СЛОИСТЫЙ ПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1995 года по МПК B32B15/01 B22F3/10 B01D39/00 

Изобретение относится к порошковой металлургии, конкретно к слоистым пористым материалам.

Известен слоистый пористый инструментальный материал, содержащий основу из стали, промежуточный слой, выполненный из металла группы железа, и рабочий слой из твердого сплава толщиной 0,2-1,0 мм. Промежуточный слой выполнен из никеля или кобальта, а основа выполнена из стали с горячей твердостью не менее 600^оС и содержанием углерода не более 0,5 мас. (а.с. N 1639890, кл. В 22 F 7/00, 3.5.12.88).

Однако известный слоистый материал не пористый и не может быть применен для отделения аэрозольной влаги и масла из потока воздуха или газа.

В технике широко известны пористые влагоотделители из керамики или пористых металлов. Например, известен пористый проницаемый материал из бронзы, который получают спеканием порошка (размер фракций от 0,05 до 1 мм). Пористость такого материала не более 70% (Пористые проницаемые материалы./Под ред. С.В. Белов, М. Металлургия, 1987, с. 110-117). Специфическая форма пор такого материала отверстия между спеченными сферами, и при прохождении потока сжатого воздуха и попадании в поры твердых частиц поры быстро забиваются грязью.

Известен высокопористый ячеистый материал на основе металлов или керамик, полученный путем моделирования пористой структурообразующей матрицы. Пространственная структура такого материала представляет собой трехмерную ячеистую сеть с размерами ячеек от 0,4 до 2 мм и открытой пористостью от 75 до 95% (В.Н. Анциферов и др. Свойства высокопористых металлов. Порошковая металлургия, 1980, N 12, с. 20-24).

Однако эти материалы недостаточно хорошо отделяют аэрозольную влагу.

Наиболее близким по технической сущности является слоистый пористый проницаемый материал из класса комбинированных пористых проницаемых материалов (КППМ) (Пористые проницаемые материалы./Под ред. С.В. Белова, М. Металлургия, 1987, с. 260-266). Известный двуслойный материал содержит никелевую фильтровую основу саржевую сетку 80/720, на которой сформирован рабочий пористый слой из порошка карбонильного никеля.

Фильтровальные свойства таких двуслойных КППМ позволяют получать тонкость фильтрации до 3-5 мкм. Это достигается за счет конструктивных особенностей двуслойного материала, получаемого напылением карбонильного порошка никеля на никелевую саржевую сетку с последующим спеканием и холодной прокаткой.

К недостаткам слоистого пористого материала следует отнести то, что он недостаточно хорошо отделяет мелкокапельную аэрозольную влагу из потока сжатого воздуха (газа). Это объясняется тем, что пористость известного материала менее 70% и влага, оседая в порах, удерживается силами адгезии и плохо удаляется из ячеек пористого материала. Небольшая зона контакта капиллярно-пористого порошкового слоя и опорного слоя не позволяет быстро отводить влагу из мелкопористого слоя, что резко повышает аэродинамическое сопротивление материала.

Цель изобретения повышение качества влагоотделения фильтрующего слоистого пористого материала при его минимальном аэродинамическом сопротивлении.

Цель достигается тем, что в слоистом пористом материале, содержащем никелевую фильтровую основу и рабочий пористый слой, основа выполнена из высокопористого ячеистого материала на основе никеля (пороникеля) с размером пор 0,3-2,0 мм. Размер пор менее 0,3 мм изготовить не представляется возможным, а при размере пор более 2,0 мм эффект отделения мелкокапельной аэрозольной влаги, а также скорость удаления влаги из рабочего слоя, резко снижаются, что приводит к повышению аэродинамического сопротивления. Рабочий слой выполнен из пористого проницаемого материала, полученного спеканием из сферического бронзового, никелевого или другого коррозионно-стойкого порошка с пористостью 40-70% Эксперименты показали, что толщина слоя 0,35-2,5 мм при размере частиц от 0,05 до 1,0 мм. При толщине слоя менее 0,35 мм капельная аэрозоль удаляется не полностью. При толщине слоя более 2,5 мм резко возрастает аэродинамическое сопротивление.

Толщина слоя пороникеля определена соотношением h:d от 20 до 110, где h толщина слоя пороникеля, а d размер ячейки. Как показали эксперименты, при отношении h: d меньше 20 возникает вторичный каплеунос, а увеличение этого отношения свыше 110 неоправданно повышает аэродинамическое сопротивление и расход пороникеля.

Функционально каждый из слоев имеет свое назначение. В рабочем слое происходит качественное отделение мелкокапельной аэрозольной влаги. Однако в силу специфики пор и их размера 0,002-0,05 мм влага удерживается силами адгезии в порах, постепенно заполняя их. При этом повышается аэродинамическое сопротивление фильтрующего материала и снижается пропускная его способность. При повышении давления отделенная влага продавливается сквозь фильтрующий материал и возникает вторичный каплеунос. Слой пороникеля сам недостаточно качественно отделяет мелкокапельную аэрозоль, несмотря на развитую поверхность, но находясь в контакте с рабочим слоем из пористого проницаемого материала, за счет капиллярного эффекта, который возникает в силу его специфической поверхности, хорошо отводит скапливающуюся в нем влагу. В самом же слое пороникеля влага легко стекает вниз по лабиринтам поверхности, практически не создавая дополнительного сопротивления потоку очищаемого газа или воздуха, из-за структуры пороникеля, имеющей большую пористость со значительной по величине ячейкой.

Между пороникелем и пористым проницаемым материалом выполнен комбинированный промежуточный слой из этих же материалов. Он имеет сложную дендритно-сфероидальную структуру поверхности. Толщина промежуточного слоя от 0,3 до 5 размеров ячеек пороникеля. Назначение этого слоя обеспечить достаточно плотный и равномерный по площади контакт между рабочим слоем и пороникелевой основой. При толщине промежуточного слоя толщиной менее 0,3 от размера ячейки пороникеля не обеспечивается на 70-90% площадь контакта слоев пороникеля и слоя пористого проницаемого материала. Это не позволяет в полной степени отводить влагу из рабочего слоя.

При увеличении слоя более чем до 5 размеров ячеек пороникеля резко возрастает аэродинамическое сопротивление фильтрующего материала.

Использование в качестве опорного слоя на основе никеля весьма существенно. На качество влагоотделения существенное влияние имеет именно специфическая структура дендритной поверхности пороникеля (Приложение, ф. 2). По лабиринтам этой поверхности, отделившаяся влага быстро стекает вниз, не забивая эти лабиринты и не отрываясь от поверхности пороникеля. Изготовление фильтрующих элементов из других материалов связано с проблемами коррозионной стойкости и качества влагоотделения. Попытки обеспечить такой же эффект на других материалах не увенчались успехом.

Как показали исследования, качественные результаты по влагоотделению на коррозионно-стойких материалах достигаются лишь на никеле и материалах, содержащих не менее 50% никеля с добавлением меди. Эти материалы ниже будут называться единим термином пороникель по названию основного элемента.

Рабочий слой может быть выполнен из различных порошковых материалов, однако бронзовый порошок БрОФ 10, разработанный в Белорусском республиканском НПО порошковой металлургии, предпочтителен из соображений простоты технологии его нанесения и спекания.

На чертеже изображен пористый материал.

Пористый слоистый материал содержит основу 1 из пороникеля, рабочий слой 2 из пористого проницаемого материала, сформированный из сферического порошкового материала. Между рабочим слоем 2 и основой 1 выполнен промежуточный слой 3 из этих материалов.

В связи с простотой и технологичностью получения заявляемого материала ниже приведены только общие параметры его получения.

На поверхность основы 1 (пороникеля) с размером пор 0,3-2,0 мм свободной насыпкой наносили бронзовый порошок (БрОФ 10, сферический) с размером частиц (-200)-(+125) мкм так, чтобы он полностью закрывал поверхность основы 1. После этого легкой вибрацией в течение 2 с достигалось проникновение порошка на необходимую глубину и осуществлялась досыпка порошка до создания слоя толщиной 1 мм. Далее порошковый слой выравнивался деревянной лопаткой и подготовленный образец помещался в печь с защитной восстановительной атмосферой, где производилось спекание при 780^оС (при возможном диапазоне 750-860^оС) в течение 40 мин (при возможном диапазоне 30-60 мин).

По истечении указанного времени образцы охлаждались в печи до 200^оС.

Наиболее характерные результаты проведенных испытаний образцов, при которых были определены пределы возможных параметров фильтрующего материала, систематизированы и приведены в таблице.

Испытания в течение 30 сут показали, что полученный слоистый пористый материал позволяет удалять до 98% аэрозольной влаги и масла, при потерях давления не более 0,3 атм.

Эффективность и долговечность полученного фильтрующего материала многократно возрастает при использовании предварительной очистки потока воздуха или газа на циклонной установке или пропусканием его через слой пороникеля, поромеди или иного материала из числа высокопористых ячеистых материалов. Такая предочистка удалит большую часть частиц, способных застрять в слое из капиллярно-пористого порошкового материала, а значит повысит долговечность фильтрующего материала.

Использование: фильтрация газов для отделения аэрозольной влаги и масел. Сущность изобретения: слоистый пористый материал содержит фильтровую основу из высокопористого ячеистого материала на основе никеля с размером пор 0,3 - 2,0 мм; рабочий слой из пористого проницаемого материала, сформированного из пористого сферического материала на поверхности основы толщиной 0,35 - 2,5 мм и промежуточный слой из этих материалов толщиной 0,3 - 0,5 размера ячейки основы. При этом в качестве материала рабочего слоя используют бронзовый сферический порошок. Толщину пористой основы h рассчитывают из соотношения h : d = 20 - 110, где d - размер пор ячеистого материала на основе никеля. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. СЛОИСТЫЙ ПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ, содержащий никелевую фильтровую основу и рабочий пористый слой из спеченного сферического порошка, отличающийся тем, что основа выполнена из высокопористого ячеистого материала на основе никеля с размером пор 0,3 2,0 мм и толщиной, выбранной из соотношения
h d 20 110,
где h толщина слоя основы, мм;
d размер пор в слое основы, мм,
при этом рабочий слой выполнен толщиной 0,35 2,5 мм, а между рабочим слоем и фильтровой основой выполнен промежуточный слой из этих материалов толщиной 0,3 5,0 размера ячеек слоя основы. 2. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала для рабочего слоя использован бронзовый сферический порошок.