2
3
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА AlO-Al
2
3
METHOD OF PRODUCING AlO-Al COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к технологии композиционных материалов-керметов и может быть использовано для получения прочных, износостойких изделий, работающих в трибосопряжениях в условиях воздействия статических и динамических нагрузок.
2
3
-2
-2
Известен способ получения композиционного материала AlO- Al [1], включающий приготовление шихты путем смешивания алюминиевого порошка ПАП-2, состоящего из частиц пластинчатой формы со стеариновым покрытием, с водным раствором поливинилового спирта, ее сушку до заданной остаточной влажности (3-10%), прессование заготовки под давлением 1,25·10-2,5·10 МПа, выжиг из нее на воздухе органической связки, дополнительное прессование заготовки под давлением 520-600 МПа и инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем до температуры 550-600°C с последующим ее охлаждением за счет выдержки на воздухе при комнатной температуре.
Недостатком этого способа является его высокая трудоемкость, связанная с необходимостью реализации достаточно большого количества технологических операций. Кроме того, материал, полученный по данному способу, демонстрирует относительно высокий коэффициент трения в трибосопряжениях со стальным контртелом, а также недостаточно высокое сопротивление разрушению при воздействии удара.
2
3
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения композиционного материала AlO - Al [2], (принятый за прототип), включающий термообработку на воздухе (220-250°C) алюминиевого порошка ПАП-2, состоящего из частиц пластинчатой формы со стеариновым покрытием, приготовление шихты путем его смешивания с водным раствором жидкого стекла в количестве 3-15% масс в пересчете на сухой остаток вещества, сушку шихты на воздухе при температуре 20-60°C до полного удаления влаги, прессование из нее заготовки под давлением 620-700 МПа, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем до температуры 610-650°C с последующей изотермической выдержкой в течение 1-5 часов и охлаждением за счет выдержки нагретого изделия на воздухе при комнатной температуре. В данном случае термообработку на воздухе порошка ПАП-2 проводят с целью удаления стеарина с поверхности его частиц.
Недостатком способа-прототипа является относительно высокий коэффициент трения, присущий получаемому материалу в паре трения со стальным контртелом, а также недостаточная прочность при ударном воздействии нагрузки.
Технической задачей данного изобретения является снижение коэффициента трения при трибосопряжении материала со стальным контртелом, а также увеличение его прочности при ударе.
2
3
Для выполнения поставленной задачи в способе получения композиционного материала AlO- Al, включающем приготовление шихты смешиванием алюминиевого порошка, состоящего из частиц пластинчатой формы, с водным раствором жидкого стекла, сушку шихты, прессование заготовки, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем и охлаждение за счет выдержки нагретого изделия на воздухе при комнатной температуре, для смешивания используют алюминиевый порошок, пластинчатые частицы которого содержат стеариновое покрытие, а водный раствор жидкого стекла добавляют в количестве 1,0-2,5 мас.% в пересчете на сухой остаток вещества, перед сушкой смесь выдерживают при комнатной температуре до завершения процесса образования стеарата натрия и глицерина, затем ее гранулируют путем продавливания через сито с размером ячеек 1,5-3,0 мм, перед инициированием процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза отпрессованную заготовку термообрабатывают на воздухе при температуре 250-300°C в течение 2,5-10 часов.
Кроме того, в предложенном способе прессование заготовки проводят под давлением 100-500 МПа, а ее нагрев воздушным теплоносителем, для инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, проводят до температуры 550-600°C при времени изотермической выдержки 45-60 минут.
Для получения материала по заявленному способу в качестве исходного сырья использовали алюминиевый порошок марки ПАП-2 (ГОСТ-5494-95), состоящий из частиц пластинчатой формы (преобладающие размеры частиц: по длине 10-100 мкм, по ширине 5-50 мкм, по толщине 0,5-1,0 мкм). Частицы порошка, как продукта промышленной поставки, покрыты тонким слоем стеарина (3,0 мас.%), вводимым в качестве жировой добавки на этапе их измельчения в шаровой мельнице.
2
3
2
2
2
Для приготовления шихты в заданную навеску исходного порошка ПАП-2 вводили расчетный объем водного раствора жидкого стекла - гидросиликата натрия (nNaO·mSiO·SiO·xHO, где m/n - модуль жидкого стекла, варьируемый от 1 до 4, величина x изменяется в пределах от 1 до 14).
Перемешивание компонентов шихты производили непрерывно при помощи пропеллерной мешалки. Смесь выдерживали при комнатной температуре в течение времени, необходимого для завершения химической реакции образования стеарата натрия и глицерина на поверхности частиц порошка ПАП-2. Эта реакция:
характеризуется определенной изотермической кинетикой и при комнатной температуре (18-25°C), в соответствии с экспериментальными данными, требуется от 0,5 до 1,0 часа для ее завершения. После окончания реакции (1), протекающей в тонком слое на поверхности пластинчатых алюминиевых частиц, образуется пластичная масса, напоминающая влажную глину (глиноподобная масса). В данной реакции щелочь (NaOH) является продуктом гидролиза силиката натрия.
При содержании жидкого стекла в смеси (С) менее 1,0 мас.% (в пересчете на сухой остаток вещества) пластичность получаемой массы недостаточна для проведения операции ее гранулирования путем продавливания через сито. Увеличение С более 2,5 мас.% не целесообразно, так как снижаются триботехнические свойства спеченного материала (резко повышается коэффициент трения в паре со стальным контртелом из-за повышенного содержания в материале силикатов натрия).
Гранулирование массы достаточно производительно обеспечивается ее продавливанием через ячейки сита. Использование сита с размером ячеек (N) менее 1,5 мм не дает возможности провести операцию гранулирования вследствие чрезмерно высокого сопротивления продавливанию массы. Применение сита с величиной N более 3,0 мм не целесообразно вследствие разрушения гранул.
Влажную шихту (совокупность гранул, полученных продавливанием через сито) высушивали до полного удаления влаги и прессовали с целью изготовления заготовок. Давление прессования (Р) менее 100 МПа приводило к снижению прочности при ударе, увеличение Р более 500 МПа давало эффект образования «перепрессовочных трещин».
Перед инициированием процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) отпрессованную заготовку термообрабатывали на воздухе для частичного разложения смеси стеарата натрия с глицерином и удаления газообразных продуктов разложения в соответствии с химическими реакциями:
Окончательное разложение смеси стеарата натрия с глицерином завершается при протекании СВС-процесса, а ее предварительное, частичное разложение, согласно реакциям 2 и 3, преследует цель медленного отвода большей доли газообразных продуктов из заготовки. Если указанную термообработку предварительно не проводить, то при инициировании СВС газообразные продукты создают повышенное давление внутри спекаемой заготовки» что приводит к ее разрушению.
1
1
1
1
Снижение температуры термообработки (T) менее 250°C и времени изотермической выдержки (τ) менее 2,5 часов невозможно, поскольку в этом случае не обеспечивается достаточный отвод газообразных продуктов реакции из заготовки. Увеличение T и τ более 300°C и 10 часов (соответственно) не целесообразно, поскольку при этих температурно-временных параметрах достигается медленный отвод основной доли газообразных продуктов реакции (1) и при последующем инициировании СВС разрушения спекаемой заготовки не наблюдалось.
2
2
2
2
2
2
Инициирование процесса СВС достигалось за счет нагрева заготовки воздушным теплоносителем до заданной температуры (T). Снижение Т менее 550°C не приводило к инициированию СВС, а превышение Т более 600°C невозможно, так как наблюдался выброс алюминиевого расплава из заготовки. Время изотермической выдержки (τ) менее 45 минут (при температуре T) не обеспечивало удовлетворительного уровня прочностных свойств спеченной заготовки, увеличение τболее 60 минут не оправдано, так как улучшения механических и трибологических свойств спеченного материала не наблюдалось.
2
3
2
2
5,
После инициирования процесса СВС наблюдается фильтрациониое горение заготовки, механизм которого совпадает с механизмом, реализуемым в способе-прототипе {2]. После завершения фильтрационного горения достигается спекание материала и формирование его конечного фазового состава. Методом рентгенофазового анализа установлено, что в объеме спеченного материала синтезированы следующие кристаллические фазы - Si, AlO, NaSiO С, распределенные в алюминиевой матрице. Образование указанных кристаллических фаз связано с протеканием следующих химических реакций:
Химические реакции (4)-(10) обеспечивают образование твердых кристаллических кремниевых, алюмоокеидных и натрий-силикатных включений в пластичной алюминиевой матрице. Эти включения повышают твердость и износостойкость материала. Указанные реакции реализуются также и в способе-прототипе [2]. В заявленном способе, по сравнению с прототипом, дополнительно имеют место реакции термического разложения стеарата натрия (2) и глицерина (3) с образованием углеродного остатка в виде тонких молекулярных слоев по поверхности пластинчатых алюминиевых частиц, слагающих структуру спеченного изделия.
Полученный углеродный остаток выполняет функцию твердой смазки, способной значительно снижать коэффициент трения в трибосопряжениях. Кроме того, при воздействии удара» благодаря оптимальному локальному ослаблению границ раздела между пластинчатыми частицами, зафиксирован весьма энергоемкий механизм разрушения. Он связан с вовлечением в разрушение значительного объема материала, сопровождающегося сдвигом слоев относительно друг друга и их вырывом. При этом высокая работа разрушения обеспечивается преодолением сил трения между пластинчатыми частицами в протяженной зоне разрушения.
Благодаря указанным эффектам достигается решение поставленной технической задачи изобретения.
Примеры реализации заявленного способа
o
3
3
Пример 1. С целью приготовления шихты смешивали 100 грамм алюминиевого порошка (марки ПАП-2) с раствором жидкого стекла (ГОСТ 13078-81). Для обеспечения содержания в шихте жидкого стекла в количестве (C) 2,5% (в пересчете на сухой остаток вещества) исходный жидкий продукт разбавляли дистиллированной водой (к 4,69 см жидкого стекла добавляли 95,31 см воды), величина разбавления составляла ~1:20 (1 часть жидкого стекла к 20 частям воды). Смешивание компонентов в течение 30 минут производили в фарфоровой емкости при помощи пропеллерной мешалки. После распределения разбавленного водного раствора жидкого стекла в объеме порошка перемешивание прекращали. Смесь выдерживали до завершения процесса образования стеарата натрия и глицерина (30 минут). Признаком окончания синтеза стеарата натрия и глицерина на поверхности пластинчатых алюминиевых частиц является превращение начальной порошковой смеси в глиноподобную вязкую массу.
Ее гранулировали путем продавливания через сито с размером ячеек (N) 3,0 мм. После высушивания на воздухе полученных гранул (до нулевой влажности при температуре 60°C) была получена гранулированная шихта. Заготовку прессовали, прикладывая давление (Р) 500 МПа к засыпке гранул в стальной пресс-форме на гидравлическом прессе П-50.
1
1
Отпрессованную заготовку термообрабатывали в сушильном шкафу на воздухе при температуре (T) 300°C в течение времени (τ), равного 2,5 часа.
2
2
2
После этого заготовку помещали в муфельную печь и нагревали на воздухе до температуры (T) 600°C. В результате происходило инициирование процесса СВС. Его начало визуально фиксировалось по свечению заготовки, которую выдерживали в печном пространстве при Т в течение времени (τ) - 60 минут. По завершении выдержки спеченное изделие извлекали из печи и охлаждали при комнатной температуре.
2
3
2
2
5
Согласно данным РФА основной фазовый состав спеченного материала был следующим (об.%): Al - 80%, γ-AlO - 10%, α-NaSiO - 6%, Si - 2%, С - 2%.
Пример 2. Все технологические операции и их последовательность совпадают с описанными в примере 1.
3
о
100 грамм алюминиевого порошка ПАП-2 смешивали с водным раствором жидкого стекла (1,87 см жидкого стекла + 98,13 см воды), величина разбавления составляла ~1:52 (1 часть жидкого стекла к 52 частям воды). Величина С составляла 1,0%.
1
1
Гранулирование полученной смеси производили путем ее продавливания через сито с размером ячеек (N) 1,5 мм. Заготовку прессовали при Р, равном 100 МПа. Отпрессованную заготовку термообрабатывали в сушильном шкафу на воздухе (T=250°C, τ=10 часов).
2
2
Инициирование процесса СВС производили при Т, равной 550°C, последующую выдержку спекаемой заготовки в печном пространстве осуществляли при τ, равном 45 минут.
2
3
2
2
5
Согласно данным РФА основной фазовый состав спеченного материала был следующим (об.%): Al - 73%, γ-AlO - 15%, α-NaSiO - 7%, Si - 4%, C - 1%.
Пример 3. Все технологические операции и их последовательность совпадают с описанными в примере 1.
3
3
o
100 грамм алюминиевого порошка ПАП-2 смешивали с водным раствором жидкого стекла (3,28 см жидкого стекла + 96,72 см воды), величина разбавления составляла ~1:29 (1 часть жидкого стекла к 29 частям воды). Величина С составляла 1,75%.
1
1
Гранулирование полученной смеси производили путем ее продавливания через сито с размером ячеек (N) 2,0 мм. Заготовку прессовали при Р, равном 300 МПа. Отпрессованную заготовку термообрабатывали в сушильном шкафу на воздухе (T=275°C, τ=6,25 часа).
2
2
Инициирование процесса СВС производили при T, равной 575°C, последующую выдержку спекаемой заготовки в печном пространстве осуществляли при τ, равном 53 минуты.
2
3
2
2
5
Согласно данным РФА основной фазовый состав спеченного материала был следующим (об.%): Al - 78%, γ-AlO - 12%, α-NaSiO - 6,5%, Si - 2%, С - 1,5%.
В таблице представлены результаты испытаний материала, полученного по заявленному способу, в сравнении с материалами, изготовленными по способу-аналогу и способу-прототипу.
Коэффициент трения скольжения определяли по схеме «стержень-диск» на приборе Tribometer, CSM Instr. В качестве контртела использовали шарик диаметром 3 мм из стали ШХ-15. Нормальная нагрузка составляла 1 Н, а линейная скорость перемещения контртела относительно диска (диаметр - 20 мм, высота - 8 мм) - 10 см/сек.
Прочность при ударном изгибе [3] определяли с использованием маятникового копра на призматических образцах с размерами 7×7×50 мм, расстояние между опорами - 32 мм. Скорость движения ударного диска - 5 м/с.
Как видно из приведенных в таблице данных, достигается улучшение механических характеристик материала, полученного по предложенному способу, в сравнении с материалом, изготовленным по способу-прототипу (прочность при ударном изгибе возрастает в 1,6-2,0 раза, а среднее значение коэффициента трения скольжения снижается в 1,73 раза).
2
3
Таким образом, техническая задача данного изобретения выполнена - достигнуто увеличение прочности при ударном изгибе и снижение коэффициента трения скольжения композиционного материала AlO - Al.
Таблица
Свойства композиционного материала Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - Al
МатериалСвойства
Плотность ρ, г/см<sup>3</sup>
Прочность при ударном изгибе а<sub>Н</sub>·10<sup>3</sup>, Дж/м<sup>2</sup>
Коэф. трения К<sub>c</sub>
По заявленному способy<sup>*</sup>
№
С<sub>0</sub>, мас.%
N, мм
Р, МПа
Т<sub>1</sub>, °С
τ<sub>1, </sub>час
Т<sub>2</sub>, °C
τ<sub>2</sub>, час
1
2,5
3,0
500
300
2,5
600
60
2,35
12,0
0,13
2
1,0
1,5
100
250
10
550
45
2,10
8,0
0,17
3
1,75
2,0
300
275
6,25
575
53
2,30
10,7
0,15
По способу-прототипу [2]
2,15-2,50
5,0-6,0
0,23-0,30
По способу-аналогу [1]
2,40-2,53
6,0-7,2
0,51-0,76
<sup>*</sup> здесь: С<sub>0</sub> - сухой остаток жидкого стекла, N - размер ячеек сита, Р - давление прессования заготовки, T<sub>1</sub> и τ<sub>1</sub> - температура и время термообработки заготовки на воздухе, Т<sub>2</sub> - температура воздушного теплоносителя для инициирования СВС, τ<sub>2</sub> - время изотермической выдержки при температуре Т<sub>2</sub>.
Источники информации
2
3
1. Патент РФ №2266270 «Способ получения композиционного материала AlO - Al», C04B 35/65, B22F 3/23, опубл. 20.12.05, бюл №35.
2
3
2. Патент РФ 2319678 «Способ получения композиционного материала AlO- Al», C04B 35/65, C04B 35/00, B22F 3/23, опубл. 20.03.08, бюл. №8 (прототип).
3. Практикум по технологии керамики и огнеупоров / под ред. Д.Н.Полубояринова и Р.Я.Попильского. М.: изд-во литературы по строительству, 1972, 351 с.