3.3. Характеристика початкових матеріалів

ЇХ ПРИЗНАЧЕННЯ І ПІДГОТОВКА

Початковими матеріалами для отримання порошкових проникних матеріалів служить пороша металів, сплавів, оксидів і тугоплавких з'єднань з різною формою частинок. Сферичні частинки мають перевагу, оскільки дозволяють отримати матеріали з високою відкритою пористістю, низьким гідравлічним тиском, високою проникністю і можливістю до відновлення первинних властивостей. Проникні матеріали з порошків з несферичними частинками володіють вищими механічними властивостями і ступенем очищення фільтрованих середовищ за рахунок розвиненішого лабіринту пір.

Істотний вплив на властивості пористих матеріалів надає гранулометричний склад вживаних порошків. По цьому (початкова пороша піддає розділенню на фракції на ситах (відділяються частинки розміром від 800 до 40 мкм), і сепараторах (відділяються частинки розміром менше 40 мкм), відбираючи порошок з таким розміром частинок, який забезпечить задану проникність матеріалу. Залежності проникності фільтрів від розміру частинок порошку приведені на мал. 18, а, тонкощі фільтрування від фракційного складу порошку — на мал. 18,б.

Для виготовлення порошкових проникних матеріалів використовують порошу, отримувані методом обкатки в кульових або вихрових млинах, відновленням з оксидів, хімічним осадженням, термічною дисоціацією, розпилюванням водою або газом, плазмовою технологією, випаровуванням рідкого струменя металу імпульсним опромінюванням променем лазера.

Наиболее производительным и технологичным методом получения металлических порошков со сферической формой частиц явля­ется распыление жидкого металла воздухом, газом или водой. Этот метод имеет широкое распространение, что обусловлено ма­лыми энергозатратами, высокой производительностью, равномер­ным распределением компонентов сплава в объеме каждой час­тицы.

Для отримання порошків з сферичною формою частинок з тугоплавких металів і з'єднань використовують плазмову технологію, при якої пороші необхідного гранулометричного складу пропускають через високотемпературну плазму, де частинки, оплавляючись, набувають сферичної форми, охолоджуються і потрапляють в металоприймач. Ця технологія дозволяє отримувати частинки ідеальної сферичної форми.

При виборі порошків для виготовлення порошкових проникних матеріалів необхідно враховувати наступні їх характеристики і властивості: корозійну стійкість і жароміцність, наявність домішок, гранулометричний склад, насипну щільність. Більшість легованих порошків набувають необхідних властивостей після спеціальної термообробки, яку необхідно суміщати із спіканням або проводити після нього.

Широке застосування як початкові матеріали знайшла пороша бронзи, неіржавіючих сталей, 08Х18Н10 (корозійностійкі), Х21н11в2, 5Ю і Ох18н10с3 (окалиностійкі). Для очищення розчинів сірчаної кислоти, агресивних лужних середовищ застосовують проникні матеріали, що отримуються з порошків нікелю (ГОСТ 14086—68). Високу корозійну стійкість в окислювальних середовищах проявляють матеріали, виготовлені з порошків титану, Для роботи при високих температурах в агресивних середовищах застосовують вироби з порошків тугоплавких з'єднанні. Перспективним для виготовлення високопродуктивних проникних матеріалів є застосування волокон. У таких матеріалах відсутня закрита пористість і загальна пористість може досягати 90 %. Найбільшого поширення набули волокна діаметром 30—200 мкм з неіржавіючих і вуглецевих сталей, а також волокна ніхрому, які виготовляють шляхом різання джгутів дроту на шматки необхідного розміру.

Фільтри виготовляють з порошків, відповідних наступним технічним умовам: залізні — ТУФМ 17—64, неіржавіючій сталі — ТУФМ 11—64, нікелю — ТУФМ 10—64, фосфіду міді — ТУФМ 9—64, бронза олов'янистою — ТУФМ 13—64. Для виготовлення волокнистих фільтрів використовують мідний електротехнічний дріт (ГОСТ 2112—79), нікелевий і кремнисто- нікелевий дріт (ГОСТ 2179—75), проволікатиму з високолегованої, коррозионно- і жаростійкої сталі (ГОСТ 18143—72).

При необхідності отримання матеріалів з підвищеною пористістю в порошу вводять розпушувачі (порообразователи): парафін, карбонат амонія, хлорид міді (II), хлорид заліза (II), хлорид натрію, розчин поливинилового спирту. Випаровуючись або розкладаючись при спіканні, вони утворюють додаткову крізну пористість. Вибір типу розпушувача залежить від температури його випаровування або розкладання. Так, наприклад, для отримання пористого заліза додають карбонат амонія, пористого вольфраму — 2—15 % фторидів лантану або натрію, пористого титану — спир- тоглицериновую суміш (60 : 40).

Для забезпечення тонкого очищення газів при високій проникності фільтрів застосовують порошу з розміром частинок менше 65 мкм. Для забезпечення високої проникності фільтрів до пороші додають порообразователь, їх піддають плющенню з подальшим дробленням смуги. Отримані гранули розсіюють на фракції, і потім з потрібної фракції пресують заготовки фільтрів, які піддають спіканню. При спіканні порообразователь випаровується і створює додаткову пористість в гранулах, яка у поєднанні з пористістю між гранулами значно підвищує проникність заготівки фільтрів. Загальна технологічна схема виготовлення пористих матеріалів приведена нижче (схема 10).

Пористі вироби відрізняються великою різноманітністю геометричних форм і розмірів. Вони можуть мати форми циліндрів, пластин, листів, дисків та інші з перетином від 1,5 до 300 мм і більш, по довжині прокатані листи не обмежуються.

Кожен вид виробів має свої особливості формування. При формуванні заготовок необхідно отримати потрібні форму і розміри, а також щільність і міцність, необхідні для подальшого виготовлення пористих проникних матеріалів. Як відомо, процес ущільнення порошків при формуванні виробів протікає в три стадії: перша — ковзання частинок і щільна упаковка; друга — пластична деформація частинок в критических зонах; третья — деформация частиц во всем их объеме. При формовании проницаемых материалов третья стадия неприемлема, поскольку приводит к сильному скажению формы частиц и уменьшению пористости. I Для формування застосовують різні методи: вільну засипку порошку у форми, віброутруску, вібропресування, пресування в закритих прес-формах, гідростатичне, мундштучне пресування і ін. перші три методи дозволяють отримувати матеріали з високою пористістю і рівномірним її розподілом.

найбільшого поширення набув метод формування порошку в закритих прес-формах. проте нерівномірність розподілу пір по висоті матеріалу обмежує розміри і форму отримуваних заготовок. крім того, спостерігається істотна анізотропія властивостей. пресування ведуть при тиску 100—400 Мпа, пористість без застосування порообразователей складає 25—35%.

Гідростатичне пресування дозволяє отримувати заготівки з більш рівномірним розподілом пористості. Так, при гідростатичному пресуванні втулок з внутрішнім діаметром 34, зовнішнім 40 і завдовжки 360 мм нерівномірність розподілу щільності не залежить від висоти і не перевищує 0,6 %. Пористість заготовок 30—35 %.

Рівномірний розподіл пористості досягається при відцентрово-вібраційному методі формування, при якому створюється рівномірний потік частинок порошку при заповненні форми і застосовується вібрація, яка сприяє рівномірному укладанню частинок. Пористість заготовок складає 30—40 %. Для виготовлення пористих матеріалів з великим відношенням довжини до поперечного перетину перспективними є методи плющення і мундштучного пресування.

При плющенні залежно від розміру початкових частинок і товщини отримуваної заготівки пористість її досягає 20—45 %, а при введенні порообразователей — 60—70 % і більш. Перевагою плющення є також те, що пористі матеріали можна виготовляти багатошаровими. При цьому шари можуть складатися з різних матеріалів, мати різну пористість. Багатошарові і складній конфігурації матеріали можна отримати методом шликерного литва. При послідовному відцентровому відливанні шликеров різних складів в металеву пористу форму утворюється багатошарова заготівка, яку потім сушать і піддають спіканню.

Для отримання пористих виробів застосовують також метод мундштучного пресування. Пороша змішує з пластифікаторами і потім видавлює через мундштук необхідного діаметру. Заготівку піддають сушці і спіканню. Метод забезпечує рівномірну по довжині заготівки пористість і дозволяє отримувати на поверхні виробів шар з тоншою пористістю, ніж в серцевині. Це обумовлено тим, що в процесі мундштучного пресування за рахунок нерівномірного розподілу зусилля витискування по поперечному перетину заготівки поверхневі шари ущільнюються більше, ніж серцевинні. Це забезпечує високий ступінь очищення газових середовищ (до 2—4 мкм) без глибинного засмічення фільтру, що дозволяє піддавати його ефективній і багатократній регенерації. Метод мундштучного пресування застосовний для виготовлення матеріалів ущільнювачів.

Пористі вироби з направленими порами формують наступним методом. Суміш порошків магнітного і немагнітного матеріалів поміщають в магнітне поле. Частинки магнітного матеріалу шикуються рядами по силових лініях магнітного поля. Потім проводять пресування, при якому фіксується орієнтоване розташування частинок. Після спікання заготівку обробляють кислотою для розчинення магнітного металу і утворення направлених пір. Другий метод полягає в орієнтації частинок в рідині магнітним або електростатичним полем. Після орієнтації частинок проводиться полімеризація рідини і спікання.

Широко застосовується метод спікання вільно насипаних порошків в графітових або керамічних формах. Формування методом вільної засипки порошків з сферичною формою частинок дозволяє отримати пористість 45—50.

Остаточні властивості пористих матеріалів встановлюються при спіканні, основне завдання якого — збільшення міцності виробу при збереженні відповідної пористості. При спіканні сумішей з порообразователями або пластифікаторами необхідно забезпечити повільний підйом температури, щоб летючі речовини віддалилися без викривлення або розтріскування виробів.

Изделия спекают в защитной восстановительной среде или в вакууме в течение 1—2 ч при температуре 860—1250 °С. Вид среды и температура спекания определяются составом спекаемого ма­териала и требованиями, предъявляемыми к свойствам готового изделия. Температура спекания пористых изделий из некоторых материалов приведена в табл. 15. Наряду с применением газовых сред или вакуума при спекании иногда используют засыпки. Так, например, пористые изделия из нержавеющих сталей, содержащих хром, спекают в остроосушенном водороде и в засыпках, содержа­щих вещества, способные поглощать кислород. Такими веществами являются порошки хрома, титана, гидрида титана. Кроме того, в засыпку вводят фтор- или хлорсодержащие соединения, восстанав­ливающие оксиды хрома, что активирует спекание за счет восста­новления оксидов хрома на поверхности частиц порошков. Основу засыпки составляет инертный материал, например оксид алюми­ния, а количество указанных добавок составляет 15—30 % по объему.

Для підвищення корозійної стійкості пористих матеріалів з порошку заліза процес їх спікання суміщають з хромуванням, додаючи в засипку порошок хрому або ферохрому і карбонат амонія.

При виготовленні теплових труб необхідно на внутрішній поверхні оболонки отримати капілярний шар високопористого матеріалу. Як матеріали оболонок теплових труб використовують мідь, нікель, неіржавіючу сталь, алюміній, тантал, вольфрам, титан, сплави ніобію з цирконієм, вольфраму з ренієм, молібдену з цирконієм.

Теплоносієм в теплових трубах служать рідкі речовини, які сумісні з матеріалами труби і капілярного шару. При низьких робочих температурах для цього застосовують воду, що дистилює, спирт, аміак, ацетон, фреон, бензол, при високих — натрій, калій або літій.

Теплові труби методом порошкової металургії виготовляють припіканням високопористого шару частинок порошку міді або заліза до внутрішньої поверхні оболонки. Проте низька пористість (~30 %) отриманого шару знижує ефективність роботи теплової труби. Високоефективно працюють теплові труби, у яких пористий шар виконаний з волокон. Для виготовлення таких труб сформованный з волокон шар заданої товщини і пористості припікають до внутрішньої поверхні оболонки нагрівом. Такий спосіб дозволяє отримувати теплові труби з пористістю капілярного шару 40—60 %, що підвищує ефективність їх роботи. Іноді застосовують додаткову обробку пористих матеріалів, що полягає в калібруванні, плющенні, обробці різанням, зварці і термообробці. При механічній обробці необхідно уникати руйнування і ущільнення поверхневих шарів. Найчастіше механічну обробку застосовують для обробки посадочних місць, проточки канавок, завальцовки в корпуси пристроїв. Для виготовлення довгомірних виробів з пористих матеріалів застосовують паяння, зварку, спікання або склеювання.

Для підвищення корозійної стійкості пористих виробів з >заліза їх піддають оксидуванню — нагріву при температурі 300—350 °С з подальшим гартом в маслі. Неіржавіючі сталі пасивують в 6—10 %-м розчині азотної кислоти при 70— 80 °С протягом 30 мин.