Пористые порошковые материалы
Характерная особенность данной категории порошковых материалов состоит в наличии в них большого количества пор, равномерно распределенных по всему объему, что дает возможность обеспечения необходимых функциональных характеристик.
По основным свойствам пористые материалы можно подразделить на подкатегории:
- фильтрующих;
- капиллярных.
Пористые материалы отличает разнообразие физикохимического состава исходного сырья и применяемых производственных технологий, по которым они изготавливаются. Этим обусловлен широкий диапазон значений степени пористости, который может варьироваться в пределах от 2-3 % до 95-98 %.
Степень пористости существенно влияет на проявление структурных, физических, технологических и эксплуатационных свойств конечной продукции из данных материалов. На комплекс функциональных характеристик, которым обладают те или иные пористые изделия, помимо этого, воздействуют факторы формы, состояния поверхности и распределения зерен исходных порошков во всем объеме по размерным параметрам (рис…).
К категории пористых относят классы фильтрующих, «потеющих», пенистых и триботехнических порошковых материалов.
Фильтрующие пористые материалы
Пористые фильтры (степень пористости 45-55%), применяемые для механической очистки различных жидкостей и газов от частиц посторонних включений, составляют значительную долю продукции, выпускаемой из пористых порошковых материалов. Они изготавливаются методом формовки (формопрессование с различными усилиями или свободная засыпка в формы) с последующим спеканием бронзового, никелевого, титанового, вольфрамового, молибденового порошка, а также порошков нержавеющих сталей и тугоплавких композиций. Рабочий температурный диапазон составляет от –270 до +1000 °С. Методами ПМ в числе прочих изготавливают фильтрующие элементы, степень пористости которых, а значит, и очищающую способность, можно изменять и даже регулировать в зависимости от круга конкретных задач (рис. 5).
Рисунок 1. Структура пористого фильтра под микроскопом.
Определяющими критериями качества пористых фильтроматериалов являются:
- характер пористости;
- степень проницаемости;
- тонкость очистки;
- грязеёмкость;
- капиллярность.
Характер пористости. Различают пористость наружную (откр. поры) и внутреннюю (закр. поры). При этом в наружной пористости проявляется сочетание пор сквозного и несквозного (тупикового) характера. Степенью сквозной пористости определяется интенсивность пропускаемого потока очищаемой среды – критерий, именуемый скоростью очистки.
Степенью проницаемости называют показатель, определяющий пропускную способность фильтрующего элемента и выражаемый количественным значением интенсивности фильтруемого потока, проходящего за единицу времени через единицу рабочей площади при стабильной силе давления. Степень проницаемости увеличивается по мере возрастания степени пористости и количества сквозных наружных пор в сравнении с количеством тупиковых.
Тонкость очистки (фильтрации) – показатель, количественно характеризующий качество процесса очистки фильтруемой среды от посторонних включений (загрязнений). Общая очищающая способность фильтра определяется соотношением значений абсолютной и номинальной тонкости фильтрации, а также коэффициентом полноты очистки.
Абсолютной тонкостью фильтрации называют значение показателя наибольшего размера пропускаемых сквозь фильтр загрязняющих частиц, а номинальной тонкостью – их наименьшего размера. Коэффициентом полноты очистки характеризует количественное значение уменьшения массы загрязнений в фильтруемой среде при её единоразовом пропускании сквозь фильтрующий элемент.
Грязеёмкость – количественный показатель массы загрязняющих включений, которую способна задержать единица площади фильтра во временном интервале увеличения силы давления от начальной до предельной.
Критерий капиллярности характеризует в количественном выражении особенности процесса взаимодействия пористого фильтрующего элемента с очищаемыми средами. Величина потенциала капиллярности (для жидкостей) определяется произведением наибольшей высоты, на которую способна подняться жидкость в данном пористом теле, на величину ускорения свободного падения.
Спекаемые фильтрующие элементы производят из металлопорошков однородной дисперсии и требуемого химсостава. Зерна при этом могут по своей форме быть сферичными и несферичными. Важнейшим достоинством фильтрующих элементов из несферичных порошков является повышенная механическая прочность, достигаемая благодаря более плотному взаимоконтакту зерен произвольной конфигурации, чем у сферичных порошков, округлые зерна которых могут вступать лишь в точечный контакт. Тем не менее, спеченные пористые фильтры чаще всего изготавливают из сферичных порошков, поскольку такие изделия характеризуются гораздо большей степенью проницаемости, поддаваясь, к тому же, регулированию и восстановлению.
Порошковые фильтры имеют целый ряд преимуществ перед непорошковыми аналогами, среди которых основными являются:
- несложное изготовление;
- повышенная прочность;
- лучшие очищающие свойства;
- высокие значения жаростойкости, теплопроводности, сопротивления абразивному износу;
- равномерное распределение фильтрации по всей площади фильтрующего элемента.
По форме фильтрующие элементы из спеченных порошковых материалов могут являть собой диски, пластинки, цилиндры, втулки, конусы и фасонные изделия более сложной конфигурации (рис. 6).
Рисунок 2. Пористопорошковые фильтрующие элементы.
Для изготовления бронзовых фильтров применяют, по преимуществу, порошки со сферичными зернами, получаемые распылением расплава. Т° спекания заготовок может быть в пределах 855-955 °C при длительности процесса 35… 65 мин. Из бронзовых порошков крупной дисперсии (Ø зерен 55-135 мкм) производят фильтры, с помощью которых осуществляют грубую очистку; из мелкодисперсных порошков (Ø зерен 1,8-30,5 мкм) – фильтры, способные осуществлять тонкую очистку.
Использование бронзовых фильтров распространено во множестве промышленных отраслей. С их помощью очищают от посторонних частиц размерами 4,5 – 210 мкм горюче-смазочные материалы для ДВС и двигателей на реактивной тяге, различные газы и кислотощелочные среды, парафиновые расплавы и т.д.
Никелевые пористые фильтры производят (путем формовки-спекания в температурном режиме 1050 – 1150 °C) из порошков, имеющих электролитическое либо карбонильное происхождение. Помимо фильтрующих элементов, из них изготавливают также группу пористых электродов для никель-кадмиевых и щелочных аккумуляторов.
Широко востребованными являются порошковые фильтры из нержавеющих сталей, которые, в сравнении с никелевыми, более устойчивы к коррозии, имея, к тому же, меньшую стоимость. Первичные заготовки производят формопрессованием или прокатыванием, после чего спекают в продолжение 2,5-3,5 час. при 1210-1255 °C. Для производства таких фильтров используются порошки сталей марок Х17Н2, Х18Н9, Х30 и некоторых других.
Фильтры данного типа применяются в металлургии: с их помощью очищают от механических примесей жидкое литье и горячие доменные/мартеновские газы. Нередко их используют в качестве противопожарной преграды на участках автогенной сварки и обработки металлов газопламенным методом, а также в емкостях для легковоспламеняющихся и взрывоопасных жидкостей.
Титановые пористые фильтры изготавливают из порошков карбонильного генеза, Ø зерен которых не превышает 61 мкм. (с применением наполнителя), а в некоторых случаях – из электролизного порошка с Ø зерен до 1,2 мм (наполнитель не применяют). Спекание осуществляют в специальных газовых средах при 955 – 1155 °C в продолжение 1,6-2,6 час. Востребованность пористотитановых фильтров объясняется наличием таких полезных функциональных качеств, как высокая стойкость в воздействию коррозии при фильтровании агрессивных жидкостей и газов в сочетании с высокой удельной прочностью. Значение тонкости фильтрации для фильтров из пористого Ti может составлять ≤ 5,2 мкм.
Технология производства спеченных пористых фильтров в каждом случае является избирательной. В зависимости от особенностей условий фильтрации учитывают необходимые значения тонкости очистки, степени проницаемости, пропускной способности, прочности и размерных параметров.
Фильтры, размеры которых невелики, производят, спекая свободно засыпанный в формы исходный порошок. Формы подвергают постоянной вибрации, чтобы спекаемое содержимое равномерно распределялось по всему их объему. При этом сферичность и размеры частиц сохраняются, что обуславливает наивысшую степень проницаемости материала.
Традиционным методом производства спеченных пористых фильтров является деформирование порошка прессованием. Для изготовления фильтров высокой степени пористости (55-76 %) и повышенных прочностных характеристик в состав подвергаемой прессованию порошковой шихты вводится ряд специальных добавок, обеспечивающих усиление прочности без ущерба для пористости.
Сегодня пористые фильтрующие элементы применяются повсеместно. Их используют на всех промышленных предприятиях с целью недопущения вредных выбросов в атмосферу, для очищения природных и сточных вод, на АЭС и теплоэлектростанциях. Коррозиеустойчивые фильтры применяют для очистки кислото-щелочных растворов, питьевой воды и т.д.