RU2508962C1

RU2508962C1 - Method of making high-porosity cellular material

Info

Publication number: RU2508962C1
Application number: RU2012151000/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Никитович Анциферов
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2014-03-10

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy, particularly, to production of refractory highly porous permeable cellular alloys. It can be used for production of filters, noise absorbers, catalyst carriers, heat exchange systems and structural materials operated under high temperatures in power production, machine building, chemical industry, etc. Suspension of the mix of powders is prepared and applied on porous polymer material. Organic substances are removed and workpiece is sintered. Thereafter said workpiece is subjected to force effects in the range of material elasticity to strain the workpiece till material fluidity. Now, said force effects are relieved.

EFFECT: higher strength, longer life.

2 cl, 2 dwg

Description

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.The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular to methods for producing highly porous cellular materials (HPMP), intended for use as filters, noise absorbers, catalyst supports, heat exchange systems, structural materials operating at high temperatures, can find application in power engineering, engineering , chemical and other industries.

В качестве прототипа принят способ получения ВПЯМ (патент №2464127, МПК B22F 3/11, С22С 1/08, опубликован 20.10.2012).As a prototype, a method for producing HPLM has been adopted (patent No. 2464127, IPC B22F 3/11, C22C 1/08, published October 20, 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.The named method includes the following operations: preparing a suspension from a mixture of powders, applying the suspension to a porous polymeric material, removing organics by heating to obtain a preform, and sintering the preform.

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.The signs of the known method, which coincides with the features of the claimed invention, are the following operations: preparation of the suspension from a mixture of powders, applying the suspension to a porous polymeric material, removing organic matter by heating to obtain a preform, and sintering the preform.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением, состоит в недостаточной прочности и долговечности материала при его использовании в различных устройствах.The reason that prevents the obtaining in a known technical solution of a technical result, which is provided by the claimed invention, is the insufficient strength and durability of the material when used in various devices.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эксплуатационных качеств материала.The task to which the invention is directed is to improve the performance of the material.

Технический результат, обеспечивающий решение указанной задачи, заключается в повышении прочности и долговечности материала при его использовании в различных устройствах.The technical result that provides the solution of this problem is to increase the strength and durability of the material when used in various devices.

Достигается технический результат тем, что в способе получения высокопористого ячеистого материала, включающем приготовление суспензии смеси порошков, нанесение суспензии на пористый полимерный материал, удаление нагреванием органических веществ с получением заготовки, спекание заготовки, в заявляемом изобретении заготовку после спекания подвергают силовому воздействию в области упругости (в области пропорциональности) с доведением деформирования материала заготовки до начала области текучести, после чего заготовку освобождают от силового воздействия.The technical result is achieved in that in the method for producing a highly porous cellular material, which includes preparing a suspension of a powder mixture, applying the suspension to a porous polymer material, removing organic matter by heating to obtain a preform, sintering the preform, in the claimed invention, the preform after sintering is subjected to force in the field of elasticity ( in the field of proportionality) with bringing the deformation of the workpiece material to the beginning of the yield region, after which the workpiece is freed about t of force.

Технический результат достигается также и тем, что заготовка выполнена из тугоплавкого или жаростойкого материала.The technical result is also achieved by the fact that the workpiece is made of refractory or heat-resistant material.

Силовое воздействие на заготовку в области упругости (в области пропорциональности) с доведением деформирования материала заготовки до начала области текучести и последующее освобождение заготовки от силового воздействия обеспечивает повышение прочности и долговечности материала при его использовании в различных устройствах за счет явления так называемого "наклепа", появляющегося в материале при силовом воздействии на него в названных выше пределах и описанном в материаловедческой литературе и закрепленном в ГОСТах (например, Межгосударственный стандарт ГОСТ 25.503-97. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие).The force effect on the workpiece in the field of elasticity (in the field of proportionality) with the deformation of the workpiece material to the beginning of the yield zone and the subsequent release of the workpiece from the force action increases the strength and durability of the material when used in various devices due to the phenomenon of the so-called “hardening” that appears in a material with a force acting on it within the limits mentioned above and described in the material science literature and enshrined in GOSTs (for example, Mezh -State Standard GOST 25.503-97. Calculations and durability test. Methods metals mechanical tests. Test method for compression).

Выполнение заготовки из тугоплавкого или жаростойкого материала придает ему дополнительные прочностные свойства и долговечность при высоких температурах и (или) высоких тепловых нагрузках (высоких темпах нагрева и длительных знакопеременных тепловых воздействиях).The execution of the workpiece from a refractory or heat-resistant material gives it additional strength properties and durability at high temperatures and (or) high thermal loads (high heating rates and long alternating thermal effects).

Новые признаки предлагаемого технического решения заключаются в том, что заготовку после спекания подвергают силовому воздействию в области упругости (в области пропорциональности) с доведением деформирования материала заготовки до начала области текучести, после чего заготовку освобождают от силового воздействия. Новые признаки заключаются также и в том, что при этом заготовку выполняют из тугоплавкого или жаростойкого материала.New features of the proposed technical solution are that after sintering, the preform is subjected to force in the field of elasticity (in the field of proportionality) with the deformation of the workpiece material to the beginning of the yield region, after which the preform is freed from force. New features also lie in the fact that the preform is made of refractory or heat-resistant material.

На фиг.1 показана диаграмма сжатия материала, где 1 - область упругости (пропорциональности), 2 - область текучести, 3 - область временного сопротивления разрушению (предела прочности), точка А - начало области текучести. Здесь F - силовое воздействие (нагрузка), Δh - перемещение (деформация), F_т - нагрузка, соответствующая пределу текучести при сжатии, численное значение которого определяется по формуле:Figure 1 shows a diagram of the compression of the material, where 1 is the elasticity (proportionality) region, 2 is the yield region, 3 is the region of temporary fracture resistance (tensile strength), point A is the beginning of the yield region. Here F is the force action (load), Δh is the displacement (deformation), F _t is the load corresponding to the yield strength under compression, the numerical value of which is determined by the formula:

σ_т = F_т / S_о,σ _t = F _t / S _o ,

где σ_т - предел текучести;where σ _t - yield strength;

F_т - нагрузка, соответствующая пределу текучести;F _t - load corresponding to yield strength;

S_о - начальная площадь поперечного сечения нагружаемого образца.S _about - the initial cross-sectional area of the loaded sample.

На фиг.2 схематично изображено устройство для осуществления силового воздействия на заготовку в области упругости (в области пропорциональности) с доведением деформирования материала заготовки до начала области текучести. На фиг.2 показаны: 1- заготовка; 2 - трубчатый пенал; 3 - боковые поверхности заготовки; 4 - торцевая поверхность заготовки; 5 - торцевая кромка трубчатого пенала; 6 - торцевая поверхность заготовки; 7 - пробка; 8 - наружная часть пробки.Figure 2 schematically shows a device for exerting force on the workpiece in the field of elasticity (in the field of proportionality) with bringing the deformation of the workpiece material to the beginning of the yield area. Figure 2 shows: 1 - blank; 2 - tubular pencil case; 3 - side surfaces of the workpiece; 4 - end surface of the workpiece; 5 - end edge of the tubular pencil case; 6 - end surface of the workpiece; 7 - cork; 8 - the outer part of the cork.

Одним из примеров реализации заявляемого способа может служить следующий.One example of the implementation of the proposed method can be as follows.

В качестве исходных порошков используют порошок высоколегированного сплава марки Х60Ю20 фракции менее 315 мкм (производитель ЗАО «Октагон», г.Челябинск), порошок железа марки Р-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.As the initial powders, a high-alloyed alloy powder of grade X60U20 with a fraction of less than 315 microns (manufacturer of Octagon CJSC, Chelyabinsk), iron powder of grade R-20 (manufacturer of Synthesis-PKZh LLC, Dzerzhinsk) with an average particle size of 3 are used 5 microns and chemically reduced ultrafine cobalt powder with an average particle size of 0.4 microns.

Для образования седиментационно устойчивой суспензии предварительно готовят смесь порошков и 7%-ный водный раствор поливинилового спирта.To form a sedimentation-stable suspension, a mixture of powders and a 7% aqueous solution of polyvinyl alcohol are preliminarily prepared.

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.First, the powder of the high-alloyed alloy Х60Ю20 is ground to an average particle size of 1.18 μm: 0.5 kg of the powder of the high-alloyed alloy grade Х60Ю20 fractions of less than 315 μm are loaded into a vibration mill with the addition of 0.067 l of a 96% solution of ethyl alcohol and 1.5 kg of grinding bodies . The grinding is carried out in an argon atmosphere for 18 hours. The output is a powder of high-alloy alloy X60U20 with an average particle size of 1.18 microns.

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 Р-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.Then prepare a mixture of powders with the required relative density. In a mixer with a displaced axis of rotation load 0.5 kg of crushed powder of high-alloy alloy X60U20, 1.109 kg of powder of iron grade R-20, 0.0328 kg of ultrafine cobalt powder and 0.6 kg of mixing L-shaped bodies and carry out mechanical stirring for 24 hours. The output is a mixture of powders with a relative packing density of 0.55.

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.Mixing L-shaped bodies are separated, 0.29 kg of a 7% aqueous solution of polyvinyl alcohol are added to the resulting powder mixture with a relative packing density of 0.55 and stirred for 1 hour. A sedimentation-resistant suspension is obtained.

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°С/ч, при температуре 730°С делают выдержку продолжительностью 0,5 ч. В результате получают заготовку ВПЯМ на основе хромаля с прочностью на сжатие 130 кПа. Затем заготовку помещают в вакуумную печь типа СЭНВЭ и спекают в вакууме 5·10 ^-5 мм рт.ст., при температурах 900°С и 1280°С делают выдержки продолжительностью 2 ч и 3,5 ч соответственно.Next, a suspension is applied by impregnation (immersion and deformation) on a sample of a porous polymeric material of polyurethane foam with an average cell diameter of 1.22 mm. Then, from the polymer material impregnated with the suspension, an excess of the suspension is removed by 8-fold compression in rolls and the sample is dried in an air stream. Next, the dried sample is placed in a SNF muffle type furnace and in an environment of acutely dried hydrogen, an initial heat treatment is carried out at a heating rate of 100-200 ° C / h, at a temperature of 730 ° C, an exposure time of 0.5 hours is made. compressive strength 130 kPa. Then the billet is placed in a vacuum furnace type SENVE and sintered in vacuum 5 · 10 ^-5 mm RT.article, at temperatures of 900 ° C and 1280 ° C, exposure is performed for 2 hours and 3.5 hours, respectively.

В результате получают жаростойкий ВПЯМ на основе хромаля с плотностью 0,57 г/см³, прочностью на сжатие 3,5 МПа, микропористостью 5%.The result is a heat-resistant HPLC based on chromal with a density of 0.57 g / cm ³ , compressive strength of 3.5 MPa, and microporosity of 5%.

Далее заготовку 1 (фиг.2) помещают в трубчатый пенал 2, имеющий поперечное сечение, соответствующее по форме поперечному сечению заготовки и имеющему размеры, обеспечивающие плотное прилегание заготовки по ее боковым поверхностям 3 к стенкам пенала 2, при этом одна торцевая поверхность 4 заготовки 1 находится в положении заподлицо с торцевой кромкой 5 пенала 2. Другая торцевая поверхность 6 заготовки утоплена внутрь пенала 2, и в свободную полость пенала вставлена пробка 7, имеющая форму и размер поперечного сечения, соответствующие форме и размеру поперечного сечения заготовки. Длина пробки 7 подобрана таким образом, чтобы часть ее 8 выставлялась наружу из пенала 2.Next, the workpiece 1 (figure 2) is placed in a tubular case 2 having a cross section corresponding in shape to the cross section of the workpiece and having dimensions that ensure a tight fit of the workpiece along its side surfaces 3 to the walls of the case 2, with one end surface 4 of the workpiece 1 is flush with the end edge 5 of the canister 2. The other end surface 6 of the workpiece is recessed into the canister 2, and a plug 7 is inserted into the free cavity of the canister, having a shape and cross-sectional size corresponding to the shape and size Yeru cross section of the preform. The length of the plug 7 is selected so that part of it 8 is exposed out of the pencil case 2.

Затем весь этот блок “пенал+заготовка+пробка” устанавливают в стандартном механическом или гидравлическом прессе и осуществляют силовое воздействие на заготовку 1 через пробку 7. При этом измеряют силовое воздействие F (фиг.1) на заготовку и ее деформацию Δh в осевом направлении с прохождением области упругости (области пропорциональности), доводя ее значение до начала области текучести 2, то есть до точки А, после чего заготовку освобождают от силового воздействия.Then this entire block “pencil case + workpiece + cork” is installed in a standard mechanical or hydraulic press and force is applied to the workpiece 1 through cork 7. In this case, the force action F (Fig. 1) on the workpiece and its axial deformation Δh are measured with passing the elastic region (the proportional region), bringing its value to the beginning of the yield region 2, that is, to point A, after which the workpiece is freed from force.

Ожидаемый уровень повышения прочности изготовляемого высокопористого ячеистого материала зависит, в том числе, и от природы деформируемого материала. В нашем конкретном случае, описанном выше (материал на основе хромаля), эта величина ожидается в пределе от 5 до 10%, то есть от 3,675 до 3,85 МПа вместо исходных 3,5 МПа (прочность на сжатие).The expected level of increasing the strength of the manufactured highly porous cellular material depends, inter alia, on the nature of the deformable material. In our specific case described above (material based on chrome), this value is expected in the range from 5 to 10%, i.e. from 3.675 to 3.85 MPa instead of the initial 3.5 MPa (compressive strength).

Следует сказать, что наименования характеристик (прочность, предел текучести и др.) высокопористого ячеистого материала (ВПЯМ) и их численные значения здесь носят условный характер и их следует относить не к самому исходному материалу (хромалю и т.п.), а именно к ВПЯМ, у которого часть сечения заполнена порами, а не самим материалом, что вносит существенные отклонения в численные значения этих характеристик, которые, естественно, при различной пористости будут иметь различающиеся значения.It should be said that the names of the characteristics (strength, yield strength, etc.) of highly porous cellular material (HPLC) and their numerical values here are conditional and should not be attributed to the initial material (chromal, etc.), but to HPLC, in which part of the cross section is filled with pores, and not with the material itself, which introduces significant deviations in the numerical values of these characteristics, which, naturally, will have different values at different porosities.

Техническое решение, составляющее предмет заявляемого изобретения, обеспечивает получение названного выше технического результата и, соответственно, решение поставленной задачи, а именно, повышение эксплуатационных качеств материала.The technical solution that is the subject of the claimed invention provides the above technical result and, accordingly, the solution of the problem, namely, improving the performance of the material.

Claims

1. A method of obtaining a highly porous cellular material, comprising preparing a suspension of a mixture of powders, applying the suspension to a porous polymeric material, removing organic matter by heating to obtain a preform, and sintering the preform, characterized in that the preform is subjected to force after sintering in the field of elasticity of the material to deform the preform before the area of fluidity of the material begins, after which the workpiece is freed from force.

2. The method according to claim 1, characterized in that the preform is made of refractory or heat-resistant material.