Порошковый композиционный материал и способ его получения
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к композиционным материалам на основе алюминия. Может использоваться в качестве конструкционного материала для точных приборов систем управления и навигации космических аппаратов. Композиционный материал содержит, мас.%: кремний 35,0-46,0; никель 2,0-5,0; бериллий 0,0001-0,049; оксид алюминия 0,1-3,0; углерод 0,5-2,0; алюминий - остальное. Материал получен путем приготовления расплава, содержащего алюминий, кремний, никель, бериллий, и его распыления с получением порошка сплава. Затем осуществляют механическое легирование порошка дисперсными углеродом и кремнием с доведением содержания кремния в материале до 35-46 мас.% в азотно-кислородной смеси с содержанием кислорода 2-8 об.%. Полученный материал имеет однородную дисперсную структуру, что обеспечивает высокую стабильность прецизионных характеристик упругости и эксплуатационную надежность высокоточных приборов систем управления и навигации при работе предлагаемого материала в контакте со сталью в течение длительного срока эксплуатации. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в качестве конструкционного материала для точных приборов систем управления и навигации космических аппаратов.
Известен порошковый композиционный материал, состоящий из сплава на основе алюминия, содержащего кремний, никель и тугоплавкий компонент в виде порошкового кристаллического кремния (см. патент РФ №2149201 от 26.04.1999, опубликован 20.05.2000, бюл. №14). Недостатками этого материала являются нестабильность эксплуатационных характеристик из-за неоднородности, повышенные плотность (удельный вес) и коэффициент линейного расширения, что снижает надежность работы изделий,
Известен способ получения композиционного материала, включающий приготовление расплава, содержащего алюминий, кремний, никель, распыление и добавление порошка кремния (см. описание к патенту РФ 2149201 от 26.04.1999, опубликован 20.05.2000, бюл. №14). Недостатком данного способа является нестабильность эксплуатационных характеристик получаемого материала и ненадежность его эксплуатации в течение длительного срока службы ввиду структурной неоднородности и недостаточной размерной стабильности.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению, принятым за прототип, является порошковый композиционный материал, содержащий алюминий, кремний, никель, оксид алюминия и бериллий при следующем соотношении (мас.%):
| кремний | 43,5-46, |
| никель | 3,5-5, |
| бериллий | 0,01-0,05, |
| оксид алюминия | 1,5-3, |
| алюминий | остальное |
при соотношении алюминия к кремнию 1…1,18 (см. патент РФ №2175682 от 07.09 2000 г., опубликован 10.11.2001 г., бюл. №31).
Хотя данный материал по сравнению с аналогом имеет более низкий температурный коэффициент линейного расширения, однако, величина коэффициента линейного расширения является относительно высокой и больше, чем у стали.
Наиболее близким к предлагаемому способу, принятым за прототип, является способ получения порошкового композиционного материала, включающий приготовление расплава, содержащего алюминий, кремний, никель, введение в расплав дополнительно бериллия и кислорода, распыление расплава и добавление в полученный порошок порошкообразного кремния (см. патент РФ №2175682 от 07.09 2000 г., опубликован 10.11.2001 г., бюл. №31). Данный способ по сравнению с аналогом обеспечивает более тонкодисперсную структуру получаемого материала и меньше подвержен расширению под воздействием температуры, однако, относительно высокая величина коэффициента линейного расширения, большая, чем у стали, и нестабильность прецизионных характеристик упругости материала снижают эксплуатационную надежность высокоточных приборов управления и навигации при работе материала в контакте со сталью в течение длительной эксплуатации.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение коэффициента линейного расширения материала до уровня его значений как у стали.
Ожидаемый технический результат заключается в повышении стабильности прецизионных характеристик упругости за счет получения однородной дисперсной структуры, что обеспечит эксплуатационную надежность высокоточных приборов систем управления и навигации при работе предлагаемого материала в контакте со сталью в течение длительного срока эксплуатации.
Это достигается тем, что порошковый композиционный материал на основе алюминия, содержащий кремний, никель, бериллий и оксид алюминия, дополнительно содержит углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| кремний | 35,0-46,0 |
| никель | 2,0-5,0 |
| бериллий | 0,0001-0,049, |
| оксид алюминия | 0,1-3,0 |
| углерод | 0,5-2,0 |
| алюминий | остальное |
Это достигается тем, что способ получения порошкового композиционного материала на основе алюминия включает приготовление расплава, содержащего алюминий, кремний, никель, бериллий и распыление расплава с получением порошка сплава, затем механическое легирование порошка сплава дисперсными углеродом и кремнием с доведением содержания кремния в материале до 35-46 мас.% в азотно-кислородной смеси с содержанием кислорода 2-8 об.%.
Предлагаемый материал и способ его получения формируют структуру в виде дисперсной эвтектики с тонкими как первичными (образующимися при распылении расплава), так и вторичными (образующимися при механическом легировании) эвтектическими составляющими кремния. Углерод, исполняя роль смазки при механическом легировании, вступает в дальнейшем во взаимодействие с алюминием и кремнием с образованием тонких карбидов, способствующих снижению коэффициента линейного расширения материала. Нижний предел содержания углерода определяется необходимым смазывающим эффектом при механическом легировании, предотвращающим комкование частиц порошка. Верхний предел содержания определяется появлением свободного углерода, повышающего коэффициент линейного расширения Верхний и нижний пределы содержания оксида алюминия определяются величиной удельной поверхности порошка сплава, т.е. величиной защитной оксидной пленки на частицах порошка.
Получение предложенного композиционного материала было осуществлено следующим образом.
1. Приготовление расплава сплава на основе алюминия, содержащего алюминий, кремний, никель, бериллий:
- плавление в печи чушкового алюминия марки А7, введение бериллия в количестве 0,0001-0,049 мас.%,
- легирование расплава, содержащего алюминий марки А7 и присадку бериллия, кремнием в количестве 25-30 мас.% (соответствует сплаву CACl по ТУ 48-0107-42-80) или 15-20 мас.% (соответствует неравновесному эвтектическому сплаву АКД-20 по ТУ 48-0106-66-88 при скорости охлаждения при кристаллизации 103 град/с) и никелем из расчета содержания 2-5 мас.% в композиционном материале (предельные значения концентрации никеля в расплаве - 2,5-8,5 мас.% в зависимости от содержания в нем кремния).
2. Распыление приготовленного расплава с температуры 1000°С сжатым азотом с улавливанием полученного порошка в нейтральной среде азота.
3. Рассев полученного порошка сплава на основе алюминия на сите 008 (ГОСТ 6613-86).
4. Размол порошка кремния Кр0 (ТУ 48-107-42-80) в атриторе с последующим выделением после размола порошка кремния фракции ≤2 мкм.
5. Механическое легирование порошка, полученного после распыления расплава и рассева, в атриторе в азотно-кислородной смеси с содержанием 2…8% кислорода в течение 15…120 мин дисперсными углеродом и кремнием фракции ≤2 мкм с доведением содержания кремния в материале до 35-46 мас.%.
6. Рассев полученной механическим легированием порошковой композиции на сите 016 (ГОСТ 6613-86).
7. Дегазация полученной порошковой композиции в вакууме ≥10-4 мм рт.ст. при температуре 450-520°С.
8. Компактирование полученной порошковой композиции в вакууме ≥10-4 мм рт.ст. при температуре ≥520°С.
9. Опрессовка полученных заготовок на прессе 600 тс в течение 3 мин.
По такой технологии изготавливали композиции с разными массовыми процентами входящих в материал компонентов (табл.1).
Примеры конкретного применения
1. Приготовление расплава плавление алюминия А7, введение бериллия в количестве 0,1% от массы А7 в виде лигатуры А1-2% Ве, легирование расплава на содержание в расплаве Si 27,5% и Ni 7,14% (из расчета 5% Ni в композиционном материале), распыление расплава, рассев полученного порошка с выделением фракции <80 мкм; механическое легирование порошка фракции <80 мкм в атриторе, в смеси N2 - 8% O2, дисперсными углеродом на содержание 2% и кремнием фракции ≤2 мкм - 26,53% (до 45,8% в порошковой композиции), рассев полученной композиции с выделением фракции <160 мкм; дегазация, компактирование полученной композиции и опрессовка заготовок.
2. Приготовление расплава: плавление алюминия А7, введение бериллия в количестве 0,002% от массы А7 в виде лигатуры Al - 2% Ве, легирование расплава на содержание в расплаве Si 15,3% и Ni 4,67% (из расчета 3% Ni в композиционном материале), распыление расплава, рассев полученного порошка с выделением фракции <80 мкм, механическое легирование порошка фракции <80 мкм в атриторе, в смеси N2 - 5% О2, дисперсными углеродом на содержание 1% и кремнием фракции ≤2 мкм - 32,36% (до 42,5% в порошковой композиции), рассев полученной композиции с выделением фракции <160 мкм; дегазация, компактирование полученной композиции и опрессовка заготовок.
3. Приготовление расплава: плавление алюминия А7, введение бериллия в количестве 0,0003% от массы А7 в виде лигатуры Al - 2% Ве, легирование расплава на содержание в расплаве Si 20% и Ni 2,53% (из расчета 2% Ni в композиционном материале); распыление расплава, рассев полученного порошка с выделением фракции <80 мкм; механическое легирование порошка фракции <80 мкм в атриторе, в смеси N2 - 2% O2, дисперсными углеродом на содержание 0,5% и кремнием фракции ≤2 мкм - 19,88% (до 35,7% в порошковой композиции), рассев полученной композиции с выделением фракции <160 мкм; дегазация, компактирование полученной композиции и опрессовка заготовок.
4 (запредельный). Приготовление расплава: плавление алюминия А7, введение бериллия в количестве 0,137% от массы А7 в виде лигатуры Al - 2% Ве, легирование расплава на содержание в расплаве Si 30% и Ni 8,1% (из расчета 5,5% Ni в композиционном материале); распыление расплава, рассев полученного порошка с выделением фракции <80 мкм; механическое легирование порошка фракции <80 мкм в атриторе, в смеси N2 - 9% O2, дисперсными углеродом на содержание 2,5% и кремнием фракции ≤2 мкм - 26,57% (до 46,5% в порошковой композиции), рассев полученной композиции с выделением фракции <160 мкм; дегазация, компактирование полученной композиции и опрессовка заготовок
5 (запредельный). Приготовление расплава: плавление алюминия А7, введение бериллия в количестве 0,00016% от массы А7 в виде лигатуры Al - 2% Ве, легирование расплава на содержание в расплаве Si 17,5% и Ni 1,23% (из расчета 1% Ni в композиционном материале); распыление расплава, рассев полученного порошка с выделением фракции <80 мкм; механическое легирование порошка фракции <80 мкм в атриторе, в смеси N2 - 1,5% O2, дисперсными углеродом на содержание 0,8% и кремнием фракции ≤2 мкм - 20,83% (до 34,5% в порошковой композиции), рассев полученной композиции с выделением фракции <160 мкм; дегазация, компактирование полученной композиции и опрессовка заготовок.
Свойства заготовок (табл.2) свидетельствуют, что предлагаемый материал на 20% снижает коэффициент линейного расширения, который практически становится равным коэффициенту линейного расширения стали и обеспечивает стабильность прецизионных характеристик упругости.
Таким образом удалось достигнуть повышения стабильности прецизионных характеристик упругости за счет получения однородной дисперсной структуры, что обеспечит эксплуатационную надежность высокоточных приборов систем управления и навигации при работе предлагаемого материала в контакте со сталью в течение длительного срока эксплуатации.
| Таблица 1 | |||||||
| №№ п/п | Материал | Содержание компонентов, мас.% | |||||
| Si | Ni | Be | Al2O3 | С | Al | ||
| 1 | Предлагаемый | 45,8 | 5 | 0,045 | 2,9 | 2 | Остальное |
| 2 | 42,5 | 3 | 0,001 | 1 | 1 | ||
| 3 | 35,7 | 2 | 0,0001 | 0,11 | 0,5 | ||
| 4 | Запредельный | 46,5 | 5,5 | 0,06 | 3,5 | 2,5 | |
| 5 | 34,5 | 1 | 0,0001 | 0,05 | 0,8 | ||
| 6 | Прототип | 43,5-46,0 | 3,5-5,0 | 0,01-0,05 | 1,5-3,0 | - |
| Таблица 2 | ||||
| №№ п/п | Материал | ТКЛР, *10-6 1°/С, 20-150°С | Плотность | Прецизионный предел упругости Р0,002, МПа |
| 1 | Предлагаемый | 9,94-10,75 | 2,567 | 39-57 |
| 2 | 10,44-10,46 | 2,599 | 51-57 | |
| 3 | 11,24-11,52 | 2,571 | 45-59 | |
| 4 | Запредельный | 13,60-13,62 | 2,521-2,584 | 38-55 |
| 5 | 14,16-14,44 | 2,66 | 38-56 | |
| 6 | Прототип | 12,3-12,4 | 2,63-2,65 | 7,6-58 |
1. Порошковый композиционный материал на основе алюминия, содержащий кремний, никель, бериллий и оксид алюминия, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| кремний | 35,0-46,0 |
| никель | 2,0-5,0 |
| бериллий | 0,0001-0,049 |
| оксид алюминия | 0,1-3,0 |
| углерод | 0,5-2,0 |
| алюминий | остальное |
2. Способ получения порошкового композиционного материала на основе алюминия, включающий приготовление расплава, содержащего алюминий, кремний, никель, бериллий, и распыление расплава с получением порошка сплава, отличающийся тем, что после распыления осуществляют механическое легирование порошка сплава дисперсными углеродом и кремнием с доведением содержания кремния в материале до 35-46 мас.% в азотно-кислородной смеси с содержанием кислорода 2-8 об.%.
