CC BY
19
РАЗРАБОТКА БЕЗВАКУУМНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СИНТЕЗА ПОРИСТЫХ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ Гончарук Семен Юрьевич, студент Самборук Анатолий Романович, д.т.н., профессор Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В данной статье рассматриваются особенности применения металло-керамических мембранных фильтров с открытой пористостью в качестве фильтрующего элемента. Приведены основные характеристики пористых проницаемых материалов и фильтров, полученных методом СВС в трех крупнейших научных центрах России. Описана методика синтеза пористых мембран в режиме СВС.
Ключевые слова: шихта, метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, фильтр, фильтрация, пористость, металлокерамика.
Современные изделия из пористых материалов имеют широкое применение во всех сферах деятельности человека. Ярким примером практического применения подобных изделий выступает промышленная область фильтрующих и конструкционных материалов.
В качестве широко применяемой технологии выступает производство пористых проницаемых изделий методами порошковой металлургии, основанной на спекании порошковых композиций в высокотемпературных печах. Однако традиционные методы порошковой металлургии имеют ряд недостатков, связанных с необходимостью наличия сложного дорогостоящего оборудования, с многостадийностью и длительностью технологических процессов и, как следствие, со значительными энергетическими затратами.
Самораспротраняющийся высокотемпературный.синтез (СВС) дает возможность для получения целого ряда продуктов разного назначения с комплексом уникальных эксплуатационных свойств, в том числе пористые ме-таллокерамические материалы. Синтез происходит за счет экзотермической реакции взаимодействия двух или нескольких химических элементов или соединений, протекающей в режиме направленного горения [5], [6].
СВС как метод получения пористых материалов соединяет в себе малую энергоемкость, возможность динамического варьирования структурных и иных свойств получаемых продуктов и безотходность. Благодаря данным преимуществам такая технология производства пористых изделий предоставляет возможность для получения целого ряда продуктов с комплексом уникальных эксплуатационных свойств.
В процессе создания новой упрощенной технологии синтеза пористых металлокерамических материалов методом СВС были проанализированы результаты исследований по разработке пористых материалов и фильтров в четырех крупнейших научных центрах: Институте структурной макро-
кинетики и проблем материаловедения РАН (г. Черноголовка, Московская область), Отделе структурной макрокинетики Томского научного центра СО РАН (г. Томск) и Алтайском государственном техническом университете (г. Барнаул), а так же Самарском государственном техническом университете (г. Самара).
В результате для усовершенствования была выбрана невакуумная СВС-технология изготовления металлокерамических фильтров, которая не требует вакуумирования заготовки из шихты исходных компонентов.
Безвакуумная технология синтеза.
На рисунке 1 приведена схема установки для сжигания шихтовой заготовки 2 по разработанной безвакуумной технологии, под слоем песка 1 с наложением груза 3. В качестве инициирующей смеси 4 использовалась шихта Т1+С стехиометрического состава [2], [3], [4].
Зажигание инициирующей смеси осуществлялось при помощи спирали накаливания 5 из вольфрамовой проволоки толщиной 0,8 мм. С целью обеспечения «безвоздушности» данного процесса для исключения взаимодействия кислорода с раскаленным продуктом и последующем его окислении, было принято решение сжигать образец в слое песка.
3 о 5 о 4
/V/ 1 2
1 У ^ ^ ////
Ац, Л А
-^- > ^ я . £> V V ' . . ^ ■ 4 V ■ - .
Рисунок 1 - Схема установки для сжигания шихтовой заготовки под слоем песка:1 - песок, 2 - шихтовая заготовка, 3 - груз с внутренним продольно осевым отверстием, 4 - инициирующая смесь, 5 - спираль накаливания
Конечным результатом реакции являлся спек синтезированных продуктов горения, который остывал под слоем песка для предотвращения окис-
ления образца. После извлечения из установки, спек промывался проточной водой и подвергался механической обработке на абразивных кругах. После финальной обработки, образцы отдавались на исследования общего объема открытой пористости, а также на микроструктурный и рентгенофа-зовый анализ. На рисунке 2 и 3 представлены фотографии образцов, полученных по безвакуумной технологии СВС в безвоздушной среде под слоем песка с наложением груза.
Рисунок 2 - Фотографии синтезированных образцов по безвакуумной технологии самораспростроняющегося высокотемпературного синтеза в безвоздушной среде под слоем песка с наложением груза
Рисунок 3 - Фотографии образцов после промывки проточной водой и обработки на шлифовальных кругах Выводы.
Разработана безвакуумная технология получения пористых металлоке-рамических материалов при проведении СВС в песчаной засыпке без ва-куумирования заготовки из шихты исходных компонентов [21], [22].
Использование при синтезе песчаной засыпки в качестве газопроницаемой окружающей среды позволило снизить количество примесных продуктов и повысить предел прочности на сжатие более чем в 14 раз, по сравнению с образцами, синтезированными на воздухе [20].
Проведение синтеза под грузом обеспечила также сохранение формы и размеров полученных образцов.
Список литературы
1. Калита, В.И. Структура и механические свойства трехмерных капиллярно пористых титановых покрытий [Текст] / В.И. Калита, В.А. Парамонов // Физика и химия обработки материалов. - 2002, - №6. - С. 37-41.
2. Теория и практика электроимпульсного спекания пористых порошковых материалов [Текст] / Белявин К.Е., Мазюк В.В., Минько Д.В., Шелег В.К. - Мн.: Ремико, 1997. - 180 с.
3. Итин, В.И. Прочностные свойства пористых проницаемых материалов на основе титана для стоматологии [Текст] / В.И. Итин, В.Э. Гюнтер, В.Н. Ходоренко, М.Л. Чобаян и др. // Порошковая металлургия. - 1997. - №9/10. - С. 29 - 33.
4. Пористые сетчатые материалы [Текст] / Сидельников Ю.И., Третьяков А.Ф., Ма-турин Н.И. и др. - М.: Металлургия, 1983. - 63 с.
5. Амосов, А.П. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учеб. пособ. [Текст] / А.П. Амосов, И.П. Боровинская, А.Г. Мержанов; Под научной редакцией В.Н. Анциферова. - М.: Машиностроение. - 1, 2007. - 567 с.
6. Пористые порошковые материалы с анизотропной структурой: методы получения [Текст] / под.ред. П.А. Витязя. Пилиневич Л.П., Мазюк В.В., Рак А.л. и др. - Минск: Тонпик, 2005. - 236 с.
7. Ильющенко, А. Ф. Возможности и перспективы использования технологий порошковой металлургии, модифицирования поверхности и нанесения защитных покрытий в изделиях медицинской техники. В сб.: 50 лет порошковой металлургии Беларуси. История, достижения, перспективы [Текст]/ А.Ф. Ильющенко, В.В.Савич. - Минск: ГНПО порошковой металлургии, 2010. - С. 541 - 582.
8. Боровинская, И.П. Капиллярно пористые СВС-материалы для фильтрации жидкостей и газов [Текст] / И.П. Боровинская, А.Г. Мержанов, В.И. Уваров // Наука - производству, 2001. - №10 (48). - С.28-32.
9. Лебедева, О. А. Шихта для получения пористого проницаемого материала [Текст] / О.А. Лебедева, Г.Т. Шечков. - Патент РФ № 2154550. 2000. Бюлл. №23.
10. Кирдяшкин, А.И. Закономерности технологического горения порошковых систем на минеральной основе при получении пористых композиционных материалов [Текст]/ А.И. Кирдяшкин, Ю.М. Максимов, Р.А. Юсупов, В.Д. Китлер // Физика горения и взрыва. -2002. -Т.38. -№5. - С. 85-89.
11. Адриянов Д.И диссертация СВС пористых металлокерамических материалов на основе соединений титана систем Ti-C, Ti-B, Ti-B-C [Текст] // Самборук А.Р 2015. с 425
12. Мержанов, Л.Г. Новые явления при горении конденсированных систем [Текст]/ Л. Г. Мержанов, А. К.Филоненко, И.П. Боровинская // Докл. АНСССР, 1973. - Т. 208. -№4. - С. 892 - 894.
13. Боровииская, И.П. Безгазовое горение смесей порошков переходных метал-лов с бором [Текст] / И.П. Боровииская, А.Г. Мержанов, Н.П. Новиков, А.К. Филоненко // ФГВ. - 1974. - №1. - С. 4 - 15.
14. Филоненко, А. К. Нестационарные явления при горении гетеро-генных систем, образующих тугоплавкие продукты [Текст]// Процессы горения в химической технологии и металлургии. Черноголовка: Изд-во ОИХФ АН. СССР, 1975. - С. 258 - 273.
15. Найбороденко, Ю. С. Безгазовое горение смеси металлов и самораспространяющийся высокотемпературный синтез интерметаллидов [Текст]/ Ю.С. Найбороденко, В. И. Итин, А. Г. Мержанов, И.П. Боровинская, В.П. Ушаков, В.М. Маслов //Изв. вузов. Сер. Физика. -1973. -№6. -С. 142 - 146.
16. Кирдяшкин, А.И. Функциональная пористая металлокерамика СВС: Разработка и применения [Текст]/ А.И. Кирдяшкин, Ю.М. Максимов // Фундаментальные и при-
кладные проблемы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза: Материалы научного семинара. Томск: Изд-во ИОА СО РАН. 2009. - С. 55 - 61.
17. Свойства неорганических соединений: Справочник [Текст] / Ефимов Н.И. и др. -Л.: Химия, 1983. - 392 с.
18. Рабинович, В.А. Краткий химический справочник [Текст] / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин. - Л.: Химия, 1978. - 392 с.
19. Гусев, А.И. Физическая химия нестехиометрических тугоплавких соединений [Текст] / А.И. Гусев. - М.: Наука, 1991. - 286 с.
20. Андриянов, Д.И. Получение пористого титана в режиме СВС [Текст] / Д.И. Анд-риянов, Е.И. Латухин, А.Р. Самборук, К.С. Сметанин // В сборнике: Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Высокие технологии в машиностроении», Самара, СамГТУ, 17-20 ноября 2010. -С. 188 - 189.
21. Гончарук С.Ю., Самборук А.Р. Получение пористых СВС-материалов и применение в качестве фильтров: Труды 9-й международной научно-технической конференции ИМТОМ-2018 (5-7 декабря 2018г., Казань) Ч. 1, - Казань, 2018. - С. 46-49.
22. Гончарук С.Ю., Самборук А.Р. Технология производства СВС-фильтров и их применение для очистки сточных вод: Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2019» (8-12 апреля 2019г., Москва).
Goncharuk Semyon Yurievich, student (e-mail: semen.goncharuk.1997@mail.ru) Samara state technical university, Samara, Russia Samboruk Anatoly Romanovich, Doc.Tech.Sci., professor Samara state technical university, Samara, Russia
DEVELOPMENT OF VACUUM - FREE TECHNOLOGY FOR THE SYNTHESIS OF POROUS METAL-CERAMIC FILTERS
Abstract. This article discusses the features of the use of metal-ceramic membrane filters with open porosity as a filter element. The main characteristics of porous permeable materials and filters obtained by the SHS method in the three largest scientific centers of Russia are given. The technique of porous membrane synthesis in SHS mode is described. Keywords: charge, method of self-propagating high-temperature synthesis, filter, filtration, porosity, cermets.
