СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
PROCEDURE FOR FABRICATION OF COMPOSITE ITEMS

Изобретение относится к способу получения композиционных материалов и может быть использовано для получения изделий, содержащих интерметаллидные соединения металлов, образующих исходную заготовку.
Аналогом заявляемого технического решения является способ получения композиционных материалов, описанный в книге Т.Н.Липчина «Получение заготовок поршней литьем с кристаллизацией под давлением» 1991 г. Согласно этому способу при изготовлении поршней в качестве основы используют сплавы Al или Mg, а в качестве армирующих материалов используют керамические волокна или порошки, волокнистые армирующие вставки из оксидов, карбидов, нитридов и других упрочнителей. Основное требование к армирующим материалам - отсутствие химического и диффузионного взаимодействия между материалами, образующими композит.
Основными недостатками аналога являются ограниченные области использования, невозможность получения композита со свойствами, превышающими свойства исходных материалов, так как свойства композита находятся в области между свойствами материалов, его составляющих.
Наиболее близко к предлагаемому изобретению относится способ изготовления изделий из порошковых композитов. В патенте №2038192 «Способ получения композиционных материалов, содержащих алюминий и титан» предлагается порошки, содержащие Ti и Al после компактирования до плотности 93…97% при температуре 500°C, нагревать под давлением до температуры 630-650°C и выдерживать при этой температуре в течение времени, определяемом с учетом скорости образования интерметаллидного соединения. В результате твердофазной реакции получают сплав, содержащий или чистую фазу триалюминида титана, или интерметаллидное соединение в сплаве с Ti.
Недостатком метода является сложность и трудоемкость изготовления порошковых композиций, повышенное содержание кислорода за счет высокой удельной поверхности порошка, длительность процесса и высокая стоимость изготовления изделий.
Предлагаемое изобретение позволяет получить технический результат в виде значительного упрощения технологии изготовления, снижения трудоемкости и стоимости производства изделий из композиционных материалов.
Технический результат достигается:
- расположением Al в замкнутых, герметичных полостях основного металла в виде вставок из прутков, листов, труб или проволоки,
деформацией заготовок, производимых при температурах, превышающих температуру плавления Al и равных температуре деформации основного металла,
- легированием Al одним или несколькими элементами из ряда Mg, Cu, Mn, Ni, Co, Fe, Ti, Cr, V, Nb, Mo,
- легированием основного металла одним или несколькими элементами из ряда C, Mn, Cr, Ni, Nb, B, W, Ti, Al, Fe, V, Si, Zr.
Расположение Al в замкнутых полостях предотвращает образование окисных пленок на контактных поверхностях материалов и облегчает их взаимодействие друг с другом.
Особенности предложенного метода представлены на фиг.1 и 2.
На фиг.1 представлен эскиз заготовки для получения втулки биметаллического подшипника скольжения с внутренним слоем из алюминида железа. Исходная заготовка состоит из корпуса 1, выполненного из легированной стали. К нему приварена с торца стальная труба 2. В зазор между деталями 1 и 2 вставлена заготовка из А1 в виде трубы или изогнутого листа 3. Со стороны конусного торца вставлен вкладыш 4 из стали, который приваривают к деталям 1 и 2.
На фиг.2 представлен эскиз заготовки для получения армированных алюминидами профилей. Корпус заготовки 5 выполнен из стали. Просверленные отверстия диаметром 3 мм заполнены Al проволокой 6. К торцу корпуса 5 приварена крышка 7 из стали 12ХН3А.
Предложенный способ получения композиционных изделий осуществляется следующим образом. Перед сваркой заготовок для улучшения качества изделий проводят обезжиривание поверхности и дегазацию исходных материалов. После сварки заготовки нагреваются до температуры, превышающей температуру плавления Al и равной температуре пластической деформации материала корпуса заготовки. При нагреве начинается интенсивное взаимодействие Al с металлом корпуса с образованием алюминидов. Скорость образования алюминидов пропорциональна температуре нагрева. При последующей пластической деформации заготовок происходит разрушение литой структуры алюминида и обновление контактной поверхности металлов, что способствует улучшению диффузии металла корпуса в Al и повышению скорости взаимодействия металлов.
Предложенный способ поясняется примерами.
Пример 1. Заготовка, представленная на фиг.1, выполнена диаметром 97 мм и высотой 500 мм с корпусом 1 из стали 34ХН1МА и трубой 2 из стали 10, нагревалась до температуры 1200°C. Al расплавлялся и происходило его интенсивное взаимодействие со сталью с образованием алюминида железа. Улучшению взаимодействия способствовало увеличение площади контактной поверхности при выдавливании заготовки из контейнера с внутренним диаметром 100 мм. Состав получаемого алюминида железа определялся толщиной Al, временем нагрева перед прессованием и режимом термообработки. Прессование осуществлялось на гидравлическом прессе усилием 12,5 МН с вытяжкой 14. Внутренняя часть трубы оформлялась иглой диаметром 29 мм, закрепленной в пресс-штемпеле. На матрицу, оформляющую наружную часть трубы, перед выдавливанием заготовки устанавливалась смазочная шайба. После выдавливания, травления, термообработки, разрезки трубы, механического удаления внутренней оболочки (дет.2) и шлифовки получали наружную втулку подшипника скольжения с внутренней частью из алюминида железа, обладающего высокой износостойкостью и твердостью.
Использование этого способа обработки позволит получать износостойкие цилиндры, подшипники скольжения больших размеров и др. детали.
Пример 2. Заготовка, представленная на фиг.2, выполнена диаметром 48 мм, а корпус 5 и крышка 7 выполнены из стали 12ХН3А, нагревалась до температуры 1200°C и выдавливалась из контейнера диаметром 50 мм со скоростью 100…150 мм/сек на гидравлическом прессе усилием 2МН. Часть остаточного Al, которая до деформации не успевала вступить во взаимодействие с основным металлом, в результате обновления и увеличения контактной площади в очаге деформации образовывала алюминиды железа. Получали профили уголкового и таврового сечения, армированные алюминидом железа, которые имели повышенную жесткость.
Благодаря нагреву до 1200°C происходит интенсивное взаимодействие Al с основным материалом с выделением тепла и образованием алюминидов железа, а благодаря пластической деформации происходит переход литой крупнокристаллической структуры в мелкокристаллическую. В результате пластичность интерметаллида при комнатной температуре возрастает. Повышению пластичности при комнатной температуре способствует незначительное содержание кислорода по сравнению с изделиями, получаемыми методами порошковой металлургии.
Пример 3. Опытная прокатка листов Ti-Al-Ti толщиной 4-3-4 мм соответственно при температуре 1150°C показала возможность получения броневого листа с сердцевиной из высокопрочного алюминида титана.
Предлагаемый способ позволяет за счет размещения Al в замкнутых, герметичных полостях основного металла в виде вставок из прутков, листов, труб или проволоки; деформации заготовок при температурах, превышающих температуру плавления Al и равных температуре деформации основного металла; легирования Al одним или несколькими элементами из ряда Mg, Cu, Mn, Ni, Co, Fe, Ti, Cr, V, Nb, Mo; легирования основного металла одним или несколькими элементами из ряда C, Mn, Cr, Ni, Nb, B, W, Ti, Al, Fe, V, Si, Zr
- уменьшить удельную поверхность соприкасаемых поверхностей композиционных материалов по сравнению с порошковыми материалами и, следовательно, снизить содержание кислорода и повысить качество деталей из композиционного материала,
- упростить технологию изготовления композиционного материала,
- снизить стоимость изготовления деталей из композиционного материала,
- повысить механические свойства композиционного материала за счет легирования исходных материалов и последующей термообработки деталей.