способ изготовления пенокерамического фильтра из карбида титана

Формула изобретения

1. Способ изготовления пенокерамического фильтра из карбида титана, включающий приготовление суспензии из порошка титана и сажи в органическом связующем, формование заготовки из порообразователя и суспензии, сушку полученной заготовки и инициирование реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), отличающийся тем, что перед формованием суспензию смешивают с порообразователем в объемном соотношении 1:2 до образования вязкой массы, при этом в качестве порообразователя используют вспененный полистирол, заготовку формуют из полученной массы пуансоном с образованием прямолинейных сквозных каналов, после сушки осуществляют продувку аргоном, а в процессе СВС и последующего охлаждения на поверхности фильтра формируют слой двуокиси титана.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что готовят суспензию, содержащую порошок титана марки ТПП-8, сажу газовую марки К 354, а в качестве органического связующего используют водный раствор крахмала, или водный раствор поливинилацетата, или поливиниловый спирт.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формование заготовки осуществляют посредством игольчатого пуансона.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству пенокерамических фильтров, которые могут быть использованы в металлургии, в частности в литейном производстве для фильтрации расплавленных цветных металлов и сплавов, содержащих железо, хром, никель, кобальт, титан и др.

Известен способ изготовления пористых структур для фильтрации расплавленных цветных металлов, включающий изготовление заготовки из поролона с последующей ее пропиткой керамической пастообразной суспензией с последующей сушкой и спеканием заготовки /см. п.РФ №2174894, Кл. В 22 F 3/11, 2001 г./.

Однако данное покрытие пористой структуры фильтра не позволяет проводить фильтрацию расплавленных металлов выше 900°С и при этом не выдерживает высоких динамических нагрузок при напоре расплавленного металла в процессе разлива.

Известна шихта для получения пористого проницаемого материала для фильтров с использованием метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза /СВС/, /см. п.РФ №2186657, Кл. В 22 F 3/23, 2002 г./.

Однако эти фильтры не пригодны для фильтрации расплавленных металлов в силу их низкой огнеупорности. Известен способ изготовления пенокерамических фильтров, включающий пропитку пористого материала керамическим шликером с последующей сушкой и обжигом /см. п. РФ №2196755, кл. С 04 В 38/00, 2001 г./.

Однако такие фильтры не пригодны для фильтрации расплавленных цветных металлов и сплавов выше 2000°С. Процесс изготовления пенокерамических фильтров энергоемок и не обладает возможностью регулирования диаметра пор и частоты пор в зависимости от режима разливки металлического расплава.

Низкая огнеупорность известного фильтра обусловлена тем, что в качестве компонентов металлокерамического материала используют низкоплавкие вещества, такие как глину /температура плавления 1200°С-1300°С/, форстериты и другие компоненты, температура плавления которых не позволяет использовать такие фильтры для расплавленных металлов и сплавов выше 2000°С. Кроме этого необходимо отметить, что температура спекания формовочной массы при обжиге в печах соответствует температуре эксплуатации фильтра, то есть 1200°С-1750°С, что однозначно указывает на невозможность использование фильтров при температуре выше 2000°С.

При этом известная технология изготовления фильтров очень энергоемка за счет использования высокотемпературного обжига, посредством печей большой мощности, что приводит к значительным энергозатратам.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления пенокерамического фильтра из карбида титана (см US №5279737 А, 18.01.1994 г., кл. С 04 В 38/00), включающий приготовление суспензии из порошка титана и сажи в органическом связующем, формование заготовки из порообразователя в суспензии, сушку полученной заготовки и инициирование реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Однако вышеуказанный способ изготовления фильтра не обеспечивает регулирование диаметра открытых пор и их частоты для эффективной пропускной способности фильтра при разливке расплавленного металла в зависимости от ее режима.

Техническим результатом от использования данного изобретения является создание пенокерамического фильтра с повышенной огнеупорностью, пригодного для фильтрации высокотемпературных расплавов (до 2900°С) с регулированием диаметра открытых пор и их частоты для обеспечения эффективной пропускной способности фильтра в зависимости от режима разлива металлических расплавов.

Технический результат от использования изобретения достигается за счет того, что способ изготовления пенокерамического фильтра включает приготовление суспензии из порошка титана и сажи в органическом связующем, формование заготовки из порообразователя и суспензии, сушку полученной заготовки и инициирование реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), перед формованием суспензию смешивают с порообразователем в объемном соотношении 1:2 до образования вязкой массы, при этом в качестве порообразователя используют вспененный полистирол, заготовку формуют из полученной массы пуансоном с образованием прямолинейных сквозных каналов, после сушки осуществляют продувку аргоном, в процессе СВС и последующего на поверхности фильтра формируют слой двуокиси титана. При этом готовят суспензию, содержащую порошок титана марки ТПП-8, сажу газовую марки К 354, а в качестве органического связующего используют водный раствор крахмала или водный раствор поливинилацетата, или поливиниловый спирт, причем формование заготовки осуществляют посредством игольчатого пуансона.

Высокая огнеупорность фильтров обеспечивается температурой плавления фильтра из карбида титана - 3067°С, а также спеченная структура фильтров, полученная методом СВС-2900°С позволяет эксплуатировать фильтры при температуре до 2900°С, то есть производить фильтрование высокотемпературных металлических расплавов. Температура плавления карбида титана указана в источнике см. Pierson HO Hand Book of refractory Carbides and Nitrides William Andew Publishing P.56, T 4.1.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез фильтров производится при комнатной температуре. Взаимодействие смесей исходных компонентов (порошок титана марки ТПП-8 и сажи газовой, марки К-354 ) обусловлено значительным тепловым эффектом реакции, в результате которого температура реагирующей смеси поднимается до 2900°С: Ti+C TiC (t_{горения}=2900°С).

Техническая сущность данного изобретения заключается в следующем: в шаровую мельницу загружают в расчетных количествах стехиометрическую смесь порошка титана марки ТПП-8 и газовой сажи марки К354 и смешивают в течение часа. В полученную смесь добавляют органическое связующее (например, водный раствор крахмала либо любой другой указанный выше) и перемешивают, затем добавляют порообразователь - вспененный полистирол в объемном соотношении 1:2 и перемешивают для получения вязкой массы. Затем осуществляют формование заготовки из порообразователя и суспензии из порошка титана и сажи в органическом связующем. С помощью дозатора закладывают массу в бумажные гильзы по размерам, соответствующим размерам фильтра. Масса в гильзах прокалывается с помощью игольчатого пуансона, за счет чего формируются прямолинейные сквозные каналы. Диаметр игл пуансона и их частота образуют заданную открытую пористость фильтра. Задаваемая пористость (диаметр пор-каналов и толщина стенок фильтра) в каждом конкретном случае будет зависеть от требований режима разливки металлического расплава. Приготовленные гильзы подвергают сушке в электропечи с плавным нагревом от 80° до 200°С в течение 2 часов, а затем осуществляют продувку аргоном, которая необходима для предотвращения окисления титана. Затем на поверхность полученных заготовок устанавливают воспламеняющее устройство (спрессованная таблетка из карбида титана, через которую пропускается электрический ток), при воспламенении которой инициируется реакция СВС в заготовке, в результате чего формируются фильтры. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез обеспечивает образование карбида титана, так как при саморазогреве до 2900°С и с последующим охлаждением фильтра до комнатной температуры на поверхности фильтров происходит окисление с формированием слоя двуокиси титана. Последняя в виде защитного оксидного слоя препятствует взаимодействию карбида титана с высокотемпературными расплавами.

Пример: пенокерамические фильтры были испытаны при разливке расплава никеля - основного компонента жаропрочных сплавов, используемых для литья деталей турбин и двигателей (авиационных и дизельных). Испытывались круглые фильтры диаметром 50 мм и толщиной 20 мм и пористостью 10 PPi (10 пор на линейный дюйм). Температура разливки никеля -2900°С, количество пропущенного через фильтр расплава составило 20 кг. После разливки фильтр был извлечен из литниковой системы и исследован: фильтр сохранил первоначальные геометрические размеры, эрозия и разрушения не отмечены. Микрорентгеноспектральный анализ никеля из пор пенокерамического материала фильтра показал отсутствие в никеле примеси титана, что свидетельствует о нерастворимости карбида титана фильтра в расплаве никеля. Таким образом, фильтры, полученные по вышеуказанной технологии, обладают высокой огнеупорностью с обеспечением эффективной пропускной способности фильтра в зависимости от режима разливки металлических расплавов (до 2900°С ) с регулированием диаметра открытых пор - прямолинейных сквозных каналов и их частоты в пенокерамическом материале фильтра.