Способ получения композиционного материала на основе алюминия

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Волочко Александр Тихонович Изобелло Александр Юрьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Способ получения композиционного материала на основе алюминия, включающий смешивание порошков алюминия и графита, брикетирование и экструдирование, отличающийся тем, что смешивание проводят одновременно с диспергированием порошков,при этом в смесь дополнительно вводят 0,5-5,0 порошка оксида кремния, 0,5-5,0 порошка карбамида и 0,5-5,0 порошка буры и/или борной кислоты, причем размер частиц вводимых порошков не превышает 50 мкм и соотносится с размером частиц алюминия как 1(1-10), а экструдирование проводят при температуре не выше 220 С. Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении материалов, используемых для изделий узлов трения, а также в качестве лигатуры при обработке алюминиевых сплавов. Известен способ получения композиционного материала (лигатуры) на основе алюминия с упрочняющими частицами тугоплавких соединений (карбиды, нитриды, оксиды и т.д.). При изготовлении такой лигатуры с алюминиевой матрицей, содержащей 40-80 тугоплавких частиц, помещают частицы в форму для пропитки и заливают жидким алюминием. При этом частицы и алюминий нагревают до разных температур. Алюминий нагревают до температуры, превышающей температуру его плавления не больше, чем на 510 С, а частицы нагревают до температуры, связанной определенным соотношением с удельной поверхностью частиц и поверхностным натяжением жидкого алюминия 1. Недостатком данного изобретения является не достаточное усвоение упрочняющих частиц матрицей. Наиболее близким техническим решением к заявляемому, его прототипом, является способ получения композиционного материала, включающий смешивание порошков алюминия, графита и 3-10 мас.эвтектического алюминиевого сплава-припоя, при этом размер частиц порошка сплава-припоя составляет 10-50 мкм, а соотношение размера час 12924 1 2010.02.28 тиц порошка алюминия и графита к размеру частиц порошка сплава-припоя, как 1(10,05), затем брикетирование смеси и ее экструдирование при температуре 512-550 С со скоростью 102-103 с-1 2. Недостатком прототипа является то, что при данном способе изготовления дисперсные частицы имеют достаточно большие размеры, что не обеспечивает высокие прочностные и антифрикционные свойства получаемого материала при повышенных температурах. Дисперсное упрочнение, если и происходит, то не более чем на 10-20 . Кроме того, микронные размеры (1-100 мкм) дисперсных частиц затрудняют механическую обработку материала. Задачей заявляемого изобретения является повышение прочностных и антифрикционных свойств получаемого материала, за счет уменьшения размеров вводимых дисперсных частиц и изменения его состава. Поставленная задача решается тем, что в способе получения композиционного материала на основе алюминия, включающем смешивание порошков алюминия и графита, брикетирование и экструдирование, смешивание проводят одновременно с диспергированием порошков, при этом в смесь дополнительно вводят 0,5-5,0 порошка оксида кремния, 0,55,0 порошка карбамида и 0,5-5,0 порошка буры и/или борной кислоты, причем размер частиц вводимых порошков не превышает 50 мкм и соотносится с размером частиц алюминия как 1(1-10), а экструдирование проводят при температуре не выше 220 С. Сущностью заявляемого технического решения является измельчение структуры материала за счет модифицирования расплава вновь вводимыми компонентами. Известно, что уменьшение размера дисперсных частиц повышает антифрикционные характеристики алюмоматричных композиционных материалов 3. При этом мелкодисперсные (наноразмерные) частицы формируются как в результате реакций между исходными компонентами, так и в процессе дальнейшего использования лигатуры при обработке алюминиевого расплава. Добавки оксида кремния в материале повышают литейные свойства и обеспечивают хорошее формозаполнение отливки. Включения карбамида (2)2 в лигатуре при взаимодействии с расплавом разлагаются с выделением большого объема, до 2,4 м 3/кг 4, газов, что позволяет лучше перемешать смесь и сделать ее более однородной. Газовыделение также способствует образованию мелкокристаллических фаз типа 34, , 244 и др. В отличие от молекулярного азота, который часто используется для дегазации алюминиевых сплавов, атомарный азот, образующийся при разложении, более активно интенсифицирует их образование 5. Добавка порошков буры и/или борной кислоты в процессе смешивания, а также при диспергировании смеси ведет к образованию нанодисперсных фаз типа А 2 В, А 11 В, которые обеспечивают повышение прочностных и антифрикционных свойств. Выбор размера вводимых частиц не более 50 мкм обусловлен требованиями к равномерности перемешивания. Увеличение размера частиц приводит, с одной стороны, к неравномерности их распределения в лигатуре и обрабатываемом сплаве, а, с другой стороны, к замедлению образования мелкодисперсных фаз. В противном случае для получения требуемых характеристик материала необходима длительная механическая обработка в шаровых мельницах, сопровождающаяся большими энергетическими затратами. Так при совместном диспергировании алюминиевых и тугоплавких керамических порошков до среднего размера 15-20 мкм в шаровой мельнице требуется время более 10-12 часов. Неравномерность перемешивания не позволяет достичь максимальных прочностных и антифрикционных свойств. Соотношение размера вводимых дисперсных частиц с размером частиц алюминия,выходящее за граничные условия 11 не обеспечивает в полной мере насыщение алюминиевой матрицы дисперсными частицами. Такая лигатура в последствии плохо растворяется в алюминиевом расплаве, теряются свойства получаемого материала. 2 12924 1 2010.02.28 При соотношении, выходящем за граничные условия 110, внедрение керамических упрочняющих частиц в алюминиевую матрицу затруднено. Для равномерного распределения упрочняющих частиц при диспергировании требуется длительная обработка. Для лигатуры из таких порошков характерно неравномерное распределение дисперсных фаз,что отрицательным образом сказывается на свойствах материала. Армирование матрицы дисперсными частицами путем механической активации, вступающими в реакцию с алюминием и позволяющими образовывать в результате этих реакций более мелкие упрочняющие наноразмерные фазы обеспечивает формирование композиционного материала со стабильными, более высокими свойствами. Механическая активация вступающих в реакцию порошков может происходить как на стадии диспергирования, так и в процессе экструдирования. Процесс перемешивания при одновременном диспергировании (например, в шаровой мельнице) формирует в матрице равномерно распределенные частицы разного масштаба и природы, часть которых взаимодействует с алюминием на стадии получения лигатуры, часть на стадии получения конечного материала (при обработке расплава лигатурой). В итоге повышаются свойства материала. Верхний предел температуры экструдирования 220 С ограничен температурой плавления карбамида, введенного при перемешивании для достижения необходимых свойств,которые формируются уже на стадии его разложения при растворении лигатуры в расплаве с интенсивным выделением атомарного азота. При заявляемых температурах экструдирования композиционный материал (лигатура) получается в виде гранул, что выгодно их отличает при последующей обработке расплава. Способ реализуют следующим образом. Алюминиевый порошок, полученный из стружки алюминиевых сплавов, перемешивали с порошком графита, буры и/или борной кислоты, оксида кремния и карбамида в шаровой мельнице МБЛ-2 в течение 3-4 часов. Объем шаров составлял 30-35 рабочего объема, диаметр шаров - 10-25 мм. Затем шихту прессовали в жестких пресс-формах до остаточной пористости 5 и экструдировали в гранулы при коэффициенте вытяжки 8. Полученный композиционный материал использовали для модификации алюминиевого литейного сплава АК 12 МгН 2. Расплав нагревали до 750 С и затем в него вводили лигатуру из полученного композиционного материала. Заготовки отливали в металлический кокиль после растворения композиционного материала при непрерывном перемешивании взвеси. Из отлитых образцов вырезали образцы для испытаний на трение. Коэффициент трения определяли в условиях ограниченного трения 1 капля в 10 сек при нагрузке 25 МПа и скорости скольжения 1,2 м/с. Контртело изготовлено из стали 40 твердостью НВ 200. Результаты приведены в таблице 1. Процентное содержание дисОтношение персных частиц размера частиц вводиТемпература экс- Коэффициент Твердость,бура основного мых добавок карбид трения НВ и/или трудирования, С алюминиевого карбамид и основного кремния борная сплава сплава кислота- процесс проводился без диспергирования 7 12924 1 2010.02.28 Из приведенных данных видно, что повышение антифрикционных и прочностных свойств достигается за счет уменьшения размера вводимых частиц по отношению к размеру частиц основного сплава и должно соотносится как 1(110). Таким образом, образцы, изготовленные по заявляемому способу, характеризуются повышенными прочностными и антифрикционными свойствами по сравнению с прототипом. Источники информации 1. Способ изготовления лигатур на основе алюминия пат. 2190682 России, МПК С 22 С 1/10 / заявл. 17.05.2001 опубл. 10.10.2002. 2. Композиционный материал и способ его получения пат. 643 РБ, МПК С 22 С 1/03, С 22 С 21/00, В 22 1/00 / заявл. 09.12.1992 опубл. 30.06.1995 // Афицыйны бюлетэнь / Дзярж пат. Ведамства Рэсп. Беларусь. - 1995. -2. - С. 73 (прототип). 3. Триботехнические характеристики алюмоматричных композиционных материалов,упрочненных наноразмерными наполнителями. / Трение и износ, Т. 26,4. - С. 446-450. 4. Волочко А.Т., Изобелло А.Ю. Измельчение структуры вторичных алюминиевых сплавов // Новые материалы и технологии порошковая металлургия, композиционныематериалы, защитные покрытия, сварка. Матер, докладов 8-й межд. науч.-техн. конф. Минск ГНПО ПМ НАН Беларуси, 2008. - С. 78-79. 5. Макаров Г.С. Рафинирование алюминиевых сплавов газами.- М. Металлургия. 1983.С. 119. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 1