了活性多孔鈦板的燒結(jié)變形問(wèn)題。

圖4 限位燒結(jié)工裝及燒結(jié)的多孔鈦板 Fig.4 Limited sintering tooling (a)and sintered porous titanium plate (b)

通過(guò)測(cè)量，所制備的粉末軋制多孔鈦板密度為2.85 g/cm3，孔隙率約為36%，最大孔徑為37 μm。

2.3 多孔鈦板的過(guò)濾性能

對(duì)于過(guò)濾用多孔材料而言，過(guò)濾通量和過(guò)濾精度是評(píng)價(jià)其過(guò)濾應(yīng)用性能的2個(gè)最關(guān)鍵指標(biāo)[12]。過(guò)濾通量可以通過(guò)測(cè)試過(guò)濾元件的壓差-流量曲線來(lái)表征，即在不同流速的氣體通過(guò)過(guò)濾元件時(shí)表面的表觀流速，在流速相同的條件下，測(cè)量過(guò)濾元件內(nèi)外的初始?jí)航祦?lái)表征過(guò)濾元件的過(guò)濾通量。在表觀流速相同的條件下，初始?jí)航翟叫?，即通量越大，過(guò)濾的阻力也越小[1，2]。

圖5為粉末軋制多孔鈦板的壓差-流量曲線。由圖5可以看到，壓差與流量呈線性增長(zhǎng)，符合達(dá)西公式對(duì)流體透過(guò)多孔材料透過(guò)性能的描述，計(jì)算可得軋制多孔鈦板的透氣度為150 m3/(h·kPa·m2)，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法壓制的多孔材料。圖6是粉末軋制多孔鈦板的氣體過(guò)濾精度測(cè)試結(jié)果。從圖6可以看出，對(duì)于直徑>5 μm的氣體粉塵，軋制多孔鈦板的過(guò)濾精度>99.99%。

圖5 軋制多孔鈦板的壓差-流量曲線Fig.5 Differential pressure-flow rate curve of rolled porous titanium plate

圖6 軋制多孔鈦板的過(guò)濾精度曲線Fig.6 Filtration accuracy curve of rolled porous titanium plate

3 結(jié) 論

(1) 以氫化脫氫鈦粉為原料，采用粉末軋制和真空燒結(jié)技術(shù)成功制備出了性能均勻且寬度大于400 mm的多孔鈦板，其密度為2.85 g/cm3，最大孔徑為37 μm，透氣度為150 m3/(h·kPa·m2)。對(duì)于直徑>5 μm的氣體粉塵，多孔鈦板的過(guò)濾精度>99.99%，過(guò)濾通量大、過(guò)濾精度高。

(2) 在粉末軋制過(guò)程中，采用限制式定量喂料方式可以使進(jìn)入到軋制咬入?yún)^(qū)的粉末量保持恒定，實(shí)現(xiàn)定量喂料，從而保證喂料的均勻性。

(3) 限位燒結(jié)方式對(duì)生料坯在高溫?zé)Y(jié)時(shí)加以約束，能有效防止其翹曲變形，燒結(jié)后的多孔鈦板表面平整光亮。