СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПЕНОАЛЮМИНИЯ (ИЗДЕЛИЙ) ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF PRODUCING POROUS MATERIALS (ARTICLES) BASED ON ALUMINIUM FOAM FROM ALUMINIUM ALLOYS

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении материалов на основе пеноалюминия, обладающих уникальным набором свойств: прочностью, легкостью, высоким энергопоглощением, звуко- и теплоизоляционными характеристиками.
Известен способ получения пористых полуфабрикатов и готовых изделий из порошков алюминиевых сплавов, включающий в себя смешивание порошков алюминиевых сплавов с порофором с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса алюминиевого сплава, засыпку полученной смеси в неразборную емкость из алюминиевого сплава, нагрев емкости с порошковой смесью до температуры ниже температуры солидуса порошка алюминиевого сплава, горячее прессование в плотную заготовку, горячую деформацию плотной заготовки, охлаждение, помещение заготовки в форму из материала, химически не взаимодействующего с материалом заготовки и сохраняющую геометрию и размеры при термообработке, термическую обработку (патент РФ № 2085339, B22F 3/11, 3/18, 1995 г.).
Недостатком этого способа является низкий выход годного изделия по массе из-за образующихся в плотной заготовке после горячего прессования и горячей деформации несплошностей.
Известен способ получения пористых полуфабрикатов и готовых изделий из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков алюминиевых сплавов с порофорами с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса порошка алюминиевого сплава, засыпку полученной смеси в емкость из алюминиевого сплава, нагрев емкости со смесью порошков, горячее прессование, повторный нагрев, горячую деформацию прессованной заготовки, в частности, прокаткой, ее охлаждение и последующую высокотемпературную обработку в форме с повторным охлаждением (патент №2154548, B22F 3/00, 3/24, 3/18, 1999 г.).
Недостатком этого способа является невысокая производительность вследствие значительного количества технологических операций и их продолжительности и, следовательно, достаточно высокая себестоимость изделий.
Известен способ получения пористых материалов из алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков исходного материала из алюминиевого сплава и порофора с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса алюминиевого сплава, получение плотной заготовки при температуре ниже температуры солидуса алюминиевого сплава, размещение заготовки в форме, сохраняющей геометрию и размеры при термообработке, выполненной из материала, химически не взаимодействующего с материалом заготовки, и термическую обработку, смешивание проводят в высокоэнергетической мельнице, при термообработке осуществляют нагрев до температуры интенсивного разложения порофора со скоростью 200-2500°С/мин. При этом в качестве исходного материала могут быть использованы отходы алюминиевых сплавов двух и более составов (патент РФ № 2335379, B22F 3/11, С22С 1/08, 2007 г.).
Указанный способ является наиболее близким аналогом настоящего изобретения по совокупности существенных признаков (прототипом).
Недостатками указанного способа являются ограниченная возможность получения различной структуры пористых изделий и, как следствие, рядовые (обычные) механические характеристики изделий, а также технологическая необходимость использования инертного газа (аргон, азот) при получении порошковой смеси, что усложняет технологическую цепочку и увеличивает производственные затраты.
Техническая задача изобретения - улучшение механических характеристик конечного изделия за счет получения более качественной структуры пористого материала на основе пеноалюминия.
3
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе получения пористых материалов на основе пеноалюминия (изделий) из алюминиевых сплавов, включающем получение порошковой смеси путем высокоэнергетической механической обработки исходного измельченного сырья из алюминиевых сплавов и вспенивающего материала (порофора), получение плотной скомпактированной заготовки, размещение плотной скомпактированной заготовки в форме для вспенивания, сохраняющей геометрию и размеры при термообработке, термическую обработку в виде нагрева и вспенивания заготовки с получением изделия, охлаждение формы со вспененным изделием, раскрытие формы со вспененным изделием, высокоэнергетическую механическую обработку исходного измельченного сырья из алюминиевых сплавов и вспенивающего материала (порофора) проводят в измельчающем устройстве при энергонапряженности 2-8 кВт на 1 дм объема измельчающего устройства, получают однородный порошок с мелкокристаллической структурой, состоящий из алюминиевого сплава (матрицы), керамических частиц оксида алюминия и вспенивающего материала (порофора), при этом синтез оксида алюминия осуществляют непосредственно в процессе высокоэнергетической механической обработки, причем количество оксида алюминия составляет 5-20% от массы порошка, полученный порошок используют при производстве изделий.
Кроме того, высокоэнергетическую механическую обработку исходного измельченного сырья из алюминиевых сплавов и вспенивающего материала (порофора) в измельчающем устройстве проводят в периодическом или непрерывном режиме в течение 5-15 минут.
В результате высокоэнергетической механической обработки исходного измельченного сырья получают однородный порошок с мелкокристаллической структурой с размером зерна матричного алюминиевого сплава 30-100 нм.
Кроме того, в качестве измельчающего устройства используют планетарную мельницу. Синтез оксида алюминия осуществляют за счет применения кислородосодержащей атмосферы контролируемого состава. При этом в качестве исходного сырья или в составе исходного сырья используют вторичное сырье, например отходы алюминиевых сплавов.
Предлагаемый способ реализуют следующим образом.
3
Способ получения пористых материалов на основе пеноалюминия (изделий) из алюминиевых сплавов состоит в том, что измельченное до крупности 5-7 мм сырье из первичных алюминиевых сплавов или вторичное алюминиевое сырье смешивают с порошком или гранулами вспенивающего материала, которым является гидрид титана, в количестве от 0,5 до 1,5% (массовых) с температурой разложения, превышающей температуру плавления алюминиевого сплава. Смесь измельчают в высокоэнергетическом измельчающем устройстве типа планетарной мельницы в кислородсодержащей атмосфере контролируемого состава, например на воздухе. При измельчении энергонапряженность планетарной мельницы должна составлять 2-8 кВт на 1 дм полезного объема мельницы. В результате измельчения получают однородный порошок с мелкокристаллической структурой, состоящий из алюминиевого сплава (матрицы), керамических частиц оксида алюминия и вспенивающего материала (порофора). За счет измельчения в кислородсодержащей атмосфере синтез оксида алюминия происходит непосредственно в процессе высокоэнергетической механической обработки. Количество оксида алюминия составляет 5-20% от массы порошка. Полученный порошок с мелкокристаллической структурой используют при производстве изделий. Его смесь подают ровным слоем в плоский горизонтальный металлический формовочный контейнер, по размеру соответствующий требуемому размеру конечного изделия, и обеспечивают высоту слоя порошковой смеси в зависимости от требований к толщине изделия. Контейнер выполняют из стального листа и после загрузки порошковой смеси закрывают сверху плоским мерным листом с закрытием края контейнера по всему периметру. После этого получают плотную скомпактированную заготовку. Для этого в печи контейнер равномерно по всей площади нагревают до температуры 430-520°С в зависимости от состава порошкового материала и подают на горячее компактирование на прокатном стане. При этом обеспечивают удельное давление, достаточное для обеспечения относительной плотности скомпактированной порошковой смеси не менее 97% для получения качественной структуры пенометаллического слоя изделий при дальнейшем процессе вспенивания.
Скомпактированный контейнер охлаждают и материал контейнера механически отделяют от скомпактированной из порошка заготовки. Заготовку обрезают по краям до нужного размера, укладывают в форму из диэлектрического материала и направляют на вспенивание. Незначительное количество образующихся при обрезке заготовки отходов направляют на измельчение и возвращают на получение порошковой смеси в начало технологического процесса. Стальной материал контейнера отправляется на утилизацию как вторичное сырье.
Форма из диэлектрического материала разборная и задает размер конечного изделия по периметру, а также толщину по вертикали. Для вспенивания заготовки необходимо расплавить ее материал и обеспечить разложение гидрида титана, которое происходит в зависимости от его состава при температуре 650-690°С. Поэтому температура нагрева в печи вспенивания составляет 720-800°С.
3
Важнейшим технологическим фактором, определяющим структуру и механические свойства конечного изделия, является структура и состав материала после измельчения сырья. Высокоэнергетическая механическая обработка должна обеспечить измельчение алюминиевого сырья и вспенивающего материала, их смешение, а также образование в алюминиевой матрице мелкокристаллического зерна крупностью 30-100 нм. Для обеспечения таких размеров зерна и оптимальной производительности планетарной мельницы требуется использовать мельницу с энегронапряженностью 2-8 кВт на 1 дм объема мельницы.
3
3
Проведение высокоэнергетической механической обработки исходного измельченного сырья из алюминиевых сплавов и вспенивающего материала (порофора) в измельчающем устройстве, например планетарной мельнице, можно осуществлять в периодическом или непрерывном режиме в течение 5-15 минут. Такой режим позволит получить оптимальное распределение по крупности частиц порошка, обладающего необходимой для засыпки текучестью, однородным распределением частиц порофора и мелкокристаллической структурой матричного алюминиевого сплава. При этом обеспечиваются достаточная производительность измельчающего устройства и требуемые затраты на измельчение. Увеличение энергонапряженности более 8 кВт на 1 дм объема мельницы приводит к технологически ненужному росту температуры материала при измельчении с последующим неконтролируемым окислением порошка при работе на воздухе. Снижение энергонапряженности менее 2 кВт на 1 дм объема мельницы приводит к увеличению продолжительности измельчения с потерей производительности мельницы, а также к недостижению необходимой крупности зерна мелкокристаллической структуры алюминиевого порошка. В конечном счете при вспенивании неоптимальная мелкокристаллическая структура сырья обеспечивает формирование однородных пор близкого размера и соответственно высокие механические характеристики конечного изделия.
Этому же результату способствует наличие 5-20% оксида алюминия в порошкообразном сырье, который синтезируется при измельчении в кислородсодержащей атмосфере. Снижение содержания оксида алюминия менее 5% от массы порошка приводит к последующему ухудшению режима вспенивания скомпактированной заготовки и получению более широкого диапазона размера пор, что ухудшает механические свойства изделия. Увеличение содержания оксида алюминия более 20% от массы порошка также ухудшает условия последующего вспенивания заготовки за счет роста вязкости расплава и ухудшает свойства конечного изделия.
Измельчение сырья в кислородсодержащей атмосфере упрощает технологию, в отличие, например, от использования инертной атмосферы, применение которой требует дополнительных затрат.
После вспенивания и охлаждения изделие достают из формы, которую направляют на производство следующего изделия, а вспененный композиционный материал является товарным изделием.
Кроме того, в частном случае реализации способа порошки алюминиевых сплавов получают из вторичного алюминиевого сырья и алюминиевых отходов.
Возможность осуществления изобретения, охарактеризованного приведенной выше совокупностью существенных признаков, а также возможность реализации назначения изобретения, может быть подтверждена описанием следующих примеров.
Примеры реализации способа получения пористых материалов на основе пеноалюминия применительно к производству плоских панелей состоят в следующем.
Пример 1.
Порошок алюминиевого сплава марки Д16 промышленного производства (температура ликвидус сплава 640-645°С) в количестве 10 кг смешали с 0,5 кг вспенивающего материала - порофора (гидрид титана, температура разложения 650-690°С). Смешение проводили в вибросмесителе. Смесь в количестве 3,5 кг засыпали в горизонтальный плоский стальной формовочный контейнер, выполненный из стали толщиной 0,8 мм, размером 950×310 мм и высотой 10 мм. Формовочный контейнер предварительно уплотнили и закрыли сверху стальным листом, с выполнением завальцовки по периметру.
Закрытый контейнер нагрели и провели компактирование горячей прокаткой на прокатном стане. После охлаждения кромку контейнера обрезали по периметру, контейнер открыли и получили плоскую скомпактированную заготовку с относительной плотностью 97-98%.
3
0,2
Заготовку поместили в разборную керамическую форму для вспенивания размером 900×300 мм и высотой 20 мм, которую нагрели в печи до максимальной температуры 750°С и быстро охладили. Для быстрого охлаждения форма со вспененным изделием была извлечена из печи. После охлаждения форма была разобрана и из нее извлечена вспененная панель. Плотность полученной панели составила 0,60 г/см. Панель имела ровные края и плоские верхнюю и нижнюю поверхности. Размер панели составил 900×300×20 мм. Полученная панель была подвергнута механическим испытаниям на сжатие, которые показали предел текучести на сжатие 9,5 МПа (значение σ).
В данном примере реализован способ получения изделия из рядового промышленного порошка, без высокоэнергетической механической обработки и наличия мелкокристаллической структуры алюминиевой матрицы. Определенное химическим анализом содержание оксида алюминия составило 2,8% от массы порошка.
0,2
Полученная панель была подвергнута механическим испытаниям на сжатие, которые показали предел текучести на сжатие 9,5 МПа (значение σ).
Пример 2.
3
В данном примере в качестве сырья использовали вторичное сырье - стружку алюминиевого сплава марки Д16 (температура ликвидус сплава 640-645°С). Из стружки и порофора получали порошок в планетарной мельнице марки МПП-1-2 мощностью 4 кВт. Количество вторичного сырья сплава Д16 составило 4,0 кг и 0,03 кг вспенивающего материала - порофора (гидрид титана, температура разложения 650-690°С). В результате высокоэнергетического воздействия происходит образование однородного порошкообразного материала, каждая частица которого имеет структуру, состоящую из матрицы с высокой плотностью дефектов кристаллической решетки и равномерно распределенных в матрице дисперсных частиц порофора (гидрида титана). Энергонапряженность планетарной мельницы МП-1-2 составила 4,3 кВт на 1 дм объема барабанов. Измельчение проводили в воздушной атмосфере в течение 10 минут.
Во время обработки в высокоэнергетической мельнице происходят изменения внутренней структуры алюминиевой матрицы. Исследование субструктуры алюминиевых материалов при механическом легировании алюминиевого сырья выполнено с помощью рентгеноструктурного анализа. В алюминиевом порошке размер зерна матричного раствора составил 40-50 нм. Определенное химическим анализом содержание оксида алюминия составило 12,5% от массы порошка.
Смесь после планетарной мельницы в количестве 3,5 кг засыпали в горизонтальный плоский стальной формовочный контейнер, выполненный из стали толщиной 0,8 мм, размером 950×310 мм и высотой 10 мм. Формовочный контейнер предварительно уплотнили и закрыли сверху стальным листом, с выполнением завальцовки по периметру.
Закрытый контейнер нагрели и провели компактирование горячей прокаткой на прокатном стане. После охлаждения кромку контейнера обрезали по периметру и получили плоскую скомпактированную заготовку толщиной 6 мм и относительной плотностью 98%.
3
0,2
Заготовку уложили в разборную керамическую форму для вспенивания размером 900×300 мм и высотой 20 мм, которую нагрели в индукционной электрической печи до максимальной температуры 750°С. Для быстрого охлаждения форма со вспененным изделием была извлечена из печи. После охлаждения форма была разобрана и из нее извлечена вспененная панель. Плотность пенометаллического слоя полученной панели составила 0,62 г/см. Размер панели составил 900×300×20 мм. Полученная панель была подвергнута механическим испытаниям на сжатие, которые показали предел текучести на сжатие 28 МПа (значение σ).
Таким образом, в примере 2 реализован способ получения пеноалюминиевой панели из вторичного сырья, которое было измельчено в высокоэнергетической планетарной мельнице в воздушной атмосфере.
Полученная механическая прочность существенно превысила изделие, описание в примере 1.
Приведенные примеры реализации изобретения обеспечивают возможность реализации назначения изобретения и достижения указанного технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Реализация изобретения позволит получать материалы для применения в строительстве, транспорте и машиностроении с уровнем производственных затрат, позволяющих заместить существующие конкурирующие материалы.