СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК B22D27/08 B22F9/02 B22F1/00 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для получения композитов или иных материалов из порошков, расслаивающихся расплавов или расплавов с ограниченной растворимостью.

Известен способ смешивания несмешиваемых в жидком состоянии сплавов в условиях невесомости [1]
Однако, при этом не достигается пространственно однородное распределение капель одной жидкости в другой. Кроме того, по оценке специалистов НАСА США вывод одного килограмма веса материала на орбиту оценивается в 5 тыс. долларов.

Известен способ получения эмульсий вибрацией в вертикальном направлении тигля с расплавом с амплитудой 4 мм и частотой 33 Гц [2]
Однако, при данном способе стабильность эмульсий оказалась невысокой: после 10-секундной выдержки система полностью разделяется на две массивные фазы. Кроме того, распределение и дисперсность фазы на основе свинца по сечению в цинковой матрице неравномерны, т.е. полученный сплав неоднороден. К тому же в чисто бинарной смеси цинк свинец при указанных параметрах перемешивания следов эмульсии не обнаруживается вследствие относительно высокого значения межфазного натяжения σ₁₂=90 мДж/м² и большого различия в плотностях расплавов Δρ 3,84 г/см³. Поэтому авторы для снижения s₁₂ и Δρ вводили олово до 26 мас. растворимое в обеих фазах и - капиллярно активное на межфазной границе. Подобный прием при получении эмульсий цинк свинец значительно удорожает процесс между высокой по отношению к цинку и свинцу стоимости олова.

Кроме того, известный способ не позволяет получать качественные материалы из порошков и их смесей, т.к. не обеспечивается необходимая активация поверхности порошка или порошковой смеси.

Известен также способ получения материалов [3] включающий загрузку компонентов в рабочую камеру и последующую импульсную обработку в герметично закрытой камере в направлении силы тяжести с помощью возбудителя колебаний.

Недостатком данного способа является то, что он не позволяет получать однородные и стабильные во времени материалы из практически несмешиваемых компонентов.

Цель изобретения создание универсального способа, позволяющего получать материалы из расплавов и порошков в широком сочетании смешиваемых компонентов с высокой степенью однородности и стабильности получаемого материала.

Цель достигается тем, что в способе получения материалов, включающем загрузку компонентов в рабочую камеру и последующую импульсную обработку в герметично закрытой камере в направлении силы тяжести возбудителя колебаний, обработку ведут в газовой среде при соотношении амплитуды и частоты импульсов 0,0890-0,4000, плотности звуковой энергии 3,5•10⁸ - 1,3•10⁸ Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 305-3000 м/с².

При этом в качестве компонентов в способе можно применять расплавы, осуществляя заданное охлаждение после импульсной обработки. В качестве компонентов используют также смеси порошков.

Для возбуждения импульсов при обработке исходных компонентов предлагаемым способом могут быть использованы различные типы генераторов колебаний, что связано со свойствами исходных компонентов и условиями их обработки.

Так, при обработке взрывоопасного или воспламеняющегося материала целесообразно использование гидравлического генератора колебаний.

В случае необходимости обработки материала в автономных условиях целесообразно использование механического генератора колебаний.

В случае отсутствия каких-либо ограничительных условий наиболее оптимальным является использование электромагнитного генератора колебаний.

При отсутствии каких-либо ограничительных условий возможно также использование пневматического генератора колебаний.

При обработке различных по составу исходных веществ с целью достижения максимальной активации их поверхности целесообразно выполнение движущейся части возбудителя колебаний определенной конфигурации.

Так, при обработке порошка или порошковой смеси с удельной поверхностью от 5 до 4 м²/г целесообразно выполнение полости движущейся части возбудителя импульсов в виде конуса.

При обработке порошка или порошковой смеси с удельной поверхностью от 4 до 3 м²/г целесообразно выполнение полости движущейся части возбудителя импульсов в виде цилиндра.

При обработке порошка или порошковой смеси с удельной поверхностью от 3 до 2 м²/г целесообразно выполнение полости движущейся части возбудителя в виде сферы.

При обработке порошка или порошковой смеси с удельной поверхностью от 2 до 1 м²/г целесообразно выполнение движущейся части возбудителя в виде гиперболы.

При обработке порошка или порошковой смеси с удельной поверхностью от 1 до 0,1 м²/г целесообразно выполнение полости движущейся части возбудителя в виде параболы.

С целью интенсификации процесса обработку ведут в газовой среде, причем состав газовой среды обусловлен исходным составом обрабатываемого материала.

Так, при обработке материалов, содержащих в своем составе нитридообразующие элементы титан, бор и т.д. целесообразно обработку вести в среде чистого азота.

Материалы с содержанием оксидостабилизирующих элементов целесообразно обрабатывать в среде чистого кислорода.

Материалы, содержащие в своем составе элементы, хорошо поглощающие водород (палладий, медь и т.д.), целесообразно обрабатывать в среде чистого водорода.

Материалы, содержащие легкоокисляемые элементы (натрий, калий, барий и т.д.), целесообразно обрабатывать в вакууме или в среде инертного газа.

Материалы, содержащие окисляемые элементы группы железа, целесообразно обрабатывать в среде инертного газа.

С целью получения наибольшей активации поверхности обрабатываемого материала обработку ведут при температуре структурных превращений, причем температурный интервал выбирают с учетом исходного состава обрабатываемого материала.

Так, при обработке материалов с содержанием тугоплавких металлов и группы железа (или элементов VI группы таблицы Менделеева) целесообразно вести обработку при температуре полиморфного превращения.

При обработке материалов с содержанием легкоплавких металлов обработку целесообразно вести при температуре фазового превращения.

Предлагаемый способ позволяет получать материалы как из расплавов, так и из порошков и порошковой смеси.

При указанных выше параметрах при обработке расплавов в последних образуются кавитационные полости, которые, схлопываясь, развивают локально высокие давления (до 20000 атм) и вторичные ударные (кумулятивные) волны, несущие высокую энергию. Именно это и позволяет смешивать расплавы с высокой степенью однородности, стабильности во времени и без применения физико-химических методов снижения плотности и межфазного поверхностного натяжения.

При обработке порошка или порошковой смеси необходимо считывать такие физико-химические характеристики порошков, как насыпная плотность, сыпучесть, поверхностное натяжение, дискретность порошка, как физической субстанции, многофазность исходной системы. При предлагаемых параметрах в замкнутом объеме рабочей камеры порошок или порошковая смесь подвергаются сложному физическому воздействию интенсивному перемешиванию в микрообъемах и диспергированию, акустической обработке, высоким удельным локальным давлениям, трению, нагреву, что ведет к значительной интенсификации процесса и активации поверхности порошка или порошковой смеси (т.е. появлению поверхностно-активных центров), что позволяет получать материалы с высокой степенью однородности и стабильности во времени.

В предлагаемом способе обработку ведут в направлении действия силы тяжести, при этом активное воздействие на исходный материал осуществляется как при ходе вниз, так и при ходе вверх, попеременно создавая в объеме исходного материала ударные волны растяжения сжатия, которые в расплавах интенсифицируют процесс кавитации, а в порошках или в порошковых смесях способствуют еще большей активации их поверхности, что позволяет получать материалы из практически несмешиваемых исходных компонентов.

Осуществление способа возможно только в замкнутой, герметичной рабочей камере.

В соответствии с предлагаемым способом обработку ведут в газовой среде, которая вследствие ее взаимодействия с исходными компонентами способствует процессу кавитации в расплавах и активации в порошках или порошковых смесях.

Введение обработки при температуре структурных превращений также способствует в расплавах процессу кавитации, а в порошках или порошковых смесях активации поверхности, т.е. в общем случае к интенсификации процесса получения материала вследствие изменения параметров кристаллической решетки исходных компонентов.

Предлагаемый способ получения материалов из расплавов и порошков осуществляют следующим образом.

Пример 1. Исходные компоненты порошковой смеси: карбид вольфрама (WC), сложный карбид титана (CKTWC), вольфрам с кобальтом (WCo).

Берут 250 г смеси при следующих соотношениях компонентов, мас. карбид вольфрама 30; сложный карбид титана 40; вольфрам 25; кобальт 5.

Смесь загружают в рабочую камеру установки импульсной обработки, в которой расположена движущаяся часть электромагнитного генератора, используемого в качестве возбудителя импульсов. Полость движущейся части возбудителя импульсов выполнена в виде цилиндра. Рабочую камеру заполняют водородом, который подают через редуктор при давлении 1 атм. Затем камеру герметизируют. Обработку ведут в направлении силы тяжести при соотношении амплитуды и частоты, равном 0,2445, плотности вводимой звуковой энергии, равной 2,45•10⁷ Дж/м³, и ускорении движущейся части возбудителя импульсов 1650 м²/с при 20^oC в течение 5 мин. Затем камеру разгерметизируют, газ откачивают и выгружают обработанную порошковую смесь.

Согласно данным химического анализа порошковая смесь полностью однородна. Методом гармонического анализа по уширению и сдвигу линий на дифрактограмме подтверждено наличие центров активаций.

Из полученной смеси изготавливают образцы (5 х 5 х 10) и спекают их по стандартной технологии. Сравнительные свойства образцов, изготовленных из порошковой смеси по предлагаемому способу, и образцов, изготовленных в соответствии с прототипом (известный способ), приведены в табл. 1.

Время обработки по известному способу составило 24 ч, при этом полученная при смешивании порошковая смесь по результатам химического анализа неоднородна.

Время смешивания в предлагаемом способе составляет 5 мин, при этом полученная смесь полностью однородна.

Пример 2. Исходные компоненты расплава: алюминий и свинец (при известных методах расплав несмешиваем).

Навески алюминия в количестве 1 кГ и свинца в количестве 0,5 кГ, загружаясь в закрытую камеру, которая помещалась в печь (до 500^oC) для расплавления компонентов.

В камере расположена движущаяся часть электромагнитного генератора, используемого в качестве возбудителя импульсов. Рабочую камеру закрывают и создают вакуум порядка 10^-4 10^-5 мм рт. ст. Затем камеру герметизируют. Обработку ведут в направлении действия силы тяжести при соотношении амплитуды и частоты, равном 0,2445, плотности вводимой звуковой энергии, равной 2,45•10⁶ Дж/м³, и ускорении движущейся части возбудителя импульсов 1650 м/c² при 20^oC в течение 5 мин. Затем камеру разгерметизируют, где откачивают и выгружают обработанный расплав.

Согласно данным физико-химического и рентгенофазного анализа полученный расплав полностью однороден.

Сравнительные свойства расплавов, полученных по предлагаемому способу, и сплавов, полученных в соответствии с прототипом, приведены в табл.2.

При этом предельное растворение свинца в расплаве, полученном по известному способу, не превышает 5%
Предельное растворение свинца в расплаве, полученном в соответствии с предлагаемым способом, 30% и выше.

Результаты данных выводов подтверждаются результатами металлографии и рентгенофазного анализа. Так, параметры кристаллических решеток компонентов расплава, полученного известным способом, по сравнению с их исходным состоянием остались без изменений, а параметры кристаллических решеток компонентов расплава, полученного предлагаемым способом, по сравнению с их исходным состоянием изменились следующим образом: у свинца уменьшился до 4,049; у алюминия уменьшился до 4,046.

Эти данные позволяют сделать вывод о том, что в данном случае получен твердый раствор внедрения (т.е. свинца в кристаллической решетке алюминия и алюминия в кристаллической решетке свинца), а не образование эмульсии, как по известному способу.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать однородные и стабильные во времени материалы из практически несмешиваемых известными способами компонентов.

Использование: для получения композитов или иных материалов из порошков, расслаивающихся расплавов или расплавов с ограниченной растворимостью. Техническая задача: создание универсального способа, позволяющего получать материалы из расплавов и порошков в широком сочетании смешиваемых компонентов с высокой степенью однородности и стабильности получаемого материала. Сущность изобретения: в способе получения материалов из расплавов и порошков, включающем загрузку компонентов в рабочую камеру, их импульсную обработку в вертикальном направлении с помощью возбудителя колебаний и их последующее заданное охлаждение, обработку ведут при герметично закрытой камере в газовой среде или в вакууме в направлении силы тяжести, при соотношении амплитуды и частоты импульсов 0,890-0,400, плотность звуковой энергии 3,6•10⁶ - 1,3•10⁸ Дж/м³, с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 305-3000 м²/с при температуре структурных превращений. 18 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения материалов, включающий загрузку компонентов в рабочую камеру и последующую импульсную обработку в герметично закрытой камере в направлении силы тяжести с помощью возбудителя импульсов, отличающийся тем, что обработку ведут в газовой среде при соотношении амплитуды и частоты импульсов 0,089 0,400, плотности звуковой энергии 3,6 • 10⁶ 1,3 • 10⁸ Дж/м³ с ускорением движущейся части возбудителя импульсов 305 3000 м/с² при температуре структурных превращений. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве компонентов используют расплавы, а после импульсной обработки осуществляют заданное охлаждение. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве компонентов используют смеси порошков. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве возбудителя импульсов используют гидравлический генератор колебаний. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве возбудителя импульсов используют механический генератор колебаний. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве возбудителя импульсов используют электромагнитный генератор колебаний. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве возбудителя импульсов используют пневматический генератор колебаний. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что движущая часть возбудителя импульсов выполнена с полостью в виде конуса. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что движущаяся часть возбудителя импульсов выполнена с полостью в виде цилиндра. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что движущаяся часть возбудителя импульсов выполнена с полостью в виде сферы. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что движущаяся часть возбудителя импульсов выполнена с полостью в виде гиперболы. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что движущаяся часть возбудителя импульсов выполнена в виде параболы. 13. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут в среде чистого азота. 14. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут в среде чистого кислорода. 15. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут в среде чистого водорода. 16. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут в вакууме. 17. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут в среде инертного газа. 18. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут при температуре полиморфного превращения. 19. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут при температуре фазового превращения.