Способ получения высокопористого ячеистого материала
METHOD OF MAKING HIGH-POROSITY CELLULAR MATERIAL

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам упрочнения заготовок, предназначенных для изготовления высокопористого проницаемого ячеистого материала (ВПЯМ) на основе жаростойкого сплава, используемого в условиях высоких температур и агрессивных сред в качестве фильтра, носителя катализаторов, шумопоглотителя, теплообменника, конструкционного материала. Может найти применение в энергетике, машиностроительной, химической и других отраслях промышленности.
Изобретение касается шликерной (суспензионной) технологии получения металлических высокопористых проницаемых ячеистых материалов, в частности ее разновидности - метода дублирования полимерной матрицы.
Известен способ получения открытоячеистого пеноматериала на основе железо-хром-алюминий-иттриевого (FeCrAlY) сплава (производитель Porvair Fuel Cell Technology, Inc. / Hendersonville, N.C.), применяемого в качестве материала излучающей горелки (Патент US 2008227044, МПК F23D 14/16, опубл. 18.09.2008 г.) и в качестве фильтра и носителя катализатора в выхлопном устройстве дизельных двигателей (Патент US 7673448, МПК B01D 50/00, опубл. 09.03.2010 г.). Согласно патенту US 2008227044 открытоячеистый пеноматериал на основе FeCrAlY-сплава получают следующим образом: пенополиуретан, пропитанный и насыщенный прекурсорами металлической пены, удаляют при нагревании. Далее металлические частицы получаемого FeCrAlY-сплава связывают вместе в процессе спекания. На практике пенополиуретан покрывают металлической композицией, содержащей растворитель, позволяющий транспортировать металлические частицы в объем полимерной пены, поверхностно-активные вещества, спекающие и связующие добавки и другие вспомогательные компоненты, обеспечивающие смачиваемость пенополимера. После того как пенополиуретан насыщен необходимым количеством металлической композиции (композиция должна покрывать все внутренние перемычки полимера), имеющиеся в композиции летучие органические компоненты удаляют и металлические частицы сплавляют вместе при спекании, получая металлический открытоячеистый пеноматериал, являющийся репликой полимерной пены. Более подробные детали производства указанного открытоячеистого пеноматериала являются ноу-хау фирмы Porvair Fuel Cell Technology, Inc. (Hendersonville, N.C.). Полученный открытоячеистый пеноматериал, содержит, мас.%: Fe - 70, Cr - 25, Al - 5, Y ~ 1, включает от 1 до 150 пор на дюйм, обладает плотностью 2-25% от теоретической плотности, выдерживает нагрев в окислительной среде до 900 С.
3
Известен способ получения высокопористого хромаля, приведенный в примере 4 патента RU 2300444 (МПК B22F 3/11, C22C 1/08, опубл. 10.06.2007 г.). Указанный способ включает следующие стадии: приготовление суспензии из смеси порошков, состав и процентное содержание которой соответствуют получаемым сплавам, и водного раствора клеящего органического вещества - поливинилового спирта; нанесение суспензии на пористый полимерный материал, например пенополиуретан; удаление нагреванием органических веществ в восстановительной атмосфере со скоростью нагрева 100-200 град./ч при температуре 150-700°C с получением заготовки; спекание заготовки с выдержкой в течение 2 ч при температуре 1250°C. Согласно патенту RU 2300444 при получении высокопористого хромаля с целью предотвращения выплавления легкоплавкого алюминия его вводят в смесь порошков в составе твердого раствора, содержащего 50 мас.% алюминия и 50 мас.% железа (ферроалюминий Fe50A150). Содержание ПВС в водном растворе, используемом для приготовления суспензии, составляет 7 мас.%, соотношение масс смеси порошков и водного раствора ПВС в суспензии - 100/20. В результате осуществления способа получают ВПЯМ на основе хромаля следующего состава: мас.%: Fe - 72, Cr - 23, Al - 5. Полученный материал имеет плотность 4,4 г/см и пористость 94,5%.
Недостатком указанного способа является низкая прочность заготовки ВПЯМ на основе хромаля на стадии начальной термообработки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ получения ВПЯМ (пат. РФ №2497631 МПК B22F 3/11, опубл. 31.07.2012 г.), включающий приготовление суспензии из смеси порошков и раствора органического вещества, нанесение суспензии на пористый полимерный материал, удаление нагреванием органических веществ из заготовки и последующее ее спекание. В качестве исходного порошка используют высоколегированный сплав, например Х60Ю20, который предварительно измельчают до среднего размера частиц 0,6-1,4 мкм, затем смешивают в смесителе с порошками железа в количестве 30 масс. % и дополнительно введенных добавок ультрадисперсного кобальта в количестве 1,5-2,0 мас.%, наноразмерного никеля в количестве 0,5-0,6 мас.% в виде прекурсора в течение 24-32 часов с получением смеси порошков с относительной плотностью укладки 0,5-0,6, а удаление органических веществ проводят с выдержками при Т=270-280°C продолжительностью не менее 2-х часов и проводят спекание не менее 2-х часов при Т=1280°C, нагрев не менее 32 часов и охлаждение не менее 24 часов соответственно.
Указанный способ - ближайший аналог предлагаемого изобретения.
Недостатками способа-прототипа является сложность процесса, использование дорогостоящих компонентов.
Задачей создания изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно упрощение и удешевление процесса получения ВПЯМ.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом, таких как способ получения высокопористого ячеистого материала, включающий приготовление суспензии из смеси порошков и раствора органического вещества, нанесение суспензии на пористый полимерный материал, удаление нагреванием органических веществ из заготовки с последующим ее спеканием, и отличительных существенных признаков, таких как - в качестве исходного порошка используют высокочистое железо, легированное хромом с содержанием от 5 до 20 мас.%, которое подвергают измельчению до среднего размера частиц 2-5 мкм, затем добавляют ультрадисперсный порошок кобальта в количестве 1,2-2,0 мас.%, с последующим шликерованием и сушкой образцов известными методами и их спеканием.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - упрощение и удешевление процесса получения ВПЯМ.
Неочевидное для специалиста использование в процессе высокочистого железа, легированного хромом с содержанием до 20 мас.%, измельченного до среднего размера частиц 2-5 мкм, позволяет получить ВПЯМ простым, удобным и недорогим способом.
При наличии хрома в высокочистом железе менее 5 мас.% снижаются значения жаропрочности и жаростойкости, если более 20 мас.%, то резко увеличивается стоимость исходного сырья при изготовлении ВПЯМ. Высокочистое железо, измельченное до среднего значения частиц 2 мкм, выбрано опытным путем, а измельченное до размера частиц более 5 мкм не удовлетворяет условиям спекания.
Добавка 1,5-2,0 мас.% порошка ультрадисперсного кобальта, полученного химическим восстановлением и имеющего средний размер частиц 0,4 мкм (определен с помощью оптического микроскопа), имеет двойное назначение: повышает жаропрочность получаемого ВПЯМ и прочность заготовки на стадии начальной термообработки. Применение менее 1,5 мас.% порошка ультрадисперсного кобальта не оказывает влияния на прочность заготовки, а более 2,0 мас.% - экономически нецелесообразно. Введение 2,0 мас.% порошка ультрадисперсного кобальта на стадии смешивания предварительно измельченного высокочистого железа, легированного хромом, приводит к увеличению предела прочности на сжатие заготовки до 130 КПа, что обеспечивает необходимую прочность заготовки при транспортировке.
Таким образом, неочевидное использование высокочистого железа, легированного хромом, исключение ряда исходных веществ, операций и режимов из процесса прототипа позволяет получить ВПЯМ простым, удобным и недорогим способом.
Изобретение иллюстрируется нижеприведенным примером.
Пример
В качестве исходного материала порошка используют высокочистое железо, легированное хромом с содержанием 12,5 мас.%, и ультрадисперсный порошок кобальта. Шихта изготавливается в вибромельнице MB - 0,005. В результате размола получаем шихту с процентным содержанием: высокочистое железо - 98,5% и ультрадисперсный порошок кобальта - 1,5%. Средний размер частиц шихты получаем от 2 до 5 мкм.
На следующем этапе проводим шликерование пластин ППУ (пенополиуретан). Пластины ППУ пропитываем шликером - шихта и поливиниловый спирт 7% в водном растворе. Для равномерного распределения шликера в пластине ППУ пропускают их через валки. Далее высушивают их при комнатной температуре в течение 24 часов.
Для удаления органических веществ образцы подвергают температурной обработке - время выдержки при Т=720-730°C не менее 1 часа.
Затем образцы спекают с выдержкой не менее 2 часов и Т=1270°C. Нагрев не менее 32 часов и охлаждение не менее 24 часов соответственно.