Способ получения бипористых материалов на основе порошка титана

(51)22 3/11, 3/10 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОРОШКА ТИТАНА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Савич Вадим Викторович Пилиневич Леонид Петрович Тумилович Мирослав Викторович Бокань Григорий Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(56)..1998. - 1998. - . 5. - . 189194. Пористые проницаемые материалы Справочник. - М. Металлургия, 1987. С. 158-161.716709, 1980.2030968 1, 1995.1092008 , 1984.2052322 1, 1996.(57) Способ получения бипористых материалов на основе порошка титана, включающий смешивание порошка титана с гранулами карбамида, форма которых близка к сферической, прессование и спекание, отличающийся тем, что используют порошок титана с губчатой формой частиц размером 63-100 мкм и гранулы карбамида размером 20003000 мкм, при этом количество гранул карбамида составляет 20-40 объема исходной шихты, а их размер в 20-40 раз превышает размер частиц порошка титана, прессование ведут при давлении 28-56 МПа, спекание осуществляют в две стадии предварительное спекание в аргоне при 950-1000 С в течение 1-1,5 часов, а затем - в вакууме при 10801120 С в течение 40-60 минут. 8390 1 2006.08.30 Изобретение относится к способам получения пористых порошковых материалов(ППМ) и может быть использовано при производстве элементов тепло-обменных устройств, фильтров, глушителей шума, катализаторов, медицинских имплантатов и других изделий. Известен способ увеличения пористости при сохранении среднего размера пор ППМ путем смешивания металлических порошков с улетучивающимся при спекании наполнителем - хлористым аммонием, прессования полученной шихты и спекания 1, 2. Известны способы увеличения пористости ППМ, в которых в качестве наполнителя предложено использовать стеарин, который одновременно служит пластификатором, связывающим дополнительно частицы порошка и повышающим тем самым прочность прессовок 3, 4. В других известных способах увеличения пористости ППМ показано, что перспективным улетучивающимся порообразователем, который позволяет получать ППМ широкого назначения с регулируемой структурой из металлических порошков - меди, никеля, коррозионно-стойкой стали и титана, может служить карбамид 1-11. Недостатком известных способов является невозможность получения бипористой структуры, в которой относительно крупные поры (размерами порядка 150-1000 мкм) распределены в объеме ППМ и отделены друг от друга мелкими порами (размерами порядка 5-40 мкм). Известен способ получения ППМ с повышенной газопроницаемостью, включающий нанесение на частицы порообразователя размерами 250-600 мкм органической связки в улетучивающемся растворителе, сушку, смешивание обработанных частиц с металлическим порошком с размерами частиц 10-80 мкм, формование и спекание 12. Недостатками способа являются сложность реализации, связанная с необходимостью приготовления органической связки в улетучивающемся растворителе (как правило токсичном), длительной сушки перед формованием и спеканием невозможностью получения пор размерами более 100-150 мкм а также невозможностью получения структуры, в которой относительно крупные поры распределены в объеме ППМ и отделены друг от друга мелкими порами. Известен способ получения ППМ высокой прочности и повышенной эффективности фильтрации, включающий формование порообразователя с металлическим порошком и спекание при соотношении размеров компонентов 0,4-2,0 и их объемном соотношении 0,3-1,2 соответственно 13. Недостатком способа является невозможность получения пор размерами более 100150 мкм, а также невозможность получения структуры, в которой относительно крупные поры распределены в объеме ППМ и отделены друг от друга мелкими порами. Известен способ получения ППМ, включающий засыпку порошка с порообразователем в пресс-форму при соотношении размеров последнего к размерам частиц порошка,близком к 0,5, при объемном соотношении порообразователя, изменяющемся по толщине и рассчитываемым по определенной зависимости, прессование и спекание 14. Недостатками способа являются невозможность получения пор размерами более 100150 мкм, а также невозможность получения структуры, в которой относительно крупные поры распределены в объеме ППМ и отделены друг от друга мелкими порами сложность осуществления способа, связанная с многократным послойным прессованием шихты. В качестве прототипа выбран способ получения высокопористых материалов на основе порошка титана, включающий смешивание порошка титана с гранулами карбамида,форма которых близка к сферической, прессование и спекание, отличающийся тем, что используют порошок титана с размером частиц менее 45 мкм, объемное содержание гранул карбамида в шихте составляет 50-80 , при смешивании порошка титана с гранулами карбамида используют петролейный эфир, прессование ведут при давлении 166 МПа, спекание ведут в вакууме при температуре 1400 С в течение 1,5 часа и при нагреве с различ 2 8390 1 2006.08.30 ными скоростями на разных диапазонах температур в диапазоне от комнатной до температуры спекания 11. Задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в расширении технологических возможностей способа путем получения бипористой структуры, в которой относительно крупные поры распределены в объеме ППМ и сообщаются друг с другом преимущественно через мелкие поры, упрощение технологии изготовления за счет отказа от мокрого смешивания порошка металла и порообразователя с последующей длительной сушкой прессовки, снижения температуры спекания. Поставленная задача решается тем, что в известном способе получения бипористых материалов на основе порошка титана, включающем смешивание порошка титана с гранулами карбамида, форма которых близка к сферической, прессование и спекание, используют порошок титана с губчатой формой частиц размером 63-100 мкм и гранулы карбамида размером 2000-3000 мкм, при этом количество гранул карбамида составляет 2040 объема исходной шихты, а их размер в 20-40 раз превышает размер частиц порошка титана, прессование ведут при давлении 28-56 МПа, спекание осуществляют в две стадии предварительное спекание в аргоне при температуре 950-1000 С в течение 1-1,5 час, затем - в вакууме при температуре 1080-1120 С в течение 40-60 мин. При соотношении размеров гранул порообразователя и порошка титана меньше 20 получается бипористая структура, параметры которой малозаметно отличаются от параметров бипористой структуры, полученной традиционными известными методами. При соотношении размеров гранул порообразователя и порошка титана больше 40 усложняется технология изготовления, т.к. требуется для избежания сегрегации и случайного (неравномерного) распределения крупных пор в объеме ППМ использовать связующие для удержания металлических частиц на поверхности гранул порообразователя. При содержании гранул порообразователя менее 20 от объема шихты также получается бипористая структура, параметры которой малозаметно отличаются от параметров бипористой структуры, полученной традиционными известными методами. При содержании гранул порообразователя более 40 от объема шихты получается не бипористая структура, в которой крупные поры изолированы, а ячеистая, в которой последние сообщаются напрямую друг с другом, как в прототипе. Размер частиц порошка титана находится в пределах 63-100 мкм, а размер гранул порообразователя в пределах 2000-3000 мкм. Выбор таких диапазонов размеров частиц и гранул, обеспечивающий соблюдение оптимального их соотношения, дополнительно повышает равномерность распределения крупных пор в объеме ППМ, а также не усложняет технологию изготовления - размеры стандартные, серийно выпускаемые промышленностью, в связи с чем не требуется дополнительная обработка (измельчение, рассев и выделение фракций с другими размерами и т.п.). Форма частиц порошка титана - губчатая, а гранул порообразователя - близка к сферической. С одной стороны, это условие обеспечивает округлую форму пор в бипористом ППМ, способствующую повышению его прочностных и иных характеристик, а, с другой стороны, упрощает дополнительно технологию изготовления - уменьшается время смешивания, повышается равномерность структуры в целом за счет лучшей адгезии губчатых частиц титана к сферической и относительно мягкой поверхности гранул порообразователя. Прессование ведут при давлении 28-56 МПа, а спекание осуществляют в две стадии предварительное спекание в аргоне при температуре 950-1000 С в течение 1-1,5 час, а затем - в вакууме при температуре 1080-1120 С в течение 40-60 мин. Прессование при давлении меньше 28 МПа не позволяет, во-первых, обеспечить достаточной прочности сырой прессовки, во-вторых, не позволяет выровнять распределение гранул (а, следовательно, и крупных пор) в объеме прессовки и ППМ за счет их относительного скольжения. Прессование при давлении больше 56 МПа может привести к разрушению гранул порообразова 3 8390 1 2006.08.30 теля, искажению и уменьшению размеров крупных пор, т.е. не позволяет решить техническую задачу изобретения. Двухстадийное спекание при указанных режимах позволяет обеспечить минимальное искажение поровой структуры и усадку, что дополнительно способствует достижению поставленной цели. Способ поясняется фотографией микроструктуры ППМ, полученного по предлагаемому способу при следующих технологических параметрах размер частиц порошка титана марки ПТМ - 63-100 мкм размер гранул порообразователя - карбамида 2,0-3,0 мм объемное содержание гранул порообразователя - 40 , давление прессования - 28 МПа. Свойства полученного ППМ следующие интегральная пористость - 69 размер крупных пор, образованных на месте гранул порообразователя (определен металлографически), - около 1500 мкм размер мелких пор, образованных частицами порошка титана, близок к 17 мкм. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. В выбранном диапазоне соотношений размеров и количества смешивают порошки титана и карбамида, прессуют при давлении 28-56 МПа, а спекание осуществляют в две стадии предварительное спекание в аргоне при температуре 950-1000 С в течение 1-1,5 час,а затем - в вакууме при температуре 1080-1120 С в течение 40-60 мин. Пример Порошок титана марки ПТХ 2-1 с губчатой формой частиц размерами 0,063-0,1 мм смешивают с гранулами карбамида размерами 2-3 мм в ручном смесителе в течение 2-3 минут. Полученную шихту засыпают в металлическую пресс-форму диаметром 30 мм и прессуют диски толщиной 8 мм. Затем осуществляют спекание в две стадии предварительное спекание в аргоне при температуре 950-1000 С в течение 1-1,5 час, а затем - в вакууме при температуре 1080-1120 С в течение 40-60 мин. После спекания определяют основные свойства ППМ. В таблице приведены свойства ППМ при различном объемном содержании гранул карбамида и давлении прессования. Аналогичные результаты получены для ППМ, изготовленных из смеси с гранулами карбамида размерами 2-3 мм порошка титана с другими размерами (0,04-0,05 мм и 0,4-0,63 мм). Давление Содержание Интегральная Размеры пор, мкм прессования,карбамида,пористость,МПа п пср 60 14 60 28 74,0 1620 690 60 56 69,8 1580 740 60 112 66,8 1560 650 40 14 70,2 1420 16 40 28 69,0 1490 13 40 56 65,8 1510 12 40 112 59,0 1060 11 20 14 69,3 1400 17 20 28 60,7 1460 18 20 56 58,2 1420 13 20 112 56,8 960 14 10 14 58,2 870 14 10 28 51,3 920 15 10 56 46,4 630 11 10(вид структуры) Образец разрушен Ячеистая Ячеистая Ячеистая Не вполне равномерная Бипористая Бипористая Не вполне равномерная Не вполне равномерная Бипористая Бипористая Не вполне равномерная Малоотличима от традиционных типов структур ППМ, полученных формованием с порообразователем 8390 1 2006.08.30 Результаты показывают, что при только оптимальных режимах изготовления обеспечивается достижение задачи изобретения. Разработанная нами технология может быть использована при производстве элементов теплообменных устройств, фильтров, глушителей шума, катализаторов, медицинских имплантатов и других изделий. Источники информации 1. Слепцова Н.П. , Солонин С.М., Чернышев Л.И. Пористые проницаемые материалы из никель-молибденового сплава // Порошковая металлургия. - 1968. -12. - С. 35-41. 2. Солонин С.М., Слепцова Н.П., Чернышев Л.И. Определение размеров пор фильтровых материалов из несферических порошков // Порошковая металлургия. - 1971. -1. С. 38-44. 3. Косторнов А.Г., Манукян Н.В., Галстян Л.Г., Агаян С.М. Гидравлические характеристики пористых порошковых материалов на основе титана // Порошковая металлургия.- 1986. -6. - С. 53-56. 4. Косторнов А.Г., Галстян Л.Г., Мнацаканян С.А., Агаян С.М. Гидравлические характеристики пористых порошковых материалов на основе титана // Порошковая металлургия. - 1986. -11. - С. 53-56. 5. Лунин Л.Е., Шеремет В.Е., Косторнов А.Г., Слепцова Н.В. Влияние совместного размола и смешивания порообразователя с металлическим порошком на структуру пористого материала // Порошковая металлургия. - 1983. -4. - С. 15-18. 6. , , , /,//15. .3. . 248-261. 7. Шелег В.К., Савич В.В. Влияние технологии изготовления пористых порошковых материалов на их капиллярные свойства // Порошковая металлургия. - 1996. -5/6. С. 30-39. 8. Витязь П.А., Шелег В.К., Капцевич В.М., Савич В.В. и др. Свойства капиллярной структуры из порошка меди // Порошковая металлургия. - 1985. -8. - С. 86-90. 9. Шелег В.К., Капцевич В.М., Савич В.В. и др. Свойства пористых порошковых материалов // Порошковая металлургия. - 1988. -7. - С. 74-80. 10. Витязь П.А., Шелег В.К., Капцевич В.М., Савич В.В. и др. Структурные, гидродинамические и прочностные свойства пористых материалов из коррозионно-стойких сталей Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5