СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ПОРОШКОВ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF PRODUCING POROUS SEMIS FROM ALUMINIUM ALLOYS

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к способам изготовления пористых полуфабрикатов и изделий из порошков алюминиевых сплавов, применяемых в авиа- и судостроении, в производстве наземных транспортных средств, в строительстве и других отраслях промышленности.
Известно, что пористые полуфабрикаты и изделия, изготовленные из порошков алюминиевых сплавов, обладают уникальным сочетанием физических, технологических и эксплуатационных свойств, а именно малой плотностью, высокими характеристиками прочности и жесткости, способностью поглощать энергию (тепловую, акустическую и электромагнитную), высокими демпфирующими свойствами (поглощение механической энергии), износостойкостью, негорючестью, плавучестью, экологической чистотой. Совокупность указанных свойств дает неограниченные возможности использования пористых полуфабрикатов и изделий в качестве конструкционного материала в различных отраслях промышленности.
Широкое применение металлических пен в качестве конструкционного материала предъявляет новый уровень требований к свойствам получаемых полуфабрикатов.
Однако пористые полуфабрикаты и изделия, получаемые по известным способам из порошков алюминиевых сплавов, обладают одним существенным недостатком, а именно недостаточной однородностью и равномерностью поровой структуры.
При этом именно структура порового пространства оказывает существенное влияние на весь комплекс свойств пористых полуфабрикатов и конечных изделий и является одним из важнейших показателей качества.
Известен способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков алюминиевого сплава и порофора, засыпку полученной смеси в емкость, компактирование смеси до получения плотной заготовки, горячую деформацию и высокотемпературную обработку заготовки (патент ФРГ №4101630, МПК B22F 3/18, B22F 3/24, 1991 г.).
Недостатками указанного способа получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов являются низкий выход годного, низкая производительность процесса, невысокое качество полуфабриката.
К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков, относится то, что указанный способ характеризуется получением узкой номенклатуры полуфабрикатов по размеру и форме, длительностью процесса спекания порошковой массы, а полуфабрикаты, изготовленные по указанному способу, характеризуются неоднородностью и неравномерностью поровой структуры.
Известен способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков алюминиевого сплава и порофора с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса алюминиевого сплава, засыпку полученной смеси в емкость, уплотнение смеси, компактирование смеси до получения плотной заготовки, прокатку заготовки при температурах ниже температуры солидуса алюминиевого сплава, высокотемпературную обработку заготовки в форме и охлаждение (патент РФ №2200647, МПК B22F 3/11, B22F 3/08, 2003 г.).
Недостатками указанного способа получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов являются значительная трудоемкость и энергоемкость процесса, недостаточно высокое качество полуфабрикатов, высокая себестоимость изготовления полуфабриката.
К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков, относится то, что указанный способ характеризуется наличием дополнительных энергозатратных операций, таких как механическое легирование, использованием дополнительных ингредиентов для приготовления смеси порошков, использованием дорогостоящего оборудования, а полуфабрикаты, изготовленные по указанному способу, характеризуются недостаточной однородностью и равномерностью поровой структуры.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков алюминиевого сплава и порофора с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса алюминиевого сплава, засыпку полученной смеси в емкость, уплотнение смеси, компактирование смеси до получения плотной заготовки, прессование и прокатку заготовки при температурах ниже температуры солидуса алюминиевого сплава, высокотемпературную обработку заготовки в форме и охлаждение (патент РФ №2154548, МПК B22F 3/00, B22F 3/18, 2000 г.).
Недостатками указанного способа получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов, принятого за прототип, являются недостаточно высокое качество полуфабриката.
К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков, относится то, что полуфабрикаты, изготовленные по указанному способу, характеризуются недостаточной однородностью и равномерностью поровой структуры.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании способа получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов, свободного от недостатков, перечисленных выше и присущих известным техническим решениям.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в получении пористых полуфабрикатов высокого качества, характеризующихся равномерной и однородной структурой, при повышении экономичности технологии, снижении себестоимости изготовления полуфабрикатов.
Поставленная задача с достижением упомянутого технического результата решается тем, что в известном способе получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов, включающем смешивание порошков алюминиевого сплава и порофора с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса алюминиевого сплава, засыпку полученной смеси в емкость, уплотнение смеси, компактирование смеси до получения плотной заготовки, прессование и прокатку заготовки при температурах ниже температуры солидуса алюминиевого сплава, высокотемпературную обработку заготовки в форме и охлаждение, особенность заключается в том, что порошок алюминиевого сплава перед смешиванием окисляют до образования в нем окисных фаз в количестве 4-10 мас.%, прессование заготовки проводят со скоростью истечения 0,5-1,5 м/мин и коэффициентом вытяжки не менее 15, после чего прокатку заготовки проводят в направлении, перпендикулярном оси прессования заготовки, со степенью деформации 50-90%.
Как известно, сущность процесса изготовления пористых материалов из металлических порошков состоит во вспенивании в процессе высокотемпературной обработки заготовки из смеси металлического порошка и порофора (порообразователя), причем температура активного разложения порофора должна находиться в диапазоне температур солидуса-ликвидуса порошка металла, сопровождающемся разложением порофора с выделением большого количества газа, вызывающего появление пористости в объеме жидкого металла, последующим охлаждением и затвердеванием материала с остаточной пористостью.
Нами установлено, что образующаяся в процессе высокотемпературной обработки заготовки металлическая пена представляет собой метастабильную многофазную неравновесную систему, стремящуюся к разрушению.
При этом структура порового пространства, формирующаяся в процессе вспенивания посредством высокотемпературной обработки и последующего охлаждения, - один из важнейших показателей качества пористого материала. Проведенные исследования показали, что распределение газовых пор в объеме материала оказывает существенное влияние на свойства конечных пористых полуфабрикатов. Чем однороднее размер пор и равномернее их распределение в объеме материала, тем выше прочностные и пластические свойства материала и ниже анизотропия свойств в продольном и поперечном направлениях.
2
3
Нами было установлено, что окисные фазы порошка алюминиевого сплава, включающие в свой состав AlO, MgO, CuO и прочие соединения, представленные в виде тонких пленок на поверхности частиц алюминиевого порошка, являются эффективными стабилизаторами металлической пены, предотвращающими процесс слияния ячеек, утончения стенок ячеек и гравитационного дренирования и обеспечивающими однородный размер пор и их равномерное распределение в объеме вспененного металла.
Нами установлено, что для достижения указанного эффекта стабилизации алюминиевой пены достаточно, чтобы окисные фазы алюминиевого сплава присутствовали в порошке алюминиевого сплава в количестве 5-10 мас.%.
В получаемых промышленным способом порошках алюминиевого сплава путем распыления расплава инертным газом, используемых как исходное сырье для приготовления смеси с порофором, содержание окисных фаз находится в пределах 3-4 мас.%, что недостаточно для достижения эффекта стабилизации алюминиевой пены.
Для окисление порошка алюминиевого сплава, с целью увеличения в нем окисных фаз до содержания в количестве 5-10 мас.%, могут использоваться различные физические и химические методы. На наш взгляд, наиболее простым и эффективным способом повышения содержания окисных фаз в порошке алюминиевого сплава до требуемых пределов является термическое окисление, включающее в себя нагрев порошка алюминиевого сплава до температуры в пределах 450-500°С и выдержку его в течение 4-6 часов.
Снижение содержания окисных фаз в порошке алюминиевого сплава ниже 5 мас.% не обеспечивает эффекта стабилизации алюминиевой пены, а повышение содержание окисных фаз в порошке алюминиевого сплава свыше 10 мас.% приводит к снижению пластичности порошка алюминиевого сплава и, как следствие, к образованию трещин в процессе последующей деформации заготовки и наличию дефектов структуры порового пространства вспененного полуфабриката.
Другая особенность способа заключается в том, что с целью обеспечения измельчения и равномерного распределения частиц окисных фаз в объеме заготовки, а также иных компонентов смеси, прессование проводят со скоростью истечения 0,5-1,5 м/мин и коэффициентом вытяжки не менее 15, после чего прокатку заготовки проводят в направлении, перпендикулярном оси прессования заготовки, со степенью деформации 50-90%.
Указанные скорость истечения в пределах 0,5-1,5 м/мин и коэффициент вытяжки не менее 15 при прессовании и степень деформации в пределах 50-90% при прокатке способствуют эффективному измельчению окисных пленок на поверхности частиц алюминиевого порошка (до тонких, менее 100 нм, металлоокисных волокон), а деформация при прокатке в направлении, перпендикулярном направлению оси прессования, обеспечивает выравнивание распределения этих частиц в алюминиевой матрице заготовки за счет значительных сдвиговых деформаций при течении металла в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, активизирующих диффузионные процессы.
Нижние пределы коэффициента вытяжки при прессовании и степени деформации при прокатке обусловлены минимальными величинами деформации, при которой обеспечивается частичное разрушение окисленной поверхности частиц порошка. Превышение верхних пределов коэффициента вытяжки при прессовании и степени деформации при прокатке, а также рекомендованных скоростей истечения металла ведет к образованию дефектов в структуре заготовки, что негативно сказывается при их вспенивании.
Кроме того, с целью синхронизации в объеме заготовки процессов разложения порофора с выделением газа и перехода порошка алюминиевого сплава в твердожидкую фазу нагрев при высокотемпературной обработке заготовки предпочтительно проводить равномерно, с перепадом температур по заготовке не более 3°С.
С целью фиксации структуры порового пространства предпочтительно проводить ускоренное охлаждение пористого полуфабриката со скоростью 0,5-10°С/сек.
Сочетание в способе получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов указанных выше содержания окисных фаз в составе порошка алюминиевого сплава и режимов горячей деформации заготовки позволяет достичь требуемой структуры порового пространства полуфабриката и снизить анизотропию свойств в продольном и поперечном направлениях пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов.
Кроме того, используемый способ обеспечивает пассивацию порошка для исключения самопроизвольного возгорания самой мелкой фракции в процессе обработки, а также позволяет повысить прочность, твердость и коррозионные свойства полученных полуфабрикатов.
Примеры реализации изобретения
2
3
Пример №1. Порошок алюминиевого сплава марки 1160 (температура ликвидуса 643-645°С) в количестве 260 кг нагревали в течение 6 часов при температуре 470°С. После чего смешали окисленный порошок с содержанием окисных фаз 6% с 2,86 кг порофора TiH (температура разложения 690°С). Смесь порошков засыпали в неразборную емкость из алюминиевого сплава АД1 диаметром 410 мм, высотой 1300 мм и производили виброуплотнение, по окончании которого плотность порошка в гильзе составила 1,56 г/см.
Горячее компактирование порошка в алюминиевой гильзе проводили на горизонтально-гидравлическом прессе усилием 50 мН при температуре 450-470°С. В результате данной операции получили брикет, относительная плотность которого составила 0,98.
Затем брикет выгрузили из пресса и нагрели до температуры 450-470°С.
Прессование производилось в контейнере диаметром 420 мм с использованием одноочковой матрицы с профилем сечения 22×270 мм. Скорость истечения металла при прессовании составила 0,5-0,6 м/мин. Коэффициент вытяжки 23,3. Полученную полосу разрезали на мерные заготовки длиной 1000 мм.
Три мерные заготовки размером 22×270×1000 мм каждая нагревали до температуры 450-470°С и прокатывали на листы и плиты. Прокатку заготовок проводили в направлении, перпендикулярном оси прессования, в следующем порядке, 1 заготовку с высоты 22 мм до высоты 10 мм, степень деформации составила 55%, 1 заготовку с высоты 22 мм до высоты 5 мм, степень деформации составила 77%, 1 заготовку с высоты 22 мм высоты 3 мм, степень деформации составила 86%.
Далее катанные заготовки разрезали на мерные заготовки 10×500×500 мм, 5×500×500 мм, 3×500×500 мм, каждую из которых поместили в замкнутую форму размерами, соответствующими заготовкам, и подвергали высокотемпературной обработке при температуре 720°С. Нагрев производили равномерно с максимальным перепадом температур по заготовке не более 2°С. После достижения указанной температуры производилась выдержка вспененной заготовки в печи до полного заполнения формы. Для фиксации структуры порового пространства производили ускоренное охлаждение полученных плит со скоростью 1,5-2°С/сек.
3
Были получены пористые плиты размерами 40×500×500 мм, 30×500×500 мм, 20×500×500 мм, плотностью 0,6-0,8 г/см. Полученные полуфабрикаты характеризовались однородной поровой структурой и равномерным распределением пор, а также ровной поверхностью листов.
Пример №2
2
Порошок вторичного алюминиевого сплава системы Al-Mg-Si-Cu (температура ликвидус 640-645°С) в количестве 700 кг нагревали в течение 4 часов при температуре 500°С. После чего смешали окисленный порошок с содержанием окисных фаз 7% с 7,7 кг порофора TiH (температура разложения 690°С).
3
Смесь порошков засыпали в неразборную емкость из алюминиевого сплава АД1 диаметром 640 мм и высотой 1400 мм и производили виброуплотнение, по окончании которого плотность порошка в гильзе составила 1,56 г/см.
Горячее компактирование порошка в алюминиевых гильзах производили на горизонтально-гидравлическом прессе усилием 120 мН при температуре 450-470°С. В результате данной операции получили брикет с относительной плотностью 0,99.
Затем брикет выгрузили из пресса и нагрели до температуры 450-470°С.
Последующее прессование производили в контейнере диаметром 650 мм с использованием двухочковой матрицы с сечением 20×400 мм. Скорость истечения металла при прессовании 0,7-0,8 м/мин. Коэффициент вытяжки составил 20,7. Полученные полосы разрезали на мерные заготовки длиной 1000 мм.
Отпрессованные полосы 20×400×1000 мм нагревали до температуры 450-470°С и прокатывали на листы и плиты. Прокатку заготовок проводили в направлении, перпендикулярном оси прессования.
Полученные заготовки высотой 10 мм собрали в пакет с листами 6061 и совместно прокатали. Получили плакированные с двух сторон листы, плакирующие слои из сплава 6061 сверху и снизу высотой 3 мм и слой из смеси порошков алюминиевого сплава системы Al-Mg-Si-Cu и порофора высотой 4 мм в середине.
В дальнейшем порезанные в меру плакированные заготовки поместили в замкнутую форму размерами, соответствующими заготовкам, и подвергали высокотемпературной обработке при температуре 720°С. Нагрев производили равномерно с максимальным перепадом температур по заготовке не более 3°С. После достижения указанной температуры производилась выдержка вспененной заготовки в печи до полного заполнения формы. Для фиксации структуры производили ускоренное охлаждение полученных плит со скоростью 2-3°С/с.
Были получены плакированные с двух сторон пористые плиты (сэндвич-панели) с размерами 20×500×500 мм. Поровая структура плакированных панелей характеризуется однородностью и равномерностью распределения пор.