НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ФИЛЬТРАХ
STAINLESS STEEL FOR USE IN FILTERS

Область техники
Настоящее изобретение относится к материалам для фильтра. Более конкретно, изобретение касается материалов для фильтров, предназначенных для удаления вредных компонентов из двигателей внутреннего сгорания.
Описание известного уровня техники
Двигатели внутреннего сгорания широко используются в настоящее время, например, в легковых и грузовых автомобилях. С позиций защиты окружающей среды огромный интерес представляет уменьшение содержания вредных компонентов в газообразных продуктах сгорания этих двигателей. Поэтому большие усилия прикладываются к уменьшению количества твердых частиц, выбрасываемых из двигателей, особенно дизельных двигателей, поскольку частицы, выбрасываемые дизельными двигателями, в частности сажа, считаются особенно вредными для окружающей среды.
Фильтры, используемые в настоящее время для фильтрации твердых частиц выхлопа дизельных двигателей, обычно изготавливаются из керамических материалов, например карбида кремния. Частицы, улавливаемые фильтром, могут удаляться в результате сжигания при высоких температурах. Однако керамические фильтры имеют низкую термостойкость и ударопрочность. Керамические фильтры также имеют ограничения по геометрии, то есть по форме фильтра.
Известно много различных конфигураций фильтров, например, некоторые из них описаны в патентах США №№ 5215724, 5405423, 5204067, 5240485, 5009857. Однако в этих патентах выбор материала для фильтров обсуждается поверхностно, а их химический состав специально не обсуждается. Например, в патенте США № 5266279 упоминается, что можно использовать сталь, содержащую 20% никеля и 25% хрома, остальное железо и очень малые количества марганца и молибдена, в качестве материала для проволочной опоры фильтра, которая держит спеченный материал, такой как металл, керамический материал, пластик или их смеси.
Срок службы фильтра зависит от снижения газопроницаемости фильтра. Под воздействием окислительных газов при высоких температурах на поверхности металлического наполнителя образуются оксиды. Это значит, что уменьшается пористость, а значит, и газопроницаемость. Следовательно, уменьшение образования оксидов позволило бы повысить производительность и увеличить срок службы фильтра.
Краткое изложение сущности изобретения
Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что срок службы спеченного фильтрующего материала можно увеличить, если этот материал содержит тщательно контролируемое количество марганца. В частности, содержание марганца должно быть в интервале 0,5-3 мас.% в спеченной стали. При добавлении марганца в этом интервале проницаемость будет сохраняться в течение более длительного времени использования благодаря меньшему окислению спеченной стали. Другие компоненты спеченной стали - это 10-30 мас.% хрома, 5-25 мас.% никеля, 1-4 мас.% кремния и 0-3 мас.% молибдена. Количество неизбежных примесей обычно составляет менее 2 мас.%, предпочтительно менее 0,5 мас.%.
Фильтр также может иметь плотность менее чем 70% полной плотности (плотности сплошного материала). Предпочтительно, плотность составляет от 25 до 60% полной плотности. Более высокая плотность не обеспечивает достаточной газопроницаемости, а при более низкой плотности наблюдается слишком низкая производительность и малая механическая прочность. В предложенном интервале плотности проницаемость фильтра будет достаточной.
Кроме того, фильтр может содержать арматуру, которая повышает прочность фильтра. Арматура может иметь форму волокон, проволоки или сетки.
Подробное описание изобретения
Порошки, используемые для приготовления спеченного материала, согласно настоящему изобретению представляют собой порошки нержавеющей стали, имеющие повышенное контролируемое содержание марганца. В частности, эти порошки содержат 10-30 мас.% хрома, 5-25 мас.% никеля, 0,5-3 мас.% марганца, 1-4 мас.% кремния и 0-3 мас.% молибдена.
Порошки, имеющие подобный химический состав, известны из патентов США №№ 3980444 и 4964909. Однако эти известные порошки используются в области порошковой металлургии, и в отличие от предложенных порошков известные порошки подвергаются прессованию и спеканию до высокой плотности.
Содержание кремния должно быть выше 1 мас.%, чтобы ограничить содержание кислорода в порошке, и ниже 4 мас.%, так как более высокое содержание кремния не обеспечивает дальнейшего снижения содержания кислорода.
Предложенный порошок можно смешивать со связующим веществом и/или смазочным материалом, чтобы облегчить, например, его консолидацию.
В одном варианте для приготовления фильтрующего материала можно распределить порошок по опоре. Затем этом фильтрующий материала можно спечь. В другом варианте консолидацию порошка осуществляют в специальной форме для формирования фильтрующего элемента с арматурой или без нее.
Арматуру можно вводить в металлический порошок во время изготовления фильтрующего материала. Арматурой могут служить волокна, проволока или сетка, например металлическая сетка. В одном варианте арматура может быть изготовлена из нержавеющей стали.
Спекание можно осуществлять в атмосфере водорода или в вакууме при температуре 1120-1350°С. В данном контексте спекание может включать в себя испарение связующего материала. Операции спекания и испарения можно также выполнять раздельно.
Без привязки к какой-либо конкретной теории авторы полагают, что марганец в количествах согласно настоящему изобретению уменьшает окисление фильтра при высоких температурах и поэтому продлевает срок службы фильтра. Окисление приводит к уменьшению проницаемости фильтра и тем самым ухудшает производительность фильтра за более короткий интервал времени.
Далее изобретение будет проиллюстрировано следующими неограничивающими примерами.
Пример 1
Образцы фильтра были изготовлены из порошка на основе железа согласно настоящему изобретению и из контрольного порошка на основе железа. Образцы фильтра имели круглую форму диаметром 10 мм и толщиной 0,5 мм. Плотность образцов фильтра составляла 40% от полной плотности. Спекание осуществляли при 1250°С в течение 30 минут. В таблице 1 представлен химический состав различных порошков в мас.%. В качестве контрольного порошка использовали порошок 310В компании Hoganas AB, Швеция.
Таблица 1
Материал
%Cr
%Ni
%Mn
%Si
Контр.
24,9
20,8
0,0
2,67
A
22,4
20,4
1,03
2,44
B
24,4
19,7
2,03
2,01
C
24,6
20,2
3,03
2,45
D
24,8
20,0
4,02
2,86
Затем образцы фильтров нагревали при заданной температуре 800°С в течение 2 минут на воздухе и охлаждали при комнатной температуры в течение 30 секунд. Этот цикл повторяли в течение 20 часов. После каждого 15-ого цикла регистрировали вес образцов, чтобы измерить накопление кислорода. Это испытание было направлено на стимуляцию и измерение окисления образцов. На диаграмме 1 показана зависимость между временем и увеличением веса для каждого испытанного материала. Ясно видно влияние определенных содержаний марганца. На диаграмме 1 видно, что увеличение веса заметно уменьшается при содержании марганца около 2 мас.%. Предпочтительный интервал содержания марганца составляет 1-3%.
Пример 2
Для оценки производительности фильтра измеряли падение давления по истечении определенного времени использования. Измерения осуществляли при подаче сжатого воздуха под давлением 0,5 бар на вход держателя фильтра. Затем измеряли потерю давления, вызванную фильтром. Все фильтры тестировались до и после окисления. Падение давления вычисляли как разность между окисленным и неокисленным фильтрами. В таблице 2 представлены результаты измерения падения давления. Увеличение веса в примере 1 соответствует падению давления, представленному в примере 2. Следовательно, увеличение веса иллюстрирует падение давления.
Таблица 2
Материал
Контрольный
В
Образец
1
2
3
4
5
6
Падение давления (%)
11
11
17
3
3
5