Способ получения высокопористого ячеистого материала на основе хромаля

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ), предназначенных для использования в качестве фильтров, шумопоглотителей, носителей катализаторов, теплообменных систем, конструкционных материалов, работающих в условиях высоких температур, и может найти применение в энергетике, машиностроительной, химической и других отраслях промышленности. Способ включает приготовление суспензии смеси порошков на основе хромаля, нанесение суспензии на пористый полимерный материал, удаление нагреванием органических веществ с получением заготовки, спекание заготовки, при этом на заготовку после ее спекания наносят оксид хрома Cr₂O₃ и производят его закрепление в объеме и на поверхности ячеек заготовки путем спекания. Технический результат заключается в повышении каталитической активности и долговечности материала. 3 з.п. ф-лы, 1 пр.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ), предназначенных для использования в качестве фильтров, шумопоглотителей, носителей катализаторов, теплообменных систем, конструкционных материалов, работающих в условиях высоких температур, может найти применение в энергетике, машиностроительной, химической и других отраслях промышленности.

В качестве прототипа принят способ получения ВПЯМ (патент №2464127, МПК B22F 3/11, C22C 1/08, опубл. 20.10.2012).

Названный способ включает в себя следующие операции: приготовление суспензии из смеси порошков, нанесение суспензии на пористый полимерный материал, удаление нагреванием органических веществ с получением заготовки, спекание заготовки.

Признаки известного способа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, заключаются в наличии следующих операций: приготовление суспензии из смеси порошков, нанесение суспензии на пористый полимерный материал, удаление нагреванием органических веществ с получением заготовки, спекание заготовки.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением, состоит в низкой каталитической активности и недостаточной долговечности материала при его использовании в различных устройствах.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эксплуатационных качеств материала.

Технический результат, обеспечивающий решение указанной задачи, заключается в повышении каталитической активности и долговечности материала.

Достигается технический результат тем, что в способе получения высокопористого ячеистого материала на основе хромаля, включающем приготовление суспензии смеси порошков на основе хромаля, нанесение суспензии на пористый полимерный материал, удаление нагреванием органических веществ с получением заготовки, спекание заготовки, в заявляемом изобретении на заготовку после спекания наносят оксид хрома Cr₂O₃ и производят его закрепление в объеме и на поверхности ячеек заготовки путем спекания.

Достигается технический результат также и тем, что оксид хрома Cr₂O₃ наносят на заготовку в виде ультрадисперсного порошка, распыленного в замкнутом пространстве (в камере), в котором помещена заготовка.

При этом технический результат, в частности, достигается также и тем, что распыленный в камере порошок оксида хрома Cr₂O₃ подвергают принудительному движению (завихрению) по всей полости камеры.

Технический результат при этом достигается, в частности, также и тем, что процесс закрепления оксида хрома Cr₂O₃ осуществляют в жестком пенале, внутренняя полость которого повторяет форму заготовки.

Нанесение оксида хрома Cr₂O₃ на заготовку после ее спекания и закрепление его на поверхностях ячеек заготовки путем спекания обеспечивает повышение каталитической активности и долговечности материала при его использовании в различных устройствах за счет придания заготовке способности противостоять химическому воздействию (кислотному и щелочному) со стороны внешней среды при высоких температурах в связи с тем, что оксид хрома Cr₂O₃ обладает такими свойствами, а это подтверждается справочными данными из известных источников (например, http//www.xumuk.ru/encyklopedia/2/5083.html - Химическая энциклопедия, Оксиды хрома).

Нанесение оксида хрома Cr₂O₃ на заготовку в виде ультрадисперсного порошка, распыленного в замкнутом пространстве (в камере), в котором помещена заготовка, способствует большей плотности упаковки частиц оксида хрома Cr₂O₃ на поверхностях ячеек заготовки, обеспечению сплошности и прочности создаваемого покрытия, что в итоге обеспечивает повышенную каталитическую активность и долговечность покрытия и всего материала в целом.

Придание при этом принудительного движения (завихрения) ультрадисперсному порошку оксида хрома Cr₂O₃ по всей полости камеры способствует быстрой и надежной доставке частиц порошка во все участки напыляемых поверхностей ячеек заготовки и равномерности их распределения по этим поверхностям, что способствует повышению качества покрытия, а, значит, и к повышению каталитической активности и долговечности покрытия и всего материала в целом.

Нанесение на заготовку оксида хрома Cr₂O₃ в виде ультрадисперсного порошка в составе седиментационно-устойчивой суспензии позволяет осуществлять процесс доставки частиц оксида хрома Cr₂O₃ во все участки заготовки ко всем поверхностям ее ячеек при любых степенях пористости заготовок, в том числе, и при неравномерной пористости по объему заготовки, обеспечивая тем самым равномерное и более плотное осаждение частиц в объеме и на поверхности ячеек заготовки, что в конечном итоге приводит к повышению каталитической активности и долговечности покрытия и всего материала в целом.

Осуществление при этом процесса закрепления оксида хрома Cr₂O₃ в жестком пенале, внутренняя полость которого повторяет форму заготовки, позволяет предотвратить при спекании термические деформации заготовки и сохранить целостность и сплошность покрытия, что также обеспечивает повышенные свойства материала: каталитическую активность и долговечность покрытия и всего материала в целом.

Новые признаки заявляемого изобретения заключаются в том, что на заготовку после ее спекания наносят оксид хрома Cr₂O₃ и производят его закрепление в объеме и на поверхности ячеек заготовки путем спекания.

Новые признаки заявляемого изобретения заключаются также и в том, что оксид хрома Cr₂O₃ наносят на заготовку в виде ультрадисперсного порошка, распыленного в замкнутом пространстве в камере, в котором помещена заготовка, а также и в том, что при этом распыленный в камере ультрадисперсный порошок оксида хрома Cr₂O₃ подвергают принудительному движению по всей полости камеры.

Новые признаки заявляемого изобретения заключаются также и в том, что процесс закрепления оксида хрома Cr₂O₃ осуществляют в жестком пенале, внутренняя полость которого повторяет форму заготовки.

Одним из примеров реализации заявляемого способа может служить следующий, операции которого описаны ниже.

1. В качестве исходных порошков используют порошок высоколегированного сплава марки Х60Ю20 фракции менее 315 мкм (производитель ЗАО «Октагон», г. Челябинск), порошок железа марки P-20 (производитель ООО «Синтез-ПКЖ», г. Дзержинск) со средним размером частиц 3,5 мкм и химически восстановленный ультрадисперсный порошок кобальта со средним размером частиц 0,4 мкм.

2. Для образования седиментационно-устойчивой суспензии предварительно готовят смесь порошков и 7%-ный водный раствор поливинилового спирта.

3. Сначала измельчают порошок высоколегированного сплава Х60Ю20 до среднего размера частиц 1,18 мкм: 0,5 кг порошка высоколегированного сплава марки Х60Ю20 фракции менее 315 мкм загружают в вибрационную мельницу с добавлением 0,067 л 96%-ного раствора этилового спирта и 1,5 кг размольных тел. Размол проводят в атмосфере аргона в течение 18 часов. На выходе получают порошок высоколегированного сплава Х60Ю20 со средним размером частиц 1,18 мкм.

4. Затем готовят смесь порошков с требуемой относительной плотностью укладки. В смеситель со смещенной осью вращения загружают 0,5 кг измельченного порошка высоколегированного сплава Х60Ю20, 1,109 кг порошка железа марки P-20, 0,0328 кг ультрадисперсного порошка кобальта и 0,6 кг смешивающих «Г-образных» тел и проводят механическое перемешивание в течение 24 часов. На выходе получают смесь порошков с относительной плотностью укладки 0,55.

5. Отделяют смешивающие «Г-образные» тела, к полученной смеси порошков с относительной плотностью укладки 0,55 добавляют 0,29 кг 7%-ного водного раствора поливинилового спирта и перемешивают в течение 1 ч. В результате получают седиментационно-устойчивую суспензию.

6. Далее наносят суспензию с помощью пропитки (погружения и деформации) на образец пористого полимерного материала - пенополиуретана, со средним диаметром ячейки 1,22 мм. Затем из пропитанного суспензией полимерного материала с помощью 8-кратного обжатия в валках удаляют избыток суспензии и сушат образец в потоке воздуха. Далее высушенный образец помещают в печь муфельного типа СНЗ и в среде остроосушенного водорода проводят начальную термообработку со скоростью нагрева 100-200°C/ч, при температуре 730°C делают выдержку продолжительностью 0,5 ч. В результате получают заготовку ВПЯМ на основе хромаля. Затем заготовку помещают в вакуумную печь типа СЭНВЭ и спекают в вакууме 5·10^-5 мм рт.ст., при температурах 900°C и 1280°C делают выдержки продолжительностью 2 ч и 3,5 ч соответственно.

7. В результате получают жаростойкий ВПЯМ на основе хромаля с плотностью 0,57 г/см, микропористостью 5%. Но этот ВПЯМ в нашем случае является лишь полуфабрикатом (заготовкой) рассматриваемого в настоящей заявке материала, который в конечном итоге должен иметь закрепленный в объеме и на поверхности ячеек заготовки оксид хрома Cr₂O₃.

8. Далее проводят операции по нанесению и закреплению оксида хрома Cr₂O₃ в объеме и на поверхности ячеек заготовки ВМЯП, а точнее сказать заготовки будущего ВПЯМ:

8.1. Сначала измельчают порошок оксида хрома Cr₂O₃ до среднего размера частиц 1,18 мкм: 0,5 кг порошка оксида хрома Cr₂O₃ фракции менее 315 мкм загружают в вибрационную мельницу с добавлением 0,067 л 96%-ного раствора этилового спирта и 1,5 кг размольных тел. Размол проводят в атмосфере аргона в течение 18 часов. На выходе получают порошок оксида хрома Cr₂O₃ со средним размером частиц 1,18 мкм.

8.2. Заготовку ВМЯП, названную в п. 7, помещают в замкнутое пространство в виде камеры.

8.3. Полученный порошок оксида хрома Cr₂O₃ со средним размером частиц 1,18 мкм., названый в п. 8.1, распыляют в камере, порошок проникает в полости ячеек заготовки, оседает в объеме и на поверхности ячеек.

Нанесении на заготовку оксида хрома Cr₂O₃ в виде ультрадисперсного порошка путем его распыления потоком нейтрального газа (аргона) позволяет осуществить процесс доставки частиц оксида хрома Cr₂O₃ во все участки заготовки ко всем поверхностям ее ячеек при любых степенях пористости заготовок, в том числе, и при неравномерной пористости по объему заготовки, обеспечивая тем самым равномерное и более плотное осаждение частиц в объеме и на поверхности ячеек заготовки, что в конечном итоге приводит к повышению каталитической активности и долговечности покрытия и всего материала в целом.

8.4. Далее извлеченную из камеры заготовку ВПЯМ с осевшим на поверхностях ячеек порошком оксида хрома Cr₂O₃ вначале высушивают в потоке воздуха, а затем помещают в печь муфельного типа СНЗ и в среде остроосушенного водорода проводят начальную термообработку со скоростью нагрева 100-200°C/ч, при температуре 730°C делают выдержку продолжительностью 0,5 ч.

8.5. И, наконец, заготовку помещают в вакуумную печь типа СЭНВЭ, где происходит закрепление оксида хрома Cr₂O₃ в объеме и на поверхности ячеек заготовки путем спекания в вакууме 5·10^-5 мм рт.ст., при температуре 2330°C, не превышающей температуру плавления оксида хрома Cr₂O₃ (2334⁰С), при которой делают выдержку продолжительностью 3,5 ч.

Закрепление оксида хрома Cr₂O₃ в объеме и на поверхности ячеек высокопористого ячеистого материала путем его спекания при температуре, не превышающей температуру его плавления, обеспечивает доведение частиц оксида хрома Cr₂O₃ , нанесенных в объеме и на поверхности ячеек заготовки, до размягченного состояния и их сцепление между собой и скрепление с материалом заготовки, что приводит к образованию цельного, прочного и равномерного покрытия, что и способствует повышению каталитической активности и долговечности покрытия и всего материала в целом.

В результате получают жаростойкий высокопористый ячеистый материал на основе хромаля, обладающий повышенными свойствами каталитической активности и долговечности за счет наличия оксида хрома Cr₂O₃ , закрепленного в объеме и на поверхности ячеек заготовки.

Техническое решение, составляющее предмет заявленного изобретения, обеспечивает получение названного выше технического результата, а именно повышение каталитической активности и долговечности материала, и, соответственно, решение поставленной задачи, то есть повышение эксплуатационных качеств материала.

Техническое решение, составляющее предмет заявляемого изобретения, обеспечивает получение названного выше технического результата, а именно повышение каталитической активности и долговечности материала, и, соответственно, решение поставленной задачи, то есть повышение эксплуатационных качеств материала.

1. Способ получения высокопористого ячеистого материала на основе хромаля, включающий приготовление суспензии смеси порошков на основе хромаля, нанесение суспензии на пористый полимерный материал, удаление нагреванием органических веществ с получением заготовки, спекание заготовки, при этом на заготовку после ее спекания наносят оксид хрома Cr₂O₃ и производят его закрепление в объеме и на поверхности ячеек заготовки путем спекания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что оксид хрома Cr₂O₃ наносят на заготовку в виде ультрадисперсного порошка, распыленного в замкнутом пространстве в виде камеры, в котором помещена заготовка.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что распыленный в камере ультрадисперсный порошок оксида хрома Cr₂O₃ подвергают принудительному движению по всей полости камеры.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс закрепления оксида хрома Cr₂O₃ осуществляют в жестком пенале, внутренняя полость которого повторяет форму заготовки.