Способ изготовления легковесных изделий

СООЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 09) Ш)(5) С 04 В 35/5 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(прототип),(54) (57) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕГКОВЕСНЫХ ИЗДЕЛИЙ путем обработки исходного порошка вспучивающим реагентом, помещения его в замкнутую газопроницаемую форму с последукщимнагревом, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью получения изделийиз графита с повышенными механическими характеристиками, нагрев проводят со скоростью 10"1000 С/с до1200-2500 фС.Изобретение относится к химической технологии, в частности к процессу изготовления графитоных иэделий на основе порошка вспученногографита, и может быть использованов химической и электроугольнойпромышленности при изготовлениинысокопористых графитовых теплоизоляционных материалов и Фильтров.Известен способ изготовленияграфитовых изделий с использона Онием вспученного графита, согласнокоторому для получения графитовыхиэделий с повышенной упругостьючастицы вспученного графита, расширение которого по оси С пренышает 10 раз, Формуют под давлениемв пресс-форме, сушат и подвергаютнагреву до 500-2000 С. Для повышения характеристик изделия н вариантах способа во вспученный графит ;ивводят борную кислоту, волокна асбеста, углеродные волокна1 .Недостатками известного способа являются многостадийность техноло.гического процесса, необходимостьприменения прессового оборудованиядля Формонания изделий. При изготов"ленни низкоплотных изделий зачастуюпроисходит их разрушение ввиду упругих последствий в отформованнойзаготовке. Для обеспечения возможности эксплуатации низкоплотнсго изделия его необходимо дополнительнопропитывать упрочняющим составом,что приводит к возрастанию плотностиизделия. Изготовление фасоных изделий практически невозможно из-за ихразрушения после снятия давления формонания,Известен способ изготовления комбинированного графитового материала 4 Она основе вспученного графита, в котором исходный порошок гранулированного графита обрабатывают водным раствором Фосфита алюминия, вызывающимнабухание частиц графита, сушат инагревают до увеличения объема болеечем в 20 раз. Полученный вспученныйграфит помещают н пресс-Форму и формуют иэделие ь 2 1,5 ОНедостатками этого способа являются необходимость выполнения отдельной операции Формонания и трудность изготоВления низкоплотных иэделий из-за их разрушения после формования под воздействием упругих сил сжатых частиц графита.Известен также способ получения графитового материала, обладающего упругостью, на основе набухшего графитового порошка.В соответствии с данным60 способом исходный графитоный порошок обрабатывают реагентами, вызывающими набухание и окисление частиц г отмывают их избыток, полученйую массу высушивают и подвергают прямому прессонанию при нагреве н течениевсего прессования. Для улучшенияхарактеристик готового продукта вграфит вводят борную кислОту, которая может быть добавлена либо н состав вызывающего набухание реагента,либо введена в виде раствора отдельно. Степень вспучинания частиц исходного графитового порошка должнабыть не менее 5-400 раз, что обеспечивается управляемым процессом первичной обработки графита реагентами.Количество вводимой борной кислотыдостигает 3-15 от массы вспученного графита, Ввиду того, что нагревзаготовки в момент прессования достигает высоких (до 2000 С и выше гтемператур, в готовом продукте присутствует карбид бораПолученныйгибкий графитоный материал имеетплотность 1,7 - 2,2 г/см Э, пределпрочности при растяжении Рбг 1 БМПа,модуль упругости 500-1000 МПа иудельное электрическое сопротинление. (0,5-5,0) 10 огл см С 31.Недостатками данного способа являются необходимость применения мощ -ного прессоного оборудонания горячего прессования, а также высокаяплотность получаемого продукта.При снижении плотности иэделия егомеханические характеристики резкоснижаются, что не позволяет получить изделие с плотностью меньше единицы при удовлетворительной прочности, а также стабилизировать егоразмеры и Форму,Наиболее близким к изобретениюявляется способ изготовления легковесных изделий путем обработки исходного порошка нспучивающим агентом, помещения его в замкнутую газопроницаему о форму и нагрева. За счетиспользования замкнутых Форм изделия оформляются вследствие эффектасамоуплотнения порошков при нагреве 4 1.Однако ни температура, ни скорости нагрева по данному способу непозволяют получить прочнь 1 х легковесных иэделий иэ графита,Только для графитовых порошковповышение скорости нагрева приводитк положительным результатам и только и случае осуществления процессаих термического вспучивания,При повышении скорости нагрева хотя бы до 1-5 град.(с при нагреве в замкнутой форме керамзитовой смеси происходит резкое снижение теплопроводности образующегося самосвяэанного керамзита, который теряет пластичность и подвергается хрупкому разрушению. Возникшие в готовом иэделии термические напряжения превышают его предел прочностипри растяжении и изделие растрескивается.удовлетворительные результаты получаются при скоростях нагрева не выше 10-50 град./мин,.1 елью изобретения является получение изделий из графита с повышенными механическими характеристиками аПоставленная цель достигаетсятем, что согласно способу изготовле-.10ния легковесных изделий путем обработки исходного порошка вспучиваю,щим реагентом, помещения его в замкнутую газопроницаемую форму с последующим нагревом, нагрев проводят 15со скоростью 10-1000 С/с до 12002500 С.В случае формования изделий изтермически вспученного графита заметное возрастание механических характеристик изделия наблюдаетсятолько начиная со скорости нагре ва 10 град./с, при скорости нагрева10 град/с прочность изделия на изгибдостигает 5,8 Лба, при скорости 25400 град/с - 7,2 МПа, а при скоростиоколо 1000 град./с - 8,1 МПа,Таким образом, в технически достижимых пределах скорости нагреваудается увеличить механические характеристики изделия более чем н1,3 раза без усложнения процессаФормования и использования какихнибудь дополнительных упрочнителей.Сущность предложенного способаизготовления иэделий на основе вспученного графита заключается в использовании внутреннего давления,развивающегося в Форме при вспучивании графитовых частиц. В процессесвободного вспучивания в открытом 40объемЕ объем порошка увеличиваетсяв 20-70 раз, в закрытой Форме сохраНяется постоянным, однако происходитсамоуплотнение частиц. Самоуплотнение порошка происходит по всему его 45объему. При этом полученное изделиеимеет изотропные свойства, пристенные эффекты отсутствуют, Так как воперации совмещены два процессаувеличение размера частиц и их взаимная упаковка в постоянном объеме,необходимое для связывания частицдавление резко снижается. В свои очередь изменение формы частиц привспучивании, их подвижность и пластичность способствуют прочному сцеплению. Весьма важным фактором является то, что упругие напряжения вготовом изделии в условиях предложенного способа направлены внутрь,т.е. и сторону противоположную 60приложенному при формснании давлению, Благодаря этому отформованноеиэделие даже при плотности 0,10,3 г/см не разрушается после извлечения из формы. При сохранении главного принципа предложенного способа ( самсуплоткения частиц под действием нспучивающих усилийв вариантах процессавозможно регулирование плотностиполучаемого изделия с сохранениемизстропнссти свойств. Так, Например,исходный набухший порошок можетбыть предварительно уплотнен, В этомслучае н Форме происходит "термическая" допрессовка изделия, в процессекоторый восстананлинается изотропнаяструктура, а плотность изделия увеличивается на 5-40, Исходный набухшийпорошок может быть предварительноподвергнут гранулированию и таблетированию. В этом случае нсзможно, изменяя упаковку исходного материалав Форме, регулировать внутреннюю макроструктуру материала изделия. Принеобходимости еще бслызегс сниженияплотности готового изделия набухшийгсрсшок в Форме перед нагревом можно расположить с образованием свободного объема. В момент нагрева сначала происходит свободное расширениечастиц, а по заполнении Формы начинается их уплотнение. 1:ак показалиэксперименты, реализация способа позволяет получать сложные Фасонныеизделия именно благодаря самозаполнению Формы при нагреве. Регулирование плотности и других характеристикизделия возможно также за счет изменения степени набухания частиц исходного порошка, однако этот приемболее сложен и менее точен,Хорошие результаты получаютсяпри использовании индукционного нагрева порошка н керамической Форме,Для порошков графита частота, обеспечивающая равномерный разогрев всейзагрузки с достаточной скоростью,составляет 8-100 кГц и зависит отобъема загрузки Формы, В качестве материала Формы могут быть использованы пористые шамотные материалы,пористый высоксглиноземистый жаростойкий бетон, корунд, углероднаяткань, а также самосвязанные карбиды. Несмотря на высокую эффективность индукционного нагрева, технически более прост метод прямогонагрева порошка пропусканием тока,В этом случае в керамическую формувводятся электроды пс оси наибольшей длины изделия. Возможно введение нескольких электродов с переключением их в процессе нагрегаМногоэлектродные формы целесообразно использовать для изготовления иэделийсложной конфигурации. Во всех вариантах осуществления процесса важную роль играет удаление из формы образующихся газообразных продуктов. Необходимость их удаления определяется большими даЪлени1054332 БНИИПИ Заказ 9026/29 Тираж 622 Подписое Филиал ППП "Патент",г.у 1 горсд,ул, Проектная,4 Имя газов в формечто лож 11 грцвес ти к раэрушецц;о последней, наличие газон в порошке затрудняет взаимную упаковку частиц, способствует обраэсванцю внутренних пустот и каналов. По указанным причинам осуществлецие5 процесса нагрева в вакууме сбеспе 1 ивае г возможность повышения скорости нагрева порошка без значительного увеличения газового давления в форме цкроме того, позволяет применять формы с мекьшей гаэопроницаемостью. Принимая вс внимание высокие температуры нагрева, применение вакуума снижает тепловые потери и удельный расход электроэнергии. 5 Заметное улучшение качества готовых иэделий достигается уже при небольших разрежециях в камере нагрева, например 1 10 " - 110 2 мм рт. Проведение нагрева в вакууме, а охлаждение при нормальном давлении при э алелаеии после нагрева камеры нагрева азотом илц аргсном снижает продол 11.тельнссть грсцесса на 20 36 ф а удегьцый расход знесгии ка о 5 ,1 0, с:0,". П р и м е р 1. Исходный порошок термически очищенного,цо содержания минеральных примесей менее 0,5 мас.Ъ грарита Тайгцнскогс месторождения81 просеивают через сетку 0071. Просеянный порошок смешивают с равным пс обьему количеством смеси концентрированной азотной и серной кислот, взятых в соотношении 1:9. Порошок 35 выдерживают в кислотной смеси прц.ериоди есксм перемешивании в течение 12 ч, Полученную густук массу отф 1 льтровываютпро 1 ьвают дистиллирован:-Ой водой и высушивают в Яо течение 1 ч гри 105 С на воздухе. СУХОЙ матерал растирают В ступкев Порошок иасыпаот в перфорированную стальную Форму прямоугольного сечения 10 .0 100 мм. Размер отверстий перФорации боковой поверхности Формы составляет " мм, Форму сверху закрывают крышкой с резьбовым соединением и вносят в предварительцо нагретую муфельную печь с температурой 1200 оС, Через 2 мцн выделение летучих иэ Формы прекращается а ее температура составляет 1200 С,Форму охлаждают в токе азота. Извлеченный из Формы брусок графита не имеет внешних дефектов, полностью воспроизводит кокфигурацию внутренне"о объема Фора, легко режется цс" жо 1 л. Измеренная кажущаяся плотность изделия 0,22 г/см , прочность на изгиб 5,8 МПа, прочность прц сжатии 60 МГа КОЭФЛгц 11 ст т-ПТ "Г:Ро( Сд -кости 0,8 Вт/ (м:11.Методом прессования предварит;дыло вспученного порошка графита вколодной пресс-Форме получают аналогичное изделие только при плст -ности 1,2 кг/с 1 л-", Минимальная плотность иэделия аналогичной Фор.-ыпрц формовации под давлением соьместно с нагревом составляет0,63 г/смэ. Иэделие сопоставимойплотности 1, 0,26 г/см полученэ призакрывании 11 рессО 1 о 1 гы пуансономбез приложения давления, т.е, практически в условиях предложенного-.г 10 сОба, Прц раскрытии пресс-фор-.мы происходит частичное разруоециеобразца в его верхней части,П р и м с". р 2. Порошок, графита,.подготовленный так же как в приме 1, засьпют в выгОлцецкую газопроцицаемую форму из легковесногошамотного кирпича. Внутренний объемформы имеет размеры циликдра диаметром 40 мм при длине 150 мм. Днищеформы выполнено из графита верхняякрышка также из графита, Поверхкость Форма снаружи упрочнена путемнамотки стеклоткани. Заполненную изакрытую Форму помещают между подвижными токопсдвсдами длл образован.я надежного электрического контак,та, Температуру нагрева контролируют платиновой термопарой, введеннойв форму через отверстие в боковойповерхности, Нагрев осуществляютпрлмьм прОпусканием переменнОго тс -ка. Помещеный в Форму порошок разогревают до 1400 С за 3,5 с, послечего нагрев прекраща 1 от. Извлеченноеиэ Формы изделие имеет плотность0,.24 г/см , прочность при изгибе7,2 МПа, г,ри сжатии 14,7 Па. Поверхность иэделия повторяет все дефектыфорль, сечение не имеет пустот и раковин,П р и м е р 3, Порошок графита,изготовленного так же как в примере 1, засыпают в мешочек из углеродкоц ткани ТГНМ. Мешочек эашива 1 от углеродной нитью и помещаютмежду токоподводами печи графитации РС. Злектродами силают мешочек Ео образования пластиныВремя нагрева 1-2 с, температура нагрева 2000-2500 С. После охлаждения извлекгцот полученную пластину и измеряют ее плотность, которая составляет 0,32 г/см , прочность ца цэгибе8 1 1,ша.Таким образом, данный способ позволяет увеличи:ь механическую прочность г 1,3 раза.