Способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано в строительстве, авиации, автомобилестроении, лифтостроении и т. д. Способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов включает смешивание порошков алюминиевого сплава с порофором, засыпку полученной смеси в емкость, холодное прессование, нагрев полученной заготовки до температуры на 10-20^oС ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтектики материала заготовки, горячую деформацию с последующим размещением заготовки в форму, высокотемпературную термообработку с последующим охлаждением до температуры 300-450°С и обработку поверхности полученного пористого полуфабриката. Способ позволяет расширить номенклатуру получаемых пористых полуфабрикатов, повысить выход годного, производительность труда и снизить энергоемкость процесса. 8 з. п.ф-лы.

Предлагаемое изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано в строительстве, авиации, автомобилестроении, лифтостроении и т.д., т.е. в областях, в которых требуется сочетание свойств полуфабрикатов, как легкость, плавучесть, негорючесть, тепловая и звуковая защита, а также экологическая чистота материала.

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 разложения порофора, охлаждение с одновременным снятием давления, разборку пресс-формы, термообработку полученной плотной заготовки для получения в ней пористости (патент ФРГ N 4101630, B 22 F 3/18, 3/24, 1991 г.).

Недостатком этого способа является узкая номенклатура получаемых полуфабрикатов из-за ограниченных размеров и формы, а также низкая производительность процесса из-за необходимости увеличения времени на получение плотной заготовки при увеличении размеров получаемых полуфабрикатов, что влечет за собой и повышение энергозатрат.

Известен способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков сплава с порофорами, температура разложения которых выше температуры солидуса-ликвидуса порошка сплава. Полученную смесь засыпают в неразъемную емкость, нагревают до температуры ниже температуры солидуса алюминиевого сплава и прессуют при этой температуре в плотную заготовку, которую затем подвергают горячей деформации, охлаждают, помещают в форму из материала, химически не взаимодействующего с материалов заготовки и термообрабатывают (RU патент N 2085339, B 22 F 3/11, 3/18, 1997 г.), прототип.

Недостатком этого способа является узкая номенклатура получаемых полуфабрикатов из-за невозможности получения декоративной поверхности, низкая производительность из-за высоких затрат времени на получение плотной заготовки, что влечет за собой повышенные энергозатраты. Кроме того, низкий выход годного из-за образующихся в плотной заготовке микронесплошностей.

Предлагаемый способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов включает смешивание порошков алюминиевого сплава с порофором, засыпку полученной смеси в емкость, холодное прессование, после чего плотную заготовку перед горячей деформацией нагревают до температуры 10-20^oC ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтетики материала заготовки горячую деформацию и помещением заготовки в форму. После этого ведут высокотемпературную термообработку, а после вспенивания деформированной заготовки ведут ее охлаждение до температуры 300-450^oC и при этой температуре проводят обработку поверхности полученного пористого полуфабриката.

При смешивании порошка алюминиевого сплава с порофором в качестве порофора используют порошок гидрида титана крупностью, превышающей крупность порошка алюминиевого сплава в 2-10 раз и все виды последующих деформационных обработок ведут в направлении, параллельном оси прессования заготовки.

При смешивании алюминиевого сплава с порофором в качестве порофора используют порошок бикарбоната кальция, пористую заготовку после охлаждения обрабатывают химически активным жидким веществом с последующим удалением его из пор заготовки.

При смешивании порошка алюминиевого сплава с порофором в смесь добавляют мелкодисперсные частицы тугоплавких соединений.

Засыпку в емкость ведут послойно смесями различного химического состава, состоящими из порофора и порошка алюминиевого сплава.

Высокотемпературной термообработке подвергают отдельные участки плотной заготовки.

Перед высокотемпературной термообработкой или после нее полученные листовые заготовки сваривают.

Засыпку смеси порошка алюминиевого сплава с порофором ведут в неразъемную емкость.

Засыпку смеси алюминиевого порошка и порофора ведут в разборную емкость, с последующим холодным компактированием и извлечением компакта.

Отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что после засыпки смеси порошков в емкость осуществляют холодное прессование, полученную плотную заготовку перед горячей деформацией нагревают на 10-20^oC ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтетики материала заготовки, после высокотемпературной обработки деформированной заготовки ее охлаждают до температуры 300-450^oC и при этой температуре проводят обработку поверхности полученного пористого полуфабриката.

При смешивании порошка алюминиевого сплава с порофором в качестве порофора используют порошок гидрида титана крупностью, превышающей крупность порошка алюминиевого сплава в 2-10 раз и все виды последующих деформационных обработок ведут в направлении, параллельном оси прессования заготовки.

При смешивании порошка алюминиевого сплава с порофором в качестве порофора используют бикарбонат кальция, полученную после высокотемпературной термообработки пористую заготовку охлаждают и обрабатывают химически активным жидким веществом с последующим удалением его из пор заготовки. При смешивании порошка алюминиевого сплава с порофором в смесь добавляют мелкодисперсные частицы тугоплавких соединений.

Засыпку в емкость ведут послойно смесями из различного химического состава, состоящими из порофора и порошка алюминиевого сплава различного химического состава.

Высокотемпературной термообработке подвергают отдельные участки плотной заготовки.

Перед высокотемпературной обработкой или после нее полученную листовую заготовку сваривают.

Засыпку смеси алюминиевого порошка и порофора ведут в неразъемную емкость.

Засыпку смеси алюминиевого порошка и порофора ведут в разборную емкость с последующим холодным компактированием и извлечением компакта.

Техническим результатом предлагаемого способа является расширение номенклатуры получаемых пористых полуфабрикатов, повышение выхода годного, производительности труда и снижение энергоемкости процесса.

Предлагаемый способ позволяет получать перед нагревом под деформацию заготовку с плотностью 75-80% (холодное компактирование в разборной емкости) и 85-91% (холодное прессование в неразборной емкости), т.е. повысить плотность нагреваемой заготовки на 15-41% по сравнению с известным способом. За счет повышения плотности заготовки увеличивается площадь контакта между частицами, в результате этого теплопроводность материала увеличивается и, соответственно сокращается в 2-10 раз время нагрева заготовки до температуры деформации. В результате этого снижаются энергозатраты на нагрев и повышается производительность труда на этой технологической операции.

Применение температурного режима нагрева плотной заготовки более чем на 20^oC ниже температуры образования легкоплавкой эвтетики не дает возможность при горячей деформации получить заготовку с высокой плотностью из-за замедления процессов схватывания между частицами порошков при низкой температуре нагрева, что приведет к снижению выхода годного.

Применение температурного режима нагрева плотной заготовки менее чем на 10^oC ниже температуры образования легкоплавкой эвтетики алюминиевого порошка не дает возможности при горячей деформации получить заготовку с высокой плотностью из-за неконтролируемого образования легкоплавкой эвтетики в температурном интервале, а не точно при одной определенной температуре. Это связано с тем, что химический состав исходного порошка всегда имеет нижний и верхний предел по каждому элементу, поэтому температура образования легкоплавкой эвтетики всегда в этих случаях имеет температурный интервал в ±10^oC в отличие от указанной на диаграмме какой-то одной, определенной для порошка конкретного химического состава. Образование даже небольшого количества легкоплавкой эвтетики в объеме порошка приводит к получению заготовки с пониженной плотностью, так как жидкость практически не поддается деформации. В результате этого при последующей высокотемпературной термообработке отдельные части плотной заготовки, содержащие несплошности, образованные жидкой эвтетикой, будут вспениваться меньше из-за свободного выхода газа разложившегося порофора. Полученная пористая заготовка будет иметь разную плотность по своей длине и ширине, что приведет к снижению выхода годного.

Предлагаемый способ позволяет проводить процесс обработки поверхности заготовки после ее высокотемпературного нагрева. В результате высокотемпературной обработки пористая заготовка имеет шероховатую твердость, причем шероховатость может носить форму пузырей высотой 1-10 мм, что в отдельных случаях использования сужает области ее использования, когда нужна гладкая поверхность.

Поэтому заготовку охлаждают до температуры 300-450^oC, она при этой температуре обладает достаточной пластичностью и прочностью, чтобы сохранить свою целостность, и подвергают поверхностной обработке, так называемой "дрессировке". При такой обработке шероховатость поверхности резко уменьшается и по всей длине заготовки достигают одинаковую толщину заданного размера. В результате "дрессировки" при наличии одинаковых исходных заготовок получают заготовки с различными состояниями поверхности, различной толщины и различной плотности, т.е. расширяется номенклатура.

При охлаждении вспененной заготовки ниже 300^oC она становится хрупкой, поэтому при "дрессировке" происходит образование трещин, что снижает выход годного.

При охлаждении вспененной заготовки выше 450^oC она при "дрессировке" начинает налипать на инструмент, которым проводят "дрессировку"; разрушаться, т. к. прочность вспененной заготовки при T > 450^oC незначительная. Все это приводит к снижению выхода годного.

"Дрессировка" поверхности нагретой пористой заготовки расширяет номенклатуру производных полуфабрикатов. Она также расширяется за счет введения в смесь порофора с алюминиевым порошком мелкодисперсных частиц тугоплавких соединений, сварки плотных или пористых листов, обработки пористых заготовок, в которых в качестве порофора использован CaCO₃, жидким веществом, введением частиц гидрида титана крупностью в 2-10 раз, превышающей крупность алюминиевого порошка и осуществлением всех видов деформации в одном направлении, осуществляя послойную засыпку смесями различного химического состава, которые составлены из порофора и порошка алюминиевого сплава, высокотемпературной обработки, который подвергают только отдельные участки плотной заготовки.

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

Примеры осуществления способа Пример 1 Порошок алюминиевого сплава марки 01969 (температура образования самой легкоплавкой эвтетики 500^oC) в количестве 108 кг смешали с 6 кг порофора CaCO₃ (Т_{разложения} = 720^oC), с 1 кг частиц SiC, засыпали в неразборную емкость диаметром 290 мм, высотой 1100 мм, изготовленную из алюминиевого сплава АД31 и спрессовали в заготовку с плотностью 91% на прессе усилием 50 MH, используя глухую матрицу. Плотную заготовку выгрузили из пресса и нагревали до T= 490^oC. Время нагрева составило три часа. Заменили глухую матрицу на матрицу для прессования полосы размером 40x250 мм, отпрессовали полосу длиной 4500 мм. Остывшие полосы разметили на мерные заготовки длиной 1000 мм, получили 4 заготовки размером 40x250x1000 мм. Заготовки нагревали до T=480^oC и на стане "ТРИО" прокатали на листы толщиной 5 мм. Три листа катали длинной стороной, один - короткой, параллельно оси прессования. Получили 3 листа размером 5x1000x2000 мм и один лист размером 5x300x7000 мм, его резали на 4 заготовки размером 5x300x1700 мм. Положили листы на поддон, загрузили в печь и провели термообработку при T= 720^oC. Выгрузили из печи, охладили до температуры 400^oC, вынули из поддонов, толщина полученных листов составила 25-28 мм, пропустили 1 лист через валки с зазором 24 мм. Получили 1 лист одинаковой толщины по всему периметру и размером 24x1010x2050 мм с гладкой поверхностью и плотностью 0,6 г/см³.

2 листа пропустили через валки с зазором 25 мм, валки на своей поверхности имели выгравированный рисунок в виде ромбов размером 100x100 и глубиной 2 мм. Получили два листа размером 25x1000x2000 мм с нанесенным рисунком, плотностью листов 0,57 г/см³.

Все листы имели закрытые поры. Лист с необработанной поверхностью размером 25-28x1000x2000 мм погрузили в емкость с водой, выдержали 24 часа, вынули из емкости и высушили при T=110^oC.

Измерения показали, что открытая пористость составила 50% от общего объема пор в листе.

Измерения показали, что прочность на сжатие составила 12 МПа.

Время нагрева под горячее прессование составило 3 часа.

Выход годного по пористым листам от исходной шихты составил: (115-23)/115 · 100% = 80% (23 кг - масса пресс-остатка, утяжины, выходного конца обрезков от зачистки листов).

Получили листы с тремя различными состояниями поверхности (шероховатая, гладкая, гладкая с рисунком) и двумя видами пористости (открытая, закрытая).

Пример 2.

Порошок алюминиевого сплава крупностью 30-60 мкм марки 1209 (температура образования самой легкоплавкой эвтетики 490^oC) в количестве 108 кг смешали с 1,1 порошка порофора TiH₂ (T_{разложения} = 690^oC), крупностью 300-400 мкм засыпали в разборную емкость из полиуретана, закрыли крышку и загрузили в гидростат усилием 120 MH. Провели компактирование, вынули компакт из гидростата, сняли с него полиуретановую емкость. Получили компакт с плотностью 80% и нагрели до температуры 490^oC. Время нагрева составило 4 часа. Нагретую заготовку отпрессовали на полосу размером 20x350x7000 мм на прессе усилием 50 MH. Остывшую полосу разрезали на заготовки размером 20x350x1100 мм, получили 6 заготовок. Заготовки нагрели до температуры 470^oC и на стане "ТРИО" прокатали листы толщиной 5 мм; 3 заготовки катали в направлении оси прессования, получили 3 листа размером 5x350x4400 мм; 3 заготовки катали в направлении, перпендикулярном оси прессования, получили 3 листа размером 5x1000x1400 мм. Три листа размером 5x350x4400 мм сварили между собой по длинной стороне, получили листовую заготовку размером 5x1050x4400 мм. Эту листовую заготовку положили на форму в виде швеллера с полочкой 300 мм по длинной стороне, 3 листа размером 5x1000x1400 мм положили каждый на форму в виде трубы с диаметром 636 мм. Формы с листами загрузили в печь и провели высокотемпературную термообработку при T=700^oC. Листовые заготовки приняли соответствующую форму и вспенились до толщины 30 мм с 5 мм. После выгрузки из печи и охлаждения полученные изделия освободили от форм.

Получили одну заготовку в виде швеллера с полочкой 300 мм, шириной 1050 мм и длиной 4400 мм. Материал имел плотность 0,48 г/см³, контроль пористости показал, что она имеет в направлении длинной стороны (ось прессования) открытую пористость диаметром от 2 до 10 мм, в направлении короткой стороны (перпендикулярно оси прессования) закрытую пористость.

Три вспененные заготовки, имеющие форму половинной трубы диаметром 636 мм, длиной 1400 мм и толщиной 30 мм сварили между собой по длинной стороне, получили конструкцию, имеющую в сечении три полуокружности, которую использовали как теплоизолирующий кожух для трех труб с горячей жидкостью, проложенных в притык друг к другу внутри замкнутого кожуха. Плотность материала кожуха составила 0,47 г/см³.

Время нагрева холоднопрессованной заготовки под горячее прессование составило 4 часа, выход годного по полосе составил 85%, выход годного по пористому полуфабрикату составил 68% (расчет сделан от исходной шихты), расширена номенклатура производимых полуфабрикатов как по форме, так и по размерам.

Пример 3 - прототип 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 емкость диаметром 290 мм, высотой 1100 мм, которая была изготовлена из сплава марки АД31, емкость со смесью нагревали до температуры 540^oC, время нагрева составило 27 часов, затем нагретую емкость спрессовали в плотную заготовку при этой температуре на прессе усилием 50 MH, используя глухую матрицу. Сняли глухую матрицу, поставили вместо нее матрицу для прессования полосы размером 40x250 мм и отпрессовали ее. Остывшую полосу разметили на мерные заготовки размером 1000 мм. Получили заготовки размером 40x150x1000 мм. Заготовки нагрели до температуры 550^oC и на стане "ТРИО" прокатали на листы толщиной 6 мм. Получили 4 листа размером 6x1000x1600 мм, их разрезали на заготовки размером 6x1000x400 мм, 16 полученных заготовок нагрели до 530^oC и прокатали на стане "ТРИО" до толщины 2 мм, получили 16 листов размером 2x1000x1000 мм, положили каждый лист в форму T=700^oC. После термообработки вынули из печи, сняли с формы. Получили 16 листов толщиной 6-8 мм, плотность материала составила (0,57-0,63) г/см³. Углы коробок герметично между собой не спеклись.

Время нагрева порошковой смеси в емкости перед прессованием составило 17 часов.

Выход годного на полосе составил 75%.

Герметичный поддон не получили, т.е. выход годного по данному виду изделия составил 0%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет расширить номенклатуру получаемых пористых полуфабрикатов, повысить производительность труда в 6-8 раз при получении плотной заготовки, увеличить выход годного на полосе на 10%, выход годного по пористому полуфабрикату довести до 68-80%.

Формула изобретения

1. Способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков алюминиевого сплава с порофором, засыпку полученной смеси в емкость, горячую деформацию полученной заготовки с последующим размещением ее в форму и высокотемпературную термообработку, отличающийся тем, что после засыпки смеси порошков в емкость осуществляют холодное прессование, затем плотную заготовку перед горячей деформацией нагревают на 10 - 20^oC ниже температуры образования легкоплавкой эвтектики материала заготовки, а после высокотемпературной термообработки деформированной заготовки ведут ее охлаждение до температуры 300 - 450^oC и при этой температуре проводят обработку поверхности полученного пористого полуфабриката.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при смешивании алюминиевого порошка с порофором в качестве порофора используют порошок гидрида титана крупностью, превышающей крупность порошка алюминиевого сплава в 2 - 10 раз и все виды последующих деформационных обработок ведут в направлении, параллельном оси прессования заготовки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при смешивании порошка алюминиевого сплава с порофором в качестве порофора используют порошок бикарбоната кальция, пористую заготовку после охлаждения обрабатывают химически активным жидким веществом с последующим удалением его из пор заготовки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при смешивании порошка алюминиевого сплава с порофором в смесь добавляют мелкодисперсные частицы тугоплавких соединений.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что засыпку в емкость ведут послойно смесями различного химического состава, состоящих из порошков алюминиевых сплавов и порофоров.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что высокотемпературной термообработке подвергают отдельные участки плотной заготовки.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед высокотемпературной обработкой или после нее полученные листовые заготовки сваривают.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что засыпку смеси порошка алюминиевого сплава с порофором ведут в неразъемную емкость.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что засыпку смеси порошка алюминиевого сплава с порофором ведут в разборную емкость с последующим холодным компактированием и извлечением компакта.