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, 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.