Способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано в строительстве, авиации, автомобилестроении и т.п. Способ включает смешивание порошков алюминиевого сплава с порофором, засыпку полученной смеси в емкость, холодное прессование с последующим нагревом плотной заготовки до температуры на 10-20°С ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтетики материала заготовки, горячую деформацию с получением плотной заготовки, которую перерабатывают на частицы различной формы и размеров и перед высокотемпературной термообработкой частицами заполняют частично или полностью объем формы. Технический результат: расширение номенклатуры получаемых изделий, повышение выхода годного и производительности труда. 9 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано в строительстве, автомобилестроении и т.п., там, где необходимо сочетание таких свойств как легкость, негорючесть, хорошая тепловая и звуковая защита, плавучесть 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 является узкая номенклатура получаемых полуфабрикатов как по размеру, так и по форме из-за ограниченности получения плотной заготовки различной формы и размеров; низкая производительность способа из-за длительности процесса спекания порошковой массы под давлением. 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, В 22 F, 3/11, 3/18, 1997 г.), 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 полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов включает смешивание порошков алюминиевого сплава с порофором, засыпку получаемой смеси в емкость, холодное прессование с последующим нагревом плотной заготовки до температуры на 10-20^oC ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтетики материала заготовки, затем ведут горячую деформацию с получением проволоки, которую перерабатывает на частицы различной формы и размеров и перед высокотемпературной термообработкой частицами заполняют частично или полностью объем формы. Засыпку в емкость возможно вести послойно по смесям частиц проволоки различного химического состава, а также проволоку перед переработкой на частицы можно перфорировать.

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 температуры образования самой легкоплавкой эвтетики материала заготовки, затем ведут горячую деформацию с получением проволоки, которую перерабатывают на частицы различной формы и размеров и перед высокотемпературной термообработкой частицами заполняют частично или полностью объем формы.

Засыпку в емкость возможно вести послойно смесями частиц проволоки различного химического состава, а также проволоку перед переработкой на частицы можно перфорировать.

Техническим результатом 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 частичного разрушения окисных пленок, окружающих частицы алюминиевого порошка при холодном прессовании, увеличение площади контакта между ними, соответственно уменьшаются межчастичные полости и плотность воздуха в результате этого в них возрастает, что способствует увеличению теплопроводности заготовки и сокращает время нагрева в 2-10 раз 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 ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтетики меньше, чем на 10^oC, не дает возможности при горячей деформации заготовки получить из нее проволоку с высокой плотностью из-за образования неконтролируемого количества жидкой фазы, которая практически не уплотняется, в получаемой проволоке 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 нагревав ≥ 400^oC, характерных для образования легкоплавких эвтетик в алюминиевых сплавах, понижение температуры нагрева даже на 2-3^oC приводит к снижению коэффициента диффузии на 10-20% отн. Поэтому проволока получается недостаточно плотная, она имеет несплошности, по которым газ порофора, разложившегося при высокотемпературной термообработке, выходит, не вызывая вспенивания проволоки. В результате этого получают проволоку с повышенной плотностью (ρ ≥ 1,5 г/см³). Такую проволоку бракуют, соответственно выход годного уменьшается.

Примеры осуществления способа Пример 1 Порошок алюминиевого сплава марки 1209 (температура легкоплавкой эвтетики - 510^oC в количестве 108 кг смешали с 1,1 кг порофора TiH₂ (температура разложения 690^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 20^oC ниже температуры образования самой легкоплавкой эвтетики материала заготовки. Время нагрева составило 3 ч. Заменили глухую матрицу на матрицу для прессования прутка диаметром 90 мм и отпрессовали его. Остывший пруток разметили на мерные заготовки длиной 150 мм. Одну заготовку нагрели до температуры 500^oC, что на 10^oC ниже температуры плавления самой легкоплавкой эвтетики материала прутка, и на прессе усилием 15 МН отпрессовали на проволоку. Получили 20 проволок размером ⊘ 3 х 5000 мм.

5 штук проволок диаметром 3 мм и длиной 5000 мм равномерно, с зазором 3-4 мм обмотали по высоте цилиндрической формы диаметром 200 мм, сваривая стыки проволоки. Закрепив форму на стержне, поместили в печь для проведения высокотемпературной обработки. После охлаждения получили термоизоляционный, звукопоглощающий кожух с плотностью материала 0,5-0,6 г/см³, диаметром 200 мм, толщиной стенки 6 мм и длиной 250 мм.

5 штук проволоки диаметром 3 мм и длиной 5000 мм порезали на частицы диаметром 3 мм и длиной также 3 мм, заполнили частицами проволоки 25% объема формы размером 10 х 500 х 500 мм. Форму, заполненную частицами проволоки, поместили в печь для проведения высокотемпературной обработки. После проведения высокотемпературной обработки форму выгрузки из печи охладили и вынули готовое изделие - фильтр размером 10 х 500 х 500 мм с открытой пористостью размером 0,1-3 мм с плотностью материала 0,5-0,6 г/см³. Фильтр предназначен для очистки от твердых частиц при заборе воздуха, используемого для охлаждения генератора электровоза.

10 штук проволок диаметром 3 мм и длиной 5000 мм порезали на отрезки длиной 500 мм, из полученных отрезков в количестве 100 штук изготовили сетку размером 400 х 400 мм с размером ячейки 6 х 6 мм. Полученную сетку загрузили на поддоне в печь для проведения высокотемпературной обработки. После высокотемпературной обработки получили воздушный фильтр с равномерно распределенной открытой пористостью (ячейка поры размером 2 х 2 мм) и закрытой пористостью в самой частице, плотность материала составила 0,5-0,6 г/см³.

С учетом количества полученных из одного прутка диаметром 90 мм заготовок диаметром 90 и длиной 150 мм в количестве 30 штук соответственно получили 30 штук термоизоляционных звукопоглощающих кожухов диаметром 200 мм и длиной 240 мм, 60 фильтров размером 10 х 500 х 500 мм для очистки от твердых частиц при заборе воздуха, используемого для охлаждения генератора электровоза, и 30 фильтров-сеток размером 400 х 400 мм с открытой пористостью (ячейка поры размером 2 х 2 мм).

Выход годного составил 88% на прутке и 80% на готовом изделии (расчет сделан от шихты) и получены изделия различной формы и габаритов.

Пример 2 Порошок алюминиевого сплава марки 1209 (T_S =550^oC, T_l = 630^oC) в количестве 108 кг смешали с 1,1 кг порофора TiH₂ (T разложения 690^oC), засыпали в неразборную капсулу диаметром 290 мм, высотой 1100 мм, которая изготовлена из сплава 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 40 х 250 мм, отпрессовали ее. После охлаждения полосы разметили ее на мерные заготовки длиной 1000 мм, получили заготовки размером 40 х 250 х 1000 мм. Заготовки нагрели до температуры 520^oC и на стане "Трио" прокатали на листы толщиной 6 мм. Получили 4 листа размером 6 х 1000 х 1000 мм. Положили каждый лист толщиной 6 мм на форму, представляющую собой сетку из проволоки диаметром 4 мм (нержавеющая сталь) с размером ячейки 4 х 4 мм; величиной 1000 х 1000 мм и провели высокотемпературную обработку при Т=690^oC. После термообработки вынули формы из печи, охладили. Сняли вспененные листы из формы. Получило 16 штук изделий с формой, повторяющей форму сетки. Ячейки на изделии имели размер 2 х 2 мм и все были закрыты, т.е. открытой пористости на листовой заготовке не получили.

Время нагрева порошковой смеси в капсуле перед прессованием составило 25 ч.

Выход годного на полосе составил 75%, по готовому изделию (пористый плоский фильтр с ячейкой 4 х 4 мм) - 0%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет расширить номенклатуру получаемых пористых как полуфабрикатов, так и изделий из них сложной формы и различной конфигурации из порошков алюминиевых сплавов, повысить производительность труда в 6-8 раз при получении плотной заготовки и увеличить выход годного на промежуточной заготовке (пруток или полоса) с 75 до 87%, на готовом изделии с 0 до 80%.

Формула изобретения

1. Способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошка алюминиевого сплава с порофором, засыпку полученной смеси в емкость, горячую деформацию полученной заготовки, помещение ее в 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 с последующей горячей деформацией при этой температуре с получением плотной заготовки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что горячей деформацией получают плотную заготовку в виде проволоки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что плотную заготовку перед высокотемпературной термообработкой перерабатывают на частицы разной формы и размера.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что проволоку перед высокотемпературной термообработкой перерабатывают на частицы разной формы и размера.

5. Способ по любому из пп.1 и 3, отличающийся тем, что перед высокотемпературной обработкой в форму помещают частицы разного химического состава послойно.

6. Способ по любому из пп.1, 2 и 4, отличающийся тем, что перед высокотемпературной обработкой в форму помещают частицы разного химического состава послойно.

7. Способ по любому из пп.1 и 3, отличающийся тем, что перед высокотемпературной термообработкой форму заполняют частицами полностью.

8. Способ по любому из пп.1, 2 и 4, отличающийся тем, что перед высокотемпературной термообработкой форму заполняют частицами полностью.

9. Способ по любому из пп.1 и 3, отличающийся тем, что перед высокотемпературной термообработкой форму заполняют частицами частично.

10. Способ по любому из пп.1, 2 и 4, отличающийся тем, что перед высокотемпературной термообработкой форму заполняют частицами частично.