Способ изготовления многослойных материалов

 

Область применения: изготовление антифрикционных, фрикционных и других изделий из многослойных материалов. На компактную основу наносят промежуточный слой путем свободной насыпки металлического порошка со средним размером частиц 50 - 400 мкм, припекают и напрессовывают порошковый слой. В качестве материала промежуточного слоя выбирают материал или сплав, обладающий диффузионной связью с материалом основы и порошкового слоя. 2 табл.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам изготовления композиционных материалов. Способ может найти применение в машиностроении, автомобилестроении, тракторостроении и других отраслях промышленности при изготовлении антифрикционных, фрикционных и других изделий из многослойных материалов.

Известны способы изготовления биметаллических материалов, включающие приготовление шихты, нанесение шихты на стальную основу, спекание и пропитку [1] .

Известны также способы изготовления композиционных материалов путем подготовки стальной основы, приготовления шихты, нанесения шихты на стальную основу, пропитки и спекания [2] .

Известны также способы изготовления многослойных материалов путем формования рабочего слоя, спекания и сварки со стальной основой с помощью тонкой фольги из бронзы [3] .

Способы изготовления многослойных материалов трудоемки, требуют применения специального технологического оборудования, имеют малую производительность и большую длительность изготовления, а также не обеспечивают стабильности прочностных свойств в местах контакта составных частей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ, включающий формование порошковой части, нанесение на компактную металлическую часть промежуточного слоя в виде шликера, сборку путем прикладывания порошковой части к компактной через шликер и совместное спекание (а. с. СССР N 1540944, кл. В 22 F 7/04, 1990).

Недостатком известного способа является относительно низкая стабильность величины силы сцепления составных частей многослойных материалов.

Целью изобретения является повышение стабильности величины силы сцепления порошковой и компактной частей многослойных материалов.

Цель достигается тем, что в известном способе, включающем формование порошковой части, нанесение на компактную металлическую часть промежуточного слоя, сборку и совместное спекание, в качестве промежуточного слоя используют металлический порошок со средним размером частиц 50-400 мкм, диффузионно связывающийся с материалами компактной и порошковой частей, который после нанесения методом свободной насыпки припекают к компактной части, а сборку проводят на стадии формования порошковой части.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "Новизна". При изучении других технологических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "Существенные отличия".

Способ осуществляют следующим образом.

На компактную металлическую часть наносят методом свободной насыпки металлический порошок, который служит промежуточным слоем. Средний размер частиц порошка должен составлять 50-400 мкм. Толщина наносимого слоя в зависимости от необходимости может колебаться в пределах от 1 до 4 средних размеров частиц порошка. В качестве материала порошка выбирают обязательно материал, диффузионно связывающийся как с материалом компактной, так и с материалом порошковой частей. Причем температура плавления материала промежуточного слоя должна быть выше температуры спекания материала порошковой части. Затем проводят припекание нанесенного металлического порошка к компактной металлической части в защитной атмосфере при температурах, обеспечивающих прочное соединение частиц порошка с компактной частью, но без оплавления, так как в этом случае не будет требуемого рельефа поверхности для получения прочного соединения составных частей многослойного материала. После припекания порошка проводят напрессовывание порошковой части на компактную металлическую часть со стороны промежуточного слоя. Полученную заготовку спекают в защитной атмосфере. При необходимости после спекания проводят повторное прессование или холодную штамповку, или горячую штамповку, или другие дополнительные операции, однако эти операции не влияют на повышение стабильности величины силы сцепления слоев, а служат для получения более высоких физико-механических свойств.

Экспериментально установлено, что наибольшая стабильность величины силы сцепления слоев обеспечивается при использовании промежуточного слоя из металлического порошка со средним размером частиц в пределах 50-400 мкм. При уменьшении или увеличении среднего размера частиц промежуточного слоя стабильность величины силы сцепления слоев снижается и, кроме того, снижается прочность соединения слоев. Это объясняется тем, что очень мелкий порошок (менее 50 мкм) не обеспечивает достаточно прочного сцепления порошковой части с промежуточным слоем из-за относительно гладкого рельефа поверхности, а очень крупные (более 400 мкм) не позволяют получать достаточную величину свободной поверхностной энергии, что также снижает прочность соединения.

По описанному способу изготавливали фрикционный материал для сухого трения (примеры 1-5), антифрикционный материал (примеры 6-10) и материал для оснований транзисторов (примеры 11-15). Полученные материалы подвергали испытанию на отрыв слоев. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

П р и м е р ы 1-5. На металлический лист из стали 65Г наносили свободной засыпкой железный порошок, содержащий 10% медного порошка. Средний размер частиц составлял 20, 50, 250, 400 и 600 мкм. Затем проводили припекание порошка к стали в атмосфере диссоциированного аммиака при 1150^оС в течение 2 ч, напрессовывали фрикционный материал (состав: 48% железного порошка, 20% медного; 6,5% порошка марганца; 4% дисульфида молибдена; 6,5% нитрида бора; 10% карбида бора и 3,5% карбида кремния) при давлении 100 МПа и спекали при 1020^оС в атмосфере диссоциированного аммиака.

П р и м е р ы 6-10. На заготовку из стали 45 наносили бронзовый порошок (состав: 90% меди и 10% олова). Средний размер частиц соответствовал значениям примеров 1-5. Припекание проводили в атмосфере диссоциированного аммиака при 830^оС. Напрессовывание антифрикционного слоя (состав: 87% порошка меди, 9% олова и 4% графита) осуществлялось при давлении 150 МПа, а спекание - при температуре 820^оС в атмосфере эндогаза.

П р и м е р ы 11-15. На молибденовый лист, покрытый никелем, наносили порошок меди. Средний размер частиц соответствовал значениям примеров 1-5. Затем проводили припекание порошка к молибденовой заготовке при 1000^оС в атмосфере эндогаза, напрессовывали медный порошок марки МПС-1 при давлении 150 МПа и спекали при 1000^оС в атмосфере эндогаза.

Аналогичные примерам 1-15 изделия изготавливали по способу-прототипу. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Стабильность величины силы сцепления слоев определялась по величине дисперсии значений, полученных в результате испытаний D= где n - количество опытов; х_i - текущее значение величины силы сцепления; - среднее значение величины силы сцепления.

Как видно из примеров 1-15 (табл. 1), наименьшие значения дисперсии получены при использовании порошков со средним размером частиц от 50 до 400 мкм и составляют 3,6-4,4 для материала примеров 2-4; 3,6-5,2 - для материала примеров 7-9; 2,9-3,3 - для материала примеров 12-14. Дисперсия же величины силы сцепления для многослойных материалов, изготовленных по способу-прототипу, соответственно составляет 6,9; 8,1 и 6,0.

Для выявления эффективности предлагаемого способа проводили сравнение дисперсий (Д) по критерию Фишера. Полученные значения отношений дисперсий (табл. 2) позволяют утверждать, что предлагаемый способ повышает стабильность величины силы сцепления соединяемых материалов, причем для данной экспериментальной выборки это различие статистически значимо с вероятностью более 75% .

Таким образом, применение предлагаемого способа для изготовления многослойных материалов по сравнению с прототипом позволяет снизить дисперсию в 1,6-2,2 раза, т. е. значительно повысить стабильность величины силы сцепления порошковой и компактной частей.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий нанесение на компактную металлическую основу промежуточного слоя, нанесение на промежуточный слой порошкового слоя и совместное спекание, отличающийся тем, что промежуточный слой наносят путем свободной насыпки металлического порошка со средним размером частиц 50 - 400 мкм и последующего припекания, причем в качестве материала промежуточного слоя выбирают металл или сплав, обладающий диффузионной связью с материалом основы и порошкового слоя, а порошковый слой наносят напрессовкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1