Лекция 8. Металлокерамические материалы

Общая характеристика металлокерамических материалов и технология их изготовления. Изделия из металлических порошков (металлокерамические) изготовляемые путем их последовательного прессования и спекания, за последние годы находят все более широкое применение. Основные преимущества металлокерамических изделий следующие:

а) значительное снижение, а иногда и полное устранение обработки на металлорежущих станках, что значительно уменьшает или полностью устраняет потери металла при изготовлении изделия;

б) регулирование химического состава металла изделия в узких пределах;

в) изготовление изделий из металлов, не поддающихся сплавлению, в частности, из металлов с резко различными температурами плавления;

г) возможность изменения в процессе изготовления изделия его внутренней структуры (например, пористости) в результате применения порошков соответствующих фракций и подбора cсоответствующих режимов прессования и спекания;

д) возможность замены дефицитных цветных металлов недефицитными металлами.

Процесс получения металлокерамических деталей состоит из следующих основных операций: получение порошков, прессование порошков, спекание предварительно изготовленных изделий. Металлические порошки могут быть получены различными методами: восстановлением, электролизом, термической диссоциацией распылением, вихревым размолом и т. д.

Восстановление осуществляется воздействием водорода, углерода генераторного или природного газа на окислы металлов; электролиз – пропусканием электрического тока через водный раствор соли (металл оседает в виде порошка на катоде).

Термическая диссоциация заключается в разложении соединений типа Ме_n (СО)_m при нагревании под давлением. Процесс разложения происходит по следующей схеме:

Mе_n (СО)_m → nMe + m (СО).

Распыление может быть применено для металлов с температурой плавления не выше 1700 – 1750 ^оС. Расплавленный металл распыляется струей газа или воды.

Вихревой размол осуществляется в специальных вихревых мельницах, в которых вращаются с большой скоростью (до 3000 об/мин) два пропеллера, изготовленные из износоустойчивой стали. Они (надают вихревой лоток, подхватывающий мелкие кусочки металла, непрерывно поступающие в мельницу. Кусочки металла, сталкиваясь друг с другом, измельчаются в порошок.

Основные операции технологии порошковой металлургии — прессование и спекание.

Порошок прессуется в стальной пресс-форме под давлением, и результате которого порошок приобретает форму рабочего пространства пресс-формы. Величина давления прессования может колебаться в довольно широких пределах (5–10 т/см²) в зависимости от пластичности прессуемого порошка, величины частиц и других факторов.

Спекание представляет собой такой процесс, при котором хотя бы один из компонентов остается в твердом состоянии. В результате диффузии и рекристаллизации происходит уплотнение спекаемого материала, затягивание пор и спеченный материал приобретает определенную прочность. Температура спекания составляет примерно 2/3 от температуры плавления самой легкоплавкой составляющей спекаемого материала; продолжительность спекания 1–5 ч.

Из металлокерамических материалов изготовляются фрикционные и антифрикционные изделия, металлокерамические фильтры и другие изделия, применяемые в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности.

Металлокерамические фильтры. Фильтрующие материалы занимают важное место во многих отраслях народного хозяйства. В процессах, связанных с очисткой нефти и газа при добыче и с их переработкой, фильтры имеют большое значение, оказывая влияние на сроки службы оборудования и на качество получаемых продуктов. До появления металлокерамических фильтров в промышленности широко применялись неметаллические фильтрующие материалы: бумажные, текстильные и т. д.

Металлокерамические фильтры, по сравнению с неметаллическими фильтрующими материалами, отличаются целым рядом преимуществ: большей прочностью, лучшим сопротивлением термическим напряжениям и ударам, простым способом изготовления тонкопористых фильтров с равномерными порами заданной величины и простым способом восстановления загрязненных фильтров. Металлокерамические фильтры характеризуются сферической формой частиц порошка, обеспечивающей высокую проницаемость и пористость фильтра. Пористость металлокерамических фильтров зависит от свойств металлического порошка, величины и формы частиц, давления при прессовании, предварительной обработки портика, температуры и продолжительности спекания.

Для обеспечения хорошей проницаемости металлокерамические фильтры должны отвечать следующим основным требованиям:

а) возможно большее число пор должно быть сквозным; при этом следует учитывать, что процент несквозных пор возрастает с уменьшением толщины фильтра;

о) толщина фильтра должна выдерживать принятое давление фильтрации;

к) следует учитывать, что извилистость пор повышает сопротивление прохождению среды из-за увеличения трения и в то же время улучшает фильтрующую способность;

г) поры должны иметь на всем протяжении одинаковые размерь! (сечение) без местных сужений, так как проницаемость определяется наименьшим сечением пор; кроме того, необходимо, чтобы фильтр улавливал частицы определенной величины;

д) материал фильтра не должен вступать в химическую реакцию с фильтруемой средой и отделяемыми от нее примесями.

Проницаемость металлокерамического фильтра выражается количеством жидкости или газа (в см³), проходящим в 1 мин через 1 см² фильтрующей перегородки толщиной 3 мм при равномерном давлении 10 МПа и температуре 20 °С.

Проницаемость металлокерамического фильтра возрастает с увеличением пористости, числа и размеров сквозных пор, с уменьшением толщины фильтра, вязкости фильтруемой среды и с повышением давления фильтрации. Следует учитывать, что повышение проницаемости металлокерамического фильтра приводит, как правило, к снижению степени его очистки. Поэтому в зависимости от требований, предъявляемых к фильтру, необходимо находить оптимальное соотношение между этими двумя характеристиками. Если бы сферические частицы порошка имели одинаковые размеры, то между диаметром сферической частицы а и диаметром максимальной частицы d, проходящей через поры фильтра, существовала бы зависимость: d = 0,155а. (рисунок 8.1).

Рисунок 8.1 -. Зависимость между диаметром сферической частицы фильтра и максимальным размером проходного отверстия

Практически же на изготовление фильтра поступают частички, имеющие размеры а, колеблющиеся в зависимости от качества рассева порошка. Поэтому диаметр пор составляет приблизительна не 1/7 от диаметра исходного порошка, а величину значительно большую. В таблице 8.1 приведены свойства стальных металлокерамических фильтров, спеченных при температуре примерно 1300 °С.

Изделия в этом случае спекались из рыхлонасыпанного порошка (метод свободной засыпки) сферической формы.

Таблица 8.1 - Некоторые свойства стальных металлокерамических фильтров

Размер частиц порошка, мм	Средний размер пор, мк	Плотность, г/см3	Пористость, %	Проницаемость для дизельного топлива при 2 МПа, см3/мин/см2
0,2–0,3		4,59–4,69	38,3–39,7	735–770
0,3–0,4		4,48–4,52	40,6–41,0	880–925
0,4–0,5		4,41–4,49	40,9–41,2	905–990
0,5–0,6		4,26–4,35	42,8–43,9	990–1035
0,6–0,7		4,32–4,38	42,3–43,1	1050–1100

Из таблицы видно, что изделия, спеченные, указанным способом имеют высокую проницаемость, которая возрастает с увеличением размеров частиц порошка, тогда как пористость возрастает в меньшей степени. Для изготовления металлокерамических фильтров применяются обычно порошки сферической формы, изготовляемые из коррозионноустойчивых металлов: бронзы, латуни, никеля, серебра, нержавеющей стали. Металлокерамические фильтры из стального или железного порошка в целях защиты от коррозии подвергаются хромированию или другому виду химико-термической обработки. Для фильтрации горючего (бензинов, керосинов и т. д.) получили применение металлокерамические фильтры, изготовленные из порошка оловянистой бронзы. Для очистки некоторых агрессивных сред применяются фильтры из нержавеющей стали. Например, фирма «Маратон» (ФРГ) изготовляет металлокерамические фильтры из бронзы, хромоникелевой стали, содержащей 18 % Сг, 10 % Ni и 2 % Мо, и сплава, содержащего 65 % Сu, 12 % Ni, 23 % Zn. Фильтры из бронзы и медноцинковоникелевого сплава начинают окисляться на воздухе при температуре свыше 200 °С, фильтры же из хромоникелевой стали окисляются при температуре свыше 400 °С. Фильтры из углеродистой стали или железа для предохранения от коррозии подвергаются хромированию. Для.этого их помещают в смесь порошков, состоящую из 48 % металлического хрома, 50 % оксида алюминия и 2 % хлористого аммония, и выдерживают в ней при температуре 1000 °С в течение 5 ч.

К порошкам, применяемым для изготовления металлокерамических фильтров, предъявляются особые требования. Они должны по возможности иметь сферическую форму и гладкую поверхность. Такие порошки обладают хорошей сыпучестью, что позволяет получать металлокерамические изделия требуемой пористости. На рисунке 8.2 показана форма порошков, полученных распылением воздухом расплавленной углеродистой и нержавеющей хромоникелевой стали.

х20 а — углеродистой стали марки 45; б — хромоникелевой стали марки 1Х18Н9Т Рисунок 8.2 - Форма порошков, полученных распылением воздухом

Железный порошок после изготовления может содержать на поверхности частиц окислы железа. Для восстановления порошка его нагревают в среде водорода или другой восстановительной атмосфере. При изготовлении фильтров для получения необходимой проницаемости определенных размеров пор порошок разделяется (просеивается) на фракции так чтобы в каждой фракции сферические частицы имели приблизительно одинаковые размеры. Для изготовления металлокерамических фильтров обычно применяют следующие фракции (размеры частиц в мм): менее 0,06; 0,06—0,10; 0,10— 0,15; 0,15-0,20; 0,2-0,3; 0,3-0,4; 0,4-0,6; 0,6-0,8; 0,8-1,0. Рассев порошка по фракциям, производится на вибрационных ситах (типа Д-500) производительностью до 50 кг/ч с числом вибраций 3000 в минуту.

Перед прессованием различных металлокерамических фильтров из порошков последние часто смешиваются со специальными наполнителями (парафин, двууглекислый аммоний, хлористый натрий и т.д.). Наполнители применяются для предотвращения закрытия пор в процессе спекания, что обеспечивает получение металлокерамических фильтров высокой пористости и проницаемости.

Прессуется порошок в стальных пресс-формах различной конструкции. При конструировании пресс-форм необходимо учитывать, что объем спрессованного изделия меньше объема порошка в 2— 4 раза. Поэтому объем пространства в пресс-форме должен быть увеличен. Следует учитывать, что при прессовании изделий большой высоты (Н ≥ 3D)) части формы, наиболее удаленные от пуансона, плохо пропрессовываются. В таких случаях необходимо применять пресс-формы, позволяющие производить двухстороннее прессование. Для прессования обычно применяются гидравлические прессы общего назначения с общим усилием 25, 100 и 200 т.

Из металлического порошка можно получить прокатанную пористую полосу. После спекания такую полосу можно использовать для приготовления различных фильтрующих элементов. При изготовлении полосы порошок непрерывно подается через воронку (вертикально или наклонно) в зазор между валками, вращающимися навстречу друг другу. Расстояние между валками соответствует требуемой толщине изделия. После спекания полоса подвергается повторной прокатке. Указанным способом можно получать полосы из большинства порошков, обладающие достаточной вязкостью. Так, при толщине листа не выше 2 мм их можно легко сгибать на оправке радиусом 50—80 мм. Фильтрующие элементы могут изготовляться без прессования методом свободной засыпки порошка (без наполнителя) в специально изготовленную форму. В этом случае для более равномерного заполнения формы сферическим порошком засыпку часто выполняют на вибрационных столах. После засыпки для повышения прочности фильтрующих элементов их спекают. Спекается порошок вместе с формой. Для предотвращения спекания порошка со стенками формы последние изготовляются из графита или из стали с последующим нанесением графита на стенки формы. Для спекания металлокерамических фильтров, полученных методом свободной засыпки, требуется более высокая температура (1300 °С), чем для спекания отпрессованных фильтров (1200-1250 °С). Окисление металла при спекании металлокерамических фильтров недопустимо, так как образование окисных пленок на поверхности металлического порошка резко затрудняет процесс спекания. Поэтому спекание металлокерамических фильтров производится в защитной (восстановленной) атмосфере или в вакууме. С повышением температуры спекания плотность металлокерамических фильтров увеличивается, а их пористость снижается.

В процессе добычи нефти вместе с нефтью и водой из пласта в скважину может попадать большое количество песка. Осаждение песка в откачиваемой жидкости приводит к образованию в скважине песчаных пробок. Песок обладает высокими абразивными свойствами и способствует быстрому износу деталей нефтепромыслового оборудования (плунжер, втулки и клепанные узлы глубинных насосов и др.). Фильтр выбирается в зависимости от фракционного состава песка, поступающего в скважину вместе с нефтью: величина пор его должна быть такой, чтобы задерживались частички песка.

В нефтяной промышленности металлокерамические фильтры могут применяться вслед за гидроразрывом пласта для предотвращения вымывания закачиваемого в скважину песка, и тем самым будет обеспечен более длительный эффект от произведенного гидроразрыва.

Рисунок 8.3 - Некоторые детали металлокерамических фильтров

Мелкозернистые металлокерамические фильтры могут применяться для фильтрации закачиваемой воды от механических примесей при законтурном и внутриконтурном заводнении.В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности металлокерамические фильтры могут быть применены для улавливания катализаторной пыли в каталитических процессах с применением пылевидного катализатора, а также для равномерного распределения газа в газораспределительных решетках с кипящим слоем катализатора. Металлокерамические фильтры находят применение для отделения газа от

твердых частиц в процессах синтеза трихлорсилана из хлористого водорода и кремния, а также при окислении парафина во фтористый ангидрид. Металлокерамические фильтры находят применение при эксплуатации подземных газохранилищ. Очистка газа от пыли, масла и других механических примесей при перекачке газа по магистральным газопроводам, a также при закачке газа в подземные хранилища и откачке газа из них возможна при использовании металлокерамических фильтров.

Рекомендуемая литература:
осн. 1 [234-249]

Контрольные вопросы:

1. В чем заключается процесс получения металлокерамических изделий?

2. Какими методами могут быть получены металлические порошки?

3. Назовите преимущества металлокерамических фильтров по сравнению с неметаллическими фильтрующими материалами?

4. Для чего фильтры из углеродистой стали подвергаются хромированию?

5. Для чего металлические порошки перед прессованием смешивают с наполнителями?