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, а также уплотнительных элементов и абразивного инструмента, применяемого на стадии финишной обработки металлов и сплавов для повышения класса чистоты обработки их поверхности.
2
3
-2
2
Известен способ получения композиционного материала AlO-Al [1], включающий приготовление шихты смешиванием порошка алюминия, состоящего из частиц пластинчатой формы, со связующим компонентом (водный раствор поливинилового спирта), сушку шихты до заданной остаточной влажности (3-10%), прессование заготовки из влажной шихты под давлением 1,25·10-2,5·10 МПа, выжиг из заготовки на воздухе связующего компонента (300-350°С), дополнительное прессование заготовки под давлением 520-600 МПа, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем до температуры 550-600°С при длительности изотермической выдержки, соответствующей моменту ее «погасания», и охлаждение за счет выдержки нагретого изделия на воздухе при комнатной температуре. Материал, полученный в соответствии с данным способом, обладает недостаточно высокой плотностью и прочностью.
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 порошка алюминия до полного удаления стеаринового покрытия с поверхности его частиц, имеющих пластинчатую форму, приготовление шихты путем смешивания термообработанного порошка со связующим компонентом (водный раствор жидкого стекла в количестве 3-15 мас.% в пересчете на сухой остаток вещества), сушку шихты при температуре 20-60°С до полного удаления влаги, прессование заготовки под давлением 620-700 МПа и ее нагрев воздушным теплоносителем до температуры 610-650°С для инициирования процесса СВС при времени изотермической выдержки 1-5 часов с последующим охлаждением спеченного изделия за счет выдержки при комнатной температуре. Согласно способу-прототипу, по сравнению со способом [1], удается повысить прочность получаемого материала благодаря формированию дисперсно-упрочненной структуры. Однако уровень его прочности и плотность оказываются недостаточно высокими вследствие сохранения пористости после завершения спекания в режиме СВС.
2
3
Технической задачей данного изобретения является увеличение прочности и плотности композиционного материала AlO-Al.
2
3
Для выполнения поставленной задачи в способе получения композиционного материала AlO-Al, включающем термообработку порошка алюминия с пластинчатой формой частиц на воздухе, приготовление шихты путем его смешивания со связующим компонентом, сушку шихты, прессование заготовки и ее спекание путем инициирования процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза воздушным теплоносителем, спеченное изделие помещают в пресс-форму, производят нагрев до температуры 600÷775°С и прикладывают давление 9÷12 МПа, выдерживая в течение 1÷30 минут до степени деформации изделия 1,18÷1,25, определяемой как отношение его исходной высоты к конечной высоте, затем изделие охлаждают со скоростью 5÷10°С/мин до температуры 590÷650°С под приложенным давлением, снимают давление и ведут охлаждение до комнатной температуры со скоростью 2,5÷4°С/мин.
Для получения материала по заявленному способу в качестве исходного сырья использовали алюминиевый порошок промышленной марки ПАП - 2 (ГОСТ 5494-95), состоящий из частиц пластинчатой формы (преобладающие размеры: 10-100×5-50×0,5-1 мкм), покрытых тонким слоем стеарина (содержание стеарина - 3 мас.%). После удаления стеарина с поверхности пластинчатых частиц, за счет термообработки порошка на воздухе, приготавливали шихту путем смешивания порошка с водным раствором жидкого стекла. После высушивания шихты из нее методом прессования получали заготовку, которую затем спекали, инициируя процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в результате нагрева воздушным теплоносителем.
1
1
1
1
Затем спеченное изделие помещали в пресс-форму и производили нагрев до заданной температуры (T) с последующим приложением давления (Р). Выбранный интервал температуры T (600-775°С, то есть 0,9-1,17 от температуры плавления Аl) предполагает также приложение давления к высоковязкому расплаву алюминия, содержащему алюмооксидную фазу, образующуюся в процессе СВС - спекания. Снижение величины Т менее 600°С не обеспечивает увеличения прочности и плотности материала. Повышение T более 775°С не целесообразно, поскольку наблюдается резкое снижение вязкости расплава и его выдавливание в зазоры пресс-формы.
Снижение величины Р и времени выдержки (τ) под давлением при заданной температуре менее 9 МПа и 1 минуты соответственно не приводило к повышению прочностных характеристик и плотности. Увеличение Р более 12 МПа в температурной области, соответствующей твердому состоянию материала, не допустимо, так как в противном случае наблюдались разрывы в пластинчатых частицах, слагающих его структуру. Этот процесс является нежелательным, поскольку ведет к образованию структурных дефектов. Увеличение Р более 12 МПа в температурной области, соответствующей появлению расплава, не возможно, т.к. возникали внутренние напряжения в расплаве, разрушающие поверхностные оксидные пленки на пластинчатых частицах, что приводило нарушению слоистой структуры композита. Увеличение τ более 30 минут не целесообразно, поскольку приводит к неоправданному возрастанию продолжительности технологического процесса. Это связано с тем, что диффузионный процесс, определяющий массоперенос, и вязкопластическое течение вещества полностью завершены в данной температурной области в течение установленного временного интервала.
Степень деформации (δ) (относительные единицы) определяли как отношение исходной высоты спеченного изделия к его конечной высоте после приложения давления в выбранном температурном интервале. Снижение δ менее 1,18 отн. ед. не обеспечивало необходимого уплотнения изделия, а увеличение δ более 1,25 отн. ед. приводило к возникновению структурных дефектов за счет разрушения пластинчатых частиц и их поверхностных оксидных пленок.
1
2
1
Охлаждение изделия от температуры T до заданной температуры Т (интервал 590-650°С, то есть 0,89-0,98 от температуры плавления Аl) вели под приложенным давлением со скоростью (λ) 5-10°С/мин.
1
1
2
2
2
Это обусловлено необходимостью предупреждения образования микродефектов структуры материала вследствие отличия коэффициентов термического расширения металлической и оксидной фаз (при охлаждении от температуры Т соответствующей твердому состоянию материала), а также вследствие усадочного процесса при кристаллизации расплава (при охлаждении от температуры T, соответствующей расплаву). В интервале температур Т охлаждаемый материал существует в твердой фазе и проявляет некоторую пластичность. Поэтому приложенное давление способно обеспечить залечивание дефектов, возникающих из-за действующих внутренних напряжений. Снижение Т менее 590° не возможно, поскольку это приводит к резкому снижению пластичности материала и, как следствие, к возрастанию количества дефектов структуры. Увеличение Т более 650°С не целесообразно, так как не приводит к снижению количества структурных дефектов.
1
1
1
Выбранный интервал скорости охлаждения λ лимитируется действующими термическими напряжениями вследствие неравномерного температурного поля от периферии изделия к его центру. Увеличение λ более 10°С/мин создает значительные термические напряжения и, как следствие, обуславливает образование поверхностных микротрещин на изделии. Снижение λ менее 5°С/мин не целесообразно, так как образования поверхностных микротрещин уже не наблюдается.
Снятие приложенного давления (разгрузка изделия) предупреждает возникновение напряжений в материале при дальнейшем охлаждении до комнатной температуры в температурной области, в которой значительно уменьшается пластичность композита.
2
2
2
2
Выбранный интервал скорости охлаждения изделия (λ) после его разгрузки также лимитируется возникающими термическими напряжениями. Увеличение λ более 4°С/мин приводило к появлению поверхностных термических трещин на изделии, снижение λ менее 2,5°С/мин не целесообразно, так как термические трещины не образуются при нижнем значении предела λ.
Увеличение прочности и плотности композиционного материала, полученного по заявленному способу, в сравнении со способом-прототипом, достигается благодаря возрастанию его контактного сечения, воспринимающего нагрузку, а также нивелированию пор в структуре материала вследствие обработки давлением в выбранном температурном интервале по заданному режиму.
Примеры реализации заявленного способа
Пример 1. Алюминиевый порошок марки ПАП-2 загружали в корундовую емкость и нагревали в сушильном шкафу СНОЛ - 3,5 до температуры 220°C с последующей изотермической выдержкой, равной 3 часам, обеспечивающей полное удаление стеарина с поверхности пластинчатых частиц. После термообработки порошок смешивали с водным раствором жидкого стекла, содержание которого составляло 3 мас.% в пересчете на сухой остаток вещества. Смесь высушивали до полного удаления влаги при температуре 60°С, полученную шихту засыпали в пресс-форму и прессовали заготовку, прикладывая давление 700 МПа. Заготовку помещали в печь и спекали ее путем инициирования процесса СВС за счет нагрева воздушным теплоносителем до температуры 610°C с последующей изотермической выдержкой - 5 час (приведенные выше технологические параметры процесса были выбраны для получения спеченного изделия с максимально возможной плотностью и прочностью в соответствии с прототипом).
2
3
2
3
2
2
5
1
1
2
2
После завершения СВС - спекания спеченное изделие охлаждали и помещали в графитовую пресс-форму, на внутреннюю поверхность которой наносили суспензию из нитрида бора для исключения взаимодействия изделия с материалом пресс-формы при нагреве. Фазовый состав (об.%) спеченного материала (по данным РФА) был следующим: Аl-82%, γ-AlO - 9%, θ - AlO - 6%, α - NaSiO - 2%, Si - 1%. Нагрев производили до температуры (T) 600°С в вакуумной установке, оснащенной системой нагружения. Затем к изделию прикладывали давление (Р) 12 МПа и выдерживали его в течение времени (τ) - 30 минут до степени деформации (δ) 1,25 отн. ед. Не снимая приложенного давления, производили охлаждение со скоростью (λ) 10°С/мин до температуры (Т) 590°С, после чего снимали давление (производили разгрузку изделия) и вели охлаждение до комнатной температуры со скоростью (λ) 4°С/мин. Полученное изделие извлекали из пресс-формы.
1
2
1
2
Пример 2. Технологические условия изготовления спеченного изделия указаны в примере 1. Спеченное изделие помещали в графитовую пресс-форму и производили нагрев в среде аргона до температуры T=688°С. Остальные технологические параметры данного процесса были следующими: Р - 10,5 МПа, τ - 15 мин, δ-1,21 отн. ед., Т - 620°С, λ - 7,5°С/мин, λ - 3,3°С/мин.
1
2
1
2
Пример 3. Технологические условия изготовления спеченного изделия указаны в примере 1. Спеченное изделие помещали в графитовую пресс-форму и производили нагрев в среде гелия до температуры T=775°С. Остальные технологические параметры данного процесса были следующими: Р - 9 МПа, τ - 1 мин, δ - 1,18 отн. ед., Т - 650°С, λ -5°С/мин, λ - 2,5°С/мин.
р
2
3
Результаты испытаний материала, полученного в соответствии с заявленным способом, в сравнении с материалами, изготовленными по способу-аналогу и по способу-прототипу, приведены в таблице. Прочность при растяжении определяли по методике диаметрального сжатия [3] на цилиндрических образцах диаметром 15 мм и высотой 15 мм. Из приведенных данных видно, что материал, полученный по предложенному способу, имеет более высокую прочность и плотность по сравнению с материалом, полученным по способу - прототипу (σ больше в 1,5-2 раза, а плотность выше в 1,13-1,24 раза). Таким образом, техническая задача данного изобретения выполнена - достигнуто увеличение плотности и прочности композиционного материала AlO-Al.
1
*T - температура нагрева спеченного изделия;
Р - приложенное давление;
1
τ - время выдержки под давлением Р при заданной температуре Т;
δ - степень деформации изделия;
2
1
Т - температура, до которой вели охлаждение изделия от температуры T под приложенным давлением Р;
1
1
2
λ - скорость охлаждения от температуры T до температуры Т под приложенным давлением Р;
2
2
λ - скорость охлаждения от температуры Т до комнатной температуры после снятия давления Р.
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, 35/00; B22F 3/23, опубл. 20.03.08, бюл. № 8 (прототип).
3. С.М.Баринов, В.Я.Шевченко. Прочность технической керамики. М.: Наука, 1996, 159 с.