Способ получения дисперсно-упрочненного материала

19) КЦ 51)5 В РЕТ К ПАТЕНТУ пов МГалюта В.Йнение еталлургиь 1 э ем горячегов металлистиц, Сущкачестве упалмаза (УДА) лючеавпенияпроКомитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам ПИСАНИЕ И(57) Использование в порошковой мименно дпя получения сплавов путпрессования порошков с добавлениемческую матрицу мелкодисперсных чаность изобретенил; использование врочняющей фазы ультрадисперсного с высокоразвитой удельной поверхностью, ввод и смешение которого с упрочняемой фазой метатва проводят в механическом активаторе, Применение упьтрадисперсного алмаза в качестве дисперсноулрочнякхцей фазы стало возможным лишь в настоящее время в связи с разработкой промышленной технологии и получения высокочистого УДА Получен упрочненный металл (алюминий) с повышенными механическими характеристиками и сохранены его ковкость, пластичность, легкость Простота технологического процесса и использование отечественного оборудования для получения улрочненного металла позволяет сделать за ние о перспективном развитии данного напр и широкого внедрения нового материала в мышленность 2 табл.Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к сплавам модификации металлов, получаемых путем горячего прессования порошков с добавлением в металлическую матрицу мелкодисперсных частиц. Данное изобретение может быть использовано для дисперсного упрочнения металла, работающего в условиях с повышенными техническими нагрузками и требующего высокой прочности,Известны различные сплавы и композиты, например, на алюминиевой основе, как высокопрочные легкие материалы, обладающие высокой стабильностью своих характеристик и легкостью изготовления. Необходимые свойства композитов могут быть достигнуты путем выбора модификатора (армирующего вещества, добавок), его размера и количества. Типичными армирующими веществами могут быть: графит, карбид кремния, окись алюминия, карбид бора, нитрид бора, Армирующее вещество может быть в форме дискретных частиц с размерами 1-200 мкм, нитей диаметром 1 мкм и длиной 10 - 80 мкм и любой другой формы и размеров, Алюминиевые композиты изготавливают путем отливки и с помощью порошковой металлургии и прессованием.Из описанных в литературе порошковых алюминиевых сплавов наиболее близок к заявляемому сплав типа САП (спеченный алюминиевый порошок). Одним из методов усовершенствования порошковых сплавов является обработка порошков в аттриторах, а также механических смесителях типа шаровых мельниц. Перед спеканием порошок подвергают размолу с целью внедрения в матрицу дисперсных частиц и получения с частицами требуемых размеров и формы,Одной из особенностей получения таких материалов является введение дисперсных материалов, не растворяющихся при спекании и эксплуатации. Характерной особенностью в них является наличие в металлической основе тон кодисперсных включений - фазы-упрочнителя, равномерно распределенных между частицами металла и химически инертных к ним, Наиболее эффективное упрочнение обеспечивается при содержании упрочняющей фазы 3-15 оь (объемного), размера ее частиц до 1 мкм (лучше 0,01-0,05 мкм). Это объясняется тем, что при наличии в матрице частиц второй фазы скольжение дислокаций в зернах металла становится возможным лишь при больших напряжениях. подвижность границ этих зерен блокируется, а рост зерен затормаживается практически до температуры плавления матрицы, К упрочняющим5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 фазам можно отнести оксиды, карбиды, нитриды металлов, тугоплавкие металлы и др.Допускаемое объемное содержание упрочняющей фазы определяется технологическими воэможностями получения равномерного распределения ее частиц выбранной дисперсии. Способ введения частиц фазы упрочнителя в матрицу зависит от выбора типа структуры дисперсно-упрочненного материала.При создании дисперсно-упрочненного материала к фазе-упрочнителю предъявляют следующие требования: высокая термодинамическая прочность. малая скорость диффузии компонентов фазы в матрицу металла и малая растворимость в ней, высокая чистота и большая суммарная (удельная) поверхность частиц дисперсной фазы. К упрочняющим фазам с такими свойствами можно отнести оксиды, карбиды, нитриды, некоторые металлы и интерметаллы. Все они объединены тем, что могут иметь размер частиц (порошок) до 1 мкм, высокую микротвердость 10-49 ГПа,Одним из дисперсно-упрочняемых металлов является алюминий. Упрочненный алюминий получают из порошка алюминия марки АПС, В качестве упрочняющей фазы используется оксид алюминия А 120 з, содержание которого в различных марках находится в пределах (б - 17)ф. Размер частиц порошка алюминия 2 мкм и более.Для получения изделия из порошка алюминия необходимо провести следующие технологические операции:1. Подготовка и прессование порошка.Для проведения прессования при оптимальных режимах, получения брикетов или заготовок под дальнейшее спекание необходима в ряде случаев предварительная подготовка порошков: смешение, просеивание, размол и т,д., которые выполняются на заводах изготовителях порошков.Для прессования порошок помещают в пресс-форму и подвергают сжатию, В результате чего он деформируется, уменьшается в объеме, формирует свои размеры и свойатва, Материал при прессовании уплотняется, происходит смещение отдельных частиц, заполнение пустот, происходит пластическая деформация,2. Спекание.Спеканию подвергаются спрессованные брикеты (или заготовки) для получения ими требуемых физико-механических свойств, Характерной особенностью спекания является то, что оно осуществляется беэ расплавления основного компонента при Т, = 0.7- 0.9 Тп,. основной фазы (О.В,Роман, 2001718И.П,Габриелов. Справочник по порошковойметаллургии. Минск:.Беларусь, 1988).Т.к, в патентной и научно-информационной литературе нетдэнныхнадисперсноупрочненные материалы и их свойства,полученные путем использования методовпорошковой металлургии, то эа прототипвзят материал, полученный нами по вышеприведенной методике. В качестве упрочняющего материала взят алюминий, порошокАСД с размером зерна 2-5 мкм, а в качествеупрочняющей фазы дисперсный А 20 з с размером зерна 0,1-5 мкм. Количество АзОзвзято 1,5-2,5 от АСД. Полученный спеченный алюминий имеет следующие основныехарактеристики:микротвердость по Викерсу,НЧ, ГПа 0,50твердость по Бринелю,НВ, ГПа 0,475Полученные спеки обладают пластичностьюи могут подвергаться ковке и штамповке.Однако при сравнении с известными марками алюминия (по прочностным характеристикам) Д, АМЦ. а также со спеченным поаналогичной методике чистым порошкомАСД, полученный дисперсно-упрочненныйалюминий имеет худшие характеристики,Результаты приведены в табл. 1.Следовательно, существующий в порошковой металлургии способ получениядисперсно-упрочняющего материала невсегда позволяет получить положительныерезультаты, применяя в качестве фазы упрочнителя, например, А 20 э и общеизвестную технологию.Целью изобретения является разработка способа, позволяющего повысить прочностные характеристики основной фазыметалла эа счет дисперсной фазы упрочнителя.В известном способе дисперсного упрочнения металла, заключающемся а подготовке порошков, прессовании и спекании, вкачестве дисперсной фазы упрочнителя применяют ультрадисперсный алмаз с удельнойповерхностью 300-400 м /г в количестве21,5-2,5 от упрочняемой фазы металла,ввод й смешение которого проводят в механическом активаторе в среде аргона втечение 3-6 мин. Ультрадисперсный алмаз(УДА), используемый для упрочнения металла, имеет следующие характеристики:осредний размер частиц, А 50удельная поверхность,м/г 300-400температура графитизации, С 700-1000(в зависимости от технологии прессования) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Алмаз - самый твердый из известных материалов, а также обладает самой высокой теплопроводностью и др. характеристиками, позволяющими его широко использовать в качестве инструмента при обработке твердых и сверхтвердых материалов. По литературным данным алмаз является нейтральным к металлам и не растворим во многих из них. Исходя из изложенного, УДА обладает значительным преимуществом по сравнению с другими дисперсными материалами, используемыми для упрочнения металлов в порошковой металлургии. Наиболее целесообразно его испольэовать для металлов с температурой плавления не более температуры окисления (графитиэации) УДА, Известно, что несовершенства кристаллической решетки (наличие дислокаций, дефектов) приводит к аффекту упрочнения, т,е. материалы с высокой плотностью дефектов имеют повышенную прочность. Поэтому проблема получения материалов с высокими физико-механическими свойствами может быть решена при использовании улътрадисперсных частицо(размер 10-100 А) с высокоразвитой удельной поверхностью (300-400 м /г). Использование УДА для компактирования как раэ и ведет к получению материала с высокой плотностью дефектов, э следовательно с повышенными прочностными характеристиками, Для равномерного смешения порошков, как указывалось выше, использовался механический активатор. Механический активатор в данном случае выполняет две функции:1, Т.к. УДА из-эа своей ультрадисперсности имеет сильно развитую активную поверхность, то частицы УДА окружены как бы "шубой", состоящей из окислов. солей, радикалов и др, элементов. Поэтому УДА плохо прессуется. Обрабатывая УДА и упрочняемый металл в механическом активаторе в инертном газе (в данном случае - аргон) эа счет механохимических реакций, проходящих во время активации, происходит "сьем" "шубы" и очищение УДА.2, После прохождения механохимических реакций происходит равномерное перемешивание составляющих порошков: фазы упрочнителя - УДА и упрочняющего металла. Благодаря своей высокой реакционной активности происходит равномерное смешение порошков и их конгломерация до размеров 100 мкм. Порошок с такой фракцией хорошо компактируется (прессуется) и спекается, В качестве упрочняемого выбран металл, матрица которого подлежит упрочнению - А. Благодаря своим характеристи 20017186 в1 кам, таким как легкость, ковкость. боЛьшая теплопроводность, прочность и коррозионная стойкость и дрон является незаменимым материалом в электронной технике, самолетостроении, машиностроении, строительстве и т,д.Температура плавления А равна Тпл С, что значительно ниже температуры графитизации алмаза (УДА), алмаз (УДА) не растворим в А. Пределы его растворимости точно не установлены, однако есть данные, что они значительно меньше сотых долей процента.Следовательно, металлическая матрица А является наиболее подходящей для упрочнения ультрадисперсным алмазом - УДА. Для получения упрочненного А применялся алюминиевый порошок марки АСД с размером зерна 1-5 мкм.Перед прессованием и спеканием проводилась специальная механическая обработка АСД и УДА в механическом активаторе. Механическая активация проводилась при следующих условиях:ускорение контейнера, м/с 2 60 ц объем камеры контейнера, смэ " 8300 масса загрузки порошка, г 30-50 размер металлическихшаров в контейнере - б, мммасса загрузки шаров, кгвремя обработки порошкав механическом активаторе, мин 3 - 6 Механическая активация и разгрузка контейнера проводились в среде инертных газов - аргона, Условия, при которых велась механическая активация, оптимальные. При. нарушении одного или нескольких параметров, приведенных выше, приводило к тому, что полученный порошок для спекания окислялся, раэмазывался по стенкам контейнера и шарам, не брикетировался. Использование механического активатора для смешения А 20 э с АСД не дало положительных результатов по вышеприведенной методике.После обработки в механическом активаторе проводилась нормализация порошка при Т250-300 С в течение 1 ч, Для получения упрочненного материала (А) количество УДА составляло 0,5-1,0, 1.5-2,5, 10%, 20 от массы порошка алюминия (АСД),Полученнаясмесь порошков по вышеприведенной технологии засыпалась в пресс-форму и брикетировалась на гидравлическом прессе при давлении Р 0,45 ГПа.После брикетирования проводилось спекание при следующих параметрах: 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 давление спекания. ГПа 1.0время спекания, тмин 5температура спекания, ТС 550-600 Полученный, упрочненный ультрадисперсным алмазом, алюминий, а также А + А 20 з и чистый алюминий подвергались исследованию электронной микроскопии, рентгенофаэовому анализу, определению твердости и ликротвердости.Результаты измерений представлены в табл. 2.Анализ результатов исследования показал принципиальное различие полученных спеков, приведенных как в табл. 1, так и в табл, 2, Иэ дисперсно-упрочненного А наилучшие характеристики имеет спек с 1,5-2,5 содержанием УДА, хотя при увеличении содержания УДА увеличивается твердость и микротвердость, однако такой материал уже становится не пластичным, хрупким, что не позволяет его испольэовать как алюминиевые сплавы, которые обладают хорошей пластичностью, ковкостью. Поэтому наиболее оптимальным выбрано 1,5-2,5 содержания УДА, как упрочняющей фазы алюминия. По сравнению с результатами измерений известными алюминиевыми сплавами и спеками АСД и 1,5-2,5 А 20 з+АСД полученныйупрочненный с использованием УДА алюминий имеет явные преимущества, более однородную и тонкую структуру, оставаясь в то же время пластичным материалом. Рентгенофаэовый анализ полученного упрочненного алюминия УДА показал наличие фазы алмаза в решетке А, Применение УДА в качестве дисперсно-упрочняющей фазы стало возможным лишь в настоящее время в связи с разработкой промышленной технологии и получения оысокочистого УДА,Получен упрочненный алюминий с повышенными механическими характеристиками, а также при малом содержании УДА - 1,5-2,5 "сохранены его коокость, пластичность, легкость. Используя методы порошковой металлургии, можно изготавливать из него различные узлы и детали для автомобилестроения и самолетостроения, электротехники и строительства, космической техники, где необходима высокая прочность и износостойкость. Применяя различную пресс-оснастку иэ упрочненного алюминия. можно спекать узлы и детали с минимальной механической доработкой. Т.к, полученный алюминий при малом содержании УДА ковкий и пластичный, из спеченных брикетов можно путем штамповки и прокаткой получать изделия со сложной конфигурацией и профилем, Анализ уровня2001718 10 патентно-технической литературы показалновизну предлагаемого решения, Использование УДА для упрочнения металлов является новым направлением в порошковойметаллургии и в настоящее время нет такового для решения данного вопроса,Техническое решение представленногоизобретения для специалистов явнымобразом не следует из развития техники,техническое решение обладает изобретательским уровнем. Таблица 1 Таблица 2 упрочняющей фазы используют ультрадисперсный алмаз с удельной поверхностью 300- 400 м /г в количестве 1,5- 256 от порошка металла, а смешивание порошков проводят в механическом активаторе в , среде аргона в течение 3 - 6 мин. Составитель Г. СаковичТехред М.Моргентал Корректор М. Максимишинец Редактор С. КулаковаЗаказ 3144 Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж-З 5, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 Формула изобретенияСПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННОГО МАТЕРИАЛА преимущественно на основе алюминия, включающий смешивание порошков металла и упрочняющей фазы, прессование и спекание, отличающийся тем, что в качестве Простота технологического процесса и использование отечественного оборудования для получения упрочненного металла позволяет сделать заключение о перспективном развитии данного направления и широкого внедрения нового материала в промышленность.