Способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано во многих отраслях промышленности /строительство, авиация, автомобилестроение, лифтостроение и т.д./, в областях, в которых требуется сочетание таких свойств полуфабрикатов как легкость, плавучесть, негорючесть, хорошая тепловая и звуковая защита, экологическая чистота материала. Сущность способа: проводят смешивание порошков алюминиевых сплавов с порошками порофоров, засыпку полученной смеси и емкость, нагрев емкости в с порошковой смесью и горячее прессование смеси в плотную заготовку, горячую деформацию заготовки, ее охлаждение и последующую термообработку. Согласно изобретению смешивание порошков алюминиевых сплавов ведут с порошками порофоров с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса порошка алюминиевого сплава, засыпку смеси осуществляют в неразборную емкость из алюминиевого сплава, нагрев неразборной емкости со смесью порошков производят перед ее прессованием до температуры ниже температуры солидуса порошка алюминиевого сплава с последующим прессованием при этой температуре порошковой смеси в плотную заготовку, перед термообработкой заготовку помещают в форму из материала, химически не взаимодействующего с материалом заготовки и сохраняющей геометрию и размеры при температуре термообработки.

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано во многих отраслях промышленности (строительство, авиация, автомобилестроение, лифтостроение и т.д.), в областях, в которых требуется сочетание таких свойств полуфабрикатов, как легкость, негорючесть, хорошая тепловая и звуковая защита, экологическая чистота материала.

Известен способ получения пористых полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, называемых в литературе пеноалюминием, включающем в себя приготовление расплава, введение в него веществ, повышающих его вязкость, например CaO, затем введение в расплав вещества, содержащего большое количество газа, например, T₁H₂ и литье вспененного расплава. Из полученной литой пористой заготовки производят полуфабрикат с плотностью (0,5-1) г/см³ (см. Eiichi Tshii, Nasao Itoh, Yoshitaka Morisawa "Производство пеноалюминия ALPORAS и применение его для контроля шума", Journal Research and Development, 1991, т. 41, N 2, стр. 59-61).

Недостатком существующего способа является наличие анизотропии физико-механических свойств получаемых пористых полуфабрикатов. Эта анизотропия обусловлена тем, что процесс равномерного распределения замешиваемого в расплав вещества, содержащего газ (в дальнейшем тексте называемый порофором) по всему объему трудноосуществим и, главное, не поддается контролю.

Известен способ получения пористых полуфабрикатов из порошков сплавов на основе меди и алюминия, включающий смешивание порошка сплава с порофором, засыпку полученной смеси в разборную емкость (пресс-форму), нагрев пресс-формы со смесью с одновременным приложением давления, при котором не происходит разложение порофора, охлаждение с одновременным снятием давления, разборку пресс-формы с последующим выталкиванием из нее плотной заготовки, которую затем сразу термообрабатывают для получения в ней пористости или предварительно подвергают горячей деформации перед термообработкой ( патент ФРГ N 4101630, М. Кл. 5 B 22 F 3/18, B 22 F 3/24, 1991, прототип).

Недостатком известного способа является узкая номенклатура полученных полуфабрикатов как по размеру, так и по форме, так как этот способ дает возможность получать плотную заготовку только круглой формы, небольшой массы (до 2-5 кг), и низкая производительность технологического процесса получения плотной заготовки из-за длительного времени процесса спекания порошковой массы. Поэтому плотную заготовку диаметром более 100 мм известным способом производить экономически невыгодно, так как длительность спекания становится больше 30 мин и с увеличением размеров время спекания растет в геометрической прогрессии, что приводит к резкому росту энергозатрат. Известный способ используют для получения мелких деталей для часовой промышленности, подшипников и т.д.

Предлагаемый способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов с порофорами, температура разложения которых превышает температуру солидуса-ликвидуса алюминиевого сплава. Полученную смесь засыпают в неразборную емкость из алюминиевого сплава и нагревают перед прессованием плотной заготовки до температуры ниже температуры солидуса порошка алюминиевого сплава и с этой температуры прессуют смесь в плотную заготовку. Плотную горячую заготовку деформируют, охлаждают и помещают в форму из материала, сохраняющую ее геометрию и размеры при температуре термообработки плотной заготовки и при этой температуре, не взаимодействующей с плотной заготовкой. После размещения плотной заготовки в форме ее термообрабатывают.

Отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что смешивание порошков алюминиевых сплавов ведут с порофорами с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса порошка алюминиевого сплава, засыпку смеси осуществляют в неразборную емкость из алюминиевого сплава, а нагрев неразборной емкости со смесью порошков производят перед ее прессованием до температуры ниже температуры солидуса порошка алюминиевого сплава с последующем прессованием при этой температуре в плотную заготовку, перед термообработкой заготовку помещают в форму из материала, химически не взаимодействующего с материалом заготовки, сохраняющую геометрию и размеры при температуре термообработки.

Техническим результатом предлагаемого способа является расширение номенклатуры и размера получаемых полуфабрикатов, а также повышение производительности труда.

Предлагаемый способ позволяет проводить процесс как с монолитной заготовкой (горячее прессование, прокатку, штамповку, термообработку и т.д.). Поэтому при горячем деформировании появляются кроме сил сжатия сдвиговые усилия, дробящие окисные пленки, покрывающие частицы порошком алюминиевых сплавов, обнажая неокисленные участки поверхности частиц и, тем самым, ускоряя процесс диффузии элементов по телу частиц.

Гомогенная плотная структура заготовки получается в считанные минуты, так как уже не диффузионные процессы спекания являются лимитирующей стадией, а усилие и скорость деформации, при которых происходит разрыв окисных пленок и уплотнение смеси порошков. Все это позволяет получать полуфабрикаты любой формы и массы, т.е. практически весь ассортимент изделий из деформируемых алюминиевых сплавов и резко повысить производительность труда.

Применение температурного режима нагрева неразборной емкости со смесью порошков выше предлагаемого способа не дает возможности получить после горячего прессования плотную заготовку с однородными физико-механическими свойствами как по длине, так и по ее сечению. Это обусловлено тем, что при нагреве выше температуры солидуса происходит образование жидкой фазы порошка алюминиевого сплава, которая не сжимается, и тем самым нарушит при прессовании смеси порошков их исходную однородную структуру, достигнутую при смешивании.

Применение порофора с температурой разложения ниже температуры по предлагаемому способу не дает возможности получить заготовку с наружной плотностью, так как в этом случае заготовка твердая, имеет достаточную прочность, поэтому выделяющийся при разложении порофора газ не образует внутренние поры, а диффундирует по границам зерен, частиц и уходит в окружающую атмосферу.

Предлагаемый способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов был опробован на порошках алюминиевых сплавов и двух порофорах.

Пример 1.

Порошок алюминиевого сплава марки 01959 (T_s 530^oC, T_l 630^oC) в количестве 108 кг смешали с 12 кг порофора CaCo₃ (T разложения 720^oC), засыпали в неразборную капсулу диаметром 290 мм, высотой 1100 мм, которая была изготовлена из алюминиевого сплава АД31. Капсулу нагрели до температуры 520^oC и спрессовали в плотную заготовку при этой температуре на прессе усилием 50 МН, используя глухую матрицу. Время прессования, т.е. получения заготовки с плотностью 95^oC99% отн. составило 2 мин. Заменили глухую матрицу на матрицу для прессования полосы 40х250 мм и отпрессовали ее. После охлаждения полосы разметили ее на мерные заготовки длиной 1100 мм, получили 4 заготовки размером 40х250х1100 мм. Заготовки нагрели до температуры 520^oC и на стене "трио" прокатали на листы толщиной 6 мм. Получили 4 листа размером 6х1100х1660 мм. Листы положили в поддоны, изготовленные из нержавеющей стали и термообработали при T 720^oC. Толщина полученных пористых листов составила 23 мм, соответственно плотность пористого алюминиевого полуфабриката 0,75 г/см³. Каждый лист после термообработки подвергли горячей деформации со степенью обжатия 2% Плотность листа увеличилась на 0,15 г/см³ и составила 0,765 г/см³, размеры листа 23х1100х1060 мм, масса каждого листа 30 кг.

После горячей деформации качество листов по шероховатости и коробоватости соответствовало ГОСТ 21631-76 "Листы из алюминиевых сплавов". Пористые листы использовали как негорючие, звукоизолирующие перегородки. Время получения 1 кг плотной заготовки составило 72 мин/120 кг 1 секунда, т.е. производительность труда на этой технологической стадии возросла в 750 раз по сравнению с прототипом.

Пример 2.

Порошок алюминиевого сплава марки 1209 (T_s 550^oC, T_l 630^oC) в количестве 225 кг смешали с 25 кг порошка порофора T₁H₂ (T разложения 690^oC), засыпали в неразборную капсулу диаметром 430 мм, высотой 1100 мм, которая была изготовлена из алюминиевого сплава марки АД31. Капсулу нагрели до температуры 540^oC и спрессовали в плотную заготовку при этой температуре на прессе усилием 80 МН, используя глухую матрицу. Время прессования, т.е. получения заготовки с плотностью 95-99% отн составило 3 мин. Сняли глухую матрицу и поставили матрицу для прессования прутка диаметром 30 мм. Получили пруток длиной 4230 мм. После охлаждения пруток разметили на мерные заготовки длиной 200 мм каждая. Получили 21 заготовку, каждую из них поместили в цилиндрическую форму из алунда диаметром 30 мм и высотой 250 мм, термообработали при T 700^oC в течение 22 мин, охладили и вынули из формы. Получили 21 цилиндр диаметром 300 мм, высотой 200 мм, плотностью 0,35 г/см³, массой 23 кг каждый. Исследовали как приспособление для плавсредств. Время получения 1 кг плотной заготовки составило , т.е. производительность труда на этой технологической стадии возросла в 1071 раз по сравнению с прототипом.

Пример 3.

Порошок алюминиевого сплава марки 1209 (T_s 550^oC, T_l 630^oC) в количестве 108 кг смешали с 12 кг порофора CaCo₃ (T разложения 720^oC), засыпали в неразборную капсулу диаметром 290 мм, высотой 110 мм, которая была изготовлена из сплава марки АМг2, капсулу нагрели до температуры 530^oC и спрессовали в плотную заготовку при этой температуре на прессе усилием 50 МН, используя глухую матрицу. Время прессования, т.е. время получения заготовки с плотностью 95-99% отн составило 1,5 мин. Сняли глухую матрицу, поставили вместо нее матрицу для прессования трубы с толщиной стенки 5 мм и наружным диаметром 100 мм и отпрессовали трубу длиной 6300 мм. После охлаждения внутри трубы поместили стержень диаметром 90 мм, длиной 6500 мм, изготовленного из нержавеющей стали, эту сборку поместили в трубу из нержавеющей стали с внутренним диаметром 250 мм, всю сборку термообработали при T 720^oC в течение 12 мин. После термообработки и охлаждения вынули стержень и сняли наружную трубу. Полученная пористая труба имела плотность 0,44 г/см³, массу 135 кг, наружный диаметр 250 мм, внутренний диаметр 90 мм, толщину стенки 80 мм, длину 6300 мм. Использовали как теплоизоляцию при подаче горячих жидкостей и пара. Время получения 1 кг плотной заготовки составило с, т.е. производительность труда на этой технологической стадии возросла в 1000 раз по сравнению с прототипом.

Пример 4 (способ-прототип).

Порошок алюминиевого сплава марки 01959 (T_s 530^oC, T_l 630^oC) в количестве 2 кг смешали с 200 г порофора CaCo₃ (T разложения 720^oC), собрали пресс-форму, поставили ее на стол пресса, засыпали в нее смесь порошков, подали давление 60 МРа и начали нагревать до температуры 730^oC, при достижении этой температуры выдержали 25 мин, затем сняли давление и одновременно выключили нагрев. Через 2 ч пресс-форма вместе с плотной заготовкой остыли, пресс-форму разобрали, вытолкнули из пресс-формы заготовку плотностью 95-99% отн диаметром 90 мм, высотой 116 мм, полученную заготовку термообработали при температуре 800^oC и получили пористый цилиндр плотностью 0,5 г/см³, высотой 691 мм, диаметром 90 мм. Время получения 1 кг плотной заготовки составило или 750 с.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет расширить номенклатуру получаемых полуфабрикатов из алюминиевых сплавов как по геометрической форме (круглые, прямоугольные и сложной конфигурации), так и по массе, и повысить производительность труда в 700 и более раз.

Формула изобретения

Способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков алюминиевых сплавов с порофорами, засыпку полученной смеси в емкость, нагрев емкости с порошковой смесью, горячее прессование смеси в плотную заготовку, горячую деформацию полученной заготовки, ее охлаждение и последующую термообработку, отличающийся тем, что смешивание порошков алюминиевых сплавов ведут с порофорами с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса порошка алюминиевого сплава, засыпку смеси осуществляют в неразборную емкость из алюминиевого сплава, а нагрев неразборной емкости со смесью порошков производят перед ее прессованием до температуры ниже температуры солидуса порошка алюминиевого сплава с последующим прессованием при этой температуре в плотную заготовку, перед термообработкой заготовку помещают в форму из материала, химически не взаимодействующего с материалом заготовки, сохраняющую геометрию и размеры при температуре термообработки.