СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИТА
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF METAL-MATRIX COMPOSITE

Изобретение относится к области композиционных материалов, а именно к способам получения металломатричных композитов.
Известен способ получения металломатричных композитов, включающий замешивание упрочняющих частиц в расплавленом металле (Modling O.T. and Grong Ø. Processing and Properties of Particle Reinforced Al-SiC MMCs. "Key Engineering Materials", Vols.104-107 (1995) pp.329-354). Однако этот способ не позволяет получать композит с малым размером частиц.
Наиболее близким техническим решением является способ получения металломатричных композитов (Kudashov D.V. Microstructure Formations in Copper-Silicon Carbide Composites During Mechanical Alloying in a Planetary Activator / D.V.Kudashov, A.A.Aksenov, V.Klamm, U.Martin, H.Oettal, V.K.Portnoy, V.S.Zolotorevskii // Mat.-wiss. u. Werkstofflech. - 2000. - N31. - P.1048-1055). Способ включает механическое легирование компонентов в планетарных мельницах. Однако при механическом легировании происходит налипание материала матрицы на стенки барабана и мелющие элементы (например, шары), зачастую происходит слипание обрабатываемого материала в большие куски (комкование). Это явление приводит к образованию значительной неоднородности распределения упрочняющих частиц в матрице, то есть к снижению качества получаемого материала. Налипание на технологический инструмент приводит также к снижению выхода годного при производстве композитов. В некоторых случаях налипание на технологический инструмент приводит к невозможности проведения процесса механического легирования.
Целью изобретения является повышение качества получаемых металломатричных композитов, а именно однородности распределения упрочняющих частиц в матрице, и увеличение выхода годного при производстве композитов за счет снижения или полного удаления явления налипания обрабатываемого материала на технологический инструмент, а также снижение или полное устранение явления комкования обрабатываемых материалов.
Поставленная цель достигается тем, что в способе получения металломатричного композита, включающем механическое легирование компонентов композита, а именно матричного материала и упрочняющих частиц, дополнительно в число компонентов включают наночастицы с твердостью, большей чем у матрицы металломатричного композита, в количестве 0,05-10% (объемных) и с максимальным размером не более 50 нм, при этом отношение среднего размера добавленных наночастиц к исходному среднему размеру упрочняющих частиц не превышает 0,1.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе получения металломатричного композита в качестве дополнительных наночастиц применяют наночастицы из того же материала, что и упрочняющие частицы.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе получения металломатричного композита в качестве дополнительных наночастиц применяют наноалмазные порошки.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе получения металломатричного композита дополнительные наночастицы добавляют порциями, при этом количество операций добавления порций дополнительных наночастиц не превышает 5.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе получения металломатричного композита дополнительные частицы добавляют после проведения механического легирования компонентов в течение 0,05-0,5 от полного времени механического легирования.
В способе получения металломатричного композита, включающем механическое легирование компонентов композита, а именно матричного материала и упрочняющих частиц, дополнительно в число компонентов включают наночастицы с твердостью, большей чем у матрицы металломатричного композита, в количестве 0,05-10% (объемных) и с максимальным размером не более 50 нм, при этом отношение среднего размера добавленных наночастиц к исходному среднему размеру упрочняющих частиц не превышает 0,1. Наночастицы должны быть повышенной твердости (твердость дополнительных частиц должна быть больше, чем у матрицы металломатричного композита), в этом случае добавленные наночастицы предотвращают налипание обрабатываемого материала на технологический инструмент и выдерживают размер получаемых при механическом легировании композиционных гранул в размерах от 5 до 500 мкм, то есть предотвращают слипание (комкование) обрабатываемого материала. Повышенная твердость наночастиц необходима для эффективного внедрения в матрицу создаваемого композита. При таком внедрении «путь», проходимый наночастицей, значительно превышает ее размер, что и приводит к предотвращению налипания обрабатываемого материала на технологический инструмент и слипания композиционных частиц. Внедряясь в матрицу, наночастица деформирует («надрезает») и наклепывает некоторую зону на своем «пути следования», что также предотвращает налипание. Следует заметить, что этот наклеп не оказывает отрицательного влияния на свойства получаемого композита, так как легко убирается незначительной термообработкой. При введении в состав композита частиц размером более 50 нм эффекта не достигается, так как «путь следования» резко сокращается, сокращается количество частиц (при той же объемной доле этих частиц), то есть количество «надрезов» в матрице. Количество дополнительных наночастиц должно составлять 0,05-10% (объемных). При количестве менее 0,05%(объемных) эффект пропадает, так как количество «надрезов» резко сокращается. При количестве более 10% получается качественно другой композиционный материал, так как количество дополнительных частиц становится таким, что влияет на свойства композиционного материала.
Отношение среднего размера добавленных наночастиц к среднему размеру упрочняющих частиц не должно превышать 0,1. Чем больше это отношение, тем более эффективным является применение дополнительных наночастиц. В случае превышения этого отношения более 0,1 применение дополнительных наночастиц становится неэффективным, так как количество «надрезов» матрицы от наночастиц становится соизмеримым с «надрезом» матрицы от упрочняющих частиц.
В качестве дополнительных наночастиц возможно применять наночастицы из того же материала, что и упрочняющие частицы. Это экономичнее, чем применять весь объем упрочняющих частиц в наноразмерном состоянии. При таком способе внесение дополнительных наночастиц никаким образом не может повлиять на изменение свойств композиционного материала. При этом возможно рассчитывать долю дополнительных наночастиц как составляющую общей доли упрочняющих частиц.
В качестве дополнительных наночастиц возможно применять наноалмазные порошки. Наноалмазные порошки обладают высокой твердостью, только незначительно уступающей твердости природного алмаза. Размер первичной наноалмазной частицы равен 4-6 нм. Это позволяет даже при малых добавках наноалмазных порошков получать большое количество «надрезов» матрицы.
Дополнительные наночастицы возможно добавлять порциями, при этом количество операций добавления порций дополнительных наночастиц не превышает 5. У некоторых материалов данный эффект проявляется только на первой стадии размола в планетарной мельнице, когда дополнительные наночастицы находятся в основном на поверхности гранул композиционного материала и в приповерхностных слоях. При дальнейшей обработке дополнительные наночастицы внедряются вглубь гранул и эффект от их наличия ослабевает. В этом случае добавление новой порции позволит получить эффект «надреза» матрицы вновь. Как показала практика применения способа, более 5 приемов внесения дополнительных частиц осуществлять нецелесообразно, так как каждое новое внесение требует разгерметизации барабанов планетарной мельницы, что резко усложняет процесс обработки, а эффективность новой порции будет мала, так как количество новой порции будет мало при большом количестве порций. Как правило, порции равны между собой, а общее количество дополнительных наночастиц является неизменным, то есть при увеличении числа порций количество наночастиц в одной порции снижается.
Дополнительные частицы возможно добавлять после проведения механического легирования компонентов в течение 0,05-0,5 от полного времени механического легирования. В тех случаях, когда применяются упрочняющие частицы с высокой твердостью и достаточно большими размерами, добавлять дополнительные наночастицы с самого начала проведения операции механического легирования не представляется рациональным, так как в первоначальный период в этом случае происходит дробление упрочняющих частиц, при «разлете» осколков происходит интенсивное «надрезание» матричных частиц. В этот период налипания матричного материала на технологический инструмент и комкования не происходит. Налипание и комкование может наступить только после обработки в течение 0,05-0,5 от общего времени механического легирования. Поэтому целесообразно вносить дополнительные наночастицы после обработки в течение 0,05-0,5 от общего времени механического легирования. В таких случаях вносить дополнительные частицы ранее, чем 0,05 от общего времени механического легирования, нецелесообразно, так как эффект от «разлетания» осколков упрочняющих частиц еще продолжает действовать, а при обработке более 0,5 от общего времени механического легирования комкование и налипание может достичь катастрофических размеров, что не позволит вообще проводить механическое легирование.
Достижение цели изобретения подтверждается следующими примерами:
Пример 1
Получили металломатричный композит с медной матрицей и упрочняющими частицами из кристаллического оксида кремния методом механического легирования и последующего компактирования. Исходный размер упрочняющих частиц составлял 40 мкм. Объемная доля упрочняющих частиц составляла 20%. В планетарную мельницу загрузили частицы матричного материала (меди) размером около 1 мм, упрочняющие частицы и дополнительно наноалмазные порошки в количестве 5% (объемных). Размер первичных наноалмазных частиц составлял 4-6 нм. Отношение размера дополнительных наноалмазных наночастиц к исходному среднему размеру упрочняющих частиц составило 0,000125. Обработку проводили в течение 2 часов. Налипания на технологический инструмент и комкования не наблюдалось.
Пример 2
Получили композиционный материал с медной матрицей и упрочняющими частицами из аморфного оксида кремния. Исходный размер упрочняющих частиц составлял 40-60 нм. Объемная доля упрочняющих частиц составляла 25%. К исходным компонентам добавили 10% (объемных) наноалмазов. Отношение размера дополнительных наноалмазных наночастиц к исходному среднему размеру упрочняющих частиц составило 0,1. Обработку проводили в течение 90 мин. Налипания на технологический инструмент и комкования обнаружено не было.
Пример 3
Получили композиционный материал с никелевой матрицей и упрочняющими частицами оксида алюминия с исходным размером 5 мкм. Упрочняющих частиц было 15% (объемных). К исходным материалам добавили вначале 1% (объемн) наночастиц карбида вольфрама размером 50 нм. Начали осуществлять операцию механического легирования в планетарной мельнице. Через 60 мин добавили еще 1% (объемн) наночастиц карбида вольфрама. После этого провели операцию механического легирования еще 60 мин. Общее время обработки в планетарной мельнице (механического легирования) составило 120 мин. Налипания на технологический инструмент и комкования обнаружено не было. После этого полученные гранулы скомпактировали в объемный материал, из которого был изготовлен шлиф для исследования структуры при помощи оптической и сканирующей электронной микроскопии. Исследования показали равномерное распределение упрочняющих частиц в металлической матрице.
Пример 4
Методом механического легирования в планетарной мельнице получили композиционный материал с никелевой матрицей и упрочняющими частицами из карбида кремния с исходным размером 100 мкм. Объемная доля упрочняющих частиц составляла 15%. После обработки в планетарной мельнице в течение 10 мин в барабаны планетарной мельницы добавили 1% (объемн) наноалмазов и продолжили операцию механического легирования. Еще 4 раза через каждые последующие 10 мин обработки в барабаны добавляли по 1% (объемн) наноалмазов. Всего было добавлено 5 порций по 1% (объемн) наноалмазов. Общее время обработки в планетарной мельнице составило 160 мин. Налипания и комкования замечено не было.
Пример 5
Методом механического легирования в планетарной мельнице получили композиционный материал с никелевой матрицей и упрочняющими частицами из карбида вольфрама с исходным средним размером 10 мкм. Объемная доля упрочняющих частиц составляла 15%. После обработки в планетарной мельнице в течение 20 мин в барабаны планетарной мельницы добавили 10% (объемн) наночастиц карбида вольфрама со средним размером 50 нм и продолжили операцию механического легирования. Общее время обработки в планетарной мельнице составило 120 мин. Налипания и комкования замечено не было. После механического легирования осуществили компактирование полученных гранул композиционного материала. Исследование структуры полученного композиционного материала показало равномерное распределение упрочняющих частиц в матрице.