Способ получения композиционного материала al2o3-al

Изобретение относится к технологии композиционных материалов - керметов и может быть использовано для получения прочных износостойких изделий, работающих в трибосопряжениях в условиях самосмазывания. Для изготовления композиционного материала Al2O3-Al получали гранулированную шихту, состоящую из смеси алюминиевого порошка (ПАП-2) со стеаратом натрия и глицерином, после высушивания ее термообрабатывали на воздухе (150-350°C, 0,5-1,0 ч) и прессовали под давлением 300-700 МПа, осуществляя выдержку под давлением в течение 15-60 с. Для спекания заготовки инициировали процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем ее нагрева воздушным теплоносителем до 500-600°C с последующей изотермической выдержкой в течение 0,5-1 ч. Фазовый состав спеченного материала был следующим (об.%): Al 78-82, γ-Al2O3 10-14, α-Na2Si2O5 3,0-4,0, Si 1,2-2,0, C 2,5-2,8. Плотность материала составила 2,0-2,2 г/см3, предел прочности при изгибе 70-160 МПа, коэффициент трения скольжения (по схеме «стержень-диск», контртело - шарик диаметром 3 мм из стали ШХ-15, нормальная нагрузка - 1 Н, линейная скорость перемещения контртела относительно диска - 10 см/сек) 0,10-0,12. Технический результат изобретения - повышение выхода годных изделий и снижение коэффициента трения получаемого материала при сохранении достаточно высокой прочности. 1 з.п. ф-лы, 3 пр., 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к технологии композиционных материалов - керметов и может быть использовано для получения прочных, износостойких изделий, работающих в трибосопряжениях в условиях самосмазывания.

Известен способ получения композиционного материала Al2O3-Al [1], включающий термообработку на воздухе (220-250°C) алюминиевого порошка ГТАП-2, состоящего из частиц пластинчатой формы со стеариновым покрытием, приготовление шихты путем его смешивания с водным раствором жидкого стекла в количестве 3-15% масс в пересчете на сухой остаток вещества, сушку шихты на воздухе при температуре 20-60°C до полного удаления влаги, прессование из нее заготовки под давлением 620-700 МПа, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем до температуры 610-650°C с последующей изотермической выдержкой в течение 1-5 часов и охлаждением за счет выдержки нагретого изделия на воздухе при комнатной температуре (см., напр., патент РФ №2319678, МПК C04B 35/65 опубл. 2008 г.).

В данном случае термообработку на воздухе порошка ПАП-2 проводят с целью удаления стеарина с поверхности его частиц.

Недостатком этого способа является достаточно высокий коэффициент трения получаемого материала при работе в трибосопряжениях.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения композиционного материала Al2O3-Al, включающий приготовление шихты смешиванием алюминиевого порошка, состоящего из частиц пластинчатой формы, содержащих стеариновое покрытие, с водным раствором жидкого стекла при последующей выдержке смеси при комнатной температуре до завершения образования стеарата натрия и глицерина, гранулирование шихты, ее сушку, изготовление из нее заготовки, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем и охлаждение за счет выдержки изделия при комнатной температуре способ получения композиционного материала Al2O3-Al (см., напр., патент РФ №2461530, МПК C04B 35/65, опубл. 2012 г.).

Недостатком способа-прототипа является неудовлетворительный выход годных изделий, связанный с возможным газовыделением из заготовки в процессе СВС, создающим внутренние напряжения, и как следствие, являющимся причиной возникновения в ней поверхностных микротрещин. Кроме того, наблюдается относительно высокий коэффициент трения получаемого материала при работе в трибосопряжении.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования известного способа для повышения % выхода годных изделий и снижение коэффициента трения получаемого материала в процессе работы в трибосопряжении при сохранении достаточно высокой прочности.

Для выполнения поставленной задачи в способе получения композиционного материала Al2O3-Al, включающем приготовление шихты смешиванием алюминиевого порошка, состоящего из частиц пластинчатой формы, содержащих стеариновое покрытие, с водным раствором жидкого стекла при последующей выдержке смеси при комнатной температуре до завершения образования стеарата натрия и глицерина, гранулирование шихты, ее сушку, изготовление из нее заготовки, инициирование процесса СВС путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем и охлаждение за счет выдержки изделия на воздухе при комнатной температуре, для изготовления заготовки гранулированную шихту после сушки термообрабатывают на воздухе при температуре 150-350°C в течение 0,5-1,0 часа, затем проводят ее прессование, прикладывая давление 300-700 МПа с выдержкой под давлением в течение 15-60 с.

А также согласно предложенному способу нагрев заготовки воздушным теплоносителем, для инициирования процесса СВС, проводят до температуры 500-600°C с последующей изотермической выдержкой в течение 0,5-1,0 часа.

Поскольку для изготовления заготовки гранулированную шихту после сушки термообрабатывают на воздухе при температуре 150-350°C в течение 0,5-1,0 часа, затем проводят ее прессование, прикладывая давление 300-700 МПа с выдержкой под давлением в течение 15-60 с, а также согласно предложенному способу нагрев заготовки воздушным теплоносителем, для инициирования процесса СВС, проводят до температуры 500-600°C с последующей изотермической выдержкой в течение 0,5-1,0 часа, обеспечивается повышение % выхода годных изделий и снижение коэффициента трения получаемого материала в процессе работы в трибосопряжении при сохранении достаточно высокой прочности.

Для получения материала по заявленному способу приготавливали гранулированную сухую шихту, используя технологические операции, описанные в способе-прототипе.

Эту шихту термообрабатывали на воздухе при температуре (T1) 150-350°C в течение времени (τ1), равного 0,5-1,0 ч.

Данная термообработка обеспечивала полное удаление газообразных продуктов разложения стеарата натрия и глицерина из гранул, составляющих шихту, а также сохранение необходимого количества углеродного остатка на поверхности пластинчатых алюминиевых частиц, выполняющего функцию твердой смазки в спеченном материале.

В результате после инициирования процесса СВС не наблюдалось выделения остаточного количества газообразных продуктов разложения смеси [C17H35COONa+C3H5(OH)3] из спекаемой заготовки (по способу-прототипу выделение остаточных газообразных продуктов после инициирования СВС имело место, что приводило к понижению % выхода годных изделий: на поверхности некоторых образцов обнаруживались микротрещины).

Снижение T1 и τ1 менее 150°C и 0,5 ч - соответственно, невозможно, так при этом не достигался полный отвод газообразных продуктов из шихты.

Увеличение T1 и τ1 более 350°C и 1,0 ч - соответственно, не целесообразно, поскольку в этом случае снижалось (ниже допустимого) количество остаточного углеродного остатка в объеме гранул в следствие его выгорания, при этом значительно повышалась жесткость гранул из-за их оксидирования, что негативно сказывалось на прессуемости шихты.

Прессование шихты проводили под давлением (Р) 300-700 МПа, выдерживая заготовку под давлением в течение времени (τ2) - 15-60 с.

Заданная выдержка под фиксированным давлением обеспечивала подавление эффекта «послеупругого действия» заготовки после ее выемки из пресс-формы («послеупругое действие» проявлялось в постепенном расширении заготовки, приводящим к снижению ее плотности и формированию внутренних дефектов - микротрещин, вследствие замедленного выделения заготовкой запасенной энергии упругой деформации). Такое воздействие на заготовку способствовало протеканию релаксации внутренних напряжений за счет пластической деформации гранул.

Снижение P и τ2 менее 300 МПа и 15 с - соответственно, невозможно, так как при этом наблюдалось проявление эффекта «послеупругого действия» и, как следствие, снижение прочности спеченных изделий. Увеличение этих параметров более 700 МПа и 60 с - соответственно, не приводило к повышению прочностных и триботехнических свойств материала.

Нагрев заготовки воздушным теплоносителем, для инициирования процесса СВС, проводят до температуры (T2) - 500-600°C с последующей изотермической выдержкой (τ3) в течение 0,5-1,0 часа.

Снижение T2 менее 500°C невозможно, так как при этом не наблюдается зажигания заготовки для инициирования СВС, увеличение T2 более 600°C также не возможно вследствие выброса перегретого (выше температуры плавления) алюминиевого расплава из объема спекаемой заготовки.

Снижение τ3 менее 0,5 часа невозможно вследствие неудовлетворительной прочности спеченного материала, а увеличение τ3 более 1 часа не целесообразно, поскольку увеличения прочностных свойств не наблюдалось.

Примеры реализации заявленного способа

Пример 1. Для приготовления шихты смешивали 100 грамм алюминиевого порошка (марки ПАП-2) с водным раствором жидкого стекла (ГОСТ 13078-81), взятого в количестве 2,5% масс в пересчете на сухой остаток вещества.

Смешивание производили в закрытой фарфоровой емкости при помощи пропеллерной мешалки до завершения процесса образования стеарата натрия и глицерина на поверхности пластинчатых алюминиевых частиц.

Полученная шихта представляла собой вязкую массу, которую гранулировали путем продавливания через сито с размером ячеек 3,0 мм. Гранулированную шихту высушивали до нулевой влажности (при температуре 60°C).

После этого ее термообрабатывали на воздухе при температуре (T1) 150°C в течение времени (τ1) - 1,0 ч (вид гранулированной шихты после термообработки на воздухе показан на рис. 1).

Эту шихту засыпали в стальную пресс-форму и прикладывали давление (Р) 300 МПа, выдерживая его в течение времени (τ2) - 15 с.

Полученную прессованием заготовку помещали в муфельную печь и нагревали, увеличивая температуру воздушного теплоносителя (T2) до 500°C.

В результате происходило инициирование процесса СВС, его начало визуально фиксировалось по свечению заготовки, которую выдерживали в печном пространстве при T2 в течение времени (τ3) - 1,0 ч.

По завершении изотермической выдержки спеченное изделие извлекали из печи и охлаждали при комнатной температуре.

Согласно данным РФА основной фазовый состав спеченного материала был следующим (%, об.): Al - 80%, γ - Al2O3 - 13%, α - Na2Si2O5 - 3%, Si - 1,2%, C - 2,8%.

Пример 2. Все технологические операции и их последовательность совпадают с описанными в примере 1.

Сухую гранулированную шихту термообрабатывали на воздухе при температуре (T1) 250°C в течение времени (τ1) - 0,75 ч.

Эту шихту засыпали в стальную пресс-форму и прикладывали давление (P) 500 МПа, выдерживая его в течение времени (τ2) - 37,5 с.

Полученную прессованием заготовку помещали в муфельную печь и нагревали, увеличивая температуру воздушного теплоносителя (T2) до 550°C.

В результате происходило инициирование процесса СВС, его начало визуально фиксировалось по свечению заготовки, которую выдерживали в печном пространстве при T2 в течение времени (τ3) - 0,75 ч.

По завершении изотермической выдержки спеченное изделие извлекали из печи и охлаждали при комнатной температуре.

Согласно данным РФА основной фазовый состав спеченного материала был следующим (%, об): Al - 78%, γ - Al2O3 - 14%, α - Na2Si2O5 - 4%, Si - 1,3%, C - 2,7%.

Пример 3. Все технологические операции и их последовательность совпадают с описанными в примерах 1 и 2.

Сухую гранулированную шихту термообрабатывали на воздухе при температуре (T1) 350°C в течение времени (τ1) - 0,5 ч.

Эту шихту засыпали в стальную пресс-форму и прикладывали давление (P) 700 МПа, выдерживая его в течение времени (τ2) - 60 с.

Полученную прессованием заготовку помещали в муфельную печь и нагревали, увеличивая температуру воздушного теплоносителя (T2) до 660°C.

В результате происходило инициирование процесса СВС, его начало визуально фиксировалось по свечению заготовки, которую выдерживали в печном пространстве при T2 в течение времени (τ3) - 0,5 ч.

По завершении изотермической выдержки спеченное изделие извлекали из печи и охлаждали при комнатной температуре.

Согласно данным РФА основной фазовый состав спеченного материала был следующим (%, об.): Al - 82%, γ - Al2O3 - 10%, α - Na2Si2O5 - 3,5%, Si - 2%, C - 2,5%.

В таблице представлены результаты испытаний материала, полученного по заявленному способу, в сравнении с материалом, изготовленным по способу-прототипу.

Предел прочности при изгибе определяли [3] по 3-точечной схеме нагружения на призматических образцах с размерами 7×7×50 мм, расстояние между опорами - 32 мм, скорость перемещения траверсы нагружающего устройства составляла 1 мм/мин.

Коэффициент трения скольжения определяли по схеме «стержень-диск» на приборе Tribometer, CSM Instr. В качестве контртела использовали шарик диаметром 3 мм из стали ШХ-15. Нормальная нагрузка составляла 1 Н, линейная скорость перемещения контртела относительно диска (диаметр - 20 мм, высота - 8 мм) - 10 см/сек.

Выход годных изделий (из партии 50 штук) оценивали методом оптической микроскопии путем контроля качества поверхности спеченных образцов (7×7×50 мм). Годными считались образцы, не содержащие поверхностных дефектов в виде микротрещин, микрообластей расслоения по границам пластинчатых частиц, локальной деформации, вздутий и поводок.

Как видно из приведенных в таблице данных, достигается снижение коэффициента трения скольжения материала, полученного по предложенному способу, по сравнению с материалом, изготовленным по способу-прототипу, в 1,3-1,4 раза. Также имеет место 100% выход годных изделий (по прототипу выход годных изделий составляет 90-95%). При этом сохраняется достаточно высокий уровень прочности (σизг=70-160 МПа - по заявленному способу; σизг=200-240 МПа - по способу-прототипу).

Снижение коэффициента трения скольжения полученного материала (в сравнении с прототипом) достигается вследствие сохранения достаточно высокого количества (2,5-2,8% масс) углеродного остатка, выполняющего функцию твердой смазки в спеченном материале, благодаря оптимально подобранным режимам термообработки шихты и спекания материала, а также параметрам прессования заготовки.

Увеличение выхода года годных изделий до 100% обеспечивается за счет полного отвода газообразных продуктов разложения стеарата натрия и глицерина из гранулированной шихты при ее термообработке на воздухе, что исключало газовыделение на стадии спекания заготовки в режиме СВС (последнее служило причиной возникновения микротрещин на поверхности изделий, получаемых по способу-прототипу).

Таким образом, техническая задача данного изобретения выполнена - достигнуто повышение % выхода годных изделий и снижение коэффициента трения получаемого материала в процессе работы в трибосопряжении при сохранении достаточно высокой прочности.

1. Способ получения композиционного материала Al2O3-Al, включающий приготовление шихты смешиванием алюминиевого порошка, состоящего из частиц пластинчатой формы, содержащих стеариновое покрытие, с водным раствором жидкого стекла при последующей выдержке смеси при комнатной температуре до завершения образования стеарата натрия и глицерина, гранулирование шихты, ее сушку, изготовление из нее заготовки, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем и охлаждение за счет выдержки изделия при комнатной температуре, отличающийся тем, что для изготовления заготовки гранулированную шихту после сушки термообрабатывают на воздухе при температуре 150-350°C в течение 0,5-1 часа, затем проводят ее прессование под давлением 300-700 МПа с выдержкой под давлением в течение 15-60 с.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев заготовки воздушным теплоносителем для инициирования процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза проводят до температуры 500-600°C с последующей изотермической выдержкой в течение 0,5-1,0 часа.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области производства хромсодержащих огнеупорных материалов, предназначенных для футеровки стекловаренных печей при варке бесщелочных алюмоборосиликатных стекол.

Изобретение относится к изготовлению искусственных плавленых слюдяных материалов. Технический результат изобретения заключается в увеличении химической чистоты фторфлогопита, коррозионной и эрозионной стойкости материала.

Изобретение относится к огнеупорной промышленности. Технический результат изобретения заключается в снижении открытой пористости и повышении шлакоустойчивости.

Изобретение может быть использовано при получении конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, для химической, нефтехимической, химико-металлургической промышленности и авиатехники.

Изобретение может быть использовано при получении конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, для химической, нефтехимической, химико-металлургической промышленности и авиатехники.

Изобретение относится к области получения композиционных материалов и изделий теплозащитного и конструкционного назначений для использования в авиакосмической технике и металлургии в условиях комплексных статических и динамических нагрузок при температурах до 2000°С в окислительной и абразивосодержащих средах.
Изобретение относится к конструкционным материалам. Технический результат изобретения заключается в повышении безусадочности, жаропрочности и жаростойкости, в сохранении механической прочности в интервале температур 25-1400°С, повышении долговечности и фазовой стабильности при любом использовании материала в указанном диапазоне температур.

Способ включает плазменное напыление частиц однородного по крупности керамического материала на основе оксида алюминия на удаляемую оправку. Напыление ведут путем формирования монослоев за счет соударения напыляемых частиц керамического материала с поверхностью оправки под углом менее 45°, исключая ноль.
Способ получения композиционного материала Аl-Аl2O3 относится к технологии композиционных материалов - керметов и может быть использовано для получения уплотнительных элементов, применяемых для плотного сопряжения деталей и конструкций высокотемпературных энергетических установок.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов на основе силицида ниобия Nb5Si3 методом высокотемпературного синтеза (CBC) под давлением.

Изобретение относится к композиционным керамическим материалам конструкционного назначения и способу его получения. Материал может быть использован для изготовления высокопрочных изделий, преимущественно в медицинской области в качестве эндопротезов суставов.

Изобретение относится к инструментальной промышленности, в частности к обработке металлов резанием, и может быть использовано при изготовлении режущих керамических пластин.

Изобретение относится к керметам, а именно к получению композиционного материала Al2O3-Al. Сплав Al-Mg с содержанием магния 15-25 мас.% обрабатывают водным раствором едкого натра до образования в маточном растворе осадка в виде гранул.
Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к производству высокопрочного и высокотермостойкого керамического композиционного материала на основе алюмокислородной керамики, структурированной в объеме наноструктурами (нанонитями) TiN, и может быть использовано в машиностроении, в изделиях авиационно-космической техники, двигателестроении, металлообрабатывающей промышленности, в наиболее важных и подверженных экстремальным термоциклическим нагрузкам узлах и деталях.
Способ получения композиционного материала Аl-Аl2O3 относится к технологии композиционных материалов - керметов и может быть использовано для получения уплотнительных элементов, применяемых для плотного сопряжения деталей и конструкций высокотемпературных энергетических установок.
Изобретение относится к области производства ударостойкой керамики и может быть использовано для изготовления керамических бронеэлементов. Технический результат изобретения - разработка шихты для изготовления керамического материала с твердостью и прочностью, достаточными, чтобы противостоять воздействию ударно-динамических нагрузок.

Изобретение относится к технологии композиционных материалов - керметов и может быть использовано для получения износостойких изделий, применяемых в трибосопряжениях.

Изобретение относится к области химии, а именно к керамометаллам, фильтрующим элементам, носителям для катализаторов и мембран, которые могут быть использованы преимущественно в различных гетерогенных каталитических процессах химической промышленности, а также в энергетике, автомобильной промышленности.
Изобретение относится к получению композиционных материалов. .

Кермет // 1368300
Изобретение относится к технологии материалов для коммутации сильноточных электрических цепей ик технологии конденсаторньк материалов. .

Изобретение относится к получению открытопористого наноструктурного никеля. Смешивают порошкообразный кристаллогидрат нитрат никеля и жидкий многоатомный спирт в качестве газообразующего восстановителя при следующем соотношении: жидкий многоатомный спирт/порошкообразный кристаллогидрат нитрата никеля 1:(2,5-4).

Изобретение относится к технологии композиционных материалов - керметов и может быть использовано для получения прочных износостойких изделий, работающих в трибосопряжениях в условиях самосмазывания. Для изготовления композиционного материала Al2O3-Al получали гранулированную шихту, состоящую из смеси алюминиевого порошка со стеаратом натрия и глицерином, после высушивания ее термообрабатывали на воздухе и прессовали под давлением 300-700 МПа, осуществляя выдержку под давлением в течение 15-60 с. Для спекания заготовки инициировали процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем ее нагрева воздушным теплоносителем до 500-600°C с последующей изотермической выдержкой в течение 0,5-1 ч. Фазовый состав спеченного материала был следующим : Al 78-82, γ-Al2O3 10-14, α-Na2Si2O5 3,0-4,0, Si 1,2-2,0, C 2,5-2,8. Плотность материала составила 2,0-2,2 гсм3, предел прочности при изгибе 70-160 МПа, коэффициент трения скольжения 0,10-0,12. Технический результат изобретения - повышение выхода годных изделий и снижение коэффициента трения получаемого материала при сохранении достаточно высокой прочности. 1 з.п. ф-лы, 3 пр., 1 табл., 1 ил.

Наверх