RU2186657C2

RU2186657C2 - Burden for obtaining porous permeable material

Info

Publication number: RU2186657C2
Application number: RU2000112698A
Authority: RU
Inventors: О.А. Лебедева; В.В. Евстигнеев; Н.П. Тубалов; В.И. Яковлев
Original assignee: Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2000-05-22
Publication date: 2002-08-10

Abstract

FIELD: powder metallurgy. SUBSTANCE: burden contains, wt.%: iron scale, 39-42; silicon oxide, 41-43; ferrosilicon, 1-5; aluminum, the balance. Products manufactured from porous permeable material based on burden of such composition possess increased strength and, accordingly, improved resistance to dynamic and static loads. Among products manufactured from said material are filtering members, fire shields, aerators and other porous articles. EFFECT: reduced metal usage, wider range of uses, and availability of basic components. 1 tbl

Description

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, пламегасителей, аэраторов и других пористых изделий. The invention relates to powder metallurgy, in particular, to the composition of the mixture to obtain a porous permeable material by the method of self-propagating high temperature synthesis (SHS), used for the manufacture of filter elements, flame arresters, aerators and other porous products.

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^oС (см. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству.- М.: Машиностроение, 1990, с. 116 и Федоренко И.М., Францевич И.Н., Радомысельский И. Д. и др. Справочник: Порошковая металлургия: Материалы, технология, свойства, области применения. - Киев: Наукова думка, 1985, с. 242-263).Known mixture to obtain a porous permeable material based on cermets, consisting of oxide compounds and metal. Porous permeable material is made from a known charge by powder metallurgy, i.e. by pressing and subsequent sintering in a furnace at a temperature of more than 1000 ^o C (see Ivanov V.N. Dictionary of foundry production.- M .: Engineering, 1990 , p. 116 and Fedorenko IM, Frantsevich IN, Radomyselsky ID et al. Reference: Powder metallurgy: Materials, technology, properties, applications. - Kiev: Naukova Dumka, 1985, p. 242 -263).

Однако получение изделий из керметов происходит с применением дорогостоящей технологической оснастки, прессового оборудования и высокотемпературного спекания в печах, что повышает энергоемкость процесса. However, the production of cermet products occurs with the use of expensive technological equipment, press equipment and high-temperature sintering in furnaces, which increases the energy intensity of the process.

Известна шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, алюминий, окись хрома (IV), хром и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: железная окалина 45,0-50,0, алюминий 12,5-27,5, окись хрома (IV) 17,5-8,5, хром 5,0-9,0, никель 5,0-20,0 (см. авторское свидетельство СССР 1779381, МПК⁶ С 04 В 38/02). Пористый проницаемый материал получают методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Материал имеет упорядоченную структуру порового пространства, коррозионную стойкость 9,0-16,0%, механическую прочность 8,4-12,2 МПа.A known mixture for producing a porous permeable material containing iron oxide, aluminum, chromium (IV) oxide, chromium and nickel in the following ratio of components, wt.%: Iron oxide 45.0-50.0, aluminum 12.5-27.5 , chromium (IV) oxide 17.5-8.5, chromium 5.0-9.0, nickel 5.0-20.0 (see USSR copyright certificate 1779381, IPC ⁶ C 04 B 38/02). Porous permeable material obtained by the method of self-propagating high temperature synthesis. The material has an ordered pore space structure, corrosion resistance of 9.0-16.0%, and mechanical strength of 8.4-12.2 MPa.

Основным недостатком описанной шихты является ограничение сферы применения получаемого на ее основе пористого проницаемого материала, обусловленное использованием дефицитных и токсичных компонентов - окиси хрома, хрома и никеля. The main disadvantage of the described mixture is the restriction of the scope of application of the porous permeable material obtained on its basis, due to the use of scarce and toxic components - chromium oxide, chromium and nickel.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является шихта для получения пористого материала, содержащая железную окалину, оксид алюминия и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%.:
Железная окалина - 39,0 - 44,0
Оксид алюминия - 35,0 - 43,0
Алюминий - Остальное
(см. патент РФ 2081731, МПК⁶ В 22 F 1/00, 3/23).The closest in technical essence and the achieved result to the proposed invention (prototype) is a mixture for obtaining a porous material containing iron oxide, aluminum oxide and aluminum in the following ratio of components, wt.% .:
Iron oxide - 39.0 - 44.0
Alumina - 35.0 - 43.0
Aluminum - Else
(see RF patent 2081731, IPC ⁶ V 22 F 1/00, 3/23).

Пористый проницаемый материал получают методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Материал имеет упорядоченную структуру порового пространства, коррозионную стойкость 9-16%, механическую прочность 6,2 МПа (см. таблицу). Porous permeable material obtained by the method of self-propagating high temperature synthesis. The material has an ordered pore space structure, corrosion resistance of 9-16%, and mechanical strength of 6.2 MPa (see table).

Недостатками вышеописанной шихты являются пониженная устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам и значительная материалоемкость при жестких технологических требованиях к прочности изделий, изготовленных на основе получаемого пористого проницаемого материала, ограничение сферы применения получаемого пористого проницаемого материала. Эти недостатки обусловлены низкой механической прочностью получаемого пористого проницаемого материала, т.к. наличие в шихте окислов - железной окалины и оксида алюминия приводит к уменьшению прочности материала при отсутствии раскисления. Кроме того, для изготовления шихты использованы дефицитные материалы - оксид алюминия и алюминий. The disadvantages of the above mixture are reduced resistance to dynamic and static loads and significant material consumption with stringent technological requirements for the strength of products made on the basis of the resulting porous permeable material, limiting the scope of application of the resulting porous permeable material. These disadvantages are due to the low mechanical strength of the resulting porous permeable material, because the presence in the mixture of oxides - iron oxide and aluminum oxide leads to a decrease in the strength of the material in the absence of deoxidation. In addition, scarce materials such as aluminum oxide and aluminum were used for the manufacture of the charge.

Сущность изобретения заключается в том, что известная шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину и алюминий, дополнительно содержит оксид кремния и ферросилиций ФС-70 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Железная окалина - 39 - 42
Оксид кремния - 41 - 43
Ферросилиций ФС-70 - 1 - 5
Алюминий - Остальное
Техническим результатом является увеличение устойчивости к динамическим и статическим нагрузкам изделий, изготовленных на основе получаемого пористого проницаемого материала, снижение материалоемкости этих изделий при жестких технологических требованиях к прочности, расширение сферы применения получаемого пористого проницаемого материала, а также уменьшение дефицитности исходных компонентов шихты вследствие введения оксида кремния и ферросилиция ФС-70.The essence of the invention lies in the fact that the known mixture for producing a porous permeable material containing iron oxide and aluminum, additionally contains silicon oxide and ferrosilicon FS-70 in the following ratio, wt.%:
Iron oxide - 39 - 42
Silica - 41 - 43
Ferrosilicon FS-70 - 1 - 5
Aluminum - Else
The technical result is to increase the resistance to dynamic and static loads of products made on the basis of the obtained porous permeable material, reduce the material consumption of these products under stringent technological requirements for strength, expand the scope of the resulting porous permeable material, as well as reduce the scarcity of the initial components of the charge due to the introduction of silicon oxide and FS-70 ferrosilicon.

Это обусловлено повышением механической прочности пористого проницаемого материала, так как при введении в шихту оксида кремния в количестве 41-43 мас.% и ферросилиция ФС-70 в количестве 1-5%, содержащего 25-30 мас.% железа и 70-75мас.% кремния, осуществляется легирование железа кремнием. This is due to an increase in the mechanical strength of the porous permeable material, since when silicon oxide is introduced in the mixture in an amount of 41-43 wt.% And FS-70 ferrosilicon in an amount of 1-5%, containing 25-30 wt.% Iron and 70-75 wt. % silicon, doping of iron with silicon is carried out.

Введение в шихту порошкового ферросилиция ФС-70, ГОСТ 1415-78, в количестве 1-5 мас.% повышает температуру горения, что влечет за собой увеличение объема жидкой фазы, значительное повышение механической прочности и увеличение среднего размера пор. Увеличение механической прочности расширяет сферу применения изделий из получаемого пористого проницаемого материала и повышает их устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам, т.е. эти изделия могут быть использованы не только при статическом нагружении, но и при вибрации даже крупногабаритных тонкостенных фильтрующих элементов, а также обеспечивает снижение материалоемкости, например, вследствие использования тонкостенных фильтрующих элементов вместо толстостенных при технологических требованиях к необходимой прочности фильтрующих элементов. The introduction of a powder of ferrosilicon powder FS-70, GOST 1415-78, in an amount of 1-5 wt.% Increases the combustion temperature, which entails an increase in the volume of the liquid phase, a significant increase in mechanical strength and an increase in the average pore size. An increase in mechanical strength expands the scope of application of products from the resulting porous permeable material and increases their resistance to dynamic and static loads, i.e. these products can be used not only with static loading, but also with vibration of even large-sized thin-walled filter elements, and also reduces material consumption, for example, due to the use of thin-walled filter elements instead of thick-walled ones with technological requirements for the required strength of the filter elements.

Увеличение среднего размера пор приводит к снижению гидравлического сопротивления синтезируемого пористого материала при течении через его структуру различных сред и в результате - к расширению сферы применения пористого проницаемого материала на основе предлагаемой шихты при использовании в качестве фильтрующих материалов, носителей катализаторов, аэраторов и пр. An increase in the average pore size leads to a decrease in the hydraulic resistance of the synthesized porous material when various media flow through its structure and, as a result, to an expansion of the scope of the porous permeable material based on the proposed mixture when used as filter materials, catalyst supports, aerators, etc.

Выбранные соотношения железной окалины, оксида кремния и ферросилиция ФС-70 обусловлены концентрационными пределами в системе Fe-Al-Si, за рамками которых образование интерметаллида не происходит, а реакция СВС самопроизвольно прекращается (при введении железной окалины более 42 мас.%, оксида кремния - более 43 мас.%, ферросилиция - более 5 мас.%) или не происходит образования пористого материала ввиду сплошного эаплавления (при введении железной окалины менее 39 мас.%, оксида кремния - менее 41 мас.% и ферросилиция - менее 5 мас.%). The selected ratios of iron oxide, silicon oxide, and FS-70 ferrosilicon are determined by the concentration limits in the Fe-Al-Si system, beyond which the formation of intermetallic compound does not occur, and the SHS reaction stops spontaneously (with the introduction of iron oxide more than 42 wt.%, Silicon oxide more than 43 wt.%, ferrosilicon - more than 5 wt.%) or porous material does not form due to continuous melting (with the introduction of iron oxide less than 39 wt.%, silicon oxide - less than 41 wt.% and ferrosilicon - less than 5 wt.% )

Изобретение поясняется таблицей, на которой приведены свойства пористого проницаемого материала, полученного на основе предлагаемой шихты и шихты-прототипа. The invention is illustrated in the table, which shows the properties of a porous permeable material obtained on the basis of the proposed charge and charge prototype.

Изобретение иллюстрируется следующим примером. The invention is illustrated by the following example.

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 стали 18Х2Н4МА, порошок оксида кремния ГОСТ 9077-82, ферросилиций ФС-70 ГОСТ 1415-78, содержащий 70-75 мас.% кремния и 20-25 мас.% железа.For experimental verification of the claimed technical solution were prepared samples of the charge of various compositions according to the invention, as well as a sample of the charge prototype,
For the manufacture of samples used powder of iron oxide steel 18X2H4MA, powder of silicon oxide GOST 9077-82, ferrosilicon FS-70 GOST 1415-78, containing 70-75 wt.% Silicon and 20-25 wt.% Iron.

Компоненты дозировались в заданных соотношениях на аналитических весах с точностью до 0,001 г и смешивались всухую в лабораторном смесителе типа "пьяная бочка" партиями по 200 г в течение 1 ч. Приготовленная шихта засыпалась в металлические формы и после инициирования реакции СВС компонентов получали образцы пористого проницаемого материала, которые в дальнейшем использовались для испытаний. The components were dosed in predetermined proportions on an analytical balance accurate to 0.001 g and mixed dry in a drunken barrel laboratory mixer in batches of 200 g for 1 hour. The prepared mixture was poured into metal molds and, after the reaction of the SHS components was initiated, samples of porous permeable material were obtained which were subsequently used for testing.

Образцы для испытаний механической прочности на сжатие имели вид цилиндра с диаметром 50 мм и с высотой 50 мм. Результаты испытаний приведены в таблице. Как следует из данных таблицы, шихта с заявленным составом компонентов обеспечивает получение пористого проницаемого материала с более высокой механической прочностью (на 21-23% и выше) по сравнению с прототипом и позволяет увеличивать средний размер пор в синтезируемом материале на 2,5% по сравнению с прототипом. Samples for testing the mechanical compressive strength were in the form of a cylinder with a diameter of 50 mm and a height of 50 mm. The test results are shown in the table. As follows from the table, the mixture with the claimed composition of the components provides a porous permeable material with higher mechanical strength (21-23% and higher) compared with the prototype and can increase the average pore size in the synthesized material by 2.5% compared with the prototype.

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 и расширить сферу применения полученного пористого проницаемого материала, что обусловлено повышением механической прочности и среднего размера пор синтезируемого материала, а также уменьшить дефицитность исходных компонентов шихты. Thus, the use of the proposed charge in comparison with the use of the charge-prototype allows to increase resistance to dynamic and static loads of products made on the basis of the obtained porous permeable material, to reduce the material consumption of these products and to expand the scope of the obtained porous permeable material, which is caused by an increase in mechanical strength and the average pore size of the synthesized material, as well as reduce the scarcity of the initial components of the mixture.

Claims

The mixture to obtain a porous permeable material containing iron oxide and aluminum, characterized in that it additionally contains silicon oxide and ferrosilicon FS-70 in the following ratio of components, wt.%:
Iron oxide - 39 - 40
Silica - 41 - 43
Ferrosilicon FS-70 - 1 - 5
Aluminum - The Rest