Шихта для получения пористого проницаемого материала

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности составам шихты для получения пористого проницаемого материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), применяемого для изготовления фильтрующих элементов, пламегасителей, аэраторов и других пористых изделий. Шихта содержит железную окалину, оксид алюминия, алюминий и ферросилиций ФС-70 при следующем соотношении компонентов, мас.%: железная окалина 41-43, оксид алюминия 37-40, ферросилиций ФС-70 1-5, алюминий - остальное. Технический результат: увеличение устойчивости к динамическим нагрузкам изделий, изготовленных на основе полученного пористого проницаемого материала, снижение материалоемкости этих изделий и расширение сферы применения. 1 табл.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам шихты для получения пористого материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), применяемого для изготовления фильтрующих элементов, 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 изготавливается из известной шихты методом порошковой металлургии, т.е. путем прессования и последующего спекания в печи в печи при температуре более 1000^oC (см. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. М. , Машиностроение, 1990 г., с. 116 и Федоренко И.М., Францевич И.Н., Радомысельский И.Д. и др. Справочник "Порошковая металлургия", Материалы, технологии, свойства, области применения, Киев, Науковая думка, 1985 г., с. 242-263).

Однако получение изделий из керметов происходит с применением дорогостоящей технологической оснастки, прессового оборудования и высокотемпературного спекания в печах, что повышает энергоемкость процесса.

Известна шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, алюминий, окись хрома (IV), хром и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: железная окалина 45,0 - 50,0; алюминий 12,5 - 27,5; окись хрома (IV) 17,5 - 18,5; хром 5,0 - 9,0; никель 5,0 - 20,0 (см. патент РФ N 2081731, МПК⁶ B 22 F 1/00, 3/23). Пористый проницаемый материал получают методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Материал имеет упорядоченную структуру порового пространства, коррозионную стойкость 9,0 - 16,0%, механическую прочность 8,4 - 12,2 МПа.

Основным недостатком описанной шихты является ограничение сферы применения получаемого на ее основе пористого проницаемого материала, обусловленное использованием дефицитных и токсичных компонентов - окиси 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 - 39,0 - 44,0 Оксид алюминия - 35,0 - 43,0 Алюминий - Остальное (см. патент РФ N 2081731, МПК⁶ B 22 F 1/00, 3/23) Пористый проницаемый материал получают методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Материал имеет упорядоченную структуру порового пространства, коррозионную стойкость 9-16%, механическую прочность 6,2 МПа (см. таблицу).

Недостатками вышеописанной шихты является пониженная устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам и значительная материалоемкость при жестких технологических требованиях к прочности изделий, изготовленных на основе получаемого пористого проницаемого материала, а также ограничение сферы применения получаемого пористого проницаемого материала. Эти недостатки обусловлены низкой механической прочностью получаемого материала, т.к. наличие пористого проницаемого материала в шихте окислов - железной окалины и оксида алюминия - приводит к уменьшению прочности материала при отсутствии раскисления.

Сущность изобретения заключается в том, что известная шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, оксид алюминия и алюминий, дополнительно содержит ферросилиций ФС-70 при следующем соотношении компонентов, мас.%: Железная окалина - 41-43 Окись алюминия - 37-40 Ферросилиций ФС-70 - 1-5 Алюминий - Остальное
Техническим результатом является увеличение устойчивости к динамическим и статическим нагрузкам изделий, изготовленных на основе получаемого пористого проницаемого материала, снижение материалоемкости этих изделий при жестких технологических требованиях к прочности, а также расширение сферы применения получаемого пористого проницаемого материала.

Это обусловлено повышением механической прочности пористого проницаемого материала, т. к. при введении в шихту ферросилиция ФС-70 в количестве 1-5 мас. %, содержащего 25-30 мас.% железа и 70-75 мас.% кремния, осуществляется легирование железа кремнием.

Введение в шихту порошкового ферросилиция ФС-70, ГОСТ 1415-7, в количестве 1-5 мас. % повышает температуру горения, что влечет за собой увеличение объема жидкой фазы, значительное повышение механической прочности и увеличение среднего размера пор. Увеличение механической прочности расширяет сферу применения изделий из получаемого пористого проницаемого материала и повышает их устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам, т.е. эти изделия могут быть использованы не только при статическом нагружении, но и при вибрации даже крупногабаритных тонкостенных фильтрующих элементов, а также обеспечивает снижение материалоемкости, например, вследствие использования тонкостенных фильтрующих элементов вместо толстостенных при технологических требованиях к необходимой прочности фильтрующих элементов. Увеличение среднего размера пор проводит к снижению гидравлического сопротивления синтезируемого пористого материала при течении через его структуру различных сред и в результате к расширению сферы применения пористого проницаемого материала на основе предлагаемой шихты при использовании в качестве фильтрующих материалов, носителей катализаторов, аэраторов и пр. Выбранные соотношения железной окалины, оксида алюминия и ферросилиция ФС-70 обусловлены концентрационными пределами в системе F-Al-Si, за рамками которых образование интерметаллида не происходит, а реакция СВС самопроизвольно прекращается (при введении железной окалины более 43 мас.%, оксида алюминия более 40 мас. %, ферросилиция менее 5 мас.%) или не происходит образование пористого материала ввиду сплошного заплавления (при введении железной окалины менее 41 мас.%, оксида алюминия менее 37 мас.% и ферросилиция более 5 мас. %).

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 стали 18Х2Н4МА, порошок оксида алюминия АСДГТУ 48-5-226-87 и ферросилиций ФС-70 ГОСТ 1415-78, содержащий 70-75% мас.% кремния и 20-25 мас.% железа.

Компоненты дозировались в заданных соотношениях на аналитических весах с точностью до 0,001 г и смешивались всухую 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 для испытаний механической прочности на сжатие имели вид цилиндров с диаметром 50 мм и с высотой 50 мм. Результаты испытаний приведены в таблице. Как следует из данных таблицы, шихта с заявленным составом компонентов обеспечивает получение пористого проницаемого материала с более высокой механической прочностью на 85-86% и выше по сравнению с прототипом и позволяет увеличить средний размер пор в синтезируемом материале на 2,5% 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.

Формула изобретения

Шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, оксид алюминия и алюминий, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ферросилиций ФС-70 при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Железная окалина - 41 - 43
Оксид алюминия - 37 - 40
Ферросилиций ФС-70 - 1 - 5
Алюминий - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1