5. Високопористі порошкові вироби. Загальна технологічна схема їх виготовлення
Проникні матеріали, що отримуються методами порошкової металургії, знаходять широке застосування в техніці як фільтри, диспергатори, демпфери, пламегасящих, елементи машин і механізмів, що охолоджують. Це пояснюється тим, що методи порошкової металургії дозволяють отримувати високопористі матеріали з складним поєднанням властивостей, які іншими методами отримати неможливо.
По застосуванню високопористі матеріали розділяють на на-ступні групи:
1. фільтри для очищення повітря, газів, рідин і розплавлених середовищ;
2. матеріали для зняття теплового навантаження з деталей і механізмів за рахунок теплового потоку через пори охолоджувача (потіючі матеріали і теплові труби);
3. електроди, каталізатори, катоди;
4. матеріали для рівномірного розподілу рідин і газів;
5. матеріали ущільнювачів;
6. вібро- і звукопоглинальні матеріали.
Фільтри знаходять найбільш широке застосування. Вони служать для фільтрування води, різних масел, мастил, розчинників, рідких і газоподібних палив, рідких газів в криогенній техніці, продуктів бродіння, в хімічній промисловості, ядерній енергетиці і т.п.
Проникність (продуктивність) фільтрів визначається кількістю газу, що протікає через фільтр, або рідини, подаються під певним тиском. Розрахунок ведуть по формулі
де
V — кількість витісненої рідини, м3; F —
площа фільтру, м2;
— тривалість фільтрування, хв.
Швидкість фільтрування визначають по рівнянню Дарсі:
β- проникність по Дарсі, Дс (Дс — одиниця проникності, рівна 1,02•10-6 мм2); Рвх і Рвих— відповідно тиск на вході і виході пористого зразка, Мпа; η — динамічна в'язкість рідини, Па•с; b — товщина зразка, мм.
Значення коефіцієнта проникності виражають в дарсі. Одним дарсі є проникність пористого матеріалу, в якому перепад тиску 0,1 Мпа забезпечує швидкість рідини 1 см/с при в'язкості 10-3 Па•с через куб з довжиною ребра 1см.
Важливою перевагою порошкових фільтрів є їх висока міцність, що дозволяє створювати високі перепади тиску при фільтруванні. Так, наприклад, порошкові фільтри з бронзи завтовшки 5 мм витримують навантаження до 18, а з неіржавіючої сталі — до 50 Мпа]
До переваг порошкових фільтрів слід віднести значний термін служби, який перевищує термін служби інших відомих фільтрів. Це пояснюється тим, що вони порівняно легко піддаються регенерації, тобто очищенню від твердих частинок, що затримуються в каналах пір і що знижують тим самим робочі параметри. Крім того, при роботі в умовах вібрації, наприклад в двигунах автомобіля, може відбуватися самоочищення фільтрів за рахунок видалення твердих частинок з його поверхні.
Друга група високопористих матеріалів застосовується для зняття теплових навантажень з високотемпературних вузлів і деталей. Зняття теплового навантаження досягається охолоджуванням за рахунок акумуляції теплоти охолоджувачем, що проходить через пори. Такий метод охолоджування називають пористим, а матеріали — що потіють. Суть методу полягає в наступному: поверхню, що піддається нагріву, покривають високопористим матеріалом, а в пори подають рідину, що охолоджує, або газ. На поверхні пористої стінки утворюється плівка рідини або газу, яка істотно знижує температуру стінки за рахунок витрат теплоти на випаровування і можливу дисоціацію молекул газу. Іншим методом зняття теплового навантаження за допомогою матеріалів цієї групи є застосування теплових труб, в яких використовується ефект капілярного руху рідини. Рух рідини через пори вставки теплової труби дозволяє створювати потоки теплоти потужністю до 150 Вт/см2, що в тисячу разів перевищує теплопровідність міді.
Ефект потіючих матеріалів використовується також для запобігання обмерзанню літаків, де підігріте повітря або рідини (антифриз), що випаровуються, циркулюють в пористих матеріалах, розташованих на кромках крил.
Третя група високопористих матеріалів — це носії каталізаторів і електроди, що застосовуються в електрохімічних процесах, катоди електронних пристроїв. При деяких електрохімічних процесах на катоді з великим перенапруженням виділяється водень, що приводить при високій щільності струму до підвищеної витрати електроенергії. Величина перенапруження залежить від площі електроду. Застосування пористих електродів з високодисперсного порошку заліза ефективно знижує перенапруження. Ефективність роботи акумуляторів і паливних елементів істотно залежить від площі поверхні електродів При використанні електродів з пористістю, що досягає 70-90 %, вдається зменшити габарити акумуляторів і витрату металу. Високопористі матеріали також застосовуються як носії каталізаторів. Наприклад, в камерах згорання газотурбінних двигунів застосовують пористі матеріали, що містять каталізатори, - оксид цирконію (IV), оксид кальцію з добавками нікелю, платини і титану. При отриманні конвертованого газу застосовують пористий шамот, в порах якого міститься нікель, що надає каталітичну дію на процес розкладання природного газу.Високопористі тугоплавкі метали використовуються як катоди електронних ламп.
Четверта група високопористих матеріалів — матеріали, використовувані для рівномірного (за площею) підведення газу або рідини при проведенні реакцій в киплячому шарі, змішуванні газів і рідин і ін. Застосуванням пористих жолобів при транспортуванні цементу за допомогою повітря досягають швидкості його руху до 1 м/с при витраті повітря 1,5—3 м3/(м2-мин) і перепаді тиску 26,6 кПа. Міжелектродні вставки плазмотронів, через яких подається плазмотворний газ, виготовлені з високопористих матеріалів, дозволяють істотно підвищити стабільність плазмового струменя.
При застосуванні високопористих матеріалів як ущільнювачі використовуються їх високі пластичність прироблюваність. Такі матеріали на основі заліза використовуються як ущільнювачі при герметизації стиків труб, муфт і фланців. Для цієї мети використовують також пористе залізо, просочене бітумом (зинтерит). Такий матеріал отримують спіканням вільно насипаних грубозернистих порошків при температурі 1200— 1300 °С і просоченням бітумами для підвищення корозійної стійкості.
Розширюється застосування високопористих матеріалів для звукоізоляції і вібропоглинання в літаках, ракетах, в будівництві.
Виготовлення
Для виготовлення порошкових проникних матеріалів використовують порошу, отримувані методом обкатки в кульових або вихрових млинах, відновленням з оксидів, хімічним осадженням, термічною дисоціацією, розпилюванням водою або газом, плазмовою технологією, випаровуванням рідкого струменя металу імпульсним опромінюванням променем лазера.
