Способ получения композиционного порошкового материала плакированием
METHOD FOR PRODUCING COMPOSITE POWDER MATERIAL BY CLADDING

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению плакированных порошков с образованием химических соединений между плакируемым и плакирующим материалами.
Разработка новых многофункциональных покрытий, обладающих комплексом свойств (повышенные коррозионная, абразивная, усталостная прочность, низкий коэффициент трения), способов и машин для их нанесения на основу является актуальной проблемой современной науки о материалах. Для решения этой проблемы в первую очередь необходимо создать композиционные материалы, обладающие всем комплексом свойств, подчас взаимоисключающих, обеспечивающих функциональные возможности покрытий. Современным направлением в порошковой металлургии является применение исходных порошков в виде микрокомпозитов с дополнительными компонентами - премиксов. Использование премиксов существенно влияет на формирование структуры и свойств готового продукта.
Известен способ плакирования порошковых материалов с образованием их соединений обработкой в мельницах различного типа (Т.Ф. Григорьева, А.П. Баринова, Н.З. Ляхов. Механохимический синтез в металлических системах. Новосибирск: Параллель, 2008. 311 с.)
Недостатками данного способа являются:
1) изменение исходной морфологии плакируемых порошков;
2) использование в процессе плакирования мелющих элементов;.
3) загрязнение плакируемых материалов материалом мелющих элементов.
Известен способ плакирования карбонилообразующими металлами порошкообразных материалов, включающий механическую обработку плакируемой поверхности и плакирующего материала в виде металлического порошка или пудры мелющими телами в виброкипящем слое, отличающийся тем, что с целью расширения технологических возможностей за счет увеличения диапазона плакируемых материалов и обеспечения плакирования легкоплавких материалов обработку проводят в атмосфере монооксида углерода, причем плакируемый материал берут с размером частиц, превышающим размер частиц плакирующего материала более чем в 10 раз, а мелющие тела берут с размером, в 1,5-4 раза превышающим размеры плакируемого материала (авторское свидетельство СССР №1378162, МПК B22F 1/02. Опубликовано 20.06.1999 г.)
Недостатками данного способа являются:
1) жесткие ограничения по соотношению фракций плакируемого и плакирующего порошков;
2) использование в процессе плакирования мелющих элементов;
3) загрязнение плакируемых материалов материалом мелющих элементов.
Известен способ плакирования порошковых материалов тугоплавкими металлами, включающий испарение галогенидов соответствующих металлов, транспортировку паров в псевдосжиженный слой плакируемого порошка, совместный ввод паров галогенида и газа восстановителя в нижнюю часть слоя, восстановление паров галогенида водородом, отличающийся тем, что процесс проводят в фонтанирующем слое, а по высоте слоя поддерживают градиент температуры от температуры в нижней части слоя, равной температуре, при которой проводят испарение галогенида, до температуры в верхней части слоя на 10-20% выше температуры полного восстановления галогенида (патент РФ №1802752, МПК B22F 7/04, С23С 18/16. Опубликовано 15.03.1993).
Недостатками данного способа являются:
1) сложность подвода паров галогенидов к псевдосжиженному порошковому слою;
2) высокая трудоемкость и технологическая сложность поддержания заданного градиента температур по нестабильной высоте порошкового слоя.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому решению является способ получения плакированием композиционного порошкового материала состава Fe-Al, включающий смешивание плакируемого порошка железа и плакирующего порошка алюминия и низкочастотную термомеханическую обработку полученной смеси (Концевой Ю.В. и др. Механическое плакирование дисперсных систем Fe-Al и Cu при динамических нагрузках. Процессы получения и свойства порошков. Известия вузов. ПМ и ФМ, №1, 2015, с. 8-11, - прототип).
Недостатками данного способа являются:
1) жесткие ограничения по соотношению фракций плакируемого и плакирующего порошков;
2) обязательные пластические деформации плакирующего и плакируемого материалов;
3) ограничения по соотношению механических свойств плакируемого и плакирующего порошков.
Техническим результатом данного изобретения является получение железного порошка плакированного алюминием с адгезией покрытия не ниже предела прочности алюминия и высокой производительностью процесса.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения композиционного порошкового материала плакированием, включающем смешивание плакируемого порошка железа и плакирующего порошка алюминия и низкочастотную термомеханическую обработку полученной смеси, согласно изобретению низкочастотную термомеханическую обработку смеси ведут при температуре 550-600°С в емкости с безокислительной атмосферой путем: вертикальных колебаний емкости с частотой 30-50 Гц, амплитудой 7-10 мм в течение 5-10 мин с последующей выдержкой смеси в течение 30 с при температуре 710-730°С и указанных вертикальных колебаниях емкости.
При этом порошок алюминия используют с размером частиц 1-10 мкм, а термомеханическую обработку ведут с использованием индукционного нагрева.
Указанные признаки: вертикальные колебательные движения с частотой 30-50 Гц, амплитудой 7-10 мм при температуре 550-600°С и последующая 30-секундная выдержка при температуре 710-730°С в условиях тех же колебаний, являются необходимыми для достижения поставленной цели, т.е. получения плакированных алюминием порошков железа с адгезией плакированного слоя не ниже предела текучести алюминия.
Суть данных признаков заключается в следующем:
вертикальные колебательные движения емкости для плакирования с частотой 30-50 Гц, амплитудой 7-10 мм обеспечивают нанесение алюминия на частицы железного порошка и локальные пластические деформации этих частиц;
температура 550-600°С производит термическую активацию частиц алюминиевого порошка и делает алюминий мягким и облегчает его нанесение на железные порошинки;
выдержка при температуре 710-730°С в течение 30 с обеспечивает появление ферроалюминидов - упрочняющих соединений, обеспечивающих высокую адгезию плакирующего материала к плакируемуму;
колебания в период термической выдержки не допускают приваривания плакированных порошков к стенкам емкости.
Вертикальные колебательные движения емкости для плакирования с частотой 30-50 Гц и амплитудой 7-10 мм создают условия для возвратно-поступательного движения порошков алюминия и железа, причем в силу их различных плотностей их движения происходят в различных периодах, что создает необходимые соударения частиц для нанесения алюминия на железные частицы. При амплитуде ниже 7 мм движение порошка переходит в состояние виброкипения, и процесс плакирования прекращается, а амплитуда выше 10 мм, практически не улучшая показатели процесса, приводит к критическим динамическим нагрузкам на механические агрегаты. Частота ниже 30 Гц не обеспечивает необходимых скоростей движения порошковых частиц достаточных для создания локальных пластических деформаций, а частота выше 50 Гц приводит к неоправданному увеличению энергетических ресурсов.
Нагрев до температуры 550-600°С выполняет две задачи:
производит термическую активацию порошка, т.е. при температуре ≥550°С происходит разрушение оксидной пленки на частицах алюминия за счет различных коэффициентов термического расширения алюминия и его оксида;
размягчает алюминий, что интенсифицирует процесс нанесения алюминия на железные частицы.
Нагрев менее 550°С не обеспечивает химической активации алюминиевого порошка, а нагрев выше 600°С приведет к плавлению алюминия и его разбрызгиванию.
30-секундная выдержка при температуре 710-730°С создает условия лавинообразной реактивной диффузии алюминия в железо и появления достаточно большого слоя ферроалюминидов. Нагрев ниже температуры 710°С не обеспечивает условий рекристаллизации железных частиц, а нагрев выше 730°С ведет к появлению спеков и нерациональной затрате энергии.
Колебания в течение высокотемпературной выдержки необходимы для поддержания порошкового массива в состоянии движения и исключения создания спеков.
Пример конкретного осуществления
Экспериментальную проверку предлагаемого технического решения проводили на установке многоцелевой низкочастотной обработки Института металлургии Уральского научного центра РАН, используя контейнер изготовленной из нержавеющей стали диаметром 30 мм и высотой 300 мм, а для нагрева применяли индукционный нагреватель ВЧИН-15. При экспериментальной проверке в качестве базового использовали мелкодисперсный железный порошок, полученный распылением расплава водой или сжатым воздухом, например ПЖР 3.200.28 согласно ГОСТ 9849-86. В качестве плакирующего использовали порошок алюминия, получаемый путем распыления расплава алюминия струей газа либо с помощью размола мельницами, например ПА-4, ПАД-6 с фракционным составом 1-10 мкм. Атмосфера в контейнере с порошками - азот. Результаты эксперимента приведены в таблице.