ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОГО ПРОНИЦАЕМОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2014 года по МПК B22F1/00 C22C29/12 

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, которые могут быть использованы в качестве каталитических блоков нейтрализаторов отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, при очистке сточных вод гальванических ванн в металлургической промышленности, в качестве масляных фильтров в системе смазки двигателей внутреннего сгорания, а также для производства других пористых изделий.

Известна шихта для получения пористого проницаемого материала на основе керметов, состоящая из оксидных соединений и металла. Пористый проницаемый материал изготавливается из известной шихты методом порошковой металлургии, то есть путем прессования и последующего спекания в печи при температуре более 1000°С (Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству / В.Н.Иванов. -М.: Машиностроение, 1990. - С.116 и Федоренко И.М. Справочник: Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения /И.М.Федоренко, И.Н.Францевич, И.Д.Радомысельский. и др. - Киев: Наукова думка, 1985. - С.242 -263).

Недостатком описанной шихты является повышенная энергоемкость изготовления получаемого на ее основе пористого проницаемого материала вследствие необходимости спекания в высокотемпературной печи и осуществления производства с применением дорогостоящей высокоточной технологической оснастки и прессового оборудования.

Известна шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, алюминий и оксид алюминия, при следующем соотношении компонентов, мас.%: железная окалина - 39,0-44,0; оксид алюминия - 35,0-43,0; алюминий - остальное. Пористый проницаемый материал, полученный методом СВС, имеет упорядоченную структуру порового пространства со средним размером пор, равным 360 мкм, коррозионную стойкость, равную 9-16%, механическую прочность на сжатие, равную 6,2 МПа (патент RU 2081731, МПК В22F l/00, В22F 3/23, опубл. 1997).

Недостатками описанной шихты являются ограничение сферы применения изготовленных на ее основе изделий из пористого проницаемого материала вследствие недостаточной активности для нейтрализации отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а также пониженная устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам и значительная материалоемкость названных изделий, обусловленные низкой механической прочностью получаемого пористого материала из-за наличия в составе шихты железной окалины и оксида алюминия при отсутствии раскисления.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, оксид алюминия, алюминий и ферросилиций ФС-70, при следующем соотношении компонентов, мас.%: железная окалина - 41-43; оксид алюминия - 37-40; ферросилиций ФС-70 - 1-5; алюминий - остальное. Пористый проницаемый материал, получаемый методом СВС, имеет упорядоченную структуру порового пространства со средним размером пор, равным 370 мкм, и механическую прочность на сжатие 10-13 МПа (патент RU 2154550, МПК В22F 3/23, С22С 29/12, опубл. 2000).

Недостатками описанной шихты являются ограничение сферы применения изготовленных на ее основе изделий из пористого проницаемого материала из-за недостаточной очистки отработавших газов ДВС от вредных примесей, пониженная устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам и значительная материалоемкость названных изделий. Эти недостатки обусловлены недостаточно высокой прочностью на сжатие получаемого пористого материала.

Предлагаемым изобретением решается задача расширения сферы применения изготовленных на основе предлагаемой шихты изделий из пористого проницаемого материала путем обеспечения нейтрализации отработавших газов ДВС посредством фильтрующих элементов из пористого проницаемого материала, изготовленных на основе предлагаемой шихты, повышения устойчивости к динамическим и статическим нагрузкам и снижения материалоемкости названных изделий.

Для достижения указанного технического результата шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, оксид алюминия, ферросилиций и алюминий, содержит в качестве оксида алюминия α-оксид алюминия, в качестве ферросилиция - ферросилиций ФС-1, в качестве алюминия - алюминий АСД-1 и дополнительно содержит комплексную добавку иридия и родия в соотношении 2:1, при следующем соотношении компонентов, мас.%: железная окалина - 42,0-47,0; α-оксид алюминия - 32,0-39,0; ферросилиций ФС-1 - 1,0-5,0; комплексная добавка иридия и родия - 0,2-0,4; алюминий АСД-1 - остальное.

Расширение сферы применения изготовленных на основе предлагаемой шихты изделий из пористого проницаемого материала путем обеспечения нейтрализации отработавших газов ДВС посредством фильтрующих элементов из пористого проницаемого материала с усиленным каталитическим действием, изготовленных на основе предлагаемой шихты, повышение устойчивости к динамическим и статическим нагрузкам и снижение материалоемкости названных изделий обусловлены повышением прочности на сжатие до 13-15 МПа (см. таблицу) вследствие введения в состав шихты комплексной добавки иридия и родия в соотношении 2:1, что позволяет использовать тонкостенные фильтрующие элементы вместо толстостенных при жестких технологических требованиях к их необходимой механической прочности.

Содержание в шихте железной окалины в количестве 42,0-47,0 мас.% является оптимальным, так как при уменьшении в составе шихты количества железной окалины менее 42,0 мас.% в системе появляется жидкая фаза, а при увеличении в составе шихты количества железной окалины более 47,0 мас.% шихта сгорает не полностью.

Содержание в шихте α-оксида алюминия в количестве 32,0-39,0 мас.% является оптимальным, так как при уменьшении в составе шихты количества α-оксида алюминия менее 32,0 мас.% в системе появляется жидкая фаза, а при увеличении в составе шихты количества α-оксида алюминия более 39,0 мас.% шихта сгорает не полностью.

Содержание в шихте ферросилиция ФС-1 в количестве 1,0-5,0 мас.% является оптимальным, так как при уменьшении в составе шихты количества ферросилиция ФС-1 менее 1,0 мас.% шихта сгорает не полностью, а при увеличении в составе шихты количества ферросилиция ФС-1 более 5,0 мас.% в системе появляется жидкая фаза.

Содержание в шихте комплексной добавки иридия и родия в количестве 0,2-0,4 мас.% является оптимальным, так как обеспечивает каталитическую очистку отработавших газов, реализуется способность окисления и нейтрализации токсических компонентов отработавших газов и уменьшается дымность ДВС, при этом могут быть использованы более тонкостенные фильтрующие элементы вследствие повышения механической прочности на сжатие до 13-15 МПа. Снижение в составе шихты количества комплексной добавки иридия и родия менее 0,2 мас.% снижает эффективность проявления каталитических и нейтрализующих свойств нейтрализатора, шихта сгорает не полностью, а повышение в составе шихты количества комплексной добавки более 0,4 мас.% нецелесообразно ввиду дороговизны и дефицитности иридия и родия.

Предлагаемое изобретение поясняется таблицей, в которой приведены физико-механические и нейтрализующие свойства получаемого пористого проницаемого материала на основе предлагаемой шихты.

Шихта для получения пористого проницаемого материала содержит железную окалину в количестве 42,0-47,0 мас.%, оксид алюминия в количестве 32,0-39,0 мас.%, ферросилиций ФС-1 в количестве 1,0-5,0 мас.% комплексную добавку иридия и родия в соотношении 2:1 в количестве 0,2-0,4 мас.% и алюминий АСД-1 - остальное.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующим примером.

Для экспериментальной проверки заявленного технического решения приготовлены образцы шихты различного состава согласно изобретению, а также образец шихты - прототипа. Для изготовления образцов использовали порошок железной окалины стали 18Х2Н4МА, порошок αоксида алюминия (αАl₂O₃), порошок ферросилиция ФС-1, комплексную добавку, содержащую иридий и родий в соотношении 2:1, порошок алюминия АСД-1 (ТУ 48-5-226-87).

Компоненты дозировались в заданных соотношениях на аналитических весах с точностью 0,001 г, смешивались в сухую в атмосфере воздуха в лабораторном смесителе типа «пьяная бочка» партиями по 200 г в течение часа. Приготовленная шихта засыпалась в металлические формы и после инициирования реакции СВС компонентов получали образцы пористого проницаемого материала, которые в дальнейшем использовались для испытаний.

Образцы для испытаний физико-механических и каталитических свойств имели вид цилиндров с диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Воздействием на образцы нагрузкой определяли прочность образцов на сжатие. Каталитические свойства получаемого пористого проницаемого материала на основе предлагаемой шихты определяли в опытном каталитическом нейтрализаторе отработавших газов ДВС.

По результатам, представленным в таблице, видно, что шихта с заявленным составом компонентов обеспечивает получение пористого материала с более высокой прочностью на сжатие - на 11-13% выше по сравнению с прототипом и снижающим содержание окислов азота на 60%, окиси углерода на 70-80%в отработавших газах ДВС.

Таким образом, использование предлагаемой шихты позволяет расширить сферу применения изготовленных на основе предлагаемой шихты изделий из пористого проницаемого материала путем изготовления фильтрующих элементов для обеспечения нейтрализации отработавших газов ДВС, повысить устойчивость названных изделий к динамическим и статическим нагрузкам и снизить их материалоемкость.

Шихта для получения пористого проницаемого материала

Таблица Физико-механические и каталитические свойства получаемого пористого-проницаемого материала   Состав шихты Сред НИИ раз-мер пор, мкм Прочность на сжа-тие, МПа Приме-чания Нейтрализация отработавших газов ДВС № п/п Желез-ная окали-на стали 18Х2Н 4МА α-ок-сид алю-миния Ферросили-ций ФС-1 Комплексная добав-ка, иридий и родий Алюми-ний АСД-1 Окисле-ния азо-та, % Окисле-ния углелерода, % Са-жа, %                 Наблю далась жидкая фаза                             1 40 41 1 0,1 17,9 - - - - 90 2 41 40 2 0,2 16,8 360 12,1   63 40 90 3 42 39 3 0,3 15,7 350 13,6   65 50 90 4 43 37 5 0,4 14,6 350 15,7   65 55 90                 нецелесообразно введе-ние комплексной добав-ки >0.5% ввиду дефицитнос-ти и дороговизны                                                                         5 44 36 6 0,5 13,5 350 15,7 65 55 90                                                                                         6 47 34 7 0,5 11,5 350 16 65 55 90                 шихта сгоре-ла не полно ностью                             7 49 32 7 0,5 11,5           Пористый проницаемый материал на основе шихты - прототипа 8 45 40 1 - 14 370 12,5   40 30 90

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составу шихты для получения пористого проницаемого материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Может использоваться для изготовления каталитических блоков нейтрализаторов отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, фильтров для очистки сточных вод гальванических ванн в металлургической промышленности, масляных фильтров в системе смазки двигателей внутреннего сгорания. Шихта содержит, мас.%: железная окалина - 42,0-47,0; α-оксид алюминия - 32,0-39,0; ферросилиций ФС-1 - 1,0-5,0; комплексная добавка иридия и родия в соотношении 2:1 - 0,2-0,4; алюминий АСД-1 - остальное. Обеспечивается нейтрализация отработавших газов ДВС посредством фильтрующих элементов из пористого проницаемого материала, повышается устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам и снижается материалоемкость изделий. 1 табл., 1 пр.

Шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, оксид алюминия, ферросилиций и алюминий, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит комплексную добавку иридия и родия в соотношении 2:1, а оксид алюминия - в виде α-оксида алюминия, ферросилиций - в виде ферросилиция ФС-1, алюминий - в виде алюминия АСД-1, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
железная окалина 42,0-47,0 α-оксид алюминия 32,0-39,0 ферросилиций ФС-1 1,0-5,0 комплексная добавка иридия и родия 0,2-0,4 алюминий АСД-1 остальное.