ячеисто-каркасный металлический материал и способ его получения

Формула изобретения

1. Ячеисто-каркасный металлический материал, включающий спиралевидные дискретные проволочные элементы, многократно соединенные в контактных зонах, отличающийся тем, что в качестве спиралевидных элементов он содержит объемные спиралевидные проволочные элементы с контуром витка в форме овала и/или n-угольника с n3 и/или плоские спиралевидные проволочные элементы, при этом плотность материала составляет 0,4-1,5 г/см³ при полностью доступной внутренней поверхности.

2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что контур витка плоского дискретного проволочного спиралевидного элемента имеет форму спирали Архимеда.

3. Материал по п. 1, отличающийся тем, что количество витков дискретного спиралевидного проволочного элемента находится в интервале от 1 до 100, а диаметр в 10-100 раз превышает диаметр используемой проволоки при шаге спирали от 1,5 до 10 диаметров используемой проволоки.

4. Материал по п. 1, отличающийся тем, что объемные и плоские дискретные спиралевидные элементы выполнены из металлов и сплавов, имеющих коэффициент термического расширения в диапазоне от 4 до 24х10^-7 К^-1 при 300 К.

5. Материал по п. 1, отличающийся тем, что проволока в дискретных спиралевидных элементах характеризуется градиентом концентрации d-металлов по диаметру проволоки при 100% его содержании на поверхности.

6. Материал по п. 1, отличающийся тем, в качестве d-металлов используется никель, и/или кобальт, и/или их сплавы.

7. Способ получения ячеисто-каркасного металлического материала, включающий изготовление спиралевидных дискретных проволочных элементов из металлической проволоки, заполнение ими пресс-формы и уплотнение, отличающийся тем, что изготовление дискретных спиралевидных элементов осуществляют путем навивки проволоки на керн с образованием объемных элементов с контуром витка в форме овала и/или n-угольника с n3 и/или плоских спиралевидных элементов, уплотнение проводят под действием вибрации с упругим сдавливанием, а после уплотнения проводят термообработку в неокислительной газовой атмосфере.

8. Способ получения материала по п. 7, отличающийся тем, что на поверхности проволоки формируют градиентный слой с градиентом концентрации d-металлов по диаметру проволоки, а термообработку проводят при температуре (0,7-0,9) Т_пл(К), где Т_пл - температура плавления металла, находящегося на поверхности дискретного спиралевидного элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлообработки и машиностроения, в частности к ячеисто-каркасному металлическому материалу и способу его получения.

Основные отрасли техники, в которых может быть использовано изобретение, - это гетерогенно каталитические производства, насадочные ректификационные колонны, процессы нефтепереработки, устройства для турбулизации материальных потоков. Важным направлением использования изобретения является применение его в нейтрализаторах газовых выбросов двигателей внутреннего сгорания и в процессах каталитической очистки водорода в энергетических системах на базе топливных элементов.

Известны каркасные материалы (пат. США 5674460 с приор. от 14.10.1994) и среди них: регулярные канальные керамические или рулонные металлические структуры, а также пенокерамические, пенометаллические и металловолоконные материалы.

Одним из самых известных примеров использования каркасных материалов является выпускаемая фирмой Corning кордиеритовая керамика с так называемой сотовой структурой, образованной системой параллельных каналов (Информационно-справочный материал фирмы "Corning Glass", 2001). Эти материалы используются главным образом для автомобильных нейтрализаторов газовых выбросов. Они имеют сравнительно невысокую стоимость, однако требуют специального демпфирующего уплотнения при посадке в каталитический конвертер и могут разрушаться при термоциклировании и вибрации.

Другой разновидностью каркасных материалов являются гофрированные металлические фольги толщиной 30-40 мкм, скрученные определенным способом в рулон. Эти материалы значительно дороже в сравнении с сотовыми и требуют жесткой фиксации рулона в корпусе, чтобы предотвратить явление вибрационного флаттера, приводящего к разрушению нанесенного на поверхность фольги каталитического слоя.

Пенокерамические каркасные материалы имеют в сравнении с металлическими невысокую механическую прочность и могут использоваться только в стационарных системах.

Наконец, последним примером являются металловолоконные материалы, которые иногда называют материалами с системой пересекающихся каналов. По своим характеристикам они близки к пенометаллическим структурам, однако в отличие от последних обладают выраженной анизотропией термомеханических характеристик, обусловливающей их необратимую деформацию при значительных тепловых нагрузках.

Известен высокопористый металлический ячеистый материал (ВПЯМ) (а.с. 1762474, кл. В 22 F 3/11, от 20.10.1995), представляющий собой спеченный из высокодисперсного металлического порошка каркасный материал, в котором ячейки и сквозные поры образованы выжиганием полимерного материала из ретикулированного пенополиуретана марки ППУ - 70 - 100 с размером ячейки 3,5 мм.

Необходимо отметить существенные недостатки известного материала.

1. Наличие сквозных пор, отрицательно влияющих на проведение химических процессов из-за "проскоков" газообразных и жидких компонентов.

2. Сложность получения материала с большой толщиной, что обусловлено трудностью выжигания органического формообразователя и малой прочностью неспеченного каркаса.

Известен способ получения ячеисто-каркасного металлического материала (А.с. 1762474, кл. B 22 F 3/11, от 20.10.1995), включающий приготовление суспензии металлического порошка в растворе органического связующего вещества, нанесение суспензии на пористую полимерную подложку, сушку заготовки и ее термообработку на слое из обезвоженной суспензии. Суспендированный в полимере высокодисперсный металлический порошок первично обволакивает каркас ретикулированного пенополиуретана марки ППУ 70-100с, а затем в процессе выжигания полимерного каркаса и последующего обжига спекается в виде "обращенной" пространственной структуры материала.

Недостатки способа следующие.

1. Экологические, связанные с образованием токсичных газообразных веществ, образующихся при выжигании полиуретанов.

2. Высокая стоимость ВПЯМ, обусловленная длительностью и большой энергоемкостью технологического процесса и необходимостью использования дорогостоящих порошков d-металлов, получаемых по карбонильной технологии.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является высокопористый металлический ячеистый материал, состоящий из спиралевидных дискретных проволочных элементов, многократно соединенных в контактных зонах.

Способ получения данного материала включает изготовление спиралевидных дискретных проволочных элементов путем навивки проволоки с заданным шагом на нить. Для навивки используют проволоку диаметром 30-500 мкм, а диаметр спирали принимают равным (5-20) диаметрам проволоки. Заготовку из проволочных элементов размещают в пресс-форме и проводят уплотнение без последующего спекания для сохранения упругости материала. (См. Пористые проницаемые материалы. Справочник п/р С.В.Белова. М.: Металлургия, 1987, стр.266-273).

Недостатком известного материала является его недостаточно высокая прочность и формоустойчивость, поскольку при получении отсутствуют операции термообработки, в частности спекания. Поэтому спиралевидные дискретные проволочные элементы соединены в контактных зонах только механическим путем за счет уплотнения. Ассортимент изделий ограничен выбором дискретных элементов, имеющих в сечении только круглую форму. Материал может иметь сквозные поры. Недостатком известного способа является то, что он не позволяет существенно улучшить качество получаемого материала.

Задачей изобретения является увеличение ассортимента изготовляемых изделий, снижение анизотропии свойств, обеспечение возможности получения прочного материала без сквозных пор.

Поставленная задача решается путем создания ячеисто-каркасного материала, включающего спиралевидные дискретные проволочные элементы, многократно соединенные в контактных зонах. При этом в качестве спиралевидных элементов он содержит объемные спиралевидные проволочные элементы с контуром витка в форме овала и/или n-угольника с 3 и/или плоские спиралевидные проволочные элементы. Плотность материала составляет 0,4-1,5 г/см³ при полностью доступной внутренней поверхности.

Контур витка плоского дискретного проволочного спиралевидного элемента может иметь, например, форму спирали Архимеда.

Количество витков дискретного спиралевидного проволочного элемента находится в интервале от 1 до 100, диаметр элемента в 10-100 раз превышает диаметр используемой проволоки при шаге спирали от 1,5 до 10 диаметров используемой проволоки.

Объемные и плоские дискретные спиралевидные элементы могут быть выполнены из металлов и сплавов, имеющих коэффициент термического расширения в диапазоне от 4 до 2410^-7 К^-1 при 300 К.

Причем проволока для изготовления дискретных спиралевидных элементов используется из d и f металлов или их сплавов (При указании d и f металлов имеется в виду электронное строение атомов металлов, у которых достраиваются d и f электронные уровни).

Проволока дискретных элементов может характеризоваться градиентом концентрации d-металлов по диаметру проволоки при 100 % содержании d-металла на поверхности. В качестве d-металлов используется, например, никель, и/или кобальт, и/или их сплавы.

Способ получения ячеисто-каркасного металлического материала, включающий изготовление спиралевидных дискретных проволочных элементов из металлической проволоки, заполнение ими пресс-формы и уплотнение. При этом изготовление дискретных спиралевидных элементов осуществляют путем навивки проволоки на керн с образованием объемных элементов с контуром витка в форме овала и/или n-угольника с n3 и/или плоских спиралевидных элементов, уплотнение проводят под действием вибрации с упругим сдавливанием, а после уплотнения проводят термообработку в неокислительной газовой атмосфере.

На поверхности проволоки могут сформировать градиентный слой с градиентом концентрации d-металлов по диаметру проволоки. Термообработку проводят при температуре (0,7-0,9) Т_пл(К), где Т_пл - температура плавления металла, находящегося на поверхности дискретного спиралевидного элемента.

При меньшем значении температуры невозможно достигнуть высокой прочности ячеисто-каркасного материала, тогда как в случае превышения обозначенного предела материал дает нежелательную усадку. Материал приобретает необходимую прочность уже после 0,5-5-часовой выдержки в указанном интервале температур

Структуру предлагаемого материала поясняет чертеж. Как видно из чертежа, основным конструктивным фрагментом предлагаемого материала является спиралевидный проволочный элемент, для которого характерно малое заполнение объема каркасобразующим металлом, при этом величина свободного пространства зависит от диаметра проволоки; от формы спиралевидного элемента; от геометрических размеров элемента, в частности для объемных элементов от соотношения условного диаметра к высоте; от расстояния между витками (от условного шага навивки).

В таблице 1 приведены возможные интервалы варьирования геометрических параметров проволоки и дискретного проволочного элемента для объемных и плоских форм.

Многократное контактирование элементов приводит к созданию пространственной структуры, газо(гидро)динамическое сопротивление которой, а также ее прочность и геометрическая поверхность (отнесенная к единице объема), определяются формой и размерами дискретных элементов.

Отмеченные преимущества предлагаемого ячеисто-каркасного материала реализуются при условии, что проволока из d- и f- металлов, а также сплавов на их основе, используемая в спиралевидных элементах, характеризуется специально созданным градиентом концентрации d-металлов по диаметру проволоки при 100 % содержании последнего на ее поверхности. В качестве градиент-задающих металлов для ячеисто-каркасных материалов, контактирующих в условиях эксплуатации с агрессивными средами, предпочтительно использовать никель или кобальт, а также их сплавы.

В процессе работы нами использовались различные материалы для изготовления многовитковых дискретных элементов, такие как различные марки нержавеющей стали, материалы с высокой коррозионной стойкостью типа нихрома и фехраля. Изменение поверхностного содержания никеля может быть достигнуто в результате химической, термохимической или электрохимической обработки исходного проволочного материала.

Пример выполнения 1.

Проволока из нихрома (Х20Н80Т) диаметром 100 мкм была навита на треугольный керн со стороной 2,5 мм. Высота единичного спиралевидного элемента составляла 3-3,5 мм при числе витков 10-15. Поверхность полученных дискретных элементов была покрыта с помощью электрохимической обработки слоем никеля толщиной 5 мкм. Полученными дискретными элементами заполняли объем пустотелой формы. После вибрационного уплотнения засыпки и ее упругого сдавливания проводили термическую обработку в вакууме при температуре при 935^oС в течение полутора часов. Охлажденную заготовку отделяли от формы. Полученный ячеисто-каркасный материал имел плотность 1,2 г/см³ (8% по отношению к материалу проволоки) и не разрушался при нагрузке 100 кг/см².

Пример выполнения 2.

Проволока из нихрома (Х20Н80Т) диаметром 100 мкм была навита на треугольный керн со стороной 2,5 мм. Высота единичного спиралевидного элемента составляла 3-3,5 мм при числе витков 10-15. Поверхность полученных спиралевидных элементов была покрыта с помощью электрохимической обработки слоем кобальта толщиной 6 мкм. Полученными спиралевидными элементами заполняли объем пустотелой формы. После вибрационного уплотнения засыпки и ее упругого сдавливания проводили термическую обработку в вакууме при температуре 935^oС в течение полутора часов. Охлажденную заготовку отделяли от формы. Полученный ячеисто-каркасный материал имел плотность 1,2 г/см³ (7% по отношению к материалу проволоки) и не разрушался при нагрузке 100 кг/см².

Технологические заготовки из предлагаемого ячеисто-каркасного материала могут иметь не только простые геометрические формы типа цилиндра или параллелепипеда, но и любые по сложности объемные конфигурации, а также конструкции, неразъемные с формообразующей матрицей. Последние представляют значительный интерес для изготовления насадочных колонн, теплообменных аппаратов, каталитических химических реакторов, в которых ячеисто-каркасный материал выполняет функции носителя катализатора. Нами изготовлены различные фрагменты (формы) предложенного объемно-пористого материала, которые в настоящее время успешно испытываются в различных химико-технологических процессах.

Примеры заготовок из предлагаемого материала для различных форм дискретных элементов приведены в таблице 2.