Способ получения композиционного керамического материала

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Научно-исследовательский институт порошковой металлургии с опытным производством (НИИ ПМ с ОП)(73) Патентообладатель Научно-исследовательский институт порошковой металлургии с опытным производством (НИИ ПМ с ОП)(57) Способ получения композиционного керамического материала, включающий приготовление шихты из порошков элементов, составляющих соединение, ее механоактивацию и термообработку в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с последующим измельчением спека, отличающийся тем, что шихту готовят из порошков титана и хрома и порошка твердой смазки при перемешивании в течение 4-6 ч, механоактивацию осуществляют в аттриторе при соотношении шаров и шихты 301 в течение 2-4 ч, для проведения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза шихту размещают на несгораемом основании с пористостью 40-60 и размером пор 80-100 мкм, при толщине слоя 15-20 мм, а сам синтез проводят в азотно-кислородной среде при содержании кислорода от 8 до 30 мас.и давлении 0,051,0 МПа, измельчение спека проводят до получения частиц порошка размером менее 100 мкм, а после измельчения проводят операцию термомеханической обработки в воздушной среде при температуре 600900 С в течение 5-6 ч. Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения тугоплавких соединений методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Известен способ получения порошкового материала на основе карбида титана, включающий приготовление смеси порошков исходных компонентов (титан, сажу, хром, никель), локальное воспламенение смеси, с последующим высокотемпературным реагированием компонентов в режиме горения. Данный способ позволяет получать композиционные материалы на основе карбида титана с добавками никеля и карбида хрома. Недостатком порошковых материалов, получаемых по данному способу, является высокий коэффициент трения газотермических покрытий из данных материалов 1. В качестве прототипа выбран способ получения композиционного керамического материала на основе карбида титана 2, включающий приготовление шихты из порошков элементов, составляющих соединение,посредством смешивания и механоактивации, уплотнение ее, последующую термообработку в режиме горения в оболочке из графитизированной ткани, постоянном отводе реакционных газов при давлении 1,2-1,5 атм. (0,12-0,15 МПа), охлаждение в потоке аргона при давлении 1,1-1,2 атм. с последующим измельчением спека. Недостатком порошковых материалов на основе карбида титана является их термическая диссоциация в процессе газотермического напыления и высокий коэффициент трения получаемых покрытий. 4163 1 Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в повышении стойкости композиционных керамических материалов к воздействию на него контртела и уменьшению коэффициента трения газотермических покрытий из этих материалов и реализуется путем получения методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза композиционного керамического материала на основе оксидной керамики с добавкой твердосмазочного компонента. Поставленная техническая задача решается следующим образом. В способе получения композиционного керамического материала, включающем приготовление шихты из порошков элементов, составляющих соединение, ее механоактивацию и термообработку в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с последующим измельчением спека, шихту готовят из порошков титана и хрома и порошка твердой смазки при перемешивании в течение 4-6 ч, механоактивацию осуществляют в аттриторе при соотношении шаров и шихты 301 в течение 2-4 ч, для проведения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза шихту размещают на несгораемом основании с пористостью 40-60 и размером пор 80-100 мкм, при толщине слоя 15-20 мм, а сам синтез проводят в азотно-кислородной среде при содержании кислорода от 8 до 30 мас.и давлении азотно-кислородной среды - 0,05-0,1 МПа (0,5-1,0 атм.), измельчение спека проводят до получения частиц размером менее 100 мкм, а после измельчения проводят операцию термомеханической обработки в воздушной среде при температуре 600-900 С в течение 5-6 ч. Изобретение дает возможность повысить износостойкость газотермических покрытий посредством равномерного распределения в составе покрытия твердосмазочного компонента, что особенно важно для узлов машин и механизмов, испытывающих большие нагрузки в момент начала работы. Смешивание порошков титана, хрома и порошка твердой смазки, например фтористого кальция, проводили в устройстве типа пьяная бочка для обеспечения равномерного распределения компонентов шихты. При смешивании компонентов шихты в течение менее 4 часов не достигается равномерное распределение компонентов в объеме шихты, а смешивание в течение более 6 часов не приводит к улучшению равномерности распределения компонентов. Операцию механоактивации проводили в аттриторе, при соотношении шаров и шихты 301 в течение 2-4 ч проводили с целью гомогенизации шихты, создания прочного механического контакта между частицами и повышения химической активности шихты. Для проведения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза шихту размещали на пористом несгораемом основании с пористостью 40-60 , размером пор 80-100 мкм, при толщине слоя 15-20 мм. Пористое основание использовали с целью повышения скорости реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и улучшения взаимодействия газовой среды с материалом шихты. При пористости несгораемого основания менее 40 , размере пор менее 80 мкм улучшение взаимодействия газовой среды с материалом шихты незначительное, а при использовании пористого несгораемого основания с пористостью более 60 и размером пор более 100 мкм улучшения взаимодействия газовой среды с материалом шихты не происходит, так как в этом случае размеры частиц шихты равны либо меньше размера пор. Установление ограничения по толщине слоя засыпки объясняется следующим при толщине слоя менее 15 мм выделяемой тепловой энергии недостаточно для самоподдерживающейся реакции, а при толщине слоя более 20 мм процесс создаются условия, затрудняющие фильтрацию газа-реагента в зону синтеза. Использование при синтезе азотно-кислородной среды с содержанием кислорода от 8 до 30 мас.необходимо для проведения реакции окисления порошков титана и хрома. При содержании кислорода менее 8 мас.не происходит полного окисления порошков, а при содержании кислорода более 30 мас.температура горения подымается настолько, что происходит плавление частиц металла с образованием барьерного слоя,препятствующего проникновению газа-реагента в слой шихты. Проведение синтеза при давлении менее 0,05 МПа не происходит полного проникновения газа-реагента в слой шихты, а при давлении более 1,0 МПа происходит повышение температуры синтеза настолько, что происходит плавление частиц металла с образованием на поверхности шихты расплавленного слоя, препятствующего проникновению газового реагента в слой шихты. 4163 1 Таблица 1 Трение и износ покрытия по чугуну п Способ получения материала Прототип Смешивание порошков титана, хрома, твердой смазки в течение 3 ч, механоактивация в аттриторе,при соотношении шаров и шихты 251 в течение 1,5 ч, размещение шихты на пористом несгораемом основании с пористостью 30 и размером пор 70 мкм, при толщине слоя 12 мм, содержание кислорода - 6 мас. , давление - 0,04 МПа, измельчение спека до частиц порошка размером 100 мкм, термохимическая обработка в воздушной среде при температуре 500 С в течение 4 ч. Смешивание порошков титана, хрома, твердой смазки в течение 4 ч, механоактивация в аттриторе,при соотношении шаров и шихты 301 в течение 2 ч, размещение шихты на пористом несгораемом основании с пористостью 40 и размером пор 80 мкм, при толщине слоя 15 мм, содержание кислорода - 8 мас. , давление - 0,05 МПа, измельчение спека до частиц порошка размером меньше 100 мкм, термохимическая обработка в воздушной среде при температуре 600 С в течение 5 ч. Смешивание порошков титана, хрома, твердой смазки в течение 4,0 ч, механоактивация в аттриторе, при соотношении шаров и шихты 301 в течение 3 ч, размещение шихты на пористом несгораемом основании с пористостью 50 и размером пор 90 мкм, при толщине слоя 17 мм, содержание кислорода - 20 мас. , давление - 0,08 МПа, измельчение спека до частиц порошка размером меньше 100 мкм, термохимическая обработка в воздушной среде при температуре 700 С в течение 5,5 ч. Смешивание порошков титана, хрома, твердой смазки в течение 6 ч, механоактивация в аттриторе,при соотношении шаров и шихты 301 в течение 4 ч, размещение шихты на пористом несгораемом основании с пористостью 60 и размером пор 100 мкм, при толщине слоя 20 мм, содержание кислорода - 30 мас. , давление - 1,0 МПа, измельчение спека до частиц порошка размером менее 100 мкм, термохимическая обработка в воздушной среде при температуре 900 С в течение 6 ч. Смешивание порошков титана, хрома, твердой смазки в течение 7 ч, механоактивация в аттриторе,при соотношении шаров и шихты 351 в течение 4,5 ч, размещение шихты на пористом несгораемом основании с пористостью 70 и размером пор 110 мкм, при толщине слоя 25 мм, содержание кислорода - 32 мас. , давление - 1,1 МПа, измельчение спека до частиц порошка размером менее 100 мкм, термохимическая обработка в воздушной среде при температуре 1000 С в течение 7 ч. Трение со смазкой Коэф. износ, мкм. трения покр. чугун 9,5 4,1 0,06 Сухое трение Нагрузка износ, мкм. задира покр. чугун 30,1 2,2 3,5 4163 1 Таблица 2 Трение и износ покрытия по стали п Трение со смазкой Коэф. треизнос, мкм. ния покр. сталь 12,2 1,4 0,25 Прототип Смешивание порошков титана, хрома, твердой смазки в течение 3 ч, механоактивация в аттриторе,при соотношении шаров и шихты 251 в течение 1,5 ч, размещение шихты на пористом несгораемом основании с пористостью 30 и размером пор 70 мкм, при толщине слоя 12 мм, содержание кислорода - 6 мас. , давление - 0,04 МПа, измельчение спека до частиц порошка размером менее 100 мкм,термохимическая обработка в воздушной среде при температуре 500 С в течение 4 ч. 14,1 Смешивание порошков титана, хрома, твердой смазки в течение 4 ч, механоактивация в аттриторе,при соотношении шаров и шихты 301 в течение 2 ч, размещение шихты на пористом несгораемом основании с пористостью 40 и размером пор 80 мкм, при толщине слоя 15 мм, содержание кислорода - 8 мас. , давление - 0,05 МПа, измельчение спека до частиц порошка размером меньше 100 мкм, термохимическая обработка в воздушной среде при температуре 600 С в течение 5 ч. 4,4 Смешивание порошков титана, хрома, твердой смазки в течение 5 ч, механоактивация в аттриторе,при соотношении шаров и шихты 301 в течение 3 ч, размещение шихты на пористом несгораемом основании с пористостью 50 и размером пор 90 мкм, при толщине слоя 17 мм, содержание кислорода - 20 мас. , давление - 0,08 МПа, измельчение спека до частиц порошка размером меньше 100 мкм, термохимическая обработка в воздушной среде при температуре 700 С в течение 5,5 ч. 3,6 Смешивание порошков титана, хрома, твердой смазки в течение 6 ч, механоактивация в аттриторе,при соотношении шаров и шихты 301 в течение 4 ч, размещение шихты на пористом несгораемом основании с пористостью 60 и размером пор 100 мкм, при толщине слоя 20 мм, содержание кислорода - 30 мас. , давление - 1,0 МПа, измельчение спека до частиц порошка размером менее 100 мкм,термохимическая обработка в воздушной среде при температуре 900 С в течение 6 ч. 4,0 Смешивание порошков титана, хрома, твердой смазки в течение 7 ч, механоактивация в аттриторе,при соотношении шаров и шихты 351 в течение 4,5 ч, размещение шихты на пористом несгораемом основании с пористостью 70 и размером пор 110 мкм, при толщине слоя 25 мм, содержание кислорода - 32 мас. , давление - 1,1 МПа, измельчение спека до частиц порошка размером менее 100 мкм,термохимическая обработка в воздушной среде при температуре 1000 С в течение 7 ч. 13,8 4163 1 Установление ограничения при измельчении спека до получения частиц размером менее 100 мкм обусловлено требованиями, предъявляемыми к нанесению газотермических покрытий, так как использование при нанесении керамических покрытий частиц размером более 100 мкм приводит к снижению физикомеханических свойств покрытий. Операцию термохимической обработки в воздушной среде при температуре 600-900 С проводили с целью доокисления частиц порошков до стехиометрического состава оксидов титана и хрома. При температуре термохимической обработки менее 600 С и времени менее 5 ч полного доокисления частиц порошков до стехиометрического состава не происходит, а проведение операции при температуре более 900 С и времени более 6 ч приводит к увеличению энергозатрат и частичному спеканию частиц порошка между собой. Пример. Исходные порошки титана марки ПТМ ТУ 14-1-3086-80, хрома марки ПХ 1 М, фтористого кальция, взятые в соотношении 602515 смешивались в смесителе пьяная бочка в течение 3-7 ч, затем полученная шихта подвергалась механоактивации в аттриторе при соотношении шаров и шихты от 251 до 351 и времени механоактивации в течение 1,5-4,5 ч. После механоактивации шихту ровным слоем, толщиной 10-25 мм, насыпали на пористое несгораемое основание с пористостью от 30 до 70 и размером пор от 70 до 110 мкм. Пористое несгораемое основание со слоем шихты помещали в реактор, реактор вакуумировали, заполняли азотно-кислородной смесью с содержанием кислорода от 6 до 32 мас.и проводили синтез при давлении от 0,04 до 1,1 МПа. Инициирование волны горения осуществлялось путем поджога термитной смеси, состоящей из оксида железа и алюминия (путем кратковременного 2-5 с локального высокотемпературного 9001600 С нагрева шихты вольфрамовой спиралью). После прохождения волны синтеза и остывании материала реактор разгружали. Спек снимали и подвергали дроблению на щековой дробилке, при этом размол и рассев промежуточного продукта проводили с учетом требований по гранулометрическому составу, предъявляемых к конечному продукту. После проведения операции размола проводили операцию термомеханической обработки при температуре 500-1000 С в течение 4-7 ч. После получения композиционного керамического материала проводили определение его фазового и стехиометрического состава методом рентгеновской съемки на дифрактометре ДРОН-2.0. Из порошков, полученных по прототипу и предлагаемому изобретению, проводили плазменное нанесение покрытий на образцы (колодочки) для испытаний на трение и износ. Покрытия наносили, используя установку плазменного напыления УПУ-8 М. Режим нанесения покрытий мощность плазменной струи - 30 кВт, расходы плазмообразующих газов - 30 л/мин (аргон) и 6 л/мин (водород), расход транспортирующего газа - 3 л/мин (аргон), дистанция напыления - 120 мм. Расход порошка 5 г/мин. Испытания на трение и износ проводились на машине трения СМЦ-2 по схеме 1. колодочки с покрытием - чугунный ролик (СЧ 24-44). 2. колодочки с покрытием - азотированная сталь (38 ХМЮА). Испытания при граничном и жидкостном трении проводились при нагрузке 5 МПа в течение 5 ч. Данные параметров трения и износа покрытий из порошков, полученных по прототипу и заявляемому изобретению, приведены в табл. 1, 2. Как видно из данных, приведенных в таблицах, свойства покрытий из порошков, полученных по предлагаемому способу, превышают аналогичные показатели для покрытий из материалов, полученных по прототипу. Однако при изменении режимов способа за пределы, указанные в формуле изобретения, поставленная цель не достигается. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.