Шихта для получения пористого проницаемого материала

Шихта для получения пористого проницаемого материала

Реферат

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам шихты для получения пористого проницаемого материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), применяемого для изготовления фильтрующих элементов, которые могут быть использованы как носители катализаторов в каталитических нейтрализаторах отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, при очистке сточных вод гальванических ванн в металлургической промышленности, при очистке масла в системе смазки двигателей внутреннего сгорания, пламегасителей, аэраторов и других пористых изделий.

Известна шихта для получения пористого проницаемого материала на основе керметов, состоящая из оксидных соединений и металла. Пористый проницаемый материал изготовляется из известной шихты методом порошковой металлургии, т.е. путем прессования и последующего спекания в печи при температуре более 1000°С (Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. - М.: Машиностроение, 1990. - С.116. и Справочник: Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения / Федоренко И.М., Францевич И.Н., Радомысельский И.Д. и др. - Киев: Наукова думка, 1985. - С.242-263).

Недостатками этой шихты являются повышенная энергоемкость изготовления получаемого пористого проницаемого материала вследствие необходимости спекания в высокотемпературной печи и низкая экономичность, так как производство изделий на ее основе осуществляется с применением дорогостоящих высокоточной технологической оснастки и прессового оборудования.

Известна также шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, алюминий, оксид хрома (IV), хром и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: железная окалина 45-50; алюминий 12,5-27,5; оксид хрома (IV) 17,5-18,5; хром 5-9; никель 5-20. Пористый проницаемый материал получают методом СВС. Материал имеет упорядоченную структуру порового пространства, коррозионную стойкость 9-16%, механическую прочность 8,4-12,2 МПа (авторское свидетельство SU 1779681, МПК⁵ С 04 В 38/02, 36/65).

Основным недостатком описанной шихты является ограничение сферы применения получаемого на ее основе пористого проницаемого материала, обусловленное использованием дефицитных и токсичных компонентов - оксида хрома, хрома и никеля.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, алюминий, оксид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%: железная окалина 39-44; оксид алюминия 35-43; алюминий - остальное. Пористый проницаемый материал получают методом СВС. Материал имеет упорядоченную структуру порового пространства, средний размер пор составляет 360 мкм, прочность на сжатие 6,2 МПа (см. таблицу), (патент RU 2081731, МПК⁶ B 22 F 1/00, 3/23).

В качестве недостатков вышеописанной шихты можно отметить пониженную устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам и значительную материалоемкость изделий, изготовленных на основе получаемого пористого проницаемого материала, при жестких технологических требованиях к их прочности, а также ограничение сферы применения получаемого пористого проницаемого материала. Эти недостатки обусловлены низкой прочностью на сжатие получаемого пористого проницаемого материала, т.к. наличие в шихте оксидов железной окалины и оксида алюминия приводит к уменьшению прочности материала при отсутствии раскисления. Кроме того, поры с небольшими средними размерами приводят к повышению гидравлического сопротивления синтезируемого пористого материала и, как следствие, к дополнительному ограничению сферы применения из-за потерь механической энергии потоков, проходящих через его структуру.

Задачей настоящего изобретения является повышение устойчивости к динамическим и статическим нагрузкам изделий, изготовленных на основе получаемого пористого проницаемого материала, снижение материалоемкости этих изделий при жестких технологических требования к прочности, а также расширение сферы применения получаемого пористого проницаемого материала.

Для достижения указанного технического результата известная шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, оксид алюминия и алюминий, дополнительно содержит силикобариевую лигатуру ФС 65 Ва4 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Железная окалина	45-47
Оксид алюминия	33-35
Силикобариевая лигатура ФС 65 Ва4	1-5
Алюминий	Остальное

Расширение сферы применения получаемого пористого проницаемого материала и повышение устойчивости к динамическим и статическим нагрузкам изделий, изготовленных на основе этого материала, обусловлены повышением прочности на сжатие до 10,8-12,2 МПа (см. таблицу) вследствие введения в состав шихты силикобариевой лигатуры ФС 65 Ва4 (ТУ 14-5-160-84), содержащей, мас.%: железо 25-30; кремний 65-67; барий 4,0-4,5, для легирования железа кремнием и барием, то есть указанные изделия могут быть использованы в качестве крупногабаритных тонкостенных фильтрующих элементов не только при статическом нагружении, но и при вибрациях. Расширение сферы применения получаемого пористого проницаемого материала обусловлено и увеличением средних размеров пор, что приводит к снижению гидравлического сопротивления и, следовательно, к уменьшению потерь механической энергии проходящих через его структуру потоков. В свою очередь увеличение средних размеров пор является следствием введения в состав шихты силикобариевой лигатуры ФС 65 Ва4 в количестве 1-5 мас.%, позволяющего повысить температуру СВС и увеличить объем жидкой фазы за счет упорядочивания структуры материала.

Снижение материалоемкости изделий, изготовленных на основе получаемого пористого проницаемого материала, обеспечивается повышением его прочности на сжатие и позволяет, в частности, использовать тонкостенные фильтрующие элементы вместо толстостенных при жестких технологических требованиях к их необходимой механической прочности.

При содержании в шихте силикобариевой лигатуры ФС 65 Ва4 в количестве 1-5 мас.% осуществляется легирование железа кремнием и барием, повышается температура горения, что влечет за собой увеличение объема жидкой фазы за счет образования упорядоченной структуры пористого проницаемого материала, повышение прочности этого материала на сжатие и увеличение среднего размера пор (см. таблицу).

Выбранные соотношения железной окалины, оксида алюминия и силикобариевой лигатуры ФС 65 Ва4 являются оптимальными, так как при содержании железной окалины в шихте менее 45 мас.%, оксида алюминия - менее 33 мас.%, силикобариевой лигатуры ФС 65 Ва4 - менее 1 мас.% реакция СВС не инициируется, а при содержании в шихте железной окалины более 47 мас.%, оксида алюминия - более 35 мас.%, силикобариевой лигатуры ФС 65 Ва4 - более 5 мас.% происходит полное расплавление компонентов и образование сплошного конгломерата вместо пористого проницаемого материала.

Предлагаемое изобретение поясняется таблицей, в которой приведены физико-механические свойства образцов пористого проницаемого материала, полученного на основе предлагаемой шихты, и образцов пористого проницаемого материала, полученного на основе шихты, выбранной в качестве прототипа.

Шихта для получения пористого проницаемого материала содержит железную окалину, оксид алюминия, силикобариевую лигатуру ФС 65 Ва4 и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%: железная окалина 45-47; оксид алюминия 33-35; силикобариевая лигатура ФС 65 Ва4 1-5; алюминий - остальное. При этом силикобариевая лигатура ФС 65 Ва4 (ТУ 14-5-160-84) содержит, мас.%: железо 25-30, кремний 65-67, барий 4,0-4,5.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Для экспериментальной проверки заявляемого технического решения были приготовлены образцы шихты различного состава согласно изобретению, а также образец шихты - прототипа.

Для изготовления образцов использовались порошок железной окалины стали 18Х2Н4МА, порошок оксида алюминия АСД-1 ТУ 48-5-226-87 и порошок силикобариевой лигатуры ФС 65 Ва4, содержащей 25-30 мас.% железа, 65-67 мас.% кремния, 4,0-4,5 мас.% бария.

Компоненты дозировались в заданных соотношениях на аналитических весах с точностью 0,001 г и смешивались всухую в атмосфере воздуха в лабораторном смесителе типа «пьяная бочка» партиями по 200 г в течение 1 часа. Приготовленная шихта засыпалась в металлические формы и после инициирования реакции СВС компонентов получали образцы пористого проницаемого материала, которые в дальнейшем использовались для испытаний.

Образцы материала для определения его физико-механических свойств имели вид цилиндров с диаметром 50 мм и с высотой 50 мм. Металлографически оценивался средний размер пор образцов, а воздействием на образцы нагрузкой определялась их прочность на сжатие.

По результатам, представленным в таблице, видно, что шихта с заявленным составом компонентов обеспечивает получение пористого проницаемого материала с более высокой прочностью на сжатие - на 86-87% выше по сравнению с прототипом и позволяет увеличить средний размер пор в синтезируемом материале на 4,6% по сравнению с прототипом.

Таким образом, использование предлагаемой шихты по сравнению с применением шихты-прототипа позволяет увеличить устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам изделий, изготовленных на основе полученного пористого проницаемого материала, снизить материалоемкость этих изделий и расширить сферу применения полученного пористого проницаемого материала, что обусловлено повышением механической прочности и среднего размера пор синтезируемого материала. Благодаря таким физико-механическим свойствам пористого проницаемого материала его можно применять, например, в качестве фильтрующих каталитических элементов нейтрализаторов отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, фильтров для очистки сточных вод гальванических ванн в металлургической промышленности, масляных фильтров в системе смазки двигателя внутреннего сгорания.

ТаблицаФизико-механические свойства образцов пористого проницаемого материала, полученного на основе предлагаемой шихты, и образцов пористого проницаемого материала, полученного на основе шихты, выбранной в качестве прототипа
№ п/п	Состав шихты, мас.%	Средний размер пор, мкм	Прочность на сжатие, МПа	Примечание
Железная окалина	Алюминий	Оксид алюминия	Силикобариевая лигатура ФС 65 Ва4
1	43	Остальное	31	0,5	Пропл.	0,5	Наблюдали жидкую фазу
2	44	Остальное	32	0,75	370	10,2
3	45	Остальное	33	1	373	10,8
4	46	Остальное	34	3	375	12,0
5	47	Остальное	35	5	382	12,2
6	49	Остальное	37	6	370	4,0	Шихта прореагировала не полностью
Материал на основе шихты-прототипа
7	44	Остальное	41		360	6,2

Шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, оксид алюминия и алюминий, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит силикобариевую лигатуру ФС 65 Ва4 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Железная окалина	45-47
Оксид алюминия	33-35
Силикобариевая лигатура ФС 65 Ва4	1-5
Алюминий	Остальное