Способ получения керамико-металлических композиционных материалов

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению заготовок из композиционных керамико-металлических материалов или изделий из них. Может применяться для создания композиционного материала с металлической матрицей, содержащего 40-80% тугоплавкой керамической фазы, с повышенными механическими свойствами. Для формирования тугоплавкого керамического каркаса исходные порошки титана, сажи, графита, алюминия и кремния в дозировке с точностью 0,1 г смешивают в шаровой мельнице в течение 1 ч при соотношении шаров и исходных порошков 3:1. Полученную смесь прессуют в цилиндрический или призматический брикет с относительной пористостью 0,4-0,6, инициируют горение, обеспечивающее протекание самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с получением тугоплавкого керамического каркаса, разогретого до температуры 1200-3000⁰С. Приводят полученный каркас в контакт с жидким металлом для обеспечения его самопроизвольной пропитки. Обеспечивается повышение твердости, износостойкости, ударной вязкости и электропроводности, упрощение технологии производства, сокращение длительности производственного цикла, а также расширение промышленного ассортимента изделий. 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, а конкретно к способам получения керамико-металлических композиционных материалов (керметов).

Известен способ получения керметов методом силового СВС-компактирования (самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) керамической фазы с расплавлением металлической фазы за счет тепла сильно экзотермической реакции СВС и последующим приложением избыточного давления), в котором путем приготовления смеси исходных порошков, ее уплотнения, помещения в зону синтеза и воспламенения с последующей реакцией компонентов смеси в условиях сгорания, а затем охлаждения в течение периода времени примерно от 0,1 секунды до 0,5 часа, где горячие продукты сгорания уплотняют под давлением со средней скоростью повышения давления в диапазоне примерно от 10 до 2000 кгс/см² с последующим отверждением уплотненного продукта, получают композит / Патент US 4988480А - Method for making a composite/.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе необходимо прикладывать большое избыточное давление прессования, что приводит к усложнению производства и необходимости использования крупногабаритного прессового оборудования, и, как следствие, к заметному удорожанию получаемых композитов, наряду с их ограниченными размерами, а также ограниченностью объема металла, расплавляемого за счет тепла реакции СВС.

Известен способ изготовления композиционного материала с металлической матрицей на основе алюминия, в котором путем самопроизвольной пропитки расплавленный сплав алюминия проникает в пористую керамическую массу наполнителя после вакуумирования и создания азотосодержащей атмосферы с присутствием инертного газа, обеспечивая получение композиционного материала с алюминиевой матрицей. / Патент SU 1838441 A3 - Способ изготовления композиционного материала с металлической матрицей на основе алюминия/.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе изготовления композиционного материала с металлической матрицей на основе алюминия, необходимо вакуумирование, а также создание азотосодержащей атмосферы с присутствием инертного газа, что требует более сложного оборудования и повышает стоимость композиционных материалов.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявленному изобретению, способом того же назначения, является способ изготовления лигатур на основе алюминия, в котором путем использования самопроизвольной пропитки при изготовлении лигатур с алюминиевой матрицей, содержащих 40-80% тугоплавких частиц, помещают эти частицы в форму для пропитки и заливают жидким алюминием. При этом частицы и алюминий нагревают до разных температур. Алюминий нагревают до температуры, превышающей температуру его плавления не больше, чем на 5-10°С, а частицы нагревают до температуры, связанной определенным соотношением с удельной поверхностью частиц и поверхностным натяжением жидкого алюминия. / Патент RU 2190682, МПК С22С 1/10 - Способ изготовления лигатур на основе алюминия/, принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе наблюдается большой расход энергии на нагрев металла и керамической фазы, что повышает стоимость получения лигатур, а также требуется дорогостоящее оборудование для нагрева керамических частиц до 1200-2200°С, что вместе с высокой трудоемкостью приводят к низкой производительности.

Сущность изобретения заключается в создании экономичного способа получения керамико-металлических композиционных материалов на основе керамической и металлической фаз с использованием самораспространяющегося высокотемпературного синтеза тугоплавкого керамического каркаса с его последующей самопроизвольной пропиткой жидким металлом без приложения внешнего давления и дополнительных затрат энергии, позволяющего повысить физико-механические свойства керамико-металлических композиционных материалов.

Технический результат изобретения - повышение твердости, износостойкости, ударной вязкости и электропроводности керамико-металлических композиционных материалов, упрощение технологии их производства и сокращение длительности производственного цикла, а также расширение промышленного ассортимента изделий из керамико-металлических композиционных материалов.

Технический результат достигается тем, что в известном способе получения композиционного материала с металлической матрицей, содержащего 40-80% тугоплавкой керамической фазы, включающем формирование тугоплавкого керамического каркаса путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, пропитку жидким металлом и остывание естественным путем, особенность заключается в том что для формирования тугоплавкого керамического каркаса исходные порошки титана, сажи, графита, алюминия и кремния в дозировке с точностью 0,1г смешивают в шаровой мельнице в течение 1 ч при соотношении шаров и исходных порошков 3:1, полученную смесь прессуют в цилиндрический или призматический брикет с относительной пористостью 0,4-0,6, инициируют горение, обеспечивающее протекание самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с получением тугоплавкого керамического каркаса, разогретого до температуры 1200-3000 ⁰С, и приводят полученный каркас в контакт с жидким металлом для обеспечения его самопроизвольной пропитки. Керамический каркас приводят в контакт с жидким металлом непосредственно после окончания горения или спустя 10-30 секунд путем его погружения в жидкий металл или заливки им. Исходные порошки перед прессованием подвергают сушке. К исходным порошковым компонентам добавляют инертные порошки элементов, обеспечивающие увеличение прочности керамического каркаса и/или улучшающие его смачиваемость жидким металлом. Жидкий металл легируют элементами, улучшающими смачиваемость керамического каркаса.

Для формирования тугоплавкого керамического каркаса тугоплавкую керамическую фазу берут не в готовом виде, а синтезируют из исходных порошковых компонентов – реагентов в процессе изготовления композиционного керамико-металлического материла для чего исходные порошковые компоненты подирают по атомарному соотношению элементов в целевом химическом соединении и в соотношении, обеспечивающем самостоятельное горение и получение целевой керамической фазы, затем их смешивают прессуют, формуя шихтовую заготовку, после чего производят нагревание, например спиралью накаливания, инициируя горение, синтезирующее тугоплавкий керамический каркас, представляющий собой спеченные тугоплавкие керамические частицы целевого химического соединения с высокой температурой, который, для его самопроизвольной пропитки металлом, приводят в контакт с жидким металлом. При этом керамический каркас приводят в контакт с жидким металлом непосредственно после окончания горения или спустя 10-30 секунд путем его погружения в жидкий металл или заливки им. При необходимости исходные порошковые компоненты перед прессованием подвергают сушке. К исходным порошковым компонентам добавляют инертные порошки элементов, которые увеличивают прочность керамического каркаса и/или улучшают его смачивание и пропитку жидким металлом. Жидкий металл легируют элементами, которые улучшают смачивание и пропитку керамического каркаса.

Тугоплавкий керамический каркас с определенной пористостью представляет собой спеченные тугоплавкие частицы целевого керамического соединения, получаемые методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и обладающие, сразу после синтеза, температурой значительно превышающей температуру жидкого металла, что обеспечивает самопроизвольную пропитку тугоплавкого керамического каркаса жидким металлом за счет улучшения смачиваемости. Исходные чистые порошковые компоненты смешивают для получения экзотермической смеси (СВС-шихты) в определенном соотношении, обеспечивающем самостоятельное горение и получение целевой керамической фазы, и прессуют в цилиндрический или призматический брикет с относительной пористостью 0,4-0,6 для получения шихтовой заготовки. В порошковом брикете, например, раскаленной электрической спиралью, инициируют горение, синтезирующее тугоплавкий керамический каркас. Сразу после окончания горения или спустя определенное время синтезированный пористый тугоплавкий керамический каркас погружают в жидкий металл либо заливают им, что обеспечивает самопроизвольную пропитку пор более нагретого тугоплавкого керамического каркаса за счет улучшения смачиваемости. Через 10-30 секунд пропитанный металлом керамический каркас вынимают из жидкого металла, чтобы он не отвердел вместе с избытком жидкого металла, после чего он продолжает остывать на воздухе.

Положительный эффект от использования предложенного способа выражается в том, что он обеспечивает простое и энергоэффективное получение тугоплавкого керамического каркаса методом СВС с прочностью, значительно превышающей прочность тугоплавкого керамического каркаса, спеченного традиционным способом порошковой металлургии из соответствующих керамических порошков. Свежая чистая, не загрязненная адсорбированными веществами и влагой поверхность тугоплавкого керамического каркаса способствует лучшей адгезии с жидким металлом, что, в конечном счете, повышает такие физико-механические свойства керамико-металлических композиционных материалов как прочность, твердость, износостойкость, ударная вязкость, электропроводность.

Энергоэффективность при производстве керамико-металлических композиционных материалов обеспечивается за счет использования тепла реакции СВС для получения продукта - тугоплавкого керамического каркаса с одновременным обеспечением самопроизвольной пропитки жидким металлом пор, получаемого тугоплавкого керамического каркаса, саморазогретого в результате СВС до высокой температуры 1200-3000°С. Таким образом, этот способ не требует затрат внешней энергии для синтеза тугоплавкого керамического каркаса и его нагрева, обеспечивающего хорошую смачиваемость жидким металлом. Повышение твердости и износостойкости керамико-металлических композиционных материалов обеспечивается за счет сохранности в них каркаса из тугоплавкой керамической фазы. Высокая ударная вязкость и электропроводность присуща керамико-металлическим композиционным материалам благодаря металлической матрице, которая распределена в открытом поровом пространстве тугоплавкого керамического каркаса. Прочность обеспечивается хорошей смачиваемостью тугоплавкого керамического каркаса жидким металлом, благодаря отсутствию примесей на поверхности тугоплавкого керамического каркаса сразу после СВС.

Сохранность сложных керамических фаз (МАХ-фазы и др.) в получаемом керамико-металлическом композиционном материале обеспечивается созданием временной паузы между процессом горения и пропиткой, что позволяет завершиться процессу формированию данных керамических фаз. Также быстротечность процессов пропитки тугоплавкого керамического каркаса жидким металлом и охлаждения пропитанного каркаса позволяет получать керамико-металлические композиционные материалы с взаимореагирующими керамикой и металлом с минимальным содержанием побочных соединений - продуктов нецелевых межфазных химических реакций.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключается в следующем. Для получении СВС-шихты использовались исходные порошковые компоненты следующих марок: титан марок ПТС, ТПП-7; углерод технический марки П 701 (сажа), графит марок С-1,С-2; алюминий марки ПА-4, кремний марки Кр0. Для удаления влаги и иных адсорбированных примесей исходные порошковые компоненты подвергались сушке при температуре 60-70°С в сушильных шкафах в течение 2 часов. Затем исходные порошковые компоненты перемешивались в течение 1 часа в шаровой мельнице объемом 1 л при соотношении шаров и исходных порошковых компонентов 3:1. Дозировку исходных порошковых компонентов осуществляли с точностью 0,1 г. Молярный состав исходных порошковых компонентов подбирается по атомарному соотношению элементов в целевом керамическом соединении с учетом возможного изменения этого соотношения вследствие частичного испарения элементов в ходе СВС, например, Ti+C=TiC, Ti+2B=TiB₂, 3Ti+2Al+2C-+Ti₃AlC₂, 3Ti+1,25Si+2C→Ti₃SiC₂. Полученную из исходных порошковых компонентов СВС-шихту путем одностороннего прессования формовали в виде шихтовых заготовок в форме цилиндра диаметром 23 мм и массой 10 г или в виде прямоугольной призмы с размерами 40×20×6 мм. Отдельно готовился жидкий металл (алюминия, меди, чугуна, стали или другого металла или сплава). Реакция СВС осуществлялась зажиганием шихтовой заготовки на воздухе. Сразу после окончания горения или спустя некоторое время, синтезированный тугоплавкий керамический каркас погружался в жидкий металл или заливался им, в результате чего происходила самопроизвольная пропитка тугоплавкого керамического каркаса жидким металлом. Пропитанный тугоплавкий керамический каркас выдерживался в жидком металле некоторое время, после чего вынимался и остывал на воздухе. Таким образом, способ позволяет получить заготовку из каркасного керамико-металлического композиционного материала с повышенными физико-механическими свойствами.

Предложенный способ позволяет значительно повысить физико-механические свойства керамико-металлических композиционных материалов, снимая размерные ограничения, производимых материалов, при этом одновременно упрощая технологию их производства и сокращая длительность производственного цикла за счет исключения из него необходимость использования большого избыточного давление и крупногабаритного прессового оборудования, а также удешевляя их производство.

1. Способ получения композиционного материала с металлической матрицей, содержащего 40-80% тугоплавкой керамической фазы, включающий формирование тугоплавкого керамического каркаса путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, пропитку жидким металлом и остывание естественным путем, отличающийся тем, что для формирования тугоплавкого керамического каркаса исходные порошки титана, сажи, графита, алюминия и кремния в дозировке с точностью 0,1 г смешивают в шаровой мельнице в течение 1 ч при соотношении шаров и исходных порошков 3:1, полученную смесь прессуют в цилиндрический или призматический брикет с относительной пористостью 0,4-0,6, инициируют горение, обеспечивающее протекание самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с получением тугоплавкого керамического каркаса, разогретого до температуры 1200-3000°С, и приводят полученный каркас в контакт с жидким металлом с обеспечением его самопроизвольной пропитки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что керамический каркас приводят в контакт с жидким металлом непосредственно после окончания горения или спустя 10-30 секунд.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что керамический каркас приводят в контакт с жидким металлом путем его погружения в жидкий металл или заливки им.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что исходные порошки перед прессованием подвергают сушке.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что к исходным порошкам добавляют инертные порошки элементов, обеспечивающих увеличение прочности керамического каркаса и/или улучшающих его смачиваемость жидким металлом.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жидкий металл легируют элементами, улучшающими смачиваемость керамического каркаса.