Способ получения дисперсно-упрочненного материала

 

Использование в порошковой металлургии, а именно для получения сплавов путем горячего прессования порошков с добавлением в металлическую матрицу мелкодисперсных частиц. Сущность изобретения: использование в качестве упрочняющей фазы ультрадисперсного алмаза (УДА) с высокоразвитой удельной поверхностью, ввод и смешение которого с упрочняемой фазой металла проводят в механическом активаторе. Применение упьтрадисперсного алмаза в качестве дисперсноупрочняющей фазы стало возможным лишь в настоящее время в связи с разработкой промышленной технологии и получения высокочистого УДА Получен упрочненный металл (алюминий) с повышенными механическими характеристиками и сохранены его ковкость, пластичность, легкость. Простота технологического процесса и использование отечественного оборудования для получения упрочненного металла позволяет сделать заключение о перспективном развитии данного направления и широкого внедрения нового материала в промышленность . 2таба

(19) ЩЯ (11) (51) 5 В 161 00

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам

OIINCAHHE ИЗОБРЕТЕН ф - внц

К ПАТЕНТУ 1 Т

ЬЭ

СР

Ю

W 1

OO (21) 5016249/02. (22) 11.1 291 (46) 30.1 0.93 Бюл. Йя Э9-40 (71) Научно-производственное объединение

"Алтай" (72) Кожарский С.П„. Комаров В.Ф„Потапов МГ„

Петров ЕА; Попов АН.; Сакович Г.В„ Шалюта ВН (73) Научно-производственное объединение

"Алтай" (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННОГО МАТЕРИАЛА (57) Использование в порошковой металлурги) а именно дпя получения сплавов пием горячего прессования порошков с добавлением в металлическую матрицу мелкодисперсных частиц. Сущность изобретенил: использование в качестве упрочняющей фазы ультрадисперсного алмаза (УДА) с высокоразвитой удельной поверхностью, ввод и смешение которого с упрочняемой фазой метатаа проводят в механическом активаторе. Применение упьтрадисперсного алмаза в качестве дисперсноулрочнякхцей фазы стало возможным лишь в настоящее время в связи с разработкой промышленной технологии и получения высокочистого УДА

Получен упрочненный металл (ал)оминий) с повышенными механическими характеристиками и сохранены его ковкость, пластичность, легкость

Простота технологического процесса и использование отечественного оборудования для получения улрочненного металла позволяет сделать заключение о перспективном развитии данного направления и широкого внедрения нового материала в промышленность 2 табл.

2001718

Изобретение относится к порошковой металлургии. а именно к сплавам модификации металлов, получаемых путем горячего прессования порошков с добавлением в металлическую матрицу мелкодисперсных частиц. Данное изобретение может быть использовано для дисперсного упрочнения металла, работающего в условиях с повышенными техническими нагрузками и требующего высокой прочности.

Известны различные сплавы и композиты, например, на алюминиевой основе, как высокопрочные легкие материалы, обладающие высокой стабильностью своих характеристик и легкостью изготовления.

Необходимые свойства композитов могут быть достигнуты путем выбора модификатора (армирующего вещества, добавок), его размера и количества. Типичными армирующими веществами могут быть: графит, карбид кремния, окись алюминия, карбид бора, нитрид бора. Армирующее вещество может быть в форме дискретных частиц с размерами 1-200 мкм, нитей диаметром 1 мкм и длиной 10 — 80 мкм и любой другой формы и размеров. Алюминиевые композиты изготавливают путем отливки и с помощью порошковой металлургии и прессованием.

Из описанных в литературе порошковых алюминиевых сплавов наиболее близок к заявляемому сплав типа САП (спеченный алюминиевый порошок). Одним иэ методов усовершенствования порошковых сплавов является обработка порошков в аттриторах, а также механических смесителях типа шаровых мельниц. Перед спеканием порошок подвергают размолу с целью внедрения в матрицу дисперсных частиц и получения с частицами требуемых размеров и формы, Одной из особенностей получения таких материалов является введение дисперсных материалов, не растворяющихся при спекании и эксплуатации. Характерной особенностью в них является наличие в металлической основе тонкодисперсных включений — фазы-упрочнителя, равномерно распределенных между частицами металла и химически инертных к ним, Наиболее эффективное упрочнение обеспечивается при содержании упрочняющей фазы 3-157; (объемного), размера ее частиц до

1 мкм (лучше 0,01-0,05 мкм). Это объясняется тем, что при наличии в матрице частиц второй фазы скольжение дислокаций в зернах металла становится возможным лишь при больших напряжениях. подвижность границ этих зерен блокируется, а рост зерен затормаживается практически до температуры плавления матрицы. К упрочняющим

55 фазам можно отнести оксиды, карбиды, нитриды металлов, тугоплавкие металлы и др.

Допускаемое объемное содержание упрочняющей фазы определяется технологическими воэможностями получения равномерного распределения ее частиц выбранной дисперсии. Способ введения частиц фазы упрочнителя в матрицу зависит от выбора типа структуры дисперсно-упрочненного материала.

При создании дисперсно-упрочненного материала к фазе-упрочнителю предъявляют следующие требования: высокая термодинамическая прочность. малая скорость диффузии компонентов фазы в матрицу металла и малая растворимость в ней, высокая чистота и большая суммарная (удельная) поверхность частиц дисперсной фазы. К упрочняющим фазам с такими свойствами можно отнести оксиды, карбиды, нитриды, некоторые металлы и интерметаллы. Все они объединены тем, что могут иметь размер частиц (порошок) до 1 мкм, высокую микротвердость 10-49 ГПа, Одним из дисперсно-упрочняемых металлов является алюминий. Упрочненный алюминий получают из порошка алюминия марки АПС. В качестве упрочняющей фазы используется оксид алюминия А120э. содержание которого в различных марках находится в пределах (6 — 17)7;. Размер частиц порошка алюминия 2 мкм и более.

Для получения изделия иэ порошка алюминия необходимо провести следующие технологические операции:

1. Подготовка и прессование порошка.

Для проведения прессования при оптимальных режимах, получения брикетов или заготовок под дальнейшее спекание необходима в ряде случаев предварительная подготовка порошков: смешение, просеивание, размол и т,д., которые выполняются на заводах изготовителях порошков.

Для прессования порошок помещают в пресс-форму и подвергают сжатию, В результате чего он деформируется, уменьшается в объеме, формирует свои размеры и свойатва. Материал при прессовании уплотняется, происходит смещение отдельных частиц, заполнение пустот, происходит пластическая деформация.

2. Спекание.

Спеканию подвергаются спрессованные брикеты (или заготовки) для получения ими требуемых физико-механических свойств. Характерной особенностью спекания является то, что оно осуществляется беэ расплавления основного компонента при

Т = 0.7- 0.9Тп; основной фазы. (О.В,Роман, 2001718

И.П.Габриелов. Справочник по порошковой металлургии. Минск:.Беларусь, 1988).

Т.к. в патентной и научно-информационной литературе нетдэнныхнадисперсноу роч не н н ые материал ы и их свойств, полученные путем использования методов порошковой металлургии, то эа прототип взят материал, полученный нами по вышеприведенной методике. В качествеупрочняющего материала взят алюминий, порошок

АСД с размером зерна 2-5 мкм, а в качестве упрочняющей фазы дисперсный AI20a с размером зерна 0.1-5 мкм. Количество Alga взято 1,5-2,5 от АСД. Полученный спеченный алюминий имеет следующие основные характеристики: микротвердость по Викерсу, HV, ГПа 0,50 твердость по Бринелю, НВ, ГПэ 0,475

Полученные спеки обладают пластичностью и могут подвергаться ковке и штамповке.

Однако при сравнении с известными марками алюминия (по прочностным характеристикам) Д-16, АМЦ. а также со спеченным по аналогичной методике чистым порошком

АСД, полученный дисперсно-упрочненный алюминий имеет худшие характеристики, Результаты приведены в табл. 1.

Следовательно. существующий в порошковой металлургии способ получения дисперсно-упрочняющего материала не всегда позволяет получить положительные результаты, применяя в качестве фазы упрочнителя, мапример. AI20a и общеизвестную технологию.

Целью изобретения является разработка способа, позволяющего повысить прочностные характеристики основной фазы металла эа счет дисперсной фазы упрочнителя.

В известном способе дисперсного упрочнения металла. заключающемся в подготовке порошков, прессовании и спекании, в качестве дисперсной фазы упрочнителя применяют ультрадисперсный алмаз с удельной поверхностью 300-400 м /г в количестве

1,5-2,5;(, от упрочняемой фазы металла, ввод и смешение которого проводят в ма ханическом активаторе в среде аргона в течение 3-6 мин. Ультрадисперсный алмаз (УДА), используемый для упрочмения металла, имеет следующие характеристики: о средний размер частиц, А 50 удельная поверхность, м /r 300-400 температура графитизации, С 700-1000 (в зависимости от технологии прессования) 5

Алмаз — самый твердый иэ известных материалов. а также обладает самой высокой теплопроводностью и др. характеристиками, позволяющими его широко использовать в качестве инструмента при обработке твердых и сверхтвердых материалов. По литературным данным алмаз является нейтральным к металлам и не растворим во многих из них. Исходя из изложенного, УДА обладает значительным преимуществом по сравнению с другими дисперсными материалами, используемыми для упрочмения металлов в порошковой металлургии. Наиболее целесообразно его испольэовать для металлов с температурой плавления не более температуры окисления (графитизации) УДА. Известно, что несовершенства кристаллической решетки (наличие дислокаций, дефектов) приводит к аффекту упрочнения, т.е. материалы с высокой плотностью дефектов имеют повышенную прочность. Поэтому проблема получения материалов с высокими физико-механическими свойствами может быть решена при использовании улътрадисперсных частиц о (размер 10-100 А) с высокоразвитой удельной поверхностью (300-400 м /г). Использование УДА для компактирования как раэ и ведет к получению материала с высокой плотностью дефектов, э следовательно с повышенными прочностными характеристиками. Для равномерного смешения порошков, как указывалось выше, использовался механический активатор. Механический активатор в данном случае выполняет две функции:

1. Т.к. УДА иэ-эа своей ультрадисперсности имеет сильно развитую активную поверхность, то частицы УДА окружены как бы

"шубой", состоящей из окислов. солей, радикалов и др. элементов. Поэтому УДА плохо прессуется. Обрабатывая УДА и упрочняемый металл в механическом активаторе в инертном газе (в данном случае— аргон) эа счет механохимических реакций, проходящих во время активации, происходит "сьем" "шубы" и очищение УДА.

2, После прохождения механохимических реакций происходит равномерное перемешивание составляющих порошков: фазы упрочнителя — УДА и упрочняющего металла. Благодаря своей высокой реакционной активности происходит равномерное смешение порошков и их конгломерация до размеров 100 мкм. Порошок с такой фракцией хорошо компактируется (прессуется) и спекается, В качестве упрочняемого выбран металл, матрица которого подлежит упрочнению — Al. Благодаря своим характеристи2001718 б — 8

1 кам, таким как легкость, ковкость. большая теплопроводность, прочность и коррозионная стойкость и др.. он является незаменимым материалом в электронной технике, самолетостроении, машиностроении, строительстве и т.д.

Температура плавления Al равна T«650 С, что значительно ниже температуры графитизации алмаза (УДА), алмаз (УДА) не растворим в Al. Пределы его растворимости точно не установлены, однако есть данные, что они значительно меньше сотых долей процента.

Следовательно, металлическая матрица

Al является наиболее подходящей для упрочнения ультрадисперсным алмазом—

УДА. Для получения упрочненного А! применялся алюминиевый порошок марки АСД с размером зерна 1-5 мкм.

Перед прессованием и спеканием проводилась специальная механическая обработка АСД и УДА в механическом активаторе. Механическая активация проводилась при следующих условиях: ускорение контейнера, м с2 60q объем камеры контейHåðà. см 8300 масса загрузки порошка, г 30-50 размер металлических шаров в контейнере — d, мм масса загрузки шаров, кг время обработки порошка в механическом активаторе, мин 3 — 6

Механическая активация и разгрузка контейнера проводились в среде инертных газов — аргона. Условия, при которых велась механическая активация, оптимальные.

При. нарушении одного или нескольких параметров, приведенных выше, приводило к тому, что полученный порошок для спекания окислялся, раэмазывался по стенкам контейнера и шарам, не брикетировался. Использование механического активатора для смешения А!гОэ с АСД не дало положительных результатов по вышеприведенной методике.

После обработки в механическом активаторе проводилась нормализация порошка при Т 250-300 С в течение 1 ч, Для получения упрочненного материала (Al) количество

УДА составляло 0,5-1,07,, 1,5-2,5, 10%, 20,ф от массы порошка алюминия (АСД), Полученная смесь порошков по вышеприведенной технологии засыпалась в пресс-форму и брикетировалась на гидравлическом прессе при давлении Р 0,45 ГПа.

После брикетирования проводилось спекание при следующих параметрах:

55 давление спекания. ГПа 1.0 время спекания, t ìèí 5 температура спекаTîС 550-600

Полученный, упрочненный ультрадисперсным алмазом, алюминий, а также Al +

AlzOg и чистый алюминий подвергались исследованию электронной микроскопии, рентгенофаэовому анализу, определению твердости и л икротвердости.

Результаты измерений представлены в табл. 2.

Анализ результатов исследования показал принципиальное различие полученных спеков, приведенных как в табл. 1, так и в табл, 2, Иэ дисперсно-упрочненного Al наилучшие характеристики имеет спoo.x c

1,5-2,5 содержанием УДА, хотя при увеличении содержания УДА увеличивается твердость и микротвердость, однако такой материал уже становится не пластичным, хрупким, что не позволяет его испольэовать как алюминиевые сплавы, которые обладают хорошей пластичностью, ковкостью. Поэтому наиболее оптимальным выбрано

1,5-2,5 содержания УДА, как упрочняющей фазы алюминия. По сравнению с результатами измерений известными алюминиевыми сплавами и спеками АСД и

1,5-2,5 А! Оз+АСД полученныйупрочненный с использованием УДА алюминий имеет явные преимущества, более однородную и тонкую структуру, оставаясь в то же время пластичным материалом. Рентгенофаэовый анализ полученного упрочненного алюминия УДА показал наличие фазы алмаза в решетке Al. Применение УДА в качестве дисперсно-упрочняющей фазы стало возможным лишь в настоящее время в связи с разработкой промышленной технологии и получения высокочистого УДА, Получен упрочненный алюминий с повышенными механическими характеристиками, а также при малом содержании УДА—

1,5-2,5" сохранены его ковкость, пластичность, легкость. Используя методы порошковой металлургии, можно изготавливать из него различные узлы и детали для автомобилестроения и самолетостроения, электротехники и строительства, космической техники, где необходима высокая прочность и износостойкость. Применяя различную пресс-оснастку иэ упрочненного алюминия. можно спекать узлы и детали с минимальной механической доработкой.

T.к, полученный алюминий при малом содержании УДА ковкий и пластичный, из спеченных брикетов можно путем штамповки и прокаткой получать изделия со сложной конфигурацией и профилем. Анализ уровня

2001718

10 патентно-технической литературы показал новизну предлагаемого решения. Использование УДА для упрочнения металлов является новым направлением в порошковой металлургии и в настоящее время нет тако- S вого для решения данного вопроса.

Техническое решение представленного изобретения для специалистов явным образом не следует из развития техники, техническое решение обладает изобрета- 10 тельским уровнем.

Таблица 1

Таблица 2 упрочняющей фазы используют ультрадисперсный алмаз с удельной поверхностью

300- 400 м /г в количестве 1,5- 25$ от порошка металла, а смешивание порошков проводят s механическом активаторе в, среде аргона в течение 3 - 6 мин.

Составитель Г. Сакович

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор М. Максимишинец

Редактор С. Кулакова

Заказ 3144

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-З5, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННОГО МАТЕРИАЛА преимущественно на основе алюминия, включающий смешивание порошков металла и упрочняющей фазы, прессование и спекание, отличающийся тем, что в качестве

Простота технологического процесса и использование отечественного оборудования для получения упрочненного металла позволяет сделать заключение о перспективном развитии данного направления и широкого внедрения нового материала в

ApOMblLUëåHí0ñTü. (56) Кипарисов С.С. и Либенсон Г,А, Порошковая металлургия. М.; Металлургия, 1972, с. 504, 505,