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, работающих в трибосопряжениях в условиях воздействия статических и динамических нагрузок.
2
3
Известен способ получения композиционного материала AlO-Al [1], включающий термообработку на воздухе (220-250°С) алюминиевого порошка ПАП-2, состоящего из частиц пластинчатой формы со стеариновым покрытием, приготовление шихты путем его смешивания с водным раствором жидкого стекла в количестве 3-15% мас. в пересчете на сухой остаток вещества, сушку шихты на воздухе при температуре 20-60°С до полного удаления влаги, прессование из нее заготовки под давлением 620-700 МПа, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем до температуры 610-650°C с последующей изотермической выдержкой в течение 1-5 часов и охлаждением за счет выдержки нагретого изделия на воздухе при комнатной температуре (см., напр., патент РФ №2319678, МПК С04В 35/65, опубл. 2008).
В данном случае термообработку на воздухе порошка ПАП-2 проводят с целью удаления стеарина с поверхности его частиц.
Недостатком этого способа является относительно невысокий уровень прочностных свойств получаемого материала при статическом и ударном приложении нагрузки.
2
3
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения композиционного материала AlO-Al, включающий приготовление шихты смешиванием алюминиевого порошка, состоящего из частиц пластинчатой формы, содержащих стеариновое покрытие, с водным раствором жидкого стекла при последующей выдержке смеси при комнатной температуре до завершения образования стеарата натрия и глицерина, гранулирование шихты, ее сушку, прессование из шихты заготовки, ее термообработку на воздухе, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем и охлаждение за счет выдержки изделия на воздухе при комнатной температуре (см. напр. патент РФ №2461530, МПК С04В 35/65, опубл. 2012).
Недостатком способа-прототипа является относительно невысокие показатели получаемого материала по прочности при статическом и ударном изгибе.
В основу данного изобретения поставлена задача усовершенствования указанного способа для увеличения прочности композиционного материала при ударе и при статическом приложении нагрузки.
2
3
Поставленная задача решается тем, что в способе получения композиционного материала AlO-Al, включающем приготовление шихты смешиванием алюминиевого порошка, состоящего из частиц пластинчатой формы, содержащих стеариновое покрытие, с водным раствором жидкого стекла при последующей выдержке смеси при комнатной температуре до завершения образования стеарата натрия и глицерина, гранулирование шихты, ее сушку, прессование из шихты заготовки, ее термообработку на воздухе, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем и охлаждение за счет выдержки изделия на воздухе при комнатной температуре, прессование из шихты заготовки проводят под давлением 200-300 МПа, после термообработки заготовки на воздухе ее дополнительно прессуют под давлением 720-1000 МПа, после инициирования процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза проводят изотермическую выдержку в течение 10-15 минут, затем увеличивают температуру воздушного теплоносителя со скоростью 10-20°С/мин до 630-700°С и осуществляют изотермическую выдержку в течение 5-7 минут, после этого снижают температуру воздушного теплоносителя со скоростью 10-20°С/мин до 550-600°C с последующей изотермической выдержкой 15-40 мин, термообработку заготовки на воздухе могут проводить при температуре 350-360°С в течение 2-5 ч, а нагрев заготовки воздушным теплоносителем, для инициирования процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, проводить до температуры 550-600°С.
Поскольку прессование из шихты заготовки проводят под давлением 200-300 МПа, после термообработки заготовки на воздухе ее дополнительно прессуют под давлением 720-1000 МПа, после инициирования процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза проводят изотермическую выдержку в течение 10-15 минут, затем увеличивают температуру воздушного теплоносителя со скоростью 10-20°С/мин до 630-700°С и осуществляют изотермическую выдержку в течение 5-7 минут, после этого снижают температуру воздушного теплоносителя со скоростью 10-20°С/мин до 550-600°C с последующей изотермической выдержкой 15-40 мин, термообработку заготовки на воздухе могут проводить при температуре 350-360°С в течение 2-5 ч, а нагрев заготовки воздушным теплоносителем, для инициирования процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, проводить до температуры 550-600°С, обеспечивается увеличение прочности композиционного материала при ударе и при статическом приложении нагрузки.
Для получения материала по заявленному способу приготавливали гранулированную сухую шихту, используя технологические операции, описанные в способе-прототипе.
1
Из гранулированной сухой шихты прессовали заготовку, прикладывая первоначально давление (P) 200-300 МПа.
1
Снижение P менее 200 МПа невозможно, поскольку при этом не обеспечивалось формирования достаточного количества контактных мостиков по металлической фазе (Al-Al) между сопряженными пластинчатыми частицами вследствие действия сдвиговых напряжений, в результате не достигалась необходимая прочность сырой заготовки: после ее термообработки на воздухе наблюдалось выкрашивание частиц с поверхности.
1
1
Увеличение P более 300 МПа не целесообразно, так как при P=300 МПа достигалась необходимая прочность сырой заготовки после ее термообработки на воздухе.
Термообработку заготовки на воздухе проводили для полного удаления из нее газообразных продуктов реакции разложения смеси стеарата натрия с глицерином.
1
1
1
Температура этой термообработки (Τ) и время изотермической выдержки заготовки (τ) при Τ составляли 350-360°С и 2-5 ч - соответственно.
1
1
17
35
3
5
3
Снижение Τ и τ менее 350°С и 2 часов - соответственно, невозможно, поскольку в этом случае не обеспечивается полный отвод газообразных продуктов реакции разложения смеси - [CHCOONa+СН(ОН)] из заготовки.
1
1
Увеличение Τ и τ более 360°С и 5 часов - соответственно, не целесообразно, поскольку при этих температурно-временных параметрах достигается полный отвод указанных газообразных продуктов реакции, и при последующем инициировании СВС разрушения спекаемой заготовки не наблюдалось.
2
После термообработки на воздухе заготовку подвергали дополнительному прессованию под давлением Р.
2
2
Уменьшение Р менее 720 МПа не обеспечивало достижения повышенных прочностных свойств спеченного материала, а увеличение Р более 1000 МПа невозможно вследствие образования «перепрессовочных» трещин.
Спекание материала проводили по экспериментально подобранному режиму, реализация которого позволила решить техническую задачу изобретения.
2
2
В начале инициировали процесс СВС за счет нагрева заготовки воздушным теплоносителем до заданной температуры (Т) - 550-600°C с последующей изотермической выдержкой (τ) - 10-15 мин.
1
3
3
После этого увеличивали температуру воздушного теплоносителя со скоростью (υ) 10-20°С/мин до температуры (Т) 630-700°С, осуществляя изотермическую выдержку (τ), равную 5-7 мин.
2
4
4
Затем снижали температуру воздушного теплоносителя со скоростью (υ) 10-20°С/мин до температуры (Т) 550-600°C с последующей изотермической выдержкой (τ) 15-40 мин.
2
2
Снижение Т менее 550°С не приводило к инициированию СВС, а превышение Т более 600°C невозможно, так как наблюдался выброс алюминиевого расплава из заготовки после ее зажигания.
2
2
После инициирования СВС при температуре воздушного теплоносителя Т происходит фильтрационное горение заготовки, интенсивность которого постепенно снижается и через интервал времени τ становится минимальной вследствие заполнения порового пространства алюмооксидной фазой.
2
пл
В процессе фильтрационного горения алюминий в объеме заготовки существует в виде расплава, удерживаемого алюмооксидными пленками, существующими на поверхности исходных пластинчатых частиц, и вновь образующейся алюмооксидной фазой (при температуре воздушного теплоносителя Т=550-600°С, яркостная температура заготовки составляет 680-720°С, т.е 1,03-1,09 от Т Al).
2
3
3
пл
Изотермическая выдержка в течение времени τ является необходимой, так как после нее происходит накопление достаточного количества алюмооксидной фазы и, как следствие, снижение яркостной температуры заготовки. Это позволяет производить ее последующий нагрев воздушным теплоносителем до температуры Т, исключая эффект выброса расплава (при температуре воздушного теплоносителя Т=630-700°С, яркостная температура заготовки составляет 750-800°С, т.е 1,13-1,21 от Т Al).
2
3
2
Снижение τ менее 10 мин невозможно, так как в противном случае происходит выброс расплава алюминия из заготовки при последующем повышении температуры воздушного теплоносителя до значения Т, а увеличение τ более 15 мин - не целесообразно, поскольку при этом не наблюдается увеличения механических свойств спеченного материала.
1
1
Увеличение скорости нагрева υ более 20°С/мин не возможно из-за выброса расплава из заготовки вследствие резкого приращения его объема, а снижение υ менее 10°С/мин не целесообразно из-за неоправданного увеличения продолжительности режима спекания.
3
При достижении температуры воздушного теплоносителя - Т в объеме спекаемой заготовки наблюдается миграция перегретого (выше Τ плавления) алюминиевого расплава через образующиеся разрывы сплошности (микротрещины) в поверхностных алюмооксидных пленках пластинчатых частиц, а также через контактные мостики по металлической фазе (Al-Al), к поверхности заготовки. Это происходит благодаря медленному приращению объема алюминиевого расплава вследствие его термического расширения.
При достижении мигрирующим расплавом поверхности заготовки происходит его связывание в алюмооксидную фазу за счет моментального взаимодействия с окислителем - кислородом воздуха. Таким образом, формируется упрочняющий алюмооксидный слой по всей поверхности заготовки (по ее боковым и торцевым граням) (рис. 1).
В этом случае также реализуется жидкофазное «сращивание» контактирующих пластинчатых частиц по сопряженным плоскостям (рис. 2), обеспечивающее повышение плотности и прочности материала.
3
3
3
3
При снижении Т и τ менее 630°С и 5 мин - соответственно, не достигалось образования упрочняющего алюмооксидного слоя по поверхности спекаемой заготовки. Увеличение Т и τ более 700°С и 7 мин - соответственно, невозможно из-за наблюдаемого выброса расплава из объема спекаемой заготовки.
2
2
Увеличение скорости охлаждения υ более 20°С/мин не возможно вследствие образования микротрещин по границе поверхностного алюмооксидного слоя с остальным объемом заготовки в результате действия термических напряжений. Снижение υ менее 10°С/мин не целесообразно из-за неоправданного увеличения продолжительности процесса спекания.
4
4
Снижение температурно-временных параметров Т и τ менее 550°С и 15 мин - соответственно не обеспечивало достижения высоких механических свойств вследствие недостаточного уплотнения алюмооксидной фазы при спекании.
4
4
Увеличение Т и τ боле 600°С и 40 мин - соответственно, не целесообразно, поскольку это приводило к значительной рекристаллизации поверхностного алюмооксидного слоя и снижению механических свойств спеченного материала.
Примеры реализации заявленного способа
Пример 1. Для приготовления шихты смешивали 100 грамм алюминиевого порошка (марки ПАП-2) с водным раствором жидкого стекла (ГОСТ 13078-81), взятого в количестве 2,5% масс в пересчете на сухой остаток вещества.
Смешивание производили в закрытой фарфоровой емкости при помощи пропеллерной мешалки до завершения процесса образования стеарата натрия и глицерина на поверхности пластинчатых алюминиевых частиц.
Полученная шихта представляла собой вязкую массу, которую гранулировали путем продавливания через сито с размером ячеек 3,0 мм. Гранулированную шихту высушивали до нулевой влажности (при температуре 60°С).
1
Прессование заготовки производили, прикладывая давление (P) 200 МПа к засыпке гранул в стальной пресс-форме на гидравлическом прессе П-50.
1
1
Отпрессованную заготовку термообрабатывали в сушильном шкафу на воздухе при температуре (T) 350°С в течение времени (τ), равного 2 ч.
2
Затем эту заготовку помещали в пресс-форму и дополнительно прессовали под давлением (Р) 720 МПа.
2
После этого заготовку помещали в муфельную печь и нагревали, увеличивая температуру воздушного теплоносителя до 550°С - (Т).
2
2
В результате происходило инициирование процесса СВС, его начало визуально фиксировалось по свечению заготовки, которую выдерживали в печном пространстве при Т в течение времени (τ) - 10 минут.
3
1
3
Затем увеличивали температуру воздушного теплоносителя до 630°С - (Т) со скоростью (υ) 10°С/мин при последующей изотермической выдержке (τ), равной 5 мин.
2
4
4
Далее температуру воздушного теплоносителя уменьшали со скоростью (υ) 10°С/мин до 550°С - (Т) с последующей изотермической выдержкой (τ) - 40 мин.
По завершении выдержки спеченное изделие извлекали из печи и охлаждали при комнатной температуре.
2
3
2
2
5
Согласно данным РФА основной фазовый состав спеченного материала был следующим (об.%): Al - 75%, γ-AlO - 15%, α-NaSiO - 4,5%, Si - 4%, С - 1,5%.
Пример 2. Все технологические операции и их последовательность совпадают с описанными в примере 1.
1
Полученную шихту гранулировали и высушивали, прессование заготовки производили, прикладывая давление (P) 300 МПа к засыпке гранул в стальной пресс-форме.
1
1
Отпрессованную заготовку термообрабатывали в сушильном шкафу на воздухе при температуре (T) 360°С в течение времени (τ), равного 5 ч.
2
Затем эту заготовку помещали в пресс-форму и дополнительно прессовали под давлением (Р) 1000 МПа.
2
После этого заготовку помещали в муфельную печь и нагревали, увеличивая температуру воздушного теплоносителя до 600°С - (Т).
2
2
В результате происходило инициирование процесса СВС, его начало визуально фиксировалось по свечению заготовки, которую выдерживали в печном пространстве при Т в течение времени (τ) - 15 минут.
3
1
3
Затем увеличивали температуру воздушного теплоносителя до 700°С - (Т) со скоростью (υ) 20°С/мин при последующей изотермической выдержке (τ), равной 7 мин.
4
4
Далее температуру воздушного теплоносителя уменьшали со скоростью (υ2) 20°С/мин до 600°С - (Т) с последующей изотермической выдержкой (τ) - 15 мин.
По завершении выдержки спеченное изделие извлекали из печи и охлаждали при комнатной температуре.
2
3
2
2
5
Согласно данным РФА основной фазовый состав спеченного материала был следующим (об.%): Al - 80%, γ-AlO - 12%, α-NaSiO - 6%, Si - 1,5%, С - 0,5%.
Пример 3. Все технологические операции и их последовательность совпадают с описанными в примерах 1 и 2.
1
Полученную шихту гранулировали и высушивали, прессование заготовки производили, прикладывая давление (P) 250 МПа к засыпке гранул в стальной пресс-форме.
1
1
Отпрессованную заготовку термообрабатывали в сушильном шкафу на воздухе при температуре (T) 355°С в течение времени (τ), равного 3,5 ч.
2
Затем эту заготовку помещали в пресс-форму и дополнительно прессовали под давлением (Р) 860 МПа.
2
После этого заготовку помещали в муфельную печь и нагревали, увеличивая температуру воздушного теплоносителя до 575°С - (Т).
2
2
В результате происходило инициирование процесса СВС, его начало визуально фиксировалось по свечению заготовки, которую выдерживали в печном пространстве при Т в течение времени (τ) - 12,5 минут.
3
1
3
Затем увеличивали температуру воздушного теплоносителя до 665°С - (Т) со скоростью (υ) 15°С/мин при последующей изотермической выдержке (τ), равной 6 мин.
2
4
4
Далее температуру воздушного теплоносителя уменьшали со скоростью (υ) 15°С/мин до 575°С - (Т) с последующей изотермической выдержкой (τ) - 27,5 мин.
По завершении выдержки спеченное изделие извлекали из печи и охлаждали при комнатной температуре.
2
3
2
2
5
Согласно данным РФА основной фазовый состав спеченного материала был следующим (об.%): Al - 77%, γ-AlO - 13%, α-NaSiO - 5%, Si - 3,5%, С - 1,5%.
В таблице представлены результаты испытаний материала, полученного по заявленному способу, в сравнении с материалом, изготовленным по способу-прототипу.
Прочность при ударном изгибе [3] определяли с использованием маятникового копра на призматических образцах с размерами 7×7×50 мм, расстояние между опорами - 32 мм, скорость движения ударного диска - 5 м/с.
Предел прочности при изгибе определяли по 3-точечной схеме нагружения [3] на призматических образцах с размерами 7×7×50 мм, расстояние между опорами - 32 мм, скорость перемещения траверсы нагружающего устройства составляла 1 мм/мин.
Как видно из приведенных в таблице данных, достигается улучшение механических характеристик материала, полученного по предложенному способу, в сравнении с материалом, изготовленным по способу-прототипу (прочность при ударном изгибе возрастает не менее чем в 2,5 раза, а предел прочности при изгибе - не менее чем в 1,6 раза).
На рис. 1 показан общий вид поверхности излома образца композиционного материала после испытания ударной нагрузкой, где 1 - плоскость излома; 2 - поверхностный армирующий слой толщиной 300-400 мкм.
Увеличение механических свойств полученного материала (в сравнении с прототипом) достигается благодаря армирующему действию поверхностного алюмооксидного слоя, а также вследствие повышения прочности связи между контактирующими пластинчатыми частицами за счет их «жидко-фазного сращивания».
2
3
Таким образом, техническая задача данного изобретения выполнена - достигнуто увеличение прочности при ударном изгибе и при статическом приложении нагрузки композиционного материала AlO-Al.