Шихта для получения пористого проницаемого материала

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам шихты для получения пористого проницаемого материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Шихта содержит, мас.%: оксид железа 40-42, оксид алюминия 38-40, формовочную глину KIII/2 Т₂ 6-8, алюминий - остальное. Изделия, изготовленные с использованием шихты, характеризуются высокой устойчивостью к динамическим и статическим нагрузкам и низкой материалоемкостью. 1 табл.

 

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 / В.Н.Иванов. - М.: Машиностроение, 1990. - С.116. и Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: справочник / И.М.Федоренко [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 перового пространства, коррозионную стойкость 9-16%, механическую прочность 8,4-12,2 МПа (авторское свидетельство SU 1779681, МПК⁵ С04В 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 9,2 МПа (см. таблицу) (патент RU 2081731, МПК⁶ B22F 1/00, 3/23).

В качестве недостатков вышеописанной шихты нужно 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. Кроме того, можно отметить невысокую экономичность получаемого пористого материала вследствие повышенной стоимости оксида алюминия (корунда), являющегося дефицитным компонентом и входящим в состав шихты.

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 требованиях к прочности, а также расширение сферы применения получаемого пористого проницаемого материала и повышение его экономичности.

Поставленная задача достигается тем, что шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, оксид алюминия и алюминий, дополнительно содержит формовочную глину KIII/2 T₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Железная окалина	40-42
Оксид алюминия	38-40
Формовочная глина KIII/2 Т2	6-8
Алюминий	остальное.

Формовочная глина KIII/2 T₂ имеет следующий химический состав, мас.%: SiO₂ - 58,35-65,69; Al₂О₃ - 17,07-18,86; Fe₂O₃ - 2,26-5,44; FeO - 0,87-4,85; CaO - 1,55-3,3; MgO - 2,43-3,38; Na₂O-0,91-1,36; K₂O - 0,97-1,94; TiO₂ - 0,57-0,87; P₂O₅ - 0,08-0,16; SO₃ - 0,02-0,10; прочие полиминеральные примеси - 5,8-8,14.

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 10,1-10,6 МПа (см. таблицу) вследствие введения в состав шихты формовочной глины KIII/2 Т₂. Формовочная глина, содержащая оксид кремния, действует как раскислитель на образующуюся в процессе реакции термосинтеза жидкую фазу. Изделия с полученными новыми механическими и технологическими свойствами 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 формовочной глины KIII/2 Т₂, позволяющей повысить температуру СВС и увеличить объем жидкой фазы за счет дополнительных оксидов, содержащихся в глине.

Повышение экономичности получаемого пористого материала является результатом введения в состав шихты формовочной глины KIII/2 Т₂ с невысокой стоимостью, и уменьшения содержания в шихте оксида алюминия.

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 формовочной глины марки KIII/2 Т₂ в количестве 6-8 мас.% повышается температура горения за счет присутствия в глине большого количества оксидов и соединений Al и Fe, 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. Присутствие в глине оксида кремния SiO₂ ведет к раскислению продуктов реакции и к образованию более прочного скелета получаемого пористого материала (см. таблицу).

Выбранные соотношения железной окалины, оксида алюминия и формовочной глины марки KIII/2 Т₂ являются оптимальными, так как при содержании железной окалины в шихте более 42 мас.%, оксида алюминия менее 38 мас.%, формовочной глины KIII/2 T₂ более 8 мас.% происходит полное расплавление шихты, а при содержании в шихте железной окалины менее 40 мас.%, оксида алюминия более 40 мас.%, формовочной глины KIII/2 T₂ менее 6 мас.% реакция СВС не инициируется.

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, формовочную глину KIII/2 Т₂, алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%: железная окалина - 40-42; оксид алюминия - 38-40; формовочная глина KIII/2 Т₂ - 6-8, алюминий - остальное.

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 (оксид железа III), ТУ 2611-022-05761270-2002; порошок оксида алюминия МР ТУ-6-09 2046-644; порошок формовочной глины KIII/2 Т₂, ГОСТ 3226-93, хакасского месторождения, содержащий, %: SiO₂ - 58,35-65,69; Al₂О₃ - 17,07-18,86; Fe₂O₃ - 2,26-5,44; FeO - 0,87-4,85; CaO - 1,55-3,3; MgO - 2,43-3,38; Na₂O - 0,91-1,36; K₂O - 0,97-1,94; TiO₂ - 0,57-0,87; P₂O₅ - 0,08-0,16; SO₃ - 0,02-0,10; прочие полиминеральные примеси - 5,8-8,14; порошок алюминия АСД-1 ТУ 48-5-226-87.

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 - в среднем на 7% выше по сравнению с прототипом, и позволяет увеличить средний размер пор в синтезируемом материале в среднем на 16% 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, расширить сферу применения полученного пористого проницаемого материала, что обусловлено повышением механической прочности и среднего размера пор синтезируемого материала, и повысить его экономичность. Благодаря таким физико-механическим свойствам пористого проницаемого материала его можно применять, например, в качестве фильтров для очистки от загрязнений воздуха, агрессивных газов и жидкостей, масел и жидких топлив и других целей.

Таблица 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
№ п/п	Состав шихты, мас.%	Средний размер пор, мкм	Прочность на сжатие, МПа	Примечание
Железная окалина	Алюминий	Оксид алюминия	Глина формовочная КШ/2 Т2
1	43	16	33	8	Пропл.	-	Наблюдали жидкую фазу
2	43	14	34	9	Пропл.	-	Наблюдали жидкую фазу
3	42	12	38	8	420	9,6	Пористый СВС материал
4	41	13	39	7	446	10,1	Пористый СВС материал
5	40	13	40	6	432	10,6	Пористый СВС материал
6	40	13	42	5	410	9,4	Пористый СВС материал
7	39	13	43	5	398	-	Шихта полностью не прореагировала
Материал на основе шихты прототипа
8	44	остальное	41		360	9,2

Шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, оксид алюминия и алюминий, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит формовочную глину KIII/2 Т₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

железная окалина	40-42
оксид алюминия	38-40
формовочная глина KIII/2 Т2	6-8
алюминий	остальное