СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1997 года по МПК B22F3/10 B22F7/02 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к способам изготовления титанокерамических трубчатых мембран, и может быть использовано для фракционирования и очистки методом тангенциальной фильтрации жидких продуктов пищевой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности, для выделения и концентрирования коллоидных, тонкодисперсных и высокомолекулярных фракций из суспензий и жидких смесей.

Известен способ изготовления металлокерамических изделий, включающий формование из керамического порошка прессованием пористой заготовки, загрузку в контейнер, нанесение на поверхность заготовки слоя из тонкодисперсного керамического порошка и спекание (термообработку).

Трубчатые фильтры, полученные известным способом, работают как глубинные быстро забиваются и трудно регенерируются.

Цель увеличение длительности работы трубчатых мембран, сокращение времени их регенерации.

Поставленная цель достигается путем формирования тонкого мелкопористого слоя из керамики на пористом каркасе из титана. В таком случае пористый каркас из титана обеспечивает высокую механическую прочность, а барьерный слой из керамики, которая представляет собой конечные продукты окисления металлов и химически инертна, обеспечивает высокую химическую стойкость и постоянный размер пор на протяжении всего времени эксплуатации фильтрующего элемента.

Предложенный способ отличается от известного тем, что пористый каркас изготавливают из порошка титана, слой наносят в виде шликера, а термообработку проводят в окислительной или нейтральной среде при температуре ниже температуры спекания материала каркаса.

Для изготовления трубчатых каркасов с внутренним диаметром 30, наружным 37-38, длиной 400 мм были использованы порошки титана марки ПТС (ТУ 48-10-78-83) фракции 0,18 мм, марки ПТМ (ТУ 14-1-3086-80) фракции 0,08 мм и марки ПТОМ (ТУ 14-1-5086-80) фракции 0,05 мм.

Для получения барьерного слоя на каркасе из пористого титана были использованы тонкодисперсные порошки окиси алюминия, окиси циркония, окиси титана, молярной смеси двуокиси кремния и окиси титана.

В качестве органического носителя в шликере использовали глицерин, который при нагревании свыше 290^oC деструктирует с выделением газообразных компонентов и не мешает взаимодействию гранул порошков с поверхностью титана и между собой при спекании. Глицерин также в любых соотношениях хорошо совмещается с водой, благодаря чему возможно в широком диапазоне менять вязкость шликера, толщину наносимого слоя и глубину его проникновения в поры каркаса.

При изготовлении титанокерамических трубчатых мембран на рабочую поверхность пористого каркаса, получаемого гидродинамическим прессованием и последующим спеканием прессовки в атмосфере аргона, тонким слоем наносили шликер, содержащий мас.ч. глицерин 100, дистиллированная вода 7,5-16,8, тонкодисперсная окись 8,6-41,2, и проводили термообработку, при которой через покрытую шликером внутреннюю полость трубчатого каркаса пропускали горячий воздух или инертный газ, который поступал из муфельной печи с открытыми для обогрева спиралями при ступенчатом подъеме температуры до 450-800-920^oC в зависимости от марки и фракции порошка титана и керамического порошка.

Длительность работы в режиме тангенциальной фильтрации и время, необходимое для регенерации трубчатых фильтров, изготовленных по известному способу (N 4 отмечен звездочкой) и предлагаемому, приведены в табл. 1, из которой следует, что наилучшими практическими вариантами являются N 9 (отмеченный двумя звездочками) и N 10.

Таким образом, предлагаемый способ относительно известного позволяет изготавливать трубчатые титанокерамические мембраны, имеющие более, чем в 4 раза больше время работы и требуют более, чем в 3 раза меньше времени на регенерацию. Они также не разрушаются при ударах, не дают трещин при термических нагрузках, не изменяют селективность барьерного слоя в течение длительного срока эксплуатации.

Пример 1. Трубчатый каркас с внутренним диаметров 30, наружным 38 и длиной 420 мм изготавливали гидродинамическим прессованием порошка титана марки ПТС (ТУ 48-10-78-83) фракции 0,18 мм давлением 110 МПа в течение 0,024 c и последующим спеканием в атмосфере аргона при температуре 960^oC в течение 2 ч, или при температуре 920^oC в течение 5 ч. На внутреннюю поверхность трубчатого каркаса тонким слоем наносили гомогенизированный шликер, содержащий, мас.ч. глицерин 100, дистиллированная вода 16,8 и тонкодисперсная окись алюминия с размером частиц менее 6 мкм 41,2, и производили термообработку поверхности горячим воздухом с выдержкой по 30 мин при температуре 300, 400 и 800^oC. После охлаждения обычной протиркой удаляли не закрепившиеся на титановой поверхности частицы окиси алюминия. Получали трубчатую титанокерамическую мембрану, имеющую диаметр пор в каркасе 18-20 мкм и в барьерном слое, состоящем из оксидов алюминия и титана 8-10 мкм.

Пример 2. Выполняли действия, аналогичные примеру 1, потом повторно на внутреннюю поверхность трубчатого каркаса наносили шликер, содержащий, мас. ч. глицерин 100, дистиллированная вода 12,1, окись алюминия с размером частиц менее 3 мкм 24,9, и повторно осуществляли термообработку поверхности горячим воздухом с выдержкой по 30 мин при температуре 300, 400 и 800^oC. Получали титанокерамическую мембрану с диаметром пор в каркасе 18-20 мкм и в барьерном слое 4-5 мкм.

Пример 3. Трубчатый каркас с внутренним диаметром 30, наружным 38 и длиной 420 мм изготавливали гидродинамическим прессованием порошка титана марки ПТМ (ТУ 14-1-3086-80) фракции 0,08 мм давлением 120-130 МПа в течение 0,018 c и последующим спеканием в атмосфере аргона при температуре 940^oC в течение 2 ч. На внутреннюю поверхность трубчатого каркаса тонким слоем наносили гомогенизированный шликер, содержащий, мас.ч. глицерин 100, дистиллированная вода 16,8 и тонкодисперсная окись алюминия с размером частиц менее 3 мкм 41,2, и производили термообработку поверхности горячим воздухом с выдержкой по 30 мин при температуре 300, 400 и 530^oC. После охлаждения обычной протиркой удаляли не закрепившиеся на титановой поверхности частицы окиси алюминия. Получали трубчатую титанокерамическую мембрану, имеющую диаметр пор в каркасе 6-7 мкм, и в барьерном слое, состоящем из окиси алюминия и титана, 2-3 мкм.

Пример 4. Выполняли действия, аналогичные примеру 3, потом повторно на внутреннюю поверхность трубчатого каркаса тонким слоем наносили шликер, содержащий, мас. ч. глицерин 100, дистиллированная вода 7,5, окись алюминия с размером частиц менее 1 мкм 8,6, и повторно осуществляли термообработку поверхности горячим воздухом с выдержкой по 30 мин при температуре 300, 400 и 530^oC. Получали титанокерамическую мембрану с диаметром пор в каркасе 6-7 мкм и в барьерном слое 0,2-0,5 мкм.

Пример 5. Выполняли действия, аналогичные примеру 3, только вместо окиси алюминия применяли окись циркония. Получали трубчатую титанокерамическую мембрану с диаметром пор в каркасе 6-7 мкм и в барьерном слое 2-3 мкм. выдержкой по 30 мин при температуре 300, 400 и 530^oC. После охлаждения обычной протиркой удаляли не закрепившиеся на титановой поверхности частицы окиси алюминия. Получали трубчатую титанокерамическую мембрану, имеющую диаметр пор в каркасе 6-7 мкм, и в барьерном слое, состоящем из окиси алюминия и титана, 2-3 мкм.

Пример 6. Выполняли действия, аналогичные примеру 4, только вместо окиси алюминия применяли окись циркония. Получали трубчатую титанокерамическую мембрану с диаметром пор в каркасе 6-7 мкм в барьерном слое 0,2-0,5 мкм.

Пример 7. Трубчатый каркас с внутренним диаметром 30, наружным 38 и длиной 420 мм изготавливали гидродинамическим прессованием порошка титана марки ПТОМ (ТУ 14-1-5086-80) фракции 0,05 мм давлением 130-140 МПа в течение 0,018 c и последующим спеканием в атмосфере аргона при температуре 920^oC в течение 2 ч. На внутреннюю поверхность трубчатого каркаса тонким слоем наносили гомогенизированный шликер, содержащий, мас.ч. глицерин 100, дистиллированная вода 12,1 и порошок из субмикронных гранул размером менее 3 мкм, содержащих молекулярную смесь двуокиси кремния и окиси титана 24,9. Термообработку осуществляли под вакуумом или в атмосфере аргона при температуре 760-920^oC в течение 1-2 ч. Получали титанокерамическую мембрану с диаметром пор в каркасе 3-5 мкм и в барьерном слое 1 мкм.

Пример 8. Выполняли действия, аналогичные примеру 7, потом повторно на внутреннюю поверхность трубчатого каркаса наносили шликер, содержащий, мас. ч. глицерин 100, дистиллированная вода 7,5 и порошок из молекулярной смеси двуокиси кремния и окиси титана 8,6, с размером субмикронных гранул менее 1 мкм, и повторно осуществляли термообработку под вакуумом или в атмосфере аргона при температуре 760-920^oC в течение 0,5-1,5 ч. Получали титанокерамическую мембрану с диаметром пор в каркасе 3-4 мкм и в барьерном слое 0,1-0,3 мкм.

Область применения: фильтрующие элементы. Сущность способа: на пористый каркас, полученный из порошка титана, наносят слой шликера, термообработку проводят в окислительной или нейтральной среде при температуре ниже температуры спекания материала каркаса. Приведены режимы получения пористого каркаса, состав шликера и режимы термообработки. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ изготовления металлокерамических изделий, включающий получение из порошка титанопористого каркаса, нанесение на его поверхность слоя из тонкодисперсного керамического порошка и термообработку, отличающийся тем, что пористый каркас получают формованием из порошка титана, слой наносят в виде шликера, а термообработку проводят в окислительной или нейтральной среде при температуре ниже температуры спекания материала каркаса. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что каркас получают путем гидродинамического прессования порошка титана давлением менее 140 МПа в течение 0,018 0,024 с и спекания его в атмосфере аргона при 920 960^oС в течение 2-5 ч, слой, наносимый в виде шликера, содержит в мас.ч. глицерина 100, дистиллированной воды 7,5 16,8, порошка окиси алюминия, или окиси циркония, или окиси титана 8,6 41,2, а термообработку проводят на воздухе при 450 800^oС в течение 1,5 ч. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для приготовления шликера применяют порошок из молекулярной смеси двуокиси кремния и окиси титана, а термообработку проводят в вакууме или в атмосфере аргона при 760 920^oС.