Патент на изобретение №2398037

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Al2O3-Al

(57) Реферат:

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов. Может использоваться для получения прочных, износостойких изделий, а также абразивного инструмента и уплотнительных элементов. Заготовку получают прессованием шихты, включающей порошок алюминия с пластинчатой формой частиц и связующий компонент, и спекают в режиме СВС. Спеченное изделие помещают в пресс-форму, нагревают до температуры 600÷775°С и прикладывают давление 9÷12 МПа с выдержкой в течение 1-30 минут до степени деформации изделия 1,18÷1,25. Затем изделие охлаждают со скоростью 5÷10°С/мин до температуры 590÷650°С под давлением, снимают давление и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 2,5÷4°С/мин. Материал обладает высокой износостойкостью, антифрикционными свойствами и повышенным сопротивлением распространению усталостных трещин. 1 табл.

Изобретение относится к технологии композиционных материалов – керметов и может быть использовано для получения прочных, износостойких изделий, а также уплотнительных элементов и абразивного инструмента, применяемого на стадии финишной обработки металлов и сплавов для повышения класса чистоты обработки их поверхности.

Известен способ получения композиционного материала Al₂O₃-Al [1], включающий приготовление шихты смешиванием порошка алюминия, состоящего из частиц пластинчатой формы, со связующим компонентом (водный раствор поливинилового спирта), сушку шихты до заданной остаточной влажности (3-10%), прессование заготовки из влажной шихты под давлением 1,25·10^-2-2,5·10² МПа, выжиг из заготовки на воздухе связующего компонента (300-350°С), дополнительное прессование заготовки под давлением 520-600 МПа, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем до температуры 550-600°С при длительности изотермической выдержки, соответствующей моменту ее «погасания», и охлаждение за счет выдержки нагретого изделия на воздухе при комнатной температуре. Материал, полученный в соответствии с данным способом, обладает недостаточно высокой плотностью и прочностью.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения композиционного материала Al₂O₃-Al [2] (принятый за прототип), включающий термообработку на воздухе порошка алюминия до полного удаления стеаринового покрытия с поверхности его частиц, имеющих пластинчатую форму, приготовление шихты путем смешивания термообработанного порошка со связующим компонентом (водный раствор жидкого стекла в количестве 3-15 мас.% в пересчете на сухой остаток вещества), сушку шихты при температуре 20-60°С до полного удаления влаги, прессование заготовки под давлением 620-700 МПа и ее нагрев воздушным теплоносителем до температуры 610-650°С для инициирования процесса СВС при времени изотермической выдержки 1-5 часов с последующим охлаждением спеченного изделия за счет выдержки при комнатной температуре. Согласно способу-прототипу, по сравнению со способом [1], удается повысить прочность получаемого материала благодаря формированию дисперсно-упрочненной структуры. Однако уровень его прочности и плотность оказываются недостаточно высокими вследствие сохранения пористости после завершения спекания в режиме СВС.

Технической задачей данного изобретения является увеличение прочности и плотности композиционного материала Al₂O₃-Al.

Для выполнения поставленной задачи в способе получения композиционного материала Al₂O₃-Al, включающем термообработку порошка алюминия с пластинчатой формой частиц на воздухе, приготовление шихты путем его смешивания со связующим компонентом, сушку шихты, прессование заготовки и ее спекание путем инициирования процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза воздушным теплоносителем, спеченное изделие помещают в пресс-форму, производят нагрев до температуры 600÷775°С и прикладывают давление 9÷12 МПа, выдерживая в течение 1÷30 минут до степени деформации изделия 1,18÷1,25, определяемой как отношение его исходной высоты к конечной высоте, затем изделие охлаждают со скоростью 5÷10°С/мин до температуры 590÷650°С под приложенным давлением, снимают давление и ведут охлаждение до комнатной температуры со скоростью 2,5÷4°С/мин.

Для получения материала по заявленному способу в качестве исходного сырья использовали алюминиевый порошок промышленной марки ПАП – 2 (ГОСТ 5494-95), состоящий из частиц пластинчатой формы (преобладающие размеры: 10-100×5-50×0,5-1 мкм), покрытых тонким слоем стеарина (содержание стеарина – 3 мас.%). После удаления стеарина с поверхности пластинчатых частиц, за счет термообработки порошка на воздухе, приготавливали шихту путем смешивания порошка с водным раствором жидкого стекла. После высушивания шихты из нее методом прессования получали заготовку, которую затем спекали, инициируя процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в результате нагрева воздушным теплоносителем.

Затем спеченное изделие помещали в пресс-форму и производили нагрев до заданной температуры (T₁) с последующим приложением давления (Р). Выбранный интервал температуры T₁ (600-775°С, то есть 0,9-1,17 от температуры плавления Аl) предполагает также приложение давления к высоковязкому расплаву алюминия, содержащему алюмооксидную фазу, образующуюся в процессе СВС – спекания. Снижение величины Т₁ менее 600°С не обеспечивает увеличения прочности и плотности материала. Повышение T₁ более 775°С не целесообразно, поскольку наблюдается резкое снижение вязкости расплава и его выдавливание в зазоры пресс-формы.

Снижение величины Р и времени выдержки () под давлением при заданной температуре менее 9 МПа и 1 минуты соответственно не приводило к повышению прочностных характеристик и плотности. Увеличение Р более 12 МПа в температурной области, соответствующей твердому состоянию материала, не допустимо, так как в противном случае наблюдались разрывы в пластинчатых частицах, слагающих его структуру. Этот процесс является нежелательным, поскольку ведет к образованию структурных дефектов. Увеличение Р более 12 МПа в температурной области, соответствующей появлению расплава, не возможно, т.к. возникали внутренние напряжения в расплаве, разрушающие поверхностные оксидные пленки на пластинчатых частицах, что приводило нарушению слоистой структуры композита. Увеличение более 30 минут не целесообразно, поскольку приводит к неоправданному возрастанию продолжительности технологического процесса. Это связано с тем, что диффузионный процесс, определяющий массоперенос, и вязкопластическое течение вещества полностью завершены в данной температурной области в течение установленного временного интервала.

Степень деформации () (относительные единицы) определяли как отношение исходной высоты спеченного изделия к его конечной высоте после приложения давления в выбранном температурном интервале. Снижение менее 1,18 отн. ед. не обеспечивало необходимого уплотнения изделия, а увеличение более 1,25 отн. ед. приводило к возникновению структурных дефектов за счет разрушения пластинчатых частиц и их поверхностных оксидных пленок.

Охлаждение изделия от температуры T₁ до заданной температуры Т₂ (интервал 590-650°С, то есть 0,89-0,98 от температуры плавления Аl) вели под приложенным давлением со скоростью (₁) 5-10°С/мин.

Это обусловлено необходимостью предупреждения образования микродефектов структуры материала вследствие отличия коэффициентов термического расширения металлической и оксидной фаз (при охлаждении от температуры Т₁ соответствующей твердому состоянию материала), а также вследствие усадочного процесса при кристаллизации расплава (при охлаждении от температуры T₁, соответствующей расплаву). В интервале температур Т₂ охлаждаемый материал существует в твердой фазе и проявляет некоторую пластичность. Поэтому приложенное давление способно обеспечить залечивание дефектов, возникающих из-за действующих внутренних напряжений. Снижение Т₂ менее 590° не возможно, поскольку это приводит к резкому снижению пластичности материала и, как следствие, к возрастанию количества дефектов структуры. Увеличение Т₂ более 650°С не целесообразно, так как не приводит к снижению количества структурных дефектов.

Выбранный интервал скорости охлаждения ₁ лимитируется действующими термическими напряжениями вследствие неравномерного температурного поля от периферии изделия к его центру. Увеличение ₁ более 10°С/мин создает значительные термические напряжения и, как следствие, обуславливает образование поверхностных микротрещин на изделии. Снижение ₁ менее 5°С/мин не целесообразно, так как образования поверхностных микротрещин уже не наблюдается.

Снятие приложенного давления (разгрузка изделия) предупреждает возникновение напряжений в материале при дальнейшем охлаждении до комнатной температуры в температурной области, в которой значительно уменьшается пластичность композита.

Выбранный интервал скорости охлаждения изделия (₂) после его разгрузки также лимитируется возникающими термическими напряжениями. Увеличение ₂ более 4°С/мин приводило к появлению поверхностных термических трещин на изделии, снижение ₂ менее 2,5°С/мин не целесообразно, так как термические трещины не образуются при нижнем значении предела ₂.

Увеличение прочности и плотности композиционного материала, полученного по заявленному способу, в сравнении со способом-прототипом, достигается благодаря возрастанию его контактного сечения, воспринимающего нагрузку, а также нивелированию пор в структуре материала вследствие обработки давлением в выбранном температурном интервале по заданному режиму.

Примеры реализации заявленного способа

Пример 1. Алюминиевый порошок марки ПАП-2 загружали в корундовую емкость и нагревали в сушильном шкафу СНОЛ – 3,5 до температуры 220°C с последующей изотермической выдержкой, равной 3 часам, обеспечивающей полное удаление стеарина с поверхности пластинчатых частиц. После термообработки порошок смешивали с водным раствором жидкого стекла, содержание которого составляло 3 мас.% в пересчете на сухой остаток вещества. Смесь высушивали до полного удаления влаги при температуре 60°С, полученную шихту засыпали в пресс-форму и прессовали заготовку, прикладывая давление 700 МПа. Заготовку помещали в печь и спекали ее путем инициирования процесса СВС за счет нагрева воздушным теплоносителем до температуры 610°C с последующей изотермической выдержкой – 5 час (приведенные выше технологические параметры процесса были выбраны для получения спеченного изделия с максимально возможной плотностью и прочностью в соответствии с прототипом).

После завершения СВС – спекания спеченное изделие охлаждали и помещали в графитовую пресс-форму, на внутреннюю поверхность которой наносили суспензию из нитрида бора для исключения взаимодействия изделия с материалом пресс-формы при нагреве. Фазовый состав (об.%) спеченного материала (по данным РФА) был следующим: Аl-82%, -Al₂O₃ – 9%, – Al₂O₃ – 6%, – Na₂Si₂O₅ – 2%, Si – 1%. Нагрев производили до температуры (T₁) 600°С в вакуумной установке, оснащенной системой нагружения. Затем к изделию прикладывали давление (Р) 12 МПа и выдерживали его в течение времени () – 30 минут до степени деформации () 1,25 отн. ед. Не снимая приложенного давления, производили охлаждение со скоростью (₁) 10°С/мин до температуры (Т₂) 590°С, после чего снимали давление (производили разгрузку изделия) и вели охлаждение до комнатной температуры со скоростью (₂) 4°С/мин. Полученное изделие извлекали из пресс-формы.

Пример 2. Технологические условия изготовления спеченного изделия указаны в примере 1. Спеченное изделие помещали в графитовую пресс-форму и производили нагрев в среде аргона до температуры T₁=688°С. Остальные технологические параметры данного процесса были следующими: Р – 10,5 МПа, – 15 мин, -1,21 отн. ед., Т₂ – 620°С, ₁ – 7,5°С/мин, ₂ – 3,3°С/мин.

Пример 3. Технологические условия изготовления спеченного изделия указаны в примере 1. Спеченное изделие помещали в графитовую пресс-форму и производили нагрев в среде гелия до температуры T₁=775°С. Остальные технологические параметры данного процесса были следующими: Р – 9 МПа, – 1 мин, – 1,18 отн. ед., Т₂ – 650°С, ₁ -5°С/мин, ₂ – 2,5°С/мин.

Результаты испытаний материала, полученного в соответствии с заявленным способом, в сравнении с материалами, изготовленными по способу-аналогу и по способу-прототипу, приведены в таблице. Прочность при растяжении определяли по методике диаметрального сжатия [3] на цилиндрических образцах диаметром 15 мм и высотой 15 мм. Из приведенных данных видно, что материал, полученный по предложенному способу, имеет более высокую прочность и плотность по сравнению с материалом, полученным по способу – прототипу (_р больше в 1,5-2 раза, а плотность выше в 1,13-1,24 раза). Таким образом, техническая задача данного изобретения выполнена – достигнуто увеличение плотности и прочности композиционного материала Al₂O₃-Al.

*T₁ – температура нагрева спеченного изделия;

Р – приложенное давление;

– время выдержки под давлением Р при заданной температуре Т₁;

– степень деформации изделия;

Т₂ – температура, до которой вели охлаждение изделия от температуры T₁ под приложенным давлением Р;

₁ – скорость охлаждения от температуры T₁ до температуры Т₂ под приложенным давлением Р;

₂ – скорость охлаждения от температуры Т₂ до комнатной температуры после снятия давления Р.

Источники информации

1. Патент РФ 2266270 «Способ получения композиционного материала Al₂O₃-Al», C04B 35/65, B22F 3/23, опубл. 20.12.05, бюл. 35.

2. Патент РФ 2319678 «Способ получения композиционного материала Al₂O₃-Al», C04B 35/65, 35/00; B22F 3/23, опубл. 20.03.08, бюл. 8 (прототип).

3. С.М.Баринов, В.Я.Шевченко. Прочность технической керамики. М.: Наука, 1996, 159 с.

Формула изобретения

Способ получения изделия из композиционного материала Аl₂О₃ – Аl, включающий термообработку порошка алюминия с пластинчатой формой частиц на воздухе, приготовление шихты путем его смешивания со связующим компонентом, сушку шихты, прессование заготовки и ее спекание путем инициирования процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза воздушным теплоносителем, отличающийся тем, что спеченное изделие помещают в пресс-форму, производят нагрев до температуры 600-775°С и прикладывают давление 9-12 МПа, выдерживая в течение 1-30 мин до степени деформации изделия 1,18-1,25, определяемой как отношение его исходной высоты к конечной высоте, затем изделие охлаждают со скоростью 5-10°С/мин до температуры 590-650°С под приложенным давлением, снимают давление и ведут охлаждение до комнатной температуры со скоростью 2,5-4°С/мин.