Способ изготовления пористых листов из металлических волокон

(9) (11) нныи технологичеолковскогоЭ.Струков, В.П.Ан 97 ЛЕНИЯ ПОРИСТЫХ ЧЕСКИХ ВОЛОКОН ния: способ включаских волокон метосплава, укладку и ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕ НТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Московский авиациский институт им. К.Э,Ц(56) Патент США ЛЬ 346кл. В 23 Р 17/06, 1969.(54) СПОСОБ ИЗ ГОТОВЛИСТОВ ИЗ МЕТАЛЛИ(57) Сущность изобретеет получение металличедом экстракции из ра Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении пористых листовых полуфабрикатов из различных сплавов для деталей в космической технике, авиа- и автомобилестроении, криогенной технике, пищевой и медицинской промышленности.Известен способ получения пористого материала из волокон. включающий их укладку и скрепление(а.с. СССР М 921670, кл, В 22 О 11/06, 1982), Недостатком способа является низкая прочность получаемого материала, его разрыхление и разрушение в процессе эксплуатации вследствие отсутствия прочного соединения между волокнами.Известен принятый в качестве прототипа способ получения пористой металлической структуры из коротких (50 мм) металлических волокон с размером поперечного сечения 50 мкм, изогнутых без изломов, включающий перемешивание волокон, сборку пакета и термообработку.Недостатком этого способа является невысокая прочность получаемого материала 1)5 С 22 С 1/08, 1/09, В 23 Р 17/ компактирование волокон прокаткой. Прокатку проводят со степенью деформации 50 - 85%. Затем листы спекают под нагрузкой 0,01 - 0,1 кгс/мм при температуре 0,420,8 от температуры плавления волокон в течение 10 - 60 мин. Спекание, в частности, осуществляют прямым пропусканием через лист электрического тока плотностью 5 - 20 А/мм и в вакууме при остаточном дав 2лении воздуха не более 10 мм рт.ст, После спекания для регулирования пористости при необходимости дополнительно осуществляют прокатку листов со степенью деформации до 100,. 3 з.п,ф-лы, 3 табл,из-за отсутствия прочных связеи между исходными волокнами.Целью изобретения является улучшение качества листов за счет повышения прочности на изгиб. Указанная цель достигается тем, что по способу получения пористых листов из металлических волокон, включающему получение волокон их укладку, деформирование и спекание, волокна получают методом экстракции из расплава, деформирование осуществляют прокаткой со степенью деформации 5085%, спекание ведут под нагрузкой с удельным давлением от 0,01 до 0,1 кгс/мм в атмосфере воздуха с остаточным давлением газа до 10 мм рт,ст. при температуре 0,40,8 Тлл. В течение 10,60 мин, при этом нагрев предварительно скомпактированного листа при спекании может осуществляться прямым пропусканием через лист электрического тока плотностью от 5 до 20 А/мм, а после спекания с целью получения регламентированной пористости возможно использование дополнительной операции прокатки со. степенью деформации до 100%. Предложенная не известная ранее совокупностьопераций и переходные режимы технологического процесса позволяют получать пористые листы из металлических волокон свысоким уровнем механических свойств, недостижимым при использовании известныхспособов.Экспериментально было доказано, чтоволокна, полученные методом экстракциииз расплава, отличаются развитой поверхностью, высокой пластичностью, малой степенью окисления поверхности,значительной длиной (свыше 100 мм), Волокна получают путем опускания кромкибыстро вращающегося охлаждаемого дискакристаллизатора в соответствующий расплав. Все перечисленные выше качества волокон положительно сказываются приполучении из них пористых листов.Полученные таким образом волокна укладываются в лист и подвергают прокаткесо степенью деформации 50,85%. В результате в точках контакта между волокнами происходит разрушение окисленнойпленки и образование механического соединения их друг с другом. Варьируя степеньдеформации в заявленных пределах, можновоздействовать на пористость получаемыхлистов. При уменьшении степени деформации ниже 50% волокна не получают прочного механического соединения друг с другомвследствие невысоких сдвиговых деформаций и сохранения в результате окисных пленок в точках контакта, При повышениистепени деформации при прокатке болеечем на 85% материал излишне нагартовывается, возможно дробление исходных волокон. Пористость такого листа резкоуменьшается, механические свойства ухудшаются.При спекании под нагрузкой с удельным давлением от 0,01 до 0,1 кгс/мм, вгатмосфере воздуха с остаточным давлениемгаза до 10 мм рт,ст, при температуре 0,408Тпл, в течение 1060 мин между деформированными волокнами образуется прочноедиффузионное соединение, механическиесвойства полученных пористых листов увеличиваются,Уменьшение удельного давления при спекании против заявленной величины ослабляет интенсивность диффузионных процессов при спекании, прочность получаемых листов падает, Увеличение удельного давления сверх заявленной величины приводит к снижению пористости, появлению закрытой пористости, что нежелательно, При этом не происходит за 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 метного роста механических свойств материала.Уменьшение остаточного давления воздуха при спекании против заявленного экономически нецелесообразно, так как не приводит к заметному росту механических свойств продукции, но резко увеличивает продолжительность технологического цикла,При температуре спекания в заявленном интервале происходит интенсивно развитие диффузионных процессов между волокнами, прочность пористых листов увеличивается, При температуре спекэния менее заявленной величины диффузионные процессы оказываются подавленными, прочность сцепления волокон не увеличивается, механические свойства листов снижаются, При увеличении температуры спекания сверх заявленного предела в материале появляется значительная доля закрытой пористости, происходит рост зерен, охрупчивание структуры, механические свойства листа понижаются, Кроме того, увеличение температуры экономически нецелесообразно в связи с увеличенным расходом электроэнергии,При спекании втечение 10.60 мин между соседними волокнами образуется качественное дуффузионное соединение, полученный лист отличается высокой прочностью. При уменьшении времени спекания менее 10 мин диффузионные процессы не успевают пройти в нужной степени, прочность сцепления волокон недостаточна, механические свойства листа снижается, При увеличении длительности спекания более 60 мин механические свойства получаемого листа практические не улучшаются, а могут и снизиться вследствие роста зерна, кроме того, увеличивается доля закрытой пористости, что, вообще говоря, нежелательно. При этом длительность технологического цикла возрастает, что экономически нецелесообразно.Нагрев предварительно скомпактированного листа при спекании может осуществляться также прямым пропусканием через лист электрического тока плотностью от 5 до 20 А/мм, При этом качество получаемого материала возрастает за счет дополнительного стимулирования путем воздействия протекающим током на диффузионные процессы между спекающимися волокнами. Уменьшение плотности тока /менее 5 А/мм не позволяет достичь требуемой температуры спекания. Прочное соединение волокон не происходит вследствие подавленного характера диффузии, Специфическое воздействие электрического тока55 на диффузионные процессы также ослаблено. Качество получаемого материала снижается. Увеличение плотности тока до значений, больших 20 А/мм, приводит к пережогу структуры материала, что особенно наглядно проявляется в зонах контакта соседних волокон. Прочностные свойства такого материала резко снижаются.В случае необходимости уменьшения пористости спеченного материала от 70 и до О(компактный материал) после операции спекания проводят дополнительную операцию прокатки со степенью деформации до 100 ф. Увеличение степени деформации более чем на 100 нецелесообразно, так как обычно приводит к полному исчерпанию ресурса пластичности пористого материала, его разрыхлению вследствие появления микроразрушений в структуре волокон и в зонах соединения их друг с другом. Прочность такого материала снижается.Примеры конкретного выполнения способа.Для получения пористых листов брали сплав на основе алюминия АД, меди Ми нержавеющую 12 х 18 Н 10 Т. Взятые сплавы расплавляли в керамической изложнице, перегревая расплав на 4060 С. Затем к поверхности расплава подводили кромку вращающегося водоохлаждаемого диска с числом оборотов 6003000 об/мин), которая "вытаскивается" из расплава волокна, кристаллизующиеся непосредственно на кромке диска, отбрасываемые силой энергии (центробежной силой) в накопитель, Полученные таким образом волокна укладывали в листы (аналогичные войлоку), которые затем подвергали прокатке на прокатном стане "Дуо" со степенью деформации 4090. Затем листы, в структуре которых волокна получили предварительное механическое соединение, спекали под нагрузкой с урельным давлением от 0,01 до 0,12 кгс/мм (нагружение осуществляли рычажным механизмом, соединенным через сильфон с вакуумной камерой). Остаточное давление воздуха в камере спекания изменяли от атмосферного до 0,5 х 10 мм рт.ст, Температуру спекания в камере меняли от 0,3 до 0,85 от температуры плавления взятого сплава (т,е, от 400 до 1250 С).Прокатанный лист укладывали на стальную подложку толщиной около 30 мм, разделив их прокладкой иэ слюды или керамики. Сверху лист накрывали такой же стальной пластиной с прокладкой из слюды или керамики. Размер стальных пластин в плане соответствовал размеру получаемого пористого листа. Полученный "сэндвич" устанавливали в камеру, которую вакуумировали до необходимой степени. Нагрев"сэндвича" осуществляли несколькими спо 5 сабами: радиационно от нагревателей, установленных по периметру стальных пластин;индукционно-индуктором, охватывающим"сэндвич" по периметру с зазором 515 мм;прямым пропусканием тока плотностью10 325 А/мм через пакет от верхней пластины к нижней. В этом случае слюдяные иликерамические прокладки не устанавливались, а пластины брали из материалов (например, из молибдена), не сваривающихся15 с пористым листом в процессе спекания,Температуру контролировали "Х - А" термопарой, установленной непосредственно накерамике спекаемого листа, Сигнал с термопары подавался на регистрационный20 прибор типа КСП. Продолжительность спекания изменяли в пределах от 5 до 70 мин,С целью уменьшения пористости листовниже 70 часть из них подвергали прокаткена стане "Дуо - 100" со степенью деформа 25 ции до 110 ,Подобным образом иэ металлическихволокон сплавов АД,М, 12 Х 18 Н 10 Т были получены пористые листы толщиной от0,3 до 50 мм общей пористостью от 0 до30 70,Для выяснения достижимости поставленной цели изобретения провели численное сравнение механических свойствпористых листов, полученных по предлагае 35 мому способу, со свойствами листов, полученных по способу-прототипу,В качестве критерия для оценки механических свойств использовали предельно достижимый угол загиба листа при радиусе40 изгиба 1 мм, В процессе испытаний уголзагиба считался предельно достижимымпри разрушении листа, разрыве отдельныхволокон, нарушении диффузионного соединения между отдельными волокнами, выра 45 жавшемся в разрушении зоны изгиба.Результаты испытаний механическихсвойств пористых листов, полученных попредлагаемому способу, представлены втаблицах 1, 2 и 3, При изготовлении пори 50 стых листов по способу-прототипу предельный угол изгиба составлял 30. Из анализа таблиц видно, что при изготовлении пористых листов в соответствии с предлагаемыми режимами уровень их свойств достигает максимальной величины; предельно достижимый угол загиба составляет 140180, что в 5 - 6 раз больше, чем по способу-прототипу. В случае отклонения от заявляемых режимов свойства листов сни1786166 Таблица 1 М и/и Время Угол спека- загиния, мин ба,град,Темпера- утра спекания, ,иТпл Давление воздуха, ммрт,ст,Примечание Степень деформации при прокатке,о о Давление при спекании, кгс/мм 10 150 0,4 0,01 На открытом воз духе0,6 0,8 0,6 180 170 15 35 60 35 0,05 70 3 5 0,6 15 10 170 18 0 жаются (предельно допустимый угол загибасоставляет 1025 ). Формула изобретения1, Способ изготовления пористых лис тов из металлических волокон, включающий получение волокон, их укладку, компактирование и спекание, от л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения качества листов за счет повышения поочности на изгиб, волок на получают экстракцией из расплава, компактирование осуществляют прокаткой со степенью деформации 50 - 85%, а спекание ведут под нагрузкой (0,01 - 0,1) кгс/мм приг температуре 0,4 - 0,8 от температуры плав ления в течение 10 - 60 мин,2, Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что при спекании нагрев скомпактированного листа осуществляют прямым пропусканием через лист электрического тока плотностью 5 - 20 А/мм,.г3. Способпоп 1,отл ича ющийся тем, что, с целью регулирования пористости, после спекания дополнительно осуществляют прокатку со степенью деформации до 100%.4, Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения свариваемости и повышения качества поверхности листов, спекание осуществляют в вакууме при остаточном давлении воздуха не более 10 мм рт. ст,Распушение волокон в зоне,изгиба Появление разрыва волокон в зоне деформации Распушение волокон в зоне изгиба Снижение общей пористости металла Увеличение длительности технологического процесса Распушение ВОЛОКОН В ЗОНЕ изгиба Разрушение волокон в зоне изгиба Распушение в зоне изгиба Снижение общей пористости мате иала10 17861 бб Таблица 2 Таблица 3 10 15 Составитель А. ТрофилькинТехред М.Моргентал Корректор Т. Вашкович Редактор Заказ 232 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101