RU2048974C1

RU2048974C1 - Method of manufacturing sintered porous articles

Info

Publication number: RU2048974C1
Application number: RU93041473A
Authority: RU
Inventors: С.Ф. Гусев; А.А. Косяков; В.И. Окинчиц
Original assignee: Уральский электрохимический комбинат
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1993-08-20
Publication date: 1995-11-27

Abstract

FIELD: powder engineering. SUBSTANCE: within this method a rough porous workpiece is made up of metallic powder and then sintered. Selective layer is made up by means of filling up workpiece pores with metallic powder from the workpiece working surface side. Then selective layer is scorched to the workpiece. Making up of selective layer is carried out by altered at least three times operations of coating and sintering, whereupon coating operation is carried out by means of filtering suspension through a workpiece consisting of dispersed metal powder mixed with ultradispersed ceramic powder. Both metallic and ceramic powders have certain composition and particles size. EFFECT: improved quality. 3 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к изготовлению фильтрующих элементов, применяемых для очистки газов в промышленности. The invention relates to powder metallurgy, in particular to the manufacture of filter elements used for gas purification in industry.

Известны способы изготовления металлокерамических изделий, в которых с целью повышения эффективности улавливания наиболее проникающих частиц пористую среду заполняют мелкодисперсным порошком. Known methods for the manufacture of cermet products, in which in order to increase the efficiency of capture of the most penetrating particles, the porous medium is filled with fine powder.

Известен способ, при котором повышение эффективности улавливания фильтрующего изделия достигается получением равномерно распределенной пористости за счет заполнения пор заготовки суспензией мелкодисперсной фракции того же металлического порошка, ультразвуковой обработки под слоем жидкости и последующего припекания. There is a method in which increasing the capture efficiency of the filter product is achieved by obtaining uniformly distributed porosity by filling the pores of the workpiece with a suspension of a finely divided fraction of the same metal powder, ultrasonic treatment under a layer of liquid and subsequent baking.

Однако изготовленное таким способом изделие не позволяет высокоэффективно очистить газ от механических и аэрозольных частиц размером менее микрона, кроме того, значительно увеличивается гидравлическое сопротивление пористой заготовки из-за глубокого проникновения частиц суспензии в поры изделия. However, a product made in this way does not allow highly efficient purification of gas from mechanical and aerosol particles smaller than a micron, in addition, the hydraulic resistance of the porous preform increases significantly due to the deep penetration of suspension particles into the pores of the product.

Известны способы изготовления фильтров с анизотропной структурой. Такая структура может быть сформирована различными приемами. Known methods for the manufacture of filters with anisotropic structure. Such a structure can be formed by various techniques.

В одном случае поры поверхностного слоя изделия заполняют пастой, состоящей из мелкодисперсного порошка материала заготовки и связующей добавки, которую наносят с помощью эластичного ролика, установленного под углом к направлению его перемещения, в другом заполнение пор проводится путем внедрения суспензии вращающимися щетками со стороны рабочей поверхности изделия. In one case, the pores of the surface layer of the product are filled with a paste consisting of a fine powder of the workpiece material and a binder additive, which is applied using an elastic roller mounted at an angle to the direction of its movement, in another, the pores are filled by introducing the suspension with rotating brushes from the side of the product’s working surface .

В этих случаях изделие сохраняет высокую проницаемость за счет тонкого селективного слоя на поверхности пористой заготовки. In these cases, the product retains high permeability due to the thin selective layer on the surface of the porous preform.

Тем не менее данными способами не удается полностью устранить дефекты на поверхности пористой заготовки в виде трещин, раковин, что в конечном итоге не позволяет решить задачу высокоэффективного обеспыливания газа от аэрозольных частиц в субмикронном диапазоне размеров ( <1 мкм). Nevertheless, these methods cannot completely eliminate defects on the surface of the porous preform in the form of cracks, shells, which ultimately does not allow solving the problem of highly efficient dedusting of gas from aerosol particles in the submicron size range (<1 μm).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ изготовления фильтрующего элемента анизотропной структуры. Closest to the proposed method is a method of manufacturing a filter element of an anisotropic structure.

Формирование селективного слоя по этому способу производят путем помещения пористой заготовки в контейнер с мелкодисперсной фракцией порошка того же металла, последующего пропускания через нее газового потока с заданными расходными характеристиками и дальнейшего спекания сформированного слоя порошка. The formation of a selective layer by this method is carried out by placing a porous preform in a container with a finely divided powder fraction of the same metal, then passing a gas stream through it with predetermined flow characteristics and further sintering the formed powder layer.

Способ позволяет создать фильтрующий элемент анизотропной структуры для очистки газов с эффективностью улавливания по частицам с размером 0,1-0,2 мкм не более 97% однако из-за глубокого проникновения в поры мелкодисперсной фракции порошка сопротивление изделия достаточно высоко. The method allows you to create a filter element of an anisotropic structure for gas purification with an efficiency of particle capture with a size of 0.1-0.2 μm of not more than 97%, however, due to the deep penetration into the pores of a finely divided fraction of the powder, the product resistance is quite high.

Таким образом, известные фильтрующие элементы, сформированные из порошков, имеют низкий коэффициент качества γ=-lg(1-Е)/ Δ Р_о, где Е эффективность улавливания наиболее проникающих частиц;
Δ Р_о сопротивление материала при скорости фильтрации газ 1 см/с.Thus, the known filter elements formed from powders have a low quality factor γ = −lg (1-E) / Δ P _o , where E is the efficiency of capture of the most penetrating particles;
Δ P _{about the} resistance of the material at a gas filtration rate of 1 cm / s

Задача изобретения повышение коэффициента качества фильтрующего элемента, т. е. увеличение эффективности улавливания аэрозольных частиц микронного и субмикронного размеров, а также уменьшение сопротивления фильтрующего элемента потоку газа. The objective of the invention is to increase the quality factor of the filter element, i.e., increase the efficiency of collecting aerosol particles of micron and submicron sizes, as well as reduce the resistance of the filter element to gas flow.

Для этого в способе изготовления спеченных пористых изделий, включающем формирование и спекание заготовки из металлического порошка, нанесение на рабочую поверхность заготовки порошка того же материала и повторное спекание, формирование селективного слоя производят путем чередующихся не менее трех раз операций нанесения и спекания селективного слоя, а операцию нанесения производят путем профильтровывания через заготовку суспензии, содержащей смесь дисперсного металлического и ультрадисперсного керамического порошков. При этом металлический порошок берут со средним размером частиц (d_ср), равным 0,1-1 среднего диаметра пор заготовки (d_пор), а керамический размером 0,1-0,01 мкм. При этом масса керамического порошка составляет 0,01-10% от массы металлического порошка.To this end, in a method of manufacturing sintered porous products, including the formation and sintering of a preform of metal powder, applying the same material to the working surface of the preform of the preform, and re-sintering, the formation of a selective layer is carried out by alternating at least three times the operations of applying and sintering the selective layer, and the operation deposition is carried out by filtering through a preform a suspension containing a mixture of dispersed metal and ultrafine ceramic powders. In this case, the metal powder is taken with an average particle size (d _cf ) equal to 0.1-1 of the average pore diameter of the preform (d _pores ), and ceramic with a size of 0.1-0.01 microns. The mass of ceramic powder is 0.01-10% by weight of the metal powder.

Неоднократное чередование операций нанесения и спекания позволяет значительно снизить дефектность структуры селективного слоя, во-первых, за счет внедрения порошка при нанесении последующего слоя в локальное дефекты нанесенного и спеченного предыдущего слоя, во-вторых, при послойном формировании происходит взаимное перекрытие локальных дефектных мест обоих слоев, что обеспечивает высокое качество изделия в целом. Repeated alternation of deposition and sintering operations can significantly reduce the defectiveness of the structure of the selective layer, firstly, due to the introduction of powder during the deposition of the next layer into the local defects of the deposited and sintered previous layer, and secondly, with layer-by-layer formation, the mutual local defects of both layers overlap That provides high quality products in general.

Применение металлического порошка с предлагаемым средним размером частиц позволяет избежать глубинного проникновения этого порошка в структуру заготовки, в результате чего проницаемость самой заготовки изменяется незначительно. А применение ультрадисперсного керамического порошка в предлагаемой пропорции, обеспечивает увеличение активной поверхности фильтрующего слоя и, кроме того, стабилизирует процесс спекания путем ликвидации дефектов, возникающих из-за образования крупных агломератов при спекании порошка. The use of a metal powder with the proposed average particle size avoids the deep penetration of this powder into the structure of the preform, as a result of which the permeability of the preform itself varies slightly. And the use of ultrafine ceramic powder in the proposed proportion, provides an increase in the active surface of the filter layer and, in addition, stabilizes the sintering process by eliminating defects that arise due to the formation of large agglomerates during sintering of the powder.

Согласно предлагаемому способу из никелевого порошка со средним размером частиц 25 мкм методом прессования и последующего спекания в восстановительной среде (водороде) при 1100+50^оС были изготовлены заготовки двух видов: плоские и трубчатые.According to the proposed method of the nickel powder with an average particle size of 25 microns by pressing and subsequent sintering in a reducing atmosphere (hydrogen) at 1100 + 50 ° ^C were fabricated preform of two types: tubular and planar.

Характеристики заготовок. Characteristics of blanks.

1. Плоский фильтрующий элемент: Диаметр 80 мм Толщина 2 мм Средний диаметр пор (d_n) 13 мкм Удельное сопротив- ление заготовки по- току воздуха при ско- рости потока 1 см/с ( ΔР_о) 14 мм вод.ст. Эффективность улав- ливания частиц d≥0,15 мкм 89,0% 2. Трубчатый фильт- рующий элемент: Внешний диаметр 40 мм Толщина стенки 3 мм Длина фильтрую- щего элемента 80 мм Средний диаметр пор (d_n) 16 мкм Удельное сопротив- ление (ΔР_о) 12 мм вод.ст. Эффективность улавливания частиц d≥0,15 мкм 87%
Для формирования селективного слоя использовались никелевые порошки со средними размерами частиц (d_ср) 12 мкм, 7 мкм, 1,6 мкм и 0,25 мкм; порошки окиси алюминия 0,1 мкм, 0,015 мкм; порошок окиси титана 0,09 мкм.1. Flat filter element: Diameter 80 mm Thickness 2 mm Average pore diameter (d _n ) 13 μm Specific resistance of the workpiece to air flow at a flow rate of 1 cm / s (ΔР _о ) 14 mm water column. Particle capture efficiency d≥0.15 μm 89.0% 2. Tubular filter element: Outer diameter 40 mm Wall thickness 3 mm Filter element length 80 mm Average pore diameter (d _n ) 16 μm Specific resistance lening (ΔР _о ) 12 mm water column Particle capture efficiency d≥0.15 μm 87%
To form a selective layer, nickel powders with average particle sizes (d _av ) of 12 μm, 7 μm, 1.6 μm and 0.25 μm were used; alumina powders 0.1 μm, 0.015 μm; titanium oxide powder 0.09 microns.

Для нанесения селективного слоя готовилась спиртовая суспензия, содержащая смесь никелевого и керамического порошков, взятая в определенном соотношении, после чего формирование селективного слоя производилось путем чередования операций нанесения и спекания. Общее количество чередований операций равно 3. Операция нанесения селективного слоя производилась за счет вакуумного прососа приготовленной суспензии через фильтрующий элемент, а операция спекания осуществлялась при 960±20^оС в атмосфере водорода.To apply the selective layer, an alcohol suspension was prepared containing a mixture of nickel and ceramic powders, taken in a certain ratio, after which the formation of the selective layer was carried out by alternating the operations of deposition and sintering. The total number of operations alternating is 3. The operation of applying the selective layer was carried out by vacuum suction of the prepared suspension through a filter element, and the sintering operation was carried out at 960 ± 20 ^о С in a hydrogen atmosphere.

Оценка эффективности улавливания частиц, изготовленных по предлагаемому способу образцов, проводилась на частицах, содержащихся в воздухе помещения, с помощью лазерного оптического счетчика ЛАС-007, измеряющий частицы размером не менее 0,15 мкм. Evaluation of the efficiency of collecting particles made by the proposed method of samples was carried out on particles contained in the air of the room using a laser optical counter LAS-007, measuring particles with a size of at least 0.15 microns.

Результаты испытаний фильтрующих элементов приведены в таблице. The test results of the filter elements are shown in the table.

Анализ данных, представленных в таблице (образцы 1-5) показывает, что сформированные данным способом пористые изделия обладают высокой эффективностью улавливания частиц d≥0,15 мкм, низким удельным сопротивлением газовому потоку (мм вод.ст.), высоким коэффициентом качества (γ>0,1). An analysis of the data presented in the table (samples 1-5) shows that the porous products formed by this method have high particle capture efficiency d≥0.15 μm, low specific resistance to gas flow (mm water column), and high quality coefficient (γ > 0.1).

Оптимальные пористые структуры (образцы 1-5) по перечисленным выше параметрам формируются только при следующих условиях. Optimal porous structures (samples 1-5) according to the above parameters are formed only under the following conditions.

Чередование операций нанесения и спекания необходимо осуществлять не менее трех раз (образец 1), поскольку при формировании селективного слоя при первом нанесении на его поверхности образуются дефекты в виде трещин и раковин, которые постепенно исчезают при повторении этих операций. The alternation of the operations of deposition and sintering must be carried out at least three times (sample 1), since when the selective layer is formed during the first application, defects in the form of cracks and shells form on its surface, which gradually disappear when these operations are repeated.

Фильтрующий элемент анизотропной структуры, селективный слой которого сформирован из никелевого порошка со средним размером частиц, меньше 0,1 среднего диаметра пор заготовки (d_пор) (образец 7), при достаточно высокой эффективности улавливания (Е) имеет большое сопротивление потоку воздуха (Р_о) и, как следствие, очень низкий коэффициент качества ( γ).The filter element of an anisotropic structure, the selective layer of which is formed of nickel powder with an average particle size of less than 0.1 of the average pore diameter of the workpiece (d _pore ) (sample 7), with a sufficiently high capture efficiency (E) has a high resistance to air flow (P _about ) and, as a result, a very low quality factor (γ).

При использовании никелевого порошка с размером частиц более 1 среднего диаметра пор заготовки наблюдается плохая припекаемость порошка как к заготовке, так и порошинок между собой при температуре до 900^оС. Увеличение же температуры >900^оС приводит не только к повышению механической прочности изделия, но и к уменьшению его фильтрующих характеристик из-за появления крупных (дефектных) пор.When using a nickel powder having a particle size greater than 1 average pore diameter of the workpiece is observed as a bad pripekaemost powder to the workpiece, and between the powder particles at a temperature up to ^about 900 C. An increase in temperature> 900 ^{° C} leads not only to increase the mechanical strength of the product, but and to a decrease in its filtering characteristics due to the appearance of large (defective) pores.

Для получения оптимальной анизотропной структуры фильтрующего элемента для формирования селективного слоя необходимо использовать никелевый порошок со средним размером частиц 0,1-1 среднего диаметра пор заготовок (образцы 1-5). To obtain the optimal anisotropic structure of the filter element for the formation of a selective layer, it is necessary to use nickel powder with an average particle size of 0.1-1 the average pore diameter of the blanks (samples 1-5).

Согласно предлагаемому техническому решению средний размер частиц керамического порошка должен быть равным 0,01-0,1 мкм (образцы 2-5). Это обусловлено тем, что использование керамических порошков с размером частиц менее 0,1 мкм экономически не целесообразно из-за их дороговизны и больших потерь при нанесении за счет проскока частиц порошка через заготовку с потоком жидкости при вакуумном прососе. В то же время применение керамических порошков с размером частиц более 0,1 мкм приводит к низкой механической прочности селективного слоя после проведения очередного спекания (порошок с селективного слоя ссыпается при незначительных усилиях). According to the proposed technical solution, the average particle size of the ceramic powder should be equal to 0.01-0.1 microns (samples 2-5). This is due to the fact that the use of ceramic powders with a particle size of less than 0.1 μm is not economically feasible because of their high cost and large losses when applied due to the passage of powder particles through the workpiece with a fluid stream during vacuum suction. At the same time, the use of ceramic powders with a particle size of more than 0.1 μm leads to a low mechanical strength of the selective layer after the next sintering (the powder is poured from the selective layer with little effort).

Масса керамического порошка в механической смеси порошков на основании заявляемого технического решения должна составлять 0,01-10% от массы металлического порошка. Экспериментальным путем было установлено, что при массе керамического порошка менее 0,01% массы металлического порошка нанесенный селективный слой обладает аналогичными характеристиками и свойствами, что и слой, сформированный из одного металлического порошка (аналогично свойствам образца 1). При использовании навески керамического порошка более 10% от массы металлического порошка (образец 6) изготовленное изделие обладает низким коэффициентом качества (не удовлетворяющим требованиям поставленной задачи) из-за большого удельного сопротивления. The mass of ceramic powder in a mechanical mixture of powders based on the proposed technical solution should be 0.01-10% by weight of the metal powder. It was experimentally established that when the mass of the ceramic powder is less than 0.01% of the mass of the metal powder, the applied selective layer has the same characteristics and properties as the layer formed from one metal powder (similar to the properties of sample 1). When using a sample of ceramic powder more than 10% of the mass of metal powder (sample 6), the manufactured product has a low quality factor (not satisfying the requirements of the task) due to the large resistivity.

Способ изготовления спеченных изделий позволяет создать фильтры, обладающие высокой эффективностью улавливания, низким сопротивлением газовому потоку, а также высоким показателем коэффициента качества (образцы 2-5). A method of manufacturing sintered products allows you to create filters with high capture efficiency, low resistance to gas flow, as well as a high quality factor (samples 2-5).

Claims

1. METHOD FOR PRODUCING SINTERED POROUS ARTICLES, including the formation of a coarse-porous preform from a metal powder, sintering, creating a selective layer by filling the pores of the preform from the side of the work surface with metal powder, followed by sintering it to the preform, characterized in that the creation of the selective layer is carried out by alternating, according to at least three times, the operations of filling the pores of the workpiece and baking, while the operation of filling is carried out by filtering through the workpiece a suspension of soda rzhaschey mixture of ultrafine particulate metal and ceramic powders.

2. The method according to claim 1, characterized in that nickel powder is used as a metal powder.

3. The method according to PP.1 and 2, characterized in that when creating a selective layer using nickel powder with an average particle size of 0.1-1.0 from the average pore diameter of the substrate, ceramic powder with an average particle size of 0.01-0, 1 μm, and the mass of ceramic powder is 0.01-10% by weight of the metal powder.