Шихта для получения пористого проницаемого материала самораспространяющимся высокотемпературным синтезом

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам шихты для получения пористых проницаемых материалов с заданным средним размером пор. Может применяться для изготовления фильтрующих элементов. Шихта содержит, мас.%: железная окалина 38-42; оксид алюминия 38-42; карбид титана 8-10; алюминий - остальное. Изделия из полученного пористого материала имеют высокую эксплуатационную стойкость и увеличенный срок службы. 1 табл.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам шихты для получения пористого проницаемого материала с заданным средним размером пор самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС), применяемого для изготовления фильтрующих элементов и других изделий с жесткими требованиями к прочности и среднему размеру пор.

Известна шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, алюминий, окись хрома (IV), хром и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: железная окалина 45-50; алюминий 12,5-27,5; окись хрома 17,5-18,5; хром 5-9; никель 5-2. Пористый проницаемый материал получают СВС. Материал имеет упорядоченную структуру перового пространства, коррозионную стойкость 9-16%, прочность на сжатие 8,4-12,2 МПа (авторское свидетельство SU 1779681, МПК⁵ С04В 38/02, 35/65).

Недостатками описанной шихты являются ограничение сферы применения получаемого из нее пористого проницаемого материала, обусловленное использованием дефицитных и токсичных компонентов, - окиси хрома, хрома и никеля, а также высокая стоимость этого материала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является состав шихты для получения пористого проницаемого материала, содержащий железную окалину, оксид алюминия и алюминий в следующем соотношении компонентов: железная окалина 39-44 мас.%; оксид алюминия 35-43 мас.%; алюминий - остальное. Пористый проницаемый материал получают СВС. Материал имеет упорядоченную структуру порового пространства, твердость до 10 HRC и прочность на сжатие до 28 МПа (см. таблицу) (патент RU 2081731, МПК⁶ В22F 1/00, 3/23).

Основными недостатками этой шихты являются невысокая эксплуатационная стойкость и пониженный срок службы изделий, изготовленных на основе полученного пористого проницаемого материала, вследствие их пониженных твердости (до 10 HRC) и прочности (до 28 МПа), что приводит к быстрому разрушению изделий, особенно при работе в условиях с токсичными средами.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эксплуатационной стойкости и увеличения срока службы изделий, изготовленных на основе получаемого пористого проницаемого материала.

Для достижения этого технического результата шихта для получения пористого проницаемого материала СВС, содержащая железную окалину, оксид алюминия и алюминий, дополнительно содержит карбид титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Железная окалина	38-42
Оксид алюминия	38-42
Карбид титана	8-10
Алюминий	Остальное

Повышение эксплуатационной стойкости и увеличения срока службы изделий, изготовленных на основе получаемого пористого проницаемого материала, обеспечиваются вследствие повышения его твердости до 30-55 HRC и прочности на сжатие до 130-200 МПа (см. таблицу).

Введение в шихту карбида титана, количество которого составляет 8-10 мас.%, в качестве упрочнителя материала, является оптимальным, так как обеспечивает необходимые твердость и прочность на сжатие пористого проницаемого материала, получаемого из этой шихты. Содержание карбида титана в шихте менее 8 мас.% не приводит к достаточно большому повышению твердости названного материала, а при содержании карбида титана в шихте более 10 мас.% СВС не инициируется.

Введение в шихту железной окалины в количестве 38-42 мас.% является оптимальным, так как обеспечивает максимальную температуру горения и количество теплоты, достаточное для возникновения СВС и плавления карбида титана. При введении в шихту железной окалины в количестве, превышающем 42 мас.%, материал получается недостаточно пористым, а при введении в шихту железной окалины в количестве менее 38 мас.% процесс СВС полностью не проходит, материал получается хрупким и с большой пористостью.

Введение в шихту оксида алюминия в количестве 38-42 мас.% является оптимальным, так как при сгорании обеспечивает дополнительное количество теплоты для плавления карбида титана и повышает прочность материала. При количестве оксида алюминия в шихте менее 38 мас.% процесс горения происходит медленно, карбид титана полностью в реакцию не вступает, пористый проницаемый материал получается хрупким, неравномерным по твердости, от 8 до 55 HRC, а при содержании в шихте оксида алюминия в количестве более 42 мас.% твердость и прочность материала снижаются, а пористость увеличивается.

Введение в состав шихты алюминия обеспечивает инициирование процесса СВС и увеличивает температуру горения. При его отсутствии горение не возникает.

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

Шихта для получения пористого проницаемого материала СВС содержит железную окалину, оксид алюминия, карбид титана и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%: железная окалина 38-42, оксид алюминия 38-42, карбид титана 8-10, алюминий - остальное.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

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

Для приготовления образцов использовались порошок железной окалины стали 18Х2Н4МА, порошок оксида алюминия МР, порошок карбида титана СВС/КТ-100 и порошок алюминия АСД-1.

Фракции порошков калибровались пропуском через сито с размером ячейки 63 мкм. Компоненты дозировались в заданных соотношениях на аналитических весах с точностью до 0,001 г и смешивались всухую в атмосфере воздуха в лабораторном смесителе типа «пьяная бочка» партиями по 200 г в течение 4 часов. Полученные образцы шихты помещались в кварцевые формы и в них возбуждался процесс СВС с помощью кратковременного теплового импульса.

Образцы материала представляют собой пористые цилиндрические штабики диаметром 50 мм и высотой 60 мм, которые использовались для определения характеристик материала.

Средний размер пор определялся металлографически по результатам 250 измерений индивидуальных пор и составил интервал значений 380-450 мкм. Распределение пор по размерам для каждого пятого образца определялось на автоматической установке "Videotest Image Analysis System Videotest", среднее квадратическое отклонение равно 13,2%.

Общая пористость определялась методом гидростатического взвешивания образцов и составила 26-62% для опытных образцов, для прототипа - 53%.

Прочность на сжатие измерялась по нагружению штабиков до разрушения, а твердость - по методу Роквелла в HRC вдавливанием алмазного конуса. Максимальная прочность штабиков из материала по заявляемой шихте равна 200 МПа, а максимальная твердость - 55 HRC.

Как следует из таблицы, шихта с заявленным составом позволяет получить пористый проницаемый материал с более высокой твердостью в 3,8-5,5 раза выше по сравнению с прототипом, и с повышенной прочностью на сжатие в 4,6-7,1 раза выше по сравнению с прототипом.

Благодаря увеличению твердости и прочности на сжатие пористый проницаемый материал из предлагаемой шихты позволяет обеспечить высокие эксплуатационные характеристики, например, при использовании в качестве фильтрующих элементов с жесткими требованиями к среднему размеру пор, твердости и прочности.

Использование предлагаемой шихты по сравнению с использованием шихты-прототипа позволяет расширить сферу применения получаемого пористого проницаемого материала, повысить эксплуатационную стойкость и увеличить срок службы изделий, изготовленных на основе этого материала, благодаря увеличению твердости и прочности на сжатие.

Таблица
Физико-механические свойства образцов пористого проницаемого материала, полученного на основе предлагаемой шихты, и образца пористого проницаемого материала, полученного на основе шихты-прототипа
№ п/п	Состав шихты, мас.%	Твердость, HRC	Прочность на сжатие, МПа	Пористость, %
Железная окалина	Оксид алюминия	Карбид титана	Алюминий
1.	37	43	6	Остальное	28	32	62
2.	38	42	7	Остальное	30	130	58
3.	38	42	8	Остальное	38	150	58
4.	39	41	8	Остальное	38	140	56
5.	40	40	9	Остальное	46	180	55
6.	41	39	10	Остальное	55	200	54
7.	42	38	10	Остальное	54	200	52
8.	42	38	11	Остальное	-	СВС не возникал	-
9.	43	38	10	Остальное	54	200	26
10.	42	37	10	Остальное	Неравномерная, 8-55	16, хрупкость, СВС полностью не проходит	62
Материал на основе шихты-прототипа
11.	40	40	Остальное	-	10	28	53

Шихта для получения пористого проницаемого материала самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, содержащая железную окалину, оксид алюминия и алюминий, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит карбид титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:

железная окалина	38-42
оксид алюминия	38-42
карбид титана	8-10
алюминий	остальное