Способ изготовления металлокерамических изделий и контейнер для их изготовления

(22) 1 (46) 2 (76). Л (56) К ДумкА Ь 44 (54) С КЕРА НЕР (57) н рбины газотурбинногоя изготовления детаизмов, работающих в ых напряжений и изноения,ния яв выше луатац ой вышени сти ающейся ту еля, а также дл ашин и механ ях повышенн онтактного тр лью изобрете чества и эксп ия путем по раэр двига лей услов са от ляется по ионных св я твердо ние к изде ГОСУД Е ПАТЕНТНОВЕДО ССР).08.93. Бюл. М 31 ,Коммель лый П.С, Карбид бора. Киев; Наукова 1988, с.189. орсков свидетельство СССР. 182, кл. В 22 Р 3/02, 1985, торское свидетельство СССР 23, кл. Р 17 С 1/02, 1974, ОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ. МЕТАЛЛОИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ И КОНТЕЙЛЯ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ пользование: получение металлокеских изделийвысокой твердости приудельном весе, например, броневых. И обретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу получения и делий горячим деформированием и може быть использовано в машиностроении я изготовления металлокерамических издел й высокой твердости и низкой удельной ссы материала, например, для: личной ащиты человека (бронежилеты), брюн рования сейфов, транспортных средс:, в, входных дверей, защиты фюзеляжа и топ ивных баков самолета от осколков ения: способ включает ковой шихты, содержа- алюминия, остальное - й заполняют контейнер, нагревают контейнер с горячую деформацию, и проводят термообрая изготовления указан- чает цилиндрическую кие днища и горловину, ое сечение полости обовиде овала Кассини с ыми относительно центс, и 2 з и;флы,3 ил,ущность изобретподготовку порошщей 50-60 мас.карбид бора, Шихтовиброуплотня ют,шихтой, проводятудаляют контейнерботку, Контейнер длных изделий вклю. оболочку, сферичеспри этом поперечнлочки выполненовдвумя симметричнра утолщениями. 2 уменьшения удельной массы материала изделия.Поставленная. цель достигается тем, что в качестве шихты выбирают порошковую . смесь, содержащую компоненты в следую щем соотношении, мас, ; бдАлюминий 50-.60, 0 Карбид бора Остальное а Шихту виброуплотняют в течение с 0 1-2 мин при горизонтальном положении контейнера при частоте вибрации, соответ-.ствующей частоте промышленного переменного электрического тока и с ю амплитудой вибрации, равной 0,5-1,5 мм, с Сд последующим нагревом с шихтой под деформацию производят при температуре на 330-370 С выше температуры химической устойчивости карбида бора в течение 15-25 минут и деформацией контейнера с шихтойв горизонтальном положении производят с удельным усилием деформирования 110 - 140 МПа. После деформации удаляют контейнер, производят сначала низкотемпературную обработку материала изделия при температуре на 250 - 300 С ниже температуры плавления алюминия в течение времени не менее 2 часов, осуществляя нагрев и охлаждение с печью. После механической обработки изделия до требуемых размеров производят его высокотемпературную обработку в защитной среде из циркониевого электрокорунда при температуре на 180- 220 С выше температуры химической устойчивости карбида бора в течение 3-5 часов с последующим охлаждением со средней скоростью 15 - 25 С/ч до температуры не выше 250 С, далее - охлаждение на воздухе. Зачистку изделий от следов циркониевого электрокорунда в результате термообработки производят в пескоструйной камере.Уменьшение содержания алюминия в составе менее 50 приводит к образованию краевых участков заготовки изделия повышенного окисления материала. Краевые участки заготовки имеют значительноменьшую твердость по сравнению с основной частью заготовки и после окончательной обработки изделия они бракуются. Это связано с тем, что при нагреве контейнера выше температуры плавления алюминия, но ниже температуры химической устойчивости карбида бора, расплавленный алюминий коагулируется в центральной зоне контейнера, а оставшийся без связующего карбид бора окисляется, При деформации из центральной зоны эти краевые участки заготовки могут быть заполнены химически несвязанным, избыточным алюминием, но окисный слой на поверхности зерен карбида бора препятствует образованию прочного химического соединения с алюминием.Увеличение содержания алюминия в составе более чем на 60 фприводит к образованию несплошностей в виде пузырьков в получаемом материале. Оптимальное содержание алюминия зависит от фракций используемого карбида бора и составляет 56 .2 ь. Большие значения содержания алюминия в составе относятся к карбиду бора более мелкой фракции, а меньшие - к карбиду бора фракций 260 мкм и выше, Это связано с изменением развитой контактной поверхности зерен карбида бора с алюминием при химической реакции. В зависимости от процентного содержания алюминия в составе материала изделия излом бьвает: темно-серого цвета у окисленного материала при недостаточном (ниже 50) содержа/нии алюминия, светло-серого цвета с дефектами в виде пустот при избыточном более60 О, алюминия в составе и светло-серогоцвета - характеризующего материал отлич 5 ного качества,Значения амплитуды и продолжительности вибрирования определялись экспериментально и выбирались в заданных. пределах с учетом насыпной плотности ших 10 ты и объема полости контейнера, которыйменьше на 5-10 О 5 объема занимаемой шихтой полости до вибрации, По этому вибрация в основном предназначалась дляупорядочения частиц шихты и выравнива 15 ния ее по длине контейнера, Во время вибрирования контейнер находился строго вгоризонтальном. положении. Вибрация приамплитуде меньше 0,5 мм не приводит кзаметным изменениям шихты, а при ампли 20 туде больше чем 1,5 мм возможно нарушение однородности шихты по химическомусоставу, Продолжительность вибрированияменьше одной минуты не может обеспечитьвыравнивание шихты по длине контейнера,25 а больше двух минут не имеет смысла, таккак не приводит к улучшению упорядочениячастиц шихты и выравнивания ее по длинеконтейнера.При температуре нагрева контейнера30 ниже, чем на 300 С выше температуры химической устойчивости карбида бора непроисходит полностью химическая реакциямежду компонентами шихты, а увеличениетемпературы нагрева выше, чем на 370 С35 выше температуры химической устойчивости карбида бора не приводит к улучшениюпротекания химической реакции между компонентами шихты, приводит к уменьшениюмикротвердости зерен карбида бора вслед 40 ствие начала процесса графитизации.При продолжительности нагрева менее15 минут не достигается нижний пределтемпературы нагрева шихты в контейнере и,следовательно, не может произойти полно 45 стью химическая реакция. Увеличение продолжительности нагрева выше 25 минутприводит к более интенсивному окислениюи графитизацию материала во всем объемеконтейнера и, следовательно, в конечном50 итоге к снижению качества.При уменьшении удельного усилиядеформирования контейнера ниже, чем110 МПа не образуется материал требуемойплотности и качества. При увеличении55 удельного усилия деформирования выше140 МПа возможно образование расслоения материала изделия от перепрессовки.Низкотемпературная термообработкапосле снятия оболочки служит для стабилизации входящего в состав материала непро 1836190реагировавший свободный алюминий. Указанный температурный интервал выбран экспериментально. При температуре нагрев выше температуры плавления алюминия и оисходит выделение непрореагировавш го свободного алюминия в виде капель, о разующихся на поверхности материала и делия. Это приводит к изменению химич ского состава материала, к образованию м кроскопических пустот в нем и к его окисл нию при термообработке. В укаэанном и тервале нагрева происходит процесс стар ния свободного, химически несвязанного а юминия и улучшение механических с ойств материала.Защитная среда, состоящая из циркон евого электрокорунда, была выбрана экси риментально, Во время термообработки в среде циркониевого электрокорунда не и оисходит окисления и поводки материала и делия. С целью получения оптимальных э сплуатационных характеристик изделия т мпературный интервал нагрева определял экспериментально следующим образом,ри температуре нагрева меньшей, чем1 ООС выше температуры химической стаб льности карбида бора не было достигнуто т ебуемой твердости материала изделия,ри температуре нагрева большей, цем 2 ОС выше температуры химической стальности карбида бора, привело к увеличеию графитизации элементов состава, снижению показателей пластичности и роцности материала изделия,При оптимальной температуре и выдержке времени нагрева менее 3 ч и скоростиаждения более 25 С/ч твердость матеиала изделия увелицился до НВА=70 ед, по оквеллу,При оптимальной температуре и выдерке времени нагрева от 3 до 5 ч и скоростихлэждения от 15 до 25 С/ч твердость маериала изделия увеличилась в среднем до НВА = 80 ц= 5 ед. по Роквеллу,Увеличение времени выдержки более ем на 5 часов при оптимальной темперауре нагрева приводит к недопустимому величению хрупкости материала и обраэоанию трещин в материале изделия.Температура конца охлаждения определена с учетом окончания химического роцесса при термообработке, исключения оводки и образования трещин в материале зделия при заданной температуре, а такжеточки зрения исключения получения ожоов работающим при извлечении материала изделия из защитной среды.Процессы синтезирования - нагрева и ьефсриации шихты - производят в ставь. йои контейнере (фиг,1 - ег. поперечное сече 45 50 55 нера с получаемым изделием после 5 10152025ЗО ние полости оболочки контейнепа выполнено в виде овала Кассини с двумя симметричными утолщениями, при этом в местах утолщений высота полости в 1,2 - 1,5 раза больше, чем в ее центральной части, а степень осадки шихты в контейнере соответственно составляет в центральной части от 2,2 до 2,5 и в местах утолщений от З,О до 3,2 ст требуемой толщины получаемого материала изделия.Выбранная форма поперечного сечения полости контейнера в виде овала Кассини с заданными параметрами обеспечит получение заготовки изделия при минимальных затратах требуемого качества на серийном кузнечно-прессовом оборудовании. При деформации контейнера, в центральной части которого значение относительной толщины менее 2,2 и в местах утолщений более 3,2 оттребуемой толщины получаемого изделия,возможно образование в центральной части изделия недопрессованного участка рыхлого материала со сниженными свойствами, а одновременно в местах утолщений знацение относительной толщины менее 3,0 приводит к получению заготовки изделия меньшей, чем требуется, толщины. При деформации контейнера, в центральной части которого значение относительной толщиныболее 2,5 и в местах утолщений менее 3,0 возможно расслоение материала заготовки изделия по линиям наиболее интенсивного скольжения материала (см.фиг,З), т,е, по линиям максимальных касательных (г) напряжений при деформации, а одновременно в центральной части значение относительной толщины более 2,5 и в местах утолщений более 3,2 приводит к получению заготовки изделия большей, чем требуется, толщины. Деформация контейнера, включающего цилиндрическую оболочку, сферические днища и горловину, приводит к получению заготовки изделия значительно большей, чем требуется, толщины и с дефектами расслоения материала заготовки изделия по линиям наиболее интенсивного скольжения материала (см,фиг.З),На фиг.1 изображено поперечное сечение контейнера, выполненное в виде овала Кассини с двумя утолщениями, где Но - толщина полости контейнера в центральнойчасти, Н - толщина полости в местах утолщения, В - ширина полости контейнера; нэ фиг,2 - поперечное сечение контейдеформации между плоскими плитами, где Н 2 - толщина полости контейнера; на фиг,З - поперечное сечение контейнера с получаемым изделиемс дефектами разрыва сплошности от касательных напряжений20 длину 500 мм. Вводную трубку заделали сиферитом и расплющили до толщины в 3 - 4 ЗО мышленного переменного электрического 35 45 50 на воздухе контейнер разрезали на станкевулканитовыминструментом на требуемые 55 т после деформации контейнера, полость которого до деформации имела круговое сечение; на фиг.4 - переходы изготовления контейнера; а) исходная трубчатая заготовка; б) после деформации с приданием поперечному сечению полости контейнера вида овала Кассини; в) готовый контейнер; на фиг.5 - график частотного распределения твердости иэделий в количестве 500 штук, эамеренных в НВА ед. по Роквеллу.П р и м е р, Производили смешение порошков алюминия марки АСД(ТУ 48-5- 226-87) в количестве 560 по массе, что составило 3360 г и карбида бора (ГОСТ, 5744 - 85, зернистость 5 П, фракция - 64 мкм) в количестве 44 по массе или 2640 г. Полученную Г смесь раэвешали по 1200 г и через вводную ," трубку размерами О 18 х 1 длиной 80 мм засыпали в контейнер, который имел полость поперечного сечения в центральной части размером вьгсоты в пределах от 18 до 20 мм, а в местах утолщений высоту от 24 до 25 мм и площадь контейнера в плане в ширину 117 мм и в мм, С целью получения равнотолщинной по длине заготовки изделия проводили выравнивание плотности шихты в контейнере путем обстукивания его с периодическим наклоном в разные стороны. Шихту виброуплотняли в течение 1 мин при горизонтальном положении контейнера при частоте вибрации, соответствующей частоте протока и с амплитудой вибрации, равной 1 мм. Нагрев контейнера с шихтой под деформацию производили в печи при температуре на 360 С выше температуры химической устойчивости карбида бора в течение 16 минут. С целью лучшего прогрева шихты в контейнере через 10 минут после закладки контейнера в печь производили его перемещение по поду печи. Деформацию нагретого контейнера производили непосредственно после нагрева на гидравлическом прессе номинальным усилием деформирования 9810 кН между плоскими плитами из жаропрочного материала. При давлении по манометру Р=190 ат, усилие деформирования составило Р=7750 кН, обеспечивающее напряжение деформирования порядка о= 132,5 МПа. Охлажденный размеры изделия с припуском 1 - 2 мм на сто рону,Ниэкотемпературную обработку и роизводили в электрической печи при темпера. 5 10 15 туре на 300 С ниже температуры плавления алюминия, с выдержкой при заданной температуре в течение 2-х часов. Выход на режим и охлаждение печи проводили в загруженном с заготовками состоянии, После низкотемпературной обработки твердость материала изделия увеличилась и составила по Роквеллу шкалы НВА =50 - 55 едтакже возросла ударная вязкость до КСО - 0,1 - 0,12 МДж/м и уменьшилась интенсивность износа при бомбардировке ее твердыми частицами. Механическую обработку заготовок изделия до требуемых размеров проводили на фрезерном станке алмазной (ЭЛЬБОР-Р) обработкой. Высоко- температурную обработку производили в электрической печи мощностью 80 КВА одновременно в двух контейнерах, сваренных из жаропрочного листового материала толщиной 2 мм размерами 150 х 600 х 600 мм в циркониевом электрокорунде (ТУ 2-036- 237-84, марки 38 А-З), Заготовки изделия, равноудаленные один от другого с зазором 10-15 мм между ними, в количестве по 250 шт укладывались в циркониевый электрокорунд, Контейнера загрузились в печь, нагретую до температуры на 200 С выше температуры химической устойчивости карбида бора, После выхода печи на установленный режим и выдержки на установленном режиме в течение 4 ч, печь была выключена и охлаждалась до 250 С со средней скоростью охлаждения20 С/ч в течение 36 ч. После чего контейнера были выгружены из печи и была проведена зачистка заготовок изделия, На готовых изделиях в количестве 500 шт был проведен контрольный замер твердости на каждой заготовке в трех точках по Роквеллу, шкалы НВА, ед. Полученные результаты замеров твердости показали (см.фиг,5), что твердость в партии изменяется от НВА = 50 ед до НВА = 88 ед (по одной заготовке), в то время, когда около 99,4;4 заготовок иэделия укладывались по твердости.в интервал установленный заказчиком, НВА = 60 ед и выше. Следовательно, изделия твердостью ниже НВА = 60 ед следует браковать, что составляет в данном конкретном примере около 0,6/О от партии, Исследование структуры материала изделия с твердостью. менееНВА = 60 ед показало, что они содержат алюминия менее 50 фф от массы и поверхность зерен карбида бора окислена.Производили также смешение мелкой стружки литейного алюминиевого сплава марки Алс карбидом бора в указанных количествах, а процесс проводили без каких-либо изменений технологических параметров. Исследование эксплуатационныхсвойств изделия показало, что они также соответствуют к предъявленным заказчикоь требованиям,Таким.образом, предложенный способ изготовления металлокерамических издели позволяет, по сравнению с базовым, по ысить качество изделия путем увеличени твердости матерйала до НЯА -60-88 ед, ум ньшить удельную массу материала. в 3,2 раза, а вес изделиФ (за счет увеличения тв рдости и уменьшения удельной массы ма ериала без ухудшения эксплуатацион; ны свойств) уменьшить в 4,5 раза, получить из елия требуемых, геометрических размеро, увеличить выход годного до 99;4, сократи ь время нагрева контейнера со смесью до деформации в 30-35 раэ; Выполнение по еречного сечения полости оболочки конте нера в виде овала Кассини приводит к ум ньшению затрат на механическую обрабо ку изделия.Уменьшение времени нагрева до дефо мации с 36 часов до 15-20 минут достиг тся за счет изменения состава шихты с Р 6 5 К 5 на В 4 С и А 1. Эксплуатационные испытания партии изделия - комплекта показа их соответствие к предъявленным закаэчиком требованиям, Формула изобретения 1. Способ изготовления металлокерамических изделий, включающий заполнение ко тейнера шихтой, ее виброуплотнение, на рев контейнера с шихтой, горячую деформацию, удаление контейнера, механическую и термическую обработки изделия, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве шйхты выбирают порошковую смесь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.ф: Алюминий 50-60 Карбид бора Остальное,при этом после удаления контейнера,производят сначала низкотемпературную обработку материала изделия при температуре на 350 - 300 С ниже температуры плав ления алюминия в течение не менее 2 ч,осуществляя нагрев и охлаждение с печью, а после механической обработки изделия до требуемых размеров производят его высокотемпературную обработку в защитной .10 среде из циркониевого электрокорунда притемпературе на 180-220 С выше температуры химической устойчивости карбида бора в течение 3-5 ч с последующим охлаждением со средней скоростью 15-25 С/ч до темпе ратуры не выше 250 ОС, далее - охлаждениена воздухе.2. Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что шихту виброуплотняют а течение 1 - 3 мин при горизонтальном положении 20 контейнера при частоте вибрации, соответствующей частоте промышленного переменного электрического тока и с амплитудой вибрации, равной 0,5-1,5 мм,3. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я 25 тем, что нагрев контейнера с шихтой поддеформацию производят при температуре на 330-370 С выше температуры химической устойчивости карбида бора в течение 15-25 мин.30 4.Способпоп.1,отличающийся.тем, что деформацию контейнера с шихтой производят с удельным усилием деформирования 110-140 МПа.6. Контейнер для изготовления металло керамических изделий, включающий цилиндрическую оболочку, сферические днища и горловину, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что поперечное сечение полости оболочки контейнера выполнено в виде овала Кассини с 40 двумя симметричными утолщениями, приэтом вместах утолщения высота полости в 1,3 - 1,5 раза больше, чем в ее центральнойчасти.Составитель Л. КоммельРедактор Е, Полионова Техред М.Моргентал Корректор А, Мотыл Подписноеета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССРа, Ж, Раушская наб., 4/5 ород, ул,Гагарина, 10 мбинат "Патент" ияводственно-издател ьски каз 2996 ТираВНИИХИ Государственного ко113036, Мо фкцбф 8.ф 75