Способ получения пористых изделий из порошков алюминиевых сплавов

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано в строительстве, авиации, автомобилестроении, лифтостроении и т. д. Способ 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 прокаткой, нагрев полученной листовой заготовки до 300-450°С, выдержку при этой температуре в течение 90-120 мин, придание заготовке формы готового изделия и последующую высокотемпературную термообработку поверхности. Способ позволяет расширить номенклатуру получаемых пористых изделий сложной формы, повысить производительность труда в 6-8 раз при получении плотной заготовки и увеличить выход годного на полосе с 75 до 85%, на готовом изделии с 0 до 71%.

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано в строительстве, авиации, автомобилестроении, лифтостроении и т.п., там, где необходимо сочетание таких свойств, как легкость, плавучесть, негорючесть, хорошая тепловая и звуковая защита и т.д.

Известен способ получения пористых изделий из порошков сплавов на основе меди и алюминия, включающий смешивание порошка сплава с порофором, засыпку полученной смеси в разборную емкость, нагрев с одновременным приложением давления, при котором не происходит разложения порофора, охлаждение с одновременным снятием давления, разборку емкости с последующим выталкиванием из нее полученной плотной заготовки, которую сразу термообрабатывают для получения в ней пористости (патент ФРГ N 4101630, B 22 F 3/18, 1991 г.).

Недостатком этого способа являются узкая номенклатура получаемых полуфабрикатов как по размеру, так и по форме из-за возможности получения плотной заготовки только круглой формы и малых размеров (до 2-5 кг), а также низкая производительность способа из-за длительности процесса спекания порошковой массы под давлением. Поэтому при получении изделий больших размеров время спекания возрастает в геометрической прогрессии и приводит к резкому увеличению энергозатрат.

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

Недостатком этого способа является ограниченная номенклатура получаемых готовых пористых изделий из-за незначительной пластичности заготовок, низкий выход годного из-за неравномерной плотности по всему объему изделия, а также невысокая производительность процесса из-за больших затрат времени на получение плотной заготовки.

Предлагаемый способ получения пористых изделий из порошков алюминиевых сплавов включает смешивание порошков алюминиевого сплава с порофором, засыпку полученной смеси в емкость, холодное прессование с последующим нагревом плотной заготовки до температуры на 10-20^oC температуры образований самой легкоплавкой эвтетики материала заготовки.

Горячую деформацию осуществляют прокаткой, полученную листовую заготовку нагревают и выдерживают при температуре 350- 450^oC в течение 90-120 минут с последующим приданием заготовке формы готового изделия, затем помещают сформованную заготовку в форму, после чего ведут ее высокотемпературную термообработку.

Отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что после засыпки смеси порошков в емкость ведут холодное прессование, затем плотную заготовку нагревают до температуры на 10-20^oC ниже температуря образования самой легкоплавкой эвтектики материала заготовки (алюминиевого порошка), горячую деформацию осуществляют прокаткой, полученную листовую заготовку нагревают до 350-450^oC и выдерживают при этой температуре в течение 90-120 минут с последующим приданием заготовке нужной формы готового изделия, после чего ведут высокотемпературную обработку сформированной заготовки.

Техническим результатом предлагаемого способа, является расширение номенклатуры получаемых изделий, повышение выхода годного и производительности труда.

Предлагаемый способ позволяет получить перед нагревом под деформацию заготовку с плотностью 75-85% отн., т.е. повысить плотность нагреваемой заготовки на 20-25% отн. по сравнению с известным способом, за счет холодного прессования. При холодном прессовании уплотнение заготовки происходит в результате частичного разрушения окисных пленок, окружающих частицы алюминиевого порошка, увеличение площади контакта между ними, соответственно, уменьшаются межчастичные полости и плотность воздуха в результате этого в них возрастет. Все эти процессы, протекающие при холодном прессования, способствуют увеличению коэффициента теплопроводности в зависимости от диаметра нагреваемой заготовки по сравнению с временем нагрева порошковой смеси в известном способе. Это приводит к повышению производительности труда и снижению энергозатрат при осуществлении технологического процесса получения плотной заготовки.

Применение температурного режима нагрева плотной заготовки перед горячей деформацией температуры образования самой легкоплавкой эвтетики меньше чем на 10^oC не дает возможность при горячей деформации получить заготовку с высокой плотностью из-за образования неконтролируемого количества жидкой фазы, которая практически не уплотняется. Поэтому в плотной заготовке образуются несплошности, способствующие выходу газа-вспенивателя без образования пористой структуры. Соответственно, такой полуфабрикат бракуют и выход годного, соответственно, уменьшается.

Применение температурного режима нагрева заготовки перед деформацией температуры образования легкоплавкой эвтетики больше чем на 20^oC приводит к значительному снижению коэффициентов диффузии химических элементов по частицам алюминиевого порошка. Так как зависимость коэффициента диффузии от температуры имеет характер экспоненты и при температурах нагрева > 400^oC, характерных для образования легкоплавких эвтетик в алюминиевых сплавах, понижение температуры нагрева даже на 2-3^oC приводит к сниманию коэффициентов диффузии на 10-20% отн. Поэтому заготовка получается недостаточно плотная, она имеет несплошности, по которым газ порофора, разложившегося при высокотемпературной термообработке, выходит по этим несплошностям, не вызывая вспенивания заготовки. В результате этого получают заготовку с повышенной плотностью (ρ ≥ 1,5 г/см³).

Нагрев листовой заготовки перед приданием ей нужной формы до температуры выше 450^oC и выдержки ее при этой температуре более 90 минут снижает производительность технологического процесса, так как листовая заготовка уже приобрела структуру, которая обеспечивает необходимые пластические свойства листа для придания ему требуемой формы. Поэтому температура нагрева выше 450^oC и выдержка продолжительностью более 90 минут, не улучшая пластических свойств листа, приводит к увеличению времени технологического процесса, т.е. к снижению производительности труда и увеличению энергозатрат. Нагрев листовой заготовки перед приданием ей нужной формы до температуры ниже 350^oC и выдержки при этой температуре менее 120 минут не приводит к образованию в листе такой структуры, которая обеспечивает пластичность и позволяет затем придавать листовой заготовке необходимую форму. Соответственно, ограничивается номенклатура выпускаемых готовых пористых изделий, снижается выход годного из-за трещин и расслоений в углах перегиба.

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

Пример 1. Порошок сплава марки 01969 (температура образования легкоплавкой эвтетики 500^oC) в количестве 108 кг смешали с 6 кг порофора CaCo₃ (Т разложения = 720^oC), засыпали в емкость диаметром 290 мм, высотой 1100 мм, изготовленную из алюминиевого сплава АД31 и спрессовали в плотную заготовку на прессе усилием 50 МН, используя глухую матрицу. Плотную заготовку выгрузили из пресса и нагрели до температуры 490^oC, что на 10^oC ниже температуры плавления самой легкоплавкой эвтетики материала. Время нагрева составило 3 часа. Заменили глухую матрицу на матрицу для прессования полосы размером 40х250 мм и отпрессовали ее. Остывшие полосы разметили на мерные заготовки длиной 1100 мм, получили 4 заготовки размером 40х250х1100 мм. Заготовку нагрели до температуры 480^oC, что на 20^oC ниже температуры плавления самой легкоплавкой эвтетики материала, и на стане "Трио" прокатали на листы толщиной 6 мм. Получили четыре листа размером 6х1100х1660 мм. Остывшие листы разрезали на заготовки размером 6х1100х160 мм, получило: 40 заготовок, которые нагрели до температуры 500^oC и прокатали на стане "Дуо" до толщины 1 мм. Получили 40 листов размером 1х1000х1000 мм, их разделили на две партии по 20 листов в каждой партии. Первую партию листов нагрели до температуры 350^oC и выдержали в течение 120 минут, вынули из печи, разрезали на заготовки размером 1х250х250 мм, получили 320 заготовок и отштамповали крышки для коробок передач моторов. Вторую партию листов нагрели до температуры 450^oC, выдержали в течение 90 минут, вынули из печи, ползали на заголовки размером 1х250х125 мм, получили 640 заготовок и отштамповали защитные кожухи для малогабаритных компрессоров. Все штамповки положили в соответствующие формы и термообрабатывали при температуре 720^oC до толщины 8 мм. Плотность полученных изделий составила (0,38-0,4) г/см³. Время нагрева холоднопрессованной заготовки перед горячим прессованием составило 3 часа. Получили готовые изделия сложной конфигурации с углами гиба 60^o, 90^o. Выход годного на полосе составил 85%, на готовом изделии 68% (расчет сделан, начиная с шихты - порошковой смеси).

Пример 2. Порошок алюминиевого сплава марки 1209 (температура образования легкоплавкой эвтетики 510^oC) в количестве 225 кг смешали с 22,5 кг порошка порофора TiH₂ (температура разложения 690^oC), засыпали в неразборную емкость диаметром 420 мм, высотой 1100 мм, которая была изготовлена из алюминиевого сплава марки АД31 и спрессовали на прессе усилием 80 МН в плотный брикет, используя глухую матрицу. Брикет выгрузили из пресса и нагрели до температуры 495^oC. Время нагрева составило 4 часа. Заменили глухую матрицу на матрицу для прессования полосы размером 50х350 мм и отпрессовали полосу длиной 5400 мм. Холодные полосы разметили на мерные заготовки длиной 1000 мм, получили 5 заготовок 50х350х1000 мм. Заготовки нагрели до температуры 500^oC и на стане "Трио" прокатали на листы толщиной 6 мм. Получили 5 листов размером 6х1000х2900 мм. Остывшие листы разрезали на заготовки размером 6х1000х300 мм, получили соответственно 5х9=45 заготовок. Заготовки нагрели до температуры 490^oC и прокатали на стане "Дуо" до толщины 1 мм - 5 заготовок, до толщины 1,5 мм -10 заготовок, до толщины 2 мм - 10 заготовок, до толщины 3 мм -20 заготовок. Получили 5 листов размером 1х1000х1800 мм, 10 листов размером 1,5х1000х120 мм, 10 листов размером 2х1000х900 мм, 20 листов размером 3х2000х300 мм, 5 листов размером 1х1000х1800 мм нагрели до температуры 390^oC, выдержали при этой температуре 100 минут, вынули из печи и отштамповали поддоны с высотой бортика 150 мм.

10 листов размером 1,5х1000х1200 мм нагрели до температуры 450^oC, выдержали при этой температуре 90 минут, вынули из печи и отштамповали кожухи для больших промышленных вентиляторов. Высота бортиков по периметру составляет 300 мм, 10 листов размером 2х1000х900 мм нагрели до 350^oC, выдержали в течение 120 минут, вынули из печи и отштамповали прямоугольные коробки с высотой бортика 100 мм 20 листов размером 3х2000х300 мм нагрели до 400^oC, выдержали при этой температуре 95 минут, вынули из печи и отштамповали вкладыши в бамперы легковых автомобилей с высотой бортика 50 мм.

Все типы полученных штамповок заложили в соответствующие формы, загрузили в печь и провели высокотемпературную термообработку при T=690^oC.

Штамповки толщиной 1 мм выдерживали при указанной температуре 5 минут, толщиной 1,5 мм, соответственно 7 минут, толщиной 2 мм, соответственно 9 минут, толщиной 3 мм, соответственно 12 минут. После окончания соответствующей выдержки заготовки вместе с формами вынули из печи, охладили на воздухе и вынули из форм. Из штамповок толщиной 1 мм получили 5 поддонов размером 700x1500 мм, высота бортиков по всему периметру - 150 мм, толщина бортиков и дна поддона составила 7-8 мм, соответственно, плотность материала (пеноалюминия) поддона гасящего шум,(0,38- 0,40) г/см³. Из штамповок толщиной 1,5 мм получили 10 кожухов для промышленных вентиляторов размером 400х600 мм, высота бортиков 300 мм, толщина бортиков и стенки кожуха, гасящих шум и вибрацию, составила 10,5-11,5 мм, соответственно, плотность материала (пеноалюминия) кожуха (0,39-0,41) г/см³.

Из штамповок толщиной 2 мм получили 10 прямоугольных коробок для промышленных моторов размером 800х700 мм, высота бортика - 100 мм, толщина бортика и стенки коробки, гасящей шум и вибрацию, составила (16-18) мм, соответственно плотность материала (пеноалюминия) коробки составила (0,36-0,38) г/см³. Из штамповки толщиной 3 мм получили 20 штук вкладышей для бамперов размером 2000х200 мм с высотой бортика 50 мм вдоль длинной стороны. Толщина бортиков и стенки принимающей удар, составила (26-28) мм, соответственно плотность материала (пеноалюминия) бампера, гасящего энергию удара, составила (0,31-0,33) г/см³.

Таким образом время нагрева холоднопрессованной заготовки перед горячим прессованием составило 4 часа.

Выход годного составил 88% на полосе и 71% на готовом изделии (расчет сделан от шихты) и получены изделия сложной формы и самых различных габаритов.

Пример 3 (способ-прототип). Порошок алюминиевого сплава марки 1209 (T_S= 550^oC, T_l=630^oC) в количестве 108 кг смешали с 6 кг порофора CaCo₃ (T разложения =720^oC) засыпали в неразборную капсулу диаметром 290 мм, высотой 1100 мм, которая была изготовлена из сплава марки АД31, капсулу нагрели до температуры 530^oC, время нагрева составило 25 ч, затем нагретую капсулу спрессовали в плотную заготовку при этой температуре на прессе усилием 50 МН, используя глухую матрицу. Сняли глухую матрицу, поставили вместо нее матрицу для прессования полосы размером 40х250 мм и отпрессовали ее. После охлаждения полосы разметили ее на мерные заготовки длиной 1000 мм, получили 4 заготовки размером 40x250x1000 мм. Заготовки нагрели до температуры 520^oC и на стане "Трио" прокатали на листы толщиной 6 мм. Получили 4 листа размером 6х1000х1000 мм. Листы разрезали на заготовки размером 6х1000х400 мм, получили 16 заготовок, их нагрели до температуры 525^oC и прокатали на стане "Трио" до толщины 2 мм, получили 16 листов размером 2х1000х1200 мм, положили каждый лист на формулу из нержавеющей стали, соответствующую будущему изделию (поддон размером 700х900 мм, высота бортиков 150 мм, бортики с четырех сторон должны быть герметично соединены между собой) и термообработали при Т= 700^oC в течение 9 минут. После термообработки вынули из печи, охладили и сняли готовые поддоны с форм. Получили 16 поддонов с толщиной стенок 9-10 мм, плотность материала (пеноалюминия) поддона составила (0,57-0,63) г/см³, углы поддона герметично не соединились. Время нагрева порошковой смеси в капсуле перед прессованием составило 25 часов. Выход годного по полосе составил 75%. Герметичный поддон не получили, т.е. выход годного для данного вида готового изделия составил 0%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет расширить номенклатуру получаемых пористых готовых изделий сложной формы из порошков алюминиевых сплавов, повысить производительность труда в 6-8 раз при получении плотной заготовки и увеличить выход годного на полосе с 75% до 85%, на готовом изделии с 0% до 71%.

Формула изобретения

Способ получения пористых изделий из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков алюминиевого сплава с порофором, засыпку полученной смеси в емкость, горячую деформацию полученной заготовки, помещение ее в специальную форму и высокотемпературную термообработку, отличающийся тем, что после засыпки смеси порошков в емкость ведут холодное прессование с последующим нагревом плотной заготовки до температуры на 10 - 20^oС ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтектики материала заготовки, горячую деформацию осуществляют прокаткой, полученную листовую заготовку нагревают до 350 - 450^oС и выдерживают при этой температуре в течение 90 - 120 мин с последующим приданием заготовке формы готового изделия, после чего ведут высокотемпературную термообработку.