Способ изготовления спеченных пористых изделий из алюминиевых порошков

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) 80 (и) 7 И 50 Б 22 Р 3 1 ИЯ Н-Х ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Институт Физико-органическойхимии АН Белорусской ССР и Белорусское республиканское научно-производственное объединение порошковойметаллургии(.56) 1. Авторское свидетельство СССРР 933252, кл, Н 22 Е 3/10, 1980.2, Патент США Р 3366479,кл, В 22 Е 3/10, опублик. 1968.(54)(57) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СПЕЧЕ НЫХ ПОРИСТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫ ПОРОШКОВ, включающий Формование заготовок из алюминиевого порошка и спекание, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повьыения химичес кой и термической стойкости иэделий и обеспечения их диэлектрических свойств, формоВание заготовки осуществляют путем окисления алюминиев го порошка при 180-220 С, а спеканиопроводят на воздухе при температуре 800-1250 С.Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к способам изготовления пористых иэделийиз порошка алюминия и может быть использовано для изготовления фильтрующих элементов, блочных носителейкатализаторов, высокотемпературныхузлов с испарительным или газовымохлаждением, диэлектрических устройств, а также других пористых проницаемых диэлектрических иэделий, 10применяемых в инертных и агрессивных,газовых и жидких средах при температурах до 1500 ф С,Известен способ изготовления пористых изделий иэ порошка алюминия, 15включающий формование пористого телапутем пластического деформироанияалюминиевого порошка и спекания иэделия в вакууме, последующее образование на поверхности алюминия оксида о-модификации пуи нагреве вкислороде до 950-1600 С и выдерживание при этой температуре в течение2-3 ч Г 13Однако известный способ характеризуется недостаточно высокой химической стойкостью изделия, обусловленной присутствием металлическогоалюминия, изделие проводит электрический ток и поэтому не может применяться в качестве. диэлектрика, Технологические возможности способаограничены, так как пластическимдеформированием путем прессования споследующим спеканием алюминиевогопорошка невозможно изготовить пористое иэделие сложной Формы.Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления спеченных пористых изделий из алюминиевых порошков, включающий Формование заготовок из алюминиевого порошка и спекание. Спекание осуществляют путем нагреваниядо 620-645 С в атмосфере, содержащей влагу с одновременным оксидированием 2.Недостатками известного способаявляются невысокая химическая и термическая стойкость изделий, а такженевозможность получения диэлектрических свойств. Невысокая химическая и термическая стойкость материала обусловлена тем, что на поверхности алюминия формируется слой изоксида алюминия Э -модификации толщиной не более 0,3 мкм. Поэтому получаемый материал непригоден для работы в агрессивных средах и при темопературах, превышающих 550-600 С,Материал проводит электрический ток, 60поэтому не может быть использован вкачестве диэлектрика (изолятора),Ограниченные технологические возможности способа эа счет тогО, что пластическое деформирование путем прессо вания с последующим спеканием алюминиевого порошка не позволяет получить пористое изделие сложной геометрической формы.Цель изобретения - повышение химической и термической стойкостиизделий и обеспечение их диэлектрических свойств,Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу изготовления спеченных иэделий из алюминиевых порошков, включающему Формование заготовок из алюминиевого порошка и спекание, формование заготовкиосуществляют путем окисления алюминиевого порошка при 180-220 С, аспекание проводят на воздухе при темпеРатУРе 800-1250 С,Технология способа заключаетсяв следующем.Порошок алюминия засыпают в жест.кую разъемную форму и смачивают водой. Форму помещают в герметичныйконтейнер, нагревают до 180-220 Си выдерживают порошок при этой температуре 2-6 ч. Конгломерат извлекают из формы и нагревают на воздухепри температуре 800-1250 С 2-3 ч.Режимы гидротермальной обработкиобусловлены тем, что защитная оксидная пленка поверхности алюминияв зависимости от толщины и структуры) разрушается при 150-180 С исоответствующем давлении насыщенныхпаров воды. Повышение температурыприводит к ускорению реакции взаимодействия алюминия с водой, Однакоувеличение равновесного давленияводяного пара ограничивает применяео ,алые на практике температуру 220-230 Си давление 25-30 атм.Физическая и химическая сущностьспособа заключается в следующем.При гидротермальной обработкеплотная защитная оксидная пленка наповерхности алюминия разрушается иметалл при взаимодействии с водойокисляется с выделением водорода итепла, Окисление алюминия сопровождается увеличением объема частиц порошка. Жесткая форма не позволяетсмещаться частицам и они соединяются ( срастаются ) друг с другом с образованием общего оксидного каркаса.При длительном окислении весь алюминий превращается в гидратированныйоксид А 10 НО. При последующемпрокаливании на воздухе гидратнаявода удаляется и образуется пористоеизделие из оксида алюминия, При температуре 1100-1200 С образуетсяА-А 1 О ( корунд), обладающий максимальйЬй твердостью, химической стойкостью и диэлектрическими свойствами.Консолидация окисленных алюминиевыхчастиц материала происходит в результате срастания расширяющегося оксидного слоя, который образуется врезультате химической реакции воды и алюминия. Лнизотропное расширение каждой частицы алюминия, в отличие от направленной пластической деформации при прессовании, приводит к равномерной по объему пористости и плотности изделий любых размеров самой сложной геометрической формы; Этот эффект можно использовать для уплотнения оксидных материалов в жесткой форме или внутри полости ме таллической конструкции.П р и м е р 1. Порошок алюминия марки ПА-ВЧ с размером частиц 20 60 мкм засыпают в разъемную металлическую форму и увлажняют дистиллиро ванной водой. Форму помещают в Гер" метическую емкость (автоклав) с водой и нагревают при 180 С и давле- нии насыщенного пара воды 10 атм в течение 1,5 ч. Конгломерат ( брикет) вынимают иэ формы, сушат и прокаливают на воздухе при 800 С в течение 2 ч. По данным рентгенофазового и весового анализаматериал состоит из- А РО (30 мас. ) и металлического алюминия, (70 мас,Ъ), Изделие имеет пористость 36 и является диэлектриком. Химическую стойкость материала определяют погружением в раствор соляной кислоты с концентрацией 7,5 мас.Ъ. Через 0,5 ч начинают выделяться пузырьки водорода, что свидетельствует о протекании химической реакции2 АР + 6 НСР - Ъ 2 АРСР ЗНПосле 24 ч пребывания в травильном растворе изделие теряет в весе 28 мас,Ъ, но сохраняет форму.П р и м е р 2. Порошок алюминия в разъемной форме подвергают гидро О термальной обработке согласно примеру 1 в течение 6 ч, Затем сушат и прокаливают 2 ч на воздухе при 800 С, По данным рентгенофаэового и весового анализа материал на 100 45 состоит иэ 7 -А 1 03. Иэделие имеет пористость 32 Ъ и является диэлектриком: При погружении в 7,5-ный раствор соляной кислоты видймых изменений не наблюдается. После выдерживания в течение 24 ч с последующим промыванием в дистиллированной воде и сушке при 110 С потеря в весе составляет 5Иэделие сохраняет исходную форму.П р и м е р 3. Порошок алюминия 55 марки ПА-ВЧ с размером частиц 20 60 мкм помещают в разъемную форму, увлажняют дистиллированной водой.и подвергают гидротермальной обработке в герметичном объеме при 220 С и 60 давлении водяных паров 25 атм в течение 2 ч . Конгломерат ( брикет) вынимают из формы, сушат при 110 С ипрокаливают при 800 С на воздухе 2 ч.По данным рентгенофазового анализаи весового материал на 100 Ъ состоитиз-АЦ 0. Изделие имеет пористость 28 и является диэлектриком.При погружении в раствор солянойкислоты на 24 ч с последующей промывкой дистиллированной водой и сушкой,при 100 С изделие теряет в весе 5опри сохранении исходной формы.П р и м е р 4. Порошок алюминия.подвергают гидротермальной обработке согласно примеру 1, Конгломерат(брикет) сушат и прокаливают на воздухе 3 ч при 1250 ОС, По данным рентгенофазового и весового анализа материал состоит из о(.-АРО (55 мас.Ъ)остальное - металлическйй алюминий.Изделие имеет пористость 38 Ъ и является диэлектриком. При погружениив раствор соляной кислоты через1,5 ч начинает выделяться водород.После пребывания в травильном растворе в течение 24 ч., изделие сохраняет форму, но теряет в весе 20 мас,Ъ.П р и м е р 5. Порошок алюминияподвергают гидротермальной обработке согласно примеру 3. Конгломерат(брикет) сушат и прокаливают на воздухе при 1250 С в течение 3 ч. Поданным рентгенофазового и весОвогоанализа материал на 100 состоит иэо.-АР 20. Изделие имеет пористость42 и является диэлектриком. При выдерживании в 7,5-ном растворе соляной кислоты в течение 24 ч с последующей отмывкой дистиллированной водой и сушке при 110 С потеря в весеосоставляет 0,3 с сохранением формы.П р и м е р б, Изготавливаютизделие по известному способу. Порошок алюминия марки ПА-ВЧ с размеромчастиц 20-60 мкм помещают в прессформу. На механическом прессе формуют заготовку и спекают ее при 600620 фС в течение двух часов в водороде при влажности, соответствующейдавлению насыщенных паров при комнатной температуре. По данным рентгенофазового и весового анализа материал на 95-97 мас,Ъ состоит из металлического алюминия, остальноеГ-А 2 0 . Иэделие имеет пористость9 и проводит электрический ток.При нагреве до 700 С изделиедеформируется (плавится). При погружении иэделия в раствор соляной кислоты с концентрацией 7,5 мас,Ъ сразуначинают выделяться пузырьки водорода. Пребывание в травильном растворе в течение 24 ч приводит к полному разрушению изделия.Результаты опытов приведены втаблице,1047590 Прокаливаниена воздухе Гидротермальное окисление Примерпо способу Фазовый состав, мас, % Термическая стойкость Химическаястойкость в7,5%-ной НС 1 Температура,Время,ч2,0 800 3 45 55(о) 1500 3 100 Я) 1500 Нет 1,5 ч 20 1,5 1250 2,0 1250 180 Нет Отсутст,3 вует 220 Известномуб 95- 3-5(Я 70097 Плав-10 сление Разру- шается Составитель С.БагроваРедактор С,Лисина Техред И,Гайду Корректор А, Дэятко Заказ 7814/10 Тираж 813 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная, 4 Таким образом, изделие, изготовленное по предлагаемому способу сог.- ласно приведенным данным, обладает термической стойкостью при температурах на 700-1000 С выше по сравнению с известным способом и максимальной химической стойкостью в слу". чае окисления всего алюминия и превращения его в с -А 03. Потеря в весе при травлении составляет 0,3 мас.Ъ в то время как иэделие, изготовленное по известному способу, полностью разрушается.Технико-экономические преимущества предлагаемого способа изготовления пористого материала иэ порошка 45 алюминия по сравнению с известным заключаются в том, что материал является диэлектриком и может быть использован для изготовления электроизолирующих узлов и конструкций, .0 Наличие металлического алюминия внутри аксидного каркаса иэ с-А 10 в случае частичного окисления металла позволяет получить пористый материал, обладающий такими ценными качествами как высокая теплопроводность с сохранением диэлектрических свойств, Кроме того, химическая стойкость изделий значительно выше, а термическая на 800-1000 С больше изделий, полученных известным способом, что определяет возможность использовать их в агрессивных жидких и газообразных средах при температурах до 1500 С.ь Помимо этого, предлагаемым способом можно сформовать пористое диэлектрическое изделие сложной геометрической Формы, а также изготовить и (или) уплотнить диэлектрическую вставку внутри полости металлической конструкции, что расширяет технологические возможности способа изготовления изделий из порошка алюминия.